電動車電池監測系統設計

摘 要：隨著電動車的普及，電池續航能力成為大家關注的焦點。通過軟件設計分析處理系統對電池的監測，提高電池性能，本項目介紹利用Atmega8L單片機作為主控芯片，使用DS2438芯片作為采集芯片的電池監測控制系統，以實現對電動車電池組中多節電池進行同步監測，提高電池的使用壽命。

關鍵詞：電動車；電池續航能力；檢測系統

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）05-0044-02

Design of Battery Monitoring System for Electric Vehicle

QIN Chunping，WEI Yanzhen

（Guangxi NO.1 Industrial School，Nanning 530023，China）

Abstract：With the popularity of electric vehicles，battery endurance has become the focus of attention. Through the software design analysis and processing system to monitor the battery and improve the battery performance，this project introduces the use of Atmega8L MCU as the main control chip and the DS2438 chip as the battery monitoring and control system of the collection chip，in order to realize the synchronous monitoring of the battery in the battery group of electric vehicles and improve the life of the battery.

Keywords：electric vehicle；battery endurance；detection system

1 研究背景

隨著電動車的普及，人們越來越關注電動車的續航能力。新型的鉛蓄電池不斷問世，電池質量不斷提高。隨之而來的即為大家對如何保持電池相關性能的思考，這其中一個關鍵的問題就是如何更好地對電池進行監測維護。因此，提高對電動車電池的監測，對保障其性能十分重要。

2 系統設計要求

在項目中，主要利用ATmega8L單片機作為主控芯片，采用DS2438作為電池數據的采集芯片，再通過軟件設計算法對數據進行分析處理，這是一種實用的電動車電池監測控制系統。結合市場的需求，減免不必要的接線，力求簡明。因此，系統旨在設計一個能夠同時實時監測電動車電池的電壓、電流、溫度、剩余電量的監測系統，系統設計要求：

（1）單總線結構，對多種數據進行采集；

（2）具有專門的電源電路，給不同的芯片單獨供電；

（3）對采集到的數據進行提取和分析處理；

（4）實時顯示監測結果。

3 電池監測系統方案的選定

電池監測系統設計將通過對采集到的數據用軟件算法進行分析處理，實現實時監測顯示，對系統日后升級開發提供了一定的設計新意，此方案系統采用Atmega8L芯片作為主控芯片，外加DS2438芯片采集電路、電源電路、LCD顯示電路，由這四大模塊組成。系統通過DS2438芯片對電池的電壓、電流、溫度和剩余電量進行數據采集，寄存在各自寄存器中，然后直接通過DQ數據總線與主控芯片相連，用軟件編程算法對接收到數據進行分析處理，再用主控芯片內部自帶的信號轉換器進行數據轉換，最后通過端口傳輸到LCD顯示屏，把監測的結果顯示出來。

4 電池監測系統電路的設計

由于電動車的電池組是由幾個單電池串聯起來組合而成的，為了便于設計、取樣，將取單節電池作為測驗對象，根據設計思路，畫出總體方框圖，如圖1所示。

4.1 電源電路

電源電路圖是輸出電壓+5V、輸出電流1.5A的穩壓電源。它由電源變壓器、貼片整流電路D1MB6S、濾波電容C9、C11，防止自激電容C10、C11和一只貼片式三端穩壓器（78L05）極為簡易地搭建而成。220V交流電通過電源變壓器把高壓交流變換成低壓交流，再經過貼片橋式整流電路D1和濾波電容C9的整流和濾波，在貼片式三端穩壓器LM78L05的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩定的含有雜波的直流電壓。此直流電壓經過LM78L05的穩壓和C11的濾波便在穩壓電源的輸出端Vout產生了精度高、穩定度好的直流輸出電壓。此穩壓電源集成電路，具有體積小、成本低、性能好、使用簡捷等特點，為系統提供電源支持。

4.2 電池電壓監測電路

對于大多數的電器來說，要想其正常工作必須能夠在工作電壓范圍內才可運作。電動車的電池也不例外，它的正常工作電壓為10.5V至14.7V。且電池電壓的大小直接影響著電池的好壞。欠壓或過壓工作都有可能損耗電池。系統將通過軟件算法找出電動車電池在任何狀態下可能出現的問題。

DS2438芯片內部集成有10位模數電壓A/D轉換器，能夠對芯片采集到的電池電壓進行模數轉換，并把轉換的結果寄存到芯片內部的電壓寄存器里面，以方便后面軟件的調用計算。DS2438芯片所能監測的電壓測量范圍為0至10V。而市場上基本每一節蓄電池的電壓為12V，對電池完全充電后可能超出所標示的電壓值，所以可通過精密電阻進行分壓，達到芯片可監測的電壓范圍值，原理圖上的電阻R1和R2上即對監測電池電壓進行分壓，然后測量，電阻R3為單節電池的端子電壓，電容C3起濾波作用，降低紋波干擾，提高監測精度。為了方便計算，在設計時，取R1和R2的阻值相等，則實際監測得到的電壓值等于電壓寄存器的值×2×0.01。

4.3 電池電流監測電路

由于蓄電池組是通過每個電池單獨串聯起來工作的，所以流經每個電池的電流是一樣的，因此只需檢測一個電池的電流。DS2438可檢測十分小的電流，而整個電池組串聯起來的電流一般是十幾安培，容量大的甚至可達到幾十安培，因此需要用到電流傳感器來進行轉換。DS2438芯片內部同樣集成了10位模數電流A/D轉換器，Vsens+和Vsens-兩個引腳的電壓被認為是電流檢測電阻兩端的電壓，因此通過采集流過Vsens+和Vsens-兩個引腳的電流，再經過電流A/D轉換器轉換后，把結果寄存在電流寄存器中，同樣為了方便軟件調用計算。為了確保準確地測量電流，采用電阻R4，使R4=5Ω，再取電阻R5=100kΩ，電容C5=0.1μF，使R5、C5構成低通濾波電路，可消除大部分尖峰毛刺的影響，從而更為準確地檢測流入和流出電池的電流。則實際電流為±（K*電流寄存器值）/（4096*R4），K為變壓器匝數比，±取決于當前寄存器的符號位。

4.4 電池溫度監測電路

蓄電池的使用壽命跟溫度有著很大關聯，蓄電池的容量與溫度成正比關系，當溫度在適當范圍內升高時，循環使用壽命會上升，而接收電池的容量能力將被降低。當電池組進行充電或放電，溫度上升得最快的將會是劣質電池。因此，有效的溫度管理對于電池管理來說是非常重要的。DS2438芯片通過片上溫度測量技術來監測電動車電池的溫度，且它內部集成了溫度傳感器，可測量-55℃至+125℃的溫度，精確度為0.03125℃。測量溫度時需要將檢測電池貼近芯片，把測量的結果寄存在溫度寄存器中，同樣方便軟件調用計算。監測結果中低3位是0，最高位是符號位，并通過單一的總線接口傳輸到主控芯片中。則實際溫度值T等于±（溫度寄存器值*0.03125）/8（℃），±符號位取決于溫度寄存器。

4.5 電池剩余電量監測電路

DS2438芯片為了準確地測量電池的剩余電量，而使用了芯片內部集成的電流累加器。這是一個累計電池組投入使用后的全部流入和流出電池電流的寄存器，即由DS2438芯片完成充電電流和放電電流的積分函數功能。電池使用壽命的相關信息可由基于總的充放電電流的充電電流累加器和放電電流累加器所提供。電流累加器可自動計算出電池的充放電的時間積分累計值，在充電時，與累計值成正比，在放電時，與累計值成反比。則實際電池剩余電量等于電流累加器/（2048*Ro），其中，Ro為外部電阻。

4.6 電池監測結果顯示及報警電路

系統采用LCD液晶顯示屏作為顯示工具，使用串口通信，簡化電路設計布線。經過軟件算法在芯片內部對數據進行分析處理，然后將檢測結果通過數據總線傳輸到顯示屏上。外加LED指示燈和蜂鳴器報警電路，當監測到電池某項指標超過或低于某個設定值時，會自動報警閃爍，提醒駕駛者注意電動車電池電量，及時檢查。

5 電池監測系統軟件設計

系統軟件設計采用分模塊化程序設計，主要包括Atmega8L芯片主控處理模塊程序，DS2438芯片數據采集模塊程序，兩片芯片之間的通信模塊程序，以及顯示模塊程序。軟件設計主要是為了可實時監控電池的電壓、電流、溫度和電池剩余容量，對所測得的數據進行分析，通過顯示程序輸出到LCD屏實時顯示，讓駕駛者直觀地看到電池的基本情況，同時系統還有指示燈和蜂鳴器報警電路，使駕駛者在行駛途中不方便觀察顯示屏時，可根據蜂鳴器的聲響來判斷電池的基本情況，保證駕駛者的行駛安全。

6 結 論

本文介紹利用Atmega8L單片機作為主控芯片，使用DS2438芯片作為采集芯片的電池監測控制系統，以實現對電動車電池組中多節電池進行同步監測，并且可同時監測電動車電池的電壓、電流、溫度及剩余電量，充分利用電池的性能，改善電池的維護效果，提高電池的使用壽命，具有很強的實用性。

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作者簡介：覃春平（1981.07-），男，壯族，廣西來賓人，講師，本科。研究方向：電子信息技術及職業教育管理；韋艷珍（1992.03-），女，漢族，廣西欽州人，助理講師，本科。研究方向：自動化教學。