隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視，電動(dòng)汽車（EV）/電動(dòng)自行車/電動(dòng)叉車等等電動(dòng)交通工具噴涌而出，應(yīng)運(yùn)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(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，其性能和管理對(duì)于電動(dòng)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(dòng)力電池管理系統(tǒng)成為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。

BMS能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)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(yùn)行。同時(shí)，BMS還可以對(duì)電池進(jìn)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(jìn)行短路保護(hù)，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(shí)有發(fā)生爆炸等缺陷。鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）能對(duì)鋰電池組進(jìn)行有效的監(jiān)控、保護(hù)、能量均衡和故障警報(bào)，進(jìn)而提高整個(gè)動(dòng)力電池組的工作效率和使用壽命。它通過檢測(cè)動(dòng)力電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個(gè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制調(diào)整和策略實(shí)施，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)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(hù)

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

過充電保護(hù)：充電電壓高于上限時(shí)，MOSFET Q1斷開充電回路；

過放電保護(hù)：放電電壓低于下限時(shí)，MOSFET Q2斷開放電回路；

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

MOSFET在BMS中的過流保護(hù)

在過流保護(hù)（短路保護(hù)可以認(rèn)為是非常大的電流保護(hù)）過程中，由于整個(gè)環(huán)路的內(nèi)阻比較小(100mR左右)，所以短路電流會(huì)非常大，幾百安培甚至幾千安培。因此需要我們?cè)跇O短的時(shí)間（100ms以內(nèi)甚至更短）內(nèi)關(guān)閉放電 MOS管，電流會(huì)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(duì)MOSFET的抗沖擊能力就形成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

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(fù)載特性，所以充電瞬間，MOSFET有巨大的瞬態(tài)電流流過，對(duì)MOSFET的SOA具有嚴(yán)格的要求；

在過流保護(hù)中，從檢測(cè)到過流現(xiàn)象，到軟件程序執(zhí)行MOS關(guān)斷，整個(gè)過程一般會(huì)持續(xù)數(shù)百us，這個(gè)過程中，MOSFET也要具備過大電流的能力，非常考驗(yàn)器件的SOA，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M(fèi)OSFET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(duì)BMS進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，關(guān)斷過程和短路過程將產(chǎn)生巨大的功率損耗，這對(duì)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(duì)比：SMT10T03D(A)HT Vs.友商A

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中，拿友商A做比較，其重要技術(shù)參數(shù)對(duì)比如圖6所示。

圖6 MOSFET重要參數(shù)對(duì)比

BMS線性能力對(duì)比（SOA）

測(cè)試條件如下：

VDS=48V，Vgs=5V；

測(cè)試電路板如下圖7所示。

圖7 BMS短路能力測(cè)試Demo板

測(cè)試VDS電壓/ID電流波形如下：

圖8 SMT10T03DHT,10ms

測(cè)試結(jié)果對(duì)比：

如圖9所示，從測(cè)試結(jié)果來看，

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

實(shí)際工作過程中，一個(gè)更寬的SOA曲線，可以保證BMS電路在剛啟動(dòng)瞬間和電路保護(hù)過程中，系統(tǒng)運(yùn)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(duì)比（UIS）

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

測(cè)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(duì)比

圖10 SMT10T03AHT,ID=762A

單一地測(cè)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(shí)際雪崩能力，因?yàn)橥瑯拥腣DD，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(shí)際應(yīng)用中，可以通過增加驅(qū)動(dòng)電阻Rg,降低di/dt,從而減少甚至避免雪崩對(duì)器件的損傷。

BMS中MOSFET應(yīng)用電路設(shè)計(jì)建議

通過更改不同位置MOS的驅(qū)動(dòng)電阻來調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間，達(dá)到電流均流，最終實(shí)現(xiàn)熱平衡；

盡量減少寄生電感，它直接影響到MOSFET關(guān)斷時(shí)的瞬態(tài)電壓大小；

盡可能的縮短過流回路路徑

PCB覆銅時(shí)，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(shí)，適當(dāng)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(shí)測(cè)di/dt下降波形

圖11 SMT10T03DHT,ID=762A?

從圖中可以測(cè)量出，電流從最大值下降到0，僅僅為2.5us，所以di/dt較大！！因?yàn)镼g比友商A小32.2%，所以才導(dǎo)致MOSFET的雪崩能力大幅下降。實(shí)際應(yīng)用中，可以通過適當(dāng)增大Rg，將di/dt下降的時(shí)間延長，進(jìn)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(cè)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(cè)，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(jì)的可靠性。當(dāng)振鈴的幅值較小時(shí)，可能問題不大；但是當(dāng)其幅值較大時(shí)，會(huì)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(dāng)R<2(L/C)^0.5時(shí)，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(dòng)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(shí)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(shí)際工作時(shí)MOS的D、S間電壓和mMOS管關(guān)斷時(shí)D、S電壓上升時(shí)間求得。

MOSFET柵極的驅(qū)動(dòng)PCB走線盡可能的短；

在GS端并聯(lián)一個(gè)nF級(jí)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