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

4.2 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) 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 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)際測試中，35 英寸、4-AWG 正極電池電纜的阻值為 788 μΩ ^[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]?！霸陔娐分小币馕吨?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。

4.3 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。

　　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。

5 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]。

6 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)。

參考文獻：

　　[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