자동차 에너지 저장 전원 공급 장치에서 다이오드의 열 보호 효과는 무엇입니까?

一, 열 폭주의 근본 원인: 온보드 에너지 저장 전원 공급 장치의 복잡한 열 환경
차량 탑재 에너지 저장 전원(예: 전원 배터리 팩 및 슈퍼커패시터 모듈)은 작동 중에 여러 가지 열 문제에 직면합니다.

높은 전력 밀도 요구 사항: 고속 충전 모드에서 배터리 팩은 최대 500kW/m 3의 순간 전력 밀도로 15분 이내에 80%의 충전 보충을 완료해야 하므로 국지적 온도 상승이 10도/분을 초과합니다.
환경 온도 변동: 차량의 작동 온도 범위는 -40도 ~ 85도이며 극심한 온도 차이로 인해 구성 요소의 열 응력이 악화됩니다.
전기 결함 중첩: 단락, 과충전, 역전류 및 기타 결함으로 인해 국지적 핫스팟이 발생할 수 있으며 온도가 밀리초 내에 재료 융점을 돌파할 수 있습니다.
Tesla Model 3 배터리 모듈을 예로 들면, 단일{2}}모드 그룹 에너지 밀도가 250Wh/kg인 21700 셀 시리즈 연결 방식을 채택합니다. 극한의 작동 조건에서 열 관리가 실패하면 배터리 셀의 표면 온도가 30초 이내에 25도에서 300도까지 상승해 열 폭주 연쇄 반응을 일으킬 수 있습니다. 이 시점에서 첫 번째 열 보호 장벽인 다이오드의 성능은 시스템이 열폭주 초기 단계에서 능동 절연을 달성할 수 있는지 여부를 직접적으로 결정합니다.

2, 다이오드의 열 보호 메커니즘: 재료에서 구조까지의 혁신
1. 낮은 순방향 전압 강하(VF)로 열 손실 감소
기존 실리콘- 기반 다이오드의 순방향 전압 강하는 0.6-0.7V이므로 20A 전류에서 12~14W의 열 손실이 발생합니다. 쇼트키 다이오드는 금속 반도체 접합 구조를 채택해 VF를 0.2~0.4V™까지 낮출 수 있다. 예를 들어 쇼트키 다이오드는 150도의 고온에서 0.3V의 VF를 유지하는데, 이는 실리콘 기반 소자보다 57% 낮고 열 손실을 68% 줄여준다. BYD e6의 DC/DC 컨버터에 쇼트키 다이오드를 사용한 후 변환 효율이 92%에서 95%로 증가하고 시스템 온도 상승이 8도 감소했습니다.

2. 빠른 역회복 시간(Trr)으로 스위치 손실 억제
고주파수 스위칭 전원 공급 장치(예: 자동차 충전기 OBC)에서{0}}다이오드는 전도 상태와 차단 상태 사이를 빠르게 전환해야 합니다. 기존 고속 복구 다이오드의 Trr은 50-100ns인 반면, SiC 및 GaN과 같은 3세대 반도체 소재는 Trr을 10ns 이내로 단축할 수 있습니다. Cree의 GaN HEMT 다이오드는 1MHz의 스위칭 주파수에서 실리콘{12}} 기반 장치에 비해 역회복 손실을 90% 줄여 OBC 시스템 효율이 98%를 초과합니다. NIO ET7의 800V 고전압 플랫폼에서 GaN 다이오드를 사용하면 충전 모듈의 부피가 40%, 열 밀도가 35% 감소합니다.

3. 과도 전압 억제(TVS)로 열폭주 전파를 차단합니다.
TVS 다이오드는 밀리초 응답 속도로 과전압을 안전한 범위로 고정하여 배터리 셀이 과열되는 것을 방지하고 과충전으로 인해 제어력을 상실합니다. 동우전자의 SMBJ15CA TVS 다이오드는 Tesla Powerwall 에너지 저장 시스템에 Pppm=600W 및 Vc{3}}V로 적용됩니다. 24V 서지 전압을 10μs 이내에 18V로 억제해 배터리 모듈의 표면 온도 상승을 42% 줄일 수 있다. UL9540A 열 폭주 테스트에서 이 솔루션은 소방 시스템의 응답 시간을 10배 이상 향상시켰습니다.

3, 시스템 수준 열 보호: 다이오드 및 기타 구성 요소의 공동 설계
1. MOSFET을 이용한 복합 보호
기존의 P-MOS 역방향 방지 방식은 온 저항이 높고 역전류를 차단하지 못하는 등의 문제가 있었습니다. TI의 LM74700-Q1 아이디얼 다이오드 컨트롤러는 N-MOS와 제어 회로를 통합하여 0.01Ω 저항과 나노초 수준의 역방향 턴오프 속도를 달성합니다. Ideal Car L9의 48V 저전압 시스템에서 이 솔루션은 역방향 연결 손실을 8W에서 0.2W로 줄이고 시스템 온도는 15도에서 2도로 상승하여 콜드 스타트 ​​시 열 고장 위험을 완전히 해결합니다.

2. 온도 센서를 이용한 폐쇄 루프 제어
CATL의 CTP3.0 배터리 모듈은 "다이오드+NTC 온도 센서"의 폐쇄{1}}루프 설계를 채택합니다. 배터리 셀의 온도가 55도를 초과하면 시스템은 자동으로 다이오드 제어 신호를 차단하고 강제로 방열 모드로 전환합니다. 온도가 계속해서 70도까지 상승하면 TVS 다이오드 용해 메커니즘이 트리거되어 물리적 절연을 달성합니다. GAC AiON LX의 실제 테스트에서 이 방식은 열 폭주 전파 속도를 0.5m/s에서 0.02m/s로 줄였습니다.

3. 액체 냉각 시스템을 이용한 열전기 결합 최적화
BYD Cube 에너지 저장 시스템은 액체 냉각 기술을 사용하여 다이오드 작동 온도를 45도 미만으로 안정화하고 공랭식 솔루션에 비해 역방향 누설 전류를 78% 줄입니다.{2}} 동시에 시스템은 다이오드 VF Tj 곡선을 기반으로 냉각수 유량을 동적으로 조정합니다. Huawei Digital Energy PowerStack 에너지 저장 시스템에서 이 설계는 다이오드 수명을 10년에서 15년으로 연장하고 열 고장 확률을 연간 0.01%로 줄입니다.