Jaká je ochranná funkce diod v systémech pro ukládání energie z baterií?

1, Ochrana proti zpětnému nabíjení: „jednosměrná{1}brána“, která blokuje zpětný tok energie
Ve fotovoltaických systémech skladování energie mohou solární panely vybíjet baterii obráceně přes nabíjecí okruh v noci nebo v deštivých dnech kvůli napětí nižšímu než napětí DC sběrnice. Tento druh zpětného toku energie nejen že spotřebovává energii baterie, ale může také způsobit zahřátí nebo dokonce vyhoření panelu baterie. V tomto okamžiku dioda proti zpětnému nabíjení (jako je Schottkyho dioda) zapojená do série v nabíjecím obvodu tvoří fyzickou izolaci díky své jednosměrné vodivosti: když je napětí baterie vyšší než výstupní napětí desky baterie, dioda se automaticky vypne a zcela zablokuje cestu zpětného proudu.

Vezmeme-li jako příklad 20MW fotovoltaickou elektrárnu, dopředný úbytek napětí použité diody proti zpětnému nabíjení je pouze 0,3 V, což je o 60 % méně než u tradičních křemíkových diod. Při denním osvětlení 10 hodin může snížit energetické ztráty o přibližně 12 000 kWh za rok. Ještě důležitější je, že si dioda zachovává stabilní charakteristiky v širokém teplotním rozsahu od -40 stupňů do+150 stupňů a účinně odolává vlivu extrémních prostředí, jako jsou pouště a náhorní plošiny, na výkon zařízení.

2, Potlačení přepětí: "ochrana rychlé reakce" pro přechodné otřesy
Systémy akumulace energie mohou generovat přechodná přepětí několika stovek voltů během přepínání nabíjení, poruchách sítě nebo úderech blesku. Diody TVS (Transient Voltage Suppression) se díky své pikosekundové rychlosti odezvy staly preferovaným řešením pro ochranu citlivých zařízení, jako jsou MOSFET a kondenzátory v systémech BMS (Battery Management Systems). Když napětí překročí své průrazné napětí, dioda TVS vede během 10 ⁻¹ ² sekund a stlačí přepětí na bezpečnou úroveň. Jeho špičkový pulzní výkon může dosahovat několika kilowattů, což je dostatečné pro zvládnutí pulzního průběhu 8/20 μs specifikovaného v normě IEC 61000-4-5.

V naměřených datech určitého konvertoru pro ukládání energie (PCS) se po konfiguraci diod TVS snížila napěťová špička systému během testování bleskem z 1200 V na 58 V a úspěšnost ochrany vzrostla na 99,97 %. Stojí za zmínku, že nová generace diod TVS z karbidu křemíku (SiC) snižuje upínací napětí o 30 % a zmenšuje objem o 50 %, což představuje lepší řešení pro zařízení na ukládání energie s vysokou-hustotou.

3, Ochrana horkého místa: "inteligentní rozbočovač" pro fotovoltaické moduly
Ve velkých fotovoltaických polích může místní překážka nebo porucha komponentu způsobit „efekt horkého bodu“, což způsobí, že teplota zakrytých solárních článků stoupne nad 200 stupňů, což vede k vyhoření spojovací krabice nebo dokonce k požáru. Přemosťovací dioda je připojena antiparalelně k oběma koncům bateriového řetězce, aby se vytvořil inteligentní bočníkový mechanismus: když je výstupní napětí součásti nižší než napětí ostatních součástí, přemosťovací dioda automaticky vede, obchází vadnou součást a zajišťuje celkovou stabilitu výstupního výkonu pole.

Schottkyho diody vykazují vynikající výkon v ochraně proti horkým místům díky své jedinečné kovové polovodičové struktuře. Jeho propustné vodivé napětí je pouze 0,15-0,3V, což je o 50% nižší než u běžných diod, a efektivní bočník se může vytvořit v okamžiku vedení. Srovnávací test 500kW fotovoltaické elektrárny ukázal, že po použití Schottkyho bypass diod se poruchovost komponent způsobená tepelnými skvrnami snížila z průměrných 2,3 % ročně na 0,07 % a výroba elektrické energie v systému vzrostla o 1,8 %.

4, Optimalizace ztrát spínačů: „neviditelná hnací síla“ pro efektivní přeměnu energie
V DC/DC konvertorech a invertorech systémů pro uchovávání energie diody s rychlou obnovou (FRD) výrazně snižují spínací ztráty díky své nanosekundové úrovni obnovy. Tradiční křemíkové diody generují reverzní obnovovací proud v důsledku rekombinace minoritních nosičů při přepínání z vedení na přerušení, což má za následek zvýšené zahřívání spínací trubice. Díky optimalizaci dopingového procesu a struktury zařízení může dioda rychlé obnovy zkrátit dobu zpětné obnovy na desítky nanosekund a zvýšit spínací frekvenci nad 100 kHz.

Vezmeme-li jako příklad 1MW střídač pro akumulaci energie, po použití diod s rychlou obnovou se spínací ztráty snížily o 42 % a účinnost systému se zvýšila z 96,2 % na 97,8 %. Při použití nabíjecích stanic pro elektromobily tato technologie umožňuje denní úsporu energie až 15 kWh na stanici, což odpovídá snížení emisí CO2 o 12 tun za rok. Ještě více stojí za to se těšit je, že diody z karbidu křemíku (SiC) dosáhly komerčních aplikací, s reverzními regeneračními náboji sníženými o 90 % ve srovnání s křemíkovými zařízeními, což položilo základ pro příští generaci ultra účinných zařízení pro ukládání energie.

5, Spolupráce s více scénáři: vytvoření trojrozměrného systému ochrany
Moderní systémy pro ukládání energie často vyžadují více diod, aby spolupracovaly:

Nabíjecí obvod: kombinace dioda proti zpětnému nabíjení + dioda TVS, současně dosahuje zpětné izolace a přepěťové ochrany
Správa baterie: Schottkyho diody se používají pro vyvažovací obvody, zatímco diody z karbidu křemíku optimalizují DC/DC konverzi
Interakce se sítí: Diody s rychlou obnovou zlepšují účinnost střídače, diody TVS zajišťují bezpečnost připojení k síti
Konstrukční případ systému skladování energie kontejnerového typu ukazuje, že díky rozumnému výběru a uspořádání prodloužily diodové komponenty MTBF (střední dobu mezi poruchami) systému na 80 000 hodin, čímž se snížily náklady na provoz a údržbu o 35 %. S rozvojem zařízení pro ukládání energie směrem k vysokému napětí a velké kapacitě je trend integrace a modularizace diod stále patrnější. Například integrace TVS a varistorů do stejného více{4}}vrstevného čipového balíčku může dále zlepšit hustotu ochrany a rychlost odezvy.