Le rôle des thermistances et des convertisseurs DC-DC dans les systèmes de stockage d'énergie

Dans les systèmes modernes de stockage d'énergie (ESS), un fonctionnement efficace et stable est crucial pour la gestion de l'énergie et les applications. Avec le développement rapide des énergies renouvelables et l'accent croissant mis sur l'efficacité de l'utilisation de l'énergie, les ESS deviennent un support technique essentiel pour mener à bien la transition énergétique. Au sein de ce système, les thermistances et les convertisseurs DC-DC, en tant que composants critiques des ESS, jouent des rôles indispensables dans la surveillance de la température et la conversion énergétique, respectivement. Cet article explorera les rôles clés et les caractéristiques techniques des thermistances et des convertisseurs DC-DC dans les ESS, ainsi que les solutions connexes introduites par Murata.

Le système ESS est principalement utilisé pour stocker l'énergie électrique et fournir une sortie de puissance stable, avec pour composant principal le module de batterie. En tant que capteur de température très sensible, la thermistance joue un rôle essentiel dans le module de batterie du système ESS.

La plupart des batteries utilisées dans les systèmes de stockage d'énergie (ESS), comme les batteries au lithium-ion, sont très sensibles à la température. Les thermistances surveillent en temps réel la température des packs de batteries, garantissant ainsi que les batteries fonctionnent dans une plage de température sûre. De plus, lors des processus de charge et de décharge, les batteries génèrent de la chaleur qui, si elle s'accumule de manière excessive, peut provoquer une emballement thermique ou même des incendies. Les thermistances peuvent déclencher des circuits de protection lorsque la température dépasse un seuil défini, coupant l'alimentation ou réduisant la sortie. Dans des environnements à basse température, les performances des batteries peuvent se détériorer ou même subir des dommages ; les thermistances peuvent surveiller ces états de basse température et inciter le système à activer les fonctions de préchauffage.

D'autre part, les thermistors peuvent également optimiser les performances des batteries, car les caractéristiques de charge et de décharge des batteries sont étroitement liées à la température. Les données de température fournies par les thermistors peuvent aider le système à optimiser les paramètres de charge et de décharge, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. Grâce à un contrôle précis de la température, les thermistors contribuent à prévenir le vieillissement des batteries causé par une surchauffe ou un refroidissement excessif, prolongeant ainsi la durée de vie des batteries.

Les thermistors jouent un rôle crucial dans le diagnostic des pannes et la maintenance prédictive. Si la température d'une cellule ou d'une région spécifique augmente anormalement, les thermistors peuvent émettre des alertes en temps utile pour éviter que le problème ne s'aggrave. De plus, les données de température recueillies par les thermistors peuvent être utilisées pour une analyse historique, aidant à prévoir les tendances de vieillissement des batteries ou les points de panne potentiels, fournissant ainsi une base pour les décisions opérationnelles et de maintenance.

Les thermistors aident également à s'adapter aux divers scénarios de stockage d'énergie, car les systèmes de stockage d'énergie (ESS) peuvent être déployés à l'intérieur ou à l'extérieur avec des variations importantes de température environnementale. La haute sensibilité et la large plage de mesure de température des thermistors leur permettent de s'adapter à divers scénarios. Dans les domaines des énergies renouvelables tels que l'énergie éolienne et l'énergie photovoltaïque, les thermistors dans les ESS aident à gérer les fluctuations de température des batteries, garantissant la stabilité et la fiabilité du système.

Les thermistances sont des dispositifs semi-conducteurs dont la valeur de résistance change avec la température. Elles sont principalement utilisées dans des applications de détection de température et de contrôle de courant et peuvent servir de capteurs de température dans des applications ESS. En fonction de la manière dont leur valeur de résistance varie avec la température, les thermistances sont divisées en deux types principaux : les thermistances à coefficient de température positif (PTC) et les thermistances à coefficient de température négatif (NTC).

Les thermistances PTC augmentent leur valeur de résistance à mesure que la température augmente, et elles sont principalement utilisées pour la protection contre les surintensités, les interrupteurs thermiques et la protection autoréparable des dispositifs de chauffage. Dans les appareils électroniques, lorsque le courant dépasse la valeur nominale, la thermistance PTC en série avec le circuit protégé augmente sa valeur de résistance par auto-échauffement, limitant ainsi le courant excessif. De plus, les thermistances PTC peuvent agir comme des interrupteurs thermiques. Lorsque la température du système dépasse une valeur prédéfinie, la résistance PTC augmente, déclenchant ainsi l'action de l'interrupteur correspondant.

Les thermistances NTC, en revanche, diminuent leur valeur de résistance à mesure que la température augmente. Cette caractéristique peut être utilisée pour surveiller la température des composants électroniques ou des dispositifs afin de garantir leur bon fonctionnement. Dans certaines applications, les thermistances NTC sont utilisées pour compenser les variations de température dans les dispositifs, en maintenant une performance stable.

Les thermistances sont omniprésentes dans notre vie quotidienne. Elles sont utilisées non seulement comme thermomètres et capteurs de température dans les climatiseurs, mais également comme régulateurs de température dans les smartphones, bouilloires électriques et fers à repasser. En outre, les thermistances sont largement appliquées dans divers dispositifs de puissance pour le contrôle du courant. Récemment, avec l'électrification croissante des véhicules, les thermistances ont été largement utilisées dans les projets de véhicules électriques, tels que les batteries embarquées et le LiDAR. De plus, les thermistances trouvent de vastes applications dans divers projets industriels et énergétiques, notamment les infrastructures de recharge rapide pour véhicules électriques, les onduleurs solaires, les onduleurs de stockage d'énergie et les ensembles de batteries.

Murata a introduit divers types de thermistances pour répondre aux besoins des applications ESS. Les produits de thermistances de Murata sont divisés en deux principales séries : thermistances NTC et thermistances PTC. La série de thermistances NTC comprend le NCU pour des applications à haute fiabilité, le NCP pour des applications de consommation et le NCG pour un montage par colle conductrice. La série de thermistances PTC propose le PRF pour la protection contre les surchauffes et le PRG pour la protection contre les surintensités. Parmi celles-ci, la série NCU est largement utilisée dans les projets automobiles et énergétiques.

La série NCU de Murata est un thermistor NTC de type SMD. Grâce à sa structure unique, les électrodes externes en cuivre offrent une fiabilité élevée, permettant une application flexible dans divers scénarios exigeants de détection de température. C'est un produit phare parmi les thermistors de Murata et convient aux marchés nécessitant une haute fiabilité tels que l'automobile, l'industrie et l'énergie. Il permet une détection sur une large plage de températures ainsi que des fonctions de compensation de température.

De nos jours, les systèmes ESS apparaissent principalement sous forme de solutions modulaires. En général, les systèmes ESS incluent des modules de batteries, des modules de gestion (gestion thermique/gestion de l'énergie/gestion des batteries) et des modules de conversion de puissance. Par exemple, dans le module de conversion de puissance du système ESS, le MPPT ou l'onduleur triphasé (3P T) est principalement utilisé pour fournir la conversion et la transmission d'énergie. On trouve un grand nombre de transistors Mos SiC ou GaN. Le courant de commande de ces transistors de commutation est plus important, et le processus de commande nécessite d’être plus efficace, avec un basculement rapide de la tension de grille afin de réduire la perte d'énergie due aux délais.

Un module de gestion complet ESS contient généralement un grand nombre d'interfaces CAN bus, RS485, RS232, ainsi que des MCU, des puces de surveillance des cellules, etc. Ces interfaces et puces nécessitent également une isolation électrique dans les applications. Pour répondre à ces deux types de besoins réels, Murata fournit des modules de commande d'isolation de porte et des solutions de modules d'isolation d'interface de type SMD à faible hauteur.

Murata propose une série de convertisseurs DC-DC isolés spécialement conçus pour les circuits de commande des grilles, adaptés aux gammes de produits IGBT, SiC, MOS et GaN. Ces convertisseurs sont couramment utilisés dans des applications telles que les énergies renouvelables, le mouvement et le contrôle, la mobilité et les solutions de santé. Les caractéristiques incluent une capacitance d’isolation ultra-faible de 3pF, une tension de sortie bipolaire optimisée pour les commandes de grille IGBT/SiC et MOS, une capacité de support de tension de lien DC allant jusqu'à 3kV, une fiabilité contre les décharges partielles et une immunité au dv/dt maintenant plus de 80kV/µs à 1,6kV pendant de longues durées.

Murata a également commercialisé des convertisseurs DC-DC isolés adaptés aux semi-conducteurs de puissance GaN de nouvelle génération capables de gérer des hautes fréquences, contribuant ainsi à une conversion rapide de puissance requise dans diverses applications. Les convertisseurs DC-DC de sortie 1W de la série MGN1 sont conçus pour fournir les tensions nécessaires aux drivers de grille des dispositifs GaN.

Les dispositifs de la série MGN1 offrent une solution montée en surface, de faible encombrement et compacte, qui peut être facilement intégrée dans des systèmes à espace limité. Ils présentent également une conception légère, offrant une plus grande flexibilité de déploiement. Les tensions de sortie disponibles sont +8V, +12V et +6/-3V.

Un des principaux attributs des convertisseurs DC-DC de la série MGN1 est la très faible capacité d’isolation de 2,5 pF (typique). Cela minimise le couplage transitoire sur la grille isolée, empêchant toute distorsion de signal. De plus, cela contribue à atténuer les problèmes de CEM dans le système. Avec une immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) supérieure à 200 kV/μs, ces convertisseurs sont particulièrement adaptés aux systèmes basés sur GaN avec des vitesses de commutation élevées, garantissant l’intégrité des signaux des drivers de grille. Leur immunité aux décharges partielles permet un fonctionnement fiable sous des conditions de haute tension.

Les convertisseurs DC-DC de la série MGN1 de Murata supportent une tension d'isolement continue de 1.1kV. Ces convertisseurs disposent d'une distance de fuite et d'isolement de 6,5mm ainsi que d'une plage de température de fonctionnement de -40°C à +105°C, permettant leur installation dans des environnements difficiles. De plus, ils intègrent des mécanismes de protection contre les inversions de polarité et les courts-circuits.

Murata présente également une nouvelle génération de modules SMD des séries NXE et NXJ, qui se distinguent par leur miniaturisation et constituent des solutions économes en espace pour les clients. Ces modules intègrent des transformateurs et utilisent des systèmes de production et de test entièrement automatisés pour une fiabilité accrue, tout en étant économiques. Ils supportent une température de soudure de 260°C et sont conformes aux normes AEC-Q104. Les séries NXE et NXJ prennent en charge une alimentation électrique isolée pour la communication, adoptent les interfaces CAN bus, RS485, RS232, et prennent en charge AS-Interface (Asi), une technologie de bus de couche de dispositifs de réseau industriel. Ces modules fournissent des tensions isolées positives et négatives pour les circuits analogiques et sont adaptés à des applications industrielles telles que l'isolation de signaux d'image et de capteurs.

La série NXE prend en charge une tension d'isolation de test de 3kVDC, une capacité d'isolation typique de 2,1-3pF, et offre une puissance de 1W-2W. Le type renforcé est conforme aux approbations de sécurité de 125Vrms, tandis que le type de base est conforme à 250Vrms. Elle adopte un boîtier SMD à cadre ouvert et fonctionne dans une plage de température de -40°C à 105°C. La série NXJ prend en charge une tension d'isolation de test de 4,2kVDC, une capacité d'isolation typique de 2-2,5pF, et offre une puissance de 1W-2W. Le type renforcé est conforme aux approbations de sécurité de 200 à 250Vrms, et le type de base est conforme à 250Vrms. Elle adopte également un boîtier SMD à cadre ouvert et fonctionne dans une plage de température de -40°C à 110°C.

Les thermistors et les convertisseurs DC-DC jouent un rôle central dans la surveillance de la température et la gestion énergétique au sein des ESS, formant conjointement la base technologique pour un fonctionnement efficace, sûr et intelligent des ESS. La haute sensibilité et fiabilité des thermistors garantissent que les modules de batterie fonctionnent dans la plage de température optimale, réduisant les risques associés à la surchauffe et au refroidissement excessif, et prolongeant ainsi la durée de vie des batteries. Pendant ce temps, les convertisseurs DC-DC réalisent une distribution dynamique d'énergie entre différents dispositifs grâce à une régulation précise de la tension et un transfert énergétique efficace, répondant aux besoins variés du système. Murata offre une gamme complète de produits de thermistors et de convertisseurs DC-DC, propulsant les ESS vers une efficacité, une intelligence et une durabilité accrues.