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科普知識
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IC傳感器

傳感器延長汽車電池的壽命

發布日期:2022-05-11 點擊率:59

現在的汽車十分依賴電子產品同時也是對電池的依賴。持續不斷的監視對于電池的條件來說非常重要,這關系到汽車的可靠性。每5輛報廢的汽車中就有一輛是由于電池的原因造成的。近些年來,當像電傳線控,發動/熄火引擎管理和液壓(電子/氣體)助力這些系統汽車技術普遍使用時,這個問題變的越來越嚴重。降低錯誤的數量,需要精確的感應到電池的電壓,電流和溫度;對結果進行預處理;計算電荷狀況和性能狀況,將結果發送到ECU;然后控制充電功能。

現代汽車誕生于20世紀早期。第一輛以車需要手動啟動,這需要力量同時存在很高的危險,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,但是當電能耗盡時很難更換。需要的是液體電池,古老的鉛酸電池很快取代了干電池。鉛酸電池的優點是發動機工作時它可以從中自動充電。

在上世紀,鉛酸電池幾乎沒有什么改變。最后的主要改進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,電池僅僅用在發動汽車馬達,喇叭和車燈上。現在電池用來為汽車內安裝的所有電子系統提供動力,優先的是電打火。

新型電子設備的增加不僅僅是消費者使用的像GPS,DVD播放器這樣的電子設備。還有發動機控制單元(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失效造成的報廢數量的增加可以看出,這種載荷的指數增長將系統帶入死亡。

一、評定電池的狀態

評價一個鉛酸電池“狀態”有兩個基本品質:

(1)充電狀態(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(SoH):SoH表示電池可以存儲多少電荷。

二、充電狀態

充電狀態就好像電池的“燃料度量”。有很多方法可以計算SoC,當是常用的兩個方法是,開放電路電壓測量和庫侖分析法測量(也叫作庫侖計算)。

(1)開電路電壓(VOC):電池在空載開電路的電壓與充電狀態線形相關。這種計算方法有兩個局限的限制:為了計算SoC,電池必須在開放電路中,沒有負載連接;這種方法僅僅在相當穩定的時期才精確。

這些局限使VOC方法不適合串聯SoC的計算。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極的電壓。

(2)庫侖分析測量法:這種方法使用隨時間對電流積分計算庫侖值測量SoC。這使SoC的實時計算測量成為可能,甚至在電池處在負載條件下。然而庫侖分析測量法會累積錯誤。

開電路電壓和庫侖計算的組和方法通常用來計算電池的負載狀態。

三、性能狀態

性能狀態反映的是電池的一般狀態,和其與新電池相比存儲電荷的能力。SoH計算非常復雜同時依賴對電池化學成分了解和環境。一個電池的SoH受很多因素的影響,包括電荷承受力,內部阻抗,電壓,自放電和溫度。這些因素的存在很難在汽車這樣的環境中進行實時測量。SoH的最好狀態發生在啟動階段(引擎工作),此時電池處在最大負載下。

汽車電池性能實際運算中,領先的是傳感器開發者,例如Bosch,Hella和其他的,SoC和 SoH計算幾乎是保密的大多數還受專利保護。作為知識產權的擁有者,他們通常與電池制造商聯系密切開發這些算法,例如Varta 和Moll。

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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立電路,電路可以分成三個部分:

(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。對于感應電流,一個感應電阻(12V時通常100 microohms)被放置在電池負極和地面之間。這種結構,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。在相對的結構中,電池負極認為是地面。對于SoH計算,也需要感應電池的溫度。

(2)微控制器:微控制器或MCU主要完成兩個任務。首先處理A/D轉換器的結果。這個工作可能像完成基本過濾一樣簡單也可能像計算SoC 和 SoH一樣復雜。實際中的作用依賴于MCU的處理能力和汽車制造商的需要。第二項工作是將處理過的數據通過通信界面發送到ECU。

(3)通信界面:目前本地網絡連接(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構圖。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運算。這種同步樣本需要增加兩個A/D轉換器。同時增加了復雜性,A/D和 MCU需要調節能量供應以進行正確操作。這已經由LIN接收器制造者通過能量調節供應裝置解決。

擺在汽車精確電池傳感面前的下一個問題是,一個整合A/D,MCU和LIN收發器的裝置。一個例子是來自Analog Devices Inc 的ADuC703x精確模擬微電子控制器。ADuC703x每秒可選擇三個或四個8-k樣本,16比特sigma-delta A/Ds,20.48-MHz ARM7TDMI MCU,和一個完整的LIN v2.0收發器。ADuC703x家族通過一個芯片調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,使用時與100-microohm電阻相連;積聚功能允許不使用軟件下進行庫侖計算;和芯片上的一個溫度傳感器。使用這種綜合設備的解決方案如圖2所示。

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備導致的報廢。

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