电动车电池监测系统设计

摘 要：随着电动车的普及，电池续航能力成为大家关注的焦点。通过软件设计分析处理系统对电池的监测，提高电池性能，本项目介绍利用Atmega8L单片机作为主控芯片，使用DS2438芯片作为采集芯片的电池监测控制系统，以实现对电动车电池组中多节电池进行同步监测，提高电池的使用寿命。

关键词：电动车；电池续航能力；检测系统

中图分类号：TP315 文献标识码：A 文章编号：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

随着电动车的普及，人们越来越关注电动车的续航能力。新型的铅蓄电池不断问世，电池质量不断提高。随之而来的即为大家对如何保持电池相关性能的思考，这其中一个关键的问题就是如何更好地对电池进行监测维护。因此，提高对电动车电池的监测，对保障其性能十分重要。

2 系统设计要求

在项目中，主要利用ATmega8L单片机作为主控芯片，采用DS2438作为电池数据的采集芯片，再通过软件设计算法对数据进行分析处理，这是一种实用的电动车电池监测控制系统。结合市场的需求，减免不必要的接线，力求简明。因此，系统旨在设计一个能够同时实时监测电动车电池的电压、电流、温度、剩余电量的监测系统，系统设计要求：

（1）单总线结构，对多种数据进行采集；

（2）具有专门的电源电路，给不同的芯片单独供电；

（3）对采集到的数据进行提取和分析处理；

（4）实时显示监测结果。

3 电池监测系统方案的选定

电池监测系统设计将通过对采集到的数据用软件算法进行分析处理，实现实时监测显示，对系统日后升级开发提供了一定的设计新意，此方案系统采用Atmega8L芯片作为主控芯片，外加DS2438芯片采集电路、电源电路、LCD显示电路，由这四大模块组成。系统通过DS2438芯片对电池的电压、电流、温度和剩余电量进行数据采集，寄存在各自寄存器中，然后直接通过DQ数据总线与主控芯片相连，用软件编程算法对接收到数据进行分析处理，再用主控芯片内部自带的信号转换器进行数据转换，最后通过端口传输到LCD显示屏，把监测的结果显示出来。

4 电池监测系统电路的设计

由于电动车的电池组是由几个单电池串联起来组合而成的，为了便于设计、取样，将取单节电池作为测验对象，根据设计思路，画出总体方框图，如图1所示。

4.1 电源电路

电源电路图是输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。它由电源变压器、贴片整流电路D1MB6S、滤波电容C9、C11，防止自激电容C10、C11和一只贴片式三端稳压器（78L05）极为简易地搭建而成。220V交流电通过电源变压器把高压交流变换成低压交流，再经过贴片桥式整流电路D1和滤波电容C9的整流和滤波，在贴片式三端稳压器LM78L05的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的含有杂波的直流电压。此直流电压经过LM78L05的稳压和C11的滤波便在稳压电源的输出端Vout产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。此稳压电源集成电路，具有体积小、成本低、性能好、使用简捷等特点，为系统提供电源支持。

4.2 电池电压监测电路

对于大多数的电器来说，要想其正常工作必须能够在工作电压范围内才可运作。电动车的电池也不例外，它的正常工作电压为10.5V至14.7V。且电池电压的大小直接影响着电池的好坏。欠压或过压工作都有可能损耗电池。系统将通过软件算法找出电动车电池在任何状态下可能出现的问题。

DS2438芯片内部集成有10位模数电压A/D转换器，能够对芯片采集到的电池电压进行模数转换，并把转换的结果寄存到芯片内部的电压寄存器里面，以方便后面软件的调用计算。DS2438芯片所能监测的电压测量范围为0至10V。而市场上基本每一节蓄电池的电压为12V，对电池完全充电后可能超出所标示的电压值，所以可通过精密电阻进行分压，达到芯片可监测的电压范围值，原理图上的电阻R1和R2上即对监测电池电压进行分压，然后测量，电阻R3为单节电池的端子电压，电容C3起滤波作用，降低纹波干扰，提高监测精度。为了方便计算，在设计时，取R1和R2的阻值相等，则实际监测得到的电压值等于电压寄存器的值×2×0.01。

4.3 电池电流监测电路

由于蓄电池组是通过每个电池单独串联起来工作的，所以流经每个电池的电流是一样的，因此只需检测一个电池的电流。DS2438可检测十分小的电流，而整个电池组串联起来的电流一般是十几安培，容量大的甚至可达到几十安培，因此需要用到电流传感器来进行转换。DS2438芯片内部同样集成了10位模数电流A/D转换器，Vsens+和Vsens-两个引脚的电压被认为是电流检测电阻两端的电压，因此通过采集流过Vsens+和Vsens-两个引脚的电流，再经过电流A/D转换器转换后，把结果寄存在电流寄存器中，同样为了方便软件调用计算。为了确保准确地测量电流，采用电阻R4，使R4=5Ω，再取电阻R5=100kΩ，电容C5=0.1μF，使R5、C5构成低通滤波电路，可消除大部分尖峰毛刺的影响，从而更为准确地检测流入和流出电池的电流。则实际电流为±（K*电流寄存器值）/（4096*R4），K为变压器匝数比，±取决于当前寄存器的符号位。

4.4 电池温度监测电路

蓄电池的使用寿命跟温度有着很大关联，蓄电池的容量与温度成正比关系，当温度在适当范围内升高时，循环使用寿命会上升，而接收电池的容量能力将被降低。当电池组进行充电或放电，温度上升得最快的将会是劣质电池。因此，有效的温度管理对于电池管理来说是非常重要的。DS2438芯片通过片上温度测量技术来监测电动车电池的温度，且它内部集成了温度传感器，可测量-55℃至+125℃的温度，精确度为0.03125℃。测量温度时需要将检测电池贴近芯片，把测量的结果寄存在温度寄存器中，同样方便软件调用计算。监测结果中低3位是0，最高位是符号位，并通过单一的总线接口传输到主控芯片中。则实际温度值T等于±（温度寄存器值*0.03125）/8（℃），±符号位取决于温度寄存器。

4.5 电池剩余电量监测电路

DS2438芯片为了准确地测量电池的剩余电量，而使用了芯片内部集成的电流累加器。这是一个累计电池组投入使用后的全部流入和流出电池电流的寄存器，即由DS2438芯片完成充电电流和放电电流的积分函数功能。电池使用寿命的相关信息可由基于总的充放电电流的充电电流累加器和放电电流累加器所提供。电流累加器可自动计算出电池的充放电的时间积分累计值，在充电时，与累计值成正比，在放电时，与累计值成反比。则实际电池剩余电量等于电流累加器/（2048*Ro），其中，Ro为外部电阻。

4.6 电池监测结果显示及报警电路

系统采用LCD液晶显示屏作为显示工具，使用串口通信，简化电路设计布线。经过软件算法在芯片内部对数据进行分析处理，然后将检测结果通过数据总线传输到显示屏上。外加LED指示灯和蜂鸣器报警电路，当监测到电池某项指标超过或低于某个设定值时，会自动报警闪烁，提醒驾驶者注意电动车电池电量，及时检查。

5 电池监测系统软件设计

系统软件设计采用分模块化程序设计，主要包括Atmega8L芯片主控处理模块程序，DS2438芯片数据采集模块程序，两片芯片之间的通信模块程序，以及显示模块程序。软件设计主要是为了可实时监控电池的电压、电流、温度和电池剩余容量，对所测得的数据进行分析，通过显示程序输出到LCD屏实时显示，让驾驶者直观地看到电池的基本情况，同时系统还有指示灯和蜂鸣器报警电路，使驾驶者在行驶途中不方便观察显示屏时，可根据蜂鸣器的声响来判断电池的基本情况，保证驾驶者的行驶安全。

6 结 论

本文介绍利用Atmega8L单片机作为主控芯片，使用DS2438芯片作为采集芯片的电池监测控制系统，以实现对电动车电池组中多节电池进行同步监测，并且可同时监测电动车电池的电压、电流、温度及剩余电量，充分利用电池的性能，改善电池的维护效果，提高电池的使用寿命，具有很强的实用性。

参考文献：

[1] 刘维，杜俊平，周鹏飞，等.基于模糊算法的电动车动力电池故障诊断研究 [J].客车技术与研究，2018，40（2）：9-13.

[2] 黄海宾.电动汽车充电设施与电池储能电站结合的应用模式 [J].节能与环保，2017（12）：70-73.

[3] 李珣.一种电池管理系统的电流采集算法 [J].今日电子，2017（11）：52-53.

作者简介：覃春平（1981.07-），男，壮族，广西来宾人，讲师，本科。研究方向：电子信息技术及职业教育管理；韦艳珍（1992.03-），女，汉族，广西钦州人，助理讲师，本科。研究方向：自动化教学。