鋰電池保護板開關(guān)管的選擇

一套優(yōu)秀的BMS系統(tǒng)，除了工作穩(wěn)定的軟件系統(tǒng)之外必須包含一套性價比優(yōu)秀的硬件系統(tǒng)。通常BMS的硬件架構(gòu)四大部分：MCU、AFE、通訊器件、供電器件和保護器件，根據(jù)系統(tǒng)的要求不一樣，會增加一些其他的相應(yīng)電路。

MCU：俗稱單片機，通常在BMS系統(tǒng)里面由于功耗的要求，通常會選用低功耗系統(tǒng)的MCU，目前各個品牌通常以L為標志，即low power的意思。一般在進入低功耗運行，其功耗一般都小于10uA。

AFE：Analog Front End的檢測，俗稱模擬前端。主要作用是采集電芯電壓、電流采集，通常低于16節(jié)電芯電壓采集的芯片，通常也會帶有保護開關(guān)管的驅(qū)動部分。

通訊器件：即系統(tǒng)要求對外通訊的協(xié)議芯片，可能是485，CAN或者WIFI，或者4G模塊等等。

供電器件：是指BMS系統(tǒng)，MCU，通訊器件等的供電芯片，一般都選擇高效率、低靜態(tài)功耗的控制器。

保護器件：通常有開關(guān)管或者繼電器，一般只有高功率的情況下才會使用繼電器，通常會選擇開關(guān)管即MOSFET。保護器件在BMS系統(tǒng)中，根據(jù)不同的輸出功率，保護器件使用的個數(shù)會不一樣，在一個相對大一點功率的BMS系統(tǒng)中，保護器件占的成本最大，因此如何選擇一個性價比最好的保護器件，對于BMS系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。

在此就給大家介紹一下，對于一個已定規(guī)格的BMS，如何選擇保護開關(guān)管。

首先先介紹一下MOSFET的特點，以NMOS為例：

MOSFET工藝圖

MOSFET等效電路

以下列舉MOSFET有幾個比較重要的參數(shù)

CISS：輸入電容

COSS：輸出電容

RDSON：導(dǎo)通電阻

BVDSS：DS兩端的雪崩電壓值，俗稱耐壓值

沒有在列表列出來的參數(shù)，不是不重要，是相對于BMS的應(yīng)用，以上幾個參數(shù)更要一些，應(yīng)用不同關(guān)注MOSFET的參數(shù)會有所區(qū)別。

針對BMS的應(yīng)用，如果對應(yīng)的負載為容性或者阻性負載，通常BVDSS需要大于1.5倍的電池最高電壓；如果對應(yīng)的負載為感性負載，例如帶電機等，BVDSS需要選擇2倍以上的電池最高電壓值。

RDSON，是MOSFET另外一個很重要的參數(shù)，主要原因為其電阻特性，經(jīng)過電流之后，會產(chǎn)生發(fā)生，一般來講MOSFET的熱阻為50~60℃/W，即當MOSFET本體產(chǎn)生的損耗為1W時，MOSFET晶圓本體上會產(chǎn)生50~60℃的溫升，由于MOSFET是焊接在PCB上面，加上封裝，在實際應(yīng)用中的溫升會有所偏差。阻性器件產(chǎn)生的損耗計算方式為P（W）=I²*R，即MOSFET的導(dǎo)通阻抗RDSON產(chǎn)生的損耗計算方式為Prdson=I*I*Rdson。

例如有個BMS系統(tǒng)，支持三元鋰電池10串電芯，100A的最大放電電流，在常溫下，假設(shè)MOSFET的表面溫度不能超過90℃，即MOSFET的溫升不能超過75℃，假設(shè)熱阻為60℃/W，那么單個MOSFET的損耗不能超過1.25W即75/60=1.25。

假設(shè)我們選擇的MOSEFT的RDSON為3毫歐，要滿足單個損耗小于1.25W，此時經(jīng)過該MOSFET的電流，通過P=I*I*R來反推得出電流約小于20.5A；系統(tǒng)總電流是100A，因此MOSFET的使用個數(shù)需要大于100/20.5即5對。

但是我們在回過頭來看看MOSFET的參數(shù)表，為什么會列出兩個參數(shù)呢？

原因一：MOSFET的導(dǎo)通電阻根據(jù)VGS的不同會發(fā)生變化，一般VGS越大，RDSON越小。

原因二：當溫度越高時，RDSON會越大，也就是說當電流恒定的情況下，理論上MOSFET的溫度會越來越大，直到跟環(huán)境取得平衡。

所以說，以上的設(shè)計選擇5對MOSFET，是不夠嚴謹?shù)?，甚至存在很大的風(fēng)險。

一般在設(shè)計當中，會把RDSON做一個1.3倍的余量，即在VGS已知條件下，提取RDSON的值，再乘以1.3倍得出一個阻抗再進行設(shè)計。

以剛才100A，選擇3毫歐的設(shè)計為例:

最大電流值Imax=開根號【1.25/（0.003*1.3）】≈18A

MOSFET個數(shù)=100/18≈6對。

然而在BMS中，保護電流值一般都會比最大輸出電流要大，例如上述的例子中，一般的保護電流會設(shè)置在120A-130A。如果按照這個保護電流作為流經(jīng)MOSFET的最大電流，按照6對的設(shè)計，MOSFET的溫升會達到1.56*60=93℃，也就是說在常溫下MOSFET的表面溫度會達到25+93=118℃，會遠遠超過預(yù)定的目標。所以在選擇MOSFET中在選擇RDSON這個參數(shù)及個數(shù)是，要注意添加溫度保護或者說把余量加進去做計算。

到此，我們的設(shè)計就結(jié)束了嗎？

以上的設(shè)計，我們只考慮到MOSFET的本身，而MOSFEET作為被動器件，它在導(dǎo)通和關(guān)閉時，是需要外界給以驅(qū)動或者電流釋放。這也是在文章前面會列出MOSFET的CISS, COSS的原因。MOSFET使用越多，CISS會成倍的增加，而CISS的增加帶來的最大困難是驅(qū)動能力的問題。該問題，在不少帶有MOSFET驅(qū)動的AFE芯片應(yīng)用手冊里面都有介紹，這里不再累贅。

另外，MOSFET還有一個比較“隱藏”的參數(shù)，為什么用隱藏這個詞，因為比較少用到。這個參數(shù)叫SOA，即安全有效面積。

這個參數(shù)直接的理解是VDS多少V電壓下在某個電流條件下，可以承受最大的時間。在BMS里面該參數(shù)一般應(yīng)用在短路保護的時候，由于保護發(fā)生短路電流相對比較大，保護的MOSEFT需要關(guān)閉，如果關(guān)閉不及時，很容易產(chǎn)生炸管的現(xiàn)象。通過MOSFET廠家的SOA圖可以看出，大電流小電壓，小電流大電壓是比較危險的。因此在高倍率放電的低壓應(yīng)用，大電流高倍率的高壓應(yīng)用要非常小心。

以上的參數(shù)計算只是理論上的設(shè)計。一般情況下，BVDSS越大，RDSON越小，MOSFET的價格會越高；而RDSON越小，CISS會越大。因此從性價比的角度看，并不是RDSON越小就越好，需要經(jīng)過嚴謹?shù)挠嬎悴拍艿贸鲆粋€最優(yōu)的MOSFET個數(shù)組合。

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