'淺析 | 鋰動力電池單體溫度測量傳感器的特性及應用'

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北極星儲能網訊: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、測溫原理及基於DS18B20的鋰動力電池單體溫度採集。

（來源：微信公眾號“動力電池網” 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於燃油車輛中“發動機”的重要角色。為了使鋰動力電池處在最佳的工作狀態並且隨時把握好鋰動力電池的荷電狀態，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測。

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北極星儲能網訊: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、測溫原理及基於DS18B20的鋰動力電池單體溫度採集。

（來源：微信公眾號“動力電池網” 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於燃油車輛中“發動機”的重要角色。為了使鋰動力電池處在最佳的工作狀態並且隨時把握好鋰動力電池的荷電狀態，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採用熱敏電阻作為溫度傳感器，採用分壓法由A/D 採樣來讀取熱敏電阻的端電壓，根據電阻—溫度關係可計算出溫度值。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 採樣電路上進行溫度採樣，實現鋰動力電池單體溫度的巡檢。

在採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。同時有時由於製造工藝原因，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是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。DS18B20數字溫度傳感器接線方便，可應用於多種場合。S18B20的主要特性如下：

1）適應電壓範圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。

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微處理器與DS18B20的雙向通訊。

3）支持多點組網功能，多個DS18B20可以並聯在唯—的三線上，實現組網多點測溫。最多能並聯8個，如果數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸不穩定。

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隻三極管的電路內。

5）測溫範圍－55℃～＋125℃，在－lO℃～＋85℃時精度為±0.5℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這裡之前是錯誤的）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字，12位分辨率時最多750ms便可把溫度值轉換為數字。

8）直接輸出數字溫度信號，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，芯片不會因發熱而燒燬，但不能正常工作。

（2）DS18B20測溫原理：

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北極星儲能網訊: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、測溫原理及基於DS18B20的鋰動力電池單體溫度採集。

（來源：微信公眾號“動力電池網” 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於燃油車輛中“發動機”的重要角色。為了使鋰動力電池處在最佳的工作狀態並且隨時把握好鋰動力電池的荷電狀態，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採用熱敏電阻作為溫度傳感器，採用分壓法由A/D 採樣來讀取熱敏電阻的端電壓，根據電阻—溫度關係可計算出溫度值。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 採樣電路上進行溫度採樣，實現鋰動力電池單體溫度的巡檢。

在採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。同時有時由於製造工藝原因，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是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。DS18B20數字溫度傳感器接線方便，可應用於多種場合。S18B20的主要特性如下：

1）適應電壓範圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。

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微處理器與DS18B20的雙向通訊。

3）支持多點組網功能，多個DS18B20可以並聯在唯—的三線上，實現組網多點測溫。最多能並聯8個，如果數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸不穩定。

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隻三極管的電路內。

5）測溫範圍－55℃～＋125℃，在－lO℃～＋85℃時精度為±0.5℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這裡之前是錯誤的）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字，12位分辨率時最多750ms便可把溫度值轉換為數字。

8）直接輸出數字溫度信號，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，芯片不會因發熱而燒燬，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中低溫度係數晶振的振盪頻率受溫度影響很小，用於產生固定頻率的脈衝信號發送給計數器1。高溫度係數晶振隨溫度變化其振盪頻率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈衝輸入。圖2中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度係數振盪器產生的時鐘脈衝後進行計數，進而完成溫度測量。

計數門的開啟時間由高溫度係數振盪器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在 -55 ℃ 所對應的一個基數值。

計數器1對低溫度係數晶振產生的脈衝信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度係數晶振產生的脈衝信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。

斜率累加器用於補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用於修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重複上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。

由於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。系統對DS18B20的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20（發覆位脈衝）→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。因DS18B20採用一線通信接口，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，什麼樣的設備。

03.基於DS18B20的鋰動力電池單體溫度採集

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採樣點來得到整個鋰動力電池模組內電芯的溫度。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異常情況下，電芯的溫度會出現較大的溫差。考慮到電池管理系統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採集系統設計時，需要考慮以下問題：

1)溫度採集系統是整個電動汽車電池管理系統的一個重要組成部分，鑑於電池管理系統自身的複雜性，要儘量節省單片機端口資源的使用。

2)合理設計軟硬件，保證系統工作的穩定性和可靠性。

3)要求系統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，並確保數據傳感器數據被總線控制器接收的準確性。

（1）DS18B20 的連接方式：

DS18B20 採用單總線技術，測溫範圍-55℃～+125℃，全數字溫度轉換及輸出，支持多點組網功能，實現多點溫度採樣。採用DS18B20 多點組網功能也可以實現鋰動力電池單體溫度採樣，但是多點採樣時需要識別每個DS18B20 獨有的ROM 碼，影響採樣速度，同時無法將ROM碼同器件的實際物理位置關聯起來。

所以多點組網功能不適合鋰動力電池單體溫度的巡檢。基於DS18B20的分時讀取數據的多點溫度採樣方法，採樣啟動和數據讀取都是跳過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 發送採樣啟動命令，啟動命令發送完後斷開所有光電繼電器，然後逐個閉合K1、K2,……Kn，讀取相應傳感器的溫度數據，實現分時讀取數據。採用同時啟動分時讀取數據的多點溫度採樣方法，其所用時間僅比單點溫度採樣所用的時間多了數據讀取的時間，所以其採樣速度比較快。

（2）DS18B20的供電方式:

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北極星儲能網訊: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、測溫原理及基於DS18B20的鋰動力電池單體溫度採集。

（來源：微信公眾號“動力電池網” 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於燃油車輛中“發動機”的重要角色。為了使鋰動力電池處在最佳的工作狀態並且隨時把握好鋰動力電池的荷電狀態，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採用熱敏電阻作為溫度傳感器，採用分壓法由A/D 採樣來讀取熱敏電阻的端電壓，根據電阻—溫度關係可計算出溫度值。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 採樣電路上進行溫度採樣，實現鋰動力電池單體溫度的巡檢。

在採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。同時有時由於製造工藝原因，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是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。DS18B20數字溫度傳感器接線方便，可應用於多種場合。S18B20的主要特性如下：

1）適應電壓範圍3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數據線供電。

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微處理器與DS18B20的雙向通訊。

3）支持多點組網功能，多個DS18B20可以並聯在唯—的三線上，實現組網多點測溫。最多能並聯8個，如果數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸不穩定。

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隻三極管的電路內。

5）測溫範圍－55℃～＋125℃，在－lO℃～＋85℃時精度為±0.5℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這裡之前是錯誤的）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字，12位分辨率時最多750ms便可把溫度值轉換為數字。

8）直接輸出數字溫度信號，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，芯片不會因發熱而燒燬，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中低溫度係數晶振的振盪頻率受溫度影響很小，用於產生固定頻率的脈衝信號發送給計數器1。高溫度係數晶振隨溫度變化其振盪頻率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈衝輸入。圖2中還隱含著計數門，當計數門打開時，DS18B20就對低溫度係數振盪器產生的時鐘脈衝後進行計數，進而完成溫度測量。

計數門的開啟時間由高溫度係數振盪器來決定，每次測量前，首先將-55 ℃所對應的基數分別置入減法計數器1和溫度寄存器中，減法計數器1和溫度寄存器被預置在 -55 ℃ 所對應的一個基數值。

計數器1對低溫度係數晶振產生的脈衝信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度係數晶振產生的脈衝信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。

斜率累加器用於補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用於修正減法計數器的預置值，只要計數門仍未關閉就重複上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。

由於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。系統對DS18B20的各種操作必須按協議進行。操作協議為：初始化DS18B20（發覆位脈衝）→發ROM功能命令→發存儲器操作命令→處理數據。因DS18B20採用一線通信接口，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，什麼樣的設備。

03.基於DS18B20的鋰動力電池單體溫度採集

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採樣點來得到整個鋰動力電池模組內電芯的溫度。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異常情況下，電芯的溫度會出現較大的溫差。考慮到電池管理系統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採集系統設計時，需要考慮以下問題：

1)溫度採集系統是整個電動汽車電池管理系統的一個重要組成部分，鑑於電池管理系統自身的複雜性，要儘量節省單片機端口資源的使用。

2)合理設計軟硬件，保證系統工作的穩定性和可靠性。

3)要求系統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，並確保數據傳感器數據被總線控制器接收的準確性。

（1）DS18B20 的連接方式：

DS18B20 採用單總線技術，測溫範圍-55℃～+125℃，全數字溫度轉換及輸出，支持多點組網功能，實現多點溫度採樣。採用DS18B20 多點組網功能也可以實現鋰動力電池單體溫度採樣，但是多點採樣時需要識別每個DS18B20 獨有的ROM 碼，影響採樣速度，同時無法將ROM碼同器件的實際物理位置關聯起來。

所以多點組網功能不適合鋰動力電池單體溫度的巡檢。基於DS18B20的分時讀取數據的多點溫度採樣方法，採樣啟動和數據讀取都是跳過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 發送採樣啟動命令，啟動命令發送完後斷開所有光電繼電器，然後逐個閉合K1、K2,……Kn，讀取相應傳感器的溫度數據，實現分時讀取數據。採用同時啟動分時讀取數據的多點溫度採樣方法，其所用時間僅比單點溫度採樣所用的時間多了數據讀取的時間，所以其採樣速度比較快。

（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處於高電平期間把能量儲存在內部電容裡，在信號線處於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，由於每個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在動態轉換週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，在發出任何涉及到拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉換的指令後，必須在最多10μs內把I/O線轉換到強上拉狀態。在強上拉方式下可以解決電流供應不足的問題，因此也適合於多點測溫應用，缺點就是要多佔用一根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。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雖然具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、佔用口線少等優點，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複雜的軟件進行補償，由於DS18B20與微處理器間採用串行數據傳送，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程序設計時，對DS1820操作部分最好採用彙編語言實現。

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，當採用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數據將發生錯誤。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，當採用每米絞合次數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設計時，要充分考慮總線分佈電容和阻抗匹配問題，否則總線分佈電容將使信號波形產生畸變。

4）在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發出溫度轉換命令後，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。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。測溫電纜線應採用屏蔽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

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