Kako diode pomažu u podjeli energije u sistemima baterija?

一, Osnovni princip cijepanja energije koji se postiže diodama
1. Jednosmjerna konstrukcija provodljivosti šanta temelja
Osnovna karakteristika diode je da omogući struji da teče od anode (A) do katode (K) dok blokira u suprotnom smjeru. Ova karakteristika ga čini idealnom komponentom za kola za dijeljenje energije:

Provođenje naprijed: Kada baterija treba da opskrbi opterećenje, dioda je u stanju niskog otpora, dozvoljavajući struji da prolazi;
Reverzno isključenje: Kada je napon opterećenja veći od napona baterije ili postoji rizik od obrnute struje, dioda automatski blokira struju kako bi spriječila povratni protok energije.
Tipičan slučaj: U nizu solarnih ćelija svemirske letjelice, svaki podniz (jedinica baterijskog paketa) je povezan sa magistralom preko izolacione diode. Tokom lokalnog perioda sjene, kada se baterija isprazni, izolaciona dioda se isključuje u obrnutom smjeru kako bi se spriječilo da krug solarnih ćelija postane opterećenje pražnjenja baterije, osiguravajući da energija teče samo od baterije do opterećenja.

2. Optimizacija karakteristika pada pritiska i efikasnosti preusmjeravanja
Pad napona naprijed (VF) diode direktno utiče na efikasnost podjele energije:

Obična silikonska dioda: VF je oko 0,6-0,7V, sa značajnom potrošnjom energije pri velikim strujama;
Schottky dioda: VF samo 0,2-0,4V, sa izuzetno kratkim povratnim vremenom oporavka (<10ns), suitable for high-frequency switching scenarios;
Tehnologija sinhrone ispravljanja: Upotreba MOSFET-a umjesto dioda može smanjiti pad napona provodljivosti na ispod 0,01 V, ali zahtijeva složene pogonske krugove.
Poređenje efikasnosti: Pri struji od 200A, gubitak provodljivosti Schottky diode (VF=0.4V) je 80W, dok gubitak obične silikonske diode (VF=0.7V) dostiže 140W, sa značajnom razlikom u efikasnosti.

2, Tipični scenariji primjene dioda u dijeljenju energije
1. Uravnoteženo preusmjeravanje baterije: spriječite prekomjerno punjenje/prepunjenje
U serijskom paketu baterija, nedosljedan kapacitet pojedinačnih ćelija može dovesti do rizika od prekomjernog punjenja ili prekomjernog pražnjenja. Pasivno balansiranje dioda postiže se šant otpornicima ili prekidačkim cijevima:

Metoda otpora na preusmeravanje: U svakoj pojedinačnoj bateriji, otpornik i dioda su povezani paralelno. Kada napon baterije premaši postavljenu vrijednost, dioda provodi i dijeli struju punjenja kroz otpornik. Ova metoda ima nisku cijenu, ali nisku efikasnost (gubitak od oko 10% -15%);
Metoda diverzionog prekidača: korištenje MOSFET-a umjesto otpornika, otkrivanje napona kroz diode i kontrola uključivanja/isključivanja radi postizanja preciznog skretanja. Na primjer, BMS Tesla Model 3 usvaja ovu šemu za kontrolu individualne greške balansiranja napona unutar ± 5mV.
2. Inteligentno prebacivanje više sistema napajanja: osigurava kontinuitet napajanja
U sistemu napajanja sa dvostrukom baterijom (kao što je startna baterija i baterija električnog vozila), diode postižu automatsko prebacivanje:

Šema Relej+dioda: Kada napon glavne baterije padne na prag, relej se isključuje i pomoćna baterija napaja opterećenje kroz diodu. Vrijeme prebacivanja ove šeme je manje od 1 ms, ali je životni vijek releja ograničen;
Potpuna diodna shema: Prirodno prebacivanje se postiže kroz razliku u padu napona diode. Na primjer, određeni sistem za skladištenje energije koristi dva seta baterija (sa razlikom napona od 0,3V). Visokonaponska-baterija se prvo napaja diodom, a kada njen napon padne, niskonaponska-baterija automatski preuzima.
3. Zaštita od termičke tačke za fotonaponske sisteme: izbjegavanje lokalnog pregrijavanja
U nizovima fotonaponskih ćelija, zasjenjenje ili pojedinačni kvarovi mogu uzrokovati efekte vrućih tačaka. Dioda štiti sistem na sljedeće načine:

Bypass dioda: Obrnuto, paralelno sa svakom baterijom, dioda vodi kada je baterija blokirana, osiguravajući premosni kanal za struju i sprječavajući lokalno pregrijavanje. Na primjer, niz solarnih ćelija svemirske letjelice sa tri spoja galij-arsenid usvaja ovaj dizajn, smanjujući temperaturu vruće tačke sa 200 stepeni na ispod 60 stepeni;
Blokirajuća dioda: serijski spojena u grani baterije kako bi se spriječilo da neispravna grana troši energiju iz drugih baterija. Prema statistici određene fotonaponske elektrane, upotreba blokirnih dioda smanjila je godišnju stopu kvarova sistema za 40%.
3, Smjer tehnološke evolucije: od pasivne diverzije do aktivne inteligencije
1. Materijal sa širokim pojasom poboljšava efikasnost preusmjeravanja
SiC (silicijum karbid) i GaN (galijum nitrid) diode imaju sledeće prednosti:

Povećanje izdržljivosti napona: SiC Schottky dioda može izdržati do 1700V, pogodna za visoko-sisteme za pohranu energije;
Odziv visoke frekvencije: frekvencija prebacivanja GaN diode dostiže nivo MHz, što može smanjiti veličinu komponenti za filtriranje;
Karakteristike niske temperature: Na -40 stepeni, VF fluktuacija SiC dioda je manja od 5%, što ih čini pogodnim za polarne ili svemirske aplikacije.
Slučaj: BYD blade baterija BMS koristi SiC Schottky diodu, koja smanjuje gubitak povratnog povrata za 80% i poboljšava efikasnost sistema za 2,3%.

2. Integrisani moduli pojednostavljuju dizajn sistema
Integracija dioda sa senzorima i upravljačkim krugovima postala je trend:

Inteligentni diodni modul: integriše detekciju napona, temperaturnu kompenzaciju i funkcije izvještavanja o statusu, kao što je Infineon serija Smart Diode, koja može pratiti struju šanta u realnom vremenu i pružiti povratnu informaciju BMS-u;
Integrisano kolo napajanja (PIC): Integracija dioda, MOSFET-a i kontrolera u jedan čip za smanjenje površine PCB-a. Nakon usvajanja PIC šeme, DC/DC pretvarač određenog električnog vozila smanjio je svoj volumen za 60% i cijenu za 35%.
3. Digitalna kontrola postiže precizno preusmjeravanje
Kombinacijom procesora digitalnih signala (DSP) ili mikrokontrolera (MCU), diodni shunt sistem može postići:

Dinamičko balansiranje: Podesite prag shunt-a u realnom-vremenu na osnovu SOC-a baterije (preostalo punjenje) kako biste produžili vijek trajanja baterije;
Prediktivno održavanje: Analizirajući promjene u padu napona diode, unaprijed otkrijte loš kontakt ili probleme sa starenjem;
Prebacivanje na više načina: Automatski optimizirajte strategiju preusmjeravanja u različitim radnim uvjetima kao što su punjenje, pražnjenje i stanje pripravnosti.
Industrijski podaci: Nakon usvajanja digitalne kontrole preusmeravanja, životni vek baterije određenog sistema za skladištenje energije je povećan sa 3000 puta na 5000 puta, a godišnji trošak rada i održavanja smanjen je za 25%.