Kaip diodai padeda dalyti energiją akumuliatorių sistemose?

一, Pagrindinis energijos padalijimo principas, pasiekiamas naudojant diodus
1. Šunto pagrindo vienkrypčio laidumo konstrukcija
Diodo pagrindinė charakteristika yra leisti srovei tekėti iš anodo (A) į katodą (K), blokuojant priešinga kryptimi. Dėl šios charakteristikos jis idealiai tinka energijos padalijimo grandinėms:

Laidumas pirmyn: kai akumuliatoriaus blokas turi tiekti maitinimą apkrovai, diodas yra mažos varžos būsenoje, leidžiantis srovei praeiti;
Atvirkštinis išjungimas: kai apkrovos įtampa yra didesnė už akumuliatoriaus įtampą arba yra atvirkštinės srovės rizika, diodas automatiškai blokuoja srovę, kad būtų išvengta energijos atgalinio srauto.
Įprastas atvejis: Erdvėlaivio saulės elementų masyve kiekviena antrinė matrica (baterijos blokas) yra prijungta prie magistralės per izoliacinį diodą. Vietiniu šešėliniu laikotarpiu, kai akumuliatorius išsikrauna, izoliacinis diodas išjungiamas atvirkščiai, kad saulės elementų grandinė netaptų baterijos bloko iškrovimo apkrova, užtikrinant, kad energija tekėtų tik iš akumuliatoriaus į apkrovą.

2. Slėgio kritimo charakteristikų optimizavimas ir nukreipimo efektyvumas
Diodo tiesioginis įtampos kritimas (VF) tiesiogiai veikia energijos padalijimo efektyvumą:

Įprastas silicio diodas: VF yra apie 0,6–0,7 V, su dideliu energijos suvartojimu esant didelėms srovėms;
Schottky diodas: VF net 0,2–0,4 V, su itin trumpu atvirkštinio atkūrimo laiku (<10ns), suitable for high-frequency switching scenarios;
Sinchroninio ištaisymo technologija: naudojant MOSFET, o ne diodus, laidumo įtampos kritimas gali būti mažesnis nei 0,01 V, tačiau tam reikia sudėtingų vairavimo grandinių.
Efektyvumo palyginimas: Esant 200 A srovei, Šotkio diodo (VF=0.4V) laidumo nuostoliai yra 80 W, o įprasto silicio diodo (VF=0.7V) nuostoliai siekia 140 W, o efektyvumas labai skiriasi.

2, Tipiniai diodų panaudojimo energijos padalijimo scenarijai
1. Subalansuotas akumuliatoriaus bloko nukreipimas: apsaugokite nuo per didelio įkrovimo / iškrovimo
Serijinėje baterijoje dėl nevienodo atskirų elementų talpos gali kilti per didelio įkrovimo arba iškrovimo pavojus. Pasyvus diodų balansavimas pasiekiamas naudojant šunto rezistorius arba perjungimo vamzdžius:

Nukreipimo varžos metodas: Kiekvienoje atskiroje baterijoje lygiagrečiai sujungti rezistorius ir diodas. Kai akumuliatoriaus įtampa viršija nustatytą vertę, diodas veda ir padalija įkrovimo srovę per rezistorių. Šis metodas turi mažą kainą, bet mažą efektyvumą (nuostoliai apie 10% -15%);
Nukreipimo jungiklio metodas: MOSFET naudojimas vietoj rezistorių, įtampos aptikimas per diodus ir įjungimo / išjungimo valdymas, kad būtų pasiektas tikslus nukreipimas. Pavyzdžiui, Tesla Model 3 BMS naudoja šią schemą, kad valdytų individualią įtampos balansavimo paklaidą ± 5 mV.
2. Sumanus kelių maitinimo sistemų perjungimas: energijos tiekimo tęstinumo užtikrinimas
Dviejų akumuliatorių maitinimo sistemoje (pvz., paleidimo akumuliatoriuje ir elektromobilio maitinimo akumuliatoriuje) diodai automatiškai persijungia:

Relės+diodo schema: Kai pagrindinės baterijos įtampa nukrenta iki slenksčio, relė atsijungia ir atsarginė baterija tiekia maitinimą apkrovai per diodą. Šios schemos perjungimo laikas yra mažesnis nei 1ms, tačiau relės tarnavimo laikas yra ribotas;
Viso diodo schema: Natūralus perjungimas pasiekiamas dėl diodo įtampos kritimo skirtumo. Pavyzdžiui, tam tikroje energijos kaupimo sistemoje naudojami du baterijų rinkiniai (kurių įtampos skirtumas yra 0,3 V). Aukštos-įtampos akumuliatorius pirmiausia maitinamas diodu, o jo įtampai nukritus, žemos-tampos akumuliatorius automatiškai perima.
3. Fotovoltinių sistemų šiluminė taško apsauga: išvengiama vietinio perkaitimo
Fotovoltinių elementų matricose šešėliai arba atskiri gedimai gali sukelti karštųjų taškų poveikį. Diodas apsaugo sistemą šiais būdais:

Apėjimo diodas: Atvirkščiai lygiagrečiai su kiekviena baterija, diodas laiduoja, kai akumuliatorius yra užblokuotas, sudarydamas apėjimo kanalą srovei ir apsaugodamas nuo vietinio perkaitimo. Pavyzdžiui, erdvėlaivio trijų jungčių galio arsenido saulės elementų matrica pritaikyta tokiai konstrukcijai, sumažindama karšto taško temperatūrą nuo 200 laipsnių iki žemiau 60 laipsnių;
Blokavimo diodas: nuosekliai prijungtas prie akumuliatoriaus šakos, kad sugedusi šaka nevartotų energijos iš kitų baterijų. Remiantis tam tikros fotovoltinės elektrinės statistika, blokavimo diodų naudojimas sumažino metinį sistemos gedimų skaičių 40%.
3, Technologinės evoliucijos kryptis: nuo pasyvaus nukreipimo iki aktyvaus intelekto
1. Plataus diapazono medžiaga pagerina nukreipimo efektyvumą
SiC (silicio karbido) ir GaN (galio nitrido) diodai turi šiuos privalumus:

Įtampos patvarumo padidinimas: SiC Schottky diodas gali atlaikyti iki 1700 V, tinka aukštos-tampos energijos kaupimo sistemoms;
Aukšto dažnio atsakas: GaN diodo perjungimo dažnis pasiekia MHz lygį, o tai gali sumažinti filtravimo komponentų dydį;
Žemos temperatūros charakteristikos: esant -40 laipsnių, SiC diodų VF svyravimas yra mažesnis nei 5%, todėl jie tinkami poliariniam arba kosminiam naudojimui.
Atvejis: BYD ašmenų akumuliatoriaus BMS naudoja SiC Schottky diodą, kuris sumažina atvirkštinio atkūrimo nuostolius 80% ir pagerina sistemos efektyvumą 2,3%.

2. Integruoti moduliai supaprastina sistemos projektavimą
Diodų integravimas su jutikliais ir tvarkyklių grandinėmis tapo tendencija:

Išmanusis diodų modulis: integruoja įtampos aptikimo, temperatūros kompensavimo ir būsenos ataskaitų teikimo funkcijas, tokias kaip Infineon Smart Diode serija, kuri gali stebėti šunto srovę realiu laiku ir teikti grįžtamąjį ryšį BMS;
Maitinimo integrinis grandynas (PIC): diodų, MOSFET ir valdiklių integravimas į vieną lustą, siekiant sumažinti PCB plotą. Pritaikius PIC schemą, tam tikros elektromobilio DC/DC keitiklis sumažino savo tūrį 60%, o kainą - 35%.
3. Skaitmeninis valdymas užtikrina tikslų nukreipimą
Sujungus skaitmeninį signalo procesorių (DSP) arba mikrovaldiklį (MCU), diodų šunto sistema gali pasiekti:

Dinaminis balansavimas: reguliuokite šunto slenkstį realiuoju laiku-, atsižvelgdami į akumuliatoriaus SOC (likusį įkrovimą), kad pailgintumėte akumuliatoriaus veikimo laiką;
Nuspėjamoji priežiūra: analizuodami diodo įtampos kritimo pokyčius, iš anksto nustatykite prasto kontakto ar senėjimo problemas;
Kelių režimų perjungimas: automatiškai optimizuokite nukreipimo strategiją skirtingomis darbo sąlygomis, pvz., įkrovimo, iškrovimo ir budėjimo režimu.
Pramonės duomenys: pritaikius skaitmeninį nukreipimo valdymą, tam tikros energijos kaupimo sistemos baterijos ciklo veikimo laikas pailgėjo nuo 3000 kartų iki 5000 kartų, o metinės eksploatavimo ir priežiūros išlaidos sumažėjo 25%.