車用電池測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

曹艷玲 許菁

【摘要】基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的功能特性，將其應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車電池溫度管理網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)了基于DS18B20的軟硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池單體溫度的多點(diǎn)采集，并通過 CAN 總線向整車控制器提供實(shí)時(shí)溫度，最后通過試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】DS18B20;電池管理; 混合動(dòng)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(guān)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(xué)反應(yīng)特性，做好電池溫度管理至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠延長(zhǎng)電池使用壽命、充分發(fā)揮電池的功率和能量，同時(shí)保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，電池管理系統(tǒng)是混合動(dòng)力技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。以日本豐田公司的Prius為主混合動(dòng)力汽車為例，它采用了鎳氫動(dòng)力電池，該類型電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，存在可逆和不可逆的反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，使電池發(fā)熱，溫度過高時(shí)將導(dǎo)致電池的極板損壞，使用壽命縮短，自放電量加大，循環(huán)壽命衰退迅速，易發(fā)生過充現(xiàn)象;低溫時(shí)內(nèi)阻增大，發(fā)熱消耗多，容量顯著降低。由于車輛使用工況惡劣，電池經(jīng)常工作在充放電的反復(fù)循環(huán)中，在高溫或者低溫情況下，若使用不當(dāng)將導(dǎo)致電池壽命下降甚至損壞，電池管理系統(tǒng)根據(jù)電池自身的特性以及整車的應(yīng)用要求進(jìn)行綜合考慮，對(duì)電池的功率輸出進(jìn)行管理。除了電池的輸入和輸出特性外，電池?zé)峁芾硎请姵毓芾硐到y(tǒng)功能的重要組成部分，其主要作用是將電池運(yùn)行溫度控制在一定的范圍內(nèi)[1-4]。本文設(shè)計(jì)了基于鎳氫電池的熱管理系統(tǒng)，根據(jù)電池包內(nèi)部的環(huán)境溫度情況，選擇以DS18B20溫度傳感器作為測(cè)溫元件，對(duì)電池包內(nèi)部進(jìn)行多點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)采集，通過CAN總線將溫度信息進(jìn)行上傳，對(duì)電池包溫度進(jìn)行管理。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字溫度傳感器DS18B20在鎳氫電池管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，其系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 測(cè)溫系統(tǒng)原理圖

熱管理的功能是通過溫度控制系統(tǒng)使電池溫度處于正常工作溫度范圍，熱管理系統(tǒng)包括溫度測(cè)量、轉(zhuǎn)換、讀取、顯示以及控制和調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)需要考慮電池散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溫度傳感器選型，溫度傳感器布點(diǎn)，散熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。要解決的主要問題是溫度過高時(shí)能及時(shí)散熱，溫度過低時(shí)能對(duì)電池預(yù)熱，各單體電池溫度溫差需控制在一定范圍內(nèi)。由此，電池管理系統(tǒng)熱管理涉及到眾多方面，而溫度采集是整個(gè)系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)。

該測(cè)溫系統(tǒng)由微控制器（MCU），數(shù)字溫度傳感器DS18B20，電源電路，時(shí)鐘電路，散熱風(fēng)機(jī)和CAN總線通信電路等組成。測(cè)量的溫度點(diǎn)主要有電池箱體進(jìn)風(fēng)口溫度，出風(fēng)口溫度，電池單體溫度和電池管理系統(tǒng)溫度。進(jìn)風(fēng)口溫度和出風(fēng)口溫度用于測(cè)量電池進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的溫差，10個(gè)電池溫度可以實(shí)時(shí)得到電池單體的最高溫度和最低溫度，散熱風(fēng)機(jī)用于電池箱體內(nèi)通風(fēng)散熱。電池管理系統(tǒng)溫度用于監(jiān)控主控電路的工作溫度，保證其可靠運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，系統(tǒng)開始初始化，初始化完成后，周期性啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，讀取溫度，對(duì)溫度進(jìn)行處理，判斷是否要開啟風(fēng)機(jī)，并將處理結(jié)果通過CAN總線發(fā)給整車控制器HCU，顯示系統(tǒng)可以切換到相應(yīng)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(shè)計(jì)

單片機(jī)采用16位MCU作為主控制器。總線速度為50M，具有豐富的板上資源，其FLASH達(dá)1M，RAM為64K，片上EEPROM為4K。相對(duì)于其他單片機(jī)，該單片機(jī)最大優(yōu)勢(shì)在于自帶協(xié)處理器XGATE。XGATE的一個(gè)特點(diǎn)是，其在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中運(yùn)行，這樣就可將CPU從執(zhí)行耗時(shí)的中斷處理程序的工作中解放出來，而專注于執(zhí)行與應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)，幾乎可以直接進(jìn)入所有存儲(chǔ)空間，像主CPU一樣進(jìn)入并且控制外圍設(shè)備。通過分擔(dān)中斷源，從而減少CPU的負(fù)載，使得中斷服務(wù)程序在XGATE中處理的同時(shí)，CPU能夠并行的處理其他應(yīng)用程序。它只在運(yùn)行時(shí)消耗電源，當(dāng)中斷源到來時(shí)，它開始運(yùn)行，在完成中斷的任務(wù)以后，它會(huì)停下其所有時(shí)鐘等候下次事件，以此減少電源消耗。XGATE的另一個(gè)重要特點(diǎn)是設(shè)置雖然非常簡(jiǎn)單，但允許開發(fā)復(fù)雜程序。本設(shè)計(jì)即應(yīng)用了其復(fù)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(shù)字溫度傳感器DS18B20硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20，它具有抗干擾能力強(qiáng)，體積小，精度高，附加功能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。DS18B20采用單總線數(shù)據(jù)通信，單個(gè)或一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要一個(gè)I/O口，電路簡(jiǎn)單，布線方便，不需要信號(hào)調(diào)理電路;內(nèi)含64位光刻只讀存儲(chǔ)器ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便組建溫度網(wǎng)絡(luò);內(nèi)置EEPROM，具有限溫報(bào)警功能;全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，直接讀取，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換;最高12位分辨率，最大工作周期為750ms;測(cè)量分辨率為0.0625℃，檢測(cè)溫度范圍為–55℃～+125℃，無需標(biāo)定。

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

3.2 CAN通信接口電路

CAN通訊芯片選擇PCA82C250，它支持標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀、遠(yuǎn)程幀三種數(shù)據(jù)幀格式。PCA82C250的驅(qū)動(dòng)電路具有限流功能，可防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源、地或負(fù)載短路，具體電路如圖4所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

為方便溫度網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要準(zhǔn)確進(jìn)行位置定位，涉及到溫度網(wǎng)絡(luò)的編號(hào)、搜號(hào)，以及對(duì)溫度進(jìn)行控制。

4.1 DS18B20應(yīng)用原理

單總線通信是采用單根信號(hào)線既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)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(shí)，可以用示波器查看總線信號(hào)狀態(tài)。DS18B20模塊功能包括供電方式檢測(cè)、64位光刻ROM和單總線端口、存儲(chǔ)器和控制邏輯、暫存寄存器、溫度傳感器、警告觸發(fā)和配置寄存器等模塊。每個(gè)DS器件都有唯一的64位ROM代碼，其中前8位是一個(gè)1-Wire家族碼，中間48位是唯一的序列號(hào)，最后8位是前56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。

4.2 電池溫度網(wǎng)絡(luò)溫度讀取

為了在監(jiān)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(duì)溫度傳感器進(jìn)行編號(hào)。在大規(guī)模應(yīng)用中，每個(gè)編號(hào)在電池上的位置是固定的，所以在監(jiān)控中可以直觀獲取電池各點(diǎn)的溫度。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用軟件編號(hào)功能，對(duì)單個(gè)（組）溫度傳感器編號(hào)，寫值1～10到每一個(gè)溫度傳感器的告警THTL，1～10為溫度傳感器在電池包上布點(diǎn)位置，在TH中寫入1～10，在TL 中寫入固定值7f。在編號(hào)完成后可以直接用軟件讀出寫入到RAM中的內(nèi)容，可見TH中已經(jīng)編號(hào)成功。當(dāng)單個(gè)（組）編號(hào)完成后，將10個(gè)具有不同編號(hào)的溫度傳感器形成單總線，再利用軟件搜號(hào)功能，分別讀出相應(yīng)的序列號(hào)和 THTL的值，對(duì)應(yīng)THTL的值，將序列號(hào)寫到對(duì)應(yīng)變量腳標(biāo)的變量中，比如ID[0～9]對(duì)應(yīng)temp[0～9]，其中ID[0～9]對(duì)應(yīng)溫度編號(hào)THTL的1～10。搜號(hào)功能可實(shí)現(xiàn)溫度布點(diǎn)與實(shí)際監(jiān)控的溫度相對(duì)應(yīng)，其次，在手動(dòng)搜號(hào)時(shí)將DS18B20的64位（下轉(zhuǎn)第32頁）（上接第28頁）序列號(hào)保存在CPU的EEPROM中，在以后使用時(shí)不再搜號(hào)，節(jié)約初始化時(shí)間，在上電時(shí)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(shí)際設(shè)置時(shí)要在實(shí)際可測(cè)量溫度范圍之外，否則溫度會(huì)報(bào)警。軟件具有較強(qiáng)容錯(cuò)功能，能夠識(shí)別在THTL中有相同的值或未編號(hào)的值，并作相應(yīng)提示或處理。電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)，但是DS18B20轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，我們利用協(xié)處理器的I/O處理功能進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和讀取。在主程序中，設(shè)置定時(shí)器周期為10ms，每10ms啟動(dòng)協(xié)處理器進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或讀取。軟件編程時(shí)，只需簡(jiǎn)單配置協(xié)處理器即可啟用XGATE功能，在協(xié)處理器模塊的定時(shí)器中斷中加入溫度轉(zhuǎn)換和讀取程序。

6.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)，并對(duì)電池包內(nèi)部溫度進(jìn)行了組網(wǎng)測(cè)量，設(shè)計(jì)了軟硬件電路，并對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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