CN109341890B - 一种基于ntc温度传感器的bms温度采集系统及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统，包括：电源、NTC温度传感器、电阻分压电路、ADC采样电路、MCU数据处理单元和显示单元，所述电源分别与电阻分压电路、ADC采样电路、MCU数据处理单元连接，所述NTC温度传感器与所述电阻分压电路连接，所述ADC采样电路分别与所述电阻分压电路和MCU数据处理单元连接，所述显示单元和MCU数据处理单元连接。采用此发明不仅可以降低成本，还可以按照要求提高NTC温度传感器温度测量的精度。

Description

一种基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统及测量方法
技术领域
本发明涉及电动汽车电池温度采集领域，特别涉及一种基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统及测量方法。
背景技术
目前在新能源领域温度传感器使用越来越广泛，特别是新能源汽车的电池管理系统即BMS。当前多采用电阻式温度检测器(RTD)、热电偶结合相应的测量电路来进行温度采集。温度采样电路有电阻分压法和恒流源激励法。然而上述几种方法存在着以下缺点：
1、RTD模拟信号采集与处理电路较为复杂，成本较高，传感器通电所需功率将会带来内部温度上升，增大了温度测量误差值。同时，该方案成本较高，采集单元电路体积较大，不利于小型化。
2、热电偶由于灵敏度较低，所以需要采用低偏移放大器对采集信号进行放大处理，此外热电偶采集温度线性度较差，所以需要补偿电路，这样就增大了采样误差，降低了采样精度。
3、热敏电阻器结合电阻分压法目前采用的方式较为普遍，采用该方案主要是热敏电阻样式多种多样，价格较低。但热敏电阻采集精度较低；
综上所述：需要高精度和低成本的温度采集方案较为困难，针对现有的温度采集方案不足之处，本文提出了一种高精度、低成本温度采集方法，该方法适用于新能源电池管理系统等领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度、低成本的温度采集方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统，包括：电源、NTC温度传感器、电阻分压电路、ADC采样电路、MCU数据处理单元和显示单元，所述电源分别与电阻分压电路、ADC采样电路、MCU数据处理单元连接，所述NTC温度传感器与所述电阻分压电路连接，所述ADC采样电路分别与所述电阻分压电路和MCU数据处理单元连接，所述显示单元和MCU数据处理单元连接，其中，
所述电源用于给系统提供稳定电压源；
所述NTC温度传感器用于采集周围区域的温度；
所述ADC采样电路用于采集电阻分压电路的分压信号，并将所述分压信号进行模数转换后发送至所述MCU数据处理单元；
所述MCU数据处理单元用于根据所述ADC采样电路的数字分压信号、所述电阻分压电路的电阻值、所述电源的电压值计算所述NTC温度传感器在当前环境下的阻值和温度值；
所述显示单元用于根据所述MCU数据处理单元发送的控制信号显示信息。
所述NTC温度传感器与所述电阻分压电路之间设置有防静电单元。
所述防静电单元为TVS管。
所述电阻分压电路与所述ADC采样电路之间设置有稳压单元。
所述稳压单元为稳压二极管。
所述电阻分压电路由两个电阻串联组成。
一种基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的测量方法，包括：
S21、根据所述ADC采样电路采集并数字化的分压信号、所述电阻分压电路的阻值、电源电压计算出当前环境下所述NTC温度传感器的电阻值；
S22、根据计算出的NTC温度传感器的电阻值确定NTC温度传感器的初步温度值；
S23、判断该初步温度值是否处于所述NTC温度传感器的温度测量量程；
若该初步温度值不处于所述NTC温度传感器的温度测量量程内，则显示单元提示系统结束；
若该初步温度值处于所述NTC温度传感器的温度测量量程内，则执行步骤S24；
S24、判断该初步温度值是否处于所述NTC温度传感器温度测量的线性区域；
若处于线性区域，则采用等分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间；
若处于非线性区域，则采用差分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间；
S25、根据查找到的阻值区间，计算NTC温度传感器的精确温度；
S26、判断该精确温度值是否满足温度测量精度值要求；
若满足测量精度值要求，则执行步骤S26；
若不满足测量精度值要求，则返回步骤S24；
S27、将所述NTC温度传感器的精确温度值通过显示单元进行显示。
本发明的优点在于：现有技术通过确定NTC温度传感器的电阻，然后查找相应的R-T表确定温度值，但是这种方式确定的温度值精度在±1℃，另外现有技术可能会采用一些精密仪器测量NTC温度传感器的电阻。本发明一方面在系统中引入成本较低、电路简单且较为稳定的电阻分压电路确定NTC温度传感器的电阻，根据R-T表查找电阻对应的阻值区间，确定一个初始温度值，另外在测量方法中，根据该温度值处于NTC温度传感器的线性区域和非线性区域，分别引入了等分二分法和差分二分法，逐步确定更加精确地阻值区间，通过带入相应的计算公式算出精确温度值。通过该发明，不仅可以降低成本，还可以按照最大误差要求提高NTC温度传感器温度测量的精度。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明温度采集系统的结构框图；
图2为本发明温度采集系统的测量方法的流程图。
上述图中的标记均为：
1、电源；2、电阻分压电路；3、防静电单元；4、NTC温度传感器；5、稳压单元；6、ADC采样电路；7、MCU数据处理单元；8、显示单元。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，是本发明所提供的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的结构框图。在本实施例中，该基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统包括电源1、NTC温度传感器4、电阻分压电路2、ADC采样电路6、MCU数据处理单元7和显示单元8，电源1分别与电阻分压电路2、ADC采样电路6、MCU数据处理单元7连接，NTC温度传感器4与电阻分压电路2连接，ADC采样电路6分别与电阻分压电路2和MCU数据处理单元7连接，显示单元8和MCU数据处理单元7连接。电源1用于给电阻分压电路2、ADC采样电路6、MCU数据处理单元7提供电压源；NTC温度传感器4用于采集周围区域的温度；ADC采样电路6采集电阻分压电路2的分压信号，并将所述分压信号进行模数转换后发送至MCU数据处理单元7，MCU数据处理单元7根据接收到的数字分压信号、电阻分压电路2的电阻值、电源1的电压值，计算所述NTC温度传感器4在当前环境下的阻值和温度，并发送给显示单元8进行显示；
优选的，电阻分压电路2由两个电阻串联而成，NTC温度传感器4与电阻分压电路2串联。优选的，在NTC温度传感器4与电阻分压电路2之间设有防静电单元3，优选的，该防静电单元3为TVS管。优选的，电阻分压电路2与ADC采样电路6之间设置有稳压单元5，优选的，该稳压单元5为稳压二极管。
如图2所示，是本发明所提供的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的控制方法的流程图。第一步是ADC采样电路6采集分压信号并将其数字化后发送至MCU数据处理单元7，MCU数据处理单元7根据接收到的分压数字信号、电阻分压电路2的阻值、电源1的电压计算出当前环境下所述NTC温度传感器4的电阻值。原理如下：假设在电阻分压电路中串联的两个电阻的阻值分别为R1、R2，R为NTC温度传感器阻值，U为分压电路的供电电压，通过ADC采集口采集分压电阻R2的电压值为U2，通过电压方程计算可得NTC温度传感器的电阻值：
Figure BDA0001836314970000051
为降低ADC采样电路6采集的误差值，这里进行相应的处理，同时电阻最小计算单位为1Ω，电压最小计算单位为1mV，而R-T表中的电阻单位为KΩ。所以，在上述等式两边同时乘以1000后得到下面的公式：
Figure BDA0001836314970000052
接下来，第二步是根据计算出的NTC温度传感器4的电阻值确定NTC温度传感器4的温度值，即查找NTC温度传感器4的R-T表，可以确定温度值。R-T表中是一个阻值区间对应一个整数温度，比如根据上式计算出的电阻值为20KΩ，查找R-T表就发现，对应的阻值区间是18KΩ-25KΩ，温度为10℃，即第二步确定的温度值即为10℃。
第三步是判断该温度值是否处于所述NTC温度传感器4的温度测量量程；可以在MCU数据处理单元7中预先设置该NTC温度传感器4的温度测量量程，该温度测量量程可以根据该NTC温度传感器4的出厂参数得知。若该温度值不处于所述NTC温度传感器4的温度测量量程内，则MCU数据处理单元7控制显示单元8提示系统结束；若该温度值处于所述NTC温度传感器4的温度测量量程内，则继续执行第四步。
第四步是判断该温度值是否处于所述NTC温度传感器4温度测量的线性区域，这一点可以通过R-T表确定或者通过NTC温度传感器的出厂参数中得知，可以在MCU数据处理单元7中预先设置该NTC温度传感器4温度测量量程的线性区域和非线性区域。若处于线性区域，则采用等分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间；若处于非线性区域，则采用差分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间。这一步的目的是为了进一步提高温度的精确值，如上文所述，通过查找R-T表确定的温度只能精确到±1℃。
若第二步获得的温度值处于线性区域的温度值，采用等分二分法再次查找电阻值，计算其对应的更高精度的温度值。假设通过第二步计算出的电阻阻值为R1，对应的阻值区间为RT1和RT2，查表获得的初步温度为T1，对应的通过第四步确定的精确温度值为T2，更精确的阻值区间为RT1和R2，通过计算等分差值，并且对电阻进行等分二分法查找，可得到如下计算公式：精度为±0.1℃，等分二分法查找的如下：
Figure BDA0001836314970000061
下面举例说明，假设根据分压公式计算出的NTC温度传感器的电阻为10KΩ，R-T表里面是10KΩ对应20℃，15KΩ对应21℃，20KΩ对应22℃，则阻值在10KΩ-15KΩ(不包括15KΩ)之间对应的温度都是20℃，阻值在15KΩ-20KΩ之间(不包括20KΩ)之间对应的温度都是21℃。由于处于线性区域，意味着温度随阻值线性变化，在此例中，变化的幅度都为(21-20)/(20-15)＝1/5，假设通过等分二分法查找后确定10KΩ在10KΩ-12.5KΩ范围内，则按照公式1-3，此时温度＝20+(1/5)*(12.5-10)＝20.5℃。由此可见，温度值精确到了0.1℃。若根据要求的精度是0.01℃，则返回步骤四，继续进行等分二分法的查找，假设确定10KΩ在10KΩ-11.25KΩ范围内，则按照公式1-3，此时温度＝20+(1/5)*(11.25-10)＝20.25℃，温度值精确到了0.01℃。
若第二步获得的温度值处于非线性区域，为提高采样温度的精度值，需要对非线性区域的温度做差分处理以减小采样误差，提高采集精度。假设根据分压公式计算出的电阻值为R，电阻R所在的阻值区间为RT6和RT5，对应的上下五个阻值分别为：RT10、RT9、RT8、RT7、RT6、RT5、RT4、RT3、RT2、RT1，此时的电阻总差值为Ra＝RT10-RT1，将任意两个相邻电阻的差值分到总差值上，可以得到下式：
Figure BDA0001836314970000071
根据上式可以看出温度每变化一度，对应的阻值差变化的趋势。这一变化趋势可以等同于RT6和RT5之间的十个点的变化趋势，虽然有误差，但是相对于直接查表得到的初步温度值更加准确。
下面举例说明，假设根据公式1-1，得到NTC温度传感器的阻值为40KΩ，查找R-T表后发现40KΩ-25℃、34KΩ-26℃，由此得到40KΩ-34KΩ对应的温度值为25℃。此时在该25℃上下选取十个温度T1-T10：21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、，对应的阻值RT1-RT10分别为100KΩ、80KΩ、62KΩ、50KΩ、40KΩ、34KΩ、30KΩ、27KΩ、25KΩ、24KΩ；按照上述公式计算出的Difn分别为：20/76、18/76、12/76、10/76、6/76、4/76、3/76、2/76、1/76，可见Difn的变化趋势是越来越小的。
将40KΩ对应的阻值区间40KΩ-34KΩ，按照差分比例Difn差分，此时RT1即为40KΩ,RT10即为34KΩ,根据以下公式差分计算后，可得到在40KΩ和34KΩ区间范围内的十个电阻值。
RT(n+1)＝(RT10-RT1)*Difn+RTn(n＝1...9)-1-5
其中，RT10为34KΩ,RT1为40KΩ，Dif1至Dif9分别为：20/76、18/76、12/76、10/76、6/76、4/76、3/76、2/76、1/76计算后可以得到40KΩ-34KΩ中的10个阻值：40KΩ、38.42KΩ、36.99KΩ、36.04KΩ、35.25KΩ、34.78KΩ、34.46KΩ、34.22KΩ、34.06KΩ、34KΩ，这十个点的变化规律和上述十个温度对应阻值的变化规律是一致的。通过差分二分法查找，可以在以上区间内得到更为精确的阻值区间，比如40KΩ在40-38.42KΩ之间,由于40KΩ-34KΩ变化1℃，40-38.42KΩ则变化(40-38.42)/(40-34)℃，则此时的温度＝25+(40-38.42)/(40-34)＝25.26℃。
如图2所示，是本发明所提供的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的控制方法的流程图。在本实施例中，包括以下步骤：ADC采样电路采集分压信号并将其数字化后发送至MCU数据处理单元，MCU数据处理单元根据接收到的分压数字信号、电阻分压电路的阻值、电源电压计算出当前环境下所述NTC温度传感器的电阻值；根据计算出的NTC温度传感器的电阻值，可以查找该NTC温度传感器的R-T表，确定NTC温度传感器的初步温度；接下来，根据该初步温度值，判断该初步温度值是否处于所述NTC温度传感器的温度测量量程；若该温度区间不处于所述NTC温度传感器的温度测量量程内，则显示单元提示系统结束；若该初步温度值处于所述NTC温度传感器的温度测量量程内，则继续判断该初步温度值是否处于所述NTC温度传感器温度测量的线性区域；若处于线性区域，则采用等分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间；若处于非线性区域，则采用差分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间；根据查找到的阻值区间，计算NTC温度传感器的精确温度。最后，判断该温度区间是否满足温度测量精度值要求；若满足测量精度值要求，则将所述NTC温度传感器的温度值通过显示单元进行显示；若不满足测量精度值要求，则返回二分法查找步骤继续查找；
上述提到的ADC采样电路6为现有技术中的ADC采样电路6，只要可以采集分压电路中的电压并进行数模转换都可以。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的温度测量方法，其特征在于，所述系统包括：电源(1)、NTC温度传感器(4)、电阻分压电路(2)、ADC采样电路(6)、MCU数据处理单元(7)和显示单元(8)，所述电源(1)分别与电阻分压电路(2)、ADC采样电路(6)、MCU数据处理单元(7)连接，所述NTC温度传感器(4)与所述电阻分压电路(2)连接，所述ADC采样电路(6)分别与所述电阻分压电路(2)和MCU数据处理单元(7)连接，所述显示单元(8)和MCU数据处理单元(7)连接，其中，
所述电源(1)用于给系统提供稳定电压源；
所述NTC温度传感器(4)用于采集周围区域的温度；
所述ADC采样电路(6)用于采集电阻分压电路(2)的分压信号，并将所述分压信号进行模数转换后发送至所述MCU数据处理单元(7)；
所述MCU数据处理单元(7)用于根据所述ADC采样电路(6)的数字分压信号、所述电阻分压电路(2)的电阻值、所述电源(1)的电压值计算所述NTC温度传感器(4)在当前环境下的电阻值和温度值；
所述显示单元(8)用于根据所述MCU数据处理单元(7)发送的控制信号显示信息；
所述方法包括以下步骤：
S21、根据所述ADC采样电路(6)的数字分压信号、所述电阻分压电路(2)的电阻值、电源(1)电压值计算出当前环境下所述NTC温度传感器(4)的电阻值；
S22、根据计算出的NTC温度传感器(4)的电阻值确定NTC温度传感器(4)的初步温度值；
S23、判断该初步温度值是否处于所述NTC温度传感器(4)的温度测量量程；
若该初步温度值不处于所述NTC温度传感器(4)的温度测量量程内，则显示单元(8)提示系统结束；
若该初步温度值处于所述NTC温度传感器(4)的温度测量量程内，则执行步骤S24；
S24、判断该初步温度值是否处于所述NTC温度传感器(4)温度测量的线性区域；
若处于线性区域，则采用等分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间；
若处于非线性区域，则采用差分二分法查找该电阻，确定该电阻所在的更加精确的阻值区间；
S25、根据查找到的阻值区间，计算NTC温度传感器(4)的精确温度值；
S26、判断该精确温度值是否满足温度测量精度值要求；
若满足测量精度值要求，则执行步骤S27；
若不满足测量精度值要求，则返回步骤S24；
S27、将所述NTC温度传感器(4)的精确温度值通过显示单元(8)进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的温度测量方法，其特征在于：所述NTC温度传感器(4)与所述电阻分压电路(2)之间设置有防静电单元(3)。
3.根据权利要求2所述的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的温度测量方法，其特征在于：所述防静电单元(3)为TVS管。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的温度测量方法，其特征在于：所述电阻分压电路(2)与所述ADC采样电路(6)之间设置有稳压单元(5)。
5.根据权利要求4所述的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的温度测量方法，其特征在于：所述稳压单元(5)为稳压二极管。
6.根据权利要求5所述的基于NTC温度传感器的BMS温度采集系统的温度测量方法，其特征在于：所述电阻分压电路(2)由两个电阻串联组成。
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