Vilken är den termiska skyddseffekten av dioder i strömförsörjning för bilenergi?

一, Grundorsaken till termisk rusning: komplex termisk miljö för energilagring ombord
Fordonsmonterade energilagringskraftkällor (som batteripaket och superkondensatormoduler) står inför flera termiska utmaningar under drift:

Krav på hög effekttäthet: I snabbladdningsläge behöver batteripaketet fylla på med 80 % laddning inom 15 minuter, med en momentan effekttäthet på upp till 500kW/m³, vilket resulterar i en lokal temperaturökning som överstiger 10 grader/min.
Temperaturfluktuationer i miljön: Drifttemperaturintervallet för fordon är -40 grader till 85 grader, och extrema temperaturskillnader förvärrar termisk stress på komponenter.
Överlagring av elektriska fel: Kortslutning, överladdning, omvänd ström och andra fel kan orsaka lokala hotspots, och temperaturen kan bryta igenom materialets smältpunkt inom millisekunder.
Om man tar batterimodulen Tesla Model 3 som ett exempel, använder den ett anslutningsschema för 21700 celler, med en energitäthet på 250 Wh/kg för enkel-lägesgrupp. Under extrema driftsförhållanden, om termisk hantering misslyckas, kan yttemperaturen på battericellen stiga från 25 grader till 300 grader inom 30 sekunder, vilket utlöser en kedjereaktion av termisk runaway. Vid denna tidpunkt avgör diodens prestanda som den första termiska skyddsbarriären direkt om systemet kan uppnå aktiv isolering i de tidiga stadierna av termisk rusning.

2, Termisk skyddsmekanism för dioder: innovation från material till strukturer
1. Lågt framåtspänningsfall (VF) minskar värmeförlusten
Framspänningsfallet för traditionella-kiselbaserade dioder är 0,6-0,7V, vilket resulterar i 12-14W värmeförlust vid 20A ström. Schottky-dioden antar en metallhalvledarövergångsstruktur, och VF kan vara så låg som 0,2-0,4V ™ Till exempel håller Schottky-dioder en VF på 0,3V vid en hög temperatur på 150 grader, vilket är 57 % lägre än kiselbaserade enheter och minskar värmeförlusten med 68 %. Efter att ha använt Schottky-dioder i DC/DC-omvandlaren i BYD e6 ökade omvandlingseffektiviteten från 92 % till 95 %, och systemtemperaturökningen minskade med 8 grader.

2. Snabb omvänd återhämtningstid (Trr) undertrycker brytarförluster
I högfrekventa strömförsörjningsenheter (som billaddare OBC) måste dioder snabbt växla mellan lednings- och avstängningslägen. Traditionella snabbåterställningsdioder har en Trr på 50-100 ns, medan tredje-generations halvledarmaterial som SiC och GaN kan förkorta Trr till inom 10 ns. Crees GaN HEMT-diod minskar omvänd återställningsförlust med 90 % jämfört med kisel-baserade enheter vid en växlingsfrekvens på 1 MHz, vilket resulterar i en OBC-systemeffektivitet som överstiger 98 %. I 800V högspänningsplattformen för NIO ET7 minskar användningen av GaN-dioder volymen på laddningsmodulen med 40 % och den termiska densiteten med 35 %.

3. Transient Voltage Suppression (TVS) blockerar utbredningen av termisk runaway
TVS-dioden klämmer överspänningen till ett säkert område med en millisekunds svarshastighet, vilket förhindrar att battericellen överhettas och tappar kontrollen på grund av överladdning. SMBJ15CA TVS-dioden från Dongwo Electronics används i Tesla Powerwall energilagringssystem, med Pppm=600W och Vc=18V. Den kan undertrycka 24V överspänning till 18V inom 10 μs, vilket minskar yttemperaturökningen på batterimodulen med 42%. I det termiska runaway-testet UL9540A erhöll denna lösning mer än 10 gånger reaktionstiden för brandskyddssystemet.

3, Termiskt skydd på systemnivå: samarbetsdesign av dioder och andra komponenter
1. Kompositskydd med MOSFET
Det traditionella P-MOS-antireverseringsschemat har problem som hög resistans och oförmåga att blockera backström. TI:s LM74700-Q1 idealiska diodkontroller uppnår 0,01 Ω på resistans och nanosekundsnivå omvänd avstängningshastighet genom att integrera N-MOS och styrkrets. I 48V-lågspänningssystemet i Ideal Car L9 minskar denna lösning den antireverserade anslutningsförlusten från 8W till 0,2W, och systemtemperaturökningen från 15 grader till 2 grader, vilket helt löser risken för termiskt fel under kallstart.

2. Sluten kretsstyrning med temperaturgivare
CTP3.0-batterimodulen i CATL antar en sluten-slingdesign av "diod+NTC-temperatursensor". När battericellens temperatur överstiger 55 grader stänger systemet automatiskt av diodkontrollsignalen och tvingar den till värmeavledningsläge; Om temperaturen fortsätter att stiga till 70 grader, kommer TVS-diodens smältmekanism att triggas för att uppnå fysisk isolering. I själva testningen av GAC AiON LX reducerade detta schema utbredningshastigheten för termisk runaway från 0,5 m/s till 0,02 m/s.

3. Termisk elektrisk kopplingsoptimering med vätskekylningssystem
Energilagringssystemet BYD Cube använder vätskekylningsteknik för att stabilisera diodens driftstemperatur under 45 grader, vilket minskar omvänd läckström med 78 % jämfört med den luft-kylda lösningen. Samtidigt justerar systemet dynamiskt kylvätskeflödet baserat på diod VF Tj-kurvan. I Huawei Digital Energy PowerStack energilagringssystem förlänger denna design diodens livslängd från 10 år till 15 år och minskar sannolikheten för termiskt fel till 0,01 % per år.