¿Qué importancia tienen los diodos para la seguridad de los sistemas de almacenamiento de energía?

1. Protección contra la carga inversa: una barrera física que bloquea el reflujo de energía.
En los sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica, los diodos anti-carga inversa (diodos de bloqueo) están conectados en serie entre el conjunto fotovoltaico y la batería. Su función principal es evitar que la batería se descargue nuevamente a través del conjunto fotovoltaico durante la noche o en días lluviosos. Cuando el voltaje de salida del módulo fotovoltaico es inferior al voltaje del bus de CC, sin diodos anti-carga inversa, la energía de la batería formará un circuito a través de la unión PN del conjunto fotovoltaico, provocando que el módulo se caliente o incluso se queme.

Caso típico: una central fotovoltaica en el desierto no pudo instalar diodos anti-carga inversa. Después de una tormenta de arena de tres-días, la temperatura del conjunto fotovoltaico aumentó anormalmente a 85 grados, lo que finalmente provocó un accidente en el derretimiento de la caja de conexiones. Después de la prueba, la corriente inversa alcanzó 2,3 veces la corriente de funcionamiento normal, lo que provocó que la cinta de soldadura interna del componente se derritiera.

Optimización técnica: los sistemas modernos de almacenamiento de energía utilizan diodos Schottky con baja caída de tensión directa (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, protección de derivación: interruptor inteligente para resolver el efecto de punto caliente
En el circuito en serie de los módulos fotovoltaicos, los diodos de derivación están conectados en paralelo en ambos extremos de un único módulo. Cuando el módulo está bloqueado o defectuoso, los diodos conducen para formar un bypass de corriente, evitando que otros componentes normales estén sujetos a polarización inversa. Si falta protección de derivación, el componente obstruido consumirá la energía generada por otros componentes como carga, lo que provocará altas temperaturas locales (hasta 200 grados o más) y provocará el "efecto de punto caliente".

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>200 ns), los diodos no condujeron de manera oportuna bajo una capa de nubes que cambiaba rápidamente, lo que provocó la quema de las celdas de la batería interna del módulo.

Evolución tecnológica: la aplicación de materiales semiconductores de tercera-generación ha mejorado significativamente el rendimiento de los diodos de derivación. El módulo de derivación GaN HEMT de Cree ha acortado el tiempo de recuperación inversa a 10 ns y puede soportar un voltaje inverso de 1000 V, lo que lo hace adecuado para la optimización inteligente de cadenas en grandes centrales eléctricas terrestres.

3, protección contra sobretensión: una respuesta rápida a descargas transitorias
Los sistemas de almacenamiento de energía son propensos a sufrir sobretensiones transitorias durante el cambio de red o fuera de la red, rayos y otros escenarios. Los diodos TVS (supresión de voltaje transitorio) fijan el voltaje a un rango seguro con una velocidad de respuesta de milisegundos. Los parámetros clave incluyen:

Tensión de ruptura inversa (Vbr): debe ser entre un 10% y un 20% mayor que la tensión máxima de funcionamiento del sistema.
Potencia de pulso máxima (ppm): determina la capacidad de resistencia a sobretensiones
Tensión de abrazadera (Vc): refleja el efecto de protección real
Ejemplo de aplicación: el sistema de almacenamiento de energía Tesla Powerwall adopta el diodo SMBJ15CA TVS de Dongwo Electronics, con Pppm=600W y Vc=18V, que puede suprimir eficazmente la sobretensión de 24 V en un sistema de 12 V. En la prueba de fuga térmica UL9540A, esta solución redujo el aumento de temperatura de la superficie del módulo de batería en un 42 %.

4. Supresión térmica desbocada: la última línea de defensa para la seguridad del sistema
En los sistemas de almacenamiento de energía de baterías de iones de litio-, los diodos y el BMS (sistema de gestión de baterías) trabajan juntos para formar una protección de tres-niveles contra la fuga térmica:

Protección de primer nivel: Cuando el sensor de temperatura detecta una anomalía, el BMS corta el circuito de carga a través de MOSFET
Protección secundaria: si falla el MOSFET, el diodo TVS activa el mecanismo de fusible
Protección de tercer nivel: conexión entre la válvula de alivio de explosión y el sistema de extinción de incendios por aerosol
Soporte de datos: las pruebas del módulo de batería de almacenamiento de energía de Ningde Times muestran que el esquema de protección compuesto del diodo SiC MOSFET+TVS puede reducir la velocidad de propagación de la fuga térmica de 0,5 m/s a 0,02 m/s y lograr más de 10 veces el tiempo de respuesta del sistema de protección contra incendios.

5. Optimización a nivel del sistema: innovación desde los componentes hasta la arquitectura.
Diseño integrado: El sistema de almacenamiento de energía SmartLi 3.0 lanzado por Huawei Digital Energy integra diodos, fusibles y contactores anti-carga inversa en la unidad de control BMS, lo que reduce el volumen en un 35 % y la tasa de fallas en un 60 %.
Tecnología de diagnóstico inteligente: el sistema de almacenamiento de energía PowerStack de Sunac Power utiliza algoritmos de inteligencia artificial para analizar los cambios en la corriente de fuga del diodo, lo que puede predecir el riesgo de fuga térmica con 48 horas de anticipación con una tasa de falsas alarmas de menos del 0,1 %.
Coordinación del control de temperatura de refrigeración líquida: el sistema de almacenamiento de energía BYD Cube adopta tecnología de refrigeración líquida, que estabiliza la temperatura de trabajo del diodo por debajo de 45 grados y reduce la corriente de fuga inversa en un 78% en comparación con el esquema de refrigeración por aire.
6, Estándares y Certificación: Garantía Cuantitativa de Seguridad
Los principales estándares internacionales de seguridad tienen requisitos claros para los diodos:

UL 9540: Requiere que los sistemas de almacenamiento de energía mantengan el aislamiento a 1,5 veces el voltaje inverso nominal
IEC 62619: se requieren diodos TVS para pasar la forma de onda de 8/20 μs y la prueba de sobretensión de 5 kA
GB/T 36547: Requisitos para la desviación de caída de tensión directa del diodo de carga inversa inferior o igual al 5%
Práctica de certificación: El sistema de almacenamiento de energía ESS de LG New Energy ha pasado la certificación UL9540A. Utiliza módulos IGBT de 1200 V de Infineon con-diodos TVS integrados para limitar la sobretensión de 1200 V a 800 V en 10 segundos.