鋰離子電池應(yīng)用已融入了我們的生活中，我們可以常見的產(chǎn)品就有電動摩托車、便攜電動工具和插電式混合動力汽車等等，只要涉及到電了，就會有鋰離子電池的存在，而鋰離子電池組為這些電池設(shè)計保護(hù)電路變得空前重要。

功率FET是電池管理系統(tǒng)（BMS）中的一個關(guān)鍵安全功能，其主要目的是在非正常條件下將電池組與負(fù)載或充電器隔離。本文將討論檢測塊及其如何應(yīng)用于功率FET，以確保鋰離子電池組的安全工作。

功率FET功能塊看上去并不復(fù)雜：連接充電器或負(fù)載時導(dǎo)通FET；出現(xiàn)錯誤時關(guān)斷FET。要正常發(fā)揮功率FET的功能，設(shè)計工程師需要理解負(fù)載條件、電池組限制以及功能塊電路。

在電池管理系統(tǒng)中，功率FET由電芯電壓、電池組電流、溫度、負(fù)載和充電監(jiān)測器比較來控制。功能塊在系統(tǒng)中有三種構(gòu)建方式：（1）通過分立元件，這需要額外的電路板空間，且設(shè)計工程師需要對每個子塊有深刻的理解。（2）集成大多數(shù)子功能塊的功率FETIC，并可用作多芯監(jiān)測器/均衡器的配套IC。功率FETIC在高電芯數(shù)的應(yīng)用（》16個電芯）中非常有用，如太陽能發(fā)電場和智能電網(wǎng)。（3）全集成式BMSIC（如ISL94202、ISL94203和ISL94208）中的功率FET功能塊。這三種方案的功能大致相同，本文解釋了每個子塊的內(nèi)在功能，以及針對不同應(yīng)用的設(shè)計考慮事項。

圖1.用于決定導(dǎo)通還是關(guān)斷功率FET的電路簡圖

考慮圖1的電路配置。該系統(tǒng)是一個連接至發(fā)動機(jī)的高邊串聯(lián)FET配置。功率FET的導(dǎo)通（ON）狀態(tài)取決于電池組的電芯電壓、充電和放電電流、溫度以及監(jiān)測器引腳的狀態(tài)。子塊報告的任何故障都會導(dǎo)致一個或兩個FET關(guān)斷。

Vcell檢測

不考慮電芯均衡的Vcell檢測是用來監(jiān)測過壓、欠壓和開路電芯條件的電壓測量。欠壓條件對檢測電池組空載情況，以防止電芯脫離電壓作用區(qū)（acTIveregion）很重要。鋰離子電芯的作用區(qū)為2.5V-4.2V。鋰聚合物電芯的作用區(qū)為2.5V-3.6V。根據(jù)化學(xué)性質(zhì)和設(shè)計，電芯的限制電壓決定滿載和空載電芯限值。電芯充電時不能超過電壓上限，否則可能造成電芯損壞。大多數(shù)BMSIC都會持續(xù)監(jiān)測過壓和欠壓條件，無論電池充電狀態(tài)如何。

在對電池組中的所有電芯都進(jìn)行了測量后，報告最強(qiáng)電芯與最弱電芯的總電壓差很有用。大的電池組電壓差可甄別開路電芯或明線事件。大多數(shù)系統(tǒng)都有明線測試，以確保測量系統(tǒng)與電芯用導(dǎo)線連接在一起。明線測試不如電芯電壓測量那么頻繁，電芯壓差計算結(jié)果可作為系統(tǒng)故障的早期提示。

開路電芯事件是指電芯內(nèi)部開路或者外部連接損壞。事件的發(fā)生可能是緩慢的，也有可能是突然的。造成開路電芯事件的可能原因有老化、電芯制造質(zhì)量差、或長時間在惡劣環(huán)境中工作。外部連接損壞一般是由于電池組結(jié)構(gòu)差而導(dǎo)致。

電池組在連接至負(fù)載時會產(chǎn)生大量涌入電流，這時可能出現(xiàn)最大電芯壓差的誤報。因為電芯阻抗失配而倍增的涌入電流會導(dǎo)致電芯電壓的嚴(yán)重失配。有些芯片在報告事件時有延遲，有些芯片則沒有。

電流檢測

用于測量電流的大多數(shù)電池系統(tǒng)都有三個電流比較器：放電短路（DSC）、放電過流（DOC）和充電過流（COC）。每個比較器都產(chǎn)生一個延遲，從而允許電流在一段時間內(nèi)大于限值，隨后再采取行動。

與充電器相比，負(fù)載受到的控制較少，所以需要進(jìn)行快速電流放電檢測，以便關(guān)斷功率FET，防止損壞電池或功率FET本身。DSC事件發(fā)生時，功率FET常常延遲幾十至幾百毫秒才關(guān)斷。DSC延遲由定時延遲和功率FET關(guān)斷所需的時間組成。功率FET在柵極和源極通過隔離電阻器連接起來時處于關(guān)斷狀態(tài)。電阻器和柵電容構(gòu)成RC電路，決定FET的關(guān)斷時間。

設(shè)置總DSC關(guān)斷時間延遲時要考慮許多因素。DSC關(guān)斷時間由損壞電池和電路的時間，與負(fù)載啟動或連接時允許涌入電流通過的時間相較而定。DSC關(guān)斷時間與FET的關(guān)斷時間必須平衡。FET關(guān)斷速度過快會導(dǎo)致電芯測量引腳上產(chǎn)生較大電壓瞬變。最接近功率FET的引腳最容易受大電壓瞬變的影響。這些瞬態(tài)事件是功率FET與電池之間的跡線中儲存的電感能量，在電池組突然斷開與負(fù)載的連接時無處發(fā)散的結(jié)果。該電感能量發(fā)散到開路負(fù)載，直至電壓升高到足以激活相連電路的ESD二極管。如果能量足夠多，元件會承受過大的電應(yīng)力。跡線中儲存的能量大小是跡線的電感與流向負(fù)載的電流之積。跡線中儲存的能量在放電短路條件下最多。在電芯電壓引腳處進(jìn)行濾波有助于降低EOS事件發(fā)生概率。實踐中應(yīng)使跡線盡可能短和盡可能寬。另外還應(yīng)仔細(xì)選擇負(fù)載與功率FET之間的線纜的尺寸和長度。這是可能引起高電壓瞬態(tài)事件的另一個因素。

增加FET柵極與FET控制引腳之間的隔離電阻器阻值，可通過延長FET關(guān)斷時間而減小電壓瞬變的幅度。同時，這還通過涉及FET電容的RC時間常數(shù)延長了功率FET的導(dǎo)通時間。請注意，兩處情況下都有隔離電阻器的存在。

功率FET關(guān)斷速度過慢會導(dǎo)致功率FET損壞或掉電。如圖2所示，大多數(shù)功率FET產(chǎn)品數(shù)據(jù)表都提供FET電流與VDS和持續(xù)時間之間關(guān)系的曲線圖。考慮短路電流為100A的20V電池組。下圖顯示了FET在該條件下能維持運行1毫秒。

圖2.FET的關(guān)斷時間應(yīng)在功率FET的安全工作區(qū)域內(nèi)

實踐中通常對DSC限值與涌入電流持續(xù)時間進(jìn)行平衡。涌入電流可能大到工作電流的100倍或更高。圖3顯示了涌入電流瞬態(tài)事件的一個例子，其中涌入電流峰值為270A，工作電流消耗為8A。如果允許涌入電流沖破DSC限值，則FET將在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間切換。

圖3.涌入電流可能意外地沖破放電短路限值

圖4是當(dāng)圖3的涌入電流流向電芯時造成的電池組壓降。圖4顯示了使用低阻抗電芯及電芯間連接的重要性。涌入電流造成電池組電壓降低了10.8V。涌入電流的量級通過增加功率FET的隔離電阻（Riso1和Riso2）來降低。隔離電阻的增加會增加涌入電流事件的持續(xù)時間。

圖4.當(dāng)圖3中的涌入電流來自電池組時電池組的壓降

放電過流限值和延遲是甄別受損負(fù)載或系統(tǒng)（受損后仍繼續(xù)運行）或者錯誤負(fù)載與電池組連接的次級限值。DOC條件的存在時間要長很多，并且需要考慮的因素少于DSC。

充電過流限值可防止電池過充和使用錯誤的充電器為電池組充電。COC延遲允許未穩(wěn)壓電荷在短時間內(nèi)流向電池。圖5顯示了一種小型摩托車的負(fù)載曲線。發(fā)動機(jī)在電流為負(fù)值時為電池充電。來自發(fā)動機(jī)的再生電流可能顯著大于充電電流。COC限值設(shè)置接近于充電器電流，以防止用錯誤的充電器給電池充電。大多數(shù)再生電流的持續(xù)時間都很短。圖5中，250秒后記錄的再生電流是摩托車下坡時的情況。約280秒時的再生電流是摩托車滑行停止的情況。該電池組的充電電流是2A。

圖5.小型摩托車的負(fù)載曲線

充電電流的設(shè)置涉及許多因素。其中主要因素是電芯本身的充電接受能力，其他因素有充電時間、電芯發(fā)熱和電池老化。

溫度檢測

檢測電芯溫度的主要原因是確保電池不會達(dá)到熱逸潰。可能造成熱逸潰的情況有電芯過充、對電池組短路或電芯本身內(nèi)部短路。有些化學(xué)電池相對容易受熱逸潰的影響。

除了熱逸潰檢測以外，實踐中還使用熱檢測來確定電池充電或放電是否安全。如圖6所示，大多數(shù)鋰電池都提供建議的充電/放電溫度范圍。在筆記本電腦等應(yīng)用中，可能需要在圖6中的僅允許放電溫度區(qū)內(nèi)充電。JEITA是一種鋰電池充電標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)提倡在電芯不大穩(wěn)定或不大能夠接受電荷的溫度區(qū)減小充電電流。圖7是JEITA充電標(biāo)準(zhǔn)的一個例子。對于大多數(shù)應(yīng)用，圖6的曲線已足以滿足要求，并且易于實現(xiàn)。

圖6.鋰電池的可接受充電/放電溫度區(qū)

圖7.可以實現(xiàn)在極端溫度區(qū)充電，但情況會變得更復(fù)雜

結(jié)論

對于獨立的BMSIC，理解其功能塊和功率FET在工作區(qū)域的執(zhí)行活動很重要。有些IC允許在充電FET（CFET）和放電FET（DFET）同時都處于導(dǎo)通狀態(tài)時充電。其他IC則關(guān)斷CFET。當(dāng)在電芯溫度曲線僅允許放電區(qū)工作時，CFET在串聯(lián)功率FET配置中絕不能關(guān)斷。在CFET關(guān)斷時運行負(fù)載允許電流穿過CFET的體二極管。這會增加FET的功率耗散，導(dǎo)致FET溫度上升。如果不采取措施消除由FET產(chǎn)生的熱量，比如通過電路布局或使用散熱器，則元件可能受損。在串聯(lián)配置下工作時CFET關(guān)斷還可減小會影響應(yīng)用性能的負(fù)載功耗。

大多數(shù)中小型電池組都使用兩個熱敏電阻器來監(jiān)測溫度。其中一個熱敏電阻器位于電池組的中心，由于與電芯的隔離，這里的溫度較高。因為工作溫度較高，這些電芯的老化速度更快。第二個熱敏電阻器位于電池組之外，主要用于測量環(huán)境溫度。恰當(dāng)?shù)臏囟葯z測可防止電池發(fā)生熱逸潰，并確保其充電或放電安全。