用電池監測芯片實現多功能智能充電器

1 概述

電動車的儲能技術(蓄電池)、能量轉換技術(充放電控制裝置)是兩項重大技術關鍵，而儲能和驅動效果的優劣，取決于能量轉換技術的先進程度，同時也決定了電動車的實用性、可靠性、經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、設計、材料、工藝以外，另一個關鍵的技術是蓄電池的充電技術。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動部分效率的提高占的比例較小。也就是說，絕大多數的電池提前報廢，是充電方法不當而充壞的。因此，研制和開發高水平、高性能、高質量的電動車充電器，是促進我國電動車技術和產業化發展的重要一環。

2 多功能智能充電器的設計思想

智能充電器與傳統的充電器有著本質的不同。傳統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也只停留在人工數學模擬的水平上，即按照事先設定好的數學模型，分多階段去逼近它，這種技術本質上還是恒流充電，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，就可實現蓄電池充電器的多功能性，可實現對不同種類的電池，選用不同的充電模式進行充電。

我們設計了一種基于專用電池監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和獨特的測量技術對被充蓄電池充電前和充電過程中的技術狀態隨時進行測量，運用人工智能技術進行綜合分析判斷并加以控制，使電能快速地轉換成化學能以達到最佳效果的充電方法。此專用電池監測芯片就是多被用于電池管理系統的DS2438.

3 測量技術在多功能智能充電器中的應用

DS2438 是美國Dallas 公司近年生產的BatteryMonitor 系列芯片的一種專門用于電池檢測的微電子芯片，該芯片內部集成了溫度傳感器、A/D 轉換器、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的測量

DS2438 內置了一個十位的電壓A/D 轉換器，用于測量電池的端電壓。當DS2438 收到轉換電壓的命令時，片內A/D 轉換器將對VAD 引腳上的電壓進行數字轉換，轉換時間為4ms.電壓測量結果將被保存在兩字節的電壓寄存器。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進行測量。

3.2 充電過程中電池電流參數的測量

DS2438 內置了一個電流A/D 轉換器，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電池的電流。DS2438 電流A/D 轉換器每隔27.46ms 自動進行一次測量轉換，測量的結果保存在內部電流寄存器中，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載，若將它用于電動車蓄電池的充、放電系統，應采用必要的有源濾波、數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 芯片得以準確的測量充、放電回路中電池的電流參數。

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。根據此值的正、負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，使用此功能可設計出性能更加優異的充電器。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具有實時監測充、放電過程中電池電量的功能，并在充電過程中能根據已充電量的大小決定進入相應的充電狀態。特別在充電開始時，應能根據蓄電池的放電深度(剩余電量的大小)來控制采用相應的充電方式。例如，對于被深度放電的電池，應先采用小電流修復充電，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的測量

在充電過程中，電池的溫度是一個需十分關注的參數。例如：鉛酸蓄電池的電壓具有負溫度系數，其值為-4mV/℃。對于一個在環境溫度為25℃時，工作很理想的充電器，當環境溫度降到0℃時，電池就不能充足電，當環境溫度升高到50℃時，電池將因嚴重過充電而縮短壽命。因此好的充電器應具有溫度檢測功能，并能根據不同的環境溫度調整充電過程中的各轉換電壓值。同時，充電器應具有溫度保護的功能，在充電過程中，當電池溫度超出限定的溫度范圍時，充電器應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，測量的結果放入內部溫度寄存器中，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 智能充電器電路設計

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

圖1 充電器原理結構框圖