Ovplyvní porucha diódy životnosť batérie?

一, Základná funkcia a riziko porúch diód v batériových systémoch
Hlavná funkcia diódy
Diódy vykonávajú v batériových systémoch hlavne tri funkcie:

Ochrana proti spätnému nabíjaniu: zabraňuje spätnému vybíjaniu batérie do externých obvodov v nenabíjacom stave, čím zabraňuje zníženiu kapacity spôsobenému nadmerným vybitím batérie. Napríklad vo fotovoltaických systémoch skladovania energie môžu diódy proti spätnému nabíjaniu blokovať cestu spätného vybíjania batérie v noci cez fotovoltaické panely.
Ovládanie balančného obvodu: V balančnom obvode akumulátora sa diódy používajú na izoláciu chybných článkov a zabraňujú prebitiu alebo nadmernému vybitiu, aby ovplyvňovalo celkový výkon akumulátora. Napríklad batéria Tesla Model S využíva bypass diódy na dosiahnutie vyváženia úrovne buniek.
Ochrana pred napäťovou svorkou: V BMS spolupracujú diódy s regulátormi napätia, aby obmedzili rozsah kolísania napätia batérie a zabránili poškodeniu článkov batérie prepätím alebo podpätím.
Typické režimy porúch diód
Existujú tri hlavné typy porúch diód:

Porucha jednosmernej vodivosti: neschopnosť viesť v doprednom smere alebo spätný únik, čo vedie k strate funkcie obvodu. Napríklad, keď je dióda proti spätnému nabíjaniu rozpojená v smere dopredu, batériu nie je možné nabiť; Keď dôjde k spätnému výpadku, batéria sa naďalej vybíja.
Posun parametrov: Zvýšenie poklesu napätia v doprednom smere (VF) alebo nadmerný spätný zvodový prúd (IR) môže viesť k zníženiu účinnosti systému. Napríklad, keď sa Schottkyho dióda VF zvýši z 0,3 V na 0,6 V, spotreba energie vyrovnávacieho obvodu sa zdvojnásobí.
Tepelný únik: Nadprúd alebo prepätie môže spôsobiť, že teplota spoja diódy prekročí 150 stupňov, čo vedie ku karbonizácii alebo dokonca roztaveniu obalového materiálu. Napríklad v určitom systéme skladovania energie došlo k tepelnému úniku susedných článkov v dôsledku prehriatia diódy premostenia.
2, Cesta dopadu zlyhania diódy na životnosť batérie
Poškodenie prebitím/nadmerným vybitím
Keď dióda proti spätnému nabíjaniu zlyhá, batéria môže byť prebitá/nadmerne vybitá v dôsledku spätného napätia externého obvodu alebo chýb riadenia BMS. Napríklad:

Poškodenie prebitím: Keď sú lítium{0}}iónové batérie prebité, štruktúra materiálu kladnej elektródy sa zrúti a elektrolyt sa rozkladá za vzniku plynu, čo vedie k nafúknutiu batérie a zníženiu kapacity. Experimenty ukázali, že pri prebití na 4,5 V je rýchlosť poklesu kapacity ternárnych lítiových batérií trikrát rýchlejšia ako bežné nabíjanie.
Poškodenie nadmerným vybitím: Keď je batéria vybitá pod 2,5 V, záporný medený zberač prúdu sa rozpustí a usadzuje sa na kladnej elektróde, vytvára medené dendrity a spôsobuje vnútorné skraty. Prípadová štúdia elektrického vozidla ukázala, že životnosť batérie vybitej na 2,0 V sa znížila z 1000-krát na 300-krát.
Útlm kapacity spôsobený poruchou rovnováhy
V batériovej súprave môže porucha diódy spôsobiť zlyhanie balančného obvodu, čo vedie k „sudovému efektu“:

Prebíjanie/prebíjanie jedného článku: Ak sa článok nemôže podieľať na vyvažovaní kvôli otvorenej dióde, jeho napätie sa môže odchyľovať od priemernej hodnoty celej skupiny. Napríklad v systéme skladovania energie došlo v dôsledku zlyhania vyrovnávacej diódy k prebitiu jedného článku na 4,3 V a celková kapacita skupiny sa po 200 cykloch znížila o 20 %.
Nerovnováha kapacity celej skupiny: Dlhodobé zlyhanie rovnováhy môže viesť k zvýšeniu variability kapacity buniek. Výskum ukazuje, že keď sa štandardná odchýlka kapacity batériových článkov zvýši z 0,5 % na 2 %, skráti sa celkový cyklus životnosti skupiny o 40 %.
Zrýchlenie starnutia spôsobené poruchou tepelného manažmentu
Porucha diódy môže spôsobiť lokálne prehriatie a urýchliť starnutie batérie:

Tepelná nekontrolovateľná reťazová reakcia: Keď sa premosťovacia dióda prehreje, teplo sa prenáša do susedných článkov, čím sa spúšťajú vedľajšie reakcie, ako je rozklad SEI filmu a rozklad elektrolytu. Napríklad v určitom systéme fotovoltaického skladovania energie v dôsledku prehriatia diódy teplota susedných článkov vzrástla na 80 stupňov a rýchlosť poklesu kapacity bola 5-krát rýchlejšia ako u normálnych článkov.
Poškodenie tepelným stresom: Opakované tepelné šoky môžu spôsobiť zlomenie jazýčka bunky a kontrakciu membrány. Experimenty ukázali, že po 10 tepelných cykloch zo 60 stupňov na 25 stupňov sa rýchlosť poklesu kapacity batérie zvýši o 15 %.
3, Priemyselné prípadové štúdie a podpora údajov
1. Pole elektrického vozidla: Porucha batérie Tesla Model S
V roku 2018 Tesla stiahla niektoré modely Modelu S z trhu kvôli skrytým chybám v dióde proti spätnému nabíjaniu v BMS. Porucha spôsobujúca:

Fenomén nadmerného vybitia: u 12 % vozidiel dochádza k nadmernému vybitiu batérie pod 2,0 V, čo spôsobí pokles celej kapacity na 60 % pôvodnej hodnoty.
Riziko tepelného úniku: 3 % vozidiel zaznamená tepelný únik batériových článkov v dôsledku prehriatia diódy, čo si vyžaduje výmenu celej batérie.
Tesla znížila poruchovosť pod 0,2% aktualizáciou výberu diód (nahradením 1N4007 diódami Schottky s výdržným napätím 1000 V a výdržným prúdom 50A) a optimalizáciou dizajnu odvodu tepla.
2. Pole systému skladovania energie: predčasné starnutie batérie fotovoltaickej elektrárne
V roku 2023 zaznamenala lítium-iónová batéria 5MW fotovoltaickej elektrárne vo východnej Číne po 2 rokoch prevádzky pokles kapacity o 80 %, čo je výrazne pod projektovanou životnosťou 10 rokov. Pri vyšetrovaní sa zistilo, že:

Vyvážený únik diód: Pri niektorých diódach dochádza k spätnému úniku prúdu až do 100 μA (štandardná hodnota<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Zlyhanie tepelného manažmentu: Prehriatie diódy spôsobí zvýšenie teploty susedných článkov na 55 stupňov, čím sa zrýchli hrubnutie filmu SEI.
Výmenou diódy s nízkym únikom (séria BAS70) a optimalizáciou konštrukcie vzduchového potrubia sa miera poklesu kapacity systému znížila na 5 % ročne.
3. Pole spotrebnej elektroniky: Abnormálna výdrž batérie RTC
Určitý priemyselný ovládač používa na napájanie RTC batérie CR2025 s plánovanou životnosťou 5 rokov, ale po 6 mesiacoch skutočného používania sa zobrazí výzva na výmenu. Nájdená detekcia:

Spätný únik diódy: Spätný únikový prúd diódy proti spätnému nabíjaniu dosahuje 5 μ A (štandardná hodnota<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Logická chyba čipu RTC: Čip RTC vyrobený v tuzemsku omylom vstúpil do pracovného režimu v pohotovostnom režime napájania so spotrebou energie 100 μA.
Výmenou diódy s nízkym únikom (1N4148) a optimalizáciou výberu RTC čipu sa životnosť batérie vrátila na konštrukčnú hodnotu.
4, Optimalizačné schémy v inžinierskej praxi
1. Optimalizácia výberu
Parametre odporu napätia a prúdu: Menovité napätie diódy by malo byť väčšie alebo rovné 1,5-násobku maximálneho napätia systému a menovitý prúd by mal byť väčší alebo rovný 2-násobku maximálneho prevádzkového prúdu. Napríklad 48V batériový systém by mal používať diódy s napäťovým odporom 100V a prúdovým odporom 20A.
Nízke zvodové charakteristiky: Prednostne zvoľte Schottkyho diódy s reverzným zvodovým prúdom<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Kontrola tepelného odporu: Vyberte si formu balenia s tepelným odporom<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Dizajn odvodu tepla
Nútené chladenie vzduchom: Nainštalujte ventilátory v oblastiach s hustými diódami, s rýchlosťou vetra väčšou alebo rovnou 2 m/s a regulujte teplotu spoja pod 85 stupňov.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) na zníženie tepelného odporu.
Optimalizácia rozloženia: Vzdialenosť medzi diódou a článkom batérie by mala byť väčšia ako 10 mm, aby sa predišlo vplyvu tepelného žiarenia.
3. Monitorovanie a ochrana
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 stupňov.
Redundantný dizajn: Dvojité diódy sú zapojené paralelne na kritickej ceste, aby sa zvýšila spoľahlivosť. Napríklad Tesla Powerwall využíva systém dvojitého diódového antireverzného nabíjania.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.