【六】BMS 的保护电路设计及 MOS 管选型

 一、BMS 系统保护过程的两个阶段

BMS 系统中最主要的功能，当为保护莫属，无论是过压欠压保护，还是高温低温保护，亦或是过流及短路保护。

这其中最考验电路设计的地方当属过流保护和短路保护，原因在于BMS 系统中温度和电压的突变几乎是不可能的，而对于电流，是时常出现突变的。

在过流保护（短路保护可以认为是非常大的电流保护）过程中，电流会经历从大瞬间变小，乃至为零的过程，这里就产生了极大的di/dt，因此对电路的设计和芯片的选型就形成了严峻的考验。

首先过大的电流如果不能够被及时掐断，就很有可能导致 BMS 保护板以及上面的半导体器件损坏，甚至使得电芯本身损坏，最终造成起火爆燃等危险事故。

其次，如果我们的保护逻辑可以及时的掐断电流，这是就必须要考虑我们的电路板图及 MOS 管是否能够在大的电流突变过程中保持稳定可靠。

短路保护是电流过流保护的一个极端情况，因此本文接下来都已短路保护进行分析。

短路保护电路的功能就是的当 BMS 程序检测到电流超过设定的阈值，且持续超过了设定的延迟时间，就会控制 IO 输出，进而通过驱动电路关闭MOSFET 掐断电路，整个短路保护逻辑电路如下图：

当负载 load 发生短路时，整个环路中的电流的大小和串联电芯组的电压以及整个环路中的阻抗有关。

整个环路中的阻抗包括电芯内阻，电流检测电阻，MOSFET 的 Rdson，PCB 走线寄生电阻以及外部 load 的阻抗。

一般情况下，整个环路的内阻还是比较小的，大致在100mR 左右，所以短路电流会非常大，几百安培甚至几千安培。因此需要我们在极短的时间内关闭放电 MOS 管，从而把短路电流切断。

下面一张示波器的截图说明了整个短路保护的动作过程，其中我们观测了三个信号：

1. 采样电阻电压 → 用来检测环路中电流值；

2. MOS 管的Vgs → 检测 MOS 管的开启动作；

3. 电芯负极和 Pack 负极的电压 → 判断 MOS 管 Vds 的最大耐压。

我们将保护动作过程分成两个阶段。

第一个阶段是从检测到短路发生到 MOS 管刚开始动作的阶段，也就是图中标注的 short point 到 off point 之间，这个时间就是短路保护的延迟时间（还有一小部分是 MOS 管开启的时间，要注意，这里跟我们的硬件设计有关系），这个时间是在我们的保护程序中进行配置的，一般对于短路保护，我们配置为 100us 左右。

如果是过流保护，我们可以把这个时间配置的长一些，一般可以设置为几秒。

第二个阶段是 MOS 管真正导通开始到环路电流减小到 0 的过程，这段时间会出现电流突然降低，从而引起一些减分电压，如图中绿色部分，可以看到 MOS 管的两端电压出现了一个尖峰（在第三部分讨论尖峰产生的原因）。

二、BMS 短路保护过程中的负压问题

由于 BQ769x0 系列采用了多个 die 级联的设计形式，因此在短路过程中，采样通道的 RC 滤波器中的电容将会向电芯中放电，同样的每个 die 输入到参考地 VSS 之间的退耦电容也将进行放电，如下图所示的电流方向。