高串数锂电池包短路保护电路的设计及考虑因素.pdfVIP

高串数锂电池包短路保护电路的设计及考

虑因素

高串数（锂电池）包被广泛应用于电动工具、吸尘器、电

动自行车、基站备用（电源）和储能系统等。电池包在实际使用过程

中，可能发生各种各样的异常情况，如高温环境、低温环境、正负端

短路等。

由于锂电池的特性，需要对其进行严格且精确的监控和保护。

在众多的保护项中，短路保护应该是最严酷，也是最容易导致板子和

（元器件）损坏的。本文将根据实际调试经验，详细介绍高串数锂电

池包短路（保护电路）的设计及考虑因素。

1．概述

这里说的短路是指在电池包对外输出的正端（PACK+）和负端

（PACK-）直接短路。这会产生几百安甚至上千安的短路（电流）。这

么大的短路电流如果不在极短的时间内掐断电流通路，可能会导致保

护板，及其上面的（电子元器件），甚至电芯本身损坏。最终造成冒

烟、起火、爆炸等危险性事故。所以必须在很短的时间内把短路电流

掐断。实现这一功能的电路，叫短路保护电路。

2．短路保护介绍

短路保护电路的功能是在（检测）到电流超过设定的阈值，且

持续超过设定的延迟时间，就会关断放电（MOSFET），掐断短路电

第1页共8页

流。通常短路保护电路包括图1所示的（电流检测）电路，（驱动电

路）和MOSFET。

当电池包的正端（PACK+）和负端（PACK-）在外部短路时，产

生的短路电流的大小与串联电芯的总电压和整个环路的阻抗有关。整

个环路的阻抗包括电芯自身的内阻，电流检测（电阻），MOSFET导

通阻抗，板上走线的寄生阻抗，外部短路阻抗等。

总体来说，整个环路的阻抗是比较小的，大概是几十到几百毫

欧，所以短路电流非常大。可达几百安甚至上千安。这就要求在几十

到几百微秒内，把放电MOSFET关断，从而把短路电流切断。

下面以图2为例，介绍整个短路保护动作的过程。可以把保护

第2页共8页

动作分为两部分：一是从短路发生到MOSF（TE）刚开始动作的阶段，

这段时间就是短路保护的延迟时间，可以通过（参数）配置来选择和

调整，这段时间一般是几十到几百微秒；二是从MOSFET开始动作

到MOSFET完全关断的阶段，这段时间一般是几十微秒。这段时间

跟（硬件）（电路设计）有关，包括驱动电路的驱动能力，MOSGET的

寄生参数等有关。

3．短路保护电路的失效模式

短路保护电路的失效，通常是表现成MOSFET烧坏。失效模式

包括过电压烧坏MOSFET和过能量烧坏MOSFET。下面将针对将针

对这两种失效模式进行详细的介绍和分析。

3.1．过电压烧坏MOSFET的失效模式

第3页共8页

因为发生短路的时候，会产生很大的短路电流。而放电MOSFET

从开始动作到完全关断，时间非常短。这就会产生非常大的瞬态电压

尖峰。如果这个瞬态电压尖峰超过了放电MOSFET的最大耐压，就

会导致放电MOSFET的损坏。下面将会以图3来详细分析。

因为整个电池包各个部分都存在着寄生电感，包括：

（1），18650电芯或者软包（聚合）物电芯内部，都是通过卷

绕的方式制成的。所以每节电芯都会存在寄生的电感。

（2），（PCB）走线存在寄生电感。

（3），外部短路线路的寄生电感。

根据楞次定律，当放电MOSFET从开始动作到完全关断，短路

电流从最大值减小到0时，寄生电感产生的感应电动势如图3蓝框

所示。感应电动势的大小可以有V=L*(di/dt)来计算。其中V是感

应电动势，L是寄生电感，di是电流的变化，dt是电流变化所持续

的时间。所有寄生电感产生的感应电动势叠加起来，最终在放电

MOSFET的漏极产生一个比电池电压高很多的瞬态电压尖峰，如图2

所示。

第4页共8页

从V=L*(di/dt)公式来看，如果要优化瞬态电压尖峰，可