高串?dāng)?shù)鋰電池包被廣泛應(yīng)用于電動工具、吸塵器、電動自行車、基站備用電源和儲能系統(tǒng)等。電池包在實(shí)際使用過程中，可能發(fā)生各種各樣的異常情況，如高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、正負(fù)端短路等。由于鋰電池的特性，需要對其進(jìn)行嚴(yán)格且精確的監(jiān)控和保護(hù)。在眾多的保護(hù)項(xiàng)中，短路保護(hù)應(yīng)該是最嚴(yán)酷，也是最容易導(dǎo)致板子和元器件損壞的。本文將根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹高串?dāng)?shù)鋰電池包短路保護(hù)電路的設(shè)計及考慮因素。
1．概述
這里說的短路是指在電池包對外輸出的正端（PACK+）和負(fù)端（PACK-）直接短路。這會產(chǎn)生幾百安甚至上千安的短路電流。這么大的短路電流如果不在極短的時間內(nèi)掐斷電流通路，可能會導(dǎo)致保護(hù)板，及其上面的電子元器件，甚至電芯本身損壞。最終造成冒煙、起火、爆炸等危險性事故。所以必須在很短的時間內(nèi)把短路電流掐斷。實(shí)現(xiàn)這一功能的電路，叫短路保護(hù)電路。
2．短路保護(hù)介紹
短路保護(hù)電路的功能是在檢測到電流超過設(shè)定的閾值，且持續(xù)超過設(shè)定的延遲時間，就會關(guān)斷放電 MOSFET，掐斷短路電流。通常短路保護(hù)電路包括圖 1 所示的電流檢測電路，驅(qū)動電路和 MOSFET。
當(dāng)電池包的正端（PACK+）和負(fù)端（PACK-）在外部短路時，產(chǎn)生的短路電流的大小與串聯(lián)電芯的總電壓和整個環(huán)路的阻抗有關(guān)。整個環(huán)路的阻抗包括電芯自身的內(nèi)阻，電流檢測電阻，MOSFET 導(dǎo)通阻抗，板上走線的寄生阻抗，外部短路阻抗等。總體來說，整個環(huán)路的阻抗是比較小的，大概是幾十到幾百毫歐，所以短路電流非常大。可達(dá)幾百安甚至上千安。這就要求在幾十到幾百微秒內(nèi)，把放電 MOSFET 關(guān)斷，從而把短路電流切斷。下面以圖 2 為例，介紹整個短路保護(hù)動作的過程。可以把保護(hù)動作分為兩部分：一是從短路發(fā)生到 MOSFTE剛開始動作的階段，這段時間就是短路保護(hù)的延遲時間，可以通過參數(shù)配置來選擇和調(diào)整，這段時間一般是幾十到幾百微秒；二是從 MOSFET 開始動作到 MOSFET 完全關(guān)斷的階段，這段時間一般是幾十微秒。這段時間跟硬件電路設(shè)計有關(guān)，包括驅(qū)動電路的驅(qū)動能力，MOSGET 的寄生參數(shù)等有關(guān)。
3．短路保護(hù)電路的失效模式
短路保護(hù)電路的失效，通常是表現(xiàn)成 MOSFET 燒壞。失效模式包括過電壓燒壞 MOSFET 和過能量燒壞 MOSFET。下面將針對將針對這兩種失效模式進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析。
3.1．過電壓燒壞 MOSFET 的失效模式
因?yàn)榘l(fā)生短路的時候，會產(chǎn)生很大的短路電流。而放電 MOSFET 從開始動作到完全關(guān)斷，時間非常短。這就會產(chǎn)生非常大的瞬態(tài)電壓尖峰。如果這個瞬態(tài)電壓尖峰超過了放電 MOSFET 的最大耐壓，就會導(dǎo)致放電MOSFET 的損壞。下面將會以圖 3 來詳細(xì)分析。
因?yàn)檎麄€電池包各個部分都存在著寄生電感，包括：
（1），18650 電芯或者軟包聚合物電芯內(nèi)部，都是通過卷繞的方式制成的。所以每節(jié)電芯都會存在寄生的電感。
（2），PCB 走線存在寄生電感。
（3），外部短路線路的寄生電感。
根據(jù)楞次定律，當(dāng)放電 MOSFET 從開始動作到完全關(guān)斷，短路電流從最大值減小到 0 時，寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢如圖 3 藍(lán)框所示。感應(yīng)電動勢的大小可以有 V = L * (di/dt)來計算。其中 V 是感應(yīng)電動勢，L 是寄生電感，di 是電流的變化，dt 是電流變化所持續(xù)的時間。所有寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢疊加起來，最終在放電MOSFET 的漏極產(chǎn)生一個比電池電壓高很多的瞬態(tài)電壓尖峰，如圖 2 所示。
從 V = L * (di/dt)公式來看，如果要優(yōu)化瞬態(tài)電壓尖峰，可以從 L，di 和 dt 入手。但對于寄生電感 L，沒有多少可優(yōu)化的空間。對于電流的變化 di，是由短路電流來決定，也沒有太多的優(yōu)化空間。因?yàn)檫@兩項(xiàng)都是由硬件（電芯特性，電路板）決定的。唯一可以優(yōu)化的就是電流變化持續(xù)的時間 dt。可以適當(dāng)減慢放電 MOSFET 的關(guān)斷速度，從而增大 dt，來降低感應(yīng)電動勢 V。
下圖是以圖 3 電路為基礎(chǔ)，通過調(diào)整驅(qū)動電路上的 Rdsg 來優(yōu)化瞬態(tài)電壓尖峰的測試結(jié)果。Ch2，綠色，PACK-端的電壓；Ch3，紫色，電流檢測電阻 Rsns 上的電壓；電流檢測電阻 Rsns=1mOhm。
通過增加 Rdsg，dt 從 16.8uS 增加到 45.6uS，瞬態(tài)電壓尖峰也從原來的 110V 降低到 65V。
基于上面的測試數(shù)據(jù)，我們還可以大致推算出總的寄生電感。下面公式中的 40V 是電池組靜態(tài)時的電壓。
（1），當(dāng) Rdsg=1k 時，L = (110V - 40V) *16.8uS /535V = 2.2uH。
（2），當(dāng) Rdsg=4.7k 時，L = (65V - 40V) *45.6uS /518V = 2.2uH。
3.2．過能量燒壞 MOSFET 的失效模式
前面已經(jīng)討論，通過減小驅(qū)動能力，可以減慢 MOSFET 的關(guān)斷速度，即降低 di/dt，從而有效降低 MOSFET Vds的峰值電壓。但肯定也不是關(guān)斷速度越慢越好。這里涉及到 MOSFET 另一種失效模式：過能量燒壞 MOSFET的失效模式。
此處的過能量指的是放電 MOSFET 在關(guān)斷過程中的能量損耗，即在電流下降的同時，Vds（即 BATT-和 PACK-之間的電壓）在上升，所產(chǎn)生的交叉損耗。我們可以參考 MOSFET 規(guī)格書里的 EAS（Single Pulse AvalancheEnergy）。
根據(jù)圖 4 的電壓和電流波形，為了簡化計算，我們可以近似的認(rèn)為電流的下降和電壓的上升是同時開始和同時停止的，電流的下降是線性的，電壓的上升也是線性的。所以電壓和電流波形可以簡化成圖 5。
以圖 4 的兩個圖為例，Rdsg=1k 時，E = 1/6 * 110V * 535A * 16.8uS = 165mJ。Rdsg=4.7k 時，E = 1/6 * 65V * 518A* 45.6uS = 256mJ。可見，通過減小驅(qū)動能力，減慢 MOSFET 的關(guān)斷速度，會增加 MOSFET 關(guān)斷時的能量損耗。如果能量損耗超過了 EAS（Single Pulse Avalanche Energy），就會導(dǎo)致 MOSFET 損壞。
4．MOSFET 選型
針對短路保護(hù)對 MOSFET 選型的要求，首先要考慮 MOSFET 的耐壓。一般經(jīng)驗(yàn)值是電池包穩(wěn)態(tài)最高電壓的兩倍，即有 100%的電壓余量。對 MOSFET 的電流，需要考慮短路時的電流不超過 MOSFET 規(guī)格書里的 AvalancheCurrent。如果短路電流非常大，需要考慮多個 MOSFET 并聯(lián)。
另外，對 MOSFET 的選型，還需要綜合考慮驅(qū)動電路的驅(qū)動能力，以及 MOSFET 的 Cgs 和 Cgd 的影響。因?yàn)轵?qū)動電路的驅(qū)動能力，Cgs 和 Cgd，直接決定關(guān)斷時間 Tsw。而且如果是 N 個 MOSFET 并聯(lián)，那等效總的 Cgs和 Cgd 也會增加 N 倍。
因?yàn)殡娦竞桶遄拥牡刃Лh(huán)路的總阻抗，寄生的總電感等沒法預(yù)先準(zhǔn)確得知，亦即短路電流的大小，過沖電壓的大小沒法預(yù)先準(zhǔn)確得知，所以沒法在電路設(shè)計階段就完全確定驅(qū)動能力的大小。需要在保護(hù)板，電池包樣品做出來后，進(jìn)行實(shí)際測試。在過電壓和過能量損壞模式之間做折中，最終確定驅(qū)動電路的驅(qū)動能力。
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