高串數(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、正負端短路等。

由于鋰電池的特性，需要對其進行嚴格且精確的監(jiān)控和保護。在眾多的保護項中，短路保護應(yīng)該是最嚴酷，也是最容易導(dǎo)致板子和元器件損壞的。本文將根據(jù)實際調(diào)試經(jīng)驗，詳細介紹高串數(shù)鋰電池包短路保護電路的設(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。實現(xiàn)這一功能的電路，叫短路保護電路。

2．短路保護介紹

短路保護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。通常短路保護電路包括圖 1 所示的電流檢測電路，驅(qū)動電路和 MOSFET。

當電池包的正端（PACK+）和負端（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?？蛇_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，介紹整個短路保護動作的過程?？梢园驯Ｗo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．短路保護電路的失效模式

短路保護電路的失效，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行詳細的介紹和分析。

3.1．過電壓燒壞 MOSFET 的失效模式

因為發(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 來詳細分析。

因為整個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。因為這兩項都是由硬件（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 Rdsg=1k 時，L = (110V - 40V) *16.8uS /535V = 2.2uH。

（2），當 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。