锂离子电池运用已融入了咱们的日子中，咱们能够常见的产品就有电动摩托车、便携电动工具和插电式混合动力轿车等等，只需触及到电了，就会有锂离子电池的存在，而锂离子电池组为这些电池规划保护电路变得空前重要。
功率FET是电池办理体系（BMS）中的一个要害安全功用，其首要意图是在非正常条件下将电池组与负载或充电器阻隔。本文将评论检测块及其怎么运用于功率FET，以保证锂离子电池组的安全作业。
功率FET功用块看上去并不杂乱：衔接充电器或负载时导通FET；呈现过错时关断FET。要正常发挥功率FET的功用，规划工程师需求了解负载条件、电池组约束以及功用块电路。
在电池办理体系中，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操控。功用块在体系中有三种构建方法：（1）经过分立元件，这需求额定的电路板空间，且规划工程师需求对每个子块有深入的了解。（2）集成大多数子功用块的功率FET IC，并可用作多芯监测器/均衡器的配套IC。功率FET IC在高电芯数的运用（》 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ISL94202、ISL94203和ISL94208）中的功率FET功用块。这三种计划的功用大致相同，本文解说了每个子块的内涵功用，以及针对不同运用的规划考虑事项。
图1. 用于决议导通仍是关断功率FET的电路简图
考虑图1的电路装备。该体系是一个衔接至发动机的高边串联FET装备。功率FET的导通（ON）状况取决于电池组的电芯电压、充电和放电电流、温度以及监测器引脚的状况。子块陈述的任何毛病都会导致一个或两个FET关断。
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丈量。欠压条件对检测电池组空载状况，以避免电芯脱离电压效果区（acTIve region）很重要。锂离子电芯的效果区为2.5V – 4.2V。锂聚合物电芯的效果区为2.5V – 3.6V。依据化学性质和规划，电芯的约束电压决议满载和空载电芯限值。电芯充电时不能超过电压上限，不然或许形成电芯损坏。大多数BMS IC都会持续监测过压和欠压条件，不管电池充电状况怎么。
在对电池组中的一切电芯都进行了丈量后，陈述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鉴别开路电芯或明线事情。大多数体系都有明线测验，以保证丈量体系与电芯用导线衔接在一起。明线测验不如电芯电压丈量那么频频，电芯压差计算成果可作为体系毛病的前期提示。
开路电芯事情是指电芯内部开路或许外部衔接损坏。事情的发作或许是缓慢的，也有或许是忽然的。形成开路电芯事情的或许原因有老化、电芯制作质量差、或长期在恶劣环境中作业。外部衔接损坏一般是由于电池组结构差而导致。
电池组在衔接至负载时会发作许多涌入电流，这时或许呈现最大电芯压差的误报。由于电芯阻抗失配而倍增的涌入电流会导致电芯电压的严峻失配。有些芯片在陈述事情时有推迟，有些芯片则没有。
电流检测
用于丈量电流的大多数电池体系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）。每个比较器都发作一个推迟，然后答应电流在一段时刻内大于限值，随后再采纳举动。
与充电器比较，负载遭到的操控较少，所以需求进行快速电流放电检测，以便关断功率FET，避免损坏电池或功率FET自身。DSC事情发作时，功率FET常常推迟几十至几百毫秒才关断。DSC推迟由守时推迟和功率FET关断所需的时刻组成。功率FET在栅极和源极经过阻隔电阻器衔接起来时处于关断状况。电阻器和栅电容构成RC电路，决议FET的关断时刻。
设置总DSC关断时刻推迟时要考虑许多要素。DSC关断时刻由损坏电池和电路的时刻，与负载发动或衔接时答应涌入电流经过的时刻相较而定。DSC关断时刻与FET的关断时刻有必要平衡。FET关断速度过快会导致电芯丈量引脚上发作较大电压瞬变。最接近功率FET的引脚最简单受大电压瞬变的影响。这些瞬态事情是功率FET与电池之间的迹线中贮存的电感能量，在电池组忽然断开与负载的衔接时无处发散的成果。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二极管。假如能量足够多，元件会承受过大的电应力。迹线中贮存的能量巨细是迹线的电感与流向负载的电流之积。迹线中贮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下降EOS事情发作概率。实践中应使迹线尽或许短和尽或许宽。别的还应细心挑选负载与功率FET之间的线缆的尺度和长度。这是或许引起高电压瞬态事情的另一个要素。
添加FET栅极与FET操控引脚之间的阻隔电阻器阻值，可经过延伸FET关断时刻而减小电压瞬变的起伏。一起，这还经过触及FET电容的RC时刻常数延伸了功率FET的导通时刻。请注意，两处状况下都有阻隔电阻器的存在。
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产品数据表都供给FET电流与VDS和持续时刻之间联系的曲线图。考虑短路电流为100A的20V电池组。下图显现了FET在该条件下能保持运转1毫秒。
图2. FET的关断时刻应在功率FET的安全作业区域内
实践中一般对DSC限值与涌入电流持续时刻进行平衡。涌入电流或许大到作业电流的100倍或更高。图3显现了涌入电流瞬态事情的一个比方，其间涌入电流峰值为270A，作业电流耗费为8A。假如答应涌入电流突破DSC限值，则FET将在导通和关断状况之间切换。
图3. 涌入电流或许意外地突破放电短路限值
图4是当图3的涌入电流流向电芯时形成的电池组压降。图4显现了运用低阻抗电芯及电芯间衔接的重要性。涌入电流形成电池组电压下降了10.8V。涌入电流的量级经过添加功率FET的阻隔电阻（Riso1和Riso2）来下降。阻隔电阻的添加会添加涌入电流事情的持续时刻。
图4. 当图3中的涌入电流来自电池组时电池组的压降
放电过流限值和推迟是鉴别受损负载或体系（受损后仍持续运转）或许过错负载与电池组衔接的次级限值。DOC条件的存在时刻要长许多，而且需求考虑的要素少于DSC。
充电过流限值可避免电池过充和运用过错的充电器为电池组充电。COC推迟答应未稳压电荷在短时刻内流向电池。图5显现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或许明显大于充电电流。COC限值设置接近于充电器电流，以避免用过错的充电器给电池充电。大多数再生电流的持续时刻都很短。图5中，250秒后记载的再生电流是摩托车下坡时的状况。约280秒时的再生电流是摩托车滑行中止的状况。该电池组的充电电流是2A。
图5. 小型摩托车的负载曲线
充电电流的设置触及许多要素。其间首要要素是电芯自身的充电承受能力，其他要素有充电时刻、电芯发热和电池老化。
温度检测
检测电芯温度的首要原因是保证电池不会到达热逸溃。或许形成热逸溃的状况有电芯过充、对电池组短路或电芯自身内部短路。有些化学电池相对简单受热逸溃的影响。
除了热逸溃检测以外，实践中还运用热检测来确认电池充电或放电是否安全。如图6所示，大多数锂电池都供给主张的充电/放电温度规模。在笔记本电脑等运用中，或许需求在图6中的仅答应放电温度区内充电。JEITA是一种锂电池充电规范。该规范发起在电芯不大安稳或不大能够承受电荷的温度区减小充电电流。图7是JEITA充电规范的一个比方。关于大多数运用，图6的曲线已足以满足要求，而且易于完成。
图6. 锂电池的可承受充电/放电温度区
图7. 能够完成在极点温度区充电，但状况会变得更杂乱
定论
关于独立的BMS IC，了解其功用块和功率FET在作业区域的履行活动很重要。有些IC答应在充电FET（CFET）和放电FET（DFET）一起都处于导通状况时充电。其他IC则关断CFET。当在电芯温度曲线仅答应放电区作业时，CFET在串联功率FET装备中绝不能关断。在CFET关断时运转负载答应电流穿过CFET的体二极管。这会添加FET的功率耗散，导致FET温度上升。假如不采纳办法消除由FET发作的热量，比方经过电路布局或运用散热器，则元件或许受损。在串联装备下作业时CFET关断还可减小会影响运用功能的负载功耗。
大多数中小型电池组都运用两个热敏电阻器来监测温度。其间一个热敏电阻器坐落电池组的中心，由于与电芯的阻隔，这儿的温度较高。由于作业温度较高，这些电芯的老化速度更快。第二个热敏电阻器坐落电池组之外，首要用于丈量环境温度。恰当的温度检测可避免电池发作热逸溃，并保证其充电或放电安全。
