Applications et solutions des systèmes de stockage d'énergie par batterie

Les systèmes de stockage d'énergie (ESS) jouent un rôle crucial dans la construction d'un monde à faible émission de carbone et figurent parmi les applications industrielles à la croissance la plus rapide. Plusieurs facteurs stimulent cette croissance, notamment des politiques agressives alignées sur les objectifs de décarbonisation dans divers pays, la demande croissante de stockage et de gestion des sources d'énergie renouvelable telles que l'énergie solaire, ainsi que la réduction continue des coûts des batteries lithium-ion. Cet article présente l'architecture des ESS, ainsi que les produits et solutions fournis par onsemi.

Les ESS sont une application largement étudiée, et ils stockent l'énergie par des méthodes telles que le stockage électrochimique (batteries), le stockage mécanique (air comprimé) et le stockage thermique (sel fondu). Cet article se concentrera sur les systèmes de stockage par batteries connectés aux systèmes d'onduleurs solaires.

Les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS) sont largement utilisés dans les secteurs résidentiels et commerciaux. Dans les applications résidentielles, les BESS peuvent servir de source d'alimentation de secours pour prévenir les coupures de courant imprévues et réduire les coûts en transférant l'énergie des périodes de faible valeur aux périodes de haute valeur. Dans les systèmes commerciaux de plus grande taille, les BESS peuvent stocker et gérer efficacement l'énergie gratuite et propre produite par les onduleurs solaires, permettant ainsi de faibles émissions de carbone. Une autre caractéristique clé des BESS aujourd'hui est leur capacité à soulager la pression exercée sur le réseau due à la demande croissante de recharge des véhicules électriques.

Un système BESS se compose de quatre parties : pack batterie, système de gestion de batterie (BMS), système de conversion d'énergie (PCS) et système de gestion de l'énergie (EMS), et convient aussi bien aux applications commerciales que résidentielles. Le pack batterie est composé de cellules de batterie, avec des modules haute tension intégrés dans des racks ou des banques pour atteindre une capacité plus élevée. En général, la plage de tension de charge et de décharge s'étend de 50V à 1100V, selon la tension de la batterie et la topologie du circuit. Le BMS est un système électronique qui gère les batteries rechargeables en veillant à ce qu'elles fonctionnent dans la plage de fonctionnement sûre (SOA), en surveillant les états de fonctionnement, et en calculant et rapportant les données en temps réel pour obtenir une durée de vie opérationnelle plus longue. Le PCS est un autre sous-système important qui connecte le pack batterie au réseau et/ou aux charges pour une conversion bidirectionnelle de l'énergie. Il détermine en grande partie le coût, la taille et la performance du système. L'EMS est un système informatique basé sur un logiciel utilisé par les opérateurs de réseau pour surveiller, contrôler et optimiser les performances des systèmes de génération ou de transmission.

Comparés aux IGBTs, les dispositifs SiC présentent plus d'avantages dans les applications à haute tension et à fort courant, comme permettre une commutation haute fréquence. Bien que les IGBTs restent le choix préféré pour la conception de BESS, l'intégration de dispositifs SiC dans certaines sections peut offrir des performances exceptionnelles, en tenant compte des différentes stratégies de commutation. Par exemple, dans un onduleur bidirectionnel utilisant A-NPC, où une stratégie de commutation dédiée nécessite une fréquence de commutation élevée pour les interrupteurs internes, les dispositifs SiC peuvent être sélectionnés pour les branches internes afin de réduire les pertes de commutation, tandis que les autres interrupteurs peuvent toujours utiliser des IGBTs à faible VCE_(SAT) pour maintenir les coûts raisonnables.

Les topologies bidirectionnelles courantes dans les PCS, telles que le I-NPC à trois niveaux et l'ANPC à trois niveaux, sont conçues pour s'adapter à l'augmentation de la puissance de sortie. Comparées aux topologies à deux niveaux, les topologies à trois niveaux nécessitent plus de composants, de signaux de commande et des structures de contrôle plus complexes. Cependant, leurs avantages sont évidents : l'objectif de la configuration à trois niveaux est de réduire la perte de puissance et les ondulations de courant grâce à une tension appliquée réduite de moitié, ainsi que d'améliorer la performance EMI.

Le NXH800H120L7QDSG est le nouveau module de puissance demi-pont IGBT QDual3 1200 V 800 A d'onsemi. L'IGBT intégré Field Stop Trench 7 et la diode Gen.7 offrent des pertes de conduction et de commutation réduites, permettant aux concepteurs d'atteindre une haute efficacité et une excellente fiabilité. En connectant en parallèle plusieurs modules QDual3, un module ANPC à trois niveaux peut être formé, avec une puissance de sortie système atteignant de 1,6 MW à 1,8 MW.

DESAT (Desaturation) est l'une des fonctionnalités de protection importantes dans la conversion haute puissance. Il aide à prévenir les dommages aux IGBTs/MOSFETs causés par les courts-circuits en désactivant les interrupteurs aussi rapidement que possible. Le NCD57000 intègre une fonction de détection de désaturation, et lorsque le V_CESAT atteint la valeur cible, le MOSFET STO (soft turn-off) interne est activé pour décharger le condensateur de grille, réduisant ainsi les contraintes de surtension et les pertes causées par un dV/dt élevé. De plus, ce driver de grille à canal unique offre un courant source/puit élevé (4 A/6 A), une isolation galvanique de 5 kVrms, ainsi que d'autres fonctionnalités de protection telles que l'UVLO et le clamp actif Miller.

Vous trouverez ci-dessous quelques produits clés de onsemi destinés aux applications des systèmes de stockage d'énergie par batterie. Tout d'abord, les alimentations auxiliaires sont généralement conçues en utilisant une topologie flyback QR (Quasi-Résonant) avec une régulation côté primaire. Le NCP1362 est un contrôleur PWM côté primaire pour les alimentations SMPS hors ligne à faible puissance. L'avantage principal de l'utilisation du NCP1362 est qu'il ne nécessite pas de rétroaction optocouplée, ce qui améliore la fiabilité de l'alimentation. Il désactive également l'interrupteur à faible VDS afin d'améliorer l'efficacité et de réduire la chaleur. Le NCP1362 est un contrôleur flyback QR côté primaire qui ne nécessite pas de circuits de rétroaction secondaires et est capable de réaliser un contrôle de mode de courant de crête QR avec verrouillage de la vallée, offrant une efficacité optimisée en faible charge et une performance en mode veille.

Un système de stockage d'énergie distribué pourrait comporter des centaines de PCS et d'unités de contrôle. Les centres de commande modernes nécessitent des solutions de connectivité plus complexes afin de répondre aux exigences croissantes en matière de nœuds et de calcul. Le NCN26010 de onsemi est l'un des premiers contrôleurs sur le marché à se conformer à la norme 802.3cg. Il offre une excellente immunité au bruit, dépassant le niveau d'immunité au bruit de la norme IEEE 802.3cg, avec une portée de plus de 50 mètres, tout en réduisant jusqu'à 70 % du câblage requis, diminuant ainsi les coûts d'installation jusqu'à 80 % et réduisant les coûts de maintenance logicielle.

Le MOSFET EliteSiC 1200 V est une nouvelle série de MOSFETs planaires SiC 1200 V M3S optimisés pour une utilisation à haute température, avec une amélioration de la capacité parasite pour un fonctionnement à haute fréquence. À V_GS = 18 V, R_DS(ON) = 22 mΩ, avec une charge de grille ultra-faible (Q_G(TOT)) = 137 nC. Il offre une commutation à grande vitesse, une faible capacité (C_OSS = 146 pF) et utilise un boîtier à quatre broches avec Source Kelvin.

Le Field Stop VII 1200 V IGBT est une nouvelle série de Trench Field Stop VII IGBT 1200 V avec des tranchées à mesas étroites et des tampons multiples à implantation de protons pour offrir des types à commutation rapide et faible V_CE(SAT) . Il améliore la capacitance parasite pour une opération à haute fréquence et est doté de boîtiers communs. Ses applications cibles sont l'infrastructure énergétique et l'automatisation industrielle.

Le Field Stop VII IGBT PIM NXH800H120L7QDSG offre une haute efficacité et une grande contrôlabilité grâce au Field Stop Trench 7 IGBT et aux diodes Gen.7. Il prend en charge une configuration en demi-pont 2-en-1 de 1200 V, 800 A, offrant une densité de puissance 10 % supérieure et des pertes énergétiques 10 % inférieures par rapport aux produits concurrents de premier plan. Il comprend également une faible résistance thermique, une plaque de base isolée, des thermistances NTC, des broches soudables et des broches à pression (selon les besoins), avec un agencement à faible inductance.

Lors du choix d’un driver de porte, il est essentiel de prendre en compte des facteurs tels que la capacité de pilotage de courant, la détection de défauts, l’immunité au bruit, le délai de propagation, la compatibilité et autres. Cependant, tous ces facteurs ne sont pas forcément aussi importants pour chaque application. Par exemple, contrairement aux IGBTs, les caractéristiques de sortie des MOSFETs SiC ressemblent davantage à une résistance variable et n’ont pas de région de saturation, ce qui signifie que le principe normal de détection de désaturation ne fonctionne pas. Une solution consiste à utiliser des capteurs de courant pour détecter une surintensité ou des capteurs de température pour détecter des températures anormales.

Le NCP51561 est un pilote de grille isolé à double canal avec un courant de crête source/puit de 4,5A/9A. Il offre un délai de propagation typique de 36 ns, avec un écart maximal de délai de 5 ns, et prend en charge les modes d'entrée simple ou double via ANB. Il prend en charge une isolation galvanique de 5 kV et dispose d'un CMTI de ≥ 200 kV/μs. Il est disponible dans un boîtier SOIC-16WB avec une distance d'isolement de 8 mm.

Les NCD57080 / NCD57090 sont des drivers de grille isolés à un canal avec un courant de crête de source/puits de 6,5A. Ils offrent des versions à sortie divisée avec clamp actif Miller ou polarisation négative, prennent en charge des entrées logiques de 3,3V, 5V et 15V, et fournissent une isolation galvanique de 3,5 kV. Leur CMTI est ≥ 100 kV/μs. Le NCD57080 est proposé dans un boîtier SOIC-8 avec une distance de fuite de 4 mm, tandis que le NCD57090 est proposé dans un boîtier SOIC-8WB avec une distance de fuite de 8 mm.

Le NCD57100 est un pilote de grille isolé à canal unique avec un courant de crête source/puits de 7A, une protection UVLO et DESAT. Il prend en charge une large plage de tension de polarisation, incluant un VEE négatif, et est compatible avec des entrées logiques de 3.3V, 5V et 15V. Il offre également une isolation galvanique de 3.5 kV et a un CMTI de ≥ 100 kV/μs. Le pilote est présenté dans un boîtier SOIC-16WB avec une distance de fuite de 8mm.

Dans les topologies courantes de convertisseurs CA-CC bidirectionnels, le convertisseur triphasé à pont complet présente un circuit simple, un contrôle facile et moins de composants. Cependant, les interrupteurs doivent supporter la tension totale du bus et les surtensions, et nécessitent des transformateurs de haute capacité, ce qui augmente le coût et la taille du système final. Les composants à large bande interdite sont préférés pour réduire le THD et la taille de l'inducteur.

Le convertisseur totem unique/à trois phases peut améliorer l'efficacité, les EMI et le THD, tout en réduisant la quantité d'événements de commutation par cycle. Il dispose de moins de commutateurs et d'une densité de puissance plus élevée, mais nécessite des composants à large bande pour minimiser les pertes de récupération. Il présente également un bruit au point de passage par zéro et un bruit en mode commun.

Le convertisseur triphasé à trois niveaux adopte une configuration à trois niveaux, ce qui peut réduire le THD et le stress de tension sur certains interrupteurs. Il nécessite davantage de pilotes de grille et un contrôle plus complexe, mais offre une meilleure efficacité et un coût plus élevé, et constitue une configuration éprouvée dans les conceptions d'onduleurs solaires.

Dans les topologies DC-DC bidirectionnelles courantes, le convertisseur buck-boost peut étendre la plage de tension de charge/décharge pour améliorer l'utilisation de la batterie. Il peut réaliser une conversion d'énergie bidirectionnelle lors de la charge et de la décharge et comporte moins de composants tout en étant facile à contrôler. Le choix des composants peut dépendre de la tension de la batterie.

Le convertisseur à pont actif double peut fonctionner avec une modulation par décalage de phase pour atteindre le basculement à tension nulle (ZVS) sous des charges élevées. Des courants déséquilibrés aux deux étapes peuvent entraîner des pertes inattendues. Pour atteindre l'efficacité prévue, des conceptions complexes sont nécessaires pour le décalage de phase, le transformateur et la fréquence. Lors des opérations à haute fréquence/haute tension, les composants à large bande interdite sont le choix privilégié, car ils réduisent les ondulations du courant de sortie, minimisant ainsi la taille du condensateur de sortie. C'est le choix préféré pour les applications à haute puissance, soutenant une conversion isolée pour des raisons de sécurité.

Le convertisseur résonnant CLLC peut atteindre une conversion bidirectionnelle basée sur LLC en ajoutant un condensateur. Grâce à une modulation de fréquence complexe et une sélection passive, il atteint une haute efficacité dans les deux sens. Une conversion DC-DC supplémentaire est nécessaire pour obtenir une large plage de sortie, garantissant une bonne efficacité. Il offre une meilleure efficacité que DAB sur toute la plage de charge et prend en charge une conversion isolée pour la sécurité.

onsemi propose une gamme complète de produits pour les systèmes de stockage d'énergie par batterie, y compris des convertisseurs AC-DC bidirectionnels et DC-DC bidirectionnels, des pilotes de grille isolés, la gestion de l'alimentation, le conditionnement du signal et le contrôle, la logique et la mémoire, les interfaces, et bien plus encore, répondant aux besoins d'achat tout-en-un des clients.

Les systèmes de stockage d'énergie par batteries jouent un rôle crucial dans les structures énergétiques modernes. Ils améliorent non seulement efficacement l'efficacité d'utilisation des énergies renouvelables, mais fournissent également un support fiable pour la stabilité du réseau et la flexibilité de l'électricité. Avec l'innovation technologique continue, la sécurité, la durée de vie et le rapport coût-efficacité des systèmes de stockage d'énergie s'améliorent constamment, ce qui favorise leur application généralisée dans les infrastructures électriques résidentielles, commerciales, industrielles et à grande échelle. onsemi propose une gamme complète de produits nécessaires à la conception de systèmes de stockage d'énergie par batteries, ce qui accélérera la vitesse de conception des produits d'application liés et aidera à saisir les opportunités du marché.