利用精密電池檢測和傳感技術(shù)降低汽車電氣故障

每五次汽車故障就有一次是電池造成的。在未來數(shù)年內(nèi)，隨著電傳線控，發(fā)動/熄火引擎管理和混合動力(電力/燃?xì)?等汽車技術(shù)日益普及，這一問題將變得越來越嚴(yán)重。

為了減少故障，需要精確地檢測電池的電壓、電流和溫度，對結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，計算充電狀態(tài)和運行狀態(tài)，將結(jié)果發(fā)送到發(fā)動機(jī)控制單元 (ECU)，以及控制充電功能。

現(xiàn)代汽車誕生于20 世紀(jì)初。第一輛汽車依靠手動啟動，需要很大的力量，存在很高的風(fēng)險，汽車的這種“手搖曲柄”造成了很多死亡事故。1902年，第一臺電池啟動馬達(dá)研制成功，到1920 年，所有的汽車都已采用電啟動。

最初使用的是干電池，當(dāng)電能耗盡時，必須予以更換。不久之后，液體電池(即古老的鉛酸電池)就取代了干電池。鉛酸電池的優(yōu)點是當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，它可以從中充電。

在上世紀(jì)，鉛酸電池幾乎沒有什么變化，最后一次主要改進(jìn)是對其進(jìn)行密封。真正改變的是對它的需求。起初，電池僅僅用于發(fā)動汽車、鳴喇叭和為車燈供電。如今，在點火之前，汽車的所有電氣系統(tǒng)都要靠它供電。

激增的新型電子設(shè)備不僅僅是GPS和DVD播放器等消費電子設(shè)備。如今，發(fā)動機(jī)控制單元 (ECU)、電動車窗和電動座椅之類的車身電子設(shè)備已成為許多基本車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。呈指數(shù)

級增加的負(fù)載已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，電氣系統(tǒng)造成的故障日益增多就是明證。根據(jù)ADAC和RAC統(tǒng)計，在所有汽車故障中，幾乎有36%可歸因于電氣故障。如果對該數(shù)字進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)50%以上的故障是由鉛酸電池這一組件造成的。

評定電池的健康狀況

以下兩個關(guān)鍵特性可以反映鉛酸電池的健康狀況：

(1) 充電狀態(tài) (SoC)：SoC 指示電池可以提供多少電荷，用電池額定容量(即新電池的SoC)的百分比表示。

(2) 運行狀態(tài) (SoH)：SoH 指示電池可以儲存多少電荷。

充電狀態(tài)

充電狀態(tài)指示好比是電池的“燃油表”。計算SoC的方法有很多，其中最常用的有兩個：開路電壓測量法和庫侖測定法(也稱庫侖計數(shù)法)。

(1) 開路電壓 (VOC) 測量法：電池空載時的開路電壓與其充電狀態(tài)之間成線性關(guān)系。這種計算方法有兩個基本限制：一是為了計算SoC，電池必須開路，不連接負(fù)載;二是這種測量僅在經(jīng)過相當(dāng)長的穩(wěn)定期后才精確。

這些局限使得VOC 方法不適合在線計算SoC。該方法通常在汽車維修店中使用，在那里電池被卸下，可以用電壓表測量電池正負(fù)極之間的電壓。

(2) 庫侖測定法：這種方法用庫侖計數(shù)求取電流對時間的積分，從而確定SoC。利用該方法可以實時計算SoC，即使電池處在負(fù)載條件下。然而，庫侖測定法的誤差會隨著時間推移而增大。

一般是綜合運用開路電壓和庫侖計數(shù)法來計算電池的充電狀態(tài)。

運行狀態(tài)

運行狀態(tài)反映的是電池的一般狀態(tài)，以及其與新電池相比儲存電荷的能力。由于電池本身的性質(zhì)，SoH計算非常復(fù)雜，依賴于對電池化學(xué)成分和環(huán)境的了解。電池的SoH受很多因素的影響，包括充電接受能力、內(nèi)部阻抗、電壓、自放電和溫度。

一般認(rèn)為難以在汽車這樣的環(huán)境中實時測量這些因素。在啟動階段(引擎起動)，電池處在最大負(fù)載下，此時最能反映電池的SoH。

Bosch、Hella等領(lǐng)先汽車電池傳感器開發(fā)商實際使用的SoC和SoH計算方法屬于高度機(jī)密，常常還受專利保護(hù)。作為知識產(chǎn)權(quán)的擁有者，他們通常與Varta和Moll等電池制造商密切合作開發(fā)這些算法。

圖1 所示為電池檢測常用的分立電路。

圖1:分立電池檢測解決方案

該電路可以分為三個部分：

(1) 電池檢測：電池電壓通過一個直接從電池正極分接出來的阻性衰減器來檢測。為檢測電流，將一個檢測電阻(12V應(yīng)用一般使用100mΩ)放在電池負(fù)極與地之間。在這種配置中，汽車的金屬底盤一般為地，檢測電阻安裝在電池的電流回路中。在其它配置中，電池的負(fù)極是地。對于SoH計算，還必須檢測電池的溫度。

(2) 微控制器：微控制器或MCU主要完成兩個任務(wù)。第一個任務(wù)是處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的結(jié)果。這項工作可能很簡單，例如僅執(zhí)行基本濾波;也可能很復(fù)雜，例如計算SoC和 SoH。實際的功能取決于MCU的處理能力和汽車制造商的需求。第二個任務(wù)是將處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)由通信接口發(fā)送到ECU。

(3) 通信接口：目前，本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 接口是電池傳感器和ECU之間最常用的通信接口。LIN是廣為人知的CAN 協(xié)議的單線、低成本替代方案。

這是電池檢測最簡單的配置。然而，大多數(shù)精密電池檢測算法要求對電池電壓與電流，或者電池電壓、電流與溫度同時采樣。為了進(jìn)行同步采樣，最多需要增加兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，ADC 和MCU 需要調(diào)節(jié)電源以便正確工作，導(dǎo)致電路復(fù)雜性增加。這已經(jīng)由LIN 收發(fā)器制造商通過集成調(diào)節(jié)電源而得到解決。

汽車精密電池檢測的下一步發(fā)展是集成ADC、MCU和LIN收發(fā)器，例如ADI公司的ADuC703x 系列精密模擬微控制器。ADuC703x提供兩個或三個8 ksps、16位Σ-Δ ADC，一個20.48

MHz ARM7TDMI MCU，以及一個集成LIN v2.0 兼容收發(fā)器。ADuC703x 系列片內(nèi)集成低壓差調(diào)節(jié)器，可以直接從鉛酸電池供電。

為了滿足汽車電池檢測的需求，前端包括如下器件：一個電壓衰減器，用于監(jiān)控電池電壓;一個可編程增益放大器，與100mΩ電阻一起使用時，支持測量1A以下到1500A的滿量程電

流;一個累加器，支持庫侖計數(shù)而無需軟件監(jiān)控;以及一個片內(nèi)溫度傳感器。

圖2所示為采用這種集成器件的解決方案。

圖2:采用集成器件的解決方案示例

幾年前，只有高檔汽車才配有電池傳感器。如今，安裝小型電子裝置的中低檔汽車越來越多，而十年前只能在高端車型中見到。鉛酸電池所引起的故障數(shù)量因此不斷增加。過不了幾年，每輛汽車都會安裝電池傳感器，從而降低日益增多的電子裝置引發(fā)故障的風(fēng)險。