ลดความล้มเหลวของระบบไฟฟ้าในยานยนต์ด้วยการใช้เทคโนโลยีการตรวจจับและตรวจจับแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีความแม่นยำ

著者：Iflowpower – Dodávateľ prenosných elektrární

รถยนต์ทุก 5 คันที่เสียหาย ถือเป็นปัญหากับแบตเตอรี่ 1 ก้อน ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้านี้ เทคโนโลยียานยนต์ เช่น ระบบส่งกำลังไฟฟ้า การจัดการสตาร์ท/ดับเครื่องยนต์ และระบบไฮบริด (ไฟฟ้า/แก๊ส) ได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น ปัญหานี้จึงยิ่งร้ายแรงมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อลดความผิดพลาด จึงตรวจจับแรงดันไฟ กระแสไฟ และอุณหภูมิของแบตเตอรี่อย่างแม่นยำ และจะทำการประมวลผลผลลัพธ์ล่วงหน้า จากนั้นจะใช้สถานะการชาร์จและสถานะการทำงาน แล้วส่งผลลัพธ์ไปยังหน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) และฟังก์ชันการควบคุมการชาร์จ

รถยนต์สมัยใหม่ถือกำเนิดขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 รถยนต์คันแรกต้องพึ่งการสตาร์ทด้วยมือ ซึ่งมีความแข็งแกร่งมาก มีความเสี่ยงสูง และการหมุนมือของรถทำให้เกิดการเสียชีวิตจำนวนมาก ในปีพ.ศ. 2445 มอเตอร์สตาร์ทด้วยแบตเตอรี่ตัวแรกได้รับการพัฒนาสำเร็จ

ในปีพ.ศ. 2463 รถยนต์ทั้งหมดก็เริ่มใช้ได้แล้ว การใช้งานเบื้องต้นเป็นแบตเตอรี่แห้ง เมื่อพลังงานไฟฟ้าหมดก็ต้องทดแทน

ในไม่ช้านี้ แบตเตอรี่ของเหลว (เช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบโบราณ) จะมาแทนที่แบตเตอรี่แบบแห้ง ข้อดีของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดคือเมื่อเครื่องยนต์ทำงานก็สามารถชาร์จจากได้ ในศตวรรษที่ผ่านมา มีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด และการปรับปรุงสำคัญครั้งสุดท้ายคือการปิดผนึก

การเปลี่ยนแปลงที่แท้จริงคือความต้องการของมัน ในตอนแรกแบตเตอรี่จะถูกใช้เพียงแค่เพื่อสตาร์ทรถ แตร และแหล่งจ่ายไฟให้กับโคมไฟ ในปัจจุบันระบบไฟฟ้าทั้งหมดของรถยนต์จะต้องได้รับพลังงานก่อนการจุดระเบิด

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่ๆ ที่เพิ่มขึ้นไม่ได้มีเพียงเครื่องเล่น GPS และ DVD และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคอื่นๆ เท่านั้น ในปัจจุบัน ชุดควบคุมเครื่องยนต์ (ECU) กระจกไฟฟ้าและเบาะนั่งไฟฟ้า รวมไปถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในรถ เช่น เบาะนั่งไฟฟ้า ได้กลายมาเป็นการกำหนดค่ามาตรฐานของรุ่นพื้นฐานหลายรุ่น โหลดใหม่ในระดับเลขชี้กำลังส่งผลกระทบอย่างร้ายแรง และความล้มเหลวที่เกิดจากระบบไฟฟ้าก็เป็นหลักฐานที่เพิ่มมากขึ้น

ตามสถิติของ ADAc และ RAC พบว่าเกือบ 36% เกิดจากความล้มเหลวทางระบบไฟฟ้าในทุก ๆ ครั้งที่รถยนต์เสียหาย หากวิเคราะห์ตัวเลขจะพบว่ามากกว่า 50% ของความผิดปกติเกิดจากส่วนประกอบของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด คุณสมบัติหลัก 2 ประการด้านล่างแบตเตอรี่ควรสะท้อนถึงสภาพของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด: (1) สถานะการชาร์จ (SoC): SOC ระบุปริมาณการชาร์จที่สามารถจ่ายได้ ความจุที่กำหนดของแบตเตอรี่ (เช่น SOC ของแบตเตอรี่ใหม่ SOC) การแสดงเปอร์เซ็นต์

(2) สถานะการทำงาน (SOH): SOH ระบุว่าสามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้เท่าใด การแสดงสถานะการชาร์จจะดีกว่ามาตรวัดเชื้อเพลิงของแบตเตอรี่ มีหลายวิธีในการคำนวณ SOC ซึ่งมี 2 วิธี คือ วิธีการวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและการทดสอบคูลอมบ์ (เรียกอีกอย่างว่าวิธีการนับคูลอมบ์)

(1) วิธีการวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (VOC): ความสัมพันธ์แบบย่อระหว่างแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและสถานะการชาร์จในระหว่างที่ไม่มีแบตเตอรี่ วิธีการคำนวณนี้มีข้อจำกัดพื้นฐานสองประการ: ประการแรก เพื่อคำนวณ SOC แบตเตอรี่จะต้องเปิดโดยไม่มีโหลด และประการที่สองคือการวัดนี้จะแม่นยำหลังจากช่วงเสถียรภาพที่ค่อนข้างนานเท่านั้น ข้อจำกัดเหล่านี้ทำให้วิธี VOC ไม่เหมาะสำหรับการคำนวณ SOC แบบออนไลน์

โดยทั่วไปวิธีนี้จะใช้ในร้านซ่อมรถยนต์ โดยจะถอดแบตเตอรี่ออกแล้ววัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบได้ด้วยตารางแรงดันไฟฟ้า (2) การทดสอบคูลอมบ์: วิธีนี้ใช้การนับคูลอมบ์ในการวัดกระแสถึงจุดเวลา จึงสามารถกำหนด SOC ได้ การใช้วิธีนี้สามารถคำนวณ SOC ได้แบบเรียลไทม์ แม้ว่าแบตเตอรี่จะอยู่ในสภาวะโหลดก็ตาม

อย่างไรก็ตาม ข้อผิดพลาดในการวัดคูลอมบ์จะเพิ่มขึ้นตามกาลเวลา โดยทั่วไปแล้วจะใช้แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและการนับคูลอมบ์อย่างครอบคลุมเพื่อคำนวณสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ สถานะการทำงานของสถานะการทำงานสะท้อนถึงสถานะทั่วไปของแบตเตอรี่ และความสามารถในการเก็บประจุเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ใหม่

เนื่องจากลักษณะของแบตเตอรี่เอง SOH จึงมีความซับซ้อนมาก ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีและสภาพแวดล้อมของแบตเตอรี่ SOH ของแบตเตอรี่ได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย รวมถึงการยอมรับการชาร์จ ความต้านทานภายใน แรงดันไฟฟ้า การคายประจุเอง และอุณหภูมิ โดยทั่วไปแล้วปัจจัยเหล่านี้ถือว่ายากที่จะวัดปัจจัยเหล่านี้ในสภาพแวดล้อมแบบเรียลไทม์ในสภาพแวดล้อมยานยนต์

ในช่วงการสตาร์ทเครื่องยนต์ แบตเตอรี่จะอยู่ภายใต้ภาระงานสูงสุด ในเวลานี้ วิธีการคำนวณ SOC และ SOH ที่ผู้พัฒนาเซ็นเซอร์แบตเตอรี่ชั้นนำใช้จริง ซึ่งผู้พัฒนาเซ็นเซอร์แบตเตอรี่ยานยนต์ชั้นนำใช้จริงนั้นถือเป็นข้อมูลลับสุดยอด และมักได้รับการจดสิทธิบัตรด้วย ปกป้อง. เนื่องจากเป็นเจ้าของทรัพย์สินทางปัญญา พวกเขาจึงมักทำงานอย่างใกล้ชิดกับ VARTA และ MOLL เพื่อพัฒนาอัลกอริทึมเหล่านี้

รูปที่ 1 แสดงวงจรแยกที่ใช้ทั่วไปสำหรับการตรวจจับแบตเตอรี่ รูปที่ 1: โซลูชันการตรวจจับแบตเตอรี่แบบแยก วงจรนี้สามารถแบ่งได้เป็น 3 ส่วน: (1) การตรวจจับแบตเตอรี่: ตรวจจับแรงดันไฟแบตเตอรี่โดยตัวลดทอนความต้านทานโดยตรงจากขั้วบวกของแบตเตอรี่ เพื่อตรวจจับกระแสไฟฟ้า ตัวต้านทานตรวจจับ (การใช้งาน 12V มักใช้ใน 100Mω) ระหว่างขั้วลบของแบตเตอรี่และกราวด์

ในการกำหนดค่านี้ ตัวถังรถจะเป็นโลหะโดยทั่วไป และความต้านทานการตรวจจับจะถูกติดตั้งไว้ในวงจรกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ในการกำหนดค่าอื่น ๆ ขั้วลบของแบตเตอรี่คือ เกี่ยวกับการคำนวณ SOH คุณจะต้องตรวจจับอุณหภูมิของแบตเตอรี่ด้วย

(2) ไมโครคอนโทรลเลอร์: ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือ MCU ทำหน้าที่สำคัญสองอย่างให้เสร็จสมบูรณ์ งานแรกคือการประมวลผลผลลัพธ์ของตัวแปลงแอนะล็อก (ADC) งานนี้อาจจะเรียบง่าย เช่น เป็นเพียงการกรองพื้นฐาน หรืออาจซับซ้อน เช่น การคำนวณ SOC และ SOH

ฟังก์ชันจริงขึ้นอยู่กับความสามารถในการประมวลผลของ MCU และความต้องการของผู้ผลิตยานยนต์ งานที่สองคือการส่งกระบวนการผ่านอินเทอร์เฟซการสื่อสารไปยัง ECU (3) อินเทอร์เฟซการสื่อสาร: ปัจจุบัน อินเทอร์เฟซเครือข่ายเชื่อมต่อท้องถิ่น (LIN) เป็นอินเทอร์เฟซการสื่อสารที่พบมากที่สุดระหว่างเซ็นเซอร์แบตเตอรี่และ ECU

Lin เป็นโปรโตคอล CAN แบบบรรทัดเดียวที่มีต้นทุนต่ำซึ่งเป็นทางเลือกแทนโปรโตคอล CAN ที่เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวาง นี่เป็นการกำหนดค่าการตรวจจับแบตเตอรี่ที่ง่ายที่สุด อย่างไรก็ตาม อัลกอริธึมการตรวจจับแบตเตอรี่ที่แม่นยำส่วนใหญ่ต้องการทั้งแรงดันไฟแบตเตอรี่และกระแสไฟ หรือแรงดันไฟแบตเตอรี่ กระแสไฟ และอุณหภูมิพร้อมกัน

เพื่อที่จะทำการสุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัส คุณจะต้องเพิ่มตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลสูงสุดสองตัว นอกจากนี้ ADC และ MCU ยังปรับแหล่งจ่ายไฟให้ทำงานอย่างถูกต้อง ทำให้เกิดความซับซ้อนของวงจรใหม่ ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดยผู้ผลิตเครื่องรับส่งสัญญาณ Lin ด้วยการรวมแหล่งจ่ายไฟเข้าด้วยกัน

การพัฒนาต่อไปของการตรวจจับแบตเตอรี่ความแม่นยำของยานยนต์คือการรวม ADC, MCU และทรานซีฟเวอร์ Lin เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์จำลองความแม่นยำซีรีส์ AduC703X ของ ADU AduC703X มี 8KSP สองหรือสามตัว, sigma-Adc 16 บิต<000000>, arm7TDMIMCU 20.48MHz และ Linv2 แบบรวม

0 เครื่องรับส่งสัญญาณที่เข้ากันได้ ซีรีส์ ADUC703X มีการผสานรวมกับตัวปรับความแตกต่างของแรงดันต่ำ ซึ่งสามารถใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ตะกั่วกรดโดยตรง เพื่อตอบสนองความต้องการในการตรวจจับแบตเตอรี่รถยนต์ ส่วนหน้าประกอบด้วยอุปกรณ์ต่อไปนี้: ตัวลดแรงดันไฟฟ้าสำหรับตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่; เครื่องขยายสัญญาณแบบตั้งโปรแกรมได้พร้อม 100 ม.ωเมื่อใช้ตัวต้านทานร่วมกัน รองรับกระแสเต็มสเกล 1A ถึง 1500A; ตัวสะสม รองรับการนับคูลอมบ์โดยไม่ต้องตรวจสอบซอฟต์แวร์; และเซ็นเซอร์อุณหภูมิตัวเดียว

รูปที่ 2 แสดงวิธีแก้ไขปัญหาอุปกรณ์รวมนี้ รูปที่ 2: โซลูชันสำหรับอุปกรณ์แบบบูรณาการ ตัวอย่างเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีเพียงรถยนต์ระดับไฮเอนด์เท่านั้นที่มีเซ็นเซอร์แบตเตอรี่ ในปัจจุบันรถยนต์ขนาดกลางและล่างมีการติดตั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กเพิ่มมากขึ้น ซึ่งพบเห็นได้เฉพาะในรุ่นไฮเอนด์เมื่อ 10 ปีก่อนเท่านั้น

จำนวนของความผิดปกติที่เกิดจากแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดจึงถูกเพิ่มอย่างต่อเนื่อง หลังจากนั้นไม่กี่ปี รถยนต์แต่ละคันจะติดตั้งเซ็นเซอร์แบตเตอรี่เพื่อลดความเสี่ยงจากการเพิ่มความเสี่ยงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์