如何保護鋰離子電池組

如今，日益用于廣泛的應用，如電動摩托車、便攜電動工具和插電式混合動力汽車。為這些電池設計保護電路變得空前重要。是電池管理系統(BMS)中的一個關鍵安全功能，其主要目的是在非正常條件下將電池組與負載或充電器隔離。本文將討論檢測塊及其如何應用于功率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雜：連接充電器或負載時導通FET;出現錯誤時關斷FET。要正常發揮功率FET的功能，設計工程師需要理解負載條件、電池組限制以及功能塊電路。

在電池管理系統中，功率FET由電芯電壓、電池組電流、溫度、負載和充電監測器比較來控制。功能塊在系統中有三種構建方式：(1)通過分立元件，這需要額外的電路板空間，且設計工程師需要對每個子塊有深刻的理解。(2)集成大多數子功能塊的功率FET IC，并可用作多芯監測器/均衡器的配套IC。功率FET IC在高電芯數的應用(> 16個電芯)中非常有用，如太陽能發電場和智能電網。(3)全集成式BMS IC(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在功能，以及針對不同應用的設計考慮事項。

圖1. 用于決定導通還是關斷功率FET的電路簡圖

考慮圖1的電路配置。該系統是一個連接至發動機的高邊串聯FET配置。功率FET的導通(ON)狀態取決于電池組的電芯電壓、充電和放電電流、溫度以及監測器引腳的狀態。子塊報告的任何故障都會導致一個或兩個FET關斷。

Vcell檢測

不考慮電芯均衡的Vcell檢測是用來監測過壓、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(active region)很重要。鋰離子電芯的作用區為2.5V - 4.2V。鋰聚合物電芯的作用區為2.5V - 3.6V。根據化學性質和設計，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BMS IC都會持續監測過壓和欠壓條件，無論電池充電狀態如何。

在對電池組中的所有電芯都進行了測量后，報告最強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。大多數系統都有明線測試，以確保測量系統與電芯用導線連接在一起。明線測試不如電芯電壓測量那么頻繁，電芯壓差計算結果可作為系統故障的早期提示。

開路電芯事件是指電芯內部開路或者外部連接損壞。事件的發生可能是緩慢的，也有可能是突然的。造成開路電芯事件的可能原因有老化、電芯制造質量差、或長時間在惡劣環境中工作。外部連接損壞一般是由于電池組結構差而導致。

電池組在連接至負載時會產生大量涌入電流，這時可能出現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致電芯電壓的嚴重失配。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電池系統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)。每個比較器都產生一個延遲，從而允許電流在一段時間內大于限值，隨后再采取行動。

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

設置總DSC關斷時間延遲時要考慮許多因素。DSC關斷時間由損壞電池和電路的時間，與負載啟動或連接時允許涌入電流通過的時間相較而定。DSC關斷時間與FET的關斷時間必須平衡。FET關斷速度過快會導致電芯測量引腳上產生較大電壓瞬變。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載的連接時無處發散的結果。該電感能量發散到開路負載，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力。跡線中儲存的能量大小是跡線的電感與流向負載的電流之積。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行濾波有助于降低EOS事件發生概率。實踐中應使跡線盡可能短和盡可能寬。另外還應仔細選擇負載與功率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時間常數延長了功率FET的導通時間。請注意，兩處情況下都有隔離電阻器的存在。

功率FET關斷速度過慢會導致功率FET損壞或掉電。如圖2所示，大多數功率FET產品數據表都提供FET電流與VDS和持續時間之間關系的曲線圖?？紤]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的關斷時間應在功率FET的安全工作區域內

實踐中通常對DSC限值與涌入電流持續時間進行平衡。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將在導通和關斷狀態之間切換。

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時間。

放電過流限值和延遲是甄別受損負載或系統(受損后仍繼續運行)或者錯誤負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延遲允許未穩壓電荷在短時間內流向電池。圖5顯示了一種小型摩托車的負載曲線。發動機在電流為負值時為電池充電。來自發動機的再生電流可能顯著大于充電電流。COC限值設置接近于充電器電流，以防止用錯誤的充電器給電池充電。大多數再生電流的持續時間都很短。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.小型摩托車的負載曲線

充電電流的設置涉及許多因素。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部短路。有些化學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。在筆記本電腦等應用中，可能需要在圖6中的僅允許放電溫度區內充電。JEITA是一種鋰電池充電標準。該標準提倡在電芯不大穩定或不大能夠接受電荷的溫度區減小充電電流。圖7是JEITA充電標準的一個例子。對于大多數應用，圖6的曲線已足以滿足要求，并且易于實現。

圖6. 鋰電池的可接受充電/放電溫度區

圖7. 可以實現在極端溫度區充電，但情況會變得更復雜

結論

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

大多數中小型電池組都使用兩個熱敏電阻器來監測溫度。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，主要用于測量環境溫度。恰當的溫度檢測可防止電池發生熱逸潰，并確保其充電或放電安全。