Какъв е топлинният защитен ефект на диодите в автомобилните захранвания за съхранение на енергия?

一, Основна причина за топлинно изчезване: сложна термична среда на бордовото захранване за съхранение на енергия
Монтираните в превозни средства източници на енергия за съхранение на енергия (като захранващи батерии и суперкондензаторни модули) са изправени пред множество термични предизвикателства по време на работа:

Изискване за висока плътност на мощността: В режим на бързо зареждане батерията трябва да завърши 80% зареждане в рамките на 15 минути, с моментна плътност на мощността до 500kW/m³, което води до местно повишаване на температурата над 10 градуса/мин.
Температурни колебания в околната среда: Работният температурен диапазон на превозните средства е от -40 градуса до 85 градуса, а екстремните температурни разлики изострят топлинния стрес върху компонентите.
Суперпозиция на електрическа повреда: Късо съединение, презареждане, обратен ток и други повреди могат да причинят локални горещи точки и температурата може да пробие точката на топене на материала в рамките на милисекунди.
Като вземем за пример батерийния модул на Tesla Model 3, той приема схема за свързване на серия от 21700 клетки с групова енергийна плътност на един-режим от 250Wh/kg. При екстремни работни условия, ако термичното управление се провали, температурата на повърхността на клетката на батерията може да се повиши от 25 градуса до 300 градуса в рамките на 30 секунди, предизвиквайки верижна реакция на термично бягане. В този момент ефективността на диода като първа термична защитна бариера директно определя дали системата може да постигне активна изолация в ранните етапи на термично бягане.

2, Механизъм за термична защита на диоди: иновация от материали до структури
1. Ниският спад на напрежението напред (VF) намалява загубата на топлина
Спадът на напрежението в права посока на традиционните силициеви-диоди е 0,6-0,7V, което води до 12-14W топлинни загуби при 20A ток. Шотки диодът приема метална полупроводникова преходна структура и VF може да бъде толкова нисък, колкото 0,2-0,4 V ™ Например, диодите на Шотки поддържат VF от 0,3 V при висока температура от 150 градуса, което е 57% по-ниско от базираните на силиций устройства и намалява загубата на топлина с 68%. След използване на диоди на Шотки в DC/DC преобразувателя на BYD e6, ефективността на преобразуване се увеличи от 92% на 95%, а повишаването на температурата на системата намаля с 8 градуса.

2. Бързото време за обратно възстановяване (Trr) потиска загубите при превключване
Във високо{0}}честотните превключващи захранвания (като зарядни за автомобили OBC) диодите трябва бързо да превключват между състояние на проводимост и прекъсване. Традиционните диоди с бързо възстановяване имат Trr от 50-100ns, докато трето-поколение полупроводникови материали като SiC и GaN могат да съкратят Trr до 10ns. GaN HEMT диодът на Cree намалява загубите при обратно възстановяване с 90% в сравнение с базираните на силиций-устройства при честота на превключване от 1MHz, което води до ефективност на OBC системата над 98%. В платформата за високо напрежение 800V на NIO ET7, използването на GaN диоди намалява обема на модула за зареждане с 40% и топлинната плътност с 35%.

3. Потискането на преходното напрежение (TVS) блокира разпространението на топлинно изтичане
Диодът TVS ограничава пренапрежението до безопасен диапазон със скорост на реакция от милисекунди, предотвратявайки прегряване на батерията и загуба на контрол поради презареждане. Диодът SMBJ15CA TVS от Dongwo Electronics се прилага в системата за съхранение на енергия Tesla Powerwall с Pppm=600W и Vc=18V. Той може да потисне напрежението от 24 V до 18 V в рамките на 10 μs, намалявайки повишаването на температурата на повърхността на модула на батерията с 42%. При теста за термично разгонване UL9540A, това решение постигна повече от 10 пъти по-дълго време за реакция за системата за противопожарна защита.

3, Термична защита на ниво система: съвместно проектиране на диоди и други компоненти
1. Композитна защита с MOSFET
Традиционната P-MOS антиреверсна схема има проблеми като високо съпротивление и невъзможност за блокиране на обратния ток. Идеалният диоден контролер LM74700-Q1 на TI постига 0,01 Ω при съпротивление и скорост на обратно изключване на наносекундно ниво чрез интегриране на N-MOS и контролна верига. В системата за ниско напрежение от 48 V на Ideal Car L9, това решение намалява загубата на обратна връзка от 8 W на 0,2 W и повишаването на температурата на системата от 15 градуса на 2 градуса, като напълно решава риска от термична повреда по време на студен старт.

2. Управление по затворен контур с температурен датчик
Батерийният модул CTP3.0 на CATL приема затворен -дизайн на „диод+NTC температурен сензор“. Когато температурата на клетката на батерията надвиши 55 градуса, системата автоматично прекъсва сигнала за управление на диода и го принуждава да премине в режим на разсейване на топлината; Ако температурата продължи да се покачва до 70 градуса, механизмът за топене на TVS диод ще се задейства, за да се постигне физическа изолация. При реалното тестване на GAC AiON LX, тази схема намали скоростта на разпространение на термично бягане от 0,5 m/s на 0,02 m/s.

3. Оптимизация на термичното електрическо свързване с течна охладителна система
Системата за съхранение на енергия BYD Cube използва технология за течно охлаждане, за да стабилизира работната температура на диода под 45 градуса, намалявайки обратния ток на утечка със 78% в сравнение с решението с въздушно-охлаждане. В същото време системата динамично регулира дебита на охлаждащата течност въз основа на кривата VF Tj на диода. В системата за съхранение на енергия Huawei Digital Energy PowerStack този дизайн удължава живота на диода от 10 години на 15 години и намалява вероятността от термична повреда до 0,01% на година.