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

ADI公司應用工程師 David McKenna

汽車故障中近五分之一是由電池引起的。在未來數年內，隨著電傳線控、發動/熄火引擎管理和混合動力（電力/燃氣）等汽車技術的日益普及，這一問題將變得越來越嚴重。

為了減少故障，需要精確地檢測電池的電壓、電流和溫度，對結果進行預處理，計算充電狀態和運行狀態，將結果發送到發動機控制單元(ECU)，以對充電功能實現控制。

現代汽車誕生于20世紀初。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）取代了干電池。鉛酸電池的優點是當發動機工作時，它可以從中充電。

在上世紀，鉛酸電池幾乎沒有什么變化，最后一次改進主要是對其進行密封。真正改變的是對它的需求。起初，電池僅僅用于發動汽車、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都要靠它供電。

如今，不僅僅是GPS和DVD播放器等消費電子設備激增，發動機控制單元(ECU)、電動車窗和電動座椅之類的車身電子設備也已成為許多基本車型的標準配置。呈指數級增加的負載已經產生嚴重影響，電氣系統造成的故障日益增多就是明證。根據ADAC和RAC統計，在所有汽車故障中，幾乎36%可歸因于電氣故障。對該數字的分析可以發現，50%以上的故障是由鉛酸電池這一組件造成的。

以下兩個關鍵特性可以反映鉛酸電池的健康狀況：

(1)充電狀態(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(SoH)：SoH指示電池可以儲存多少電荷。

充電狀態

充電狀態指示好比是電池的“燃油表”。計算SoC的方法有很多，其中最常用的有兩種：開路電壓測量法和庫侖測定法（也稱庫侖計數法）。

(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之間成線性關系。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，不連接負載；二是這種測量僅在經過相當長的穩定期后才達到精確。

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極之間的電壓。

(2)庫侖測定法：這種方法用庫侖計數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法來計算電池的充電狀態。

運行狀態

運行狀態反映的是電池的一般狀態以及相比于新電池的儲存電荷的能力。電池本身的性質決定了SoH計算非常復雜，并依賴于對電池化學成分和環境的了解。電池的SoH受很多因素的影響，包括充電接受能力、內部阻抗、電壓、自放電和溫度。

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

Bosch、Hella等領先汽車電池傳感器開發商實際使用的SoC和SoH計算方法屬于高度機密，常常還受專利保護。作為知識產權的擁有者，他們通常與Varta和Moll等電池制造商密切合作開發這些算法。

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部分：

(1)電池檢測：通過一個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，將一個檢測電阻（12 V應用一般使用100 mΩ）放在電池負極與地之間。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。第一個任務是處理模數轉換器(ADC)的結果。這項工作可能很簡單，例如僅執行基本濾波；也可能很復雜，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。第二個任務是將處理過的數據經由通信接口發送到ECU。

(3)通信接口：目前，本地互連網絡(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。為了進行同步采樣，最多需要增加兩個模數轉換器。此外，ADC和MCU需要調節電源以便正確工作，導致電路復雜性增加。這已經由LIN收發器制造商通過集成調節電源而得到解決。

汽車精密電池檢測的下一步發展是集成ADC、MCU和LIN收發器，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 kS/s、16位Σ-ΔADC，一個20.48 MHz ARM7TDMI MCU，以及一個集成LIN v2.0兼容收發器。ADuC703x系列片內集成低壓差調節器，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：一個用于監控電池電壓的電壓衰減器；一個可編程增益放大器，與100 mΩ電阻一起使用時，支持測量1 A以下到1 500 A的滿量程電流；一個累加器，支持庫侖計數而無需軟件監控；一個片內溫度傳感器。

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故障的風險。