如何在微型混合動(dòng)力汽車(chē)中有效實(shí)施電池能效管理

在當(dāng)今的汽車(chē)中，不斷增加的電力負(fù)荷給電池帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。超過(guò)半數(shù)因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)導(dǎo)致的汽車(chē)故障都可以向上追溯到鉛酸電池，如 果了解電池狀態(tài)，這些故障是可以避免的。另外，諸如起停系統(tǒng)（start-stop）或智能交流發(fā)電機(jī)控制等微型混合動(dòng)力汽車(chē)的新功能也要求確切地了解電 池狀態(tài)。

電池管理系統(tǒng)（BMS）可通過(guò)快速、可靠地監(jiān)測(cè)啟動(dòng)能力中的充電狀態(tài)（SoC）、健康狀態(tài)（SoH）和功能狀態(tài)（SoF），提供必要的信 息。因此，BMS可以最大限度地降低因?yàn)殡姵匾馔夤收隙鴮?dǎo)致的汽車(chē)故障次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)電池使用時(shí)間和最大電池能效，并可以支持二氧化碳減排功能。 BMS的主要元件是智能電池傳感器（IBS），它可以測(cè)量電池端電壓、電流和溫度，并計(jì)算出電池的狀態(tài)。

本文將介紹如何實(shí)施使用最先進(jìn)的算法來(lái)計(jì)算SoC、SoH和SoF的BMS，以及如何在飛思卡爾的鉛酸電池IBS中高效地實(shí)施上述功能。

1) 簡(jiǎn)介

過(guò)去，汽車(chē)電池的充電級(jí)別一直是一項(xiàng)無(wú)法了解的因素，在許多情況下會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)故障。根據(jù)汽車(chē)使用壽命的不同，與電池有關(guān)的故障率可能攀升至10000 ppm [1]。

對(duì)汽車(chē)電池來(lái)說(shuō)另一個(gè)已經(jīng)存在的非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)來(lái)自不斷增長(zhǎng)的電力與功耗需求，同時(shí)還需要降低二氧化碳排放。

因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)在汽車(chē)創(chuàng)新領(lǐng)域里起著非常重要的作用，所以隨著汽車(chē)在舒適性功能、安全相關(guān)功能電子化、混合動(dòng)力汽車(chē)、駕駛輔助和信息娛樂(lè)方面的發(fā)展，對(duì)電力供應(yīng)的需求也越來(lái)越高。

在另一方面，越來(lái)越多的法規(guī)出臺(tái)呼吁減少二氧化碳排放和燃油消耗。

為了應(yīng)對(duì)上述限制要求，需要采用高級(jí)電力管理系統(tǒng)，來(lái)確保在各種工作場(chǎng)景中電池都能為引擎啟動(dòng)提供足夠的電力。

2) 電力管理系統(tǒng)

通常，支持啟動(dòng)-停止系統(tǒng)所用的典型供電網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)車(chē)身控制模塊（BCM）、一個(gè)電池管理系統(tǒng)（BMS）、一個(gè)發(fā)電機(jī)和一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。

BMS通過(guò)專用的負(fù)載管理算法為BCM提供電池狀態(tài)信息，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)和DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)固和管理供電網(wǎng)絡(luò)。DC/DC轉(zhuǎn)換器為汽車(chē)內(nèi)部的各個(gè)電氣元件供電。

圖1：典型啟動(dòng)-停止系統(tǒng)中使用的供電網(wǎng)絡(luò)示例

Generator：發(fā)電機(jī)；Battery mgmnt system：電池管理系統(tǒng)；Energy：電力；Control：控制；AC/DC Converter：AC/DC 轉(zhuǎn)換器；Consumers：電氣元件

通常，鉛酸電池的BMS直接安裝在電池夾的智能連接器中。連接器包括一個(gè)低阻值分流電阻（通常在100uOhm范圍內(nèi)）和一個(gè)帶有高度集 成設(shè)備的小型PCB，該集成設(shè)備具有準(zhǔn)確的測(cè)量和處理功能，稱之為智能電池傳感器（IBS，參見(jiàn)圖2）。IBS即便在最惡劣的條件下也能以高解析度和精確 度測(cè)量電池電壓、電流和溫度，并能夠在電池的整個(gè)使用壽命中準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電池的充電狀態(tài)（SoC）、健康狀態(tài)（SoH）和功能狀態(tài)（SoF）。這些參數(shù)定期 或根據(jù)要求通過(guò)一個(gè)獲得汽車(chē)行業(yè)認(rèn)證的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)傳送至BCM。

圖2：鉛酸電池的典型智能電池傳感器

Battery Plus Pole：電池正極；Battery Minus Pole：電池負(fù)極；Chassis ground：底盤(pán)接地；Precision measurement battery current, voltage temperature：精確測(cè)量電池電流、電壓和溫度；Determination of key battery characteristics: state of health (soh) state of charge (soc) state of function (sof)：確定主要電池特性：健康狀態(tài)(SoH)、充電狀態(tài)(SoC)和功能狀態(tài)(SoF)；Communication to bcm：與BCM通信

除上述功能和參數(shù)功能外，對(duì)IBS提出的其他主要要求包括低功耗、能夠在惡劣的汽車(chē)行駛環(huán)境中（即EMC和ESD）工作、進(jìn)行汽車(chē)OEM 廠商驗(yàn)收的車(chē)載通信接口一致性測(cè)試（即，LIN）、滿足汽車(chē)等級(jí)測(cè)試限制（針對(duì)被測(cè)參數(shù)的六西格瑪限制），另外還需符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求。

飛思卡爾宣布推出一款完全集成的LIN電池監(jiān)控設(shè)備，它基于Freescale S12 MCU技術(shù)[2]，能夠滿足上述所有參數(shù)要求。該設(shè)備包括三個(gè)獨(dú)立的測(cè)量通道：通過(guò)外部分流電阻測(cè)量電流；通過(guò)直接安裝在電池負(fù)極的串聯(lián)電阻測(cè)量電池電 壓；通過(guò)集成傳感器測(cè)量溫度。采用一個(gè)集成LIN 2.1接口直接將傳感器連接至LIN總線，無(wú)需其他部件。飛思卡爾IBS完全符合汽車(chē)行業(yè)的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求。

在下面幾章里，我們將為您介紹使用飛思卡爾IBS的BMS的實(shí)施方案，以及如何通過(guò)使用IBS的硬件特性和定點(diǎn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)BMS的高效運(yùn)行。