آیا خرابی دیود بر عمر چرخه باتری تأثیر می گذارد؟

一، عملکرد اصلی و خطر خطای دیودها در سیستم های باتری
عملکرد اصلی یک دیود
دیودها عمدتاً سه عملکرد را در سیستم های باتری انجام می دهند:

حفاظت ضد شارژ معکوس: از تخلیه معکوس باتری به مدارهای خارجی در حالت غیر شارژ جلوگیری می کند و از کاهش ظرفیت ناشی از تخلیه بیش از حد باتری جلوگیری می کند. به عنوان مثال، در سیستم های ذخیره انرژی فتوولتائیک، دیودهای ضد شارژ معکوس می توانند مسیر تخلیه معکوس باتری در شب را از طریق پانل های فتوولتائیک مسدود کنند.
کنترل مدار تعادل: در مدار تعادل بسته باتری، از دیودها برای جداسازی سلول های معیوب و جلوگیری از تاثیر شارژ یا تخلیه بیش از حد بر عملکرد کلی بسته استفاده می شود. به عنوان مثال، بسته باتری تسلا مدل S از دیودهای بای پس برای رسیدن به تعادل سطح سلولی استفاده می کند.
حفاظت از گیره ولتاژ: در BMS، دیودها با تنظیم کننده های ولتاژ همکاری می کنند تا دامنه نوسانات ولتاژ باتری را محدود کنند و از آسیب به سلول های باتری ناشی از اضافه ولتاژ یا کمبود ولتاژ جلوگیری کنند.
حالت های معمولی خطاهای دیود
سه نوع اصلی از خطاهای دیود وجود دارد:

شکست رسانایی یک جهته: ناتوانی در هدایت در جهت رو به جلو یا نشتی معکوس که منجر به از بین رفتن عملکرد مدار می شود. به عنوان مثال، هنگامی که دیود ضد شارژ معکوس در جهت رو به جلو مدار باز است، باتری نمی تواند شارژ شود. هنگامی که خرابی معکوس رخ می دهد، باتری به تخلیه خود ادامه می دهد.
دریفت پارامتر: افزایش افت ولتاژ رو به جلو (VF) یا جریان نشتی معکوس بیش از حد (IR) می تواند منجر به کاهش راندمان سیستم شود. به عنوان مثال، هنگامی که دیود شاتکی VF از 0.3 ولت به 0.6 ولت افزایش می یابد، مصرف برق مدار متعادل کننده دو برابر می شود.
فرار حرارتی: جریان بیش از حد یا اضافه ولتاژ می تواند باعث شود که دمای اتصال دیود از 150 درجه بیشتر شود و منجر به کربن شدن یا حتی ذوب شدن مواد بسته بندی شود. به عنوان مثال، یک سیستم ذخیره انرژی خاص به دلیل گرم شدن بیش از حد دیود بای پس، فرار حرارتی سلول های مجاور را تجربه کرد.
2، مسیر تاثیر شکست دیود بر عمر چرخه باتری
آسیب شارژ بیش از حد / تخلیه بیش از حد
هنگامی که دیود ضد شارژ معکوس خراب می شود، ممکن است باتری به دلیل ولتاژ معکوس مدار خارجی یا خطاهای کنترل BMS بیش از حد شارژ/دشارژ شود. به عنوان مثال:

آسیب ناشی از شارژ بیش از حد: وقتی باتری‌های لیتیوم{0} یون بیش از حد شارژ می‌شوند، ساختار ماده الکترود مثبت فرو می‌ریزد و الکترولیت تجزیه می‌شود و گاز تولید می‌کند که منجر به تورم باتری و کاهش ظرفیت می‌شود. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که وقتی بیش از حد تا 4.5 ولت شارژ می‌شوند، میزان کاهش ظرفیت باتری‌های لیتیومی سه‌گانه سه برابر سریع‌تر از شارژ معمولی است.
آسیب تخلیه بیش از حد: هنگامی که باتری زیر 2.5 ولت تخلیه می شود، کلکتور جریان مس منفی حل می شود و روی الکترود مثبت رسوب می کند و دندریت های مسی را تشکیل می دهد و باعث اتصال کوتاه داخلی می شود. مطالعه موردی یک وسیله نقلیه الکتریکی نشان داد که عمر چرخه یک بسته باتری تخلیه شده به 2.0 ولت از 1000 بار به 300 بار کاهش یافته است.
کاهش ظرفیت ناشی از شکست تعادل
در بسته باتری، خرابی دیود ممکن است باعث از کار افتادن مدار تعادل شود و منجر به "اثر بشکه" شود:

شارژ/تخلیه بیش از حد سلول تک سلولی: اگر یک سلول به دلیل باز بودن دیود نتواند در تعادل شرکت کند، ولتاژ آن ممکن است از مقدار متوسط ​​کل گروه منحرف شود. به عنوان مثال، در یک سیستم ذخیره انرژی، به دلیل خرابی دیود متعادل کننده، یک سلول تک تا 4.3 ولت بیش از حد شارژ شد و کل ظرفیت گروه پس از 200 سیکل 20٪ کاهش یافت.
عدم تعادل ظرفیت کل گروه: شکست طولانی مدت تعادل می تواند منجر به افزایش تنوع ظرفیت سلولی شود. تحقیقات نشان می دهد که وقتی انحراف استاندارد ظرفیت سلول باتری از 0.5٪ به 2٪ افزایش می یابد، عمر چرخه کلی گروه تا 40٪ کاهش می یابد.
شتاب پیری ناشی از شکست مدیریت حرارتی
خرابی دیود ممکن است باعث گرمای بیش از حد موضعی شود و پیری باتری را تسریع کند:

واکنش زنجیره ای فرار حرارتی: هنگامی که دیود بای پس بیش از حد گرم می شود، گرما به سلول های مجاور منتقل می شود و باعث واکنش های جانبی مانند تجزیه فیلم SEI و تجزیه الکترولیت می شود. به عنوان مثال، در یک سیستم ذخیره انرژی فتوولتائیک خاص، به دلیل گرمای بیش از حد دیود، دمای سلول های مجاور به 80 درجه افزایش یافت و سرعت پوسیدگی ظرفیت 5 برابر سریعتر از سلول های معمولی بود.
آسیب استرس حرارتی: شوک های حرارتی مکرر می تواند باعث شکستگی زبانه سلول و انقباض دیافراگم شود. آزمایشات نشان داده است که پس از 10 چرخه حرارتی از 60 درجه به 25 درجه، میزان پوسیدگی ظرفیت سلول باتری 15٪ افزایش می یابد.
3، مطالعات موردی صنعت و پشتیبانی از داده ها
1. میدان خودروی الکتریکی: خرابی بسته باتری تسلا مدل S
در سال 2018، تسلا برخی از مدل های مدل S را به دلیل نقص پنهان در دیود ضد شارژ معکوس در BMS فراخوان کرد. نقص عملکرد باعث:

پدیده تخلیه بیش از حد: 12٪ از وسایل نقلیه تخلیه بیش از حد باتری را تا زیر 2.0 ولت تجربه می کنند، که باعث می شود کل ظرفیت تا 60٪ مقدار اولیه آن کاهش یابد.
خطر فرار حرارتی: 3٪ از وسایل نقلیه به دلیل گرم شدن بیش از حد دیود، سلول‌های باتری را دچار فرار حرارتی می‌کنند که نیاز به تعویض کل بسته باتری دارد.
تسلا با ارتقای انتخاب دیود (به جای 1N4007 با دیودهای شاتکی با ولتاژ مقاومت 1000 ولت و جریان مقاومت 50 آمپر) و بهینه سازی طراحی اتلاف گرما، میزان خرابی را به زیر 0.2 درصد کاهش داده است.
2. زمینه سیستم ذخیره انرژی: پیری زودرس بسته باتری نیروگاه فتوولتائیک
در سال 2023، بسته باتری لیتیوم{1} یون یک نیروگاه فتوولتائیک 5 مگاواتی در شرق چین پس از 2 سال کارکرد، کاهش ظرفیت 80 درصدی را تجربه کرد که بسیار کمتر از طول عمر طراحی 10 ساله بود. پس از بررسی مشخص شد که:

نشتی متعادل دیود: برخی از دیودها جریان نشتی معکوس تا 100 میکرو آمپر را تجربه می کنند (مقدار استاندارد<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
شکست مدیریت حرارتی: گرمای بیش از حد دیود باعث می شود دمای سلول های مجاور به 55 درجه افزایش یابد و ضخیم شدن لایه SEI را تسریع کند.
با تعویض دیود کم نشتی (سری BAS70) و بهینه سازی طراحی کانال هوا، میزان پوسیدگی ظرفیت سیستم به 5% در سال کاهش یافته است.
3. زمینه لوازم الکترونیکی مصرفی: عمر باتری RTC غیرعادی
یک کنترل‌کننده صنعتی خاص از باتری‌های CR2025 برای تغذیه RTC با طول عمر طراحی‌شده 5 سال استفاده می‌کند، اما پس از 6 ماه استفاده واقعی، تعویض می‌شود. تشخیص پیدا شد:

نشتی معکوس دیود: جریان نشتی معکوس دیود ضد شارژ معکوس به 5 میکرو آمپر می رسد (مقدار استاندارد<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
خطای منطقی تراشه RTC: تراشه RTC تولید داخل به اشتباه در حالت آماده به کار با توان مصرفی 100 میکرو آمپر وارد حالت کار شده است.
با جایگزینی دیود نشتی کم (1N4148) و بهینه سازی انتخاب تراشه RTC، عمر باتری به مقدار طراحی بازیابی شد.
4، طرح های بهینه سازی در عمل مهندسی
1. بهینه سازی انتخاب
پارامترهای مقاومت ولتاژ و جریان: ولتاژ نامی دیود باید بزرگتر یا مساوی 1.5 برابر حداکثر ولتاژ سیستم باشد و جریان نامی باید بزرگتر یا مساوی 2 برابر حداکثر جریان عملیاتی باشد. به عنوان مثال، یک سیستم باتری 48 ولت باید از دیودهایی با مقاومت ولتاژ 100 ولت و مقاومت جریان 20 آمپر استفاده کند.
ویژگی های نشتی کم: ترجیحا دیودهای شاتکی با جریان نشتی معکوس را انتخاب کنید<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
کنترل مقاومت حرارتی: یک فرم بسته بندی با مقاومت حرارتی انتخاب کنید<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. طراحی اتلاف حرارت
خنک کننده هوای اجباری: فن ها را در مناطقی با دیودهای متراکم با سرعت باد بیشتر یا مساوی 2 متر بر ثانیه نصب کنید و دمای محل اتصال را زیر 85 درجه کنترل کنید.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) برای کاهش مقاومت حرارتی.
بهینه سازی چیدمان: فاصله بین دیود و سلول باتری باید بیشتر از 10 میلی متر باشد تا از تأثیر تابش حرارتی جلوگیری شود.
3. نظارت و حفاظت
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 درجه
طراحی اضافی: دیودهای دوگانه به صورت موازی در مسیر بحرانی به منظور بهبود قابلیت اطمینان متصل می شوند. به عنوان مثال، تسلا پاوروال از یک طرح ضد شارژ معکوس دیودی دوگانه استفاده می کند.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.