Zal een diodestoring de levensduur van de batterij beïnvloeden?

一, De kernfunctie en het foutrisico van diodes in batterijsystemen
De kernfunctie van een diode
Diodes vervullen hoofdzakelijk drie functies in batterijsystemen:

Anti-reverse-laadbeveiliging: voorkomt dat de batterij in omgekeerde richting ontlaadt naar externe circuits in een niet-laadstatus, waardoor capaciteitsverslechtering wordt vermeden als gevolg van overmatige ontlading van de batterij. In fotovoltaïsche energieopslagsystemen kunnen anti-reverse-laaddiodes bijvoorbeeld het pad blokkeren van nachtelijke omgekeerde ontlading van de batterij via fotovoltaïsche panelen.
Controle van het balanscircuit: In het balanscircuit van het accupakket worden diodes gebruikt om defecte cellen te isoleren en te voorkomen dat overladen of te veel ontladen de algehele prestaties van het pakket beïnvloedt. Het batterijpakket van Tesla Model S maakt bijvoorbeeld gebruik van bypass-diodes om het celniveau in evenwicht te brengen.
Spanningsklembeveiliging: In BMS werken diodes samen met spanningsregelaars om het bereik van schommelingen in de accuspanning te beperken en schade aan de accucellen als gevolg van over- of onderspanning te voorkomen.
Typische vormen van diodefouten
Er zijn drie hoofdtypen diodefouten:

Unidirectionele geleidbaarheidsfout: onvermogen om in voorwaartse richting te geleiden of omgekeerde lekkage, resulterend in verlies van circuitfunctie. Wanneer de anti-reverse-laaddiode bijvoorbeeld in voorwaartse richting open is, kan de batterij niet worden opgeladen; Wanneer een omgekeerde storing optreedt, blijft de batterij ontladen.
Parameterdrift: Een toename van de voorwaartse spanningsval (VF) of een overmatige omgekeerde lekstroom (IR) kan leiden tot een afname van de systeemefficiëntie. Wanneer de Schottky-diode VF bijvoorbeeld toeneemt van 0,3 V naar 0,6 V, verdubbelt het energieverbruik van het balanceringscircuit.
Thermal runaway: Overstroom of overspanning kan ervoor zorgen dat de junctietemperatuur van de diode hoger wordt dan 150 graden, wat kan leiden tot verkoling of zelfs smelten van het verpakkingsmateriaal. Een bepaald energieopslagsysteem ondervond bijvoorbeeld een thermische runaway van aangrenzende cellen als gevolg van oververhitting van de bypass-diode.
2, Het impactpad van diodestoringen op de levensduur van de batterij
Schade door overladen/overontladen
Wanneer de anti-omkeerlaaddiode uitvalt, kan de accu overladen/overontladen raken als gevolg van tegenspanning van het externe circuit of door fouten in de BMS-besturing. Bijvoorbeeld:

Schade door overlading: wanneer lithium{0}}ion-batterijen overladen worden, stort de structuur van het materiaal van de positieve elektrode in en valt de elektrolyt uiteen en ontstaat er gas, waardoor de batterij opzwelt en de capaciteit afneemt. Experimenten hebben aangetoond dat bij overladen tot 4,5 V de capaciteitsafname van ternaire lithiumbatterijen drie keer sneller is dan bij normaal opladen.
Schade door overmatige ontlading: wanneer de batterij wordt ontladen tot onder de 2,5 V, lost de negatieve koperen stroomcollector op en zet zich af op de positieve elektrode, waardoor koperen dendrieten worden gevormd en interne kortsluitingen worden veroorzaakt. Een casestudy van een elektrisch voertuig toonde aan dat de levensduur van een accupakket ontladen tot 2,0 V afnam van 1000 keer naar 300 keer.
Capaciteitsverzwakking veroorzaakt door evenwichtsfalen
In een batterijpakket kan een diodestoring ervoor zorgen dat het balanscircuit uitvalt, wat leidt tot het "toneffect":

Overladen/overontladen van een cel: Als een cel niet kan deelnemen aan het balanceren vanwege een open diode, kan de spanning afwijken van de gemiddelde waarde van de hele groep. In een energieopslagsysteem werd bijvoorbeeld, als gevolg van het falen van de balanceringsdiode, een enkele cel overladen tot 4,3 V, en de gehele capaciteit van de groep nam na 200 cycli met 20% af.
Onbalans in de capaciteit van de hele groep: Het falen van het evenwicht op de lange termijn kan leiden tot een toename van de variabiliteit van de celcapaciteit. Uit onderzoek blijkt dat wanneer de standaardafwijking van de batterijcelcapaciteit toeneemt van 0,5% naar 2%, de totale levensduur van de groep met 40% wordt verkort.
Versnelde veroudering veroorzaakt door falen van het thermisch beheer
Een defect aan de diode kan plaatselijke oververhitting veroorzaken en de veroudering van de batterij versnellen:

Thermische kettingreactie: wanneer de bypass-diode oververhit raakt, wordt warmte overgedragen naar aangrenzende cellen, wat nevenreacties veroorzaakt zoals de afbraak van de SEI-film en de afbraak van elektrolyten. In een bepaald fotovoltaïsch energieopslagsysteem steeg de temperatuur van aangrenzende cellen bijvoorbeeld tot 80 graden als gevolg van oververhitting van de diodes, en was de capaciteitsafname vijf keer sneller dan die van normale cellen.
Schade door thermische spanning: Herhaalde thermische schokken kunnen cellipbreuk en samentrekking van het diafragma veroorzaken. Experimenten hebben aangetoond dat na 10 thermische cycli van 60 graden naar 25 graden de capaciteitsafname van de batterijcel met 15% toeneemt.
3, Casestudies uit de sector en gegevensondersteuning
1. Veld met elektrische voertuigen: defect aan het batterijpakket van de Tesla Model S
In 2018 riep Tesla enkele Model S-modellen terug vanwege verborgen defecten in de anti-reverse-laaddiode in het BMS. Storing veroorzaakt:

Overontladingsfenomeen: 12% van de voertuigen ervaart een overmatige ontlading van de batterij tot onder 2,0 V, waardoor de volledige capaciteit afneemt tot 60% van de oorspronkelijke waarde.
Risico op thermische runaway: 3% van de voertuigen ervaart thermische runaway van batterijcellen als gevolg van oververhitting van de diode, waardoor vervanging van het volledige batterijpakket nodig is.
Tesla heeft het uitvalpercentage teruggebracht tot minder dan 0,2% door de diodeselectie te upgraden (ter vervanging van 1N4007 door Schottky-diodes met een weerstandsspanning van 1000 V en een weerstandsstroom van 50 A) en door het ontwerp van de warmteafvoer te optimaliseren.
2. Gebied van energieopslagsystemen: voortijdige veroudering van het batterijpakket van een fotovoltaïsche energiecentrale
In 2023 kende het lithium-ionbatterijpakket van een fotovoltaïsche energiecentrale van 5 MW in Oost-China een capaciteitsdaling van 80% na twee jaar gebruik, ver onder de ontwerplevensduur van tien jaar. Bij onderzoek bleek dat:

Gebalanceerde diodelekkage: Sommige diodes ervaren een omgekeerde lekstroom tot 100 μA (standaardwaarde<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Thermisch beheersfout: Oververhitting van de diode zorgt ervoor dat de temperatuur van aangrenzende cellen stijgt tot 55 graden, waardoor de verdikking van de SEI-film wordt versneld.
Door het vervangen van de diode met lage lekkage (BAS70-serie) en het optimaliseren van het luchtkanaalontwerp is de afnamesnelheid van de systeemcapaciteit teruggebracht tot minder dan 5% per jaar.
3. Consumentenelektronica: abnormale levensduur van de RTC-batterij
Een bepaalde industriële controller gebruikt CR2025-batterijen om RTC van stroom te voorzien, met een verwachte levensduur van 5 jaar, maar na 6 maanden daadwerkelijk gebruik is vervanging nodig. Detectie gevonden:

Omgekeerde lekstroom van de diode: De omgekeerde lekstroom van de anti-omkeerlaaddiode bereikt 5 μA (standaardwaarde<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Logicafout RTC-chip: De in eigen land geproduceerde RTC-chip ging per ongeluk naar de werkmodus in de stand-by-energiemodus, met een stroomverbruik van 100 μA.
Door het vervangen van de low-leak-diode (1N4148) en het optimaliseren van de RTC-chipselectie werd de levensduur van de batterij hersteld naar de ontwerpwaarde.
4, Optimalisatieschema's in de ingenieurspraktijk
1. Selectieoptimalisatie
Spannings- en stroomweerstandsparameters: De nominale spanning van de diode moet groter zijn dan of gelijk zijn aan 1,5 keer de maximale systeemspanning, en de nominale stroom moet groter zijn dan of gelijk zijn aan 2 keer de maximale bedrijfsstroom. Een 48V-batterijsysteem moet bijvoorbeeld diodes gebruiken met een spanningsweerstand van 100V en een stroomweerstand van 20A.
Lage lekeigenschappen: Kies bij voorkeur Schottky-diodes met sperlekstroom<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Thermische weerstandscontrole: Kies een verpakkingsvorm met een thermische weerstand van<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Ontwerp voor warmteafvoer
Geforceerde luchtkoeling: installeer ventilatoren in gebieden met dichte diodes, met een windsnelheid groter dan of gelijk aan 2 m/s, en regel de verbindingstemperatuur onder 85 graden.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) om de thermische weerstand te verminderen.
Optimalisatie van de lay-out: De afstand tussen de diode en de batterijcel moet groter zijn dan 10 mm om de invloed van thermische straling te voorkomen.
3. Monitoring en bescherming
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 graden.
Redundant ontwerp: dubbele diodes zijn parallel geschakeld op het kritieke pad om de betrouwbaarheid te verbeteren. Tesla Powerwall maakt bijvoorbeeld gebruik van een anti-reverse-laadsysteem met dubbele diodes.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.