锂电池知识

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基于功率MOSFET的锂电池保护电路设计

2021-03-08 ryder

铅酸蓄电池具有安全、便宜、易维护的特点,因此目前依然广泛的使用于电动自行车。但是铅酸蓄电池污染大、笨重、循环次数少,随着世界各国对环保要求越来越高,铅酸蓄电池的使用会越来越受到限制。磷酸铁锂电池作为一种新型的环保电池,开始逐步的使用到电动车中,并且将成为发展趋势。通常,由于磷酸铁锂电池的特性,在使用中要对其充放电过程进行保护,以免过充过放或过热,以保证电池安全的工作。短路保护是放电过程中一种极端恶劣的工作条件,本文将解析功率MOSFET在这种工作状态的特点,以及要怎么样选取功率MOSFET型号和设计适宜的驱动电路。


电路结构及使用特点


电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。Q1为放电管,使用N沟道加强型MOSFET,实际的工作中,依据不同的使用,会使用多个功率MOSFET并联工作,以减小导通电阻,加强散热性能。RS为电池等效内阻,Lp为电池引线电感。


正常工作时,控制信号控制MOSFET打开,电池包的端子p+和p-输出电压,供负载使用。此时,功率MOSFET一直处于导通状态,功率损耗惟有导通损耗,没有开关损耗,功率MOSFET的总的功率损耗并不高,温升小,因此功率MOSFET可以安全工作。


但是,当负载发生短路时,由于回路电阻很小,电池的放电能力很强,所以短路电流从正常工作的几十安培猛然新增到几百安培,在这种情况下,功率MOSFET容易损坏。


磷酸铁锂电池短路保护的难点


(1)短路电流大


在电动车中,磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V,短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化,通常为几百甚至上千安培。


(2)短路保护时间不能太短


在使用过程中,为了戒备瞬态的过载使短路保护电路误动作,因此,短路保护电路具有一定的延时。而且,由于电流测试电阻的误差、电流测试信号和系统应和的延时,通常,依据不同的使用,将短路保护时间设置在200S至1000S,这要求功率MOSFET在高的短路电流下,能够在此时间内安全的工作,这也提高了系统的设计难度。


短路保护


当短路保护工作时,功率MOSFET一般经过三个工作阶段:完全导通、关断、雪崩,如图2所示,其中VGS为MOSFET驱动电压,VDS为MOSFET漏极电压,ISC为短路电流,图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。


图2:短路过程。(a)完全导通阶段;(b)关断和雪崩阶段。


(1)完全导通阶段


如图2(a)所示,短路刚发生时,MOSFET处于完全导通状态,电流迅速上升至最大电流,在这个过程,功率MOSFET承受的功耗为pON=ISC2*RDS(on),所以具有较小RDS(on)的MOSFET功耗较低。


功率MOSFET的跨导Gfs也会影响功率MOSFET的导通损耗。当MOSFET的Gfs较小且短路电流很大时,MOSFET将工作在饱和区,其饱和导通压降很大,如图3所示,MOSFET的VDS(ON)在短路时达到14.8V,MOSFET功耗会很大,从而导致MOSFET因过功耗而失效。倘若MOSFET没有工作在饱和区,则其导通压降应当惟有几伏,如图2(a)中的VDS所示。


图3:低跨导MOSFET的导通阶段

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