BOSCH蓄電池電量傳感器的結構與原理概述

◆文/湖北 易 琨 楊天峰

BOSCH蓄電池電量傳感器的結構與原理概述

◆文/湖北 易 琨 楊天峰

隨著怠速啟停功能在汽車上的廣泛應用，如何準確、實時、可靠地估算蓄電池的狀態，從而有效地提高蓄電池的使用壽命，成了車載啟停系統面對的關鍵技術問題。為了車載啟停系統能實時地準確地掌握蓄電池狀態，避免怠速啟停失敗的情況的發生，并使得蓄電池的壽命得到有效提高，需要對蓄電池荷電狀態(SOC，State of Charge)、健康狀態(SOH，State of Health)、功能狀態(SOF，State of Function)、蓄電池的溫度模型(Battery Temperature Model)進行監控、預測、估算。

荷電狀態(SOC)：是指蓄電池實際存儲的電量占額定容量的比例(蓄電池容量按照25℃時的20h放電率)；

健康狀態(SOH)：是指考慮到蓄電池老化因素而導致的實際最大電量存儲容量與額定容量的比例；

功能狀態(SOF)：是一個預測值，它預測了當前蓄電池能提供的最低起動電壓。功能狀態考慮了蓄電池的老化程度、溫度、內阻以及發動機起動所需的電流。功能狀態(SOF)對于啟停系統而言非常關鍵，直接關系到了相關控制策略。

溫度模型(BTM)：用來計算蓄電池的電解液的溫度。

法國標致雪鐵龍汽車集團與博世公司(BOSCH)合作開發出了專用的蓄電池電量傳感器(EBS，Electronic Battery Sensor)。本文將對博世公司(BOSCH)的蓄電池電量傳感器EBS的功能、原理進行介紹和闡述。

一、蓄電池電量傳感器的結構及系統原理概述

1.系統組成和結構

EBS運用在怠速啟停功能(STT—Stop and Start)的車型上時，由于STT功能對蓄電池的啟停次數要求比較高，需要使用加強型富液蓄電池(EFB—Enhanced Flooded Battery)或閥控鉛酸蓄電池中的AGM(Absorbed Glass Mat battery)蓄電池，所以EBS的作用就是維持EFB/AGM蓄電池的健康使用狀態，從而保證蓄電池的使用壽命。簡單來說，EBS主要功能就是實時測量蓄電池的溫度、電壓、電量，并將監測的信息通過LIN網反饋給主控ECU(又叫BSI，即車載局域網絡智能控制器) ，使BSI能夠實時掌握蓄電池的狀態，從而控制發電機及時給蓄電池補充電，使得蓄電池SOC、SOH狀態能夠維持在較高的水平。

如圖1所示：BOSCH的蓄電池電量傳感器一般由極夾、主體、接線片構成。極夾將EBS固定在蓄電池負極極柱上，接線片用于連接EBS和蓄電池負極電纜。蓄電池電量傳感器主體結構的內部構成如圖2所示。

主體構成包括：上蓋、P C B、殼體、膠、分流器電阻(shunt)、針腳。

其中電壓傳感器測量電路和溫度傳感器集成在PCB板上，經過特定的電路排布，再通過復雜的邏輯算法運算，計算出蓄電池的工作溫度、輸出電流和輸出電壓。

圖1 蓄電池電量傳感器的構成圖

圖2 蓄電池電量傳感器主體的內部構成圖

2.工作原理

圖3為蓄電池電量傳感器的電氣連接原理圖。

圖3 蓄電池電量傳感器的電氣連接原理圖

EBS的系統內部主要包括—BSD電池狀態探測內部邏輯算法電路、系統軟件、系統硬件和機械部分，EBS通過線束連接器與LIN網絡(A連接孔位)和蓄電池正極供電端(E連接孔位)相連， LIN信號的通過LIN線直接與主控ECU(BSI)(BSI還可以與車庫維修測試儀相連)相連，還可以與可擴展的LIN網絡通信平臺連接(包括調試工具，返修工具、總裝下線檢測編程工具及測試儀)。

EBS的主要功能是確定蓄電池電流、電壓和溫度，以及根據這些值計算蓄電池狀態。狀態計算通過特殊的蓄電池狀態檢測(BSD，Battery State Detection)算法實現。電池電流、電壓和溫度以及BSD算法的數據輸出通過LIN通信總線輸送到主控單元ECU(BSI)。在車上沒有蓄電池或者裝配了無法使用的蓄電池情況下，進行車輛操作可能對會交流發電機和車輛電氣系統的使用壽命和功能產生負面影響。 如果從EBS發送的信號中診斷出蓄電池功能不足或蓄電池缺失，這種情況下行駛過程中會向客戶發出提示和警告。

注意：EBS沒有任何關閉任何客戶負載的功能。這種關閉功能由其他控制單元提供。如主控單元ECU(BSI)。

二、測量原理

EBS傳感器(安裝在電池極柱上)各個參數測量原理符合本章規定，且保證負載持續電流≤150A。

1.電壓測量

蓄電池電壓信號通過多路開關后，經過一個16位AD采樣模數轉換器進行數字比較轉換和微控制器運算處理后，會將結果輸出至LIN網絡上(電壓和溫度的信號測量共用16位AD采樣模數轉換器和微控制器)。

2.溫度測量

溫度測量通道：溫度傳感器器集成在EBS的專用集成集成電路內，電壓和溫度測量通路共用一個多路轉換開關，溫度信號測量路徑的采樣比較電路、運算電路與電壓測量通道相同(圖4)。溫度信號經過一個16位AD采樣模數轉換器進行數字比較轉換和微控制器運算處理后，其結果輸出至LIN網絡上。

圖4 EBS電壓和溫度測量通道

3.電流測量

圖5所示為EBS電流測量通道。

圖5 EBS電流測量通道

電阻規定：負極極夾設置點和分流器之間的電阻小于250μ Ω。

測量原理：負載電流經過分流器電阻后產生電壓信號，經過EBS內部采樣輸入電路信號調理后，再經過可編程增益放大器放大，然后輸入到16位AD采樣模數轉換器，經過模數轉換后經過數字信號處理芯片(DSP，μc芯片)邏輯算法運算得到負載電流的運算輸出值，負載電流的運算輸出值最后輸出到LIN網絡。

4.電量計算

(1)EBS的工作模式

EBS的工作模式有兩種：主動模式和中斷停止模式，其中主動模式又分為LIN模式和監視模式。

在主動模式下，EBS測量電池的電壓值、電流值并且更新BSD數據。在LIN模式下，EBS的BSD的數據的被連續計算，并通過LIN網絡與外部交換數據；在監視模式下，EBS持續檢查過渡到停止模式的條件是否滿足：只要條件不滿足，EBS保持激活狀態和連續測量電池電壓U、電流I、溫度T和不斷更新的BSD數據。上電復位時EBS自動進入監視模式。(2)荷電狀態(SOC)計算

荷電狀態(SOC)的計算：

荷電狀態(SOC)的定義：SOC=Q_T25_I20(25℃時以I20放電電流容量額定容量)/C_nom(額定容量)。

Q_T25_I20是可以用充電恢復能量,可在25℃室溫時以I20放電電流放電到開路電壓10.5V時，從蓄電池獲得的能量。

C_nom是蓄電池的額定容量。

SOC值的確定取決于所測得的電壓、電流、電池溫度的準確程度。SOC值在LIN網絡模式下連續被計算。在監測模式下，SOC值至少每小時更新一次。

(3)SOC值的快速測定

上電復位后EBS執行一次所謂的快速SOC。快速SOC計算的目的是在上電復位后取得初始的SOC值，策略依據是根據測量電池電壓、電池電流和以及已被確定的蓄電池溫度和已被標定的蓄電池的電池SOC-OCV(開路電壓，Open Circuit Voltage)曲線。如果在快速SOC計算的至少24h之前，蓄電池沒有充電和放電，快速SOC測定的誤差范圍公差小于+/-15%。

準確快速SOC的要求：蓄電池編碼的執行；上電復位期間負載電流＜ 20A的；SOC值＞ 30%；④蓄電池溫度為室溫。

如果快速的SOC計算前，沒有已被編碼的有效電池類型和BSD數據寫入存儲器，快速的SOC過程使用默認的電池參數進行計算。

EBS在上電復位后的比較電壓第一秒和第十秒的電池電壓采樣值，如果在第10s電壓值測定值高于第1s 20mV以上且該數值小于13.5V，軟件將啟動一輪新的快速的SOC計算(通過觸發一次電池狀態探測BSD復位實現)。U_10s＞U_1s 且U_10s＜13.5V-＞ BSD復位，新的一輪快速SOC計算。 在BSD的重新初始化期間(大約2s)，EBS將最近的計算快速的SOC值發送到LIN網上。

三、總結

以上內容是對博世公司BOSCH的蓄電池電量傳感器EBS結構和工作原理的簡要介紹。實踐表明，BOSCH的EBS在整車上的應用一定按照該傳感器的使用技術說明書的要求的進行。只有按照了使用技術說明書的要求應用，才能達到該產品的使用性能和測量精度。