如何延長汽車電池的壽命和可靠性？——大幅降低汽車電氣故障的精密電池檢測和傳感技術(shù)

ADI公司應(yīng)用工程師 David McKenna

汽車故障中近五分之一是由電池引起的。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)猓┑绕嚰夹g(shù)的日益普及，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(jì)算充電狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，將結(jié)果發(fā)送到發(fā)動機(jī)控制單元(ECU)，以對充電功能實(shí)現(xiàn)控制。

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

在上世紀(jì)，鉛酸電池幾乎沒有什么變化，最后一次改進(jìn)主要是對其進(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(diǎn)火之前，汽車的所有電氣系統(tǒng)都要靠它供電。

如今，不僅僅是GPS和DVD播放器等消費(fèi)電子設(shè)備激增，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)備也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(jì)，在所有汽車故障中，幾乎36%可歸因于電氣故障。對該數(shù)字的分析可以發(fā)現(xiàn)，50%以上的故障是由鉛酸電池這一組件造成的。

以下兩個(gè)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(yùn)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(jì)算SoC的方法有很多，其中最常用的有兩種：開路電壓測量法和庫侖測定法（也稱庫侖計(jì)數(shù)法）。

(1)開路電壓(VOC)測量法：電池空載時(shí)的開路電壓與其充電狀態(tài)之間成線性關(guān)系。這種計(jì)算方法有兩個(gè)基本限制：一是為了計(jì)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)定期后才達(dá)到精確。

這些局限使得VOC方法不適合在線計(jì)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(jì)數(shù)求取電流對時(shí)間的積分，從而確定SoC。利用該方法可以實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)間推移而增大。

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

運(yùn)行狀態(tài)

運(yùn)行狀態(tài)反映的是電池的一般狀態(tài)以及相比于新電池的儲存電荷的能力。電池本身的性質(zhì)決定了SoH計(jì)算非常復(fù)雜，并依賴于對電池化學(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(shí)時(shí)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(shí)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(shí)際使用的SoC和SoH計(jì)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。該電路可以分為三個(gè)部分：

(1)電池檢測：通過一個(gè)直接從電池正極分接出來的阻性衰減器來檢測電池電壓。為檢測電流，將一個(gè)檢測電阻（12 V應(yīng)用一般使用100 mΩ）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。在其他配置中，電池的負(fù)極是地。對于SoH計(jì)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(gè)任務(wù)。第一個(gè)任務(wù)是處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的結(jié)果。這項(xiàng)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(jì)算SoC和SoH。實(shí)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(gè)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(shí)采樣。為了進(jìn)行同步采樣，最多需要增加兩個(gè)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(gè)或三個(gè)8 kS/s、16位Σ-ΔADC，一個(gè)20.48 MHz ARM7TDMI MCU，以及一個(gè)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(gè)用于監(jiān)控電池電壓的電壓衰減器；一個(gè)可編程增益放大器，與100 mΩ電阻一起使用時(shí)，支持測量1 A以下到1 500 A的滿量程電流；一個(gè)累加器，支持庫侖計(jì)數(shù)而無需軟件監(jiān)控；一個(gè)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。

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，這在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(xiǎn)。