Wat is de beveiligingsfunctie van diodes in parallelle batterijpakketten van microgrids?

一, Technisch principe: Het construeren van een beschermende barrière met unidirectionele geleidbaarheid
Het kernkenmerk van een diode is zijn unidirectionele geleidbaarheid - hij laat alleen stroom van de anode naar de kathode stromen, en vertoont een hoge weerstandstoestand wanneer hij wordt omgekeerd. Deze functie kan worden omgezet in een dubbel beveiligingsmechanisme in parallelle batterijpakketten op microgrids:

1. Tegenstroomblokkering: voorkomt terugstroming van energie
Wanneer een tak in een parallel batterijpakket een spanningsval ervaart als gevolg van een storing (zoals kortsluiting in de batterij) of onvoldoende verlichting, kan de stroom van andere normale takken terugvloeien naar de defecte tak via een pad met lage weerstand, waardoor een "energieterugstroom" ontstaat. Op dit punt zullen de diodes die parallel zijn aangesloten aan beide uiteinden van de defecte tak worden uitgeschakeld als gevolg van tegengestelde voorspanning, waardoor de stroomstroom wordt geblokkeerd. Als bijvoorbeeld in een parallel systeem voor fotovoltaïsche cellen een bepaalde cel wordt geblokkeerd en de uitgangsspanning afneemt, zal de parallel aangesloten bypass-diode onmiddellijk geleiden, de defecte tak kortsluiten en voorkomen dat de normale cel in omgekeerde richting stroom levert aan de defecte cel, waardoor lokale oververhitting veroorzaakt door het hotspot-effect wordt voorkomen.

2. Spanningsklem: stabiliseer de systeemspanning
De voorwaartse spanningsval van diodes (ongeveer 0,6 V voor siliciumdiodes en ongeveer 0,4 V voor Schottky-diodes) kan worden gebruikt als een natuurlijk spanningsreferentiepunt. In een parallel batterijpakket kan een gegradueerd spanningsklemcircuit worden geconstrueerd door meerdere diodes in serie te schakelen. Een microgridproject gebruikt bijvoorbeeld drie siliciumdiodes in serie om een ​​vaste spanningsval van 1,8 V te vormen. Wanneer de spanning van een bepaalde tak deze waarde overschrijdt, geleidt de diode en ontlaadt de overtollige spanning naar aarde, waardoor de backend-belasting wordt beschermd tegen overspanningsimpact.

2, Toepassingsscenario: dekking van de beschermingsvereisten voor de volledige levenscyclus
De beveiligingsfunctie van diodes loopt door de plannings-, bedienings- en onderhoudsfasen van parallelle batterijpakketten, met specifieke toepassingsscenario's, waaronder:

1. Beveiliging tegen ompoling: voorkomt installatiefouten
Wanneer het batterijpakket voor het eerst op het microgrid wordt aangesloten, kan de operator er per ongeluk voor zorgen dat de positieve en negatieve polen worden omgedraaid. Op dit punt zal de diode (zoals 1N4007) die in serie is aangesloten aan de voedingsingang, worden uitgeschakeld als gevolg van omgekeerde voorspanning, waardoor de stroomstroom wordt geblokkeerd en schade aan het batterijpakket of backend-apparaten als gevolg van tegenstroom wordt voorkomen. Bij een gedistribueerd energieopwekkingsproject werden Schottky-diodes (spanningsval van 0,3 V) gebruikt als componenten voor omgekeerde bescherming, waardoor met succes meerdere ongevallen met omgekeerde verbindingen werden onderschept en tegelijkertijd lage verliezen werden gegarandeerd.

2. Onderdrukking van transiënte spanning: omgaan met inductieve belastingsspeling
Wanneer parallelle batterijpakketten inductieve belastingen zoals motoren en relais aandrijven, wordt er een omgekeerde elektromotorische kracht van honderden of zelfs duizenden volt gegenereerd wanneer de belasting wordt uitgeschakeld. Op dit punt zullen de vrijloopdiodes (zoals snelhersteldiodes) die parallel zijn aangesloten aan beide uiteinden van de belasting, snel geleiden, waardoor een ontladingspad ontstaat voor tegenstroom en wordt voorkomen dat hoge-spanningspieken door de schakelbuis of het batterijpakket breken. Een bepaald project voor laadstations voor elektrische voertuigen maakt gebruik van SiC-diodes als vrijloopcomponenten, met een omgekeerde hersteltijd van slechts 20 ns, waardoor spanningspieken tijdens het starten en stoppen van de motor effectief worden onderdrukt.

3. Beperking van vermogensmismatch: optimaliseren van parallelle efficiëntie
Als in een parallel batterijpakket de prestaties van een vertakkingsbatterij verslechteren (zoals een verminderde capaciteit of een verhoogde interne weerstand), zal de uitgangsspanning lager zijn dan die van andere vertakkingen, wat resulteert in een ongelijkmatige stroomverdeling. Op dit punt kan de in serie geschakelde blokkeerdiode bij de ingang van de tak voorkomen dat de laag-tak een "energiezwart gat" wordt. In een bepaald fotovoltaïsch microgridproject worden bijvoorbeeld blokkeerdiodes vóór elke parallelle tak in serie geschakeld. Wanneer de spanning van een tak lager is dan het systeemgemiddelde, wordt de diode uitgeschakeld om te voorkomen dat de normale tak in omgekeerde richting stroom levert aan de defecte tak, waardoor het vermogensverlies wordt verminderd van 75% tot binnen 10%.

3, Optimalisatiestrategie: evenwicht tussen prestaties en kosten
Hoewel de diodebeschermingsfunctie aanzienlijk is, moeten de problemen met de spanningsval, het stroomverbruik en het delen van parallelle stroom nog steeds worden geoptimaliseerd. De volgende strategieën kunnen de effectiviteit van de bescherming vergroten:

1. Selectieoptimalisatie: Afstemming van toepassingsscenario's
Scenario met laag spanningsverlies: Gebruik Schottky-diodes (spanningsverlies 0,4 V) of siliciumcarbidediodes (spanningsverlies 0,2 V) om het stroomverbruik te verminderen. In een batterijpakket van 48 V kan het gebruik van Schottky-diodes bijvoorbeeld het spanningsverlies verminderen van 0,7 V naar 0,4 V en de efficiëntie met 0,6% verhogen.
Hoogfrequent scenario: Gebruik snelle hersteldiodes (omgekeerde hersteltijd 20-200ns) om schakelverliezen te voorkomen. Na het gebruik van snelle hersteldiodes in een bepaald project voor schakelende voedingen, werd het omgekeerde herstelverlies met 40% verminderd.
Scenario met hoge stroomsterkte: Door gebruik te maken van siliciumcarbidediodes kunnen hun positieve temperatuurcoëfficiëntkarakteristieken een natuurlijke stroomverdeling bewerkstelligen. Na parallelle aansluiting van meerdere siliciumcarbidediodes in een hoog-gelijkstroomtransmissieproject met hoge spanning, daalde de stroomdelingsfout van 15% naar 5%.
2. Topologie-innovatie: composietbeschermingsschema
TVS-diode+gewone diode: In bliksembeveiligingsscenario's absorberen parallelle transiënte onderdrukkingsdiodes (TVS) voorbijgaande hoogspanning, en gewone diodes in serie blokkeren continue tegenstroom. Nadat dit schema in een bepaald communicatiebasisstationproject was toegepast, daalde het percentage bliksemschade van 5% naar 0,2%.
Intelligente diodemodule: integreert diodes en MOSFET's om dynamische bescherming te bereiken via stuursignalen. Na het gebruik van intelligente diodemodules in een bepaald energieopslagsysteemproject is de responstijd teruggebracht van microseconden naar nanoseconden en is de beschermingsefficiëntie met 90% verbeterd.
3. Thermisch beheer: vermijd thermische runaway
Het stroomverbruik van de diode (P=IV) kan lokale oververhitting veroorzaken en moet worden geoptimaliseerd door middel van een ontwerp met warmteafvoer. Wanneer bijvoorbeeld meerdere diodes parallel zijn aangesloten, wordt een gemeenschappelijk koellichaamontwerp gebruikt om de temperatuurbalans te garanderen. Een UPS-project in een datacenter optimaliseerde het warmteafvoerpad, verlaagde de temperatuur van de diodeverbinding van 150 graden naar 120 graden en verlengde de levensduur met drie keer.