Повредата на диода ще повлияе ли на живота на батерията?

一, Основната функция и рискът от повреда на диодите в батерийните системи
Основната функция на диод
Диодите изпълняват основно три функции в батерийните системи:

Защита срещу обратно зареждане: предотвратява разреждането на батерията обратно към външните вериги в незаредено състояние, избягвайки влошаване на капацитета, причинено от прекомерно разреждане на батерията. Например във фотоволтаичните системи за съхранение на енергия диодите против обратно зареждане могат да блокират пътя на нощното обратно разреждане на батерията през фотоволтаичните панели.
Контрол на веригата за баланс: В веригата за баланс на батерията диодите се използват за изолиране на дефектни клетки и предотвратяване на презареждането или прекомерното разреждане да повлияе на цялостната производителност на батерията. Например, батерията на Tesla Model S използва байпасни диоди за постигане на балансиране на нивото на клетките.
Защита от клещи за напрежение: В BMS диодите си сътрудничат с регулаторите на напрежение, за да ограничат обхвата на колебанията на напрежението на батерията и да предотвратят повреда на клетките на батерията, причинена от пренапрежение или ниско напрежение.
Типични видове повреди на диоди
Има три основни вида повреди на диоди:

Нарушение на еднопосочната проводимост: невъзможност за провеждане в права посока или обратно изтичане, което води до загуба на функция на веригата. Например, когато диодът против обратно зареждане е отворен в посока напред, батерията не може да бъде заредена; Когато възникне обратна повреда, батерията продължава да се разрежда.
Дрейф на параметъра: Увеличаването на падането на напрежението в права посока (VF) или прекомерният обратен ток на утечка (IR) може да доведе до намаляване на ефективността на системата. Например, когато VF на диода на Шотки се увеличи от 0,3 V на 0,6 V, консумацията на енергия на балансиращата верига се удвоява.
Термично изтичане: Свръхтокът или пренапрежението може да причини температурата на свързване на диода да надхвърли 150 градуса, което води до карбонизация или дори стопяване на опаковъчния материал. Например, определена система за съхранение на енергия претърпя термично изтичане на съседни клетки поради прегряване на байпасния диод.
2, Пътят на въздействието на повреда на диода върху живота на батерията
Повреда от презареждане/преразреждане
Когато диодът против обратно зареждане се повреди, батерията може да е презаредена/преразредена поради обратното напрежение на външната верига или грешки в управлението на BMS. Например:

Повреда от презареждане: Когато литиево-йонните батерии са презаредени, структурата на материала на положителния електрод се срива и електролитът се разлага, за да произведе газ, което води до подуване на батерията и влошаване на капацитета. Експериментите показват, че при презареждане до 4,5 V скоростта на намаляване на капацитета на тройните литиеви батерии е три пъти по-бърза от нормалното зареждане.
Повреда от прекомерно разреждане: Когато батерията се разреди под 2,5 V, отрицателният меден колектор на ток се разтваря и се отлага върху положителния електрод, образувайки медни дендрити и причинявайки вътрешни къси съединения. Казус от електрическо превозно средство показа, че цикълът на живот на батерия, разредена до 2,0 V, намалява от 1000 пъти на 300 пъти.
Затихване на капацитета, причинено от повреда на баланса
В пакет батерии повредата на диода може да доведе до повреда на балансиращата верига, което води до "ефекта на варела":

Презареждане/преразреждане на единична клетка: Ако една клетка не може да участва в балансирането поради отворен диод, нейното напрежение може да се отклони от средната стойност на цялата група. Например, в система за съхранение на енергия, поради повреда на балансиращия диод, една клетка беше презаредена до 4,3 V и целият капацитет на групата намаля с 20% след 200 цикъла.
Дисбаланс на капацитета на цялата група: Дългосрочната недостатъчност на равновесието може да доведе до увеличаване на променливостта на клетъчния капацитет. Изследванията показват, че когато стандартното отклонение на капацитета на батерията се увеличи от 0,5% на 2%, общият цикъл на живот на групата се съкращава с 40%.
Ускоряване на стареенето, причинено от неправилно управление на топлината
Повредата на диода може да причини локално прегряване и да ускори стареенето на батерията:

Термична верижна реакция: Когато байпасният диод прегрее, топлината се прехвърля към съседни клетки, предизвиквайки странични реакции като разлагане на SEI филм и разлагане на електролита. Например, в определена фотоволтаична система за съхранение на енергия, поради прегряване на диода, температурата на съседните клетки се повиши до 80 градуса, а скоростта на намаляване на капацитета беше 5 пъти по-бърза от тази на нормалните клетки.
Увреждания от термичен стрес: Повтарящите се термични удари могат да причинят счупване на клетъчните пластини и свиване на диафрагмата. Експериментите показват, че след 10 термични цикъла от 60 градуса до 25 градуса, скоростта на намаляване на капацитета на батерията се увеличава с 15%.
3, Казуси от индустрията и поддръжка на данни
1. Област на електрически превозни средства: Повреда на батерията на Tesla Model S
През 2018 г. Tesla изтегли някои модели Model S поради скрити дефекти в диода против обратно зареждане в BMS. Неизправност, причиняваща:

Феномен на прекомерно разреждане: 12% от превозните средства изпитват прекомерно разреждане на батерията до под 2,0 V, което води до намаляване на целия капацитет до 60% от първоначалната му стойност.
Риск от термично разсейване: 3% от превозните средства изпитват термично разсейване на батерийните клетки поради прегряване на диода, което изисква подмяна на целия комплект батерии.
Tesla е намалил процента на повреда до под 0,2% чрез надграждане на избора на диоди (замяна на 1N4007 с диоди на Шотки с 1000V издържано напрежение и 50A издържан ток) и оптимизиране на дизайна на разсейване на топлината.
2. Област на системата за съхранение на енергия: преждевременно стареене на фотоволтаична електроцентрала
През 2023 г. пакетът литиево-йонни батерии на фотоволтаична електроцентрала с мощност 5 MW в Източен Китай претърпя спад на капацитета от 80% след 2 години работа, далеч под проектния живот от 10 години. При разследване е установено, че:

Балансирано утечка на диод: Някои диоди изпитват обратен ток на утечка до 100 μA (стандартна стойност<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Грешка в термалното управление: Прегряването на диода води до повишаване на температурата на съседните клетки до 55 градуса, ускорявайки удебеляването на SEI филма.
Чрез замяната на диода с ниски утечки (серия BAS70) и оптимизирането на дизайна на въздуховода, скоростта на намаляване на капацитета на системата е намалена до 5% на година.
3. Област на потребителската електроника: Ненормален живот на RTC батерията
Определен промишлен контролер използва батерии CR2025 за захранване на RTC с проектиран живот от 5 години, но подканва за смяна след 6 месеца действителна употреба. Намерено откриване:

Обратно изтичане на диод: Обратният ток на изтичане на диода против обратно зареждане достига 5 μ A (стандартна стойност<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Логическа грешка на RTC чипа: Произведеният в страната RTC чип по погрешка влезе в режим на работа в режим на захранване в режим на готовност с консумация на енергия от 100 μA.
Чрез замяната на диода с ниска пропускливост (1N4148) и оптимизирането на избора на RTC чип, животът на батерията беше възстановен до проектната стойност.
4, Оптимизационни схеми в инженерната практика
1. Оптимизиране на селекцията
Параметри на съпротивление на напрежение и ток: Номиналното напрежение на диода трябва да бъде по-голямо или равно на 1,5 пъти максималното системно напрежение, а номиналният ток трябва да бъде по-голямо или равно на 2 пъти максималния работен ток. Например, 48V акумулаторна система трябва да използва диоди със съпротивление на напрежение от 100V и съпротивление на тока от 20A.
Ниски характеристики на утечка: За предпочитане изберете диоди на Шотки с обратен ток на утечка<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Контрол на термичното съпротивление: Изберете форма на опаковка с термично съпротивление от<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Дизайн на разсейване на топлината
Принудително въздушно охлаждане: Инсталирайте вентилатори в зони с плътни диоди, със скорост на вятъра, по-голяма или равна на 2m/s, и контролирайте температурата на кръстовището под 85 градуса.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) за намаляване на термичното съпротивление.
Оптимизиране на оформлението: Разстоянието между диода и клетката на батерията трябва да бъде по-голямо от 10 mm, за да се избегне влиянието на топлинното излъчване.
3. Мониторинг и защита
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 градуса.
Излишен дизайн: Двойните диоди са свързани паралелно по критичния път за подобряване на надеждността. Например, Tesla Powerwall използва схема с двоен диод против обратно зареждане.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.