S rychlým rozvojem distribuované energie se systémy domácího energetického úložiště stávají stále důležitějšími pro zvyšování účinnosti využití energie a zlepšování stability dodávek elektrické energie. Jako klíčová součást systémů domácího energetického úložiště mají obousměrné DC-DC měniče zásadní roli při dosažení efektivního a flexibilního obousměrného toku energie mezi bateriemi, sítí nebo zátěží. Mezi různými součástkami obousměrných DC-DC měničů hrají vysokoproudé výkonové cívky mimořádně důležitou roli, jejichž výkon přímo ovlivňuje celkovou účinnost, stabilitu a spolehlivost měničů.
1 – Přehled pracovního principu obousměrných DC-DC měničů v Domů Systémy skladování energie
Obousměrné DC-DC měniče mohou přenášet energii mezi různými úrovněmi stejnosměrného napětí. V režimu nabíjení převádějí vyšší napětí ze sítě nebo fotovoltaických zdrojů na nižší napětí vhodné pro nabíjení baterie za účelem ukládání energie. V režimu vybíjení zvyšují nižší napětí baterie na vyšší napětí, které odpovídá požadavkům zátěže, nebo může být vedeno zpět do sítě. Na příkladu běžného obousměrného DC-DC měniče typu Buck-Boost, v klesajícím režimu (Buck), když je výkonový spínač (MOSFET) zapnutý, napájí vstupní zdroj přes cívku zátěž, čímž se zvyšuje proud cívkou a ukládá se v ní energie. Když je spínač vypnutý, pokračuje proud cívkou ke zátěži skrz volnoběžnou diodu (nebo synchronní usměrňovač), uvolňuje tak uloženou energii a tím umožňuje nepřerušované napájení zátěže i během vypnutých period spínače. Ve stoupajícím režimu (Boost), když je spínač zapnutý, vstupní zdroj nabíjí cívku, která si energii ukládá. Když je spínač vypnutý, cívka a vstupní zdroj spolupracují tak, že zvyšují výstupní napětí.
Obrázek 1. Diagram scénáře použití domácího úložiště energie
2- Role výkonových cívek v obousměrných DC-DC měničích
Výkonové cívky hrají klíčovou roli v obousměrných DC-DC měničích jako základní součásti pro ukládání a přenos energie. Během fáze zapnutí se proud cívkou postupně zvyšuje a elektrická energie se v cívce ukládá ve formě magnetické energie. Po vypnutí spínače klesá proud cívkou a magnetická energie se přeměňuje zpět na elektrickou energii, čímž se zajišťuje spojitost proudu v obvodu a dosahuje se transformace napětí nahoru nebo dolů. Jelikož výkonové cívky v obousměrných DC-DC měničích pracují převážně v prostředí s vysokými vlnivými proudy, což způsobuje významné ztráty, může snížení DCR cívky a zvýšení provozní frekvence pomoci omezit tyto ztráty za podmínek vysokého vlnivého proudu.
3- Vliv výkonových cívek na obousměrné DC-DC měniče
3.1 Hodnota indukčnosti
Indukčnost přímo ovlivňuje poměr napěťové transformace, zvlnění proudu a rychlost dynamické odezvy měniče. Pokud je hodnota indukčnosti velká, je zvlnění proudu malé, což může vést ke hladšímu výstupnímu napětí a přispívá tak ke zlepšení účinnosti a stability měniče. Nicméně to může způsobit zpomalení dynamické odezvy měniče, takže není schopen rychle upravit výstupní napětí při změně zátěže. Pokud je hodnota indukčnosti příliš malá, i když je dynamická odezva rychlá, je zvlnění proudu velké, což zvyšuje ztráty výkonových součástek, snižuje účinnost měniče a může dokonce způsobit kmitání obvodu, čímž narušuje normální provoz systému. Při praktickém návrhu je nutné komplexně zohlednit provozní režim měniče, charakteristiky zátěže a požadavky na výkon pro přesný výběr hodnoty indukčnosti.
3.2 Proud nasycení
Když proud tekoucí cívkou je příliš velký, dosáhne hustota magnetického toku jádra nasycení, cívka vstoupí do stavu magnetického nasycení a hodnota indukčnosti prudce klesá. U obousměrných DC-DC měničů může magnetické nasycení cívky vést ke ztrátě kontroly nad proudem, výraznému nárůstu zvlnění a poškození spínacích výkonových prvků kvůli přetížení proudem, čímž se vážně ovlivní normální provoz měniče. Aby se tomuto nasycení zabránilo, je nutné vhodně navrhnout materiál a rozměr jádra tak, aby cívka nepřešla do nasycení při maximálním pracovním proudu měniče. Zároveň lze použít metody, jako je zvětšení vzduchové mezery, čímž se rozšíří lineární pracovní rozsah cívky a zvýší se spolehlivost měniče. Codaca nezávisle vyvinul několik sérií vysokoproudých cívek s práškovým jádrem, přičemž využívá patentovaně formulovaná magnetická prášková jádra ke zlepšení saturace cívek.
3.3 Ohmický odpor stejnosměrného proudu (DCR)
Rezistance stejnosměrného proudu označuje vnitřní odpor cívky tlumivky za podmínek stejnosměrného proudu. Čím nižší je DCR, tím menší ztráta energie vzniká při průtoku proudu a tím se zvyšuje celková účinnost.
Při výběru upřednostněte produkty s nízkou hodnotou DCR za účelem snížení ztrát vedením a zvýšení účinnosti měniče.
3.4 Operační frekvence
Zvyšováním spínací frekvence obousměrných DC-DC měničů lze snížit velikost pasivních komponentů, jako jsou cívky a kondenzátory, čímž se zvyšuje výkonová hustota a dynamická odezva měniče. Při provozu cívek na vysokých frekvencích se však zvyšuje vliv parazitních parametrů, přičemž skin efekt a efekt blízkosti způsobují výrazný nárůst ztrát v cívce. Tradiční magnetické materiály nemusí splňovat požadované podmínky, což zhoršuje problémy, jako je zahřívání způsobené ztrátami jádra. Výběr vhodných cívek pro vysokofrekvenční aplikace je proto klíčovým krokem pro zajištění stabilního provozu systému.
3.5 Provozní teplota
Domácí systémy pro ukládání energie pracují v komplexních prostředích, což vyžaduje, aby měly výkonové tlumivky vynikající fyzikální vlastnosti a schopnost přizpůsobit se prostředí. Velikost a hmotnost tlumivky musí splňovat požadavky na kompaktní konstrukci zařízení pro domácí skladování energie. V extrémních podmínkách, jako jsou vysoké teploty a vlhkost, by tlumivka měla zachovávat stabilní výkon, jádro by nemělo být snadno ovlivněno teplotou a vlhkostí a mělo by vykazovat dobré odvádění tepla spolu s odolností proti vlhkosti, plísním a korozi. Při výběru je vhodné upřednostnit tlumivky s vysokou provozní teplotou, které mají nízké vlastnosti vlivu teploty a DC polarizace, například výrobky s feritovým jádrem pro vysoké proudy.
4- Řešení Codaca pro obousměrné DC-DC měniče domácích systémů ukládání energie
Codaca díky nezávislému vývoji a technologickým inovacím nabízí více upravených řešení cívek pro domácí obousměrné DC-DC měniče, čímž přispívá k zelenému a nízkouhlíkovému rozvoji. Společnost CODACA uvedla na trh několik modelů vysokoproudých výkonových cívek s různými elektrickými vlastnostmi a konstrukcemi pouzder, které splňují náročné požadavky na výkon cívek pro tuto aplikaci. Mezi nimi má Codaca samostatně vyvinutou vysokoproudou výkonovou cívku s jádrem z magnetického prášku, která vyniká vysokým nasycením proudu, nízkými ztrátami, vysokou účinností přeměny a vysokou provozní teplotou, čímž splňuje požadavky systému domácích obousměrných DC-DC měničů na vysoký provozní proud, nízké ztráty a vysokou výkonovou hustotu.
Obrázek 2. Vysokoproudá cívka Codaca
Jako klíčová součást obytných obousměrných DC-DC měničů mají výkonové tlumivky nezastupitelnou roli při ukládání a přeměně energie, stejně jako při potlačování vlnivosti proudu. Jejich výkon přímo ovlivňuje účinnost, stabilitu a spolehlivost měničů. S průběžným rozvojem technologie ukládání energie pro domácnosti se zvyšují nároky na výkonové tlumivky, přičemž klíčovými trendy ve vývoji se stávají vysoká výkonová hustota, provoz na vysoké frekvenci a integrace. Proti těmto výzvám Codaca Electronics intenzivně pracuje na vývoji materiálů magnetických jader a optimalizaci konstrukčního návrhu, čímž neustále zlepšuje výkon výkonových tlumivek a poskytuje pevnou podporu pro zvyšování výkonu a technologickou inovaci obytných obousměrných DC-DC měničů. To napomáhá širšímu a efektivnějšímu nasazení systémů domácího ukládání energie v oblasti rozptýlené energie.
EN