基于智能電池傳感器(IBS)的電池管理對未來(lái)汽車(chē)設計的成功至關(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(chē)應用中的相關(guān)功能。本文還介紹了對 IBS 器件的一項實(shí)際測試以及用于確認其精度的實(shí)驗室測試。另外本文還介紹了 IBS 器件如何用于汽車(chē)應用，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控技術(shù)進(jìn)行比較。

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。

1 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。

2 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。

3 汽車(chē)應用

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

4 其他傳感技術(shù)

4.1 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]。