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Mit der rasanten Entwicklung dezentraler Energiesysteme sind Heimspeichersysteme immer wichtiger geworden, um die Energieeffizienz zu verbessern und die Versorgungsstabilität zu erhöhen. Als zentrale Komponente von Heimspeichersystemen spielen bidirektionale DC-DC-Wandler eine entscheidende Rolle bei der Realisierung eines effizienten und flexiblen bidirektionalen Energieflusses zwischen Batterien, dem Stromnetz oder Lasten. Unter den verschiedenen Bauteilen bidirektionaler DC-DC-Wandler nehmen Leistungsinduktivitäten mit hohem Strom eine äußerst wichtige Stellung ein, deren Eigenschaften direkt die Gesamteffizienz, Stabilität und Zuverlässigkeit der Wandler beeinflussen.
1- Übersicht über das Funktionsprinzip bidirektionaler DC-DC-Wandler in Zu Hause Energiespeichersysteme
Bidirektionale DC-DC-Wandler können Energie zwischen verschiedenen Gleichspannungspegeln übertragen. Im Lademodus wandeln sie die höhere Spannung aus dem Netz oder photovoltaischen Quellen in eine niedrigere, für das Batterieladen geeignete Spannung um, um Energie zu speichern. Im Entlademodus erhöhen sie die niedrigere Batteriespannung auf eine höhere Spannung, die den Anforderungen der Last genügt oder ins Netz zurückspeist werden kann. Am Beispiel des gängigen bidirektionalen DC-DC-Wandlers vom Typ Buck-Boost: Im Buck-Abwärtswandlungsmodus liefert die Eingangsstromversorgung, wenn der Leistungsschalter (MOSFET) eingeschaltet ist, über die Drossel Strom an die Last, wodurch der Drosselstrom ansteigt und Energie gespeichert wird. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, fließt der Drosselstrom weiter zur Last über eine Freilaufdiode (oder einen synchronen Gleichrichter) und gibt dabei die gespeicherte Energie ab, wodurch während der Ausphasen eine kontinuierliche Stromversorgung der Last gewährleistet bleibt. Im Boost-Aufwärtswandlungsmodus lädt die Eingangsstromversorgung beim Einschalten des Schalters die Drossel und speichert Energie. Beim Ausschalten des Schalters arbeiten Drossel und Eingangsstromversorgung zusammen, um die Ausgangsspannung zu erhöhen.
Abbildung 1. Anwendungsszenario-Diagramm für stationäre Energiespeicher
2- Die Rolle von Leistungsinduktivitäten in bidirektionalen DC-DC-Wandlern
Leistungsinduktivitäten spielen eine entscheidende Rolle in bidirektionalen DC-DC-Wandlern, da sie als Schlüsselkomponenten für die Speicherung und Übertragung von Energie fungieren. Während der Einschaltphase steigt der Induktorstrom schrittweise an, und elektrische Energie wird im Induktor als magnetische Energie gespeichert. Wenn der Schalter ausgeschaltet wird, nimmt der Induktorstrom ab, und die magnetische Energie wird wieder in elektrische Energie umgewandelt, wodurch die Stromkontinuität im Stromkreis sichergestellt und eine Spannungsanhebung oder -absenkung erreicht wird. Da Leistungsinduktivitäten in bidirektionalen DC-DC-Wandlern hauptsächlich unter Bedingungen hoher Stromwelligkeit betrieben werden, was erhebliche Verluste verursacht, kann die Verringerung des DCR des Induktors und die Erhöhung der Schaltfrequenz dazu beitragen, diese Verluste bei hoher Stromwelligkeit zu kontrollieren.
3- Die Auswirkungen von Leistungsinduktivitäten auf bidirektionale DC-DC-Wandler
3.1 Induktivitätswert
Der Induktivitätswert beeinflusst direkt das Spannungswandlungsverhältnis, die Stromwelligkeit und die dynamische Ansprechgeschwindigkeit des Wandlers. Wenn der Induktivitätswert groß ist, ist die Stromwelligkeit gering, wodurch die Ausgangsspannung glatter wird, was der Verbesserung des Wirkungsgrads und der Stabilität des Wandlers zugutekommt. Allerdings kann dies dazu führen, dass die dynamische Reaktion des Wandlers langsamer wird und dieser bei Laständerungen nicht mehr schnell genug die Ausgangsspannung anpassen kann. Wenn der Induktivitätswert zu klein ist, ist zwar die dynamische Reaktion schnell, doch die Stromwelligkeit ist groß, was die Verluste der Leistungshalbleiter erhöht, den Wirkungsgrad des Wandlers verringert und sogar Schwingungen im Schaltkreis verursachen kann, wodurch der normale Betrieb des Systems beeinträchtigt wird. Bei der praktischen Auslegung ist es notwendig, den Arbeitsmodus des Wandlers, die Lastcharakteristiken und die Leistungsanforderungen umfassend zu berücksichtigen, um den Induktivitätswert genau auszuwählen.
3.2 Sättigungsstrom
Wenn der Strom durch die Drossel zu groß ist, erreicht die magnetische Flussdichte des Kerns den Sättigungswert, die Drossel gerät in einen magnetischen Sättigungszustand, und der Induktivitätswert sinkt stark ab. In bidirektionalen DC-DC-Wandlern kann die magnetische Sättigung der Drossel dazu führen, dass der Strom außer Kontrolle gerät, die Welligkeit erheblich ansteigt und Leistungsschalter aufgrund von Überstrom beschädigt werden, was den normalen Betrieb des Wandlers erheblich beeinträchtigt. Um eine magnetische Sättigung zu vermeiden, ist es notwendig, das Kernmaterial und die Kerngröße sinnvoll auszulegen, um sicherzustellen, dass die Drossel unter dem maximalen Betriebsstrom des Wandlers nicht in Sättigung gerät. Gleichzeitig können Methoden wie das Vergrößern von Luftspalten angewandt werden, um den linearen Arbeitsbereich der Drossel zu erweitern und die Zuverlässigkeit des Wandlers zu verbessern. Codaca hat mehrere Serien von Hochstrom-Magnetpulverkern-Drosseln eigenständig entwickelt und verwendet patentiert formulierte Magnetpulverkerne, um die Sättigungscharakteristik der Drosseln zu verbessern.
3.3 Gleichstromwiderstand (DCR)
Der Gleichstromwiderstand bezeichnet den Innenwiderstand der Spule der Drossel unter Gleichstrombedingungen. Je niedriger der DCR, desto geringer sind die Verlustleistungen bei Stromfluss, wodurch die Gesamteffizienz verbessert wird.
Beim Auswählen sollten Produkte mit niedrigen DCR-Eigenschaften bevorzugt werden, um Leitungsverluste zu reduzieren und die Wandler-Effizienz zu erhöhen.
3.4 Arbeitsfrequenz
Die Erhöhung der Schaltfrequenz bidirektionaler DC-DC-Wandler kann die Größe passiver Bauelemente wie Induktivitäten und Kondensatoren verringern und dadurch die Leistungsdichte sowie die dynamische Ansprechgeschwindigkeit des Wandlers verbessern. Wenn Induktivitäten jedoch mit hohen Frequenzen betrieben werden, verstärkt sich die Wirkung parasitärer Parameter, wobei Skineffekt und Nähereffekt zu einem deutlichen Anstieg der Verluste in der Induktivität führen. Herkömmliche magnetische Materialien können unter Umständen die Anforderungen nicht erfüllen und verschärfen Probleme wie durch Kernverluste verursachte Erwärmung. Daher ist die Auswahl geeigneter Induktivitäten für Hochfrequenzanwendungen ein entscheidender Schritt zur Gewährleistung eines stabilen Systembetriebs.
3,5 Betriebstemperatur
Haushaltsenergiespeichersysteme arbeiten in komplexen Umgebungen, weshalb Leistungsinduktivitäten über hervorragende physikalische Eigenschaften und Umweltbeständigkeit verfügen müssen. Die Größe und das Gewicht der Induktivität müssen den Anforderungen an ein kompaktes Design von Haushaltsenergiespeichergeräten entsprechen. In rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit sollte die Induktivität eine stabile Leistung aufrechterhalten, wobei die Kernmaterialien nicht leicht durch Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst werden und zudem eine gute Wärmeableitung sowie Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Schimmel und Korrosion aufweisen. Bei der Auswahl ist es ratsam, Induktivitäten mit hohen Betriebstemperaturen und geringen Temperatur- sowie DC-Vorprägungsverlusten zu bevorzugen, wie beispielsweise Ferritkernprodukte mit hoher Strombelastbarkeit.
4- Codaca-Lösungen für bidirektionale DC-DC-Wandler in Haushaltsenergiespeichern
Codaca hat durch eigenständige Forschung und technologische Innovation mehrere angepasste Induktorkonzepte für bidirektionale Gleichstrom-Wandler im Wohnbereich bereitgestellt und damit zur grünen und kohlenstoffarmen Entwicklung beigetragen. CODACA hat mehrere Modelle von Leistungsinduktoren mit hohem Stromangebot eingeführt, die verschiedene elektrische Eigenschaften und Gehäusedesigns umfassen, um die Anforderungen an hohe Leistungsfähigkeit bei dieser Anwendung zu erfüllen. Unter diesen zeichnet sich der von Codaca eigenentwickelte Hochstrom-Leistungsinduktor mit einem Kern aus magnetischem Pulvermaterial durch hohe Sättigungsstromstärke, geringe Verluste, hohe Wirkungsgrade und hohe Betriebstemperaturen aus und erfüllt so die Anforderungen des bidirektionalen Gleichstrom-Wandlersystems im häuslichen Bereich hinsichtlich hohem Betriebsstrom, geringen Verlusten und hoher Leistungsdichte.
Abbildung 2. Codaca Hochstrom-Induktor
Als zentrale Komponente von bidirektionalen Gleichstrom-Wandlern für den Hausgebrauch spielen Leistungsinduktivitäten eine unabdingbare Rolle bei der Energiespeicherung und -umwandlung sowie bei der Unterdrückung von Stromwelligkeiten. Ihre Leistung beeinflusst unmittelbar die Effizienz, Stabilität und Zuverlässigkeit der Wandler. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Heimspeichertechnologie werden die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Leistungsinduktivitäten zunehmend strenger, wobei hohe Leistungsdichte, Hochfrequenzbetrieb und Integration zu entscheidenden Entwicklungstrends werden. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, führt Codaca Electronics umfassende Forschungsarbeiten in Bereichen wie der Entwicklung von Magnetkernmaterialien und der Optimierung des Bauteilaufbaus durch, um die Leistung von Leistungsinduktivitäten kontinuierlich zu verbessern. Damit leistet das Unternehmen eine solide Unterstützung für die Leistungssteigerung und technologische Innovation bei bidirektionalen DC-DC-Wandlern im Haushaltsbereich und trägt dazu bei, dass Heimspeichersysteme im Bereich der dezentralen Energie breiter und effizienter eingesetzt werden können.