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

4.2 與分流器感測有關(guān)的問題

　　由于 IBS 在測量電流時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 100 μΩ 分流器在 100 A 電流下只會造成 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(dāng)于 0.083% 電能損耗。對于在實際測試中觀測到的電流值，分流器損耗在 3 A 標(biāo)準(zhǔn)工作電流下為 900 μW，在 350 A 短時最大起動電流尖峰下為 12.25 W。在實際測試中，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。使用此類低阻值分流器應(yīng)當(dāng)允許 IBS 單元在 ± 600 A(連續(xù))和 ± 2,000 A(不超過 900 J 的脈沖應(yīng)用)的電流范圍內(nèi)工作。

　　因為霍爾效應(yīng)傳感器并不直接連接至帶電導(dǎo)線，因此外力會造成磁場測量結(jié)果具有顯著誤差 ^[1]。單是地球磁場就會造成 0.4 A 誤差，更不用說提汽車內(nèi)部的其他線圈、導(dǎo)體和電動機/發(fā)電機所產(chǎn)生的磁場了 ^[1]?！霸陔娐分小币馕吨c霍爾效應(yīng)傳感器相比，使用 IBS 時由外部干擾造成的誤差小很多。在任何車內(nèi)條件下，IBS 單元的最大電流感測誤差應(yīng)當(dāng)為 0.5 % + 偏差(30 mA)，這與使用霍爾效應(yīng)傳感器時可觀測到的由地球磁場引起的誤差是相同的(只需改變 80A 電流的流動方向即可測量到這一誤差) ^[1]。

　　開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器存在與其本身有關(guān)的自然偏差，甚至在零電流時也是存在的 ^[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(biāo)準(zhǔn)偏移。要解釋該偏差改變的原因需要一個額外溫度傳感器 ^[1]?；魻栃?yīng)傳感器的最后缺點是，由于輸出如此嚴(yán)重依賴于傳感器的位置，所以可能需要進行電路內(nèi)校準(zhǔn)。IBS 的電流測量全都以 0 A 為中心，除了噪聲以外，無需考慮自然偏差的問題。電阻性分流器的電阻溫度系數(shù)(TCR)在 IBS 的寬工作溫度范圍內(nèi)會造成讀數(shù)誤差。通過處理技術(shù)和使用現(xiàn)有的車載傳感器，可計算出該系數(shù)并且只會對測量結(jié)果具有最小影響，絕不會超出額定精度。這些計算和其他計算全都預(yù)裝于 IBS 單元，所以它真的是一種即插即用器件，無需二次或系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)。

4.3 實際觀測結(jié)果

　　我們使用 IBS 進行了實際城市駕駛測試，測試中 IBS 連接到負極電池接線柱(和在任何汽車應(yīng)用中一樣)，以便對電池進行監(jiān)控。我們以相同方式進行了兩次獨立的駕駛測試。所選駕駛路線圍繞著內(nèi)布拉加斯州哥倫布市區(qū)。選擇該路線的原因是為了獲得對標(biāo)準(zhǔn)早晨通勤情況的近似，不會中斷交通流，也不會使測試被其他駕駛員打斷。第一個測試是模擬起停測試，具體情況是，汽車在到達預(yù)定地點時完全停止(其間路過 12 個街區(qū)，停車 6 次)并立即關(guān)閉發(fā)動機。記錄停車時間，在 15 秒停車間隔時間過后，啟動發(fā)動機并恢復(fù)前進運動。第二個測試盡量模仿第一個測試，但有一個例外：汽車永遠不關(guān)閉發(fā)動機。停車持續(xù)時間也是 15 秒鐘。對路線、最大車速和加速度全都進行監(jiān)控，以盡量嚴(yán)格地模擬第一個測試。對這些測試結(jié)果的比較顯示，與當(dāng)今大多數(shù)轎車和卡車的標(biāo)準(zhǔn)汽車系統(tǒng)相比，起停系統(tǒng)給電池造成了很大的負擔(dān)。另外，起停測試結(jié)果還顯示了作為汽車感測系統(tǒng)的 IBS 在真實汽車環(huán)境中的有效性。

　　兩次實際駕駛測試的結(jié)果如圖 3 和圖 4 所示。這個簡單測試證明我們需要可靠和精密的電池監(jiān)控系統(tǒng)。每次測試只持續(xù) 6 分鐘時間，其間有 6 次 15 秒鐘停車。起停測試中與這 6 次停車有關(guān)的重啟比正常駕駛測試中多需要 1,528 庫侖電荷。與測試開始時相比，起停測試結(jié)束時甚至有 135 庫侖的電荷凈減少。如圖 4 所示，正常駕駛測試有一個初次起動，但在隨后的電荷損失之后有一個施加至電池的凈電荷，這說明了電池低效的原因。

　　測試是對在內(nèi)布拉斯加州哥倫布市早晨開車上班時的情況的短時模擬，交通堵塞在那里并不是多大的問題，測試電池是嶄新的。如果這是轎車在交通擁擠時間離開洛杉磯或慕尼黑，則停車次數(shù)與駕駛時間相比可能糟得多。如果電池較弱的汽車遇上了長時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后無法再重啟發(fā)動機。如果轎車或卡車配備了 IBS，則發(fā)動機控制系統(tǒng)就能準(zhǔn)確地監(jiān)控電池電量，并確定其重啟發(fā)動機的能力。

　　IBS 是電池電量消耗迅速問題的完整解決方案。它能夠準(zhǔn)確地測量所有需要監(jiān)控的電池參數(shù)，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的電池健康狀況預(yù)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(shù)據(jù)，其將被中央控制器接收并用作電池健康信息。

5 其他應(yīng)用

　　IBS 單元是汽車應(yīng)用的理想選擇，但也很適合許多其他應(yīng)用。大多數(shù)不間斷電源(UPS)使用的都是鉛酸電池，這些電池和汽車中的電池一樣都需要進行監(jiān)控。知道備用電池的健康狀態(tài)不僅可確保電池在需要時能夠發(fā)揮作用，還能延長電池的總壽命長度，以顯著節(jié)省成本。高爾夫推車、電動叉車及私家車全都包含由鉛酸電池供電的電動機。知道這些電池的充電狀態(tài)使系統(tǒng)能夠在需要充電時提醒用戶。IBS 單元還允許系統(tǒng)限制電流消耗(如通過限制高爾夫推車的最大速度)，以進一步延長剩余電池續(xù)航時間，并允許使用者在再次充電前行駛更遠的距離。

　　安全應(yīng)用中(如應(yīng)急照明和醫(yī)用床)中也需要 IBS 單元。應(yīng)急照明裝置是由電池供電的備用光源。電池監(jiān)控使安裝人員能夠準(zhǔn)確地知道何時其將無法再提供充足的電力來保證所需時長的照明，與定期替換電池相比，這有助于節(jié)省成本。IBS 還會確保電池電量不足的情況會被注意到，從而盡早進行更換，確保應(yīng)急燈在緊急情況期間能夠使用。每張醫(yī)用床都有一個鉛酸電池后備系統(tǒng)，用于保證生命攸關(guān)的患者系統(tǒng)甚至在電源和/后備發(fā)電機故障時也能繼續(xù)使用^[8]。如果這些電池中的某一電池在緊急情況發(fā)生時處于低健康狀態(tài)，則有可能危及患者的生命。與傳統(tǒng)感測系統(tǒng)相比，IBS 能夠更好地監(jiān)控電池的健康狀態(tài)。

　　可再生能源應(yīng)用是 IBS 單元表現(xiàn)出色的另一個領(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合，如離網(wǎng)(off-grid)應(yīng)用和休閑車輛。IBS 在此類應(yīng)用中的功能與其在汽車或 UPS 中的功能差不多。但在可再生能源領(lǐng)域有多得多的應(yīng)用。其中之一是用于最大功率點跟蹤(MPPT)電路。不同電流和電壓下的太陽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(jiān)控電池板的電流和電壓輸出。通過結(jié)合 IBS 測量與 MPPT 算法和簡單的轉(zhuǎn)換器電路，一個電池板或電池板陣列的總功率輸出與傳統(tǒng)系統(tǒng)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]。這一增加還會大大減少太陽能系統(tǒng)的成本-功率比，因為電池板是迄今最昂貴的部件^[3]。

6 結(jié)束語

　　智能電池傳感器(IBS)單元對惡劣汽車環(huán)境的適應(yīng)能力使它非常能夠勝任許多其他戶內(nèi)/戶外應(yīng)用。這一可靠性以及準(zhǔn)確測量所有參數(shù)的能力使這些器件幾乎適合任何電池監(jiān)控應(yīng)用。未來的汽車效率提升需要在所有汽車中采用范圍更大的能源管理方案。包含于汽車電氣系統(tǒng)的 IBS 有助于實現(xiàn)基于行之有效的鉛酸電池的更進一步和更大的技術(shù)創(chuàng)新，以及更新的混合動力及電動車電池技術(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