Qual é a função protetora dos diodos em sistemas de armazenamento de energia de baterias?

1, Proteção anti-carga reversa: uma "porta unidirecional" que bloqueia o refluxo de energia
Em sistemas de armazenamento de energia fotovoltaica, os painéis solares podem descarregar a bateria ao contrário através do circuito de carga à noite ou em dias chuvosos devido à tensão inferior à tensão do barramento CC. Este tipo de refluxo de energia não só consome energia da bateria, mas também pode fazer com que o painel da bateria aqueça ou até queime. Neste ponto, o diodo de carga anti-reverso (como o diodo Schottky) conectado em série no circuito de carga forma isolamento físico através de sua condutividade unidirecional: quando a tensão da bateria é maior que a tensão de saída da placa da bateria, o diodo desliga automaticamente, bloqueando completamente o caminho da corrente reversa.

Tomando como exemplo uma central fotovoltaica de 20 MW, a queda de tensão direta do diodo de carregamento anti-reverso usado é de apenas 0,3 V, o que é 60% menor do que os diodos de silício tradicionais. Sob condições de iluminação diária de 10 horas, pode reduzir a perda de energia em cerca de 12.000 kWh por ano. Mais importante ainda, o diodo mantém características estáveis ​​dentro de uma ampla faixa de temperatura de -40 graus a+150 graus, resistindo efetivamente ao impacto de ambientes extremos, como desertos e planaltos, no desempenho do dispositivo.

2, Supressão de sobretensão: o "protetor de resposta rápida" para choques transitórios
Os sistemas de armazenamento de energia podem gerar sobretensões transitórias de várias centenas de volts durante comutação de descarga de carga, falhas na rede ou quedas de raios. Os diodos TVS (supressão de tensão transitória) tornaram-se a solução preferida para proteger dispositivos sensíveis, como MOSFETs e capacitores em BMS (sistemas de gerenciamento de bateria), devido à sua velocidade de resposta em picossegundos. Quando a tensão excede a tensão de ruptura, o diodo TVS conduz em 10 ⁻¹ ² segundos, limitando a sobretensão a um nível seguro. Sua potência de pulso de pico pode atingir vários quilowatts, o que é suficiente para lidar com a forma de onda de impulso de 8/20 μs especificada na norma IEC 61000-4-5.

Nos dados medidos de um determinado conversor de armazenamento de energia (PCS), após a configuração dos diodos TVS, o pico de tensão do sistema durante o teste de raios diminuiu de 1200V para 58V, e a taxa de sucesso da proteção aumentou para 99,97%. Vale ressaltar que a nova geração de diodos TVS de carboneto de silício (SiC) reduz a tensão de fixação em 30% e diminui o volume em 50%, fornecendo uma solução melhor para dispositivos de armazenamento de energia de alta-densidade.

3, proteção contra pontos quentes: "divisor inteligente" para módulos fotovoltaicos
Em grandes conjuntos fotovoltaicos, a obstrução local ou falha de componente pode causar um "efeito de ponto quente", fazendo com que a temperatura das células solares obscurecidas suba acima de 200 graus, levando à queima da caixa de junção ou até mesmo a um incêndio. O diodo de bypass é conectado em paralelo a ambas as extremidades da cadeia de baterias para estabelecer um mecanismo de derivação inteligente: quando a tensão de saída de um componente é menor que a de outros componentes, o diodo de bypass conduz automaticamente, desviando do componente defeituoso e garantindo a estabilidade geral da potência de saída do conjunto.

Os diodos Schottky apresentam excelente desempenho na proteção de pontos quentes devido à sua estrutura semicondutora metálica exclusiva. Sua tensão de condução direta é de apenas 0,15-0,3V, que é 50% menor que a dos diodos comuns, e um shunt efetivo pode ser formado no momento da condução. Um teste comparativo de uma usina fotovoltaica de 500kW mostrou que após o uso de diodos de bypass Schottky, a taxa de falhas de componentes causadas por pontos térmicos diminuiu de uma média de 2,3% ao ano para 0,07%, e a geração de energia do sistema aumentou 1,8%.

4, Otimização das perdas de comutação: a 'força motriz invisível' para uma conversão eficiente de energia
Em conversores CC/CC e inversores de sistemas de armazenamento de energia, os diodos de recuperação rápida (FRDs) reduzem significativamente as perdas de comutação através de suas características de recuperação em nível de nanossegundos. Os diodos de silício tradicionais geram corrente de recuperação reversa devido à recombinação de portadoras minoritárias ao passar da condução para o corte, resultando em maior aquecimento do tubo de comutação. Ao otimizar o processo de dopagem e a estrutura do dispositivo, o diodo de recuperação rápida pode reduzir o tempo de recuperação reversa para dezenas de nanossegundos e aumentar a frequência de comutação para mais de 100kHz.

Tomando como exemplo um inversor de armazenamento de energia de 1 MW, após a adoção de diodos de recuperação rápida, as perdas de comutação foram reduzidas em 42% e a eficiência do sistema aumentou de 96,2% para 97,8%. Na aplicação em postos de carregamento de veículos elétricos, esta tecnologia permite uma poupança energética diária até 15 kWh por posto, o que equivale a reduzir as emissões de CO2 em 12 toneladas por ano. O que vale ainda mais a pena esperar é que os diodos de carboneto de silício (SiC) alcançaram aplicações comerciais, com taxas de recuperação reversa reduzidas em 90% em comparação com dispositivos de silício, estabelecendo as bases para a próxima geração de dispositivos de armazenamento de energia ultraeficientes.

5, Colaboração em vários cenários: construindo um sistema de proteção-tridimensional
Os sistemas modernos de armazenamento de energia geralmente exigem que vários diodos funcionem juntos:

Circuito de carregamento: combinação de diodo de carregamento anti-reverso + diodo TVS, alcançando simultaneamente isolamento reverso e proteção contra sobretensão
Gerenciamento de bateria: Os diodos Schottky são usados ​​para balancear circuitos, enquanto os diodos de carboneto de silício otimizam a conversão CC/CC
Interação com a rede: Os diodos de recuperação rápida melhoram a eficiência do inversor, os diodos TVS garantem a segurança da conexão à rede
O caso de projeto de um sistema de armazenamento de energia do tipo contêiner mostra que, por meio de seleção e layout razoáveis, os componentes do diodo estenderam o MTBF (tempo médio entre falhas) do sistema para 80.000 horas, reduzindo os custos de operação e manutenção em 35%. Com o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia para alta tensão e grande capacidade, a tendência de integração e modularização dos diodos está se tornando cada vez mais evidente. Por exemplo, a integração de TVS e varistores no mesmo pacote de chips multi{4}}camadas pode melhorar ainda mais a densidade de proteção e a velocidade de resposta.