Kakšen je učinek toplotne zaščite diod v napajalnikih za shranjevanje energije v avtomobilih?

一, Glavni vzrok toplotnega pobega: zapleteno toplotno okolje napajalnika za shranjevanje energije na vozilu
Viri energije za shranjevanje energije, nameščeni v vozilu (kot so napajalni paketi baterij in moduli superkondenzatorjev), se med delovanjem soočajo s številnimi toplotnimi izzivi:

Zahteva po visoki gostoti moči: V načinu hitrega polnjenja se mora baterijski paket napolniti do 80 % v 15 minutah s trenutno gostoto moči do 500 kW/m³, kar povzroči lokalni dvig temperature za več kot 10 stopinj/min.
Okoljska temperaturna nihanja: Delovno temperaturno območje vozil je od -40 stopinj do 85 stopinj, ekstremne temperaturne razlike pa povečajo toplotno obremenitev komponent.
Superpozicija električnih napak: kratek stik, prenapolnjenost, povratni tok in druge napake lahko povzročijo lokalne vroče točke, temperatura pa lahko preseže tališče materiala v milisekundah.
Če za primer vzamemo baterijski modul Tesla Model 3, uporablja povezovalno shemo serije 21700 celic z energijsko gostoto skupine z enim-načinom 250 Wh/kg. V ekstremnih delovnih pogojih, če toplotno upravljanje odpove, lahko površinska temperatura baterijske celice naraste s 25 stopinj na 300 stopinj v 30 sekundah, kar sproži verižno reakcijo toplotnega uhajanja. Na tej točki delovanje diode kot prve toplotne zaščitne pregrade neposredno določa, ali lahko sistem doseže aktivno izolacijo v zgodnjih fazah toplotnega uhajanja.

2, Toplotni zaščitni mehanizem diod: inovacije od materialov do struktur
1. Nizek prednji padec napetosti (VF) zmanjša izgubo toplote
Padec napetosti v smeri naprej tradicionalnih diod na osnovi silicija-je 0,6-0,7 V, kar povzroči 12–14 W toplotne izgube pri toku 20 A. Schottkyjeva dioda ima kovinsko polprevodniško spojno strukturo, VF pa je lahko tako nizek kot 0,2-0,4 V™. Na primer, Schottky diode vzdržujejo VF 0,3 V pri visoki temperaturi 150 stopinj, kar je 57 % nižje od naprav na osnovi silicija in zmanjša toplotne izgube za 68 %. Po uporabi Schottky diod v DC/DC pretvorniku BYD e6 se je učinkovitost pretvorbe povečala z 92 % na 95 %, dvig temperature sistema pa se je zmanjšal za 8 stopinj.

2. Čas hitre povratne obnovitve (Trr) zmanjša izgube stikala
Pri visokofrekvenčnih stikalnih napajalnikih (kot so avtomobilski polnilniki OBC) morajo diode hitro preklapljati med stanjem prevodnosti in izklopom. Tradicionalne diode za hitro obnovitev imajo Trr 50-100 ns, medtem ko lahko polprevodniški materiali tretje{7}}generacije, kot sta SiC in GaN, skrajšajo Trr na 10 ns. Creejeva dioda GaN HEMT zmanjša izgubo pri povratni obnovitvi za 90 % v primerjavi z napravami, ki temeljijo-na siliciju, pri preklopni frekvenci 1 MHz, kar ima za posledico učinkovitost sistema OBC, ki presega 98 %. V 800 V visokonapetostni platformi NIO ET7 uporaba GaN diod zmanjša prostornino polnilnega modula za 40 % in toplotno gostoto za 35 %.

3. Zatiranje prehodne napetosti (TVS) blokira širjenje toplotnega uhajanja
Dioda TVS ujame prenapetost na varno območje z milisekundno odzivno hitrostjo, kar preprečuje pregrevanje celice baterije in izgubo nadzora zaradi prenapolnjenosti. TVS dioda SMBJ15CA podjetja Dongwo Electronics je uporabljena v sistemu za shranjevanje energije Tesla Powerwall s Pppm=600W in Vc=18V. V 10 μs lahko zmanjša napetost 24 V na 18 V, kar zmanjša dvig površinske temperature baterijskega modula za 42 %. Pri preskusu toplotnega uhajanja UL9540A je ta rešitev dosegla več kot 10-krat daljši odzivni čas za protipožarni sistem.

3, Sistemska toplotna zaščita: skupna zasnova diod in drugih komponent
1. Kompozitna zaščita z MOSFET
Tradicionalna protiobratna shema P-MOS ima težave, kot sta visoka odpornost in nezmožnost blokiranja povratnega toka. Idealni diodni krmilnik TI LM74700-Q1 doseže 0,01 Ω pri uporu in nanosekundno hitrost povratnega izklopa z integracijo N-MOS in krmilnega vezja. V 48-voltnem nizkonapetostnem sistemu Ideal Car L9 ta rešitev zmanjša izgubo protipovratne povezave z 8 W na 0,2 W in dvig temperature sistema s 15 stopinj na 2 stopinji, kar popolnoma odpravi tveganje toplotne okvare med hladnim zagonom.

2. Regulacija zaprte zanke s temperaturnim senzorjem
Baterijski modul CTP3.0 podjetja CATL uporablja zasnovo z zaprto{1}}zanko "dioda+NTC temperaturni senzor". Ko temperatura baterijske celice preseže 55 stopinj, sistem samodejno prekine krmilni signal diode in ga prisili v način odvajanja toplote; Če temperatura še naprej narašča na 70 stopinj, se bo sprožil mehanizem za taljenje diode TVS, da se doseže fizična izolacija. Pri dejanskem testiranju GAC AiON LX je ta shema zmanjšala hitrost širjenja toplotnega odmika z 0,5 m/s na 0,02 m/s.

3. Optimizacija toplotne električne sklopke s tekočinskim hladilnim sistemom
Sistem za shranjevanje energije BYD Cube uporablja tehnologijo tekočega hlajenja za stabilizacijo delovne temperature diode pod 45 stopinj, kar zmanjša povratni tok uhajanja za 78 % v primerjavi z zračno-hlajeno rešitvijo. Hkrati sistem dinamično prilagodi pretok hladilne tekočine na podlagi krivulje diode VF Tj. V sistemu za shranjevanje energije Huawei Digital Energy PowerStack ta zasnova podaljša življenjsko dobo diod z 10 na 15 let in zmanjša verjetnost toplotne okvare na 0,01 % na leto.