چگونه دیودها از تخلیه معکوس باتری ها در BMS جلوگیری می کنند؟

一، خطرات و الزامات حفاظتی تخلیه معکوس
دشارژ معکوس باتری به پدیده‌ای اطلاق می‌شود که در آن قطب‌های مثبت و منفی باتری در قطبیت بار یا منبع برق معکوس می‌شوند و باعث می‌شوند جریان در جهت مخالف جریان یابد. در کاربردهای باتری لیتیومی، تخلیه معکوس می تواند عواقب جدی زیر را ایجاد کند:

آسیب به ساختار باتری: رسوب بیش از حد یون های لیتیوم روی الکترود منفی، دندریت های لیتیومی را تشکیل می دهد، جداکننده را سوراخ می کند و باعث اتصال کوتاه می شود.
خطر فرار حرارتی: جریان معکوس گرمای ژول تولید می کند، تجزیه الکترولیت را تسریع می کند و ممکن است باعث آتش سوزی یا انفجار شود.
نقص در سطح سیستم: ولتاژ معکوس ممکن است به اجزای دقیقی مانند تراشه کنترل اصلی BMS و AFE (جلو{0}}آنالوگ) آسیب برساند.
با توجه به الزامات استاندارد GB/T 38661-2020، BMS نیاز به حفظ یکپارچگی عملکردی تحت ولتاژ معکوس -14 ولت و مقاومت در برابر ضربه گذرا -220 ولت در تست پالس ISO7637 دارد. این الزام سخت مهندسان را مجبور می کند تا طرح های حفاظت معکوس قابل اعتماد را اتخاذ کنند.

2، اصل فنی دیود ضد تخلیه معکوس
1. مکانیزم رسانایی یک جهته پایه
ویژگی اصلی یک دیود این است که اجازه می دهد جریان از آند (A) به کاتد (K) جریان یابد در حالی که در جهت مخالف مسدود می شود. پس از اتصال یک دیود به صورت سری به ترمینال ورودی برق BMS، زمانی که قطبیت برق درست باشد، دیود در حالت هدایت رو به جلو قرار می گیرد و اجازه عبور جریان را می دهد. هنگامی که منبع تغذیه معکوس می شود، دیود به صورت معکوس قطع می شود و مستقیماً مسیر جریان را مسدود می کند.

موارد کاربردی معمولی:
برد کنترل BMS تسلا مدل 3 از دیود شاتکی (بسته SMA، ولتاژ مقاومت معکوس 40 ولت) به عنوان دستگاه اصلی ضد اتصال معکوس استفاده می کند. این طرح از مشخصه افت ولتاژ رو به جلو پایین دیودهای شاتکی در حدود 0.3 ولت استفاده می کند که منجر به اتلاف 30 وات در جریان 100 آمپر می شود که 40 درصد انرژی کارآمدتر از طرح های دیود معمولی است.

2. حفاظت مشترک از سرکوب ولتاژ گذرا (TVS)
طرح ساده دیود دو اشکال دارد:

مقاومت معکوس ولتاژ محدود (دیودهای معمولی معمولا<200V)
قادر به مقابله با پالس‌های گذرا-ولتاژ بالا نیست
بنابراین، صنعت به طور کلی یک معماری حفاظتی ترکیبی از "TVS + دیود" را اتخاذ می کند:

دیود TVS: متصل موازی به ترمینال ورودی برق، با زمان پاسخگویی<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
دیود ضد معکوس: سری متصل به انتهای عقب TVS، مسئول عملکرد قطع معکوس مداوم.
نمونه ای از طراحی BMS برای یک سیستم ذخیره انرژی خاص:
در سیستم 48 ولت، یک تلویزیون 6600 وات (ولتاژ گیره 35.5 ولت) بسته بندی شده در DO-218AB با یک دیود مقاوم در برابر ولتاژ 400 ولت ترکیب شده است. این طرح تست ISO7637 Pulse 5a (تولید ولتاژ بالای گذرا 35 ولت در هنگام تخلیه سیستم 12 ولت) را گذرانده است، در حالی که نیاز ولتاژ معکوس پیوسته 100 ولت را برآورده می کند.

3، پارامترهای فنی کلیدی برای انتخاب دستگاه
1. مقاومت ولتاژ معکوس (VRRM)
باید ملاقات کرد:

VRRM بزرگتر یا مساوی 1.2×Vsystem_max
برای مثال، در سیستم باتری 60 ولت، دیودهایی با VRRM بزرگتر یا مساوی 72 ولت باید انتخاب شوند. کاربردهای کلاس خودرو نیز نیاز به ولتاژ معکوس پیوسته -14 ولت در استاندارد ISO16750 دارند.

2. افت ولتاژ هدایت به جلو (VF)
در سناریوهای جریان بالا، VF مستقیماً بر کارایی سیستم تأثیر می گذارد:

دیود سیلیکونی معمولی: 0.7-1.1V (تلفات در 100A به 70-110W می رسد)
دیود شاتکی: 0.2-0.5 ولت (تلفات کاهش 60٪)
طرح MOS تصحیح همزمان:<0.1V (but requires complex driving circuit)
داده های صنعت:
در جریان تخلیه 200 آمپر، استفاده از دیودهای شاتکی می تواند 100 وات اتلاف گرما را در مقایسه با دیودهای معمولی کاهش دهد و در نتیجه 30 درصد هزینه طراحی اتلاف حرارت BMS را کاهش دهد.
4، روندهای صنعت و تحولات تکنولوژیکی
1. اختلاف بر سر راه حل های تعویض لوله MOS
اگرچه طرح اتصال ضد معکوس PMOS مزیت افت ولتاژ صفر را دارد (مقاومت روشن RDS (روشن) می تواند تا 0.5 متر Ω کم باشد)، سه نقص عمده دارد:

ولتاژ مقاومت معکوس محدود است (معمولاً PMOS درجه خودرو<100V)
هزینه بالاتر (3-5 برابر بیشتر از دیودهای با مشخصات مشابه)
در لحظه قطع شدن یک تاخیر افت ولتاژ وجود دارد
داده های اندازه گیری واقعی:
یک آزمایش BMS نشان داد که وقتی منبع تغذیه ناگهان قطع می‌شود، طرح PMOS باعث می‌شود ولتاژ خازن پشتی با نرخ 10 ولت بر میلی‌ثانیه کاهش پیدا کند، که ممکن است باعث عملکرد نادرست حفاظت ولتاژ پایین شود. طرح دیود می تواند بلافاصله مدار را قطع کند.

2. کاربرد فیوژن دستگاه های جدید
این صنعت در حال بررسی راه حل های نوآورانه زیر است:

دیود SiC Schottky: تحمل ولتاژ به 650 ولت افزایش یافته، VF به 0.8 ولت کاهش یافته است، مناسب برای سناریوهای{2}}شارژ سریع ولتاژ بالا.
ماژول دیود هوشمند: حفاظت معکوس، تشخیص بیش از حد دما، و عملکردهای گزارش وضعیت را ادغام می کند، طراحی BMS را ساده می کند.
فن آوری سوئیچ MEMS: استفاده از سیستم های میکروالکترومکانیکی برای رسیدن به انسداد معکوس بدون تلفات، اما در حال حاضر هزینه آن بسیار زیاد است.
3. نقش ترویجی استانداردها و مقررات
ایمنی عملکردی ISO 26262: به مدارهای ضد معکوس برای داشتن طراحی افزونگی سطح ASIL{1}} نیاز دارد.
GB/T 38031-2021: صراحتاً لازم است که BMS در صورت اتصال معکوس مدار را در عرض 1 ثانیه قطع کند.
UL 2580: مقرر شده است که بسته های باتری باید دارای قابلیت مسدود کردن جریان دو طرفه باشند.
5، تجزیه و تحلیل سناریوی برنامه معمولی
1. BMS برای وسایل نقلیه انرژی جدید
باتری تیغه‌ای BYD BMS از سه سطح حفاظتی «TVS+Diode+Schottky+Fuse self-recovery» استفاده می‌کند:-

سطح 1: 1500W TVS گیره ولتاژ بالا گذرا
مرحله دوم: قطع معکوس دیود شاتکی 40 ولت
سطح 3: PPTC حفاظت از خود بازیابی اضافه جریان را اجرا می کند
این طرح تمامی تست های پالس را طبق ISO7637 با زمان پاسخ حفاظت معکوس کمتر از 50 ثانیه گذرانده است.

2. سیستم ذخیره انرژی BMS
BMS ذخیره انرژی 48 ولتی CATL به طور خلاقانه راه حل هیبریدی "back{1}}به-MOS+Diode" را اتخاذ می کند:

مسیر شارژ: PMOS هدایت افت ولتاژ صفر را به دست می آورد
مسیر تخلیه: دیود ایزولاسیون معکوس را فراهم می کند
بهینه سازی هزینه: تخلیه MOS با دیودها جایگزین می شود و هزینه های سیستم را تا 18٪ کاهش می دهد.
6، چالش های فن آوری و جهت توسعه
صنعت فعلی با دو تضاد اساسی روبرو است:

راندمان و ایمنی متعادل کننده: دستگاه های VF کم (مانند دیودهای GaN) هزینه بالایی دارند.
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000 ولت، در حالی که حداکثر ولتاژ بستن تلویزیون های موجود تنها 660 ولت است.
توسعه فناوری آینده بر موارد زیر متمرکز خواهد شد:

کاربرد در مقیاس بزرگ مواد باندگپ گسترده (SiC/GaN).
فناوری حفاظت دیجیتال (مانند پیش‌بینی خطا مبتنی بر هوش مصنوعی)؛
طراحی ماژول استاندارد (مانند هسته های IP محافظ که با مشخصات AUTOSAR مطابقت دارند).