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北極星儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)新聞：本文在介紹鋰電池單體溫度測量的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了DS18B20溫度傳感器的特性、溫度測量原理和基于DS18B20的鋰電池單體溫度收集。

（來源：微信公眾號(hào)“動(dòng)力電池網(wǎng)” ID：sd-dldc 作者：周志敏）

01.鋰動(dòng)力電池單體溫度測量

鋰動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車運(yùn)行的唯一能量來源，是電動(dòng)汽車的核心組成部分，在電動(dòng)汽車上扮演著等同于燃油車輛中“發(fā)動(dòng)機(jī)”的重要角色。為了使鋰動(dòng)力電池處在最佳的工作狀態(tài)并且隨時(shí)把握好鋰動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，需要選用一種抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高的溫度傳感器器件對鋰動(dòng)力鋰動(dòng)力電池單體的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

隨著鋰動(dòng)力電池的能量密度的提升和安全裕度的降低，鋰動(dòng)力電池溫度對電池的容量、電壓、內(nèi)阻、充放電效率、使用壽命、安全性和鋰動(dòng)力電池一致性等方面都有較大的影響，所以鋰動(dòng)力電池在使用中必須進(jìn)行溫度監(jiān)測。

測量的核心的問題是要知道鋰動(dòng)力電池單體本身的溫度，通過溫度傳感器得到鋰動(dòng)力電池的冷卻開啟溫度點(diǎn)、限制功率溫度點(diǎn)、停止輸出溫度點(diǎn)、極端熱事件溫度點(diǎn)電路，如圖1所示。

目前單體電池溫度的測量一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采用分壓法由A/D 采樣來讀取熱敏電阻的端電壓，根據(jù)電阻—溫度關(guān)系可計(jì)算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個(gè)鋰動(dòng)力電池單體上，分時(shí)將不同鋰動(dòng)力電池上的熱敏電阻接到A/D 采樣電路上進(jìn)行溫度采樣，實(shí)現(xiàn)鋰動(dòng)力電池單體溫度的巡檢。

在采用普通熱敏電阻機(jī)箱溫度測量時(shí)，因其測量精度為±1.0℃，誤差較大。同時(shí)有時(shí)由于制造工藝原因，熱敏電阻個(gè)體的溫度特性不是很一致，由此造成溫度測量校準(zhǔn)的困難。進(jìn)行多點(diǎn)溫度巡檢時(shí)，同樣要解決分時(shí)通道選通問題，所以同樣就需要考慮設(shè)計(jì)簡潔性問題。

02.DS18B20 溫度傳感器特性及測溫原理

（1）DS18B20 溫度傳感器特性：

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，可應(yīng)用于多種場合。S18B20的主要特性如下：

1）適應(yīng)電壓范圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。

2）DS18B20具有獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

3）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯—的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。最多能并聯(lián)8個(gè)，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸不穩(wěn)定。

4）不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在外形如一只三極管的電路內(nèi)。

5）測溫范圍－55℃～＋125℃，在－lO℃～＋85℃時(shí)精度為±0.5℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯(cuò)誤的）1℃。

6）可編程的分辨率為9位～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。

7）在9位分辨率時(shí)，最多93.75ms便可把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多750ms便可把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

8）直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。

9）電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。

（2）DS18B20測溫原理：

DS18B20測溫原理如圖2所示，在圖2中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)發(fā)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。圖2中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。

計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在 -55 ℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。

計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。

斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值。

由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí)序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)據(jù)。因DS18B20采用一線通信接口，所以必須先完成ROM設(shè)定，否則記憶和控制功能將無法使用。首先提供以下功能命令之一：

1）讀ROM。

2）ROM匹配。

3）搜索ROM。

4）跳過ROM。

5）報(bào)警檢查。

這些指令操作作用在沒有一個(gè)器件的64位光刻ROM序列號(hào)，可以在掛在一線上多個(gè)器件選定某一個(gè)器件，同時(shí)，總線也可以知道總線上掛有有多少，什么樣的設(shè)備。

03.基于DS18B20的鋰動(dòng)力電池單體溫度采集

鋰動(dòng)力電池模組主要由多個(gè)單體電芯所組成，通過合理的模組設(shè)計(jì)，可以通過有限的幾個(gè)采樣點(diǎn)來得到整個(gè)鋰動(dòng)力電池模組內(nèi)電芯的溫度。正常工作的時(shí)候，電芯的溫度是均勻的，而在鋰動(dòng)力電池模組出現(xiàn)異常情況下，電芯的溫度會(huì)出現(xiàn)較大的溫差?？紤]到電池管理系統(tǒng)對溫度測量實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求，在進(jìn)行電動(dòng)汽車鋰動(dòng)力電池單體溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下問題：

1)溫度采集系統(tǒng)是整個(gè)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，鑒于電池管理系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，要盡量節(jié)省單片機(jī)端口資源的使用。

2)合理設(shè)計(jì)軟硬件，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

3)要求系統(tǒng)可以識(shí)別單線總線上掛接的所有單總線器件，按照設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確得到目標(biāo)器件的溫度值，并確保數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)被總線控制器接收的準(zhǔn)確性。

（1）DS18B20 的連接方式：

DS18B20 采用單總線技術(shù)，測溫范圍-55℃～+125℃，全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采樣。采用DS18B20 多點(diǎn)組網(wǎng)功能也可以實(shí)現(xiàn)鋰動(dòng)力電池單體溫度采樣，但是多點(diǎn)采樣時(shí)需要識(shí)別每個(gè)DS18B20 獨(dú)有的ROM 碼，影響采樣速度，同時(shí)無法將ROM碼同器件的實(shí)際物理位置關(guān)聯(lián)起來。

所以多點(diǎn)組網(wǎng)功能不適合鋰動(dòng)力電池單體溫度的巡檢?；贒S18B20的分時(shí)讀取數(shù)據(jù)的多點(diǎn)溫度采樣方法，采樣啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀取都是跳過ROM 碼校驗(yàn)進(jìn)行的。

DS18B20 的連接方式如圖3 所示，在圖3中 K1、K2,……Kn是光電繼電器，其通斷情況同樣由移位寄存陣控制。一開始K1,K2,……Kn 全部閉合，MCU向所有DS18B20 發(fā)送采樣啟動(dòng)命令，啟動(dòng)命令發(fā)送完后斷開所有光電繼電器，然后逐個(gè)閉合K1、K2,……Kn，讀取相應(yīng)傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)讀取數(shù)據(jù)。采用同時(shí)啟動(dòng)分時(shí)讀取數(shù)據(jù)的多點(diǎn)溫度采樣方法，其所用時(shí)間僅比單點(diǎn)溫度采樣所用的時(shí)間多了數(shù)據(jù)讀取的時(shí)間，所以其采樣速度比較快。

（2）DS18B20的供電方式:

1）DS18B20在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線信號(hào)線上汲取能量，在信號(hào)線DQ處于高電平期間把能量儲(chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。寄生電源供電方式的優(yōu)點(diǎn)有：

1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時(shí)，無需本地電源。

2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM。

3）電路更加簡潔，僅用一根I/O口實(shí)現(xiàn)測溫。

要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測溫時(shí)，只靠4.7kΩ上拉電阻就無法提供足夠的能量，會(huì)造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。

2）DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式。為了使DS18B20在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲(chǔ)器操作時(shí)，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多10μs內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不足的問題，因此也適合于多點(diǎn)測溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要多占用一根I/O口線進(jìn)行強(qiáng)上拉切換。

3）DS18B20的外部電源供電方式。在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85℃。

（3）DS18B20應(yīng)用中應(yīng)注意事項(xiàng)：

DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下問題：

1）較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。

2）當(dāng)單總線上所掛DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。

3）連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長度超過50m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá)150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長。在用DS18B20進(jìn)行長距離測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題，否則總線分布電容將使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變。

4）在DS18B20測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，將沒有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。測溫電纜線應(yīng)采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號(hào)線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點(diǎn)接地。

原標(biāo)題:淺析鋰動(dòng)力電池單體溫度測量傳感器的特性及應(yīng)用

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