Diyotlar BMS'deki pillerin ters deşarjını nasıl önler?

一, Ters deşarjın tehlikeleri ve koruma gereksinimleri
Bir pilin ters deşarjı, pilin pozitif ve negatif kutuplarının yük veya güç kaynağı ile kutuplarının ters çevrilmesi ve akımın ters yönde akmasına neden olması olgusunu ifade eder. Lityum pil uygulamalarında ters deşarj aşağıdaki ciddi sonuçlara neden olabilir:

Pil yapısında hasar: Lityum iyonlarının negatif elektrot üzerinde aşırı birikmesi, lityum dendritleri oluşturarak ayırıcıyı delerek kısa devreye neden olur;
Termal kaçak riski: Ters akım Joule ısısı üretir, elektrolitin ayrışmasını hızlandırır ve yangına veya patlamaya neden olabilir;
Sistem seviyesinde arıza: Ters voltaj, BMS ana kontrol çipi ve AFE (analog ön{0}}uç) gibi hassas bileşenlere zarar verebilir.
GB/T 38661-2020 standardının gerekliliklerine göre, BMS'nin -14V ters voltaj altında işlevsel bütünlüğü koruması ve ISO7637 darbe testinde -220V geçici darbeye dayanması gerekir. Bu katı gereklilik, mühendisleri güvenilir ters koruma şemalarını benimsemeye zorlamaktadır.

2, Diyot anti ters deşarjının teknik prensibi
1. Temel Tek Yönlü İletkenlik Mekanizması
Diyotun temel özelliği akımın anottan (A) katoda (K) akmasına izin verirken ters yönde bloke etmektir. Bir diyotu BMS güç giriş terminaline seri olarak bağladıktan sonra, güç polaritesi doğru olduğunda diyot ileri iletken durumdadır ve akımın geçmesine izin verir; Güç kaynağı ters çevrildiğinde diyot ters yönde kesilerek doğrudan akım yolunu bloke eder.

Tipik uygulama durumları:
Tesla Model 3'ün BMS kontrol panosu, ters bağlantı önleyici ana cihaz olarak Schottky diyotu (SMA paketi, ters dayanım voltajı 40V) kullanır. Bu şema, Schottky diyotlarının 0,3V civarındaki düşük ileri voltaj düşüşü karakteristiğini kullanır ve 100A akımda yalnızca 30W kayıpla sonuçlanır; bu, sıradan diyot şemalarına göre %40 daha fazla enerji-verimlidir.

2. Geçici voltaj bastırmanın (TVS) işbirlikçi koruması
Basit diyot şemasının iki dezavantajı vardır:

Ters dayanım gerilimi sınırlıdır (sıradan diyotlar genellikle<200V)
Geçici yüksek{0}voltaj darbeleriyle başa çıkılamıyor
Bu nedenle endüstri genel olarak "TVS+diyot" kompozit koruma mimarisini benimser:

TVS diyot: güç giriş terminaline paralel bağlı, tepki süresi<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Anti ters diyot: TVS'nin arka ucuna bağlanan seri, sürekli ters kesme işlevinden sorumludur.
Belirli bir enerji depolama sistemi için BMS tasarımı örneği:
48V sisteminde, DO-218AB'de paketlenmiş 6600W TVS (kelepçe voltajı 35,5V), 400V voltaja dayanıklı diyot ile birleştirilmiştir. Bu şema ISO7637 Darbe 5a testini geçmiştir (12V sistem yüksüz olduğunda 35V geçici yüksek voltaj üretir) ve -100V sürekli ters voltaj gereksinimini karşılamıştır.

3, Cihaz seçimi için temel teknik parametreler
1. Ters Gerilim Direnci (VRRM)
Tanışmak gerekir:

VRRM 1,2×Vsystem_max'a eşit veya daha büyük
Örneğin 60V'luk bir akü sisteminde VRRM'si 72V'den büyük veya eşit olan diyotlar seçilmelidir. Otomotiv sınıfı uygulamalarda ayrıca ISO16750 standardındaki -14V sürekli ters voltaj gereksiniminin de dikkate alınması gerekir.

2. İleri iletim voltaj düşüşü (VF)
Yüksek akım senaryolarında VF, sistem verimliliğini doğrudan etkiler:

Sıradan silikon diyot: 0,7-1,1V (kayıp 100A'da 70-110W'a ulaşır)
Schottky diyot: 0,2-0,5V (kayıp %60 oranında azaltıldı)
Senkron düzeltme MOS şeması:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Sektör verileri:
200A'lik bir deşarj akımında Schottky diyotların kullanılması, sıradan diyotlara kıyasla 100W ısı kaybını azaltabilir ve bu da BMS ısı yayılımı tasarım maliyetlerinde %30'luk bir azalmaya yol açar.
4, Endüstri Trendleri ve Teknolojik Gelişim
1. MOS tüp değiştirme çözümlerine ilişkin anlaşmazlık
PMOS anti ters bağlantı şeması sıfır voltaj düşüşü avantajına sahip olmasına rağmen (açık direnç RDS (açık) 0,5m Ω kadar düşük olabilir), üç önemli eksikliğe sahiptir:

Ters dayanım voltajı sınırlı (otomotiv sınıfı PMOS tipik olarak<100V)
Daha yüksek maliyet (aynı spesifikasyondaki diyotlardan 3-5 kat daha yüksek)
Bağlantının kesilmesi anında gerilim düşümü gecikmesi vardır
Gerçek ölçüm verileri:
Bir BMS testi, güç kaynağı aniden kesildiğinde PMOS şemasının arka uç kapasitör voltajının 10V/ms oranında düşmesine neden olduğunu ve bunun da düşük voltaj korumasının yanlış çalışmasını tetikleyebileceğini gösterdi; Diyot şeması devreyi hemen kesebilir.

2. Yeni cihazların füzyon uygulaması
Sektör aşağıdaki yenilikçi çözümleri araştırıyor:

SiC Schottky diyot: voltaj dayanımı 650V'a çıkarıldı, VF 0,8V'a düşürüldü, yüksek-voltajlı hızlı şarj senaryoları için uygundur;
Akıllı diyot modülü: Ters korumayı, aşırı sıcaklık algılamayı ve durum raporlama işlevlerini entegre ederek BMS tasarımını basitleştirir;
MEMS anahtar teknolojisi: Kayıpsız ters engellemeyi sağlamak için mikroelektromekanik sistemlerin kullanılması, ancak şu anda maliyeti çok yüksek.
3. Standartların ve Düzenlemelerin Destekleyici Rolü
ISO 26262 İşlevsel Güvenlik: Ters çevirme devrelerinin ASIL-B seviyesinde artıklık tasarımına sahip olmasını gerektirir;
GB/T 38031-2021: BMS'nin ters bağlandığında devreyi 1 saniye içinde kesmesi açıkça gereklidir;
UL 2580: Akü paketlerinin çift yönlü akım engelleme özelliğine sahip olması şart koşulmuştur.
5, Tipik uygulama senaryosu analizi
1. Yeni enerji araçları için BMS
BYD blade pil BMS,{0}}üç seviyeli "TVS+Schottky diyot+kendini kurtarma sigortası" korumasını benimser:

Seviye 1: 1500W TVS kelepçe geçici yüksek voltaj
İkinci aşama: 40V Schottky diyot ters kesme
Seviye 3: PPTC aşırı akım kendini kurtarma korumasını uygular
Bu şema, 50ns'den daha kısa bir ters koruma yanıt süresiyle ISO7637'ye göre tüm darbe testlerini geçmiştir.

2. Enerji depolama sistemi BMS
CATL'nin 48V enerji depolama BMS'si yenilikçi bir şekilde "back-back{-back to back MOS+diode" hibrit çözümünü benimser:

Şarj yolu: PMOS sıfır voltaj düşüşü iletimine ulaşır
Deşarj yolu: Diyot ters izolasyon sağlar
Maliyet optimizasyonu: Deşarj MOS'u diyotlarla değiştirilerek sistem maliyetleri %18 oranında azaltılır
6, Teknolojik zorluklar ve gelişim yönleri
Mevcut endüstri iki temel çelişkiyle karşı karşıyadır:

Verimlilik ve güvenliğin dengelenmesi: Düşük VF cihazlarının (GaN diyotları gibi) maliyetleri yüksektir;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, mevcut TVS'nin maksimum sıkıştırma voltajı ise yalnızca 660V'dur.
Gelecekteki teknolojik gelişmeler aşağıdakilere odaklanacaktır:

Geniş bant aralıklı malzemelerin (SiC/GaN) büyük ölçekli uygulaması;
Dijital koruma teknolojisi (AI tabanlı arıza tahmini gibi);
Standartlaştırılmış modül tasarımı (AUTOSAR spesifikasyonlarına uygun koruyucu IP çekirdekleri gibi).