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TI利用自動電池平衡 強化EV熱管理與續航力
 

【CTIMES/SmartAuto 編輯部 報導】   2021年02月25日 星期四

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電池單元平衡對電動車電池管理十分重要,因為它可幫助延長車輛行駛距離,並確保EV電池運作。此外,透過電池單元平衡,還能修正電池本身內部的不平衡。所有電池(包含EV中的電池)都會因製造過程或操作條件不匹配,造成電池單元間老化不相等,隨著時間發生不平衡情況。

各種平衡模式下的電池電量狀態
各種平衡模式下的電池電量狀態

當最弱的電池單元完全放電,電池便無法再提供電荷,即使其他電池單元仍剩下許多電荷。平衡電池單元可使電池組容量最大化並確保提供其所有能量,進而延長電池續航力,在EV電池則能延長行駛距離。

除了電池容量最大化外,電池單元平衡也可防止電池過度充電和過度放電以確保電池運作安全,兩種情況都可能加快電池單元退化並產生潛在危險操作情境。

德州儀器Sudhir Nagaraj指出,電池單元平衡的主要方式有兩種。一種是主動式電池平衡和被動式電池平衡。主動式電池平衡可重新分配電池單元的電荷,利用DC/DC轉換器為容量較低的電池單元提供較高容量。目前電池單元製造與篩選分類已大幅改善,可在電池組內提供非常低的電池單元不匹配。因此可避免在操作一開始,需對較大電池單元平衡電流所產生的較大電池單元不匹配情況進行平衡。若以較小平衡電流頻繁進行電池單元平衡,可對操作期間任何逐漸形成的不匹配進行管理。

另一種則是被動式平衡,通常會透過散熱功能移除容量較大電池單元中的電荷,直到所有電池單元電荷數量皆相同為止。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耗散能量,直到所有初電荷較高與最低電荷的電池單元相匹配為止。被動式平衡方法較簡單且成本較低,因此較受歡迎。

Sudhir Nagaraj解釋,被動式平衡會在與電池單元並聯的電阻器中進行切換,並將能量耗散至該電阻器中,以將電荷自過度充電的電池單元移除。此能量耗散會造成電池單元和用來進行耗散的開關與電阻器溫度升高。務必盡可能將鋰電池單元的溫度維持在室溫。否則在內部熱產生率超過熱釋放率時,就可能導致熱失控。

若因結構改變和電極形成表面薄膜造成溫度上升,將會加快鋰電池單元退化。此外,累積過多熱能可能會對電池單元平衡開關與電阻器造成損害。

典型的EV具有大量電池單元和電池單元平衡開關與電阻器,且通常會採用近距離封裝,因此在進行被動式平衡時,務必對電池與其電池管理系統進行散熱功能管理,Sudhir Nagaraj強調。

TI的BQ79616-Q1會利用裝置內部的開關,來執行被動式電池單元平衡。因為有這些開關,BQ79616-Q1可在電池單元平衡執行期間於內部進行散熱功能。熱點位於裝置的印刷電路板 (PCB)和平衡電阻器上。BQ79616-Q1提供兩個熱管理功能,以避免晶粒過熱並監視PCB溫度。

其中一個熱管理功能會監控晶粒溫度,另一個則監控熱敏電阻溫度。晶粒高溫會觸發微控制器(MCU)故障,進而暫停電池單元平衡以使 IC 溫度下降。當 IC 溫度下降且故障排除,MCU便可命令BQ79616-Q1恢復電池單元平衡。

在熱敏電阻監控下,若溫度超過暫停閾值,BQ79616-Q1便會自動暫停平衡。溫度下降至復原閾值以下時,平衡將會自動恢復。此情況下,BQ79616-Q1會在無MCU介入下暫停並恢復電池單元平衡。

電池單元平衡暫停狀態也會凍結所有平衡計時器和設定,當裝置解除暫停狀態後便會恢復。為了管理外部平衡電阻器所造成的熱能上升,若任何連接至通用輸入/輸出的主動式熱敏電阻偵測到溫度高於設定之過熱電池單元平衡闕值,BQ79616-Q1將可暫停所有通道上的電池單元平衡。一旦觸發過熱電池單元平衡偵測,當所有主動式熱敏電阻偵測到溫度低於設定復原闕值,便會恢復所有啟用通道上的平衡。

自動電池單元平衡可幫助延長電池續航力,可為EV電池帶來重要優勢。若為MCU新增強化式IC熱管理與故障顯示(如BQ79616-Q1),將可以最具成本效益的方式,進行快速安全的電池單元平衡,可提高充電器間的電池操作時間,並能延長EV電池操作壽命。

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