基于智能電池傳感器(IBS)的電池管理對(duì)未來(lái)汽車設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要

摘要：本文描述了智能電池傳感器(IBS)如何幫助維持合適的電池性能，重點(diǎn)介紹電阻式傳感器的用途并解釋其在汽車應(yīng)用中的相關(guān)功能。本文還介紹了對(duì) IBS 器件的一項(xiàng)實(shí)際測(cè)試以及用于確認(rèn)其精度的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。另外本文還介紹了 IBS 器件如何用于汽車應(yīng)用，討論其在可再生能源領(lǐng)域的實(shí)用性，并將其與其他電池監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行比較。

引言

　　現(xiàn)代汽車需要進(jìn)一步提高效率來(lái)滿足未來(lái)燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的要求。這一效率提升與汽車電氣系統(tǒng)的創(chuàng)新大有關(guān)系。這些技術(shù)創(chuàng)新涉及許多領(lǐng)域，如起停、線控驅(qū)動(dòng)和線控制動(dòng)系統(tǒng)等等。但這些新技術(shù)有一大缺點(diǎn)，這就是它們?nèi)家蕾囉陔姎庀到y(tǒng)的同一部件：鉛酸電池，而該部件自上世紀(jì) 50 年代以來(lái)就沒(méi)有多大創(chuàng)新。合適的電池管理將是支持未來(lái)設(shè)計(jì)創(chuàng)新繼續(xù)下去的關(guān)鍵所在，這可利用智能電池傳感器(IBS)來(lái)實(shí)現(xiàn)。IBS 單元可對(duì)電池的電流、電壓和溫度(IVT)進(jìn)行精確和按需(on-demand)測(cè)量。根據(jù)測(cè)量信息可進(jìn)行準(zhǔn)確的“充電狀態(tài)”和“健康狀態(tài)”計(jì)算，從而確保電氣系統(tǒng)在最高效率下工作。

1 IBS概述

　　IBS 是用于鉛酸電池管理的完整測(cè)量系統(tǒng)。這些部件可測(cè)量流經(jīng)電池的充電或放電電流，電池端子之間的電壓，以及電池的溫度(通過(guò)測(cè)量電池接線柱與 IBS 單元本身之間的導(dǎo)熱性)。這三項(xiàng)測(cè)量幾乎同時(shí)進(jìn)行，以確保測(cè)量準(zhǔn)確性(即使是在快速變化的條件下)。IBS 可使用LIN 通信協(xié)議將這些測(cè)量結(jié)果發(fā)送至汽車的電子控制單元(ECU)或其他控制系統(tǒng)。LIN 是面向汽車環(huán)境的一種可靠通信協(xié)議，具有出色的容噪性。LIN 總線在大多數(shù)新產(chǎn)品上已有提供，或者可利用簡(jiǎn)單的微控制器輕松開(kāi)發(fā)出來(lái)(當(dāng)在其他汽車或非汽車應(yīng)用中使用 IBS 時(shí))。

　　IBS 單元應(yīng)當(dāng)能夠適應(yīng)全范圍的汽車工作條件。例如，–40℃至 +115℃ 的工作溫度使其能夠適應(yīng)那些甚至?xí)o最新、最先進(jìn)鉛酸電池造成損害的工作條件。此外，高工作電壓范圍使IBS 單元能夠在電池過(guò)充電和欠充電條件下繼續(xù)取回?cái)?shù)據(jù)。它還應(yīng)當(dāng)能夠在電壓和溫度范圍的極大和極小條件下以最小的精度損失來(lái)監(jiān)控完整的電流范圍。

2 IBS精度

　　IBS 的核心部分是專為感測(cè)電池電流而設(shè)計(jì)的分流器。IBS 的精密內(nèi)部電子元件的可靠性應(yīng)當(dāng)足以適應(yīng)在現(xiàn)代汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩下環(huán)境中工作的要求，并在感測(cè)分流器上的壓降時(shí)保持精度。IBS 和集成電子元件必須適應(yīng)所有 12 V 汽車起動(dòng)電流，同時(shí)使誤差最大值在整個(gè)測(cè)量和電池溫度范圍內(nèi)限制到 0.5%(±30 mA 偏差)。

　　除了電流感測(cè)能力之外，IBS 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電池溫度傳感器和電壓傳感器全都包含在一個(gè)器件中。因此，例如我們假設(shè) IBS 的電壓測(cè)量精度在 4 V 至 18 V 的電壓范圍和整個(gè)電池工作溫度范圍內(nèi)為 ± 50 mV，而電池溫度傳感器在整個(gè)溫度范圍的外緣處的最大誤差為 3℃。鉛酸電池的溫度范圍上限通常為 +60℃，工作中的實(shí)際下限不小于 0℃。在這些實(shí)際溫度范圍內(nèi)，我們的示例 IBS 的溫度誤差不超過(guò) 1℃(參見(jiàn)下文圖 2 提供的更多信息)。該精度足以設(shè)置關(guān)停警告和定義電池在所有工作條件下的電流限值。使所有這些傳感器包含于一個(gè)器件可消除對(duì)額外傳感器或用于取回該信息的其他系統(tǒng)的需要，從而幫助避免成本上升。所有測(cè)量值以一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò) LIN 總線返回，確保 IBS 提供對(duì)所有電池參數(shù)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和相關(guān)聯(lián)的測(cè)量結(jié)果。

3 汽車應(yīng)用

3.1 現(xiàn)代汽車的電氣負(fù)荷

　　在現(xiàn)代汽車應(yīng)用中知道電池的健康和充電狀態(tài)非常重要。諸如起停、線控驅(qū)動(dòng)和液壓系統(tǒng)向電氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變等創(chuàng)新技術(shù)增加了汽車電池系統(tǒng)的負(fù)荷，而駕駛員已經(jīng)將其自身和周圍其他人的安全寄托在該系統(tǒng)上。IBS 讓汽車能夠按照從“舒適相關(guān)”到“安全攸關(guān)”的等級(jí)來(lái)區(qū)分這些電氣負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)。汽車因此能夠以合理的順序關(guān)停這些系統(tǒng)，以提醒駕駛員即將發(fā)生的電池問(wèn)題，保證其人身安全。

3.2 起停技術(shù)

　　起停技術(shù)已在混合動(dòng)力車上使用多年，現(xiàn)在開(kāi)始作為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車。但起停技術(shù)仍有一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題，這就是 12 V 電池系統(tǒng)。僅僅在城鎮(zhèn)中一次正常駕駛期間的額外發(fā)動(dòng)機(jī)重啟次數(shù)就足以使用完傳統(tǒng)鉛酸電池的電量甚至給其造成損壞，這也是大多數(shù)具有起停功能的汽車使用吸附式玻璃纖維棉(AGM)電池的原因所在。雖然 AGM 電池增強(qiáng)了汽車使用起停技術(shù)的能力，但在汽車關(guān)閉自身后仍然需要繼續(xù)運(yùn)行的那些系統(tǒng)(包括 ECU、安全監(jiān)控、照明、導(dǎo)航、空調(diào)控制及一般舒適系統(tǒng))仍然留有問(wèn)題。這些系統(tǒng)要消耗大量電池電量，如不進(jìn)行密切監(jiān)控，有可能使電池?fù)p壞。目前的起停系統(tǒng)通過(guò)在汽車停止時(shí)關(guān)閉舒適系統(tǒng)或者照例通過(guò)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)解決該問(wèn)題，以確保電池在停車期間得到充電。合適的電池管理傳感器能夠更好地確保電池的安全工作。這可以通過(guò)使停止的汽車僅在絕對(duì)需要時(shí)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性。在電池狀況處于已知安全工作范圍內(nèi)時(shí)，它甚至允許汽車的舒適系統(tǒng)間歇性地啟動(dòng)和關(guān)閉，從而向駕駛員提供更舒適的車內(nèi)體驗(yàn)。

3.3 混合動(dòng)力車

　　混合動(dòng)力車有兩種主要類型：串聯(lián)式混合和并聯(lián)式混合。在串聯(lián)式混合中，內(nèi)燃機(jī)并不實(shí)際推動(dòng)汽車向前，而是用于給發(fā)電機(jī)供電和給車載電池充電。在并聯(lián)式混合中，電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)都連接到傳動(dòng)系統(tǒng)。這使兩套裝置能在高需求到來(lái)時(shí)立刻同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)力，或者在低需求時(shí)只通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力。這種模式允許內(nèi)燃機(jī)將電動(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)，在需要時(shí)給電池充電。兩種設(shè)計(jì)都可內(nèi)含高壓電池組，用于儲(chǔ)存供給電動(dòng)機(jī)的電力。為了從每種設(shè)計(jì)中獲得最大效率，該電池組需要由精確的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行密切監(jiān)控。

3.4 電動(dòng)車

　　電動(dòng)車基于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，汽車上根本就沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)。在純電動(dòng)車(FEV)中，轎車或卡車本身的電池是電動(dòng)機(jī)和所有標(biāo)準(zhǔn)電氣系統(tǒng)的唯一電力來(lái)源。良好的電池管理系統(tǒng)在此類汽車中比其他類型汽車中都更加重要。這是因?yàn)槿绻姵仉娏坑猛炅?，汽車就失去了?dòng)力來(lái)源。純電動(dòng)車中的電池通常由串聯(lián)或并聯(lián)的電池單元堆疊組成，用以獲得所需的輸出電壓。這些電池單元堆疊中的每一個(gè)都應(yīng)當(dāng)包含其自身的電池管理系統(tǒng)，以確保當(dāng)一個(gè)電池單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì)連累整個(gè)電池系統(tǒng)。

4 其他傳感技術(shù)

4.1 開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器

　　可靠性是許多其他監(jiān)控技術(shù)在汽車應(yīng)用中表現(xiàn)不甚理想的原因之一。由于成本、尺寸和測(cè)量范圍的緣故，開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)際上是唯一具有可比性的電池監(jiān)控技術(shù)。此種傳感器利用了霍爾效應(yīng)，亦即通過(guò)在帶電導(dǎo)線周圍形成的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量流經(jīng)該導(dǎo)線的電流。電流互感器無(wú)法與直流汽車電氣系統(tǒng)一起使用，對(duì)于被測(cè)量的電流值而言，閉環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器成本太高，尺寸太大 ^[1]。開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器的最大特點(diǎn)是，由于實(shí)際上它并不在電流路徑之中，所以在測(cè)量電流時(shí)沒(méi)有電能損耗，但這是以犧牲精度和可靠性為代價(jià)換來(lái)的 ^[1]。