¿La falla del diodo afectará la vida útil del ciclo de la batería?

一, La función principal y el riesgo de falla de los diodos en sistemas de baterías.
La función principal de un diodo.
Los diodos realizan principalmente tres funciones en los sistemas de baterías:

Protección contra carga inversa: evita que la batería se descargue en sentido inverso a circuitos externos en un estado sin carga, evitando la degradación de la capacidad causada por la descarga excesiva de la batería. Por ejemplo, en los sistemas de almacenamiento de energía fotovoltaica, los diodos anti-carga inversa pueden bloquear el camino de la descarga inversa de la batería durante la noche a través de los paneles fotovoltaicos.
Control del circuito de equilibrio: en el circuito de equilibrio del paquete de baterías, se utilizan diodos para aislar las celdas defectuosas y evitar que la sobrecarga o la sobredescarga afecten el rendimiento general del paquete. Por ejemplo, el paquete de baterías del Tesla Model S utiliza diodos de derivación para lograr el equilibrio del nivel de las celdas.
Protección de pinza de voltaje: en BMS, los diodos cooperan con los reguladores de voltaje para limitar el rango de fluctuaciones de voltaje de la batería y evitar daños a las celdas de la batería causados ​​por sobrevoltaje o subvoltaje.
Modos típicos de fallas de diodos.
Hay tres tipos principales de fallas de diodos:

Fallo de conductividad unidireccional: incapacidad de conducir en dirección directa o fuga inversa, lo que resulta en la pérdida de la función del circuito. Por ejemplo, cuando el diodo anti-carga inversa tiene un circuito abierto en la dirección de avance, la batería no se puede cargar; Cuando se produce una avería inversa, la batería continúa descargándose.
Deriva de parámetros: un aumento en la caída de voltaje directo (VF) o una corriente de fuga inversa (IR) excesiva puede provocar una disminución en la eficiencia del sistema. Por ejemplo, cuando el VF del diodo Schottky aumenta de 0,3 V a 0,6 V, el consumo de energía del circuito de equilibrio se duplica.
Fuga térmica: la sobrecorriente o la sobretensión pueden hacer que la temperatura de unión del diodo supere los 150 grados, lo que provoca la carbonización o incluso la fusión del material de embalaje. Por ejemplo, cierto sistema de almacenamiento de energía experimentó un descontrol térmico de las celdas adyacentes debido al sobrecalentamiento del diodo de derivación.
2, El impacto de la falla del diodo en la vida útil del ciclo de la batería
Daño por sobrecarga/sobredescarga
Cuando falla el diodo de carga anti-inversión, la batería puede estar sobrecargada/sobredescargada debido al voltaje inverso del circuito externo o errores de control del BMS. Por ejemplo:

Daños por sobrecarga: cuando las baterías de iones de litio-se sobrecargan, la estructura del material del electrodo positivo colapsa y el electrolito se descompone para producir gas, lo que provoca que la batería se hinche y se degrade la capacidad. Los experimentos han demostrado que cuando se sobrecargan a 4,5 V, la tasa de caída de capacidad de las baterías de litio ternarias es tres veces más rápida que la carga normal.
Daño por sobredescarga: cuando la batería se descarga por debajo de 2,5 V, el colector de corriente de cobre negativo se disuelve y se deposita en el electrodo positivo, formando dendritas de cobre y provocando cortocircuitos internos. Un estudio de caso de un vehículo eléctrico mostró que el ciclo de vida de una batería descargada a 2,0 V disminuyó de 1000 a 300 veces.
Atenuación de capacidad causada por falla de equilibrio
En un paquete de baterías, la falla del diodo puede provocar que falle el circuito de equilibrio, lo que genera el "efecto barril":

Sobrecarga/sobredescarga de una sola celda: si una celda no puede participar en el equilibrio debido a un diodo abierto, su voltaje puede desviarse del valor promedio de todo el grupo. Por ejemplo, en un sistema de almacenamiento de energía, debido a una falla del diodo de equilibrio, una sola celda se sobrecargó a 4,3 V y la capacidad total del grupo disminuyó en un 20% después de 200 ciclos.
Desequilibrio de capacidad de todo el grupo: la falla del equilibrio a largo plazo puede conducir a un aumento en la variabilidad de la capacidad celular. Las investigaciones muestran que cuando la desviación estándar de la capacidad de la celda de la batería aumenta del 0,5% al ​​2%, el ciclo de vida general del grupo se acorta en un 40%.
Aceleración del envejecimiento causada por fallas en la gestión térmica
La falla del diodo puede causar sobrecalentamiento local y acelerar el envejecimiento de la batería:

Reacción en cadena descontrolada térmica: cuando el diodo de derivación se sobrecalienta, el calor se transfiere a las celdas adyacentes, lo que desencadena reacciones secundarias como la descomposición de la película SEI y la descomposición del electrolito. Por ejemplo, en cierto sistema de almacenamiento de energía fotovoltaica, debido al sobrecalentamiento de los diodos, la temperatura de las celdas adyacentes aumentó a 80 grados y la tasa de caída de capacidad fue 5 veces más rápida que la de las celdas normales.
Daño por estrés térmico: los choques térmicos repetidos pueden provocar la rotura de la pestaña de la celda y la contracción del diafragma. Los experimentos han demostrado que después de 10 ciclos térmicos de 60 grados a 25 grados, la tasa de caída de capacidad de la celda de la batería aumenta en un 15%.
3, estudios de casos de la industria y soporte de datos
1. Campo de vehículos eléctricos: falla en la batería del Tesla Model S
En 2018, Tesla retiró del mercado algunos modelos Model S debido a defectos ocultos en el diodo anti-carga inversa del BMS. Mal funcionamiento que causa:

Fenómeno de sobredescarga: el 12% de los vehículos experimentan una sobredescarga de la batería por debajo de 2,0 V, lo que hace que toda la capacidad disminuya al 60% de su valor inicial.
Riesgo de fuga térmica: el 3% de los vehículos experimenta fuga térmica de las celdas de la batería debido al sobrecalentamiento de los diodos, lo que requiere el reemplazo de todo el paquete de baterías.
Tesla ha reducido la tasa de fallas por debajo del 0,2% al actualizar la selección de diodos (reemplazando 1N4007 con diodos Schottky con voltaje soportado de 1000 V y corriente soportada de 50 A) y optimizando el diseño de disipación de calor.
2. Campo de los sistemas de almacenamiento de energía: envejecimiento prematuro del paquete de baterías de una central fotovoltaica
En 2023, el paquete de baterías de iones de litio-de una central fotovoltaica de 5 MW en el este de China experimentó una disminución de capacidad del 80 % después de dos años de funcionamiento, muy por debajo de la vida útil de diseño de 10 años. Tras la investigación se encontró que:

Fuga de diodo balanceado: algunos diodos experimentan una corriente de fuga inversa de hasta 100 μ A (valor estándar<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
Fallo de gestión térmica: el sobrecalentamiento del diodo hace que la temperatura de las celdas adyacentes aumente a 55 grados, acelerando el espesamiento de la película SEI.
Al reemplazar el diodo de baja fuga (serie BAS70) y optimizar el diseño del conducto de aire, la tasa de caída de la capacidad del sistema se ha reducido a un 5% por año.
3. Campo de electrónica de consumo: duración anormal de la batería RTC
Cierto controlador industrial utiliza baterías CR2025 para alimentar el RTC, con una vida útil diseñada de 5 años, pero solicita reemplazo después de 6 meses de uso real. Detección encontrada:

Fuga inversa del diodo: la corriente de fuga inversa del diodo anticarga inversa alcanza 5 μ A (valor estándar<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
Error lógico del chip RTC: el chip RTC de producción nacional ingresó por error al modo de trabajo en el modo de energía de espera, con un consumo de energía de 100 μ A.
Al reemplazar el diodo de baja fuga (1N4148) y optimizar la selección del chip RTC, la duración de la batería se restableció al valor de diseño.
4, Esquemas de optimización en la práctica de la ingeniería.
1. Optimización de la selección
Parámetros de resistencia de voltaje y corriente: el voltaje nominal del diodo debe ser mayor o igual a 1,5 veces el voltaje máximo del sistema, y ​​la corriente nominal debe ser mayor o igual a 2 veces la corriente máxima de funcionamiento. Por ejemplo, un sistema de batería de 48 V debe utilizar diodos con una resistencia de voltaje de 100 V y una resistencia de corriente de 20 A.
Características de baja fuga: elija preferentemente diodos Schottky con corriente de fuga inversa<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
Control de resistencia térmica: Elija una forma de embalaje con una resistencia térmica de<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. Diseño de disipación de calor
Enfriamiento por aire forzado: instale ventiladores en áreas con diodos densos, con una velocidad del viento mayor o igual a 2 m/s, y controle la temperatura de la unión por debajo de 85 grados.
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>2W/m · K) para reducir la resistencia térmica.
Optimización del diseño: la distancia entre el diodo y la celda de la batería debe ser superior a 10 mm para evitar la influencia de la radiación térmica.
3. Monitoreo y Protección
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 grados.
Diseño redundante: los diodos dobles están conectados en paralelo en la ruta crítica para mejorar la confiabilidad. Por ejemplo, Tesla Powerwall adopta un esquema de carga antirreversa de doble diodo.
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.