Làm thế nào để mở rộng tuổi thọ và độ tin cậy của pin xe?
2023-08-03
Cứ năm lần lỗi xe hơi là do pin. Trong vài năm tới, vấn đề này sẽ ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn với Telecontrol, kiểm soát các động cơ bật/tắt và sự phổ biến ngày càng tăng của các công nghệ ô tô như hybrid (điện/gas). Để giảm lỗi, cần phải phát hiện chính xác điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin, xử lý tiền xử lý, tính toán trạng thái điện tích và trạng thái hoạt động, gửi kết quả đến bộ điều khiển động cơ (ECU) và điều khiển chức năng sạc. Những chiếc xe hiện đại được sinh ra vào đầu thế kỷ 20. Chiếc xe đầu tiên dựa vào khởi động thủ công, đòi hỏi rất nhiều sức mạnh và rất rủi ro. "Crank tay" của chiếc xe gây ra nhiều cái chết. Năm 1902, động cơ khởi động pin miễn phí bảo trì đầu tiên đã được phát triển thành công. Đến năm 1920, tất cả những chiếc xe đã được bắt đầu sử dụng điện. Việc sử dụng ban đầu là pin khô, phải được thay thế khi năng lượng cạn kiệt. Ngay sau đó, pin lỏng (ví dụ, pin axit chì cổ đại) đã thay thế pin khô. Ưu điểm của pin axit chì là nó có thể được sạc lại khi động cơ hoạt động. Trong thế kỷ trước, có rất ít sự thay đổi trong pin axit chì miễn phí bảo trì, và sự cải thiện lớn cuối cùng là niêm phong nó. Những gì thực sự thay đổi là nhu cầu cho nó. Ban đầu, pin chỉ được sử dụng để khởi động xe, bấm còi và cung cấp năng lượng cho đèn. Ngày nay, trước khi đánh lửa, tất cả các hệ thống điện của xe được cung cấp bởi nó. Sự phổ biến của các thiết bị điện tử mới không chỉ là các thiết bị điện tử tiêu dùng như GPS và đầu DVD. Ngày nay, các thiết bị điện tử cơ thể như Đơn vị điều khiển động cơ (ECU), cửa sổ điện và ghế điện là tiêu chuẩn trên nhiều mô hình cơ bản. Tải trọng tăng theo cấp số nhân đã có tác động nghiêm trọng, bằng chứng là số lượng lỗi ngày càng tăng do hệ thống điện gây ra. Theo thống kê của ADAC và RAC, gần 36% của tất cả các lỗi xe có thể được quy cho các lỗi điện. Nếu con số này được phân tích, có thể thấy rằng hơn 50% lỗi là do thành phần pin axit chì. Đánh giá sức khỏe của pin Hai tính năng chính sau đây phản ánh sức khỏe của pin axit-chì: . (2) Trạng thái hoạt động (SOH): SOH cho biết pin có thể sạc bao nhiêu. Trạng thái điện tích chỉ ra rằng trạng thái sạc giống như "đồng hồ đo nhiên liệu" của pin. Có nhiều cách để tính toán SOC, trong đó những cách phổ biến nhất là hai: Đo điện áp mạch mở và đo Coulomb (còn được gọi là đếm Coulomb). . Có hai hạn chế cơ bản đối với tính toán này: Một là để tính toán SOC, pin phải được mở mạch và không được kết nối với tải; Thứ hai là phép đo này chỉ chính xác sau một thời gian ổn định khá dài. Những hạn chế này làm cho phương pháp VOC không phù hợp cho các tính toán SoC trực tuyến. Phương pháp này thường được sử dụng trong một cửa hàng sửa chữa xe, trong đó pin được loại bỏ và điện áp giữa các điện cực dương và âm của pin có thể được đo bằng một vôn kế. (2) Xét nghiệm Coulomb: Phương pháp này sử dụng đếm Coulomb để tích hợp hiện tại so với thời gian để xác định SOC. Với phương pháp này, SOC có thể được tính toán trong thời gian thực ngay cả khi pin nằm trong điều kiện tải. Tuy nhiên, lỗi xét nghiệm Coulomb tăng theo thời gian. Nói chung, điện áp mạch mở và phương pháp đếm Coulomb được sử dụng để tính toán trạng thái sạc của pin. Trạng thái hoạt động hoạt động phản ánh trạng thái chung của pin và khả năng lưu trữ điện tích so với pin mới. Do tính chất của chính pin, các tính toán SOH rất phức tạp và dựa vào việc hiểu về hóa học pin và môi trường. SoH của pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm chấp nhận điện tích, trở kháng bên trong, điện áp, tự xả và nhiệt độ. Nó thường được coi là khó khăn để đo lường các yếu tố này trong thời gian thực trong một môi trường như xe hơi. Trong giai đoạn khởi động (khởi động động cơ), pin đang chịu tải tối đa, phản ánh tốt nhất SOH của pin. Các phương pháp tính toán SOC và SOH được sử dụng bởi các nhà phát triển cảm biến pin tự động hàng đầu như Bosch và Hella rất bí mật và thường được bảo vệ bởi các bằng sáng chế. Là chủ sở hữu sở hữu trí tuệ, họ thường làm việc chặt chẽ với các nhà sản xuất pin như Varta và Moll để phát triển các thuật toán này. 
Hình 1 cho thấy các mạch riêng biệt thường được sử dụng để phát hiện pin. Hình 1 Giải pháp phát hiện pin rời rạc Mạch này có thể được chia thành ba phần: (1) Phát hiện pin Điện áp pin được phát hiện bởi bộ suy giảm điện trở được khai thác trực tiếp từ cực dương của pin. Để phát hiện dòng điện, đặt điện trở cảm giác (thường là 100mΩ cho ứng dụng 12V) giữa cực âm của pin và mặt đất. Trong cấu hình này, khung gầm kim loại của xe thường được nối tiếp và điện trở cảm giác được lắp đặt trong vòng lặp hiện tại của pin. Trong các cấu hình khác, cực âm của pin là mặt đất. Để tính toán SOH, nhiệt độ của pin cũng phải được kiểm tra. (2) Bộ vi điều khiển vi điều khiển hoặc MCU chủ yếu thực hiện hai nhiệm vụ. Nhiệm vụ đầu tiên là xử lý kết quả của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Điều này có thể đơn giản như chỉ thực hiện lọc cơ bản, hoặc nó có thể phức tạp, chẳng hạn như tính toán SOC và SOHS. Chức năng thực tế phụ thuộc vào khả năng xử lý của MCU và nhu cầu của nhà sản xuất xe hơi. Nhiệm vụ thứ hai là gửi dữ liệu được xử lý đến ECU thông qua giao diện giao tiếp. . Lin là một giải pháp thay thế một dòng, chi phí thấp cho giao thức có thể nổi tiếng. Đây là cấu hình đơn giản nhất để phát hiện pin. Tuy nhiên, hầu hết các thuật toán phát hiện pin tinh vi đều yêu cầu lấy mẫu đồng thời điện áp pin và dòng điện, hoặc điện áp pin, dòng điện và nhiệt độ. Để thực hiện lấy mẫu đồng thời, cần thêm tối đa hai bộ chuyển đổi tương tự sang số. Ngoài ra, ADC và MCU cần điều chỉnh nguồn điện để hoạt động đúng, dẫn đến tăng độ phức tạp mạch. Điều này đã được giải quyết bởi nhà sản xuất bộ thu phát LIN bằng cách tích hợp nguồn điện. Bước tiếp theo trong thử nghiệm pin chính xác ô tô là sự tích hợp của các bộ thu phát ADC, MCU và LIN, chẳng hạn như họ ADUC703X của các bộ vi điều khiển tương tự chính xác của thiết bị tương tự. ADUC703X cung cấp hai hoặc ba KSP 8, Sigma-Delta ADC 16 bit, MCU ARM7TDMI 20,48 MHz và bộ thu phát tuân thủ Lin V2.0 tích hợp. Sê-ri ADUC703X tích hợp một bộ điều chỉnh bỏ rơi thấp trên chip và có thể được cung cấp trực tiếp từ pin axit-chì. Để đáp ứng các yêu cầu kiểm tra pin ô tô, mặt trước bao gồm các thành phần sau: bộ suy giảm điện áp để theo dõi điện áp pin; Một bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình, khi được sử dụng với điện trở 100mΩ, hỗ trợ đo các dòng điện quy mô đầy đủ lên tới 1A đến 1500A; Và hỗ trợ đếm Coulomb mà không cần giám sát phần mềm; và một cảm biến nhiệt độ trên chip. 
Hình 2 cho thấy giải pháp sử dụng thiết bị tích hợp này. Hình 2 Ví dụ về một giải pháp sử dụng một thiết bị tích hợp vài năm trước, chỉ những chiếc xe cao cấp được trang bị cảm biến pin. Ngày nay, ngày càng có nhiều xe tầm trung và cấp thấp được lắp đặt với các thiết bị điện tử nhỏ, chỉ được nhìn thấy trong các mẫu xe cao cấp mười năm trước. Do đó, số lượng thất bại do pin axit chì đã tăng lên. Trong một vài năm, các cảm biến pin được lắp đặt trong mỗi chiếc xe, do đó làm giảm nguy cơ tăng sự cố của các thiết bị điện tử.
