未来汽车设计中的基于IBS的电池管理 - 文章

未来汽车设计中的基于IBS的电池管理

作者：Christopher Lohmeier, Tom Veik

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本文描述了智能电池传感器（IBS）如何帮助维持合适的电池性能，重点介绍电阻式传感器的用途并解释其在汽车应用中的相关功能。本文还介绍了对IBS器件的一项实际测试以及用于确认其精度的实验室测试。另外本文还介绍了IBS器件如何用于汽车应用，讨论其在可再生能源领域的实用性，并将其与其他电池监控技术进行比较。

引言

现代汽车需要进一步提高效率来满足未来燃油经济性标准的要求。这一效率提升与汽车电气系统的创新大有关系。这些技术创新涉及许多领域，如起停、线控驱动和线控制动系统等等。但这些新技术有一大缺点，这就是它们全都依赖于电气系统的同一部件：铅酸电池，而该部件自上世纪50年代以来就没有多大创新。合适的电池管理将是支持未来设计创新继续下去的关键所在，这可利用智能电池传感器（IBS）来实现。IBS单元可对电池的电流、电压和温度（IVT）进行精确和按需（on-demand）测量。根据测量信息可进行准确的“充电状态”和“健康状态”计算，从而确保电气系统在最高效率下工作。

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图1. 智能电池传感器

IBS概述

IBS是用于铅酸电池管理的完整测量系统。这些部件可测量流经电池的充电或放电电流，电池端子之间的电压，以及电池的温度（通过测量电池接线柱与 IBS 单元本身之间的导热性）。这三项测量几乎同时进行，以确保测量准确性（即使是在快速变化的条件下）。IBS可使用LIN通信协议将这些测量结果发送至汽车的电子控制单元（ECU）或其他控制系统。LIN是面向汽车环境的一种可靠通信协议，具有出色的容噪性。LIN总线在大多数新产品上已有提供，或者可利用简单的微控制器轻松开发出来（当在其他汽车或非汽车应用中使用IBS时）。

IBS单元应当能够适应全范围的汽车工作条件。例如，–40℃至+115℃的工作温度使其能够适应那些甚至会给最新、最先进铅酸电池造成损害的工作条件。此外，高工作电压范围使IBS单元能够在电池过充电和欠充电条件下继续取回数据。它还应当能够在电压和温度范围的极大和极小条件下以最小的精度损失来监控完整的电流范围。

IBS精度

IBS的核心部分是专为感测电池电流而设计的分流器。IBS的精密内部电子元件的可靠性应当足以适应在现代汽车的发动机机罩下环境中工作的要求，并在感测分流器上的压降时保持精度。IBS和集成电子元件必须适应所有12 V汽车起动电流，同时使误差最大值在整个测量和电池温度范围内限制到0.5%（±30 mA偏差）。

除了电流感测能力之外，IBS的另一个优点是电池温度传感器和电压传感器全都包含在一个器件中。因此，例如我们假设IBS的电压测量精度在4 V至18 V的电压范围和整个电池工作温度范围内为± 50 mV，而电池温度传感器在整个温度范围的外缘处的最大误差为3℃。铅酸电池的温度范围上限通常为+60℃，工作中的实际下限不小于0℃。在这些实际温度范围内，我们的示例IBS的温度误差不超过1℃（参见下文图2提供的更多信息）。该精度足以设置关停警告和定义电池在所有工作条件下的电流限值。使所有这些传感器包含于一个器件可消除对额外传感器或用于取回该信息的其他系统的需要，从而帮助避免成本上升。所有测量值以一个数据包通过LIN总线返回，确保IBS提供对所有电池参数的准确、实时和相关联的测量结果。

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图2. IBS细节示例

汽车应用

现代汽车的电气负荷

在现代汽车应用中知道电池的健康和充电状态非常重要。诸如起停、线控驱动和液压系统向电气系统的转变等创新技术增加了汽车电池系统的负荷，而驾驶员已经将其自身和周围其他人的安全寄托在该系统上。IBS让汽车能够按照从“舒适相关”到“安全攸关”的等级来区分这些电气负荷的优先级。汽车因此能够以合理的顺序关停这些系统，以提醒驾驶员即将发生的电池问题，保证其人身安全。

起停技术

起停技术已在混合动力车上使用多年，现在开始作为标准系统用于传统内燃机（ICE）汽车。但起停技术仍有一个需要解决的重要问题，这就是12 V电池系统。仅仅在城镇中一次正常驾驶期间的额外发动机重启次数就足以使用完传统铅酸电池的电量甚至给其造成损坏，这也是大多数具有起停功能的汽车使用吸附式玻璃纤维棉（AGM）电池的原因所在。虽然AGM电池增强了汽车使用起停技术的能力，但在汽车关闭自身后仍然需要继续运行的那些系统（包括ECU、安全监控、照明、导航、空调控制及一般舒适系统）仍然留有问题。这些系统要消耗大量电池电量，如不进行密切监控，有可能使电池损坏。目前的起停系统通过在汽车停止时关闭舒适系统或者照例通过重启发动机来解决该问题，以确保电池在停车期间得到充电。合适的电池管理传感器能够更好地确保电池的安全工作。这可以通过使停止的汽车仅在绝对需要时重启发动机来进一步改善燃油经济性。在电池状况处于已知安全工作范围内时，它甚至允许汽车的舒适系统间歇性地启动和关闭，从而向驾驶员提供更舒适的车内体验。

混合动力车

混合动力车有两种主要类型：串联式混合和并联式混合。在串联式混合中，内燃机并不实际推动汽车向前，而是用于给发电机供电和给车载电池充电。在并联式混合中，电动机和内燃机都连接到传动系统。这使两套装置能在高需求到来时立刻同时提供驱动力，或者在低需求时只通过电动机提供驱动力。这种模式允许内燃机将电动机用作发电机，在需要时给电池充电。两种设计都可内含高压电池组，用于储存供给电动机的电力。为了从每种设计中获得最大效率，该电池组需要由精确的电池管理系统进行密切监控。

电动车

电动车基于纯电动驱动系统，汽车上根本就没有内燃机。在纯电动车（FEV）中，轿车或卡车本身的电池是电动机和所有标准电气系统的唯一电力来源。良好的电池管理系统在此类汽车中比其他类型汽车中都更加重要。这是因为如果电池电量用完了，汽车就失去了动力来源。纯电动车中的电池通常由串联或并联的电池单元堆叠组成，用以获得所需的输出电压。这些电池单元堆叠中的每一个都应当包含其自身的电池管理系统，以确保当一个电池单元发生故障时不会连累整个电池系统。

其他传感技术

开环霍尔效应传感器

可靠性是许多其他监控技术在汽车应用中表现不甚理想的原因之一。由于成本、尺寸和测量范围的缘故，开环霍尔效应传感器实际上是唯一具有可比性的电池监控技术。此种传感器利用了霍尔效应，亦即通过在带电导线周围形成的磁场来测量流经该导线的电流。电流互感器无法与直流汽车电气系统一起使用，对于被测量的电流值而言，闭环霍尔效应传感器成本太高，尺寸太大 [1]。开环霍尔效应传感器的最大特点是，由于实际上它并不在电流路径之中，所以在测量电流时没有电能损耗，但这是以牺牲精度和可靠性为代价换来的 [1]。

与分流器感测有关的问题

由于 IBS 在测量电流时要使用其核心元件电阻性分流器，因此存在与其“在电路中”有关的损耗。但通过使用阻值极低的分流器，该损耗对电流范围的很大一部分发是可忽略的。例如，一个100μΩ分流器在100 A电流下只会造成1 W电能损耗。在使用12 V电池提供100 A电流的情况下，这相当于0.083%电能损耗。对于在实际测试中观测到的电流值，分流器损耗在3 A标准工作电流下为900μW，在350 A短时最大起动电流尖峰下为 12.25 W。在实际测试中，35英寸、4-AWG 正极电池电缆的阻值为788μΩ [2]。这意味着仅正极电池电缆中的电能损耗就为IBS中的电能损耗的近八倍之多。使用此类低阻值分流器应当允许IBS单元在± 600 A（连续）和 ± 2,000 A（不超过900 J的脉冲应用）的电流范围内工作。

因为霍尔效应传感器并不直接连接至带电导线，因此外力会造成磁场测量结果具有显著误差 [1]。单是地球磁场就会造成 0.4 A 误差，更不用说提汽车内部的其他线圈、导体和电动机/发电机所产生的磁场了 [1]。“在电路中”意味着与霍尔效应传感器相比，使用 IBS 时由外部干扰造成的误差小很多。在任何车内条件下，IBS 单元的最大电流感测误差应当为 0.5 % + 偏差（30 mA），这与使用霍尔效应传感器时可观测到的由地球磁场引起的误差是相同的（只需改变 80A 电流的流动方向即可测量到这一误差）[1]。

开环霍尔效应传感器存在与其本身有关的自然偏差，甚至在零电流时也是存在的 [1]。该偏差受温度影响很大，即使是优良的传感器也有可达0.5%的标准偏移。要解释该偏差改变的原因需要一个额外温度传感器 [1]。霍尔效应传感器的最后缺点是，由于输出如此严重依赖于传感器的位置，所以可能需要进行电路内校准。IBS的电流测量全都以0 A为中心，除了噪声以外，无需考虑自然偏差的问题。电阻性分流器的电阻温度系数（TCR）在IBS的宽工作温度范围内会造成读数误差。通过处理技术和使用现有的车载传感器，可计算出该系数并且只会对测量结果具有最小影响，绝不会超出额定精度。这些计算和其他计算全都预装于IBS单元，所以它真的是一种即插即用器件，无需二次或系统内校准。

实际观测结果

我们使用IBS进行了实际城市驾驶测试，测试中IBS连接到负极电池接线柱（和在任何汽车应用中一样），以便对电池进行监控。我们以相同方式进行了两次独立的驾驶测试。所选驾驶路线围绕着内布拉加斯州哥伦布市区。选择该路线的原因是为了获得对标准早晨通勤情况的近似，不会中断交通流，也不会使测试被其他驾驶员打断。第一个测试是模拟起停测试，具体情况是，汽车在到达预定地点时完全停止（其间路过12个街区，停车6次）并立即关闭发动机。记录停车时间，在15秒停车间隔时间过后，启动发动机并恢复前进运动。第二个测试尽量模仿第一个测试，但有一个例外：汽车永远不关闭发动机。停车持续时间也是15秒钟。对路线、最大车速和加速度全都进行监控，以尽量严格地模拟第一个测试。对这些测试结果的比较显示，与当今大多数轿车和卡车的标准汽车系统相比，起停系统给电池造成了很大的负担。另外，起停测试结果还显示了作为汽车感测系统的 IBS在真实汽车环境中的有效性。

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图3. 使用IBS的实际起停测试

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图4. 使用IBS的实际驾驶测试

两次实际驾驶测试的结果如图3和图4所示。这个简单测试证明我们需要可靠和精密的电池监控系统。每次测试只持续6分钟时间，其间有6次15秒钟停车。起停测试中与这6次停车有关的重启比正常驾驶测试中多需要 1,528 库仑电荷。与测试开始时相比，起停测试结束时甚至有 135 库仑的电荷净减少。如图 4 所示，正常驾驶测试有一个初次起动，但在随后的电荷损失之后有一个施加至电池的净电荷，这说明了电池低效的原因。

测试是对在内布拉斯加州哥伦布市早晨开车上班时的情况的短时模拟，交通堵塞在那里并不是多大的问题，测试电池是崭新的。如果这是轿车在交通拥挤时间离开洛杉矶或慕尼黑，则停车次数与驾驶时间相比可能糟得多。如果电池较弱的汽车遇上了长时间走走停停的交通状况，则容易想象，电池电量可能低到在某次停车后无法再重启发动机。如果轿车或卡车配备了 IBS，则发动机控制系统就能准确地监控电池电量，并确定其重启发动机的能力。

IBS 是电池电量消耗迅速问题的完整解决方案。它能够准确地测量所有需要监控的电池参数，以实现准确的电池健康状况预测。这些测量如图 5（取自图 3 中起停测试的末端）所示。该图显示了从 IBS 发送的原始数据，其将被中央控制器接收并用作电池健康信息。

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图5. IBS测量的电流、电压和温度值

其他应用

IBS单元是汽车应用的理想选择，但也很适合许多其他应用。大多数不间断电源（UPS）使用的都是铅酸电池，这些电池和汽车中的电池一样都需要进行监控。知道备用电池的健康状态不仅可确保电池在需要时能够发挥作用，还能延长电池的总寿命长度，以显著节省成本。高尔夫推车、电动叉车及私家车全都包含由铅酸电池供电的电动机。知道这些电池的充电状态使系统能够在需要充电时提醒用户。IBS 单元还允许系统限制电流消耗（如通过限制高尔夫推车的最大速度），以进一步延长剩余电池续航时间，并允许使用者在再次充电前行驶更远的距离。

安全应用中（如应急照明和医用床）中也需要 IBS 单元。应急照明装置是由电池供电的备用光源。电池监控使安装人员能够准确地知道何时其将无法再提供充足的电力来保证所需时长的照明，与定期替换电池相比，这有助于节省成本。IBS 还会确保电池电量不足的情况会被注意到，从而尽早进行更换，确保应急灯在紧急情况期间能够使用。每张医用床都有一个铅酸电池后备系统，用于保证生命攸关的患者系统甚至在电源和/后备发电机故障时也能继续使用 [8]。如果这些电池中的某一电池在紧急情况发生时处于低健康状态，则有可能危及患者的生命。与传统感测系统相比，IBS 能够更好地监控电池的健康状态。

可再生能源应用是IBS单元表现出色的另一个领域。最明显的领域是电池由可再生能源充电并用作后备电源或充足电源的场合，如离网（off-grid）应用和休闲车辆。IBS 在此类应用中的功能与其在汽车或 UPS 中的功能差不多。但在可再生能源领域有多得多的应用。其中之一是用于最大功率点跟踪（MPPT）电路。不同电流和电压下的太阳能电池板最大输出功率取决于影响电池板的条件 [3]，IBS 可用于监控电池板的电流和电压输出。通过结合 IBS 测量与 MPPT 算法和简单的转换器电路，一个电池板或电池板阵列的总功率输出与传统系统相比可增加多达 30% [3]。该额外输出功率增加多于由于电阻性感测元件造成的任何功率损耗 [3]。这一增加还会大大减少太阳能系统的成本-功率比，因为电池板是迄今最昂贵的部件 [3]。

结束语

智能电池传感器（IBS）单元对恶劣汽车环境的适应能力使它非常能够胜任许多其他户内/户外应用。这一可靠性以及准确测量所有参数的能力使这些器件几乎适合任何电池监控应用。未来的汽车效率提升需要在所有汽车中采用范围更大的能源管理方案。包含于汽车电气系统的 IBS 有助于实现基于行之有效的铅酸电池的更进一步和更大的技术创新，以及更新的混合动力及电动车电池技术。

参考文献：
[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(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/27/2015)


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