微型混合動力汽車中的電池能效管理方案

　　在當(dāng)今的汽車中，不斷增加的電力負(fù)荷給電池帶來了巨大的挑戰(zhàn)。超過半數(shù)因為電力系統(tǒng)導(dǎo)致的汽車故障都可以向上追溯到鉛酸電池，如果了解電池狀態(tài)，這些故障是可以避免的。另外，諸如起停系統(tǒng)（start-stop）或智能交流發(fā)電機控制等微型混合動力汽車的新功能也要求確切地了解電池狀態(tài)。

　　電池管理系統(tǒng)（BMS）可通過快速、可靠地監(jiān)測啟動能力中的充電狀態(tài)（SoC）、健康狀態(tài)（SoH）和功能狀態(tài)（SoF），提供必要的信 息。因此，BMS可以最大限度地降低因為電池意外故障而導(dǎo)致的汽車故障次數(shù)，從而實現(xiàn)最長電池使用時間和最大電池能效，并可以支持二氧化碳減排功能。 BMS的主要元件是智能電池傳感器（IBS），它可以測量電池端電壓、電流和溫度，并計算出電池的狀態(tài)。

　　本文將介紹如何實施使用最先進(jìn)的算法來計算SoC、SoH和SoF的BMS，以及如何在飛思卡爾的鉛酸電池IBS中高效地實施上述功能。

　　1） 簡介

　　過去，汽車電池的充電級別一直是一項無法了解的因素，在許多情況下會導(dǎo)致汽車故障。根據(jù)汽車使用壽命的不同，與電池有關(guān)的故障率可能攀升至10000 ppm 。

　　對汽車電池來說另一個已經(jīng)存在的非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)來自不斷增長的電力與功耗需求，同時還需要降低二氧化碳排放。

　　因為電子系統(tǒng)在汽車創(chuàng)新領(lǐng)域里起著非常重要的作用，所以隨著汽車在舒適性功能、安全相關(guān)功能電子化、混合動力汽車、駕駛輔助和信息娛樂方面的發(fā)展，對電力供應(yīng)的需求也越來越高。

　　在另一方面，越來越多的法規(guī)出臺呼吁減少二氧化碳排放和燃油消耗。

　　為了應(yīng)對上述限制要求，需要采用高級電力管理系統(tǒng)，來確保在各種工作場景中電池都能為引擎啟動提供足夠的電力。

　　2） 電力管理系統(tǒng)

　　通常，支持啟動-停止系統(tǒng)所用的典型供電網(wǎng)絡(luò)包括一個車身控制模塊（BCM）、一個電池管理系統(tǒng)（BMS）、一個發(fā)電機和一個DC/DC轉(zhuǎn)換器（請參見圖1）。

　　BMS通過專用的負(fù)載管理算法為BCM提供電池狀態(tài)信息，通過控制發(fā)電機和DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)固和管理供電網(wǎng)絡(luò)。DC/DC轉(zhuǎn)換器為汽車內(nèi)部的各個電氣元件供電。

　　圖1：典型啟動-停止系統(tǒng)中使用的供電網(wǎng)絡(luò)示例

　　Generator：發(fā)電機；Battery mgmnt system：電池管理系統(tǒng)；Energy：電力；Control：控制；AC/DC Converter：AC/DC 轉(zhuǎn)換器；Consumers：電氣元件

　　通常，鉛酸電池的BMS直接安裝在電池夾的智能連接器中。連接器包括一個低阻值分流電阻（通常在100uOhm范圍內(nèi)）和一個帶有高度集 成設(shè)備的小型PCB，該集成設(shè)備具有準(zhǔn)確的測量和處理功能，稱之為智能電池傳感器（IBS，參見圖2）。IBS即便在最惡劣的條件下也能以高解析度和精確 度測量電池電壓、電流和溫度，并能夠在電池的整個使用壽命中準(zhǔn)確地預(yù)測電池的充電狀態(tài)（SoC）、健康狀態(tài)（SoH）和功能狀態(tài)（SoF）。這些參數(shù)定期 或根據(jù)要求通過一個獲得汽車行業(yè)認(rèn)證的車載網(wǎng)絡(luò)傳送至BCM。

　　圖2：鉛酸電池的典型智能電池傳感器

　　Battery Plus Pole：電池正極；Battery Minus Pole：電池負(fù)極；Chassis ground：底盤接地；Precision measurement battery current， voltage & temperature：精確測量電池電流、電壓和溫度；Determination of key battery characteristics： state of health （soh） state of charge （soc） state of function （sof）：確定主要電池特性：健康狀態(tài)（SoH）、充電狀態(tài)（SoC）和功能狀態(tài)（SoF）；Communication to bcm：與BCM通信

　　除上述功能和參數(shù)功能外，對IBS提出的其他主要要求包括低功耗、能夠在惡劣的汽車行駛環(huán)境中（即EMC和ESD）工作、進(jìn)行汽車OEM 廠商驗收的車載通信接口一致性測試（即，LIN）、滿足汽車等級測試限制（針對被測參數(shù)的六西格瑪限制），另外還需符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　飛思卡爾宣布推出一款完全集成的LIN電池監(jiān)控設(shè)備，它基于Freescale S12 MCU技術(shù)［2］，能夠滿足上述所有參數(shù)要求。該設(shè)備包括三個獨立的測量通道：通過外部分流電阻測量電流；通過直接安裝在電池負(fù)極的串聯(lián)電阻測量電池電 壓；通過集成傳感器測量溫度。采用一個集成LIN 2.1接口直接將傳感器連接至LIN總線，無需其他部件。飛思卡爾IBS完全符合汽車行業(yè)的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　在下面幾章里，我們將為您介紹使用飛思卡爾IBS的BMS的實施方案，以及如何通過使用IBS的硬件特性和定點算法來實現(xiàn)BMS的高效運行。

　　3） 電池監(jiān)控

　　正如第2）部分中所提到的，IBS的主要用途是監(jiān)控電池狀態(tài)，并根據(jù)需要將狀態(tài)變量傳送至BCM或其他ECU。電池監(jiān)控輸入值將使用已測量的電池電流、電池電壓和溫度采樣值。電池監(jiān)控輸出值是SoC、SoH和SoF值。

　　3.1） 充電狀態(tài)

　?。⊿oC） SoC的定義非常直觀，通常以百分?jǐn)?shù)的形式表示。完全充電的電池SoC為100%，完全放電的電池SoC為0%。SoC值隨電池的充電和放電改變。

　　該值通過公式（1）計算，其中Cr代表電池的剩余（可放電）電量，Ca代表電池的可用總電量：

　　但是，有一個問題是可用電池電量常常與電池的標(biāo)稱容量（通常標(biāo)注在電池外殼的標(biāo)簽上）不同。對于一個新電池，它可能比標(biāo)稱容量稍高，對于已經(jīng)使用一段的電池來說，可用電量會降低。另一個問題是，實際可用電量很難根據(jù)IBS的輸入值來確定。

　　因此，SoC通常額定為標(biāo)稱容量Cn，它具有多項優(yōu)勢：

　　●特定SoC的電池的可用總充電電量是已知的，包括舊電池。

　　●測試Cn點的電流（I=Cn/20h）和溫度（27℃）是可確定的

　　庫侖計數(shù)算法是跟蹤SoC快速變化的最佳算法。它基于流進(jìn)和流出電池集成電流并根據(jù)實際情況采納經(jīng)過計算的SoC。公式（2）用于SoC計算，其中Q（t0）表示電池的初始電量，α表示效能因子，i（t）表示電流（正向或負(fù)向），Cn表示電池的標(biāo)稱容量。

　　除了α因子以外，公式中的參數(shù)都非常直觀。這是一個用來描述效能的因子，也稱為Peukert定律［3］ ［4］。它表述了在不同放電率的情況下鉛酸電池的電量。當(dāng)放電率提高時，電池的可用電量將降低。另外一個影響可用電量的參數(shù)是溫度。溫度越高，可用電量也 就越高。兩種效能都使用α描述，因此α值需要采用一個2維數(shù)組（溫度和放電率）。根據(jù)測量到的溫度和放電率，相應(yīng)的值分別用于每一個集成步驟。α值在很大 程度上取決于電池的設(shè)計和化學(xué)組成，通常情況下即使是同一家制造商的不同型號的電池該值也會有所不同。他們通常已經(jīng)在實驗室里通過充電和放電測試。

　　雖然Peukert定律只適用于放電的情況，但也有一個與α值類似的效能因子用于充電周期。除了溫度和充電率以外，實際的SoC 也需要考慮在內(nèi)，因為在高SoC情況下的充電效能小于中等SoC情況下的充電效能。

　　因為綜合了電流值和α值，因此在更改電池條件時產(chǎn)生的誤差、以及電流測量和量化誤差隨著時間的增加變得越來越多。因此，參數(shù)Q（t0） （電流集成的起始點）通常通過一種能夠提供更高精度的不同方法獲得：OCV 方法。OCV是當(dāng)沒有電氣元件從電池中獲取電流時電池兩極之間的電壓。

　　鉛酸電池顯示OCV和SoC之間有良好的線性關(guān)系。因此，通過測量OCV，SoC可以直接計算出來。OCV和SoC之間的確切因子必須表征出來。

　　這種方法的唯一缺陷是，OCV只能在汽車停好以后測量，例如（幾乎）所有電氣元件都關(guān)閉后，或者在汽車熄火后經(jīng)過數(shù)十分鐘甚至小時后再測量。

　　因此，OCV方法常常用于校準(zhǔn)庫侖計數(shù)，庫侖計數(shù)算法連續(xù)運行。這種組合方式提供了一個良好的SoC計算方法，并且可以在一個較長的停車時間內(nèi)，用自放電率糾正SoC來使計算結(jié)果更加精確。

　　3.2） 健康狀態(tài)（SoH）

　　鉛酸電池的各種老化效應(yīng)會對電池使用造成不同的影響［5］。由于很難通過IBS逐個對這些老化效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測和量化，因此SoH的額定值通 常不直接與這些老化效應(yīng)掛鉤。相反，會隨著電池的使用時間增長，容量額定值降低，這是老化的主要結(jié)果。與電池老化有關(guān)的另一個非常重要的參數(shù)是啟動性能； 但是它通常表述為啟動能力的功能狀態(tài)（SoF） （請參見第3.3節(jié)）。

　　因此，SoH通過公式（3）來估計，其中Caged代表老化的電池容量，Cn代表在每個SoC計算中引用的標(biāo)稱容量。

　　因為Cn 是已知的，因此計算SoH的關(guān)鍵任務(wù)是找到Caged。一種可能的方法是在電池的整個使用壽命內(nèi)跟蹤可以到達(dá)的最大電量（或SoC）。如果在隨后進(jìn)行的若 干次完全充電后，電池的最大電量水平低于以前計算的老化容量，則表示老化容量變小。相應(yīng)的，Caged 和SoH必須根據(jù)庫侖計數(shù)和OCV方法確定的容量進(jìn)行調(diào)整。完全充電狀態(tài)可以在充電電流降低至特定門限值以下時監(jiān)測。

　　確定SoH的另外一個方法是跟蹤充電和放電周期，以電池制造商提供的周期穩(wěn)定點取其額定值。通常，制造商會確保在指定溫度和深度下的充電/放電周期總量，例如，在27攝氏度、25%放電深度時500個周期。通過將所有周期額定為上述數(shù)量，并應(yīng)用溫度和充電狀態(tài)校正因子，可支持跟蹤上面提到的Caged值。這些校正因子必須通過表征電池的參數(shù)來確定。但是，這兩種方法通常還會與其他專用算法結(jié)合使用，這些算法考慮了電池使用壽命中的多個電池參數(shù)。

　　在實驗室中進(jìn)行大量的電池參數(shù)表征可確定這些電池參數(shù)，通常只適用于一個特定的電池型號。

　　3.3） 功能狀態(tài)（SoF）

　　對鉛酸電池來說，發(fā)動汽車引擎即便不是最重要的功能，也是非常重要的功能。因此，BMS一個非常重要的任務(wù)是預(yù)測在實際電量條件下是否能夠啟動汽車。啟動預(yù)測通過SoF參數(shù)表示。

　　除了過去“傳統(tǒng)的”停車后再啟動，通過在微型混合動力汽車中引入啟動-停止系統(tǒng)，啟動預(yù)測功能正變得越來越重要。BMS必須與BCM通信并決定是否可以在引擎關(guān)閉后再次啟動，以及是否可以安全地進(jìn)入停止模式。

　　獲取SoF參數(shù)的一個非常好的途徑是通過分析最近的引擎啟動情況、剩余電量（作為SoC和SoH的函數(shù)）和實際溫度。在啟動期間，電池的 內(nèi)部電阻（Ri）需要被記錄下來（通過電壓降和電流來計算）。因為Ri在電池的使用壽命中是相對一致的、并且只是在電池使用壽命結(jié)束前顯著升高，因此Ri 平均值需要在一個特定的門限值以下，以確保安全啟動。在啟動階段老化電池的另一個影響是，從電壓和電流采樣中計算出的Ri值會表現(xiàn)出非線性的趨勢［5］， 即，對于同等電壓樣本會有不同的電流值。而對于新電池來說，Ri是線性的。請參見圖3和圖4了解啟動過程中常見的電壓和電流趨勢。

　　圖3：啟動電壓趨勢

　　圖4：啟動電流趨勢

　　綜合Ri（通過電壓降和電流來計算）、電池剩余電量和實際溫度，可以很好地指示啟動能力。同樣，這些門限值也必須通過電池參數(shù)表征來確定。

　　為了使用必要的準(zhǔn)確值來確定Ri的線性或非線性行為，所有在啟動階段取樣的電壓和電流值都需要使用一個線性過濾器來過濾，優(yōu)選采用帶通過濾器。