Чи вплине несправність діода на термін служби батареї?

一 Основна функція та ризик несправності діодів у акумуляторних системах
Основна функція діода
Діоди в основному виконують три функції в акумуляторних системах:

Захист від зворотного заряджання: запобігає зворотній розрядці батареї до зовнішніх ланцюгів у стані незаряджання, уникаючи зниження ємності, спричиненого надмірним розрядом батареї. Наприклад, у фотоелектричних системах накопичення енергії діоди проти зворотного заряду можуть блокувати шлях нічного зворотного розряду акумулятора через фотоелектричні панелі.
Контроль ланцюга балансу: у ланцюзі балансу акумуляторної батареї діоди використовуються для ізоляції несправних елементів і запобігання впливу надмірного заряду або надмірного розряду на загальну продуктивність блоку. Наприклад, акумуляторна батарея Tesla Model S використовує обхідні діоди для досягнення балансу рівня елементів.
Захист від затискачів напруги: у BMS діоди співпрацюють із регуляторами напруги, щоб обмежити діапазон коливань напруги батареї та запобігти пошкодженню елементів батареї, спричиненому перевищенням або зниженням напруги.
Типові режими несправностей діодів
Існує три основних типи несправностей діодів:

Порушення односпрямованої провідності: нездатність проводити в прямому напрямку або зворотний витік, що призводить до втрати функції контуру. Наприклад, коли діод проти зворотного заряджання розімкнутий у прямому напрямку, акумулятор не заряджається; При зворотній поломці акумулятор продовжує розряджатися.
Зміщення параметрів: збільшення прямого падіння напруги (VF) або надмірного зворотного струму витоку (IR) може призвести до зниження ефективності системи. Наприклад, коли VF діода Шотткі збільшується з 0,3 В до 0,6 В, споживана потужність схеми балансування подвоюється.
Теплова втеча: перевищення струму або перенапруга може призвести до того, що температура з’єднання діода перевищить 150 градусів, що призведе до карбонізації або навіть плавлення пакувального матеріалу. Наприклад, певна система накопичення енергії зазнала теплової розбіжності сусідніх комірок через перегрів обхідного діода.
2. Шлях впливу виходу з ладу діода на термін служби батареї
Пошкодження від перезарядки/надмірної розрядки
Коли діод проти зворотного заряджання виходить з ладу, батарея може бути перезаряджена/перерозряджена через зворотну напругу зовнішнього ланцюга або помилки керування BMS. Наприклад:

Пошкодження від надмірного заряду: коли літій-іонні акумулятори перезаряджаються, структура матеріалу позитивного електрода руйнується, а електроліт розкладається з утворенням газу, що призводить до розбухання акумулятора та зниження ємності. Експерименти показали, що при перезарядженні до 4,5 В швидкість спадання ємності трикомпонентних літієвих батарей втричі перевищує нормальний заряд.
Пошкодження від надмірного розряду: коли акумулятор розряджається нижче 2,5 В, негативний мідний колектор струму розчиняється й осідає на позитивному електроді, утворюючи мідні дендрити та викликаючи внутрішні короткі замикання. Випадкове дослідження електромобіля показало, що термін служби акумулятора, розрядженого до 2,0 В, зменшився з 1000 до 300 разів.
Зниження ємності через збій балансу
В акумуляторній батареї вихід з ладу діода може призвести до виходу з ладу схеми балансування, що призведе до «ефекту бочки»:

Перезаряд/перерозряд окремого елемента: якщо елемент не може брати участь у балансуванні через відкритий діод, його напруга може відхилятися від середнього значення всієї групи. Наприклад, в системі накопичення енергії через вихід з ладу балансувального діода один елемент був перезаряджений до 4,3 В, а вся ємність групи знизилася на 20% після 200 циклів.
Дисбаланс ємності цілої групи: Довгострокове порушення рівноваги може призвести до збільшення мінливості ємності клітини. Дослідження показують, що коли стандартне відхилення ємності елементів батареї збільшується з 0,5% до 2%, загальний життєвий цикл групи скорочується на 40%.
Прискорення старіння, спричинене збоєм керування температурою
Несправність діода може спричинити локальний перегрів і прискорити старіння акумулятора:

Теплова ланцюгова реакція: коли байпасний діод перегрівається, тепло передається сусіднім осередкам, викликаючи побічні реакції, такі як розкладання плівки SEI та розкладання електроліту. Наприклад, у певній фотоелектричній системі зберігання енергії через перегрів діода температура сусідніх комірок піднялася до 80 градусів, а швидкість спадання ємності була в 5 разів швидшою, ніж у звичайних комірок.
Пошкодження від термічного стресу: неодноразові термічні удари можуть спричинити поломку язичка та звуження діафрагми. Експерименти показали, що після 10 термічних циклів від 60 градусів до 25 градусів швидкість зменшення ємності елемента батареї збільшується на 15%.
3, Тематичні дослідження галузі та підтримка даних
1. Область електромобілів: збій акумуляторної батареї Tesla Model S
У 2018 році Tesla відкликала деякі моделі Model S через приховані дефекти в діоді проти зворотної зарядки в BMS. Причина несправності:

Явище надмірного розряду: у 12% транспортних засобів батарея перерозряджається нижче 2,0 В, що призводить до зниження загальної ємності до 60% початкового значення.
Ризик перегріву: 3% транспортних засобів відчувають перегрівання елементів акумулятора через перегрів діода, що потребує заміни всього акумулятора.
Компанія Tesla знизила частоту відмов до рівня нижче 0,2%, оновивши вибір діодів (замінивши 1N4007 діодами Шотткі з витримуваною напругою 1000 В і витримуваним струмом 50 А) і оптимізувавши конструкцію розсіювання тепла.
2. Поле системи накопичення енергії: передчасне старіння акумуляторної батареї фотоелектричної електростанції
У 2023 році ємність літій-іонної батареї фотоелектричної електростанції потужністю 5 МВт у Східному Китаї зазнала зниження ємності на 80% після 2 років експлуатації, що значно менше за проектний термін служби в 10 років. Під час перевірки було встановлено, що:

Збалансований діодний витік: деякі діоди мають зворотний струм витоку до 100 мкА (стандартне значення<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Помилка керування температурою: перегрів діода спричиняє підвищення температури суміжних комірок до 55 градусів, прискорюючи потовщення плівки SEI.
Завдяки заміні діода з низьким витоком (серія BAS70) і оптимізації конструкції повітропроводу швидкість зниження потужності системи була знижена до 5% на рік.
3. Сфера споживчої електроніки: ненормальний термін служби батареї RTC
Певний промисловий контролер використовує батареї CR2025 для живлення RTC з розрахованим терміном служби 5 років, але запит на заміну з’являється через 6 місяців фактичного використання. Знайдено виявлення:

Зворотний витік діода: Зворотний струм витоку діода проти зворотного заряджання досягає 5 мкА (стандартне значення).<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Логічна помилка мікросхеми RTC: мікросхема RTC вітчизняного виробництва помилково увійшла в робочий режим в режимі очікування живлення з енергоспоживанням 100 мкА.
Завдяки заміні діода з низьким витоком (1N4148) і оптимізації вибору мікросхеми RTC ресурс батареї було відновлено до проектного значення.
4, Схеми оптимізації в інженерній практиці
1. Оптимізація відбору
Параметри опору напруги та струму: номінальна напруга діода має бути більшою або дорівнювати 1,5 максимальній напрузі системи, а номінальний струм має бути більшим або дорівнювати 2 максимальним робочим струмам. Наприклад, акумуляторна система 48 В повинна використовувати діоди з опором напруги 100 В і опором струму 20 А.
Низькі характеристики витоку: бажано вибирати діоди Шотткі зі зворотним струмом витоку<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Контроль термічного опору: Виберіть форму упаковки з термічним опором<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Конструкція розсіювання тепла
Примусове повітряне охолодження: встановлюйте вентилятори в місцях із щільними діодами, зі швидкістю вітру, що перевищує або дорівнює 2 м/с, і контролюйте температуру з’єднання нижче 85 градусів.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2 Вт/м · K), щоб зменшити термічний опір.
Оптимізація компонування: відстань між діодом і елементом батареї має бути більше 10 мм, щоб уникнути впливу теплового випромінювання.
3. Моніторинг і захист
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 градусів.
Резервна конструкція: подвійні діоди з’єднані паралельно на критичному шляху для підвищення надійності. Наприклад, Tesla Powerwall використовує дводіодну схему проти зворотної зарядки.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.