Ar diodo gedimas paveiks akumuliatoriaus veikimo laiką?

一, pagrindinė diodų funkcija ir gedimų rizika akumuliatorių sistemose
Pagrindinė diodo funkcija
Diodai akumuliatorių sistemose daugiausia atlieka tris funkcijas:

Apsauga nuo atvirkštinio įkrovimo: neleidžia akumuliatoriui išsikrauti atvirkštine tvarka į išorines grandines, kai jis neįkraunamas, išvengiant talpos sumažėjimo dėl per didelio akumuliatoriaus išsikrovimo. Pavyzdžiui, fotovoltinės energijos kaupimo sistemose priešpriešinio įkrovimo diodai gali blokuoti naktinio akumuliatoriaus atvirkštinio iškrovimo kelią per fotovoltines plokštes.
Balanso grandinės valdymas: Akumuliatoriaus bloko balanso grandinėje diodai naudojami sugedusiems elementams izoliuoti ir apsaugoti nuo per didelio įkrovimo ar iškrovimo įtakos bendram akumuliatoriaus veikimui. Pavyzdžiui, „Tesla Model S“ akumuliatoriaus pakete naudojami apėjimo diodai, kad būtų galima subalansuoti elementų lygį.
Apsauga nuo įtampos gnybtų: BMS diodai bendradarbiauja su įtampos reguliatoriais, kad apribotų akumuliatoriaus įtampos svyravimų diapazoną ir išvengtų akumuliatoriaus elementų pažeidimo dėl viršįtampio ar per mažos įtampos.
Tipiški diodų gedimų režimai
Yra trys pagrindiniai diodų gedimų tipai:

Vienakryptis laidumo sutrikimas: nesugebėjimas vesti į priekį arba atvirkštinis nuotėkis, dėl kurio prarandama grandinės funkcija. Pavyzdžiui, kai priešpriešinio įkrovimo diodas yra atviras, sujungtas į priekį, akumuliatorius negali būti įkrautas; Kai įvyksta atvirkštinis gedimas, akumuliatorius ir toliau išsikrauna.
Parametrų poslinkis: padidėjus tiesioginiam įtampos kritimui (VF) arba per didelė atvirkštinio nuotėkio srovė (IR) gali sumažėti sistemos efektyvumas. Pavyzdžiui, Schottky diodui VF padidėjus nuo 0,3 V iki 0,6 V, balansavimo grandinės energijos suvartojimas padvigubėja.
Terminis nutekėjimas: dėl viršsrovės arba viršįtampio diodo jungties temperatūra gali viršyti 150 laipsnių, o tai gali sukelti karbonizaciją arba net ištirpti pakavimo medžiaga. Pavyzdžiui, tam tikroje energijos kaupimo sistemoje dėl aplinkkelio diodo perkaitimo gretimų elementų šiluminis nutekėjimas.
2, diodo gedimo smūgio kelias į akumuliatoriaus ciklą
Per didelis įkrovimas / perkrovimo pažeidimas
Kai sugenda priešpriešinio įkrovimo diodas, dėl išorinės grandinės atvirkštinės įtampos arba BMS valdymo klaidų akumuliatorius gali būti perkrautas / per daug iškrautas. Pavyzdžiui:

Perkrovimo žala: kai ličio{0}}jonų akumuliatoriai perkraunami, teigiamo elektrodo medžiagos struktūra suyra, o elektrolitas suyra ir susidaro dujos, todėl akumuliatorius išsipučia ir sumažėja talpa. Eksperimentai parodė, kad perkrovus iki 4,5 V, trijų dalių ličio baterijų talpos mažėjimo greitis yra tris kartus didesnis nei įprasto įkrovimo.
Žala dėl per didelio iškrovimo: kai akumuliatorius išsikrauna žemiau 2,5 V, neigiamas vario srovės kolektorius ištirpsta ir nusėda ant teigiamo elektrodo, sudarydamas vario dendritus ir sukeldamas vidinius trumpuosius jungimus. Elektromobilio atvejo tyrimas parodė, kad akumuliatoriaus, išsikrovusio iki 2,0 V, ciklo trukmė sumažėjo nuo 1000 kartų iki 300 kartų.
Talpos susilpnėjimas dėl balanso gedimo
Akumuliatoriaus bloke dėl diodo gedimo gali sugesti balanso grandinė, o tai gali sukelti „statinės efektą“:

Vieno elemento perkrovimas/perkrovimas: jei elementas negali dalyvauti balansavime dėl atviro diodo, jo įtampa gali skirtis nuo vidutinės visos grupės vertės. Pavyzdžiui, energijos kaupimo sistemoje dėl balansavimo diodo gedimo vienas elementas buvo perkrautas iki 4,3 V, o visa grupės talpa po 200 ciklų sumažėjo 20%.
Visos grupės pajėgumų disbalansas: Ilgalaikis pusiausvyros sutrikimas gali padidinti ląstelių talpos kintamumą. Tyrimai rodo, kad baterijos elementų talpos standartiniam nuokrypiui padidėjus nuo 0,5% iki 2%, bendras grupės ciklo laikas sutrumpėja 40%.
Senėjimo pagreitis, kurį sukelia šilumos valdymo gedimas
Diodo gedimas gali sukelti vietinį perkaitimą ir pagreitinti akumuliatoriaus senėjimą:

Terminė bėgimo grandininė reakcija: kai aplinkkelio diodas perkaista, šiluma perduodama gretimoms ląstelėms, sukeldama šalutines reakcijas, tokias kaip SEI plėvelės irimas ir elektrolitų skilimas. Pavyzdžiui, tam tikroje fotovoltinės energijos kaupimo sistemoje dėl diodo perkaitimo gretimų elementų temperatūra pakilo iki 80 laipsnių, o talpos mažėjimo greitis buvo 5 kartus didesnis nei įprastų elementų.
Šiluminio streso pažeidimas: pasikartojantys šiluminiai smūgiai gali sukelti ląstelių ąselės lūžį ir diafragmos susitraukimą. Eksperimentai parodė, kad po 10 terminių ciklų nuo 60 laipsnių iki 25 laipsnių, akumuliatoriaus elemento talpos mažėjimo greitis padidėja 15%.
3, pramonės atvejų analizė ir duomenų palaikymas
1. Elektrinės transporto priemonės laukas: „Tesla Model S“ akumuliatoriaus bloko gedimas
2018 m. „Tesla“ atšaukė kai kuriuos „Model S“ modelius dėl paslėptų BMS priešpriešinio įkrovimo diodo defektų. Gedimas sukelia:

Per didelės iškrovos reiškinys: 12 % transporto priemonių akumuliatorius išsikrauna iki mažesnio nei 2,0 V, todėl visa talpa sumažėja iki 60 % pradinės vertės.
Šiluminio nutekėjimo pavojus: 3 % transporto priemonių dėl diodo perkaitimo nutrūksta akumuliatoriaus elementai, todėl reikia pakeisti visą akumuliatorių.
„Tesla“ sumažino gedimų dažnį iki mažesnio nei 0,2 %, atnaujindama diodų pasirinkimą (1N4007 pakeisdama Schottky diodais su 1000 V atsparumo įtampa ir 50 A atsparumo srove) ir optimizuodama šilumos išsklaidymo konstrukciją.
2. Energijos kaupimo sistemos sritis: priešlaikinis fotovoltinės elektrinės baterijos senėjimas
2023 m. 5MW fotovoltinės elektrinės Rytų Kinijoje ličio-jonų baterijų paketo pajėgumas sumažėjo 80 % po 2 metų veikimo, o tai yra daug mažiau nei numatyta 10 metų. Atlikus tyrimą nustatyta, kad:

Subalansuotas diodų nuotėkis: kai kuriuose dioduose atvirkštinė nuotėkio srovė yra iki 100 μA (standartinė vertė<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Šilumos valdymo gedimas: perkaitus diodui, gretimų elementų temperatūra pakyla iki 55 laipsnių, o tai pagreitina SEI plėvelės storėjimą.
Pakeitus mažo nuotėkio diodą (BAS70 serija) ir optimizavus ortakių konstrukciją, sistemos pajėgumo mažėjimo greitis buvo sumažintas iki 5% per metus.
3. Buitinės elektronikos sritis: nenormalus RTC baterijos veikimo laikas
Tam tikrame pramoniniame valdiklyje RTC maitinimui naudojamos CR2025 baterijos, kurių numatoma eksploatavimo trukmė yra 5 metai, tačiau po 6 mėnesių faktinio naudojimo jį raginama pakeisti. Rastas aptikimas:

Atvirkštinis diodo nuotėkis: priešpriešinio įkrovimo diodo atvirkštinio nuotėkio srovė siekia 5 μA (standartinė vertė<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
RTC lusto logikos klaida: šalyje pagamintas RTC lustas per klaidą įjungtas į darbo režimą budėjimo režimu, kurio energijos suvartojimas buvo 100 μA.
Pakeitus mažo nuotėkio diodą (1N4148) ir optimizavus RTC lusto pasirinkimą, akumuliatoriaus veikimo laikas buvo atkurtas iki projektinės vertės.
4, Optimizavimo schemos inžinerinėje praktikoje
1. Pasirinkimo optimizavimas
Įtampos ir srovės varžos parametrai: Diodo vardinė įtampa turi būti didesnė nei 1,5 karto didesnė už maksimalią sistemos įtampą, o vardinė srovė turi būti didesnė arba lygi 2 kartus didesnei už maksimalią darbinę srovę. Pavyzdžiui, 48 V akumuliatoriaus sistemoje turėtų būti naudojami diodai, kurių įtampos varža yra 100 V, o srovės varža - 20 A.
Mažos nuotėkio charakteristikos: Geriau rinkitės Schottky diodus su atvirkštine nuotėkio srove<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Šiluminės varžos kontrolė: Pasirinkite pakuotės formą, kurios šiluminė varža yra<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Šilumos išsklaidymo dizainas
Priverstinis oro aušinimas: sumontuokite ventiliatorius vietose, kuriose yra tankūs diodai, kurių vėjo greitis yra didesnis nei 2 m/s, ir reguliuokite sankryžos temperatūrą žemiau 85 laipsnių.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) šiluminei varžai sumažinti.
Išdėstymo optimizavimas: atstumas tarp diodo ir akumuliatoriaus elemento turi būti didesnis nei 10 mm, kad būtų išvengta šiluminės spinduliuotės įtakos.
3. Stebėjimas ir apsauga
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 laipsnių.
Perteklinis dizainas: dvigubi diodai yra sujungti lygiagrečiai kritiniame kelyje, kad būtų padidintas patikimumas. Pavyzdžiui, „Tesla Powerwall“ naudoja dviejų diodų priešpriešinio įkrovimo schemą.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.