車用電池測溫系統的設計與驗證

曹艷玲 許菁

【摘要】基于數字溫度傳感器DS18B20的功能特性，將其應用于混合動力汽車電池溫度管理網絡中，設計了基于DS18B20的軟硬件結構，實現了對電池單體溫度的多點采集，并通過 CAN 總線向整車控制器提供實時溫度，最后通過試驗對設計進行了驗證。

【關鍵詞】DS18B20;電池管理; 混合動力

1.引言

電池作為新能源汽車的能量來源，越來越受到重視和關注。由于電池的低溫特性和高壓安全等方面問題未完全突破，新能源車的推廣也受到了不同程度的限制。研究電池的電化學反應特性，做好電池溫度管理至關重要。電池管理系統應運而生，它能夠延長電池使用壽命、充分發揮電池的功率和能量，同時保證系統安全可靠運行，電池管理系統是混合動力技術中的關鍵技術之一。以日本豐田公司的Prius為主混合動力汽車為例，它采用了鎳氫動力電池，該類型電池內部的電化學反應較為復雜，存在可逆和不可逆的反應而產生熱量，使電池發熱，溫度過高時將導致電池的極板損壞，使用壽命縮短，自放電量加大，循環壽命衰退迅速，易發生過充現象;低溫時內阻增大，發熱消耗多，容量顯著降低。由于車輛使用工況惡劣，電池經常工作在充放電的反復循環中，在高溫或者低溫情況下，若使用不當將導致電池壽命下降甚至損壞，電池管理系統根據電池自身的特性以及整車的應用要求進行綜合考慮，對電池的功率輸出進行管理。除了電池的輸入和輸出特性外，電池熱管理是電池管理系統功能的重要組成部分，其主要作用是將電池運行溫度控制在一定的范圍內[1-4]。本文設計了基于鎳氫電池的熱管理系統，根據電池包內部的環境溫度情況，選擇以DS18B20溫度傳感器作為測溫元件，對電池包內部進行多點溫度實時采集，通過CAN總線將溫度信息進行上傳，對電池包溫度進行管理。

2.系統設計

數字溫度傳感器DS18B20在鎳氫電池管理系統中的應用，其系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 測溫系統原理圖

熱管理的功能是通過溫度控制系統使電池溫度處于正常工作溫度范圍，熱管理系統包括溫度測量、轉換、讀取、顯示以及控制和調節。設計熱管理系統需要考慮電池散熱結構設計，溫度傳感器選型，溫度傳感器布點，散熱控制系統設計和加熱控制系統設計等。要解決的主要問題是溫度過高時能及時散熱，溫度過低時能對電池預熱，各單體電池溫度溫差需控制在一定范圍內。由此，電池管理系統熱管理涉及到眾多方面，而溫度采集是整個系統控制的基礎。

該測溫系統由微控制器（MCU），數字溫度傳感器DS18B20，電源電路，時鐘電路，散熱風機和CAN總線通信電路等組成。測量的溫度點主要有電池箱體進風口溫度，出風口溫度，電池單體溫度和電池管理系統溫度。進風口溫度和出風口溫度用于測量電池進風口和出風口的溫差，10個電池溫度可以實時得到電池單體的最高溫度和最低溫度，散熱風機用于電池箱體內通風散熱。電池管理系統溫度用于監控主控電路的工作溫度，保證其可靠運行。當系統上電時，系統開始初始化，初始化完成后，周期性啟動溫度轉換，讀取溫度，對溫度進行處理，判斷是否要開啟風機，并將處理結果通過CAN總線發給整車控制器HCU，顯示系統可以切換到相應畫面接收顯示溫度，也可以通過USB-CAN在電腦PC上讀取溫度[5]。

3.硬件設計

單片機采用16位MCU作為主控制器?？偩€速度為50M，具有豐富的板上資源，其FLASH達1M，RAM為64K，片上EEPROM為4K。相對于其他單片機，該單片機最大優勢在于自帶協處理器XGATE。XGATE的一個特點是，其在隨機存取存儲器中運行，這樣就可將CPU從執行耗時的中斷處理程序的工作中解放出來，而專注于執行與應用相關的任務，幾乎可以直接進入所有存儲空間，像主CPU一樣進入并且控制外圍設備。通過分擔中斷源，從而減少CPU的負載，使得中斷服務程序在XGATE中處理的同時，CPU能夠并行的處理其他應用程序。它只在運行時消耗電源，當中斷源到來時，它開始運行，在完成中斷的任務以后，它會停下其所有時鐘等候下次事件，以此減少電源消耗。XGATE的另一個重要特點是設置雖然非常簡單，但允許開發復雜程序。本設計即應用了其復雜可編程的高性能I/O處理能力的功能，圖2是XGATE的中斷路徑。

圖2 XGATE的中斷路徑

圖3 數字溫度傳感器DS18B20硬件電路設計

3.1 溫度傳感器電路設計

溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產的 DS18B20，它具有抗干擾能力強，體積小，精度高，附加功能強等優勢。DS18B20采用單總線數據通信，單個或一個網絡只需要一個I/O口，電路簡單，布線方便，不需要信號調理電路;內含64位光刻只讀存儲器ROM，內置產品序列號，方便組建溫度網絡;內置EEPROM，具有限溫報警功能;全數字溫度轉換及輸出，直接讀取，無需模數轉換;最高12位分辨率，最大工作周期為750ms;測量分辨率為0.0625℃，檢測溫度范圍為–55℃～+125℃，無需標定。

DS18B20的測溫電路如圖3所示，DS18B20引腳3接5V電源，DQ-BAT直接與單片機I/O口連接，電容C1和C2用于對供電電源濾波，保證DS18B20工作穩定。

3.2 CAN通信接口電路

CAN通訊芯片選擇PCA82C250，它支持標準幀、擴展幀、遠程幀三種數據幀格式。PCA82C250的驅動電路具有限流功能，可防止發送輸出級對電源、地或負載短路，具體電路如圖4所示。

4.軟件設計

為方便溫度網絡應用，需要準確進行位置定位，涉及到溫度網絡的編號、搜號，以及對溫度進行控制。

4.1 DS18B20應用原理

單總線通信是采用單根信號線既傳輸時鐘又傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的。這意味著許多事件都把總線拉到低電平，因此，在未成功讀取溫度時，可以用示波器查看總線信號狀態。DS18B20模塊功能包括供電方式檢測、64位光刻ROM和單總線端口、存儲器和控制邏輯、暫存寄存器、溫度傳感器、警告觸發和配置寄存器等模塊。每個DS器件都有唯一的64位ROM代碼，其中前8位是一個1-Wire家族碼，中間48位是唯一的序列號，最后8位是前56位的循環冗余校驗碼。

4.2 電池溫度網絡溫度讀取

為了在監控過程中能直觀的讀取溫度，并得到各溫度所在位置，需要對溫度傳感器進行編號。在大規模應用中，每個編號在電池上的位置是固定的，所以在監控中可以直觀獲取電池各點的溫度。

5.實驗結果

利用軟件編號功能，對單個（組）溫度傳感器編號，寫值1～10到每一個溫度傳感器的告警THTL，1～10為溫度傳感器在電池包上布點位置，在TH中寫入1～10，在TL 中寫入固定值7f。在編號完成后可以直接用軟件讀出寫入到RAM中的內容，可見TH中已經編號成功。當單個（組）編號完成后，將10個具有不同編號的溫度傳感器形成單總線，再利用軟件搜號功能，分別讀出相應的序列號和 THTL的值，對應THTL的值，將序列號寫到對應變量腳標的變量中，比如ID[0～9]對應temp[0～9]，其中ID[0～9]對應溫度編號THTL的1～10。搜號功能可實現溫度布點與實際監控的溫度相對應，其次，在手動搜號時將DS18B20的64位（下轉第32頁）（上接第28頁）序列號保存在CPU的EEPROM中，在以后使用時不再搜號，節約初始化時間，在上電時快速讀到溫度，給整車策略作合理判斷。這里的THTL的值為概念值，實際設置時要在實際可測量溫度范圍之外，否則溫度會報警。軟件具有較強容錯功能，能夠識別在THTL中有相同的值或未編號的值，并作相應提示或處理。電池管理系統實時性要求較強，但是DS18B20轉換需要時間，我們利用協處理器的I/O處理功能進行溫度轉換和讀取。在主程序中，設置定時器周期為10ms，每10ms啟動協處理器進行溫度轉換或讀取。軟件編程時，只需簡單配置協處理器即可啟用XGATE功能，在協處理器模塊的定時器中斷中加入溫度轉換和讀取程序。

6.結論

本文設計了基于DS18B20的測溫系統，并對電池包內部溫度進行了組網測量，設計了軟硬件電路，并對測溫系統進行了驗證。

參考文獻

[1]吳志紅，吳庚澤，朱元，魏學哲，王佳元.基于XC164CS單片機的混合動力汽車電池管理系統硬件設計[J].汽車技術，2009（4）：15-18.

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