La fallada del díode afectarà la vida del cicle de la bateria?

一, la funció bàsica i el risc d'error dels díodes en els sistemes de bateries
La funció bàsica d'un díode
Els díodes realitzen principalment tres funcions en sistemes de bateries:

Protecció anti-càrrega inversa: evita que la bateria es descarregui a la inversa als circuits externs en estat de no càrrega, evitant la degradació de la capacitat causada per una descàrrega excessiva de la bateria. Per exemple, en els sistemes d'emmagatzematge d'energia fotovoltaica, els díodes de càrrega inversa poden bloquejar el camí de la descàrrega inversa de la bateria nocturna a través de panells fotovoltaics.
Control del circuit d'equilibri: al circuit d'equilibri del paquet de bateries, els díodes s'utilitzen per aïllar les cèl·lules defectuoses i evitar que la sobrecàrrega o la sobredescàrrega afectin el rendiment general del paquet. Per exemple, el paquet de bateries de Tesla Model S utilitza díodes de bypass per aconseguir l'equilibri del nivell cel·lular.
Protecció de pinça de tensió: a BMS, els díodes cooperen amb reguladors de tensió per limitar el rang de fluctuacions de tensió de la bateria i evitar danys a les cèl·lules de la bateria causats per sobretensió o baixa tensió.
Modes típics de fallades de díodes
Hi ha tres tipus principals de fallades de díodes:

Falla de conductivitat unidireccional: impossibilitat de conduir en direcció cap endavant o fuita inversa, donant lloc a la pèrdua de la funció del circuit. Per exemple, quan el díode anti-càrrega inversa està en circuit obert en direcció cap endavant, la bateria no es pot carregar; Quan es produeix una avaria inversa, la bateria continua descarregant-se.
Deriva de paràmetres: un augment de la caiguda de tensió directa (VF) o un corrent de fuga inversa excessiu (IR) pot provocar una disminució de l'eficiència del sistema. Per exemple, quan el díode Schottky VF augmenta de 0,3 V a 0,6 V, el consum d'energia del circuit d'equilibri es duplica.
Fuga tèrmica: la sobreintensitat o la sobretensió poden provocar que la temperatura d'unió del díode superi els 150 graus, provocant la carbonització o fins i tot la fusió del material d'embalatge. Per exemple, un determinat sistema d'emmagatzematge d'energia va experimentar una fuga tèrmica de les cèl·lules adjacents a causa del sobreescalfament del díode de bypass.
2, el camí d'impacte de la fallada del díode en la vida del cicle de la bateria
Danys per sobrecàrrega/descàrrega excessiva
Quan el díode anti-càrrega inversa falla, la bateria pot estar sobrecarregada/sobredescarregada a causa de la tensió inversa del circuit extern o errors de control de BMS. Per exemple:

Danys per sobrecàrrega: quan les bateries d'ions de liti-es sobrecarreguen, l'estructura del material de l'elèctrode positiu es col·lapsa i l'electròlit es descompon per produir gas, la qual cosa provoca un augment de la bateria i una degradació de la capacitat. Els experiments han demostrat que, quan es sobrecarreguen a 4,5 V, la taxa de decadència de la capacitat de les bateries de liti ternàries és tres vegades més ràpida que la càrrega normal.
Danys per sobredescàrrega: quan la bateria es descarrega per sota de 2,5 V, el col·lector de corrent negatiu de coure es dissol i es diposita a l'elèctrode positiu, formant dendrites de coure i provocant curtcircuits interns. Un estudi de cas d'un vehicle elèctric va mostrar que la vida útil d'un paquet de bateries descarregat a 2,0 V va disminuir de 1000 vegades a 300 vegades.
Atenuació de la capacitat causada per fallada de l'equilibri
En un paquet de bateries, la fallada del díode pot provocar que el circuit d'equilibri falli, provocant l'"efecte barril":

Sobrecàrrega/sobredescàrrega d'una cèl·lula: si una cèl·lula no pot participar en l'equilibri a causa d'un díode obert, la seva tensió pot desviar-se del valor mitjà de tot el grup. Per exemple, en un sistema d'emmagatzematge d'energia, a causa de la fallada del díode d'equilibri, una sola cèl·lula es va sobrecarregar a 4,3 V i tota la capacitat del grup va disminuir un 20% després de 200 cicles.
Desequilibri de la capacitat de tot el grup: la fallada de l'equilibri a llarg termini pot provocar un augment de la variabilitat de la capacitat cel·lular. Les investigacions mostren que quan la desviació estàndard de la capacitat de les cèl·lules de la bateria augmenta del 0,5% al ​​2%, la vida útil del cicle global del grup s'escurça un 40%.
Acceleració de l'envelliment causada per una fallada en la gestió tèrmica
La fallada del díode pot provocar un sobreescalfament local i accelerar l'envelliment de la bateria:

Reacció tèrmica en cadena: quan el díode de bypass es sobreescalfa, la calor es transfereix a les cèl·lules adjacents, provocant reaccions secundaries com la descomposició de la pel·lícula SEI i la descomposició d'electròlits. Per exemple, en un determinat sistema d'emmagatzematge d'energia fotovoltaica, a causa del sobreescalfament del díode, la temperatura de les cèl·lules adjacents va augmentar fins als 80 graus i la taxa de decadència de la capacitat era 5 vegades més ràpida que la de les cèl·lules normals.
Danys per estrès tèrmic: els xocs tèrmics repetits poden provocar el trencament de la pestanya de la cel·la i la contracció del diafragma. Els experiments han demostrat que després de 10 cicles tèrmics de 60 graus a 25 graus, la taxa de decadència de la capacitat de la cèl·lula de la bateria augmenta un 15%.
3, estudis de casos de la indústria i suport de dades
1. Camp de vehicles elèctrics: fallada de la bateria del Tesla Model S
El 2018, Tesla va recordar alguns models del Model S a causa de defectes ocults al díode anti-càrrega inversa del BMS. Mal funcionament que provoca:

Fenomen de sobredescàrrega: el 12% dels vehicles experimenten una sobredescàrrega de la bateria per sota de 2,0 V, la qual cosa fa que tota la capacitat disminueixi fins al 60% del seu valor inicial.
Risc de fuga tèrmica: el 3% dels vehicles experimenten embalatge tèrmic de les cèl·lules de la bateria a causa del sobreescalfament del díode, que requereix la substitució de tota la bateria.
Tesla ha reduït la taxa de fallada per sota del 0,2% millorant la selecció de díodes (substituint 1N4007 per díodes Schottky amb una tensió de resistència de 1000 V i un corrent de resistència de 50 A) i optimitzant el disseny de dissipació de calor.
2. Camp del sistema d'emmagatzematge d'energia: envelliment prematur d'un paquet de bateries de central fotovoltaica
El 2023, el paquet de bateries d'ions de liti-d'una central fotovoltaica de 5 MW a l'est de la Xina va experimentar una disminució de la capacitat del 80% després de 2 anys de funcionament, molt per sota de la vida útil de disseny de 10 anys. Després de la investigació, es va comprovar que:

Fuga de díodes equilibrats: alguns díodes experimenten un corrent de fuga inversa de fins a 100 μ A (valor estàndard<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Falla de gestió tèrmica: el sobreescalfament del díode fa que la temperatura de les cèl·lules adjacents augmenti a 55 graus, accelerant l'engrossiment de la pel·lícula SEI.
En substituir el díode de baixa fuita (sèrie BAS70) i ​​optimitzar el disseny del conducte d'aire, la taxa de decadència de la capacitat del sistema s'ha reduït fins al 5% anual.
3. Camp d'electrònica de consum: Vida anormal de la bateria RTC
Un determinat controlador industrial utilitza bateries CR2025 per alimentar RTC, amb una vida útil dissenyada de 5 anys, però demana la substitució després de 6 mesos d'ús real. Detecció trobada:

Fuga inversa del díode: el corrent de fuga inversa del díode anticàrrega inversa arriba a 5 μ A (valor estàndard<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Error de lògica del xip RTC: el xip RTC produït a nivell nacional va entrar per error al mode de treball en mode d'alimentació en espera, amb un consum d'energia de 100 μ A.
En substituir el díode de baixa fuita (1N4148) i optimitzar la selecció del xip RTC, la durada de la bateria es va restaurar al valor de disseny.
4, Esquemes d'optimització en la pràctica de l'enginyeria
1. Optimització de la selecció
Paràmetres de tensió i resistència de corrent: la tensió nominal del díode ha de ser superior o igual a 1,5 vegades la tensió màxima del sistema i el corrent nominal ha de ser superior o igual a 2 vegades el corrent de funcionament màxim. Per exemple, un sistema de bateries de 48 V hauria d'utilitzar díodes amb una resistència de tensió de 100 V i una resistència de corrent de 20 A.
Característiques de baixa fuga: escolliu preferiblement díodes Schottky amb corrent de fuga inversa<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Control de resistència tèrmica: Trieu una forma d'embalatge amb una resistència tèrmica de<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Disseny de dissipació de calor
Refrigeració per aire forçat: instal·leu ventiladors en zones amb díodes densos, amb una velocitat del vent superior o igual a 2 m/s, i controleu la temperatura de la unió per sota dels 85 graus.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) per reduir la resistència tèrmica.
Optimització de la disposició: la distància entre el díode i la cèl·lula de la bateria ha de ser superior a 10 mm per evitar la influència de la radiació tèrmica.
3. Seguiment i Protecció
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 graus.
Disseny redundant: els díodes dobles es connecten en paral·lel al camí crític per millorar la fiabilitat. Per exemple, Tesla Powerwall adopta un esquema de càrrega inversa de doble díode.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.