高串?dāng)?shù)鋰電池包短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)及考慮因素

高串?dāng)?shù)鋰電池包被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)工具、吸塵器、電動(dòng)自行車、基站備用電源和儲(chǔ)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(duì)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(jì)及考慮因素。

1．概述

這里說(shuō)的短路是指在電池包對(duì)外輸出的正端（PACK+）和負(fù)端（PACK-）直接短路。這會(huì)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(shí)間內(nèi)掐斷電流通路，可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)板，及其上面的電子元器件，甚至電芯本身?yè)p壞。最終造成冒煙、起火、爆炸等危險(xiǎn)性事故。所以必須在很短的時(shí)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(cè)到電流超過設(shè)定的閾值，且持續(xù)超過設(shè)定的延遲時(shí)間，就會(huì)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(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路和 MOSFET。

當(dāng)電池包的正端（PACK+）和負(fù)端（PACK-）在外部短路時(shí)，產(chǎn)生的短路電流的大小與串聯(lián)電芯的總電壓和整個(gè)環(huán)路的阻抗有關(guān)。整個(gè)環(huán)路的阻抗包括電芯自身的內(nèi)阻，電流檢測(cè)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(lái)說(shuō)，整個(gè)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?？蛇_(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(gè)短路保護(hù)動(dòng)作的過程?？梢园驯Ｗo(hù)動(dòng)作分為兩部分：一是從短路發(fā)生到 MOSFTE剛開始動(dòng)作的階段，這段時(shí)間就是短路保護(hù)的延遲時(shí)間，可以通過參數(shù)配置來(lái)選擇和調(diào)整，這段時(shí)間一般是幾十到幾百微秒；二是從 MOSFET 開始動(dòng)作到 MOSFET 完全關(guān)斷的階段，這段時(shí)間一般是幾十微秒。這段時(shí)間跟硬件電路設(shè)計(jì)有關(guān)，包括驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)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(duì)將針對(duì)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(shí)候，會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流。而放電 MOSFET 從開始動(dòng)作到完全關(guān)斷，時(shí)間非常短。這就會(huì)產(chǎn)生非常大的瞬態(tài)電壓尖峰。如果這個(gè)瞬態(tài)電壓尖峰超過了放電 MOSFET 的最大耐壓，就會(huì)導(dǎo)致放電MOSFET 的損壞。下面將會(huì)以圖 3 來(lái)詳細(xì)分析。

因?yàn)檎麄€(gè)電池包各個(gè)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(huì)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(dòng)作到完全關(guān)斷，短路電流從最大值減小到 0 時(shí)，寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如圖 3 藍(lán)框所示。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小可以有 V = L * (di/dt)來(lái)計(jì)算。其中 V 是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(shí)間。所有寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加起來(lái)，最終在放電MOSFET 的漏極產(chǎn)生一個(gè)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(lái)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(duì)于寄生電感 L，沒有多少可優(yōu)化的空間。對(duì)于電流的變化 di，是由短路電流來(lái)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(shí)間 dt?？梢赃m當(dāng)減慢放電 MOSFET 的關(guān)斷速度，從而增大 dt，來(lái)降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) V。

下圖是以圖 3 電路為基礎(chǔ)，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路上的 Rdsg 來(lái)優(yōu)化瞬態(tài)電壓尖峰的測(cè)試結(jié)果。Ch2，綠色，PACK-端的電壓；Ch3，紫色，電流檢測(cè)電阻 Rsns 上的電壓；電流檢測(cè)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(lái)的 110V 降低到 65V。

基于上面的測(cè)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(shí)的電壓。

（1），當(dāng) Rdsg=1k 時(shí)，L = (110V - 40V) *16.8uS /535V = 2.2uH。

（2），當(dāng) Rdsg=4.7k 時(shí)，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(dòng)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(shí)，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(jiǎn)化計(jì)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(shí)開始和同時(shí)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(jiǎn)化成圖 5。