Как диодите помагат при разделянето на енергията в батерийните системи?

一, Основният принцип на разделяне на енергията, постигнат чрез диоди
1. Конструкция на еднопосочна проводимост на шунтова основа
Основната характеристика на диода е да позволява на тока да тече от анода (A) към катода (K), докато блокира в обратна посока. Тази характеристика го прави идеален компонент за вериги за разделяне на енергия:

Права проводимост: Когато батерията трябва да захранва товара, диодът е в състояние на ниско съпротивление, което позволява преминаването на ток;
Обратно прекъсване: Когато напрежението на товара е по-високо от напрежението на батерията или има риск от обратен ток, диодът автоматично блокира тока, за да предотврати обратния поток на енергия.
Типичен случай: В масив от слънчеви клетки на космически кораб всеки подматриц (батериен модул) е свързан към шината чрез изолационен диод. По време на локалния период на сянка, когато батерията се разрежда, изолационният диод се изключва в обратна посока, за да се предотврати превръщането на веригата на слънчевата клетка в разряден товар на батерията, като се гарантира, че енергията тече само от батерията към товара.

2. Оптимизиране на характеристиките на падане на налягането и ефективността на отклонението
Падането на напрежението напред (VF) на диода влияе пряко върху ефективността на разделяне на енергията:

Обикновен силициев диод: VF е около 0,6-0,7V, със значителна консумация на енергия при високи токове;
Шотки диод: VF само 0,2-0,4 V, с изключително кратко време за обратно възстановяване (<10ns), suitable for high-frequency switching scenarios;
Технология за синхронно коригиране: Използването на MOSFET вместо диоди може да намали спада на напрежението на проводимост до под 0,01 V, но изисква сложни управляващи вериги.
Сравнение на ефективността: При ток от 200 A, загубата на проводимост на диода на Шотки (VF=0.4V) е 80 W, докато загубата на обикновения силициев диод (VF=0.7V) достига 140 W, със значителна разлика в ефективността.

2, Типични сценарии за приложение на диоди при разделяне на енергия
1. Балансирано отклоняване на батерията: предотвратяване на презареждане/преразреждане
В сериен пакет батерии непостоянният капацитет на отделните клетки може да доведе до рискове от презареждане или презареждане. Пасивното балансиране на диодите се постига чрез шунтови резистори или превключващи тръби:

Метод на отклоняващо съпротивление: Във всяка отделна батерия резистор и диод са свързани паралелно. Когато напрежението на батерията надвиши зададената стойност, диодът провежда и разделя тока на зареждане през резистора. Този метод има ниска цена, но ниска ефективност (загуба от около 10% -15%);
Метод на превключване на отклоняване: Използване на MOSFET вместо резистори, откриване на напрежение чрез диоди и контролиране на включване/изключване за постигане на прецизно отклоняване. Например, BMS на Tesla Model 3 приема тази схема, за да контролира индивидуалната грешка при балансиране на напрежението в рамките на ± 5mV.
2. Интелигентно превключване на множество системи за захранване: осигуряване на непрекъснатост на захранването
В система за захранване с двойна батерия (като стартовата батерия и захранващата батерия на електрическо превозно средство), диодите постигат автоматично превключване:

Схема реле+диод: Когато напрежението на основната батерия спадне до прага, релето се изключва и резервната батерия захранва товара през диода. Времето за превключване на тази схема е по-малко от 1ms, но животът на релето е ограничен;
Пълна диодна схема: Естественото превключване се постига чрез разликата в спада на напрежението на диода. Например, определена система за съхранение на енергия използва два комплекта батерии (с разлика в напрежението от 0,3 V). Батерията с високо-напрежение се захранва първо от диод и когато напрежението й спадне, батерията с ниско{4}}напрежение автоматично поема.
3. Термична точкова защита за фотоволтаични системи: избягване на локално прегряване
При масивите от фотоволтаични клетки засенчването или отделните повреди могат да причинят ефекти на горещи точки. Диодът защитава системата чрез следните методи:

Байпасен диод: В обратен паралел с всяка батерия, диодът провежда, когато батерията е блокирана, осигурявайки байпасен канал за ток и предотвратявайки локално прегряване. Например, масивът от слънчеви клетки с три кръстовища на галиев арсенид на космическия кораб приема този дизайн, намалявайки температурата на горещата точка от 200 градуса до под 60 градуса;
Блокиращ диод: Свързан последователно в клона на батерията, за да предотврати консумацията на енергия от други батерии на дефектния клон. Според статистика от определена фотоволтаична електроцентрала, използването на блокиращи диоди е намалило годишния процент на отказ на системата с 40%.
3, Посока на технологичното развитие: от пасивно отклоняване към активен интелект
1. Широколентовият материал подобрява ефективността на отклоняването
SiC (силициев карбид) и GaN (галиев нитрид) диоди имат следните предимства:

Подобряване на издръжливостта на напрежение: SiC диодът на Шотки може да издържи до 1700 V, подходящ за-системи за съхранение на енергия с високо напрежение;
Високочестотна характеристика: Честотата на превключване на GaN диод достига ниво MHz, което може да намали размера на филтриращите компоненти;
Нискотемпературни характеристики: При -40 градуса VF флуктуацията на SiC диодите е по-малка от 5%, което ги прави подходящи за полярни или космически приложения.
Случай: BYD блейд батерията BMS използва SiC диод на Шотки, който намалява загубите при обратно възстановяване с 80% и подобрява ефективността на системата с 2,3%.

2. Интегрираните модули опростяват дизайна на системата
Интегрирането на диоди със сензори и драйверни вериги се превърна в тенденция:

Интелигентен диоден модул: интегрира функции за откриване на напрежение, температурна компенсация и отчитане на състоянието, като серията Smart Diode на Infineon, която може да наблюдава тока на шунт в реално време и да предоставя обратна връзка на BMS;
Захранваща интегрална схема (PIC): Интегриране на диоди, MOSFET и контролери в един чип за намаляване на площта на печатната платка. След приемането на схемата PIC, DC/DC преобразувателят на определено електрическо превозно средство е намалил обема си с 60% и разходите с 35%.
3. Цифровото управление постига прецизно отклоняване
Чрез комбиниране на цифров сигнален процесор (DSP) или микроконтролер (MCU), диодна шунтова система може да постигне:

Динамично балансиране: Регулирайте прага на шунт в реално-време въз основа на SOC (оставащ заряд) на батерията, за да удължите живота на батерията;
Прогнозна поддръжка: Чрез анализиране на промените в спада на напрежението на диода, открийте предварително лош контакт или проблеми със стареенето;
Превключване на няколко режима: Автоматично оптимизиране на стратегията за отклоняване при различни работни условия като зареждане, разреждане и режим на готовност.
Индустриални данни: След приемането на цифрово управление на отклонението, животът на батерията на дадена система за съхранение на енергия е увеличен от 3000 пъти на 5000 пъти, а годишните разходи за експлоатация и поддръжка са намалени с 25%.