Hoe belangrijk zijn diodes voor de veiligheid van energieopslagsystemen?

1. Bescherming tegen omgekeerd opladen: een fysieke barrière die de terugstroom van energie blokkeert
In fotovoltaïsche energieopslagsystemen zijn anti-reverse-laaddiodes (blokkeerdiodes) in serie geschakeld tussen de fotovoltaïsche array en de batterij. Hun kernfunctie is om te voorkomen dat de batterij 's nachts of op regenachtige dagen via de fotovoltaïsche array wordt ontladen. Wanneer de uitgangsspanning van de fotovoltaïsche module lager is dan de DC-busspanning, zonder anti-reverse-laaddiodes, zal de energie van de batterij een circuit vormen via de PN-overgang van de fotovoltaïsche array, waardoor de module opwarmt of zelfs doorbrandt.

Typisch geval: een fotovoltaïsche elektriciteitscentrale in de woestijn slaagde er niet in anti-reverse-laaddiodes te installeren. Na een zandstorm van drie- dagen steeg de temperatuur van de fotovoltaïsche array abnormaal tot 85 graden, wat uiteindelijk leidde tot een smeltongeluk bij de aansluitdozen. Na het testen bereikte de tegenstroom 2,3 maal de normale bedrijfsstroom, waardoor de interne soldeerband van het onderdeel smolt.

Technische optimalisatie: Moderne energieopslagsystemen gebruiken Schottky-diodes met een lage voorwaartse spanningsval (Vf<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, Bypass-beveiliging: intelligente schakelaar om hotspot-effect op te lossen
In de serieschakeling van fotovoltaïsche modules zijn bypass-diodes parallel geschakeld aan beide uiteinden van een enkele module. Wanneer de module geblokkeerd of defect is, geleiden de diodes en vormen ze een stroombypass, waardoor wordt voorkomen dat andere normale componenten worden onderworpen aan omgekeerde voorspanning. Als er geen bypass-beveiliging is, zal het geblokkeerde onderdeel de stroom verbruiken die door andere componenten wordt gegenereerd als belasting, wat resulteert in lokale hoge temperaturen (tot 200 graden of hoger) en het "hot spot-effect" veroorzaakt.

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 ns), konden de diodes niet tijdig geleiden onder snel veranderende bewolking, wat resulteerde in het verbranden van interne batterijcellen in de module.

Technologische evolutie: De toepassing van halfgeleidermaterialen van de derde- generatie heeft de prestaties van bypass-diodes aanzienlijk verbeterd. De GaN HEMT-bypassmodule van Cree heeft de omgekeerde hersteltijd verkort tot binnen 10 ns en is bestand tegen een sperspanning van 1000 V, waardoor deze geschikt is voor intelligente stringoptimalisatie in grote grondkrachtcentrales.

3, Overspanningsbeveiliging: een snelle respons op voorbijgaande schokken
Energieopslagsystemen zijn gevoelig voor voorbijgaande overspanning tijdens het wisselen van net/off-grid, blikseminslag en andere scenario's. TVS-diodes (Transient Voltage Suppression) beperken de spanning tot een veilig bereik met een responssnelheid van milliseconden. De belangrijkste parameters zijn onder meer:

Omgekeerde doorslagspanning (Vbr): moet 10% -20% hoger zijn dan de maximale bedrijfsspanning van het systeem
Piekpulsvermogen (Pppm): bepaalt het vermogen tot piekweerstand
Klemspanning (Vc): weerspiegelt het daadwerkelijke beveiligingseffect
Toepassingsvoorbeeld: het energieopslagsysteem van Tesla Powerwall maakt gebruik van de SMBJ15CA TVS-diode van Dongwo Electronics, met Pppm=600W en Vc=18V, die effectief de 24V-piekspanning in een 12V-systeem kan onderdrukken. In de UL9540A thermische runaway-test verminderde deze oplossing de stijging van de oppervlaktetemperatuur van de batterijmodule met 42%.

4, Thermal runaway-onderdrukking: de laatste verdedigingslinie voor systeemveiligheid
In energieopslagsystemen met lithium-ionenbatterijen werken diodes en BMS (Battery Management System) samen om een ​​bescherming op drie-niveaus tegen thermische overstroming te vormen:

Bescherming op het eerste niveau: Wanneer de temperatuursensor een afwijking detecteert, onderbreekt het BMS het laadcircuit via MOSFET
Secundaire bescherming: Als MOSFET faalt, activeert de TVS-diode het zekeringsmechanisme
Bescherming op het derde niveau: koppeling tussen explosieveiligheidsklep en aërosolbrandblussysteem
Gegevensondersteuning: Ningde Times' testen van energieopslagbatterijmodules tonen aan dat het samengestelde beschermingsschema van SiC MOSFET+TVS-diode de voortplantingssnelheid van thermische runaway kan verminderen van 0,5 m/s naar 0,02 m/s, en kan streven naar meer dan 10 keer de responstijd van het brandbeveiligingssysteem.

5, Optimalisatie op systeemniveau: innovatie van componenten tot architectuur
Geïntegreerd ontwerp: Het SmartLi 3.0-energieopslagsysteem, gelanceerd door Huawei Digital Energy, integreert anti-reverse-laaddiodes, zekeringen en contactors in de BMS-regeleenheid, waardoor het volume met 35% en het foutpercentage met 60% worden verminderd.
Intelligente diagnostische technologie: het PowerStack-energieopslagsysteem van Sunac Power maakt gebruik van AI-algoritmen om veranderingen in de diodelekstroom te analyseren, waardoor het risico op thermische runaway 48 uur van tevoren kan worden voorspeld met een vals alarmpercentage van minder dan 0,1%.
Coördinatie van de temperatuurregeling van vloeistofkoeling: het BYD Cube-energieopslagsysteem maakt gebruik van vloeistofkoelingstechnologie, die de werktemperatuur van de diode onder de 45 graden stabiliseert en de omgekeerde lekstroom met 78% vermindert in vergelijking met het luchtkoelingschema.
6, Normen en certificering: kwantitatieve zekerheid van veiligheid
De internationale reguliere veiligheidsnormen stellen duidelijke eisen aan diodes:

UL 9540: Vereist energieopslagsystemen om de isolatie op 1,5 maal de nominale sperspanning te houden
IEC 62619: TVS-diodes zijn vereist om de golfvorm van 8/20 μs en de piektest van 5 kA te doorstaan
GB/T 36547: Vereisten voor anti-reverse-laaddiode voorwaartse spanningsvalafwijking Minder dan of gelijk aan 5%
Certificeringspraktijk: Het ESS-energieopslagsysteem van LG New Energy is geslaagd voor de UL9540A-certificering. Het maakt gebruik van Infineon 1200V IGBT-modules met ingebouwde-TVS-diodes om de overspanning binnen 10 seconden van 1200V naar 800V te beperken.