電動汽車車載電池狀態信息遠程監測系統

張秋艷 高平安 李天鵬 賈宗偉

摘? 要：為了降低電動汽車車載電池的運行安全隱患，對車載電池工作時溫度、電壓、電流等信息的實時監測是必要的。該設計以STC89C52為主控制器，通過DS18B20溫度傳感器、LM358運算放大器、ADC0832模數轉換模塊等實現電池的溫度及電流/電壓信息的檢測，將檢測到的信息參數由NRF24L01無線模塊完成車載電池信息的遠程監測功能。測試結果表明：該監測器操作簡單，實用性強，對電動汽車電池有很強的安全保障。

關鍵詞：車載電池;DS18B20;電流檢測;遠程監測

中圖分類號：TP277 ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0037-03

Remote Monitoring System of Electric Vehicle Battery State Information

ZHANG Qiuyan1， GAO Pingan2， LI Tianpeng1， JIA Zongwei1

（1.School of Energy Engineering， Yulin University， Yulin? 719053， China; 2.Yulin Meteorological Bureau， Yulin? 719099， China）

Abstract： In order to reduce the hidden danger of electric vehicle battery operation， the real-time monitoring of temperature， voltage， current and other information during the operation of the battery is necessary. In this design， STC89C52 is taken as the main controller， DS18B20 temperature sensor， LM358 operational amplifier， ADC0832 analog-to-digital conversion module are designed to achieve the detection of battery temperature and current/voltage information， in view of the detected information parameters， the nRF24L01 wireless module completes the remote monitoring function of on-board battery information.? The test results show that the monitor is easy to operate and has strong practicability， and has a strong safety guarantee for electric vehicle battery operation.

Keywords： vehicle battery; DS18B20; current detection; remote monitoring

0? 引? 言

隨著汽車尾氣的污染越來越嚴重，清潔能源電動汽車的發展油然而生，其高環保、低噪聲等優點越來越突出，使得電動汽車動力源電池的安全使用逐漸成了人們研究的熱點[1，2]。就鋰電池而言，電動汽車涉及高壓系統，充放電過程中的特性受外界干擾較大，如果沒有及時發現，可能發生危害極大的絕緣故障和器件的故障，所以要及時診斷出問題所在并且排除故障。車載電池狀態信息監測和車輛上的導航系統、路徑的正確與精確的規劃、航空飛行及物流運輸方面的技術都是通過GPS和GSM結合而應用，故針對電池工作狀態的遠程監測系統是很有意義的[3，4]。本設計以STC89C52為主控制器，對車載電池的工作電壓、電流、溫度等參數進行實時監測，并結合NRF24L01模塊實現信息的遠程監測功能。

1? 總體方案設計

以STC89C52單片機為主控制芯片，結合溫度傳感器、電壓檢測電路、電流檢測電路，對單節18650鋰電池的表面溫度、電壓等數據信息進行檢測，利用電壓與容量的關系估算出電量的百分比，即Q=（U當前-U欠壓）∕（U滿電-U欠壓）×100%。通過無線通信模塊將檢測的數據及估算出的電量傳輸到單片機上，最后顯示在LCD顯示模塊上，最終實現遠程監測。系統結構如圖1所示。

具體有：

（1）最小系統：主要包括有電源、時鐘、復位、狀態指示電路。

（2）溫度檢測模塊。采用DS18B20數字溫度傳感器，它是一線式數字溫度傳感器，不需要任何外圍原件就可使用，其輸出的是數字信號，具有體積小，精度高等特點，溫度測量范圍：-55℃～+125℃，滿足本設計需求[5]。

（3）電壓檢測模塊：主要是把采集的電壓轉化為數字信號傳給無線通信模塊。

（4）電流檢測模塊：通過檢測和計算放電時電流大小，然后傳遞給單片機。

（5）無線發送/接收模塊：主要把檢測的數據從電池端發送到單片機端。

（6）顯示模塊：選用LCD1602顯示屏，是一種字符型顯示器。其采用標準16腳接口，可通過電阻大小調節顯示屏的背光亮度。并且有微功耗、體積小、價格便宜、原理簡單等優點[6]，將車載電池工作狀態時溫度、電流、電壓等數據進行實時顯示。

2? 主要硬件電路設計

2.1? 電源電路

電源電路為整個系統提供+5 V的穩定電壓，確保系統能夠正常的工作。由電源接口和1 000 μf的電解電容、自鎖開關組成。電解電容穩定電壓，當自鎖開關在第一次按下按鈕時，開關通電，再次按下開關，開關斷開，同時開關按鈕彈出來。插上+5 V電壓電源后，按下開關，系統通電。

2.2? 溫度檢測電路

本設計檢測電池表面實時溫度值。由于DS18B20傳感器的VCC端口類似單線的I2C端口，需要外接一個4.7 kΩ的限流電阻，保持數據的穩定性。DQ為數據的讀寫端，連接的DS端是單片機的P1.0，工作電壓+5 V。上電后，首先完成溫度的轉化，再通過DQ讀寫端把轉化完成后的實際溫度傳遞給單片機。

2.3? 電流檢測電路

2.3.1? 放電電路

放電電路上有一個P主導的MOS管，MOS連接單片機的P2.7端口，當單片機輸出高電平時，MOS管是截止的，低電平時，有一個-5 V的壓降，此時MOS管相當一個開關被打開，按鍵S2連接MOS端，按下S2按鍵輸入低電平，電池與加熱器端導通，加熱器開始工作，同時LED4也會接收到電壓發亮。其電路設計如圖2所示。

2.3.2? 電流檢測

電流檢測模塊主要功能是檢測車載電池的電流值。此模塊利用LM358運放器，構成同比例運算放大電路，根據同相比例計算公式算出放大倍數為10倍，負載為放電電路的加熱器，CURR+連正極，CURR-連負極，CH1連接ADC0832的模擬輸入通道1，然后將其轉化為數字信號，通過公式（1）計算出電流：

U=IR×10? ? ? ? ?（1）

其電路設計圖如圖3所示。

2.4? 電壓檢測電路

電壓檢測模塊主要功能是檢測鋰電池的電壓值。其選用的芯片是串口ADC0832轉換芯片，需外接電源地和穩定的+5 V電壓。該芯片CS08片選端連接單片機的P1.1端口、CLK08時鐘端連接P1.2、DI08寫入端連接P1.3、DO08讀出端連接P1.4端口。通電后，先對模擬信號進行采樣，保持信號進行比較，從而轉化為數字量傳送到單片機。

2.5? 無線收/發電路設計

本設計的無線收/發模塊主要功能是通過SPI通信把接收電壓檢測模塊及溫度傳感器采集到的電壓、溫度的數據，發送到單片機端。因為24L01模塊[7]電壓支撐有限（1.9～3.6 V，電源電壓5 V），所以串聯了3個二極管進行降壓，一個二極管壓降大概為0.6 V，3個為1.8 V，所以到達24L01模塊時的電壓約為3.2 V，即能夠滿足其使用，其中R4是下拉電阻，為了保持電壓穩定。因為相對于單片機來說NRF24L01為從機，所以MOSI為輸入端，MISO作為輸出端，IRQ為中斷，CSN是從器件的使能信號，SLK為時鐘端，CE可以通過設置為發送模式或接受模式，在電源通電后，把信號從發送端傳給單片機進行處理，再到顯示模塊上進行接收，無線收/發模塊電路圖如圖4所示。

3? 系統軟件設計

系統軟件設計包含的功能主要有：溫度檢測、電壓檢測、電流檢測及顯示等功能。當檢測電路采集到電池相關的各組數據后，通過無線發送傳輸到主控制器的無線接收端，主控制把處理好的數據輸出到顯示模塊顯示，顯示出車載電池的實時溫度、電流、電壓及剩余電量的值。軟件設計通過主調用子程序的方式來完成的，主要包括初始化子程序、溫度檢測、電壓檢測、電流檢測、顯示等子程序軟件設計。其主要流程如圖5所示。

具體補充為：

（1）系統初始化，包括顯示屏初始化、顯示屏頁面信息初始化、溫度值初始化，電壓值初始化，nrf24l01模塊初始化，同樣也包括對I/O口的初始化。從而實現對電池溫度、電流、電壓的監測。

（2）電壓檢測，主控制讀取ADC0832模塊，獲取車載鋰電池模擬電壓。

（3）電流檢測，使用同相比例運放電路對放電電流進行檢測，判斷是否按下加熱按鍵，若有鍵按下，則通過模數轉換得到電壓，通過計算得出實際電流，否則，工作電流為0。

（4）溫度檢測，由數字溫度傳感器DS18B20直接獲得鋰電池溫度參數，由主控制器讀取數據、寫數據，獲取溫度信息。

（5）顯示模塊，LCD1602顯示器進入工作顯示頁面，靜態顯示“電壓”“電流”“溫度”“剩余電量”等字符，同時對電壓、電流、溫度、剩余電量的百分比等數值進行相關的動態顯示，同時，通過無線通信傳輸到顯示屏上進行溫度數據的顯示，從而實現車載電池信息的遠程監測。

4? 系統測試

根據以上硬件設計和軟件設計搭建測試平臺，并進行硬件調試，包含有：上電前檢查、通電檢查、電流檢測、電壓檢測、溫度檢測、顯示調試等模塊，當所有模塊調試正確后，進入車載電池信息的監測系統的測試。其中，顯示截面中，U代表鋰電池電壓，單位為伏V，I代表電流，單位為毫安mA、T代表溫度，單位為攝氏度℃，QD代表電量。當車載電池不工作處于關斷狀態時，工作面顯示分別為：“U：0.00 V”;“I：000 mA”;“T：+31.5℃”，“QD：0%”。當通電初始化完成后，長按加熱按鍵S2，車載電池進入工作狀態，第一行顯示電壓值U：4.13 V;電流值I：196 ma;第二行顯示溫度值T：+26.8℃;電量百分比QD：96%;同時，LED2、LED3開始閃爍，LED4長亮，表示電池工作正常。結果如圖6所示。

5? 結? 論

本設計以51單片機為主芯片，在放電電路中檢測鋰電池工作電流，通過ADC0832與DS18B20采集電壓及溫度，無線收/發模塊為24L01模塊，通過SPI通信傳輸數據，在LCD1602上顯示，結合程序設計與外圍輔助電路實現對車載電池信息的遠程監測。測試結果表明，該系統運行穩定，監測方便、成本低、經濟性好，對電動汽車車載鋰電池的發展和應用具有良好的借鑒作用。

參考文獻：

[1] 王春芳，姜朋昌，侯素禮，等.基于遠程監控的純電動汽車故障分析技術 [J].汽車工程師，2016（3）：36-39.

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[4] 李曉輝，張向文，侯少陽.電動汽車動力電池狀態遠程監測系統設計 [J].計算機工程與應用，2017，53（21）：233-238+246.

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[6] 朱彬.蓄電池電量檢測系統的設計 [J].信息技術與信息化，2018（11）：62-63+69.

[7]石俊.基于ZigBee的溫室大棚無線溫濕度控制系統設計 [D].大連：大連理工大學，2018.

作者簡介：張秋艷（1988—），女，漢族，陜西榆林人，講師，碩士，研究方向：測控技術與儀器。