摘要
本文描绘了智能电池传感器（IBS）怎么协助坚持适宜的电池功用，要点介绍电阻式传感器的用处并解说其在轿车运用中的相关功用。本文还介绍了对IBS器材的一项实践测验以及用于承认其精度的实验室测验。别的本文还介绍了IBS器材怎么用于轿车运用，评论其在可再生能源范畴的实用性，并将其与其他电池监控技能进行比较。
导言
现代轿车需求进一步进步功率来满意未来燃油经济性规范的要求。这一功率提高与轿车电气体系的立异大有联系。这些技能立异触及许多范畴，如起停、线控驱动和线操控动体系等等。但这些新技能有一大缺陷，这便是它们全都依赖于电气体系的同一部件：铅酸电池，而该部件自上世纪50年代以来就没有多大立异。适宜的电池办理将是支撑未来规划立异持续下去的关键地址，这可运用智能电池传感器（IBS）来完成。IBS单元可对电池的电流、电压和温度（IVT）进行精确和按需（on-demand）丈量。依据丈量信息可进行精确的“充电状况”和“健康状况”核算，然后确保电气体系在最高功率下作业。
图1. 智能电池传感器
IBS概述
IBS 是用于铅酸电池办理的完好丈量体系。这些部件可丈量流经电池的充电或放电电流，电池端子之间的电压，以及电池的温度（经过丈量电池接线柱与 IBS 单元自身之间的导热性）。这三项丈量简直一同进行，以确保丈量精确性（即使是在快速改动的条件下）。IBS可运用LIN通信协议将这些丈量成果发送至轿车的电子操控单元（ECU）或其他操控体系。LIN是面向轿车环境的一种牢靠通信协议，具有超卓的容噪性。LIN总线在大多数新产品上已有供应，或许可运用简略的微操控器轻松开发出来（当在其他轿车或非轿车运用中运用IBS时）。
IBS 单元应当可以习惯全规模的轿车作业条件。例如，–40℃至+115℃的作业温度使其可以习惯那些乃至会给最新、最先进铅酸电池构成危害的作业条件。此外，高作业电压规模使IBS单元可以在电池过充电和欠充电条件下持续取回数据。它还应当可以在电压和温度规模的极大和极小条件下以最小的精度丢失来监控完好的电流规模。
IBS精度
IBS的中心部分是专为感测电池电流而规划的分流器。 IBS的精细内部电子元件的牢靠性应当足以习惯在现代轿车的发动机机罩下环境中作业的要求，并在感测分流器上的压降时坚持精度。IBS和集成电子元件有必要习惯一切12 V轿车起动电流，一同使差错最大值在整个丈量和电池温度规模内约束到0.5%（±30 mA差错）。
除了电流感测才能之外，IBS的另一个长处是电池温度传感器和电压传感器全都包括在一个器材中。因而，例如咱们假定IBS的电压丈量精度在4 V至18 V的电压规模和整个电池作业温度规模内为± 50 mV，而电池温度传感器在整个温度规模的外缘处的最大差错为3℃。铅酸电池的温度规模上限一般为+60℃，作业中的实践下限不小于0℃。在这些实践温度规模内，咱们的示例IBS的温度差错不超越1℃（拜见下文图2供应的更多信息）。该精度足以设置关停正告和界说电池在一切作业条件下的电流限值。使一切这些传感器包括于一个器材可消除对额定传感器或用于取回该信息的其他体系的需求，然后协助防止本钱上升。一切丈量值以一个数据包经过LIN总线回来，确保 IBS供应对一切电池参数的精确、实时和相关联的丈量成果。
图2. IBS细节示例
轿车运用
现代轿车的电气负荷
在现代轿车运用中知道电池的健康和充电状况十分重要。比如起停、线控驱动和液压体系向电气体系的改动等立异技能添加了轿车电池体系的负荷，而驾驭员现已将其自身和周围其他人的安全寄托在该体系上。IBS让轿车可以依照从“舒适相关”到“安全攸关”的等级来区别这些电气负荷的优先级。轿车因而可以以合理的次序关停这些体系，以提示驾驭员行将产生的电池问题，确保其人身安全。
起停技能
起停技能已在混合动力车上运用多年，现在开端作为规范体系用于传统内燃机（%&&&&&%E）轿车。但起停技能仍有一个需求处理的重要问题，这便是12 V电池体系。仅仅在乡镇中一次正常驾驭期间的额定发动机重启次数就足以运用完传统铅酸电池的电量乃至给其构成损坏，这也是大多数具有起停功用的轿车运用吸附式玻璃纤维棉（AGM）电池的原因地址。尽管AGM电池增强了轿车运用起停技能的才能，但在轿车封闭本死后依然需求持续运转的那些体系（包括ECU、安全监控、照明、导航、空调操控及一般舒适体系）依然留有问题。这些体系要耗费许多电池电量，如不进行亲近监控，有或许使电池损坏。现在的起停体系经过在轿车中止时封闭舒适体系或许按例经过重启发动机来处理该问题，以确保电池在泊车期间得到充电。适宜的电池办理传感器可以更好地确保电池的安全作业。这可以经过使中止的轿车仅在肯定需求时重启发动机来进一步改进燃油经济性。在电池状况处于已知安全作业规模内时，它乃至答应轿车的舒适体系间歇性地发动和封闭，然后向驾驭员供应更舒适的车内体会。
混合动力车
混合动力车有两种首要类型：串联式混合和并联式混合。在串联式混合中，内燃机并不实践推进轿车向前，而是用于给发电机供电和给车载电池充电。在并联式混合中，电动机和内燃机都衔接到传动体系。这使两套设备能在高需求到来时马上一同供应驱动力，或许在低需求时只经过电动机供应驱动力。这种形式答应内燃机将电动机用作发电机，在需求时给电池充电。两种规划都可内含高压电池组，用于贮存供应电动机的电力。为了从每种规划中取得最大功率，该电池组需求由精确的电池办理体系进行亲近监控。
电动车
电动车根据纯电动驱动体系，轿车上根本就没有内燃机。在纯电动车（FEV）中，轿车或货车自身的电池是电动机和一切规范电气体系的仅有电力来历。杰出的电池办理体系在此类轿车中比其他类型轿车中都愈加重要。这是由于假如电池电量用完了，轿车就失去了动力来历。纯电动车中的电池一般由串联或并联的电池单元堆叠组成，用以取得所需的输出电压。这些电池单元堆叠中的每一个都应当包括其自身的电池办理体系，以确保当一个电池单元产生毛病时不会拖累整个电池体系。
其他传感技能
开环霍尔效应传感器
牢靠性是许多其他监控技能在轿车运用中体现不甚抱负的原因之一。由于本钱、尺度和丈量规模的原因，开环霍尔效应传感器实践上是仅有具有可比性的电池监控技能。此种传感器运用了霍尔效应，亦即经过在带电导线周围构成的磁场来丈量流经该导线的电流。电流互感器无法与直流轿车电气体系一同运用，关于被丈量的电流值而言，闭环霍尔效应传感器本钱太高，尺度太大 ［1］。开环霍尔效应传感器的最大特点是，由于实践上它并不在电流途径之中，所以在丈量电流时没有电能损耗，但这是以献身精度和牢靠性为价值换来的 ［1］。
与分流器感测有关的问题
由于 IBS 在丈量电流时要运用其中心元件电阻性分流器，因而存在与其“在电路中”有关的损耗。但经过运用阻值极低的分流器，该损耗对电流规模的很大一部分发是可疏忽的。例如，一个100μΩ分流器在100 A电流下只会构成1 W电能损耗。在运用12 V电池供应100 A电流的状况下，这相当于0.083%电能损耗。关于在实践测验中观测到的电流值，分流器损耗在3 A规范作业电流下为900μW，在350 A短时最大起动电流尖峰下为 12.25 W。在实践测验中，35英寸、4-AWG 正极电池电缆的阻值为788μΩ ［2］。这意味着仅正极电池电缆中的电能损耗就为IBS中的电能损耗的近八倍之多。运用此类低阻值分流器应当答应IBS单元在± 600 A（接连）和 ± 2，000 A（不超越900 J的脉冲运用）的电流规模内作业。
由于霍尔效应传感器并不直接衔接至带电导线，因而外力会构成磁场丈量成果具有显着差错 ［1］。单是地球磁场就会构成 0.4 A 差错，更不用说提轿车内部的其他线圈、导体和电动机/发电机所产生的磁场了 ［1］。“在电路中”意味着与霍尔效应传感器比较，运用 IBS 时由外部搅扰构成的差错小许多。在任何车内条件下，IBS 单元的最大电流感测差错应当为 0.5 % + 差错（30 mA），这与运用霍尔效应传感器时可观测到的由地球磁场引起的差错是相同的（只需改动 80A 电流的活动方向即可丈量到这一差错）［1］。
开环霍尔效应传感器存在与其自身有关的天然差错，乃至在零电流时也是存在的 ［1］。该差错受温度影响很大，即使是优秀的传感器也有可达0.5%的规范偏移。要解说该差错改动的原因需求一个额定温度传感器 ［1］。霍尔效应传感器的最终缺陷是，由于输出如此严峻依赖于传感器的方位，所以或许需求进行电路内校准。IBS的电流丈量全都以0 A为中心，除了噪声以外，无需考虑天然差错的问题。电阻性分流器的电阻温度系数（TCR）在IBS的宽作业温度规模内会构成读数差错。经过处理技能和运用现有的车载传感器，可核算出该系数而且只会对丈量成果具有最小影响，绝不会超出额定精度。这些核算和其他核算全都预装于IBS单元，所以它真的是一种即插即用器材，无需二次或体系内校准。
实践观测成果
咱们运用IBS进行了实践城市驾驭测验，测验中IBS衔接到负极电池接线柱（和在任何轿车运用中相同），以便对电池进行监控。咱们以相同方法进行了两次独立的驾驭测验。所选驾驭道路围绕着内布拉加斯州哥伦布市区。挑选该道路的原因是为了取得对规范早晨通勤状况的近似，不会中止交通流，也不会使测验被其他驾驭员打断。第一个测验是仿照起停测验，具体状况是，轿车在抵达预订地址时彻底中止（其间路过12个街区，泊车6次）并当即封闭发动机。记载泊车时刻，在15秒泊车间隔时刻往后，发动发动机并康复行进运动。第二个测验尽量仿照第一个测验，但有一个破例：轿车永久不封闭发动机。泊车持续时刻也是15秒钟。对道路、最大车速和加速度全都进行监控，以尽量严格地仿照第一个测验。对这些测验成果的比较显现，与当今大多数轿车和货车的规范轿车体系比较，起停体系给电池构成了很大的担负。别的，起停测验成果还显现了作为轿车感测体系的 IBS在实在轿车环境中的有效性。
图3. 运用IBS的实践起停测验
图4. 运用IBS的实践驾驭测验
两次实践驾驭测验的成果如图3和图4所示。这个简略测验证明咱们需求牢靠和精细的电池监控体系。每次测验只持续6分钟时刻，其间有6次15秒钟泊车。起停测验中与这6次泊车有关的重启比正常驾驭测验中多需求 1，528 库仑电荷。与测验开端时比较，起停测验结束时乃至有 135 库仑的电荷净削减。如图 4 所示，正常驾驭测验有一个初度起动，但在随后的电荷丢失之后有一个施加至电池的净电荷，这说明了电池低效的原因。
测验是对在内布拉斯加州哥伦布市早晨开车上班时的状况的短时仿照，交通堵塞在那里并不是多大的问题，测验电池是簇新的。假如这是轿车在交通拥堵时刻脱离洛杉矶或慕尼黑，则泊车次数与驾驭时刻比较或许糟得多。假如电池较弱的轿车遇上了长时刻走走停停的交通状况，则简略幻想，电池电量或许低到在某次泊车后无法再重启发动机。假如轿车或货车装备了 IBS，则发动机操控体系就能精确地监控电池电量，并确认其重启发动机的才能。
IBS 是电池电量耗费敏捷问题的完好处理计划。它可以精确地丈量一切需求监控的电池参数，以完成精确的电池健康状况猜测。这些丈量如图 5（取自图 3 中起停测验的结尾）所示。该图显现了从 IBS 发送的原始数据，其将被中心操控器接纳并用作电池健康信息。
图5. IBS丈量的电流、电压和温度值
其他运用
IBS单元是轿车运用的抱负挑选，但也很合适许多其他运用。大多数不间断电源（UPS）运用的都是铅酸电池，这些电池和轿车中的电池相同都需求进行监控。知道备用电池的健康状况不仅可确保电池在需求时可以发挥作用，还能延伸电池的总寿数长度，以显着节约本钱。高尔夫推车、电动叉车及私家车全都包括由铅酸电池供电的电动机。知道这些电池的充电状况使体系可以在需求充电时提示用户。IBS 单元还答应体系约束电流耗费（如经过约束高尔夫推车的最大速度），以进一步延伸剩下电池续航时刻，并答应运用者在再次充电前行进更远的间隔。
安全运用中（如应急照明和医用床）中也需求 IBS 单元。应急照明设备是由电池供电的备用光源。电池监控使装置人员可以精确地知道何时其将无法再供应足够的电力来确保所需时长的照明，与定时替换电池比较，这有助于节约本钱。IBS 还会确保电池电量缺乏的状况会被注意到，然后尽早进行替换，确保应急灯在紧急状况期间可以运用。每张医用床都有一个铅酸电池后备体系，用于确保生命攸关的患者体系乃至在电源和/后备发电机毛病时也能持续运用 ［8］。假如这些电池中的某一电池在紧急状况产生时处于低健康状况，则有或许危及患者的生命。与传统感测体系比较，IBS 可以更好地监控电池的健康状况。
可再生能源运用是IBS单元体现超卓的另一个范畴。最显着的范畴是电池由可再生能源充电并用作后备电源或足够电源的场合，如离网（off-grid）运用和休闲车辆。IBS 在此类运用中的功用与其在轿车或 UPS 中的功用差不多。但在可再生能源范畴有多得多的运用。其中之一是用于最大功率点盯梢（MPPT）电路。不同电流和电压下的太阳能电池板最大输出功率取决于影响电池板的条件 ［3］，IBS 可用于监控电池板的电流和电压输出。经过结合 IBS 丈量与 MPPT 算法和简略的转换器电路，一个电池板或电池板阵列的总功率输出与传统体系比较可添加多达 30% ［3］。该额定输出功率添加多于由于电阻性感测元件构成的任何功率损耗 ［3］。这一添加还会大大削减太阳能体系的本钱-功率比，由于电池板是迄今最贵重的部件 ［3］。
结束语
智能电池传感器（IBS）单元对恶劣轿车环境的习惯才能使它十分可以担任许多其他户内/野外运用。这一牢靠性以及精确丈量一切参数的才能使这些器材简直合适任何电池监控运用。未来的轿车功率提高需求在一切轿车中选用规模更大的能源办理计划。包括于轿车电气体系的 IBS 有助于完成根据卓有成效的铅酸电池的更进一步和更大的技能立异，以及更新的混合动力及电动车电池技能。
