EN
Snelle koppelingen
Met de snelle ontwikkeling van gedistribueerde energie zijn huishoudelijke energiesysteemopslag steeds belangrijker geworden voor het verbeteren van de efficiëntie van energieverbruik en het versterken van de stabiliteit van de stroomvoorziening. Als een kerncomponent van huishoudelijke energiesysteemopslag spelen bidirectionele DC-DC-converters een cruciale rol bij het realiseren van een efficiënte en flexibele bidirectionele energiestroom tussen batterijen, het elektriciteitsnet of belastingen. Van alle componenten van bidirectionele DC-DC-converters spelen hoogstroom vermogensspoelen een uiterst belangrijke rol, waarvan de prestaties rechtstreeks invloed hebben op de algehele efficiëntie, stabiliteit en betrouwbaarheid van de converters.
1- Overzicht van het werkbeginsel van bidirectionele DC-DC-converters in Thuis Energieopslagsystemen
Bidirectionele gelijkstroom-gelijkstroomomvormers kunnen energie overdragen tussen verschillende gelijkstroomspanningsniveaus. In laadmodus zetten ze de hogere spanning van het elektriciteitsnet of fotovoltaïsche bronnen om in een lagere spanning die geschikt is voor het opladen van batterijen om energie op te slaan. In ontladingsmodus verhogen ze de lagere batterijspanning naar een hogere spanning die voldoet aan de eisen van de belasting of teruggevoerd kan worden naar het net. Als voorbeeld nemen we het veelvoorkomende bidirectionele gelijkstroom-gelijkstroomomvormertype Buck-Boost: in de Buck-verlagingsmodus levert de ingangsspanning, wanneer de vermogensschakelaar (MOSFET) gesloten is, stroom via de spoel naar de belasting, waardoor de stroom door de spoel toeneemt en energie wordt opgeslagen. Wanneer de schakelaar open is, blijft de stroom door de spoel via een vrijloopdiode (of synchrone gelijkrichter) naar de belasting vloeien, waarbij de opgeslagen energie wordt vrijgegeven, zodat de belasting continu van stroom wordt voorzien tijdens de perioden dat de schakelaar open staat. In de Boost-verhogingsmodus laadt de ingangsspanning, wanneer de schakelaar gesloten is, de spoel op, waardoor energie wordt opgeslagen. Wanneer de schakelaar open is, werken de spoel en de ingangsspanning samen om de uitgangsspanning te verhogen.
Figuur 1. Toepassingsscenario diagram van residentiële energieopslag
2- De rol van vermogensspoelen in bidirectionele DC-DC-converters
Vermogensspoelen spelen een cruciale rol in bidirectionele DC-DC-converters als sleutelcomponenten voor energieopslag en -overdracht. Tijdens de inschakelfase neemt de stroom door de spoel geleidelijk toe, en wordt elektrische energie opgeslagen in de spoel als magnetische energie. Wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, neemt de stroom door de spoel af, en wordt de magnetische energie terug omgezet in elektrische energie, waardoor de continuïteit van de stroom in de kring wordt gewaarborgd en een spanningsverhoging of -verlaging wordt bereikt. Aangezien vermogensspoelen in bidirectionele DC-DC-converters voornamelijk werken in omstandigheden met hoge rimpelstroom, wat aanzienlijke verliezen veroorzaakt, kan het verlagen van de DCR van de spoel en het verhogen van de schakelfrequentie helpen om deze verliezen onder controle te houden bij hoge rimpelstroom.
3- De invloed van vermogensspoelen op bidirectionele DC-DC-converters
3.1 Inductantiewaarde
De inductiewaarde beïnvloedt rechtstreeks de spanningsomzettingverhouding, stroomronkeling en dynamische reactiesnelheid van de omvormer. Wanneer de inductiewaarde groot is, is de stroomronkeling klein, waardoor de uitgangsspanning soepeler wordt, wat gunstig is voor de verbetering van het rendement en de stabiliteit van de omvormer. Echter, dit kan ervoor zorgen dat de dynamische respons van de omvormer vertraagt, waardoor deze niet snel genoeg de uitgangsspanning kan aanpassen wanneer de belasting verandert. Wanneer de inductiewaarde te klein is, is de dynamische respons weliswaar snel, maar is de stroomronkeling groot, wat leidt tot hogere verliezen in de vermogenbehuizing en een lager rendement van de omvormer, en kan zelfs circuitschommeling veroorzaken, waardoor de normale werking van het systeem wordt beïnvloed. In de praktische ontwerpfase moet er grondig rekening worden gehouden met de werkmodus van de omvormer, de belastingkarakteristieken en de prestatie-eisen om de inductiewaarde nauwkeurig te kunnen kiezen.
3.2 Verzadigingsstroom
Wanneer de stroom door de spoel te groot is, bereikt de magnetische fluxdichtheid van de kern de verzadigingswaarde, raakt de spoel in een toestand van magnetische verzadiging en daalt de waarde van de inductie sterk. In bidirectionele gelijkstroom-gelijkstroomomzetters kan magnetische verzadiging van de spoel leiden tot ongecontroleerde stroom, een aanzienlijke toename van rimpeling en beschadiging van de schakelende vermogenstransistoren door overbelasting, wat ernstig de normale werking van de omzetter beïnvloedt. Om magnetische verzadiging te voorkomen, is het noodzakelijk de kernmateriaal- en afmetingen zorgvuldig te ontwerpen, zodat de spoel niet verzadigt bij de maximale bedrijfsstroom van de omzetter. Tegelijkertijd kunnen methoden zoals het vergroten van luchtspleten worden toegepast om het lineaire werktraject van de spoel te verbreden en de betrouwbaarheid van de omzetter te verbeteren. Codaca heeft meerdere series hoogstroom magneetpoederkern-inductoren onafhankelijk ontwikkeld, waarbij gepatenteerd samengestelde magneetpoederkernen worden gebruikt om de verzadigingskenmerken van de inductoren te verbeteren.
3.3 Gelijkstroomweerstand (DCR)
DC-weerstand verwijst naar de interne weerstand van de spoel van de inductor onder gelijkstroomomstandigheden. Hoe lager de DCR, hoe minder vermogensverlies wordt opgewekt wanneer stroom vloeit, waardoor de algehele efficiëntie wordt verbeterd.
Geef bij de selectie de voorkeur aan producten met lage DCR-kenmerken om geleidingsverliezen te verlagen en de efficiëntie van de omvormer te verbeteren.
3.4 Werkt frequentie
Het verhogen van de schakelfrequentie van bidirectionele gelijkstroom-gelijkstroomconverters kan de grootte van passieve componenten zoals spoelen en condensatoren verkleinen, waardoor de vermogensdichtheid en de dynamische reactiesnelheid van de converter worden verbeterd. Wanneer spoelen echter bij hoge frequenties werken, neemt de invloed van parasitaire parameters toe, waarbij het huid-effect en nabijheidseffect leiden tot een aanzienlijke stijging van de verliezen in de spoel. Traditionele magnetische materialen voldoen mogelijk niet aan de eisen, wat problemen als verhitting door kernverliezen verergert. Daarom is het selecteren van spoelproducten voor toepassingen met hoge frequentie een cruciale stap om stabiele systeemwerking te garanderen.
3.5 Bedrijfstemperatuur
Huishoudelijke energiesysteemopslag werkt in complexe omgevingen, waarbij vermogensspoelen uitstekende fysische eigenschappen en milieuaanpassingsvermogen moeten bezitten. De afmeting en het gewicht van de spoel moeten voldoen aan de eisen voor een compact ontwerp van huishoudelijke energieopslagapparatuur. In extreme omgevingen zoals hoge temperaturen en vochtigheid, moet de spoel een stabiele prestatie behouden, met kernmaterialen die weinig gevoelig zijn voor temperatuur en vocht, en goede warmteafvoer vertonen, samen met weerstand tegen vocht, schimmel en corrosie. Bij de keuze is het raadzaam om spoelen met hoge bedrijfstemperatuur te kiezen die lage temperatuur- en DC-voorspanningseigenschappen hebben, zoals hoogstroom-ferrite kernproducten.
4- Codaca's oplossingen voor bidirectionele DC-DC-omvormers voor huishoudelijke energieopslag
Codaca heeft via onafhankelijk O&O en technologische innovatie meerdere aangepaste inductieoplossingen geleverd voor residentiële bidirectionele gelijkstroom-gelijkstroomconverters, waarmee een bijdrage wordt geleverd aan groene en koolstofarme ontwikkeling. CODACA heeft diverse modellen van hoogstroom vermogensinducties op de markt gebracht, met verschillende elektrische kenmerken en verpakkingsontwerpen om te voldoen aan de hoge prestatie-eisen die gelden voor inducties in deze toepassing. De door Codaca zelf ontwikkelde hoogstroomvermogensspoel met een kern van magnetisch poeder kenmerkt zich door een hoge verzadigingsstroom, lage verliezen, hoge omzettingsefficiëntie en hoge bedrijfstemperatuur, waardoor wordt voldaan aan de eisen van het residentiële bidirectionele DC-DC-convertersysteem voor hoge bedrijfsstroom, lage verliezen en hoge vermogensdichtheid.
Figuur 2. Codaca Hoogstroom-Inductor
Als kerncomponent van residentiële bidirectionele DC-DC-converters spelen vermogensspoelen een onvervangbare rol in energieopslag en -omzetting, evenals in het onderdrukken van stroomrimpeling. Hun prestaties hebben direct invloed op de efficiëntie, stabiliteit en betrouwbaarheid van de converters. Met de voortdurende vooruitgang van residentiële energiesystemen worden de eisen aan de prestaties van vermogensspoelen steeds strenger, waarbij hoge vermogensdichtheid, hoogfrequente werking en integratie uitgroeien tot belangrijke ontwikkelingstrends. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, voert Codaca Electronics diepgaand onderzoek uit op gebieden zoals de ontwikkeling van magnetische kernmaterialen en optimalisatie van constructieontwerpen om de prestaties van vermogensspoelen voortdurend te verbeteren. Dit levert een stevige ondersteuning voor prestatieverbetering en technologische innovatie in residentiële bidirectionele DC-DC-converters en bevordert bredere en efficiëntere toepassingen van huishoudelijke energiesystemen op het gebied van gedistribueerde energie.