如何在微型混合動力汽車中有效實(shí)施電池能效管理

在當(dāng)今的汽車中，不斷增加的電力負(fù)荷給電池帶來了巨大的挑戰(zhàn)。超過半數(shù)因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)導(dǎo)致的汽車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(tǒng)（start-stop）或智能交流發(fā)電機(jī)控制等微型混合動力汽車的新功能也要求確切地了解電 池狀態(tài)。

電池管理系統(tǒng)（BMS）可通過快速、可靠地監(jiān)測啟動能力中的充電狀態(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?yàn)殡姵匾馔夤收隙鴮?dǎo)致的汽車故障次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最長電池使用時間和最大電池能效，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) 簡介

過去，汽車電池的充電級別一直是一項(xiàng)無法了解的因素，在許多情況下會導(dǎo)致汽車故障。根據(jù)汽車使用壽命的不同，與電池有關(guān)的故障率可能攀升至10000 ppm [1]。

對汽車電池來說另一個已經(jīng)存在的非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)來自不斷增長的電力與功耗需求，同時還需要降低二氧化碳排放。

因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)在汽車創(chuàng)新領(lǐng)域里起著非常重要的作用，所以隨著汽車在舒適性功能、安全相關(guān)功能電子化、混合動力汽車、駕駛輔助和信息娛樂方面的發(fā)展，對電力供應(yīng)的需求也越來越高。

在另一方面，越來越多的法規(guī)出臺呼吁減少二氧化碳排放和燃油消耗。

為了應(yīng)對上述限制要求，需要采用高級電力管理系統(tǒng)，來確保在各種工作場景中電池都能為引擎啟動提供足夠的電力。

2) 電力管理系統(tǒng)

通常，支持啟動-停止系統(tǒng)所用的典型供電網(wǎng)絡(luò)包括一個車身控制模塊（BCM）、一個電池管理系統(tǒng)（BMS）、一個發(fā)電機(jī)和一個DC/DC轉(zhuǎn)換器（請參見圖1）。

BMS通過專用的負(fù)載管理算法為BCM提供電池狀態(tài)信息，通過控制發(fā)電機(jī)和DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)固和管理供電網(wǎng)絡(luò)。DC/DC轉(zhuǎn)換器為汽車內(nèi)部的各個電氣元件供電。

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

Generator：發(fā)電機(jī)；Battery mgmnt system：電池管理系統(tǒng)；Energy：電力；Control：控制；AC/DC Converter：AC/DC 轉(zhuǎn)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。連接器包括一個低阻值分流電阻（通常在100uOhm范圍內(nèi)）和一個帶有高度集 成設(shè)備的小型PCB，該集成設(shè)備具有準(zhǔn)確的測量和處理功能，稱之為智能電池傳感器（IBS，參見圖2）。IBS即便在最惡劣的條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使用壽命中準(zhǔn)確地預(yù)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(shù)定期 或根據(jù)要求通過一個獲得汽車行業(yè)認(rèn)證的車載網(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(fù)極；Chassis ground：底盤接地；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(shù)功能外，對IBS提出的其他主要要求包括低功耗、能夠在惡劣的汽車行駛環(huán)境中（即EMC和ESD）工作、進(jìn)行汽車OEM 廠商驗(yàn)收的車載通信接口一致性測試（即，LIN）、滿足汽車等級測試限制（針對被測參數(shù)的六西格瑪限制），另外還需符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求。

飛思卡爾宣布推出一款完全集成的LIN電池監(jiān)控設(shè)備，它基于Freescale S12 MCU技術(shù)[2]，能夠滿足上述所有參數(shù)要求。該設(shè)備包括三個獨(dú)立的測量通道：通過外部分流電阻測量電流；通過直接安裝在電池負(fù)極的串聯(lián)電阻測量電池電 壓；通過集成傳感器測量溫度。采用一個集成LIN 2.1接口直接將傳感器連接至LIN總線，無需其他部件。飛思卡爾IBS完全符合汽車行業(yè)的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)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，以及如何通過使用IBS的硬件特性和定點(diǎn)算法來實(shí)現(xiàn)BMS的高效運(yùn)行。