Tác dụng bảo vệ nhiệt của điốt trong bộ nguồn lưu trữ năng lượng ô tô là gì?

一, Nguyên nhân cốt lõi của hiện tượng thoát nhiệt: môi trường nhiệt phức tạp của nguồn điện lưu trữ năng lượng trên tàu
Các nguồn năng lượng lưu trữ năng lượng gắn trên xe (chẳng hạn như bộ pin điện và mô-đun siêu tụ điện) phải đối mặt với nhiều thách thức về nhiệt trong quá trình vận hành:

Yêu cầu mật độ năng lượng cao: Ở chế độ sạc nhanh, bộ pin cần hoàn thành việc bổ sung 80% điện tích trong vòng 15 phút, với mật độ năng lượng tức thời lên tới 500kW/m³, dẫn đến nhiệt độ cục bộ tăng vượt quá 10 độ/phút.
Biến động nhiệt độ môi trường: Phạm vi nhiệt độ hoạt động của phương tiện là -40 độ đến 85 độ và sự chênh lệch nhiệt độ quá cao làm trầm trọng thêm ứng suất nhiệt trên các bộ phận.
Chồng chất lỗi điện: Đoản mạch, quá tải, dòng điện ngược và các lỗi khác có thể gây ra các điểm nóng cục bộ và nhiệt độ có thể phá vỡ điểm nóng chảy của vật liệu trong vòng một phần nghìn giây.
Lấy mô-đun pin Tesla Model 3 làm ví dụ, nó sử dụng sơ đồ kết nối chuỗi 21700 ô, với mật độ năng lượng nhóm chế độ duy nhất là 250Wh/kg. Trong điều kiện vận hành khắc nghiệt, nếu quản lý nhiệt không thành công, nhiệt độ bề mặt của pin có thể tăng từ 25 độ lên 300 độ trong vòng 30 giây, gây ra phản ứng dây chuyền tỏa nhiệt. Tại thời điểm này, hiệu suất của diode với tư cách là hàng rào bảo vệ nhiệt đầu tiên sẽ trực tiếp xác định liệu hệ thống có thể đạt được sự cách ly chủ động trong giai đoạn đầu của quá trình thoát nhiệt hay không.

2, Cơ chế bảo vệ nhiệt của điốt: đổi mới từ vật liệu đến kết cấu
1. Điện áp chuyển tiếp thấp (VF) giảm tổn thất nhiệt
Mức giảm điện áp chuyển tiếp của điốt silicon-truyền thống là 0,6-0,7V, dẫn đến tổn thất nhiệt 12-14W ở dòng điện 20A. Điốt Schottky sử dụng cấu trúc tiếp giáp bán dẫn kim loại và VF có thể thấp tới 0,2-0,4V ™. Ví dụ, điốt Schottky duy trì VF là 0,3V ở nhiệt độ cao 150 độ, thấp hơn 57% so với các thiết bị dựa trên silicon và giảm tổn thất nhiệt tới 68%. Sau khi sử dụng điốt Schottky trong bộ chuyển đổi DC/DC của BYD e6, hiệu suất chuyển đổi tăng từ 92% lên 95% và mức tăng nhiệt độ hệ thống giảm 8 độ.

2. Thời gian phục hồi ngược nhanh (Trr) ngăn chặn tổn thất chuyển mạch
Trong các nguồn cấp điện chuyển đổi tần số cao (chẳng hạn như bộ sạc ô tô OBC), điốt cần chuyển đổi nhanh chóng giữa trạng thái dẫn và trạng thái cắt. Điốt phục hồi nhanh truyền thống có Trr là 50-100ns, trong khi các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba-như SiC và GaN có thể rút ngắn Trr xuống trong vòng 10ns. Đi-ốt GaN HEMT của Cree giúp giảm 90% tổn thất khôi phục ngược so với các thiết bị dựa trên silicon ở tần số chuyển mạch là 1 MHz, dẫn đến hiệu suất hệ thống OBC vượt quá 98%. Trong nền tảng điện áp cao 800V của NIO ET7, việc sử dụng điốt GaN giúp giảm 40% thể tích của mô-đun sạc và giảm 35% mật độ nhiệt.

3. Sự ức chế điện áp nhất thời (TVS) ngăn chặn sự lan truyền của sự thoát nhiệt
Diode TVS kẹp quá điện áp ở phạm vi an toàn với tốc độ phản hồi một phần nghìn giây, ngăn pin quá nóng và mất kiểm soát do sạc quá mức. Diode SMBJ15CA TVS của Dongwo Electronics được ứng dụng trong hệ thống lưu trữ năng lượng Tesla Powerwall, với Pppm=600W và Vc=18V. Nó có thể ngăn chặn điện áp tăng 24V xuống 18V trong vòng 10 μs, giảm 42% mức tăng nhiệt độ bề mặt của mô-đun pin. Trong thử nghiệm thoát nhiệt UL9540A, giải pháp này thu được thời gian đáp ứng hơn 10 lần cho hệ thống phòng cháy chữa cháy.

3, Bảo vệ nhiệt cấp hệ thống: thiết kế hợp tác của điốt và các thành phần khác
1. Bảo vệ tổng hợp bằng MOSFET
Sơ đồ chống đảo ngược P-MOS truyền thống có các vấn đề như điện trở cao và không có khả năng chặn dòng điện ngược. Bộ điều khiển diode lý tưởng LM74700-Q1 của TI đạt được 0,01 Ω trên điện trở và tốc độ tắt ngược ở mức nano giây bằng cách tích hợp N-MOS và mạch điều khiển. Trong hệ thống điện áp thấp 48V của Ideal Car L9, giải pháp này giúp giảm tổn thất kết nối ngược từ 8W xuống 0,2W và nhiệt độ hệ thống tăng từ 15 độ lên 2 độ, giải quyết hoàn toàn nguy cơ hỏng nhiệt khi khởi động nguội.

2. Điều khiển vòng kín bằng cảm biến nhiệt độ
Mô-đun pin CTP3.0 của CATL áp dụng thiết kế-vòng kín của "cảm biến nhiệt độ diode+NTC". Khi nhiệt độ của pin vượt quá 55 độ, hệ thống sẽ tự động cắt tín hiệu điều khiển diode và buộc nó chuyển sang chế độ tản nhiệt; Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng lên 70 độ, cơ chế nóng chảy diode TVS sẽ được kích hoạt để đạt được sự cách ly vật lý. Trong thử nghiệm thực tế của GAC ​​AiON LX, sơ đồ này đã giảm tốc độ lan truyền thoát nhiệt từ 0,5m/s xuống 0,02m/s.

3. Tối ưu hóa khớp nối nhiệt điện với hệ thống làm mát bằng chất lỏng
Hệ thống lưu trữ năng lượng BYD Cube sử dụng công nghệ làm mát bằng chất lỏng để ổn định nhiệt độ hoạt động của diode dưới 45 độ, giảm 78% dòng rò ngược so với giải pháp làm mát bằng không khí. Đồng thời, hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ dòng nước làm mát dựa trên đường cong diode VF Tj. Trong hệ thống lưu trữ năng lượng PowerStack của Huawei Digital Energy, thiết kế này giúp kéo dài tuổi thọ của diode từ 10 năm lên 15 năm và giảm xác suất hỏng hóc nhiệt xuống 0,01% mỗi năm.