利用精密电池检测和传感技术降低汽车电气故障

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每五次汽车故障就有一次是电池造成的。在未来数年内，随着电传线控，发动/熄火引擎管理和混合动力（电力/燃气）等汽车技术日益普及，这一问题将变得越来越严重。
为了减少故障，需要精确地检测电池的电压、电流和温度，对结果进行预处理，计算充电状态和运行状态，将结果发送到发动机控制单元 (ECU)，以及控制充电功能。

现代汽车诞生于20 世纪初。第一辆汽车依靠手动启动，需要很大的力量，存在很高的风险，汽车的这种“手摇曲柄”造成了很多死亡事故。1902年，第一台电池启动马达研制成功，到1920 年，所有的汽车都已采用电启动。

最初使用的是干电池，当电能耗尽时，必须予以更换。不久之后，液体电池（即古老的铅酸电池）就取代了干电池。铅酸电池的优点是当发动机工作时，它可以从中充电。

在上世纪，铅酸电池几乎没有什么变化，最后一次主要改进是对其进行密封。真正改变的是对它的需求。起初，电池仅仅用于发动汽车、鸣喇叭和为车灯供电。如今，在点火之前，汽车的所有电气系统都要靠它供电。

激增的新型电子设备不仅仅是GPS和DVD播放器等消费电子设备。如今，发动机控制单元 (ECU)、电动车窗和电动座椅之类的车身电子设备已成为许多基本车型的标准配置。呈指数
级增加的负载已经产生严重影响，电气系统造成的故障日益增多就是明证。根据ADAC和RAC统计，在所有汽车故障中，几乎有36%可归因于电气故障。如果对该数字进行分析，可以发现50%以上的故障是由铅酸电池这一组件造成的。

评定电池的健康状况

以下两个关键特性可以反映铅酸电池的健康状况：
(1) 充电状态 (SoC)：SoC 指示电池可以提供多少电荷，用电池额定容量（即新电池的SoC）的百分比表示。
(2) 运行状态 (SoH)：SoH 指示电池可以储存多少电荷。

充电状态

充电状态指示好比是电池的“燃油表”。计算SoC的方法有很多，其中最常用的有两个：开路电压测量法和库仑测定法（也称库仑计数法）。

(1) 开路电压 (VOC) 测量法：电池空载时的开路电压与其充电状态之间成线性关系。这种计算方法有两个基本限制：一是为了计算SoC，电池必须开路，不连接负载；二是这种测量仅在经过相当长的稳定期后才精确。

这些局限使得VOC 方法不适合在线计算SoC。该方法通常在汽车维修店中使用，在那里电池被卸下，可以用电压表测量电池正负极之间的电压。

(2) 库仑测定法：这种方法用库仑计数求取电流对时间的积分，从而确定SoC。利用该方法可以实时计算SoC，即使电池处在负载条件下。然而，库仑测定法的误差会随着时间推移而增大。

一般是综合运用开路电压和库仑计数法来计算电池的充电状态。



运行状态

运行状态反映的是电池的一般状态，以及其与新电池相比储存电荷的能力。由于电池本身的性质，SoH计算非常复杂，依赖于对电池化学成分和环境的了解。电池的SoH受很多因素的影响，包括充电接受能力、内部阻抗、电压、自放电和温度。

一般认为难以在汽车这样的环境中实时测量这些因素。在启动阶段（引擎起动），电池处在最大负载下，此时最能反映电池的SoH。

Bosch、Hella等领先汽车电池传感器开发商实际使用的SoC和SoH计算方法属于高度机密，常常还受专利保护。作为知识产权的拥有者，他们通常与Varta和Moll等电池制造商密切合作开发这些算法。

图1 所示为电池检测常用的分立电路。


图1:分立电池检测解决方案

该电路可以分为三个部分：

(1) 电池检测：电池电压通过一个直接从电池正极分接出来的阻性衰减器来检测。为检测电流，将一个检测电阻（12V应用一般使用100mΩ）放在电池负极与地之间。在这种配置中，汽车的金属底盘一般为地，检测电阻安装在电池的电流回路中。在其它配置中，电池的负极是地。对于SoH计算，还必须检测电池的温度。

(2) 微控制器：微控制器或MCU主要完成两个任务。第一个任务是处理模数转换器 (ADC) 的结果。这项工作可能很简单，例如仅执行基本滤波；也可能很复杂，例如计算SoC和 SoH。实际的功能取决于MCU的处理能力和汽车制造商的需求。第二个任务是将处理过的数据经由通信接口发送到ECU。

(3) 通信接口：目前，本地互连网络 (LIN) 接口是电池传感器和ECU之间最常用的通信接口。LIN是广为人知的CAN 协议的单线、低成本替代方案。

这是电池检测最简单的配置。然而，大多数精密电池检测算法要求对电池电压与电流，或者电池电压、电流与温度同时采样。为了进行同步采样，最多需要增加两个模数转换器。此外，ADC 和MCU 需要调节电源以便正确工作，导致电路复杂性增加。这已经由LIN 收发器制造商通过集成调节电源而得到解决。

汽车精密电池检测的下一步发展是集成ADC、MCU和LIN收发器，例如ADI公司的ADuC703x 系列精密模拟微控制器。ADuC703x提供两个或三个8 ksps、16位Σ-Δ ADC，一个20.48
MHz ARM7TDMI MCU，以及一个集成LIN v2.0 兼容收发器。ADuC703x 系列片内集成低压差调节器，可以直接从铅酸电池供电。

为了满足汽车电池检测的需求，前端包括如下器件：一个电压衰减器，用于监控电池电压；一个可编程增益放大器，与100mΩ电阻一起使用时，支持测量1A以下到1500A的满量程电
流；一个累加器，支持库仑计数而无需软件监控；以及一个片内温度传感器。

图2所示为采用这种集成器件的解决方案。


图2:采用集成器件的解决方案示例


几年前，只有高档汽车才配有电池传感器。如今，安装小型电子装置的中低档汽车越来越多，而十年前只能在高端车型中见到。铅酸电池所引起的故障数量因此不断增加。过不了几年，每辆汽车都会安装电池传感器，从而降低日益增多的电子装置引发故障的风险。