ما مدى أهمية الثنائيات لسلامة أنظمة تخزين الطاقة؟

1، حماية ضد الشحن العكسي: حاجز مادي يمنع التدفق العكسي للطاقة
في أنظمة تخزين الطاقة الكهروضوئية، يتم توصيل الثنائيات المضادة للشحن العكسي (الثنائيات المانعة) على التوالي بين المصفوفة الكهروضوئية والبطارية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في منع تفريغ البطارية مرة أخرى من خلال المصفوفة الكهروضوئية في الليل أو في الأيام الممطرة. عندما يكون جهد الخرج للوحدة الكهروضوئية أقل من جهد ناقل التيار المستمر، بدون الثنائيات المضادة للشحن العكسي، ستشكل طاقة البطارية دائرة من خلال تقاطع PN للمصفوفة الكهروضوئية، مما يتسبب في تسخين الوحدة أو حتى احتراقها.

الحالة النموذجية: فشلت محطة طاقة كهروضوئية صحراوية في تركيب صمامات ثنائية مضادة للشحن العكسي. بعد عاصفة رملية لمدة ثلاثة-أيام، ارتفعت درجة حرارة المجموعة الكهروضوئية بشكل غير طبيعي إلى 85 درجة، مما أدى في النهاية إلى حادث ذوبان صندوق التوصيل. بعد الاختبار، وصل التيار العكسي إلى 2.3 مرة من تيار التشغيل العادي، مما تسبب في ذوبان شريط اللحام الداخلي للمكون.

التحسين الفني: تستخدم أنظمة تخزين الطاقة الحديثة صمامات شوتكي ذات انخفاض الجهد الأمامي المنخفض (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، حماية التجاوز: مفتاح ذكي لحل تأثير النقطة الساخنة
في الدائرة التسلسلية للوحدات الكهروضوئية، يتم توصيل الثنائيات الالتفافية بالتوازي عند طرفي وحدة واحدة. عندما تكون الوحدة مسدودة أو معيبة، تعمل الثنائيات على تشكيل تجاوز للتيار، مما يمنع المكونات العادية الأخرى من التعرض للتحيز العكسي. إذا كان هناك نقص في الحماية الالتفافية، فإن المكون المعوق سوف يستهلك الطاقة المولدة من المكونات الأخرى كحمل، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة المحلية (تصل إلى 200 درجة أو أعلى) ويسبب "تأثير النقطة الساخنة".

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>200ns)، فشلت الثنائيات في العمل في الوقت المناسب في ظل الغطاء السحابي المتغير بسرعة، مما أدى إلى حرق خلايا البطارية الداخلية في الوحدة.

التطور التكنولوجي: أدى تطبيق الجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات إلى تحسين أداء الثنائيات الالتفافية بشكل ملحوظ. قامت وحدة تجاوز GaN HEMT من Cree بتقصير وقت الاسترداد العكسي إلى 10ns ويمكنها تحمل جهد عكسي يبلغ 1000 فولت، مما يجعلها مناسبة لتحسين السلسلة الذكية في محطات الطاقة الأرضية الكبيرة.

3، حماية الجهد الزائد: استجابة سريعة للصدمات العابرة
أنظمة تخزين الطاقة عرضة للجهد الزائد العابر أثناء تبديل الشبكة/إيقاف الشبكة، وضربات البرق، والسيناريوهات الأخرى. تعمل الثنائيات TVS (قمع الجهد العابر) على تثبيت الجهد إلى نطاق آمن مع سرعة استجابة بالمللي ثانية. تشمل المعلمات الرئيسية ما يلي:

جهد الانهيار العكسي (Vbr): يجب أن يكون أعلى بنسبة 10% -20% من الحد الأقصى لجهد التشغيل للنظام
ذروة قوة النبض (Pppm): تحدد قدرة مقاومة الارتفاع
جهد المشبك (Vc): يعكس تأثير الحماية الفعلي
مثال تطبيقي: يستخدم نظام تخزين الطاقة Tesla Powerwall الصمام الثنائي SMBJ15CA TVS من Dongwo Electronics، مع Pppm=600W وVc=18V، والذي يمكن أن يمنع بشكل فعال زيادة الجهد الكهربي 24 فولت في نظام 12 فولت. في اختبار الانفلات الحراري UL9540A، قلل هذا الحل من ارتفاع درجة حرارة سطح وحدة البطارية بنسبة 42%.

4، القمع الحراري الجامح: خط الدفاع الأخير لسلامة النظام
في أنظمة تخزين طاقة بطاريات أيون الليثيوم-، تعمل الثنائيات وBMS (نظام إدارة البطارية) معًا لتكوين حماية من ثلاثة-مستويات ضد الانفلات الحراري:

حماية المستوى الأول: عندما يكتشف مستشعر درجة الحرارة وجود خلل، يقوم نظام BMS بقطع دائرة الشحن من خلال MOSFET
الحماية الثانوية: في حالة فشل MOSFET، يقوم الصمام الثنائي TVS بتشغيل آلية المصهر
حماية المستوى الثالث: الربط بين صمام تخفيف الانفجار ونظام إطفاء الحريق بالهباء الجوي
دعم البيانات: يُظهر اختبار وحدة بطارية تخزين الطاقة في Ningde Times أن نظام الحماية المركب لصمام ثنائي SiC MOSFET+TVS يمكن أن يقلل من سرعة انتشار الهروب الحراري من 0.5 م/ث إلى 0.02 م/ث، ويسعى جاهداً لأكثر من 10 أضعاف وقت استجابة نظام الحماية من الحرائق.

5، تحسين مستوى النظام: الابتكار من المكونات إلى الهندسة المعمارية
التصميم المتكامل: يدمج نظام تخزين الطاقة SmartLi 3.0 الذي أطلقته شركة Huawei Digital Energy الثنائيات والصمامات والموصلات المضادة للشحن العكسي في وحدة التحكم BMS، مما يقلل الحجم بنسبة 35% ومعدل الخطأ بنسبة 60%.
تقنية التشخيص الذكية: يستخدم نظام تخزين الطاقة PowerStack من Sunac Power خوارزميات الذكاء الاصطناعي لتحليل التغيرات في تيار تسرب الصمام الثنائي، والتي يمكنها التنبؤ بخطر الانفلات الحراري قبل 48 ساعة بمعدل إنذار كاذب أقل من 0.1%.
تنسيق التحكم في درجة حرارة التبريد السائل: يعتمد نظام تخزين الطاقة BYD Cube تقنية التبريد السائل، والتي تعمل على تثبيت درجة حرارة عمل الصمام الثنائي أقل من 45 درجة وتقليل تيار التسرب العكسي بنسبة 78% مقارنة بنظام تبريد الهواء.
6، المعايير والشهادات: الضمان الكمي للأمن
معايير السلامة الدولية السائدة لديها متطلبات واضحة للثنائيات:

UL 9540: يتطلب أنظمة تخزين الطاقة للحفاظ على العزل عند 1.5 مرة من الجهد العكسي المقدر
IEC 62619: صمامات TVS مطلوبة لاجتياز اختبار الشكل الموجي 8/20 μs واختبار التدفق 5 كيلو أمبير
GB/T 36547: متطلبات الصمام الثنائي المضاد للشحن العكسي لانحراف انخفاض الجهد الأمامي أقل من أو يساوي 5%
ممارسات الاعتماد: لقد حصل نظام تخزين الطاقة ESS من LG New Energy على شهادة UL9540A. يستخدم وحدات Infineon 1200V IGBT مع صمامات ثنائية TVS مدمجة لضبط الجهد الزائد من 1200 فولت إلى 800 فولت خلال 10 ثوانٍ.