电池铅酸充电

能源新语精确电流检测确保车用电池健康

自1912年以来，铅酸电池一直是汽车电子系统的一个组成部分。凯迪拉克(Cadillac)最先利用这种电力，导入自动精确电流检测，从而颠覆了汽车产业...

在一个平日放学后的夜晚。您在下着雪的夜色中驾车经过市区去接孩子回家。车上的电台和导航系统一直开着，就算下车后也从不关闭它们。在这个寒冷的夜晚，空调风扇和座椅加热器都调至最高档。红灯时您暂停了车子，汽车的自动停止-启动系统关闭了引擎以节省燃料。然而，当您踩下油门准备发动时，车子没有任何反应。您尝试手动启动汽车，但引擎只是发出声音，而大灯依旧暗淡。

发生了什么事？车里启动的所有新型功能和技术耗尽了电池，现在您被困在车阵中，而您的孩子还在市区的另一端等着你。

这个场景实在太熟悉了，而且，随着新车配备越来越多的创新系统，这样的场景也变得越来越普遍。车载系统都依赖于汽车电子系统的一个组成部分：铅酸电池；但它从1950年代以来几乎已不再有任何创新了。

铅酸电池技术

自1912年以来，铅酸电池一直是汽车电子系统的一个组成部分。凯迪拉克(Cadillac)最先利用这种电力，导入自动精确电流检测，从而颠覆了汽车产业：开启了维护汽车电池健康的时代。由于铅酸电池的性能、耐用性和低成本，至今仍是最可行的汽车能量储存单元。

目前已有许多酝酿中的铅酸电池替代技术：但不是太过于昂贵，就是易碎或过大。汽车电池中的铅有剧毒是公认的事实，但因为铅是世界上最易于回收的金属，也使环境问题得以缓解。据估计，美国所有电池中的铅有97%可被回收。

遗憾的是，铅酸电池的进步远远跟不上汽车和卡车中随处可见的技术进展与步伐。根据2010年国际电池(组)委员会技术小组对最近拆除的电池故障模式的研究显示，相较于5年前，极板/栅极相关的故障实际上增加了9%。人们普遍认为，这些故障的增加是由于新车中增加的电子系统对于电池造成额外的电子压力所导致。

铅酸电池为何损坏

导致铅酸电池故障的主要原因有三：腐蚀、硫化和酸分层。这些结果分别由过充电、充电不足以及过度使用而导致。

腐蚀是指铅板随着时间的推移而分解；最终，其中一部份可能会彻底变质。电池中铅板的腐蚀是不可避免的，因为它们长期浸泡在酸性溶液中。当遇到过充、深度放电和温度过高等情况时，这个过程还会加快。延长电池寿命的关键不在于停止其腐蚀状况，而是管理那些导致腐蚀的可控制因素。

当电池无法完全充电时，则可能发生硫化现象。随着新车中的电子系统增加，这种情况也更加常见。在发动汽车后，铅酸电池需要一定的时间正确充电。如果汽车从启动状态直接进入怠速，则引擎转速降低将使交流发电机无法充份为电池充电。如果马达未能充份加速，就可能导致电池损坏。

分层的原因可能与硫化相同。当电池持续充电不足时，仅适度循环而从未完全充电，则可能发生分层。虽然原因可能是一样的，但会发生什么情况则完全不同。在一个分层的电池中，电池中的电解质与液体混合物会分离开来，并积存在电池的较低区域。上层区域较轻的酸导致这部份的铅板更容易受到腐蚀，而高浓度的较低区域则可能造成此部份铅板的硫化。

除了腐蚀和硫化的长期影响，分层还会导致汽车启动时性能降低的短期影响。分层还会导致虚假的电压读数上升，对于很多测量系统来说，这使得电池的充电量测量值比实际充电量多。

保持车用电池健康

经过以上解释铅酸技术后，很自然地会出现这样的问题：如何避免这些故障模式发生呢？

很遗憾地，答案是无法避免。这些故障将不可避免地发生，甚至是在最佳操作情况下，电池最终也将因腐蚀而损坏。

但是，早期损坏是可以避免的。更重要的是，如果为汽车提供一个先进的电池管理系统(BMS)，则可以提前通知驾驶人电池快要损坏了。

BMS能够准确地监测所有的电池参数，包括电流、电压和温度。如果装置无法监测所有的参数，就不能辨识电池是处于良好或不良的状态。例如，在确定电池的充电状态(SOC)时，分层导致的电压升高将误导仅考虑电压测量的仪表。BMS会同时检测这三项参数，并提供给用于确定充电状态的更高级别控制器。

充电状态基本上是用于估计电池中还剩多少电量。就像汽车的油表，它显示了电池的电量有多‘满’。透过库仑计数可计算出充电状态。库仑计数是一种测量电池电流流入或流出的方法，随时间进行积分。如果电池的容量是已知的，计算其电量就相当简单。

然而，对于汽车电池来说，却并不那么简单。部份原因在于腐蚀和硫化发生在电池的整个生命周期。这意味着电池在整个生命周期内都会损失电量。因此，使用几年后，完全充电的电池所储存的电量会比全新时完全充电可储存的电量更少。

健康状态(SOH)的读数可协助测量系统补偿随时间推移而损耗的能量。SOH值给出了相对于原始最大容量的百分比估计值。新电池的SOH为100%，而旧电池的SOH可能为85%。

如果旧电池已充满电后，它会显示一个完全的SOC。但是，因为它是旧电池，其实最多可能只充到原始容量的85%，意味着即使系统显示电池已充满，充电系统停止充电，汽车仍然知道SOC水平将下降得很快，因为它是以较小的标尺来衡量的。一个好的BMS系统测得的SOH估计值则可以消除其他测量系统可能得出的错误电量读数。

利用BMS提供的信息

那么如何有效利用BMS数据，以避免遇到文中一开始出现的场景？BMS可监测电池的SOC和SOH。因此，在电池损坏当晚的数周或数月以前，汽车就应该亮出警示灯或发出警告了。

当然，驾驶人经常无视警示灯。因此，系统可以侦测到即将发生的危险，并关闭非必要的系统，如座椅加热器和收音机，以便有助于保持电池的SOC。此外，汽车控制系统也能防止汽车在红灯时关闭引擎，避免无法再次启动的风险。

例如，可用于汽车BMS系统的Vishay Dale智能电池传感器(IBS)。它使用WSBP8518L100分流电阻，测量电池两端的电压、流过电池的充电或放电电流，以及流经电池接线柱和IBS单元之间热传导测得的温度。即使作业条件迅速变化，这三个测量值几乎是同时测量以确保精确。Vishay IBS使用LIN通讯协议将这些测量结果发送到汽车的ECU或其他控制系统。

Vishay Dale IBS适用于汽车的各种作业条件。其-40℃至115℃的温度额定值让IBS能够在甚至可能损坏最新铅酸电池的条件下作业。电压测量范围使该单元能够在电池过充和充电不足状态下持续撷取数据。透过专用软件，该组件能够在电压和温度极限范围内检测完整的电流，使精度的损失最小。

结语

未来的汽车将会有越来越多的电子系统，这将使铅酸电池更难在多年的可靠运作之后保持正确的输出。高性能的BMS系统能够为驾驶人和汽车控制系统提供所需的信息，以延长电池的寿命，并有效地管理故障风险。

【注】本文由慧驭安行整理发布，转载请注明出处

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