Defectarea diodei va afecta durata de viață a bateriei?

一, Funcția de bază și riscul de defecțiune al diodelor din sistemele de baterii
Funcția de bază a unei diode
Diodele îndeplinesc în principal trei funcții în sistemele de baterii:

Protecție anti-încărcare inversă: previne descărcarea inversă a bateriei către circuitele externe în stare de neîncărcare, evitând degradarea capacității cauzată de descărcarea excesivă a bateriei. De exemplu, în sistemele de stocare a energiei fotovoltaice, diodele anti-încărcare inversă pot bloca calea de descărcare inversă a bateriei pe timp de noapte prin panourile fotovoltaice.
Controlul circuitului de echilibrare: În circuitul de echilibrare a pachetului de baterii, diodele sunt utilizate pentru a izola celulele defecte și pentru a preveni supraîncărcarea sau supradescărcarea să afecteze performanța generală a pachetului. De exemplu, acumulatorul Tesla Model S folosește diode bypass pentru a realiza echilibrarea nivelului celulelor.
Protecția clemei de tensiune: în BMS, diodele cooperează cu regulatoarele de tensiune pentru a limita intervalul de fluctuații ale tensiunii bateriei și pentru a preveni deteriorarea celulelor bateriei cauzate de supratensiune sau subtensiune.
Moduri tipice de defecțiuni ale diodei
Există trei tipuri principale de defecte de diodă:

Eșecul conductivității unidirecționale: incapacitatea de a conduce în direcția înainte sau scurgere inversă, ceea ce duce la pierderea funcției circuitului. De exemplu, când dioda anti-încărcare inversă este deschisă în circuit în direcția înainte, bateria nu poate fi încărcată; Când are loc o defecțiune inversă, bateria continuă să se descarce.
Derivarea parametrilor: O creștere a căderii de tensiune directă (VF) sau a curentului de scurgere inversă excesiv (IR) poate duce la o scădere a eficienței sistemului. De exemplu, atunci când dioda Schottky VF crește de la 0,3 V la 0,6 V, consumul de energie al circuitului de echilibrare se dublează.
Fuga termică: Supracurent sau supratensiune pot cauza temperatura de joncțiune a diodei să depășească 150 de grade, ducând la carbonizarea sau chiar topirea materialului de ambalare. De exemplu, un anumit sistem de stocare a energiei a experimentat evadarea termică a celulelor adiacente din cauza supraîncălzirii diodei de bypass.
2, Calea impactului defecțiunii diodei asupra ciclului de viață a bateriei
Daune prin supraîncărcare/supra descărcare
Când dioda anti-încărcare inversă se defectează, bateria poate fi supraîncărcată/supradescărcată din cauza tensiunii inverse a circuitului extern sau a erorilor de control BMS. De exemplu:

Daune la supraîncărcare: când bateriile cu litiu-ion sunt supraîncărcate, structura materialului electrodului pozitiv se prăbușește, iar electrolitul se descompune pentru a produce gaz, ceea ce duce la umflarea bateriei și la degradarea capacității. Experimentele au arătat că atunci când sunt supraîncărcate la 4,5 V, rata de decădere a capacității bateriilor ternare cu litiu este de trei ori mai rapidă decât încărcarea normală.
Deteriorări de supradescărcare: Când bateria este descărcată sub 2,5 V, colectorul de curent negativ din cupru se dizolvă și se depune pe electrodul pozitiv, formând dendrite de cupru și provocând scurtcircuite interne. Un studiu de caz al unui vehicul electric a arătat că durata de viață a unui pachet de baterii descărcat la 2,0 V a scăzut de la 1000 de ori la 300 de ori.
Atenuarea capacității cauzată de defecțiunea echilibrului
Într-un pachet de baterii, defecțiunea diodei poate duce la defectarea circuitului de echilibrare, ceea ce duce la „efectul de butoi”:

Supraîncărcare/supradescărcare cu o singură celulă: Dacă o celulă nu poate participa la echilibrare din cauza unei diode deschise, tensiunea sa se poate abate de la valoarea medie a întregului grup. De exemplu, într-un sistem de stocare a energiei, din cauza defecțiunii diodei de echilibrare, o singură celulă a fost supraîncărcată la 4,3V, iar întreaga capacitate a grupului a scăzut cu 20% după 200 de cicluri.
Dezechilibrul capacității întregului grup: Eșecul echilibrului pe termen lung poate duce la o creștere a variabilității capacității celulei. Cercetările arată că atunci când abaterea standard a capacității celulei bateriei crește de la 0,5% la 2%, ciclul de viață general al grupului este scurtat cu 40%.
Accelerarea îmbătrânirii cauzată de defecțiunea managementului termic
Defecțiunea diodei poate provoca supraîncălzirea locală și poate accelera îmbătrânirea bateriei:

Reacție termică în lanț: Când dioda de bypass se supraîncălzi, căldura este transferată către celulele adiacente, declanșând reacții secundare, cum ar fi descompunerea filmului SEI și descompunerea electrolitului. De exemplu, într-un anumit sistem de stocare a energiei fotovoltaice, din cauza supraîncălzirii diodei, temperatura celulelor adiacente a crescut la 80 de grade, iar rata de decădere a capacității a fost de 5 ori mai rapidă decât cea a celulelor normale.
Daune cauzate de stres termic: șocurile termice repetate pot provoca ruperea urechii celulei și contracția diafragmei. Experimentele au arătat că după 10 cicluri termice de la 60 de grade la 25 de grade, rata de decădere a capacității celulei bateriei crește cu 15%.
3, Studii de caz în industrie și suport pentru date
1. Domeniul vehiculului electric: defecțiune a acumulatorului Tesla Model S
În 2018, Tesla a rechemat unele modele Model S din cauza defectelor ascunse ale diodei antiîncărcare inversă din BMS. Defecțiune care cauzează:

Fenomen de supradescărcare: 12% dintre vehicule se confruntă cu o supradescărcare a bateriei sub 2,0 V, ceea ce face ca întreaga capacitate să scadă la 60% din valoarea sa inițială.
Risc de evaporare termică: 3% dintre vehicule se confruntă cu evadarea termică a celulelor bateriei din cauza supraîncălzirii diodei, necesitând înlocuirea întregului pachet de baterii.
Tesla a redus rata de eșec la sub 0,2% prin îmbunătățirea selecției diodelor (înlocuirea 1N4007 cu diode Schottky cu tensiune de rezistență de 1000V și curent de rezistență de 50A) și optimizarea designului de disipare a căldurii.
2. Domeniul sistemului de stocare a energiei: îmbătrânirea prematură a acumulatorului unei centrale fotovoltaice
În 2023, acumulatorul litiu-ion al unei centrale fotovoltaice de 5MW din China de Est a înregistrat o scădere a capacității de 80% după 2 ani de funcționare, cu mult sub durata de viață proiectată de 10 ani. În urma cercetărilor s-a constatat că:

Scurgere echilibrată a diodelor: Unele diode experimentează un curent de scurgere inversă de până la 100 μA (valoare standard<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Eșecul managementului termic: Supraîncălzirea diodei face ca temperatura celulelor adiacente să crească la 55 de grade, accelerând îngroșarea peliculei SEI.
Prin înlocuirea diodei cu scurgere redusă (seria BAS70) și optimizarea designului conductei de aer, rata de decădere a capacității sistemului a fost redusă la 5% pe an.
3. Câmpul electronice de consum: Durată de viață anormală a bateriei RTC
Un anumit controler industrial folosește baterii CR2025 pentru a alimenta RTC, cu o durată de viață proiectată de 5 ani, dar solicită înlocuirea după 6 luni de utilizare efectivă. Detectare găsită:

Scurgerea inversă a diodei: curentul de scurgere inversă al diodei antiîncărcare inversă atinge 5 μ A (valoare standard<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Eroare de logică a cipului RTC: Cipul RTC produs pe plan intern a intrat din greșeală în modul de lucru în modul de alimentare de așteptare, cu un consum de energie de 100 μA.
Prin înlocuirea diodei cu scurgere redusă (1N4148) și optimizarea selecției cipului RTC, durata de viață a bateriei a fost restabilită la valoarea de proiectare.
4, Scheme de optimizare în practica inginerească
1. Optimizarea selectiei
Parametrii de tensiune și rezistență la curent: Tensiunea nominală a diodei trebuie să fie mai mare sau egală cu 1,5 ori tensiunea maximă a sistemului, iar curentul nominal trebuie să fie mai mare sau egal cu de 2 ori curentul maxim de funcționare. De exemplu, un sistem de baterii de 48 V ar trebui să folosească diode cu o rezistență de tensiune de 100 V și o rezistență de curent de 20 A.
Caracteristici de scurgere redusă: Alegeți de preferință diode Schottky cu curent de scurgere inversă<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Controlul rezistenței termice: Alegeți o formă de ambalare cu o rezistență termică de<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Design de disipare a căldurii
Răcire forțată cu aer: Instalați ventilatoare în zonele cu diode dense, cu o viteză a vântului mai mare sau egală cu 2 m/s și controlați temperatura joncțiunii sub 85 de grade.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) pentru a reduce rezistența termică.
Optimizarea aspectului: Distanța dintre diodă și celula bateriei trebuie să fie mai mare de 10 mm pentru a evita influența radiației termice.
3. Monitorizare și protecție
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 de grade.
Design redundant: diodele duble sunt conectate în paralel pe calea critică pentru a îmbunătăți fiabilitatea. De exemplu, Tesla Powerwall adoptă o schemă antiîncărcare inversă cu diodă dublă.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.