淺談電池傳感器如何滿(mǎn)足汽車(chē)電池檢測的需求

幾年前，只有高檔汽車(chē)才配有電池傳感器。如今，安裝小型電子裝置的中低檔汽車(chē)越來(lái)越多，而十年前只能在高端車(chē)型中見(jiàn)到。鉛酸電池所引起的故障數量因此不斷增加。過(guò)不了幾年，每輛汽車(chē)都會(huì )安裝電池傳感器，從而降低日益增多的電子裝置引發(fā)故障的風(fēng)險。

每五次汽車(chē)故障就有一次是電池造成的。在未來(lái)數年內，隨著(zhù)電傳線(xiàn)控，發(fā)動(dòng)/熄火引擎管理和混合動(dòng)力(電力/燃氣)等汽車(chē)技術(shù)日益普及，這一問(wèn)題將變得越來(lái)越嚴重。為了減少故障，需要精確地檢測電池的電壓、電流和溫度，對結果進(jìn)行預處理，計算充電狀態(tài)和運行狀態(tài)，將結果發(fā)送到發(fā)動(dòng)機控制單元 (ECU)，以及控制充電功能。

現代汽車(chē)誕生于20 世紀初。第一輛汽車(chē)依靠手動(dòng)啟動(dòng)，需要很大的力量，存在很高的風(fēng)險，汽車(chē)的這種“手搖曲柄”造成了很多死亡事故。1902 年，第一臺電池啟動(dòng)馬達研制成功，到1920 年，所有的汽車(chē)都已采用電啟動(dòng)。

最初使用的是干電池，當電能耗盡時(shí)，必須予以更換。不久之后，液體電池(即古老的鉛酸電池)就取代了干電池。鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是當發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，它可以從中充電。

在上世紀，鉛酸電池幾乎沒(méi)有什么變化，最后一次主要改進(jìn)是對其進(jìn)行密封。真正改變的是對它的需求。起初，電池僅僅用于發(fā)動(dòng)汽車(chē)、鳴喇叭和為車(chē)燈供電。如今，在點(diǎn)火之前，汽車(chē)的所有電氣系統都要靠它供電。

激增的新型電子設備不僅僅是GPS和DVD播放器等消費電子設備。如今，發(fā)動(dòng)機控制單元 (ECU)、電動(dòng)車(chē)窗和電動(dòng)座椅之類(lèi)的車(chē)身電子設備已成為許多基本車(chē)型的標準配置。呈指數級增加的負載已經(jīng)產(chǎn)生嚴重影響，電氣系統造成的故障日益增多就是明證。

根據ADAC 和RAC 統計，在所有汽車(chē)故障中，幾乎有36%可歸因于電氣故障。如果對該數字進(jìn)行分析，可以發(fā)現50%以上的故障是由鉛酸電池這一組件造成的。

評定電池的健康狀況以下兩個(gè)關(guān)鍵特性可以反映鉛酸電池的健康狀況：

(一)運行狀態(tài) (SoH)

SoH 指示電池可以?xún)Υ娑嗌匐姾伞?/p>

充電狀態(tài)充電狀態(tài)指示好比是電池的“燃油表”。計算SoC 的方法有很多，其中最常用的有兩個(gè)：開(kāi)路電壓測量法和庫侖測定法(也稱(chēng)庫侖計數法)。

(二) 充電狀態(tài) (SoC)

SoC 指示電池可以提供多少電荷，用電池額定容量(即新電池的SoC)的百分比表示。

(1) 庫侖測定法

這種方法用庫侖計數求取電流對時(shí)間的積分，從而確定SoC。利用該方法可以實(shí)時(shí)計算SoC，即使電池處在負載條件下。然而，庫侖測定法的誤差會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而增大。

(2) 開(kāi)路電壓 (VOC) 測量法

電池空載時(shí)的開(kāi)路電壓與其充電狀態(tài)之間成線(xiàn)性關(guān)系。這種計算方法有兩個(gè)基本限制：

一是為了計算SoC，電池必須開(kāi)路，不連接負載;二是這種測量?jì)H在經(jīng)過(guò)相當長(cháng)的穩定期后才精確。

這些局限使得VOC 方法不適合在線(xiàn)計算SoC。該方法通常在汽車(chē)維修店中使用，在那里電池被卸下，可以用電壓表測量電池正負極之間的電壓。

一般是綜合運用開(kāi)路電壓和庫侖計數法來(lái)計算電池的充電狀態(tài)。

運行狀態(tài)運行狀態(tài)反映的是電池的一般狀態(tài)，以及其與新電池相比儲存電荷的能力。由于電池本身的性質(zhì)，SoH 計算非常復雜，依賴(lài)于對電池化學(xué)成分和環(huán)境的了解。電池的SoH 受很多因素的影響，包括充電接受能力、內部阻抗、電壓、自放電和溫度。

一般認為難以在汽車(chē)這樣的環(huán)境中實(shí)時(shí)測量這些因素。在啟動(dòng)階段(引擎起動(dòng))，電池處在最大負載下，此時(shí)最能反映電池的SoH。

Bosch、Hella 等領(lǐng)先汽車(chē)電池傳感器開(kāi)發(fā)商實(shí)際使用的SoC和SoH 計算方法屬于高度機密，常常還受專(zhuān)利保護。作為知識產(chǎn)權的擁有者，他們通常與Varta 和Moll 等電池制造商密切合作開(kāi)發(fā)這些算法。

圖1 所示為電池檢測常用的分立電路。

圖1 分立電池檢測解決方案

該電路可以分為三個(gè)部分：

(1) 微控制器

微控制器或MCU 主要完成兩個(gè)任務(wù)。第一個(gè)任務(wù)是處理模數轉換器 (ADC) 的結果。這項工作可能很簡(jiǎn)單，例如僅執行基本濾波;也可能很復雜，例如計算SoC 和 SoH。實(shí)際的功能取決于MCU 的處理能力和汽車(chē)制造商的需求。第二個(gè)任務(wù)是將處理過(guò)的數據經(jīng)由通信接口發(fā)送到ECU。