汽车紧急呼叫系统供电电池面临新挑战

罗伯特·黑本

（瓦尔塔迈科电池www.varta-microbattery.com，德国）

欧盟委员会2011年9月8日于布鲁塞尔发布的一项倡议，要求从2015年开始在所有新汽车和轻型车辆上安装称为eCall的紧急呼叫系统，这给电池在恶劣环境下的操作性能设立了新的标准。本文描述了传统标准电池设计要做出怎样的改进，才能满足eCall及类似系统在极限温度下运行的要求。

1 车载紧急呼叫系统的用途和运作

欧洲的eCall，以及世界其他地方类似的倡议，如北美的OnStar和bCall（故障呼叫）系统，即将在未来几年内在世界许多地区使用，用以减少交通事故造成的死亡人数并减轻伤害。所有这些系统的基本运作都是类似的:拿eCall来说，就是将一个拥有移动通信和GPS（卫星定位）功能的模块嵌入到车辆内。当车载感应器 （如气囊感应器）探测到车辆发生碰撞，就会激发该模块拨打110，呼叫最邻近的紧急响应中心，如图1所示。

1）紧急呼叫 一旦车载感应器 （如气囊感应器）探测到发生了严重事故，车辆会自动呼叫112紧急电话 （eCall）。摁下车上的专用按钮，乘员亦可手动启动eCall呼叫。

2）定位 通过卫星定位和移动电话呼叫位置，eCall能够锁定事故现场的准确位置，并将其传送给最邻近的紧急呼叫中心，同时还会传送其他信息，如驾驶方向和车辆类型。

3）紧急呼叫中心 （PSAP）一旦接到eCall的紧急信号，屏幕上就会显示事故地点。一名经过训练的操作员将尝试与车辆乘员通话以获得更多信息。如果无反应，则立即派出紧急服务。

4）更快的救援 由于能够及时获得事故地点的准确信息，紧急服务 （如救护车、消防车、警车）能更快抵达现场。

呼叫会给紧急响应中心提供车辆的准确位置、基本标识和受损信息，而紧急响应中心则会尝试与乘员通话，确定事故的严重程度。如果得不到车内的声音反馈，便会立即向现场派遣紧急服务 （救护车、消防车、警车）。车辆内部也会安装一个按钮，用于手动激发eCall（比如，由其他驾车经过事故现场的人协助）。

eCall系统攸关安全、直接关乎生死，其模块必须全天候万无一失地运行。因此，eCall模块的每一个组件都必须符合汽车产业的严格品质标准，其中就包括电源电路。eCall模块会与主电源电路相联，由车载电池驱动。但在交通事故中，主电源或电源电路有可能会瘫痪或发生故障，无法为紧急呼叫模块继续供电。所以，每一个eCall模块都需要自带备用电池电源，在车辆主电池不可用的情况下，也能驱动模块。

2 备用电池面临的挑战

紧急呼叫系统的备用电池主要有2项要求:①车辆运行时，电池必须一直拥有足够支持长达15分钟紧急语音呼叫的电量；②车辆运行时，电池必须随时能够释放其存储的电能。在欧洲，紧急呼叫通过GSM网络传输，语音通信系统必须足以支持最高2.5A的最大负载。另外，eCall模块必须与车辆拥有相同使用寿命。

必须明确的是:不能使用一次性 （不可充电）电池。因为泄漏电流会导致一次性电池不断损失电量，在系统需要时或许不能提供足够的电量。相比之下，可充电电池系统可进行间歇充电，从而将存储电量持续保持在规定的最小阈值以上。

系统设计师面临的挑战是，eCall之类的车载系统必须适应极限温度:最冷时，低至-40℃，比如，在瑞典或芬兰的极北地区使用的eCall系统可能会遭遇这种环境低温。最热时，eCall模块必须能在高达85℃的高温下工作 （如果车辆在阳光直射下停留时间过长，发动机舱内的温度会达到90℃。一旦车辆起动，整车的冷却气流会将温度降至85℃以下）。

遗憾的是，传统可充电电池的性能无法适应极端温度。在可充电电池系统中，如今有两种化学类型可满足电子控制系统对能量密度、输出电压、峰值电流控制能力和安全的基本要求，其中包括锂电池 （最常见的为锂离子电池）和镍氢电池 （NiMH）。锂电池的高能量密度能够以相对较小、较轻的体积提供较高的能量容量，因此常用于商用产品，如智能手机和笔记本电脑。但锂电池的内电阻在0℃以下会急剧增加，在这种情况下，锂电池输出电压的峰值需要高于3.7V才能满足GSM通话的高峰值电流要求。另外，超过60℃时，锂电池的电容量会急剧下降，造成不可逆的电容量损失。因此，锂电池无法适应车载电子系统必须面对的严酷环境。相比之下，NiMH电池则在任何时间和温度下都更为稳定，无论在室温还是85℃以上的温度下，其内电阻保持不变。在0～85℃之间，其电容量也很稳定。不过，在极低温下会发生骤降:与室温时的电容量相比，-20℃时减低了一个数量级。

与锂电池相比，NiMH提供的能量密度较低，所以其作为备用电池会略大略重，但NiMH纽扣电池的小尺寸足以轻松适应eCall模块。NiMH电池也因其固有的安全性和易用性而更具吸引力。锂电池需要在专业的电子电路中实施复杂的充电方案，而NiMH电池只需要涓流充电，在充满后也能承受微小的充电电流。

专门设计的NiMH纽扣电池会按预期缓慢老化。电池老化的开始是以内电阻增加为标志，随后电容量会急剧下降。系统只需通过检测内电阻，便可提醒用户在彻底失效前更换老化的电池。

就算NiMH化学性质高度稳定，汽车应用中遭遇的极端环境依然超出了传统NiMH电池的能力:①传统NiMH电池的适用温度一般最高为65℃，更高的温度则有可能导致化学物质泄漏；②NiMH电池的放电温度不能低于-20℃；③0℃以下时，电容量会严重减少。

如今，瓦尔塔微电池在电池设计和制造中引进了两项重要的技术创新，旨在使NiMH电池适用于eCall系统，这种创新可以解决极限温度带来的问题。

在其生产的新型V500HT电池中，瓦尔塔微电池使用全新的密封技术，将电池的传统塑料密封件改进成耐高温合成材料密封件，并施以专利涂层（图2）。同时，瓦尔塔微电池在电解液中使用了新型添加剂以提升其稳定性，从而改进了电池在高温下的充电能力。新型密封设计拥有极强的防化学物质泄漏能力，电池的适用温度达到85℃ （有限时间内），其能量储存温度达到90℃。

在极低温度下时，解决问题的方法不在电池的内部，而从外部着手。瓦尔塔迈科电池将箔片加热器直接安装在电池平坦的表面 （图3）。通过车载电池驱动——到车辆发生碰撞一刻之前保证得到驱动，因为车辆必须行驶才能发生碰撞并弹出气囊——这种箔片加热器可以在10分钟内将电池从-40℃加热至0℃ （图4）。

该项解决方案正在申请专利，其使用的聚合物加热箔片完全符合汽车标准，并已经应用在汽车上（如燃油泵中）。加热箔片的电力开关和控制可由车载ECU控制。瓦尔塔迈科电池也提供一款V500HT，无需离散电子控制，可在3分钟内加热电池。

3 符合eCall标准

这种改良的NiMH电池为镍氢电池开辟了新境界，使其能够适应-40～90℃范围内的工作。通过涓流充电和外部加热相应地将电池最低温度维持在0℃，V500HT可将其电容量维持在常温水平 （500 mAh）下，足以支持15分钟的GSM网络语音通话。在汽车供应商的eCall原型测试中，瓦尔塔微电池提供的性能评级得到了肯定，证明了其能够在规定温度范围内提供万无一失的电源供应。