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

在當今的汽車(chē)中，不斷增加的電力負荷給電池帶來(lái)了巨大的挑戰。超過(guò)半數因為電力系統導致的汽車(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（start-stop）或智能交流發(fā)電機控制等微型混合動(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（BMS）可通過(guò)快速、可靠地監測啟動(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為電池意外故障而導致的汽車(chē)故障次數，從而實(shí)現最長(cháng)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），它可以測量電池端電壓、電流和溫度，并計算出電池的狀態(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)電池的充電級別一直是一項無(wú)法了解的因素，在許多情況下會(huì )導致汽車(chē)故障。根據汽車(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]。

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

因為電子系統在汽車(chē)創(chuàng )新領(lǐng)域里起著(zhù)非常重要的作用，所以隨著(zhù)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，對電力供應的需求也越來(lái)越高。

在另一方面，越來(lái)越多的法規出臺呼吁減少二氧化碳排放和燃油消耗。

為了應對上述限制要求，需要采用高級電力管理系統，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

通常，支持啟動(dòng)-停止系統所用的典型供電網(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（BMS）、一個(gè)發(fā)電機和一個(gè)DC/DC轉換器（請參見(jiàn)圖1）。

BMS通過(guò)專(zhuān)用的負載管理算法為BCM提供電池狀態(tài)信息，通過(guò)控制發(fā)電機和DC/DC轉換器穩固和管理供電網(wǎng)絡(luò )。DC/DC轉換器為汽車(chē)內部的各個(gè)電氣元件供電。

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

Generator：發(fā)電機；Battery mgmnt system：電池管理系統；Energy：電力；Control：控制；AC/DC Converter：AC/DC 轉換器；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）和一個(gè)帶有高度集 成設備的小型PCB，該集成設備具有準確的測量和處理功能，稱(chēng)之為智能電池傳感器（IBS，參見(jiàn)圖2）。IBS即便在最?lèi)毫拥臈l件下也能以高解析度和精確 度測量電池電壓、電流和溫度，并能夠在電池的整個(gè)使用壽命中準確地預測電池的充電狀態(tài)（SoC）、健康狀態(tài)（SoH）和功能狀態(tài)（SoF）。這些參數定期 或根據要求通過(guò)一個(gè)獲得汽車(chē)行業(yè)認證的車(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：電池負極；Chassis ground：底盤(pán)接地；Precision measurement battery current, voltage temperature：精確測量電池電流、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

除上述功能和參數功能外，對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(chǎng)商驗收的車(chē)載通信接口一致性測試（即，LIN）、滿(mǎn)足汽車(chē)等級測試限制（針對被測參數的六西格瑪限制），另外還需符合AEC-Q100標準要求。

飛思卡爾宣布推出一款完全集成的LIN電池監控設備，它基于Freescale S12 MCU技術(shù)[2]，能夠滿(mǎn)足上述所有參數要求。該設備包括三個(gè)獨立的測量通道：通過(guò)外部分流電阻測量電流；通過(guò)直接安裝在電池負極的串聯(lián)電阻測量電池電 壓；通過(guò)集成傳感器測量溫度。采用一個(gè)集成LIN 2.1接口直接將傳感器連接至LIN總線(xiàn)，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標準要求。

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BMS的高效運行。