基于DS2438的大功率蓄電池狀態(tài)檢測

摘要：介紹一種大功率蓄電池狀態(tài)檢測方法，通過電能質(zhì)量管理芯片DS2438測量蓄電池的充放電電流值，并對其時間進行積分來估算蓄電池的充放電電量。以微控制器STC89C51為核心通過控制電能質(zhì)量管理芯片及外圍電路，實現(xiàn)對蓄電池的電壓、電流以及電量的精確測量。
關(guān)鍵詞：蓄電池；DS2438；STC89C51；電能管理

引言
    蓄電池的容量是指蓄電池目前充電狀況的等級，相當于蓄電池實際能夠放出容量的大小，也就是對蓄電池保有容量(剩余容量)的多少進行檢測，主要有密度法(比重法)、安時計、內(nèi)阻法(電導法)等。本設(shè)計方案采用安時計進行電池電量檢測，是通過一種電能質(zhì)量管理芯片對電池充放電流進行記憶控制，能夠精確計算電池充放電電量，解決了傳統(tǒng)電量檢測方法中由于電量的不準確測量使電池過充、過放，而影響電池的使用壽命的問題。電能質(zhì)量管理芯片能夠同時對單體蓄電池的電壓、電流及溫度進行實時監(jiān)測，從而對單體蓄電池進行充放電管理。本設(shè)計充分地保護了蓄電池，有利于延長蓄電池的使用循環(huán)次數(shù)，具有很高的應(yīng)用價值。

1 硬件設(shè)計
    本系統(tǒng)可以測量蓄電池的端電壓、電池溫度、蓄電池放電電流、電池電量等，而且測量數(shù)據(jù)可在LED上顯示、存儲并上傳至PC機。在電池電量測量方面，系統(tǒng)通過軟件對傳感器的非線性、溫度等影響進行修正和補償，與傳統(tǒng)的檢測裝置相比具有穩(wěn)定性好、準確性高等優(yōu)點，同時還有報警功能。
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機STC89C51為整個系統(tǒng)的核心，它既可通過智能電池監(jiān)測芯片DS2438完成對蓄電池的采樣控制和數(shù)據(jù)處理，又可負責人機對話、輸入控制命令、設(shè)置參數(shù)、輸出顯示以及輸出報警信號。本系統(tǒng)通過RS-232通信口與上位機進行通信，上位機可用VB語言編制通信界面，也可對單片機發(fā)送控制命令。同時為了保存電量信息，采用存儲芯片AT24C02保存每次計算后的電量值和相關(guān)數(shù)據(jù)。顯示系統(tǒng)采用共陽數(shù)碼管，報警系統(tǒng)采用二極管，用繼電器對電流傳感器進行保護。

1．1 電能芯片管理電路
    DS2438芯片是Maxim公司推出的智能電池監(jiān)測芯片，是一種十分小巧、快速、精確的電池檢測芯片。它具有功能強大、體積小、硬件接線簡單等優(yōu)點，可以方便地實現(xiàn)對蓄電池組運行狀態(tài)的監(jiān)測。DS2438的引腳排列如圖2所示。GND接地，Vsens+、Vsens-為電池電流輸入端，Vad為電池電壓輸入端，Vdd為電源輸入端，NC懸空，DQ為數(shù)據(jù)輸入輸出端。

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    該電能管理芯片能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、電壓、電流以及電量的測量，具體參數(shù)如下：
    ①溫度測量。DS2438可以通過片內(nèi)集成的溫度傳感器測量溫度值，測量的溫度范圍為-55～+125℃，分辨率為0．031 25℃。
    ②電池電壓測量。DS2438片內(nèi)集成有10位A／D轉(zhuǎn)換器，可以檢測當前電池的電壓值。測量范圍是0～10V，分辨率為10mV。
    ③電池電流測量。DS2438通過測量外接電阻Rsens上的電壓來測量流經(jīng)電池上的電流，將參考電阻Rsens上的電壓值采樣送至電流寄存器中，電池電流等于電流寄存器中的值／(4 096×Rsens)，而且專門設(shè)置了補償寄存器以消除轉(zhuǎn)換誤差。
    ④剩余電量的跟蹤。DS2438能利用集成電流累加器(ICA)對電池的剩余電量進行跟蹤。ICA中保存著流經(jīng)電池的總電流，可以反映出電池的電量。
    ⑤DS2438是單總線工作方式，數(shù)據(jù)的輸入、輸出是依靠一根數(shù)據(jù)線來完成的；而且每一片DS2438都擁有唯一的64位序列號，可以通過查詢序列號的方式進行通信，以便實現(xiàn)一條總線上連接多個DS2438。
    電能質(zhì)量管理芯片DS2438的檢測外接電路如圖3所示。

    蓄電池電壓通過電阻分壓后連接到DS2438的Vad端，因為電能芯片電壓輸入范圍是0～10 V，蓄電池的電壓大小的24V，分壓電路如圖4所示。電能芯片的電流測量輸入端(Vsens+，Vsens-)的電壓范圍是-125～+125 mV。本設(shè)計采用萊姆公司的電流傳感器LA200-P，變比為2000：1，能夠?qū)?00A范圍內(nèi)的電流精確縮小至100mA范圍內(nèi)，再將其通過1Ω精密電阻R4輸入給電能芯片，如圖3所示。

    具體的計算測量和修正處理將通過處理器的相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)。電流I和電量Remaining Capaeity分別由式(1)和式(2)進行計算：
   
    其中，Current Register為電流寄存器的值，ICA為電流累加器的值。
1．2 電流傳感器
    由于本系統(tǒng)測量的是大功率蓄電池電量，而電量質(zhì)量管理芯片一般是用來測量容量和放電電流比較小的電池，所以必須選擇合適的電流傳感器以保證測量精度與測量范圍。蓄電池用于啟動電機產(chǎn)生100A以上的大電流，蓄電池的容量大小為110Ah，通過電流傳感器LA200-P使大功率蓄電池能夠采用普通小容量電池的測量方法進行測量，達到精確測量的目的。
    LA200-P憑借工作穩(wěn)定、性能良好、使用壽命長等優(yōu)點，成為變頻廠家和不間斷電源生產(chǎn)廠家的首選，在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于電流測量。LA200-P在電池管理、轉(zhuǎn)向和剎車控制等方面具有顯著優(yōu)勢。如圖3所示，LA200-P的電源為±15V，能夠測量正負電流，輸出為電流形式，電流流經(jīng)電阻R4產(chǎn)生壓降傳給電能芯片。[!--empirenews.page--]

2 軟件設(shè)計
    蓄電池的狀態(tài)檢測系統(tǒng)由電能芯片測試程序、顯示程序、存儲器讀寫程序、通信程序4個主要部分組成。電能芯片測試程序?qū)崿F(xiàn)了電池電壓、電流、電量、溫度的測量，是軟件程序的重點。顯示程序主要實現(xiàn)測量結(jié)果的實時顯示以及報警系統(tǒng)的輸出。存儲器讀寫程序完成對電量的存取和對重要數(shù)據(jù)表的保存，用于精確測量結(jié)果。通信程序則主要完成單片機與上位機的通信，保證人機界面的實現(xiàn)。本文主要介紹電能質(zhì)量管理芯片的電量測試程序。
    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(Integrated Current Accumulator，ICA)。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R4上的電壓獲得的。根據(jù)此值的正、負，將此值與ICA寄存器中的值相加或相減。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R4上的電壓，剩余電量可由式(2)計算得出。
    ICA寄存器格式如下：

    電量寄存器的讀取與電量的換算函數(shù)如下：



結(jié)語
    本文主要采用小容量電池狀態(tài)的精確測量方法來完成大功率蓄電池的狀態(tài)測量，實現(xiàn)了對大功率蓄電池電流、電壓、電量及溫度的測量。電能質(zhì)量管理芯片DS2438從根本上改變了蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，真正實現(xiàn)了就地采集，提高了測量精度和抗干擾能力，使電池剩余電量的監(jiān)測變得精確可靠。實時監(jiān)測電池的狀態(tài)，將有利于蓄電池的循環(huán)使用，并有效提高蓄電池的維護水平。