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电池保护单元（BPU）

易于设计并确保安全充电和放电的解决方案，可防止电池损坏和失效

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概述

锂离子电池因其具备高功率密度而大受欢迎。然而，锂离子电池在关键条件下会出现不稳定行为，因此需要谨慎处理。这意味着需要通过电池管理系统（BMS）来监控电池状态并确保运行安全。BMS 的电池保护装置（BPU）可以防止电池单元可能受到的损坏和电池故障。

产品优势

  • 高性能，更低的 RDS(on)
  • 宽安全工作区 (SOA)
  • 低成本解决方案
  • 元件数量少
  • 有效的并联解决方案
  • 短路保护
  • 高电流额定值
  • 可调整的开启和关闭时间
  • 高达 600 V 的 MOSFET 保护
  • 提供单模块和多模块

框图

关于

BMS 中的电池保护单元（BPU）

电池保护单元（BPU）通过保护电池组免受充电电流、放电电流和电池组短路故障的影响，防止电池芯可能受到的损坏和电池故障，从而延长锂离子电池的使用寿命。

英飞凌的电池保护解决方案具有许多关键优势，包括更低的 RDS(on)、更宽的安全工作区 (SOA)、更低成本的解决方案（更紧凑的材料清单和更有效的并行化解决方案）、峰值电流率更高的短路保护、根据应用需求量身定制的接通和关断解决方案，以及高达 600 V 的 MOSFET 保护解决方案（包括单模块和多模块）。 

浏览方框图和此页面以获取更多详细信息。

无法断开连接

在危险情况下未断开蓄电池连接可能会导致以下问题：

  • 热失控通常是由于电池过度充电或过热造成的。 过热事件可能是由于环境温度升高或对电池进行大电流充电/放电造成的。热失控会损坏电池单元并导致火灾
  • 电池死亡通常是由于电池的放电量低于其指定阈值造成的
  • 负载设备损坏通常是由于浪涌电流管理不当或极性反接造成的

为避免发生这些故障，英飞凌提供了多种电池保护解决方案，以提高锂离子电池在压力条件下的使用寿命和效率。

电池组架构

目前使用的电池结构有两种：

  • 单模块电池通常用于电压范围不超过 150 V 的应用，例如电池供电的工具、吸尘器、多旋翼飞行器、机器人、电动滑板车、电动自行车、低压电信和服务器 UPS。
  • 多模块电池通常用于使用高压电池的应用，包括汽车、电动叉车、电动船、住宅和公用事业规模的储能系统以及 UPS。

英飞凌为这两种架构类型提供 BPU 解决方案。 

了解有关单模块电池的更多信息
了解有关多模块电池的更多信息
保护拓扑

目前有许多种保护拓扑结构：

  • 高边保护： 断开 MOSFET 与电池组正极串联。 
  • 低边保护：断开 MOSFET 与电池组的负极串联连接。
  • 源极对源极保护电路：MOSFET 串联连接，其源极相互连接，MOSFET 的漏极形成进出保护电路的形式。 
  • 漏极至漏极保护电路：MOSFET 串联连接，其漏极相互连接，MOSFET 的源极形成进出保护电路的形式。 
  • 单独的充电和放电端口：电池充电器和负载端口是分开的。常用于充电电流和放电电流不同的情况（充电电流通常比放电电流小得多），充电时电池与负载分离。
BPU 短路保护

在短路条件下，MOSFET 不仅要承受电流的上升，还要承受关断时可能出现的雪崩。检测故障并断开电池或负载的 MOSFET 和电路称为 eFuse。由于在短路期间，MOSFET 需要快速关闭，因此可能会出现电子保险丝失效的情况。这反而会导致短的大电流脉冲流入电感，而电感是由连接电池组和负载的电线以及负载本身产生的。寄生电感可能会产生足够的电压，导致 MOSFET 效崩，从而将负载电感转化为电压发生器，使保护解决方案两端的电压升高，超过最大允许电压。

英飞凌的 OptiMOS™ 和 StrongIRFET™ MOSFET 技术提供宽广的安全工作区（SOA）和坚固耐用的线性模式器件，可实现安全可靠的 eFuse 功能。此外，英飞凌器件还具有较低的 ΔVGSTh，这使得器件能够在开关导通和关断瞬态期间在并联 MOSFET 之间共享相等的电流。

BPU 负载浪涌电流保护

通常情况下，当电池首次与负载连接时，浪涌电流会产生于接通过程中。浪涌电流可能会高到足以烧断保护保险丝，或由于过流或短路报警的错误指示而导致保护 MOSFET 关断。浪涌电流限制电路可限制接通阶段的浪涌电流，同时保护电池和负载。 

  • 只要符合以下任何条件，就需要预充电电路：
  • 负载的输入电容较高，会被浪涌电流损坏
  • 如果接通电流超过保险丝的极限值，主保险丝就会熔断
  • 接触器（如果存在）将因浪涌电流而损坏
  • 电池单元的额定浪涌电流不足
  • MOSFET 的额定浪涌电流不高
  • 预充电电路通常由一个具有高阻抗通路的 MOSFET 组成

BMS 中的电池保护单元（BPU）

电池保护单元（BPU）通过保护电池组免受充电电流、放电电流和电池组短路故障的影响，防止电池芯可能受到的损坏和电池故障，从而延长锂离子电池的使用寿命。

英飞凌的电池保护解决方案具有许多关键优势，包括更低的 RDS(on)、更宽的安全工作区 (SOA)、更低成本的解决方案（更紧凑的材料清单和更有效的并行化解决方案）、峰值电流率更高的短路保护、根据应用需求量身定制的接通和关断解决方案，以及高达 600 V 的 MOSFET 保护解决方案（包括单模块和多模块）。 

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无法断开连接

在危险情况下未断开蓄电池连接可能会导致以下问题：

  • 热失控通常是由于电池过度充电或过热造成的。 过热事件可能是由于环境温度升高或对电池进行大电流充电/放电造成的。热失控会损坏电池单元并导致火灾
  • 电池死亡通常是由于电池的放电量低于其指定阈值造成的
  • 负载设备损坏通常是由于浪涌电流管理不当或极性反接造成的

为避免发生这些故障，英飞凌提供了多种电池保护解决方案，以提高锂离子电池在压力条件下的使用寿命和效率。

电池组架构

目前使用的电池结构有两种：

  • 单模块电池通常用于电压范围不超过 150 V 的应用，例如电池供电的工具、吸尘器、多旋翼飞行器、机器人、电动滑板车、电动自行车、低压电信和服务器 UPS。
  • 多模块电池通常用于使用高压电池的应用，包括汽车、电动叉车、电动船、住宅和公用事业规模的储能系统以及 UPS。

英飞凌为这两种架构类型提供 BPU 解决方案。 

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保护拓扑

目前有许多种保护拓扑结构：

  • 高边保护： 断开 MOSFET 与电池组正极串联。 
  • 低边保护：断开 MOSFET 与电池组的负极串联连接。
  • 源极对源极保护电路：MOSFET 串联连接，其源极相互连接，MOSFET 的漏极形成进出保护电路的形式。 
  • 漏极至漏极保护电路：MOSFET 串联连接，其漏极相互连接，MOSFET 的源极形成进出保护电路的形式。 
  • 单独的充电和放电端口：电池充电器和负载端口是分开的。常用于充电电流和放电电流不同的情况（充电电流通常比放电电流小得多），充电时电池与负载分离。

BPU 短路保护

在短路条件下，MOSFET 不仅要承受电流的上升，还要承受关断时可能出现的雪崩。检测故障并断开电池或负载的 MOSFET 和电路称为 eFuse。由于在短路期间，MOSFET 需要快速关闭，因此可能会出现电子保险丝失效的情况。这反而会导致短的大电流脉冲流入电感，而电感是由连接电池组和负载的电线以及负载本身产生的。寄生电感可能会产生足够的电压，导致 MOSFET 效崩，从而将负载电感转化为电压发生器，使保护解决方案两端的电压升高，超过最大允许电压。

英飞凌的 OptiMOS™ 和 StrongIRFET™ MOSFET 技术提供宽广的安全工作区（SOA）和坚固耐用的线性模式器件，可实现安全可靠的 eFuse 功能。此外，英飞凌器件还具有较低的 ΔVGSTh，这使得器件能够在开关导通和关断瞬态期间在并联 MOSFET 之间共享相等的电流。

BPU 负载浪涌电流保护

通常情况下，当电池首次与负载连接时，浪涌电流会产生于接通过程中。浪涌电流可能会高到足以烧断保护保险丝，或由于过流或短路报警的错误指示而导致保护 MOSFET 关断。浪涌电流限制电路可限制接通阶段的浪涌电流，同时保护电池和负载。 

  • 只要符合以下任何条件，就需要预充电电路：
  • 负载的输入电容较高，会被浪涌电流损坏
  • 如果接通电流超过保险丝的极限值，主保险丝就会熔断
  • 接触器（如果存在）将因浪涌电流而损坏
  • 电池单元的额定浪涌电流不足
  • MOSFET 的额定浪涌电流不高
  • 预充电电路通常由一个具有高阻抗通路的 MOSFET 组成

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