电动汽车车载电池状态信息远程监测系统

张秋艳 高平安 李天鹏 贾宗伟

摘  要：为了降低电动汽车车载电池的运行安全隐患，对车载电池工作时温度、电压、电流等信息的实时监测是必要的。该设计以STC89C52为主控制器，通过DS18B20温度传感器、LM358运算放大器、ADC0832模数转换模块等实现电池的温度及电流/电压信息的检测，将检测到的信息参数由NRF24L01无线模块完成车载电池信息的远程监测功能。测试结果表明：该监测器操作简单，实用性强，对电动汽车电池有很强的安全保障。

关键词：车载电池;DS18B20;电流检测;远程监测

中图分类号：TP277      文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0037-03

Remote Monitoring System of Electric Vehicle Battery State Information

ZHANG Qiuyan1， GAO Pingan2， LI Tianpeng1， JIA Zongwei1

（1.School of Energy Engineering， Yulin University， Yulin  719053， China; 2.Yulin Meteorological Bureau， Yulin  719099， China）

Abstract： In order to reduce the hidden danger of electric vehicle battery operation， the real-time monitoring of temperature， voltage， current and other information during the operation of the battery is necessary. In this design， STC89C52 is taken as the main controller， DS18B20 temperature sensor， LM358 operational amplifier， ADC0832 analog-to-digital conversion module are designed to achieve the detection of battery temperature and current/voltage information， in view of the detected information parameters， the nRF24L01 wireless module completes the remote monitoring function of on-board battery information.  The test results show that the monitor is easy to operate and has strong practicability， and has a strong safety guarantee for electric vehicle battery operation.

Keywords： vehicle battery; DS18B20; current detection; remote monitoring

0  引  言

隨着汽车尾气的污染越来越严重，清洁能源电动汽车的发展油然而生，其高环保、低噪声等优点越来越突出，使得电动汽车动力源电池的安全使用逐渐成了人们研究的热点[1，2]。就锂电池而言，电动汽车涉及高压系统，充放电过程中的特性受外界干扰较大，如果没有及时发现，可能发生危害极大的绝缘故障和器件的故障，所以要及时诊断出问题所在并且排除故障。车载电池状态信息监测和车辆上的导航系统、路径的正确与精确的规划、航空飞行及物流运输方面的技术都是通过GPS和GSM结合而应用，故针对电池工作状态的远程监测系统是很有意义的[3，4]。本设计以STC89C52为主控制器，对车载电池的工作电压、电流、温度等参数进行实时监测，并结合NRF24L01模块实现信息的远程监测功能。

1  总体方案设计

以STC89C52单片机为主控制芯片，结合温度传感器、电压检测电路、电流检测电路，对单节18650锂电池的表面温度、电压等数据信息进行检测，利用电压与容量的关系估算出电量的百分比，即Q=（U当前-U欠压）∕（U满电-U欠压）×100%。通过无线通信模块将检测的数据及估算出的电量传输到单片机上，最后显示在LCD显示模块上，最终实现远程监测。系统结构如图1所示。

具体有：

（1）最小系统：主要包括有电源、时钟、复位、状态指示电路。

（2）温度检测模块。采用DS18B20数字温度传感器，它是一线式数字温度传感器，不需要任何外围原件就可使用，其输出的是数字信号，具有体积小，精度高等特点，温度测量范围：-55℃～+125℃，满足本设计需求[5]。

（3）电压检测模块：主要是把采集的电压转化为数字信号传给无线通信模块。

（4）电流检测模块：通过检测和计算放电时电流大小，然后传递给单片机。

（5）无线发送/接收模块：主要把检测的数据从电池端发送到单片机端。

（6）显示模块：选用LCD1602显示屏，是一种字符型显示器。其采用标准16脚接口，可通过电阻大小调节显示屏的背光亮度。并且有微功耗、体积小、价格便宜、原理简单等优点[6]，将车载电池工作状态时温度、电流、电压等数据进行实时显示。

2  主要硬件电路设计

2.1  电源电路

电源电路为整个系统提供+5 V的稳定电压，确保系统能够正常的工作。由电源接口和1 000 μf的电解电容、自锁开关组成。电解电容稳定电压，当自锁开关在第一次按下按钮时，开关通电，再次按下开关，开关断开，同时开关按钮弹出来。插上+5 V电压电源后，按下开关，系统通电。

2.2  温度检测电路

本设计检测电池表面实时温度值。由于DS18B20传感器的VCC端口类似单线的I2C端口，需要外接一个4.7 kΩ的限流电阻，保持数据的稳定性。DQ为数据的读写端，连接的DS端是单片机的P1.0，工作电压+5 V。上电后，首先完成温度的转化，再通过DQ读写端把转化完成后的实际温度传递给单片机。

2.3  电流检测电路

2.3.1  放电电路

放电电路上有一个P主导的MOS管，MOS连接单片机的P2.7端口，当单片机输出高电平时，MOS管是截止的，低电平时，有一个-5 V的压降，此时MOS管相当一个开关被打开，按键S2连接MOS端，按下S2按键输入低电平，电池与加热器端导通，加热器开始工作，同时LED4也会接收到电压发亮。其电路设计如图2所示。

2.3.2  电流检测

电流检测模块主要功能是检测车载电池的电流值。此模块利用LM358运放器，构成同比例运算放大电路，根据同相比例计算公式算出放大倍数为10倍，负载为放电电路的加热器，CURR+连正极，CURR-连负极，CH1连接ADC0832的模拟输入通道1，然后将其转化为数字信号，通过公式（1）计算出电流：

U=IR×10         （1）

其电路设计图如图3所示。

2.4  电压检测电路

电压检测模块主要功能是检测锂电池的电压值。其选用的芯片是串口ADC0832转换芯片，需外接电源地和稳定的+5 V电压。该芯片CS08片选端连接单片机的P1.1端口、CLK08时钟端连接P1.2、DI08写入端连接P1.3、DO08读出端连接P1.4端口。通电后，先对模拟信号进行采样，保持信号进行比较，从而转化为数字量传送到单片机。

2.5  无线收/发电路设计

本设计的无线收/发模块主要功能是通过SPI通信把接收电压检测模块及温度传感器采集到的电压、温度的数据，发送到单片机端。因为24L01模块[7]电压支撑有限（1.9～3.6 V，电源电压5 V），所以串联了3个二极管进行降压，一个二极管压降大概为0.6 V，3个为1.8 V，所以到达24L01模块时的电压约为3.2 V，即能够满足其使用，其中R4是下拉电阻，为了保持电压稳定。因为相对于单片机来说NRF24L01为从机，所以MOSI为输入端，MISO作为输出端，IRQ为中断，CSN是从器件的使能信号，SLK为时钟端，CE可以通过设置为发送模式或接受模式，在电源通电后，把信号从发送端传给单片机进行处理，再到显示模块上进行接收，无线收/发模块电路图如图4所示。

3  系统软件设计

系统软件设计包含的功能主要有：温度检测、电压检测、电流检测及显示等功能。当检测电路采集到电池相关的各组数据后，通过无线发送传输到主控制器的无线接收端，主控制把处理好的数据输出到显示模块显示，显示出车载电池的实时温度、电流、电压及剩余电量的值。软件设计通过主调用子程序的方式来完成的，主要包括初始化子程序、温度检测、电压检测、电流检测、显示等子程序软件设计。其主要流程如图5所示。

具体补充为：

（1）系统初始化，包括显示屏初始化、显示屏页面信息初始化、温度值初始化，电压值初始化，nrf24l01模块初始化，同样也包括对I/O口的初始化。从而实现对电池温度、电流、电压的监测。

（2）电压检测，主控制读取ADC0832模块，获取车载锂电池模拟电压。

（3）电流检测，使用同相比例运放电路对放电电流进行检测，判断是否按下加热按键，若有键按下，则通过模数转换得到电压，通过计算得出实际电流，否则，工作电流为0。

（4）温度检测，由数字温度传感器DS18B20直接获得锂电池温度参数，由主控制器读取数据、写数据，获取温度信息。

（5）显示模块，LCD1602显示器进入工作显示页面，静态显示“电压”“电流”“温度”“剩余电量”等字符，同时对电压、电流、温度、剩余电量的百分比等数值进行相关的动态显示，同时，通过无线通信传输到显示屏上进行温度数据的显示，从而实现车载电池信息的远程监测。

4  系统测试

根据以上硬件设计和软件设计搭建测试平台，并进行硬件调试，包含有：上电前检查、通电检查、电流检测、电压检测、温度检测、显示调试等模块，当所有模块调试正确后，进入车载电池信息的监测系统的测试。其中，显示截面中，U代表锂电池电压，单位为伏V，I代表电流，单位为毫安mA、T代表温度，单位为摄氏度℃，QD代表电量。当车载电池不工作处于关断状态时，工作面显示分别为：“U：0.00 V”;“I：000 mA”;“T：+31.5℃”，“QD：0%”。当通电初始化完成后，长按加热按键S2，车载电池进入工作状态，第一行显示电压值U：4.13 V;电流值I：196 ma;第二行显示温度值T：+26.8℃;电量百分比QD：96%;同时，LED2、LED3开始闪烁，LED4长亮，表示电池工作正常。结果如图6所示。

5  结  论

本设计以51单片机为主芯片，在放电电路中检测锂电池工作电流，通过ADC0832与DS18B20采集电压及温度，无线收/发模块为24L01模块，通过SPI通信传输数据，在LCD1602上显示，结合程序设计与外围辅助电路实现对车载电池信息的远程监测。测试结果表明，该系统运行稳定，监测方便、成本低、经济性好，对电动汽车车载锂电池的发展和应用具有良好的借鉴作用。

參考文献：

[1] 王春芳，姜朋昌，侯素礼，等.基于远程监控的纯电动汽车故障分析技术 [J].汽车工程师，2016（3）：36-39.

[2] 王德江.纯电动汽车电池管理系统远程监控设计 [D].长沙：湖南大学，2016.

[3] 宋韩龙.研究电动汽车串联锂电池组电量均衡及控制策略 [J].内燃机与配件，2019（24）：201-203.

[4] 李晓辉，张向文，侯少阳.电动汽车动力电池状态远程监测系统设计 [J].计算机工程与应用，2017，53（21）：233-238+246.

[5] 陈强.基于C51单片机的电加热炉温度控制系统设计 [J].电子世界，2018（21）：184-185.

[6] 朱彬.蓄电池电量检测系统的设计 [J].信息技术与信息化，2018（11）：62-63+69.

[7]石俊.基于ZigBee的温室大棚无线温湿度控制系统设计 [D].大连：大连理工大学，2018.

作者简介：张秋艳（1988—），女，汉族，陕西榆林人，讲师，硕士，研究方向：测控技术与仪器。