ETC设备OBU交易电流的电源电池解决方案

2020-08-26 11:45:36 深圳市创新易电子科技有限公司

摘要:随着我国公路建设的高速发展和汽车保有量的迅速增加,传统的收费系统难以满足发展需求,智 能交通电子收费系统ETC是解决问题的有效手段之一,而车载设备OBU是ETC系统的重要部分。本 文对OBU工作特点及交易过程中的功耗模式做了简要描述,在基于不同电源解决方案的优劣势上,开发 出具有高可靠、长寿命、高功率输出特性的ER+SPC复合电源;经过市场的检验,该方案可以很好地满 足OBU的工作需求。

关键词:ETC系统、车载单元OBU、ER+SPC复合电源、长期可靠性、 概述ETC不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式,通过安装在车辆挡风玻璃上的OBU车载电子标签与在收费站 ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯,利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理,从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。

高灵敏度OBU系统模块工作状态主要分为三种:休眠状态、预交易状态和交易状态。通信状态的变化是OBU在经过ETC系统时交易情况的反映。在整个交易过程中耗电量最大的为交易状态中的读卡过程,瞬间电流可达150mA以上,各模块功耗如下:

表格 1 OBU各模块在一个完整交易周期内的功耗

纽扣电池

根据ETC中OBU电源的使用特点,不仅需满足东北地区冬季(-40℃)、西南地区夏季(+85℃)和东南沿海地区高湿度(85%RH)等极端户外天气的放电要求;同时要满足长寿命,高可靠安全性及环保的要求;此外,对电源还有瞬时大电流脉冲的要求。平均而言,当前我国市场绝大多数的OBU每天交易不到10次,甚至小于1次,从实验室测得的电源消耗数据进行计算,只要电源有1000mAh以上的容量,理论上都可以达到累计交易2万次,5年以上的使用寿命。

二、 电源解决方案表 2 常用电源解决方案对比电源方案优势不足可充电电池

材料成本低、放电电流大

自放电率高、适用温度范围窄、 容量保持率低、电源管理电路复杂

太阳能电池+稳压转换芯片

转换效率高、稳压性能好

稳压转换芯片价格高、 干扰OBU电子线路

一次性锂电池

高可靠性、宽工作温度范围、 低自放电率

大电流脉冲输出能力受限

为解决智能交通ETC系统OBU电源安全可靠与环境适应性问题,亿纬锂能设计开发了将高能量密 度的锂-亚硫酰氯电池ER14250与高功率特性的电池电容器SPC1520组合成复合电源。该复合电源具有 长寿命、高功率输出、安全可靠、宽温工作等特性,尤其适合于户外低温及高温环境使用。

复合电源同时具备了SPC电池电容器高脉冲大功率输出和ER锂-亚硫酰氯电池高可靠长寿命的特点。并且,当需要大电流脉冲输出时,直接由SPC电池电容器供电;当不工作时,则锂-亚硫酰氯电池以小电流给SPC充电,使得锂-亚硫酰氯电池的容量在微小电流下得以完全释放,获得电池容量的最大利用率。此工作原理也正符合OBU电源间歇式工作的需求。

三、 长期可靠性跟踪评估a) 性能可靠性测试

在OBU工作的整个寿命周期内,复合电源是否可以提供稳定的输出能力是实际应用中需要关注的问题。通过收集在市场上ETC系统OBU车载单元中实际工作五年的SPC1520,与新电进行放电性能测试:-10℃下800mA,10ms on/1min off,对比SPC1520的性能变化情况如下:

纽扣电池

图表 1 -10℃ 800mA,10ms on/1min off ETC使用五年SPC1520与新电放电曲线对比

通过测试对比,实际工作五年的SPC1520低温-10℃,800mA脉冲放电负载电压略低于新电负载电压0.1V,但仍具有提供满足实际应用中大电流脉冲放电的能力。

b) 长期可靠性测试

安装于汽车内挡风玻璃处的OBU车载单元,长期处于户外封闭环境中,为了更好的评估在这种使用条件下,复合电源性能的可靠程度,将电池组搁置于玻璃日晒房(如图2),进行日晒实验模拟实际的工作情况,持续跟进该存储条件下电池组性能的变化也是十分有必要的。

纽扣电池

图表 2 日晒实验室图表 3 ER14250+SPC1520日晒实验开路电压、负载电压(28Ω)统计结果

纽扣电池

通过日晒实验长期跟踪,复合电源的开路电压和负载电压均保持稳定状态,且从目前450天的实际存储数据来看并无失效电池,保持有较高的可靠性。

阿伦尼乌斯公式

纽扣电池

,表明反应速率常数与温度呈指数关系,温度每升高10度,化学反应速度增加2~4倍,60℃存储200天等效于室温条件下存储10年。

纽扣电池

图表 4 ER14250+SPC1520 60℃存储开路电压、负载电压(28Ω)统计结果

通过高温60℃存储实验的长期跟踪,复合电源的开路电压和负载电压均保持稳定状态;且从目前300

天(等效室温存储15年)的数据来看,无失效电池,可以很稳定的提供电流输出能力。

四、 总结据不完全统计,有超过6000万套ER14250+SPC1520复合电源已应用于ETC不停车电子收费系统中。

ER+SPC复合电源具有全密封性、宽温度使用范围、低自放电率、长寿命、高可靠性、重量轻、安全设计等优点,已成功应用于智能交通系统的各类产品中。经过市场的长期检验,其稳定性能已被广泛认可。在类似产品的电源解决方案中,同样可优先选用此方案。

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