क्या डायोड की विफलता बैटरी चक्र जीवन को प्रभावित करेगी?

दूसरा, बैटरी सिस्टम में डायोड का मुख्य कार्य और दोष जोखिम
डायोड का मुख्य कार्य
बैटरी सिस्टम में डायोड मुख्य रूप से तीन कार्य करते हैं:

एंटी रिवर्स चार्जिंग सुरक्षा: बैटरी को गैर चार्जिंग स्थिति में बाहरी सर्किट में रिवर्स डिस्चार्ज होने से रोकता है, बैटरी के अधिक डिस्चार्ज के कारण होने वाली क्षमता में गिरावट से बचाता है। उदाहरण के लिए, फोटोवोल्टिक ऊर्जा भंडारण प्रणालियों में, एंटी रिवर्स चार्जिंग डायोड फोटोवोल्टिक पैनलों के माध्यम से रात के समय बैटरी रिवर्स डिस्चार्ज के मार्ग को अवरुद्ध कर सकते हैं।
बैलेंस सर्किट नियंत्रण: बैटरी पैक बैलेंस सर्किट में, डायोड का उपयोग दोषपूर्ण कोशिकाओं को अलग करने और पैक के समग्र प्रदर्शन को प्रभावित करने से ओवरचार्जिंग या ओवरडिस्चार्जिंग को रोकने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, टेस्ला मॉडल एस का बैटरी पैक सेल स्तर संतुलन प्राप्त करने के लिए बाईपास डायोड का उपयोग करता है।
वोल्टेज क्लैंप सुरक्षा: बीएमएस में, डायोड बैटरी वोल्टेज के उतार-चढ़ाव की सीमा को सीमित करने और ओवरवॉल्टेज या अंडरवॉल्टेज के कारण बैटरी कोशिकाओं को होने वाले नुकसान को रोकने के लिए वोल्टेज नियामकों के साथ सहयोग करते हैं।
डायोड दोष के विशिष्ट तरीके
डायोड दोष के तीन मुख्य प्रकार हैं:

यूनिडायरेक्शनल चालकता विफलता: आगे की दिशा में संचालन करने में असमर्थता या रिवर्स रिसाव, जिसके परिणामस्वरूप सर्किट फ़ंक्शन का नुकसान होता है। उदाहरण के लिए, जब एंटी रिवर्स चार्जिंग डायोड आगे की दिशा में खुला सर्किट होता है, तो बैटरी को चार्ज नहीं किया जा सकता है; जब रिवर्स ब्रेकडाउन होता है, तो बैटरी डिस्चार्ज होती रहती है।
पैरामीटर बहाव: फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप (वीएफ) में वृद्धि या अत्यधिक रिवर्स लीकेज करंट (आईआर) से सिस्टम दक्षता में कमी आ सकती है। उदाहरण के लिए, जब शोट्की डायोड VF 0.3V से 0.6V तक बढ़ जाता है, तो बैलेंसिंग सर्किट की बिजली खपत दोगुनी हो जाती है।
थर्मल रनअवे: ओवरकरंट या ओवरवोल्टेज के कारण डायोड का जंक्शन तापमान 150 डिग्री से अधिक हो सकता है, जिससे पैकेजिंग सामग्री का कार्बोनाइजेशन या यहां तक ​​​​कि पिघलना हो सकता है। उदाहरण के लिए, एक निश्चित ऊर्जा भंडारण प्रणाली ने बाईपास डायोड के अधिक गर्म होने के कारण आसन्न कोशिकाओं के थर्मल पलायन का अनुभव किया।
2, बैटरी चक्र जीवन पर डायोड विफलता का प्रभाव पथ
ओवरचार्जिंग/ओवर डिस्चार्जिंग क्षति
जब एंटी रिवर्स चार्जिंग डायोड विफल हो जाता है, तो बाहरी सर्किट रिवर्स वोल्टेज या बीएमएस नियंत्रण त्रुटियों के कारण बैटरी ओवरचार्ज/ओवरडिस्चार्ज हो सकती है। उदाहरण के लिए:

ओवरचार्ज क्षति: जब लिथियम आयन बैटरियों को ओवरचार्ज किया जाता है, तो सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री की संरचना ढह जाती है, और इलेक्ट्रोलाइट गैस का उत्पादन करने के लिए विघटित हो जाता है, जिससे बैटरी में सूजन और क्षमता में गिरावट आती है। प्रयोगों से पता चला है कि जब 4.5V तक ओवरचार्ज किया जाता है, तो टर्नरी लिथियम बैटरी की क्षमता क्षय दर सामान्य चार्जिंग से तीन गुना तेज होती है।
ओवरडिस्चार्ज क्षति: जब बैटरी को 2.5V से नीचे डिस्चार्ज किया जाता है, तो नकारात्मक कॉपर करंट कलेक्टर घुल जाता है और सकारात्मक इलेक्ट्रोड पर जमा हो जाता है, जिससे कॉपर डेंड्राइट बनता है और आंतरिक शॉर्ट सर्किट होता है। एक इलेक्ट्रिक वाहन के मामले के अध्ययन से पता चला है कि 2.0V तक डिस्चार्ज किए गए बैटरी पैक का चक्र जीवन 1000 गुना से घटकर 300 गुना हो गया है।
संतुलन विफलता के कारण क्षमता क्षीणन
बैटरी पैक में, डायोड विफलता के कारण संतुलन सर्किट विफल हो सकता है, जिससे "बैरल प्रभाव" हो सकता है:

सिंगल सेल ओवरचार्जिंग/ओवरडिस्चार्जिंग: यदि कोई सेल खुले डायोड के कारण संतुलन में भाग नहीं ले सकता है, तो इसका वोल्टेज पूरे समूह के औसत मूल्य से विचलित हो सकता है। उदाहरण के लिए, एक ऊर्जा भंडारण प्रणाली में, संतुलन डायोड की विफलता के कारण, एक एकल सेल 4.3V तक ओवरचार्ज हो गया, और 200 चक्रों के बाद समूह की पूरी क्षमता 20% कम हो गई।
संपूर्ण समूह क्षमता असंतुलन: दीर्घकालिक संतुलन विफलता से सेल क्षमता परिवर्तनशीलता में वृद्धि हो सकती है। अनुसंधान से पता चलता है कि जब बैटरी सेल क्षमता का मानक विचलन 0.5% से 2% तक बढ़ जाता है, तो समूह का समग्र चक्र जीवन 40% कम हो जाता है।
थर्मल प्रबंधन विफलता के कारण उम्र बढ़ने में तेजी आई
डायोड की विफलता स्थानीय ओवरहीटिंग का कारण बन सकती है और बैटरी की उम्र बढ़ने में तेजी ला सकती है:

थर्मल रनवे चेन रिएक्शन: जब बाईपास डायोड ज़्यादा गरम हो जाता है, तो गर्मी आसन्न कोशिकाओं में स्थानांतरित हो जाती है, जिससे एसईआई फिल्म अपघटन और इलेक्ट्रोलाइट अपघटन जैसी साइड प्रतिक्रियाएं शुरू हो जाती हैं। उदाहरण के लिए, एक निश्चित फोटोवोल्टिक ऊर्जा भंडारण प्रणाली में, डायोड ओवरहीटिंग के कारण, आसन्न कोशिकाओं का तापमान 80 डिग्री तक बढ़ गया, और क्षमता क्षय दर सामान्य कोशिकाओं की तुलना में 5 गुना तेज थी।
थर्मल तनाव क्षति: बार-बार थर्मल झटके सेल टैब टूटने और डायाफ्राम संकुचन का कारण बन सकते हैं। प्रयोगों से पता चला है कि 60 डिग्री से 25 डिग्री तक 10 थर्मल चक्रों के बाद, बैटरी सेल की क्षमता क्षय दर 15% बढ़ जाती है।
3, उद्योग मामले के अध्ययन और डेटा समर्थन
1. इलेक्ट्रिक वाहन क्षेत्र: टेस्ला मॉडल एस बैटरी पैक विफलता
2018 में, टेस्ला ने बीएमएस में एंटी रिवर्स चार्जिंग डायोड में छिपे दोषों के कारण कुछ मॉडल एस मॉडल को वापस बुला लिया। खराबी के कारण:

ओवरडिस्चार्ज घटना: 12% वाहनों में 2.0V से नीचे बैटरी ओवरडिस्चार्ज का अनुभव होता है, जिससे पूरी क्षमता अपने प्रारंभिक मूल्य के 60% तक कम हो जाती है।
थर्मल रनवे का जोखिम: 3% वाहनों में डायोड ओवरहीटिंग के कारण बैटरी कोशिकाओं के थर्मल रनवे का अनुभव होता है, जिसके लिए पूरे बैटरी पैक को बदलने की आवश्यकता होती है।
टेस्ला ने डायोड चयन को अपग्रेड करके (1N4007 को 1000V वोल्टेज झेलने वाले और 50A करंट झेलने वाले शोट्की डायोड के साथ बदलकर) और गर्मी अपव्यय डिज़ाइन को अनुकूलित करके विफलता दर को 0.2% से कम कर दिया है।
2. ऊर्जा भंडारण प्रणाली क्षेत्र: फोटोवोल्टिक पावर स्टेशन बैटरी पैक का समय से पहले बूढ़ा होना
2023 में, पूर्वी चीन में 5MW फोटोवोल्टिक पावर स्टेशन के लिथियम आयन बैटरी पैक की क्षमता में 2 साल के संचालन के बाद 80% की गिरावट देखी गई, जो 10 साल के डिजाइन जीवनकाल से काफी कम है। जांच करने पर पता चला कि:

संतुलित डायोड रिसाव: कुछ डायोड 100 μA (मानक मान) तक के रिवर्स लीकेज करंट का अनुभव करते हैं<1 μ A), resulting in continuous power consumption of the balancing circuit.
थर्मल प्रबंधन विफलता: डायोड के अधिक गर्म होने से आसन्न कोशिकाओं का तापमान 55 डिग्री तक बढ़ जाता है, जिससे एसईआई फिल्म का गाढ़ा होना तेज हो जाता है।
कम रिसाव वाले डायोड (बीएएस70 श्रृंखला) को प्रतिस्थापित करके और वायु वाहिनी डिजाइन को अनुकूलित करके, सिस्टम क्षमता क्षय दर को प्रति वर्ष 5% के भीतर कम कर दिया गया है।
3. उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र: असामान्य आरटीसी बैटरी लाइफ
एक निश्चित औद्योगिक नियंत्रक आरटीसी को बिजली देने के लिए सीआर2025 बैटरियों का उपयोग करता है, जिसका डिज़ाइन जीवनकाल 5 वर्ष है, लेकिन यह वास्तविक उपयोग के 6 महीने के बाद प्रतिस्थापन के लिए संकेत देता है। पता चला:

डायोड का रिवर्स लीकेज: एंटी रिवर्स चार्जिंग डायोड का रिवर्स लीकेज करंट 5 μ A (मानक मान) तक पहुंच जाता है<0.1 μ A), causing the battery to discharge continuously.
आरटीसी चिप तर्क त्रुटि: घरेलू स्तर पर उत्पादित आरटीसी चिप गलती से 100 μ ए की बिजली खपत के साथ स्टैंडबाय पावर मोड में कार्यशील मोड में प्रवेश कर गई।
कम रिसाव वाले डायोड (1एन4148) को बदलकर और आरटीसी चिप चयन को अनुकूलित करके, बैटरी जीवन को डिज़ाइन मूल्य पर बहाल किया गया था।
4, इंजीनियरिंग अभ्यास में अनुकूलन योजनाएँ
1. चयन अनुकूलन
वोल्टेज और वर्तमान प्रतिरोध पैरामीटर: डायोड का रेटेड वोल्टेज अधिकतम सिस्टम वोल्टेज के 1.5 गुना से अधिक या उसके बराबर होना चाहिए, और रेटेड करंट अधिकतम ऑपरेटिंग करंट के 2 गुना से अधिक या उसके बराबर होना चाहिए। उदाहरण के लिए, 48V बैटरी सिस्टम में 100V के वोल्टेज प्रतिरोध और 20A के वर्तमान प्रतिरोध वाले डायोड का उपयोग करना चाहिए।
कम रिसाव विशेषताएँ: अधिमानतः रिवर्स लीकेज करंट वाले शोट्की डायोड चुनें<0.1 μ A (such as SB5100) or ultrafast recovery diodes (such as UF4007).
थर्मल प्रतिरोध नियंत्रण: थर्मल प्रतिरोध वाला एक पैकेजिंग फॉर्म चुनें<5 ℃/W (such as DO-214AA), and match it with a heat sink.
2. गर्मी अपव्यय डिजाइन
जबरन वायु शीतलन: घने डायोड वाले क्षेत्रों में पंखे स्थापित करें, जिनकी हवा की गति 2m/s से अधिक या उसके बराबर हो, और जंक्शन तापमान को 85 डिग्री से नीचे नियंत्रित करें।
Thermal conductive material: Fill the gap between the diode and the heat sink with thermal conductive silicone grease (thermal conductivity>थर्मल प्रतिरोध को कम करने के लिए 2W/m·K)।
लेआउट अनुकूलन: थर्मल विकिरण के प्रभाव से बचने के लिए डायोड और बैटरी सेल के बीच की दूरी 10 मिमी से अधिक होनी चाहिए।
3. निगरानी एवं सुरक्षा
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 डिग्री.
निरर्थक डिज़ाइन: विश्वसनीयता में सुधार के लिए डबल डायोड को महत्वपूर्ण पथ पर समानांतर में जोड़ा जाता है। उदाहरण के लिए, टेस्ला पावरवॉल दोहरी डायोड एंटी रिवर्स चार्जिंग योजना को अपनाता है।
Regular maintenance: Check diode parameters every six months and replace components with VF deviation>15% or IR>5 μ A.