Kokia yra diodų apsauginė funkcija akumuliatoriaus energijos kaupimo sistemose?

1, Apsauga nuo atbulinės eigos įkrovimo: "vienpusiai vartai", blokuojantys energijos atgalinį srautą
Fotovoltinės energijos kaupimo sistemose saulės baterijos gali iškrauti akumuliatorių atvirkščiai per įkrovimo grandinę naktį arba lietingomis dienomis dėl įtampos, mažesnės už nuolatinės srovės magistralės įtampą. Toks energijos atgalinis srautas ne tik eikvoja akumuliatoriaus energiją, bet ir gali įkaisti arba net perdegti akumuliatoriaus skydelį. Šiuo metu priešpriešinio įkrovimo diodas (pvz., Schottky diodas), nuosekliai sujungtas įkrovimo grandinėje, sukuria fizinę izoliaciją dėl savo vienakrypčio laidumo: kai akumuliatoriaus įtampa yra didesnė už akumuliatoriaus plokštės išėjimo įtampą, diodas automatiškai išsijungia ir visiškai blokuoja atvirkštinės srovės kelią.

Kaip pavyzdį paėmus 20 MW fotovoltinę elektrinę, naudojamo priešpriešinio įkrovimo diodo tiesioginės įtampos kritimas yra tik 0,3 V, o tai yra 60% mažesnis nei tradicinių silicio diodų. Kasdienio apšvietimo sąlygomis 10 valandų jis gali sumažinti energijos nuostolius maždaug 12 000 kWh per metus. Dar svarbiau, kad diodas išlaiko stabilias charakteristikas plačiame temperatūrų diapazone nuo -40 laipsnių iki +150 laipsnių, efektyviai atsispirdamas ekstremalios aplinkos, pvz., dykumų ir plokščiakalnių, poveikiui įrenginio veikimui.

2, viršįtampio slopinimas: „greito atsako apsauga“ nuo trumpalaikių smūgių
Energijos kaupimo sistemos gali generuoti trumpalaikius kelių šimtų voltų viršįtampius įkrovimo iškrovos perjungimo, tinklo gedimų ar žaibo smūgių metu. TVS (Transient Voltage Suppression) diodai tapo pageidaujamu sprendimu apsaugoti jautrius įrenginius, tokius kaip MOSFET ir kondensatorius BMS (baterijos valdymo sistemose) dėl jų pikosekundės reakcijos greičio. Kai įtampa viršija gedimo įtampą, TVS diodas praleidžia per 10⁻¹ ² sekundžių, o viršįtampą užfiksuoja iki saugaus lygio. Didžiausia jo impulsų galia gali siekti kelis kilovatus, o to pakanka norint susidoroti su 8/20 μs impulso bangos forma, nurodyta IEC 61000-4-5 standarte.

Tam tikro energijos kaupiklio (PCS) išmatuotuose duomenyse, sukonfigūravus TVS diodus, sistemos įtampos šuoliai žaibo testavimo metu sumažėjo nuo 1200V iki 58V, o apsaugos sėkmės rodiklis padidėjo iki 99,97%. Verta paminėti, kad naujos kartos silicio karbido (SiC) TVS diodai suspaudimo įtampą sumažina 30 %, o tūrį – 50 %, o tai yra geresnis sprendimas didelio-tankio energijos kaupimo įrenginiams.

3, karštųjų taškų apsauga: "protingas skirstytuvas" fotovoltiniams moduliams
Didelėse fotovoltinėse matricose vietinė kliūtis arba komponentų gedimas gali sukelti „karštojo taško efektą“, dėl kurio uždengtų saulės elementų temperatūra pakils virš 200 laipsnių, o tai gali sukelti jungties dėžutės perdegimą ar net gaisrą. Aplenkimo diodas yra prijungtas prieš lygiagrečiai abiem akumuliatoriaus grandinės galams, kad būtų sukurtas protingas šunto mechanizmas: kai komponento išėjimo įtampa yra mažesnė nei kitų komponentų, apėjimo diodas automatiškai veda, apeidamas sugedusį komponentą ir užtikrindamas bendrą masyvo išėjimo galios stabilumą.

Dėl unikalios metalinės puslaidininkinės struktūros Schottky diodai pasižymi puikia apsauga nuo karštųjų taškų. Jo tiesioginio laidumo įtampa yra tik 0,15-0,3 V, tai yra 50% mažesnė nei įprastų diodų, o efektyvus šuntas gali susidaryti laidumo momentu. Lyginamasis 500 kW galios fotovoltinės elektrinės bandymas parodė, kad panaudojus Schottky aplinkkelio diodus komponentų gedimų dažnis, kurį sukelia šiluminės dėmės, sumažėjo nuo vidutiniškai 2,3% per metus iki 0,07%, o sistemos energijos gamyba padidėjo 1,8%.

4, Perjungimo nuostolių optimizavimas: „nematoma varomoji jėga“, skirta efektyviai konvertuoti energiją
Energijos kaupimo sistemų nuolatinės srovės/nuolatinės srovės keitikliuose ir keitikliuose greito atkūrimo diodai (FRD) žymiai sumažina perjungimo nuostolius dėl savo nanosekundžių lygio atkūrimo charakteristikų. Tradiciniai silicio diodai generuoja atvirkštinę atkūrimo srovę dėl mažumos nešiklio rekombinacijos, kai perjungiama nuo laidumo į išjungimą, todėl perjungimo vamzdis padidėja. Optimizavęs dopingo procesą ir įrenginio struktūrą, greito atkūrimo diodas gali sutrumpinti atvirkštinio atkūrimo laiką iki dešimčių nanosekundžių ir padidinti perjungimo dažnį iki daugiau nei 100 kHz.

Kaip pavyzdį imant 1MW energijos kaupimo keitiklį, pritaikius greito atkūrimo diodus, perjungimo nuostoliai sumažėjo 42%, o sistemos efektyvumas padidėjo nuo 96,2% iki 97,8%. Taikant elektromobilių įkrovimo stotis, ši technologija leidžia sutaupyti iki 15 kWh energijos per dieną vienai stotelei, o tai atitinka CO2 emisijos sumažinimą 12 tonų per metus. Dar labiau verta laukti, kad silicio karbido (SiC) diodai buvo pritaikyti komerciniams tikslams, o atvirkštiniai atkūrimo įkrovimai, palyginti su silicio įrenginiais, sumažėjo 90 %, o tai padėjo pagrindą naujos kartos itin efektyviems energijos kaupimo įrenginiams.

5, kelių scenarijų bendradarbiavimas: trimatės-apsaugos sistemos kūrimas
Šiuolaikinėms energijos kaupimo sistemoms dažnai reikia kelių diodų, kad jie veiktų kartu:

Įkrovimo grandinė: priešpriešinio įkrovimo diodas + TVS diodų derinys, vienu metu pasiekiantis atvirkštinę izoliaciją ir apsaugą nuo viršįtampio
Baterijos valdymas: Schottky diodai naudojami balansavimo grandinėms, o silicio karbido diodai optimizuoja DC/DC konversiją
Tinklo sąveika: Greito atkūrimo diodai pagerina inverterio efektyvumą, TVS diodai užtikrina tinklo prijungimo saugumą
Konteinerio tipo energijos kaupimo sistemos projektinis atvejis rodo, kad dėl protingo pasirinkimo ir išdėstymo diodų komponentai padidino sistemos MTBF (vidutinį laiką tarp gedimų) iki 80 000 valandų, sumažindami eksploatavimo ir priežiūros išlaidas 35%. Energijos kaupimo įtaisams tobulėjant link aukštos įtampos ir didelės talpos, diodų integravimo ir moduliavimo tendencija tampa vis akivaizdesnė. Pavyzdžiui, TVS ir varistorių integravimas į tą patį kelių sluoksnių lustų{4} paketą gali dar labiau pagerinti apsaugos tankį ir atsako greitį.