評定電池的健康狀況哪些關(guān)鍵特性能夠反映？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-16 21:57
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轎車毛病就有一次是電池造成的。在未來數(shù)年內(nèi)，跟著電傳線控，發(fā)動/熄火引擎辦理和混合動力（電力/燃?xì)猓┑绒I車技術(shù)日益普及，這一問題將變得越來越嚴(yán)重。
為了減少毛病，需要準(zhǔn)確地檢測電池的電壓、電流和溫度，對成果進(jìn)行預(yù)處理，核算充電狀況和運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，將成果發(fā)送到發(fā)動機(jī)控制單元 （ECU），以及控制充電功能。
現(xiàn)代轎車誕生于20 世紀(jì)初。第一輛轎車依靠手動發(fā)動，需要很大的力量，存在很高的風(fēng)險，轎車的這種“手搖曲柄”造成了許多死亡事故。1902 年，第一臺電池發(fā)動馬達(dá)研制成功，到1920 年，所有的轎車都已采用電發(fā)動。
最初運(yùn)用的是干電池，當(dāng)電能耗盡時，必須予以更換。不久之后，液體電池（即陳舊的鉛酸電池）就取代了干電池。鉛酸電池的長處是當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，它能夠從中充電。
在上世紀(jì)，鉛酸電池幾乎沒有什么變化，最后一次首要改進(jìn)是對其進(jìn)行密封。真正改變的是對它的需求。起先，電池僅僅用于發(fā)動轎車、鳴喇叭和為車燈供電?，F(xiàn)在，在焚燒之前，轎車的所有電氣系統(tǒng)都要靠它供電。
激增的新型電子設(shè)備不僅僅是GPS和DVD播放器等消費(fèi)電子設(shè)備?，F(xiàn)在，發(fā)動機(jī)控制單元 （ECU）、電動車窗和電動座椅之類的車身電子設(shè)備已成為許多基本車型的規(guī)范裝備。呈指數(shù)級增加的負(fù)載已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，電氣系統(tǒng)造成的毛病日益增多就是明證。根據(jù)ADAC 和RAC 核算，在所有轎車毛病中，幾乎有36%可歸因于電氣毛病。假如對該數(shù)字進(jìn)行分析，能夠發(fā)現(xiàn)50%以上的毛病是由鉛酸電池這一組件造成的。
評定電池的健康狀況以下兩個關(guān)鍵特性能夠反映鉛酸電池的健康狀況：
（1） 充電狀況 （SoC）：SoC 指示電池能夠供給多少電荷，用電池額外容量（即新電池的SoC）的百分比表明。
（2） 運(yùn)轉(zhuǎn)狀況 （SoH）：SoH 指示電池能夠貯存多少電荷。充電狀況充電狀況指示好比是電池的“燃油表”。核算SoC 的辦法有許多，其中最常用的有兩個：開路電壓丈量法和庫侖測定法（也稱庫侖計數(shù)法）。
（1） 開路電壓 （VOC） 丈量法：電池空載時的開路電壓與其充電狀況之間成線性關(guān)系。這種核算辦法有兩個基本限制：一是為了核算SoC，電池必須開路，不連接負(fù)載；二是這種丈量僅在經(jīng)過相當(dāng)長的穩(wěn)定時后才準(zhǔn)確。這些限制使得VOC 辦法不適合在線核算SoC。該辦法一般在轎車修理店中運(yùn)用，在那里電池被卸下，能夠用電壓表丈量電池正負(fù)極之間的電壓。
（2） 庫侖測定法：這種辦法用庫侖計數(shù)求取電流對時間的積分，然后確定SoC。利用該辦法能夠?qū)崟r核算SoC，即使電池處在負(fù)載條件下。然而，庫侖測定法的差錯會跟著時間推移而增大。
一般是綜合運(yùn)用開路電壓和庫侖計數(shù)法來核算電池的充電狀況。
運(yùn)轉(zhuǎn)狀況運(yùn)轉(zhuǎn)狀況反映的是電池的一般狀況，以及其與新電池相比貯存電荷的才能。由于電池本身的性質(zhì)，SoH 核算非常復(fù)雜，依賴于對電池化學(xué)成分和環(huán)境的了解。電池的SoH 受許多要素的影響，包含充電接受才能、內(nèi)部阻抗、電壓、自放電和溫度。
一般認(rèn)為難以在轎車這樣的環(huán)境中實(shí)時丈量這些要素。在發(fā)動階段（引擎起動），電池處在最大負(fù)載下，此時最能反映電池的SoH。
Bosch、Hella 等搶先轎車電池傳感器開發(fā)商實(shí)際運(yùn)用的SoC和SoH 核算辦法歸于高度機(jī)密，常常還受專利保護(hù)。作為知識產(chǎn)權(quán)的擁有者，他們一般與Varta 和Moll 等電池制造商親近合作開發(fā)這些算法。
分立電池檢測解決方案該電路能夠分為三個部分：
（1） 電池檢測電池電壓通過一個直接從電池正極分接出來的阻性衰減器來檢測。為檢測電流，將一個檢測電阻（12V使用一般運(yùn)用100mΩ）放在電池負(fù)極與地之間。在這種裝備中，轎車的金屬底盤一般為地，檢測電阻裝置在電池的電流回路中。在其它裝備中，電池的負(fù)極是地。關(guān)于SoH 核算，還必須檢測電池的溫度。
（2） 微控制器微控制器或MCU 首要完成兩個使命。第一個使命是處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的成果。這項(xiàng)工作或許很簡單，例如僅執(zhí)行基本濾波；也或許很復(fù)雜，例如核算SoC 和 SoH。實(shí)際的功能取決于MCU 的處理才能和轎車制造商的需求。第二個使命是將處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)由通訊接口發(fā)送到ECU。
（3） 通訊接口現(xiàn)在，本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 接口是電池傳感器和ECU 之間最常用的通訊接口。LIN 是廣為人知的CAN 協(xié)議的單線、低成本代替方案。
這是電池檢測最簡單的裝備。然而，大多數(shù)精細(xì)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(jìn)行同步采樣，最多需要增加兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，ADC 和MCU 需要調(diào)節(jié)電源以便正確工作，導(dǎo)致電路復(fù)雜性增加。這已經(jīng)由LIN 收發(fā)器制造商通過集成調(diào)節(jié)電源而得到解決。轎車精細(xì)電池檢測的下一步開展是集成ADC、MCU 和LIN收發(fā)器，例如ADI 公司的ADuC703x 系列精細(xì)模擬微控制器。
ADuC703x 供給兩個或三個8 ksps、16 位Σ-Δ ADC，一個20.48MHz ARM7TDMI MCU，以及一個集成LIN v2.0 兼容收發(fā)器。ADuC703x 系列片內(nèi)集成低壓差調(diào)節(jié)器，能夠直接從鉛酸電池供電。為了滿足轎車電池檢測的需求，前端包含如下器材：一個電壓衰減器，用于監(jiān)控電池電壓；一個可編程增益放大器，與100mΩ 電阻一起運(yùn)用時，支持丈量1A 以下到1500A 的滿量程電流；一個累加器，支持庫侖計數(shù)而無需軟件監(jiān)控；以及一個片內(nèi)溫度傳感器。
圖2 所示為采用這種集成器材的解決方案。
圖2. 采用集成器材的解決方案示例幾年前，只有高檔轎車才配有電池傳感器?，F(xiàn)在，裝置小型電子設(shè)備的中低檔轎車越來越多，而十年前只能在高端車型中見到。鉛酸電池所引起的毛病數(shù)量因而不斷增加。過不了幾年，每輛轎車都會裝置電池傳感器，然后下降日益增多的電子設(shè)備引發(fā)毛病的風(fēng)險。
鋰電池防火需要建立具有戰(zhàn)略縱深的多道防線。除了電池內(nèi)部盡可能使用不可燃或難燃材料讓電池具有本質(zhì)安全性能外，電池外部的第一道防線是防止發(fā)生導(dǎo)致電池過熱著火的各種誘因，比如過充、短路、撞擊等，這就需要對電氣系統(tǒng)進(jìn)行安全設(shè)計。
當(dāng)?shù)谝坏婪谰€被突破后（比如電池管理系統(tǒng)發(fā)生故障未能及時切斷充電電源），電池溫度升高，監(jiān)控系統(tǒng)中的溫度傳感器或氣體、煙霧探測器等應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)故障并報警，提醒工作人員處理故障，消除火災(zāi)誘因。此為第二道防線。
當(dāng)故障未及時處理、第二道防線被突破后，電池燃燒（陰燃）已無法避免，此時消防系統(tǒng)要做的是將燃燒限制在發(fā)生故障的電池盒（或箱）內(nèi)（containment)，并能隔離相鄰的未著火的電池和設(shè)備，避免火勢擴(kuò)大（isolation)。由于鋰離子電池?zé)崾Э睾鬁囟葮O高，現(xiàn)有的非水系滅火劑如氣體、干粉無法將電池溫度迅速降下來，滅火效果不太理想。因此將電池防火目標(biāo)設(shè)定為控火（controlledburn-down)，是一種比較現(xiàn)實(shí)的方案，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。此為第三道防線。
如果控火失敗火情擴(kuò)大，對人員財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，則需要啟動在車內(nèi)安裝的固定式水基滅火系統(tǒng)或等待消防隊來滅火。
一般來說，第一道和第二道防線由電池制造商或電動汽車制造商考慮。作為消防專業(yè)人士，可為客戶建立牢固的第三道防線，根據(jù)電池的具體型號規(guī)格性能進(jìn)行方案定制，方案所使用的部件來自世界各地，不限于某一種設(shè)備或材料。
聚合物鋰離子電池在全球技術(shù)成熟并商業(yè)化已經(jīng)2年多時間了，雖然銷量在快速增長，但其市場份額尚低于10%，與液態(tài)鋰電90%的市場份額無法相比，大大低于人們的預(yù)期。由于各種原因，目前市場上聚合物的價格普遍要高于液態(tài)鋰電，但是，由于移動電器的競爭模式正在悄悄地發(fā)生變化，特別是聚合物電池給移動電器帶來的設(shè)計價值創(chuàng)新（如4mm厚度以下的優(yōu)越性能、大型規(guī)格電池），聚合物電池正被越來越多的手機(jī)、移動DVD等設(shè)計人員所認(rèn)識，因而聚合物廠商還是信心十足，堅信聚合物的時代一定會到來。可以從手機(jī)的發(fā)展看聚合物鋰離子電池的發(fā)展趨勢。目前手機(jī)有以下幾個發(fā)展趨勢：
(1)手機(jī)本身向小型化、超薄化方向發(fā)展，以方便消費(fèi)者的攜帶；
(2)手機(jī)設(shè)計的個性化，表現(xiàn)在設(shè)計理念已經(jīng)不再是原來方方正正的形狀，不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計造型成為手機(jī)設(shè)計美學(xué)化的主流；
(3)使用彩屏、手機(jī)功能的不斷增加。為了使手機(jī)小型化，電池減小、減薄是一個最有效的途徑。4mm以下厚度電池有成為薄型手機(jī)配置的主流趨勢，從性價比來講，這是聚合物的特長。不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計造型的手機(jī)給電池留下的有效空間變成了不規(guī)則形狀。液態(tài)的長方型不能有效利用空間，容量較低，而疊片式聚合物可以將這種不規(guī)則空間最有效地利用起來，使容量放大。最近TCL金能公司推出的圓弧型電池、梯形電池、背包電池能使手機(jī)比使用相應(yīng)規(guī)格的液態(tài)電池容量增加50%以上。手機(jī)功能越來越多，導(dǎo)致耗電越來越多。要求電池容量相應(yīng)地增加。在不增加電池厚度的情況下，聚合電池是有明顯優(yōu)勢的。與此相似，筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、小靈通手機(jī)、移動DVD等電器都在向移動、便攜化方向發(fā)展，都配上了液晶顯示，而且功能在不斷增多，液晶屏幕在不斷增大。這些都給聚合物鋰離子電池提供了無限的商機(jī)。
鋰電池防火需要建立具有戰(zhàn)略縱深的多道防線。除了電池內(nèi)部盡可能使用不可燃或難燃材料讓電池具有本質(zhì)安全性能外，電池外部的第一道防線是防止發(fā)生導(dǎo)致電池過熱著火的各種誘因，比如過充、短路、撞擊等，這就需要對電氣系統(tǒng)進(jìn)行安全設(shè)計。
當(dāng)?shù)谝坏婪谰€被突破后（比如電池管理系統(tǒng)發(fā)生故障未能及時切斷充電電源），電池溫度升高，監(jiān)控系統(tǒng)中的溫度傳感器或氣體、煙霧探測器等應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)故障并報警，提醒工作人員處理故障，消除火災(zāi)誘因。此為第二道防線。
當(dāng)故障未及時處理、第二道防線被突破后，電池燃燒（陰燃）已無法避免，此時消防系統(tǒng)要做的是將燃燒限制在發(fā)生故障的電池盒（或箱）內(nèi)（containment)，并能隔離相鄰的未著火的電池和設(shè)備，避免火勢擴(kuò)大（isolation)。由于鋰離子電池?zé)崾Э睾鬁囟葮O高，現(xiàn)有的非水系滅火劑如氣體、干粉無法將電池溫度迅速降下來，滅火效果不太理想。因此將電池防火目標(biāo)設(shè)定為控火（controlledburn-down)，是一種比較現(xiàn)實(shí)的方案，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)。此為第三道防線。
如果控火失敗火情擴(kuò)大，對人員財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，則需要啟動在車內(nèi)安裝的固定式水基滅火系統(tǒng)或等待消防隊來滅火。
一般來說，第一道和第二道防線由電池制造商或電動汽車制造商考慮。作為消防專業(yè)人士，可為客戶建立牢固的第三道防線，根據(jù)電池的具體型號規(guī)格性能進(jìn)行方案定制，方案所使用的部件來自世界各地，不限于某一種設(shè)備或材料。
聚合物鋰離子電池在全球技術(shù)成熟并商業(yè)化已經(jīng)2年多時間了，雖然銷量在快速增長，但其市場份額尚低于10%，與液態(tài)鋰電90%的市場份額無法相比，大大低于人們的預(yù)期。由于各種原因，目前市場上聚合物的價格普遍要高于液態(tài)鋰電，但是，由于移動電器的競爭模式正在悄悄地發(fā)生變化，特別是聚合物電池給移動電器帶來的設(shè)計價值創(chuàng)新（如4mm厚度以下的優(yōu)越性能、大型規(guī)格電池），聚合物電池正被越來越多的手機(jī)、移動DVD等設(shè)計人員所認(rèn)識，因而聚合物廠商還是信心十足，堅信聚合物的時代一定會到來。可以從手機(jī)的發(fā)展看聚合物鋰離子電池的發(fā)展趨勢。目前手機(jī)有以下幾個發(fā)展趨勢：
(1)手機(jī)本身向小型化、超薄化方向發(fā)展，以方便消費(fèi)者的攜帶；
(2)手機(jī)設(shè)計的個性化，表現(xiàn)在設(shè)計理念已經(jīng)不再是原來方方正正的形狀，不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計造型成為手機(jī)設(shè)計美學(xué)化的主流；
(3)使用彩屏、手機(jī)功能的不斷增加。為了使手機(jī)小型化，電池減小、減薄是一個最有效的途徑。4mm以下厚度電池有成為薄型手機(jī)配置的主流趨勢，從性價比來講，這是聚合物的特長。不規(guī)則形狀、曲線、弧面設(shè)計造型的手機(jī)給電池留下的有效空間變成了不規(guī)則形狀。液態(tài)的長方型不能有效利用空間，容量較低，而疊片式聚合物可以將這種不規(guī)則空間最有效地利用起來，使容量放大。最近TCL金能公司推出的圓弧型電池、梯形電池、背包電池能使手機(jī)比使用相應(yīng)規(guī)格的液態(tài)電池容量增加50%以上。手機(jī)功能越來越多，導(dǎo)致耗電越來越多。要求電池容量相應(yīng)地增加。在不增加電池厚度的情況下，聚合電池是有明顯優(yōu)勢的。與此相似，筆記本電腦、藍(lán)牙耳機(jī)、小靈通手機(jī)、移動DVD等電器都在向移動、便攜化方向發(fā)展，都配上了液晶顯示，而且功能在不斷增多，液晶屏幕在不斷增大。這些都給聚合物鋰離子電池提供了無限的商機(jī)。
