Wie verhindern Dioden eine Rückentladung von Batterien in BMS?

一, Die Gefahren und Schutzanforderungen der Rückentladung
Unter umgekehrter Entladung einer Batterie versteht man das Phänomen, dass die Polarität der Plus- und Minuspole der Batterie gegenüber der Last oder Stromquelle vertauscht wird, wodurch Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt. Bei Anwendungen mit Lithiumbatterien kann die Rückwärtsentladung die folgenden schwerwiegenden Folgen haben:

Schäden an der Batteriestruktur: Übermäßige Ablagerung von Lithiumionen auf der negativen Elektrode bildet Lithiumdendriten, die den Separator durchdringen und einen Kurzschluss verursachen;
Gefahr eines thermischen Durchgehens: Rückstrom erzeugt Joulesche Wärme, beschleunigt die Zersetzung des Elektrolyten und kann einen Brand oder eine Explosion verursachen;
Fehlfunktion auf Systemebene: Eine umgekehrte Spannung kann Präzisionskomponenten wie den BMS-Hauptsteuerchip und das AFE (Analog-Frontend) beschädigen.
Gemäß den Anforderungen der Norm GB/T 38661-2020 muss das BMS die Funktionsintegrität unter einer Sperrspannung von -14 V aufrechterhalten und im ISO7637-Impulstest transienten Stößen von -220 V standhalten. Diese strenge Anforderung zwingt Ingenieure dazu, zuverlässige Rückwärtsschutzsysteme einzuführen.

2, Technisches Prinzip der Dioden-Anti-Rückentladung
1. Grundlegender unidirektionaler Leitfähigkeitsmechanismus
Die Kerneigenschaft einer Diode besteht darin, den Stromfluss von der Anode (A) zur Kathode (K) zu ermöglichen, während sie in der entgegengesetzten Richtung blockiert. Nachdem eine Diode in Reihe mit dem BMS-Stromeingangsanschluss geschaltet wurde und die Polarität der Stromversorgung korrekt ist, befindet sich die Diode in einem vorwärtsleitenden Zustand, sodass Strom durchfließen kann. Wenn die Stromversorgung umgekehrt wird, schaltet die Diode umgekehrt ab und blockiert direkt den Strompfad.

Typische Anwendungsfälle:
Die BMS-Steuerplatine des Tesla Model 3 verwendet eine Schottky-Diode (SMA-Gehäuse, Sperrspannung 40 V) als Hauptgerät zur Verhinderung der Rückwärtsverbindung. Dieses Schema nutzt den geringen Vorwärtsspannungsabfall von Schottky-Dioden bei etwa 0,3 V, was zu einem Verlust von nur 30 W bei 100 A Strom führt, was 40 % energieeffizienter ist als herkömmliche Diodenschemata.

2. Kollaborativer Schutz der Transientenspannungsunterdrückung (TVS)
Das einfache Diodenschema hat zwei Nachteile:

Die Sperrspannungsfestigkeit ist begrenzt (gewöhnliche Dioden normalerweise).<200V)
Kann mit vorübergehenden Hoch-spannungsimpulsen nicht umgehen
Daher verwendet die Branche im Allgemeinen eine zusammengesetzte Schutzarchitektur aus „TVS+Diode“:

TVS-Diode: parallel zum Stromeingangsanschluss geschaltet, mit einer Reaktionszeit von<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
Anti-Reverse-Diode: In Reihe geschaltet mit dem hinteren Ende des TVS, verantwortlich für die kontinuierliche Reverse-Cutoff-Funktion.
Beispiel für ein BMS-Design für ein bestimmtes Energiespeichersystem:
Im 48-V-System wird ein 6600-W-TVS (Klemmspannung 35,5 V), verpackt in DO-218AB, mit einer 400-V-spannungsfesten Diode kombiniert. Dieses Schema hat den ISO7637 Pulse 5a-Test bestanden (erzeugt eine transiente Hochspannung von 35 V, wenn das 12-V-System entladen ist) und erfüllt gleichzeitig die Anforderung einer kontinuierlichen Sperrspannung von -100 V.

3, Wichtige technische Parameter für die Geräteauswahl
1. Sperrspannungswiderstand (VRRM)
Muss erfüllt sein:

VRRM Größer oder gleich 1,2×Vsystem_max
Beispielsweise sollten in einem 60-V-Batteriesystem Dioden mit VRRM größer oder gleich 72 V ausgewählt werden. Bei Automobilanwendungen muss auch die Anforderung einer kontinuierlichen Sperrspannung von -14 V in der Norm ISO16750 berücksichtigt werden.

2. Vorwärtsleitungsspannungsabfall (VF)
In Hochstromszenarien wirkt sich VF direkt auf die Systemeffizienz aus:

Gewöhnliche Siliziumdiode: 0,7–1,1 V (Verlust erreicht 70–110 W bei 100 A)
Schottky-Diode: 0,2–0,5 V (Verlust um 60 % reduziert)
Synchrongleichrichtungs-MOS-Schema:<0.1V (but requires complex driving circuit)
Branchendaten:
Bei einem Entladestrom von 200 A kann der Einsatz von Schottky-Dioden den Wärmeverlust im Vergleich zu herkömmlichen Dioden um 100 W reduzieren, was zu einer Reduzierung der Designkosten für die BMS-Wärmeableitung um 30 % führt.
4, Branchentrends und technologische Entwicklung
1. Streit um MOS-Röhrenersatzlösungen
Obwohl das PMOS-Anti-Reverse-Verbindungsschema den Vorteil hat, dass kein Spannungsabfall auftritt (der Einschaltwiderstand RDS (on) kann bis zu 0,5 mΩ betragen), weist es drei große Nachteile auf:

Begrenzte Rückwärtsspannungsfestigkeit (typischerweise PMOS in Automobilqualität).<100V)
Höhere Kosten (3–5 Mal höher als bei Dioden derselben Spezifikation)
Im Moment der Abschaltung kommt es zu einer Spannungsabfallverzögerung
Tatsächliche Messdaten:
Ein BMS-Test ergab, dass das PMOS-Schema bei einer plötzlichen Unterbrechung der Stromversorgung dazu führt, dass die Spannung des Back-End-Kondensators mit einer Rate von 10 V/ms abfällt, was zu einer Fehlfunktion des Unterspannungsschutzes führen kann. Die Diodenschaltung kann den Stromkreis sofort unterbrechen.

2. Fusionsanwendung neuer Geräte
Die Branche erforscht die folgenden innovativen Lösungen:

SiC-Schottky-Diode: Spannungsfestigkeit auf 650 V erhöht, VF auf 0,8 V reduziert, geeignet für Hochspannungs-Schnellladeszenarien;
Intelligentes Diodenmodul: integriert Verpolungsschutz, Übertemperaturerkennung und Statusberichtsfunktionen und vereinfacht so das BMS-Design;
MEMS-Schaltertechnologie: Verwendung mikroelektromechanischer Systeme, um eine verlustfreie Rückwärtssperrung zu erreichen, aber derzeit sind die Kosten zu hoch.
3. Die fördernde Rolle von Standards und Vorschriften
ISO 26262 Funktionale Sicherheit: Erfordert Anti-Reverse-Schaltkreise mit einem Redundanzdesign der ASIL-B-Ebene;
GB/T 38031-2021: Es ist ausdrücklich erforderlich, dass BMS den Stromkreis innerhalb von 1 Sekunde unterbricht, wenn es umgekehrt angeschlossen wird;
UL 2580: Es ist vorgeschrieben, dass Akkupacks über eine bidirektionale Stromblockierfähigkeit verfügen müssen.
5, Analyse typischer Anwendungsszenarien
1. BMS für Fahrzeuge mit neuer Energie
Das BYD-Blade-Batterie-BMS übernimmt den dreistufigen Schutz „TVS+Schottky-Diode+selbstwiederherstellende Sicherung“:

Stufe 1: 1500 W TVS-Klemme für transiente Hochspannung
Zweite Stufe: 40-V-Schottky-Dioden-Sperrabschaltung
Stufe 3: PPTC implementiert einen Überstrom-Selbstwiederherstellungsschutz
Dieses Schema hat alle Impulstests gemäß ISO7637 bestanden, mit einer Reaktionszeit des Rückwärtsschutzes von weniger als 50 ns.

2. Energiespeichersystem BMS
Das 48-V-Energiespeicher-BMS von CATL nutzt auf innovative Weise eine „Back-to-Back--to--MOS+Diode-Hybridlösung:

Ladepfad: PMOS erreicht eine Leitung ohne Spannungsabfall
Entladepfad: Die Diode sorgt für eine Sperrisolierung
Kostenoptimierung: Entladungs-MOS wird durch Dioden ersetzt, wodurch die Systemkosten um 18 % gesenkt werden
6, Technologische Herausforderungen und Entwicklungsrichtungen
Die aktuelle Branche steht vor zwei zentralen Widersprüchen:

Balance zwischen Effizienz und Sicherheit: Geräte mit niedrigem VF (z. B. GaN-Dioden) sind mit hohen Kosten verbunden.
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>1000 V, während die maximale Klemmspannung vorhandener TVS nur 660 V beträgt.
Die zukünftige technologische Entwicklung wird sich auf Folgendes konzentrieren:

Großflächige Anwendung von Materialien mit großer Bandlücke (SiC/GaN);
Digitale Schutztechnologie (z. B. KI-basierte Fehlervorhersage);
Standardisiertes Moduldesign (z. B. schützende IP-Kerne, die den AUTOSAR-Spezifikationen entsprechen).