未來(lái)汽車(chē)設計中的基于IBS的電池管理

引言

現代汽車(chē)需要進(jìn)一步提高效率來(lái)滿(mǎn)足未來(lái)燃油經(jīng)濟性標準的要求。這一效率提升與汽車(chē)電氣系統的創(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(xiàn)控驅動(dòng)和線(xiàn)控制動(dòng)系統等等。但這些新技術(shù)有一大缺點(diǎn)，這就是它們全都依賴(lài)于電氣系統的同一部件：鉛酸電池，而該部件自上世紀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)設計創(chuàng )新繼續下去的關(guān)鍵所在，這可利用智能電池傳感器（IBS）來(lái)實(shí)現。IBS單元可對電池的電流、電壓和溫度（IVT）進(jìn)行精確和按需（on-demand）測量。根據測量信息可進(jìn)行準確的“充電狀態(tài)”和“健康狀態(tài)”計算，從而確保電氣系統在最高效率下工作。


圖1. 智能電池傳感器

IBS概述

IBS是用于鉛酸電池管理的完整測量系統。這些部件可測量流經(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)測量電池接線(xiàn)柱與 IBS 單元本身之間的導熱性）。這三項測量幾乎同時(shí)進(jìn)行，以確保測量準確性（即使是在快速變化的條件下）。IBS可使用LIN通信協(xié)議將這些測量結果發(fā)送至汽車(chē)的電子控制單元（ECU）或其他控制系統。LIN是面向汽車(chē)環(huán)境的一種可靠通信協(xié)議，具有出色的容噪性。LIN總線(xiàn)在大多數新產(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)（當在其他汽車(chē)或非汽車(chē)應用中使用IBS時(shí)）。

IBS單元應當能夠適應全范圍的汽車(chē)工作條件。例如，–40℃至+115℃的工作溫度使其能夠適應那些甚至會(huì )給最新、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取回數據。它還應當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)監控完整的電流范圍。

IBS精度

IBS的核心部分是專(zhuān)為感測電池電流而設計的分流器。IBS的精密內部電子元件的可靠性應當足以適應在現代汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機機罩下環(huán)境中工作的要求，并在感測分流器上的壓降時(shí)保持精度。IBS和集成電子元件必須適應所有12 V汽車(chē)起動(dòng)電流，同時(shí)使誤差最大值在整個(gè)測量和電池溫度范圍內限制到0.5%（±30 mA偏差）。

除了電流感測能力之外，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IBS的電壓測量精度在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，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)器件可消除對額外傳感器或用于取回該信息的其他系統的需要，從而幫助避免成本上升。所有測量值以一個(gè)數據包通過(guò)LIN總線(xiàn)返回，確保IBS提供對所有電池參數的準確、實(shí)時(shí)和相關(guān)聯(lián)的測量結果。


圖2. IBS細節示例

汽車(chē)應用

現代汽車(chē)的電氣負荷

在現代汽車(chē)應用中知道電池的健康和充電狀態(tài)非常重要。諸如起停、線(xiàn)控驅動(dòng)和液壓系統向電氣系統的轉變等創(chuàng )新技術(shù)增加了汽車(chē)電池系統的負荷，而駕駛員已經(jīng)將其自身和周?chē)渌说陌踩耐性谠撓到y上。IBS讓汽車(chē)能夠按照從“舒適相關(guān)”到“安全攸關(guān)”的等級來(lái)區分這些電氣負荷的優(yōu)先級。汽車(chē)因此能夠以合理的順序關(guān)停這些系統，以提醒駕駛員即將發(fā)生的電池問(wèn)題，保證其人身安全。

起停技術(shù)

起停技術(shù)已在混合動(dòng)力車(chē)上使用多年，現在開(kāi)始作為標準系統用于傳統內燃機（ICE）汽車(chē)。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。僅僅在城鎮中一次正常駕駛期間的額外發(fā)動(dòng)機重啟次數就足以使用完傳統鉛酸電池的電量甚至給其造成損壞，這也是大多數具有起停功能的汽車(chē)使用吸附式玻璃纖維棉（AGM）電池的原因所在。雖然AGM電池增強了汽車(chē)使用起停技術(shù)的能力，但在汽車(chē)關(guān)閉自身后仍然需要繼續運行的那些系統（包括ECU、安全監控、照明、導航、空調控制及一般舒適系統）仍然留有問(wèn)題。這些系統要消耗大量電池電量，如不進(jìn)行密切監控，有可能使電池損壞。目前的起停系統通過(guò)在汽車(chē)停止時(shí)關(guān)閉舒適系統或者照例通過(guò)重啟發(fā)動(dòng)機來(lái)解決該問(wèn)題，以確保電池在停車(chē)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(chē)僅在絕對需要時(shí)重啟發(fā)動(dòng)機來(lái)進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟性。在電池狀況處于已知安全工作范圍內時(shí)，它甚至允許汽車(chē)的舒適系統間歇性地啟動(dòng)和關(guān)閉，從而向駕駛員提供更舒適的車(chē)內體驗。

混合動(dòng)力車(chē)

混合動(dòng)力車(chē)有兩種主要類(lèi)型：串聯(lián)式混合和并聯(lián)式混合。在串聯(lián)式混合中，內燃機并不實(shí)際推動(dòng)汽車(chē)向前，而是用于給發(fā)電機供電和給車(chē)載電池充電。在并聯(lián)式混合中，電動(dòng)機和內燃機都連接到傳動(dòng)系統。這使兩套裝置能在高需求到來(lái)時(shí)立刻同時(shí)提供驅動(dòng)力，或者在低需求時(shí)只通過(guò)電動(dòng)機提供驅動(dòng)力。這種模式允許內燃機將電動(dòng)機用作發(fā)電機，在需要時(shí)給電池充電。兩種設計都可內含高壓電池組，用于儲存供給電動(dòng)機的電力。為了從每種設計中獲得最大效率，該電池組需要由精確的電池管理系統進(jìn)行密切監控。

電動(dòng)車(chē)

電動(dòng)車(chē)基于純電動(dòng)驅動(dòng)系統，汽車(chē)上根本就沒(méi)有內燃機。在純電動(dòng)車(chē)（FEV）中，轎車(chē)或卡車(chē)本身的電池是電動(dòng)機和所有標準電氣系統的唯一電力來(lái)源。良好的電池管理系統在此類(lèi)汽車(chē)中比其他類(lèi)型汽車(chē)中都更加重要。這是因為如果電池電量用完了，汽車(chē)就失去了動(dòng)力來(lái)源。純電動(dòng)車(chē)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)都應當包含其自身的電池管理系統，以確保當一個(gè)電池單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì )連累整個(gè)電池系統。

其他傳感技術(shù)

開(kāi)環(huán)霍爾效應傳感器

可靠性是許多其他監控技術(shù)在汽車(chē)應用中表現不甚理想的原因之一。由于成本、尺寸和測量范圍的緣故，開(kāi)環(huán)霍爾效應傳感器實(shí)際上是唯一具有可比性的電池監控技術(shù)。此種傳感器利用了霍爾效應，亦即通過(guò)在帶電導線(xiàn)周?chē)纬傻拇艌?chǎng)來(lái)測量流經(jīng)該導線(xiàn)的電流。電流互感器無(wú)法與直流汽車(chē)電氣系統一起使用，對于被測量的電流值而言，閉環(huán)霍爾效應傳感器成本太高，尺寸太大 [1]。開(kāi)環(huán)霍爾效應傳感器的最大特點(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]。

與分流器感測有關(guān)的問(wèn)題

由于 IBS 在測量電流時(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，該損耗對電流范圍的很大一部分發(fā)是可忽略的。例如，一個(gè)100μΩ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，這相當于0.083%電能損耗。對于在實(shí)際測試中觀(guān)測到的電流值，分流器損耗在3 A標準工作電流下為900μW，在350 A短時(shí)最大起動(dòng)電流尖峰下為 12.25 W。在實(shí)際測試中，35英寸、4-AWG 正極電池電纜的阻值為788μΩ [2]。這意味著(zhù)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(lèi)低阻值分流器應當允許IBS單元在± 600 A（連續）和 ± 2,000 A（不超過(guò)900 J的脈沖應用）的電流范圍內工作。

因為霍爾效應傳感器并不直接連接至帶電導線(xiàn)，因此外力會(huì )造成磁場(chǎng)測量結果具有顯著(zhù)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(chē)內部的其他線(xiàn)圈、導體和電動(dòng)機/發(fā)電機所產(chǎn)生的磁場(chǎng)了 [1]。“在電路中”意味著(zhù)與霍爾效應傳感器相比，使用 IBS 時(shí)由外部干擾造成的誤差小很多。在任何車(chē)內條件下，IBS 單元的最大電流感測誤差應當為 0.5 % + 偏差（30 mA），這與使用霍爾效應傳感器時(shí)可觀(guān)測到的由地球磁場(chǎng)引起的誤差是相同的（只需改變 80A 電流的流動(dòng)方向即可測量到這一誤差）[1]。

開(kāi)環(huán)霍爾效應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0.5%的標準偏移。要解釋該偏差改變的原因需要一個(gè)額外溫度傳感器 [1]?；魻栃獋鞲衅鞯淖詈笕秉c(diǎn)是，由于輸出如此嚴重依賴(lài)于傳感器的位置，所以可能需要進(jìn)行電路內校準。IBS的電流測量全都以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（TCR）在IBS的寬工作溫度范圍內會(huì )造成讀數誤差。通過(guò)處理技術(shù)和使用現有的車(chē)載傳感器，可計算出該系數并且只會(huì )對測量結果具有最小影響，絕不會(huì )超出額定精度。這些計算和其他計算全都預裝于IBS單元，所以它真的是一種即插即用器件，無(wú)需二次或系統內校準。

實(shí)際觀(guān)測結果

我們使用IBS進(jìn)行了實(shí)際城市駕駛測試，測試中IBS連接到負極電池接線(xiàn)柱（和在任何汽車(chē)應用中一樣），以便對電池進(jìn)行監控。我們以相同方式進(jìn)行了兩次獨立的駕駛測試。所選駕駛路線(xiàn)圍繞著(zhù)內布拉加斯州哥倫布市區。選擇該路線(xiàn)的原因是為了獲得對標準早晨通勤情況的近似，不會(huì )中斷交通流，也不會(huì )使測試被其他駕駛員打斷。第一個(gè)測試是模擬起停測試，具體情況是，汽車(chē)在到達預定地點(diǎn)時(shí)完全停止（其間路過(guò)12個(gè)街區，停車(chē)6次）并立即關(guān)閉發(fā)動(dòng)機。記錄停車(chē)時(shí)間，在15秒停車(chē)間隔時(shí)間過(guò)后，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機并恢復前進(jìn)運動(dòng)。第二個(gè)測試盡量模仿第一個(gè)測試，但有一個(gè)例外：汽車(chē)永遠不關(guān)閉發(fā)動(dòng)機。停車(chē)持續時(shí)間也是15秒鐘。對路線(xiàn)、最大車(chē)速和加速度全都進(jìn)行監控，以盡量嚴格地模擬第一個(gè)測試。對這些測試結果的比較顯示，與當今大多數轎車(chē)和卡車(chē)的標準汽車(chē)系統相比，起停系統給電池造成了很大的負擔。另外，起停測試結果還顯示了作為汽車(chē)感測系統的 IBS在真實(shí)汽車(chē)環(huán)境中的有效性。


圖3. 使用IBS的實(shí)際起停測試


圖4. 使用IBS的實(shí)際駕駛測試

兩次實(shí)際駕駛測試的結果如圖3和圖4所示。這個(gè)簡(jiǎn)單測試證明我們需要可靠和精密的電池監控系統。每次測試只持續6分鐘時(shí)間，其間有6次15秒鐘停車(chē)。起停測試中與這6次停車(chē)有關(guān)的重啟比正常駕駛測試中多需要 1,528 庫侖電荷。與測試開(kāi)始時(shí)相比，起停測試結束時(shí)甚至有 135 庫侖的電荷凈減少。如圖 4 所示，正常駕駛測試有一個(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。

測試是對在內布拉斯加州哥倫布市早晨開(kāi)車(chē)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，測試電池是嶄新的。如果這是轎車(chē)在交通擁擠時(shí)間離開(kāi)洛杉磯或慕尼黑，則停車(chē)次數與駕駛時(shí)間相比可能糟得多。如果電池較弱的汽車(chē)遇上了長(cháng)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(chē)后無(wú)法再重啟發(fā)動(dòng)機。如果轎車(chē)或卡車(chē)配備了 IBS，則發(fā)動(dòng)機控制系統就能準確地監控電池電量，并確定其重啟發(fā)動(dòng)機的能力。

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


圖5. IBS測量的電流、電壓和溫度值

其他應用

IBS單元是汽車(chē)應用的理想選擇，但也很適合許多其他應用。大多數不間斷電源（UPS）使用的都是鉛酸電池，這些電池和汽車(chē)中的電池一樣都需要進(jìn)行監控。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(cháng)電池的總壽命長(cháng)度，以顯著(zhù)節省成本。高爾夫推車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)及私家車(chē)全都包含由鉛酸電池供電的電動(dòng)機。知道這些電池的充電狀態(tài)使系統能夠在需要充電時(shí)提醒用戶(hù)。IBS 單元還允許系統限制電流消耗（如通過(guò)限制高爾夫推車(chē)的最大速度），以進(jìn)一步延長(cháng)剩余電池續航時(shí)間，并允許使用者在再次充電前行駛更遠的距離。

安全應用中（如應急照明和醫用床）中也需要 IBS 單元。應急照明裝置是由電池供電的備用光源。電池監控使安裝人員能夠準確地知道何時(shí)其將無(wú)法再提供充足的電力來(lái)保證所需時(shí)長(cháng)的照明，與定期替換電池相比，這有助于節省成本。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，確保應急燈在緊急情況期間能夠使用。每張醫用床都有一個(gè)鉛酸電池后備系統，用于保證生命攸關(guān)的患者系統甚至在電源和/后備發(fā)電機故障時(shí)也能繼續使用 [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。與傳統感測系統相比，IBS 能夠更好地監控電池的健康狀態(tài)。

可再生能源應用是IBS單元表現出色的另一個(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）應用和休閑車(chē)輛。IBS 在此類(lèi)應用中的功能與其在汽車(chē)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 可用于監控電池板的電流和電壓輸出。通過(guò)結合 IBS 測量與 MPPT 算法和簡(jiǎn)單的轉換器電路，一個(gè)電池板或電池板陣列的總功率輸出與傳統系統相比可增加多達 30% [3]。該額外輸出功率增加多于由于電阻性感測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)能系統的成本-功率比，因為電池板是迄今最昂貴的部件 [3]。

結束語(yǔ)

智能電池傳感器（IBS）單元對惡劣汽車(chē)環(huán)境的適應能力使它非常能夠勝任許多其他戶(hù)內/戶(hù)外應用。這一可靠性以及準確測量所有參數的能力使這些器件幾乎適合任何電池監控應用。未來(lái)的汽車(chē)效率提升需要在所有汽車(chē)中采用范圍更大的能源管理方案。包含于汽車(chē)電氣系統的 IBS 有助于實(shí)現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(chē)電池技術(shù)。