為鋰離子電池組注入安全性

作者/Ryan Roderick Intersil公司

　　引言

　　功率FET(場效應(yīng)管)是電池管理系統(tǒng)(BMS)中的一個(gè)關(guān)鍵安全功能。功率FET的主要目的是在非正常條件下將電池組與負(fù)載或充電器分開。功率FET功能塊看上去并不復(fù)雜，即連接充電器或負(fù)載時(shí)導(dǎo)通FET，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)關(guān)斷FET。要正常發(fā)揮功率FET的功能，設(shè)計(jì)工程師需要理解負(fù)載條件、電池組限制和功能塊電路。

　　在電池管理系統(tǒng)中，功率FET由電芯電壓、電池組電流、溫度、負(fù)載和充電監(jiān)測器比較來控制。功能塊在系統(tǒng)中有三種構(gòu)建方式：(1)通過分立元件，這需要額外的電路板空間，且設(shè)計(jì)工程師需要對每個(gè)子塊有深刻的理解;(2)集成大多數(shù)子功能塊的功率FET IC，并可用作多芯監(jiān)測器/均衡器的配套IC(集成電路)，功率FET IC在高電芯數(shù)的應(yīng)用(> 16個(gè)電芯)中非常有用，如太陽能發(fā)電場和智能電網(wǎng);(3)全集成式BMS IC(如ISL94203和ISL94208)中的功率FET功能塊。這三種方案的功能大致相同。

　　圖1 用于決定導(dǎo)通還是關(guān)斷功率FET的電路簡圖

　　英文解釋：

　　Charge pump 電荷泵 ; LOAD DETECT AND RELEASE 負(fù)載檢測和釋放

　　考慮圖1的電路配置。該系統(tǒng)是一個(gè)連接至發(fā)動(dòng)機(jī)的高邊串聯(lián)FET配置。功率FET的導(dǎo)通(ON)狀態(tài)取決于電池組的電芯電壓、充電和放電電流、溫度及監(jiān)測器引腳的狀態(tài)。子塊報(bào)告的任何故障都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)或兩個(gè)FET關(guān)斷。

　　1 Vcell檢測

　　不考慮電芯均衡的Vcell檢測是用來監(jiān)測過壓、欠壓和開路電芯條件的電壓測量。欠壓條件對應(yīng)檢測電池組空載情況，要防止電芯脫離電壓作用區(qū)(active region)，這一點(diǎn)很重要。鋰離子電芯的作用區(qū)為2.5V - 4.2V，鋰聚合物電芯的作用區(qū)為2.5V - 3.6V。根據(jù)化學(xué)性質(zhì)和設(shè)計(jì)，電芯的限制電壓決定滿載和空載電芯限值。電芯充電時(shí)不能超過電壓上限，否則可能造成電芯損壞。大多數(shù)BMS IC都會(huì)持續(xù)監(jiān)測過壓和欠壓條件，無論電池充電狀態(tài)如何。

　　在對電池組中的所有電芯都進(jìn)行了測量后，報(bào)告最強(qiáng)電芯與最弱電芯的總電壓差很有用。大的電池組電壓差可甄別開路電芯或明線事件。大多數(shù)系統(tǒng)都有明線測試，以確保測量系統(tǒng)與電芯用導(dǎo)線連接在一起。明線測試不像電芯電壓測量那么頻繁，電芯壓差計(jì)算結(jié)果可作為系統(tǒng)故障的早期提示。

　　開路電芯事件是指電芯內(nèi)部開路或者外部連接損壞。事件的發(fā)生可能是緩慢的，也有可能是突然的。造成開路電芯事件的可能原因有老化、電芯制造質(zhì)量差和長時(shí)間在惡劣環(huán)境中工作。外部連接損壞一般是由于電池組結(jié)構(gòu)差而導(dǎo)致。

　　電池組在連接至負(fù)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量涌入電流，這時(shí)可能出現(xiàn)最大電芯壓差的誤報(bào)。因?yàn)殡娦咀杩故涠对龅挠咳腚娏鲿?huì)導(dǎo)致電芯電壓的嚴(yán)重失配。有些芯片在報(bào)告事件時(shí)有延遲，有些芯片則沒有。

　2 電流檢測

　　用于測量電流的大多數(shù)電池系統(tǒng)都有三個(gè)電流比較器：放電短路(DSC)、放電過流(DOC)和充電過流(COC)。每個(gè)比較器都產(chǎn)生一個(gè)延遲，從而允許電流在一段時(shí)間內(nèi)大于限值，隨后再采取行動(dòng)。

　　與充電器相比，負(fù)載受到的控制較少，所以需要進(jìn)行快速電流放電檢測，以便關(guān)斷功率FET，防止損壞電池或功率FET本身。DSC事件發(fā)生時(shí)，功率FET常常延遲幾十至幾百毫秒才關(guān)斷。DSC延遲由定時(shí)延遲和功率FET關(guān)斷所需的時(shí)間組成。功率FET在柵極和源極通過隔離電阻器連接起來時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。電阻器和柵電容構(gòu)成RC電路，決定FET的關(guān)斷時(shí)間。

　　設(shè)置總DSC關(guān)斷時(shí)間延遲時(shí)要考慮許多因素。DSC關(guān)斷時(shí)間由損壞電池和電路的時(shí)間，與負(fù)載啟動(dòng)或連接時(shí)允許涌入電流通過的時(shí)間相較而定。DSC關(guān)斷時(shí)間與FET的關(guān)斷時(shí)間必須平衡。FET關(guān)斷速度過快會(huì)導(dǎo)致電芯測量引腳上產(chǎn)生較大電壓瞬變，最接近功率FET的引腳最容易受大電壓瞬變的影響，這些瞬態(tài)事件是功率FET與電池之間的跡線中儲(chǔ)存的電感能量，在電池組突然斷開與負(fù)載的連接時(shí)無處發(fā)散的結(jié)果。該電感能量發(fā)散到開路負(fù)載，直至電壓升高到足以激活相連電路的ESD(靜電阻抗器)二極管。如果能量足夠多，元件會(huì)承受過大的電應(yīng)力。跡線中儲(chǔ)存的能量大小是跡線的電感與流向負(fù)載的電流之積。跡線中儲(chǔ)存的能量在放電短路條件下最多，在電芯電壓引腳處進(jìn)行濾波有助于降低EOS(電氣過應(yīng)力)事件發(fā)生概率。實(shí)踐中應(yīng)使跡線盡可能短和盡可能寬，另外還應(yīng)仔細(xì)選擇負(fù)載與功率FET之間的線纜的尺寸和長度。這是可能引起高電壓瞬態(tài)事件的另一個(gè)因素。

　　增加FET柵極與FET控制引腳之間的隔離電阻器阻值，可通過延長FET關(guān)斷時(shí)間而減小電壓瞬變的幅度。同時(shí)，這還通過涉及FET電容的RC時(shí)間常數(shù)延長了功率FET的導(dǎo)通時(shí)間。需要注意的是，兩處情況下都有隔離電阻器的存在。

　　功率FET關(guān)斷速度過慢會(huì)導(dǎo)致功率FET損壞或掉電。如圖2所示，大多數(shù)功率FET產(chǎn)品數(shù)據(jù)表都提供FET電流與VDS和持續(xù)時(shí)間之間關(guān)系的曲線圖。例如短路電流為100A的20V電池組，圖2顯示了FET在該條件下能維持運(yùn)行1毫秒。

　　圖2 FET的關(guān)斷時(shí)間應(yīng)在功率FET的安全工作區(qū)域內(nèi)

　　英文解釋：

　　Single pulse 單脈沖

　　ID，Drain-to-source current ID，漏源電流

　　VDS,drain-to-source voltage VDS,漏源電壓

　　OPERATION IN THIS AREA LIMITED BY RDS(on) 在這個(gè)面積有限的RDS(on)操作

　　實(shí)踐中通常對DSC限值與涌入電流持續(xù)時(shí)間進(jìn)行平衡，涌入電流可能大到工作電流的100倍或更高。圖3顯示了涌入電流瞬態(tài)事件的一個(gè)例子，其中涌入電流峰值為270A，工作電流消耗為8A。如果允許涌入電流沖破DSC限值，則FET將在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間切換。

　　圖3 涌入電流可能意外地沖破放電短路限值

　　圖4是當(dāng)圖3的涌入電流流向電芯時(shí)造成的電池組壓降，說明了使用低阻抗電芯及電芯間連接的重要性。涌入電流造成電池組電壓降低了10.8V，涌入電流的量級(jí)通過增加功率FET的隔離電阻(Riso1和Riso2)來降低，隔離電阻的增加會(huì)增加涌入電流事件的持續(xù)時(shí)間。

　　圖4 當(dāng)圖3中的涌入電流來自電池組時(shí)電池組的壓降

　　放電過流限值和延遲是甄別受損負(fù)載或系統(tǒng)(受損后仍繼續(xù)運(yùn)行)以及錯(cuò)誤負(fù)載與電池組連接的次級(jí)限值。DOC條件的存在時(shí)間要長很多，并且需要考慮的因素少于DSC。

　　充電過流限值可防止電池過充和使用錯(cuò)誤的充電器為電池組充電，COC延遲允許未穩(wěn)壓電荷在短時(shí)間內(nèi)流向電池。圖5顯示了一種小型摩托車的負(fù)載曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)在電流為負(fù)值時(shí)為電池充電，來自發(fā)動(dòng)機(jī)的再生電流可能顯著大于充電電流。COC限值設(shè)置接近于充電器電流，以防止用錯(cuò)誤的充電器給電池充電。大多數(shù)再生電流的持續(xù)時(shí)間都很短。圖5中，250秒后記錄的再生電流是摩托車下坡時(shí)的情況。約280秒時(shí)的再生電流是摩托車滑行停止的情況。該電池組的充電電流是2A。

　　圖5 小型摩托車的負(fù)載曲線

　　英文解釋：

　　Time 時(shí)間

　　Idcharge 充電電流

　　Discharge current vs time 放電電流和時(shí)間

　　充電電流的設(shè)置涉及許多因素，其中主要因素是電芯本身的充電接受能力，其他因素有充電時(shí)間、電芯發(fā)熱和電池老化。

　　3 溫度檢測

　　檢測電芯溫度的主要原因是確保電池不會(huì)達(dá)到熱逸潰?？赡茉斐蔁嵋轁⒌那闆r有電芯過充、對電池組短路和電芯本身內(nèi)部短路。有些化學(xué)電池相對容易受熱逸潰的影響。

　　除了熱逸潰檢測以外，實(shí)踐中還使用熱檢測來確定電池充電或放電是否安全。如圖6所示，大多數(shù)鋰電池都提供建議的充電/放電溫度范圍。在筆記本電腦等應(yīng)用中，可能需要在圖6中的僅允許放電溫度區(qū)內(nèi)充電。JEITA是一種鋰電池充電標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)提倡在電芯不大穩(wěn)定或不大能夠接受電荷的溫度區(qū)減小充電電流，圖7是JEITA充電標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)例子。對于大多數(shù)應(yīng)用，圖6的曲線已足以滿足要求，并且易于實(shí)現(xiàn)。

　　圖6 鋰電池的可接受充電/放電溫度區(qū)

　　英文解釋：

　　Discharging is allowed 可接受放電

　　Charging and Discharging is allowed 可接受充放電

　　Temperature 溫度

　　圖7 可以實(shí)現(xiàn)在極端溫度區(qū)充電，但情況會(huì)變得更復(fù)雜

　　英文解釋：

　　Current 電流

　　Temperature 溫度

　　Half charge 半充電

　　Max charge 最大值充電

　　4 結(jié)論

　　對于獨(dú)立的BMS IC，理解其功能塊和功率FET在工作區(qū)域的執(zhí)行活動(dòng)很重要。有些IC允許在充電FET(CFET)和放電FET(DFET)同時(shí)都處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)充電。其他IC則關(guān)斷CFET。當(dāng)在電芯溫度曲線僅允許放電區(qū)工作時(shí)，CFET在串聯(lián)功率FET配置中絕不能關(guān)斷。在CFET關(guān)斷時(shí)，運(yùn)行負(fù)載允許電流穿過CFET的體二極管，這會(huì)增加FET的功率耗散，導(dǎo)致FET溫度上升。如果不采取措施消除由FET產(chǎn)生的熱量，比如通過電路布局或使用散熱器，則元件可能受損。在串聯(lián)配置下工作時(shí)，CFET關(guān)斷還可減小會(huì)影響應(yīng)用性能的負(fù)載功耗。

　　大多數(shù)中小型電池組都使用兩個(gè)熱敏電阻器來監(jiān)測溫度。其中一個(gè)熱敏電阻器位于電池組的中心，由于與電芯的隔離，這里的溫度較高。因?yàn)楣ぷ鳒囟容^高，這些電芯的老化速度更快。第二個(gè)熱敏電阻器位于電池組之外，主要用于測量環(huán)境溫度。恰當(dāng)?shù)臏囟葯z測可防止電池發(fā)生熱逸潰，并確保其充電或放電安全。