Vai diodes kļūme ietekmēs akumulatora darbības laiku?

一, Diožu pamatfunkcija un bojājumu risks akumulatoru sistēmās
Diodes galvenā funkcija
Diodes akumulatoru sistēmās galvenokārt veic trīs funkcijas:

Aizsardzība pret reverso uzlādi: neļauj akumulatoram izlādēties pretēji ārējām ķēdēm bez uzlādes, izvairoties no jaudas samazināšanās, ko izraisa akumulatora pārmērīga izlāde. Piemēram, fotogalvaniskās enerģijas uzglabāšanas sistēmās pretreversās uzlādes diodes var bloķēt nakts akumulatora reversās izlādes ceļu caur fotoelementu paneļiem.
Līdzsvara ķēdes vadība: Akumulatora bloka līdzsvara ķēdē tiek izmantotas diodes, lai izolētu bojātas šūnas un novērstu pārmērīgu uzlādi vai pārmērīgu izlādi no tā, lai tā neietekmētu pakotnes kopējo veiktspēju. Piemēram, Tesla Model S akumulators izmanto apvada diodes, lai panāktu šūnu līmeņa līdzsvarošanu.
Sprieguma skavu aizsardzība: BMS diodes sadarbojas ar sprieguma regulatoriem, lai ierobežotu akumulatora sprieguma svārstību diapazonu un novērstu akumulatora elementu bojājumus, ko izraisa pārspriegums vai nepietiekams spriegums.
Tipiski diožu bojājumu režīmi
Ir trīs galvenie diožu bojājumu veidi:

Vienvirziena vadītspējas traucējumi: nespēja vadīt virzienā uz priekšu vai pretējā virzienā noplūde, kā rezultātā tiek zaudēta ķēdes funkcija. Piemēram, ja pretreversās uzlādes diode ir atvērta ķēdē uz priekšu, akumulatoru nevar uzlādēt; Ja notiek reverss sadalījums, akumulators turpina izlādēties.
Parametru novirze: tiešā sprieguma krituma (VF) palielināšanās vai pārmērīga apgrieztā noplūdes strāva (IR) var izraisīt sistēmas efektivitātes samazināšanos. Piemēram, kad Šotkija diode VF palielinās no 0,3 V līdz 0,6 V, balansēšanas ķēdes enerģijas patēriņš dubultojas.
Termiskā izplūde: pārspriegums vai pārspriegums var izraisīt diodes savienojuma temperatūru, kas pārsniedz 150 grādus, izraisot iepakojuma materiāla karbonizāciju vai pat kušanu. Piemēram, noteikta enerģijas uzglabāšanas sistēma piedzīvoja blakus esošo elementu termisku aizbēgšanu apvedceļa diodes pārkaršanas dēļ.
2, Diodes atteices ietekmes ceļš uz akumulatora cikla kalpošanas laiku
Pārmērīgas uzlādes/pārmērīgas izlādes bojājumi
Ja pretreversās uzlādes diode nedarbojas, akumulators var būt pārlādēts/pārāk izlādējies ārējās ķēdes apgrieztā sprieguma vai BMS vadības kļūdu dēļ. Piemēram:

Pārlādēšanas bojājumi: kad litija{0}}jonu akumulatori tiek pārlādēti, pozitīvā elektroda materiāla struktūra sabrūk, un elektrolīts sadalās, veidojot gāzi, izraisot akumulatora uzpūšanos un kapacitātes samazināšanos. Eksperimenti ir parādījuši, ka, pārlādējot līdz 4,5 V, trīskāršo litija akumulatoru jaudas samazināšanās ātrums ir trīs reizes ātrāks nekā parastajā uzlādē.
Pārmērīgas izlādes bojājumi: Kad akumulators ir izlādējies zem 2,5 V, negatīvais vara strāvas kolektors izšķīst un nogulsnējas uz pozitīvā elektroda, veidojot vara dendritus un izraisot iekšējus īssavienojumus. Elektriskā transportlīdzekļa gadījuma izpēte parādīja, ka akumulatora bloka cikla ilgums, kas izlādēts līdz 2,0 V, samazinājās no 1000 reizēm līdz 300 reizēm.
Jaudas vājināšanās, ko izraisa līdzsvara kļūme
Akumulatora komplektā diodes kļūme var izraisīt līdzsvara ķēdes atteici, izraisot "stobra efektu":

Viena elementa pārlādēšana/pārlādēšana: ja šūna nevar piedalīties balansēšanā atvērtas diodes dēļ, tās spriegums var atšķirties no visas grupas vidējās vērtības. Piemēram, enerģijas uzkrāšanas sistēmā balansēšanas diodes atteices dēļ viena šūna tika pārlādēta līdz 4,3 V, un visa grupas jauda pēc 200 cikliem samazinājās par 20%.
Visas grupas jaudas nelīdzsvarotība: ilgstoša līdzsvara kļūme var izraisīt šūnu kapacitātes mainīguma palielināšanos. Pētījumi liecina, ka, ja akumulatora elementu kapacitātes standarta novirze palielinās no 0,5% līdz 2%, kopējais grupas cikla ilgums tiek saīsināts par 40%.
Novecošanās paātrinājums, ko izraisa siltuma pārvaldības kļūme
Diodes kļūme var izraisīt lokālu pārkaršanu un paātrināt akumulatora novecošanos:

Termiskā ķēdes reakcija: kad apvedceļa diode pārkarst, siltums tiek pārnests uz blakus esošajām šūnām, izraisot blakusparādības, piemēram, SEI plēves sadalīšanos un elektrolītu sadalīšanos. Piemēram, noteiktā fotoelementu enerģijas uzkrāšanas sistēmā diodes pārkaršanas dēļ blakus esošo elementu temperatūra paaugstinājās līdz 80 grādiem, un kapacitātes samazināšanās ātrums bija 5 reizes lielāks nekā parastajām šūnām.
Termiskā stresa bojājumi: atkārtoti termiski triecieni var izraisīt šūnu cilpiņu lūzumu un diafragmas kontrakciju. Eksperimenti ir parādījuši, ka pēc 10 termiskiem cikliem no 60 grādiem līdz 25 grādiem akumulatora elementa jaudas samazināšanās ātrums palielinās par 15%.
3. Nozares gadījumu izpēte un datu atbalsts
1. Elektriskā transportlīdzekļa lauks: Tesla Model S akumulatora bloka kļūme
2018. gadā Tesla atsauca dažus Model S modeļus BMS pretreversās uzlādes diodes slēpto defektu dēļ. Nepareiza darbība, kas izraisa:

Pārmērīgas izlādes parādība: 12% transportlīdzekļu piedzīvo akumulatora pārlādēšanos zem 2,0 V, izraisot visas jaudas samazināšanos līdz 60% no sākotnējās vērtības.
Termiskās noplūdes risks: 3% transportlīdzekļu piedzīvo akumulatora elementu termisku noplūdi diodes pārkaršanas dēļ, tāpēc ir jānomaina viss akumulators.
Tesla ir samazinājusi atteices līmeni līdz zem 0,2%, uzlabojot diožu izvēli (1N4007 aizstājot ar Schottky diodēm ar 1000 V izturīgu spriegumu un 50 A izturīgu strāvu) un optimizējot siltuma izkliedes konstrukciju.
2. Enerģijas uzglabāšanas sistēmas lauks: fotogalvaniskās spēkstacijas akumulatora bloka priekšlaicīga novecošana
2023. gadā 5 MW fotoelektriskās elektrostacijas litija-jonu akumulators Austrumķīnā piedzīvoja jaudas samazināšanos par 80% pēc 2 gadu darbības, kas ir daudz mazāk nekā projektētais 10 gadu kalpošanas laiks. Veicot izmeklēšanu, tika konstatēts, ka:

Līdzsvarota diodes noplūde: dažām diodēm ir reversās noplūdes strāva līdz 100 μA (standarta vērtība<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Termiskās pārvaldības kļūme: Diodes pārkaršana izraisa blakus esošo šūnu temperatūras paaugstināšanos līdz 55 grādiem, paātrinot SEI plēves sabiezēšanu.
Nomainot zemas noplūdes diodi (BAS70 sērija) un optimizējot gaisa vadu konstrukciju, sistēmas jaudas samazināšanās ātrums ir samazināts līdz 5% gadā.
3. Sadzīves elektronikas joma: neparasts RTC akumulatora darbības laiks
Noteikts rūpnieciskais kontrolieris RTC darbināšanai izmanto CR2025 baterijas, kuru paredzētais kalpošanas laiks ir 5 gadi, taču tas prasa nomaiņu pēc 6 mēnešiem faktiskās lietošanas. Atklāts:

Diodes reversā noplūde: pretreversās uzlādes diodes reversās noplūdes strāva sasniedz 5 μA (standarta vērtība<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
RTC mikroshēmas loģikas kļūda: iekšzemē ražotā RTC mikroshēma kļūdaini nonāca darba režīmā gaidstāves barošanas režīmā ar enerģijas patēriņu 100 μA.
Nomainot zemas noplūdes diodi (1N4148) un optimizējot RTC mikroshēmas izvēli, akumulatora darbības laiks tika atjaunots līdz projektētajai vērtībai.
4, Optimizācijas shēmas inženiertehniskajā praksē
1. Atlases optimizācija
Sprieguma un strāvas pretestības parametri: Diodes nominālajam spriegumam ir jābūt lielākam par vai vienādam ar 1,5 reizēm par maksimālo sistēmas spriegumu, un nominālajai strāvai jābūt lielākai par vai vienādai ar 2 reizēm par maksimālo darba strāvu. Piemēram, 48 V akumulatoru sistēmā jāizmanto diodes ar sprieguma pretestību 100 V un strāvas pretestību 20 A.
Zemas noplūdes raksturlielumi: vēlams izvēlēties Schottky diodes ar reverso noplūdes strāvu<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Termiskās pretestības kontrole: Izvēlieties iepakojuma formu ar termisko pretestību<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Siltuma izkliedes dizains
Piespiedu gaisa dzesēšana: uzstādiet ventilatorus vietās ar blīvām diodēm ar vēja ātrumu, kas ir lielāks vai vienāds ar 2 m/s, un kontrolējiet savienojuma temperatūru zem 85 grādiem.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K), lai samazinātu termisko pretestību.
Izkārtojuma optimizācija: attālumam starp diodi un akumulatora elementu jābūt lielākam par 10 mm, lai izvairītos no termiskā starojuma ietekmes.
3. Uzraudzība un aizsardzība
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 grādi.
Redundants dizains: dubultdiodes ir savienotas paralēli kritiskajā ceļā, lai uzlabotu uzticamību. Piemēram, Tesla Powerwall izmanto divu diožu pretreversās uzlādes shēmu.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.