隨著全球?qū)Νh(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視，電動汽車（EV）/電動自行車/電動叉車等等電動交通工具噴涌而出，應(yīng)運而生；EV CAR作為一種清潔能源交通工具，得到了快速的發(fā)展和普及。而動力電池作為電動汽車的核心部件，其性能和管理對于電動汽車的整體性能、續(xù)航里程以及安全性具有重要影響。因此，研究和開發(fā)高性能、高安全性的動力電池管理系統(tǒng)成為電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。

BMS能夠?qū)崟r監(jiān)測電池的狀態(tài)，包括電壓、電流、溫度等關(guān)鍵參數(shù)，從而確保電池在安全范圍內(nèi)運行。同時，BMS還可以對電池進行充放電管理，避免過充、過放等情況的發(fā)生，而且還可以進行短路保護，從而延長電池的使用壽命和提高安全性。

通過BMS的智能管理，可以優(yōu)化電池的充放電過程，提高能源的利用率。

工作原理介紹

鋰電池存在安全性差，時有發(fā)生爆炸等缺陷。鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）能對鋰電池組進行有效的監(jiān)控、保護、能量均衡和故障警報，進而提高整個動力電池組的工作效率和使用壽命。它通過檢測動力電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對動力電池系統(tǒng)進行對應(yīng)的控制調(diào)整和策略實施，從而實現(xiàn)對動力鋰電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。

BMS控制板原理圖

圖1 BMS控制板原理圖

MOSFET在BMS中的安全保護

過電流保護：預(yù)設(shè)電流超過保護閾值及延時時間，MOSFET關(guān)斷，防止外部短路損壞負載，有效地防止過大電流損壞電池；

過充電保護：充電電壓高于上限時，MOSFET Q1斷開充電回路；

過放電保護：放電電壓低于下限時，MOSFET Q2斷開放電回路；

過溫保護：溫度高于或低于正常范圍時，MOSFET關(guān)斷，禁止充、放電。

MOSFET在BMS中的過流保護

在過流保護（短路保護可以認為是非常大的電流保護）過程中，由于整個環(huán)路的內(nèi)阻比較小(100mR左右)，所以短路電流會非常大，幾百安培甚至幾千安培。因此需要我們在極短的時間（100ms以內(nèi)甚至更短）內(nèi)關(guān)閉放電 MOS管，電流會經(jīng)歷從大瞬間變小，乃至為零的過程，這里就產(chǎn)生了極大的di/dt，對MOSFET的抗沖擊能力就形成了嚴峻的考驗。

圖2 等效電路 ?

在MOSFET關(guān)斷過程中，其D、S端的電壓為：VDS=Vbus + (L1+L2+L3)*di/dt。

如圖3所示，MOSFET的關(guān)斷波形。

圖3 MOSFET關(guān)斷波形

電池剛充電瞬間，由于鋰電池具有電容的負載特性，所以充電瞬間，MOSFET有巨大的瞬態(tài)電流流過，對MOSFET的SOA具有嚴格的要求；

在過流保護中，從檢測到過流現(xiàn)象，到軟件程序執(zhí)行MOS關(guān)斷，整個過程一般會持續(xù)數(shù)百us，這個過程中，MOSFET也要具備過大電流的能力，非?？简炂骷腟OA，如圖3所示。

圖3 SOA

在電池充放電期間， MOSFET處于一直導(dǎo)通狀態(tài)，所以MOSFET小的導(dǎo)通電阻Rds(on)，可以減少MOSFET的導(dǎo)通損耗，降低MOSFET的溫升，從而提升系統(tǒng)效率,如圖4所示。

圖4 MOSFET導(dǎo)通電阻Rds(on)

MOSFET在對BMS進行短路保護時，關(guān)斷過程和短路過程將產(chǎn)生巨大的功率損耗，這對MOSFET的散熱能力有極高的要求，否則MOSFET容易被熱擊穿，MOSFET Rth如圖5所示。

圖5 MOSFET熱阻Rth

技術(shù)參數(shù)對比：SMT10T03D(A)HT Vs.友商A

我們在實驗過程中，拿友商A做比較，其重要技術(shù)參數(shù)對比如圖6所示。

圖6 MOSFET重要參數(shù)對比

BMS線性能力對比（SOA）

測試條件如下：

VDS=48V，Vgs=5V；

測試電路板如下圖7所示。

圖7 BMS短路能力測試Demo板

測試VDS電壓/ID電流波形如下：

圖8 SMT10T03DHT,10ms

測試結(jié)果對比：

如圖9所示，從測試結(jié)果來看，

無論1ms,10ms,100ms，SiNESEMI的SMT10T03DHT電流能力都遠遠優(yōu)于友商A；

實際工作過程中，一個更寬的SOA曲線，可以保證BMS電路在剛啟動瞬間和電路保護過程中，系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定和可靠。

圖9 BMS短路能力比較

BMS短路耐量能力對比（UIS）

BMS短路現(xiàn)象發(fā)生時，瞬間大電流流過MOSFET，同時關(guān)斷過程中的di/dt將對MOSFET產(chǎn)生非常大的沖擊。

測試條件如下：

短路阻抗限制56mΩ,Rg=116.4Ω,脈沖寬度15us；

VDD=72V,VGS=10V。

關(guān)鍵參數(shù)對比

圖10 SMT10T03AHT,ID=762A

單一地測試雪崩能力，SMT10T03DHT的電源電壓VDD加到71V，雪崩電流IAS為710A，72V-MOSFET損壞； SMT10T03AHT的電源電壓VDD加到72V，雪崩電流IAS為762A，73V-MOSFET損壞。僅VDD電壓大小并不能真正反映器件的實際雪崩能力，因為同樣的VDD，由于SMT10T03DHT的Qg更小，所以di/dt更大，VDS也更大。

由于SiNESEMI的品質(zhì)因素FOM，Qg及熱阻值RthJC均比較好，實際應(yīng)用中，可以通過增加驅(qū)動電阻Rg,降低di/dt,從而減少甚至避免雪崩對器件的損傷。

BMS中MOSFET應(yīng)用電路設(shè)計建議

通過更改不同位置MOS的驅(qū)動電阻來調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間，達到電流均流，最終實現(xiàn)熱平衡；

盡量減少寄生電感，它直接影響到MOSFET關(guān)斷時的瞬態(tài)電壓大?。?/p>

盡可能的縮短過流回路路徑

PCB覆銅時，能用1OZ就別用2OZ，銅厚也影響PCB電感量

在兼顧MOSFET發(fā)熱量的同時，適當增大Rg，以降低di/dt

用TVS并聯(lián)在MOSFET兩端，TVS的擊穿電壓盡可能靠近MOSFET的雪崩電壓。

MOSFET雪崩實測di/dt下降波形

圖11 SMT10T03DHT,ID=762A?

從圖中可以測量出，電流從最大值下降到0，僅僅為2.5us，所以di/dt較大??！因為Qg比友商A小32.2%，所以才導(dǎo)致MOSFET的雪崩能力大幅下降。實際應(yīng)用中，可以通過適當增大Rg，將di/dt下降的時間延長，進而提升其雪崩能力，甚至避免雪崩的出現(xiàn)。

VDS波形振鈴的改善

在測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)MOSFET雪崩之后，G、S端的電壓波形出現(xiàn)振鈴；D、S端的波形也出現(xiàn)振鈴。經(jīng)過量測，Vgs振鈴的大小ch超過MOSFET開啟電壓Vth，導(dǎo)致MOSFET開啟，所以可以看到Vds電壓不斷振蕩，這直接影響著設(shè)計的可靠性。當振鈴的幅值較小時，可能問題不大；但是當其幅值較大時，會增加MOSFET的開關(guān)損耗，甚至使得系統(tǒng)不斷重啟，影響產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠性。

如圖12所示，RLC組成串聯(lián)諧振電路，當R<2(L/C)^0.5時，系統(tǒng)處于欠阻尼情況 ，在這種情況下，電路發(fā)生振蕩；

增大驅(qū)動電阻R，使其工作在臨界阻尼；

消除振鈴的方法：

Rg上限值：為防止MOS管關(guān)斷時產(chǎn)生很大的dV/dt使得MOS管再次誤開通。一般要求Rg≤Vth/（Cgd*dv/dt)，dV/dt可以根據(jù)電路實際工作時MOS的D、S間電壓和mMOS管關(guān)斷時D、S電壓上升時間求得。

MOSFET柵極的驅(qū)動PCB走線盡可能的短；

在GS端并聯(lián)一個nF級的瓷片電容。

圖12?振鈴產(chǎn)生回路

圖13?改善后的波形

SMT10T03D(A)HT技術(shù)參數(shù)

審核編輯 黃宇