SiC-Halbleiter steigern Wirkungsgrad Mehr erneuerbare Energie im Akku speichern

Von Kane Jia* Lesedauer: 6 min |

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Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) puffern erneuerbare Energiequellen im privaten und gewerblichen Bereich. Aktuelle SiC-Halbleiter können die Leistungsfähigkeit solcher Speichersysteme deutlich verbessern.

Aufbau eines Batterie-Energiespeichersystems (BESS): Bidirektionale Spannungswandler (oben Mitte) koppeln das Akkumodul (oben rechts) entweder mit der Gleich- oder der Wechselstromschiene des Invertersystems zwischen Energiequelle und Last (oben links).
Aufbau eines Batterie-Energiespeichersystems (BESS): Bidirektionale Spannungswandler (oben Mitte) koppeln das Akkumodul (oben rechts) entweder mit der Gleich- oder der Wechselstromschiene des Invertersystems zwischen Energiequelle und Last (oben links).
(Bild: Onsemi)

Zu Spitzenzeiten, wenn die Sonne von einem wolkenlosen Himmel strahlt und der Wind kräftig bläst, liefern erneuerbare Quellen wie Sonnen- und Windenergie mehr Energie als nötig. Für eine optimale Energieausbeute und eine konstante Versorgung mit erneuerbarer Energie muss dieser Überschuss gespeichert und dann abgerufen werden, wenn die Umgebungsbedingungen für die Energieerzeugung weniger günstig sind – wie zum Beispiel in einer windstillen Nacht.

Für das Speichern der überschüssigen Energie werden verschiedene Verfahren verwendet. Die vier am häufigsten eingesetzten Methoden sind elektrochemisch, chemisch, thermisch und mechanisch.

BESS: Bedarf steigt stark an

Als Teil der „Energiewende“ sollen der Anteil regenerativer Energien wie Solar- oder Windenergie deutlich erhöht und so der Verbrauch fossiler Energie auf ein Minimum gesenkt werden. Während Gas- oder Kohlekraftwerke jedoch konstant Strom liefern, schwankt der Output von Fotovoltaikfeldern und Windturbinen stark mit der Sonneneinstrahlung bzw. Windstärke. Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) machen die Stromversorgung stabiler und zuverlässiger, indem sie überschüssigen Strom aufnehmen und im Bedarfsfall bereitstellen – nicht nur bei der Solar-Dachanlage zuhause, sondern auch im großtechnischen Maßstab für das landesweite Stromnetz. Und so steigt mit dem Ausbau der Erneuerbaren auch der Bedarf an BESS-Speicherkapazität – laut dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme von ca. 750 MWh installierter Batterie-Großspeicherkapazität im Jahr 2021 auf 180 GWh bis 2045.

BESS: Bestandteile und Vorteile

Grundlage der meisten Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) ist das bekannteste elektrochemische Speicherprinzip: Lithium-Ionen-Batterien, die sich durch hohe Leistungsdichte und Effizienz, kompakte Formfaktoren und Modularität auszeichnen. Außerdem handelt es sich bei Li-Ion um eine ausgereifte Batterietechnik, die zuverlässig und kostengünstig ist. Auch trägt der kontinuierlich sinkende Preis von Li-Ionen-Batterien zu ihrer zunehmenden Verwendung in Energiespeichersystemen bei.

Ein BESS besteht meist aus den folgenden vier wesentlichen Elementen:

  • Akkumodul: Meist in Gestellen montierte Batteriezellen mit einer Gesamt-Nennspannung von 50 V bis über 1.000 V.
  • Batteriemanagementsystem (BMS): Schützt und verwaltet die wiederaufladbaren Batterien und stellt sicher, dass sie innerhalb sicherer Betriebsparameter arbeiten.
  • Energiewandlersystem (Power Conversion System, PCS): Verbindet den Batteriesatz mit dem Netz und der Last und ist ein wichtiger Faktor für die Kosten, Größe und Gesamtleistung eines BESS.
  • Energiemanagementsystem (EMS): Diese Software überwacht, steuert und optimiert das Energieerzeugungs- oder -übertragungssystem.

Der Einsatz netzgekoppelter oder netzunabhängiger Solarwechselrichter in Verbindung mit Batteriespeichern bietet viele Vorteile für private und gewerbliche Nutzer, darunter:

  • Preisgestaltung: Die Speicherung von Energie senkt die Stromkosten, wenn die Strompreise der Energieversorger höher sind.
  • Autarkie: Die Speicherung von Energie reduziert (oder eliminiert) die Abhängigkeit vom Netz.
  • Notstromquelle: Gespeicherter Strom bietet bei Stromausfall eine Alternative.

BESS für Privathaushalte und Gewerbe

Bild 2: AC-gekoppeltes (links) und DC-gekoppeltes (rechts) Batterie-Energiespeichersystem (BESS) für Wohngebäude.
Bild 2: AC-gekoppeltes (links) und DC-gekoppeltes (rechts) Batterie-Energiespeichersystem (BESS) für Wohngebäude.
(Bild: Onsemi)

Energiewandlersysteme in BESS werden nach der Art der Energiekopplung (Wechsel- oder Gleichstrom, siehe Bild oben) und nach Leistungsniveau (Wohngebäude oder Gewerbe) unterschieden. AC-gekoppelte Energiespeicherung ist zwar ein einfaches Upgrade für bestehende Solar- oder Windenergieanlagen, erfordert jedoch einen zusätzlichen Stromwandlungsschritt, um die Batterie zu laden und zu entladen. Dabei kann potenziell mehr Energie verloren gehen. Dagegen erfordert ein DC-gekoppeltes System oder ein Hybrid-Wechselrichter nur einen Stromwandlungsschritt. So lässt sich ein PCS für Wohngebäude zu einem bestehenden Solarwechselrichter hinzufügen, damit die erzeugte Energie eine Pufferbatterie laden oder Haushaltsgeräte betreiben kann.

Ein bidirektionaler DC/DC-Wandler verbindet einen Batteriesatz und den DC-Zwischenkreis. Die Busspannung eines Einphasen-Systems beträgt in der Regel weniger als 600 V, während die Lade- und Entladeleistung 10 kW nicht überschreitet. Hier ist ein Abwärts-/Aufwärtswandler (Buck/Boost, Bild 1) der gebräuchlichste bidirektionale DC/DC-Aufbau, da er weniger Komponenten benötigt und einfach zu steuern ist. Zwei 650V-IGBTs oder MOSFETs mit parallelen Dioden sind in einem bidirektionalen Wandlersystem dieser Art ausreichend. Der 650V-FS4-IGBT FGH4L75T65MQDC50 von Onsemi mit integrierter SiC-Diode bietet beispielsweise geringe Leitungs- und Schaltverluste in dieser Anwendung.

Bild 1: Zwei IGBTS oder MOSFETs mit parallelen Dioden in der Leistungsstufe eines Abwärts-/Aufwärtswandler (Buck-Boost) für bidirektionale DC/DC-Wandlung.
Bild 1: Zwei IGBTS oder MOSFETs mit parallelen Dioden in der Leistungsstufe eines Abwärts-/Aufwärtswandler (Buck-Boost) für bidirektionale DC/DC-Wandlung.
(Bild: Onsemi)

Galvanische Trennung sorgt für die Sicherheit der BESS-Nutzer, und die Schaltungsanordnungen DAB (Dual Ac­tive Bridge Converter) oder CLLC (Resonanzwandler) stellen isolierte bidirektionale DC/DC-Wandler für BESS bereit. Eine kaskadierte Frontend-Buck/Boost-Schaltung kann bei erheblichen Schwankungen der Batteriespannung einen breiteren Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen liefern. Dieser Ansatz senkt auch die Blindleistung und vergrößert die Soft-Switching-Zone. Der 150V-n-Kanal-Shield-Gate-PowerTrench-MOSFET NTP5D0N15MC eignet sich ideal für diese Anordnungen.

Eine Dreiphasen-Stromversorgung ist Standard in Gewerbe- und Geschäftsräumen sowie Haushalten mit hohem Strombedarf. In Dreiphasen-Versorgungen müssen Leistungsschalter Betriebsspannungen und -strömen standhalten, die bis zu 15 kW liefern, und mit einer höherer Zwischenkreisspannung als in Wohngebäuden arbeiten können (bis zu 1.000 V). Dazu werden die oben erwähnten 650-V-Schalter durch 1.200-V-Versionen ersetzt – möglicherweise als Teil einer dreistufigen symmetrischen Buck/Boost-Anordnung. Dies führt zu geringeren Schaltverlusten, da nur die Hälfte der Ausgangsspannung an den Schaltern und Dioden anliegt. Hinzu kommt der Vorteil, dass kleinere Induktivitäten erforderlich sind und eine bessere EMV erzielt wird. Leider erfordert dieser Ansatz mehr Bauelemente, was das Design und die Steuerung komplexer macht und die Kosten erhöht.

Kommerzielle BESS

Der Eingangs- und Ausgangsleistungsbereich eines kommerziellen Energiespeichersystems liegt in der Regel zwischen 100 kW und 2 MW. Diese großen Anlagen können aus mehreren dreiphasigen Teilsystemen bestehen, die von einigen Dutzend bis zu über 100 kW reichen. Hier ist die maximale Gleichspannung, die von der Busspannung der vorhandenen Solaranlage oder der Batteriespannung abhängt, eine wichtige Vorgabe. Die Zwischenkreisspannung gängiger Solarwechselrichter beträgt meist 1.100 V, kann aber in einer Großanlage bei bis zu 1.500 V liegen. Für einen gegebenen Leistungspegel reduziert eine höhere Zwischenkreisspannung den Strom und senkt somit die Kosten für das Verbindungskabel.

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Bild 3: In Wechselrichtern für industrielle Hochleistungsanwendungen kommt häufig die dreiphasige I-NPC-Schaltungsanordnung zum Einsatz.
Bild 3: In Wechselrichtern für industrielle Hochleistungsanwendungen kommt häufig die dreiphasige I-NPC-Schaltungsanordnung zum Einsatz.
(Bild: Onsemi)

In kommerziellen BESS kommen häufiger AC-gekoppelte Systeme zum Einsatz, da sie sich leicht in ein bestehendes System integrieren lassen. DC-gekoppelte Systeme stellen hier hingegen hohe Anforderungen an die elektrische Nachrüstung, da sie an den DC-Bus angeschlossen werden müssen, der sich normalerweise innerhalb des ursprünglichen Systems befindet und eine hohe Spannung und Stromstärke aufweist.

In Wechselrichtern für industrielle Hochleistungsanwendungen kommt häufig die dreiphasige I-NPC-Schaltungsanordnung zum Einsatz (Bild 3). Sie besteht aus vier Schaltern, vier Inversdioden und zwei Klemmdioden mit einer Durchbruchspannung, die niedriger ist als die tatsächliche Zwischenkreisspannung, sodass 650-V-Schalter auch in einem 1.100-V-System ausreichend sind.

Schaltungsanordnungen mit drei Stufen bieten mehrere Vorteile. Erstens haben sie geringere Schaltverluste (proportional zum Quadrat der an die Schalter und Dioden angelegten Spannung). Zweitens weisen sie eine geringere Stromwelligkeit auf, und die Spitze-Spitze-Spannung beträgt die Hälfte der Gesamtspannung, dadurch kann die Filterschaltung mit einer kleineren, kostengünstigeren Induktivität realisiert werden. Schließlich werden die mit der Stromwelligkeit einhergehenden leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen ebenso reduziert wie abgestrahlte Störungen. Das Upgrade auf eine A-NPC-Anordnung bietet eine noch bessere Leistungsfähigkeit, da zwei Klemmdioden durch zwei aktive Schalter mit geringerem Verlust ersetzt werden. Bei dieser Anordnung sind jedoch die Treiberpaarung und Verzögerungsanpassung von Bedeutung, was bei einigen Anwendungen ein Nachteil sein kann.

SiC sorgt für leistungsfähigere BESS

Siliziumkarbid (SiC) bietet im Vergleich zu Silizium überlegene Leistungsmerkmale wie eine größere Bandlücke, eine höhere Durchbruchfeldstärke und eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Damit lassen sich SiC-Bauelemente bei höheren Frequenzen betreiben, ohne dass die Ausgangsleistung gegen die Größe der Induktivität abgewogen werden muss. Die höhere Betriebseffizienz von SiC kann in manchen Situationen auch eine natürliche Kühlung anstelle einer Zwangslüftung ermöglichen.

Die 650-V-EliteSiC-MOSFETs NTH4L015N065SC1 und NTBL045N065SC1 von Onsemi eignen sich sehr gut für den Ersatz siliziumbasierter Schalter in Energiespeichersystemen, während die 1.200-V-Dual-Boost-MOSFETs NXH40B120MNQ0 und das 2-Pack-Halbbrücken-EliteSiC-Leistungsmodul NXH010P120MNF1 eine noch höhere Leistungsdichte in Versorgungssystemen bieten. Für den Einsatz in BESS-Anwendungen hat Onsemi darüber hinaus verschiedene andere Komponenten im Programm, darunter Gate-Treiber, Strommessverstärker und MACPHY-Ethernet-Controller.  (cg)

* Kane Jia ist Application Marketing Engineer bei Onsemi

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