Artikel af: Kane Jia, marketingingeniør, Onsemi
Batterier bruges i vid udstrækning til lagring af energi fra bæredygtig sol- og vindenergi, og det medvirker til at mindske bruge af forurenende energikilder. Vi skal i det følgende se på topologier til såkaldte kommercielle BESS-installationer (battery energy storage systems) samt Onsemis EliteSiC, der i høj grad kan forbedre ydelsen i BESS i stedet for brug af silicium MOSFETs- eller IGBT-switche.
Litium-ion batterier er de mest anerkendte elektrokemiske lagringsmedier med høj effekttæthed og effektivitet og kompakte og modulære former. Desuden er Li-Ion i dag en modnet og relativt prisbillig batteriteknologi. De stadigt lavere priser for Li-Ion gør i stigende grad denne batteritype anvendelig til større energilagringssystemer. Brug af solcelle-invertere off-grid sammen med batterilagring giver derfor i større omfang mening for både private og kommercielle brugere. Det er en løsning, som imødegår høje elektricitetspriser fra forsyningsselskaberne som en selv-supporterende løsning, der giver uafhængighed af elnettet, men som også fungerer som en fin backup-energikilde ved netudfald.
Et BESS inkluderer typisk fire overordnede blokke, nemlig:
– Genopladeligt batterimodul bestående af vægmonterede battericeller med nominelle spændinger mellem 50V til over 1000V.
– Et batteri management-system (BMS), der beskytter og styrer de genopladelige batterier, så de fungere inden for deres sikre driftsparametre.
– Et effektkonverteringssystem (PCS), der forbinder batteripakken til elnettet og belastningen. PCS er en betydelig faktor i et BESS’ pris og størrelse og PCS’en påvirker også den overordnede ydelse.
Et energi management-system, en software, der moniterer, styrer og optimerer energigenereringen eller -transmissionen.
BESS i hjemmet
Effektkonvertering i BESS-løsninger er defineret gennem deres kobling af energi (AC elelr DC) samt effektniveauet (hjemmebrug eller kommercielt) Et DC-koblet system (hybridkonverter) kræver kun et konverteringstrin. AC-koblet energilagring kan omvendt let opgraderes til eksisterende solcellepaneler eller vindgeneratorer, men kræver et ekstra konverteringstrin til afladning af batteriet med potentielt en ringere effektivitet. Et BESS i hjemmet kan kobles på en eksisterende solcelle-inverter, så energien kan lagres i et batteri eller bruges direkte i hjemmets applikationer.
En tovejs DC/DC-konverter forbinder en batteripakke med et DC-link. Busspændingen for sådan et system er typisk mindre end 600V og oplade-/afladeeffekten er sjældent over 10kW. Her er en buck-boost konverter den mest almindelige tovejs DC/DC-topologi, da den kun kræver få komponenter og er let at styre. To 650V IGBT’er eller MOSFETs med parallelle dioder er nok til et typisk tovejs system. Onsemis FGH4L75T65MQDC50 650V FS4 IGBT med en integreret SiC-diode giver lave lede- og switch-tab i en sådan applikation.
Isolering beskytter brugere af BESS, og dobbelt-aktive brokonvertere (DAB) eller CLLC-topologier giver isolerede tovejs DC/DC-konverterløsninger til BESS-produkter. Et kaskadekoblet front-end buck-boost kredsløb tåler og giver en bredere spændvidde af input- og output-spændinger, hvis der opstår betydelige variationer i batterispændingen. De nævnte metoder mindske også den reaktive effekt i systemer og giver plads til en større soft-switching zone. NTP5D0N15MC 150V N-kanal Shield Gate PowerTrench MOSFET-komponenten er oplagt til disse topologier.
Trefase er standard for kommercielle forsyninger og i hjem med større effektbehov. Effekt-switche til trefasede applikationer skal kunne modstå højere driftspændinger og kunne levere op til 15kW med DC-links, der kan være på op til 1.000V eller mere. Man kan implementere disse løsninger ved at erstatte 650V-switche med 1.200V-komponenter, om muligt som en del af en tre-niveau symmetrisk buck-boost topologi. Det giver lavere switch-tab, da kun den halve output-spænding optræder i switchene og dioderne. Løsningen kræver også kun mindre spoler, og giver derfor mindre støjemission. Uheldigvis kræver denne løsning også flere komponenter, så designet bliver mere kompleks og systemomkostningerne højere.
Kommerciel BESS
Kommercielle energilagringssystemers input- og output-effekter spænder typisk mellem 100kW og 2MW. Disse meget store installationer kan bestå af flere trefasede subsystemer, der ligger mellem nogle dusin kW til over 100kW stykket. Den maksimale DC-spænding afhænger af busspændingen i det eksisterende solcellesystem eller batterispændingen, og det er den kritiske specification. DC-busspændingen i kommercielle standard solcelle-inverter ligger typisk på 1.100V, men kan dog komme op på 1.500V i forsyningsinstallationer. Ved en given effekt reducerer en højere spænding den tilsvarende strøm, hvilket reducerer prisen for kablerne i installationen.
AC-koblede systemer er mere almindelige i kommercielle BESS’er, da de let kan implementeres i et eksisterende design. DC-koblede systemer stiller ret høje krav til en elektrisk eftermontage – især i kommercielle installationer på grund af DC-busforbindelsen, som typisk befinder sig inden i det originale system og bruger ret høje spændinger og strømme. En tre-niveau I-NPC er en almindelig topologi for invertere i højeffekt industrielle applikationer. En l-NPC har fire switche, fire inverse-dioder samt to clamping-dioder med en breakdown-spænding mindre end den aktuelle DC-link spænding, så 650V-switche er nok til et 1.100V-system.
Der er flere fordele ved brugen af en tre-niveau topologi. De har primært lavere switch-tab (kvadratisk på spændingen påtrykt switche og dioder), sekundært har de en mindre ripple, og da peak-peak spændingen er det halve af det samlede output, er filtrering lettere med en mindre, prisbillig spole. Endelig er den ledningsbårne støj fra strøm-ripplen mindre på samme måde som den udstrålede støj. Opgradering til en A-NPC topologi giver endda bedre ydelse, da det erstatter to clamping-dioder med to aktive switche med endnu lavere tab. I et sådant arrangement er parring af drivere og delay kritisk, hvilket kan være en ulempe i visse applikationer.
SiC-løsninger forbedrer BESS-ydelsen
SiC giver overlegne ydelseskarakteritika som et bredere bandgap, højere breakdown-feltstyrke og bedre termisk ledeevne end silicium. Desuden kan SiC-komponenter arbejde ved højere frekvenser uden trade-off af effekten, så mindre spoler kan bruges. De øgede frekvenser ved brug af SiC kan også tillade naturlig køling frem for forceret ditto i visse situationer. 650V-typerne NTH4L015N065SC1 og NTBL045N065SC1 EliteSiC MOSFETs fra Onsemi er oplaget valg til erstatning af siliciumbaserede switche i energilagringssystemer, mens 1.200V-typerne NXH40B120MNQ0 dual-boost og NXH010P120MNF1 2-pack halvbro er integrerede EliteSiC-effektmoduler til endnu højere effekttætheder og applikationer på forsyningsniveau. Onsemi tilbyder desuden også adskillige andre komponenter som gate-drivere, strømfølingsforstærkere samt MACPHY Ethernet-controllere, der kan bruges i BESS-applikationer.
