Kaip diodai apsaugo nuo atvirkštinio BMS akumuliatorių iškrovimo?

一, Atbulinės eigos iškrovimo pavojai ir apsaugos reikalavimai
Atvirkštinis akumuliatoriaus iškrovimas reiškia reiškinį, kai teigiami ir neigiami akumuliatoriaus poliai yra priešingi apkrovai ar maitinimo šaltiniui, todėl srovė teka priešinga kryptimi. Naudojant ličio baterijas, atvirkštinis iškrovimas gali sukelti šias rimtas pasekmes:

Akumuliatoriaus konstrukcijos pažeidimas: per didelis ličio jonų nusėdimas ant neigiamo elektrodo suformuoja ličio dendritus, pradurdami separatorių ir sukeldami trumpąjį jungimą;
Šiluminio bėgimo pavojus: atvirkštinė srovė generuoja Džaulio šilumą, pagreitina elektrolito skilimą ir gali sukelti gaisrą arba sprogimą;
Sistemos lygio gedimas: atvirkštinė įtampa gali sugadinti tikslius komponentus, tokius kaip BMS pagrindinis valdymo lustas ir AFE (analoginis priekis{0}}).
Pagal GB/T 38661-2020 standarto reikalavimus BMS turi išlaikyti funkcinį vientisumą esant -14V atvirkštinei įtampai ir atlaikyti -220V trumpalaikį poveikį atliekant ISO7637 impulsų testą. Šis griežtas reikalavimas verčia inžinierius taikyti patikimas atvirkštinės apsaugos schemas.

2, techninis diodo priešpriešinio iškrovimo principas
1. Pagrindinis vienakrypčio laidumo mechanizmas
Diodo pagrindinė charakteristika yra leisti srovei tekėti iš anodo (A) į katodą (K), blokuojant priešinga kryptimi. Sujungus diodą nuosekliai su BMS galios įvesties gnybtu, kai maitinimo poliškumas yra teisingas, diodas yra į priekį laidžioje būsenoje, leidžiantis srovei praeiti; Kai maitinimas yra atvirkštinis, diodas išsijungia atvirkščiai, tiesiogiai blokuodamas srovės kelią.

Tipiški taikymo atvejai:
Tesla Model 3 BMS valdymo plokštė naudoja Schottky diodą (SMA paketas, atbulinės eigos įtampa 40 V) kaip pagrindinį priešpriešinio jungimo įrenginį. Šioje schemoje naudojamas žemas priekinės įtampos kritimas, būdingas Schottky diodams, esant maždaug 0,3 V, todėl esant 100 A srovei prarandama tik 30 W, o tai yra 40 % efektyviau nei naudojant įprastas diodų schemas.

2. Bendra pereinamosios įtampos slopinimo (TVS) apsauga
Paprasta diodų schema turi du trūkumus:

Atbulinės eigos atsparumo įtampa ribota (paprasti diodai<200V)
Nepavyko susidoroti su trumpalaikiais aukštos{0}}įtampos impulsais
Todėl pramonė paprastai taiko sudėtinę „TVS+diodo“ apsaugos architektūrą:

TVS diodas: lygiagrečiai prijungtas prie maitinimo įvesties gnybto, kurio atsako laikas<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Anti-reverse diodas: serija, prijungta prie TVS galinės dalies, atsakinga už nuolatinio atbulinio išjungimo funkciją.
Tam tikros energijos kaupimo sistemos BMS projekto pavyzdys:
48V sistemoje DO-218AB supakuotas 6600W TVS (spaustuko įtampa 35,5V) derinamas su 400V įtampai atspariu diodu. Ši schema išlaikė ISO7637 Impulso 5a testą (sugeneruoja trumpalaikę 35 V aukštą įtampą, kai 12 V sistema iškraunama), kartu tenkinant nuolatinės –100 V atbulinės įtampos reikalavimą.

3, Pagrindiniai įrenginio pasirinkimo techniniai parametrai
1. Atbulinės įtampos varža (VRRM)
Turi atitikti:

VRRM Didesnis arba lygus 1,2 × Vsystem_max
Pavyzdžiui, 60 V baterijų sistemoje reikia pasirinkti diodus, kurių VRRM didesnis nei 72 V arba lygus jai. Automobiliams skirtose programose taip pat reikia atsižvelgti į -14 V nuolatinės atvirkštinės įtampos reikalavimą pagal ISO16750 standartą.

2. Priekinio laidumo įtampos kritimas (VF)
Esant didelės srovės scenarijams, VF tiesiogiai veikia sistemos efektyvumą:

Įprastas silicio diodas: 0,7-1,1 V (nuostoliai siekia 70-110 W esant 100 A)
Šotkio diodas: 0,2-0,5 V (nuostolis sumažintas 60%)
Sinchroninio ištaisymo MOS schema:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Pramonės duomenys:
Esant 200 A iškrovos srovei, naudojant Schottky diodus galima sumažinti šilumos nuostolius 100 W, palyginti su įprastais diodais, todėl 30 % sumažėja BMS šilumos išsklaidymo projektavimo išlaidos.
4, Pramonės tendencijos ir technologijų raida
1. Ginčas dėl MOS vamzdžių keitimo sprendimų
Nors PMOS priešpriešinio prijungimo schema turi nulinio įtampos kritimo pranašumą (įjungimo varža RDS (įjungta) gali būti net 0,5 m Ω), ji turi tris pagrindinius trūkumus:

Atbulinės eigos atsparumo įtampa yra ribota (paprastai automobilių klasės PMOS<100V)
Didesnė kaina (3-5 kartus didesnė nei tos pačios specifikacijos diodų)
Atjungimo momentu yra įtampos kritimo uždelsimas
Faktiniai matavimo duomenys:
BMS testas parodė, kad staiga atsijungus maitinimo šaltiniui, dėl PMOS schemos galinio kondensatoriaus įtampa nukrenta 10 V/ms greičiu, o tai gali sukelti žemos įtampos apsaugos netinkamą veikimą; Diodų schema gali nedelsiant nutraukti grandinę.

2. Naujų įrenginių sintezės taikymas
Pramonė ieško šių novatoriškų sprendimų:

SiC Schottky diodas: įtampos atsparumas padidintas iki 650 V, VF sumažintas iki 0,8 V, tinka aukštos -įtampos greitojo įkrovimo scenarijams;
Išmanusis diodų modulis: integruoja atvirkštinės apsaugos, perkaitimo temperatūros aptikimo ir būsenos pranešimo funkcijas, supaprastindamas BMS dizainą;
MEMS jungiklio technologija: naudojant mikroelektromechanines sistemas, kad būtų pasiektas be nuostolių atvirkštinis blokavimas, tačiau šiuo metu kaina yra per didelė.
3. Standartų ir taisyklių propagavimo vaidmuo
ISO 26262 Funkcinė sauga: reikalaujama, kad priešpriešinės grandinės būtų ASIL-B lygio perteklinės konstrukcijos;
GB/T 38031-2021: aiškiai reikalaujama, kad BMS per 1 sekundę nutrauktų grandinę, kai prijungta atvirkščiai;
UL 2580: nustatyta, kad baterijų blokai turi turėti dvikrypčio srovės blokavimo galimybę.
5, Tipinio taikymo scenarijaus analizė
1. Naujų energetinių transporto priemonių BMS
BYD ašmenų akumuliatoriaus BMS naudoja trijų{0}}pakopų apsaugą „TVS+Schottky diodas+savaiminis atkūrimo saugiklis“:

1 lygis: 1500 W TVS spaustukas pereinamosios aukštos įtampos
Antrasis etapas: 40V Schottky diodo atvirkštinis išjungimas
3 lygis: PPTC įdiegia savaiminio atkūrimo apsaugą nuo viršsrovių
Ši schema išlaikė visus impulsų testus pagal ISO7637, o atvirkštinės apsaugos atsako laikas yra mažesnis nei 50 n.

2. Energijos kaupimo sistema BMS
CATL 48 V energijos kaupimo BMS naujoviškai taiko hibridinį „back{1}}to-back MOS + diode“ sprendimą:

Įkrovimo kelias: PMOS pasiekia nulinį įtampos kritimo laidumą
Iškrovos kelias: Diodas užtikrina atvirkštinę izoliaciją
Sąnaudų optimizavimas: iškrovimo MOS pakeičiamas diodais, sumažinant sistemos sąnaudas 18%
6, Technologiniai iššūkiai ir plėtros kryptys
Dabartinė pramonė susiduria su dviem pagrindiniais prieštaravimais:

Balansavimo efektyvumas ir saugumas: mažo VF įrenginiai (pvz., GaN diodai) turi dideles išlaidas;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, o maksimali esamų TV suspaudimo įtampa yra tik 660V.
Ateityje technologijų plėtra bus sutelkta į:

Didelio masto plataus diapazono medžiagų (SiC/GaN) taikymas;
Skaitmeninės apsaugos technologija (pvz., AI pagrįstas gedimų numatymas);
Standartizuotas modulio dizainas (pvz., apsauginės IP šerdys, atitinkančios AUTOSAR specifikacijas).