如何在微型混合动力汽车中有效实施电池能效管理

在当今的汽车中，不断增加的电力负荷给电池带来了巨大的挑战。超过半数因为电力系统导致的汽车故障都可以向上追溯到铅酸电池，如 果了解电池状态，这些故障是可以避免的。另外，诸如起停系统（start-stop）或智能交流发电机控制等微型混合动力汽车的新功能也要求确切地了解电 池状态。

电池管理系统（BMS）可通过快速、可靠地监测启动能力中的充电状态（SoC）、健康状态（SoH）和功能状态（SoF），提供必要的信 息。因此，BMS可以最大限度地降低因为电池意外故障而导致的汽车故障次数，从而实现最长电池使用时间和最大电池能效，并可以支持二氧化碳减排功能。 BMS的主要元件是智能电池传感器（IBS），它可以测量电池端电压、电流和温度，并计算出电池的状态。

本文将介绍如何实施使用最先进的算法来计算SoC、SoH和SoF的BMS，以及如何在飞思卡尔的铅酸电池IBS中高效地实施上述功能。

1) 简介

过去，汽车电池的充电级别一直是一项无法了解的因素，在许多情况下会导致汽车故障。根据汽车使用寿命的不同，与电池有关的故障率可能攀升至10000 ppm [1]。

对汽车电池来说另一个已经存在的非常严峻的挑战来自不断增长的电力与功耗需求，同时还需要降低二氧化碳排放。

因为电子系统在汽车创新领域里起着非常重要的作用，所以随着汽车在舒适性功能、安全相关功能电子化、混合动力汽车、驾驶辅助和信息娱乐方面的发展，对电力供应的需求也越来越高。

在另一方面，越来越多的法规出台呼吁减少二氧化碳排放和燃油消耗。

为了应对上述限制要求，需要采用高级电力管理系统，来确保在各种工作场景中电池都能为引擎启动提供足够的电力。

2) 电力管理系统

通常，支持启动-停止系统所用的典型供电网络包括一个车身控制模块（BCM）、一个电池管理系统（BMS）、一个发电机和一个DC/DC转换器（请参见图1）。

BMS通过专用的负载管理算法为BCM提供电池状态信息，通过控制发电机和DC/DC转换器稳固和管理供电网络。DC/DC转换器为汽车内部的各个电气元件供电。

图1：典型启动-停止系统中使用的供电网络示例

Generator：发电机；Battery mgmnt system：电池管理系统；Energy：电力；Control：控制；AC/DC Converter：AC/DC 转换器；Consumers：电气元件

通常，铅酸电池的BMS直接安装在电池夹的智能连接器中。连接器包括一个低阻值分流电阻（通常在100uOhm范围内）和一个带有高度集 成设备的小型PCB，该集成设备具有准确的测量和处理功能，称之为智能电池传感器（IBS，参见图2）。IBS即便在最恶劣的条件下也能以高解析度和精确 度测量电池电压、电流和温度，并能够在电池的整个使用寿命中准确地预测电池的充电状态（SoC）、健康状态（SoH）和功能状态（SoF）。这些参数定期 或根据要求通过一个获得汽车行业认证的车载网络传送至BCM。

图2：铅酸电池的典型智能电池传感器

Battery Plus Pole：电池正极；Battery Minus Pole：电池负极；Chassis ground：底盘接地；Precision measurement battery current, voltage temperature：精确测量电池电流、电压和温度；Determination of key battery characteristics: state of health (soh) state of charge (soc) state of function (sof)：确定主要电池特性：健康状态(SoH)、充电状态(SoC)和功能状态(SoF)；Communication to bcm：与BCM通信

除上述功能和参数功能外，对IBS提出的其他主要要求包括低功耗、能够在恶劣的汽车行驶环境中（即EMC和ESD）工作、进行汽车OEM 厂商验收的车载通信接口一致性测试（即，LIN）、满足汽车等级测试限制（针对被测参数的六西格玛限制），另外还需符合AEC-Q100标准要求。

飞思卡尔宣布推出一款完全集成的LIN电池监控设备，它基于Freescale S12 MCU技术[2]，能够满足上述所有参数要求。该设备包括三个独立的测量通道：通过外部分流电阻测量电流；通过直接安装在电池负极的串联电阻测量电池电 压；通过集成传感器测量温度。采用一个集成LIN 2.1接口直接将传感器连接至LIN总线，无需其他部件。飞思卡尔IBS完全符合汽车行业的AEC-Q100标准要求。

在下面几章里，我们将为您介绍使用飞思卡尔IBS的BMS的实施方案，以及如何通过使用IBS的硬件特性和定点算法来实现BMS的高效运行。

3) 电池监控

正如第2)部分中所提到的，IBS的主要用途是监控电池状态，并根据需要将状态变量传送至BCM或其他ECU。电池监控输入值将使用已测量的电池电流、电池电压和温度采样值。电池监控输出值是SoC、SoH和SoF值。

3.1) 充电状态

(SoC) SoC的定义非常直观，通常以百分