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

4.2 與分流器感測(cè)有關(guān)的問(wèn)題

　　由于 IBS 在測(cè)量電流時(shí)要使用其核心元件電阻性分流器，因此存在與其“在電路中”有關(guān)的損耗。但通過(guò)使用阻值極低的分流器，該損耗對(duì)電流范圍的很大一部分發(fā)是可忽略的。例如，一個(gè) 100 μΩ 分流器在 100 A 電流下只會(huì)造成 1 W 電能損耗。在使用 12 V 電池提供 100 A 電流的情況下，這相當(dāng)于 0.083% 電能損耗。對(duì)于在實(shí)際測(cè)試中觀測(cè)到的電流值，分流器損耗在 3 A 標(biāo)準(zhǔn)工作電流下為 900 μW，在 350 A 短時(shí)最大起動(dòng)電流尖峰下為 12.25 W。在實(shí)際測(cè)試中，35 英寸、4-AWG 正極電池電纜的阻值為 788 μΩ ^[2]。這意味著僅正極電池電纜中的電能損耗就為 IBS 中的電能損耗的近八倍之多。使用此類低阻值分流器應(yīng)當(dāng)允許 IBS 單元在 ± 600 A(連續(xù))和 ± 2,000 A(不超過(guò) 900 J 的脈沖應(yīng)用)的電流范圍內(nèi)工作。

　　因?yàn)榛魻栃?yīng)傳感器并不直接連接至帶電導(dǎo)線，因此外力會(huì)造成磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果具有顯著誤差 ^[1]。單是地球磁場(chǎng)就會(huì)造成 0.4 A 誤差，更不用說(shuō)提汽車內(nèi)部的其他線圈、導(dǎo)體和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)了 ^[1]?！霸陔娐分小币馕吨c霍爾效應(yīng)傳感器相比，使用 IBS 時(shí)由外部干擾造成的誤差小很多。在任何車內(nèi)條件下，IBS 單元的最大電流感測(cè)誤差應(yīng)當(dāng)為 0.5 % + 偏差(30 mA)，這與使用霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)可觀測(cè)到的由地球磁場(chǎng)引起的誤差是相同的(只需改變 80A 電流的流動(dòng)方向即可測(cè)量到這一誤差) ^[1]。

　　開(kāi)環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器存在與其本身有關(guān)的自然偏差，甚至在零電流時(shí)也是存在的 ^[1]。該偏差受溫度影響很大，即使是優(yōu)良的傳感器也有可達(dá) 0.5% 的標(biāo)準(zhǔn)偏移。要解釋該偏差改變的原因需要一個(gè)額外溫度傳感器 ^[1]。霍爾效應(yīng)傳感器的最后缺點(diǎn)是，由于輸出如此嚴(yán)重依賴于傳感器的位置，所以可能需要進(jìn)行電路內(nèi)校準(zhǔn)。IBS 的電流測(cè)量全都以 0 A 為中心，除了噪聲以外，無(wú)需考慮自然偏差的問(wèn)題。電阻性分流器的電阻溫度系數(shù)(TCR)在 IBS 的寬工作溫度范圍內(nèi)會(huì)造成讀數(shù)誤差。通過(guò)處理技術(shù)和使用現(xiàn)有的車載傳感器，可計(jì)算出該系數(shù)并且只會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果具有最小影響，絕不會(huì)超出額定精度。這些計(jì)算和其他計(jì)算全都預(yù)裝于 IBS 單元，所以它真的是一種即插即用器件，無(wú)需二次或系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)。

4.3 實(shí)際觀測(cè)結(jié)果

　　我們使用 IBS 進(jìn)行了實(shí)際城市駕駛測(cè)試，測(cè)試中 IBS 連接到負(fù)極電池接線柱(和在任何汽車應(yīng)用中一樣)，以便對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控。我們以相同方式進(jìn)行了兩次獨(dú)立的駕駛測(cè)試。所選駕駛路線圍繞著內(nèi)布拉加斯州哥倫布市區(qū)。選擇該路線的原因是為了獲得對(duì)標(biāo)準(zhǔn)早晨通勤情況的近似，不會(huì)中斷交通流，也不會(huì)使測(cè)試被其他駕駛員打斷。第一個(gè)測(cè)試是模擬起停測(cè)試，具體情況是，汽車在到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)時(shí)完全停止(其間路過(guò) 12 個(gè)街區(qū)，停車 6 次)并立即關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。記錄停車時(shí)間，在 15 秒停車間隔時(shí)間過(guò)后，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并恢復(fù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)測(cè)試盡量模仿第一個(gè)測(cè)試，但有一個(gè)例外：汽車永遠(yuǎn)不關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。停車持續(xù)時(shí)間也是 15 秒鐘。對(duì)路線、最大車速和加速度全都進(jìn)行監(jiān)控，以盡量嚴(yán)格地模擬第一個(gè)測(cè)試。對(duì)這些測(cè)試結(jié)果的比較顯示，與當(dāng)今大多數(shù)轎車和卡車的標(biāo)準(zhǔn)汽車系統(tǒng)相比，起停系統(tǒng)給電池造成了很大的負(fù)擔(dān)。另外，起停測(cè)試結(jié)果還顯示了作為汽車感測(cè)系統(tǒng)的 IBS 在真實(shí)汽車環(huán)境中的有效性。

　　兩次實(shí)際駕駛測(cè)試的結(jié)果如圖 3 和圖 4 所示。這個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試證明我們需要可靠和精密的電池監(jiān)控系統(tǒng)。每次測(cè)試只持續(xù) 6 分鐘時(shí)間，其間有 6 次 15 秒鐘停車。起停測(cè)試中與這 6 次停車有關(guān)的重啟比正常駕駛測(cè)試中多需要 1,528 庫(kù)侖電荷。與測(cè)試開(kāi)始時(shí)相比，起停測(cè)試結(jié)束時(shí)甚至有 135 庫(kù)侖的電荷凈減少。如圖 4 所示，正常駕駛測(cè)試有一個(gè)初次起動(dòng)，但在隨后的電荷損失之后有一個(gè)施加至電池的凈電荷，這說(shuō)明了電池低效的原因。

　　測(cè)試是對(duì)在內(nèi)布拉斯加州哥倫布市早晨開(kāi)車上班時(shí)的情況的短時(shí)模擬，交通堵塞在那里并不是多大的問(wèn)題，測(cè)試電池是嶄新的。如果這是轎車在交通擁擠時(shí)間離開(kāi)洛杉磯或慕尼黑，則停車次數(shù)與駕駛時(shí)間相比可能糟得多。如果電池較弱的汽車遇上了長(zhǎng)時(shí)間走走停停的交通狀況，則容易想象，電池電量可能低到在某次停車后無(wú)法再重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。如果轎車或卡車配備了 IBS，則發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)就能準(zhǔn)確地監(jiān)控電池電量，并確定其重啟發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。

　　IBS 是電池電量消耗迅速問(wèn)題的完整解決方案。它能夠準(zhǔn)確地測(cè)量所有需要監(jiān)控的電池參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電池健康狀況預(yù)測(cè)。這些測(cè)量如圖 5(取自圖 3 中起停測(cè)試的末端)所示。該圖顯示了從 IBS 發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，其將被中央控制器接收并用作電池健康信息。

5 其他應(yīng)用

　　IBS 單元是汽車應(yīng)用的理想選擇，但也很適合許多其他應(yīng)用。大多數(shù)不間斷電源(UPS)使用的都是鉛酸電池，這些電池和汽車中的電池一樣都需要進(jìn)行監(jiān)控。知道備用電池的健康狀態(tài)不僅可確保電池在需要時(shí)能夠發(fā)揮作用，還能延長(zhǎng)電池的總壽命長(zhǎng)度，以顯著節(jié)省成本。高爾夫推車、電動(dòng)叉車及私家車全都包含由鉛酸電池供電的電動(dòng)機(jī)。知道這些電池的充電狀態(tài)使系統(tǒng)能夠在需要充電時(shí)提醒用戶。IBS 單元還允許系統(tǒng)限制電流消耗(如通過(guò)限制高爾夫推車的最大速度)，以進(jìn)一步延長(zhǎng)剩余電池續(xù)航時(shí)間，并允許使用者在再次充電前行駛更遠(yuǎn)的距離。

　　安全應(yīng)用中(如應(yīng)急照明和醫(yī)用床)中也需要 IBS 單元。應(yīng)急照明裝置是由電池供電的備用光源。電池監(jiān)控使安裝人員能夠準(zhǔn)確地知道何時(shí)其將無(wú)法再提供充足的電力來(lái)保證所需時(shí)長(zhǎng)的照明，與定期替換電池相比，這有助于節(jié)省成本。IBS 還會(huì)確保電池電量不足的情況會(huì)被注意到，從而盡早進(jìn)行更換，確保應(yīng)急燈在緊急情況期間能夠使用。每張醫(yī)用床都有一個(gè)鉛酸電池后備系統(tǒng)，用于保證生命攸關(guān)的患者系統(tǒng)甚至在電源和/后備發(fā)電機(jī)故障時(shí)也能繼續(xù)使用^[8]。如果這些電池中的某一電池在緊急情況發(fā)生時(shí)處于低健康狀態(tài)，則有可能危及患者的生命。與傳統(tǒng)感測(cè)系統(tǒng)相比，IBS 能夠更好地監(jiān)控電池的健康狀態(tài)。

　　可再生能源應(yīng)用是 IBS 單元表現(xiàn)出色的另一個(gè)領(lǐng)域。最明顯的領(lǐng)域是電池由可再生能源充電并用作后備電源或充足電源的場(chǎng)合，如離網(wǎng)(off-grid)應(yīng)用和休閑車輛。IBS 在此類應(yīng)用中的功能與其在汽車或 UPS 中的功能差不多。但在可再生能源領(lǐng)域有多得多的應(yīng)用。其中之一是用于最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)電路。不同電流和電壓下的太陽(yáng)能電池板最大輸出功率取決于影響電池板的條件^[3]，IBS 可用于監(jiān)控電池板的電流和電壓輸出。通過(guò)結(jié)合 IBS 測(cè)量與 MPPT 算法和簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器電路，一個(gè)電池板或電池板陣列的總功率輸出與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比可增加多達(dá) 30%^[3]。該額外輸出功率增加多于由于電阻性感測(cè)元件造成的任何功率損耗^[3]。這一增加還會(huì)大大減少太陽(yáng)能系統(tǒng)的成本-功率比，因?yàn)殡姵匕迨瞧褡畎嘿F的部件^[3]。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　智能電池傳感器(IBS)單元對(duì)惡劣汽車環(huán)境的適應(yīng)能力使它非常能夠勝任許多其他戶內(nèi)/戶外應(yīng)用。這一可靠性以及準(zhǔn)確測(cè)量所有參數(shù)的能力使這些器件幾乎適合任何電池監(jiān)控應(yīng)用。未來(lái)的汽車效率提升需要在所有汽車中采用范圍更大的能源管理方案。包含于汽車電氣系統(tǒng)的 IBS 有助于實(shí)現(xiàn)基于行之有效的鉛酸電池的更進(jìn)一步和更大的技術(shù)創(chuàng)新，以及更新的混合動(dòng)力及電動(dòng)車電池技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]Pettigrew, Warren. "Current Sensor Selection for Demanding Applications." Power Electronics Europe, Issue 2. 2008: 26-28. 25 Feb. 2014.

　　[2]"Solid and Stranded Conductor AWG Chart." Calmont Wire and Cable. 26 Feb 2014. Web. 26 Feb 2014. .

　　[3]Lohmeier, Christopher. Highly Efficient Maximum Power Point Tracking Using a Quasi-Double-Boost DC/DC Converter for Photovoltaic Systems. MS thesis. University of Nebraska-Lincoln, 2011. Lincoln, NE: Dec 2011