本文在簡介了鋰動力電池單體溫度測量的基礎上，重點論述了DS18B20 溫度傳感器的特性、測溫原理及基于DS18B20的鋰動力電池單體溫度采集。

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

01.鋰動力電池單體溫度測量

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

隨著鋰動力電池的能量密度的提升和安全裕度的降低，鋰動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、安全性和鋰動力電池一致性等方面都有較大的影響，所以鋰動力電池在使用中必須進行溫度監(jiān)測。

測量的核心的問題是要知道鋰動力電池單體本身的溫度，通過溫度傳感器得到鋰動力電池的冷卻開啟溫度點、限制功率溫度點、停止輸出溫度點、極端熱事件溫度點電路，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—溫度關系可計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個鋰動力電池單體上，分時將不同鋰動力電池上的熱敏電阻接到A/D 采樣電路上進行溫度采樣，實現(xiàn)鋰動力電池單體溫度的巡檢。

在采用普通熱敏電阻機箱溫度測量時，因其測量精度為±1.0℃，誤差較大。同時有時由于制造工藝原因，熱敏電阻個體的溫度特性不是很一致，由此造成溫度測量校準的困難。進行多點溫度巡檢時，同樣要解決分時通道選通問題，所以同樣就需要考慮設計簡潔性問題。

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，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，可應用于多種場合。S18B20的主要特性如下：

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

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

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

4）不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉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℃時精度為±0.5℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯誤的）1℃。

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

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

8）直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

9）電源極性接反時，芯片不會因發(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發(fā)送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。圖2中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。

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

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

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

由于DS18B20單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18B20（發(fā)復位脈沖）→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→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）報警檢查。

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

03.基于DS18B20的鋰動力電池單體溫度采集

鋰動力電池模組主要由多個單體電芯所組成，通過合理的模組設計，可以通過有限的幾個采樣點來得到整個鋰動力電池模組內(nèi)電芯的溫度。正常工作的時候，電芯的溫度是均勻的，而在鋰動力電池模組出現(xiàn)異常情況下，電芯的溫度會出現(xiàn)較大的溫差?？紤]到電池管理系統(tǒng)對溫度測量實時性和準確性的要求，在進行電動汽車鋰動力電池單體溫度采集系統(tǒng)設計時，需要考慮以下問題：

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

2)合理設計軟硬件，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

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

（1）DS18B20 的連接方式：

DS18B20 采用單總線技術，測溫范圍-55℃～+125℃，全數(shù)字溫度轉換及輸出，支持多點組網(wǎng)功能，實現(xiàn)多點溫度采樣。采用DS18B20 多點組網(wǎng)功能也可以實現(xiàn)鋰動力電池單體溫度采樣，但是多點采樣時需要識別每個DS18B20 獨有的ROM 碼，影響采樣速度，同時無法將ROM碼同器件的實際物理位置關聯(lián)起來。

所以多點組網(wǎng)功能不適合鋰動力電池單體溫度的巡檢。基于DS18B20的分時讀取數(shù)據(jù)的多點溫度采樣方法，采樣啟動和數(shù)據(jù)讀取都是跳過ROM 碼校驗進行的。

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)送采樣啟動命令，啟動命令發(fā)送完后斷開所有光電繼電器，然后逐個閉合K1、K2,……Kn，讀取相應傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分時讀取數(shù)據(jù)。采用同時啟動分時讀取數(shù)據(jù)的多點溫度采樣方法，其所用時間僅比單點溫度采樣所用的時間多了數(shù)據(jù)讀取的時間，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從單線信號線上汲取能量，在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號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)點有：

1）進行遠距離測溫時，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口實現(xiàn)測溫。

要想使DS18B20進行精確的溫度轉換，I/O線必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉換期間工作電流達到1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，只靠4.7kΩ上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉換溫度或溫度誤差極大。

2）DS18B20寄生電源強上拉供電方式。為了使DS18B20在動態(tài)轉換周期中獲得足夠的電流供應，當進行溫度轉換或拷貝到E2存儲器操作時，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存儲器或啟動溫度轉換的指令后，必須在最多10μs內(nèi)把I/O線轉換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應不足的問題，因此也適合于多點測溫應用，缺點就是要多占用一根I/O口線進行強上拉切換。

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I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是85℃。

（3）DS18B20應用中應注意事項：

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，但在實際應用中也應注意以下問題：

1）較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。

2）當單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。

3）連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時，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波形產(chǎn)生畸變。

4）在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。測溫電纜線應采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地。

原標題:淺析鋰動力電池單體溫度測量傳感器的特性及應用