传感器提高汽车电池的寿命与可靠性 - 文章

传感器提高汽车电池的寿命与可靠性

作者：David McKenna

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现在的汽车十分依赖电子产品同时也是对电池的依赖。持续不断的监视对于电池的条件来说非常重要，这关系到汽车的可靠性。每5辆报废的汽车中就有一辆是由于电池的原因造成的。近些年来，当像电传线控，发动/熄火引擎管理和液压（电子/气体）助力这些系统汽车技术普遍使用时，这个问题变的越来越严重。降低错误的数量，需要精确的感应到电池的电压，电流和温度；对结果进行预处理；计算电荷状况和性能状况，将结果发送到ECU；然后控制充电功能。

现代汽车诞生于20世纪早期。第一辆以车需要手动启动，这需要力量同时存在很高的危险，由于汽车的这种“手柄摇杆”造成了很多死伤。在1902年，第一辆电池启动马达研制成功，到1920年所有的汽车都使用电子起动。最初是使用干电池，但是当电能耗尽时很难更换。需要的是液体电池，古老的铅酸电池很快取代了干电池。铅酸电池的优点是发动机工作时它可以从中自动充电。

在上世纪，铅酸电池几乎没有什么改变。最后的主要改进是使用密封的铅酸电池。改变的原因是需要在其上放置东西。开始，电池仅仅用在发动汽车马达，喇叭和车灯上。现在电池用来为汽车内安装的所有电子系统提供动力，优先的是电打火。

新型电子设备的增加不仅仅是消费者使用的像GPS，DVD播放器这样的电子设备。还有发动机控制单元（ECUs），电动车窗和功能座椅这样的车身电子，这些成为很多模型的基本配置。，很显然由于电子系统失效造成的报废数量的增加可以看出，这种载荷的指数增长将系统带入死亡。

一、评定电池的状态

评价一个铅酸电池“状态”有两个基本品质：

（1）充电状态（SoC）：SoC显示可以传送多少电荷，用电池额定功率（也就是新电池的SoC）的百分比表示。
（2）性能状态（SoH）：SoH表示电池可以存储多少电荷。

二、充电状态

充电状态就好像电池的“燃料度量”。有很多方法可以计算SoC，当是常用的两个方法是，开放电路电压测量和库仑分析法测量（也叫作库仑计算）。

（1）开电路电压（VOC）：电池在空载开电路的电压与充电状态线形相关。这种计算方法有两个局限的限制：为了计算SoC，电池必须在开放电路中，没有负载连接；这种方法仅仅在相当稳定的时期才精确。

这些局限使VOC方法不适合串联SoC的计算。该方法通常在汽车店中使用，在那里电池被移开，用电压表测量通过电池正极和负极的电压。

（2）库仑分析测量法：这种方法使用随时间对电流积分计算库仑值测量SoC。这使SoC的实时计算测量成为可能，甚至在电池处在负载条件下。然而库仑分析测量法会累积错误。

开电路电压和库仑计算的组和方法通常用来计算电池的负载状态。

三、性能状态

性能状态反映的是电池的一般状态，和其与新电池相比存储电荷的能力。SoH计算非常复杂同时依赖对电池化学成分了解和环境。一个电池的SoH受很多因素的影响，包括电荷承受力，内部阻抗，电压，自放电和温度。这些因素的存在很难在汽车这样的环境中进行实时测量。SoH的最好状态发生在启动阶段（引擎工作），此时电池处在最大负载下。

汽车电池性能实际运算中，领先的是传感器开发者，例如Bosch，Hella和其他的，SoC和 SoH计算几乎是保密的大多数还受专利保护。作为知识产权的拥有者，他们通常与电池制造商联系密切开发这些算法，例如Varta 和Moll。

图1 离散传感电池解决方案

图1表示的是传感电池通常使用的独立电路，电路可以分成三个部分：

（1）电池传感：电池电压通过从电池正极分流的阻抗衰减器感应。对于感应电流，一个感应电阻（12V时通常100 microohms）被放置在电池负极和地面之间。这种结构，汽车的金属底盘一般为地面，这些传感阻抗安装在电池的电流回路中。在相对的结构中，电池负极认为是地面。对于SoH计算，也需要感应电池的温度。

（2）微控制器：微控制器或MCU主要完成两个任务。首先处理A/D转换器的结果。这个工作可能像完成基本过滤一样简单也可能像计算SoC 和 SoH一样复杂。实际中的作用依赖于MCU的处理能力和汽车制造商的需要。第二项工作是将处理过的数据通过通信界面发送到ECU。

（3）通信界面：目前本地网络连接（LIN）是电池传感器和ECU之间通信最常用的通信界面。LIN是相对于CAN协议的单线，低成本的解决方案。

这是电池传感最简单的可行结构图。然而同步电池的电压或电流，或电池电压，电流和温度需要更精确的电池感应运算。这种同步样本需要增加两个A/D转换器。同时增加了复杂性，A/D和 MCU需要调节能量供应以进行正确操作。这已经由LIN接收器制造者通过能量调节供应装置解决。

摆在汽车精确电池传感面前的下一个问题是，一个整合A/D，MCU和LIN收发器的装置。一个例子是来自Analog Devices Inc 的ADuC703x精确模拟微电子控制器。ADuC703x每秒可选择三个或四个8-k样本，16比特sigma-delta A/Ds，20.48-MHz ARM7TDMI MCU，和一个完整的LIN v2.0收发器。ADuC703x家族通过一个芯片调整器直接从铅酸电池获得动力。

为了解决汽车电池传感的需要，前端包括一个电压衰减器检测电池电压；可编程放大器测量电流，其量程为1A～1，500A，使用时与100-microohm电阻相连；积聚功能允许不使用软件下进行库仑计算；和芯片上的一个温度传感器。使用这种综合设备的解决方案如图2所示。

Figure 2.

几年前，只用高端汽车拥有电池传感器。如今，安装小型电子配件和小发明的中低档汽车正在增加，10年前这些只能在高端汽车中见到。由于铅酸电池使这些功能不断增加。过不了多少年，每辆汽车都将安装电池传感器，减少由于增加电子设备导致的报废。

About the author
David McKenna (david.mckenna@analog.com) is an applications engineer for the industrial and automotive converters product line at Analog Devices Inc. He graduated from University College Cork in Ireland with a bachelor of electrical and electronic engineering degree.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/15/2007)


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