电池保护
锂离子电池因其高功率密度而广受青睐。但该电池在临界条件下较易失控，因此需谨慎使用。
而这便需要电池管理系统 (BMS) 监控电池状态，保障运行安全。BMS 通常配有电子开关，在可能导致危险反应的临界条件下，后者将断开电池与充电器或负载的连接。而电池保护装置 (BPU) 则能保护电池芯免受损坏，防止电池故障。
此类临界条件包括：
- 过度充电：即电池充电量超过其所允许的最大容量。
- 温度过高及过低：即电池内部温度高于或低于其安全工作温度范围。
- 过度放电：即电池放电量超过其所允许的最小容量。
- 过电流：即电池处于短路状态，或其浪涌导通电流过高。
- 极性反转：即电池插接至设备时，正负极接错。
在上述情况下，若未能断开连接或管理电池则可能造成以下问题：
- 热失控：通常是由于电池过度充电或过热造成的。环境温度升高，或电池的充放电电流过高均有可能导致电池过热。热失控不仅会损坏电池芯，还会导致起火。
- 电池芯失效：通常是由于电池放电量高于其规定的阈值。
- 损坏负载设备：通常是由浪涌电流管理不良或电池极性反转所致。
下列章节将展示各类电池保护拓扑及其优缺点。此外我们还附加了应用说明和产品选型指南，以便客户选择适配其电池组的保护方案。
英飞凌电池保护解决方案的主要优势
- 性能更强，RDS(on) 更低，安全工作区更大 (SOA)
- 精简物料清单，采用更有效的并联方案，进而降低解决方案成本
- 短路保护，支持的峰值电流更大
- 根据应用需求定制的开关解决方案
- 高达 250 V的 MOSFET 保护解决方案（包括单模块和多模块）
电池组架构
保护拓扑
在高边保护方案中，已关断的 MOSFET 将串联电池组的正极端。
优势：无旁路接地，无挂接接地。
劣势：栅极驱动器需集成电荷泵以驱动 MOSFET。
在低边保护方案中，已关断的 MOSFET 将串联电池组的负极端。
优势：易于实施，栅极驱动器无需配备电荷泵。
劣势：挂接接地 → 存在通过电池壳体旁路接地的风险，从而影响通信和运行。
在共源极配置中，MOSFET 将通过互连其源极串联彼此，而其漏极端则构成保护电路的输入端与输出端。此类 MOSFET 结构也可称为背对背配置。
优势：
- 切换速度更快。
- 成本更低。
- 仅需一个电荷泵或隔离式电源。
- 仅需一个栅极驱动器即可驱动两个 MOSFET。
- 设计更简洁。
劣势：
- MOSFET 采用漏极底置封装，散热区域小。由于 MOSFET 产生的热量会散失至与控制与感测电路相连的铜片中，因此该设计将影响控制与感测解决方案的精度和效率。
- 在采用单个栅极驱动器的前提下，若发生故障，则两个 MOSFET 很可能同时失效。
在共漏极配置中，MOSFET 将通过互连其漏极串联彼此，而其源极端则构成保护电路的输入端与输出端。此类 MOSFET 结构也可称为背对背配置。
优势：
- 可独立控制 FET。
- 易于实现安全换向架构。
- MOSFET 由单独的栅极驱动器驱动，因此安全度更高。
劣势：
- 需要一个电荷泵来驱动两个 MOSFET。
- 设计更复杂。
在此类拓扑结构中，电池充电器和负载端口是相互独立的。该类拓扑结构常用于以下情况：
- 充放电电流不同（充电电流通常比放电电流低得多）。
- 充电时，电池与负载分离。
优势：
- 路径电阻较低，因此发热较低。
- 所需 MOSFET 较少。
劣势：
- 容易绕过反极性保护电路。
- 源极到源极拓扑仅适用于高边，而漏极到漏极拓扑也仅可用于低边。
| 高边 | 低边 |
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保护功能和解决方案
浪涌电流主要发生在电池首次接通负载之时。由于过电流或短路警报的误报指示，浪涌电流足以高至熔断保护保险丝或关断 MOSFET 保护电路。而浪涌电流限制电路则可限制接通阶段的浪涌电流，并保护电池和负载。若出现以下任一情况，即需要预充电电路：
- 负载输入电容较高，因而会受到浪涌电流的破坏。
- 主保险丝因接通电流超过保险丝限值而熔断。
- 接触器（若使用）将因浪涌电流而损坏。
- 电池芯无法耐受浪涌电流。
- MOSFET 无法耐受浪涌电流。
预充电电路通常由具备高电阻路径的 MOSFET 构成
| 采用 P-MOSFET | 采用 N-MOSFET 进行预充电 |
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发生短路时，MOSFET 不仅要承受增强的电流，还要耐受关断时可能发生的雪崩事件。用于检测故障并断开电池或负载的 MOSFET 与电路被称为 eFuse。由于在短路期间需要快速关断 MOSFET，因此 eFuse 可能会出现雪崩现象。而该现象又反过来导致较短的高脉冲电流流入电感，后者则是连接电池组和负载的导线以及负载本身产生的。寄生电感可产生足够高的电压，进而造成 MOSFET 雪崩。该过程会将负载电感转化为电压发生器，从而提高整个保护方案的电压，并超过最大允许电压。英飞凌的 OptiMOS 和 StrongIRFET 技术可实现宽安全工作区 (SOA)，并可提供耐用型线性模式器件，以实现安全可靠的 eFuse 功能。此外，英飞凌器件具备较低的 ΔVGS,Th，故而可在导通和关断的瞬态期间将电流平均分配至并联的 MOSFET 中。
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充分挖掘电池潜力。预计在未來十年內，全球销售的大多数新车都将采用部分或全电动传动系统。电池管理系统对电动汽车的续航里程、成本和使用寿命均有重大影响，故而使其成为这场出行革命成功与否的关键因素。
