高串数锂电池包短路保护电路的设计及考虑因素

高串数锂电池包被广泛应用于电动工具、吸尘器、电动自行车、基站备用电源和储能系统等。电池包在实际使用过程中，可能发生各种各样的异常情况，如高温环境、低温环境、正负端短路等。

由于锂电池的特性，需要对其进行严格且精确的监控和保护。在众多的保护项中，短路保护应该是最严酷，也是最容易导致板子和元器件损坏的。本文将根据实际调试经验，详细介绍高串数锂电池包短路保护电路的设计及考虑因素。

1．概述

这里说的短路是指在电池包对外输出的正端（PACK+）和负端（PACK-）直接短路。这会产生几百安甚至上千安的短路电流。这么大的短路电流如果不在极短的时间内掐断电流通路，可能会导致保护板，及其上面的电子元器件，甚至电芯本身损坏。最终造成冒烟、起火、爆炸等危险性事故。所以必须在很短的时间内把短路电流掐断。实现这一功能的电路，叫短路保护电路。

2．短路保护介绍

短路保护电路的功能是在检测到电流超过设定的阈值，且持续超过设定的延迟时间，就会关断放电 MOSFET，掐断短路电流。通常短路保护电路包括图 1 所示的电流检测电路，驱动电路和 MOSFET。

当电池包的正端（PACK+）和负端（PACK-）在外部短路时，产生的短路电流的大小与串联电芯的总电压和整个环路的阻抗有关。整个环路的阻抗包括电芯自身的内阻，电流检测电阻，MOSFET 导通阻抗，板上走线的寄生阻抗，外部短路阻抗等。

总体来说，整个环路的阻抗是比较小的，大概是几十到几百毫欧，所以短路电流非常大。可达几百安甚至上千安。这就要求在几十到几百微秒内，把放电 MOSFET 关断，从而把短路电流切断。

下面以图 2 为例，介绍整个短路保护动作的过程。可以把保护动作分为两部分：一是从短路发生到 MOSFTE刚开始动作的阶段，这段时间就是短路保护的延迟时间，可以通过参数配置来选择和调整，这段时间一般是几十到几百微秒；二是从 MOSFET 开始动作到 MOSFET 完全关断的阶段，这段时间一般是几十微秒。这段时间跟硬件电路设计有关，包括驱动电路的驱动能力，MOSGET 的寄生参数等有关。

3．短路保护电路的失效模式

短路保护电路的失效，通常是表现成 MOSFET 烧坏。失效模式包括过电压烧坏 MOSFET 和过能量烧坏 MOSFET。下面将针对将针对这两种失效模式进行详细的介绍和分析。

3.1．过电压烧坏 MOSFET 的失效模式

因为发生短路的时候，会产生很大的短路电流。而放电 MOSFET 从开始动作到完全关断，时间非常短。这就会产生非常大的瞬态电压尖峰。如果这个瞬态电压尖峰超过了放电 MOSFET 的最大耐压，就会导致放电MOSFET 的损坏。下面将会以图 3 来详细分析。

因为整个电池包各个部分都存在着寄生电感，包括：

（1），18650 电芯或者软包聚合物电芯内部，都是通过卷绕的方式制成的。所以每节电芯都会存在寄生的电感。

（2），PCB 走线存在寄生电感。

（3），外部短路线路的寄生电感。

根据楞次定律，当放电 MOSFET 从开始动作到完全关断，短路电流从最大值减小到 0 时，寄生电感产生的感应电动势如图 3 蓝框所示。感应电动势的大小可以有 V = L * (di/dt)来计算。其中 V 是感应电动势，L 是寄生电感，di 是电流的变化，dt 是电流变化所持续的时间。所有寄生电感产生的感应电动势叠加起来，最终在放电MOSFET 的漏极产生一个比电池电压高很多的瞬态电压尖峰，如图 2 所示。

从 V = L * (di/dt)公式来看，如果要优化瞬态电压尖峰，可以从 L，di 和 dt 入手。但对于寄生电感 L，没有多少可优化的空间。对于电流的变化 di，是由短路电流来决定，也没有太多的优化空间。因为这两项都是由硬件（电芯特性，电路板）决定的。唯一可以优化的就是电流变化持续的时间 dt。可以适当减慢放电 MOSFET 的关断速度，从而增大 dt，来降低感应电动势 V。

下图是以图 3 电路为基础，通过调整驱动电路上的 Rdsg 来优化瞬态电压尖峰的测试结果。Ch2，绿色，PACK-端的电压；Ch3，紫色，电流检测电阻 Rsns 上的电压；电流检测电阻 Rsns=1mOhm。