Hvad er den termiske beskyttelseseffekt af dioder i bilers energilagringsstrømforsyninger?

一, Grundårsagen til termisk løbsk: komplekst termisk miljø af indbygget energilagringsstrømforsyning
Køretøjsmonterede energilagringsstrømkilder (såsom strømbatteripakker og superkondensatormoduler) står over for flere termiske udfordringer under drift:

Krav til høj effekttæthed: I hurtig opladningstilstand skal batteripakken fuldføre 80 % opladning inden for 15 minutter med en øjeblikkelig effekttæthed på op til 500kW/m³, hvilket resulterer i en lokal temperaturstigning på over 10 grader/min.
Temperaturudsving i omgivelserne: Køretøjers driftstemperaturområde er -40 grader til 85 grader, og ekstreme temperaturforskelle forværrer termisk belastning på komponenter.
Elektrisk fejloverlejring: Kortslutning, overopladning, omvendt strøm og andre fejl kan forårsage lokale hotspots, og temperaturen kan bryde gennem materialets smeltepunkt inden for millisekunder.
Tager man Tesla Model 3-batterimodulet som et eksempel, bruger det et 21700-celle-serietilslutningsskema med en enkelt-tilstandsgruppeenergitæthed på 250Wh/kg. Under ekstreme driftsforhold, hvis termisk styring mislykkes, kan overfladetemperaturen på battericellen stige fra 25 grader til 300 grader inden for 30 sekunder, hvilket udløser en kædereaktion af termisk løbsk. På dette tidspunkt afgør diodens ydeevne som den første termiske beskyttelsesbarriere direkte, om systemet kan opnå aktiv isolation i de tidlige stadier af termisk løbsk.

2, Termisk beskyttelsesmekanisme af dioder: innovation fra materialer til strukturer
1. Lavt fremadgående spændingsfald (VF) reducerer varmetabet
Det fremadrettede spændingsfald for traditionelle silicium-baserede dioder er 0,6-0,7V, hvilket resulterer i 12-14W varmetab ved 20A strøm. Schottky-dioden anvender en metalhalvlederforbindelsesstruktur, og VF kan være så lav som 0,2-0,4V ™ For eksempel opretholder Schottky-dioder en VF på 0,3V ved en høj temperatur på 150 grader, hvilket er 57 % lavere end siliciumbaserede enheder og reducerer varmetabet med 68 %. Efter brug af Schottky-dioder i DC/DC-konverteren til BYD e6 steg konverteringseffektiviteten fra 92% til 95%, og systemtemperaturstigningen faldt med 8 grader.

2. Hurtig reverseringstid (Trr) undertrykker kontakttab
I højfrekvente strømforsyninger (som f.eks. bilopladere OBC) skal dioder hurtigt skifte mellem lednings- og afskæringstilstande. Traditionelle hurtiggendannelsesdioder har en Trr på 50-100ns, mens tredje-generations halvledermaterialer såsom SiC og GaN kan forkorte Trr til inden for 10ns. Cree's GaN HEMT-diode reducerer reverseret gendannelsestab med 90 % sammenlignet med silicium-baserede enheder ved en omskiftningsfrekvens på 1MHz, hvilket resulterer i en OBC-systemeffektivitet på over 98 %. I 800V højspændingsplatformen i NIO ET7 reducerer brugen af ​​GaN-dioder volumen af ​​opladningsmodulet med 40 % og den termiske tæthed med 35 %.

3. Transient Voltage Suppression (TVS) blokerer udbredelsen af ​​termisk runaway
TVS-dioden klemmer overspændingen til et sikkert område med en millisekunds responshastighed, hvilket forhindrer battericellen i at overophedes og miste kontrollen på grund af overopladning. SMBJ15CA TVS-dioden fra Dongwo Electronics anvendes i Tesla Powerwall energilagringssystem med Pppm=600W og Vc=18V. Den kan undertrykke 24V overspænding til 18V inden for 10 μs, hvilket reducerer overfladetemperaturstigningen på batterimodulet med 42%. I UL9540A termisk runaway-test opnåede denne løsning mere end 10 gange responstiden for brandsikringssystemet.

3, termisk beskyttelse på systemniveau: samarbejdsdesign af dioder og andre komponenter
1. Kompositbeskyttelse med MOSFET
Den traditionelle P-MOS anti-omvendt-ordning har problemer såsom høj modstand og manglende evne til at blokere omvendt strøm. TI's LM74700-Q1 ideelle diodecontroller opnår 0,01 Ω på modstand og nanosekundniveau omvendt slukningshastighed ved at integrere N-MOS og kontrolkredsløb. I 48V lavspændingssystemet i Ideal Car L9 reducerer denne løsning anti-omvendt forbindelsestabet fra 8W til 0,2W, og systemtemperaturstigningen fra 15 grader til 2 grader, hvilket fuldstændig løser risikoen for termisk fejl under koldstart.

2. Lukket sløjfestyring med temperaturføler
CTP3.0 batterimodulet i CATL anvender et lukket-sløjfedesign af "diode+NTC temperatursensor". Når temperaturen på battericellen overstiger 55 grader, afbryder systemet automatisk diodekontrolsignalet og tvinger det til varmeafledningstilstand; Hvis temperaturen fortsætter med at stige til 70 grader, vil TVS diodesmeltemekanismen blive udløst for at opnå fysisk isolation. I den faktiske test af GAC AiON LX reducerede dette skema udbredelseshastigheden af ​​termisk runaway fra 0,5 m/s til 0,02 m/s.

3. Termisk elektrisk koblingsoptimering med væskekølesystem
BYD Cube-energilagringssystemet bruger væskekølingsteknologi til at stabilisere diodens driftstemperatur under 45 grader, hvilket reducerer omvendt lækstrøm med 78 % sammenlignet med den luft-kølede løsning. Samtidig justerer systemet dynamisk kølevæskestrømningshastigheden baseret på diode VF Tj-kurven. I Huawei Digital Energy PowerStack energilagringssystem forlænger dette design diodernes levetid fra 10 år til 15 år og reducerer sandsynligheden for termisk fejl til 0,01 % om året.