Kā diodes novērš akumulatoru reverso izlādi BMS?

一, Reversās izlādes apdraudējumi un aizsardzības prasības
Akumulatora apgrieztā izlāde attiecas uz parādību, kad akumulatora pozitīvais un negatīvais pols ir apgriezti polaritātē ar slodzi vai strāvas avotu, izraisot strāvas plūsmu pretējā virzienā. Litija akumulatoru lietojumos reversā izlāde var izraisīt šādas nopietnas sekas:

Akumulatora struktūras bojājumi: pārmērīga litija jonu nogulsnēšanās uz negatīvā elektroda veido litija dendrītus, caurdurot separatoru un izraisot īssavienojumu;
Termiskās bēgšanas risks: apgrieztā strāva rada džoula siltumu, paātrina elektrolītu sadalīšanos un var izraisīt aizdegšanos vai eksploziju;
Sistēmas līmeņa darbības traucējumi: apgrieztais spriegums var sabojāt precīzas sastāvdaļas, piemēram, BMS galveno vadības mikroshēmu un AFE (analogā priekšpuse).
Saskaņā ar GB/T 38661-2020 standarta prasībām BMS ir jāsaglabā funkcionālā integritāte zem -14 V reversā sprieguma un jāiztur -220 V pārejoša trieciena ISO7637 impulsa testā. Šī stingrā prasība liek inženieriem pieņemt uzticamas reversās aizsardzības shēmas.

2, Diodes pretreversās izlādes tehniskais princips
1. Pamata vienvirziena vadītspējas mehānisms
Diodes galvenā īpašība ir ļaut strāvai plūst no anoda (A) uz katodu (K), vienlaikus bloķējot pretējā virzienā. Pēc diodes virknes savienošanas ar BMS jaudas ievades spaili, kad jaudas polaritāte ir pareiza, diode atrodas uz priekšu vadošā stāvoklī, ļaujot strāvai iet cauri; Kad strāvas padeve ir apgriezta, diode atslēdzas pretējā virzienā, tieši bloķējot strāvas ceļu.

Tipiski pielietošanas gadījumi:
Tesla Model 3 BMS vadības panelis izmanto Šotkija diode (SMA pakotne, reversās izturības spriegums 40 V) kā pretreversā savienojuma galveno ierīci. Šajā shēmā tiek izmantots Šotkija diožu zemā tiešā sprieguma krituma raksturlielums pie aptuveni 0,3 V, tādējādi radot tikai 30 W zudumus pie 100 A strāvas, kas ir par 40 % energoefektīvāks nekā parastajām diožu shēmām.

2. Pārejas sprieguma slāpēšanas (TVS) kopīga aizsardzība
Vienkāršajai diožu shēmai ir divi trūkumi:

Reversās izturības spriegums ir ierobežots (parastas diodes<200V)
Nevar tikt galā ar pārejošiem augstsprieguma{0}}impulsiem
Tāpēc nozare parasti izmanto "TVS+diode" salikto aizsardzības arhitektūru:

TVS diode: paralēli savienota ar strāvas ievades termināli, ar reakcijas laiku<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Pretreversā diode: sērija, kas savienota ar TVS aizmuguri un ir atbildīga par nepārtrauktu reversās izslēgšanas funkciju.
BMS projekta piemērs noteiktai enerģijas uzkrāšanas sistēmai:
48V sistēmā DO-218AB iepakots 6600W TVS (skavas spriegums 35,5V) ir apvienots ar 400V sprieguma izturīgu diodi. Šī shēma ir izturējusi ISO7637 Impulsa 5a testu (ģenerējot pārejošu 35 V augstu spriegumu, kad 12 V sistēma ir izlādēta), vienlaikus izpildot prasību par nepārtrauktu pretējo spriegumu -100 V.

3, Galvenie tehniskie parametri ierīces izvēlei
1. Reversā sprieguma pretestība (VRRM)
Jāatbilst:

VRRM Lielāks vai vienāds ar 1,2 × Vsystem_max
Piemēram, 60 V akumulatoru sistēmā ir jāizvēlas diodes ar VRRM lielāku vai vienādu ar 72 V. Automobiļu klases lietojumos ir jāņem vērā arī prasība par -14 V nepārtrauktu pretējo spriegumu ISO16750 standartā.

2. Uz priekšu vadītspējas sprieguma kritums (VF)
Augstas strāvas scenārijos VF tieši ietekmē sistēmas efektivitāti:

Parastā silīcija diode: 0,7-1,1 V (zaudējumi sasniedz 70-110 W pie 100 A)
Šotkija diode: 0,2-0,5 V (zaudējumi samazināti par 60%)
Sinhronās iztaisnošanas MOS shēma:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Nozares dati:
Pie 200A izlādes strāvas, izmantojot Schottky diodes, salīdzinājumā ar parastajām diodēm var samazināt siltuma zudumus par 100 W, kā rezultātā BMS siltuma izkliedes projektēšanas izmaksas tiek samazinātas par 30%.
4, nozares tendences un tehnoloģiju attīstība
1. Strīds par MOS cauruļu nomaiņas risinājumiem
Lai gan PMOS pretreversās savienojuma shēmas priekšrocība ir nulles sprieguma kritums (ieslēgtā pretestība RDS var būt pat 0,5 m Ω), tai ir trīs galvenie trūkumi:

Ierobežots reversās izturības spriegums (parasti automobiļu klases PMOS).<100V)
Augstākas izmaksas (3-5 reizes augstākas nekā tādas pašas specifikācijas diodes)
Atvienošanas brīdī ir sprieguma krituma aizkave
Faktiskie mērījumu dati:
BMS tests parādīja, ka, pēkšņi atvienojot strāvas padevi, PMOS shēma izraisa aizmugures kondensatora sprieguma pazemināšanos ar ātrumu 10 V/ms, kas var izraisīt zemsprieguma aizsardzības nepareizu darbību; Diodes shēma var nekavējoties pārtraukt ķēdi.

2. Jaunu ierīču saplūšanas pielietojums
Nozare pēta šādus novatoriskus risinājumus:

SiC Schottky diode: sprieguma izturība palielināta līdz 650 V, VF samazināta līdz 0,8 V, piemērota augsta sprieguma ātrās uzlādes scenārijiem;
Inteliģentais diodes modulis: integrē reversās aizsardzības, pārmērīgas temperatūras noteikšanas un statusa ziņošanas funkcijas, vienkāršojot BMS dizainu;
MEMS slēdža tehnoloģija: mikroelektromehānisko sistēmu izmantošana, lai panāktu bezzudumu reverso bloķēšanu, taču pašlaik izmaksas ir pārāk augstas.
3. Standartu un noteikumu veicinošā loma
ISO 26262 Funkcionālā drošība: pieprasa, lai antireversajām shēmām būtu ASIL-B līmeņa redundances konstrukcija;
GB/T 38031-2021: ir skaidri noteikts, ka BMS pārtrauc ķēdi 1 sekundes laikā, ja tas ir savienots pretējā virzienā;
UL 2580: ir noteikts, ka akumulatoriem jābūt ar divvirzienu strāvas bloķēšanas spēju.
5, tipiska pielietojuma scenāriju analīze
1. BMS jauniem enerģijas transportlīdzekļiem
BYD lāpstiņas akumulatora BMS izmanto trīs{0}}līmeņu aizsardzību "TVS+Šotkija diode+pašatkopšanas drošinātājs":

1. līmenis: 1500 W TVS skavas pārejošs augstspriegums
Otrais posms: 40 V Šotkija diodes reversā izslēgšana
3. līmenis: PPTC ievieš pārmērīgas strāvas pašatgūšanas aizsardzību
Šī shēma ir izturējusi visus impulsu testus saskaņā ar ISO7637, un reversās aizsardzības reakcijas laiks ir mazāks par 50 n.

2. Enerģijas uzkrāšanas sistēma BMS
CATL 48 V enerģijas uzglabāšanas BMS inovatīvi izmanto "back{1}}to-back MOS+diode" hibrīda risinājumu:

Uzlādes ceļš: PMOS sasniedz nulles sprieguma krituma vadītspēju
Izlādes ceļš: Diode nodrošina apgrieztu izolāciju
Izmaksu optimizācija: Izlādes MOS tiek aizstātas ar diodēm, samazinot sistēmas izmaksas par 18%
6, Tehnoloģiskie izaicinājumi un attīstības virzieni
Pašreizējā nozare saskaras ar divām galvenajām pretrunām:

Līdzsvarošanas efektivitāte un drošība: zemas VF ierīcēm (piemēram, GaN diodēm) ir augstas izmaksas;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, savukārt esošajiem TVS maksimālais iespīlēšanas spriegums ir tikai 660V.
Nākotnes tehnoloģiju attīstība koncentrēsies uz:

Plaša mēroga platas joslas materiālu (SiC/GaN) pielietojums;
Digitālās aizsardzības tehnoloģija (piemēram, AI balstīta kļūdu prognozēšana);
Standartizēts moduļu dizains (piemēram, aizsargājoši IP serdeņi, kas atbilst AUTOSAR specifikācijām).