即使其他電池單元仍有許多電量剩余，整個電池組也只能在其最弱的電池單元完全放電之后才能充電。因此，對各電池單元進行平衡可以更大限度地提高電池組的容量，并確保其中所有能量均可利用，從而提高電池壽命。將這種技術(shù)用于電動汽車電池，可以增加行駛里程。除了更大限度提高電池容量外，電池平衡功能還可防止電池單元過度充電和過度放電（二者都會導(dǎo)致電池加速衰減，并造成運行場景存在潛在危險），從而確保電池安全運行。

 

電池平衡的工作原理

 

實現(xiàn)電池單元平衡的常用方法有兩種：主動平衡和被動平衡。電池單元主動平衡會使用直流/直流轉(zhuǎn)換器為低電量電池單元充電，從而重新分配電池單元的電量。如今，電池單元制造和分類技術(shù)得到了顯著的進步，大幅降低了電池組內(nèi)各電池單元的不匹配程度。因此，可以避免在運行開始時使用較大的電池平衡電流對電量嚴(yán)重不匹配的各電池單元進行平衡。用較小的平衡電流定期進行電池平衡，可以管理在運行過程中逐漸產(chǎn)生的任何不匹配問題。

 

被動平衡會對電量較多的電池單元進行消耗（一般是通過散熱來實現(xiàn)），直到所有電池單元的電量都達到相同水平。被動平衡和主動平衡的關(guān)鍵區(qū)別在于，被動平衡不會分配能量，而是通過消耗能量使所有初始電量較高的電池單元最終與電量較低的電池單元相匹配。由于被動平衡更加簡單并且成本更低，因此更加常用。

 

電池電量通常用荷電狀態(tài)來表示，說明電池電荷等級與電池容量的百分比。圖1說明了各種電池平衡類型之間的差異。

 

圖1：各種平衡模式下的電池充電狀態(tài)

 

電動汽車電池中的電池單元被動平衡

 

被動平衡通過接入與電池單元并聯(lián)的電阻，消耗過度充電的電池單元電量，將能量傳遞給該電阻。這種能量消耗會導(dǎo)致電池單元以及使用的開關(guān)和電阻發(fā)熱。保持鋰電池溫度盡可能接近室溫是非常有必要的。如果做不到這一點，可能會導(dǎo)致熱失控，即內(nèi)部產(chǎn)生熱量的速度超過散熱速度。

 

溫度升高會導(dǎo)致鋰電池結(jié)構(gòu)變化并在電極上形成表面膜，使鋰電池衰減速度更快。另外，積熱過多可能會導(dǎo)致電池平衡開關(guān)和電阻的損壞。典型的電動汽車配有大量電池單元、電池平衡開關(guān)和電阻，它們通常彼此緊挨，因此在被動平衡過程中必須對電池及其電池管理系統(tǒng)的熱耗散進行管理。

 

通過TI電池監(jiān)控器和平衡器提高電動汽車的電池安全

 

TI的BQ79616-Q1 使用器件內(nèi)部的開關(guān)執(zhí)行電池單元被動平衡。由于這些開關(guān)的存在，在電池平衡過程中，BQ79616-Q1 內(nèi)部會進行散熱。熱點存在于器件和平衡電阻的印刷電路板(PCB)上。BQ79616-Q1提供了兩項熱管理功能來避免芯片過熱并監(jiān)測PCB溫度。

 

一項熱管理功能用于監(jiān)測芯片溫度，另一項則用于監(jiān)測熱敏電阻溫度。芯片溫度過高會觸發(fā)微控制器(MCU)故障，暫停電池平衡過程，從而降低集成電路(IC)的溫度。在IC溫度下降并且清除故障后，MCU可以命令BQ79616-Q1 恢復(fù)電池平衡過程。

 

借助熱敏電阻的監(jiān)測，如果溫度超過暫停閾值，BQ79616-Q1 會自動暫停電池平衡過程。當(dāng)溫度低于恢復(fù)閾值時，電池平衡過程則將自動恢復(fù)。在此情況下，BQ79616-Q1 可以自主暫停和恢復(fù)電池平衡過程，無需MCU進行任何干預(yù)。圖2顯示了通過熱敏電阻對器件進行溫度監(jiān)測。

 

圖2：PCB上的BQ79616-Q1 溫度監(jiān)控位置

 

電池平衡暫停狀態(tài)還會凍結(jié)所有平衡計時器和設(shè)置，在器件脫離暫停狀態(tài)后，這些平衡計時器和設(shè)置會恢復(fù)。為了管理由于外部平衡電阻導(dǎo)致的升溫，如果任何連接到通用輸入/輸出的有效熱敏電阻檢測到溫度高于設(shè)定的過熱電池平衡閾值，BQ79616-Q1 會暫停所有通道上的電池平衡。觸發(fā)了過熱電池平衡檢測后，一旦所有有效熱敏電阻均檢測到溫度低于設(shè)定的恢復(fù)閾值，所有已啟用通道上的電池平衡將恢復(fù)。

 

自動電池平衡有助于更大限度延長電池壽命，這對于電動汽車電池至關(guān)重要。如 BQ79616-Q1中所示，在MCU中添加了增強型IC熱管理和故障指示后，可以用經(jīng)成本優(yōu)化的方式快速安全地進行電池平衡，以延長電動汽車電池每次充電后的運行時間和工作壽命。

 

 

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