Да ли ће квар диоде утицати на век трајања батерије?

一, Основна функција и ризик од грешке диода у системима батерија
Основна функција диоде
Диоде углавном обављају три функције у системима батерија:

Заштита од обрнутог пуњења: спречава да се батерија испразни у супротном смеру у односу на спољна кола у стању без пуњења, избегавајући деградацију капацитета узроковану прекомерним пражњењем батерије. На пример, у фотонапонским системима за складиштење енергије, диоде против обрнутог пуњења могу блокирати пут ноћног обрнутог пражњења батерије кроз фотонапонске панеле.
Контрола балансног кола: У колу балансирања батеријског пакета, диоде се користе за изоловање неисправних ћелија и спречавање прекомерног пуњења или прекомерног пражњења да утичу на укупне перформансе пакета. На пример, батерија Тесла Модел С користи бајпас диоде за постизање балансирања нивоа ћелије.
Заштита напонске стезаљке: У БМС, диоде сарађују са регулаторима напона да би ограничиле опсег флуктуација напона батерије и спречиле оштећење ћелија батерије узроковано пренапоном или поднапоном.
Типични режими кварова диода
Постоје три главна типа кварова диода:

Једносмерни квар проводљивости: немогућност спровођења у правцу напред или обрнуто цурење, што доводи до губитка функције кола. На пример, када је диода за заштиту од обрнутог пуњења отворена у правцу напред, батерија се не може напунити; Када дође до обрнутог квара, батерија наставља да се празни.
Померање параметара: Повећање пада напона унапред (ВФ) или прекомерна реверзна струја цурења (ИР) може довести до смањења ефикасности система. На пример, када се Шоткијева диода ВФ повећа са 0,3В на 0,6В, потрошња енергије кола за балансирање се удвостручује.
Термички бег: Прекомерна струја или пренапон могу проузроковати да температура споја диоде пређе 150 степени, што доводи до карбонизације или чак топљења материјала за паковање. На пример, одређени систем за складиштење енергије доживео је термички бег суседних ћелија услед прегревања премосне диоде.
2, Путања утицаја квара диоде на животни век батерије
Оштећење од прекомерног/претераног пражњења
Када диода против обрнутог пуњења поквари, батерија може бити пренапуњена/препразњена због обрнутог напона спољашњег кола или грешака у контроли БМС-а. на пример:

Оштећење од прекомерног пуњења: Када се литијум{0}}јонске батерије пренапуне, структура материјала позитивне електроде се урушава, а електролит се разлаже да би произвео гас, што доводи до бубрења батерије и деградације капацитета. Експерименти су показали да када су препуњене на 4,5 В, стопа опадања капацитета тернарних литијумских батерија је три пута бржа од нормалног пуњења.
Оштећење од прекомерног пражњења: Када се батерија испразни испод 2,5 В, негативни колектор струје бакра се раствара и таложи на позитивној електроди, формирајући бакарне дендрите и изазивајући унутрашње кратке спојеве. Студија случаја електричног возила показала је да се животни век батерије испражњене на 2,0 В смањио са 1000 пута на 300 пута.
Слабљење капацитета узроковано кваром равнотеже
У батеријском пакету, квар диоде може узроковати квар кола за равнотежу, што доводи до "ефекта бурета":

Препуњење/препуњење једне ћелије: Ако ћелија не може да учествује у балансирању због отворене диоде, њен напон може одступити од просечне вредности целе групе. На пример, у систему за складиштење енергије, због квара балансне диоде, једна ћелија је препуњена на 4,3В, а цео капацитет групе је смањен за 20% након 200 циклуса.
Неравнотежа капацитета целе групе: Дугорочни неуспех равнотеже може довести до повећања варијабилности капацитета ћелија. Истраживања показују да када се стандардна девијација капацитета батеријске ћелије повећа са 0,5% на 2%, укупан животни век групе се скраћује за 40%.
Убрзање старења узроковано неуспехом управљања топлотом
Отказивање диоде може изазвати локално прегревање и убрзати старење батерије:

Термичка ланчана реакција: Када се бајпас диода прегреје, топлота се преноси на суседне ћелије, изазивајући споредне реакције као што је разградња СЕИ филма и разградња електролита. На пример, у одређеном фотонапонском систему за складиштење енергије, услед прегревања диоде, температура суседних ћелија је порасла на 80 степени, а брзина опадања капацитета била је 5 пута бржа од нормалних ћелија.
Оштећење услед термичког стреса: Поновљени топлотни удари могу изазвати ломљење језичка ћелије и контракцију дијафрагме. Експерименти су показали да се после 10 термичких циклуса од 60 степени до 25 степени, стопа опадања капацитета батерије повећава за 15%.
3, Студије случаја у индустрији и подршка подацима
1. Поље електричног возила: квар батерије Тесла Модел С
Тесла је 2018. опозвао неке моделе модела С због скривених дефеката на диоди против обрнутог пуњења у БМС-у. Неисправност која узрокује:

Феномен прекомерног пражњења: 12% возила доживљава прекомерно пражњење батерије на испод 2,0В, што доводи до распада целокупног капацитета на 60% његове почетне вредности.
Ризик од топлотног бијега: 3% возила доживљава термички бијег ћелија батерије због прегријавања диоде, што захтијева замјену цијелог пакета батерија.
Тесла је смањио стопу квара на испод 0,2% надоградњом избора диода (заменивши 1Н4007 Шоткијевим диодама са отпорним напоном од 1000В и отпорном струјом од 50А) и оптимизацијом дизајна одвођења топлоте.
2. Поље система за складиштење енергије: превремено старење батерије фотонапонске електране
Године 2023. литијум{1}}јонски акумулатор фотонапонске електране од 5 МВ у источној Кини доживео је пад капацитета од 80% после 2 године рада, што је далеко испод пројектованог животног века од 10 година. Истрагом је утврђено да:

Балансирано цурење диоде: Неке диоде имају обрнуту струју цурења до 100 μ А (стандардна вредност<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Грешка у управљању топлотом: Прегревање диоде узрокује пораст температуре суседних ћелија на 55 степени, убрзавајући згушњавање СЕИ филма.
Заменом диоде малог цурења (БАС70 серија) и оптимизацијом дизајна ваздушних канала, стопа опадања капацитета система је смањена на унутар 5% годишње.
3. Поље потрошачке електронике: Ненормалан РТЦ век трајања батерије
Одређени индустријски контролер користи ЦР2025 батерије за напајање РТЦ-а, са пројектованим животним веком од 5 година, али захтева замену након 6 месеци стварне употребе. Откривање пронађено:

Реверзно цурење диоде: Реверзна струја цурења диоде против обрнутог пуњења достиже 5 μ А (стандардна вредност<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Логичка грешка РТЦ чипа: Домаћи РТЦ чип је грешком ушао у радни режим у режиму приправности, са потрошњом енергије од 100 μ А.
Заменом диоде малог цурења (1Н4148) и оптимизацијом избора РТЦ чипа, век трајања батерије је враћен на пројектовану вредност.
4, Шеме оптимизације у инжењерској пракси
1. Оптимизација селекције
Параметри напонског и струјног отпора: Називни напон диоде треба да буде већи или једнак 1,5 пута максималног напона система, а називна струја треба да буде већа или једнака 2 пута максималне радне струје. На пример, систем батерија од 48В треба да користи диоде са напонским отпором од 100В и струјним отпором од 20А.
Карактеристике ниске цурења: Пожељно је изабрати Шоткијеве диоде са обрнутом струјом цурења<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Контрола термичке отпорности: Одаберите облик паковања са топлотном отпорношћу од<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Дизајн дисипације топлоте
Принудно ваздушно хлађење: Инсталирајте вентилаторе у областима са густим диодама, са брзином ветра већом или једнаком 2м/с, и контролишите температуру споја испод 85 степени.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2В/м · К) за смањење топлотног отпора.
Оптимизација распореда: Размак између диоде и ћелије батерије треба да буде већи од 10 мм да би се избегао утицај топлотног зрачења.
3. Мониторинг и заштита
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 степени.
Редундантни дизајн: Двоструке диоде су повезане паралелно на критичном путу да би се побољшала поузданост. На пример, Тесла Повервалл усваја шему против обрнутог пуњења са двоструком диодом.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.