Qual é o efeito de proteção térmica dos diodos nas fontes de alimentação de armazenamento de energia dos automóveis?

一, Causa raiz da fuga térmica: ambiente térmico complexo da fonte de alimentação de armazenamento de energia a bordo
As fontes de armazenamento de energia montadas em veículos (como baterias de energia e módulos de supercapacitores) enfrentam vários desafios térmicos durante a operação:

Requisito de alta densidade de potência: No modo de carregamento rápido, a bateria precisa completar 80% de reposição de carga em 15 minutos, com uma densidade de potência instantânea de até 500kW/m³, resultando em um aumento de temperatura local superior a 10 graus/min.
Flutuações de temperatura ambiental: A faixa de temperatura operacional dos veículos é de -40 graus a 85 graus, e diferenças extremas de temperatura exacerbam o estresse térmico nos componentes.
Superposição de falhas elétricas: Curto-circuito, sobrecarga, corrente reversa e outras falhas podem causar pontos quentes locais, e a temperatura pode ultrapassar o ponto de fusão do material em milissegundos.
Tomando o módulo de bateria Tesla Modelo 3 como exemplo, ele adota um esquema de conexão em série de 21.700 células, com uma densidade de energia de grupo de{2}modo único de 250Wh/kg. Em condições operacionais extremas, se o gerenciamento térmico falhar, a temperatura da superfície da célula da bateria pode subir de 25 graus para 300 graus em 30 segundos, desencadeando uma reação em cadeia de fuga térmica. Neste ponto, o desempenho do diodo como primeira barreira de proteção térmica determina diretamente se o sistema pode alcançar o isolamento ativo nos estágios iniciais do desvio térmico.

2, Mecanismo de proteção térmica de diodos: inovação de materiais a estruturas
1. A baixa queda de tensão direta (VF) reduz a perda de calor
A queda de tensão direta dos diodos-baseados em silício tradicionais é de 0,6-0,7V, resultando em perda de calor de 12 a 14W com corrente de 20A. O diodo Schottky adota uma estrutura de junção semicondutora de metal e o VF pode ser tão baixo quanto 0,2-0,4V ™. Por exemplo, os diodos Schottky mantêm um VF de 0,3V a uma alta temperatura de 150 graus, que é 57% menor que os dispositivos à base de silício e reduz a perda de calor em 68%. Depois de usar diodos Schottky no conversor DC/DC do BYD e6, a eficiência de conversão aumentou de 92% para 95% e o aumento da temperatura do sistema diminuiu 8 graus.

2. O tempo de recuperação reversa rápida (Trr) suprime as perdas do switch
Em fontes de alimentação comutadas-de alta frequência (como carregadores de carro OBC), os diodos precisam alternar rapidamente entre os estados de condução e de corte. Os diodos tradicionais de recuperação rápida têm um Trr de 50{3}}100ns, enquanto materiais semicondutores de terceira-geração, como SiC e GaN, podem reduzir o Trr para até 10ns. O diodo GaN HEMT da Cree reduz a perda de recuperação reversa em 90% em comparação com dispositivos baseados em silício-com uma frequência de comutação de 1 MHz, resultando em uma eficiência do sistema OBC superior a 98%. Na plataforma de alta tensão 800V do NIO ET7, o uso de diodos GaN reduz o volume do módulo de carregamento em 40% e a densidade térmica em 35%.

3. A supressão de tensão transitória (TVS) bloqueia a propagação da fuga térmica
O diodo TVS fixa a sobretensão a uma faixa segura com uma velocidade de resposta de milissegundos, evitando o superaquecimento da célula da bateria e a perda de controle devido à sobrecarga. O diodo TVS SMBJ15CA da Dongwo Electronics é aplicado no sistema de armazenamento de energia Tesla Powerwall, com Pppm=600W e Vc=18V. Ele pode suprimir a tensão de surto de 24 V para 18 V em 10 μ s, reduzindo o aumento da temperatura da superfície do módulo da bateria em 42%. No teste de fuga térmica UL9540A, esta solução obteve mais de 10 vezes o tempo de resposta do sistema de proteção contra incêndio.

3, Proteção térmica em nível de sistema: design colaborativo de diodos e outros componentes
1. Proteção composta com MOSFET
O esquema anti-reverso P-MOS tradicional tem problemas como alta resistência e incapacidade de bloquear a corrente reversa. O controlador de diodo ideal LM74700-Q1 da TI atinge 0,01 Ω na resistência e velocidade de desligamento reverso em nível de nanossegundos integrando N-MOS e circuito de controle. No sistema de baixa tensão de 48V do Ideal Car L9, esta solução reduz a perda de conexão anti-reversa de 8W para 0,2W e o aumento da temperatura do sistema de 15 graus para 2 graus, resolvendo completamente o risco de falha térmica durante a partida a frio.

2. Controle de circuito fechado com sensor de temperatura
O módulo de bateria CTP3.0 do CATL adota um design de circuito-fechado de "diodo+sensor de temperatura NTC". Quando a temperatura da célula da bateria excede 55 graus, o sistema corta automaticamente o sinal de controle do diodo e força-o a entrar no modo de dissipação de calor; Se a temperatura continuar a subir até 70 graus, o mecanismo de fusão do diodo TVS será acionado para obter isolamento físico. Nos testes reais do GAC AiON LX, esse esquema reduziu a velocidade de propagação da fuga térmica de 0,5 m/s para 0,02 m/s.

3. Otimização do acoplamento elétrico térmico com sistema de refrigeração líquida
O sistema de armazenamento de energia BYD Cube usa tecnologia de resfriamento líquido para estabilizar a temperatura operacional do diodo abaixo de 45 graus, reduzindo a corrente de fuga reversa em 78% em comparação com a solução-resfriada a ar. Ao mesmo tempo, o sistema ajusta dinamicamente a vazão do refrigerante com base na curva VF Tj do diodo. No sistema de armazenamento de energia Huawei Digital Energy PowerStack, esse design estende a vida útil do diodo de 10 para 15 anos e reduz a probabilidade de falha térmica para 0,01% ao ano.