Како диоде спречавају обрнуто пражњење батерија у БМС-у?

一, Опасности и захтеви заштите од обрнутог пражњења
Обрнуто пражњење батерије се односи на феномен где су позитивни и негативни пол батерије обрнути у поларитету са оптерећењем или извором напајања, што доводи до тога да струја тече у супротном смеру. У применама литијумских батерија, обрнуто пражњење може изазвати следеће озбиљне последице:

Оштећење структуре батерије: Прекомерно таложење литијум јона на негативној електроди формира литијум дендрите, пробијајући сепаратор и изазивајући кратак спој;
Ризик од топлотног бекства: Реверзна струја генерише џулову топлоту, убрзава разградњу електролита и може изазвати пожар или експлозију;
Квар на нивоу система: Обрнути напон може да оштети прецизне компоненте као што су главни контролни чип БМС и АФЕ (аналогни предњи-крај).
Према захтевима стандарда ГБ/Т 38661-2020, БМС треба да одржи функционални интегритет под обрнутим напоном од -14В и да издржи пролазни удар од -220В у ИСО7637 пулсном тесту. Овај строги захтев приморава инжењере да усвоје поуздане шеме заштите од обрнутог кретања.

2, Технички принцип диоде против обрнутог пражњења
1. Основни једносмерни механизам проводљивости
Основна карактеристика диоде је да дозволи струји да тече од аноде (А) до катоде (К) док блокира у супротном смеру. Након повезивања диоде у серију са БМС улазним терминалом за напајање, када је поларитет напајања исправан, диода је у проводном стању напред, дозвољавајући струји да прође; Када је напајање обрнуто, диода се прекида обрнуто, директно блокирајући струјни пут.

Типични случајеви примене:
БМС контролна плоча Тесла Модел 3 усваја Шотки диоду (СМА пакет, повратни отпорни напон 40В) као главни уређај против обрнутог повезивања. Ова шема користи низак пад напона који је карактеристичан за Шоткијеве диоде на око 0,3В, што резултира губитком од само 30В при струји од 100А, што је 40% енергетски{7}}ефикасније од обичних диодних шема.

2. Колаборативна заштита потискивања прелазног напона (ТВС)
Једноставна шема диода има два недостатка:

Реверзни отпорни напон је ограничен (обичне диоде<200V)
Не може да се носи са пролазним импулсима високог{0}}напона
Стога, индустрија генерално усваја композитну заштитну архитектуру „ТВС+диода“:

ТВС диода: паралелно повезана са прикључком за улаз напајања, са временом одзива од<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Анти-реверзна диода: серија повезана на задњи крај ТВС-а, одговорна за континуирано реверзно искључивање.
Пример БМС дизајна за одређени систем складиштења енергије:
У систему од 48В, ТВС од 6600В (напон стезаљке 35,5В) упакован у ДО-218АБ је комбинован са диодом отпорном на напон од 400В. Ова шема је прошла ИСО7637 Пулсе 5а тест (генерисање пролазног високог напона од 35В када је систем од 12В неоптерећен), док испуњава захтев континуираног обрнутог напона од -100В.

3, Кључни технички параметри за избор уређаја
1. Отпор повратног напона (ВРРМ)
Мора испунити:

ВРРМ Већи или једнак 1,2×Всистем_мак
На пример, у систему батерија од 60В треба изабрати диоде са ВРРМ већим или једнаким 72В. Апликације за аутомобиле такође треба да узму у обзир захтев за -14В континуираног обрнутог напона у стандарду ИСО16750.

2. Пад напона напредне проводљивости (ВФ)
У сценаријима високе струје, ВФ директно утиче на ефикасност система:

Обична силиконска диода: 0,7-1,1В (губитак достиже 70-110В на 100А)
Шотки диода: 0,2-0,5В (губитак смањен за 60%)
МОС шема синхроне исправљања:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Подаци о индустрији:
При струји пражњења од 200А, коришћење Шоткијевих диода може смањити губитак топлоте од 100В у поређењу са обичним диодама, што резултира смањењем од 30% трошкова дизајна БМС одвођења топлоте.
4, Индустријски трендови и технолошка еволуција
1. Спор око решења замене МОС цеви
Иако ПМОС шема против обрнутог повезивања има предност нултог пада напона (отпор на укључењу РДС (укључен) може бити само 0,5 м Ω), она има три главна недостатка:

Повратни отпорни напон је ограничен (обично ПМОС за аутомобиле<100V)
Виша цена (3-5 пута већа од диода исте спецификације)
Постоји кашњење пада напона у тренутку искључења
Стварни подаци мерења:
БМС тест је показао да када се напајање изненада искључи, ПМОС шема узрокује пад напона на позадинском кондензатору брзином од 10В/мс, што може изазвати погрешан рад заштите ниског напона; Шема диоде може одмах прекинути коло.

2. Фузија примена нових уређаја
Индустрија истражује следећа иновативна решења:

СиЦ Шоткијева диода: отпорност на напон повећана на 650В, ВФ смањена на 0,8В, погодна за сценарије брзог пуњења високог напона;
Интелигентни диодни модул: интегрише повратну заштиту, детекцију превисоке температуре и функције извештавања о статусу, поједностављујући БМС дизајн;
Технологија МЕМС прекидача: коришћење микроелектромеханичких система за постизање обрнутог блокирања без губитака, али је тренутно цена превисока.
3. Промотивна улога стандарда и прописа
Функционална безбедност ИСО 26262: Захтева да кола за заштиту од преокретања имају АСИЛ-Б ниво редундантног дизајна;
ГБ/Т 38031-2021: Изричито се захтева да БМС прекине коло у року од 1 секунде када је повезан обрнуто;
УЛ 2580: Предвиђено је да пакети батерија морају имати могућност блокирања двосмерне струје.
5, Анализа сценарија типичне апликације
1. БМС за возила нове енергије
БИД бледе батерија БМС усваја три-заштиту од „ТВС+Шотки диода+самоопорављајући осигурач“:

Ниво 1: 1500В ТВС стезаљка пролазни високи напон
Друга фаза: 40В Шотки диода обрнутог прекида
Ниво 3: ППТЦ имплементира заштиту од прекомерне струје самоопоравка
Ова шема је прошла све пулсне тестове у складу са ИСО7637, са повратним временом одзива заштите мањим од 50нс.

2. Систем за складиштење енергије БМС
ЦАТЛ-ов 48В БМС за складиштење енергије иновативно усваја хибридно решење „позади-на-мос+диода“:

Пут пуњења: ПМОС постиже нулти пад напона
Пут пражњења: Диода обезбеђује обрнуту изолацију
Оптимизација трошкова: МОС пражњења је замењен диодама, смањујући системске трошкове за 18%
6, Технолошки изазови и правци развоја
Садашња индустрија се суочава са две суштинске контрадикције:

Балансирање ефикасности и сигурности: уређаји са ниским ВФ (као што су ГаН диоде) имају високе трошкове;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000В, док је максимални напон стезања постојећих ТВС-а само 660В.
Будући технолошки развој ће се фокусирати на:

Примена широког опсега материјала (СиЦ/ГаН);
Технологија дигиталне заштите (као што је предвиђање грешака засновано на вештачкој интелигенцији);
Стандардизовани дизајн модула (као што су заштитна ИП језгра која су у складу са АУТОСАР спецификацијама).