蓄电池主动负荷管理系统

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　　车用蓄电池在使用了4、5年之后坏了或者性能有所下降，并不足为怪。但是有一些让人觉得奇怪的统计数据和一些新技术涉及到质量担保期间发生故障的蓄电池，显示出蓄电池并不总是按我们设想的那样工作。
　　在一家名为“蓄电池大学”的网站上(BatteryUniversity．com)，一些数字引起了人们的注意，这些数据足以说明现在我们对蓄电池及其测试技术的掌握程度。根据该网站上的消息，德国一家豪华汽车制造商称：“质量担保期间返回的400个蓄电池中，200个并没有故障，而且可以正常工作，只有不到7％的故障是由制造缺陷引起的”。低电荷和酸层化是造成那些明显故障的原因所在。制造商接着说，比起基本车型，配备更多大功耗装置的大型豪华轿车上的蓄电池，其故障更为常见。
　　在日本，新车车主投诉最多的问题便是蓄电池故障。日本的轿车平均每天只行驶13km，而且这13km通常都是在交通拥挤的城市里行驶。在这种工况下，发动机转速低，蓄电池并没有真正得到充电的机会。当蓄电池相当长一段时间处于低电荷时，就会产生硫化现象和故障。
　　电解液聚集在蓄电池底部时，即发生酸层化。在BatteryUniversity．com网站上，将这一现象类比为1杯已经加了糖，但没有搅拌的咖啡。如果电荷量低于80％，蓄电池将趋于层化。短的行驶周期，特别是使用空调和挡风玻璃雨刮器之类的大电流附件，都会加剧这一现象。
　　那么，在没有充分的理由说服司机们更长时间地使用他们的车辆的情况下，我们该怎么办呢?我们应该做的是：首先在故障发生时及时发现故障，接着控制电力负荷和充电系统，以确保蓄电池充电完全。
　　我们很容易忘记这个事实：用于启动车辆的蓄电池是高度优化的设备。蓄电池是设计用来供冷启动电流(CCA)的，而这些启动电流用来驱动启动电机。现在，使用的铅酸蓄电池有5种，最常见的是溢出式电解液启动、照明、点火(SLI)类。SLI类型包括密封低维护和不密封两种形式。另外也有AGM、螺旋蓄电池(例如，Exide Optima)，甚至带凝胶电解液的蓄电池，例如在机动轮椅里使用的蓄电池。深循环形式的蓄电池还没有在汽车上得到大量应用，但是随着新启动电机技术的发展，这种情况将会发生改变。这些类型的蓄电池有各自不同的特性，需要相对应的测试方法。
　　除了为启动电机提供冷启动电流外，当能量需求超过发电机所能提供的能量时，蓄电池也充当提供电能的能量源。对于发电机系统而言，其输出都直接取决于发电机的转速，也就是发动机的转速。怠速时，一般的发电机只输出额定输出功率的30％。这就是说，只有在发动机拥有一定转速时才能充分发挥发电机的功用，否则就只有依靠蓄电池来提供车辆上所需的电能。由此可见，在日本那样交通堵塞严重的国家，由于发动机时常处于怠速状态，蓄电池不得不大负荷地工作，经常发生故障也就不难理解了。因此，我们就需要知道如何监测蓄电池的工作状态。
　　正如Midtronic公司发表在美国汽车工程师学会(SAE)的论文里讲到的那样，蓄电池状态有两种度量方法——电荷状态(SOC)和健康状态(SOH)度量法。SOC计算法度量的是在给定时间内蓄电池可利用的能量。SOC度量法提供了一个参数，车辆设计师可以用这个参数来确定提供给不同车辆电力系统的蓄电池能力，以及蓄电池从充电系统接收电荷的能力。另外，SOC还可以度量再充电的结果。
　　SOC度量技术通过测试电导来实现。该测试主要通过蓄电池端子的低幅交流信号，这些交流信号在蓄电池的直流输出量上面浮动。测量电路产生的交流电流，然后就可以利用欧姆定律计算出蓄电池的电导。包括Midtronics、Cadex Electronics和AgilentTechnologies公司在内的几家公司对常规的实验装置进行了一些改进。也有人相信使用多种频率可以更好地分析蓄电池的电荷状态。直到现在，大多数这样的实验装置都只是设计成耐用设备，而不是永久安装在车辆上。
　　电荷状态也是重要的测量标准，因为普通的汽车蓄电池必须维持一定的电荷量。通常4、5次完全的放电就会严重地损坏蓄电池。SLI蓄电池工作在电荷90％以上状态时的寿命最长、性能最好。
　　
　　随着启动电机技术的改进，SOC正变成更加重要的度量方式。欧洲汽车制造商们被要求在2008年之前降低燃油消耗和温室气体排放量，达到该要求的一个办法是当车辆短暂停在路上时，要关闭发动机。Visteon公司最近公布了一种新型的发电机启动机联合系统，称为“快速启动(Quik Start)”，它能在0．4ms内重启发动机。其启动速度之快，以至于在驾驶员把脚从制动踏板移到油门踏板上的时候，电机就已经启动并运行起来了。
　　这些重启系统可以改善燃油经济性，并将其提高5％。想一想，这将给蓄电池带来什么影响！蓄电池不仅必须提供重启的能量，还必须提供车辆静止期间所有用电系统所需的能量(试想一下，没有人愿意在大热天坐在没有空调的静止的车里)。其结果是每个这样的循环都导致蓄电池大量放电。如果驾驶环境是停停走走的行车状态，那么循环之间很可能没有足够的时间来给蓄电池充电。由于这个原因，Visteon QuikStart系统需要能进行深放电循环而不至于损坏的特殊蓄电池。
　　然而，仅是电荷状态本身并不能充分监测蓄电池。充、放电循环总是在一个宽的范围内变化。它受蓄电池的温度和使用年限的影响，车辆是否在热气候中运行也是一个因素。当蓄电池用在与安全有关的系统时，建立第二种性能度量，即健康状态监测是很有必要的。如果你了解蓄电池的实时SOH及其性能上随时间的降低的知识，就可以保障蓄电池正常地工作。
　　与CCA测试相同，SOH度量也是利用电导技术来计算健康状态的。蓄电池的电导随着离子和电子的变化而变化，而随着温度的升高而降低。离子和电子的变化是可逆的，尤其是低温时离子迁移率和电导将严重下降。所以，如果你要测量蓄电池的健康状态，就必须精确测量蓄电池温度，这样才能准确地判定其性能。
　　要测量温度，就需要在蓄电池内部加一个传感器，因为蓄电池很大的散热量意味着其内部温度的变化远比外部温度的波动要慢得多。
　　为此，一些兼备SOC和SOH两种度量功能的装置就要安装在车辆上。Midtronics公司把自己的相关产品叫做onGuard。汽车后市场上使用的是安装在蓄电池顶部，与其正极和负极接线端相连的装置。一家叫做Furakawa的日本公司生产了一种具备以上功能的设备，这种设备实际上设在蓄电池内部。还有其它一些形式，如把设备的电子部件置于蓄电池电缆里。
　　这项技术的关键是通过精确测量蓄电池的状态，以监控并解决那些可能导致蓄电池寿命缩短的因素。有些汽车制造厂在汽车设计阶段就已考虑这一问题了。一方面，为带有车辆停车／重启功能的汽车配备低电荷蓄电池，以防止蓄电池SOC的进一步降低。另一方面，为了减小蓄电池的负荷，可临时中断一些电器系统或减少用电量。例如，车辆在路上停着的时候，雨刮器实际上并不用移动得太快。也就是说，一个策略是在不必要的时候减小车载电器的用量，以减轻蓄电池的负荷。另外两个策略是提高怠速转速和降低变速器挡位，以在短距离驾驶的情况下维持更高的发动机转速。
　　和其它所有技术一样，以车载蓄电池检测和状态监测为主导的主动负荷管理技术的成本昂贵。该技术将以多快的速度进入主流车辆，将依赖于那些发生故障的蓄电池产生的后果有多严重。无疑，高端汽车可以承受这额外增加的成本，并且这些车辆的用户可能更不愿意由于他们的驾驶方式的不好所导致的蓄电池故障。