汽車(chē)緊急呼叫系統(tǒng)供電電池面臨新挑戰(zhàn)

羅伯特·黑本

（瓦爾塔邁科電池www.varta-microbattery.com，德國(guó)）

歐盟委員會(huì)2011年9月8日于布魯塞爾發(fā)布的一項(xiàng)倡議，要求從2015年開(kāi)始在所有新汽車(chē)和輕型車(chē)輛上安裝稱(chēng)為eCall的緊急呼叫系統(tǒng)，這給電池在惡劣環(huán)境下的操作性能設(shè)立了新的標(biāo)準(zhǔn)。本文描述了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電池設(shè)計(jì)要做出怎樣的改進(jìn)，才能滿(mǎn)足eCall及類(lèi)似系統(tǒng)在極限溫度下運(yùn)行的要求。

1 車(chē)載緊急呼叫系統(tǒng)的用途和運(yùn)作

歐洲的eCall，以及世界其他地方類(lèi)似的倡議，如北美的OnStar和bCall（故障呼叫）系統(tǒng)，即將在未來(lái)幾年內(nèi)在世界許多地區(qū)使用，用以減少交通事故造成的死亡人數(shù)并減輕傷害。所有這些系統(tǒng)的基本運(yùn)作都是類(lèi)似的:拿eCall來(lái)說(shuō)，就是將一個(gè)擁有移動(dòng)通信和GPS（衛(wèi)星定位）功能的模塊嵌入到車(chē)輛內(nèi)。當(dāng)車(chē)載感應(yīng)器 （如氣囊感應(yīng)器）探測(cè)到車(chē)輛發(fā)生碰撞，就會(huì)激發(fā)該模塊撥打110，呼叫最鄰近的緊急響應(yīng)中心，如圖1所示。

1）緊急呼叫 一旦車(chē)載感應(yīng)器 （如氣囊感應(yīng)器）探測(cè)到發(fā)生了嚴(yán)重事故，車(chē)輛會(huì)自動(dòng)呼叫112緊急電話(huà) （eCall）。摁下車(chē)上的專(zhuān)用按鈕，乘員亦可手動(dòng)啟動(dòng)eCall呼叫。

2）定位 通過(guò)衛(wèi)星定位和移動(dòng)電話(huà)呼叫位置，eCall能夠鎖定事故現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確位置，并將其傳送給最鄰近的緊急呼叫中心，同時(shí)還會(huì)傳送其他信息，如駕駛方向和車(chē)輛類(lèi)型。

3）緊急呼叫中心 （PSAP）一旦接到eCall的緊急信號(hào)，屏幕上就會(huì)顯示事故地點(diǎn)。一名經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的操作員將嘗試與車(chē)輛乘員通話(huà)以獲得更多信息。如果無(wú)反應(yīng)，則立即派出緊急服務(wù)。

4）更快的救援 由于能夠及時(shí)獲得事故地點(diǎn)的準(zhǔn)確信息，緊急服務(wù) （如救護(hù)車(chē)、消防車(chē)、警車(chē)）能更快抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

呼叫會(huì)給緊急響應(yīng)中心提供車(chē)輛的準(zhǔn)確位置、基本標(biāo)識(shí)和受損信息，而緊急響應(yīng)中心則會(huì)嘗試與乘員通話(huà)，確定事故的嚴(yán)重程度。如果得不到車(chē)內(nèi)的聲音反饋，便會(huì)立即向現(xiàn)場(chǎng)派遣緊急服務(wù) （救護(hù)車(chē)、消防車(chē)、警車(chē)）。車(chē)輛內(nèi)部也會(huì)安裝一個(gè)按鈕，用于手動(dòng)激發(fā)eCall（比如，由其他駕車(chē)經(jīng)過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)的人協(xié)助）。

eCall系統(tǒng)攸關(guān)安全、直接關(guān)乎生死，其模塊必須全天候萬(wàn)無(wú)一失地運(yùn)行。因此，eCall模塊的每一個(gè)組件都必須符合汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的嚴(yán)格品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其中就包括電源電路。eCall模塊會(huì)與主電源電路相聯(lián)，由車(chē)載電池驅(qū)動(dòng)。但在交通事故中，主電源或電源電路有可能會(huì)癱瘓或發(fā)生故障，無(wú)法為緊急呼叫模塊繼續(xù)供電。所以，每一個(gè)eCall模塊都需要自帶備用電池電源，在車(chē)輛主電池不可用的情況下，也能驅(qū)動(dòng)模塊。

2 備用電池面臨的挑戰(zhàn)

緊急呼叫系統(tǒng)的備用電池主要有2項(xiàng)要求:①車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，電池必須一直擁有足夠支持長(zhǎng)達(dá)15分鐘緊急語(yǔ)音呼叫的電量；②車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，電池必須隨時(shí)能夠釋放其存儲(chǔ)的電能。在歐洲，緊急呼叫通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸，語(yǔ)音通信系統(tǒng)必須足以支持最高2.5A的最大負(fù)載。另外，eCall模塊必須與車(chē)輛擁有相同使用壽命。

必須明確的是:不能使用一次性 （不可充電）電池。因?yàn)樾孤╇娏鲿?huì)導(dǎo)致一次性電池不斷損失電量，在系統(tǒng)需要時(shí)或許不能提供足夠的電量。相比之下，可充電電池系統(tǒng)可進(jìn)行間歇充電，從而將存儲(chǔ)電量持續(xù)保持在規(guī)定的最小閾值以上。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是，eCall之類(lèi)的車(chē)載系統(tǒng)必須適應(yīng)極限溫度:最冷時(shí)，低至-40℃，比如，在瑞典或芬蘭的極北地區(qū)使用的eCall系統(tǒng)可能會(huì)遭遇這種環(huán)境低溫。最熱時(shí)，eCall模塊必須能在高達(dá)85℃的高溫下工作 （如果車(chē)輛在陽(yáng)光直射下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度會(huì)達(dá)到90℃。一旦車(chē)輛起動(dòng)，整車(chē)的冷卻氣流會(huì)將溫度降至85℃以下）。

遺憾的是，傳統(tǒng)可充電電池的性能無(wú)法適應(yīng)極端溫度。在可充電電池系統(tǒng)中，如今有兩種化學(xué)類(lèi)型可滿(mǎn)足電子控制系統(tǒng)對(duì)能量密度、輸出電壓、峰值電流控制能力和安全的基本要求，其中包括鋰電池 （最常見(jiàn)的為鋰離子電池）和鎳氫電池 （NiMH）。鋰電池的高能量密度能夠以相對(duì)較小、較輕的體積提供較高的能量容量，因此常用于商用產(chǎn)品，如智能手機(jī)和筆記本電腦。但鋰電池的內(nèi)電阻在0℃以下會(huì)急劇增加，在這種情況下，鋰電池輸出電壓的峰值需要高于3.7V才能滿(mǎn)足GSM通話(huà)的高峰值電流要求。另外，超過(guò)60℃時(shí)，鋰電池的電容量會(huì)急劇下降，造成不可逆的電容量損失。因此，鋰電池?zé)o法適應(yīng)車(chē)載電子系統(tǒng)必須面對(duì)的嚴(yán)酷環(huán)境。相比之下，NiMH電池則在任何時(shí)間和溫度下都更為穩(wěn)定，無(wú)論在室溫還是85℃以上的溫度下，其內(nèi)電阻保持不變。在0～85℃之間，其電容量也很穩(wěn)定。不過(guò)，在極低溫下會(huì)發(fā)生驟降:與室溫時(shí)的電容量相比，-20℃時(shí)減低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

與鋰電池相比，NiMH提供的能量密度較低，所以其作為備用電池會(huì)略大略重，但NiMH紐扣電池的小尺寸足以輕松適應(yīng)eCall模塊。NiMH電池也因其固有的安全性和易用性而更具吸引力。鋰電池需要在專(zhuān)業(yè)的電子電路中實(shí)施復(fù)雜的充電方案，而NiMH電池只需要涓流充電，在充滿(mǎn)后也能承受微小的充電電流。

專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的NiMH紐扣電池會(huì)按預(yù)期緩慢老化。電池老化的開(kāi)始是以?xún)?nèi)電阻增加為標(biāo)志，隨后電容量會(huì)急劇下降。系統(tǒng)只需通過(guò)檢測(cè)內(nèi)電阻，便可提醒用戶(hù)在徹底失效前更換老化的電池。

就算NiMH化學(xué)性質(zhì)高度穩(wěn)定，汽車(chē)應(yīng)用中遭遇的極端環(huán)境依然超出了傳統(tǒng)NiMH電池的能力:①傳統(tǒng)NiMH電池的適用溫度一般最高為65℃，更高的溫度則有可能導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)泄漏；②NiMH電池的放電溫度不能低于-20℃；③0℃以下時(shí)，電容量會(huì)嚴(yán)重減少。

如今，瓦爾塔微電池在電池設(shè)計(jì)和制造中引進(jìn)了兩項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新，旨在使NiMH電池適用于eCall系統(tǒng)，這種創(chuàng)新可以解決極限溫度帶來(lái)的問(wèn)題。

在其生產(chǎn)的新型V500HT電池中，瓦爾塔微電池使用全新的密封技術(shù)，將電池的傳統(tǒng)塑料密封件改進(jìn)成耐高溫合成材料密封件，并施以專(zhuān)利涂層（圖2）。同時(shí)，瓦爾塔微電池在電解液中使用了新型添加劑以提升其穩(wěn)定性，從而改進(jìn)了電池在高溫下的充電能力。新型密封設(shè)計(jì)擁有極強(qiáng)的防化學(xué)物質(zhì)泄漏能力，電池的適用溫度達(dá)到85℃ （有限時(shí)間內(nèi)），其能量?jī)?chǔ)存溫度達(dá)到90℃。

在極低溫度下時(shí)，解決問(wèn)題的方法不在電池的內(nèi)部，而從外部著手。瓦爾塔邁科電池將箔片加熱器直接安裝在電池平坦的表面 （圖3）。通過(guò)車(chē)載電池驅(qū)動(dòng)——到車(chē)輛發(fā)生碰撞一刻之前保證得到驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檐?chē)輛必須行駛才能發(fā)生碰撞并彈出氣囊——這種箔片加熱器可以在10分鐘內(nèi)將電池從-40℃加熱至0℃ （圖4）。

該項(xiàng)解決方案正在申請(qǐng)專(zhuān)利，其使用的聚合物加熱箔片完全符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)應(yīng)用在汽車(chē)上（如燃油泵中）。加熱箔片的電力開(kāi)關(guān)和控制可由車(chē)載ECU控制。瓦爾塔邁科電池也提供一款V500HT，無(wú)需離散電子控制，可在3分鐘內(nèi)加熱電池。

3 符合eCall標(biāo)準(zhǔn)

這種改良的NiMH電池為鎳氫電池開(kāi)辟了新境界，使其能夠適應(yīng)-40～90℃范圍內(nèi)的工作。通過(guò)涓流充電和外部加熱相應(yīng)地將電池最低溫度維持在0℃，V500HT可將其電容量維持在常溫水平 （500 mAh）下，足以支持15分鐘的GSM網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音通話(huà)。在汽車(chē)供應(yīng)商的eCall原型測(cè)試中，瓦爾塔微電池提供的性能評(píng)級(jí)得到了肯定，證明了其能夠在規(guī)定溫度范圍內(nèi)提供萬(wàn)無(wú)一失的電源供應(yīng)。