Jaký je tepelný ochranný účinek diod v napájecích zdrojích automobilové energie?

一, Hlavní příčina tepelného úniku: složité tepelné prostředí palubního zdroje energie pro akumulaci energie
Akumulační zdroje energie namontované ve vozidle (jako jsou napájecí baterie a moduly superkondenzátorů) čelí během provozu mnoha tepelným problémům:

Požadavek na vysokou hustotu výkonu: V režimu rychlého nabíjení musí akumulátorová sada dokončit 80% nabití do 15 minut s okamžitou hustotou výkonu až 500 kW/m³, což má za následek místní nárůst teploty přesahující 10 stupňů/min.
Kolísání okolní teploty: Rozsah provozních teplot vozidel je -40 stupňů až 85 stupňů a extrémní teplotní rozdíly zhoršují tepelné namáhání součástí.
Superpozice elektrických poruch: Zkrat, přebití, zpětný proud a další poruchy mohou způsobit místní horké body a teplota může během milisekund prorazit bod tání materiálu.
Vezmeme-li jako příklad bateriový modul Tesla Model 3, využívá schéma zapojení série 21700 článků s hustotou energie skupiny jednoho režimu 250 Wh/kg. V extrémních provozních podmínkách, pokud selže tepelný management, může povrchová teplota bateriového článku vzrůst z 25 stupňů na 300 stupňů během 30 sekund, což spustí řetězovou reakci tepelného úniku. V tomto okamžiku výkon diody jako první tepelné ochranné bariéry přímo určuje, zda systém může dosáhnout aktivní izolace v raných fázích tepelného úniku.

2, Mechanismus tepelné ochrany diod: inovace od materiálů ke strukturám
1. Nízký pokles propustného napětí (VF) snižuje tepelné ztráty
Pokles napětí v propustném směru u tradičních křemíkových -diod je 0,6-0,7 V, což má za následek tepelné ztráty 12–14 W při proudu 20 A. Schottkyho dioda využívá kovovou polovodičovou spojovací strukturu a VF může být tak nízké, jak 0,2-0,4 V ™ Například Schottkyho diody udržují VF 0,3 V při vysoké teplotě 150 stupňů, což je o 57 % méně než u zařízení na bázi křemíku a snižuje tepelné ztráty o 68 %. Po použití Schottkyho diod v DC/DC měniči BYD e6 se účinnost konverze zvýšila z 92 % na 95 % a nárůst teploty systému se snížil o 8 stupňů.

2. Rychlá reverzní doba zotavení (Trr) potlačuje ztráty spínače
Ve vysokofrekvenčních spínaných zdrojích energie (jako jsou nabíječky do automobilů OBC) potřebují diody rychle přepínat mezi stavem vedení a stavem přerušení. Tradiční diody s rychlou obnovou mají Trr 50-100ns, zatímco polovodičové materiály třetí{7}}generace, jako jsou SiC a GaN, mohou zkrátit Trr na 10ns. Dioda Cree GaN HEMT snižuje ztráty zpětného zotavení o 90 % ve srovnání se zařízeními na bázi křemíku{12}}při spínací frekvenci 1 MHz, což má za následek účinnost systému OBC přesahující 98 %. V 800V vysokonapěťové platformě NIO ET7 použití GaN diod snižuje objem nabíjecího modulu o 40 % a tepelnou hustotu o 35 %.

3. Potlačení přechodného napětí (TVS) blokuje šíření tepelného úniku
Dioda TVS svírá přepětí do bezpečného rozsahu s rychlostí odezvy v milisekundách, čímž zabraňuje přehřátí článku baterie a ztrátě kontroly v důsledku přebíjení. Dioda SMBJ15CA TVS od Dongwo Electronics je použita v systému úložiště energie Tesla Powerwall s Pppm=600W a Vc=18V. Dokáže potlačit přepětí 24V na 18V během 10 μs, čímž se sníží nárůst povrchové teploty bateriového modulu o 42 %. V testu tepelného úniku UL9540A získalo toto řešení více než 10krát delší dobu odezvy systému protipožární ochrany.

3, Tepelná ochrana na úrovni systému: společný návrh diod a dalších komponent
1. Kompozitní ochrana s MOSFET
Tradiční antireverzní schéma P-MOS má problémy, jako je vysoký odpor a neschopnost blokovat zpětný proud. Ideální diodový kontrolér TI LM74700-Q1 dosahuje odporu 0,01 Ω a rychlosti zpětného vypínání na úrovni nanosekund díky integraci N-MOS a řídicího obvodu. V 48V nízkonapěťovém systému Ideal Car L9 toto řešení snižuje ztrátu antireverzního spojení z 8W na 0,2W a zvýšení teploty systému z 15 stupňů na 2 stupně, čímž zcela řeší riziko tepelného selhání při studeném startu.

2. Regulace s uzavřenou smyčkou s teplotním čidlem
Bateriový modul CTP3.0 CATL využívá uzavřenou-smyčku „dioda+NTC teplotní senzor“. Když teplota článku baterie překročí 55 stupňů, systém automaticky přeruší signál diody a přepne jej do režimu rozptylu tepla; Pokud teplota nadále stoupá na 70 stupňů, spustí se mechanismus tavení diody TVS, aby se dosáhlo fyzické izolace. Při skutečném testování GAC AiON LX toto schéma snížilo rychlost šíření tepelného úniku z 0,5 m/s na 0,02 m/s.

3. Optimalizace tepelné elektrické vazby se systémem chlazení kapalinou
Systém ukládání energie BYD Cube využívá technologii chlazení kapalinou ke stabilizaci provozní teploty diody pod 45 stupňů, čímž snižuje zpětný svodový proud o 78 % ve srovnání s řešením chlazeným vzduchem-. Systém zároveň dynamicky upravuje průtok chladicí kapaliny na základě křivky diody VF Tj. V systému úložiště energie Huawei Digital Energy PowerStack tato konstrukce prodlužuje životnost diody z 10 let na 15 let a snižuje pravděpodobnost tepelného selhání na 0,01 % ročně.