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【摘要】基于数字温度传感器DS18B20的功能特性，将其应用于混合动力汽车电池温度管理网络中，设计了基于DS18B20的软硬件结构，实现了对电池单体温度的多点采集，并通过 CAN 总线向整车控制器提供实时温度，最后通过试验对设计进行了验证。
【关键词】DS18B20;电池管理; 混合动力
1.引言
电池作为新能源汽车的能量来源，越来越受到重视和关注。由于电池的低温特性和高压安全等方面问题未完全突破，新能源车的推广也受到了不同程度的限制。研究电池的电化学反应特性，做好电池温度管理至关重要。电池管理系统应运而生，它能够延长电池使用寿命、充分发挥电池的功率和能量，同时保证系统安全可靠运行，电池管理系统是混合动力技术中的关键技术之一。以日本丰田公司的Prius为主混合动力汽车为例，它采用了镍氢动力电池，该类型电池内部的电化学反应较为复杂，存在可逆和不可逆的反应而产生热量，使电池发热，温度过高时将导致电池的极板损坏，使用寿命缩短，自放电量加大，循环寿命衰退迅速，易发生过充现象;低温时内阻增大，发热消耗多，容量显著降低。由于车辆使用工况恶劣，电池经常工作在充放电的反复循环中，在高温或者低温情况下，若使用不当将导致电池寿命下降甚至损坏，电池管理系统根据电池自身的特性以及整车的应用要求进行综合考虑，对电池的功率输出进行管理。除了电池的输入和输出特性外，电池热管理是电池管理系统功能的重要组成部分，其主要作用是将电池运行温度控制在一定的范围内[1-4]。本文设计了基于镍氢电池的热管理系统，根据电池包内部的环境温度情况，选择以DS18B20温度传感器作为测温元件，对电池包内部进行多点温度实时采集，通过CAN总线将温度信息进行上传，对电池包温度进行管理。
2.系统设计
数字温度传感器DS18B20在镍氢电池管理系统中的应用，其系统工作原理图如图1所示。
图1 测温系统原理图
热管理的功能是通过温度控制系统使电池温度处于正常工作温度范围，热管理系统包括温度测量、转换、读取、显示以及控制和调节。设计热管理系统需要考虑电池散热结构设计，温度传感器选型，温度传感器布点，散热控制系统设计和加热控制系统设计等。要解决的主要问题是温度过高时能及时散热，温度过低时能对电池预热，各单体电池温度温差需控制在一定范围内。由此，电池管理系统热管理涉及到众多方面，而温度采集是整个系统控制的基础。
该测温系统由微控制器（MCU），数字温度传感器DS18B20，电源电路，时钟电路，散热风机和CAN总线通信电路等组成。测量的温度点主要有电池箱体进风口温度，出风口温度，电池单体温度和电池管理系统温度。进风口温度和出风口温度用于测量电池进风口和出风口的温差，10个电池温度可以实时得到电池单体的最高温度和最低温度，散热风机用于电池箱体内通风散热。电池管理系统温度用于监控主控电路的工作温度，保证其可靠运行。当系统上电时，系统开始初始化，初始化完成后，周期性启动温度转换，读取温度，对温度进行处理，判断是否要开启风机，并将处理结果通过CAN总线发给整车控制器HCU，显示系统可以切换到相应画面接收显示温度，也可以通过USB-CAN在电脑PC上读取温度[5]。
3.硬件设计
单片机采用16位MCU作为主控制器。总线速度为50M，具有丰富的板上资源，其FLASH达1M，RAM为64K，片上EEPROM为4K。相对于其他单片机，该单片机最大优势在于自带协处理器XGATE。XGATE的一个特点是，其在随机存取存储器中运行，这样就可将CPU从执行耗时的中断处理程序的工作中解放出来，而专注于执行与应用相关的任务，几乎可以直接进入所有存储空间，像主CPU一样进入并且控制外围设备。通过分担中断源，从而减少CPU的负载，使得中断服务程序在XGATE中处理的同时，CPU能够并行的处理其他应用程序。它只在运行时消耗电源，当中断源到来时，它开始运行，在完成中断的任务以后，它会停下其所有时钟等候下次事件，以此减少电源消耗。XGATE的另一个重要特点是设置虽然非常简单，但允许开发复杂程序。本设计即应用了其复杂可编程的高性能I/O处理能力的功能，图2是XGATE的中断路径。
图2 XGATE的中断路径
图3 数字温度传感器DS18B20硬件电路设计
3.1 温度传感器电路设计
温度传感器采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20，它具有抗干扰能力强，体积小，精度高，附加功能强等优势。DS18B20采用单总线数据通信，单个或一个网络只需要一个I/O口，电路简单，布线方便，不需要信号调理电路;内含64位光刻只读存储器ROM，内置产品序列号，方便组建温度网络;内置EEPROM，具有限温报警功能;全数字温度转换及输出，直接读取，无需模数转换;最高12位分辨率，最大工作周期为750ms;测量分辨率为0.0625℃，检测温度范围为–55℃～+125℃，无需标定。
DS18B20的测温电路如图3所示，DS18B20引脚3接5V电源，DQ-BAT直接与单片机I/O口连接，电容C1和C2用于对供电电源滤波，保证DS18B20工作稳定。
3.2 CAN通信接口电路
CAN通讯芯片选择PCA82C250，它支持标准帧、扩展帧、远程帧三种数据帧格式。PCA82C250的驱动电路具有限流功能，可防止发送输出级对电源、地或负载短路，具体电路如图4所示。
4.软件设计
为方便温度网络应用，需要准确进行位置定位，涉及到温度网络的编号、搜号，以及对温度进行控制。
4.1 DS18B20应用原理
单总线通信是采用单根信号线既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。这意味着许多事件都把总线拉到低电平，因此，在未成功读取温度时，可以用示波器查看总线信号状态。DS18B20模块功能包括供电方式检测、64位光刻ROM和单总线端口、存储器和控制逻辑、暂存寄存器、温度传感器、警告触发和配置寄存器等模块。每个DS器件都有唯一的64位ROM代码，其中前8位是一个1-Wire家族码，中间48位是唯一的序列号，最后8位是前56位的循环冗余校验码。 4.2 电池温度网络温度读取
为了在监控过程中能直观的读取温度，并得到各温度所在位置，需要对温度传感器进行编号。在大规模应用中，每个编号在电池上的位置是固定的，所以在监控中可以直观获取电池各点的温度。
5.实验结果
利用软件编号功能，对单个（组）温度传感器编号，写值1～10到每一个温度传感器的告警THTL，1～10为温度传感器在电池包上布点位置，在TH中写入1～10，在TL 中写入固定值7f。在编号完成后可以直接用软件读出写入到RAM中的内容，可见TH中已经编号成功。当单个（组）编号完成后，将10个具有不同编号的温度传感器形成单总线，再利用软件搜号功能，分别读出相应的序列号和 THTL的值，对应THTL的值，将序列号写到对应变量脚标的变量中，比如ID[0～9]对应temp[0～9]，其中ID[0～9]对应温度编号THTL的1～10。搜号功能可实现温度布点与实际监控的温度相对应，其次，在手动搜号时将DS18B20的64位（下转第32页）（上接第28页）序列号保存在CPU的EEPROM中，在以后使用时不再搜号，节约初始化时间，在上电时快速读到温度，给整车策略作合理判断。这里的THTL的值为概念值，实际设置时要在实际可测量温度范围之外，否则温度会报警。软件具有较强容错功能，能够识别在THTL中有相同的值或未编号的值，并作相应提示或处理。电池管理系统实时性要求较强，但是DS18B20转换需要时间，我们利用协处理器的I/O处理功能进行温度转换和读取。在主程序中，设置定时器周期为10ms，每10ms启动协处理器进行温度转换或读取。软件编程时，只需简单配置协处理器即可启用XGATE功能，在协处理器模块的定时器中断中加入温度转换和读取程序。
6.结论
本文设计了基于DS18B20的测温系统，并对电池包内部温度进行了组网测量，设计了软硬件电路，并对测温系统进行了验证。
参考文献
[1]吴志红，吴庚泽，朱元，魏学哲，王佳元.基于XC164CS单片机的混合动力汽车电池管理系统硬件设计[J].汽车技术，2009（4）：15-18.
[2]何莉萍，赵曦，丁舟波，冯坤，周惦武，高学峰.基于DSP的电动汽车电池管理系统的设计[J].湖南大学学报（自然科学版），2009，36（5）：33-36.
[3]司传胜.电动客车动力电池管理系统的开发研究[J].淮阴工学院学报，2011，20（1）：44-46.
[4]刘均，邹彦艳，胡继东，刘刚，崔刚.混合动力汽车自适应电池组管理系统[J].仪表技术，2005（5）：46-47.
[5]曹艳玲，文彦东.USB转CAN总线控制系统的设计[J].电子世界，2013（2）：117-118.
【关键词】DS18B20;电池管理; 混合动力
1.引言
电池作为新能源汽车的能量来源，越来越受到重视和关注。由于电池的低温特性和高压安全等方面问题未完全突破，新能源车的推广也受到了不同程度的限制。研究电池的电化学反应特性，做好电池温度管理至关重要。电池管理系统应运而生，它能够延长电池使用寿命、充分发挥电池的功率和能量，同时保证系统安全可靠运行，电池管理系统是混合动力技术中的关键技术之一。以日本丰田公司的Prius为主混合动力汽车为例，它采用了镍氢动力电池，该类型电池内部的电化学反应较为复杂，存在可逆和不可逆的反应而产生热量，使电池发热，温度过高时将导致电池的极板损坏，使用寿命缩短，自放电量加大，循环寿命衰退迅速，易发生过充现象;低温时内阻增大，发热消耗多，容量显著降低。由于车辆使用工况恶劣，电池经常工作在充放电的反复循环中，在高温或者低温情况下，若使用不当将导致电池寿命下降甚至损坏，电池管理系统根据电池自身的特性以及整车的应用要求进行综合考虑，对电池的功率输出进行管理。除了电池的输入和输出特性外，电池热管理是电池管理系统功能的重要组成部分，其主要作用是将电池运行温度控制在一定的范围内[1-4]。本文设计了基于镍氢电池的热管理系统，根据电池包内部的环境温度情况，选择以DS18B20温度传感器作为测温元件，对电池包内部进行多点温度实时采集，通过CAN总线将温度信息进行上传，对电池包温度进行管理。
2.系统设计
数字温度传感器DS18B20在镍氢电池管理系统中的应用，其系统工作原理图如图1所示。
图1 测温系统原理图
热管理的功能是通过温度控制系统使电池温度处于正常工作温度范围，热管理系统包括温度测量、转换、读取、显示以及控制和调节。设计热管理系统需要考虑电池散热结构设计，温度传感器选型，温度传感器布点，散热控制系统设计和加热控制系统设计等。要解决的主要问题是温度过高时能及时散热，温度过低时能对电池预热，各单体电池温度温差需控制在一定范围内。由此，电池管理系统热管理涉及到众多方面，而温度采集是整个系统控制的基础。
该测温系统由微控制器（MCU），数字温度传感器DS18B20，电源电路，时钟电路，散热风机和CAN总线通信电路等组成。测量的温度点主要有电池箱体进风口温度，出风口温度，电池单体温度和电池管理系统温度。进风口温度和出风口温度用于测量电池进风口和出风口的温差，10个电池温度可以实时得到电池单体的最高温度和最低温度，散热风机用于电池箱体内通风散热。电池管理系统温度用于监控主控电路的工作温度，保证其可靠运行。当系统上电时，系统开始初始化，初始化完成后，周期性启动温度转换，读取温度，对温度进行处理，判断是否要开启风机，并将处理结果通过CAN总线发给整车控制器HCU，显示系统可以切换到相应画面接收显示温度，也可以通过USB-CAN在电脑PC上读取温度[5]。
3.硬件设计
单片机采用16位MCU作为主控制器。总线速度为50M，具有丰富的板上资源，其FLASH达1M，RAM为64K，片上EEPROM为4K。相对于其他单片机，该单片机最大优势在于自带协处理器XGATE。XGATE的一个特点是，其在随机存取存储器中运行，这样就可将CPU从执行耗时的中断处理程序的工作中解放出来，而专注于执行与应用相关的任务，几乎可以直接进入所有存储空间，像主CPU一样进入并且控制外围设备。通过分担中断源，从而减少CPU的负载，使得中断服务程序在XGATE中处理的同时，CPU能够并行的处理其他应用程序。它只在运行时消耗电源，当中断源到来时，它开始运行，在完成中断的任务以后，它会停下其所有时钟等候下次事件，以此减少电源消耗。XGATE的另一个重要特点是设置虽然非常简单，但允许开发复杂程序。本设计即应用了其复杂可编程的高性能I/O处理能力的功能，图2是XGATE的中断路径。
图2 XGATE的中断路径
图3 数字温度传感器DS18B20硬件电路设计
3.1 温度传感器电路设计
温度传感器采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20，它具有抗干扰能力强，体积小，精度高，附加功能强等优势。DS18B20采用单总线数据通信，单个或一个网络只需要一个I/O口，电路简单，布线方便，不需要信号调理电路;内含64位光刻只读存储器ROM，内置产品序列号，方便组建温度网络;内置EEPROM，具有限温报警功能;全数字温度转换及输出，直接读取，无需模数转换;最高12位分辨率，最大工作周期为750ms;测量分辨率为0.0625℃，检测温度范围为–55℃～+125℃，无需标定。
DS18B20的测温电路如图3所示，DS18B20引脚3接5V电源，DQ-BAT直接与单片机I/O口连接，电容C1和C2用于对供电电源滤波，保证DS18B20工作稳定。
3.2 CAN通信接口电路
CAN通讯芯片选择PCA82C250，它支持标准帧、扩展帧、远程帧三种数据帧格式。PCA82C250的驱动电路具有限流功能，可防止发送输出级对电源、地或负载短路，具体电路如图4所示。
4.软件设计
为方便温度网络应用，需要准确进行位置定位，涉及到温度网络的编号、搜号，以及对温度进行控制。
4.1 DS18B20应用原理
单总线通信是采用单根信号线既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的。这意味着许多事件都把总线拉到低电平，因此，在未成功读取温度时，可以用示波器查看总线信号状态。DS18B20模块功能包括供电方式检测、64位光刻ROM和单总线端口、存储器和控制逻辑、暂存寄存器、温度传感器、警告触发和配置寄存器等模块。每个DS器件都有唯一的64位ROM代码，其中前8位是一个1-Wire家族码，中间48位是唯一的序列号，最后8位是前56位的循环冗余校验码。 4.2 电池温度网络温度读取
为了在监控过程中能直观的读取温度，并得到各温度所在位置，需要对温度传感器进行编号。在大规模应用中，每个编号在电池上的位置是固定的，所以在监控中可以直观获取电池各点的温度。
5.实验结果
利用软件编号功能，对单个（组）温度传感器编号，写值1～10到每一个温度传感器的告警THTL，1～10为温度传感器在电池包上布点位置，在TH中写入1～10，在TL 中写入固定值7f。在编号完成后可以直接用软件读出写入到RAM中的内容，可见TH中已经编号成功。当单个（组）编号完成后，将10个具有不同编号的温度传感器形成单总线，再利用软件搜号功能，分别读出相应的序列号和 THTL的值，对应THTL的值，将序列号写到对应变量脚标的变量中，比如ID[0～9]对应temp[0～9]，其中ID[0～9]对应温度编号THTL的1～10。搜号功能可实现温度布点与实际监控的温度相对应，其次，在手动搜号时将DS18B20的64位（下转第32页）（上接第28页）序列号保存在CPU的EEPROM中，在以后使用时不再搜号，节约初始化时间，在上电时快速读到温度，给整车策略作合理判断。这里的THTL的值为概念值，实际设置时要在实际可测量温度范围之外，否则温度会报警。软件具有较强容错功能，能够识别在THTL中有相同的值或未编号的值，并作相应提示或处理。电池管理系统实时性要求较强，但是DS18B20转换需要时间，我们利用协处理器的I/O处理功能进行温度转换和读取。在主程序中，设置定时器周期为10ms，每10ms启动协处理器进行温度转换或读取。软件编程时，只需简单配置协处理器即可启用XGATE功能，在协处理器模块的定时器中断中加入温度转换和读取程序。
6.结论
本文设计了基于DS18B20的测温系统，并对电池包内部温度进行了组网测量，设计了软硬件电路，并对测温系统进行了验证。
参考文献
[1]吴志红，吴庚泽，朱元，魏学哲，王佳元.基于XC164CS单片机的混合动力汽车电池管理系统硬件设计[J].汽车技术，2009（4）：15-18.
[2]何莉萍，赵曦，丁舟波，冯坤，周惦武，高学峰.基于DSP的电动汽车电池管理系统的设计[J].湖南大学学报（自然科学版），2009，36（5）：33-36.
[3]司传胜.电动客车动力电池管理系统的开发研究[J].淮阴工学院学报，2011，20（1）：44-46.
[4]刘均，邹彦艳，胡继东，刘刚，崔刚.混合动力汽车自适应电池组管理系统[J].仪表技术，2005（5）：46-47.
[5]曹艳玲，文彦东.USB转CAN总线控制系统的设计[J].电子世界，2013（2）：117-118.