Kako diode sprječavaju obrnuto pražnjenje baterija u BMS-u?

一, Opasnosti i zahtjevi zaštite obrnutog pražnjenja
Obrnuto pražnjenje baterije odnosi se na fenomen u kojem se pozitivni i negativni pol baterije mijenjaju u polaritetima s opterećenjem ili izvorom napajanja, uzrokujući da struja teče u suprotnom smjeru. U primjenama litijskih baterija, obrnuto pražnjenje može uzrokovati sljedeće ozbiljne posljedice:

Oštećenje strukture baterije: prekomjerno taloženje litijevih iona na negativnoj elektrodi stvara litijeve dendrite, probijajući separator i uzrokujući kratki spoj;
Rizik od toplinskog bježanja: povratna struja stvara Jouleovu toplinu, ubrzava razgradnju elektrolita i može izazvati požar ili eksploziju;
Kvar na razini sustava: povratni napon može oštetiti precizne komponente kao što su glavni kontrolni čip BMS-a i AFE (analogni prednji-end).
Prema zahtjevima standarda GB/T 38661-2020, BMS treba održavati funkcionalni integritet pod -14V povratnim naponom i izdržati -220V prijelazni udar u ISO7637 testu pulsa. Ovaj strogi zahtjev prisiljava inženjere da prihvate pouzdane sheme zaštite od povratne zaštite.

2, Tehnički princip diodnog protuobrnutog pražnjenja
1. Osnovni jednosmjerni mehanizam vodljivosti
Karakteristika jezgre diode je dopustiti protok struje od anode (A) do katode (K) dok blokira u suprotnom smjeru. Nakon spajanja diode u seriju s BMS priključkom za napajanje, kada je polaritet napajanja ispravan, dioda je u stanju vodljivosti prema naprijed, dopuštajući struji da prođe; Kada je napajanje obrnuto, dioda se isključuje unazad, izravno blokirajući strujni put.

Tipični slučajevi primjene:
BMS kontrolna ploča Tesla Model 3 usvaja Schottky diodu (SMA paket, povratni otporni napon 40V) kao glavni uređaj protiv povratne veze. Ova shema koristi niski pad napona prema naprijed karakterističan za Schottky diode na oko 0,3 V, što rezultira gubitkom od samo 30 W pri struji od 100 A, što je 40% energetski-učinkovitije od shema običnih dioda.

2. Zajednička zaštita od potiskivanja prijelaznog napona (TVS)
Jednostavna diodna shema ima dva nedostatka:

Obrnuti podnosivi napon ograničen (obično obične diode<200V)
Ne može se nositi s prolaznim-pulsovima visokog napona
Stoga industrija općenito prihvaća kompozitnu zaštitnu arhitekturu "TVS+dioda":

TVS dioda: paralelno spojena na priključak napajanja, s vremenom odziva od<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Protuobrnuta dioda: serija spojena na stražnji kraj TVS-a, odgovorna za kontinuiranu funkciju obrnutog prekida.
Primjer BMS dizajna za određeni sustav za pohranu energije:
U sustavu od 48 V, TVS od 6600 W (napon klešta 35,5 V) pakiran u DO-218AB kombiniran je s diodom otpornom na napon od 400 V. Ova je shema prošla test ISO7637 Pulse 5a (generiranje prolaznog visokog napona od 35 V kada je sustav od 12 V neopterećen), a istovremeno ispunjava zahtjev za kontinuiranim obrnutim naponom od -100 V.

3, Ključni tehnički parametri za odabir uređaja
1. Otpor povratnog napona (VRRM)
Mora zadovoljiti:

VRRM Veći ili jednak 1,2×Vsystem_max
Na primjer, u baterijskom sustavu od 60 V treba odabrati diode s VRRM većim ili jednakim 72 V. Prijave za automobilsku industriju također moraju uzeti u obzir zahtjev za -14V kontinuiranim povratnim naponom u standardu ISO16750.

2. Pad napona provođenja prema naprijed (VF)
U scenarijima visoke struje, VF izravno utječe na učinkovitost sustava:

Obična silikonska dioda: 0,7-1,1 V (gubitak doseže 70-110 W na 100 A)
Schottky dioda: 0,2-0,5 V (gubitak smanjen za 60%)
MOS shema sinkronog ispravljanja:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Podaci o industriji:
Pri struji pražnjenja od 200 A, korištenje Schottky dioda može smanjiti gubitak topline za 100 W u usporedbi s običnim diodama, što rezultira smanjenjem od 30% u troškovima projektiranja disipacije topline BMS-a.
4, Trendovi u industriji i tehnološka evolucija
1. Spor oko rješenja zamjene MOS cijevi
Iako shema PMOS anti reverzne veze ima prednost nultog pada napona (otpor pri uključenju RDS (on) može biti samo 0,5 m Ω), ima tri glavna nedostatka:

Ograničen povratni otporni napon (obično automobilski PMOS<100V)
Viša cijena (3-5 puta veća od dioda iste specifikacije)
Postoji kašnjenje pada napona u trenutku isključenja
Stvarni podaci mjerenja:
BMS test je pokazao da kada se napajanje iznenada prekine, PMOS shema uzrokuje pad napona pozadinskog kondenzatora brzinom od 10 V/ms, što može izazvati neispravan rad zaštite od niskog napona; Diodna shema može odmah prekinuti krug.

2. Fuzijska primjena novih uređaja
Industrija istražuje sljedeća inovativna rješenja:

SiC Schottky dioda: otpornost napona povećana na 650 V, VF smanjen na 0,8 V, pogodna za visoko{2}}naponske scenarije brzog punjenja;
Inteligentni diodni modul: integrira zaštitu od suprotnog smjera, detekciju prekomjerne temperature i funkcije izvješćivanja o statusu, pojednostavljujući BMS dizajn;
Tehnologija MEMS prekidača: korištenje mikroelektromehaničkih sustava za postizanje obrnutog blokiranja bez gubitaka, ali trenutno je trošak previsok.
3. Promicateljska uloga standarda i propisa
ISO 26262 Funkcionalna sigurnost: Zahtijeva da sklopovi protiv preokreta imaju dizajn zalihosti razine ASIL-B;
GB/T 38031-2021: Izričito se zahtijeva da BMS prekine krug unutar 1 sekunde kada je spojen unazad;
UL 2580: Određeno je da baterije moraju imati mogućnost blokiranja dvosmjerne struje.
5, Tipična analiza scenarija primjene
1. BMS za nova energetska vozila
BYD blade baterija BMS usvaja tri-razine zaštite od "TVS+Schottky diode+samooporavajućeg osigurača":

Razina 1: 1500 W TVS stezaljke prolaznog visokog napona
Drugi stupanj: 40V Schottky dioda obrnuto isključenje
Razina 3: PPTC implementira zaštitu od prekostrujne samooporavka
Ova je shema prošla sve pulsne testove prema ISO7637, s vremenom odziva zaštite od obrnute reakcije manjim od 50 ns.

2. Sustav za pohranu energije BMS
CATL-ov BMS za pohranu energije od 48 V inovativno usvaja hibridno rješenje "back-to-back MOS+diode":

Put punjenja: PMOS postiže nultu provodljivost pada napona
Put pražnjenja: Dioda osigurava obrnutu izolaciju
Optimizacija troškova: MOS za pražnjenje zamijenjen je diodama, smanjujući troškove sustava za 18%
6, Tehnološki izazovi i pravci razvoja
Sadašnja industrija suočava se s dvije ključne kontradikcije:

Balansiranje učinkovitosti i sigurnosti: uređaji s niskom VF (kao što su GaN diode) imaju visoke troškove;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, dok je maksimalni napon stezanja postojećih TVS-a samo 660V.
Budući tehnološki razvoj će se usredotočiti na:

Velika primjena materijala sa širokim pojasnim razmakom (SiC/GaN);
Tehnologija digitalne zaštite (kao što je predviđanje greške temeljeno na umjetnoj inteligenciji);
Standardizirani dizajn modula (kao što su zaštitne IP jezgre koje su u skladu sa specifikacijama AUTOSAR).