Làm thế nào để điốt ngăn chặn việc xả ngược pin trong BMS?

一, Các mối nguy hiểm và yêu cầu bảo vệ của việc phóng điện ngược
Xả ngược pin là hiện tượng cực dương và cực âm của pin bị đảo ngược cực tính với tải hoặc nguồn điện, khiến dòng điện chạy ngược chiều. Trong các ứng dụng pin lithium, việc xả ngược có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng sau:

Làm hỏng cấu trúc pin: Sự lắng đọng quá mức của các ion lithium trên điện cực âm tạo thành đuôi gai lithium, xuyên qua dải phân cách và gây đoản mạch;
Nguy cơ thoát nhiệt: Dòng điện ngược tạo ra nhiệt Joule, đẩy nhanh quá trình phân hủy chất điện phân và có thể gây cháy nổ;
Sự cố ở cấp độ hệ thống: Điện áp ngược có thể làm hỏng các bộ phận chính xác như chip điều khiển chính BMS và AFE (-mặt trước tương tự).
Theo yêu cầu của tiêu chuẩn GB/T 38661-2020, BMS cần duy trì tính toàn vẹn chức năng dưới điện áp ngược -14V và chịu được tác động nhất thời -220V trong thử nghiệm xung ISO7637. Yêu cầu nghiêm ngặt này buộc các kỹ sư phải áp dụng các phương án bảo vệ ngược đáng tin cậy.

2, Nguyên lý kỹ thuật diode chống phóng điện ngược
1. Cơ chế dẫn điện một chiều cơ bản
Đặc tính cốt lõi của diode là cho phép dòng điện chạy từ cực dương (A) đến cực âm (K) trong khi chặn theo hướng ngược lại. Sau khi mắc nối tiếp một diode với cực đầu vào nguồn BMS, khi phân cực nguồn đúng, diode ở trạng thái dẫn điện thuận, cho dòng điện đi qua; Khi nguồn điện bị đảo ngược, diode sẽ cắt ngược lại, chặn trực tiếp đường dẫn hiện tại.

Các trường hợp ứng dụng điển hình:
Bảng điều khiển BMS của Tesla Model 3 sử dụng diode Schottky (gói SMA, điện áp chịu ngược 40V) làm thiết bị chính chống kết nối ngược. Sơ đồ này sử dụng đặc tính giảm điện áp chuyển tiếp thấp của điốt Schottky ở khoảng 0,3V, dẫn đến chỉ mất 30W ở dòng điện 100A, tiết kiệm năng lượng hơn-so với sơ đồ điốt thông thường.

2. Bảo vệ phối hợp ức chế điện áp nhất thời (TVS)
Sơ đồ diode đơn giản có hai nhược điểm:

Điện áp chịu ngược bị giới hạn (điốt thông thường thường<200V)
Không thể đối phó với các xung điện áp cao- thoáng qua
Do đó, ngành thường áp dụng kiến ​​trúc bảo vệ tổng hợp "TVS+diode":

Diode TVS: được kết nối song song với cực đầu vào nguồn, với thời gian đáp ứng là<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Diode chống đảo ngược: nối tiếp với đầu sau của TVS, chịu trách nhiệm thực hiện chức năng ngắt ngược liên tục.
Ví dụ về thiết kế BMS cho một hệ thống lưu trữ năng lượng nhất định:
Trong hệ thống 48V, TVS 6600W (điện áp kẹp 35,5V) được đóng gói trong DO-218AB được kết hợp với một diode chịu điện áp 400V. Sơ đồ này đã vượt qua bài kiểm tra ISO7637 Pulse 5a (tạo ra điện áp cao nhất thời 35V khi hệ thống 12V không tải), đồng thời đáp ứng yêu cầu về điện áp ngược liên tục -100V.

3, Các thông số kỹ thuật chính để lựa chọn thiết bị
1. Điện trở ngược (VRRM)
Phải đáp ứng:

VRRM Lớn hơn hoặc bằng 1,2×Vsystem_max
Ví dụ: trong hệ thống ắc quy 60V, nên chọn điốt có VRRM Lớn hơn hoặc bằng 72V. Các ứng dụng cấp ô tô cũng cần xem xét yêu cầu về điện áp ngược liên tục -14V theo tiêu chuẩn ISO16750.

2. Sụt điện áp dẫn thuận (VF)
Trong các kịch bản hiện tại cao, VF ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống:

Diode silicon thông thường: 0,7-1,1V (tổn thất đạt 70-110W ở 100A)
Diode Schottky: 0,2-0,5V (giảm tổn thất 60%)
Sơ đồ MOS chỉnh lưu đồng bộ:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Dữ liệu ngành:
Ở dòng phóng điện 200A, sử dụng điốt Schottky có thể giảm 100W tổn thất nhiệt so với điốt thông thường, giúp giảm 30% chi phí thiết kế tản nhiệt BMS.
4, Xu hướng ngành và sự phát triển công nghệ
1. Tranh chấp giải pháp thay thế ống MOS
Mặc dù sơ đồ kết nối ngược PMOS có ưu điểm là giảm điện áp bằng 0 (điện trở bật RDS (bật) có thể thấp tới 0,5m Ω), nhưng nó có ba nhược điểm lớn:

Giới hạn điện áp chịu được ngược (PMOS cấp ô tô thường<100V)
Giá thành cao hơn (gấp 3-5 lần so với diode cùng thông số kỹ thuật)
Có độ trễ giảm điện áp tại thời điểm ngắt kết nối
Dữ liệu đo thực tế:
Thử nghiệm BMS cho thấy khi nguồn điện đột ngột ngắt kết nối, sơ đồ PMOS khiến điện áp tụ điện phía sau giảm ở tốc độ 10V/ms, điều này có thể gây ra hoạt động sai bảo vệ điện áp thấp; Sơ đồ diode có thể cắt mạch ngay lập tức.

2. Ứng dụng tổng hợp của các thiết bị mới
Ngành công nghiệp đang khám phá các giải pháp đổi mới sau:

Diode SiC Schottky: điện áp chịu được tăng lên 650V, VF giảm xuống 0,8V, phù hợp với các tình huống sạc nhanh điện áp cao-;
Mô-đun diode thông minh: tích hợp chức năng bảo vệ ngược, phát hiện quá nhiệt và báo cáo trạng thái, đơn giản hóa thiết kế BMS;
Công nghệ chuyển mạch MEMS: sử dụng hệ thống vi cơ điện tử để đạt được khả năng chặn ngược không tổn hao, nhưng hiện tại chi phí quá cao.
3. Vai trò thúc đẩy của tiêu chuẩn và quy định
An toàn chức năng ISO 26262: Yêu cầu mạch chống đảo ngược phải có thiết kế dự phòng cấp độ ASIL-B;
GB/T 38031-2021: Yêu cầu rõ ràng là BMS phải cắt mạch trong vòng 1 giây khi kết nối ngược lại;
UL 2580: Quy định rằng bộ pin phải có khả năng chặn dòng điện hai chiều.
5, Phân tích kịch bản ứng dụng điển hình
1. BMS cho phương tiện sử dụng năng lượng mới
Pin phiến BYD BMS sử dụng-bảo vệ ba cấp độ "TVS+điốt Schottky+cầu chì tự phục hồi":

Cấp 1: Kẹp TVS 1500W điện áp cao thoáng qua
Giai đoạn thứ hai: cắt ngược diode Schottky 40V
Cấp độ 3: PPTC thực hiện bảo vệ tự phục hồi quá dòng
Sơ đồ này đã vượt qua tất cả các bài kiểm tra xung theo ISO7637, với thời gian đáp ứng bảo vệ ngược dưới 50ns.

2. Hệ thống lưu trữ năng lượng BMS
BMS lưu trữ năng lượng 48V của CATL áp dụng một cách đổi mới giải pháp kết hợp "back{1}}to{2}}back MOS+diode":

Đường sạc: PMOS đạt được độ dẫn điện áp bằng 0
Đường phóng điện: Diode cung cấp khả năng cách ly ngược
Tối ưu hóa chi phí: MOS phóng điện được thay thế bằng điốt, giảm 18% chi phí hệ thống
6, Thách thức công nghệ và hướng phát triển
Ngành công nghiệp hiện nay đang phải đối mặt với hai mâu thuẫn cốt lõi:

Cân bằng giữa hiệu quả và an toàn: Các thiết bị VF thấp (như điốt GaN) có chi phí cao;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, trong khi điện áp kẹp tối đa của TVS hiện tại chỉ là 660V.
Sự phát triển công nghệ trong tương lai sẽ tập trung vào:

Ứng dụng quy mô lớn của vật liệu vùng cấm rộng (SiC/GaN);
Công nghệ bảo vệ kỹ thuật số (chẳng hạn như dự đoán lỗi dựa trên AI);
Thiết kế mô-đun được tiêu chuẩn hóa (chẳng hạn như lõi IP bảo vệ tuân thủ thông số kỹ thuật của AUTOSAR).