Как диодите предотвратяват обратното разреждане на батериите в BMS?

一, Опасностите и изискванията за защита при обратно изхвърляне
Обратното разреждане на батерията се отнася до явлението, при което положителните и отрицателните полюси на батерията са разменени по полярност спрямо товара или източника на захранване, което води до протичане на ток в обратна посока. При приложения с литиеви батерии обратното разреждане може да причини следните сериозни последствия:

Увреждане на структурата на батерията: Прекомерното отлагане на литиеви йони върху отрицателния електрод образува литиеви дендрити, пробивайки сепаратора и причинявайки късо съединение;
Риск от термично бягство: Обратният ток генерира джаулова топлина, ускорява разграждането на електролита и може да причини пожар или експлозия;
Неизправност на системно ниво: Обратното напрежение може да повреди прецизни компоненти като главния контролен чип на BMS и AFE (аналогов преден-край).
Съгласно изискванията на стандарта GB/T 38661-2020, BMS трябва да поддържа функционална цялост при -14V обратно напрежение и да издържа на -220V преходен удар при импулсен тест ISO7637. Това строго изискване принуждава инженерите да приемат надеждни схеми за обратна защита.

2, Технически принцип на диод против обратен разряд
1. Основен механизъм за еднопосочна проводимост
Основната характеристика на диода е да позволява на тока да тече от анода (A) към катода (K), докато блокира в обратна посока. След свързване на диод последователно с терминала за захранване на BMS, когато полярността на захранването е правилна, диодът е в състояние на проводимост напред, което позволява преминаването на ток; Когато захранването е обърнато, диодът прекъсва обратно, директно блокирайки пътя на тока.

Типични случаи на приложение:
BMS контролната платка на Tesla Model 3 приема диод на Шотки (пакет SMA, обратно издържано напрежение 40V) като основно устройство против обратна връзка. Тази схема използва ниското падане на напрежението в посока напред, характерно за диодите на Шотки при около 0,3 V, което води до само 30 W загуба при 100 A ток, което е с 40% по-енергийно-ефективни от обикновените диодни схеми.

2. Съвместна защита на потискане на преходно напрежение (TVS)
Простата диодна схема има два недостатъка:

Обратно издържано напрежение ограничено (обикновени диоди обикновено<200V)
Не може да се справи с преходни импулси на високо-напрежение
Следователно индустрията обикновено възприема композитна защитна архитектура на "TVS+диод":

TVS диод: паралелно свързан към терминала за захранване, с време за реакция от<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Антиреверсивен диод: последователно свързан към задния край на TVS, отговорен за функцията за непрекъснато обратно изключване.
Пример за дизайн на BMS за определена система за съхранение на енергия:
В 48V система 6600W TVS (напрежение на клема 35,5V), опакован в DO-218AB, е комбиниран с 400V устойчив на напрежение диод. Тази схема е преминала теста ISO7637 Pulse 5a (генериране на преходно високо напрежение от 35 V, когато системата от 12 V е разтоварена), като същевременно отговаря на изискването за непрекъснато обратно напрежение от -100 V.

3, Основни технически параметри за избор на устройство
1. Съпротивление на обратно напрежение (VRRM)
Трябва да отговарят на:

VRRM По-голямо или равно на 1,2×Vsystem_max
Например, в акумулаторна система от 60 V трябва да се изберат диоди с VRRM, по-голямо или равно на 72 V. Приложенията за автомобилен клас също трябва да вземат предвид изискването за -14V непрекъснато обратно напрежение в стандарта ISO16750.

2. Спадане на напрежението при права проводимост (VF)
При сценарии с голям ток VF пряко влияе върху ефективността на системата:

Обикновен силициев диод: 0.7-1.1V (загубата достига 70-110W при 100A)
Шотки диод: 0,2-0,5 V (загубата е намалена с 60%)
MOS схема за синхронно коригиране:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Данни за индустрията:
При разряден ток от 200 A, използването на диоди на Шотки може да намали 100 W загуба на топлина в сравнение с обикновените диоди, което води до 30% намаление на проектните разходи за разсейване на топлината на BMS.
4, Тенденции в индустрията и технологична еволюция
1. Спор относно решенията за подмяна на MOS тръби
Въпреки че схемата за анти-обратна връзка PMOS има предимството на нулев спад на напрежението (съпротивлението при включване RDS (включено) може да бъде толкова ниско, колкото 0,5 m Ω), тя има три основни недостатъка:

Ограничено обратно издържано напрежение (обикновено PMOS за автомобилен клас<100V)
По-висока цена (3-5 пъти по-висока от диоди със същата спецификация)
Има забавяне на падането на напрежението в момента на изключване
Действителни данни от измерването:
BMS тест показа, че когато захранването внезапно се изключи, схемата PMOS причинява спад на напрежението на задния кондензатор със скорост от 10 V/ms, което може да предизвика неправилно функциониране на защитата при ниско напрежение; Диодната схема може незабавно да прекъсне веригата.

2. Fusion приложение на нови устройства
Индустрията проучва следните иновативни решения:

SiC диод на Шотки: издръжливост на напрежение, увеличена до 650 V, VF намалена до 0,8 V, подходящ за сценарии за бързо зареждане с високо- напрежение;
Интелигентен диоден модул: интегрира обратна защита, откриване на прегряване и функции за отчитане на състоянието, опростявайки дизайна на BMS;
MEMS превключвателна технология: използване на микроелектромеханични системи за постигане на обратно блокиране без загуби, но в момента цената е твърде висока.
3. Насърчаващата роля на стандартите и наредбите
ISO 26262 Функционална безопасност: Изисква веригите против обратен ход да имат резервен дизайн на ниво ASIL-B;
GB/T 38031-2021: Изрично се изисква BMS да прекъсва веригата в рамките на 1 секунда, когато е свързан в обратна посока;
UL 2580: Посочено е, че батерийните пакети трябва да имат възможност за блокиране на двупосочен ток.
5, Анализ на типичен сценарий на приложение
1. BMS за превозни средства с нова енергия
BYD blade батерия BMS приема три{0}}степенна защита на „TVS+Schottky диод+самовъзстановяващ се предпазител“:

Ниво 1: 1500 W TVS клема за преходно високо напрежение
Втора степен: 40V Шотки диод обратно изключване
Ниво 3: PPTC прилага защита от самовъзстановяване на свръхток
Тази схема е преминала всички импулсни тестове съгласно ISO7637, с време за реакция на обратна защита по-малко от 50 ns.

2. Система за съхранение на енергия BMS
48V BMS за съхранение на енергия на CATL иновативно приема хибридно решение „back-to-back MOS+diode“:

Път на зареждане: PMOS постига проводимост при нулев спад на напрежението
Път на разреждане: Диодът осигурява обратна изолация
Оптимизиране на разходите: разрядният MOS се заменя с диоди, намалявайки системните разходи с 18%
6, Технологични предизвикателства и насоки за развитие
Настоящата индустрия е изправена пред две основни противоречия:

Балансиране на ефективност и безопасност: Устройствата с ниска VF (като GaN диоди) имат висока цена;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, докато максималното напрежение на затягане на съществуващите TVS е само 660V.
Бъдещото технологично развитие ще се фокусира върху:

Широкомащабно приложение на широкозонови материали (SiC/GaN);
Технология за цифрова защита (като базирано на AI предсказване на грешки);
Стандартизиран дизайн на модула (като защитни IP ядра, които отговарят на спецификациите на AUTOSAR).