چگونه از دیودها در حفاظت شارژ و دشارژ بسته های باتری لیتیومی استفاده کنیم؟

一، سازگاری بین ویژگی های فناوری دیود و محافظت از باتری لیتیومی
1. رسانایی یک طرفه: ایجاد موانع حفاظتی اساسی
ویژگی اصلی یک دیود در رسانایی یک طرفه اتصال PN آن نهفته است، که فقط اجازه می دهد جریان از آند (A) به کاتد (K) با قطع معکوس جریان یابد. این مشخصه یک مکانیسم حفاظتی سه گانه را در حفاظت باتری لیتیومی تشکیل می دهد:

حفاظت ضد اتصال معکوس: دیودهای شاتکی (مانند MBR1045CT) به صورت سری در رابط شارژ یا طراحی مدار متصل می شوند. هنگامی که قطبیت برق معکوس می شود، دیود به طور خودکار قطع می شود تا از آسیب رساندن جریان برگشتی به سیستم مدیریت باتری (BMS) جلوگیری کند. بر اساس داده های آزمایشی از یک سازنده خودروهای انرژی جدید، میزان خرابی BMS ناشی از عملکرد نادرست پس از اتخاذ این راه حل تا 92 درصد کاهش یافت.
جداسازی قطبی: در یک سیستم سری چند سلولی، جداسازی فیزیکی بین مدار شارژ و مدار تخلیه از طریق یک آرایه دیود به دست می آید. به عنوان مثال، یک نیروگاه ذخیره انرژی خاص، طراحی دیود معکوس را اتخاذ می کند، که انتهای شارژ را از ماژول اینورتر یکسو کننده جدا می کند و از هدایت مداوم مدار تخلیه و افزایش دسترسی سیستم تا 40٪ اطمینان حاصل می کند.
حفاظت ضد جریان برگشتی: یک دیود TVS (مانند SMAJ5.0A) را به صورت موازی در انتهای خروجی مبدل DC/DC وصل کنید. هنگامی که ولتاژ در انتهای بار به طور غیر عادی افزایش می یابد، دیود به سرعت هدایت می شود تا مسیر تخلیه را تشکیل دهد و از باتری لیتیومی در برابر ضربه ولتاژ معکوس محافظت کند.
2. ویژگی های سوئیچینگ سریع: انقلاب بهره وری در سناریوهای فرکانس بالا
دیودهای شاتکی با ساختار اتصال نیمه هادی فلزی خود به زمان بازیابی معکوس نزدیک به صفر می رسند (Trr<10ns), demonstrating significant advantages in high-frequency switching power supplies

حفاظت جریان پیوسته: در توپولوژی Buck/Boost، دیودهای شاتکی (مانند SS34) به عنوان اجزای جریان پیوسته عمل می‌کنند و افت ولتاژ هدایت پایین آنها (VF ≈ 0.3V) تلفات سوئیچینگ را تا بیش از 60% کاهش می‌دهد. آزمایش واقعی یک سیستم مدیریت باتری پهپاد نشان می دهد که پس از اتخاذ این طرح، بازده تبدیل DC/DC از 88٪ به 94٪ افزایش یافته است.
جایگزینی یکسوسازی همزمان: در سناریوهای ولتاژ پایین و جریان بالا (مانند سیستم‌های ذخیره انرژی 48 ولت)، دیودهای شاتکی می‌توانند دیودهای بدنه را در طرح‌های یکسوسازی سنکرون سنتی MOSFET جایگزین کنند و نوسانات ناشی از شارژهای بازیابی معکوس (Qrr) و کاهش نویز EMI 15B سیستم را کاهش دهند.
3. ویژگی های شکست بهمن: دفاع نهایی در برابر اضافه ولتاژ گذرا
دیودهای TVS با پارامترهای کلیدی از جمله:

ولتاژ کلمپ (VC): باید کمتر از حداکثر مطلق ولتاژ نامی تراشه BMS باشد (به عنوان مثال برای سری STM32G4، VC باید<36V)
حداکثر توان پالس (PPP): طبق استاندارد IEC 61000-4-5، باید در برابر جریان موجی حداقل 100 آمپر تحت شکل موج 8/20 میکرو ثانیه مقاومت کند.
پس از استفاده از دیودهای SMBJ15CA TVS در یک سیستم ذخیره انرژی فتوولتائیک خاص، با موفقیت در برابر ولتاژ بالای گذرا 3000 ولت تولید شده توسط صاعقه مقاومت کرد و زمان بازه خرابی تجهیزات (MTBF) به 120000 ساعت افزایش یافت.
2، سناریوهای کاربردی معمولی و شیوه های مهندسی
1. طراحی مدار محافظ رابط شارژ
در انتهای ورودی وسیله نقلیه انرژی جدید OBC (شارژر داخلی)، یک مدار حفاظتی معمولی معماری حفاظتی سه سطحی را اتخاذ می کند:

حفاظت سطح اول: دیودهای سری شاتکی (مانند CBRD1045-40) برای جلوگیری از اتصال معکوس استفاده می شود و ولتاژ مقاومتی 40 ولت آنها نیازهای سیستم های 12 ولت / 24 ولت را پوشش می دهد.
حفاظت سطح دوم: دیودهای موازی TVS (مانند P6KE36CA) ولتاژ افزایش را سرکوب می کنند و ولتاژ گیره 36 ولت آنها با محدوده ورودی BMS مطابقت دارد.
حفاظت سطح سوم: استفاده از فیوزهای خود بازیابی (PPTC) برای دستیابی به حفاظت در برابر جریان اضافه، تشکیل حفاظت تکمیلی با دیودها
طبق داده‌های آزمایشی واقعی یک شرکت خودروسازی پیشرو، این راه‌حل میزان خرابی رابط شارژ را از 0.8 درصد به 0.12 درصد کاهش می‌دهد و هزینه‌های نگهداری سالانه را تا 23 میلیون یوان کاهش می‌دهد.
2. نوآوری در حفاظت متوازن در سطح سلولی
در ماژول باتری تسلا 4680، یک مدار متعادل کننده غیرفعال همراه با دیودهای شاتکی (مانند BAT54S) برای دستیابی به موارد زیر استفاده می شود:

کنترل جریان متعادل: با تنظیم افت ولتاژ هدایت دیود (VF ≈ 0.2V) و مقاومت متعادل کننده (R=10 Ω)، جریان متعادل به 200 میلی آمپر محدود می شود.
سرکوب گریز حرارتی: هنگامی که ولتاژ یک سلول باتری خاص به طور غیر عادی افزایش می یابد، دیود مدار تعادل مربوطه ترجیحا هدایت می شود و یک جریان بای پس برای جلوگیری از انتشار حرارتی تشکیل می دهد.
این طراحی عمر چرخه بسته باتری را تا 35 درصد افزایش می دهد و میزان پوسیدگی ظرفیت را از 0.8 درصد در ماه به 0.5 درصد کاهش می دهد.
3. بهینه سازی EMI سیستم شارژ بی سیم
در ماژول شارژ بی سیم 80W شیائومی، مشکل نویز فرکانس بالا از طریق راه حل ترکیبی دیود زیر حل می شود:

فرآیند یکسوسازی: دیودهای SiC Schottky (مانند C3D02060A) به جای دستگاه های سنتی مبتنی بر سیلیکون استفاده می شود که منجر به کاهش 80٪ در مقدار Qc می شود.
فرآیند فیلتر کردن: دیودهای سیگنال کوچک (مانند BAS70-04) را به صورت موازی در هر دو انتهای سیم پیچ فرستنده/دریافت کننده وصل کنید تا یک شبکه جذب RC تشکیل شود که نویز سوئیچ را تا 40 دسی بل سرکوب می کند.
مرحله حفاظت: از دیودهای حفاظتی ESD (مانند ESD5Z5.0T1) برای محافظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک با زمان پاسخگویی استفاده کنید.<1ns
آزمایش واقعی نشان داده است که این راه حل بازده انتقال سیستم را از 82٪ به 89٪ بهبود می بخشد و چرخه تست گواهینامه Qi2.0 را 60٪ کوتاه می کند.
3، روند توسعه صنعت و چالش های تکنولوژیکی
1. نوآوری مواد باعث پیشرفت در عملکرد می شود
دیود GaN Schottky: دستگاه eGaN FET که توسط شرکت EPC راه اندازی شد، با VF کاهش یافته به زیر 0.1 ولت و شارژ معکوس کاهش 90 درصدی، بر روی پلت فرم ولتاژ بالا 800 ولت BMW iX اعمال شده است.
ماژول هیبریدی SiC: نیمه هادی ROHM ماسفت SiC را با دیود شاتکی ادغام می کند و باعث می شود چگالی توان ماژول شارژ از 3 کیلووات در اینچ بیشتر شود.
2. ارتقاء الزامات حفاظت هوشمند
دیود کنترل دیجیتال: TPD2E007 که توسط شرکت TI راه اندازی شده است، ولتاژ گیره قابل برنامه ریزی را درک می کند و به صورت پویا آستانه حفاظت را از طریق رابط I2C تنظیم می کند.
یکپارچه‌سازی عملکرد خود عیب‌یابی: دیود Ansenmei NSD1624 دارای یک سنسور دمای داخلی است که به‌طور خودکار عمل حفاظتی را هنگامی که دمای اتصال از 150 درجه فراتر می‌رود فعال می‌کند.
3. استانداردسازی و چالش های قابلیت اطمینان
گواهینامه سطح خودرو: استاندارد AEC-Q101 مستلزم آن است که دیودها دارای دریفت VF باشند.<5mV/℃ within the temperature range of -40 ℃~150 ℃
مشخصات تست عمر: استاندارد IEC 60747-1 100000 تست چرخه سوئیچ را اضافه می کند که به نرخ تغییر Trr نیاز دارد.<20%