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作者:Sudhir Nagaraj

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電池平衡能提升電動車(EV)的續航力、確保車用電池運作安全,因此對於 EV 電池管理系統至關重要。電池本身發生不平衡時,也需要電池平衡加以處理。由於製造過程或操作條件上的元件差異,包含 EV 電池在內的所有電池,在使用一段時間後都會出現不平衡的問題,造成電池單元之間老化程度不一。

即使其他電池單元的剩餘電量相對充足,整個電池組也只能在最弱的電池單元完全放電之後,才能進行充電。因此,電池平衡能有效提升電池組容量,確保全部能量都可供使用,達到延長電池壽命的效益。就 EV 電池而言,這項優點能轉化為更佳的續航力。電池單元若過度充電與放電,會加速電池效能衰減、造成操作安全風險,而電池平衡除了大幅提升電池容量,也能避免此一情形,保障運作安全。

 

電池平衡的工作原理

電池單元平衡主要能分為主動式及被動式電池平衡。主動式電池平衡可重新分配電池單元的電荷,運用 DC/DC 轉換器為容量較低的電池單元提供較高容量。目前電池單元的製造與分類流程已大幅改善,同一電池組內的電池單元差異性極低,因此在開始操作時,不必使用較大的電池平衡電流,來平衡電池單元中較嚴重的失配情形。以較小的平衡電流定期進行電池平衡,便能因應在操作期間逐漸形成的任何失配問題。

針對容量較多的電池單元,被動式平衡一般會透過散熱消耗其電量,直到所有電池單元的電量相同為止。被動式平衡與主動式平衡的主要差異,在於被動式平衡不會分配能量,而是消耗能量,直到所有初始電量較高的電池單元與最低的電池單元相匹配為止。由於被動式平衡操作簡便、成本較低,因此較為普及。

電池容量通常以電量資料表示,說明電池的電荷量相較於總容量的比值。圖 1 為各類電池平衡方式的差別。

1:各種平衡模式下的電池電量狀態

 

EV 電池的被動式電池平衡

被動式平衡會在與電池單元並聯的電阻中進行切換,將能量耗散到電阻裡,藉此消耗過度充電的電池單元電量。這種能量消耗會造成電池單元及用於耗能的開關與電阻溫度升高。鋰電池的溫度必須盡量維持在室溫,否則內部產熱速度超過散熱速度時,便可能導致熱失控。

因結構改變、電極形成表面薄膜而造成溫度上升時,鋰電池單元的效能會加速衰減。累積過多熱能也可能造成電池平衡開關與電阻損壞。一般 EV 具有大量電池單元、電池平衡開關與電阻器,且通常彼此緊鄰配置,因此進行被動式平衡時,必須妥善管理電池與電池管理系統的散熱效能。

 

使用 TI 電池監控器與平衡器提升 EV 電池安全

TI 的 BQ79616-Q1 使用裝置內部的開關執行被動式電池平衡。這些開關有助 BQ79616-Q1 在電池平衡時進行內部散熱。熱點位於裝置印刷電路板(PCB)及平衡電阻上。BQ79616-Q1 提供兩種熱管理功能,可有效避免晶粒過熱並監控 PCB 溫度。

其中一種功能可監測晶粒溫度,另一種則用於監控熱敏電阻溫度。晶粒溫度過高會觸發微控制器(MCU)故障,暫停電池平衡程序,以便 IC 溫度下降。IC 溫度降低、故障排除後,MCU 便能命令 BQ79616-Q1 繼續執行電池平衡。

透過熱敏電阻監控,在溫度超過暫停閾值時,BQ79616-Q1 會自動暫停平衡。溫度降低至復原閾值以下時,會自動恢復平衡作業。在這個過程中,BQ79616-Q1 能自主暫停與恢復電池平衡程序,完全不需要 MCU 介入。圖 2 說明透過裝置熱敏電阻執行溫度監控的情形。

 

2PCB 上的 BQ79616-Q1 溫度監控配置

 

電池平衡暫停時,所有平衡計時器與設定也會中止,待裝置解除暫停狀態後便會恢復。如果連接至通用輸入/輸出的主動式熱敏電阻偵測到溫度高於所設的過熱電池平衡闕值,BQ79616-Q1 可暫停所有通道的電池單元平衡,以有效控管外部平衡電阻造成的溫度上升。啟動過熱電池平衡偵測時,當所有主動式熱敏電阻偵測到溫度低於設定的復原闕值,便會恢復所有啟用通道上的平衡。

自動電池單元平衡有助於提高電池壽命,對於 EV 電池無疑是一大好處。不只如此,BQ79616-Q1 的 MCU 配備改良 IC 熱管理與故障顯示功能,能以最具成本效益的方式執行電池平衡,同時兼顧速度與安全,可延長每次充電後的電池運作時間,延長 EV 電池的工作壽命。

 

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