未来汽车设计中的基于IBS的电池管理

作者: Christopher Lohmeier,Tom Veik

摘要

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。


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。


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。