Il guasto dei diodi influirà sulla durata del ciclo della batteria?

一, La funzione principale e il rischio di guasto dei diodi nei sistemi di batterie
La funzione principale di un diodo
I diodi svolgono principalmente tre funzioni nei sistemi a batteria:

Protezione anti-carica inversa: impedisce alla batteria di scaricarsi al contrario su circuiti esterni in uno stato di non carica, evitando il degrado della capacità causato da un eccessivo scaricamento della batteria. Ad esempio, nei sistemi di accumulo dell'energia fotovoltaica, i diodi anti-carica inversa possono bloccare il percorso della scarica inversa notturna della batteria attraverso i pannelli fotovoltaici.
Controllo del circuito di bilanciamento: nel circuito di bilanciamento del pacco batteria, i diodi vengono utilizzati per isolare le celle difettose e impedire che il sovraccarico o lo scaricamento eccessivo influenzino le prestazioni complessive del pacco. Ad esempio, il pacco batteria della Tesla Model S utilizza diodi di bypass per ottenere il bilanciamento del livello delle celle.
Protezione con pinza di tensione: nel BMS, i diodi collaborano con i regolatori di tensione per limitare la gamma di fluttuazioni della tensione della batteria e prevenire danni alle celle della batteria causati da sovratensione o sottotensione.
Modalità tipiche dei guasti ai diodi
Esistono tre tipi principali di guasti ai diodi:

Guasto di conduttività unidirezionale: incapacità di condurre nella direzione in avanti o perdita inversa, con conseguente perdita di funzionalità del circuito. Ad esempio, quando il diodo anti-carica inversa è in circuito aperto nella direzione avanti, la batteria non può essere caricata; Quando si verifica un guasto inverso, la batteria continua a scaricarsi.
Deriva dei parametri: un aumento della caduta di tensione diretta (VF) o un'eccessiva corrente di dispersione inversa (IR) possono portare a una diminuzione dell'efficienza del sistema. Ad esempio, quando la VF del diodo Schottky aumenta da 0,3 V a 0,6 V, il consumo energetico del circuito di bilanciamento raddoppia.
Instabilità termica: sovracorrente o sovratensione possono far sì che la temperatura di giunzione del diodo superi i 150 gradi, portando alla carbonizzazione o addirittura alla fusione del materiale di imballaggio. Ad esempio, un certo sistema di accumulo dell'energia ha subito un'instabilità termica delle celle adiacenti a causa del surriscaldamento del diodo di bypass.
2, Il percorso di impatto del guasto del diodo sulla durata del ciclo della batteria
Danni da sovraccarico/scarica eccessiva
Quando il diodo anti-carica inversa si guasta, la batteria potrebbe essere sovraccarica/scaricata eccessivamente a causa della tensione inversa del circuito esterno o di errori di controllo BMS. Per esempio:

Danni da sovraccarico: quando le batterie agli ioni di litio- vengono sovraccaricate, la struttura del materiale dell'elettrodo positivo collassa e l'elettrolito si decompone producendo gas, con conseguente rigonfiamento della batteria e degrado della capacità. Gli esperimenti hanno dimostrato che quando sovraccaricate a 4,5 V, il tasso di decadimento della capacità delle batterie al litio ternarie è tre volte più veloce della normale ricarica.
Danni da scarica eccessiva: quando la batteria viene scaricata al di sotto di 2,5 V, il collettore di corrente in rame negativo si dissolve e si deposita sull'elettrodo positivo, formando dendriti di rame e causando cortocircuiti interni. Un caso di studio su un veicolo elettrico ha dimostrato che la durata del ciclo di una batteria scarica a 2,0 V è diminuita da 1.000 a 300 volte.
Attenuazione della capacità causata dal guasto del bilanciamento
In un pacco batteria, il guasto del diodo può causare il guasto del circuito di bilanciamento, provocando l '"effetto barile":

Sovraccarico/sovraccarica di una singola cella: se una cella non può partecipare al bilanciamento a causa di un diodo aperto, la sua tensione può discostarsi dal valore medio dell'intero gruppo. Ad esempio, in un sistema di accumulo di energia, a causa del guasto del diodo di bilanciamento, una singola cella è stata sovraccaricata a 4,3 V e l'intera capacità del gruppo è diminuita del 20% dopo 200 cicli.
Squilibrio della capacità dell'intero gruppo: il fallimento dell'equilibrio a lungo termine può portare ad un aumento della variabilità della capacità delle cellule. La ricerca mostra che quando la deviazione standard della capacità delle celle della batteria aumenta dallo 0,5% al ​​2%, la durata complessiva del ciclo del gruppo si riduce del 40%.
Accelerazione dell'invecchiamento causata da un guasto della gestione termica
Il guasto del diodo può causare un surriscaldamento locale e accelerare l'invecchiamento della batteria:

Reazione a catena incontrollata termica: quando il diodo di bypass si surriscalda, il calore viene trasferito alle celle adiacenti, innescando reazioni collaterali come la decomposizione del film SEI e la decomposizione dell'elettrolita. Ad esempio, in un certo sistema di accumulo dell'energia fotovoltaica, a causa del surriscaldamento del diodo, la temperatura delle celle adiacenti è aumentata fino a 80 gradi e il tasso di decadimento della capacità è stato 5 volte più veloce di quello delle celle normali.
Danni da stress termico: shock termici ripetuti possono causare la rottura della linguetta della cella e la contrazione del diaframma. Gli esperimenti hanno dimostrato che dopo 10 cicli termici da 60 gradi a 25 gradi, il tasso di decadimento della capacità della cella della batteria aumenta del 15%.
3, Casi di studio del settore e supporto dati
1. Settore dei veicoli elettrici: guasto del pacco batteria della Tesla Model S
Nel 2018, Tesla ha richiamato alcuni modelli Model S a causa di difetti nascosti nel diodo di ricarica antiinversione nel BMS. Malfunzionamento che causa:

Fenomeno di scarica eccessiva: il 12% dei veicoli sperimenta una scarica eccessiva della batteria al di sotto di 2,0 V, causando il decadimento dell'intera capacità al 60% del suo valore iniziale.
Rischio di fuga termica: il 3% dei veicoli sperimenta una fuga termica delle celle della batteria a causa del surriscaldamento dei diodi, che richiede la sostituzione dell'intero pacco batteria.
Tesla ha ridotto il tasso di guasto al di sotto dello 0,2% aggiornando la selezione dei diodi (sostituendo 1N4007 con diodi Schottky con tensione di tenuta di 1000 V e corrente di tenuta di 50 A) e ottimizzando il design di dissipazione del calore.
2. Ambito dei sistemi di accumulo dell'energia: invecchiamento precoce del pacco batterie di una centrale fotovoltaica
Nel 2023, il pacco batterie agli ioni di litio- di una centrale fotovoltaica da 5 MW nella Cina orientale ha registrato un calo della capacità dell'80% dopo 2 anni di funzionamento, molto al di sotto della durata prevista di 10 anni. Dalle indagini è emerso che:

Dispersione bilanciata dei diodi: alcuni diodi presentano una corrente di dispersione inversa fino a 100 μ A (valore standard<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Guasto nella gestione termica: il surriscaldamento del diodo fa aumentare la temperatura delle celle adiacenti fino a 55 gradi, accelerando l'ispessimento della pellicola SEI.
Sostituendo il diodo a bassa dispersione (serie BAS70) e ottimizzando il design del condotto dell'aria, il tasso di decadimento della capacità del sistema è stato ridotto entro il 5% annuo.
3. Settore dell'elettronica di consumo: durata anomala della batteria RTC
Un certo controller industriale utilizza batterie CR2025 per alimentare l'RTC, con una durata prevista di 5 anni, ma richiede la sostituzione dopo 6 mesi di utilizzo effettivo. Rilevamento trovato:

Dispersione inversa del diodo: La corrente di dispersione inversa del diodo anti carica inversa raggiunge 5 μ A (valore standard<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Errore logico del chip RTC: il chip RTC prodotto internamente è entrato erroneamente nella modalità di funzionamento in modalità standby, con un consumo energetico di 100 μ A.
Sostituendo il diodo a bassa dispersione (1N4148) e ottimizzando la selezione del chip RTC, la durata della batteria è stata ripristinata al valore di progetto.
4, Schemi di ottimizzazione nella pratica ingegneristica
1. Ottimizzazione della selezione
Parametri di resistenza di tensione e corrente: la tensione nominale del diodo deve essere maggiore o uguale a 1,5 volte la tensione massima del sistema e la corrente nominale deve essere maggiore o uguale a 2 volte la corrente operativa massima. Ad esempio, un sistema di batterie da 48 V dovrebbe utilizzare diodi con una resistenza di tensione di 100 V e una resistenza di corrente di 20 A.
Caratteristiche di bassa dispersione: scegliere preferibilmente diodi Schottky con corrente di dispersione inversa<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Controllo della resistenza termica: scegliere una forma di imballaggio con una resistenza termica di<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Progettazione della dissipazione del calore
Raffreddamento ad aria forzata: installare le ventole in aree con diodi densi, con una velocità del vento maggiore o uguale a 2 m/s e controllare la temperatura di giunzione inferiore a 85 gradi.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) per ridurre la resistenza termica.
Ottimizzazione del layout: la distanza tra il diodo e la cella della batteria deve essere maggiore di 10 mm per evitare l'influenza della radiazione termica.
3. Monitoraggio e Protezione
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 gradi.
Design ridondante: doppi diodi sono collegati in parallelo sul percorso critico per migliorare l'affidabilità. Ad esempio, Tesla Powerwall adotta uno schema di ricarica anti-inversione a doppio diodo.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.