כיצד דיודות מסייעות בפיצול אנרגיה במערכות סוללות?

一, העיקרון הבסיסי של פיצול אנרגיה המושג על ידי דיודות
1. בניית מוליכות חד כיוונית של תשתית shunt
המאפיין המרכזי של דיודה הוא לאפשר לזרם לזרום מהאנודה (A) לקתודה (K) תוך חסימה בכיוון ההפוך. מאפיין זה הופך אותו לרכיב אידיאלי עבור מעגלים לפיצול אנרגיה:

הולכה קדימה: כאשר ערכת הסוללות צריכה לספק כוח לעומס, הדיודה נמצאת במצב התנגדות נמוכה, מה שמאפשר לזרם לעבור;
ניתוק הפוך: כאשר מתח העומס גבוה ממתח ערכת הסוללה או שיש סיכון לזרם הפוך, הדיודה חוסמת אוטומטית את הזרם כדי למנוע זרימת אנרגיה חזרה.
מקרה טיפוסי: במערך תאים סולאריים של חללית, כל תת-מערך (יחידת סוללות) מחובר לאפיק באמצעות דיודת בידוד. במהלך תקופת הצל המקומית, כאשר ערכת הסוללות פרוקה, דיודת הבידוד כבויה לאחור כדי למנוע ממעגל התא הסולארי להפוך לעומס הפריקה של ערכת הסוללות, מה שמבטיח שאנרגיה זורמת רק מהסוללה לעומס.

2. ייעול מאפייני נפילת הלחץ ויעילות ההסטה
מפל המתח קדימה (VF) של דיודה משפיע ישירות על יעילות פיצול האנרגיה:

דיודת סיליקון רגילה: VF הוא בערך 0.6-0.7V, עם צריכת חשמל משמעותית בזרמים גבוהים;
דיודת שוטקי: VF נמוך עד 0.2-0.4V, עם זמן התאוששות הפוך קצר במיוחד (<10ns), suitable for high-frequency switching scenarios;
טכנולוגיית תיקון סינכרוני: שימוש ב-MOSFETs במקום דיודות יכול להפחית את ירידת מתח ההולכה מתחת ל-0.01V, אך דורש מעגלי הנעה מורכבים.
השוואת יעילות: בזרם של 200A, אובדן ההולכה של דיודת Schottky (VF=0.4V) הוא 80W, בעוד שהאובדן של דיודת סיליקון רגילה (VF=0.7V) מגיע ל-140W, עם הבדל משמעותי ביעילות.

2, תרחישי יישום אופייניים של דיודות בפיצול אנרגיה
1. הטיה מאוזנת של ערכת הסוללות: מניעת טעינת יתר/פריקת יתר
בחבילת סוללות סדרתית, קיבולת לא עקבית של תאים בודדים עלולה להוביל לסיכוני טעינת יתר או פריקת יתר. איזון פסיבי של דיודות מושג באמצעות נגדי shunt או צינורות מיתוג:

שיטת התנגדות הסטה: בכל סוללה בודדת מחוברים נגד ודיודה במקביל. כאשר מתח הסוללה עולה על הערך שנקבע, הדיודה מוליכה ומחלקת את זרם הטעינה דרך הנגד. לשיטה זו יש עלות נמוכה, אך יעילות נמוכה (הפסד של כ-10% -15%);
שיטת מתג הסטה: שימוש ב-MOSFETs במקום נגדים, זיהוי מתח דרך דיודות ומתג שליטה בהפעלה/כיבוי להשגת הסחה מדויקת. לדוגמה, ה-BMS של Tesla Model 3 מאמץ את התכנית הזו כדי לשלוט בשגיאת איזון המתח הפרטנית בטווח של ± 5mV.
2. מיתוג חכם של מספר מערכות אספקת חשמל: הבטחת המשכיות של אספקת החשמל
במערכת אספקת סוללה כפולה (כגון סוללת התנעה וסוללת חשמל של רכב חשמלי), דיודות משיגות מיתוג אוטומטי:

ערכת ממסר+דיודות: כאשר מתח הסוללה הראשי יורד לסף, הממסר מתנתק וסוללת הגיבוי מספקת כוח לעומס דרך הדיודה. זמן ההחלפה של תכנית זו הוא פחות מ-1ms, אך אורך החיים של הממסר מוגבל;
ערכת דיודות מלאה: מיתוג טבעי מושג באמצעות ההבדל בירידה במתח הדיודה. לדוגמה, מערכת אחסון אנרגיה מסוימת משתמשת בשני סטים של סוללות (בהפרש מתח של 0.3V). סוללת המתח הגבוה- מופעלת תחילה על ידי דיודה, וכאשר המתח שלה יורד, סוללת המתח הנמוך- משתלטת אוטומטית.
3. הגנה נקודתית תרמית למערכות פוטו-וולטאיות: הימנעות מחימום יתר מקומי
במערכי תאים פוטו-וולטאיים, הצללה או כשלים בודדים עלולים לגרום להשפעות של נקודות חמות. הדיודה מגנה על המערכת באמצעות השיטות הבאות:

דיודה עוקפת: במקביל הפוך לכל סוללה, הדיודה מתנהלת כאשר הסוללה חסומה, מספקת ערוץ עוקף לזרם ומונעת התחממות יתר מקומית. לדוגמה, מערך תאים סולריים גליום ארסניד של שלושת הצמתים של החללית מאמץ את העיצוב הזה, ומפחית את טמפרטורת הנקודה החמה מ-200 מעלות מתחת ל-60 מעלות;
דיודה חסימה: מחוברת בסדרה בענף הסוללה כדי למנוע מהענף הפגום לצרוך אנרגיה מסוללות אחרות. על פי נתונים סטטיסטיים מתחנת כוח פוטו-וולטאית מסוימת, השימוש בדיודות חסימה הפחית את שיעור הכשל השנתי של המערכת ב-40%.
3, כיוון אבולוציה טכנולוגית: מהסטה פסיבית לאינטליגנציה אקטיבית
1. חומר מרווח פס רחב משפר את יעילות ההסטה
דיודות SiC (סיליקון קרביד) ו- GaN (גליום ניטריד) הן בעלות היתרונות הבאים:

שיפור סיבולת מתח: דיודת SiC Schottky יכולה לעמוד בעד 1700V, מתאימה למערכות אחסון אנרגיה במתח גבוה-;
תגובה בתדר גבוה: תדר מיתוג דיודות GaN מגיע לרמת MHz, מה שיכול להקטין את גודל רכיבי הסינון;
מאפייני טמפרטורה נמוכה: ב-40 מעלות, תנודת ה-VF של דיודות SiC היא פחות מ-5%, מה שהופך אותן למתאימות ליישומים קוטביים או תעופה וחלל.
מארז: סוללת להב BYD BMS מאמצת את דיודת SiC Schottky, אשר מפחיתה אובדן התאוששות הפוכה ב-80% ומשפרת את יעילות המערכת ב-2.3%.

2. מודולים משולבים מפשטים את עיצוב המערכת
השילוב של דיודות עם חיישנים ומעגלי דרייבר הפך למגמה:

מודול דיודה אינטליגנטי: משלב פונקציות זיהוי מתח, פיצוי טמפרטורה ודיווח מצב, כגון סדרת הדיודות החכמות של Infineon, שיכולה לנטר זרם shunt בזמן אמת ולספק משוב ל-BMS;
Power Integrated Circuit (PIC): שילוב דיודות, MOSFETs ובקרים לשבב אחד כדי לצמצם את שטח ה-PCB. לאחר אימוץ תוכנית ה-PIC, ממיר DC/DC של רכב חשמלי מסוים הפחית את נפחו ב-60% ועלותו ב-35%.
3. שליטה דיגיטלית משיגה הסחה מדויקת
על ידי שילוב של מעבד אותות דיגיטלי (DSP) או מיקרו-בקר (MCU), מערכת shunt דיודה יכולה להשיג:

איזון דינמי: התאם את סף ה-shunt בזמן אמת-על סמך SOC הסוללה (הטעינה שנותרה) כדי להאריך את חיי הסוללה;
תחזוקה חזויה: על ידי ניתוח שינויים במפלת מתח הדיודה, זיהוי מראש בעיות במגע לקוי או הזדקנות;
החלפת מצבים מרובים: מטב אוטומטית את אסטרטגיית ההסטה בתנאי עבודה שונים כגון טעינה, פריקה והמתנה.
נתוני תעשייה: לאחר אימוץ בקרת הטיה דיגיטלית, חיי מחזור הסוללה של מערכת אחסון אנרגיה מסוימת הוגדל מפי 3000 לפי 5000, ועלות התפעול והתחזוקה השנתית הופחתה ב-25%.