基于智能電池傳感器(IBS)的電池管理對未來汽車設(shè)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，重點介紹電阻式傳感器的用途并解釋其在汽車應(yīng)用中的相關(guān)功能。本文還介紹了對 IBS 器件的一項實際測試以及用于確認其精度的實驗室測試。另外本文還介紹了 IBS 器件如何用于汽車應(yīng)用，討論其在可再生能源領(lǐng)域的實用性，并將其與其他電池監(jiān)控技術(shù)進行比較。

引言

　　現(xiàn)代汽車需要進一步提高效率來滿足未來燃油經(jīng)濟性標準的要求。這一效率提升與汽車電氣系統(tǒng)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、線控驅(qū)動和線控制動系統(tǒng)等等。但這些新技術(shù)有一大缺點，這就是它們?nèi)家蕾囉陔姎庀到y(tǒng)的同一部件：鉛酸電池，而該部件自上世紀 50 年代以來就沒有多大創(chuàng)新。合適的電池管理將是支持未來設(shè)計創(chuàng)新繼續(xù)下去的關(guān)鍵所在，這可利用智能電池傳感器(IBS)來實現(xiàn)。IBS 單元可對電池的電流、電壓和溫度(IVT)進行精確和按需(on-demand)測量。根據(jù)測量信息可進行準確的“充電狀態(tài)”和“健康狀態(tài)”計算，從而確保電氣系統(tǒng)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(tǒng)。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(通過測量電池接線柱與 IBS 單元本身之間的導(dǎo)熱性)。這三項測量幾乎同時進行，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(jié)果發(fā)送至汽車的電子控制單元(ECU)或其他控制系統(tǒng)。LIN 是面向汽車環(huán)境的一種可靠通信協(xié)議，具有出色的容噪性。LIN 總線在大多數(shù)新產(chǎn)品上已有提供，或者可利用簡單的微控制器輕松開發(fā)出來(當在其他汽車或非汽車應(yīng)用中使用 IBS 時)。

　　IBS 單元應(yīng)當能夠適應(yīng)全范圍的汽車工作條件。例如，–40℃至 +115℃ 的工作溫度使其能夠適應(yīng)那些甚至會給最新、最先進鉛酸電池造成損害的工作條件。此外，高工作電壓范圍使IBS 單元能夠在電池過充電和欠充電條件下繼續(xù)取回數(shù)據(jù)。它還應(yīng)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監(jiān)控完整的電流范圍。

2 IBS精度

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

　　除了電流感測能力之外，IBS 的另一個優(yōu)點是電池溫度傳感器和電壓傳感器全都包含在一個器件中。因此，例如我們假設(shè) IBS 的電壓測量精度在 4 V 至 18 V 的電壓范圍和整個電池工作溫度范圍內(nèi)為 ± 50 mV，而電池溫度傳感器在整個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℃，工作中的實際下限不小于 0℃。在這些實際溫度范圍內(nèi)，我們的示例 IBS 的溫度誤差不超過 1℃(參見下文圖 2 提供的更多信息)。該精度足以設(shè)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器件可消除對額外傳感器或用于取回該信息的其他系統(tǒng)的需要，從而幫助避免成本上升。所有測量值以一個數(shù)據(jù)包通過 LIN 總線返回，確保 IBS 提供對所有電池參數(shù)的準確、實時和相關(guān)聯(lián)的測量結(jié)果。

3 汽車應(yīng)用

3.1 現(xiàn)代汽車的電氣負荷

　　在現(xiàn)代汽車應(yīng)用中知道電池的健康和充電狀態(tài)非常重要。諸如起停、線控驅(qū)動和液壓系統(tǒng)向電氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變等創(chuàng)新技術(shù)增加了汽車電池系統(tǒng)的負荷，而駕駛員已經(jīng)將其自身和周圍其他人的安全寄托在該系統(tǒng)上。IBS 讓汽車能夠按照從“舒適相關(guān)”到“安全攸關(guān)”的等級來區(qū)分這些電氣負荷的優(yōu)先級。汽車因此能夠以合理的順序關(guān)停這些系統(tǒng)，以提醒駕駛員即將發(fā)生的電池問題，保證其人身安全。

3.2 起停技術(shù)

　　起停技術(shù)已在混合動力車上使用多年，現(xiàn)在開始作為標準系統(tǒng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(ICE)汽車。但起停技術(shù)仍有一個需要解決的重要問題，這就是 12 V 電池系統(tǒng)。僅僅在城鎮(zhèn)中一次正常駕駛期間的額外發(fā)動機重啟次數(shù)就足以使用完傳統(tǒng)鉛酸電池的電量甚至給其造成損壞，這也是大多數(shù)具有起停功能的汽車使用吸附式玻璃纖維棉(AGM)電池的原因所在。雖然 AGM 電池增強了汽車使用起停技術(shù)的能力，但在汽車關(guān)閉自身后仍然需要繼續(xù)運行的那些系統(tǒng)(包括 ECU、安全監(jiān)控、照明、導(dǎo)航、空調(diào)控制及一般舒適系統(tǒng))仍然留有問題。這些系統(tǒng)要消耗大量電池電量，如不進行密切監(jiān)控，有可能使電池損壞。目前的起停系統(tǒng)通過在汽車停止時關(guān)閉舒適系統(tǒng)或者照例通過重啟發(fā)動機來解決該問題，以確保電池在停車期間得到充電。合適的電池管理傳感器能夠更好地確保電池的安全工作。這可以通過使停止的汽車僅在絕對需要時重啟發(fā)動機來進一步改善燃油經(jīng)濟性。在電池狀況處于已知安全工作范圍內(nèi)時，它甚至允許汽車的舒適系統(tǒng)間歇性地啟動和關(guān)閉，從而向駕駛員提供更舒適的車內(nèi)體驗。

3.3 混合動力車

　　混合動力車有兩種主要類型：串聯(lián)式混合和并聯(lián)式混合。在串聯(lián)式混合中，內(nèi)燃機并不實際推動汽車向前，而是用于給發(fā)電機供電和給車載電池充電。在并聯(lián)式混合中，電動機和內(nèi)燃機都連接到傳動系統(tǒng)。這使兩套裝置能在高需求到來時立刻同時提供驅(qū)動力，或者在低需求時只通過電動機提供驅(qū)動力。這種模式允許內(nèi)燃機將電動機用作發(fā)電機，在需要時給電池充電。兩種設(shè)計都可內(nèi)含高壓電池組，用于儲存供給電動機的電力。為了從每種設(shè)計中獲得最大效率，該電池組需要由精確的電池管理系統(tǒng)進行密切監(jiān)控。

3.4 電動車

　　電動車基于純電動驅(qū)動系統(tǒng)，汽車上根本就沒有內(nèi)燃機。在純電動車(FEV)中，轎車或卡車本身的電池是電動機和所有標準電氣系統(tǒng)的唯一電力來源。良好的電池管理系統(tǒng)在此類汽車中比其他類型汽車中都更加重要。這是因為如果電池電量用完了，汽車就失去了動力來源。純電動車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都應(yīng)當包含其自身的電池管理系統(tǒng)，以確保當一個電池單元發(fā)生故障時不會連累整個電池系統(tǒng)。

4 其他傳感技術(shù)

4.1 開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器

　　可靠性是許多其他監(jiān)控技術(shù)在汽車應(yīng)用中表現(xiàn)不甚理想的原因之一。由于成本、尺寸和測量范圍的緣故，開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器實際上是唯一具有可比性的電池監(jiān)控技術(shù)。此種傳感器利用了霍爾效應(yīng)，亦即通過在帶電導(dǎo)線周圍形成的磁場來測量流經(jīng)該導(dǎo)線的電流。電流互感器無法與直流汽車電氣系統(tǒng)一起使用，對于被測量的電流值而言，閉環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器成本太高，尺寸太大 ^[1]。開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器的最大特點是，由于實際上它并不在電流路徑之中，所以在測量電流時沒有電能損耗，但這是以犧牲精度和可靠性為代價換來的 ^[1]。