MOSFET在电池管理系统(BMS)中的充放电保护作用

随着全球对环境保护和可持续发展的重视，电动汽车（EV）/电动自行车/电动叉车等等电动交通工具喷涌而出，应运而生；EV CAR作为一种清洁能源交通工具，得到了快速的发展和普及。而动力电池作为电动汽车的核心部件，其性能和管理对于电动汽车的整体性能、续航里程以及安全性具有重要影响。因此，研究和开发高性能、高安全性的动力电池管理系统成为电动汽车产业发展的重要课题。

BMS能够实时监测电池的状态，包括电压、电流、温度等关键参数，从而确保电池在安全范围内运行。同时，BMS还可以对电池进行充放电管理，避免过充、过放等情况的发生，而且还可以进行短路保护，从而延长电池的使用寿命和提高安全性。

通过BMS的智能管理，可以优化电池的充放电过程，提高能源的利用率。

工作原理介绍

锂电池存在安全性差，时有发生爆炸等缺陷。锂电池管理系统（BMS）能对锂电池组进行有效的监控、保护、能量均衡和故障警报，进而提高整个动力电池组的工作效率和使用寿命。它通过检测动力电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态，并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，从而实现对动力锂电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。

BMS控制板原理图

图1 BMS控制板原理图

MOSFET在BMS中的安全保护

过电流保护：预设电流超过保护阈值及延时时间，MOSFET关断，防止外部短路损坏负载，有效地防止过大电流损坏电池；

过充电保护：充电电压高于上限时，MOSFET Q1断开充电回路；

过放电保护：放电电压低于下限时，MOSFET Q2断开放电回路；

过温保护：温度高于或低于正常范围时，MOSFET关断，禁止充、放电。

MOSFET在BMS中的过流保护

在过流保护（短路保护可以认为是非常大的电流保护）过程中，由于整个环路的内阻比较小(100mR左右)，所以短路电流会非常大，几百安培甚至几千安培。因此需要我们在极短的时间（100ms以内甚至更短）内关闭放电 MOS管，电流会经历从大瞬间变小，乃至为零的过程，这里就产生了极大的di/dt，对MOSFET的抗冲击能力就形成了严峻的考验。

图2 等效电路  

在MOSFET关断过程中，其D、S端的电压为：VDS=Vbus + (L1+L2+L3)*di/dt。

如图3所示，MOSFET的关断波形。

图3 MOSFET关断波形

电池刚充电瞬间，由于锂电池具有电容的负载特性，所以充电瞬间，MOSFET有巨大的瞬态电流流过，对MOSFET的SOA具有严格的要求；

在过流保护中，从检测到过流现象，到软件程序执行MOS关断，整个过程一般会持续数百us，这个过程中，MOSFET也要具备过大电流的能力，非常考验器件的SOA，如图3所示。

图3 SOA

在电池充放电期间， MOSFET处于一直导通状态，所以MOSFET小的导通电阻Rds(on)，可以减少MOSFET的导通损耗，降低MOSFET的温升，从而提升系统效率,如图4所示。

图4 MOSFET导通电阻Rds(on)

MOSFET在对BMS进行短路保护时，关断过程和短路过程将产生巨大的功率损耗，这对MOSFET的散热能力有极高的要求，否则MOSFET容易被热击穿，MOSFET Rth如图5所示。

图5 MOSFET热阻Rth

技术参数对比：SMT10T03D(A)HT Vs.友商A

我们在实验过程中，拿友商A做比较，其重要技术参数对比如图6所示。

图6 MOSFET重要参数对比

BMS线性能力对比（SOA）

测试条件如下：

VDS=48V，Vgs=5V；

测试电路板如下图7所示。

图7 BMS短路能力测试Demo板

测试VDS电压/ID电流波形如下：

图8 SMT10T03DHT,10ms

测试结果对比：

如图9所示，从测试结果来看，

无论1ms,10ms,100ms，SiNESEMI的SMT10T03DHT电流能力都远远优于友商A；

实际工作过程中，一个更宽的SOA曲线，可以保证BMS电路在刚启动瞬间和电路保护过程中，系统运行更加稳定和可靠。

图9 BMS短路能力比较

BMS短路耐量能力对比（UIS）

BMS短路现象发生时，瞬间大电流流过MOSFET，同时关断过程中的di/dt将对MOSFET产生非常大的冲击。

测试条件如下：

短路阻抗限制56mΩ,Rg=116.4Ω,脉冲宽度15us；

VDD=72V,VGS=10V。

关键参数对比

图10 SMT10T03AHT,ID=762A

单一地测试雪崩能力，SMT10T03DHT的电源电压VDD加到71V，雪崩电流IAS为710A，72V-MOSFET损坏； SMT10T03AHT的电源电压VDD加到72V，雪崩电流IAS为762A，73V-MOSFET损坏。仅VDD电压大小并不能真正反映器件的实际雪崩能力，因为同样的VDD，由于SMT10T03DHT的Qg更小，所以di/dt更大，VDS也更大。

由于SiNESEMI的品质因素FOM，Qg及热阻值RthJC均比较好，实际应用中，可以通过增加驱动电阻Rg,降低di/dt,从而减少甚至避免雪崩对器件的损伤。

BMS中MOSFET应用电路设计建议

通过更改不同位置MOS的驱动电阻来调节导通时间，达到电流均流，最终实现热平衡；

尽量减少寄生电感，它直接影响到MOSFET关断时的瞬态电压大小；

尽可能的缩短过流回路路径

PCB覆铜时，能用1OZ就别用2OZ，铜厚也影响PCB电感量

在兼顾MOSFET发热量的同时，适当增大Rg，以降低di/dt

用TVS并联在MOSFET两端，TVS的击穿电压尽可能靠近MOSFET的雪崩电压。

MOSFET雪崩实测di/dt下降波形

图11 SMT10T03DHT,ID=762A 

从图中可以测量出，电流从最大值下降到0，仅仅为2.5us，所以di/dt较大！！因为Qg比友商A小32.2%，所以才导致MOSFET的雪崩能力大幅下降。实际应用中，可以通过适当增大Rg，将di/dt下降的时间延长，进而提升其雪崩能力，甚至避免雪崩的出现。

VDS波形振铃的改善

在测试过程中，我们发现MOSFET雪崩之后，G、S端的电压波形出现振铃；D、S端的波形也出现振铃。经过量测，Vgs振铃的大小ch超过MOSFET开启电压Vth，导致MOSFET开启，所以可以看到Vds电压不断振荡，这直接影响着设计的可靠性。当振铃的幅值较小时，可能问题不大；但是当其幅值较大时，会增加MOSFET的开关损耗，甚至使得系统不断重启，影响产品的稳定可靠性。

如图12所示，RLC组成串联谐振电路，当R<2(L/C)^0.5时，系统处于欠阻尼情况 ，在这种情况下，电路发生振荡；

增大驱动电阻R，使其工作在临界阻尼；

消除振铃的方法：

Rg上限值：为防止MOS管关断时产生很大的dV/dt使得MOS管再次误开通。一般要求Rg≤Vth/（Cgd*dv/dt)，dV/dt可以根据电路实际工作时MOS的D、S间电压和mMOS管关断时D、S电压上升时间求得。

MOSFET栅极的驱动PCB走线尽可能的短；

在GS端并联一个nF级的瓷片电容。

图12 振铃产生回路

图13 改善后的波形

SMT10T03D(A)HT技术参数

审核编辑 黄宇