Wat is het thermische beschermingseffect van diodes in energieopslagsystemen voor auto's?

一, Hoofdoorzaak van thermische runaway: complexe thermische omgeving van de stroomvoorziening voor energieopslag aan boord
Op een voertuig gemonteerde energieopslagbronnen (zoals accupakketten en supercondensatormodules) worden tijdens bedrijf geconfronteerd met meerdere thermische uitdagingen:

Hoge vermogensdichtheidseis: In de snellaadmodus moet de accu binnen 15 minuten voor 80% zijn opgeladen, met een onmiddellijke vermogensdichtheid tot 500 kW/m³, wat resulteert in een lokale temperatuurstijging van meer dan 10 graden/min.
Schommelingen in de omgevingstemperatuur: Het bedrijfstemperatuurbereik van voertuigen bedraagt ​​-40 graden tot 85 graden, en extreme temperatuurverschillen verergeren de thermische belasting van componenten.
Superpositie van elektrische fouten: kortsluiting, overbelasting, tegenstroom en andere fouten kunnen lokale hotspots veroorzaken, en de temperatuur kan binnen milliseconden het smeltpunt van het materiaal doorbreken.
Als we de batterijmodule van Tesla Model 3 als voorbeeld nemen, wordt gebruik gemaakt van een verbindingsschema uit de 21700-celserie, met een energiedichtheid van een enkele-modusgroep van 250 Wh/kg. In extreme bedrijfsomstandigheden, als het thermisch beheer mislukt, kan de oppervlaktetemperatuur van de batterijcel binnen 30 seconden stijgen van 25 graden naar 300 graden, wat een kettingreactie van thermische overstroming veroorzaakt. Op dit punt bepalen de prestaties van de diode als eerste thermische beschermingsbarrière direct of het systeem actieve isolatie kan bereiken in de vroege stadia van thermische overstroming.

2, Thermisch beschermingsmechanisme van diodes: innovatie van materialen tot structuren
1. Lage voorwaartse spanningsval (VF) vermindert warmteverlies
De voorwaartse spanningsval van traditionele op silicium-gebaseerde diodes is 0,6-0,7V, wat resulteert in een warmteverlies van 12-14W bij een stroomsterkte van 20A. De Schottky-diode heeft een metalen halfgeleiderverbindingsstructuur en de VF kan zo laag zijn als 0,2-0,4V. Schottky-diodes handhaven bijvoorbeeld een VF van 0,3V bij een hoge temperatuur van 150 graden, wat 57% lager is dan apparaten op siliciumbasis en het warmteverlies met 68% vermindert. Na het gebruik van Schottky-diodes in de DC/DC-omzetter van BYD e6 steeg de conversie-efficiëntie van 92% naar 95% en daalde de systeemtemperatuurstijging met 8 graden.

2. Snelle omgekeerde hersteltijd (Trr) onderdrukt schakelverliezen
In hoogfrequente schakelende voedingen (zoals OBC-autoladers) moeten diodes snel schakelen tussen geleidings- en afsnijstatussen. Traditionele snelhersteldiodes hebben een Trr van 50-100 ns, terwijl halfgeleidermaterialen van de derde- generatie, zoals SiC en GaN, Trr kunnen verkorten tot binnen 10 ns. De GaN HEMT-diode van Cree vermindert het verlies aan omgekeerd herstel met 90% vergeleken met apparaten op basis van silicium- bij een schakelfrequentie van 1 MHz, wat resulteert in een OBC-systeemefficiëntie van meer dan 98%. In het 800V hoogspanningsplatform van NIO ET7 vermindert het gebruik van GaN-diodes het volume van de laadmodule met 40% en de thermische dichtheid met 35%.

3. Transient Voltage Suppression (TVS) blokkeert de voortplanting van thermische overstroming
De TVS-diode beperkt de overspanning tot een veilig bereik met een responssnelheid van een milliseconde, waardoor wordt voorkomen dat de batterijcel oververhit raakt en de controle verliest als gevolg van overladen. De SMBJ15CA TVS-diode van Dongwo Electronics wordt toegepast in het Tesla Powerwall-energieopslagsysteem, met Pppm=600W en Vc=18V. Het kan een piekspanning van 24 V naar 18 V binnen 10 μs onderdrukken, waardoor de stijging van de oppervlaktetemperatuur van de batterijmodule met 42% wordt verminderd. In de UL9540A thermische runaway-test behaalde deze oplossing een meer dan 10 keer zo lange responstijd voor het brandbeveiligingssysteem.

3, Thermische beveiliging op systeemniveau: gezamenlijk ontwerp van diodes en andere componenten
1. Composietbescherming met MOSFET
Het traditionele P-MOS anti-reverse-schema heeft problemen zoals een hoge weerstand en het onvermogen om tegenstroom te blokkeren. TI's LM74700-Q1 ideale diodecontroller bereikt een weerstand van 0,01 Ω en een omgekeerde uitschakelsnelheid op nanosecondenniveau door de integratie van N-MOS en een regelcircuit. In het 48V laagspanningssysteem van Ideal Car L9 vermindert deze oplossing het anti-reverse verbindingsverlies van 8W naar 0,2W, en de systeemtemperatuurstijging van 15 graden naar 2 graden, waardoor het risico op thermische storingen tijdens een koude start volledig wordt opgelost.

2. Gesloten lusregeling met temperatuursensor
De CTP3.0-batterijmodule van CATL maakt gebruik van een gesloten-lusontwerp van "diode+NTC-temperatuursensor". Wanneer de temperatuur van de batterijcel de 55 graden overschrijdt, onderbreekt het systeem automatisch het diodebesturingssignaal en dwingt het in de warmteafvoermodus; Als de temperatuur blijft stijgen tot 70 graden, wordt het TVS-diodensmeltmechanisme geactiveerd om fysieke isolatie te bereiken. Bij het daadwerkelijk testen van de GAC AiON LX verminderde dit schema de voortplantingssnelheid van de thermische runaway van 0,5 m/s naar 0,02 m/s.

3. Optimalisatie van de thermische elektrische koppeling met vloeistofkoelsysteem
Het BYD Cube-energieopslagsysteem maakt gebruik van vloeistofkoelingstechnologie om de bedrijfstemperatuur van de diode onder de 45 graden te stabiliseren, waardoor de omgekeerde lekstroom met 78% wordt verminderd in vergelijking met de lucht-gekoelde oplossing. Tegelijkertijd past het systeem het koelmiddeldebiet dynamisch aan op basis van de diode VF Tj-curve. In het Huawei Digital Energy PowerStack-energieopslagsysteem verlengt dit ontwerp de levensduur van de diode van 10 naar 15 jaar en vermindert de kans op thermische uitval tot 0,01% per jaar.