通过自主电池平衡增强电动汽车的热管理

1.前言

电池平衡在电动汽车 (EV) 的电池管理系统中很重要，因为它有助于延长车辆行驶里程并确保 EV 电池的安全运行。还需要电池平衡以纠正电池本身的不平衡。所有电池，包括电动汽车中的电池，都会因制造过程中的不匹配或操作条件的不匹配而随着时间的推移而出现不平衡，从而导致电池之间的老化不均。

电池只能在其最弱的电池完全放电后才能充电，即使其他电池可能还有足够的电量。通过最大化电池组的容量并确保其所有能量可用，平衡电池从而延长电池寿命，在 EV 电池的情况下，这延长了行驶里程。除了最大限度地提高电池容量外，电池平衡还通过防止电池过充电和过放电来确保电池的安全运行，这两种情况都会导致电池加速退化并产生潜在的危险操作场景。

2.电池平衡的工作原理

有两种常见的电池平衡方法：主动电池平衡和被动电池平衡。主动电池平衡重新分配来自电池的电荷，使用 DC/DC 转换器为容量较低的电池提供更高的容量。如今，电池制造和分类已得到显着改进，可在电池组内提供极低失配的电池。因此，可以避免在使用大电池平衡电流的操作开始时平衡电池中的大失配。使用较小的平衡电流进行频繁的电池平衡可以管理运行期间逐渐形成的任何不匹配。

被动平衡从容量更大的电池中去除电荷，通常是通过散热，直到所有电池具有相同的电荷量。被动平衡和主动平衡之间的主要区别在于，被动平衡不会分配能量，而是耗散能量，直到所有具有较高初始电荷的电池最终与具有最低电荷的电池相匹配。鉴于其简单性和较低的成本，被动平衡是一种更流行的方法。

电池容量通常用充电状态表示，以解释电池相对于其容量的充电水平。图 1 说明了电池平衡类型的差异。

图 1： 各种平衡模式下的电池充电状态

3.电动汽车电池中的被动电池平衡

被动平衡通过接通与电池并联的电阻器并将能量耗散到该电阻器中来去除过度充电的电池中的电荷。这种能量耗散会导致电池以及用于耗散的开关和电阻器产生热量。保持锂电池温度尽可能接近室温至关重要。否则可能会导致热失控，当内部热量产生的速度超过热量可以释放的速度时。

由于结构变化和电极表面膜的形成，锂电池在升高的温度下以更快的速度降解。此外，过多的热量积聚可能会损坏电池平衡开关和电阻器。典型的 EV 具有大量电池以及电池平衡开关和电阻器，这些开关和电阻通常紧密靠近，这使得在被动平衡期间管理电池及其电池管理系统中的热耗散是必要的。

4.使用 TI 电池监视器和平衡器提高 EV 电池安全性

TI 的 BQ79616-Q1 通过使用器件内部的开关来执行无源电池平衡。由于这些开关，在电池平衡期间 BQ79616-Q1 内部存在热耗散。热点位于设备上的印刷电路板 (PCB) 和平衡电阻器上。BQ79616-Q1 提供两种热管理功能，以避免管芯过热并监控 PCB 温度。

一个热管理功能监控芯片温度，另一个监控热敏电阻温度。较高的芯片温度会触发微控制器 (MCU) 的故障，从而暂停电池平衡以允许集成电路 (IC) 温度下降。一旦 IC 温度下降且故障清除，MCU 可以命令 BQ79616-Q1 恢复电池平衡。

通过热敏电阻监控，如果温度超过暂停阈值，BQ79616-Q1 会自动暂停平衡。当温度低于恢复阈值时，平衡会自动恢复。在这种情况下，BQ79616-Q1 会暂停并恢复电池平衡，而无需 MCU 的任何干预。图 2 显示了设备和热敏电阻的温度监控。

图 2：PCB 上的 BQ79616-Q1 温度监控位置

单元平衡暂停状态还会冻结所有平衡计时器和设置，一旦设备退出暂停状态，它们就会恢复。为了管理由外部平衡电阻引起的热量增加，如果连接到通用输入/输出的任何有源热敏电阻检测到高于设置的过热电池平衡阈值的温度，BQ79616-Q1 可以暂停所有通道上的电池平衡。一旦触发过温电池平衡检测，一旦所有有源热敏电阻检测到低于既定恢复阈值的温度，所有启用通道上的平衡将恢复。

自主电池平衡有助于最大限度地延长电池寿命，这是 EV 电池的一个关键优势。BQ79616-Q1 为 MCU 添加了增强型 IC 热管理和故障指示，以成本优化的方式实现快速、安全的电池平衡，从而延长充电器之间的电池运行时间并延长 EV 电池的运行寿命。