电池管理系统温度管理模块的设计与实现

６２电池管理系统温度管理模块的设计与实现电池管理系统温度管理模块的设计与实现

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＴｅｍｐｒａｔｕｒｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔＭｏｄｕｌｅ

ｏｎＢａｔｔｅｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ

李素双齐铂金吴红杰（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１０００８３）

．摘要

研制了基于ＤＳＰ控制芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ和数字温度传感器ＤＳｌ８８２０的电动汽车电池管理系统温度管理模块。

对温度管理模块的系统结构、软硬件设计等方面做了详细说明，针对ＤＳｌ８８２０的６４位序列号的读取问题设计开发了ＤＳｌ８８２０的序列号自动识别技术，并结合实际应用对温度管理模块的工作情况做了分析和介绍。

关键词：电池管理系统，数字温度传感器，ＤＳＰ，温度测量

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｂａｔｔｅｒｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｈｅＤＳＰｃｏｎｔｒｏｌｃｈｉｐＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡａｎｄｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒＤＳｌ８８２０．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．ｔｈｅｓｏｆｔ－ｗａｒｅａｎｄｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．ＴｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＤＳｌ８８２０’ｓｓｅｒｉａｌｃｏｄｅｓｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔＯｓｏｌｖｅｔｈｅｒｅａｄｐｒｏｂｌｅｍｏｆＤＳｌ８８２０７ｓｓｅｒｉａｌｃｏｄｅｓ．Ｔｈｅｍｏｄｕｌｅ’ｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓａｎｄａＤ?ｐｌｉｃａｔｉｏｎａｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ，ｄｉｇｉｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ．ＤＳＰ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

动力蓄电池作为电动汽车（ＥＶ）的能量源和动力源，其性能的好坏也就成为决定ＥＶ的性能高低的因素之一。电池管理系统ＢＭＳ（ｂａｔｔｅｒｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ）就是用来监测电池电压、充放电电流、温度，预测电池的ＳＯＣ（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ）和ＥＶ的续驶里程，提供电池与外界的数据通讯，并对电池故障进行诊断和报警的装置。本文介绍了ＤＳＰ控制芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ和数字温度传感器ＤＳｌ８８２０组成的ＢＭＳ温度管理模块的设计与实现，并结合实际应用对其工作情况进行了分析。

１温度管理模块的硬件设计

ＥＶ动力电池组的温度管理，包括温度测量、转换、读取、显示、以及控制和调节等。温度的测量和转换采用美国ＤＡＬＬＡＳ半导体公司生产的单总线数字温度传感器ＤＳｌ８８２０；温度的读取和显示、控制和调节，以及其它数据和命令的处理工作都由美国ＴＩ公司生产的ＤＳＰ控制芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ结合ＲＳ２３２串口通讯、报警和风扇调节装置等其它辅助部分完成。

１．１数字温度传感器ＤＳｌ８８２０

ＤＳｌ８８２０具有结构简单、操作方便、转换时间短、传输距离长、分辨率高且不受外界干扰等优点。它采用可进行双向传输的单根信号线传输数据；具有唯一的６４位序列号，可以使一根总线上挂接多个芯片，实现多点测温；其测温范围为一５５ｃＣ～＋１２５℃，一１０℃－＋８５℃时精度为±０．５。Ｃ；具有高低温报警寄存器（ＴＨ、ＴＬ）．可用来掉电保存用户设定的温度上下限。

ＥＶ动力电组池一般工作在一４００Ｃ一＋６０℃，测温精度在士１℃左右。采用ＤＳｌ８８２０作为传感器，可满足测温范围和精度的要求。而且，由于电池组是多个电池单体的组合，为了尽可能多的得到其温度信息，需要进行多点测温，ＤＳｌ８８２０一根总线上可挂接多个芯片的特点，可以很好的满足多点测温的需要。另外ＤＳｌ８８２０将温度直接转换成数字信号输出，相对于输出模拟信号的传感器而言，省去了将数据进行“滤波一放大一Ａ／Ｄ转换”等环节，提高了系统的测温精度和响应时间。１．２ＤＳＰ控制芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ是１６位定点ＤＳＰ控制器，采用高性能静态ＣＭＯＳ技术使供电电压降为３．３Ｖ，４０ＭＩＰＳ的执行速度使指令周期缩短到２５ｎｓ，具有外设集成度高、程序存储器大、ⅣＯ转换速度快等特点。

它具有４１个通用、双向数字Ｉ／Ｏ引脚，其中大多数都具备基本功能和通用引脚功能。由于ＣＰＵ通过Ｉ／Ｏ口控制ＤＳｌ８８２０进行温度的采集、转换和读取，所以相应Ｉ／Ｏ端口要配置成一般功能端口，且具有双向传输数据的能力。另外，它具有串行通信接１：３（ＳＣＩ）模块，支持ＣＰＵ和其他使用标准非归零格式的异步外设之间的异步串行数字通信，能单独或者在全双工模式下同时工作，可用来实现用户上位机和下位机之间的通信。１，３温度管理模块的系统结构

设计的温度管理模块的系统结构如图１所示。ＤＳＰ芯片的ＩＯＰＦ５、ＩＯＰＡ５、ＩＯＰＡ６、ＩＯＰＡ７４个Ｉ／Ｏ口用于温度测量和控制。其中：ＩＯＰＦ５作为传感器的数据传输端Ｅｌ，负责ＤＳｌ８８２０与ＤＳＰ的通信；ＩＯＰＡ５和ＩＯＰＡ６用来控制相应风扇的开启和关闭；ＩＯＰＡ７用来控制报警装置报警。其ＳＣＩ模块的两个引脚ＳＣＩＲＸＤ（接收引脚）和ＳＣＩＴ×Ｄ（发送引脚），负责ＤＳＰ和ＰＣ机之间的数据接收和发送。

图１温度管理模块硬件连接图

本系统所测电池组分装在两个电池箱中，共有８个ＤＳｌ８８２０用来测量电池组的温度，２个风扇用来调节温度。实际中ＤＳｌ８８２０和控制风扇的个数，可根据测温要求和电池组的

　万方数据

《工业控制计算机｝２００７年２０卷第１期

空间分布进行调整。工作时，ＤＳｌ８８２０对温度测量转换后，通过单总线把数据传给ＣＰＵ，ＣＰＵ根据温度高低进行判断，当高于正常温度限时，则根据温度编号控制相应风扇开启，并根据温度异常情况启动报警。另外，由于ＳＣＩ模块可实现系统和用户ＰＣ机之间的数据通讯，为实时得到电池温度等参数信息，还在ＰＣ机上设计了ＶＢ监测界面，工作时通过ＲＳ２３２串口连接到用户ＰＣ机，就能实时观察各参数的状态。２温度管理模块的软件设计２．１温度管理模块的工作过程

ＤＳｌ８８２０工作时遵循典型的单总线命令序列：初始化、ＲＯＭ命令、功能命令。每次对其操作都要严格按照这个顺序，否则就会产生错误（ＳｅａｒｃｈＲＯＭ、ＡｌａｒｍＳｅａｒｃｈ命令除外）。其６４位序列号的读取可以通过软件设计，一次挂接１个或多个传感器到ＢＭＳ，读出来以后存储到相应位置以备用。ＤＳｌ８８２０对操作顺序、读写时序以及电特性等要求较高，必须严格按照厂商的要求去做。图２中虚线部分为ＤＳｌ８８２０的具体测温流程。

温度管理模块的具体工作流程图如图２所示。ＤＳｌ８８２０对电池组的温度进行测量转换后，把得到的实际温度最高值（或最低值）和已设置存储在ＤＳｌ８８２０内部高、低温报警寄存器（ＴＨ、ＴＬ）中的温度限值进行比较。当最高温度值超过ＴＨ中的值时，ＤＳＰ发送开风扇信号，开启相应风扇，并根据实际温度值高出正常值的程度，启动报警装置，产生相应的报警信号。当最低温度值低于ＴＬ中的值时，同样根据实际值低于正常值的程度，产生相应的报警信号，为用户的下一步操作提供依据。另外通过串口通讯，启动ＰＣ机上的ＶＢ监测界面，实时观察电池组的温度状态。

系统初始化温度数组初始化ｌ设置端口ＩＯＰＡ５ＩＯＰＡ７、ｌ

ＩＯＰＦ５为一般１０口

｛三三三ｊ三苎至

｛调用ＩｏｐＦｓ端口复位程序Ｉ

发跳过命令ＣＣＨ发温度转换命令４４Ｈ

复位ＩＯＰＦ５端口

发总线匹配命令５５Ｈ

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调用读取温度子程序

震

Ｌ一一一一．：＝＝ｉ＝＝＝Ｊ

／温度是否温度

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发温度报警信号

开相应风扇

向串口发送数据

进入下一轮循环

７

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Ｊ

Ｎ皇关报警信号、关风扇

图２

ＤＳｌ８８２０测温流程及温度管理模块工作过程图

由于ＢＭＳ要测量单体电压、总电压、电流、温度等多个参数，而且ＤＳｌ８８２０读写过程要满足特定的时间限制，对这种传感器数量多、采样精度要求高和响应时间短的系统，若空等待太多，会造成资源浪费并影响系统的精度，为提高系统资源利用率和实时性，程序中采用定时中断实现各个参数的采集。另外，为避免因一片或几片ＤＳｌ８８２０损坏造成系统不能复位，程序中限制了复位次数和复位时间，防止死循环的产生，在规定条件下不能复位时，则强制跳出循环。

２．２温度传感器ＤＳｌ８８２０序列号的自动识别技术

每个ＤＳｌ８８２０芯片的光刻ＲＯＭ中的都有出厂前被光刻好的、唯一的用来标识其身份的６４位序列号，它可以看作是该

ＤＳｌ８８２０的地址序列码。其６４位序列号的排列为：开始８位（２８Ｈ）是产品类型标号，接着４８位是该ＤＳｌ８８２０自身的序列号，最后８位是前面５６位的循环冗余校验码。由于ＤＳｌ８８２０序列号的唯一性，从而实现了一根总线上可挂接多个芯片的需要。

ＤＳｌ８８２０作为电池组的温度传感器，是ＢＭＳ温度管理模块的重要组成部分。由于电池组需要多个ＤＳｌ８８２０进行多点测温，如果每次都对ＤＳｌ８８２０单独进行６４位序列号的读取，或者每次只能读取一个芯片的序列号之后才能使用，不仅不利于系统和程序的可移植性与通用性，而且当某个传感器损坏后，需要现场更换时，再对新的ＤＳｌ８８２０进行序列号的读取、更换、程序烧写等工作，比较困难和繁琐。另外，从资源的有效利用方面讲，这也是一种人力、物力和时间的浪费。

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图３

ＤＳｌ８８２０序列号自动识别流程图

上述问题的有效解决途径是采用ＤＳｌ８８２０序列号自动识别技术。通过开发其序列号的自动识别技术程序，实现了一次挂接１个或多个传感器（最多试验到８个）到ＢＭＳ，提高了系统资源利用率和工作效率。设计开发的ＤＳｌ８８２０序列号自动识别技术流程图如图３所示。

经过多次ＤＳｌ８８２０序列号的自动识别试验。证明此序列号自动识别技术可以方便、准确、可靠地获得其６４位序列号的数据信息。

３温度管理模块在ＥＶ用ＮｉＭＨ动力电池组管理系统中的应用

温度管理模块对容量为６．５Ａｈ的２６路ＥＶ用ＮｉＭＨ动力电池组进行温度测量和控制。电池组分装在两个电池箱内，根据电池的排列、空间位置和散热情况选取了８个点进行测温，各测温点的位置及编号如图４所示。

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冲阳皆卜二ＩＩ＝；二｜卜二ｌ申卜｛皆阳ｆ

图４电池组连接和测温点分布图

对电池组进行充放电试验，试验条件为室温、无其它热量干扰和风扇调节，目的是测试温度管理模块的工作情况，并分析充放电过程中电池组的温度变化。表１和表２是对电池组进行１Ｃ（６．５Ａ）循环充放电试验的一组温度数据。其中Ｏ时刻是试验起始点，５６、５７对应充、放电结束点。

从试验记录的充放电过程中电池的温度数据看：充电前期电池温度缓慢上升，后期上升较快，放电时电池温度上升缓慢，但温度值较高。

（下转第６９页）

　

万方数据

《工业控制计算机）２００７年２０卷第１期６９

图２交通信号灯控制系统Ｐｅｔｒｉ网模型

其中ＰＨＡＳＥ－Ｎ是一个４元组，其值为十字路日的４种信号灯相位状态，如图１所示。ＰＨＡＳＥＳ＿ＳＥＴ也是一个４元组，取值为当前路ｌａ的相位值。

交通信号灯整个控制模型如图２所示，系统初始化时库所ＣｒｏｓｓｉｎｇＰｈａｓｅｌ中含有一个标记（Ｔｏｋｅｎ），表示目前信号灯处．于相位状态１，通过变迁ＳｐｌｉｔＴｏｋｅｎ分为绿灯最大通行时间或最小绿灯通行时间，这一取值可以根据目前车流量的大小动态调整。当绿灯持续时间结束后系统触发变迁ＣｈａｎｇｅＴｏＹｅｌｌ进入黄灯过渡状态，此时车辆可以安全进入下一个路口Ｉｎｔｅｒｓｅｃ?ｔｉｏｎｓ２说明车辆已经通过该十字路１３，同时需要转换信号灯状态进入下一循环状态。另外，根据交通规则右行车辆不受信号灯控制的原则，在系统模型设计时候用变迁ＴｕｒｎＲｉｇｈｔ作为右行事件触发变迁，相位通过ＴｕｍＲｉｇｈｔ变迁直接进入Ｃｒｏｓｓｉｎｇ—Ｐｈａｓｅ状态也即车辆直接进入通行状态不受信号灯限制。

（上接第６３页）

裹１ｌＣ充电各测温点数据

时间、１Ｃ充电时各测温点温度（℃）

（ｍｉｎ）电池箱１电池箱２

Ｏ２３３２３３２３３２３１２３．２２３．４２３．２２３３

１５２３．９２３．９２４．Ｏ２３．８２３８２４．２２３．８２２．３

３０２５．４２５４２５３２５０２Ｓｌ２５．４２５．２２５．４

４５２６８２６．６２６．４２６．１２６．２２６．５２６．６２６．７

５６２８．１２＂／．９２７．８２＂／．３２＂／．３２７．９２－／．８２８．２

衷２ＩＣ放电各测温点数据

时间ｌｃ充电时各测温点温度（℃）

（ｍｉｎ）电池箱１电池箱２

０３０．２３０．２２９．８２９．６２９．８２９．７３０．１３０．３

１５３０，４３０．４３０，１２９４２９７５３００３０３３０．６

３０３０．６３０．６３０．４２９６２９７３０．４３０．６３０８

、

４５３１．０３１．０３０７３００３０．３３０７３１Ｏ３１．２

５７３１．６３】．６３１．３３０８３１Ｏ３１．３３１５３１７

根据ＮｉＭＨ电池的充放电特性知：充电后期和充电终了时，ＮｉＭＨ电池内部会发生析氧和析氢反应，使其内部压力增大，再加上电池阻抗的影响，所以充电后期温升会比较大。放电时，其４结束语

对于智能交通信号灯的设计需要协调不同信号灯之间的控制关系，以达到最大行车流量的目的。本文针对交通信号灯问题结合着色Ｐｅｔｒｉ网基本理论创建、描述分析了交通信号灯的分布式控制行为。在设计时候采用融合库所（ＦｕｓｉｏｎＰｌａｃｅ）的技术将多个信号灯控制页分布在不同的层次页面中然后采用公共库所进行相互通信，可以在很大程度上减少系统设计的问题规模。在设计时候主要考虑了不同绿灯持续时间的变化以达到行车流量的最大化以及车辆右行不受限制问题。在后期设计研究中我们会用Ｄｅｓｉｇｎ／ＣＰＮ对系统的消息序列和通信概率做出进一步的研究分析。

参考文献

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［５］ＡｎｇｅｌｏＰｅｒｋｕｓｉｃｈｙ．ＬｕｃｉａｎａＭ．ｄｅＡｒａｏｊｏｚ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎｉ－ｍａｔｉｏｎｏｆＣｏｌｏｒｅｄＰｅｔｒｉＮｅｔｓＭｏｄｅｌｓｆｏｒＴｒａ什ｉｃＳｉｇｎａｌｓ．Ｄｅ．ｐａｒｔａｍｅｎｔｏｄｅＳｉｓｔｅｍａｓｅＣｏｍｐｕｔａ？？ｏＵｎｉｖｅｒｓｉｄａｄｅＦｅｄｅｒａＩｄａＰａｒａｌｂａ

［收稿日期：２００６．７．４］

反应本身就是放热的，再加上充电时的温升基础，所以电池温度会比较高。

通过以上数据及分析可知：本模块所记录和反应的电池组充放电时的温度变化趋势和实际变化一致。经过多次充放电试验，证明本模块工作稳定可靠，ＤＳｌ８８２０温度传感器能够准确的得到各测温点的温度。当温度超过预设高温限时，系统会根据超温程度，产生相应的报警信号。当达到临界开风扇温度时，系统产生开风扇信号。此外，通过ＰＣ机上的ＶＢ监测界面，实时清晰、方便可靠地得到了各电池参数的状态变化信息。

４结束语

采用ＤＳｌ８８２０作为温度传感器，结构简单，可实现多点测温，其测温范围和精度能满足使用要求。本文所述ＥＶ动力电池温度管理模块工作稳定可靠，测温精度高，抗干扰能力强，已成功应用于某种型号ＥＶ的研究开发中。

参考文献

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［５］李国欣．新型化学电源导论【Ｍ】．上海：复旦大学出版社，１９９２

［收稿日期：２００６．８．３】

　万方数据

电池管理系统温度管理模块的设计与实现

作者：李素双， 齐铂金， 吴红杰

作者单位：北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京,100083

刊名：

工业控制计算机

英文刊名：INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER

年，卷(期)：2007，20(1)

被引用次数：1次

参考文献(5条)

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相似文献(1条)

1.期刊论文乔国艳.曾春年电池管理系统下层ECU的研制-武汉理工大学学报(信息与管理工程版)2004,26(4)

电池管理系统是电动车的关键部件之一.介绍了分布式电动汽车电池管理系统中基于微控制器P87c591的下层ECU电控单元设计方案;重点介绍了数字温度传感器DS18B20的工作原理,以及温度检测系统的软件和硬件设计.

引证文献(1条)

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[期刊论文]-汽车技术 2009(4)

本文链接：/Periodical_gykzjsj200701030.aspx

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