Hur hjälper dioder till energidelning i batterisystem?

一, Grundprincipen för energidelning som uppnås med dioder
1. Enkelriktad konduktivitetskonstruktion av shuntfundament
Kärnan i en diod är att tillåta ström att flyta från anoden (A) till katoden (K) samtidigt som den blockerar i motsatt riktning. Denna egenskap gör den till en idealisk komponent för energidelningskretsar:

Framåtledning: När batteripaketet behöver förse belastningen med ström är dioden i ett lågresistanstillstånd, vilket tillåter ström att passera;
Omvänd cutoff: När belastningsspänningen är högre än batteripaketets spänning eller det finns risk för omvänd ström, blockerar dioden automatiskt strömmen för att förhindra energiåterflöde.
Typiskt fall: I ett rymdfarkosts solcellsarray är varje sub-array (batterienhet) ansluten till bussen via en isoleringsdiod. Under den lokala skuggperioden, när batteripaketet är urladdat, stängs isoleringsdioden av i omvänd riktning för att förhindra att solcellskretsen blir batteripaketets urladdningslast, vilket säkerställer att energin bara strömmar från batteriet till lasten.

2. Optimering av tryckfallsegenskaper och avledningseffektivitet
Framspänningsfallet (VF) för en diod påverkar direkt energidelningseffektiviteten:

Vanlig kiseldiod: VF är cirka 0,6-0,7V, med betydande strömförbrukning vid höga strömmar;
Schottky-diod: VF så låg som 0,2-0,4V, med extremt kort omvänd återhämtningstid (<10ns), suitable for high-frequency switching scenarios;
Teknik för synkron likriktning: Användning av MOSFETs istället för dioder kan minska ledningsspänningsfallet till under 0,01V, men kräver komplexa drivkretsar.
Effektivitetsjämförelse: Vid en ström på 200A är ledningsförlusten för Schottky-diod (VF=0.4V) 80W, medan förlusten av vanlig kiseldiod (VF=0.7V) når 140W, med en signifikant skillnad i effektivitet.

2, Typiska tillämpningsscenarier för dioder vid energidelning
1. Balanserad avledning av batteripaket: förhindra överladdning/överurladdning
I ett seriebatteripaket kan inkonsekvent kapacitet hos enskilda celler leda till risk för överladdning eller överurladdning. Passiv balansering av dioder uppnås genom shuntmotstånd eller kopplingsrör:

Avledningsmotståndsmetod: I varje enskilt batteri är ett motstånd och en diod parallellkopplade. När batterispänningen överstiger det inställda värdet leder dioden och delar laddningsströmmen genom motståndet. Denna metod har låg kostnad, men låg effektivitet (förlust på cirka 10% -15%);
Avledningsomkopplarmetod: Användning av MOSFET:er istället för motstånd, detektering av spänning genom dioder och styrning av omkopplare på/av för att uppnå exakt avledning. Till exempel använder BMS för Tesla Model 3 detta schema för att kontrollera det individuella spänningsbalanseringsfelet inom ± 5mV.
2. Intelligent omkoppling av flera strömförsörjningssystem: säkerställer kontinuitet i strömförsörjningen
I ett strömförsörjningssystem med dubbla batterier (som startbatteriet och strömbatteriet i ett elfordon) uppnår dioder automatisk växling:

Relä+diodschema: När huvudbatterispänningen sjunker till tröskeln kopplas reläet ur och reservbatteriet förser belastningen med ström genom dioden. Omkopplingstiden för detta schema är mindre än 1ms, men reläets livslängd är begränsad;
Fullständigt diodschema: Naturlig omkoppling uppnås genom skillnaden i diodspänningsfall. Till exempel använder ett visst energilagringssystem två uppsättningar batterier (med en spänningsskillnad på 0,3V). Hög-batteriet drivs av en diod först, och när dess spänning sjunker tar låg-batteriet automatiskt över.
3. Termiskt punktskydd för solcellssystem: undvik lokal överhettning
I solcellspaneler kan skuggning eller individuella fel orsaka hot spot-effekter. Dioden skyddar systemet genom följande metoder:

Bypass-diod: I omvänd parallell med varje batteri leder dioden när batteriet är blockerat, vilket ger en bypass-kanal för ström och förhindrar lokal överhettning. Till exempel antar rymdfarkostens solcellsuppsättning galliumarsenid med tre korsningar denna design, vilket minskar temperaturen på hot spot från 200 grader till under 60 grader;
Blockeringsdiod: Seriekopplad i batterigrenen för att förhindra att den felaktiga grenen förbrukar energi från andra batterier. Enligt statistik från ett visst solcellskraftverk har användningen av blockeringsdioder minskat den årliga felfrekvensen i systemet med 40 %.
3, Teknologisk utvecklingsriktning: Från passiv avledning till aktiv intelligens
1. Material med brett bandgap förbättrar avledningseffektiviteten
SiC (kiselkarbid) och GaN (galliumnitrid) dioder har följande fördelar:

Förbättring av spänningsuthållighet: SiC Schottky-diod tål upp till 1700V, lämplig för hög-energilagringssystem;
Högfrekvenssvar: GaN-diodens växlingsfrekvens når MHz-nivån, vilket kan minska storleken på filtreringskomponenter;
Lågtemperaturegenskaper: Vid -40 grader är VF-fluktuationen för SiC-dioder mindre än 5 %, vilket gör dem lämpliga för polära applikationer eller rymdtillämpningar.
Fodral: BYD-bladbatteri BMS använder SiC Schottky-diod, vilket minskar omvänd återställningsförlust med 80 % och förbättrar systemets effektivitet med 2,3 %.

2. Integrerade moduler förenklar systemdesign
Integrationen av dioder med sensorer och drivkretsar har blivit en trend:

Intelligent diodmodul: integrerar spänningsdetektering, temperaturkompensation och statusrapporteringsfunktioner, såsom Infineons Smart Diode-serie, som kan övervaka shuntström i realtid och ge feedback till BMS;
Power Integrated Circuit (PIC): Integrering av dioder, MOSFET:er och styrenheter i ett enda chip för att minska PCB-arean. Efter att ha antagit PIC-schemat har DC/DC-omvandlaren i ett visst elfordon minskat sin volym med 60 % och kostnaden med 35 %.
3. Digital styrning ger exakt avledning
Genom att kombinera en digital signalprocessor (DSP) eller mikrokontroller (MCU) kan ett diodshuntsystem uppnå:

Dynamisk balansering: Justera shunttröskeln i realtid- baserat på batteriets SOC (återstående laddning) för att förlänga batteriets livslängd;
Förutsägande underhåll: Genom att analysera förändringar i diodspänningsfallet, upptäck dålig kontakt eller åldringsproblem i förväg;
Växling av flera lägen: Optimera automatiskt avledningsstrategin under olika arbetsförhållanden som laddning, urladdning och standby.
Branschdata: Efter att ha antagit digital avledningskontroll har battericykelns livslängd för ett visst energilagringssystem ökat från 3000 gånger till 5000 gånger, och den årliga drift- och underhållskostnaden har minskat med 25%.