BMS ではダイオードがどのようにしてバッテリーの逆放電を防止するのでしょうか?

一、逆放電の危険性と保護要件
電池の逆放電とは、負荷や電源に対して電池のプラス極とマイナス極の極性が逆になり、逆方向に電流が流れる現象を指します。リチウム電池の用途では、逆放電は次のような重大な結果を引き起こす可能性があります。

バッテリー構造への損傷: 負極上にリチウムイオンが過剰に堆積すると、リチウム樹枝状結晶が形成され、セパレーターを突き破って短絡が発生します。
熱暴走の危険性: 逆電流はジュール熱を発生し、電解液の分解を促進し、火災や爆発を引き起こす可能性があります。
システムレベルの誤動作: 逆電圧により、BMS メイン制御チップや AFE (アナログ フロントエンド) などの精密コンポーネントが損傷する可能性があります。-。
GB/T 38661-2020 規格の要件に従って、BMS は ISO7637 パルス テストで -14V 逆電圧下で機能の完全性を維持し、-220V の過渡衝撃に耐える必要があります。この厳しい要件により、エンジニアは信頼性の高い逆方向保護スキームを採用する必要があります。

2、ダイオード逆放電防止の技術原理
1. 基本的な一方向性導電メカニズム
ダイオードの中心的な特性は、電流がアノード (A) からカソード (K) に流れるのを許可し、逆方向には電流を遮断することです。 BMS 電源入力端子にダイオードを直列に接続した後、電源の極性が正しい場合、ダイオードは順方向導通状態になり、電流が通過します。電源が逆になると、ダイオードが逆方向に遮断され、電流経路が直接遮断されます。

典型的なアプリケーションケース:
Tesla Model 3のBMS制御基板は、逆接防止主素子としてショットキーダイオード(SMAパッケージ、逆耐電圧40V)を採用しています。この方式はショットキー ダイオードの約 0.3 V の低い順方向電圧降下特性を利用しており、100 A 電流での損失はわずか 30 W であり、通常のダイオード方式よりもエネルギー効率が 40% 高くなります-。

2. 過渡電圧抑制(TVS)の協調保護
単純なダイオード方式には 2 つの欠点があります。

逆耐電圧が制限されている（通常のダイオードは通常<200V)
一時的な高電圧パルスに対処できない-
したがって、業界では通常、「TVS+ダイオード」の複合保護アーキテクチャが採用されています。

TVS ダイオード: 電源入力端子に並列接続、応答時間:<1ps, can clamp transient high voltage to a safe range in nanoseconds (such as SMCJ series can clamp 1000V pulse to 53.9V);
逆方向防止ダイオード: TVS の後端に直列接続され、連続的な逆方向遮断機能を担当します。
特定のエネルギー貯蔵システムの BMS 設計の例:
48Vシステムでは、DO-218ABにパッケージされた6600W TVS（クランプ電圧35.5V）と400V耐圧ダイオードが組み合わされています。この方式は、-100V の連続逆電圧の要件を満たしながら、ISO7637 パルス 5a テスト (12V システムが無負荷のときに 35V の過渡高電圧を生成) に合格しています。

3、デバイス選択のための主要な技術パラメータ
1. 逆電圧抵抗 (VRRM)
満たす必要があります:

VRRM 1.2×Vsystem_max 以上
たとえば、60V バッテリ システムでは、VRRM が 72V 以上のダイオードを選択する必要があります。車載グレードのアプリケーションでは、ISO16750 規格の -14V 連続逆電圧の要件も考慮する必要があります。

2. 順導通電圧降下 (VF)
高電流シナリオでは、VF はシステム効率に直接影響します。

通常のシリコンダイオード：0.7～1.1V（損失は100Aで70～110Wに達します）
ショットキーダイオード：0.2～0.5V（損失60％低減）
同期整流MOS方式：<0.1V (but requires complex driving circuit)
業界データ:
ショットキーダイオードを使用すると、放電電流200Aの場合、通常のダイオードに比べて熱損失を100W削減でき、BMSの放熱設計コストを30%削減できます。
4、業界動向と技術進化
1. MOSチューブの代替ソリューションをめぐる紛争
PMOS 逆接続防止方式には、電圧降下がゼロであるという利点があります (オン抵抗 RDS (on) は 0.5m Ω まで低く抑えることができます) が、次の 3 つの大きな欠点があります。

逆耐電圧が制限されている (通常、車載グレードの PMOS)<100V)
コストが高い (同じ仕様のダイオードよりも 3 ～ 5 倍高い)
切断の瞬間に電圧降下遅延があります
実測データ：
BMS テストでは、電源が突然切断されると、PMOS 方式によりバックエンド コンデンサの電圧が 10V/ms の速度で低下し、低電圧保護の誤動作を引き起こす可能性があることが示されました。ダイオード方式により回路を即座に遮断できます。

2. 新しいデバイスの融合応用
業界は次のような革新的なソリューションを模索しています。

SiC ショットキー ダイオード: 耐電圧が 650V に増加し、VF が 0.8V に減少し、高電圧急速充電シナリオに適しています。-
インテリジェント ダイオード モジュール: 逆方向保護、過熱検出、ステータス レポート機能を統合し、BMS 設計を簡素化します。
MEMS スイッチ技術: マイクロ電気機械システムを使用して損失のない逆阻止を実現しますが、現時点ではコストが高すぎます。
3. 規格と規制の促進的役割
ISO 26262 機能安全: ASIL-B レベルの冗長設計を備えたアンチリバース回路が必要です。
GB/T 38031-2021: 逆接続された場合、BMS が 1 秒以内に回路を遮断することが明示的に要求されています。
UL 2580: バッテリーパックは双方向電流ブロック機能を備えていなければならないと規定されています。
5、典型的なアプリケーションシナリオ分析
1. 新エネルギー車向けBMS
BYD ブレード バッテリー BMS は、「TVS+ショットキー ダイオード+自己回復ヒューズ」の 3 レベルの保護を採用しています。-

レベル 1: 1500W TVS クランプ過渡高電圧
2段目：40Vショットキーダイオード逆遮断
レベル 3: PPTC は過電流自己回復保護を実装します
この方式は ISO7637 に準拠したすべてのパルス テストに合格しており、逆方向保護の応答時間は 50ns 未満です。

2. エネルギー貯蔵システムBMS
CATL の 48V エネルギー ストレージ BMS は、「バックツーバック MOS+ダイオード」ハイブリッド ソリューションを革新的に採用しています。--

充電経路: PMOS による電圧降下ゼロの伝導を実現
放電経路: ダイオードが逆絶縁を提供します
コストの最適化: 放電 MOS がダイオードに置き換えられ、システム コストが 18% 削減されます。
6、技術課題と開発の方向性
現在の業界は 2 つの主要な矛盾に直面しています。

効率と安全性のバランス: 低 VF デバイス (GaN ダイオードなど) はコストが高くなります。
High voltage trend: The 800V platform requires protective devices to withstand voltage>既存の TVS の最大クランプ電圧はわずか 660V ですが、1000V です。
今後の技術開発は以下に焦点を当てます。

ワイドバンドギャップ材料（SiC/GaN）の大規模応用。
デジタル保護テクノロジー (AI ベースの障害予測など)。
標準化されたモジュール設計 (AUTOSAR 仕様に準拠した保護 IP コアなど)。