Какова термозащита диодов в автомобильных аккумуляторах?

一, Основная причина температурного разгона: сложная тепловая среда бортового накопителя энергии.
Установленные на транспортных средствах накопители энергии (такие как аккумуляторные батареи и модули суперконденсаторов) во время работы сталкиваются с множеством тепловых проблем:

Требования к высокой плотности мощности: в режиме быстрой зарядки аккумуляторная батарея должна восполнить заряд на 80 % в течение 15 минут, при этом мгновенная плотность мощности достигает 500 кВт/м³, что приводит к локальному повышению температуры, превышающему 10 градусов в минуту.
Колебания температуры окружающей среды: диапазон рабочих температур транспортных средств составляет от -40 до 85 градусов, а экстремальные перепады температур усугубляют термическую нагрузку на компоненты.
Суперпозиция электрических неисправностей: короткое замыкание, перезаряд, обратный ток и другие неисправности могут вызвать появление локальных горячих точек, а температура может преодолеть точку плавления материала в течение миллисекунд.
Если взять в качестве примера аккумуляторный модуль Tesla Model 3, он использует схему последовательного подключения 21700 ячеек с плотностью энергии в одномодовой группе 250 Втч/кг. В экстремальных условиях эксплуатации, если терморегулирование выходит из строя, температура поверхности элемента батареи может подняться с 25 до 300 градусов в течение 30 секунд, вызывая цепную реакцию термического выхода из-под контроля. На этом этапе эффективность диода в качестве первого теплозащитного барьера напрямую определяет, сможет ли система обеспечить активную изоляцию на ранних стадиях теплового выхода из-под контроля.

2. Механизм термозащиты диодов: инновации от материалов к конструкциям
1. Низкое прямое падение напряжения (VF) снижает тепловые потери.
Падение напряжения в прямом направлении у традиционных кремниевых диодов-составляет 0,6-0,7 В, что приводит к тепловым потерям 12–14 Вт при токе 20 А. Диод Шоттки имеет структуру металло-полупроводникового перехода, а напряжение VF может составлять всего 0,2–0,4 В. Например, диоды Шоттки поддерживают напряжение VF 0,3 В при высокой температуре 150 градусов, что на 57 % ниже, чем у устройств на основе кремния, и снижает тепловые потери на 68 %. После использования диодов Шоттки в преобразователе постоянного тока BYD e6 эффективность преобразования увеличилась с 92% до 95%, а повышение температуры системы снизилось на 8 градусов.

2. Быстрое время обратного восстановления (Trr) подавляет потери при переключении.
В высокочастотных-импульсных источниках питания (например, автомобильных зарядных устройствах OBC) диоды должны быстро переключаться между состояниями проводимости и отключения. Традиционные диоды с быстрым восстановлением имеют Trr 50-100 нс, тогда как полупроводниковые материалы третьего-поколения, такие как SiC и GaN, могут сократить Trr до 10 нс. GaN HEMT-диод Cree снижает потери обратного восстановления на 90 % по сравнению с кремниевыми-устройствами при частоте переключения 1 МГц, в результате чего эффективность системы OBC превышает 98 %. В высоковольтной платформе 800 В NIO ET7 использование GaN-диодов уменьшает объем зарядного модуля на 40 % и тепловую плотность на 35 %.

3. Подавление переходного напряжения (TVS) блокирует распространение теплового неконтроля.
TVS-диод фиксирует перенапряжение в безопасном диапазоне с миллисекундной скоростью срабатывания, предотвращая перегрев аккумуляторной батареи и потерю контроля из-за перезарядки. TVS-диод SMBJ15CA от Dongwo Electronics применяется в системе хранения энергии Tesla Powerwall с Pppm=600W и Vc=18V. Он может подавить скачок напряжения 24 В до 18 В в течение 10 мкс, снижая повышение температуры поверхности аккумуляторного модуля на 42%. В тесте на термический разгон UL9540A это решение позволило более чем в 10 раз увеличить время срабатывания системы противопожарной защиты.

3. Тепловая защита на уровне системы: совместная разработка диодов и других компонентов.
1. Композитная защита с помощью МОП-транзистора.
Традиционная схема антиреверса P-MOS имеет такие проблемы, как высокое сопротивление и неспособность блокировать обратный ток. Идеальный диодный контроллер LM74700-Q1 от TI обеспечивает сопротивление 0,01 Ом и скорость обратного выключения на наносекундном уровне за счет интеграции N-MOS и схемы управления. В низковольтной системе Ideal Car L9 с напряжением 48 В это решение снижает потери при обратном соединении с 8 Вт до 0,2 Вт, а повышение температуры системы с 15 до 2 градусов, полностью устраняя риск теплового сбоя во время холодного запуска.

2. Управление по замкнутому контуру с помощью датчика температуры.
Батарейный модуль CTP3.0 компании CATL имеет замкнутую-конструкцию «диод + датчик температуры NTC». Когда температура элемента аккумулятора превышает 55 градусов, система автоматически отключает сигнал управления диодом и переводит его в режим рассеивания тепла; Если температура продолжит повышаться до 70 градусов, сработает механизм плавления TVS-диода для достижения физической изоляции. В реальных испытаниях GAC AiON LX эта схема снизила скорость распространения теплового разгона с 0,5 м/с до 0,02 м/с.

3. Оптимизация термоэлектрической муфты с системой жидкостного охлаждения.
В системе накопления энергии BYD Cube используется технология жидкостного охлаждения для стабилизации рабочей температуры диода ниже 45 градусов, что снижает обратный ток утечки на 78 % по сравнению с решением с воздушным-охлаждением. При этом система динамически регулирует расход теплоносителя на основе кривой диода VF Tj. В системе хранения энергии Huawei Digital Energy PowerStack такая конструкция продлевает срок службы диодов с 10 до 15 лет и снижает вероятность теплового выхода из строя до 0,01% в год.