电池监测和电能管理：未来车辆电力系统的前提条件外文翻译资料

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电池监测和电能管理：未来车辆电力系统的前提条件

摘要

新的汽车电气系统由于燃油经济性和生态的需要以及安全性和舒适性、可靠性和车辆的可用性这些新功能的提高而发展。用于制动、转向和稳定化电控和动力系统，需要可靠的电能供应。

计划的电能产生（只有当它在经济上带来利益），充足的存储和节俭的能量管理以及智能集成电池作为存储介质的入车辆的整体概念能源管理，以及通过电池监测的可靠性的早期检测允许由能量管理井提前采取行动，这些驾驶员不必参与其中所有的项目。

为了满足当今对电池监测和能量管理的要求，2001-2003年已经为系列车辆开发了在14V水平运行的解决方案。

关键词：汽车电池 ，SLI，车辆电力系统，电池监控，荷电状态（SOC），健康状况（SOH），电池管理，能源管理

1 说明

术语“电池监测”具有广泛的含义，从偶尔的手动读取电压，电解质重力SG和水平，视觉细胞检查，以及通过容量的定期测试或手动测量电池电阻，到在关键应用中的完全自动在线监测，具有用于实时估计残留物桥接时间或电池磨损的装置。

在本文中，术语电池监测用于没有手动接合的监测，以及备用电池在电信和UPS应用，这是在自动引导车辆（AGV），叉车，潜艇，电动车和卡车中的许多循环电池的最新技术。随着消费应用，任何手机、笔记本电脑或袖珍计算机，甚至手表内都装有提供相对于能量的一些信息的装置。

经典的工业循环应用及许多消费设备的特点是：

（1）定期完成充电，对复位到完全充电状态（SOC）提供明确的定义；

（2）从满SOC开始放电，直到电池耗尽或占空完成；

（3）几乎没有任何充电没有达到充分的SOC水平；

（4）单一类型的放电占空比仅为以放电和再充电电流速率的有限范围为特征的应用和操作温度提供功率。

周期性地复位到满SOC允许定期重新校准，并且在极少数情况下当再充电未被及时中断时，一些精度损失可能是可接受的。从具有有限种类的当前速率和简档的明确的电池状态开始放电有助于跟踪电池状态。

更困难的是与太阳能或风能设备一起操作的固定电池的情况。虽然上述的一些特征方便电池监测，与牵引电池一样这些设备几乎没有达到充足的SOC，因为组件的尺寸和操作策略旨在永远不会达到极端操作窗口，以便最佳利用可能提供的太阳能和风力。因此，由于测量不准确的累积，跟踪操作历史来评估实际电池状况是比较困难的。

与这两种操作相比，汽车电池的具体不同情况变得明显，技术上阻碍了汽车领域的电池监控：

（1）他们几乎没有完全充电，即“机会收费”是标准；

（2）充电充满多种多样当前费率；

（3）放电实际上从未从一个完整的SOC开始；

（4）放电是用不同的范围进行的当前费率；

（5）有时充分放电或（不幸的是）甚至过度放电发生；

（6）各种电力职责必须为可能会有不同的应用提供电力；

（7）操作温度从30至70℃甚至可能超过窗口。

此外，汽车成本水平排除了许多在其他领域可以接受的解决方案。

“电池监控”一词包括：

（1）从与/或关于电池的数据采集与/或接收数据；

（2）处理这些信息，包括预测性能；

（3）向人类指示原始数据或处理的信息，即被动监视和评估。

“电池管理”一词是指对电池的积极反馈。包括电流或电压电平的控制，充电条件的控制，关于SOC和/或温度的操作窗口的限制，电池温度管理等。

“能源管理（电气）”意味着电能的管理，即控制能源生产、流量、存储和消耗。没有电池监控的基本信息，能源管理可能几乎不起作用。适当的电池管理可能会显着增强和改进，但并不是成功的能源管理的先决条件。如图1绘制电池监控的层结构，生成电池状态信息以及电池管理和能源管理。

图1 电池监控产生电池状态信息、电池管理和能源管理以及相互数据流的层结构

能源管理包括电池管理，它是基于电池监控的信息，允许在没有手动输入的情况下进行自主操作的系统 - 21世纪初期车辆所需的舒适性和技术要求。

2 电气系统的变化和这些变化的驱动因素

汽车电力系统越来越受到燃油经济性和生态学的需求以及新的功能的提高的驱使，从而提高了安全性和舒适性。新的组件可以提高舒适性和可靠性，以及车辆的可用性。在许多情况下，有可能降低生产和运营成本。用于制动、转向和稳定的电控和动力系统需要可靠的电能供应。可靠性的可限制性必须由能源管理部门预防并提前评估，而驾驶员根本不需要参与。

燃料消耗的降低预估可以通过电气部件的更换来实现，电气部件仅在需要时被激活，并且具有更高的发电、分配和使用电能的能量效率。尽管这些的目的是在电动发动机的改进，电力消耗的能量转移和设计方面，但还可以通过计划的电能生成、充足的储存和节约能源的家务管理来做出重要的贡献。在经济上有利润的时候，必须产生电能，并且在生成低效率或根本不可能的时期内存储直到需要为止。

这意味着将电池作为存储介质的智能集成到车辆能源管理的整体概念中。 仔细监控能量流可以用于相对于成本，重量和体积最小的投资。

在负载需求的波动比今天高得多的情况下，总体电气性能正在增加。这不是简单地扩大今天的组件就能做到的。电池资源的最佳使用需要采取的程序有：了解电池的实际状态，功率能力和作为能源管理的输入的电池的劣化。

2.1 过去的汽车电池

在开发由内燃机（ICE）驱动的道路车辆开始时，除了点火之外，车辆上还没有电气设备，主要通过磁点火或更可靠地主要干电池实现。随后豪华轿车的照明很快就被蓄电池提供。但是如图1所示，电池监控的层结构生成电池状态信息、电池管理和能源管理以及相互的数据流。正如1912年第一台电动起动电机被用于一系列生产车。由电池驱动的电起动电动机的起动杆的这个位移有助于内燃机做出最终突破作为动力的道路车辆的来源。

鉴于启动程序非常短暂，组件、电池和起动电机两年来都经历了一个完整的优化，以获得尽可能低的制造成本的最佳转矩。

不断降低的制造成本提供的事实使汽车电气系统的进一步发展受到越来越强大（爪式）交流发电机的青睐，并且被一再呼吁提供冷启动电力的车辆电池能够提供 一些能源在任何时候都能覆盖电气要求，即使在供电期间消费者不多。

直流交流发电机在低转速时会有低功率或甚至没有功率输出的情况，因此电池不仅必须在发动机静止时提供电力，而且还必须在空转时提供电力。这几十年来不是一个问题，因为电气点火、照明和挡风玻璃刮水器是唯一的消费者，像无线电和电动风扇的功能仅限于高档车辆。在二十世纪六十年代，汽车行业反而造成了主要的电能瓶颈，电器消费者数量急剧上升，尤其是引入电动窗除霜器，将电池电压加倍至12 V，并引入适用的14 V三相交流发电机。

2.2 目前车辆的汽车电池

这个技术概念到现在没有变化。如图2显示出了在环境温度下高端发动机起动期间测量的电压和电流。发动机在大约100毫秒内运行，即使在低温下，现代汽车ICE也会在几秒钟内运行或者根本就不会摆动。

在经典车辆中，电池是完全被动的能源和蓄电装置：

图2 在环境温度下高端汽油发动机起动时测量的电压和电流

（1）如果消耗的能量比产生的能量更多，则放电，如果电池能够提供能量（以有意义的方式），则不进行任何检查；

（2）如果有更多的能源可用，实际需要的电池可以提供充电能量，则无需检查电池是否能够消耗能量。

这种所谓的部分充电（PSOC）操作模式是自几十年以来SLI电池的标准配置。在夏季延长的公路行驶后，典型的SOC水平约为90％，在冬季的交通堵塞状况下甚至低于50％甚至更少，发动机在这种状态下关闭时可能会产生起动问题。

根据流向或从电池或其他组件流出的电流，电池端子上的实际充电电压取决于实际的交流发电机电压和连接时的欧姆损耗。与交流发电机输出电压相比，这可能会使电池充电电压降低几百mV，这可以通过将电池安装在主干箱中的高端车辆来测量。 即使使用温度依赖的电压调节器，把它安装在交流发电机附近，并且持续数小时不关心交流发电机已经处于工作温度时电池温度可能仍然很低。

充电电流无法控制，电池的充电状态的电负载、驱动条件、交流发电机和稳压器性能，以及电池性能，包括尺寸、设计、温度和电池老化，基本不可预测。

测量的电压对电流曲线（在[1]中的图7和8中给出的情况）显示出滞后状态，因为SLI电池被交替地放电和再充电。电压电平和放电和充电周期的持续时间取决于操作条件以及系统布局和电池性能。

包括作为电流源的交流发电机，以及作为当前存储装置的电池和消费者的电气系统都被被设计成使得驱动条件（其确定根据交流发电机可能产生电流的组合简介）和各种消费者（决定当前消费）的预期运营组合不仅在长期平均水平上提供了当前时间，而且也在短时间内提供。

由于交流发电机的特性和效率的提高，即使在ICE的低速和怠速下也能显著改善电源，交流发电机的当前发电量足以满足消费者在许多工作状态下的需求，而电池的完整性能源储存能力几乎没有被使用过。

电池只有在一下情况才会跳入：

（1）内燃机（ICE）关闭（静态载荷，停车灯，ICE起动）；

（2）能量产生不能满足需求，即如果ICE正在闲置而此时许多电力消费者正在使用，例如在冬天或夜晚交通堵塞情况；

（3）交流发电机不能跟随消费者的突然负载变化，即电池稳定电压水平，如图3显示了典型的负载响应行为；

（4）交流发电机有故障（紧急职责）。

图3 电池起动时使电压水平稳定时交流发电机和电池的负载响应特性

然而对于具有大量电力消费者的高端级车辆，在分解车辆中频繁地发现放电的电池，特别是如果在低温下仅行驶短距离，例如停止/启动流量，当发动机关闭或空转时，还必须提供更多的电气负载。静态负载不仅包括20年前的记录，还包括防盗设备和远程解锁，并且不要忘记在静止状态后向保持“唤醒”模式一段时间的电子发动机控制器的发动机提供快速、环保的重新启动。如果车辆通过电话锁定打开，车辆灯闪烁正常，点亮其内部，每次消耗高达1瓦的电池。

2.3未来汽车的汽车电池

未来道路车辆的各种技术方向取决于安全、舒适和经济的不同目标，可以独立或组合地出现：

（1）更多的组件需要电力具有高可靠性；

（2）对“确保流动性”的需求，即启动和能源供应全部基本功能（标准或误用）条件；

（3）电力需求进一步扩大，包括新增新型电动元件类型配置文件，包括较高（峰值）功率需求和更高的电流瞬变；

（4）ICE的启动/停止运行模式；

（5）电动制动能量回收（恢复）；

（6）转矩辅助/加速辅助（升压）模式。

20世纪60年代以来，高档车辆的电力需求从不到500W开始，到2000年已经增加到2千瓦以上，并将进一步增加，中产阶级和紧凑型车辆将继续上涨。 在未来十年，汽车工程师预计迅速增加至约10 kW。从不同来源提供预期功率的精确数字。

今天，在ICE车辆中燃烧了大部分燃料（约1升/ 100公里甚至更高档的高端汽车），为车上各种电气部件产生电能[5]。由于从燃料通过内燃机和交流发电机到组件（有时在电池中存储了一段时间）的能量转换的效率链差，为了产生100W的电力，燃料消耗增加约0.15l / 100km，即节省100瓦特的电力损失降低了50公斤重量的燃料消耗，表明电力系统优化降低燃料消耗和排放的潜力很大。

如果能源供应商和环境科学家的预测得到认真考虑，汽车电气系统乃至电池的全新情况将会出现，新车的消费量将在2015年下降至一半的价值今天约9升/ 100公里。这种情况尤为关键，因为预计只有通过挑战性的技术措施才能实现进一步的电气需求，许多具有自动变速箱控制（VTC）或自动开关装置（ASG）的大量电流瞬变，更频繁使用涡轮增压器，自动怠速停机，作为电能恢复制动能量，在低扭矩和低转速的低扭矩和排放关键起动范围内通过电机对内燃机的电气支撑，以及避免节流阀损失和最佳 通过电磁阀驱动（EMVA）在汽油发动机中混合。

这将需要更强大的电池，具有更大的循环稳定性和存储容量，以及可能引入更高的车辆电气系统电压（例如42 V）。

这些操作将提供系统设计的平均功率需求。然而，能源供应的冗余和可靠性只能通过安装电池监控，适当的能量流（和电池）管理与/或具有多个电池（或另一个存储系统）的系统来提供。

2.4 双电池系统

长期来看，汽车行业及其供应商正在制定针对42V PowerNe的解决方案。然而，由于新设计组件的可用性和可靠性的成本考虑和不确定性，仅在真正需要的时候逐步引进。双电压接近14 V/42V，部分包括两个电压在两个电压水平，正在讨论中期。但是几个新功能，特别是那些旨在提高可靠性和舒适性的功能可以是已经在现有的14V电气系统的基础上实现了。

双电池系统可以保证起动内燃机的能力，并且即使在极端运行情况下以及在电源系统发生故障或不当使用的情况下也能保持车辆的移动性。一般来说，采用双电池设计的动机如下：

（1）起动可靠性：一个电池（最佳小功率型）保持在高SOC。根据其他要求，其他电池可能是高周期或/与高能量类型；

（2）电加热催化剂的可靠操作：防循环电池应保持高电荷状态（注意：由于改进的发动机设计和操作策略，可能需要电催化催化剂的加热）；

（3）大型（柴油）发动机的极限起动功率需求：两个电池可能并联，选择的类型可能是根据其他要求，但不应该太大；

（4）减轻重量：两个

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