电动汽车电池中的电池单元被动平衡原理解析

电池平衡功能对于电动汽车(EV)的电池管理系统非常重要，因为它可以增加车辆的行驶里程，并确保电动汽车的电池运行安全。另外，电池平衡功能还被用以修正电池自身存在的不平衡问题。由于制造过程或运行条件中存在不匹配问题，因此在使用一段时间后，所有电池（包括电动汽车中的电池）都会出现不平衡问题，进而导致各电池单元不同程度的老化。

即使其他电池单元仍有许多电量剩余，整个电池组也只能在其最弱的电池单元完全放电之后才能充电。因此，对各电池单元进行平衡可以更大限度地提高电池组的容量，并确保其中所有能量均可利用，从而提高电池寿命。将这种技术用于电动汽车电池，可以增加行驶里程。除了更大限度提高电池容量外，电池平衡功能还可防止电池单元过度充电和过度放电（二者都会导致电池加速衰减，并造成运行场景存在潜在危险），从而确保电池安全运行。

电池平衡的工作原理

实现电池单元平衡的常用方法有两种：主动平衡和被动平衡。电池单元主动平衡会使用直流/直流转换器为低电量电池单元充电，从而重新分配电池单元的电量。如今，电池单元制造和分类技术得到了显著的进步，大幅降低了电池组内各电池单元的不匹配程度。因此，可以避免在运行开始时使用较大的电池平衡电流对电量严重不匹配的各电池单元进行平衡。用较小的平衡电流定期进行电池平衡，可以管理在运行过程中逐渐产生的任何不匹配问题。

被动平衡会对电量较多的电池单元进行消耗（一般是通过散热来实现），直到所有电池单元的电量都达到相同水平。被动平衡和主动平衡的关键区别在于，被动平衡不会分配能量，而是通过消耗能量使所有初始电量较高的电池单元最终与电量较低的电池单元相匹配。由于被动平衡更加简单并且成本更低，因此更加常用。

电池电量通常用荷电状态来表示，说明电池电荷等级与电池容量的百分比。图1说明了各种电池平衡类型之间的差异。

图1：各种平衡模式下的电池充电状态

电动汽车电池中的电池单元被动平衡

被动平衡通过接入与电池单元并联的电阻，消耗过度充电的电池单元电量，将能量传递给该电阻。这种能量消耗会导致电池单元以及使用的开关和电阻发热。保持锂电池温度尽可能接近室温是非常有必要的。如果做不到这一点，可能会导致热失控，即内部产生热量的速度超过散热速度。

温度升高会导致锂电池结构变化并在电极上形成表面膜，使锂电池衰减速度更快。另外，积热过多可能会导致电池平衡开关和电阻的损坏。典型的电动汽车配有大量电池单元、电池平衡开关和电阻，它们通常彼此紧挨，因此在被动平衡过程中必须对电池及其电池管理系统的热耗散进行管理。

通过TI电池监控器和平衡器提高电动汽车的电池安全

TI的BQ79616-Q1 使用器件内部的开关执行电池单元被动平衡。由于这些开关的存在，在电池平衡过程中，BQ79616-Q1 内部会进行散热。热点存在于器件和平衡电阻的印刷电路板(PCB)上。BQ79616-Q1提供了两项热管理功能来避免芯片过热并监测PCB温度。

一项热管理功能用于监测芯片温度，另一项则用于监测热敏电阻温度。芯片温度过高会触发微控制器(MCU)故障，暂停电池平衡过程，从而降低集成电路(IC)的温度。在IC温度下降并且清除故障后，MCU可以命令BQ79616-Q1 恢复电池平衡过程。

借助热敏电阻的监测，如果温度超过暂停阈值，BQ79616-Q1 会自动暂停电池平衡过程。当温度低于恢复阈值时，电池平衡过程则将自动恢复。在此情况下，BQ79616-Q1 可以自主暂停和恢复电池平衡过程，无需MCU进行任何干预。图2显示了通过热敏电阻对器件进行温度监测。

图2：PCB上的BQ79616-Q1 温度监控位置

电池平衡暂停状态还会冻结所有平衡计时器和设置，在器件脱离暂停状态后，这些平衡计时器和设置会恢复。为了管理由于外部平衡电阻导致的升温，如果任何连接到通用输入/输出的有效热敏电阻检测到温度高于设定的过热电池平衡阈值，BQ79616-Q1 会暂停所有通道上的电池平衡。触发了过热电池平衡检测后，一旦所有有效热敏电阻均检测到温度低于设定的恢复阈值，所有已启用通道上的电池平衡将恢复。

自动电池平衡有助于更大限度延长电池寿命，这对于电动汽车电池至关重要。如 BQ79616-Q1中所示，在MCU中添加了增强型IC热管理和故障指示后，可以用经成本优化的方式快速安全地进行电池平衡，以延长电动汽车电池每次充电后的运行时间和工作寿命。
编辑：hfy