NTC温度传感器在电动汽车电池管理系统中的应用

NTC温度传感器在电动汽车电池管理系统中的应用摘要：纯电动汽车蓄电池的温度是影响其电池剩余电量和使用寿命的重要因素之一．为准确、可靠地测得动力蓄电池的各单体电池温度，采用爱晟EXSENSE公司的数字化NTC温度传感器VTS103B3900对蓄电池的单体电池进行多点测温设计．VTS103B3900作为单总线器件／，在一条数据线上可以挂接多个元件，大大节省了单片机的端口资源．动力蓄电池作为纯电动汽车运行的唯一能量来源，是电动汽车的核心组成部分，在电动汽车上扮演着等同于燃油车辆中“发动机”的重要角色．为了使蓄电池处在最佳的工作状态并且随时把握好电池的荷电状态，需要选用一种抗干扰能力强、测量精度高的NTC温度传感器器件进行电池单体温度的准确测量．VTS103B3900是爱晟EXSENSE公司生产的单总线NTC温度传感器，其内部使用在板(ON-BOARD)专利技术，测量温度范围一55～+125。C，可以程序设定为9～12位的分辨率，测温精度±0．1C．由于其采用单总线的数字传输方式，具有较强的抗干扰能力，可以胜任恶劣环境的温度采集工作，因而满足电动汽车单体温度采集的需要．考虑到电池管理系统对温度测量实时性和准确性的要求，在应用VTS103B3900进行电动汽车蓄电池单体温度采集系统设计时，需要考虑以下问题：(1)温度采集系统是整个电动汽车电池管理系统的一个重要组成部分，鉴于电池管理系统自身的复杂性，要尽量节省单片机端口资源的使用；(2)合理设计软硬件，保证系统工作的稳定性和可靠性；(3)要求系统可以识别单线总线上挂接的所有单总线器件，按照设计需要准确得到目标器件的温度值，并确保数据传感器数据被总线控制器接收的准确性．1温度采集系统的硬件设计VTS103B3900作为一种单总线器件，只有3个管脚，具有非常简单的外部结构，因而对应的硬件电路连接也比较简单明了，其硬件示意图如图1所示．GNDDQVDD引脚说明GND地DQ数字输入输出VDD可选的VDD图1VTS103B3900硬件示意图1．1供电方式选择VTS103B3900NTC温度传感器有寄生电源和外部电源两种供电方式，如图2所示⋯．图2供电方式电源方式(如图2中(a)图和(b)图所示)，VDD引脚做接地处理，VTS103B3900从单线信号线上汲取能量．要想使VTS103B3900进行精确的温度转换，I／O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个VTS103B3900在温度转换期间工作电流达到lmA，当几个NTC温度传感器挂在同一根I／O线上进行多点测温时，只靠4．7kQ上拉电阻就无法提供足够的能量，造成无法转换温度或温度误差极大．因此，图2(a)电路只适用于在单一NTC温度传感器测温情况下使用，并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大．尽管图2(b)借助MOSFET进行强上拉供电，对寄生电源供电方式进行了改进，也适用于多点测温的应用场合，但要多占用一根端口线．外部电源方式，顾名思义，即VDD引脚直接接人工作电源VDD的方式，此时不需要强上拉，也不存在电源电流不足的问题，能够保证转换精度，适于组成多点测温系统，如图2(c)所示．本研究中电动汽车由12个单体铅酸蓄电池提供能量，通过比较该传感器的两种供电方式，选用了外部电源方式．这样，一方面可以解决供电电流不足和需要强上拉的问题，另一方面可以充分发挥VTS103B3900宽电源电压范围的优点，保证整个系统的稳定工作．1．2温度采集单总线与主控制器连接方式的确定单总线与控制器供电连接方式分为直接连接方式(如图2)和接口芯片方式两种，其中，接口芯片方式主要是为了解决在单总线器件较多的情况下微控制器驱动能力不足的问题．一般认为，采用外部电源的供电方式时，单总线上可以挂接任意多个单总线NTC温度传感器，但这仅仅是理论上的结论．实验表明，当单总线上挂接的VTS103B3900超过8个，就需要解决芯片的总线驱动问题，否则整个系统将不能正常工作．本设计中，共需要12个VTS103B3900来完成电动货车12个单体电池的温度采集工作，因此解决总线驱动问题是我们要做的工作之一l2]．如果使用DS1481或DS1482等接口芯片，需要占用主控制器的4个I／O端口．如前所述，在电池能量管理系统中，鉴于其本身功能的复杂性，应尽量少地占用芯片的]／o端口，且此种接口芯片方式控制也较为复杂，所以在实际应用中有一定的局限性．图3为一种单总线的驱动电路[3]，该驱动电路在直接连接方式基础上增加了驱动和与门电路，比直接连接方式仅多占用一条I／O口，和接口芯片方式相比，减少了端口资源的利用，并具有相对简单的控制操作方式．对于要在单总线上挂接12个单总线器件的问题，显然可以选择上述单总线驱动电路，占用两条I／O线，实现轻松挂接12个器件的目的．但是出于在满足功能需要的前提下，尽量简化系统设计和降低成本的目的，我们摒弃了上面的两种驱动方式，而选择了一种最为简单的折中设计——两个单总线并联，即占用微控制器的两个I／O口连接单总线器件，每个单总线上挂接6个NTC温度传感器的方式，如图4所示．显然，这样的配置方案既简单，又很好地解决了总线驱动能力不足的问题，并且尽量节省了芯片端口使用．通过合理设计、优化程序可使得系统处在稳定可靠的工作状态．实验表明，在采用外接电源供电方式的情况下，一条单总线线路完全可以解决12个单总线器件的驱动问题，但设计两条单总线连接线路，可以提高系统运行的可靠性．2软件设计VTS103B3900需要较为复杂的软件程序做支持，由于采用单总线数据传输方式，VTS103B3900的数据输入输出均由同一单总线来完成．因此，操作中必须严格遵守数据手册中所规定的读写时序．对于纯电动汽车电池能量管理系统的温度采集部分，设计时提出如下要求：(1)系统上电后应能自动检测挂接在总线上的元器件数目，并能对故障元器件进行识别定位；(2)能实时监测12个单体电池温度值，能实现超限报警功能以及时采取降温措施；(3)保证温度读取的正确性，防范错误的非预期发生．实际上，上面的3个功能要求转化到程序设计中，就是在能够完成基本的温度读取工作的前提下，充分利用好爱晟EXSENSE公司半导体公司单总线器件的搜索ROM(搜索算法采用的是二又树型结构)功能并随时对采集的重要数据进行循环冗余码(CRC)验证．软件设计的程序框图如图5所示．在运行初始化程序之后，首先运行搜索ROM子程序．通过该搜索过程，可以得到挂接在总线上的器件数目和其各自的64位唯一序列号．若在搜索过程中总线无响应(搜索算法采用二叉树型结构)，则表明总线上没有器件挂接．一般地，对于多个VTS103B3900NTC温度传感器组网系统，此种情况较少见，若在搜索整个网络时检测不到器件的存在，单总线和微控制器之间线路出问题的可能性最大，应首先对单总线和微控制器之间的线路采取相应的检修措施．若搜索过程结束，发现总线上器件数目不足12，则表明有器件损坏或脱离总线，此时进入检错子程序，找出问题元器件并修正．需要说明的是，系统温度超限报警值选择由系统主机设置．尽管VTS103B3900可进行告警命令搜索，即设置器件的高低温限值，然后搜索超限的元器件，但是这样的搜索命令往往要花费较长的时间，由于电动汽车电池管理系统本身就有实时监测12个单体电池温度的需要，因此通过在程序中添加判断语句的方式来完成告警搜索就显的更加快捷．软件设计中，为保证采集温度的准确度，要求对所有采集到的温度值进行CRC验证，只有通过CRC验证的温度值才会被系统接收和采纳，进而进行下一步需要的温度值处理．虽然CRC验证工作会加大程序执行的时间，但由于温度值具有不能突变的特性，即温度采集的实时性要求稍差，这里CRC可能造成的延时也是完全可以接受的．在软件设计时应注意以下几点：1)在进行软件设计时，要考虑如果有器件损坏，则有效器件的个数要进行相应处理，并可在温度显示时有选择地剔除．2)对于“报警，处理温度超限子程序”，在报警处理数据前要先判断超限温度值是否是损坏器件的温度值，否则由于损坏器件仍然有读出温度值的可能，会存在误报可能性．3实验及实验结果应用Philips公司P87C591微控制芯片，根据系统软硬件设计方案搭建实际系统电路．鉴于整车设计尚未完成，因此只对12路NTC温度传感器进行了模拟测温实验，并在1602液晶上进行显示，同时与现场温度计测量值进行比较，系统运行结果见表1．表112路温度测试对比℃编号VTS103B3900温度计编号VTS103B3900温度计1#7．17．07#29．830．12#8．08．18#40．140．03#9．39．29#50．850．94#11．010．810#60．060．05#20．520．311#70．670．76#25．124．912#8O．680．5由表1数据可知，该系统的传感器测量结果与直接测量结果基本吻合，能准确反映各路温度值．本系统可实现VTS103B3900NTC温度传感器的全量程测温．采用12位分辨率，对应可辨分辨温度为0．0625℃，能够满足精度要求，其读取温度值完全可以满足电动汽车电池温度采集需要．将上述软件设计思想通过编程语言实现后，系统不但能在上电时对NTC温度传感器数目进行准确辨识，而且可以在测量值超过温度限值时及时提供温度告警，并且鉴于图4双单总线的设计，即使在一条总线脱离控制器的情况下，系统依然能够提供基于6组测量数据的温度平均值，这为电动汽车的热管理提供了很好的保障．4结束语温度是电池管理系统延长电池使用寿命和进行准确sOC预测等工作的重要指标之一，应用VTS103B3900对温度采集系统进行合理的组网设计，可以较准确地测量得到蓄电池组各单体的温度值，并具有一定的抗干扰能力和可靠工作的能力，很好地满足了电池管理系统温度参数采集的需要．