用電池監(jiān)測芯片實現(xiàn)多功能智能充電器

1 概述

電動車的儲能技術(shù)(蓄電池)、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)(充放電控制裝置)是兩項重大技術(shù)關(guān)鍵，而儲能和驅(qū)動效果的優(yōu)劣，取決于能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的先進程度，同時也決定了電動車的實用性、可靠性、經(jīng)濟性以及市場競爭能力。而影響蓄電池容量和壽命的因素，除了蓄電池本身的原理、設(shè)計、材料、工藝以外，另一個關(guān)鍵的技術(shù)是蓄電池的充電技術(shù)。電池充電過程對電池實際里程壽命的影響最大，放電過程的保護、限流、控制器的能量回收以及驅(qū)動部分效率的提高占的比例較小。也就是說，絕大多數(shù)的電池提前報廢，是充電方法不當(dāng)而充壞的。因此，研制和開發(fā)高水平、高性能、高質(zhì)量的電動車充電器，是促進我國電動車技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要一環(huán)。

2 多功能智能充電器的設(shè)計思想

智能充電器與傳統(tǒng)的充電器有著本質(zhì)的不同。傳統(tǒng)的充電器大都采用恒壓、恒流方式充電。目前較好的充電技術(shù)也只停留在人工數(shù)學(xué)模擬的水平上，即按照事先設(shè)定好的數(shù)學(xué)模型，分多階段去逼近它，這種技術(shù)本質(zhì)上還是恒流充電，只是多增加了幾個階段，這種充電模式對于特定的某一種型號性能良好的蓄電池充電效果比較好。而蓄電池的型號是很多的，并且同一型號蓄電池離散性也很大，因而無法適應(yīng)多種蓄電池充電的需要。而采用了微處理器控制的智能充電器，就可實現(xiàn)蓄電池充電器的多功能性，可實現(xiàn)對不同種類的電池，選用不同的充電模式進行充電。

我們設(shè)計了一種基于專用電池監(jiān)測芯片的多功能智能充電器。該智能充電器采用了先進的計算機控制技術(shù)和獨特的測量技術(shù)對被充蓄電池充電前和充電過程中的技術(shù)狀態(tài)隨時進行測量，運用人工智能技術(shù)進行綜合分析判斷并加以控制，使電能快速地轉(zhuǎn)換成化學(xué)能以達到最佳效果的充電方法。此專用電池監(jiān)測芯片就是多被用于電池管理系統(tǒng)的DS2438.

3 測量技術(shù)在多功能智能充電器中的應(yīng)用

DS2438 是美國Dallas 公司近年生產(chǎn)的BatteryMonitor 系列芯片的一種專門用于電池檢測的微電子芯片，該芯片內(nèi)部集成了溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、電流積分器等電路，具有測量電池的溫度、電壓、電流和剩余電量等多項功能。

3.1 充電過程中電池電壓參數(shù)的測量

DS2438 內(nèi)置了一個十位的電壓A/D 轉(zhuǎn)換器，用于測量電池的端電壓。當(dāng)DS2438 收到轉(zhuǎn)換電壓的命令時，片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器將對VAD 引腳上的電壓進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為4ms.電壓測量結(jié)果將被保存在兩字節(jié)的電壓寄存器。DS2438ADC 的測量范圍為0~10V,分辨率為10mV,最大量程為0~10.23V.

因而經(jīng)過簡單的電阻分壓電路，即可很方便地對充電過程中電池的電壓參數(shù)進行測量。

3.2 充電過程中電池電流參數(shù)的測量

DS2438 內(nèi)置了一個電流A/D 轉(zhuǎn)換器，用于測量電池組的電流。將采樣電阻RSENS 接入充、放電回路，DS2438 通過測量RSENS 上的電壓來測量流經(jīng)電池的電流。DS2438 電流A/D 轉(zhuǎn)換器每隔27.46ms 自動進行一次測量轉(zhuǎn)換，測量的結(jié)果保存在內(nèi)部電流寄存器中，可以通過最高位S 符號位來判斷電池是充電還是放電。

值得注意的是 DS2438 芯片適用于筆記本電腦等弱電負(fù)載，若將它用于電動車蓄電池的充、放電系統(tǒng)，應(yīng)采用必要的有源濾波、數(shù)字濾波等抗干擾措施，才能有效地消除尖鋒電流和高頻噪聲信號的干擾，使DS2438 芯片得以準(zhǔn)確的測量充、放電回路中電池的電流參數(shù)。

3.3 對充、放電過程中電池剩余電量的測量

DS2438 為了跟蹤測量電池的剩余電量而使用了一個集成電流累加器ICA ( integrated currentaccumulator)。ICA 是一個累積電池組投入使用后的全部流入和流出電池電流的寄存器。所以ICA 的值可以表示為電池的剩余電量。

如上所述，電池電流是通過每 27.46ms 測量一次外接電阻RSENS 上的電壓獲得的。根據(jù)此值的正、負(fù)而將此值加入或減入ICA 寄存器中。ICA 是一個8 位的二進制計數(shù)器，它綜合了每次測得的外接電阻RSENS上的電壓。測量精度為0.488 2mVhr.

由于 DS2438 具有電池剩余電量的檢測功能，使用此功能可設(shè)計出性能更加優(yōu)異的充電器。一般的電池充電器大都沒有對充、放電過程中電池的電量進行測量，在充電過程中，只能根據(jù)測量電池組兩端的電壓值來判斷已充電池的電量多少。而一個好的充電器應(yīng)具有實時監(jiān)測充、放電過程中電池電量的功能，并在充電過程中能根據(jù)已充電量的大小決定進入相應(yīng)的充電狀態(tài)。特別在充電開始時，應(yīng)能根據(jù)蓄電池的放電深度(剩余電量的大小)來控制采用相應(yīng)的充電方式。例如，對于被深度放電的電池，應(yīng)先采用小電流修復(fù)充電，然后再進行正常的充電模式。而對于只需補充因自放電而損失的電量，則只需進行涓流充電即可。

3.4 充電過程中電池溫度參數(shù)的測量

在充電過程中，電池的溫度是一個需十分關(guān)注的參數(shù)。例如：鉛酸蓄電池的電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，其值為-4mV/℃。對于一個在環(huán)境溫度為25℃時，工作很理想的充電器，當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度升高到50℃時，電池將因嚴(yán)重過充電而縮短壽命。因此好的充電器應(yīng)具有溫度檢測功能，并能根據(jù)不同的環(huán)境溫度調(diào)整充電過程中的各轉(zhuǎn)換電壓值。同時，充電器應(yīng)具有溫度保護的功能，在充電過程中，當(dāng)電池溫度超出限定的溫度范圍時，充電器應(yīng)立即停止充電或進入涓流充電。

將DS2438 芯片緊貼于被測電池上，DS2438 通過片內(nèi)集成的溫度傳感器即可對電池的溫度隨時進行測量，測量的結(jié)果放入內(nèi)部溫度寄存器中，并通過單總線傳輸給單片機。DS2438 測量的溫度范圍為-55℃~125℃，分辨率為0.031 25℃。

4 智能充電器電路設(shè)計

根據(jù)上述多功能智能充電器的設(shè)計思想，設(shè)計了一種以微處理機作為核心控制部件，以專用電池監(jiān)測芯片DS2438 作為充、放電系統(tǒng)的檢測核心，將電池管理系統(tǒng)與電池充電一體化的低成本、高性能電動車蓄電池充電器。它的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 充電器原理結(jié)構(gòu)框圖[!--empirenews.page--]

從原理結(jié)構(gòu)框圖可以看到，該充電器主要由充電主回路、同步脈沖產(chǎn)生電路、可控硅觸發(fā)驅(qū)動電路、DS2438 測量電路、單片機系統(tǒng)及液晶顯示等組成。其中DS2438 測量電路、單片機系統(tǒng)及液晶顯示同時被用于電池放電時電池的管理系統(tǒng)，對蓄電池的電壓、電流、電量以及溫度進行實時測量顯示，放電結(jié)束后，電池的剩余電量將保存于DS2438 ICA 寄存器中。在充電系統(tǒng)中，DS2438 對蓄電池充電過程中的上述各個參數(shù)值進行實時監(jiān)測，并通過單總線上傳給單片機，單片機對檢測到的各參數(shù)值進行實時的分析判斷，控制輸出可控硅的觸發(fā)脈沖，控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制充電電壓和充電電流，以確保充電器按照所選用的充電模式，既不過充也不欠充，并具有過熱保護，安全可靠地進行充電。

為實現(xiàn)可控硅的同步觸發(fā)控制，需要獲得電網(wǎng)電壓同步脈沖信號。系統(tǒng)因而設(shè)計有同步脈沖產(chǎn)生電路。

該電路在電網(wǎng)電壓每個周波由正變負(fù)過零點附近，使得8031 的外部中斷INT0 獲得一個負(fù)跳變的有效中斷請求信號。所以，每一周波INT0 都中斷一次。在INT0的中斷服務(wù)程序中，設(shè)置T1 定時Xms,0

在T1 定時中斷服務(wù)程序中，首先控制P1.7 產(chǎn)生負(fù)脈沖，然后，為了獲得100Hz 的觸發(fā)脈沖，再設(shè)置T1定時10ms,在進入第二次定時中斷服務(wù)程序中，再設(shè)置P1.7 產(chǎn)生負(fù)脈沖。這樣，在P1.7 輸出的為100Hz的脈沖信號，經(jīng)過光電隔離及三極管放大電路，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。從而在電池兩端可獲得脈動可調(diào)的充電電壓。各點的波形如圖2 所示。

圖2 充電器各點波形圖

5 多功能智能充電器的特點

多功能智能充電器是由微處理器控制、智能型的充電設(shè)備，以微處理機作為核心控制部件，將DS2438作為充電系統(tǒng)的檢測核心，實現(xiàn)了對充、放電過程中各種參數(shù)數(shù)字化采樣、數(shù)字化處理、全數(shù)字顯示。

在充電開始階段，充電器在微處理器的控制下對被充蓄電池進行一系列的測試，以找出被充蓄電池的基本參數(shù)，確認(rèn)被充蓄電池的剩余電量、電壓等級及所需充電方式。

充電過程中，在核心控制部件微處理機的控制下，-9VINT0T1定時P1.7VA20VVB20V12Vtttttt圖2 充電器各點波形圖充電器對被充蓄電池進行不間斷的跟蹤測試。微處理器對測試結(jié)果進行不間斷的計算并根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整下一充電電流的強度。

在充電結(jié)束階段，充電器通過被充蓄電池的電量、電壓、電流變化等幾個因素來判別被充蓄電池的充電飽和程度，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)決定是否結(jié)束充電。整個充電過程中，所有判別工作都由微處理器自動完成。

多功能智能充電器能及時對充電的重要參數(shù)進行數(shù)字化顯示。在整個充電過程中，充電器對充電電流、充電電壓、充電時間、已充安時數(shù)、電池溫度等信息進行顯示。

由于采用微處理機控制，多功能智能充電器還具備了較強的保護和報警功能。

多功能智能充電器采用較為傳統(tǒng)可靠的可控硅調(diào)壓控流加變壓器作為功率部件。這種結(jié)構(gòu)保證了較為可靠的電氣性能又確保了高電壓的安全隔離。

本文設(shè)計出了一種高性能的基于專用電池監(jiān)測芯片的多功能智能充電器。該充電器采用先進高度集成化的智能模塊，對蓄電池充電過程進行全方位的監(jiān)測與控制，保證不同程度的蓄電池能按應(yīng)有的充電方式進行充電，以防止蓄電池因充電不當(dāng)而降低使用壽命，大大改善了充電器的性能。