دیودها برای ایمنی سیستم های ذخیره انرژی چقدر اهمیت دارند؟

1، حفاظت ضد شارژ معکوس: یک مانع فیزیکی که جریان برگشت انرژی را مسدود می کند
در سیستم های ذخیره انرژی فتوولتائیک، دیودهای ضد شارژ معکوس (دیودهای مسدود کننده) به صورت سری بین آرایه فتوولتائیک و باتری متصل می شوند. عملکرد اصلی آنها جلوگیری از تخلیه باتری از طریق آرایه فتوولتائیک در شب یا در روزهای بارانی است. هنگامی که ولتاژ خروجی ماژول فتوولتائیک کمتر از ولتاژ باس DC باشد، بدون دیودهای ضد شارژ معکوس، انرژی باتری از طریق اتصال PN آرایه فتوولتائیک مدار تشکیل می دهد و باعث گرم شدن یا حتی سوختن ماژول می شود.

مورد معمول: یک نیروگاه فتوولتائیک بیابانی نتوانست دیودهای ضد شارژ معکوس را نصب کند. پس از یک طوفان شن سه روزه، دمای آرایه فتوولتائیک به طور غیرعادی به 85 درجه افزایش یافت که در نهایت منجر به حادثه ذوب جعبه اتصال شد. پس از آزمایش، جریان معکوس به 2.3 برابر جریان عملیاتی معمولی رسید و باعث ذوب شدن نوار لحیم کاری داخلی قطعه شد.

بهینه‌سازی فنی: سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مدرن از دیودهای شاتکی با افت ولتاژ رو به جلو کم (Vf) استفاده می‌کنند.<0.3V), which can reduce energy loss by 1.2% compared to traditional silicon diodes (Vf ≈ 0.7V). For example, Infineon's CoolSiC ™ Schottky diodes can still maintain reverse leakage current<1 μ A at high temperatures of 150 ℃, which is three orders of magnitude lower than silicon-based devices.

2، حفاظت از دور زدن: سوئیچ هوشمند برای حل اثر نقطه داغ
در مدار سری ماژول های فتوولتائیک، دیودهای بای پس به صورت موازی در دو سر یک ماژول واحد متصل می شوند. هنگامی که ماژول مسدود یا معیوب است، دیودها هدایت جریان را ایجاد می کنند و از قرار گرفتن سایر اجزای عادی در معرض بایاس معکوس جلوگیری می کنند. اگر محافظ بای پس وجود نداشته باشد، جزء مسدود شده، نیروی تولید شده توسط سایر اجزا را به عنوان بار مصرف می کند، در نتیجه دمای محلی بالا (تا 200 درجه یا بالاتر) ایجاد می شود و باعث "اثر نقطه داغ" می شود.

Failure analysis: A module fire accident occurred at a certain offshore photovoltaic power station. Investigation found that due to improper selection of bypass diodes (reverse recovery time Trr>200 ثانیه)، دیودها به موقع تحت پوشش ابری که به سرعت در حال تغییر است هدایت نمی شوند و در نتیجه سلول های باتری داخلی در ماژول می سوزند.

تکامل فن آوری: استفاده از مواد نیمه هادی نسل سوم به طور قابل توجهی عملکرد دیودهای بای پس را بهبود بخشیده است. ماژول بای پس GaN HEMT Cree زمان بازیابی معکوس را به 10 ثانیه کوتاه کرده است و می تواند ولتاژ معکوس 1000 ولت را تحمل کند و برای بهینه سازی رشته های هوشمند در نیروگاه های بزرگ زمینی مناسب است.

3، حفاظت از اضافه ولتاژ: پاسخ سریع به شوک های گذرا
سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در حین سوئیچینگ شبکه/خاموش شبکه، برخورد صاعقه و سایر سناریوها مستعد اضافه ولتاژ گذرا هستند. دیودهای TVS (Transient Voltage Suppression) ولتاژ را با سرعت پاسخ دهی میلی ثانیه ای به محدوده ایمن می بندند. پارامترهای کلیدی عبارتند از:

ولتاژ شکست معکوس (Vbr): باید 10% -20% بیشتر از حداکثر ولتاژ عملیاتی سیستم باشد.
حداکثر توان پالس (Pppm): تعیین کننده قابلیت مقاومت در برابر نوسانات است
ولتاژ گیره (Vc): اثر حفاظتی واقعی را منعکس می کند
مثال کاربردی: سیستم ذخیره انرژی Tesla Powerwall دیود SMBJ15CA TVS از Dongwo Electronics را با Pppm=600W و Vc=18V استفاده می‌کند که می‌تواند به طور موثر ولتاژ موج 24 ولت را در سیستم 12 ولت سرکوب کند. در آزمایش فرار حرارتی UL9540A، این محلول افزایش دمای سطح ماژول باتری را تا 42 درصد کاهش داد.

4، سرکوب فرار حرارتی: آخرین خط دفاع برای ایمنی سیستم
در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری‌های لیتیوم{0} یون، دیودها و BMS (سیستم مدیریت باتری) با هم کار می‌کنند تا محافظت سه سطحی در برابر فرار حرارتی ایجاد کنند:

حفاظت سطح اول: هنگامی که سنسور دما یک ناهنجاری را تشخیص می دهد، BMS مدار شارژ را از طریق MOSFET قطع می کند.
حفاظت ثانویه: اگر ماسفت از کار بیفتد، دیود TVS مکانیزم فیوز را فعال می کند
حفاظت سطح سوم: ارتباط بین دریچه امداد انفجار و سیستم اطفاء حریق آئروسل
پشتیبانی از داده ها: آزمایش ماژول باتری ذخیره انرژی Ningde Times نشان می دهد که طرح حفاظتی ترکیبی دیود SiC MOSFET+TVS می تواند سرعت انتشار فرار حرارتی را از 0.5 متر بر ثانیه به 0.02 متر بر ثانیه کاهش دهد و برای بیش از 10 برابر زمان پاسخگویی سیستم حفاظت در برابر آتش تلاش کند.

5، بهینه سازی سطح سیستم: نوآوری از اجزاء تا معماری
طراحی یکپارچه: سیستم ذخیره انرژی SmartLi 3.0 که توسط Huawei Digital Energy راه اندازی شده است، دیودهای ضد شارژ معکوس، فیوزها و کنتاکتورها را در واحد کنترل BMS ادغام می کند و میزان صدا را تا 35 درصد و میزان خطا را 60 درصد کاهش می دهد.
فناوری تشخیص هوشمند: سیستم ذخیره انرژی PowerStack Sunac Power از الگوریتم های هوش مصنوعی برای تجزیه و تحلیل تغییرات جریان نشتی دیود استفاده می کند که می تواند خطر فرار حرارتی را 48 ساعت قبل با نرخ هشدار نادرست کمتر از 0.1٪ پیش بینی کند.
هماهنگی کنترل دمای خنک کننده مایع: سیستم ذخیره انرژی BYD Cube از فناوری خنک کننده مایع استفاده می کند که دمای کار دیود را زیر 45 درجه تثبیت می کند و جریان نشتی معکوس را تا 78٪ در مقایسه با طرح خنک کننده هوا کاهش می دهد.
6، استانداردها و گواهینامه: تضمین کمی امنیت
استانداردهای ایمنی جریان اصلی بین المللی الزامات روشنی برای دیودها دارند:

UL 9540: به سیستم های ذخیره انرژی برای حفظ عایق در 1.5 برابر ولتاژ معکوس نامی نیاز دارد.
IEC 62619: دیودهای TVS برای گذراندن آزمایش شکل موج 8/20 میکرو ثانیه و سرج 5 کیلو آمپر مورد نیاز هستند.
GB/T 36547: الزامات برای دیود ضد شارژ معکوس انحراف افت ولتاژ رو به جلو کمتر یا مساوی 5٪
روش صدور گواهینامه: سیستم ذخیره انرژی ESS ال جی نیو انرژی گواهینامه UL9540A را گذرانده است. از ماژول‌های IGBT 1200 ولتی Infineon با دیودهای{3} داخلی TVS استفاده می‌کند تا در عرض 10 ثانیه ولتاژ اضافی را از 1200 ولت به 800 ولت کاهش دهد.