用電池監(jiān)測(cè)芯片實(shí)現(xiàn)多功能智能充電器

1 概述

電動(dòng)車(chē)的儲(chǔ)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(xiàng)重大技術(shù)關(guān)鍵，而儲(chǔ)能和驅(qū)動(dòng)效果的優(yōu)劣，取決于能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的先進(jìn)程度，同時(shí)也決定了電動(dòng)車(chē)的實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)、材料、工藝以外，另一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)是蓄電池的充電技術(shù)。電池充電過(guò)程對(duì)電池實(shí)際里程壽命的影響最大，放電過(guò)程的保護(hù)、限流、控制器的能量回收以及驅(qū)動(dòng)部分效率的提高占的比例較小。也就是說(shuō)，絕大多數(shù)的電池提前報(bào)廢，是充電方法不當(dāng)而充壞的。因此，研制和開(kāi)發(fā)高水平、高性能、高質(zhì)量的電動(dòng)車(chē)充電器，是促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)車(chē)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(jì)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(gè)階段，這種充電模式對(duì)于特定的某一種型號(hào)性能良好的蓄電池充電效果比較好。而蓄電池的型號(hào)是很多的，并且同一型號(hào)蓄電池離散性也很大，因而無(wú)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(shí)現(xiàn)蓄電池充電器的多功能性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類(lèi)的電池，選用不同的充電模式進(jìn)行充電。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于專(zhuān)用電池監(jiān)測(cè)芯片的多功能智能充電器。該智能充電器采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和獨(dú)特的測(cè)量技術(shù)對(duì)被充蓄電池充電前和充電過(guò)程中的技術(shù)狀態(tài)隨時(shí)進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)用人工智能技術(shù)進(jìn)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(dá)到最佳效果的充電方法。此專(zhuān)用電池監(jiān)測(cè)芯片就是多被用于電池管理系統(tǒng)的DS2438.

3 測(cè)量技術(shù)在多功能智能充電器中的應(yīng)用

DS2438 是美國(guó)Dallas 公司近年生產(chǎn)的BatteryMonitor 系列芯片的一種專(zhuān)門(mén)用于電池檢測(cè)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(cè)量電池的溫度、電壓、電流和剩余電量等多項(xiàng)功能。

3.1 充電過(guò)程中電池電壓參數(shù)的測(cè)量

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

因而經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的電阻分壓電路，即可很方便地對(duì)充電過(guò)程中電池的電壓參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

3.2 充電過(guò)程中電池電流參數(shù)的測(cè)量

DS2438 內(nèi)置了一個(gè)電流A/D 轉(zhuǎn)換器，用于測(cè)量電池組的電流。將采樣電阻RSENS 接入充、放電回路，DS2438 通過(guò)測(cè)量RSENS 上的電壓來(lái)測(cè)量流經(jīng)電池的電流。DS2438 電流A/D 轉(zhuǎn)換器每隔27.46ms 自動(dòng)進(jìn)行一次測(cè)量轉(zhuǎn)換，測(cè)量的結(jié)果保存在內(nèi)部電流寄存器中，可以通過(guò)最高位S 符號(hào)位來(lái)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(dòng)車(chē)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(hào)的干擾，使DS2438 芯片得以準(zhǔn)確的測(cè)量充、放電回路中電池的電流參數(shù)。

3.3 對(duì)充、放電過(guò)程中電池剩余電量的測(cè)量

DS2438 為了跟蹤測(cè)量電池的剩余電量而使用了一個(gè)集成電流累加器ICA ( integrated currentaccumulator)。ICA 是一個(gè)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(guò)每 27.46ms 測(cè)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(gè)8 位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它綜合了每次測(cè)得的外接電阻RSENS上的電壓。測(cè)量精度為0.488 2mVhr.

由于 DS2438 具有電池剩余電量的檢測(cè)功能，使用此功能可設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)異的充電器。一般的電池充電器大都沒(méi)有對(duì)充、放電過(guò)程中電池的電量進(jìn)行測(cè)量，在充電過(guò)程中，只能根據(jù)測(cè)量電池組兩端的電壓值來(lái)判斷已充電池的電量多少。而一個(gè)好的充電器應(yīng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充、放電過(guò)程中電池電量的功能，并在充電過(guò)程中能根據(jù)已充電量的大小決定進(jìn)入相應(yīng)的充電狀態(tài)。特別在充電開(kāi)始時(shí)，應(yīng)能根據(jù)蓄電池的放電深度(剩余電量的大小)來(lái)控制采用相應(yīng)的充電方式。例如，對(duì)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(jìn)行正常的充電模式。而對(duì)于只需補(bǔ)充因自放電而損失的電量，則只需進(jìn)行涓流充電即可。

3.4 充電過(guò)程中電池溫度參數(shù)的測(cè)量

在充電過(guò)程中，電池的溫度是一個(gè)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(duì)于一個(gè)在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，工作很理想的充電器，當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃時(shí)，電池就不能充足電，當(dāng)環(huán)境溫度升高到50℃時(shí)，電池將因嚴(yán)重過(guò)充電而縮短壽命。因此好的充電器應(yīng)具有溫度檢測(cè)功能，并能根據(jù)不同的環(huán)境溫度調(diào)整充電過(guò)程中的各轉(zhuǎn)換電壓值。同時(shí)，充電器應(yīng)具有溫度保護(hù)的功能，在充電過(guò)程中，當(dāng)電池溫度超出限定的溫度范圍時(shí)，充電器應(yīng)立即停止充電或進(jìn)入涓流充電。

將DS2438 芯片緊貼于被測(cè)電池上，DS2438 通過(guò)片內(nèi)集成的溫度傳感器即可對(duì)電池的溫度隨時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果放入內(nèi)部溫度寄存器中，并通過(guò)單總線傳輸給單片機(jī)。DS2438 測(cè)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(jì)

根據(jù)上述多功能智能充電器的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種以微處理機(jī)作為核心控制部件，以專(zhuān)用電池監(jiān)測(cè)芯片DS2438 作為充、放電系統(tǒng)的檢測(cè)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(dòng)車(chē)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(dòng)電路、DS2438 測(cè)量電路、單片機(jī)系統(tǒng)及液晶顯示等組成。其中DS2438 測(cè)量電路、單片機(jī)系統(tǒng)及液晶顯示同時(shí)被用于電池放電時(shí)電池的管理系統(tǒng)，對(duì)蓄電池的電壓、電流、電量以及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)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(duì)蓄電池充電過(guò)程中的上述各個(gè)參數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)單總線上傳給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)檢測(cè)到的各參數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)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(guò)充也不欠充，并具有過(guò)熱保護(hù)，安全可靠地進(jìn)行充電。

為實(shí)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(hào)。系統(tǒng)因而設(shè)計(jì)有同步脈沖產(chǎn)生電路。

該電路在電網(wǎng)電壓每個(gè)周波由正變負(fù)過(guò)零點(diǎn)附近，使得8031 的外部中斷INT0 獲得一個(gè)負(fù)跳變的有效中斷請(qǐng)求信號(hào)。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(shí)Xms,0

在T1 定時(shí)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(shí)10ms,在進(jìn)入第二次定時(shí)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(dòng)可調(diào)的充電電壓。各點(diǎn)的波形如圖2 所示。

圖2 充電器各點(diǎn)波形圖

5 多功能智能充電器的特點(diǎn)

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(jī)作為核心控制部件，將DS2438作為充電系統(tǒng)的檢測(cè)核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)充、放電過(guò)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(kāi)始階段，充電器在微處理器的控制下對(duì)被充蓄電池進(jìn)行一系列的測(cè)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(jí)及所需充電方式。

充電過(guò)程中，在核心控制部件微處理機(jī)的控制下，-9VINT0T1定時(shí)P1.7VA20VVB20V12Vtttttt圖2 充電器各點(diǎn)波形圖充電器對(duì)被充蓄電池進(jìn)行不間斷的跟蹤測(cè)試。微處理器對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不間斷的計(jì)算并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整下一充電電流的強(qiáng)度。

在充電結(jié)束階段，充電器通過(guò)被充蓄電池的電量、電壓、電流變化等幾個(gè)因素來(lái)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(gè)充電過(guò)程中，所有判別工作都由微處理器自動(dòng)完成。

多功能智能充電器能及時(shí)對(duì)充電的重要參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化顯示。在整個(gè)充電過(guò)程中，充電器對(duì)充電電流、充電電壓、充電時(shí)間、已充安時(shí)數(shù)、電池溫度等信息進(jìn)行顯示。

由于采用微處理機(jī)控制，多功能智能充電器還具備了較強(qiáng)的保護(hù)和報(bào)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(jì)出了一種高性能的基于專(zhuān)用電池監(jiān)測(cè)芯片的多功能智能充電器。該充電器采用先進(jìn)高度集成化的智能模塊，對(duì)蓄電池充電過(guò)程進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)與控制，保證不同程度的蓄電池能按應(yīng)有的充電方式進(jìn)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。