現在的汽車十分依賴電子產品同時也是對電池的依賴。持續不斷的監視對于電池的條件來說非常重要，這關系到汽車的可靠性。每5輛報廢的汽車中就有一輛是由于電池的原因造成的。近些年來，當像電傳線控，發動/熄火引擎管理和液壓（電子/氣體）助力這些系統汽車技術普遍使用時，這個問題變的越來越嚴重。降低錯誤的數量，需要精確的感應到電池的電壓，電流和溫度；對結果進行預處理；計算電荷狀況和性能狀況，將結果發送到ECU；然后控制充電功能。

現代汽車誕生于20世紀早期。第一輛以車需要手動啟動，這需要力量同時存在很高的危險，由于汽車的這種“手柄搖桿”造成了很多死傷。在1902年，第一輛電池啟動馬達研制成功，到1920年所有的汽車都使用電子起動。最初是使用干電池，但是當電能耗盡時很難更換。需要的是液體電池，古老的鉛酸電池很快取代了干電池。鉛酸電池的優點是發動機工作時它可以從中自動充電。

在上世紀，鉛酸電池幾乎沒有什么改變。最后的主要改進是使用密封的鉛酸電池。改變的原因是需要在其上放置東西。開始，電池僅僅用在發動汽車馬達，喇叭和車燈上。現在電池用來為汽車內安裝的所有電子系統提供動力，優先的是電打火。

新型電子設備的增加不僅僅是消費者使用的像GPS，DVD播放器這樣的電子設備。還有發動機控制單元（ECUs），電動車窗和功能座椅這樣的車身電子，這些成為很多模型的基本配置。，很顯然由于電子系統失效造成的報廢數量的增加可以看出，這種載荷的指數增長將系統帶入死亡。

一、評定電池的狀態

評價一個鉛酸電池“狀態”有兩個基本品質：

（1）充電狀態（SoC）：SoC顯示可以傳送多少電荷，用電池額定功率（也就是新電池的SoC）的百分比表示。
（2）性能狀態（SoH）：SoH表示電池可以存儲多少電荷。

二、充電狀態

充電狀態就好像電池的“燃料度量”。有很多方法可以計算SoC，當是常用的兩個方法是，開放電路電壓測量和庫侖分析法測量（也叫作庫侖計算）。

（1）開電路電壓（VOC）：電池在空載開電路的電壓與充電狀態線形相關。這種計算方法有兩個局限的限制：為了計算SoC，電池必須在開放電路中，沒有負載連接；這種方法僅僅在相當穩定的時期才精確。

這些局限使VOC方法不適合串聯SoC的計算。該方法通常在汽車店中使用，在那里電池被移開，用電壓表測量通過電池正極和負極的電壓。

（2）庫侖分析測量法：這種方法使用隨時間對電流積分計算庫侖值測量SoC。這使SoC的實時計算測量成為可能，甚至在電池處在負載條件下。然而庫侖分析測量法會累積錯誤。

開電路電壓和庫侖計算的組和方法通常用來計算電池的負載狀態。

三、性能狀態

性能狀態反映的是電池的一般狀態，和其與新電池相比存儲電荷的能力。SoH計算非常復雜同時依賴對電池化學成分了解和環境。一個電池的SoH受很多因素的影響，包括電荷承受力，內部阻抗，電壓，自放電和溫度。這些因素的存在很難在汽車這樣的環境中進行實時測量。SoH的最好狀態發生在啟動階段（引擎工作），此時電池處在最大負載下。

汽車電池性能實際運算中，領先的是傳感器開發者，例如Bosch，Hella和其他的，SoC和 SoH計算幾乎是保密的大多數還受專利保護。作為知識產權的擁有者，他們通常與電池制造商聯系密切開發這些算法，例如Varta 和Moll。

圖1 離散傳感電池解決方案

圖1表示的是傳感電池通常使用的獨立電路，電路可以分成三個部分：

（1）電池傳感：電池電壓通過從電池正極分流的阻抗衰減器感應。對于感應電流，一個感應電阻（12V時通常100 microohms）被放置在電池負極和地面之間。這種結構，汽車的金屬底盤一般為地面，這些傳感阻抗安裝在電池的電流回路中。在相對的結構中，電池負極認為是地面。對于SoH計算，也需要感應電池的溫度。

（2）微控制器：微控制器或MCU主要完成兩個任務。首先處理A/D轉換器的結果。這個工作可能像完成基本過濾一樣簡單也可能像計算SoC 和 SoH一樣復雜。實際中的作用依賴于MCU的處理能力和汽車制造商的需要。第二項工作是將處理過的數據通過通信界面發送到ECU。

（3）通信界面：目前本地網絡連接（LIN）是電池傳感器和ECU之間通信最常用的通信界面。LIN是相對于CAN協議的單線，低成本的解決方案。

這是電池傳感最簡單的可行結構圖。然而同步電池的電壓或電流，或電池電壓，電流和溫度需要更精確的電池感應運算。這種同步樣本需要增加兩個A/D轉換器。同時增加了復雜性，A/D和 MCU需要調節能量供應以進行正確操作。這已經由LIN接收器制造者通過能量調節供應裝置解決。

擺在汽車精確電池傳感面前的下一個問題是，一個整合A/D，MCU和LIN收發器的裝置。一個例子是來自Analog Devices Inc 的ADuC703x精確模擬微電子控制器。ADuC703x每秒可選擇三個或四個8-k樣本，16比特sigma-delta A/Ds，20.48-MHz ARM7TDMI MCU，和一個完整的LIN v2.0收發器。ADuC703x家族通過一個芯片調整器直接從鉛酸電池獲得動力。

為了解決汽車電池傳感的需要，前端包括一個電壓衰減器檢測電池電壓；可編程放大器測量電流，其量程為1A～1，500A，使用時與100-microohm電阻相連；積聚功能允許不使用軟件下進行庫侖計算；和芯片上的一個溫度傳感器。使用這種綜合設備的解決方案如圖2所示。

Figure 2.

幾年前，只用高端汽車擁有電池傳感器。如今，安裝小型電子配件和小發明的中低檔汽車正在增加，10年前這些只能在高端汽車中見到。由于鉛酸電池使這些功能不斷增加。過不了多少年，每輛汽車都將安裝電池傳感器，減少由于增加電子設備導致的報廢。

About the author
David McKenna (david.mckenna@analog.com) is an applications engineer for the industrial and automotive converters product line at Analog Devices Inc. He graduated from University College Cork in Ireland with a bachelor of electrical and electronic engineering degree.