Como os diodos evitam a descarga reversa das baterias no BMS?

一, Os perigos e requisitos de proteção da descarga reversa
A descarga reversa de uma bateria refere-se ao fenômeno em que os pólos positivo e negativo da bateria são invertidos na polaridade com a carga ou fonte de energia, fazendo com que a corrente flua na direção oposta. Em aplicações de bateria de lítio, a descarga reversa pode causar as seguintes consequências graves:

Danos à estrutura da bateria: A deposição excessiva de íons de lítio no eletrodo negativo forma dendritos de lítio, perfurando o separador e causando curto-circuito;
Risco de fuga térmica: A corrente reversa gera calor Joule, acelera a decomposição do eletrólito e pode causar incêndio ou explosão;
Mau funcionamento no nível do sistema: a tensão reversa pode danificar componentes de precisão, como o chip de controle principal do BMS e o AFE (front-end-analógico).
De acordo com os requisitos do padrão GB/T 38661-2020, o BMS precisa manter a integridade funcional sob tensão reversa de -14V e suportar impacto transitório de -220V no teste de pulso ISO7637. Este requisito rigoroso obriga os engenheiros a adotar esquemas confiáveis ​​de proteção reversa.

2, princípio técnico de descarga anti-reversa de diodo
1. Mecanismo Básico de Condutividade Unidirecional
A principal característica de um diodo é permitir que a corrente flua do ânodo (A) para o cátodo (K) enquanto bloqueia na direção oposta. Depois de conectar um diodo em série com o terminal de entrada de alimentação do BMS, quando a polaridade da alimentação está correta, o diodo fica em um estado de condução direta, permitindo a passagem da corrente; Quando a fonte de alimentação é invertida, o diodo desliga ao contrário, bloqueando diretamente o caminho da corrente.

Casos de aplicação típicos:
A placa de controle BMS do Tesla Modelo 3 adota o diodo Schottky (pacote SMA, tensão suportável reversa de 40 V) como o dispositivo principal de conexão anti-reversa. Este esquema utiliza a baixa queda de tensão direta característica dos diodos Schottky em torno de 0,3 V, resultando em perda de apenas 30 W na corrente de 100 A, o que é 40% mais eficiente-em termos de energia do que esquemas de diodos comuns.

2. Proteção colaborativa de supressão de tensão transitória (TVS)
O esquema simples de diodo tem duas desvantagens:

Tensão suportável reversa limitada (diodos comuns geralmente<200V)
Incapaz de lidar com pulsos transitórios de alta-tensão
Portanto, a indústria geralmente adota uma arquitetura de proteção composta de "TVS+diodo":

Diodo TVS: conectado em paralelo ao terminal de entrada de energia, com tempo de resposta de<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Diodo anti-reverso: série conectada à extremidade traseira do TVS, responsável pela função de corte reverso contínuo.
Exemplo de projeto de BMS para um determinado sistema de armazenamento de energia:
No sistema de 48V, um TVS de 6600W (tensão de fixação 35,5V) embalado em DO-218AB é combinado com um diodo resistente a tensão de 400V. Este esquema passou no teste ISO7637 Pulse 5a (gerando uma alta tensão transitória de 35 V quando o sistema de 12 V está descarregado), ao mesmo tempo que atende ao requisito de uma tensão reversa contínua de -100 V.

3, Parâmetros técnicos principais para seleção de dispositivos
1. Resistência de tensão reversa (VRRM)
Deve atender:

VRRM Maior ou igual a 1,2×Vsystem_max
Por exemplo, em um sistema de bateria de 60V, devem ser selecionados diodos com VRRM maior ou igual a 72V. As aplicações de nível automotivo também precisam considerar o requisito de tensão reversa contínua de -14 V no padrão ISO16750.

2. Queda de tensão de condução direta (VF)
Em cenários de corrente elevada, a FV afeta diretamente a eficiência do sistema:

Diodo de silício comum: 0,7-1,1V (a perda atinge 70-110W a 100A)
Diodo Schottky: 0,2-0,5V (perda reduzida em 60%)
Esquema MOS de retificação síncrona:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Dados da indústria:
Com uma corrente de descarga de 200A, o uso de diodos Schottky pode reduzir 100W de perda de calor em comparação com diodos comuns, resultando em uma redução de 30% nos custos de projeto de dissipação de calor do BMS.
4, Tendências da Indústria e Evolução Tecnológica
1. Disputa sobre soluções de substituição de tubos MOS
Embora o esquema de conexão anti-reversa do PMOS tenha a vantagem de queda de tensão zero (a resistência RDS (on) pode ser tão baixa quanto 0,5m Ω), ele tem três deficiências principais:

Tensão suportável reversa limitada (PMOS de grau automotivo normalmente<100V)
Custo mais alto (3-5 vezes maior que diodos da mesma especificação)
Há um atraso na queda de tensão no momento da desconexão
Dados de medição reais:
Um teste BMS mostrou que quando a fonte de alimentação é desconectada repentinamente, o esquema PMOS faz com que a tensão do capacitor backend caia a uma taxa de 10V/ms, o que pode desencadear uma operação incorreta da proteção de baixa tensão; O esquema de diodos pode desligar imediatamente o circuito.

2. Aplicação de fusão de novos dispositivos
A indústria está explorando as seguintes soluções inovadoras:

Diodo SiC Schottky: tensão suportável aumentada para 650 V, VF reduzido para 0,8 V, adequado para cenários de carregamento rápido de alta-tensão;
Módulo de diodo inteligente: integra proteção reversa, detecção de superaquecimento e funções de relatório de status, simplificando o design do BMS;
Tecnologia de switch MEMS: usando sistemas microeletromecânicos para obter bloqueio reverso sem perdas, mas atualmente o custo é muito alto.
3. O papel promotor das normas e regulamentos
Segurança funcional ISO 26262: Requer que circuitos anti-reversos tenham design de redundância de nível ASIL-B;
GB/T 38031-2021: É explicitamente necessário que o BMS desligue o circuito dentro de 1 segundo quando conectado ao contrário;
UL 2580: Estipula-se que as baterias devem ter capacidade de bloqueio de corrente bidirecional.
5, Análise típica de cenário de aplicação
1. BMS para novos veículos energéticos
A bateria blade BYD BMS adota três{0}}níveis de proteção de "TVS+diodo Schottky+fusível de auto-recuperação":

Nível 1: alta tensão transitória de braçadeira TVS de 1500W
Segundo estágio: corte reverso do diodo Schottky de 40V
Nível 3: PPTC implementa proteção de auto-recuperação de sobrecorrente
Este esquema passou em todos os testes de pulso de acordo com a ISO7637, com um tempo de resposta de proteção reversa inferior a 50ns.

2. Sistema de armazenamento de energia BMS
O BMS de armazenamento de energia de 48 V da CATL adota de forma inovadora uma solução híbrida "back-to-back MOS+diode":

Caminho de carregamento: PMOS atinge condução de queda de tensão zero
Caminho de descarga: O diodo fornece isolamento reverso
Otimização de custos: O MOS de descarga é substituído por diodos, reduzindo os custos do sistema em 18%
6, Desafios tecnológicos e direções de desenvolvimento
A indústria atual enfrenta duas contradições fundamentais:

Equilibrando eficiência e segurança: Dispositivos de baixo VF (como diodos GaN) têm custos elevados;
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000V, enquanto a tensão máxima de fixação dos TVS existentes é de apenas 660V.
O futuro desenvolvimento tecnológico centrar-se-á em:

Aplicação em larga escala de materiais de banda larga (SiC/GaN);
Tecnologia de proteção digital (como previsão de falhas baseada em IA);
Design de módulo padronizado (como núcleos IP de proteção que atendem às especificações AUTOSAR).