【導讀】發(fā)生了什么事？汽車里所有的花哨功能和新技術已經(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。這個場景實在太熟悉了，隨著新車配備了越來越多的創(chuàng)新系統(tǒng)，這個場景正變得越來越普遍。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。您開著電臺高音和導航系統(tǒng)，您從不關閉它們。這是一個寒冷的夜晚，空調(diào)暖風和座椅加熱器開在最高檔。紅燈時您停下了車，汽車的自動停止-啟動系統(tǒng)關閉了發(fā)動機，以節(jié)省燃料。您踩動油門準備發(fā)動，但是，沒有任何反應......
您嘗試手動啟動汽車，但發(fā)動機僅僅發(fā)出聲音，大燈仍然熄滅。
發(fā)生了什么事？汽車里所有的花哨功能和新技術已經(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。
這個場景實在太熟悉了，隨著新車配備了越來越多的創(chuàng)新系統(tǒng)，這個場景正變得越來越普遍。車載創(chuàng)新系統(tǒng)都依賴于汽車電氣系統(tǒng)的一個組成部分：鉛酸蓄電池，而它自20世紀50年代以來幾乎已無任何創(chuàng)新。
鉛酸蓄電池技術
自1912年以來，鉛酸蓄電池一直是汽車電氣系統(tǒng)的一個組成部分。凱迪拉克是首款充分利用了它的能量、通過引入自我精確電流檢測顛覆了汽車行業(yè)的汽車：它開啟了幫助維護汽車電池健康的時代。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儲存單元。
目前已有許多醞釀中的鉛酸蓄電池替代技術：但它們要么太昂貴、要么就易碎或過大。汽車電池中的鉛有劇毒是公認的事實，但因為鉛是世界上最易回收的金屬，環(huán)境問題也能得到緩解。據(jù)估計，美國所有電池中的鉛的97%被回收。
不幸的是，鉛酸蓄電池的進步遠遠無法跟上汽車和卡車中隨處可見的技術進步的步伐。根據(jù)2010年國際電池（組）委員會的技術小組對最近拆除的電池的故障模式的研究顯示，相比5年前，極板/柵架相關故障實際上增加了9%。人們普遍認為，這些故障的增加是由于新車增加的電氣系統(tǒng)對電池造成的額外電氣壓力所導致。
鉛酸蓄電池為何損壞
鉛酸蓄電池故障有三個主要原因：腐蝕、硫化和酸分層。它們分別由過充電、欠充電和過度使用導致。
腐蝕是指鉛板隨著時間的推移而分解；最終，它們中的部分可能會徹底變質(zhì)。電池中鉛板的腐蝕是不可避免的，因為它們浸在酸溶液中。當過充電、深度放電和過溫等情況出現(xiàn)時，此進程會加快。延長電池壽命的關鍵不是停止腐蝕，而是管理那些引起它的可控的原因。
當電池無法完全充電時，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。車輛啟動后，鉛酸蓄電池需要一定時間來正確地充電。如果汽車從啟動狀態(tài)直接進入怠速，則減小的發(fā)動機轉速將使發(fā)電機無法充分地為電池充電。如果發(fā)動機沒有充分加速，則可能導致電池損壞。
分層的原因可能與硫化相同。當電池保持在充電不足，僅適度循環(huán)而從未完全充電時，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來，并積存在電池的下部區(qū)域。上部區(qū)域的較輕的酸導致這部分區(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期影響，分層還會導致在汽車啟動時降低起動性能的短期影響。分層還會導致電壓讀數(shù)的虛假上升，對于很多測量系統(tǒng)來說，這使得電池的充電量測量值比實際充電量多。
維護汽車電池健康
關于鉛酸技術的以上解釋產(chǎn)生的最自然的問題是，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，如果車輛上有一個高級的電池管理系統(tǒng)（BMS），則可以提前通知駕駛員電池將要損壞。
BMS將能夠準確地監(jiān)測所有電池參數(shù)，包括電流、電壓和溫度。如果設備無法監(jiān)測所有這些參數(shù)，它將無法識別電池是處于良好或不良的狀態(tài)。例如，當確定電池的充電狀態(tài)（SOC）時，分層導致的電壓升高將誤導僅考慮電壓測量的儀表。BMS會同時檢測這三個參數(shù)，并將它們提供給用于確定充電狀態(tài)（SOC）的更高級別的控制器。
SOC基本上是用于估計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”。可通過庫侖計數(shù)來計算SOC。庫侖計數(shù)是測量流入或流出電池的電流的方法，它隨時間進行積分。如果電池的容量是已知的，則計算它的電量很簡單。
然而，對于汽車蓄電池來說卻并不那么簡單。部分原因是因為腐蝕和硫化存在于電池的整個壽命周期。這意味著，電池在其整個壽命周期內(nèi)都會損失容量。因此，使用幾年后，完全充電的電池所儲存的電量會少于它全新的時候完全充電可以儲存的電量。
健康狀態(tài)（SOH）讀數(shù)可幫助測量系統(tǒng)補償這個隨著時間推移而損耗的容量。SOH值給出了相對于原始最大容量的百分比的估計值。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，它會顯示一個完全的SOC。但是，因為它是舊電池，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，因為它是以較小的標尺來衡量的。一個優(yōu)秀的BMS系統(tǒng)測得的SOH估計值則可以消除其他測量系統(tǒng)可能會得出的虛假的容量讀數(shù)。
利用BMS提供的信息
那么如何通過使用BMS數(shù)據(jù)避免文章開頭出現(xiàn)的場景？BMS將監(jiān)測電池的SOC和SOH。因此，電池在那天晚上之前的數(shù)周或數(shù)月，汽車就應該開啟警示燈或報警了。
當然，駕駛員經(jīng)常無視警示燈。因此，系統(tǒng)可以感應到即將發(fā)生的危險，并關閉非必要的系統(tǒng)，如座椅加熱器和收音機，以幫助保持電池的SOC。此外，汽車控制系統(tǒng)會阻止汽車在紅燈時關閉發(fā)動機，避免它無法再次啟動。
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例子是VishayDale智能電池傳感器（IBS）。VishayDaleIBS使用 WSBP8518L100分流電阻，測量電池兩端的電壓、流過電池的充電或放電電流，以及通過電池接線柱和IBS單元本身之間的熱傳導測得的溫度，如圖1 所示。即使工作條件迅速變化，這三個測量值幾乎是同時測量的，以確保精確。VishayIBS使用LIN通信協(xié)議將這些測量結果發(fā)送到汽車的ECU或其他控制系統(tǒng)。
圖1：WSBP8518L100電池傳感器的關鍵特性
即使工作條件迅速變化，這三個測量值幾乎是同時測量的，以確保精確。VishayIBS使用LIN通信協(xié)議將這些測量結果發(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。電壓測量范圍使該單元能夠在電池過充和欠充狀態(tài)下持續(xù)檢索數(shù)據(jù)。通過專用軟件，該器件能夠在電壓和溫度極限范圍內(nèi)檢測完整的電流，使精度的損失最小。
結論
未來的汽車將會有越來越多的電子系統(tǒng)，這將使鉛酸蓄電池更難在多年的可靠運行之后保持正確的輸出。高性能的BMS系統(tǒng)能夠為駕駛員和汽車控制系統(tǒng)提供所需的信息，以延長電池的壽命，并有效地管理故障風險。
