Kakšna je zaščitna funkcija diod v akumulatorskih sistemih za shranjevanje energije?

1, Zaščita pred povratnim polnjenjem: "enosmerna-vrata", ki blokirajo povratni tok energije
V fotonapetostnih sistemih za shranjevanje energije lahko sončne celice ponoči ali v deževnih dneh izpraznijo baterijo vzvratno skozi polnilno vezje zaradi napetosti, ki je nižja od napetosti vodila DC. Ta vrsta povratnega toka energije ne porablja samo energije baterije, ampak lahko povzroči tudi segrevanje ali celo izgorevanje plošče baterije. Na tej točki dioda proti povratnemu polnjenju (kot je Schottkyjeva dioda), zaporedno povezana v polnilnem vezju, tvori fizično izolacijo s svojo enosmerno prevodnostjo: ko je napetost akumulatorja višja od izhodne napetosti plošče akumulatorja, se dioda samodejno izklopi in popolnoma blokira pot povratnega toka.

Če za primer vzamemo fotonapetostno elektrarno z močjo 20 MW, je padec napetosti naprej uporabljene diode proti povratnemu polnjenju le 0,3 V, kar je 60 % nižje od tradicionalnih silicijevih diod. Pri dnevni osvetlitvi 10 ur lahko zmanjša izgubo energije za približno 12000 kWh na leto. Še pomembneje pa je, da dioda ohranja stabilne lastnosti v širokem temperaturnem območju od -40 stopinj do +150 stopinj, s čimer se učinkovito upira vplivu ekstremnih okolij, kot so puščave in planote, na delovanje naprave.

2, Zatiranje prenapetosti: "zaščita za hiter odziv" za prehodne udarce
Sistemi za shranjevanje energije lahko povzročijo prehodne prenapetosti več sto voltov med preklopom praznjenja polnjenja, napakami v omrežju ali udari strele. Diode TVS (Transient Voltage Suppression) so postale prednostna rešitev za zaščito občutljivih naprav, kot so MOSFET-ji in kondenzatorji v BMS (Battery Management Systems) zaradi njihove pikosekundne hitrosti odziva. Ko napetost preseže svojo prebojno napetost, dioda TVS prevaja v 10 ⁻¹ ² sekundah in omeji prenapetost na varno raven. Njegova največja impulzna moč lahko doseže nekaj kilovatov, kar zadostuje za obvladovanje impulzne valovne oblike 8/20 μs, določene v standardu IEC 61000-4-5.

V izmerjenih podatkih določenega pretvornika za shranjevanje energije (PCS) se je po konfiguraciji diod TVS napetostni skok sistema med testiranjem strele zmanjšal s 1200 V na 58 V, stopnja uspešnosti zaščite pa se je povečala na 99,97 %. Treba je omeniti, da nova generacija TVS diod iz silicijevega karbida (SiC) zmanjša vpenjalno napetost za 30 % in skrči prostornino za 50 %, kar zagotavlja boljšo rešitev za naprave za shranjevanje energije z visoko-gostoto.

3, Zaščita vročih točk: "inteligentni razdelilnik" za fotovoltaične module
V velikih fotonapetostnih nizih lahko lokalna ovira ali okvara komponente povzroči "učinek vroče točke", zaradi česar temperatura zakritih sončnih celic naraste nad 200 stopinj, kar povzroči pregorelost priključne omarice ali celo požar. Obvodna dioda je proti vzporedno povezana z obema koncema baterijskega niza, da se vzpostavi inteligentni mehanizem ranžiranja: ko je izhodna napetost komponente nižja od napetosti drugih komponent, obvodna dioda samodejno izvede prevod, zaobide okvarjeno komponento in zagotovi stabilnost celotne izhodne moči niza.

Schottky diode izkazujejo odlično zmogljivost pri zaščiti vročih točk zaradi svoje edinstvene kovinske polprevodniške strukture. Njegova prevodna napetost naprej je samo 0,15-0,3 V, kar je 50% nižje kot pri običajnih diodah, in učinkovit shunt se lahko oblikuje v trenutku prevoda. Primerjalni test fotonapetostne elektrarne z močjo 500 kW je pokazal, da se je po uporabi Schottkyjevih obvodnih diod stopnja odpovedi komponent zaradi toplotnih točk zmanjšala s povprečno 2,3 % na leto na 0,07 %, proizvodnja električne energije sistema pa se je povečala za 1,8 %.

4, Optimizacija stikalnih izgub: 'nevidna gonilna sila' za učinkovito pretvorbo energije
V DC/DC pretvornikih in inverterjih sistemov za shranjevanje energije diode za hitro obnovitev (FRD) znatno zmanjšajo izgube preklapljanja s svojimi značilnostmi obnovitve na nanosekundni ravni. Tradicionalne silicijeve diode ustvarjajo povratni obnovitveni tok zaradi rekombinacije manjšinskih nosilcev pri preklopu s prevodnosti na izklop, kar povzroči povečano segrevanje preklopne cevi. Z optimizacijo postopka dopinga in strukture naprave lahko dioda za hitro obnovitev skrajša čas povratne obnovitve na desetine nanosekund in poveča preklopno frekvenco na več kot 100 kHz.

Če za primer vzamemo pretvornik za shranjevanje energije z močjo 1 MW, so se po uporabi diod za hitro obnovitev stikalne izgube zmanjšale za 42 %, učinkovitost sistema pa se je povečala s 96,2 % na 97,8 %. Pri uporabi polnilnih postaj za električna vozila ta tehnologija omogoča dnevni prihranek energije do 15kWh na postajo, kar je enako zmanjšanju emisij CO2 za 12 ton na leto. Kar je še bolj vredno veseliti, je, da so diode iz silicijevega karbida (SiC) dosegle komercialno uporabo, pri čemer so stroški povratne obnovitve zmanjšani za 90 % v primerjavi s silicijevimi napravami, kar je postavilo temelje za naslednjo generacijo ultra učinkovitih naprav za shranjevanje energije.

5, Sodelovanje v več scenarijih: izgradnja-tridimenzionalnega zaščitnega sistema
Sodobni sistemi za shranjevanje energije pogosto zahtevajo več diod za skupno delovanje:

Polnilno vezje: dioda proti povratnemu polnjenju + kombinacija diod TVS, hkrati doseganje povratne izolacije in zaščite pred prenapetostjo
Upravljanje baterije: Schottky diode se uporabljajo za uravnoteženje tokokrogov, medtem ko diode iz silicijevega karbida optimizirajo pretvorbo DC/DC
Interakcija z omrežjem: diode za hitro obnovitev izboljšajo učinkovitost pretvornika, diode TVS zagotavljajo varnost povezave z omrežjem
Primer zasnove kontejnerskega sistema za shranjevanje energije kaže, da so z razumno izbiro in postavitvijo diodne komponente podaljšale MTBF (povprečni čas med napakami) sistema na 80000 ur, kar je zmanjšalo stroške delovanja in vzdrževanja za 35 %. Z razvojem naprav za shranjevanje energije v smeri visoke napetosti in velike zmogljivosti postaja trend integracije in modularizacije diod vse bolj očiten. Na primer, integracija TVS in varistorjev v isti več-paket čipov lahko dodatno izboljša gostoto zaščite in odzivno hitrost.