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为锂离子电池组注入安全性

作者:Ryan Roderick时间:2017-02-28来源:电子产品世界

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本文引用地址:http://www.fzgouma.com/article/201702/344551.htm

  引言

  (场效应管)是电池管理系统(BMS)中的一个关键安全功能。的主要目的是在非正常条件下将电池组与负载或充电器分开。功能块看上去并不复杂,即连接充电器或负载时导通FET,出现错误时关断FET。要正常发挥功率FET的功能,设计工程师需要理解负载条件、电池组限制和功能块电路。

  在电池管理系统中,功率FET由电芯电压、电池组电流、温度、负载和充电监测器比较来控制。功能块在系统中有三种构建方式:(1)通过分立元件,这需要额外的电路板空间,且设计工程师需要对每个子块有深刻的理解;(2)集成大多数子功能块的功率FET IC,并可用作多芯监测器/均衡器的配套IC(集成电路),功率FET IC在高电芯数的应用(> 16个电芯)中非常有用,如太阳能发电场和智能电网;(3)全集成式BMS IC(如ISL94203和ISL94208)中的功率FET功能块。这三种方案的功能大致相同。

  图1 用于决定导通还是关断功率FET的电路简图

  英文解释:

  Charge pump 电荷泵 ; LOAD DETECT AND RELEASE 负载检测和释放

  考虑图1的电路配置。该系统是一个连接至发动机的高边串联FET配置。功率FET的导通(ON)状态取决于电池组的电芯电压、充电和放电电流、温度及监测器引脚的状态。子块报告的任何故障都会导致一个或两个FET关断。

  1 Vcell检测

  不考虑电芯均衡的Vcell检测是用来监测过压、欠压和开路电芯条件的电压测量。欠压条件对应检测电池组空载情况,要防止电芯脱离电压作用区(active region),这一点很重要。电芯的作用区为2.5V - 4.2V,锂聚合物电芯的作用区为2.5V - 3.6V。根据化学性质和设计,电芯的限制电压决定满载和空载电芯限值。电芯充电时不能超过电压上限,否则可能造成电芯损坏。大多数BMS IC都会持续监测过压和欠压条件,无论电池充电状态如何。

  在对电池组中的所有电芯都进行了测量后,报告最强电芯与最弱电芯的总电压差很有用。大的电池组电压差可甄别开路电芯或明线事件。大多数系统都有明线测试,以确保测量系统与电芯用导线连接在一起。明线测试不像电芯电压测量那么频繁,电芯压差计算结果可作为系统故障的早期提示。

  开路电芯事件是指电芯内部开路或者外部连接损坏。事件的发生可能是缓慢的,也有可能是突然的。造成开路电芯事件的可能原因有老化、电芯制造质量差和长时间在恶劣环境中工作。外部连接损坏一般是由于电池组结构差而导致。

  电池组在连接至负载时会产生大量涌入电流,这时可能出现最大电芯压差的误报。因为电芯阻抗失配而倍增的涌入电流会导致电芯电压的严重失配。有些芯片在报告事件时有延迟,有些芯片则没有。

 2 电流检测

  用于测量电流的大多数电池系统都有三个电流比较器:放电短路(DSC)、放电过流(DOC)和充电过流(COC)。每个比较器都产生一个延迟,从而允许电流在一段时间内大于限值,随后再采取行动。

  与充电器相比,负载受到的控制较少,所以需要进行快速电流放电检测,以便关断功率FET,防止损坏电池或功率FET本身。DSC事件发生时,功率FET常常延迟几十至几百毫秒才关断。DSC延迟由定时延迟和功率FET关断所需的时间组成。功率FET在栅极和源极通过隔离电阻器连接起来时处于关断状态。电阻器和栅电容构成RC电路,决定FET的关断时间。

  设置总DSC关断时间延迟时要考虑许多因素。DSC关断时间由损坏电池和电路的时间,与负载启动或连接时允许涌入电流通过的时间相较而定。DSC关断时间与FET的关断时间必须平衡。FET关断速度过快会导致电芯测量引脚上产生较大电压瞬变,最接近功率FET的引脚最容易受大电压瞬变的影响,这些瞬态事件是功率FET与电池之间的迹线中储存的电感能量,在电池组突然断开与负载的连接时无处发散的结果。该电感能量发散到开路负载,直至电压升高到足以激活相连电路的ESD(静电阻抗器)二极管。如果能量足够多,元件会承受过大的电应力。迹线中储存的能量大小是迹线的电感与流向负载的电流之积。迹线中储存的能量在放电短路条件下最多,在电芯电压引脚处进行滤波有助于降低EOS(电气过应力)事件发生概率。实践中应使迹线尽可能短和尽可能宽,另外还应仔细选择负载与功率FET之间的线缆的尺寸和长度。这是可能引起高电压瞬态事件的另一个因素。

  增加FET栅极与FET控制引脚之间的隔离电阻器阻值,可通过延长FET关断时间而减小电压瞬变的幅度。同时,这还通过涉及FET电容的RC时间常数延长了功率FET的导通时间。需要注意的是,两处情况下都有隔离电阻器的存在。

  功率FET关断速度过慢会导致功率FET损坏或掉电。如图2所示,大多数功率FET产品数据表都提供FET电流与VDS和持续时间之间关系的曲线图。例如短路电流为100A的20V电池组,图2显示了FET在该条件下能维持运行1毫秒。

  图2 FET的关断时间应在功率FET的安全工作区域内

  英文解释:

  Single pulse 单脉冲

  ID,Drain-to-source current ID,漏源电流

  VDS,drain-to-source voltage VDS,漏源电压

  OPERATION IN THIS AREA LIMITED BY RDS(on) 在这个面积有限的RDS(on)操作

  实践中通常对DSC限值与涌入电流持续时间进行平衡,涌入电流可能大到工作电流的100倍或更高。图3显示了涌入电流瞬态事件的一个例子,其中涌入电流峰值为270A,工作电流消耗为8A。如果允许涌入电流冲破DSC限值,则FET将在导通和关断状态之间切换。

  图3 涌入电流可能意外地冲破放电短路限值

  图4是当图3的涌入电流流向电芯时造成的电池组压降,说明了使用低阻抗电芯及电芯间连接的重要性。涌入电流造成电池组电压降低了10.8V,涌入电流的量级通过增加功率FET的隔离电阻(Riso1和Riso2)来降低,隔离电阻的增加会增加涌入电流事件的持续时间。

  图4 当图3中的涌入电流来自电池组时电池组的压降

  放电过流限值和延迟是甄别受损负载或系统(受损后仍继续运行)以及错误负载与电池组连接的次级限值。DOC条件的存在时间要长很多,并且需要考虑的因素少于DSC。

  充电过流限值可防止电池过充和使用错误的充电器为电池组充电,COC延迟允许未稳压电荷在短时间内流向电池。图5显示了一种小型摩托车的负载曲线,发动机在电流为负值时为电池充电,来自发动机的再生电流可能显著大于充电电流。COC限值设置接近于充电器电流,以防止用错误的充电器给电池充电。大多数再生电流的持续时间都很短。图5中,250秒后记录的再生电流是摩托车下坡时的情况。约280秒时的再生电流是摩托车滑行停止的情况。该电池组的充电电流是2A。

  图5 小型摩托车的负载曲线

  英文解释:

  Time 时间

  Idcharge 充电电流

  Discharge current vs time 放电电流和时间

  充电电流的设置涉及许多因素,其中主要因素是电芯本身的充电接受能力,其他因素有充电时间、电芯发热和电池老化。

  3 温度检测

  检测电芯温度的主要原因是确保电池不会达到热逸溃。可能造成热逸溃的情况有电芯过充、对电池组短路和电芯本身内部短路。有些化学电池相对容易受热逸溃的影响。

  除了热逸溃检测以外,实践中还使用热检测来确定电池充电或放电是否安全。如图6所示,大多数锂电池都提供建议的充电/放电温度范围。在笔记本电脑等应用中,可能需要在图6中的仅允许放电温度区内充电。JEITA是一种锂电池充电标准,该标准提倡在电芯不大稳定或不大能够接受电荷的温度区减小充电电流,图7是JEITA充电标准的一个例子。对于大多数应用,图6的曲线已足以满足要求,并且易于实现。

  图6 锂电池的可接受充电/放电温度区

  英文解释:

  Discharging is allowed 可接受放电

  Charging and Discharging is allowed 可接受充放电

  Temperature 温度

  图7 可以实现在极端温度区充电,但情况会变得更复杂

  英文解释:

  Current 电流

  Temperature 温度

  Half charge 半充电

  Max charge 最大值充电

  4 结论

  对于独立的BMS IC,理解其功能块和功率FET在工作区域的执行活动很重要。有些IC允许在充电FET(CFET)和放电FET(DFET)同时都处于导通状态时充电。其他IC则关断CFET。当在电芯温度曲线仅允许放电区工作时,CFET在串联功率FET配置中绝不能关断。在CFET关断时,运行负载允许电流穿过CFET的体二极管,这会增加FET的功率耗散,导致FET温度上升。如果不采取措施消除由FET产生的热量,比如通过电路布局或使用散热器,则元件可能受损。在串联配置下工作时,CFET关断还可减小会影响应用性能的负载功耗。

  大多数中小型电池组都使用两个热敏电阻器来监测温度。其中一个热敏电阻器位于电池组的中心,由于与电芯的隔离,这里的温度较高。因为工作温度较高,这些电芯的老化速度更快。第二个热敏电阻器位于电池组之外,主要用于测量环境温度。恰当的温度检测可防止电池发生热逸溃,并确保其充电或放电安全。



关键词: 锂离子 功率FET

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