エネルギー貯蔵システムの中核設備であるエネルギー貯蔵コンバータは、電力変換、エネルギー管理、グリッド安定性の確保、エネルギー効率の向上などのための重要なツールです。エネルギー貯蔵コンバータ電源ユニットが高集積化と高効率化に向かうにつれて、周波数と大容量の開発により、放熱に対する要件がますます高くなります。

1-冷却要件の変更

l 大型のDCキャビンに合わせてコンバータ容量も増加し、効率的な放熱技術により機器の信頼性が確保されています。

エネルギー貯蔵セルの容量がますます大きくなるにつれて、エネルギー貯蔵システムの容量も同時に拡大しています。 2023年の初め、市場に出回っている標準的な20フィートのシングルセルバッテリーの容量はわずか3.35MWhでした。 今年後半には、多くのバッテリーセル企業が310Ah以上のエネルギー貯蔵製品を発売し、20フィートのシングルセルバッテリーの容量も5MWhに拡大しました。 しかし、5MWhモデルが更新されてから半年も経たないうちに、いくつかの大手エネルギー貯蔵システムが6MWhと8MWhのシステムをリリースしました。 一般的な経験によると、エネルギー貯蔵コンバーターは負荷容量の1.2倍で構成されます。 5MWhエネルギー貯蔵システムの単一ユニット容量は2.5MW以上である必要があります。 高出力では、持続的な高負荷下での機器の安定した動作を確保するために、より効率的な冷却技術が必要です。

エネルギー貯蔵システム統合トポロジースキームの反復的進化

l DC高電圧技術の適用には、デバイスにより高い耐電圧レベルと絶縁強度が求められ、パワーデバイスの放熱は厳しくなります。

大容量のエネルギー貯蔵システムに対応するため、DC高電圧技術が技術トレンドになっています。電圧レベルを上げることで、省エネ、効率、性能向上を実現できます。1500Vの電圧アップグレードは太陽光発電に端を発し、現在では太陽光発電がエネルギー貯蔵に関わっています。しかし、エネルギー貯蔵PCSの高電圧進化にはまだ長い道のりがあり、一部のメーカーは最適化して2000Vまで押し上げ始めています。DC高電圧技術の応用により、エネルギー貯蔵コンバーターのパワーエレクトロニクスデバイスは、高電圧作業環境に適応するために、より高い耐電圧レベルとより高い絶縁強度を備える必要があります。高電圧環境では、パワーデバイスの放熱設計がさらに重要になります。パワーデバイスのpn接合温度は通常125°Cを超えることはできず、パッケージシェルの温度は85°Cを超えません。

l ネットワーク化されたエネルギー貯蔵システムには、複雑な制御アルゴリズム、回路設計、高電力密度エネルギー貯蔵コンバータが必要です。

グリッド形成エネルギー貯蔵システムの電流源の本質的な特性とは異なり、グリッド形成エネルギー貯蔵システムは、本質的には、安定した電圧と周波数を出力するために電圧パラメータを内部で設定できる電圧源です。したがって、グリッド形成コンバータは同期発電機の特性をシミュレートし、電圧と周波数をサポートして電力システムの安定性を高める必要があります。この制御戦略では、コンバータがより高い電力密度とより複雑な制御アルゴリズムを備えていること、および制御戦略を実装するためにより高性能な電力デバイスとより複雑な回路設計が必要です。高電力密度と複雑な制御戦略によって発生する熱を効果的に管理し、性能を損なうことなく冷却システムのサイズとコストを削減することは、熱設計における新たな課題となっています。

2- 一般的な冷却ソリューションの比較

エネルギー貯蔵インバータの冷却ソリューションは近年、主に従来の空冷から液体冷却技術への冷却技術の移行を反映して、大幅な反復的な進化を遂げてきました。

l 空冷ソリューション

空冷は、エネルギー貯蔵コンバータの初期段階で使用されていた温度制御形式です。空気を媒体として使用し、ファンとラジエーターを介して熱を放散します。空冷ソリューションは、エネルギー消費を継続的に削減し、構造を最適化し、放熱材料を改善することで、放熱効率を向上させます。2.5MWの電力レベルでは、空冷でも要件を満たすことができます。

l 液体冷却ソリューション

エネルギー貯蔵システムの電力密度とエネルギー密度が継続的に増加するにつれて、液冷式PCSは、高熱伝導率の冷却剤を媒体として使用します。冷却剤は水ポンプによって駆動され、冷却プレート内を循環し、高度や気圧などの要因の影響を受けません。液冷システムは、空冷システムよりも効率的な放熱効率を備えています。液冷ソリューションはマッチング度が高く、過去1〜2年で研究され、普及し始めました。

全液冷却エネルギー貯蔵ソリューションに加えて、一部のメーカーは、相変化直接冷却を使用し、水を循環させないエネルギー貯蔵直接冷却機を発売しており、直接冷却ソリューションもエネルギー貯蔵分野に参入しています。

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