EN
Liên kết nhanh
Với sự phát triển nhanh chóng của năng lượng phân tán, các hệ thống lưu trữ năng lượng tại nhà ngày càng trở nên quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tăng cường độ ổn định cung cấp điện. Là thành phần cốt lõi của hệ thống lưu trữ năng lượng gia đình, các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều đóng vai trò then chốt trong việc đạt được luồng năng lượng hai chiều hiệu quả và linh hoạt giữa pin, lưới điện hoặc tải. Trong số các thành phần khác nhau của bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều, các cuộn cảm công suất dòng cao đóng vai trò cực kỳ quan trọng, hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tổng thể, độ ổn định và độ tin cậy của bộ chuyển đổi.
1- Tổng quan về nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều trong Trang chủ Hệ thống lưu trữ năng lượng
Các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều có thể truyền năng lượng giữa các mức điện áp DC khác nhau. Ở chế độ sạc, chúng chuyển đổi điện áp cao hơn từ lưới điện hoặc nguồn quang điện thành điện áp thấp hơn phù hợp để sạc pin và lưu trữ năng lượng. Ở chế độ xả, chúng tăng điện áp thấp từ pin lên mức điện áp cao hơn nhằm đáp ứng yêu cầu của tải hoặc có thể hoàn trả về lưới điện. Lấy ví dụ bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều loại Buck-Boost phổ biến, ở chế độ Buck giảm áp, khi công tắc nguồn (MOSFET) bật, nguồn điện đầu vào cung cấp điện cho tải thông qua cuộn cảm, làm tăng dòng điện cuộn cảm và tích trữ năng lượng. Khi công tắc tắt, dòng điện cuộn cảm tiếp tục chảy đến tải thông qua một diode tự do (hoặc chỉnh lưu đồng bộ), giải phóng năng lượng đã tích trữ, từ đó duy trì việc cung cấp điện liên tục cho tải trong thời gian công tắc tắt. Ở chế độ Boost tăng áp, khi công tắc bật, nguồn điện đầu vào nạp điện cho cuộn cảm, giúp tích trữ năng lượng. Khi công tắc tắt, cuộn cảm và nguồn điện đầu vào phối hợp cùng nhau để nâng cao điện áp đầu ra.
Hình 1. Sơ đồ kịch bản ứng dụng lưu trữ năng lượng dân dụng
2- Vai trò của cuộn cảm công suất trong bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều
Cuộn cảm công suất đóng vai trò then chốt trong các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều như những thành phần chính để lưu trữ và truyền tải năng lượng. Trong giai đoạn bật chuyển mạch, dòng điện qua cuộn cảm tăng dần và năng lượng điện được tích trữ trong cuộn cảm dưới dạng năng lượng từ trường. Khi chuyển mạch tắt, dòng điện qua cuộn cảm giảm xuống và năng lượng từ trường được chuyển hóa trở lại thành năng lượng điện, đảm bảo tính liên tục của dòng điện trong mạch và thực hiện quá trình chuyển đổi điện áp tăng hoặc giảm. Vì các cuộn cảm công suất trong bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều chủ yếu hoạt động trong môi trường dòng điện gợn cao, dẫn đến tổn hao đáng kể, nên việc giảm DCR của cuộn cảm và tăng tần số hoạt động có thể giúp kiểm soát các tổn hao này trong điều kiện dòng điện gợn cao.
3- Tác động của cuộn cảm công suất đối với bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều
3.1 Giá trị độ tự cảm
Giá trị điện cảm trực tiếp ảnh hưởng đến tỷ số chuyển đổi điện áp, độ gợn dòng điện và tốc độ đáp ứng động của bộ chuyển đổi. Khi giá trị điện cảm lớn, độ gợn dòng điện nhỏ, điều này có thể làm cho điện áp đầu ra mịn hơn, góp phần cải thiện hiệu suất và độ ổn định của bộ chuyển đổi. Tuy nhiên, điều này có thể khiến đáp ứng động của bộ chuyển đổi chậm lại, làm nó không thể nhanh chóng điều chỉnh điện áp đầu ra khi tải thay đổi. Khi giá trị điện cảm quá nhỏ, mặc dù đáp ứng động nhanh nhưng độ gợn dòng điện lại lớn, làm tăng tổn hao trên các thiết bị công suất, giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi, và thậm chí có thể gây dao động mạch, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống. Trong thiết kế thực tế, cần xem xét toàn diện chế độ vận hành của bộ chuyển đổi, đặc tính tải và yêu cầu về hiệu suất để lựa chọn chính xác giá trị điện cảm.
3.2 Dòng điện bão hòa
Khi dòng điện qua cuộn cảm quá lớn, mật độ từ thông của lõi đạt đến giá trị bão hòa, cuộn cảm rơi vào trạng thái bão hòa từ và giá trị độ tự cảm giảm mạnh. Trong các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều, hiện tượng bão hòa từ của cuộn cảm có thể dẫn đến dòng điện mất kiểm soát, sự gia tăng đáng kể độ gợn sóng và làm hỏng các thiết bị đóng ngắt công suất do quá dòng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động bình thường của bộ chuyển đổi. Để tránh hiện tượng bão hòa từ, cần phải thiết kế hợp lý vật liệu và kích thước lõi nhằm đảm bảo cuộn cảm không bị bão hòa dưới dòng điện làm việc cực đại của bộ chuyển đổi. Đồng thời, có thể áp dụng các phương pháp như tăng khe hở không khí để mở rộng dải hoạt động tuyến tính của cuộn cảm và nâng cao độ tin cậy của bộ chuyển đổi. Codaca đã tự phát triển nhiều dòng cuộn cảm lõi bột từ tính dòng cao, sử dụng các lõi bột từ được pha chế theo bằng sáng chế để cải thiện đặc tính bão hòa của cuộn cảm.
3.3 Điện trở một chiều (DCR)
Điện trở một chiều (DCR) đề cập đến điện trở nội tại của cuộn dây cuộn cảm trong điều kiện một chiều. DCR càng thấp thì tổn hao công suất sinh ra khi dòng điện đi qua càng ít, do đó nâng cao hiệu suất tổng thể.
Khi lựa chọn, hãy ưu tiên các sản phẩm có đặc tính DCR thấp để giảm tổn hao dẫn điện và cải thiện hiệu suất bộ chuyển đổi.
3.4 Tần số hoạt động
Tăng tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều có thể giảm kích thước các thành phần thụ động như cuộn cảm và tụ điện, từ đó nâng cao mật độ công suất và tốc độ đáp ứng động của bộ chuyển đổi. Tuy nhiên, khi cuộn cảm hoạt động ở tần số cao, ảnh hưởng của các thông số ký sinh trở nên nghiêm trọng hơn, với hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần làm tăng đáng kể tổn hao trên cuộn cảm. Các vật liệu từ tính truyền thống có thể không đáp ứng được yêu cầu, làm trầm trọng thêm các vấn đề như phát nhiệt do tổn hao lõi. Do đó, việc lựa chọn sản phẩm cuộn cảm cho ứng dụng tần số cao là một bước quan trọng để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.
3.5 Nhiệt độ vận hành
Các hệ thống lưu trữ năng lượng hộ gia đình hoạt động trong môi trường phức tạp, đòi hỏi cuộn cảm điện phải có các tính chất vật lý vượt trội và khả năng thích nghi với môi trường. Kích thước và trọng lượng của cuộn cảm phải đáp ứng yêu cầu thiết kế nhỏ gọn của thiết bị lưu trữ năng lượng hộ gia đình. Trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao và độ ẩm, cuộn cảm cần duy trì hiệu suất ổn định, với vật liệu lõi không dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời thể hiện khả năng tản nhiệt tốt cùng với khả năng chống ẩm, chống nấm mốc và ăn mòn. Khi lựa chọn, nên ưu tiên các cuộn cảm hoạt động ở nhiệt độ cao với đặc tính thấp về nhiệt độ và lệch dòng một chiều, chẳng hạn như các sản phẩm lõi ferit chịu dòng cao.
4- Các giải pháp của Codaca cho Bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều trong hệ thống lưu trữ năng lượng hộ gia đình
Codaca đã cung cấp nhiều giải pháp cuộn cảm được điều chỉnh cho bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều dân dụng thông qua nghiên cứu phát triển độc lập và đổi mới công nghệ, góp phần vào sự phát triển xanh và ít phát thải carbon. CODACA đã ra mắt nhiều mẫu cuộn cảm công suất dòng cao, mang đến các đặc tính điện học và thiết kế bao gói khác nhau nhằm đáp ứng yêu cầu hiệu suất cao của cuộn cảm trong ứng dụng này. Trong số đó, cuộn cảm công suất dòng cao do Codaca tự phát triển với lõi bột từ tính nổi bật với dòng điện bão hòa cao, tổn hao thấp, hiệu suất chuyển đổi cao và nhiệt độ hoạt động cao, đáp ứng nhu cầu của hệ thống bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều dân dụng về dòng điện hoạt động lớn, tổn hao thấp và mật độ công suất cao.
Hình 2. Cuộn cảm dòng cao Codaca
Là thành phần cốt lõi của các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều dùng trong hộ gia đình, cuộn cảm công suất đóng vai trò không thể thay thế trong việc lưu trữ và chuyển đổi năng lượng, cũng như trong việc triệt dao động dòng điện. Hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả, độ ổn định và độ tin cậy của các bộ chuyển đổi. Cùng với sự phát triển liên tục của công nghệ lưu trữ năng lượng tại hộ gia đình, các yêu cầu về hiệu suất đối với cuộn cảm công suất ngày càng trở nên khắt khe hơn, trong đó xu hướng phát triển chủ đạo là mật độ công suất cao, hoạt động ở tần số cao và tích hợp hóa. Để đáp ứng những thách thức này, Codaca Electronics thực hiện nghiên cứu chuyên sâu trong các lĩnh vực như phát triển vật liệu lõi từ và tối ưu hóa thiết kế cấu trúc nhằm không ngừng nâng cao hiệu suất của cuộn cảm công suất, từ đó cung cấp nền tảng vững chắc cho việc cải thiện hiệu suất và đổi mới công nghệ trong các bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều dùng trong hộ gia đình. Điều này góp phần thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi và hiệu quả hơn các hệ thống lưu trữ năng lượng tại nhà trong lĩnh vực năng lượng phân tán.