未来汽车电气系统的前提条件：电池监测和电能管理外文翻译资料

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未来汽车电气系统的前提条件：电池监测和电能管理

摘要

新的汽车电气系统是由燃油经济性和生态性的需要而推动的，也是由车辆的安全性和舒适性、可靠性和可用性等新的功能推动的。用于制动、转向和稳定的电气控制和动力系统需要一个可靠的电能供应。

在计划內的新一代汽车的电能（只有当它是经济上有益时才有意义），具有充足的能量存储，以智能集成的电池作为存储介质为整体概念的车辆管理的、节俭的能源管理，并且可以尽早发现可能的限制，通过电池监测的可靠性，允许能源管理提前，因而司机不必参与。

为了满足电池监控与能量管理的需要，一系列的解决方案在2001到2003年开始发展，并且实施在14个五级中。

2003 Elsevier科学有限公司保留所有权利。

关键词：汽车电池；SLI；车辆电气系统；蓄电池；荷电状态（SOC）；健康状态（SOH）；电池管理；能源管理

1.简介

“电池监测”是用在一个广泛的含义，从随机人工读电压、电解液比重和水平，和可见电池检测，到通过容量和电池内阻的手动测量的定期测试，全自动地在线管理残留桥接时间和电池磨损的重要方法，都是电池监控。

在本文中，术语的电池监测是最先进的多循环电池自动导引交通工具（AGVs）、叉车、潜艇、电动汽车和卡车，以及在电信和UPS备用电池的无需人工参与管理的电池监测。随着消费者应用，任何移动电话、笔记本电脑或掌上电脑，甚至手表配备提供关于剩余电量的信息。

古典工业循环应用和许多消费设备的特点是：

• 周期性地完成充电，为满的荷电状态（SOC）提供一个好的定义的重置。
• 放电从满的电池状态(SOC)开始，到电池放电完成或者任务完成结束。
• 几乎没有其他充电措施，而不能达到满的SOC状态（机会充电）。
• 单一的放电任务，仅仅为了给设备提供动力，该设备的特点是受限于充放电电流率以及运行温度。

周期性重置回满的电池状态可以定期重新校准，在一些特殊情况下，当充电是发生不合时宜的中断，损失一些精度 是可以接受的。放电从一个良好的定义状态开始，在各种限制下的电流率进行，而且可以方便追踪电池的状态。

更困难的是与太阳能或风力发电厂一起操作的固定电池的情况。尽管具有上面提出过一些方便于电池监测的条件，但是对于牵引电池来说，由于原件的大小受限，还有控制战略目标为了充分利用风能和太阳能不会让电池达到极限的运行，所以很难达到真正的满电池状态。因此，由于测量不正确累积，所以从跟踪电池的运行历史去评估电池的状态是很难的。

对这两类型的运行进行对比，汽车电池的特定的不同的状况变得更加明显，在技术的角度上，在以下方面阻碍着车载电池的发展：

• 他们很少被完全充满，“机会充电”就是他们的标准。
• 在很大范围的电流率下进行充电。
• 放电从来没有正真的从满的电池状态下开始。
• 在很大范围的电流率下进行放电。
• 有时候会出现充分放电（不幸的）还会出现过放现象。
• 各种各样的电职责必须为不同的应用提供电源。
• 操作温度在-30到70度，可能会超出范围。

此外，汽车的花费水平可能不能接受很多在其他领域可能可以接受的解决方法。

这里术语“电池监测”包括：

• 接受电池的相关数据。
• 处理这些信息，包括预测性能，和
• 表示原始数据或处理信息，以人或单位，即只被动监视和评估。

术语“电池管理”是指主动反馈到电池。这可能包括控制电流或电压的水平，充电条件的控制，限制操作窗口的充电状态或者温度，电池温度管理等。

能量管理（电气）指的是电能的管理，即控制电能的产生、流动、储存以及消费。没有电池监测的基本信息，能源管理可能几乎不起作用。一个合适的电池管理可以显着提高和改善，但不是一个先决条件，是一个成功的能源管理。图1描述了电池监测的层状结构，包括其产生的电池状态信息，电池管理和能量管理的关系。

图1电池监测的层状结构，包括其产生的电池状态信息，电池管理和能量管理的关系。

这是能量管理，更好的包括了电池管理，以电池监测的信息为基础，允许一个系统的独立操作------是21世纪初舒适性和技术必要性的需要。

2.电气系统的变化以及这些变化的驱动力

汽车电气系统越来越受到燃油经济性和生态化，以及对安全性和舒适性的提高等新功能的推动。新的组件可以提高舒适性和可靠性，以及车辆的有益性。在许多情况下，有可能降低生产和运营成本。电气控制和动力系统的制动，转向和稳定需要一个可靠的电能供应。真实性的可能限制，必须通过能量管理和评估提前来防止，而驾驶员完全不需涉及。

减少燃料消耗，预计将在机械驱动的辅助组件由电气元件取代是实现。这样可以在他们需要是被激活，可以在电能的产生、分配和使用时具有更高的效率。这些目标是针对电发动机，能源传输的改进和电力消费的设计同时，电能产生计划、充足储存、节能管理也会对此产生重要贡献。电能必须在其有经济效益时产生，存储直到发电是不高效或者不可能的时候。

这是这一个智能集成的电池作为存储介质的车辆能量管理的整体概念。仔细监测和控制的能量流动，以最小的投资与成本，重量和体积。

整体所需的电气性能正在增加的，重量的需要比现今的波动大得多。这不能被今天的组件简单的加大比例的覆盖。电池资源的最佳使用过程的必要的程序：实际充电状态的知识，功率容量，和电池的降解作为能量管理的输入。

2.1过去的汽车电池

道路交通工具发展开始是有内燃机驱动的，除了内燃机以外及以外没有任何电气设备，如电磁发电机或更可靠的干电池。很快的，豪华车的灯光由电池供电。在1912年第一个汽车启动电机应用于汽车已经很迟了。电池驱动电机来起动是道路汽车动力来源的最后的突破。

鉴于启动过程是非常短暂的事实，这两个组件，电池和起动电机发展多年，经历了一个完整的优化，以获得尽可能低的制造成本来得到最佳可能的扭矩。

对车辆电气系统进一步发展的事实，日益强大的支持（爪极型）发电机在不断降低制造成本，还有汽车电池，一再呼吁提供冷启动电源，能够提供一些能源，在任何时候，以涵盖电力需求，即使在供电给消费者的时期是不够的。

直流发电机在低转速时低功率甚至无功率输出，所以电池不仅发动机在休息时，而且在怠速时提供电能。这个不是一个几十年的问题，由于电点火、照明、挡风玻璃刮水器是唯一的消费者，以及诸如无线电和电驱动的风扇是有限的上层阶级的车辆。在上世纪60年代，汽车行业突破了电气能源瓶颈，引起了电消费者的迅速安装，特别是电窗除霜的介绍，将电池电压加倍到12 V和引入14 V三相交流发电机的应用。

2.2当今交通工具的汽车电池

这个技术的概念到今天都没有改变。图2是高端发动机在起动期间的电压和电流的测量。该引擎是在大约运行100毫秒，即使在低温下，一个现代汽车的内燃机在几秒钟内运行，或者将不起动。

图2高端发动机在起动期间的电压和电流的测量

在经典的车辆，电池是一个完全被动的能量和功率存储设备：

• 如果没有任何检查电池是否能够给这种能量（以一种有意义的方式），它会释放更多的能量，而不产生任何检查。
• 如果提供更多的能量，则为电池充电的能量，而实际上是需要的，没有任何检查电池是否能取能量。

这个所谓的部分荷电状态（PSOC）操作模式从几十年前到现在都是SLI电池的标准。典型的SOC水平约90%即夏季延长公路开车，下降到低于冬季交通堵塞状况甚至少于50%，都可能在发动机关闭状态下会产生起动问题。

电池终端的充电电压，有交流发电机的电压，以及以及线路上的欧姆损耗所决定，主要依据于电流的流向是从电池出发还是流向其他元件。这样会使电池的充电电压比交流发电机的电压减少几百毫伏，这可以在车厢内通过精密的工具测量出来。即便是应用温度电压调整器，它被安装在交流发电机附近，当交流发电机正常运行时，它也不会对低了几个小时的电压有担心。

充电电流无法控制，电池的电荷状态难以预测他的电气负载，驾驶条件，交流发电机，调节特性，电池特性，包括大小，设计，温度，电池老化。

测量电压与电流分布（图7和如8 [ 1 ]给出了相应的情况）显示滞后的行为，为SLI电池交替充放电。电压等级的放电和充电时间，取决于操作条件以及对系统的布局和电池性能，参见[ 1,2 ]。

电气系统，包括作为电流源的发电机，电池电流储存装置，和消费者（负载），设计在这样一种方式来组合的驱动条件（由发电机的转速曲线来确定可能产生的电流）和预期的混合操作的各种消费者（确定当前的消费）提供的电流不仅在长期时间平均，而且在周期短。

由于电源的显着改善，即使交流电机提供的内燃机的低速度或者零速度，在许多状态下，由交流发电机产生的电流是足够的提供消费者（负载）的需要，电池的完整的能量存储能力是几乎没有用的。

电池只有在这些情况下不得不加入工作：

1、内燃机是关闭的（静态负荷、停车、内燃机启动）。

图3.电池电压水平稳定时，交流发电机和电池的负载响应特性

1. 能量产生不能满足需求，即内燃机处于闲置状态而很多用户用电的开关闭合时，例如在冬天或晚上交通拥挤的情况下。
2. 交流发电机不能随用户负载的突然变化而变化，即电池电压水平稳定。图3显示了负载典型的响应特性。
3. 交流发电机有缺陷（紧急情况下）。

然而，随着高档车辆吸引了大量的电类消费者，放电电池越来越多地被发现在出故障车辆中，特别是低温下每天只有短距离的行程的车辆，如在停止/开始的交通中。当发电机关闭或闲置时，越来越多的电负载还需要供电，静态负载不仅包括20年前的时钟，还包括防盗设备，远程锁和发动机电子控制器。当发电机熄火后，发动机电子控制器可以维持“醒着”模式一段时间以提供一种快速环保的重启方式。通过遥控锁打开车辆后，车灯会闪烁和照亮车内，这样每次消耗电池1瓦时的能量。

1. 未来车辆的自动电池

根据安全、舒适、经济等不同的目标，未来道路汽车的各种技术方向可能会独立出来或结合在一起：

1. 大量的组件使用高可靠性的电力能源；
2. “确保机动性”的要求，即在所有（标准或误用）的条件下仍能启动和为基本功能提供能量；
3. 未来对电力的需求量会进一步增加，比如出现新类型的电力驱动组件，或者更高峰值功率和更高的暂态电流值；
4. 内燃机的启动/停止操作模式；
5. 电力制动装置能量的恢复；
6. 转矩辅助/加速辅助升压模式。

高档车辆的对功率的要求已经从1960年的少于500W增加到2000年的2kW，在将来会增大到更高的需求值，并且中等和普通档的车辆的功率需求也会随着这个趋势增加。在接下来的十年里，车辆工程师对这个需求值的预测可能暴涨到10kW[3]。

提供预测功率的精确数字来自不同的源（例如[ 3,4 ]）。

现今，燃料的主要部分部分（约1升/ 100公里，甚至更多的高端车）在内燃机车燃烧来产生电能来给汽车各组件工作。由于燃料燃烧转化到能量以及电机到组件的低效（有时存储在电池前一段时间），100 W的电功率油耗增加约0.15升/ 100公里[6,7]，即节省100瓦的电功率损失降低燃料消耗量为50公斤的重量减少得多，证明优化电气系统高电位降低燃油消耗和排放。

车辆电气系统的面临一个全新的局面，因此，如果能源供应商和环境科学家的预测的重视[8,9]，电池将出现，新车的能耗将在2015年度下降至约9升/ 100公里的一半。形势显得尤为关键，因为这将只有通过富有挑战性的技术措施，提出了进一步的电力需求是可能的，许多重要的电流瞬变的像自动变速器控制（VTC）或自动开关装置（ASG），和涡轮增压器的使用越来越频繁，自动怠速启停、制动能量为电能量回收，电支持内燃机的电机在低扭矩和排放起动临界范围在低转速，避免节流损失和由电磁阀驱动汽油机的最佳混合（EMVA）。

这将需要具有更高的循环稳定性[ 8 ]和存储容量[10]的更强大的电池。以及可能更高的车辆电气系统电压的引入（如42 V）[ 7,9,11 ]。这些行动将为提供平均功率需求的系统而设计。然而，能源供应的冗余和可靠性，只能由安装的电池监测，适当的管理的能量流（和电池），和/或由系统与多个电池（或另一个存储系统）提供。

2.4双电池系统

长期以来，汽车行业及其供应商针对包括42伏电网[12,13]的解决方案。然而，由于成本方面的考虑和不确定性的可用性和可靠性的新设计的组件[ 10 ]，改良时在真正需要的时候才逐步引入。双电压接近14 V / 42 V，由两节电池提供两个电压等级，过渡时期[14,15]还在讨论。但一些新的功能，特别是那些旨在提高可靠性和舒适性，可以现实的基础上，存在14伏电气系统。

双电池系统[ 1,16 ]可以保证起动内燃机和保持车辆的机动性甚至在极端的情况下，对供电系统故障或误操作情况起作用。一般情况下，双电池设计的动机如下：

• 启动可靠性：一个电池（最好是一个小的高功率型）保持在高的电荷状态。另一个电池可能是一个高周期或/和高能量类型，这取决于其他需求
• 电加热催化剂的可靠运行：一个周期性的电池应保持在高电荷状态。（注：电加热的催化剂可能是必需的，由于改进的发动机设计和操作策略的需要）
• （柴油）发动机极端的起动大功率需求：两节电池可能并联，所选择的类型可能是根据其他要求，但不应该很大不同。
• 重量节省：两个极端的专业电池设计，然而，要妥善管理。

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