In che modo i diodi impediscono la scarica inversa delle batterie nei BMS?

一, I rischi e i requisiti di protezione della scarica inversa
La scarica inversa di una batteria si riferisce al fenomeno in cui i poli positivo e negativo della batteria sono invertiti nella polarità rispetto al carico o alla fonte di alimentazione, provocando il flusso di corrente nella direzione opposta. Nelle applicazioni con batterie al litio, la scarica inversa può causare le seguenti gravi conseguenze:

Danni alla struttura della batteria: un'eccessiva deposizione di ioni di litio sull'elettrodo negativo forma dendriti di litio, perforando il separatore e provocando un cortocircuito;
Rischio di fuga termica: la corrente inversa genera calore Joule, accelera la decomposizione dell'elettrolita e può causare incendi o esplosioni;
Malfunzionamento a livello di sistema: la tensione inversa può danneggiare componenti di precisione come il chip di controllo principale BMS e l'AFE (front- analogico).
Secondo i requisiti dello standard GB/T 38661-2020, il BMS deve mantenere l'integrità funzionale con una tensione inversa di -14 V e resistere all'impatto transitorio di -220 V nel test a impulsi ISO7637. Questo requisito rigoroso obbliga gli ingegneri ad adottare schemi di protezione inversa affidabili.

2, principio tecnico dell'anti scarica inversa del diodo
1. Meccanismo di base della conducibilità unidirezionale
La caratteristica principale di un diodo è consentire alla corrente di fluire dall'anodo (A) al catodo (K) bloccandola nella direzione opposta. Dopo aver collegato un diodo in serie al terminale di ingresso dell'alimentazione BMS, quando la polarità dell'alimentazione è corretta, il diodo è in uno stato di conduzione diretta, consentendo il passaggio della corrente; Quando l'alimentazione viene invertita, il diodo si interrompe al contrario, bloccando direttamente il percorso della corrente.

Casi applicativi tipici:
La scheda di controllo BMS della Tesla Model 3 adotta il diodo Schottky (pacchetto SMA, tensione di resistenza inversa 40 V) come dispositivo principale di connessione antiinversione. Questo schema utilizza la bassa caduta di tensione diretta caratteristica dei diodi Schottky a circa 0,3 V, con conseguente perdita di soli 30 W a 100 A di corrente, che è il 40% più efficiente dal punto di vista energetico-rispetto ai normali schemi di diodi.

2. Protezione collaborativa della soppressione della tensione transitoria (TVS)
Il semplice schema del diodo presenta due inconvenienti:

Tensione di tenuta inversa limitata (normalmente diodi<200V)
Impossibile far fronte agli impulsi transitori ad alta-tensione
Pertanto, l'industria generalmente adotta un'architettura di protezione composita "TVS+diodo":

Diodo TVS: collegato in parallelo al terminale di ingresso dell'alimentazione, con un tempo di risposta di<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Diodo antiinversione: serie collegata all'estremità posteriore del TVS, responsabile della funzione di interruzione dell'inversione continua.
Esempio di progettazione BMS per un determinato sistema di accumulo di energia:
Nel sistema a 48 V, un TVS da 6600 W (tensione di serraggio 35,5 V) confezionato in DO-218AB è combinato con un diodo resistente alla tensione da 400 V. Questo schema ha superato il test ISO7637 Pulse 5a (generando un'alta tensione transitoria di 35 V quando il sistema a 12 V è scarico), soddisfacendo al contempo il requisito di una tensione inversa continua di -100 V.

3, parametri tecnici chiave per la selezione del dispositivo
1. Resistenza alla tensione inversa (VRRM)
Deve soddisfare:

VRRM Maggiore o uguale a 1,2×Vsystem_max
Ad esempio, in un sistema di batterie da 60 V, è necessario selezionare diodi con VRRM maggiore o uguale a 72 V. Le applicazioni di livello automobilistico devono inoltre considerare il requisito della tensione inversa continua di -14 V nello standard ISO16750.

2. Caduta di tensione di conduzione diretta (VF)
Negli scenari con corrente elevata, la VF influisce direttamente sull'efficienza del sistema:

Diodo al silicio ordinario: 0,7-1,1 V (la perdita raggiunge 70-110 W a 100 A)
Diodo Schottky: 0,2-0,5 V (perdita ridotta del 60%)
Schema MOS di rettifica sincrona:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Dati del settore:
Con una corrente di scarica di 200 A, l'utilizzo di diodi Schottky può ridurre di 100 W la perdita di calore rispetto ai diodi ordinari, con una conseguente riduzione del 30% dei costi di progettazione della dissipazione del calore BMS.
4, Tendenze del settore ed evoluzione tecnologica
1. Controversia sulle soluzioni di sostituzione dei tubi MOS
Sebbene lo schema di connessione antiinversione PMOS presenti il ​​vantaggio di una caduta di tensione pari a zero (la resistenza attiva RDS (attivata) può arrivare fino a 0,5 m Ω), presenta tre principali limiti:

Tensione di tenuta inversa limitata (tipicamente PMOS di grado automobilistico<100V)
Costo più elevato (3-5 volte superiore rispetto ai diodi con le stesse specifiche)
Al momento della disconnessione si verifica un ritardo nella caduta di tensione
Dati di misurazione effettivi:
Un test BMS ha dimostrato che quando l'alimentatore si disconnette improvvisamente, lo schema PMOS provoca una caduta di tensione del condensatore backend a una velocità di 10 V/ms, il che può innescare un malfunzionamento della protezione di bassa tensione; Lo schema dei diodi può interrompere immediatamente il circuito.

2. Applicazione di fusione di nuovi dispositivi
L’industria sta esplorando le seguenti soluzioni innovative:

Diodo Schottky SiC: resistenza alla tensione aumentata a 650 V, VF ridotto a 0,8 V, adatto per scenari di ricarica rapida ad alta-tensione;
Modulo a diodi intelligenti: integra funzioni di protezione inversa, rilevamento di sovratemperatura e reporting di stato, semplificando la progettazione BMS;
Tecnologia degli interruttori MEMS: utilizzo di sistemi microelettromeccanici per ottenere un blocco inverso senza perdite, ma attualmente il costo è troppo elevato.
3. Il ruolo promotore delle norme e dei regolamenti
Sicurezza funzionale ISO 26262: richiede che i circuiti anti-inversione abbiano un design di ridondanza di livello ASIL-B;
GB/T 38031-2021: è esplicitamente richiesto che il BMS interrompa il circuito entro 1 secondo quando collegato al contrario;
UL 2580: Si stabilisce che i pacchi batteria debbano avere capacità di blocco della corrente bidirezionale.
5, analisi dello scenario applicativo tipico
1. BMS per veicoli a nuova energia
Il BMS della batteria blade BYD adotta tre- livelli di protezione di "TVS+diodo Schottky+fusibile a ripristino automatico":

Livello 1: alta tensione transitoria con morsetto TVS da 1500 W
Secondo stadio: interruzione inversa del diodo Schottky da 40 V
Livello 3: PPTC implementa la protezione con ripristino automatico da sovracorrente
Questo schema ha superato tutti i test sugli impulsi secondo ISO7637, con un tempo di risposta della protezione inversa inferiore a 50 ns.

2. Sistema di accumulo dell'energia BMS
Il BMS per l'accumulo di energia a 48 V di CATL adotta in modo innovativo una soluzione ibrida "back-to-back MOS+diodo":

Percorso di ricarica: PMOS raggiunge una conduzione con caduta di tensione pari a zero
Percorso di scarica: il diodo fornisce l'isolamento inverso
Ottimizzazione dei costi: i MOS a scarica vengono sostituiti da diodi, riducendo i costi di sistema del 18%
6, Sfide tecnologiche e direzioni di sviluppo
L’industria attuale si trova ad affrontare due contraddizioni fondamentali:

Bilanciare efficienza e sicurezza: i dispositivi a basso VF (come i diodi GaN) hanno costi elevati;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000 V, mentre la tensione di bloccaggio massima dei TVS esistenti è di soli 660 V.
Lo sviluppo tecnologico futuro si concentrerà su:

Applicazione su larga scala di materiali ad ampio gap di banda (SiC/GaN);
Tecnologia di protezione digitale (come la previsione dei guasti basata sull'intelligenza artificiale);
Design del modulo standardizzato (come nuclei IP protettivi conformi alle specifiche AUTOSAR).