中心議題:
- 評定電池的健康狀況
- 利用精密電池檢測和傳感技術(shù)降低汽車電氣故障
解決方案:
- 開路電壓 (VOC) 測量法
- 庫侖測定法
- 分立電池檢測解決方案
- 采用集成器件的解決方案
每五次汽車故障就有一次是電池造成的。在未來數(shù)年內(nèi),隨著電傳線控,發(fā)動/熄火引擎管理和混合動力(電力/燃?xì)猓┑绕嚰夹g(shù)日益普及,這一問題將變得越來越嚴(yán)重。
為了減少故障,需要精確地檢測電池的電壓、電流和溫度,對結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理,計(jì)算充電狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài),將結(jié)果發(fā)送到發(fā)動機(jī)控制單元 (ECU),以及控制充電功能。
現(xiàn)代汽車誕生于20 世紀(jì)初。第一輛汽車依靠手動啟動,需要很大的力量,存在很高的風(fēng)險(xiǎn),汽車的這種“手搖曲柄”造成了很多死亡事故。1902年,第一臺電池啟動馬達(dá)研制成功,到1920 年,所有的汽車都已采用電啟動。
最初使用的是干電池,當(dāng)電能耗盡時,必須予以更換。不久之后,液體電池(即古老的鉛酸電池)就取代了干電池。鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時,它可以從中充電。
在上世紀(jì),鉛酸電池幾乎沒有什么變化,最后一次主要改進(jìn)是對其進(jìn)行密封。真正改變的是對它的需求。起初,電池僅僅用于發(fā)動汽車、鳴喇叭和為車燈供電。如今,在點(diǎn)火之前,汽車的所有電氣系統(tǒng)都要靠它供電。
激增的新型電子設(shè)備不僅僅是GPS和DVD播放器等消費(fèi)電子設(shè)備。如今,發(fā)動機(jī)控制單元 (ECU)、電動車窗和電動座椅之類的車身電子設(shè)備已成為許多基本車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。呈指數(shù)級增加的負(fù)載已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,電氣系統(tǒng)造成的故障日益增多就是明證。根據(jù)ADAC和RAC統(tǒng)計(jì),在所有汽車故障中,幾乎有36%可歸因于電氣故障。如果對該數(shù)字進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)50%以上的故障是由鉛酸電池這一組件造成的。
評定電池的健康狀況
以下兩個關(guān)鍵特性可以反映鉛酸電池的健康狀況:
(1) 充電狀態(tài) (SoC):SoC 指示電池可以提供多少電荷,用電池額定容量(即新電池的SoC)的百分比表示。
(2) 運(yùn)行狀態(tài) (SoH):SoH 指示電池可以儲存多少電荷。
充電狀態(tài)
充電狀態(tài)指示好比是電池的“燃油表”。計(jì)算SoC的方法有很多,其中最常用的有兩個:開路電壓測量法和庫侖測定法(也稱庫侖計(jì)數(shù)法)。
(1) 開路電壓 (VOC) 測量法:電池空載時的開路電壓與其充電狀態(tài)之間成線性關(guān)系。這種計(jì)算方法有兩個基本限制:一是為了計(jì)算SoC,電池必須開路,不連接負(fù)載;二是這種測量僅在經(jīng)過相當(dāng)長的穩(wěn)定期后才精確。
這些局限使得VOC 方法不適合在線計(jì)算SoC。該方法通常在汽車維修店中使用,在那里電池被卸下,可以用電壓表測量電池正負(fù)極之間的電壓。
(2) 庫侖測定法:這種方法用庫侖計(jì)數(shù)求取電流對時間的積分,從而確定SoC。利用該方法可以實(shí)時計(jì)算SoC,即使電池處在負(fù)載條件下。然而,庫侖測定法的誤差會隨著時間推移而增大。
一般是綜合運(yùn)用開路電壓和庫侖計(jì)數(shù)法來計(jì)算電池的充電狀態(tài)。
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運(yùn)行狀態(tài)
運(yùn)行狀態(tài)反映的是電池的一般狀態(tài),以及其與新電池相比儲存電荷的能力。由于電池本身的性質(zhì),SoH計(jì)算非常復(fù)雜,依賴于對電池化學(xué)成分和環(huán)境的了解。電池的SoH受很多因素的影響,包括充電接受能力、內(nèi)部阻抗、電壓、自放電和溫度。
一般認(rèn)為難以在汽車這樣的環(huán)境中實(shí)時測量這些因素。在啟動階段(引擎起動),電池處在最大負(fù)載下,此時最能反映電池的SoH。
圖1 所示為電池檢測常用的分立電路。
圖1:分立電池檢測解決方案
該電路可以分為三個部分:
(1) 電池檢測:電池電壓通過一個直接從電池正極分接出來的阻性衰減器來檢測。為檢測電流,將一個檢測電阻(12V應(yīng)用一般使用100mΩ)放在電池負(fù)極與地之間。在這種配置中,汽車的金屬底盤一般為地,檢測電阻安裝在電池的電流回路中。在其它配置中,電池的負(fù)極是地。對于SoH計(jì)算,還必須檢測電池的溫度。
(2) 微控制器:微控制器或MCU主要完成兩個任務(wù)。第一個任務(wù)是處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的結(jié)果。這項(xiàng)工作可能很簡單,例如僅執(zhí)行基本濾波;也可能很復(fù)雜,例如計(jì)算SoC和 SoH。實(shí)際的功能取決于MCU的處理能力和汽車制造商的需求。第二個任務(wù)是將處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)由通信接口發(fā)送到ECU。
(3) 通信接口:目前,本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 接口是電池傳感器和ECU之間最常用的通信接口。LIN是廣為人知的CAN 協(xié)議的單線、低成本替代方案。
這是電池檢測最簡單的配置。然而,大多數(shù)精密電池檢測算法要求對電池電壓與電流,或者電池電壓、電流與溫度同時采樣。為了進(jìn)行同步采樣,最多需要增加兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外,ADC 和MCU 需要調(diào)節(jié)電源以便正確工作,導(dǎo)致電路復(fù)雜性增加。這已經(jīng)由LIN 收發(fā)器制造商通過集成調(diào)節(jié)電源而得到解決。
汽車精密電池檢測的下一步發(fā)展是集成ADC、MCU和LIN收發(fā)器,例如ADI公司的ADuC703x 系列精密模擬微控制器。ADuC703x提供兩個或三個8 ksps、16位Σ-Δ ADC,一個20.48MHz ARM7TDMI MCU,以及一個集成LIN v2.0 兼容收發(fā)器。ADuC703x 系列片內(nèi)集成低壓差調(diào)節(jié)器,可以直接從鉛酸電池供電。
為了滿足汽車電池檢測的需求,前端包括如下器件:一個電壓衰減器,用于監(jiān)控電池電壓;一個可編程增益放大器,與100mΩ電阻一起使用時,支持測量1A以下到1500A的滿量程電流;一個累加器,支持庫侖計(jì)數(shù)而無需軟件監(jiān)控;以及一個片內(nèi)溫度傳感器。
圖2所示為采用這種集成器件的解決方案。
圖2:采用集成器件的解決方案示例
幾年前,只有高檔汽車才配有電池傳感器。如今,安裝小型電子裝置的中低檔汽車越來越多,而十年前只能在高端車型中見到。鉛酸電池所引起的故障數(shù)量因此不斷增加。過不了幾年,每輛汽車都會安裝電池傳感器,從而降低日益增多的電子裝置引發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)。