Quel est l’effet de protection thermique des diodes dans les alimentations électriques de stockage d’énergie des voitures ?

一, Cause fondamentale de l'emballement thermique : environnement thermique complexe de l'alimentation électrique de stockage d'énergie embarquée
Les sources d'énergie de stockage d'énergie montées sur véhicule (telles que les blocs-batteries et les modules de supercondensateur) sont confrontées à de multiples défis thermiques pendant leur fonctionnement :

Exigence de densité de puissance élevée : en mode de charge rapide, la batterie doit compléter une recharge de 80 % en 15 minutes, avec une densité de puissance instantanée allant jusqu'à 500 kW/m³, ce qui entraîne une augmentation de la température locale supérieure à 10 degrés/min.
Fluctuations de température ambiante : la plage de température de fonctionnement des véhicules est comprise entre -40 degrés et 85 degrés, et les différences de température extrêmes exacerbent les contraintes thermiques sur les composants.
Superposition de défauts électriques : les courts-circuits, les surcharges, les courants inverses et d'autres défauts peuvent provoquer des points chauds locaux, et la température peut dépasser le point de fusion du matériau en quelques millisecondes.
En prenant le module de batterie Tesla Model 3 comme exemple, il adopte un schéma de connexion en série de 21 700 cellules, avec une densité énergétique de groupe monomode-de 250 Wh/kg. Dans des conditions de fonctionnement extrêmes, si la gestion thermique échoue, la température de surface de la cellule de la batterie peut passer de 25 degrés à 300 degrés en 30 secondes, déclenchant une réaction en chaîne d'emballement thermique. À ce stade, les performances de la diode en tant que première barrière de protection thermique déterminent directement si le système peut réaliser une isolation active dans les premiers stades de l'emballement thermique.

2, Mécanisme de protection thermique des diodes : innovation des matériaux aux structures
1. La faible chute de tension directe (VF) réduit les pertes de chaleur
La chute de tension directe des diodes traditionnelles à base de silicium-est de 0,6-0,7 V, ce qui entraîne une perte de chaleur de 12 à 14 W à un courant de 20 A. La diode Schottky adopte une structure de jonction semi-conductrice métallique et le VF peut être aussi bas que 0,2-0,4 V ™. Par exemple, les diodes Schottky maintiennent un VF de 0,3 V à une température élevée de 150 degrés, ce qui est 57 % inférieur à celui des dispositifs à base de silicium et réduit la perte de chaleur de 68 %. Après avoir utilisé des diodes Schottky dans le convertisseur DC/DC du BYD e6, l'efficacité de conversion est passée de 92 % à 95 % et l'augmentation de la température du système a diminué de 8 degrés.

2. Le temps de récupération inverse rapide (Trr) supprime les pertes de commutation
Dans les alimentations à découpage haute fréquence (telles que les chargeurs de voiture OBC), les diodes doivent basculer rapidement entre les états de conduction et de coupure. Les diodes à récupération rapide traditionnelles ont un Trr de 50-100 ns, tandis que les matériaux semi-conducteurs de troisième-génération tels que SiC et GaN peuvent raccourcir Trr à moins de 10 ns. La diode GaN HEMT de Cree réduit la perte de récupération inverse de 90 % par rapport aux dispositifs à base de silicium-à une fréquence de commutation de 1 MHz, ce qui se traduit par une efficacité du système OBC supérieure à 98 %. Dans la plateforme haute tension 800 V de NIO ET7, l'utilisation de diodes GaN réduit le volume du module de charge de 40 % et la densité thermique de 35 %.

3. La suppression des tensions transitoires (TVS) bloque la propagation de l'emballement thermique
La diode TVS limite la surtension à une plage sûre avec une vitesse de réponse d'une milliseconde, empêchant la cellule de la batterie de surchauffer et de perdre le contrôle en raison d'une surcharge. La diode TVS SMBJ15CA de Dongwo Electronics est appliquée dans le système de stockage d'énergie Tesla Powerwall, avec Pppm=600W et Vc=18V. Il peut supprimer la surtension de 24 V à 18 V en 10 µs, réduisant ainsi l'augmentation de la température de surface du module de batterie de 42 %. Lors du test d'emballement thermique UL9540A, cette solution a obtenu un temps de réponse plus de 10 fois supérieur pour le système de protection incendie.

3, protection thermique au niveau du système : conception collaborative de diodes et autres composants
1. Protection composite avec MOSFET
Le schéma anti-inversion P-MOS traditionnel présente des problèmes tels qu'une résistance élevée et une incapacité à bloquer le courant inverse. Le contrôleur de diode idéal LM74700-Q1 de TI atteint 0,01 Ω sur la résistance et une vitesse de désactivation inverse de niveau nanoseconde en intégrant N-MOS et un circuit de commande. Dans le système basse tension 48 V d'Ideal Car L9, cette solution réduit la perte de connexion anti-inversion de 8 W à 0,2 W et l'augmentation de la température du système de 15 degrés à 2 degrés, résolvant complètement le risque de défaillance thermique lors du démarrage à froid.

2. Contrôle en boucle fermée avec capteur de température
Le module de batterie CTP3.0 de CATL adopte une conception en boucle fermée-de « capteur de température diode + NTC ». Lorsque la température de la cellule de la batterie dépasse 55 degrés, le système coupe automatiquement le signal de commande de la diode et le force en mode de dissipation thermique ; Si la température continue d'augmenter jusqu'à 70 degrés, le mécanisme de fusion des diodes TVS sera déclenché pour obtenir une isolation physique. Lors des tests réels du GAC AiON LX, ce schéma a réduit la vitesse de propagation de l'emballement thermique de 0,5 m/s à 0,02 m/s.

3. Optimisation du couplage thermoélectrique avec système de refroidissement liquide
Le système de stockage d'énergie BYD Cube utilise la technologie de refroidissement liquide pour stabiliser la température de fonctionnement de la diode en dessous de 45 degrés, réduisant ainsi le courant de fuite inverse de 78 % par rapport à la solution refroidie par air-. Dans le même temps, le système ajuste dynamiquement le débit du liquide de refroidissement en fonction de la courbe VF Tj de la diode. Dans le système de stockage d'énergie Huawei Digital Energy PowerStack, cette conception prolonge la durée de vie de la diode de 10 à 15 ans et réduit la probabilité de défaillance thermique à 0,01 % par an.