技术 如何对锂电池进行热管理？
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随着国际市场对化石能源的消耗日益增加，为了解决环境恶化的问题，世界各国不断调整相应的能源结构，以期改变对化石能源的依赖，其中电动汽车的推广成为重要的组成部分，与传统汽车相比，电动汽车具有节能环保、能量利用率高等特点。如果电动汽车能够得到大力推广与使用，将极大地缓解当今日益突出的能源问题。
自上世纪90年代起，为了抢占市场国外许多汽车企业在电动车的研发和推广过程中投入了大量的资源。世界各国政府也相继出台了相应的政策扶持电动汽车市场的发展，比如美国主要采取的措施：新一代的汽车伙伴关系计划；自由汽车合作伙伴计划。日本主要采取的措施：着力研发低排放量的汽车；日本氢能和燃料电池示范工程。欧盟主要采取的措施：着力研发电动汽车的燃料电池的关键技术；燃料电池发展示范计划；燃料电池公共汽车示范项目；电动汽车的城市分布系统方案。中国主要采取的措施：电动汽车、燃料电池汽车以及中国863电动汽车研发计划；中国973电动汽车专项规划。
当前电动汽车主要分为3种类型：燃料电池汽车、纯电动汽车以及混合动力汽车。其中燃料电池汽车主要以氢燃料电池为主，其发展主要受到储氢材料的制约。混合动力汽车的发展前景并不明朗，目前发展较快的主要是以锂电池为动力源的纯电动汽车。然而在锂电池电动汽车迅猛发展的今天，随着市场上纯电动汽车保有量的不断增加，锂电池的热安全问题逐渐限制纯电动汽车的发展。
动力电池是电动汽车的基础，其热特性是影响电池安全、寿命和使用安全的重要因素。在使用过程中，伴随着能量的交换和转移，电池组自身也产生热效应，这种热效应如果没有进行合理的控制，容易造成产热不均、温度分配不均、电池间温差较大等问题。长此以往，必然会导致部分电池系统的充放电性能、容量和使用寿命等下降，从而影响电力驱动系统的性能，严重时甚至会引发热失控危害驾驶人的生命安全。
那么温度对锂电池究竟有着怎样的影响呢？根据相关资料，温度对锂离子电池的影响主要集中在以下几个方面：
1.容量衰减，温度的变化直接影响锂电池内部材料的性质和结构，进而影响锂电池容量的变化；温度越高内部材料的临界失效越严重，电池的容量衰减也越快。
2.热失控，在锂电池工作过程中因为锂电池自身的热阻效应，会产生发热现象，如果不能很好的对这种热效应进行处理，大量热量会积聚在电池内部，诱发有害化学反应的增加，进而引起连锁反应使电池的发热现象失去控制，严重时会引起电池鼓包甚至爆炸。
3.低温特性，低温状态下，锂电池内部的导电介质受到影响，其导电能力受到削弱，放电过程中电极两端的能量交换效率降低而充电过程中的效率受低温的影响并不十分明显，因此会产生过充现象导致电极附近出现锂枝晶现象，进而影响锂电池的各项性能指标，严重时甚至刺破隔膜造成短路引起火灾或爆炸。
锂离子电池的最佳温度区间、工作温度区间和可承受温度区间分别为10～35℃、-20～45℃和-40℃～60℃。10～35℃这一温度区间为锂电池的理想工作状态。在-20～45℃区间内锂电池寿命衰减较小，仍能够正常工作。然而，当温度在-20～-40℃内时，电解液可能会凝固，阻碍锂离子的流动，导致阻抗增加，电池容量明显下降。当温度超过60℃时，锂离子的化学特性开始变得越来越不稳定，电池内部有害化学反应速率较高，可能会破坏电池，严重时会发生事故。
锂离子电池3类工作温度
为了使锂电池电动汽车的安全性得到充分的保障，如何对锂电池热效应进行有效的控制成为一个不可忽视的问题。在探索如何处理锂电池热效应的过程中，科研工作者和工程师们不断贡献自己的智慧，开拓出多种多样的方式。
如何对锂电池进行有效的热控制呢？总体的思路是从源头开始，贯穿整个产业链，在每个细节都尝试进行控制。从电池机理上入手的探索思路是开发新的电极材料和介质材料，使用更高效、稳定的材料进行锂电池的生产开发，从源头保证锂电池的安全应用。然而当前的科研工作还不能很好的满足生产生活需要，如何在现有的产业基础上对锂电池进行安全优化便成为焦点。
目前主流的锂电池热管控方式主要分为以下几种：空气冷却、液体冷却、热管冷却、基于相变材料的冷却方式。这四种锂电池的热管控方式各有特点。
典型热管控技术的特点
空气冷却主要是以空气为介质进行热交换，通过空气的流通来对发热的锂电池组进行降温处理，根据空气流动的方向和制冷结构布局，可以将空气冷却方式简单的分为串行和并行两种冷却方式。按照空气的驱动方式又可以分为自然通风和强制通风。空气冷却的热控制方式具有结构简单、轻便、寿命长、可靠性高、成本低等特点，然而空气的比热容较低，空气冷却难以处理大量的热量，因此其应用具有一定的局限。早期的电动汽车多选用这种技术。
液体冷却是以液体作为导热介质进行的热量控制方式。根据是否与电池接触，可以分为非接触式和非接触式；根据液体流动的驱动方式可以分为主动式冷却和被动式冷却；根据液体的流动通道又可以分为管式液冷、板式液冷。与空气冷却的方式相比，液冷系统的结构复杂、成本较高。但是相交于空气，液体导热介质的比热容有着更大的调整空间，其散热效率和散热速度也更可观。目前电动汽车主要应用液体冷却系统来进行锂电池热管控。
主动式液体冷却方式
被动式常规液体冷却方式
板式液体冷却方式
热管冷却的冷却模式类似于空调的制冷机理，按照其传热机理可以将制冷系统分割为蒸发端、绝热端和冷凝端三个部分。在冷却过程中主要依靠冷却介质发生相变来实现换热过程，相较于液冷系统热管冷却具有更高的散热效率和散热速度。同时因为冷却介质密封于密闭空间，降低了导热介质泄漏的风险，热管具有更高的安全性。然而热管制冷的成本较高，性价比较低，比较适合应用于经常工作在高倍率工况的锂电系统。
基于相变材料的冷却体系是指利用在特定温度下发生相变吸收或释放能量的材料，通过材料的热量变化来保持锂电池系统维持在一个适宜的温度区间。相变冷却具有结构紧凑、接触热阻低、冷却效果好等优点，然而相变材料吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统、空调系统等导出，否则相变材料无法持续吸收热量导致失效。此外，相变材料占空间，成本高。因此，相变冷却技术多和其它热管理技术结合起来使用，能起到均匀电池温度分布、降低接触热阻以及提高散热速度等作用。
在锂电池的热管控探索中，除了从电池材料到导热方式的革新之外，还应该有一套维持电动车所有蓄电池组件的工作，并使其处于最佳状态；采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电方式和提供剩余能量显示等职责的能量管理系统。因此，研究新的动力传动配置和控制器以及更具有通用性的能量管理系统已经成为目前的发展方向。
参考资料：
钟国彬，大容量离子电池储能系统的热管理技术现状分析
杨洋，纯电动汽车锂离子电池组液冷散热系统研究
许志龙，电动汽车动力电池的发展与温度管理现状研究
刘卓然，国内电动汽车发展现状与趋势
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为什么现在锂电池中都开始采用AFE芯片进行电池管理？原因在这里
前言
新能源技术在快速发展，而电池作为能量存储和转换的关键组件，在电动汽车（EV）、移动设备、储能系统等多个领域发挥着至关重要的作用。目前最广泛使用的电池就是锂电池，因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优点，成为目前最主流的电池。
针对电池带来的安全隐患，通常采用电池管理系统（BMS）对电池以及电池组进行监测和保护。它通过精确控制电池的充放电过程，实时监测电池的电压、电流、温度等关键参数，以及估算电池的荷电状态和健康状态，同时采取相应的保护措施，如切断电池供电或发出警报。这些保护措施可以有效降低电池组的故障风险，并确保电池组的安全运行。
目前锂电池管理系统BMS开始普遍使用AFE（模拟前端）+MCU来实现更先进管理系统，AFE负责将电池的电压、电流和温度等模拟信号转换为数字信号，供微控制器或处理器进行进一步处理。AFE还可通过集成多种功能，提供对电池组的监测、优化和保护，适配更多场景的应用，并确保电池组的安全运行和最大化使用寿命。
AFE芯片
具体型号配置信息如上表所示，接下来通过其中几款芯片型号来介绍该系列芯片的优势。
以下排名不分先后，按企业英文首字母顺序排序。
INJOINIC英集芯
英集芯IP3281
IP3281 是一款低功耗电池组保护器，用于10~16 节串联锂离子/聚合物可充电电池的初级保护的解决方案。该产品集成了聚合物可充电电池安全运行所需的一整套的电压、电流和温度所有检测和保护。保护阈值和延时均为出厂编程设定，有多种配置可供选用，采用TSSOP30封装。
JoulWatt杰华特
杰华特JW33708
JW33708是一款多电池堆的监测和保护芯片，芯片耐压60V，支持4-8串电池应用，可为每个电池提供被动均衡功能，支持最多3个连续电池同时放电。JW33708可用于电池电压和温度感知的14位ADC，电压精度达10mV，以及用于充放电电流感知的16位ADC，电流精度达75μV。
多个JW33708可以串联使用，可通过SPI接口与外部控制单元通信，集成了预充电和预放电驱动器，支持睡眠模式，电流较小时可实现高效率低功耗，采用NMOS驱动，并具有多种保护机制，采用TSSOP38封装。
杰华特JW3370
JW3370是一款多电池堆的监测和保护芯片，芯片耐压60V，支持4-10串电池应用，可为每个电池提供被动均衡功能，支持最多3个连续电池同时放电。JW3370可用于电池电压和温度感知的14位ADC，电压精度达10mV，以及用于充放电电流感知的16位ADC，电流精度达75μV。
多个JW3370可以串联使用，可通过SPI接口与外部控制单元通信，集成了预充电和预放电驱动器，支持睡眠模式，电流较小时可实现高效率低功耗，采用NMOS驱动，并具有多种保护机制，采用TSSOP38封装。
杰华特JW3323A
JW3323A是一款高度集成、低成本的保护和监控芯片，适用于6-13串联电池应用，集成了12位ADC，用于高精度电压检测，电压精度达15mV。并集成了保护和延迟电路，用于故障事件包括过充、过放、短路、断路、过温等。
外部控制单元通过I2C接口与JW3323A通信，方便用户监测每个串联电池组的状态，特别是锂离子可充电电池组。JW3323A还提供包括断线检测、奇偶动态平衡、引脚故障检测、内部过温保护和充电许可等保护机制，以增强系统安全性。
为了提升易用性，JW3323A支持电子锁功能以独立控制放电，提供GPS引脚以启用GPS应用，还提供警报引脚用于电池故障警报以及DOCT引脚用于释放部分电池故障，采用30-Pin TSSOP封装。
PENG SHEN TECH鹏申科技
鹏申PB7200
PB7200是鹏申科技AFE芯片产品PB7系中的一员，支持5-20串电芯应用，工作电压范围在12至95V，单节电芯单元电压测量范围为0-5V，可用于执行电池组的测量、保护和均衡功能，适用于大多数锂、钠电池。
该芯片还内置VADC模块用于电压、温度和电流测量；内置CADC模块用于采集电流，用于库仑计方式的高精度SOC计量，同时提供4个充放电MOS控制引脚。
BMU单板内部的AFE模块通过电容隔离的菊花链级联方式实现，而单板之间则通过变压器隔离的菊花链级联，有效保证了信号传输的稳定性和系统的抗干扰能力。系统设计允许最大配置为1个基础单元加上31个扩展单元。Stack1通过线束连接到控制板上的AFE0(Base)，AFE0与MCU之间通过串口通信进行数据交换，有效简化了布线并提高了系统可靠性。此外，系统还配备了用于驱动光耦的ACT_CTR，用于控制各Stack AFE的ACT引脚，以实现shutdown模式的进入或AFE的硬复位，为系统维护和故障恢复提供了重要保障。
PB7200的功耗极低，同时鹏申科技AFE产品具备高效的自动调度功能，能够实现定时测量和实时保护，通过中断通知MCU，有效节省资源和降低功耗，同时在低功耗模式下保持关键保护功能，并能自动检测并响应电流变化和充电器插入，实现深度节能状态。
充电头网也拿到了这款芯片的方案demo，以上为实物展示。
PB7200采用LQFP80封装，可广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动工具、通信、家庭和风光储能等 5~20 串锂电芯 BMS 系统中。
鹏申PB7170
PB7170同样是鹏申科技AFE芯片产品PB7系中的一员，支持5至17串电芯应用，工作电压范围在12至88V，单节电芯单元电压测量范围为0-5V，可用于执行电池组的测量、保护和均衡功能，适用于大多数锂电池。
该芯片配备VADC模块，专门用于精确测量电压、温度和电流；同时，CADC模块能够进行高精度的电流采集，适用于库仑计方式的SOC计量。此外，该芯片还提供3个充放电MOS控制引脚，支持高达100mA的单通道均衡电流，并能实现多单元均衡的同时启动，满足多种智能均衡策略的需求。
PB7170的功耗极低，提供多种低功耗睡眠模式，可根据不同使用场景采用不同的模式，并能自动检测并响应电流变化和充电器插入，在睡眠模式下也能保持极快的唤醒速度并保持极低的功耗，实现深度节能状态。
同时鹏申科技AFE产品具备高效的自动调度功能，能够实现定时测量和实时保护，通过中断通知MCU，有效节省资源和降低功耗。
充电头网同样也拿到了这款芯片的方案demo，以上为实物展示。
PB7170采用LQFP64封装，可广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动工具、通信、家庭和风光储能等 5~17 串锂电芯 BMS 系统中。
鹏申PB5100
PB5100是鹏申科技AFE芯片产品PB5系中的一员，支持4-10串电芯应用，工作电压范围在6至55V，单节电芯单元电压测量范围为0-5V，可用于执行电池组的测量、保护和均衡功能，适用于大多数锂/钠电池。
该芯片配备VADC模块，专门用于精确测量电压、温度和电流；同时，CADC模块能够进行高精度的电流采集，适用于库仑计方式的SOC计量。此外，该芯片还提供4个充放电MOS控制引脚，支持多单元均衡的同时启动，满足多种智能均衡策略的需求。
与PB7系不同，PB5100采用QFN32(QFP32)封装，可广泛应用于电动工具、便携储能、家用电器的供电系统之中。
充电头网总结
在新能源技术迅猛发展的今天，电池作为能量转换和存储的核心部件，其重要性不言而喻。锂电池因具有优越的性能，已经成为电动汽车、移动设备、储能系统等领域的首选。而随着锂电池应用的广泛，其安全性问题也日益凸显。电池管理系统（BMS）作为确保电池安全运行的关键技术，其发展对于提升电池性能和保障用户安全至关重要。
本文详细介绍了包括鹏申科技、英集芯、杰华特等公司的AFE芯片产品，这些产品以高精度的监测、优化和保护功能，为电池组的安全运行和最大化使用寿命提供了有力保障。通过这些AFE芯片，可以看到电池管理系统正朝着更智能、更高效、更安全的方向发展。
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