Czy awaria diody wpłynie na żywotność baterii?

一, Podstawowa funkcja i ryzyko awarii diod w systemach akumulatorowych
Podstawowa funkcja diody
Diody pełnią głównie trzy funkcje w układach akumulatorowych:

Zabezpieczenie przed odwrotnym ładowaniem: zapobiega odwrotnemu rozładowaniu akumulatora do obwodów zewnętrznych w stanie nieładowanym, unikając degradacji pojemności spowodowanej nadmiernym rozładowaniem akumulatora. Na przykład w fotowoltaicznych systemach magazynowania energii diody zapobiegające odwrotnemu ładowaniu mogą blokować drogę odwrotnego rozładowania akumulatora w nocy przez panele fotowoltaiczne.
Kontrola obwodu równoważącego: W obwodzie równoważącym pakietu akumulatorów diody służą do izolowania uszkodzonych ogniw i zapobiegania wpływowi przeładowania lub nadmiernego rozładowania na ogólną wydajność pakietu. Na przykład akumulator Tesli Model S wykorzystuje diody bocznikowe, aby osiągnąć równoważenie poziomu ogniw.
Zabezpieczenie przed zaciskami napięciowymi: W BMS diody współpracują z regulatorami napięcia w celu ograniczenia zakresu wahań napięcia akumulatora oraz zapobiegania uszkodzeniom ogniw akumulatora na skutek przepięcia lub podnapięcia.
Typowe rodzaje uszkodzeń diod
Istnieją trzy główne typy uszkodzeń diod:

Awaria przewodności jednokierunkowej: niemożność przewodzenia w kierunku do przodu lub wyciek do tyłu, powodujący utratę funkcji obwodu. Na przykład, gdy dioda zapobiegająca ładowaniu wstecznemu jest otwarta w kierunku do przodu, akumulatora nie można naładować; Gdy nastąpi awaria odwrotna, akumulator nadal się rozładowuje.
Dryf parametrów: Wzrost spadku napięcia w kierunku przewodzenia (VF) lub nadmierny prąd upływu wsteczny (IR) może prowadzić do zmniejszenia wydajności systemu. Na przykład, gdy napięcie diody Schottky'ego VF wzrośnie z 0,3 V do 0,6 V, pobór mocy obwodu równoważącego podwaja się.
Ucieczka termiczna: Przetężenie lub przepięcie może spowodować, że temperatura złącza diody przekroczy 150 stopni, co prowadzi do karbonizacji, a nawet stopienia materiału opakowaniowego. Na przykład w pewnym systemie magazynowania energii doszło do niekontrolowanej ucieczki termicznej sąsiednich ogniw z powodu przegrzania diody obejściowej.
2, Ścieżka wpływu awarii diody na żywotność akumulatora
Uszkodzenia spowodowane przeładowaniem/nadmiernym rozładowaniem
Gdy dioda zapobiegająca ładowaniu wstecznemu ulegnie uszkodzeniu, akumulator może zostać przeładowany/nadmiernie rozładowany z powodu napięcia wstecznego w obwodzie zewnętrznym lub błędów sterowania BMS. Na przykład:

Uszkodzenia spowodowane nadmiernym ładowaniem: w przypadku przeładowania akumulatorów litowo-jonowych struktura materiału elektrody dodatniej zapada się, a elektrolit rozkłada się, tworząc gaz, co prowadzi do pęcznienia akumulatora i spadku jego pojemności. Eksperymenty wykazały, że w przypadku przeładowania do 4,5 V, tempo spadku pojemności trójskładnikowych baterii litowych jest trzy razy szybsze niż w przypadku normalnego ładowania.
Uszkodzenie spowodowane nadmiernym rozładowaniem: Gdy akumulator jest rozładowany poniżej 2,5 V, ujemny miedziany kolektor prądu rozpuszcza się i osadza na elektrodzie dodatniej, tworząc dendryty miedzi i powodując wewnętrzne zwarcia. Studium przypadku pojazdu elektrycznego wykazało, że żywotność akumulatora rozładowanego do 2,0 V spadła z 1000 do 300 razy.
Tłumienie wydajności spowodowane awarią wagi
W akumulatorze awaria diody może spowodować awarię obwodu równoważącego, prowadząc do „efektu beczki”:

Przeładowanie/rozładowanie pojedynczego ogniwa: Jeżeli ogniwo nie może uczestniczyć w bilansowaniu ze względu na otwartą diodę, jego napięcie może odbiegać od średniej wartości całej grupy. Przykładowo w układzie magazynowania energii na skutek awarii diody balansującej pojedyncze ogniwo zostało przeładowane do napięcia 4,3 V, a cała pojemność grupy spadła o 20% po 200 cyklach.
Nierównowaga wydajności całej grupy: Długoterminowe zaburzenie równowagi może prowadzić do wzrostu zmienności pojemności ogniwa. Badania pokazują, że gdy odchylenie standardowe pojemności ogniwa akumulatora wzrasta z 0,5% do 2%, całkowity cykl życia grupy skraca się o 40%.
Przyspieszenie starzenia spowodowane awarią zarządzania temperaturą
Awaria diody może spowodować miejscowe przegrzanie i przyspieszyć starzenie się akumulatora:

Reakcja łańcuchowa niekontrolowanej temperatury: Kiedy dioda bocznikowa się przegrzewa, ciepło jest przekazywane do sąsiednich ogniw, wywołując reakcje uboczne, takie jak rozkład warstwy SEI i rozkład elektrolitu. Na przykład w pewnym systemie magazynowania energii fotowoltaicznej na skutek przegrzania diody temperatura sąsiednich ogniw wzrosła do 80 stopni, a tempo spadku pojemności było 5 razy szybsze niż w przypadku normalnych ogniw.
Uszkodzenia na skutek naprężenia termicznego: Powtarzające się szoki termiczne mogą powodować pękanie klapek ogniwa i kurczenie się membrany. Eksperymenty wykazały, że po 10 cyklach termicznych od 60 stopni do 25 stopni, szybkość spadku pojemności ogniwa akumulatora wzrasta o 15%.
3, Studia przypadków branżowych i wsparcie danych
1. Pole pojazdu elektrycznego: awaria akumulatora Tesla Model S
W 2018 roku Tesla wycofała niektóre modele Modelu S ze względu na ukryte wady diody zapobiegającej odwrotnemu ładowaniu w BMS. Przyczyna awarii:

Zjawisko nadmiernego rozładowania: w 12% pojazdów dochodzi do nadmiernego rozładowania akumulatora do poziomu poniżej 2,0 V, co powoduje spadek całej pojemności do 60% wartości początkowej.
Ryzyko niestabilności termicznej: w 3% pojazdów dochodzi do niekontrolowanej ucieczki termicznej ogniw akumulatora z powodu przegrzania diody, wymagającej wymiany całego zestawu akumulatorów.
Tesla zmniejszyła wskaźnik awaryjności do poniżej 0,2% poprzez ulepszenie doboru diod (zastąpienie 1N4007 diodami Schottky'ego o napięciu wytrzymywanym 1000 V i prądzie wytrzymywanym 50 A) oraz optymalizację projektu rozpraszania ciepła.
2. Obszar systemów magazynowania energii: przedwczesne starzenie się pakietu akumulatorów elektrowni fotowoltaicznej
W 2023 r. pojemność pakietu akumulatorów litowo-jonowych w elektrowni fotowoltaicznej o mocy 5 MW we wschodnich Chinach spadła o 80% po 2 latach pracy, czyli znacznie poniżej projektowanego okresu trwałości wynoszącego 10 lat. Po dochodzeniu ustalono, że:

Zrównoważony upływ diody: Niektóre diody doświadczają wstecznego prądu upływowego do 100 μA (wartość standardowa<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Awaria zarządzania temperaturą: Przegrzanie diody powoduje wzrost temperatury sąsiednich ogniw do 55 stopni, przyspieszając pogrubienie warstwy SEI.
Dzięki wymianie diody o niskim wycieku (seria BAS70) i ​​optymalizacji konstrukcji kanału powietrznego, tempo spadku wydajności systemu zostało zmniejszone do 5% rocznie.
3. Obszar elektroniki użytkowej: Nieprawidłowa żywotność baterii RTC
Pewien sterownik przemysłowy wykorzystuje baterie CR2025 do zasilania zegara RTC i ma przewidywaną żywotność 5 lat, ale po 6 miesiącach faktycznego użytkowania pojawia się monit o wymianę. Znaleziono wykrycie:

Upływ wsteczny diody: Prąd upływu wsteczny diody zapobiegającej ładowaniu wstecznemu osiąga 5 μA (wartość standardowa<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Błąd logiki chipa RTC: Produkowany w kraju chip RTC omyłkowo wszedł w tryb pracy w trybie zasilania w trybie gotowości, przy poborze mocy 100 μA.
Dzięki wymianie diody o niskim wycieku (1N4148) i optymalizacji doboru chipa RTC żywotność baterii została przywrócona do wartości projektowej.
4, Schematy optymalizacyjne w praktyce inżynierskiej
1. Optymalizacja selekcji
Parametry rezystancji napięciowej i prądowej: Napięcie znamionowe diody powinno być większe lub równe 1,5-krotności maksymalnego napięcia układu, a prąd znamionowy powinien być większy lub równy 2-krotności maksymalnego prądu roboczego. Przykładowo w układzie akumulatorowym 48V należy zastosować diody o rezystancji napięciowej 100V i rezystancji prądowej 20A.
Niska charakterystyka upływu: Najlepiej wybrać diody Schottky'ego z wstecznym prądem upływowym<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Kontrola oporu termicznego: Wybierz formę opakowania o oporze cieplnym wynoszącym<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Projekt rozpraszania ciepła
Wymuszone chłodzenie powietrzem: Zainstaluj wentylatory w obszarach o gęstych diodach, z prędkością wiatru większą lub równą 2 m/s i kontroluj temperaturę złącza poniżej 85 stopni.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K), aby zmniejszyć opór cieplny.
Optymalizacja układu: Odległość pomiędzy diodą a ogniwem akumulatora powinna być większa niż 10 mm, aby uniknąć wpływu promieniowania cieplnego.
3. Monitoring i ochrona
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 stopni.
Redundantna konstrukcja: podwójne diody są połączone równolegle na ścieżce krytycznej, aby poprawić niezawodność. Na przykład Tesla Powerwall przyjmuje system podwójnej diody zapobiegający ładowaniu wstecznemu.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.