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