ما هو تأثير الحماية الحرارية للثنائيات في إمدادات الطاقة لتخزين الطاقة في السيارة؟

一, السبب الجذري للهروب الحراري: البيئة الحرارية المعقدة لإمدادات الطاقة لتخزين الطاقة على متن الطائرة
تواجه مصادر طاقة تخزين الطاقة المثبتة على المركبة (مثل حزم بطاريات الطاقة ووحدات المكثفات الفائقة) تحديات حرارية متعددة أثناء التشغيل:

متطلبات كثافة طاقة عالية: في وضع الشحن السريع، تحتاج حزمة البطارية إلى إكمال تجديد الشحن بنسبة 80% خلال 15 دقيقة، مع كثافة طاقة لحظية تصل إلى 500 كيلو واط/م³، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة المحلية بما يتجاوز 10 درجات/دقيقة.
تقلبات درجات الحرارة البيئية: نطاق درجة حرارة تشغيل المركبات هو -40 درجة إلى 85 درجة، وتؤدي الاختلافات الشديدة في درجات الحرارة إلى تفاقم الضغط الحراري على المكونات.
تراكب الأعطال الكهربائية: قد تتسبب الدائرة القصيرة، والشحن الزائد، والتيار العكسي وغيرها من الأعطال في ظهور نقاط ساخنة محلية، ويمكن أن تخترق درجة الحرارة نقطة انصهار المواد خلال أجزاء من الثانية.
بأخذ وحدة بطارية Tesla Model 3 كمثال، فإنها تعتمد نظام اتصال سلسلة 21700 خلية، مع كثافة طاقة لمجموعة وضع واحد- تبلغ 250 وات ساعة/كجم. في ظروف التشغيل القاسية، إذا فشلت الإدارة الحرارية، يمكن أن ترتفع درجة حرارة سطح خلية البطارية من 25 درجة إلى 300 درجة خلال 30 ثانية، مما يؤدي إلى تفاعل متسلسل للانفلات الحراري. عند هذه النقطة، فإن أداء الصمام الثنائي كحاجز الحماية الحرارية الأول يحدد بشكل مباشر ما إذا كان النظام يمكنه تحقيق العزل النشط في المراحل الأولى من الانفلات الحراري.

2، آلية الحماية الحرارية للثنائيات: الابتكار من المواد إلى الهياكل
1. انخفاض الجهد الأمامي المنخفض (VF) يقلل من فقدان الحرارة
يبلغ انخفاض الجهد الأمامي للثنائيات التقليدية-المعتمدة على السيليكون 0.6-0.7 فولت، مما يؤدي إلى فقدان الحرارة بمقدار 12-14 واط عند تيار 20 أمبير. يعتمد صمام ثنائي شوتكي على هيكل توصيل معدني لأشباه الموصلات، ويمكن أن يصل الجهد VF إلى 0.2-0.4 فولت ™ على سبيل المثال، تحافظ صمامات شوتكي الثنائية على جهد VF يبلغ 0.3 فولت عند درجة حرارة عالية تبلغ 150 درجة، وهو أقل بنسبة 57% من الأجهزة القائمة على السيليكون ويقلل فقدان الحرارة بنسبة 68%. بعد استخدام صمامات شوتكي في محول DC/DC لـ BYD e6، زادت كفاءة التحويل من 92% إلى 95%، وانخفض ارتفاع درجة حرارة النظام بمقدار 8 درجات.

2. يعمل وقت الاسترداد العكسي السريع (Trr) على منع خسائر التبديل
في -مصادر طاقة التبديل عالية التردد (مثل شواحن السيارات OBC)، تحتاج الثنائيات إلى التبديل بسرعة بين حالات التوصيل والقطع. تحتوي صمامات الاسترداد السريع التقليدية على Trr بقيمة 50-100ns، بينما يمكن لمواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث مثل SiC وGaN تقصير Trr إلى حدود 10ns. يعمل الصمام الثنائي GaN HEMT من Cree على تقليل فقدان الاسترداد العكسي بنسبة 90% مقارنة بالأجهزة المعتمدة على السيليكون- بتردد تحويل يبلغ 1 ميجا هرتز، مما يؤدي إلى تجاوز كفاءة نظام OBC بنسبة 98%. في منصة الجهد العالي 800 فولت من NIO ET7، يؤدي استخدام الثنائيات GaN إلى تقليل حجم وحدة الشحن بنسبة 40% والكثافة الحرارية بنسبة 35%.

3. يمنع قمع الجهد العابر (TVS) انتشار الهروب الحراري
يعمل الصمام الثنائي TVS على تثبيت الجهد الزائد إلى نطاق آمن مع سرعة استجابة بالمللي ثانية، مما يمنع خلية البطارية من ارتفاع درجة الحرارة وفقدان التحكم بسبب الشحن الزائد. يتم استخدام الصمام الثنائي SMBJ15CA TVS من Dongwo Electronics في نظام تخزين الطاقة Tesla Powerwall، مع Pppm=600W وVc=18V. يمكنه قمع ارتفاع الجهد الكهربي 24 فولت إلى 18 فولت خلال 10 ميكرو ثانية، مما يقلل من ارتفاع درجة حرارة السطح لوحدة البطارية بنسبة 42%. في اختبار الانفلات الحراري UL9540A، حصل هذا الحل على أكثر من 10 أضعاف وقت الاستجابة لنظام الحماية من الحرائق.

3، الحماية الحرارية على مستوى النظام: التصميم التعاوني للثنائيات والمكونات الأخرى
1. الحماية المركبة باستخدام MOSFET
يواجه نظام P{0}}MOS التقليدي المضاد للانعكاس مشكلات مثل المقاومة العالية وعدم القدرة على منع التيار العكسي. تحقق وحدة التحكم المثالية في الصمام الثنائي LM74700-Q1 من TI 0.01 Ω على المقاومة وسرعة إيقاف التشغيل العكسي لمستوى النانو ثانية من خلال دمج N-MOS ودائرة التحكم. في نظام الجهد المنخفض 48 فولت لسيارة Ideal Car L9، يقلل هذا الحل من فقدان الاتصال العكسي من 8 وات إلى 0.2 وات، وارتفاع درجة حرارة النظام من 15 درجة إلى درجتين، مما يحل تمامًا خطر الفشل الحراري أثناء التشغيل البارد.

2. التحكم في الحلقة المغلقة مع مستشعر درجة الحرارة
تعتمد وحدة البطارية CTP3.0 الخاصة بـ CATL تصميم حلقة مغلقة - من "صمام ثنائي + مستشعر درجة الحرارة NTC". عندما تتجاوز درجة حرارة خلية البطارية 55 درجة، يقوم النظام تلقائيًا بقطع إشارة التحكم في الصمام الثنائي ويجبرها على وضع تبديد الحرارة؛ إذا استمرت درجة الحرارة في الارتفاع إلى 70 درجة، فسيتم تشغيل آلية ذوبان الصمام الثنائي TVS لتحقيق العزل المادي. في الاختبار الفعلي لـ GAC AiON LX، قلل هذا المخطط من سرعة انتشار الانفلات الحراري من 0.5 م/ث إلى 0.02 م/ث.

3. تحسين الاقتران الكهربائي الحراري مع نظام التبريد السائل
يستخدم نظام تخزين الطاقة BYD Cube تقنية التبريد السائل لتثبيت درجة حرارة تشغيل الصمام الثنائي أقل من 45 درجة، مما يقلل تيار التسرب العكسي بنسبة 78% مقارنة بالمحلول المبرد بالهواء. وفي الوقت نفسه، يقوم النظام بضبط معدل تدفق سائل التبريد ديناميكيًا استنادًا إلى منحنى الصمام الثنائي VF Tj. وفي نظام تخزين الطاقة Huawei Digital Energy PowerStack، يعمل هذا التصميم على إطالة عمر الصمام الثنائي من 10 سنوات إلى 15 عامًا ويقلل من احتمالية الفشل الحراري إلى 0.01% سنويًا.