Kuinka diodit estävät akkujen käänteisen purkamisen BMS:ssä?

一, Peruutuspurkauksen vaarat ja suojausvaatimukset
Akun käänteispurkauksella tarkoitetaan ilmiötä, jossa akun positiivinen ja negatiivinen napa ovat päinvastaisessa polariteetissa kuorman tai virtalähteen kanssa, jolloin virta kulkee vastakkaiseen suuntaan. Litiumparistosovelluksissa käänteinen purkaus voi aiheuttaa seuraavat vakavat seuraukset:

Akun rakenteen vaurioituminen: Liiallinen litiumionien kerrostuminen negatiiviselle elektrodille muodostaa litiumdendriittejä, jotka lävistävät erottimen ja aiheuttavat oikosulun;
Lämmön karkaamisen vaara: Käänteinen virta tuottaa Joule-lämpöä, nopeuttaa elektrolyytin hajoamista ja voi aiheuttaa tulipalon tai räjähdyksen;
Järjestelmätason toimintahäiriö: Käänteinen jännite voi vahingoittaa tarkkuuskomponentteja, kuten BMS:n pääohjaussirua ja AFE:tä (analoginen etu{0}}).
GB/T 38661-2020 -standardin vaatimusten mukaisesti BMS:n on säilytettävä toiminnallinen eheys -14 V:n käänteisjännitteellä ja kestettävä -220 V:n ohimenevä isku ISO7637-pulssitestissä. Tämä tiukka vaatimus pakottaa insinöörit ottamaan käyttöön luotettavia peruutussuojausjärjestelmiä.

2, Diodin vastakkaispurkauksen tekninen periaate
1. Yksisuuntaisen johtavuuden perusmekanismi
Diodin ydinominaisuus on päästää virtaamaan anodista (A) katodille (K) samalla kun se estää vastakkaiseen suuntaan. Kun diodi on kytketty sarjaan BMS:n tehontuloliittimen kanssa, diodi on eteenpäin johtavassa tilassa, jolloin virta kulkee sen läpi; Kun virransyöttö käännetään, diodi katkeaa päinvastoin, mikä estää suoraan virran kulkua.

Tyypilliset sovellustapaukset:
Tesla Model 3:n BMS-ohjauskortti käyttää Schottky-diodia (SMA-paketti, käänteinen kestojännite 40 V) käänteisen yhteyden päälaitteena. Tämä menetelmä hyödyntää Schottky-diodien pientä myötäsuuntaista jännitehäviöominaisuutta noin 0,3 V:lla, mikä johtaa vain 30 W:n häviöön 100 A virralla, mikä on 40 % energiatehokkaampaa kuin tavalliset diodimallit.

2. Transienttijännitteen vaimennuksen yhteissuojaus (TVS)
Yksinkertaisella diodijärjestelmällä on kaksi haittaa:

Käänteinen kestojännite rajoitettu (tavalliset diodit yleensä<200V)
Ei kestä ohimeneviä{0}}korkeajännitepulsseja
Siksi teollisuus käyttää yleensä "TVS+diodi" -yhdistelmäsuojausarkkitehtuuria:

TVS-diodi: kytketty rinnan virransyöttöliittimeen, vasteaika<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Vastasuuntainen diodi: sarja kytketty TVS:n takapäähän, joka vastaa jatkuvasta taaksepäin katkaisutoiminnosta.
Esimerkki BMS-suunnittelusta tietylle energian varastointijärjestelmälle:
48V järjestelmässä DO-218AB:hen pakattu 6600W TVS (puristinjännite 35.5V) on yhdistetty 400V jännitteenkestävään diodiin. Tämä järjestelmä on läpäissyt ISO7637 Pulse 5a -testin (tuottaa 35 V:n ohimenevän korkean jännitteen, kun 12 V:n järjestelmä on kuormittamaton), ja se täyttää jatkuvan -100 V:n käänteisjännitteen vaatimuksen.

3, Tärkeimmät tekniset parametrit laitteen valinnassa
1. Käänteinen jännitevastus (VRRM)
Täytyy täyttää:

VRRM Suurempi tai yhtä suuri kuin 1,2×Vsystem_max
Esimerkiksi 60 V akkujärjestelmässä tulee valita diodit, joiden VRRM on suurempi tai yhtä suuri kuin 72 V. Autoteollisuuden sovelluksissa on myös otettava huomioon -14 V jatkuvan käänteisen jännitteen vaatimus ISO16750 standardissa.

2. Eteenpäin johtava jännitehäviö (VF)
Suurin virran skenaarioissa VF vaikuttaa suoraan järjestelmän tehokkuuteen:

Tavallinen piidiodi: 0,7-1,1 V (häviö on 70-110 W 100 A:lla)
Schottky-diodi: 0,2-0,5 V (häviö pienentynyt 60 %)
Synkronisen tasasuuntauksen MOS-järjestelmä:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Toimialan tiedot:
200 A:n purkausvirralla Schottky-diodien käyttö voi vähentää lämpöhäviötä 100 W tavallisiin diodeihin verrattuna, mikä johtaa 30 %:n alenemiseen BMS:n lämmönpoiston suunnittelukustannuksissa.
4, Teollisuuden trendit ja teknologinen kehitys
1. Kiista MOS-putken vaihtoratkaisuista
Vaikka PMOS:n vastakkaiskytkentäjärjestelmän etuna on nolla jännitehäviö (päällä oleva RDS-vastus (päällä) voi olla jopa 0,5 m Ω), siinä on kolme suurta puutetta:

Peruutuskestävyysjännite on rajoitettu (tyypillisesti autoluokan PMOS).<100V)
Korkeammat kustannukset (3-5 kertaa korkeammat kuin saman spesifikaation diodit)
Katkaisuhetkellä on jännitehäviö
Todelliset mittaustiedot:
BMS-testi osoitti, että kun virtalähde katkeaa äkillisesti, PMOS-järjestelmä saa taustakondensaattorin jännitteen putoamaan nopeudella 10 V/ms, mikä voi laukaista matalajännitteisen suojausvirheen. Diodijärjestelmä voi välittömästi katkaista piirin.

2. Uusien laitteiden fuusiosovellus
Teollisuus tutkii seuraavia innovatiivisia ratkaisuja:

SiC Schottky -diodi: jännitteenkestävyys nostettu 650 V:iin, VF alennettu 0,8 V:iin, sopii korkean -jännitteen pikalatausskenaarioihin;
Älykäs diodimoduuli: integroi käänteissuojan, ylilämpötilan havaitsemisen ja tilanraportointitoiminnot, mikä yksinkertaistaa BMS-suunnittelua;
MEMS-kytkintekniikka: käyttämällä mikroelektromekaanisia järjestelmiä häviöttömän käänteisen eston saavuttamiseksi, mutta tällä hetkellä kustannukset ovat liian korkeat.
3. Standardien ja määräysten edistäminen
ISO 26262 Toiminnallinen turvallisuus: Edellyttää, että käänteisvastapiireillä on ASIL-B-tason redundanssirakenne;
GB/T 38031-2021: On nimenomaisesti vaadittu, että BMS katkaisee piirin 1 sekunnin kuluessa, kun se on kytketty päinvastaiseen suuntaan;
UL 2580: On määrätty, että akuissa on oltava kaksisuuntainen virran estokyky.
5, Tyypillinen sovellusskenaarion analyysi
1. Uusien energiaajoneuvojen BMS
BYD blade -akun BMS:ssä on kolme{0}}tasoista suojausta "TVS+Schottky-diodi+itsepalautussulake":

Taso 1: 1500 W TVS puristaa ohimenevän korkean jännitteen
Toinen vaihe: 40V Schottky-diodi käänteinen katkaisu
Taso 3: PPTC toteuttaa ylivirtasuojauksen itsestään
Tämä järjestelmä on läpäissyt kaikki ISO7637:n mukaiset pulssitestit, ja käänteissuojauksen vasteaika on alle 50 n.

2. Energian varastointijärjestelmä BMS
CATL:n 48 V energian varastointijärjestelmä käyttää innovatiivisesti "back{1}}to-back MOS+diode" -hybridiratkaisua:

Latauspolku: PMOS saavuttaa nollajännitehäviön johtumisen
Purkauspolku: Diodi tarjoaa käänteisen eristyksen
Kustannusoptimointi: Purkaus MOS korvataan diodeilla, mikä vähentää järjestelmäkustannuksia 18 %
6, Teknologiset haasteet ja kehityssuunnat
Nykyisellä toimialalla on kaksi keskeistä ristiriitaa:

Tasapainotettu tehokkuus ja turvallisuus: Matala-VF-laitteilla (kuten GaN-diodit) on korkeat kustannukset;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, kun taas olemassa olevan TVS:n suurin puristusjännite on vain 660V.
Tulevaisuuden teknologinen kehitys keskittyy:

Laaja kaistanvälisten materiaalien laajamittainen käyttö (SiC/GaN);
Digitaalinen suojaustekniikka (kuten tekoälypohjainen vian ennustaminen);
Standardoitu moduulirakenne (kuten suojaavat IP-ytimet, jotka ovat AUTOSAR-määrittelyjen mukaisia).