Vishay entwickelt Lösungen
DC-Netze erobern die Welt
Zusammen mit der Technischen Universität Köln und der Firma Altera hat Vishay eMobility LAB eine fünfkanalige eFuse mit einer Sigma-Delta und FPGA-basierten Logikeinheit entwickelt, die der Absicherung von DC-Netzen dient.
Während der Großteil unseres Elektrizitätsnetzes auf Wechselstrom beziehungsweise Wechselspannung basiert, benötigt eine steigende Anzahl an Applikationen Gleichspannung oder einen Gleichspannungszwischenkreis. Zu typischen Gleichstromanwendungen im Energiesektor zählen unter anderem Photovoltaikanlagen, Batteriespeicher, aber auch Inverter zur variablen Ansteuerung von Motoren. Im Industriesegment finden sich bereits Gleichspannungsnetze mit Spannungen im Bereich von 300 V bis 1000V.
Während für batterieelektrische Fahrzeuge klar ist, dass Leistung zwischen der Gleichstrom-Batterie und dem DC-Zwischenkreis des Traktionsinverters über Gleichstrom übertragen wird, ist dies zum Beispiel bei Solaranlagen nicht so eindeutig. Aufgrund der einfachen Integration in das bestehende AC-Netz sind die meisten älteren Solaranlagen und stationären Stromspeicher sowie nahezu alle Balkonkraftwerke AC-gekoppelt.
Allerdings wird die Sinnhaftigkeit der AC-Kopplung zwischen den Hauptverbrauchern und Haupteinspeisern wie beispielsweise bei der Photovoltaikanlage und stationärem Batteriespeicher zunehmend hinterfragt. Als Alternative bietet sich ein lokales, auf einige Geräte beschränktes und dadurch nachträglich mit überschaubarem Kostenaufwand installierbares DC-Netz an.
Dies lässt sich dann beispielsweise zwischen der PV-Anlage, dem Batteriespeicher, der Wärmepumpe und im besten Fall einem Elektroauto oder anderen Großverbrauchern wie Backöfen und Induktionskochfeldern aufspannen und kann so ohne unnötige AC-DC-/DC-AC-Wandlungen die Grundlage für ein hocheffizientes und hochdynamisches Energiemanagement legen.
Während im AC-gekoppelten System eine Vielzahl von AC-DC- oder DC-AC Wandlern notwendig ist, werden diese bei Verwendung eines DC-Netzes nahezu komplett eingespart. So wird der Energieertrag der Photovoltaikanlage (PV) über einen, mehrheitlich nicht galvanisch getrennten Maximum-Power-Point-Tracker so auf das Spannungslevel des lokalen DC-Netzes gewandelt, dass der PV-Ertrag maximiert wird. Auch der Batterie-Energiespeicher wird über einen nicht-isolierten DC-DC-Wandler an das lokale DC-Netz angeschlossen, der sich flexibel so steuern lässt, dass der Eigenverbrauch maximiert wird.
Verbraucher, die auf elektronisch geregelten Motortreibern basieren, zum Beispiel der Kompressor in einer Wärmepumpe, Lüfter in einer Lüftungsanlage oder andere Anwendungen, können mit ihrem DC-Zwischenkreis direkt vom lokalen DC-Netz versorgt werden. Ein weiterer spezieller DC-DC-Konverter, der in ein lokales DC-Netz eingebunden werden kann, wäre ein Schnelllader für Elektroautos.
Da nur in den seltensten Fällen die Installation eines puren DC Netzes sowie ein Inselbetrieb sinnvoll und umsetzbar ist, bietet es sich an, das lokale DC-Netz über einen zentralen Punkt jeweils an das existierende AC-Hausnetz sowie an das öffentliche AC-Netz zu koppeln.
Während AC-gekoppelte Photovoltaikanlagen vom Netzbetreiber gedrosselt werden können, auch wenn der Eigenverbrauch den PV-Ertrag übersteigt, ermöglicht die Verwendung eines lokalen DC-Netzes und eines zentralen AC-Netzkopplungspunkts, den möglichen PV-Ertrag weiterhin lokal zu nutzen. Dies kann insbesondere an Sommertagen einen beträchtlichen monetären Vorteil bringen, vor allem dann, wenn man zum Beispiel durch das direkte DC-gekoppelte DC-Laden eines Elektroautos die lokal erzeugte Energie komplett lokal verwenden kann. Dies eröffnet Anwendungen wie beispielsweise das Laden von Elektroautos mit 30 kW während der Tageszeit, zu der sonst die Einspeisevergütung das Stilllegen der PV-Anlage erzwingen würde. Eine Anwendung, die AC gekoppelt vor der derzeitigen legislativen Kulisse nicht oder nur sehr schwer umsetzbar wäre.
Außer den eindeutigen Vorteilen der lokalen DC-Netze sind jedoch auch die damit einhergehenden Herausforderungen zu erwähnen: Allen voran sind hier die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu nennen. Um sie zu gewährleisten, sind entsprechende elektrische und elektronische Komponenten nötig, aber auch die schnelle Entwicklung und kosteneffiziente Produktion der notwendigen Geräte.
Vishay möchte zu einer schnellen Einführung dieser Technologie auf zwei Arten beitragen. Zum einen in der Rolle des klassischen Komponentenherstellers, der sein Portfolio mit robusten Standardkomponenten wie SiC-Halbleitern, Überspannungsschutzdioden, Kondensatoren und Induktivitäten beständig um die nötigen Komponenten erweitert oder benutzerspezifische Bauteile anbietet wie isolierte Leistungsmodule, resistive Stromsensoren mit sehr guter Langzeitstabilität und geringer thermischer Drift, Filmkondensatoren, Spulen und Transformatoren, die die notwendige Spannungsfestigkeit und Isolationsstrecken aufweisen; zum anderen aber auch durch Aktivitäten in der industrienahen Forschung und Entwicklung im Rahmen des Vishay eMobility LABs, das die Entwicklung neuer Komponenten und Schaltungen im Rahmen industrieller und akademischer Kooperationen maßgeblich vorantreibt.
Lösungen und Schaltungsbausteine, die im eMobilityLAB entwickelt werden, stehen im Rahmen von Evaluation Kits sowie Referenz-Designs auf Vishay.com frei zur Verfügung. Sie zeigen die Verwendung von Vishay Komponenten in einer Vielzahl von Applikationen aus dem Bereich E-Mobility und den daran angrenzenden Bereichen wie den hier diskutierten DC-Netzen, die auch bei Elektroautos eine zuverlässige Methode zum schnellen Unterbinden von Stromfluss im Falle eines Fehlers darstellen.
Während zur Absicherung von AC-Netzen zahlreiche Möglichkeiten wie thermische Sicherungen oder elektromechanische Schalter wie Fehlerstrom-Schutzschalter existieren, gestaltet sich die Absicherung von DC-Netzen deutlich schwieriger. Beim Schalten großer Ströme und hoher Spannungen mit mechanischen Schaltern kommt es gewöhnlich zur Ausbildung von Funkenstrecken, die zur Zerstörung des mechanischen Schalters führen, sofern sie nicht rechtzeitig unterbunden werden. Aufgrund der Natur von AC-Netzen fällt der Strom periodisch auf null, und die Funkenstrecke fällt zusammen. Wie aus dieser Beschreibung leicht erkenntlich ist, ist dies in DC-Netzen nicht der Fall, sodass konventionelle mechanische Stromtrenneinrichtungen nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand in DC-Systemen eingesetzt werden können.
Eine Möglichkeit zur Absicherung von DC-Netzen sind daher Sicherungssysteme, die auf elektronischen statt auf mechanischen Schaltern basieren, die sogenannten eFuses oder Solid-State-Circuit-Breaker. Eine eFuse beziehungsweise ein Solid-State-Circuit-Breaker besteht aus drei fundamentalen Einheiten: einem Halbleiterschalter, einem Stromsensor und einer Kontrolleinheit. Bei den verwendeten Halbleiterschaltern für eFuses in 800-V-Automotive-Systemen, aber auch in den hier diskutierten stationären DC-Netzen für Industrie- oder Privatgebäude, kommt meist ein 1200-V-SiC-MOSFET mit niedrigem Widerstand zum Einsatz.
Als Stromsensor hat sich eine Shunt-basierte Strommessung etabliert, bei der ein niederohmiger Widerstand eine stromproportionale Spannung hervorruft, die die Logikeinheit auswertet. Diese Logikeinheit verwendet die Strom- und Spannungsmessungen sowie Benutzereingaben, um den Schaltzustand der Sicherung und der Vorladeschaltung zu bestimmen.
Eine im eMobility LAB in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Köln und der Firma Altera entwickelte fünfkanalige eFuse wurde mit einer Sigma-Delta- und FPGA-basierten Logikeinheit ausgestattet, um die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes zu zeigen. Mit einer Auflösung von circa 8 ENOB innerhalb von etwa 1 µs erlaubt es die aufgezeigte Lösung, auf Überstrom zu reagieren und gleichzeitig mit einer Auflösung von 12 bis 14 ENOB die angeschlossenen Geräte und Leitungen thermisch abzusichern.
