摘 要：隨著電動(dòng)車的普及，電池續(xù)航能力成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。通過軟件設(shè)計(jì)分析處理系統(tǒng)對(duì)電池的監(jiān)測，提高電池性能，本項(xiàng)目介紹利用Atmega8L單片機(jī)作為主控芯片，使用DS2438芯片作為采集芯片的電池監(jiān)測控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車電池組中多節(jié)電池進(jìn)行同步監(jiān)測，提高電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；電池續(xù)航能力；檢測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)車的普及，人們越來越關(guān)注電動(dòng)車的續(xù)航能力。新型的鉛蓄電池不斷問世，電池質(zhì)量不斷提高。隨之而來的即為大家對(duì)如何保持電池相關(guān)性能的思考，這其中一個(gè)關(guān)鍵的問題就是如何更好地對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)測維護(hù)。因此，提高對(duì)電動(dòng)車電池的監(jiān)測，對(duì)保障其性能十分重要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

在項(xiàng)目中，主要利用ATmega8L單片機(jī)作為主控芯片，采用DS2438作為電池?cái)?shù)據(jù)的采集芯片，再通過軟件設(shè)計(jì)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，這是一種實(shí)用的電動(dòng)車電池監(jiān)測控制系統(tǒng)。結(jié)合市場的需求，減免不必要的接線，力求簡明。因此，系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)一個(gè)能夠同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測電動(dòng)車電池的電壓、電流、溫度、剩余電量的監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：

（1）單總線結(jié)構(gòu)，對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；

（2）具有專門的電源電路，給不同的芯片單獨(dú)供電；

（3）對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析處理；

（4）實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測結(jié)果。

3 電池監(jiān)測系統(tǒng)方案的選定

電池監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)將通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)用軟件算法進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示，對(duì)系統(tǒng)日后升級(jí)開發(fā)提供了一定的設(shè)計(jì)新意，此方案系統(tǒng)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(tǒng)通過DS2438芯片對(duì)電池的電壓、電流、溫度和剩余電量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，寄存在各自寄存器中，然后直接通過DQ數(shù)據(jù)總線與主控芯片相連，用軟件編程算法對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再用主控芯片內(nèi)部自帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最后通過端口傳輸?shù)絃CD顯示屏，把監(jiān)測的結(jié)果顯示出來。

4 電池監(jiān)測系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)車的電池組是由幾個(gè)單電池串聯(lián)起來組合而成的，為了便于設(shè)計(jì)、取樣，將取單節(jié)電池作為測驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)設(shè)計(jì)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(wěn)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(wěn)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(jīng)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(wěn)壓器LM78L05的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的含有雜波的直流電壓。此直流電壓經(jīng)過LM78L05的穩(wěn)壓和C11的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端Vout產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。此穩(wěn)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(diǎn)，為系統(tǒng)提供電源支持。

4.2 電池電壓監(jiān)測電路

對(duì)于大多數(shù)的電器來說，要想其正常工作必須能夠在工作電壓范圍內(nèi)才可運(yùn)作。電動(dòng)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(tǒng)將通過軟件算法找出電動(dòng)車電池在任何狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問題。

DS2438芯片內(nèi)部集成有10位模數(shù)電壓A/D轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)π酒杉降碾姵仉妷哼M(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換的結(jié)果寄存到芯片內(nèi)部的電壓寄存器里面，以方便后面軟件的調(diào)用計(jì)算。DS2438芯片所能監(jiān)測的電壓測量范圍為0至10V。而市場上基本每一節(jié)蓄電池的電壓為12V，對(duì)電池完全充電后可能超出所標(biāo)示的電壓值，所以可通過精密電阻進(jìn)行分壓，達(dá)到芯片可監(jiān)測的電壓范圍值，原理圖上的電阻R1和R2上即對(duì)監(jiān)測電池電壓進(jìn)行分壓，然后測量，電阻R3為單節(jié)電池的端子電壓，電容C3起濾波作用，降低紋波干擾，提高監(jiān)測精度。為了方便計(jì)算，在設(shè)計(jì)時(shí)，取R1和R2的阻值相等，則實(shí)際監(jiān)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(jiān)測電路

由于蓄電池組是通過每個(gè)電池單獨(dú)串聯(lián)起來工作的，所以流經(jīng)每個(gè)電池的電流是一樣的，因此只需檢測一個(gè)電池的電流。DS2438可檢測十分小的電流，而整個(gè)電池組串聯(lián)起來的電流一般是十幾安培，容量大的甚至可達(dá)到幾十安培，因此需要用到電流傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。DS2438芯片內(nèi)部同樣集成了10位模數(shù)電流A/D轉(zhuǎn)換器，Vsens+和Vsens-兩個(gè)引腳的電壓被認(rèn)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(gè)引腳的電流，再經(jīng)過電流A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，把結(jié)果寄存在電流寄存器中，同樣為了方便軟件調(diào)用計(jì)算。為了確保準(zhǔn)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(gòu)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(zhǔn)確地檢測流入和流出電池的電流。則實(shí)際電流為±（K*電流寄存器值）/（4096*R4），K為變壓器匝數(shù)比，±取決于當(dāng)前寄存器的符號(hào)位。

4.4 電池溫度監(jiān)測電路

蓄電池的使用壽命跟溫度有著很大關(guān)聯(lián)，蓄電池的容量與溫度成正比關(guān)系，當(dāng)溫度在適當(dāng)范圍內(nèi)升高時(shí)，循環(huán)使用壽命會(huì)上升，而接收電池的容量能力將被降低。當(dāng)電池組進(jìn)行充電或放電，溫度上升得最快的將會(huì)是劣質(zhì)電池。因此，有效的溫度管理對(duì)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(shù)來監(jiān)測電動(dòng)車電池的溫度，且它內(nèi)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(shí)需要將檢測電池貼近芯片，把測量的結(jié)果寄存在溫度寄存器中，同樣方便軟件調(diào)用計(jì)算。監(jiān)測結(jié)果中低3位是0，最高位是符號(hào)位，并通過單一的總線接口傳輸?shù)街骺匦酒?。則實(shí)際溫度值T等于±（溫度寄存器值*0.03125）/8（℃），±符號(hào)位取決于溫度寄存器。

4.5 電池剩余電量監(jiān)測電路

DS2438芯片為了準(zhǔn)確地測量電池的剩余電量，而使用了芯片內(nèi)部集成的電流累加器。這是一個(gè)累計(jì)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(shù)功能。電池使用壽命的相關(guān)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(dòng)計(jì)算出電池的充放電的時(shí)間積分累計(jì)值，在充電時(shí)，與累計(jì)值成正比，在放電時(shí)，與累計(jì)值成反比。則實(shí)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(jiān)測結(jié)果顯示及報(bào)警電路

系統(tǒng)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(shè)計(jì)布線。經(jīng)過軟件算法在芯片內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將檢測結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)斤@示屏上。外加LED指示燈和蜂鳴器報(bào)警電路，當(dāng)監(jiān)測到電池某項(xiàng)指標(biāo)超過或低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警閃爍，提醒駕駛者注意電動(dòng)車電池電量，及時(shí)檢查。

5 電池監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括Atmega8L芯片主控處理模塊程序，DS2438芯片數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)主要是為了可實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的電壓、電流、溫度和電池剩余容量，對(duì)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過顯示程序輸出到LCD屏實(shí)時(shí)顯示，讓駕駛者直觀地看到電池的基本情況，同時(shí)系統(tǒng)還有指示燈和蜂鳴器報(bào)警電路，使駕駛者在行駛途中不方便觀察顯示屏?xí)r，可根據(jù)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(jié) 論

本文介紹利用Atmega8L單片機(jī)作為主控芯片，使用DS2438芯片作為采集芯片的電池監(jiān)測控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車電池組中多節(jié)電池進(jìn)行同步監(jiān)測，并且可同時(shí)監(jiān)測電動(dòng)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(hù)效果，提高電池的使用壽命，具有很強(qiáng)的實(shí)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(shù)及職業(yè)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(dòng)化教學(xué)。