Cum previn diodele descărcarea inversă a bateriilor în BMS?

一, Pericolele și cerințele de protecție ale descărcării inverse
Descărcarea inversă a unei baterii se referă la fenomenul în care polii pozitivi și negativi ai bateriei sunt inversați în polaritate cu sarcina sau sursa de alimentare, determinând curgerea curentului în direcția opusă. În aplicațiile cu baterii cu litiu, descărcarea inversă poate provoca următoarele consecințe grave:

Deteriorarea structurii bateriei: Depunerea excesivă a ionilor de litiu pe electrodul negativ formează dendrite de litiu, străpungând separatorul și provocând un scurtcircuit;
Risc de evadare termică: curentul invers generează căldură Joule, accelerează descompunerea electroliților și poate provoca incendiu sau explozie;
Funcționare defectuoasă la nivel de sistem: tensiunea inversă poate deteriora componentele de precizie, cum ar fi cipul de control principal BMS și AFE (fața-analogică).
În conformitate cu cerințele standardului GB/T 38661-2020, BMS trebuie să mențină integritatea funcțională sub tensiune inversă de -14V și să reziste la impactul tranzitoriu de -220V în testul de impuls ISO7637. Această cerință strictă obligă inginerii să adopte scheme fiabile de protecție inversă.

2, Principiul tehnic al diodei anti descărcare inversă
1. Mecanismul de bază de conductivitate unidirecțională
Caracteristica de bază a unei diode este de a permite curentului să curgă de la anod (A) la catod (K) în timp ce se blochează în direcția opusă. După conectarea unei diode în serie cu borna de intrare a puterii BMS, când polaritatea puterii este corectă, dioda este într-o stare de conducție directă, permițând curentului să treacă; Când sursa de alimentare este inversată, dioda se oprește în sens invers, blocând direct calea curentului.

Cazuri tipice de aplicare:
Placa de control BMS a Tesla Model 3 adoptă dioda Schottky (pachet SMA, tensiune de rezistență inversă 40V) ca dispozitiv principal de conexiune inversă. Această schemă utilizează caracteristica scăzută a căderii de tensiune directă a diodelor Schottky la aproximativ 0,3 V, rezultând o pierdere de numai 30 W la curent de 100 A, ceea ce este cu 40% mai eficient-din energie decât schemele obișnuite de diode.

2. Protecție colaborativă a suprimării tensiunii tranzitorii (TVS)
Schema simplă de diode are două dezavantaje:

Tensiune de rezistență inversă limitată (diode obișnuite de obicei<200V)
Nu pot face față impulsurilor tranzitorii de{0}}înaltă tensiune
Prin urmare, industria adoptă în general o arhitectură de protecție compozită „TVS+diode”:

Dioda TVS: conectată în paralel la terminalul de intrare de alimentare, cu un timp de răspuns de<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Diodă anti-invers: în serie conectată la capătul din spate al TVS, responsabilă pentru funcția de decuplare inversă continuă.
Exemplu de proiectare BMS pentru un anumit sistem de stocare a energiei:
În sistemul de 48 V, un TVS de 6600 W (tensiune de clemă 35,5 V) ambalat în DO-218AB este combinat cu o diodă rezistentă la tensiune de 400 V. Această schemă a trecut testul ISO7637 Pulse 5a (generând o tensiune înaltă tranzitorie de 35V când sistemul de 12V este descărcat), îndeplinește în același timp cerința unei tensiuni inverse continue de -100V.

3, Parametrii tehnici cheie pentru selectarea dispozitivului
1. Rezistența la tensiune inversă (VRRM)
Trebuie să îndeplinească:

VRRM Mai mare sau egal cu 1,2×Vsystem_max
De exemplu, într-un sistem de baterii de 60 V, ar trebui selectate diode cu VRRM mai mare sau egal cu 72 V. Aplicațiile de calitate auto trebuie, de asemenea, să ia în considerare cerința de tensiune inversă continuă de -14V în standardul ISO16750.

2. Căderea tensiunii de conducere directă (VF)
În scenariile cu curent ridicat, VF afectează direct eficiența sistemului:

Diodă de siliciu obișnuită: 0,7-1,1V (pierderea ajunge la 70-110W la 100A)
Dioda Schottky: 0,2-0,5 V (pierdere redusă cu 60%)
Schema MOS de rectificare sincronă:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Date despre industrie:
La un curent de descărcare de 200A, utilizarea diodelor Schottky poate reduce pierderile de căldură cu 100W comparativ cu diodele obișnuite, rezultând o reducere cu 30% a costurilor de proiectare a disipării căldurii BMS.
4, Tendințele industriei și evoluția tehnologică
1. Disputa cu privire la soluțiile de înlocuire a tubului MOS
Deși schema de conectare anti-revers PMOS are avantajul căderii de tensiune zero (rezistența la pornire RDS (pornit) poate fi de până la 0,5 m Ω), are trei dezavantaje majore:

Tensiune de rezistență inversă limitată (de obicei PMOS de calitate auto<100V)
Cost mai mare (de 3-5 ori mai mare decât diodele cu aceeași specificație)
Există o întârziere a căderii de tensiune în momentul deconectării
Date de măsurare reale:
Un test BMS a arătat că atunci când sursa de alimentare se deconectează brusc, schema PMOS face ca tensiunea condensatorului backend să scadă cu o rată de 10V/ms, ceea ce poate declanșa o funcționare greșită a protecției de joasă tensiune; Schema de diode poate întrerupe imediat circuitul.

2. Aplicarea de fuziune a dispozitivelor noi
Industria explorează următoarele soluții inovatoare:

Diodă Schottky SiC: rezistență la tensiune crescută la 650 V, VF redusă la 0,8 V, potrivită pentru scenarii de încărcare rapidă de-înaltă tensiune;
Modul inteligent de diodă: integrează protecția inversă, detectarea supratemperaturii și funcțiile de raportare a stării, simplificând designul BMS;
Tehnologia comutatorului MEMS: folosind sisteme microelectromecanice pentru a obține blocarea inversă fără pierderi, dar în prezent costul este prea mare.
3. Rolul de promovare al standardelor și reglementărilor
ISO 26262 Siguranță funcțională: necesită ca circuitele anti-revers să aibă un design de redundanță ASIL-B;
GB/T 38031-2021: Se cere în mod explicit ca BMS să întrerupă circuitul în decurs de 1 secundă atunci când este conectat invers;
UL 2580: Se stipulează că bateriile trebuie să aibă capacitatea de blocare bidirecțională a curentului.
5, Analiza scenariilor tipice de aplicare
1. BMS pentru vehicule cu energie nouă
Bateria cu lamă BYD BMS adoptă trei-nivele de protecție „TVS+diodă Schottky+siguranță cu recuperare automată”:

Nivelul 1: Tensiune înaltă tranzitorie cu clemă TVS de 1500 W
A doua etapă: întreruperea inversă a diodei Schottky 40V
Nivelul 3: PPTC implementează protecție de recuperare automată la supracurent
Această schemă a trecut toate testele de puls conform ISO7637, cu un timp de răspuns de protecție inversă mai mic de 50ns.

2. Sistem de stocare a energiei BMS
BMS de stocare a energiei de 48 V de la CATL adoptă în mod inovator o soluție hibridă „back-to-back MOS+diode”:

Calea de încărcare: PMOS realizează o conducție de cădere de tensiune zero
Calea de descărcare: dioda asigură izolarea inversă
Optimizarea costurilor: MOS de descărcare este înlocuit cu diode, reducând costurile sistemului cu 18%
6, Provocări tehnologice și direcții de dezvoltare
Industria actuală se confruntă cu două contradicții principale:

Echilibrarea eficienței și siguranței: dispozitivele cu VF scăzute (cum ar fi diodele GaN) au costuri ridicate;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, în timp ce tensiunea maximă de prindere a televizoarelor existente este de numai 660V.
Dezvoltarea tehnologică viitoare se va concentra pe:

Aplicarea pe scară largă a materialelor cu bandgap largă (SiC/GaN);
Tehnologia de protecție digitală (cum ar fi predicția defecțiunilor bazată pe AI);
Design modul standardizat (cum ar fi nuclee IP de protecție care respectă specificațiile AUTOSAR).