現(xiàn)在的汽車十分依賴電子產(chǎn)品同時(shí)也是對電池的依賴。持續(xù)不斷的監(jiān)視對于電池的條件來說非常重要，這關(guān)系到汽車的可靠性。每5輛報(bào)廢的汽車中就有一輛是由于電池的原因造成的。近些年來，當(dāng)像電傳線控，發(fā)動/熄火引擎管理和液壓（電子/氣體）助力這些系統(tǒng)汽車技術(shù)普遍使用時(shí)，這個(gè)問題變的越來越嚴(yán)重。降低錯(cuò)誤的數(shù)量，需要精確的感應(yīng)到電池的電壓，電流和溫度；對結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理；計(jì)算電荷狀況和性能狀況，將結(jié)果發(fā)送到ECU；然后控制充電功能。
現(xiàn)代汽車誕生于20世紀(jì)早期。第一輛以車需要手動啟動，這需要力量同時(shí)存在很高的危險(xiǎn)，由于汽車的這種“手柄搖桿”造成了很多死傷。在1902年，第一輛電池啟動馬達(dá)研制成功，到1920年所有的汽車都使用電子起動。最初是使用干電池，但是當(dāng)電能耗盡時(shí)很難更換。需要的是液體電池，古老的鉛酸電池很快取代了干電池。鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動機(jī)工作時(shí)它可以從中自動充電。
在上世紀(jì)，鉛酸電池幾乎沒有什么改變。最后的主要改進(jìn)是使用密封的鉛酸電池。改變的原因是需要在其上放置東西。開始，電池僅僅用在發(fā)動汽車馬達(dá)，喇叭和車燈上?，F(xiàn)在電池用來為汽車內(nèi)安裝的所有電子系統(tǒng)提供動力，優(yōu)先的是電打火。
新型電子設(shè)備的增加不僅僅是消費(fèi)者使用的像GPS，DVD播放器這樣的電子設(shè)備。還有發(fā)動機(jī)控制單元（ECUs），電動車窗和功能座椅這樣的車身電子，這些成為很多模型的基本配置。，很顯然由于電子系統(tǒng)失效造成的報(bào)廢數(shù)量的增加可以看出，這種載荷的指數(shù)增長將系統(tǒng)帶入死亡。
一、評定電池的狀態(tài)
評價(jià)一個(gè)鉛酸電池“狀態(tài)”有兩個(gè)基本品質(zhì)：
（1）充電狀態(tài)（SoC）：SoC顯示可以傳送多少電荷，用電池額定功率（也就是新電池的SoC）的百分比表示。
（2）性能狀態(tài)（SoH）：SoH表示電池可以存儲多少電荷。
二、充電狀態(tài)
充電狀態(tài)就好像電池的“燃料度量”。有很多方法可以計(jì)算SoC，當(dāng)是常用的兩個(gè)方法是，開放電路電壓測量和庫侖分析法測量（也叫作庫侖計(jì)算）。
（1）開電路電壓（VOC）：電池在空載開電路的電壓與充電狀態(tài)線形相關(guān)。這種計(jì)算方法有兩個(gè)局限的限制：為了計(jì)算SoC，電池必須在開放電路中，沒有負(fù)載連接；這種方法僅僅在相當(dāng)穩(wěn)定的時(shí)期才精確。
這些局限使VOC方法不適合串聯(lián)SoC的計(jì)算。該方法通常在汽車店中使用，在那里電池被移開，用電壓表測量通過電池正極和負(fù)極的電壓。
（2）庫侖分析測量法：這種方法使用隨時(shí)間對電流積分計(jì)算庫侖值測量SoC。這使SoC的實(shí)時(shí)計(jì)算測量成為可能，甚至在電池處在負(fù)載條件下。然而庫侖分析測量法會累積錯(cuò)誤。
開電路電壓和庫侖計(jì)算的組和方法通常用來計(jì)算電池的負(fù)載狀態(tài)。
三、性能狀態(tài)
性能狀態(tài)反映的是電池的一般狀態(tài)，和其與新電池相比存儲電荷的能力。SoH計(jì)算非常復(fù)雜同時(shí)依賴對電池化學(xué)成分了解和環(huán)境。一個(gè)電池的SoH受很多因素的影響，包括電荷承受力，內(nèi)部阻抗，電壓，自放電和溫度。這些因素的存在很難在汽車這樣的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。SoH的最好狀態(tài)發(fā)生在啟動階段（引擎工作），此時(shí)電池處在最大負(fù)載下。
汽車電池性能實(shí)際運(yùn)算中，領(lǐng)先的是傳感器開發(fā)者，例如Bosch，Hella和其他的，SoC和 SoH計(jì)算幾乎是保密的大多數(shù)還受專利保護(hù)。作為知識產(chǎn)權(quán)的擁有者，他們通常與電池制造商聯(lián)系密切開發(fā)這些算法，例如Varta 和Moll。
圖1 離散傳感電池解決方案
圖1表示的是傳感電池通常使用的獨(dú)立電路，電路可以分成三個(gè)部分：
（1）電池傳感：電池電壓通過從電池正極分流的阻抗衰減器感應(yīng)。對于感應(yīng)電流，一個(gè)感應(yīng)電阻（12V時(shí)通常100 microohms）被放置在電池負(fù)極和地面之間。這種結(jié)構(gòu)，汽車的金屬底盤一般為地面，這些傳感阻抗安裝在電池的電流回路中。在相對的結(jié)構(gòu)中，電池負(fù)極認(rèn)為是地面。對于SoH計(jì)算，也需要感應(yīng)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)。首先處理A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果。這個(gè)工作可能像完成基本過濾一樣簡單也可能像計(jì)算SoC 和 SoH一樣復(fù)雜。實(shí)際中的作用依賴于MCU的處理能力和汽車制造商的需要。第二項(xiàng)工作是將處理過的數(shù)據(jù)通過通信界面發(fā)送到ECU。
（3）通信界面：目前本地網(wǎng)絡(luò)連接（LIN）是電池傳感器和ECU之間通信最常用的通信界面。LIN是相對于CAN協(xié)議的單線，低成本的解決方案。
這是電池傳感最簡單的可行結(jié)構(gòu)圖。然而同步電池的電壓或電流，或電池電壓，電流和溫度需要更精確的電池感應(yīng)運(yùn)算。這種同步樣本需要增加兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。同時(shí)增加了復(fù)雜性，A/D和 MCU需要調(diào)節(jié)能量供應(yīng)以進(jìn)行正確操作。這已經(jīng)由LIN接收器制造者通過能量調(diào)節(jié)供應(yīng)裝置解決。
擺在汽車精確電池傳感面前的下一個(gè)問題是，一個(gè)整合A/D，MCU和LIN收發(fā)器的裝置。一個(gè)例子是來自Analog Devices Inc 的ADuC703x精確模擬微電子控制器。ADuC703x每秒可選擇三個(gè)或四個(gè)8-k樣本，16比特sigma-delta A/Ds，20.48-MHz ARM7TDMI MCU，和一個(gè)完整的LIN v2.0收發(fā)器。ADuC703x家族通過一個(gè)芯片調(diào)整器直接從鉛酸電池獲得動力。
為了解決汽車電池傳感的需要，前端包括一個(gè)電壓衰減器檢測電池電壓；可編程放大器測量電流，其量程為1A～1，500A，使用時(shí)與100-microohm電阻相連；積聚功能允許不使用軟件下進(jìn)行庫侖計(jì)算；和芯片上的一個(gè)
溫度傳感器。使用這種綜合設(shè)備的解決方案如圖2所示。
Figure 2.
幾年前，只用高端汽車擁有電池傳感器。如今，安裝小型電子配件和小發(fā)明的中低檔汽車正在增加，10年前這些只能在高端汽車中見到。由于鉛酸電池使這些功能不斷增加。過不了多少年，每輛汽車都將安裝電池傳感器，減少由于增加電子設(shè)備導(dǎo)致的報(bào)廢。
About the author
David McKenna (david.mckenna@analog.com) is an applications engineer for the industrial and automotive converters product line at Analog Devices Inc. He graduated from University College Cork in Ireland with a bachelor of electrical and electronic engineering degree.
