未來(lái)汽車設(shè)計(jì)中的基于IBS的電池管理

引言

現(xiàn)代汽車需要進(jìn)一步提高效率來(lái)滿足未來(lái)燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)和線控制動(dòng)系統(tǒng)等等。但這些新技術(shù)有一大缺點(diǎn)，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(jì)50年代以來(lái)就沒有多大創(chuàng)新。合適的電池管理將是支持未來(lái)設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。IBS單元可對(duì)電池的電流、電壓和溫度（IVT）進(jìn)行精確和按需（on-demand）測(cè)量。根據(jù)測(cè)量信息可進(jìn)行準(zhǔn)確的“充電狀態(tài)”和“健康狀態(tài)”計(jì)算，從而確保電氣系統(tǒng)在最高效率下工作。


圖1. 智能電池傳感器

IBS概述

IBS是用于鉛酸電池管理的完整測(cè)量系統(tǒng)。這些部件可測(cè)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(cè)量電池接線柱與 IBS 單元本身之間的導(dǎo)熱性）。這三項(xiàng)測(cè)量幾乎同時(shí)進(jìn)行，以確保測(cè)量準(zhǔn)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(cè)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(jiǎn)單的微控制器輕松開發(fā)出來(lái)（當(dāng)在其他汽車或非汽車應(yīng)用中使用IBS時(shí)）。

IBS單元應(yīng)當(dāng)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?xí)o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(xù)取回?cái)?shù)據(jù)。它還應(yīng)當(dāng)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(jiān)控完整的電流范圍。

IBS精度

IBS的核心部分是專為感測(cè)電池電流而設(shè)計(jì)的分流器。IBS的精密內(nèi)部電子元件的可靠性應(yīng)當(dāng)足以適應(yīng)在現(xiàn)代汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩下環(huán)境中工作的要求，并在感測(cè)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(yīng)所有12 V汽車起動(dòng)電流，同時(shí)使誤差最大值在整個(gè)測(cè)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(cè)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(shè)IBS的電壓測(cè)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(nèi)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(nèi)，我們的示例IBS的溫度誤差不超過(guò)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(gè)器件可消除對(duì)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(cè)量值以一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)LIN總線返回，確保IBS提供對(duì)所有電池參數(shù)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和相關(guān)聯(lián)的測(cè)量結(jié)果。


圖2. IBS細(xì)節(jié)示例

汽車應(yīng)用

現(xiàn)代汽車的電氣負(fù)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(dòng)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(fù)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(jí)來(lái)區(qū)分這些電氣負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)。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(wèn)題，保證其人身安全。

起停技術(shù)

起停技術(shù)已在混合動(dòng)力車上使用多年，現(xiàn)在開始作為標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車。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(tǒng)。僅僅在城鎮(zhèn)中一次正常駕駛期間的額外發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(yùn)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(wèn)題。這些系統(tǒng)要消耗大量電池電量，如不進(jìn)行密切監(jiān)控，有可能使電池?fù)p壞。目前的起停系統(tǒng)通過(guò)在汽車停止時(shí)關(guān)閉舒適系統(tǒng)或者照例通過(guò)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)解決該問(wèn)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(guò)使停止的汽車僅在絕對(duì)需要時(shí)重啟發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性。在電池狀況處于已知安全工作范圍內(nèi)時(shí)，它甚至允許汽車的舒適系統(tǒng)間歇性地啟動(dòng)和關(guān)閉，從而向駕駛員提供更舒適的車內(nèi)體驗(yàn)。

混合動(dòng)力車

混合動(dòng)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(jī)并不實(shí)際推動(dòng)汽車向前，而是用于給發(fā)電機(jī)供電和給車載電池充電。在并聯(lián)式混合中，電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)都連接到傳動(dòng)系統(tǒng)。這使兩套裝置能在高需求到來(lái)時(shí)立刻同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)力，或者在低需求時(shí)只通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力。這種模式允許內(nèi)燃機(jī)將電動(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)，在需要時(shí)給電池充電。兩種設(shè)計(jì)都可內(nèi)含高壓電池組，用于儲(chǔ)存供給電動(dòng)機(jī)的電力。為了從每種設(shè)計(jì)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(jìn)行密切監(jiān)控。

電動(dòng)車

電動(dòng)車基于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，汽車上根本就沒有內(nèi)燃機(jī)。在純電動(dòng)車（FEV）中，轎車或卡車本身的電池是電動(dòng)機(jī)和所有標(biāo)準(zhǔn)電氣系統(tǒng)的唯一電力來(lái)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?yàn)槿绻姵仉娏坑猛炅耍嚲褪チ藙?dòng)力來(lái)源。純電動(dòng)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(gè)都應(yīng)當(dāng)包含其自身的電池管理系統(tǒng)，以確保當(dāng)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(tǒng)。

其他傳感技術(shù)

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(cè)量范圍的緣故，開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器實(shí)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(guò)在帶電導(dǎo)線周圍形成的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量流經(jīng)該導(dǎo)線的電流。電流互感器無(wú)法與直流汽車電氣系統(tǒng)一起使用，對(duì)于被測(cè)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(diǎn)是，由于實(shí)際上它并不在電流路徑之中，所以在測(cè)量電流時(shí)沒有電能損耗，但這是以犧牲精度和可靠性為代價(jià)換來(lái)的 [1]。

與分流器感測(cè)有關(guān)的問(wèn)題

由于 IBS 在測(cè)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(duì)電流范圍的很大一部分發(fā)是可忽略的。例如，一個(gè)100μΩ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(dāng)于0.083%電能損耗。對(duì)于在實(shí)際測(cè)試中觀測(cè)到的電流值，分流器損耗在3 A標(biāo)準(zhǔn)工作電流下為900μW，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(cè)試中，35英寸、4-AWG 正極電池電纜的阻值為788μΩ [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(guò)900 J的脈沖應(yīng)用）的電流范圍內(nèi)工作。

因?yàn)榛魻栃?yīng)傳感器并不直接連接至帶電導(dǎo)線，因此外力會(huì)造成磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果具有顯著誤差 [1]。單是地球磁場(chǎng)就會(huì)造成 0.4 A 誤差，更不用說(shuō)提汽車內(nèi)部的其他線圈、導(dǎo)體和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)了 [1]。“在電路中”意味著與霍爾效應(yīng)傳感器相比，使用 IBS 時(shí)由外部干擾造成的誤差小很多。在任何車內(nèi)條件下，IBS 單元的最大電流感測(cè)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(shí)可觀測(cè)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(cè)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(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(dá)0.5%的標(biāo)準(zhǔn)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?yīng)傳感器的最后缺點(diǎn)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(jìn)行電路內(nèi)校準(zhǔn)。IBS的電流測(cè)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(shù)（TCR）在IBS的寬工作溫度范圍內(nèi)會(huì)造成讀數(shù)誤差。通過(guò)處理技術(shù)和使用現(xiàn)有的車載傳感器，可計(jì)算出該系數(shù)并且只會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果具有最小影響，絕不會(huì)超出額定精度。這些計(jì)算和其他計(jì)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(wú)需二次或系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)。

實(shí)際觀測(cè)結(jié)果

我們使用IBS進(jìn)行了實(shí)際城市駕駛測(cè)試，測(cè)試中IBS連接到負(fù)極電池接線柱（和在任何汽車應(yīng)用中一樣），以便對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)控。我們以相同方式進(jìn)行了兩次獨(dú)立的駕駛測(cè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)早晨通勤情況的近似，不會(huì)中斷交通流，也不會(huì)使測(cè)試被其他駕駛員打斷。第一個(gè)測(cè)試是模擬起停測(cè)試，具體情況是，汽車在到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)時(shí)完全停止（其間路過(guò)12個(gè)街區(qū)，停車6次）并立即關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。記錄停車時(shí)間，在15秒停車間隔時(shí)間過(guò)后，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并恢復(fù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)測(cè)試盡量模仿第一個(gè)測(cè)試，但有一個(gè)例外：汽車永遠(yuǎn)不關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。停車持續(xù)時(shí)間也是15秒鐘。對(duì)路線、最大車速和加速度全都進(jìn)行監(jiān)控，以盡量嚴(yán)格地模擬第一個(gè)測(cè)試。對(duì)這些測(cè)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(fù)擔(dān)。另外，起停測(cè)試結(jié)果還顯示了作為汽車感測(cè)系統(tǒng)的 IBS在真實(shí)汽車環(huán)境中的有效性。


圖3. 使用IBS的實(shí)際起停測(cè)試


圖4. 使用IBS的實(shí)際駕駛測(cè)試

兩次實(shí)際駕駛測(cè)試的結(jié)果如圖3和圖4所示。這個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試證明我們需要可靠和精密的電池監(jiān)控系統(tǒng)。每次測(cè)試只持續(xù)6分鐘時(shí)間，其間有6次15秒鐘停車。起停測(cè)試中與這6次停車有關(guān)的重啟比正常駕駛測(cè)試中多需要 1,528 庫(kù)侖電荷。與測(cè)試開始時(shí)相比，起停測(cè)試結(jié)束時(shí)甚至有 135 庫(kù)侖的電荷凈減少。如圖 4 所示，正常駕駛測(cè)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(cè)試是對(duì)在內(nèi)布拉斯加州哥倫布市早晨開車上班時(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(cè)試電池是嶄新的。如果這是轎車在交通擁擠時(shí)間離開洛杉磯或慕尼黑，則停車次數(shù)與駕駛時(shí)間相比可能糟得多。如果電池較弱的汽車遇上了長(zhǎng)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后無(wú)法再重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。如果轎車或卡車配備了 IBS，則發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(zhǔn)確地測(cè)量所有需要監(jiān)控的電池參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電池健康狀況預(yù)測(cè)。這些測(cè)量如圖 5（取自圖 3 中起停測(cè)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。


圖5. IBS測(cè)量的電流、電壓和溫度值

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(jìn)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(shí)能夠發(fā)揮作用，還能延長(zhǎng)電池的總壽命長(zhǎng)度，以顯著節(jié)省成本。高爾夫推車、電動(dòng)叉車及私家車全都包含由鉛酸電池供電的電動(dòng)機(jī)。知道這些電池的充電狀態(tài)使系統(tǒng)能夠在需要充電時(shí)提醒用戶。IBS 單元還允許系統(tǒng)限制電流消耗（如通過(guò)限制高爾夫推車的最大速度），以進(jìn)一步延長(zhǎng)剩余電池續(xù)航時(shí)間，并允許使用者在再次充電前行駛更遠(yuǎn)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(shí)其將無(wú)法再提供充足的電力來(lái)保證所需時(shí)長(zhǎng)的照明，與定期替換電池相比，這有助于節(jié)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(yīng)急燈在緊急情況期間能夠使用。每張醫(yī)用床都有一個(gè)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(jī)故障時(shí)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(shí)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(cè)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(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(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(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(jiān)控電池板的電流和電壓輸出。通過(guò)結(jié)合 IBS 測(cè)量與 MPPT 算法和簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)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(tǒng)系統(tǒng)相比可增加多達(dá) 30% [3]。該額外輸出功率增加多于由于電阻性感測(cè)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(tǒng)的成本-功率比，因?yàn)殡姵匕迨瞧褡畎嘿F的部件 [3]。

結(jié)束語(yǔ)

智能電池傳感器（IBS）單元對(duì)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(cè)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(lái)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(shí)現(xiàn)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)車電池技術(shù)。