Kā diodes palīdz sadalīt enerģiju akumulatoru sistēmās?

一, Enerģijas sadalīšanas pamatprincips, ko panāk ar diodēm
1. Šunta pamatu vienvirziena vadītspējas konstrukcija
Diodes galvenā īpašība ir ļaut strāvai plūst no anoda (A) uz katodu (K), vienlaikus bloķējot pretējā virzienā. Šis raksturlielums padara to par ideālu sastāvdaļu enerģijas sadalīšanas ķēdēm:

Uz priekšu vadītspēja: kad akumulatora blokam ir jāpiegādā strāva slodzei, diode ir zemas pretestības stāvoklī, ļaujot strāvai iziet cauri;
Reversā izslēgšana: ja slodzes spriegums ir augstāks par akumulatora spriegumu vai pastāv reversās strāvas risks, diode automātiski bloķē strāvu, lai novērstu enerģijas atpakaļplūsmu.
Tipisks gadījums: kosmosa kuģa saules bateriju blokā katrs apakšmasīvs (akumulatora bloks) ir savienots ar kopni, izmantojot izolācijas diodi. Vietējā ēnas periodā, kad akumulators ir izlādējies, izolācijas diode tiek izslēgta pretējā virzienā, lai saules bateriju ķēde nekļūtu par akumulatora bloka izlādes slodzi, nodrošinot, ka enerģija plūst tikai no akumulatora uz slodzi.

2. Spiediena krituma raksturlielumu un novirzīšanas efektivitātes optimizācija
Diodes tiešā sprieguma kritums (VF) tieši ietekmē enerģijas sadalīšanas efektivitāti:

Parastā silīcija diode: VF ir aptuveni 0,6–0,7 V, ar ievērojamu enerģijas patēriņu pie lielām strāvām;
Šotkija diode: VF līdz 0,2–0,4 V, ar ārkārtīgi īsu reversās atkopšanas laiku (<10ns), suitable for high-frequency switching scenarios;
Sinhronās taisnošanas tehnoloģija: MOSFET izmantošana diožu vietā var samazināt vadītspējas sprieguma kritumu līdz 0,01 V, taču ir nepieciešamas sarežģītas piedziņas ķēdes.
Efektivitātes salīdzinājums: pie 200A strāvas Šotkija diodes (VF=0.4V) vadītspējas zudums ir 80 W, savukārt parastās silīcija diodes (VF=0.7V) zudums sasniedz 140 W, ar ievērojamu efektivitātes atšķirību.

2. Tipiski diožu pielietojuma scenāriji enerģijas sadalīšanā
1. Akumulatora bloka līdzsvarota novirzīšana: novērš pārlādēšanu/pārmērīgu izlādi
Sērijveida akumulatoru komplektā atsevišķu elementu nekonsekventa kapacitāte var izraisīt pārlādēšanas vai pārmērīgas izlādes risku. Diožu pasīvā balansēšana tiek panākta, izmantojot šunta rezistorus vai komutācijas caurules:

Novirzīšanas pretestības metode: katrā atsevišķā akumulatorā paralēli ir savienots rezistors un diode. Kad akumulatora spriegums pārsniedz iestatīto vērtību, diode vada un sadala uzlādes strāvu caur rezistoru. Šai metodei ir zemas izmaksas, bet zema efektivitāte (zaudējumi aptuveni 10% -15%);
Novirzīšanas slēdža metode: MOSFET izmantošana rezistoru vietā, sprieguma noteikšana caur diodēm un ieslēgšanas/izslēgšanas kontrole, lai panāktu precīzu novirzīšanu. Piemēram, Tesla Model 3 BMS izmanto šo shēmu, lai kontrolētu individuālo sprieguma balansēšanas kļūdu ± 5 mV robežās.
2. Inteliģenta vairāku barošanas sistēmu pārslēgšana: strāvas padeves nepārtrauktības nodrošināšana
Divu akumulatoru barošanas sistēmā (piemēram, elektriskā transportlīdzekļa starta akumulators un barošanas akumulators) diodes nodrošina automātisku pārslēgšanos:

Releja+diodes shēma: Kad galvenā akumulatora spriegums nokrītas līdz slieksnim, relejs atvienojas un rezerves akumulators caur diodi piegādā slodzei strāvu. Šīs shēmas pārslēgšanas laiks ir mazāks par 1ms, bet releja kalpošanas laiks ir ierobežots;
Pilna diodes shēma: Dabiskā pārslēgšanās tiek panākta ar diodes sprieguma krituma starpību. Piemēram, noteikta enerģijas uzglabāšanas sistēma izmanto divus bateriju komplektus (ar sprieguma starpību 0,3 V). Augstsprieguma-akumulatoru vispirms darbina diode, un, kad tā spriegums pazeminās, zema sprieguma{4}}akumulators automātiski pārņem to.
3. Termiskā plankuma aizsardzība fotoelektriskajām sistēmām: izvairoties no lokālas pārkaršanas
Fotoelektrisko elementu blokos ēnojums vai atsevišķas kļūmes var izraisīt karstā punkta efektus. Diode aizsargā sistēmu, izmantojot šādas metodes:

Apvada diode: apgrieztā virzienā paralēli katram akumulatoram diode vada, kad akumulators ir bloķēts, nodrošinot apvada kanālu strāvai un novēršot lokālu pārkaršanu. Piemēram, kosmosa kuģa trīs savienojumu gallija arsenīda saules bateriju bloks izmanto šo dizainu, samazinot karstā punkta temperatūru no 200 grādiem līdz 60 grādiem;
Bloķēšanas diode: savienota virknē akumulatora atzarā, lai neļautu bojātajam atzaram patērēt enerģiju no citiem akumulatoriem. Saskaņā ar statistikas datiem no noteiktas fotoelektriskās elektrostacijas, bloķējošo diožu izmantošana ir samazinājusi sistēmas ikgadējo atteices līmeni par 40%.
3, Tehnoloģiskās evolūcijas virziens: no pasīvās novirzīšanas uz aktīvo intelektu
1. Plaša joslas spraugas materiāls uzlabo novirzīšanas efektivitāti
SiC (silīcija karbīda) un GaN (gallija nitrīda) diodēm ir šādas priekšrocības:

Sprieguma izturības uzlabošana: SiC Schottky diode var izturēt līdz 1700 V, piemērota augstsprieguma enerģijas uzglabāšanas sistēmām;
Augstas frekvences reakcija: GaN diodes pārslēgšanas frekvence sasniedz MHz līmeni, kas var samazināt filtrēšanas komponentu izmēru;
Zemas temperatūras raksturlielumi: pie -40 grādiem SiC diožu VF svārstības ir mazākas par 5%, tāpēc tās ir piemērotas polāriem vai kosmosa lietojumiem.
Gadījums: BYD asmens akumulators BMS izmanto SiC Schottky diodi, kas samazina reversās atkopšanas zudumus par 80% un uzlabo sistēmas efektivitāti par 2,3%.

2. Integrētie moduļi vienkāršo sistēmas projektēšanu
Diožu integrācija ar sensoriem un draiveru shēmām ir kļuvusi par tendenci:

Inteliģentais diodes modulis: integrē sprieguma noteikšanas, temperatūras kompensācijas un statusa ziņošanas funkcijas, piemēram, Infineon Smart Diode sēriju, kas var reāllaikā uzraudzīt šunta strāvu un nodrošināt atgriezenisko saiti BMS;
Power Integrated Circuit (PIC): integrē diodes, MOSFET un kontrolierus vienā mikroshēmā, lai samazinātu PCB laukumu. Pēc PIC shēmas pieņemšanas noteikta elektromobiļa līdzstrāvas/līdzstrāvas pārveidotājs ir samazinājis tilpumu par 60% un izmaksas par 35%.
3. Digitālā vadība nodrošina precīzu novirzīšanu
Apvienojot digitālo signālu procesoru (DSP) vai mikrokontrolleri (MCU), diodes šunta sistēma var sasniegt:

Dinamiskā balansēšana: pielāgojiet šunta slieksni reāllaikā{0}}, pamatojoties uz akumulatora SOC (atlikušo uzlādi), lai pagarinātu akumulatora darbības laiku;
Paredzamā apkope: analizējot diodes sprieguma krituma izmaiņas, iepriekš atklājiet slikta kontakta vai novecošanas problēmas;
Vairāku režīmu pārslēgšana: automātiski optimizējiet novirzīšanas stratēģiju dažādos darba apstākļos, piemēram, uzlādē, izlādējot un gaidīšanas režīmā.
Nozares dati: pēc digitālās novirzīšanas kontroles ieviešanas noteiktas enerģijas uzglabāšanas sistēmas akumulatora cikla darbības laiks ir palielināts no 3000 reižu līdz 5000 reizēm, un ikgadējās darbības un uzturēšanas izmaksas ir samazinātas par 25%.