EN
SZYBKI DOSTĘP
Wraz z szybkim rozwojem energii rozproszonej, systemy magazynowania energii w gospodarstwach domowych stają się coraz ważniejsze w poprawie efektywności wykorzystania energii oraz w zwiększaniu stabilności zasilania. Jako kluczowy element systemów magazynowania energii w domu, przetwornice DC-DC dwukierunkowe odgrywają istotną rolę w osiągnięciu wydajnego i elastycznego przepływu energii w obu kierunkach pomiędzy bateriami, siecią lub odbiornikami. Wśród różnych komponentów przetwornic DC-DC dwukierunkowych, indukcyjności mocy o dużym prądzie odgrywają bardzo ważną rolę, a ich parametry bezpośrednio wpływają na ogólną wydajność, stabilność i niezawodność przetwornic.
1 - Omówienie zasady działania przetwornic DC-DC dwukierunkowych w Do domu Systemy magazynowania energii
Dwukierunkowe przetwornice DC-DC mogą przekazywać energię między różnymi poziomami napięcia stałego. W trybie ładowania konwertują one wyższe napięcie z sieci lub źródeł fotowoltaicznych na niższe napięcie odpowiednie do ładowania baterii w celu magazynowania energii. W trybie rozładowania podnoszą one niższe napięcie baterii do wyższego napięcia, które spełnia wymagania obciążenia lub może być oddane z powrotem do sieci. Na przykładzie typowej dwukierunkowej przetwornicy DC-DC typu Buck-Boost, w trybie obniżania (Buck), gdy przełącznik mocy (MOSFET) jest włączony, zasilanie wejściowe dostarcza moc do obciążenia przez dławik, zwiększając prąd dławika i magazynując energię. Gdy przełącznik jest wyłączony, prąd dławika kontynuuje przepływ do obciążenia poprzez diodę upustową (lub prostownik synchroniczny), uwalniając zgromadzoną energię, co umożliwia ciągłe zasilanie obciążenia w okresach wyłączenia przełącznika. W trybie podwyższania (Boost), gdy przełącznik jest włączony, zasilanie wejściowe ładuje dławik, który magazynuje energię. Gdy przełącznik jest wyłączony, dławik i zasilanie wejściowe współpracują, aby zwiększyć napięcie wyjściowe.
Rysunek 1. Diagram scenariusza zastosowania systemu magazynowania energii w gospodarstwach domowych
2- Rola dławików mocy w dwukierunkowych przetwornicach DC-DC
Dławiki mocy odgrywają kluczową rolę w dwukierunkowych przetwornicach DC-DC jako podstawowe komponenty do magazynowania i przekazywania energii. W fazie włączenia, prąd przez dławik stopniowo rośnie, a energia elektryczna jest magazynowana w dławiku w postaci energii magnetycznej. Gdy przełącznik jest wyłączony, prąd przez dławik maleje, a energia magnetyczna jest ponownie przekształcana w energię elektryczną, zapewniając ciągłość prądu w obwodzie oraz realizując konwersję napięcia w górę lub w dół. Ponieważ dławiki mocy w dwukierunkowych przetwornicach DC-DC działają głównie w warunkach dużych tętnień prądu, co powoduje znaczne straty, zmniejszenie DCR dławika oraz zwiększenie częstotliwości pracy mogą pomóc w ograniczeniu tych strat w warunkach wysokich tętnień prądu.
3- Wpływ dławików mocy na dwukierunkowe przetwornice DC-DC
3.1 Wartość indukcyjności
Wartość indukcyjności bezpośrednio wpływa na stosunek konwersji napięcia, tętnienia prądu oraz szybkość odpowiedzi dynamicznej przetwornicy. Gdy wartość indukcyjności jest duża, tętnienia prądu są małe, co może sprawić, że napięcie wyjściowe będzie bardziej stabilne, przyczyniając się do poprawy sprawności i stabilności przetwornicy. Jednak może to spowodować spowolnienie odpowiedzi dynamicznej przetwornicy, uniemożliwiając szybką korektę napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia. Gdy wartość indukcyjności jest zbyt mała, mimo że odpowiedź dynamiczna jest szybka, tętnienia prądu są duże, co zwiększa straty w urządzeniach mocy, obniża sprawność przetwornicy i może nawet powodować oscylacje obwodu, wpływające na prawidłowe działanie systemu. W praktycznym projektowaniu konieczne jest kompleksowe rozważenie trybu pracy przetwornicy, charakterystyk obciążenia oraz wymagań dotyczących wydajności, aby dokładnie dobrać wartość indukcyjności.
3.2 Prąd nasycenia
Gdy prąd przepływający przez cewkę jest zbyt duży, gęstość strumienia magnetycznego rdzenia osiąga wartość nasycenia, cewka wchodzi w stan nasycenia magnetycznego, a wartość indukcyjności gwałtownie spada. W dwukierunkowych przetwornicach DC-DC nasycenie magnetyczne cewki może prowadzić do utraty kontroli nad prądem, znacznego wzrostu tętnień oraz uszkodzenia elementów przełączających mocy z powodu przeciążenia prądowego, co poważnie wpływa na prawidłowe działanie przetwornicy. Aby uniknąć nasycenia magnetycznego, konieczne jest odpowiednie zaprojektowanie materiału i wymiarów rdzenia, aby zapewnić, że cewka nie ulegnie nasyceniu przy maksymalnym prądzie pracy przetwornicy. Jednocześnie można stosować metody takie jak zwiększanie szczelin powietrznych, aby poszerzyć zakres liniowej pracy cewki i poprawić niezawodność przetwornicy. Codaca niezależnie opracował wiele serii induktorów z magnetycznym rdzeniem proszkowym o wysokim prądzie, wykorzystując opatentowane formulacje rdzeni proszkowych w celu poprawy właściwości nasycenia induktorów.
3.3 Oporność stałoprądowa (DCR)
Rezystancja DC odnosi się do wewnętrznego oporu cewki induktora w warunkach prądu stałego. Im niższy DCR, tym mniejsze straty mocy powstają podczas przepływu prądu, co zwiększa ogólną sprawność.
Podczas doboru należy priorytetowo wybierać produkty o niskich wartościach DCR, aby zmniejszyć straty przewodzenia i poprawić sprawność przetwornicy.
3.4 Częstotliwość pracy
Zwiększanie częstotliwości przełączania dwukierunkowych przetwornic DC-DC może zmniejszyć rozmiary elementów biernych, takich jak dławiki i kondensatory, co poprawia gęstość mocy i szybkość odpowiedzi dynamicznej przetwornicy. Jednak gdy dławiki pracują przy wysokich częstotliwościach, wpływ parametrów pasożytniczych się nasila, a efekt naskórkowy i efekt zbliżeniowy prowadzą do znacznego wzrostu strat w dławikach. Tradycyjne materiały magnetyczne mogą nie spełniać wymagań, pogarszając problemy takie jak nagrzewanie spowodowane stratami w rdzeniu. Dlatego wybór dławików do zastosowań wysokoczęstotliwościowych jest kluczowym krokiem w zapewnieniu stabilnej pracy systemu.
3.5 Temperatura robocza
Systemy magazynowania energii dla gospodarstw domowych działają w złożonych środowiskach, wymagając od dławików mocy doskonałych właściwości fizycznych oraz odporności na warunki środowiskowe. Wymiary i masa dławika muszą spełniać wymagania kompaktowej konstrukcji urządzeń do magazynowania energii w gospodarstwach domowych. W trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura i wilgotność, dławik powinien zachować stabilną pracę, a materiał rdzenia nie powinien być wrażliwy na zmiany temperatury i wilgotności, wykazując jednocześnie dobrą przewodność cieplną oraz odporność na wilgoć, pleśnie i korozję. Podczas doboru warto preferować dławiki pracujące w wysokiej temperaturze, o niskich parametrach zmian w funkcji temperatury i stałoprądowego obciążenia, takie jak produkty z rdzeniem ferrytowym o dużej przepustowości prądowej.
4- Rozwiązania Codaca dla dwukierunkowych przetwornic DC-DC w systemach magazynowania energii w gospodarstwach domowych
Codaca dostarczyła wiele dostosowanych rozwiązań indukcyjnych dla domowych dwukierunkowych przetwornic DC-DC dzięki niezależnym badaniom i innowacjom technologicznym, przyczyniając się do zielonego i niskoemisyjnego rozwoju. CODACA wprowadziła na rynek wiele modeli mocy wysokoprądowych dławików, oferując różne charakterystyki elektryczne oraz konstrukcje obudów, aby spełnić wymagania dotyczące wysokiej wydajności w tej aplikacji. Wśród nich znajduje się opracowany we własnym zakresie przez Codaca wysokoprądowy dławik z rdzeniem z proszku magnetycznego, cechujący się wysokim prądem nasycenia, niskimi stratami, wysoką sprawnością przetwarzania oraz wysoką temperaturą pracy, odpowiadającym wymaganiom systemu domowej dwukierunkowej przetwornicy DC-DC pod względem wysokiego prądu pracy, niskich strat i dużej gęstości mocy.
Rysunek 2. Dławik wysokoprądowy Codaca
Jako kluczowy komponent domowych dwukierunkowych przetwornic DC-DC, indukcyjności energetyczne odgrywają niezastąpioną rolę w magazynowaniu i konwersji energii oraz w tłumieniu tętnień prądu. Ich parametry wpływają bezpośrednio na sprawność, stabilność i niezawodność przetwornic. Wraz z ciągłym postępem technologii magazynowania energii w gospodarstwach domowych, rosną wymagania dotyczące parametrów indukcyjności mocy, przy czym kluczowymi trendami rozwojowymi stają się wysoka gęstość mocy, praca w wysokich częstotliwościach oraz integracja. W odpowiedzi na te wyzwania, Codaca Electronics prowadzi dogłębne badania w obszarach takich jak rozwój materiałów magnetycznych dla rdzeni czy optymalizacja projektowania strukturalnego, aby ciągle poprawiać parametry indukcyjności mocy, zapewniając solidne wsparcie dla doskonalenia wydajności i innowacji technologicznych w domowych dwukierunkowych przetwornicach DC-DC. Przyczynia się to do szerszego i bardziej efektywnego wykorzystania systemów magazynowania energii w domach w dziedzinie energii rozproszonej.