【導(dǎo)讀】發(fā)生了什么事？汽車?yán)锼械幕ㄉ诠δ芎托录夹g(shù)已經(jīng)耗盡了它的電池，現(xiàn)在您被困在車流中，而您的孩子正在小鎮(zhèn)的那頭等著你。這個(gè)場(chǎng)景實(shí)在太熟悉了，隨著新車配備了越來(lái)越多的創(chuàng)新系統(tǒng)，這個(gè)場(chǎng)景正變得越來(lái)越普遍。車載創(chuàng)新系統(tǒng)都依賴于汽車電氣系統(tǒng)的一個(gè)組成部分：鉛酸蓄電池。
您在黑暗的雪夜駕車跨越小鎮(zhèn)，去接您的孩子從晚托班回家。您開(kāi)著電臺(tái)高音和導(dǎo)航系統(tǒng)，您從不關(guān)閉它們。這是一個(gè)寒冷的夜晚，空調(diào)暖風(fēng)和座椅加熱器開(kāi)在最高檔。紅燈時(shí)您停下了車，汽車的自動(dòng)停止-啟動(dòng)系統(tǒng)關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī)，以節(jié)省燃料。您踩動(dòng)油門(mén)準(zhǔn)備發(fā)動(dòng)，但是，沒(méi)有任何反應(yīng)......
您嘗試手動(dòng)啟動(dòng)汽車，但發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅發(fā)出聲音，大燈仍然熄滅。
發(fā)生了什么事？汽車?yán)锼械幕ㄉ诠δ芎托录夹g(shù)已經(jīng)耗盡了它的電池，現(xiàn)在您被困在車流中，而您的孩子正在小鎮(zhèn)的那頭等著你。
這個(gè)場(chǎng)景實(shí)在太熟悉了，隨著新車配備了越來(lái)越多的創(chuàng)新系統(tǒng)，這個(gè)場(chǎng)景正變得越來(lái)越普遍。車載創(chuàng)新系統(tǒng)都依賴于汽車電氣系統(tǒng)的一個(gè)組成部分：鉛酸蓄電池，而它自20世紀(jì)50年代以來(lái)幾乎已無(wú)任何創(chuàng)新。
鉛酸蓄電池技術(shù)
自1912年以來(lái)，鉛酸蓄電池一直是汽車電氣系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。凱迪拉克是首款充分利用了它的能量、通過(guò)引入自我精確電流檢測(cè)顛覆了汽車行業(yè)的汽車：它開(kāi)啟了幫助維護(hù)汽車電池健康的時(shí)代。由于鉛酸蓄電池的性能、耐用性和低成本，它仍然是汽車最可行的能量?jī)?chǔ)存單元。
目前已有許多醞釀中的鉛酸蓄電池替代技術(shù)：但它們要么太昂貴、要么就易碎或過(guò)大。汽車電池中的鉛有劇毒是公認(rèn)的事實(shí)，但因?yàn)殂U是世界上最易回收的金屬，環(huán)境問(wèn)題也能得到緩解。據(jù)估計(jì)，美國(guó)所有電池中的鉛的97%被回收。
不幸的是，鉛酸蓄電池的進(jìn)步遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法跟上汽車和卡車中隨處可見(jiàn)的技術(shù)進(jìn)步的步伐。根據(jù)2010年國(guó)際電池（組）委員會(huì)的技術(shù)小組對(duì)最近拆除的電池的故障模式的研究顯示，相比5年前，極板/柵架相關(guān)故障實(shí)際上增加了9%。人們普遍認(rèn)為，這些故障的增加是由于新車增加的電氣系統(tǒng)對(duì)電池造成的額外電氣壓力所導(dǎo)致。
鉛酸蓄電池為何損壞
鉛酸蓄電池故障有三個(gè)主要原因：腐蝕、硫化和酸分層。它們分別由過(guò)充電、欠充電和過(guò)度使用導(dǎo)致。
腐蝕是指鉛板隨著時(shí)間的推移而分解；最終，它們中的部分可能會(huì)徹底變質(zhì)。電池中鉛板的腐蝕是不可避免的，因?yàn)樗鼈兘谒崛芤褐小．?dāng)過(guò)充電、深度放電和過(guò)溫等情況出現(xiàn)時(shí)，此進(jìn)程會(huì)加快。延長(zhǎng)電池壽命的關(guān)鍵不是停止腐蝕，而是管理那些引起它的可控的原因。
當(dāng)電池?zé)o法完全充電時(shí)，則可能發(fā)生硫化。隨著新車中的電子系統(tǒng)的增加，這種情況也更加常見(jiàn)。車輛啟動(dòng)后，鉛酸蓄電池需要一定時(shí)間來(lái)正確地充電。如果汽車從啟動(dòng)狀態(tài)直接進(jìn)入怠速，則減小的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將使發(fā)電機(jī)無(wú)法充分地為電池充電。如果發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有充分加速，則可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。
分層的原因可能與硫化相同。當(dāng)電池保持在充電不足，僅適度循環(huán)而從未完全充電時(shí)，則可能發(fā)生分層。雖然原因可能是一樣的，但發(fā)生什么情況是完全不同的。在一個(gè)分層的電池中，電解質(zhì)與電池內(nèi)包含的液體混合物分離開(kāi)來(lái)，并積存在電池的下部區(qū)域。上部區(qū)域的較輕的酸導(dǎo)致這部分區(qū)域的鉛板更容易受到腐蝕，而高濃度的下部區(qū)域則可能造成此部分鉛板的硫化。
除了腐蝕和硫化的長(zhǎng)期影響，分層還會(huì)導(dǎo)致在汽車啟動(dòng)時(shí)降低起動(dòng)性能的短期影響。分層還會(huì)導(dǎo)致電壓讀數(shù)的虛假上升，對(duì)于很多測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這使得電池的充電量測(cè)量值比實(shí)際充電量多。
維護(hù)汽車電池健康
關(guān)于鉛酸技術(shù)的以上解釋產(chǎn)生的最自然的問(wèn)題是，如何避免這些故障模式的發(fā)生呢？
不幸的是，答案是無(wú)法避免。這些故障將不可避免地發(fā)生，并且甚至在最好的操作條件下，電池最終也將因腐蝕而損壞。
但是，早期損壞是可以避免的。更重要的是，如果車輛上有一個(gè)高級(jí)的電池管理系統(tǒng)（BMS），則可以提前通知駕駛員電池將要損壞。
BMS將能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)所有電池參數(shù)，包括電流、電壓和溫度。如果設(shè)備無(wú)法監(jiān)測(cè)所有這些參數(shù)，它將無(wú)法識(shí)別電池是處于良好或不良的狀態(tài)。例如，當(dāng)確定電池的充電狀態(tài)（SOC）時(shí)，分層導(dǎo)致的電壓升高將誤導(dǎo)僅考慮電壓測(cè)量的儀表。BMS會(huì)同時(shí)檢測(cè)這三個(gè)參數(shù)，并將它們提供給用于確定充電狀態(tài)（SOC）的更高級(jí)別的控制器。
SOC基本上是用于估計(jì)電池有多少剩余電量。就像汽車的油表，它顯示了電池的電量有多“滿”。可通過(guò)庫(kù)侖計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算SOC。庫(kù)侖計(jì)數(shù)是測(cè)量流入或流出電池的電流的方法，它隨時(shí)間進(jìn)行積分。如果電池的容量是已知的，則計(jì)算它的電量很簡(jiǎn)單。
然而，對(duì)于汽車蓄電池來(lái)說(shuō)卻并不那么簡(jiǎn)單。部分原因是因?yàn)楦g和硫化存在于電池的整個(gè)壽命周期。這意味著，電池在其整個(gè)壽命周期內(nèi)都會(huì)損失容量。因此，使用幾年后，完全充電的電池所儲(chǔ)存的電量會(huì)少于它全新的時(shí)候完全充電可以儲(chǔ)存的電量。
健康狀態(tài)（SOH）讀數(shù)可幫助測(cè)量系統(tǒng)補(bǔ)償這個(gè)隨著時(shí)間推移而損耗的容量。SOH值給出了相對(duì)于原始最大容量的百分比的估計(jì)值。新電池的SOH為100%，而舊電池的SOH可能為85%。
如果舊電池已充滿電，它會(huì)顯示一個(gè)完全的SOC。但是，因?yàn)樗桥f電池，它可能最多只能充到原始容量的85%，意味著即使系統(tǒng)顯示電池已充滿，充電系統(tǒng)停止充電，汽車仍然知道SOC水平將下降得很快，因?yàn)樗且暂^小的標(biāo)尺來(lái)衡量的。一個(gè)優(yōu)秀的BMS系統(tǒng)測(cè)得的SOH估計(jì)值則可以消除其他測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)得出的虛假的容量讀數(shù)。
利用BMS提供的信息
那么如何通過(guò)使用BMS數(shù)據(jù)避免文章開(kāi)頭出現(xiàn)的場(chǎng)景？BMS將監(jiān)測(cè)電池的SOC和SOH。因此，電池在那天晚上之前的數(shù)周或數(shù)月，汽車就應(yīng)該開(kāi)啟警示燈或報(bào)警了。
當(dāng)然，駕駛員經(jīng)常無(wú)視警示燈。因此，系統(tǒng)可以感應(yīng)到即將發(fā)生的危險(xiǎn)，并關(guān)閉非必要的系統(tǒng)，如座椅加熱器和收音機(jī)，以幫助保持電池的SOC。此外，汽車控制系統(tǒng)會(huì)阻止汽車在紅燈時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，避免它無(wú)法再次啟動(dòng)。
Vishay Dale智能電池傳感器
可用在汽車BMS系統(tǒng)的理想傳感器的一個(gè)例子是VishayDale智能電池傳感器（IBS）。VishayDaleIBS使用 WSBP8518L100分流電阻，測(cè)量電池兩端的電壓、流過(guò)電池的充電或放電電流，以及通過(guò)電池接線柱和IBS單元本身之間的熱傳導(dǎo)測(cè)得的溫度，如圖1 所示。即使工作條件迅速變化，這三個(gè)測(cè)量值幾乎是同時(shí)測(cè)量的，以確保精確。VishayIBS使用LIN通信協(xié)議將這些測(cè)量結(jié)果發(fā)送到汽車的ECU或其他控制系統(tǒng)。
圖1：WSBP8518L100電池傳感器的關(guān)鍵特性
即使工作條件迅速變化，這三個(gè)測(cè)量值幾乎是同時(shí)測(cè)量的，以確保精確。VishayIBS使用LIN通信協(xié)議將這些測(cè)量結(jié)果發(fā)送到汽車的ECU或其他控制系統(tǒng)。
VishayDaleIBS適用于汽車的所有工作條件。其-40℃至115℃的溫度額定值使IBS能夠在甚至可能損壞最新的鉛酸蓄電池的條件下工作。電壓測(cè)量范圍使該單元能夠在電池過(guò)充和欠充狀態(tài)下持續(xù)檢索數(shù)據(jù)。通過(guò)專用軟件，該器件能夠在電壓和溫度極限范圍內(nèi)檢測(cè)完整的電流，使精度的損失最小。
結(jié)論
未來(lái)的汽車將會(huì)有越來(lái)越多的電子系統(tǒng)，這將使鉛酸蓄電池更難在多年的可靠運(yùn)行之后保持正確的輸出。高性能的BMS系統(tǒng)能夠?yàn)轳{駛員和汽車控制系統(tǒng)提供所需的信息，以延長(zhǎng)電池的壽命，并有效地管理故障風(fēng)險(xiǎn)。
