Hoće li kvar diode utjecati na vijek trajanja baterije?

一, Osnovna funkcija i rizik kvara dioda u baterijskim sustavima
Osnovna funkcija diode
Diode uglavnom obavljaju tri funkcije u baterijskim sustavima:

Zaštita od obrnutog punjenja: sprječava pražnjenje baterije u suprotnom smjeru od vanjskih krugova u stanju nepunjenja, izbjegavajući degradaciju kapaciteta uzrokovanu prekomjernim pražnjenjem baterije. Na primjer, u fotonaponskim sustavima za pohranu energije, diode protiv obrnutog punjenja mogu blokirati put noćnog obrnutog pražnjenja baterije kroz fotonaponske ploče.
Kontrola kruga ravnoteže: U krugu ravnoteže paketa baterija, diode se koriste za izolaciju neispravnih ćelija i sprječavaju da prekomjerno punjenje ili pražnjenje utječu na cjelokupnu izvedbu paketa. Na primjer, baterija Tesla Model S koristi premosne diode za postizanje ravnoteže razine ćelija.
Zaštita od naponske stezaljke: U BMS-u, diode surađuju s regulatorima napona kako bi se ograničio raspon fluktuacija napona baterije i spriječilo oštećenje ćelija baterije uzrokovano prenaponom ili podnaponom.
Tipični načini kvarova dioda
Postoje tri glavne vrste grešaka na diodama:

Kvar jednosmjerne vodljivosti: nemogućnost provođenja u smjeru naprijed ili obrnuto curenje, što rezultira gubitkom funkcije kruga. Na primjer, kada je dioda protiv obrnutog punjenja otvorena u strujnom krugu u smjeru prema naprijed, baterija se ne može puniti; Kada dođe do obrnutog kvara, baterija se nastavlja prazniti.
Odstupanje parametra: Povećanje pada napona prema naprijed (VF) ili prekomjerna povratna struja curenja (IR) može dovesti do smanjenja učinkovitosti sustava. Na primjer, kada se VF Schottky diode poveća s 0,3 V na 0,6 V, potrošnja energije kruga za uravnoteženje se udvostručuje.
Toplinski bijeg: prekomjerna struja ili prenapon mogu uzrokovati da temperatura spoja diode prijeđe 150 stupnjeva, što dovodi do karbonizacije ili čak taljenja materijala za pakiranje. Na primjer, određeni sustav za pohranu energije doživio je toplinski bijeg susjednih ćelija zbog pregrijavanja premosne diode.
2, Put utjecaja kvara diode na životni vijek baterije
Oštećenje od prekomjernog punjenja/pražnjenja
Kada dioda za sprječavanje obrnutog punjenja zakaže, baterija može biti prenapunjena/pretjerano ispražnjena zbog obrnutog napona vanjskog kruga ili grešaka u upravljanju BMS-om. Na primjer:

Oštećenje od prekomjernog punjenja: kada se litij-ionske baterije prepune, struktura materijala pozitivne elektrode se urušava, a elektrolit se raspada i proizvodi plin, što dovodi do bubrenja baterije i degradacije kapaciteta. Eksperimenti su pokazali da je kod prenapunjenja na 4,5 V stopa opadanja kapaciteta ternarnih litijskih baterija tri puta brža od normalnog punjenja.
Oštećenje od prekomjernog pražnjenja: Kada se baterija isprazni ispod 2,5 V, negativni bakreni kolektor struje se otapa i taloži na pozitivnoj elektrodi, stvarajući bakrene dendrite i uzrokujući unutarnje kratke spojeve. Studija slučaja električnog vozila pokazala je da se životni vijek baterije ispražnjene na 2,0 V smanjio s 1000 puta na 300 puta.
Prigušenje kapaciteta uzrokovano kvarom ravnoteže
U baterijskom paketu kvar diode može uzrokovati kvar balansnog kruga, što dovodi do "efekta bačve":

Pretjerano punjenje/pretjerano pražnjenje jedne ćelije: Ako ćelija ne može sudjelovati u balansiranju zbog otvorene diode, njen napon može odstupati od prosječne vrijednosti cijele grupe. Na primjer, u sustavu za pohranu energije, zbog kvara balansne diode, jedna ćelija je bila prenapunjena na 4,3 V, a cijeli kapacitet grupe smanjio se za 20% nakon 200 ciklusa.
Neuravnoteženost kapaciteta cijele grupe: Dugoročni neuspjeh ravnoteže može dovesti do povećanja varijabilnosti kapaciteta stanica. Istraživanja pokazuju da kada se standardna devijacija kapaciteta baterijskih ćelija poveća s 0,5% na 2%, cjelokupni životni ciklus grupe skraćuje se za 40%.
Ubrzanje starenja uzrokovano neuspjehom upravljanja toplinom
Kvar diode može uzrokovati lokalno pregrijavanje i ubrzati starenje baterije:

Toplinska lančana reakcija: kada se premosna dioda pregrije, toplina se prenosi na susjedne ćelije, izazivajući sporedne reakcije kao što je razgradnja SEI filma i razgradnja elektrolita. Na primjer, u određenom fotonaponskom sustavu za pohranu energije, zbog pregrijavanja dioda, temperatura susjednih ćelija porasla je na 80 stupnjeva, a stopa opadanja kapaciteta bila je 5 puta brža od normalnih ćelija.
Oštećenje uslijed toplinskog stresa: Ponovljeni toplinski udari mogu uzrokovati lomljenje jezičaca stanica i kontrakciju dijafragme. Eksperimenti su pokazali da nakon 10 toplinskih ciklusa od 60 stupnjeva do 25 stupnjeva, stopa opadanja kapaciteta baterije raste za 15%.
3, Studije slučaja industrije i podrška podacima
1. Polje električnih vozila: kvar baterije Tesla Model S
Godine 2018. Tesla je opozvao neke modele Model S zbog skrivenih nedostataka u diodi protiv obrnutog punjenja u BMS-u. Kvar koji uzrokuje:

Fenomen prekomjernog pražnjenja: 12% vozila doživi prekomjerno pražnjenje baterije ispod 2,0 V, uzrokujući pad cjelokupnog kapaciteta na 60% početne vrijednosti.
Rizik od toplinskog odlaska: 3% vozila doživi toplinski odlazak baterijskih ćelija zbog pregrijavanja dioda, što zahtijeva zamjenu cijelog paketa baterija.
Tesla je smanjio stopu kvarova na ispod 0,2% nadogradnjom odabira dioda (zamjenom 1N4007 Schottky diodama s 1000V otpornim naponom i 50A otpornom strujom) i optimiziranjem dizajna rasipanja topline.
2. Područje sustava za pohranu energije: prerano starenje baterijskog paketa fotonaponske elektrane
Godine 2023., litij-ionska baterija fotonaponske elektrane od 5 MW u istočnoj Kini doživjela je pad kapaciteta od 80% nakon 2 godine rada, što je daleko ispod projektiranog životnog vijeka od 10 godina. Nakon istrage, utvrđeno je da:

Uravnoteženo curenje diode: Neke diode doživljavaju obrnutu struju curenja do 100 μA (standardna vrijednost<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Neuspjeh upravljanja toplinom: Pregrijavanje diode uzrokuje porast temperature susjednih ćelija na 55 stupnjeva, ubrzavajući zadebljanje SEI filma.
Zamjenom diode s malim propuštanjem (BAS70 serija) i optimiziranjem dizajna zračnog kanala, stopa opadanja kapaciteta sustava smanjena je na unutar 5% godišnje.
3. Područje potrošačke elektronike: nenormalan vijek trajanja RTC baterije
Određeni industrijski kontroler koristi CR2025 baterije za napajanje RTC-a, s projektiranim životnim vijekom od 5 godina, ali traži zamjenu nakon 6 mjeseci stvarne upotrebe. Pronađena detekcija:

Obrnuto curenje diode: Reverzna struja curenja diode protiv obrnutog punjenja doseže 5 μA (standardna vrijednost<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Logička pogreška RTC čipa: RTC čip domaće proizvodnje greškom je ušao u način rada u stanju mirovanja, uz potrošnju energije od 100 μA.
Zamjenom diode s niskim curenjem (1N4148) i optimiziranjem odabira RTC čipa, trajanje baterije vraćeno je na projektiranu vrijednost.
4, Optimizacijske sheme u inženjerskoj praksi
1. Optimizacija odabira
Parametri napona i strujnog otpora: Nazivni napon diode trebao bi biti veći ili jednak 1,5 puta maksimalnom naponu sustava, a nazivna struja trebala bi biti veća ili jednaka 2 puta maksimalnoj radnoj struji. Na primjer, baterijski sustav od 48 V trebao bi koristiti diode s naponskim otporom od 100 V i strujnim otporom od 20 A.
Karakteristike niskog curenja: Po mogućnosti odaberite Schottky diode s obrnutom strujom curenja<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Kontrola toplinske otpornosti: Odaberite oblik pakiranja s toplinskom otpornošću od<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Dizajn disipacije topline
Prisilno hlađenje zrakom: Instalirajte ventilatore u područjima s gustim diodama, s brzinom vjetra većom ili jednakom 2 m/s, i kontrolirajte temperaturu spoja ispod 85 stupnjeva.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) za smanjenje toplinskog otpora.
Optimizacija rasporeda: Udaljenost između diode i baterije treba biti veća od 10 mm kako bi se izbjegao utjecaj toplinskog zračenja.
3. Nadzor i zaštita
Online detection: Monitor the voltage and temperature at both ends of the diode through BMS, and trigger an alarm when VF deviation>10% or temperature>100 stupnjeva.
Redundantni dizajn: dvostruke diode spojene su paralelno na kritičnom putu radi poboljšanja pouzdanosti. Na primjer, Tesla Powerwall usvaja shemu protiv obrnutog punjenja s dvostrukom diodom.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.