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基于智能电池传感器(IBS)的电池管理对未来汽车设计的成功至关重要

作者:Christopher Lohmeier Tom Veik时间:2015-10-09来源:电子产品世界收藏
编者按: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。

摘要:本文描述了传感器(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。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/280689.htm

引言

  现代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。合适的将是支持未来设计创新继续下去的关键所在,这可利用传感器(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。

1 IBS概述

  IBS 是用于铅酸的完整测量系统。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。

2 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。

3 汽车应用

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

4 其他传感技术

4.1 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]


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