为锂离子电池组注入安全性

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1、为锂离子电池组注入安全性功率FET是电池管理系统（BMS）中的一个关键安全功能。功率FET的主要目的是在非正常条件下将电池组与负载或充电器分开。本文将讨论检测块及其如何应用于功率FET，以确保锂离子电池组的安全工作。功率FET功能块看上去并不复杂：连接充电器或负载时导通FET；出现错误时关断FET。要正常发挥功率FET的功能，设计工程师需要理解负载条件、电池组限制以及功能块电路。在电池管理系统中，功率FET由电芯电压、电池组电流、温度、负载和充电监测器比较来控制。功能块在系统中有三种构建方式：（1）通过分立元件，这需要额外的电路板空间，且设计工程师需要对每个子块有深刻的理解。（2）集成大多数子

2、功能块的功率FETIC，并可用作多芯监测器/均衡器的配套IC。功率FETIC在高电芯数的应用（>16个电芯）中非常有用，如太阳能发电场和智能电网。（3）全集成式BMSIC（如ISL94203和ISL94208）中的功率FET功能块。这三种方案的功能大致相同，本文解释了每个子块的内在功能，以及针对不同应用的设计考虑事项。BAT+PACK+TVSRiso2Riso1RLDVINMVINPCFETDFETLDMONVcellErrVDSC,VDOC,VTempErr-COCCOCDLYDOCDLYDSCDLYC3MChargeLOADDETECT60uAPumpANDRELEASEI_limiter

3、VDDVPACKVSSBAT-PACK-图1.用于决定导通还是关断功率FET的电路简图考虑图1的电路配置。该系统是一个连接至发动机的高边串联FET配置。功率FET的导通（ON）状态取决于电池组的电芯电压、充电和放电电流、温度以及监测器引脚的状态。子块报告的任何故障都会导致一个或两个FET关断。1IntersilVcell检测不考虑电芯均衡的Vcell检测是用来监测过压、欠压和开路电芯条件的电压测量。欠压条件对检测电池组空载情况，以防止电芯脱离电压作用区（activeregion）很重要。锂离子电芯的作用区为2.5V-4.2V。锂聚合物电芯的作用区为2.5V-3.6V。根据化学性质和设计，电芯的

4、限制电压决定满载和空载电芯限值。电芯充电时不能超过电压上限，否则可能造成电芯损坏。大多数BMSIC都会持续监测过压和欠压条件，无论电池充电状态如何。在对电池组中的所有电芯都进行了测量后，报告最强电芯与最弱电芯的总电压差很有用。大的电池组电压差可甄别开路电芯或明线事件。大多数系统都有明线测试，以确保测量系统与电芯用导线连接在一起。明线测试不如电芯电压测量那么频繁，电芯压差计算结果可作为系统故障的早期提示。开路电芯事件是指电芯内部开路或者外部连接损坏。事件的发生可能是缓慢的，也有可能是突然的。造成开路电芯事件的可能原因有老化、电芯制造质量差、或长时间在恶劣环境中工作。外部连接损坏一般是由于电池组结

5、构差而导致。电池组在连接至负载时会产生大量涌入电流，这时可能出现最大电芯压差的误报。因为电芯阻抗失配而倍增的涌入电流会导致电芯电压的严重失配。有些芯片在报告事件时有延迟，有些芯片则没有。电流检测用于测量电流的大多数电池系统都有三个电流比较器：放电短路（DSC）、放电过流（DOC）和充电过流（COC）。每个比较器都产生一个延迟，从而允许电流在一段时间内大于限值，随后再采取行动。与充电器相比，负载受到的控制较少，所以需要进行快速电流放电检测，以便关断功率FET，防止损坏电池或功率FET本身。DSC事件发生时，功率FET常常延迟几十至几百毫秒才关断。DSC延迟由定时延迟和功率FET关断所需的时间组成

6、。功率FET在栅极和源极通过隔离电阻器连接起来时处于关断状态。电阻器和栅电容构成RC电路，决定FET的关断时间。设置总DSC关断时间延迟时要考虑许多因素。DSC关断时间由损坏电池和电路的时间，与负载启动或连接时允许涌入电流通过的时间相较而定。DSC关断时间与FET的关断时间必须平衡。FET关断速度过快会导致电芯测量引脚上产生较大电压瞬变。最接近功率FET的引脚最容易受大电压瞬变的影响。这些瞬态事件是功率FET与电池之间的迹线中储存的电感能量，在电池组突然断开与负载的连接时无处发散的结果。该电感能量发散到开路负载，直至电压升高到足以激活相连电路的ESD二极管。如果能量足够多，元件会承受过大的电应

7、力。迹线中储存的能量大小是迹线的电感与流向负载的电流之积。迹线中储存的能量在放电短路条件下最多。在电芯电压引脚处进行滤波有助于降低EOS事件发生概率。实践中应使迹线尽可能短和尽可能宽。另外还应仔细选择负载与功率FET之间的线缆的尺寸和长度。这是可能引起高电压瞬态事件的另一个因素。增加FET栅极与FET控制引脚之间的隔离电阻器阻值，可通过延长FET关断时间而减小电压瞬变的幅度。同时，这还通过涉及FE