W jaki sposób diody pomagają w rozdzielaniu energii w systemach akumulatorowych?

一, Podstawowa zasada podziału energii osiągana przez diody
1. Konstrukcja fundamentu bocznikowego o przewodności jednokierunkowej
Podstawową cechą diody jest umożliwienie przepływu prądu od anody (A) do katody (K) przy jednoczesnym blokowaniu w przeciwnym kierunku. Ta cecha sprawia, że ​​jest to idealny element do obwodów podziału energii:

Przewodzenie w przód: Gdy zestaw akumulatorów musi zasilać obciążenie, dioda znajduje się w stanie niskiego oporu, umożliwiając przepływ prądu;
Odcięcie odwrotne: Gdy napięcie obciążenia jest wyższe niż napięcie akumulatora lub istnieje ryzyko wystąpienia prądu wstecznego, dioda automatycznie blokuje prąd, aby zapobiec przepływowi zwrotnemu energii.
Typowy przypadek: w układzie ogniw słonecznych statku kosmicznego każdy podzespół (zespół akumulatorów) jest podłączony do magistrali poprzez diodę izolującą. Podczas lokalnego okresu cienia, gdy zestaw akumulatorów jest rozładowany, dioda izolacyjna wyłącza się w odwrotnym kierunku, aby zapobiec sytuacji, w której obwód ogniw słonecznych stanie się obciążeniem rozładowującym pakiet akumulatorów, zapewniając przepływ energii wyłącznie z akumulatora do obciążenia.

2. Optymalizacja charakterystyki spadku ciśnienia i efektywności przekierowania
Spadek napięcia w kierunku przewodzenia (VF) diody wpływa bezpośrednio na efektywność podziału energii:

Zwykła dioda krzemowa: VF wynosi około 0,6-0,7 V, przy znacznym poborze mocy przy dużych prądach;
Dioda Schottky’ego: VF już od 0,2–0,4 V, z wyjątkowo krótkim czasem przywracania sygnału zwrotnego (<10ns), suitable for high-frequency switching scenarios;
Technologia prostowania synchronicznego: użycie tranzystorów MOSFET zamiast diod może zmniejszyć spadek napięcia przewodzenia do wartości poniżej 0,01 V, ale wymaga skomplikowanych obwodów sterujących.
Porównanie wydajności: Przy prądzie 200A straty przewodzenia diody Schottky'ego (VF=0.4V) wynoszą 80W, podczas gdy straty zwykłej diody krzemowej (VF=0.7V) osiągają 140W, przy znacznej różnicy w wydajności.

2, Typowe scenariusze zastosowań diod w rozszczepianiu energii
1. Zrównoważone przekierowanie akumulatora: zapobiegaj przeładowaniu/nadmiernemu rozładowaniu
W przypadku akumulatorów szeregowych nierówna pojemność poszczególnych ogniw może prowadzić do ryzyka przeładowania lub nadmiernego rozładowania. Pasywne równoważenie diod osiąga się za pomocą rezystorów bocznikowych lub lamp przełączających:

Metoda rezystancji odwracającej: W każdym pojedynczym akumulatorze rezystor i dioda są połączone równolegle. Gdy napięcie akumulatora przekroczy ustawioną wartość, dioda przewodzi i dzieli prąd ładowania przez rezystor. Ta metoda ma niski koszt, ale niską wydajność (strata około 10% -15%);
Metoda przełącznika zmiany kierunku: użycie tranzystorów MOSFET zamiast rezystorów, wykrywanie napięcia na diodach i kontrolowanie włączania/wyłączania w celu uzyskania precyzyjnego przekierowania. Na przykład BMS Tesli Model 3 przyjmuje ten schemat w celu kontrolowania indywidualnego błędu równoważenia napięcia w zakresie ± 5 mV.
2. Inteligentne przełączanie wielu systemów zasilania: zapewnienie ciągłości zasilania
W układzie zasilania z dwóch akumulatorów (takim jak akumulator rozruchowy i akumulator zasilający pojazdu elektrycznego) diody osiągają automatyczne przełączanie:

Schemat przekaźnik+dioda: Gdy napięcie akumulatora głównego spadnie do wartości progowej, przekaźnik zostaje rozłączony, a akumulator zapasowy zasila obciążenie poprzez diodę. Czas przełączania w tym schemacie jest krótszy niż 1 ms, ale żywotność przekaźnika jest ograniczona;
Pełny schemat diodowy: Naturalne przełączanie osiąga się poprzez różnicę spadku napięcia diody. Na przykład pewien system magazynowania energii wykorzystuje dwa zestawy akumulatorów (o różnicy napięcia 0,3 V). Akumulator wysokiego-napięciowego jest najpierw zasilany przez diodę, a gdy jego napięcie spadnie, automatycznie przejmuje akumulator niskiego-napięciowego.
3. Termiczna ochrona punktowa systemów fotowoltaicznych: unikanie lokalnego przegrzania
W układach ogniw fotowoltaicznych zacienienie lub pojedyncze awarie mogą powodować efekt gorących punktów. Dioda zabezpiecza system następującymi metodami:

Dioda obejściowa: Dioda odwrotnie, równolegle do każdego akumulatora, dioda przewodzi, gdy akumulator jest zablokowany, zapewniając kanał obejściowy dla prądu i zapobiegając lokalnemu przegrzaniu. Na przykład trójzłączowy układ ogniw słonecznych z arsenku galu znajdujący się na statku kosmicznym wykorzystuje tę konstrukcję, zmniejszając temperaturę gorącego punktu z 200 stopni do poniżej 60 stopni;
Dioda blokująca: Połączona szeregowo w odgałęzieniu akumulatora, aby zapobiec zużywaniu przez wadliwe odgałęzienie energii z innych akumulatorów. Według statystyk pewnej elektrowni fotowoltaicznej zastosowanie diod blokujących zmniejszyło roczną awaryjność systemu o 40%.
3, Kierunek ewolucji technologicznej: od pasywnej dywersji do aktywnej inteligencji
1. Szeroki materiał pasma wzbronionego poprawia skuteczność przekierowania
Diody SiC (węglik krzemu) i GaN (azotek galu) mają następujące zalety:

Zwiększona wytrzymałość napięciowa: dioda SiC Schottky'ego wytrzymuje napięcie do 1700 V, co jest odpowiednie dla systemów magazynowania energii-wysokonapięciowego;
Charakterystyka wysokiej częstotliwości: częstotliwość przełączania diody GaN osiąga poziom MHz, co może zmniejszyć rozmiar elementów filtrujących;
Charakterystyka niskotemperaturowa: Przy -40 stopniach fluktuacja VF diod SiC jest mniejsza niż 5%, co czyni je odpowiednimi do zastosowań polarnych lub lotniczych.
Obudowa: Bateria typu blade BYD BMS wykorzystuje diodę SiC Schottky'ego, która zmniejsza straty przy odzyskiwaniu energii o 80% i poprawia wydajność systemu o 2,3%.

2. Zintegrowane moduły upraszczają projektowanie systemu
Integracja diod z czujnikami i obwodami sterownika stała się trendem:

Inteligentny moduł diodowy: integruje funkcje wykrywania napięcia, kompensacji temperatury i raportowania stanu, takie jak seria Smart Diode firmy Infineon, która może monitorować prąd bocznikowy w czasie rzeczywistym i przekazywać informacje zwrotne do BMS;
Układ scalony mocy (PIC): Integracja diod, tranzystorów MOSFET i kontrolerów w jeden układ scalony w celu zmniejszenia powierzchni PCB. Po przyjęciu schematu PIC przetwornica DC/DC w pewnym pojeździe elektrycznym zmniejszyła swoją objętość o 60% i koszt o 35%.
3. Sterowanie cyfrowe zapewnia precyzyjne przekierowanie
Łącząc cyfrowy procesor sygnałowy (DSP) lub mikrokontroler (MCU), system bocznikowy diodowy może osiągnąć:

Dynamiczne równoważenie: dostosuj próg bocznika w czasie rzeczywistym-na podstawie SOC (pozostałego poziomu naładowania) akumulatora, aby wydłużyć jego żywotność;
Konserwacja predykcyjna: analizując zmiany spadku napięcia diody, wykrywaj z wyprzedzeniem problemy ze słabym stykiem lub starzeniem;
Przełączanie wielu trybów: automatycznie optymalizuj strategię przekierowania w różnych warunkach pracy, takich jak ładowanie, rozładowywanie i tryb gotowości.
Dane branżowe: Po przyjęciu cyfrowej kontroli przekierowania żywotność baterii określonego systemu magazynowania energii wzrosła z 3000 do 5000 razy, a roczne koszty eksploatacji i konserwacji zmniejszono o 25%.