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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。

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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。

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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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