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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。

4.2 与分流器感测有关的问题

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

  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 100 µΩ 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 900 µW,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 788 µΩ [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。

4.3 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,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。

  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。

5 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]

6 结束语

  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

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