隨著全球對環境保護和可持續發展的重視，電動汽車（EV）/電動自行車/電動叉車等等電動交通工具噴涌而出，應運而生；EV CAR作為一種清潔能源交通工具，得到了快速的發展和普及。而動力電池作為電動汽車的核心部件，其性能和管理對于電動汽車的整體性能、續航里程以及安全性具有重要影響。因此，研究和開發高性能、高安全性的動力電池管理系統成為電動汽車產業發展的重要課題。

BMS能夠實時監測電池的狀態，包括電壓、電流、溫度等關鍵參數，從而確保電池在安全范圍內運行。同時，BMS還可以對電池進行充放電管理，避免過充、過放等情況的發生，而且還可以進行短路保護，從而延長電池的使用壽命和提高安全性。

通過BMS的智能管理，可以優化電池的充放電過程，提高能源的利用率。

工作原理介紹

鋰電池存在安全性差，時有發生爆炸等缺陷。鋰電池管理系統（BMS）能對鋰電池組進行有效的監控、保護、能量均衡和故障警報，進而提高整個動力電池組的工作效率和使用壽命。它通過檢測動力電池組中各單體電池的狀態來確定整個電池系統的狀態，并根據它們的狀態對動力電池系統進行對應的控制調整和策略實施，從而實現對動力鋰電池系統及各單體的充放電管理以保證動力電池系統安全穩定地運行。

BMS控制板原理圖

圖1 BMS控制板原理圖

MOSFET在BMS中的安全保護

過電流保護：預設電流超過保護閾值及延時時間，MOSFET關斷，防止外部短路損壞負載，有效地防止過大電流損壞電池；

過充電保護：充電電壓高于上限時，MOSFET Q1斷開充電回路；

過放電保護：放電電壓低于下限時，MOSFET Q2斷開放電回路；

過溫保護：溫度高于或低于正常范圍時，MOSFET關斷，禁止充、放電。

MOSFET在BMS中的過流保護

在過流保護（短路保護可以認為是非常大的電流保護）過程中，由于整個環路的內阻比較小(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（100ms以內甚至更短）內關閉放電 MOS管，電流會經歷從大瞬間變小，乃至為零的過程，這里就產生了極大的di/dt，對MOSFET的抗沖擊能力就形成了嚴峻的考驗。

圖2 等效電路 ?

在MOSFET關斷過程中，其D、S端的電壓為：VDS=Vbus + (L1+L2+L3)*di/dt。

如圖3所示，MOSFET的關斷波形。

圖3 MOSFET關斷波形

電池剛充電瞬間，由于鋰電池具有電容的負載特性，所以充電瞬間，MOSFET有巨大的瞬態電流流過，對MOSFET的SOA具有嚴格的要求；

在過流保護中，從檢測到過流現象，到軟件程序執行MOS關斷，整個過程一般會持續數百us，這個過程中，MOSFET也要具備過大電流的能力，非常考驗器件的SOA，如圖3所示。

圖3 SOA

在電池充放電期間， MOSFET處于一直導通狀態，所以MOSFET小的導通電阻Rds(on)，可以減少MOSFET的導通損耗，降低MOSFET的溫升，從而提升系統效率,如圖4所示。

圖4 MOSFET導通電阻Rds(on)

MOSFET在對BMS進行短路保護時，關斷過程和短路過程將產生巨大的功率損耗，這對MOSFET的散熱能力有極高的要求，否則MOSFET容易被熱擊穿，MOSFET Rth如圖5所示。

圖5 MOSFET熱阻Rth

技術參數對比：SMT10T03D(A)HT Vs.友商A

我們在實驗過程中，拿友商A做比較，其重要技術參數對比如圖6所示。

圖6 MOSFET重要參數對比

BMS線性能力對比（SOA）

測試條件如下：

VDS=48V，Vgs=5V；

測試電路板如下圖7所示。

圖7 BMS短路能力測試Demo板

測試VDS電壓/ID電流波形如下：

圖8 SMT10T03DHT,10ms

測試結果對比：

如圖9所示，從測試結果來看，

無論1ms,10ms,100ms，SiNESEMI的SMT10T03DHT電流能力都遠遠優于友商A；

實際工作過程中，一個更寬的SOA曲線，可以保證BMS電路在剛啟動瞬間和電路保護過程中，系統運行更加穩定和可靠。

圖9 BMS短路能力比較

BMS短路耐量能力對比（UIS）

BMS短路現象發生時，瞬間大電流流過MOSFET，同時關斷過程中的di/dt將對MOSFET產生非常大的沖擊。

測試條件如下：

短路阻抗限制56mΩ,Rg=116.4Ω,脈沖寬度15us；

VDD=72V,VGS=10V。

關鍵參數對比

圖10 SMT10T03AHT,ID=762A

單一地測試雪崩能力，SMT10T03DHT的電源電壓VDD加到71V，雪崩電流IAS為710A，72V-MOSFET損壞； SMT10T03AHT的電源電壓VDD加到72V，雪崩電流IAS為762A，73V-MOSFET損壞。僅VDD電壓大小并不能真正反映器件的實際雪崩能力，因為同樣的VDD，由于SMT10T03DHT的Qg更小，所以di/dt更大，VDS也更大。

由于SiNESEMI的品質因素FOM，Qg及熱阻值RthJC均比較好，實際應用中，可以通過增加驅動電阻Rg,降低di/dt,從而減少甚至避免雪崩對器件的損傷。

BMS中MOSFET應用電路設計建議

通過更改不同位置MOS的驅動電阻來調節導通時間，達到電流均流，最終實現熱平衡；

盡量減少寄生電感，它直接影響到MOSFET關斷時的瞬態電壓大小；

盡可能的縮短過流回路路徑

PCB覆銅時，能用1OZ就別用2OZ，銅厚也影響PCB電感量

在兼顧MOSFET發熱量的同時，適當增大Rg，以降低di/dt

用TVS并聯在MOSFET兩端，TVS的擊穿電壓盡可能靠近MOSFET的雪崩電壓。

MOSFET雪崩實測di/dt下降波形

圖11 SMT10T03DHT,ID=762A?

從圖中可以測量出，電流從最大值下降到0，僅僅為2.5us，所以di/dt較大！！因為Qg比友商A小32.2%，所以才導致MOSFET的雪崩能力大幅下降。實際應用中，可以通過適當增大Rg，將di/dt下降的時間延長，進而提升其雪崩能力，甚至避免雪崩的出現。

VDS波形振鈴的改善

在測試過程中，我們發現MOSFET雪崩之后，G、S端的電壓波形出現振鈴；D、S端的波形也出現振鈴。經過量測，Vgs振鈴的大小ch超過MOSFET開啟電壓Vth，導致MOSFET開啟，所以可以看到Vds電壓不斷振蕩，這直接影響著設計的可靠性。當振鈴的幅值較小時，可能問題不大；但是當其幅值較大時，會增加MOSFET的開關損耗，甚至使得系統不斷重啟，影響產品的穩定可靠性。

如圖12所示，RLC組成串聯諧振電路，當R<2(L/C)^0.5時，系統處于欠阻尼情況 ，在這種情況下，電路發生振蕩；

增大驅動電阻R，使其工作在臨界阻尼；

消除振鈴的方法：

Rg上限值：為防止MOS管關斷時產生很大的dV/dt使得MOS管再次誤開通。一般要求Rg≤Vth/（Cgd*dv/dt)，dV/dt可以根據電路實際工作時MOS的D、S間電壓和mMOS管關斷時D、S電壓上升時間求得。

MOSFET柵極的驅動PCB走線盡可能的短；

在GS端并聯一個nF級的瓷片電容。

圖12?振鈴產生回路

圖13?改善后的波形

SMT10T03D(A)HT技術參數

審核編輯 黃宇