【六】BMS 的保護(hù)電路設(shè)計及 MOS 管選型

?一、BMS 系統(tǒng)保護(hù)過程的兩個階段

BMS 系統(tǒng)中最主要的功能，當(dāng)為保護(hù)莫屬，無論是過壓欠壓保護(hù)，還是高溫低溫保護(hù)，亦或是過流及短路保護(hù)。

這其中最考驗(yàn)電路設(shè)計的地方當(dāng)屬過流保護(hù)和短路保護(hù)，原因在于BMS 系統(tǒng)中溫度和電壓的突變幾乎是不可能的，而對于電流，是時常出現(xiàn)突變的。

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，電流會經(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，因此對電路的設(shè)計和芯片的選型就形成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

首先過大的電流如果不能夠被及時掐斷，就很有可能導(dǎo)致 BMS 保護(hù)板以及上面的半導(dǎo)體器件損壞，甚至使得電芯本身損壞，最終造成起火爆燃等危險事故。

其次，如果我們的保護(hù)邏輯可以及時的掐斷電流，這是就必須要考慮我們的電路板圖及 MOS 管是否能夠在大的電流突變過程中保持穩(wěn)定可靠。

短路保護(hù)是電流過流保護(hù)的一個極端情況，因此本文接下來都已短路保護(hù)進(jìn)行分析。

短路保護(hù)電路的功能就是的當(dāng) BMS 程序檢測到電流超過設(shè)定的閾值，且持續(xù)超過了設(shè)定的延遲時間，就會控制 IO 輸出，進(jìn)而通過驅(qū)動電路關(guān)閉MOSFET 掐斷電路，整個短路保護(hù)邏輯電路如下圖：

當(dāng)負(fù)載 load 發(fā)生短路時，整個環(huán)路中的電流的大小和串聯(lián)電芯組的電壓以及整個環(huán)路中的阻抗有關(guān)。

整個環(huán)路中的阻抗包括電芯內(nèi)阻，電流檢測電阻，MOSFET 的 Rdson，PCB 走線寄生電阻以及外部 load 的阻抗。

一般情況下，整個環(huán)路的內(nèi)阻還是比較小的，大致在100mR 左右，所以短路電流會非常大，幾百安培甚至幾千安培。因此需要我們在極短的時間內(nèi)關(guān)閉放電 MOS 管，從而把短路電流切斷。

下面一張示波器的截圖說明了整個短路保護(hù)的動作過程，其中我們觀測了三個信號：

1. 采樣電阻電壓 → 用來檢測環(huán)路中電流值；

2. MOS 管的Vgs → 檢測 MOS 管的開啟動作；

3. 電芯負(fù)極和 Pack 負(fù)極的電壓 → 判斷 MOS 管 Vds 的最大耐壓。

我們將保護(hù)動作過程分成兩個階段。

第一個階段是從檢測到短路發(fā)生到 MOS 管剛開始動作的階段，也就是圖中標(biāo)注的 short point 到 off point 之間，這個時間就是短路保護(hù)的延遲時間（還有一小部分是 MOS 管開啟的時間，要注意，這里跟我們的硬件設(shè)計有關(guān)系），這個時間是在我們的保護(hù)程序中進(jìn)行配置的，一般對于短路保護(hù)，我們配置為 100us 左右。

如果是過流保護(hù)，我們可以把這個時間配置的長一些，一般可以設(shè)置為幾秒。

第二個階段是 MOS 管真正導(dǎo)通開始到環(huán)路電流減小到 0 的過程，這段時間會出現(xiàn)電流突然降低，從而引起一些減分電壓，如圖中綠色部分，可以看到 MOS 管的兩端電壓出現(xiàn)了一個尖峰（在第三部分討論尖峰產(chǎn)生的原因）。

二、BMS 短路保護(hù)過程中的負(fù)壓問題

由于 BQ769x0 系列采用了多個 die 級聯(lián)的設(shè)計形式，因此在短路過程中，采樣通道的 RC 濾波器中的電容將會向電芯中放電，同樣的每個 die 輸入到參考地 VSS 之間的退耦電容也將進(jìn)行放電，如下圖所示的電流方向。