用电池监测芯片实现多功能智能充电器

1 概述

电动车的储能技术(蓄电池)、能量转换技术(充放电控制装置)是两项重大技术关键，而储能和驱动效果的优劣，取决于能量转换技术的先进程度，同时也决定了电动车的实用性、可靠性、经济性以及市场竞争能力。而影响蓄电池容量和寿命的因素，除了蓄电池本身的原理、设计、材料、工艺以外，另一个关键的技术是蓄电池的充电技术。电池充电过程对电池实际里程寿命的影响最大，放电过程的保护、限流、控制器的能量回收以及驱动部分效率的提高占的比例较小。也就是说，绝大多数的电池提前报废，是充电方法不当而充坏的。因此，研制和开发高水平、高性能、高质量的电动车充电器，是促进我国电动车技术和产业化发展的重要一环。

2 多功能智能充电器的设计思想

智能充电器与传统的充电器有着本质的不同。传统的充电器大都采用恒压、恒流方式充电。目前较好的充电技术也只停留在人工数学模拟的水平上，即按照事先设定好的数学模型，分多阶段去逼近它，这种技术本质上还是恒流充电，只是多增加了几个阶段，这种充电模式对于特定的某一种型号性能良好的蓄电池充电效果比较好。而蓄电池的型号是很多的，并且同一型号蓄电池离散性也很大，因而无法适应多种蓄电池充电的需要。而采用了微处理器控制的智能充电器，就可实现蓄电池充电器的多功能性，可实现对不同种类的电池，选用不同的充电模式进行充电。

我们设计了一种基于专用电池监测芯片的多功能智能充电器。该智能充电器采用了先进的计算机控制技术和独特的测量技术对被充蓄电池充电前和充电过程中的技术状态随时进行测量，运用人工智能技术进行综合分析判断并加以控制，使电能快速地转换成化学能以达到最佳效果的充电方法。此专用电池监测芯片就是多被用于电池管理系统的DS2438.

3 测量技术在多功能智能充电器中的应用

DS2438 是美国Dallas 公司近年生产的BatteryMonitor 系列芯片的一种专门用于电池检测的微电子芯片，该芯片内部集成了温度传感器、A/D 转换器、电流积分器等电路，具有测量电池的温度、电压、电流和剩余电量等多项功能。

3.1 充电过程中电池电压参数的测量

DS2438 内置了一个十位的电压A/D 转换器，用于测量电池的端电压。当DS2438 收到转换电压的命令时，片内A/D 转换器将对VAD 引脚上的电压进行数字转换，转换时间为4ms.电压测量结果将被保存在两字节的电压寄存器。DS2438ADC 的测量范围为0~10V,分辨率为10mV,最大量程为0~10.23V.

因而经过简单的电阻分压电路，即可很方便地对充电过程中电池的电压参数进行测量。

3.2 充电过程中电池电流参数的测量

DS2438 内置了一个电流A/D 转换器，用于测量电池组的电流。将采样电阻RSENS 接入充、放电回路，DS2438 通过测量RSENS 上的电压来测量流经电池的电流。DS2438 电流A/D 转换器每隔27.46ms 自动进行一次测量转换，测量的结果保存在内部电流寄存器中，可以通过最高位S 符号位来判断电池是充电还是放电。

值得注意的是 DS2438 芯片适用于笔记本电脑等弱电负载，若将它用于电动车蓄电池的充、放电系统，应采用必要的有源滤波、数字滤波等抗干扰措施，才能有效地消除尖锋电流和高频噪声信号的干扰，使DS2438 芯片得以准确的测量充、放电回路中电池的电流参数。

3.3 对充、放电过程中电池剩余电量的测量

DS2438 为了跟踪测量电池的剩余电量而使用了一个集成电流累加器ICA ( integrated currentaccumulator)。ICA 是一个累积电池组投入使用后的全部流入和流出电池电流的寄存器。所以ICA 的值可以表示为电池的剩余电量。

如上所述，电池电流是通过每 27.46ms 测量一次外接电阻RSENS 上的电压获得的。根据此值的正、负而将此值加入或减入ICA 寄存器中。ICA 是一个8 位的二进制计数器，它综合了每次测得的外接电阻RSENS上的电压。测量精度为0.488 2mVhr.

由于 DS2438 具有电池剩余电量的检测功能，使用此功能可设计出性能更加优异的充电器。一般的电池充电器大都没有对充、放电过程中电池的电量进行测量，在充电过程中，只能根据测量电池组两端的电压值来判断已充电池的电量多少。而一个好的充电器应具有实时监测充、放电过程中电池电量的功能，并在充电过程中能根据已充电量的大小决定进入相应的充电状态。特别在充电开始时，应能根据蓄电池的放电深度(剩余电量的大小)来控制采用相应的充电方式。例如，对于被深度放电的电池，应先采用小电流修复充电，然后再进行正常的充电模式。而对于只需补充因自放电而损失的电量，则只需进行涓流充电即可。

3.4 充电过程中电池温度参数的测量

在充电过程中，电池的温度是一个需十分关注的参数。例如：铅酸蓄电池的电压具有负温度系数，其值为-4mV/℃。对于一个在环境温度为25℃时，工作很理想的充电器，当环境温度降到0℃时，电池就不能充足电，当环境温度升高到50℃时，电池将因严重过充电而缩短寿命。因此好的充电器应具有温度检测功能，并能根据不同的环境温度调整充电过程中的各转换电压值。同时，充电器应具有温度保护的功能，在充电过程中，当电池温度超出限定的温度范围时，充电器应立即停止充电或进入涓流充电。

将DS2438 芯片紧贴于被测电池上，DS2438 通过片内集成的温度传感器即可对电池的温度随时进行测量，测量的结果放入内部温度寄存器中，并通过单总线传输给单片机。DS2438 测量的温度范围为-55℃~125℃，分辨率为0.031 25℃。

4 智能充电器电路设计

根据上述多功能智能充电器的设计思想，设计了一种以微处理机作为核心控制部件，以专用电池监测芯片DS2438 作为充、放电系统的检测核心，将电池管理系统与电池充电一体化的低成本、高性能电动车蓄电池充电器。它的结构框图如图1 所示。

图1 充电器原理结构框图[!--empirenews.page--]

从原理结构框图可以看到，该充电器主要由充电主回路、同步脉冲产生电路、可控硅触发驱动电路、DS2438 测量电路、单片机系统及液晶显示等组成。其中DS2438 测量电路、单片机系统及液晶显示同时被用于电池放电时电池的管理系统，对蓄电池的电压、电流、电量以及温度进行实时测量显示，放电结束后，电池的剩余电量将保存于DS2438 ICA 寄存器中。在充电系统中，DS2438 对蓄电池充电过程中的上述各个参数值进行实时监测，并通过单总线上传给单片机，单片机对检测到的各参数值进行实时的分析判断，控制输出可控硅的触发脉冲，控制可控硅的导通角，从而控制充电电压和充电电流，以确保充电器按照所选用的充电模式，既不过充也不欠充，并具有过热保护，安全可靠地进行充电。

为实现可控硅的同步触发控制，需要获得电网电压同步脉冲信号。系统因而设计有同步脉冲产生电路。

该电路在电网电压每个周波由正变负过零点附近，使得8031 的外部中断INT0 获得一个负跳变的有效中断请求信号。所以，每一周波INT0 都中断一次。在INT0的中断服务程序中，设置T1 定时Xms,0

在T1 定时中断服务程序中，首先控制P1.7 产生负脉冲，然后，为了获得100Hz 的触发脉冲，再设置T1定时10ms,在进入第二次定时中断服务程序中，再设置P1.7 产生负脉冲。这样，在P1.7 输出的为100Hz的脉冲信号，经过光电隔离及三极管放大电路，触发可控硅导通。从而在电池两端可获得脉动可调的充电电压。各点的波形如图2 所示。

图2 充电器各点波形图

5 多功能智能充电器的特点

多功能智能充电器是由微处理器控制、智能型的充电设备，以微处理机作为核心控制部件，将DS2438作为充电系统的检测核心，实现了对充、放电过程中各种参数数字化采样、数字化处理、全数字显示。

在充电开始阶段，充电器在微处理器的控制下对被充蓄电池进行一系列的测试，以找出被充蓄电池的基本参数，确认被充蓄电池的剩余电量、电压等级及所需充电方式。

充电过程中，在核心控制部件微处理机的控制下，-9VINT0T1定时P1.7VA20VVB20V12Vtttttt图2 充电器各点波形图充电器对被充蓄电池进行不间断的跟踪测试。微处理器对测试结果进行不间断的计算并根据计算结果调整下一充电电流的强度。

在充电结束阶段，充电器通过被充蓄电池的电量、电压、电流变化等几个因素来判别被充蓄电池的充电饱和程度，并根据设定的参数决定是否结束充电。整个充电过程中，所有判别工作都由微处理器自动完成。

多功能智能充电器能及时对充电的重要参数进行数字化显示。在整个充电过程中，充电器对充电电流、充电电压、充电时间、已充安时数、电池温度等信息进行显示。

由于采用微处理机控制，多功能智能充电器还具备了较强的保护和报警功能。

多功能智能充电器采用较为传统可靠的可控硅调压控流加变压器作为功率部件。这种结构保证了较为可靠的电气性能又确保了高电压的安全隔离。

本文设计出了一种高性能的基于专用电池监测芯片的多功能智能充电器。该充电器采用先进高度集成化的智能模块，对蓄电池充电过程进行全方位的监测与控制，保证不同程度的蓄电池能按应有的充电方式进行充电，以防止蓄电池因充电不当而降低使用寿命，大大改善了充电器的性能。