Sistemas de armazenamento de energia aprimoram a infraestrutura de carregador rápido EV (parte 2)

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A Parte 1 discutiu o papel dos sistemas de armazenamento de energia (ESS) em sistemas de carregamento rápido dc e definiu a crítico componentes do a cobrando estação fontes, as cargas, a energia amortecedor. Agora, conforme discutido neste artigo, um análise devo estar feito para a quatro poderconversão sistemas aquele crio a energia caminhos no a estação.

Os quatro sistemas de conversão de energia estão todos sentados a dc principal ônibus, avaliado 1000 a 1500 V CC. Quanto maior a potência necessária, maior a CC ônibus Voltagem. O padrão da indústria hoje e nos próximos 20 anos é e será de 1500 V dc. Embora seja possível obter tensões mais altas, isso traz complicações para a segurança regulamentos, componentes de potência, e sistema projetos, fazendo isto ineficiente com a acessível tecnologias. ques não para dizer aquele no 10 anos Novo tecnologias, como Como poder comuta e proteção sistemas não vai Faça possível para mover para 2000 V dc ou superior.

Considerando o inversor fotovoltaico, vemos que ele tem uma dupla função de um conversor dc-dc – para o caminho de energia que vai dos painéis fotovoltaicos ao barramento dc; e a função de um inversor dc-ac – para o caminho de energia indo de PV painéis para o barramento CA e depois para a grade. O estágio de conversão CC-CC é o mais importante aqui, uma vez que o estágio CA-CC também pode ser integrado aos principais sistemas bidirecionais. poderfatorcorreção (PFC) inversor indo de a dc ônibus para o AC rede.

De IGBTs a MOSFETs SiC

Considerando os projetos de eletrônica de potência de ponta, a maior eficiência é alcançado com conversores projetado por aí silíciocarboneto (SiC) poder MOSFETs. A comparação com transistores bipolares de porta com isolamento de silicone (IGBTs) mostra a eficiência aumentar no a alcance do 5% (máximo carga) para 20% (parcial carga). No nosso exemplo, com uma PV inversor avaliado 500 kW, 5% Melhor eficiência significa 25 kW menos perdas ou maior potência. É o equivalente ao consumo de cinco casas ou a uma grande bomba de calor que gera água quente ou resfria o prédio da estação de carregamento no verão.

UMA muito semelhante cálculo pode ser feito para ambos os dc cobrando pilhas e a Carregadores ESS. No ambos casos, dois Projeto abordagens estamos possível: ou conversores de potência monolíticos grandes com classificação superior a 100 kW, ou muitos conversores pequenos com classificação de 25 a 50 kW, usados ​​em paralelo. Ambas as soluções têm vantagens e desvantagens. Atualmente, as múltiplas conexões de pequenos conversores estão liderando o mercado devido aos custos mais baixos devido à escala econômica e à simplicidade do design. Obviamente, um sistema inteligente de gerenciamento de energia deve ser adotado.

Até para estes dc-dc conversores, comovente de silício IGBTs para SiC MOSFETs Está trazendo tremendo eficiência benefícios, juntos com espaço e peso poupança, ao custo de um preço um pouco mais alto. Hoje, o custo é 25% maior, com queda prevista para 5% em a Próximo cinco anos. o eficiência ganhos sozinho lata sobrepor isto pequeno preço salvando (se usarmos os mesmos 5% no máximo carga):

Finalmente, no inversor PFC, 5% de 1 MW é novamente 50 kW, elevando a economia total de energia, apenas devido à maior eficiência do SiC versus IGBT, para 250 kW. Isto é como ter a adicional cobrando pilha ou a possibilidade para Melhor Saldo a horas extras de consumo de energia versus a demanda real de cargas.

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Para alcançar esses resultados, como dissemos, são necessários MOSFETs de SiC, mas eles não podem resolver os problemas sozinhos. Como os MOSFETs de SiC são acionados é a chave para alcançar os requisitos comutação frequência necessário alcançar a melhor troca entre projeto de sistema custos (dirigido de a MOSFETs, a bobinas, e a indutores) e eficiência. Os projetistas têm como alvo a frequência de comutação na faixa de 50 a 250 kHz. Os requisitos para os motoristas de portão estão se tornando cada vez mais desafiadores, principalmente em termos do mais curta propagação atrasos e melhorado curto circuito proteção.

Driver de portão isolado

Para atender a esses requisitos, um driver de porta isolado como o ADuM4136 Analog Devices permite um transiente de modo comum imunidade (CMTI) do 150 kV / µs para dirigir a SiC MOSFETs no a centenas de kilohertz comutação frequência alcance. Este, juntos com velozes culpa gestão como a proteção de dessaturação, oferece aos projetistas a possibilidade de acionar adequadamente MOSFETs SiC únicos ou paralelos até 1200 V.

O driver de porta isolado deve estar ligado. Isso pode ser feito, por exemplo, usando um combinação do o driver de porta ADuM4136 com um Controlador push-pull LT3999 para criar um componente básico de alta eficiência, sem ruídos, para gerenciar adequadamente os MOSFETs SiC (Veja a figura). O LT3999 é usado para controlar um isolado bipolar fonte de energia para o ADuM4136. O ultra baixo EMI design de ruído do o LT3999 isolado poder fornecem, juntos com a possibilidade para interruptor acima para 1 MHz, possibilitar uma compacta e econômica abordagem para atingir esse objetivo.

O componente básico mostrado aqui gerencia corretamente os MOSFETs SiC usando uma combinação de um driver de porta ADuM4136 com um controlador push-pull LT3999 para fornecer uma abordagem sem ruído e de alta eficiência.O componente básico mostrado aqui gerencia corretamente os MOSFETs SiC usando uma combinação de um driver de porta ADuM4136 com um controlador push-pull LT3999 para fornecer uma abordagem sem ruído e de alta eficiência.

o total propagação demora, Incluindo a morto Tempo mais a propagação atraso, é 226 ns para Ligar e 90 ns para desligar. o motorista demora vezes estamos 66. ns para a Ligar e 68 ns para a desligar, enquanto a morto vezes estamos 160 ns para ligar e 22 ns para desligar.

O objetivo de ter uma densidade de energia muito alta nos conversores de energia é alcançado sem comprometer a eficiência.

Um bom BMS leva a economia de custos

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Embora os conversores de energia sejam fundamentais para os caminhos de conversão de energia, nos sistemas de armazenamento de energia, o principal componente para garantir a melhor propriedade total custos é representado pelo gerenciamento / monitoramento de bateria sistemas (BMS). No uma preço-quebrar análise, nós podemos ver aquele para megawatt-range ESS, mais da metade do custo é impulsionado pelo rack de baterias – cerca de US $ 200 por kWh hoje, que deverá diminuir para US $ 100 por kWh em 2025.

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Tendo uma confiável e preciso BMS solução possibilita a bateria para ampliar Está tempo de vida de 30%, resultando em um enorme economia de custos e operabilidade simplificada do carregamento completo estação. Menos manutenção significa mais tempo de trabalho e sem problemas para o Comercial, portanto aumentando a segurança nível de reduzindo a conectado riscos do reparação.

Alcançar estes resultados, a controle de sistema de gerenciamento de energia a fluxos de energia em torno do carregamento estação deve ter uma entendimento muito preciso do o estado de carga SOC e Estado do saúde (SOH) do a energia armazenamento bateria. Preciso e confiável SOC e SOH cálculos permitem a bateria vida útil de 10 a 20 anos, na melhor das hipóteses, e em geral 30% melhoria na vida é alcançável sem aumentar a custos eletrônicos relacionados para a BMS. este conduz para uma redução do a operativo e propriedade custos do finalmente 30% dado de a aumentado tempo de vida do a bateria.

Combinando isso com superior precisão no o SOC informação torna possível para use todos os energia armazenado no pilhas e carregue-os da melhor maneira possível. Por sua vez, evita sobrecarga ou sobrealimentação, condições que lata drenar a bateria Fora em um muito curto prazo e crio arriscado situações gostar baixo circuitos e incêndios.

Para previsão manutenção, e para garantir a energia e poder fluxos estamos adequadamente gerenciado, sabendo a bateria SOC e SOH significa poder prever e ajustar os algoritmos envolvidos na estabilização da rede, no processo de carregamento do VE, e veículo para grade (V2G) conexão Onde veículos estamos também visto como armazenamento unidades.

IC do monitor de bateria

A solução para o monitoramento preciso é para usar uma multicelular para 18 células – bateria monitorar o IC com um total erro de medição do Menos do que 2.2 mV. Todas as 18 células podem ser medidas em 290 µs, e taxas mais baixas de aquisição de dados podem ser medidas. selecionado para alta redução de ruído. Vários dispositivos de monitor de pilha lata estar conectado em série, permitindo o monitoramento simultâneo de células de cordas de bateria longas e de alta tensão. Cada monitor de pilha possui uma interface periférica serial isolada (isoSPI) para AltoRapidez, RFimune, longodistância comunicações.

Múltiplo dispositivos são conectados em uma série com uma conexão de processador host para todos dispositivos. este margarida cadeia lata estar operado bidirecionalmente, garantindo integridade da comunicação, mesmo em caso de falha no caminho da comunicação. O IC pode ser alimentado diretamente de pilha de bateria ou de um fornecimento isolado. o IC inclui passiva balanceamento para cada célula, com modulação individual por largura de pulso (PWM) ciclo de trabalho controle para cada célula. Outros recursos incluem a a bordo 5-V regulador, nove propósito geral I / O linhas e uma dormir modo, Onde atual consumo é reduzido para 6 µA.

Devido às demandas de precisão de curto e longo prazo do aplicativo BMS, o IC usa uma referência de conversão Zener oculta em vez de uma referência de intervalo de banda. Isso fornece uma estábulo, baixo-deriva (20 ppm /kh), baixotemperatura-coeficiente (3 ppm / ° C), baixo-histerese (20 ppm) referência de tensão primária junto com excelente estabilidade a longo prazo. A precisão e a estabilidade são críticas, pois formam a base para todas as medições subsequentes das células da bateria; esses erros têm um impacto cumulativo na credibilidade dos dados adquiridos, na consistência do algoritmo e no sistema desempenho.

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Lidando com o ruído

Embora uma referência de alta precisão seja um recurso necessário para garantir desempenho superior, aquele sozinho não é o suficiente. o ac-dc conversor arquitetura e os seus operação deve atender às especificações em um ambiente eletricamente barulhento, qual é a resultado do a PWM transientes do a do sistema Alto-corrente electrica inversor. Preciso avaliação do a SOC e SOH do a baterias também requer correlação Voltagem, atual, e temperatura Medidas.

Para mitigar o ruído do sistema antes que possa afetar o desempenho do BMS, o conversor de monitor de pilha usa uma sigma-delta topologia, auxiliado por seis Comercialelegível opções de filtro para endereço ambientes barulhentos. o abordagem sigma-delta reduz o efeito de EMI e outros ruídos transitórios, por sua própria natureza, usando muitas amostras por conversão, com uma função de filtragem média. Por exemplo, o monitor de pilha LTC6813 fornece 18 canais.

Conclusão

Em resumo, para enfrentar os desafios da futura infraestrutura de carregamento rápido de corrente contínua, os aspectos críticos residirão na conversão de energia e sistemas de armazenamento de energia. Os designers podem conseguir isso através uma combinação do controlador de porta isolado com controlador de fonte de alimentação estágios de conversão de energia projetados com SiC MOSFETs, bem como com uma bateria-dispositivo de monitoramento para as baterias de armazenamento de energia.

Muitas outras áreas de foco estão presentes nesses sistemas, desde a medição de corrente até a proteção de falhas dispositivos de gás de detecção para funcional segurança. Eles todos extremamente importante e trazer imenso benefícios, e empresas como Analog Devices estão ativamente trabalhando no todos estes subsistemas fazer certo nós lata sentido, a medida, conectar, interpretar, seguro, e poder todos do a fisica fenômenos produzindo confiável e robusto dados. Tais dados, por sua vez, vai estar usado por Altofim algoritmos para faço certo a maioria energia é convertido de renovável fontes para a cargas – em isto caso, elétrico veículos.

Stefano Gallinaro é Gerente de Marketing Estratégico da Analog Devices Inc.

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