Hvordan forhindrer dioder omvendt utladning av batterier i BMS?

一, Farene og beskyttelseskravene ved omvendt utladning
Omvendt utladning av et batteri refererer til fenomenet der de positive og negative polene til batteriet er reversert i polaritet med belastningen eller strømkilden, noe som får strømmen til å flyte i motsatt retning. Ved bruk av litiumbatterier kan omvendt utladning forårsake følgende alvorlige konsekvenser:

Skade på batteristrukturen: Overdreven avsetning av litiumioner på den negative elektroden danner litiumdendritter som gjennomborer separatoren og forårsaker kortslutning;
Risiko for termisk løping: Omvendt strøm genererer Joule-varme, akselererer elektrolyttnedbrytning og kan forårsake brann eller eksplosjon;
Systemnivåfeil: Omvendt spenning kan skade presisjonskomponenter som BMS hovedkontrollbrikke og AFE (analog front-).
I henhold til kravene i GB/T 38661-2020-standarden, må BMS opprettholde funksjonell integritet under -14V omvendt spenning og motstå -220V forbigående påvirkning i ISO7637-pulstest. Dette strenge kravet tvinger ingeniører til å ta i bruk pålitelige omvendte beskyttelsesordninger.

2, Teknisk prinsipp for diode anti revers utladning
1. Grunnleggende enveis konduktivitetsmekanisme
Kjernekarakteristikken til en diode er å la strøm flyte fra anoden (A) til katoden (K) mens den blokkerer i motsatt retning. Etter å ha koblet en diode i serie med BMS-strøminngangsterminalen, når strømpolariteten er riktig, er dioden i en fremadledende tilstand, slik at strøm kan passere gjennom; Når strømforsyningen er reversert, kutter dioden i revers, og blokkerer direkte strømbanen.

Typiske brukstilfeller:
BMS-kontrollkortet til Tesla Model 3 bruker Schottky-diode (SMA-pakke, revers motstå spenning 40V) som hovedenhet for anti-reversering. Dette skjemaet utnytter den lave foroverspenningsfallskarakteristikken til Schottky-dioder på rundt 0,3V, noe som resulterer i bare 30W tap ved 100A strøm, som er 40 % mer energieffektivt- enn vanlige diodeoppsett.

2. Samarbeidsbeskyttelse av transient spenningsundertrykkelse (TVS)
Det enkle diodeskjemaet har to ulemper:

Revers tåler spenning begrenset (vanlige dioder vanligvis<200V)
Klarer ikke å takle forbigående-høyspenningspulser
Derfor bruker industrien generelt en sammensatt beskyttelsesarkitektur av "TVS + diode":

TVS-diode: parallellkoblet til strøminngangsterminalen, med en responstid på<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Anti revers diode: serie koblet til bakenden av TVS, ansvarlig for kontinuerlig revers cutoff funksjon.
Eksempel på BMS-design for et bestemt energilagringssystem:
I 48V-systemet er en 6600W TVS (klemmespenning 35,5V) pakket i DO-218AB kombinert med en 400V spenningsbestandig diode. Denne ordningen har bestått ISO7637 Pulse 5a-testen (genererer en forbigående høyspenning på 35V når 12V-systemet er ubelastet), samtidig som det oppfyller kravet om en kontinuerlig reversspenning på -100V.

3, Nøkkeltekniske parametere for enhetsvalg
1. Omvendt spenningsmotstand (VRRM)
Må møte:

VRRM Større enn eller lik 1,2×Vsystem_max
For eksempel, i et 60V batterisystem, bør dioder med VRRM større enn eller lik 72V velges. Automotive-applikasjoner må også vurdere kravet om -14V kontinuerlig reversspenning i ISO16750-standarden.

2. Foroverledningsspenningsfall (VF)
I høystrømsscenarier påvirker VF systemeffektiviteten direkte:

Vanlig silisiumdiode: 0,7-1,1V (tapet når 70-110W ved 100A)
Schottky-diode: 0,2-0,5V (tap redusert med 60 %)
MOS-skjema for synkron retting:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Bransjedata:
Ved en utladningsstrøm på 200A kan bruk av Schottky-dioder redusere 100W varmetap sammenlignet med vanlige dioder, noe som resulterer i en 30 % reduksjon i designkostnadene for BMS-varmeavledning.
4, industritrender og teknologisk utvikling
1. Tvist om MOS-rørbytteløsninger
Selv om PMOS anti-omvendt tilkoblingsskjema har fordelen av null spenningsfall (på-motstanden RDS (på) kan være så lav som 0,5 m Ω), har den tre store mangler:

Revers motstå spenning begrenset (automotive grade PMOS typisk<100V)
Høyere pris (3-5 ganger høyere enn dioder med samme spesifikasjon)
Det er en spenningsfallsforsinkelse i frakoblingsøyeblikket
Faktiske måledata:
En BMS-test viste at når strømforsyningen plutselig kobles fra, forårsaker PMOS-skjemaet at backend-kondensatorspenningen faller med en hastighet på 10V/ms, noe som kan utløse en feilfunksjon i lavspenningsbeskyttelsen; Diodeskjemaet kan umiddelbart kutte av kretsen.

2. Fusjonsapplikasjon av nye enheter
Industrien utforsker følgende innovative løsninger:

SiC Schottky-diode: spenningsmotstand økt til 650V, VF redusert til 0,8V, egnet for hurtigladingsscenarier med høy-spenning;
Intelligent diodemodul: integrerer reversbeskyttelse, overtemperaturdeteksjon og statusrapporteringsfunksjoner, noe som forenkler BMS-design;
MEMS bryterteknologi: bruk av mikroelektromekaniske systemer for å oppnå tapsfri revers blokkering, men for tiden er kostnadene for høye.
3. Den fremmende rollen til standarder og forskrifter
ISO 26262 funksjonell sikkerhet: Krever antireverskretser for å ha ASIL-B-nivå redundansdesign;
GB/T 38031-2021: Det er eksplisitt påkrevd at BMS kutte av kretsen innen 1 sekund når den kobles i revers;
UL 2580: Det er fastsatt at batteripakker må ha toveis strømblokkeringsevne.
5, Typisk applikasjonsscenarioanalyse
1. BMS for nye energikjøretøyer
BYD-bladbatteri BMS bruker tre-nivåbeskyttelse av "TVS+Schottky-diode+selvgjenopprettingssikring":

Nivå 1: 1500W TVS klemme transient høyspenning
Andre trinn: 40V Schottky-diode omvendt avskjæring
Nivå 3: PPTC implementerer overstrøms selvgjenopprettingsbeskyttelse
Denne ordningen har bestått alle pulstester i henhold til ISO7637, med en responstid for reversbeskyttelse på mindre enn 50 ns.

2. Energilagringssystem BMS
CATLs 48V energilagring BMS tar i bruk en "back-to-back MOS+diode" hybridløsning:

Ladebane: PMOS oppnår null spenningsfallsledning
Utladningsvei: Dioden gir omvendt isolasjon
Kostnadsoptimalisering: Discharge MOS erstattes av dioder, noe som reduserer systemkostnadene med 18 %
6, Teknologiske utfordringer og utviklingsretninger
Den nåværende industrien står overfor to kjernemotsetninger:

Balansering av effektivitet og sikkerhet: Lav VF-enheter (som GaN-dioder) har høye kostnader;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, mens maksimal klemspenning på eksisterende TVS kun er 660V.
Fremtidig teknologisk utvikling vil fokusere på:

Storskala anvendelse av materialer med brede båndgap (SiC/GaN);
Digital beskyttelsesteknologi (som AI-basert feilprediksjon);
Standardisert moduldesign (som beskyttende IP-kjerner som samsvarer med AUTOSAR-spesifikasjoner).