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Vishay智能电池传感器:如何帮助维护汽车的电池健康?

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这是一个普通的学校夜晚。您在黑暗的雪夜驾车跨越小镇,去接您的孩子从晚托班回家。您开着电台高音和导航系统 – 您从不关闭它们。这是一个寒冷的夜晚,空调暖风和座椅加热器开在最高档。红灯时您停下了车,汽车的自动停止-启动系统关闭了发动机,以节省燃料。您踩动油门准备发动,但是,没有任何反应。您尝试手动启动汽车,但发动机仅仅发出声音,大灯仍然熄灭。

发生了什么事?汽车里所有的花哨功能和新技术已经耗尽了它的电池,现在您被困在车流中,而您的孩子正在小镇的那头等着你。

这个场景实在太熟悉了,随着新车配备了越来越多的创新系统,这个场景正变得越来越普遍。车载创新系统都依赖于汽车电气系统的一个组成部分:铅酸蓄电池,而它自20世纪50年代以来几乎已无任何创新。

铅酸蓄电池技术

自1912年以来,铅酸蓄电池一直是汽车电气系统的一个组成部分。凯迪拉克是首款充分利用了它的能量、通过引入自我精确电流检测颠覆了汽车行业的汽车:它开启了帮助维护汽车电池健康的时代。由于铅酸蓄电池的性能、耐用性和低成本,它仍然是汽车最可行的能量储存单元。

目前已有许多酝酿中的铅酸蓄电池替代技术:但它们要么太昂贵、要么就易碎或过大。汽车电池中的铅有剧毒是公认的事实,但因为铅是世界上最易回收的金属,环境问题也能得到缓解。据估计,美国所有电池中的铅的97%被回收。

不幸的是,铅酸蓄电池的进步远远无法跟上汽车和卡车中随处可见的技术进步的步伐。根据2010年国际电池(组)委员会的技术小组对最近拆除的电池的故障模式的研究显示,相比5年前,极板/栅架相关故障实际上增加了9%。人们普遍认为,这些故障的增加是由于新车增加的电气系统对电池造成的额外电气压力所导致。

铅酸蓄电池为何损坏

铅酸蓄电池故障有三个主要原因:腐蚀、硫化和酸分层。它们分别由过充电、欠充电和过度使用导致。

腐蚀是指铅板随着时间的推移而分解;最终,它们中的部分可能会彻底变质。电池中铅板的腐蚀是不可避免的,因为它们浸在酸溶液中。当过充电、深度放电和过温等情况出现时,此进程会加快。延长电池寿命的关键不是停止腐蚀,而是管理那些引起它的可控的原因。

当电池无法完全充电时,则可能发生硫化。随着新车中的电子系统的增加,这种情况也更加常见。车辆启动后,铅酸蓄电池需要一定时间来正确地充电。如果汽车从启动状态直接进入怠速,则减小的发动机转速将使发电机无法充分地为电池充电。如果发动机没有充分加速,则可能导致电池损坏。

分层的原因可能与硫化相同。当电池保持在充电不足,仅适度循环而从未完全充电时,则可能发生分层。虽然原因可能是一样的,但发生什么情况是完全不同的。在一个分层的电池中,电解质与电池内包含的液体混合物分离开来,并积存在电池的下部区域。上部区域的较轻的酸导致这部分区域的铅板更容易受到腐蚀,而高浓度的下部区域则可能造成此部分铅板的硫化。

除了腐蚀和硫化的长期影响,分层还会导致在汽车启动时降低起动性能的短期影响。分层还会导致电压读数的虚假上升,对于很多测量系统来说,这使得电池的充电量测量值比实际充电量多。

维护汽车电池健康

关于铅酸技术的以上解释产生的最自然的问题是,如何避免这些故障模式的发生呢?

不幸的是,答案是无法避免。这些故障将不可避免地发生,并且甚至在最好的操作条件下,电池最终也将因腐蚀而损坏。

但是,早期损坏是可以避免的。更重要的是,如果车辆上有一个高级的电池管理系统(BMS),则可以提前通知驾驶员电池将要损坏。

BMS将能够准确地监测所有电池参数,包括电流、电压和温度。如果设备无法监测所有这些参数,它将无法识别电池是处于良好或不良的状态。例如,当确定电池的充电状态(SOC)时,分层导致的电压升高将误导仅考虑电压测量的仪表。BMS会同时检测这三个参数,并将它们提供给用于确定充电状态(SOC)的更高级别的控制器。

SOC基本上是用于估计电池有多少剩余电量。就像汽车的油表,它显示了电池的电量有多“满”。可通过库仑计数来计算SOC。库仑计数是测量流入或流出电池的电流的方法,它随时间进行积分。如果电池的容量是已知的,则计算它的电量很简单。

然而,对于汽车蓄电池来说却并不那么简单。部分原因是因为腐蚀和硫化存在于电池的整个寿命周期。这意味着,电池在其整个寿命周期内都会损失容量。因此,使用几年后,完全充电的电池所储存的电量会少于它全新的时候完全充电可以储存的电量。

健康状态(SOH)读数可帮助测量系统补偿这个随着时间推移而损耗的容量。SOH值给出了相对于原始最大容量的百分比的估计值。新电池的SOH为100%,而旧电池的SOH可能为85%。

如果旧电池已充满电,它会显示一个完全的SOC。但是,因为它是旧电池,它可能最多只能充到原始容量的85%,意味着即使系统显示电池已充满,充电系统停止充电,汽车仍然知道SOC水平将下降得很快,因为它是以较小的标尺来衡量的。一个优秀的BMS系统测得的SOH估计值则可以消除其他测量系统可能会得出的虚假的容量读数。

利用BMS提供的信息

那么如何通过使用BMS数据避免文章开头出现的场景?BMS将监测电池的SOC和SOH。因此,电池在那天晚上之前的数周或数月,汽车就应该开启警示灯或报警了。

当然,驾驶员经常无视警示灯。因此,系统可以感应到即将发生的危险,并关闭非必要的系统,如座椅加热器和收音机,以帮助保持电池的SOC。此外,汽车控制系统会阻止汽车在红灯时关闭发动机,避免它无法再次启动。

Vishay Dale智能电池传感器

可用在汽车BMS系统的理想传感器的一个例子是Vishay Dale智能电池传感器(IBS)。Vishay Dale IBS使用WSBP8518L100分流电阻,测量电池两端的电压、流过电池的充电或放电电流,以及通过电池接线柱和IBS单元本身之间的热传导测得的温度,如图1所示。即使工作条件迅速变化,这三个测量值几乎是同时测量的,以确保精确。Vishay IBS使用LIN通信协议将这些测量结果发送到汽车的ECU或其他控制系统。

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1WSBP8518L100电池传感器的关键特性

WSBP8518L100产品信息

电阻

100µΩ

电压范围

4V18V

电流范围(持续)

±600A

电流范围(脉冲)

±2000A

温度范围

-40°C115°C

 

即使工作条件迅速变化,这三个测量值几乎是同时测量的,以确保精确。Vishay IBS使用LIN通信协议将这些测量结果发送到汽车的ECU或其他控制系统。

Vishay Dale IBS适用于汽车的所有工作条件。其-40°C至115°C的温度额定值使IBS能够在甚至可能损坏最新的铅酸蓄电池的条件下工作。电压测量范围使该单元能够在电池过充和欠充状态下持续检索数据。通过专用软件,该器件能够在电压和温度极限范围内检测完整的电流,使精度的损失最小。

结论

未来的汽车将会有越来越多的电子系统,这将使铅酸蓄电池更难在多年的可靠运行之后保持正确的输出。高性能的BMS系统能够为驾驶员和汽车控制系统提供所需的信息,以延长电池的寿命,并有效地管理故障风险。

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