基于DS2438的大功率蓄电池状态检测

摘要：介绍一种大功率蓄电池状态检测方法，通过电能质量管理芯片DS2438测量蓄电池的充放电电流值，并对其时间进行积分来估算蓄电池的充放电电量。以微控制器STC89C51为核心通过控制电能质量管理芯片及外围电路，实现对蓄电池的电压、电流以及电量的精确测量。
关键词：蓄电池；DS2438；STC89C51；电能管理

引言
    蓄电池的容量是指蓄电池目前充电状况的等级，相当于蓄电池实际能够放出容量的大小，也就是对蓄电池保有容量(剩余容量)的多少进行检测，主要有密度法(比重法)、安时计、内阻法(电导法)等。本设计方案采用安时计进行电池电量检测，是通过一种电能质量管理芯片对电池充放电流进行记忆控制，能够精确计算电池充放电电量，解决了传统电量检测方法中由于电量的不准确测量使电池过充、过放，而影响电池的使用寿命的问题。电能质量管理芯片能够同时对单体蓄电池的电压、电流及温度进行实时监测，从而对单体蓄电池进行充放电管理。本设计充分地保护了蓄电池，有利于延长蓄电池的使用循环次数，具有很高的应用价值。

1 硬件设计
    本系统可以测量蓄电池的端电压、电池温度、蓄电池放电电流、电池电量等，而且测量数据可在LED上显示、存储并上传至PC机。在电池电量测量方面，系统通过软件对传感器的非线性、温度等影响进行修正和补偿，与传统的检测装置相比具有稳定性好、准确性高等优点，同时还有报警功能。
    系统结构框图如图1所示。单片机STC89C51为整个系统的核心，它既可通过智能电池监测芯片DS2438完成对蓄电池的采样控制和数据处理，又可负责人机对话、输入控制命令、设置参数、输出显示以及输出报警信号。本系统通过RS-232通信口与上位机进行通信，上位机可用VB语言编制通信界面，也可对单片机发送控制命令。同时为了保存电量信息，采用存储芯片AT24C02保存每次计算后的电量值和相关数据。显示系统采用共阳数码管，报警系统采用二极管，用继电器对电流传感器进行保护。

1．1 电能芯片管理电路
    DS2438芯片是Maxim公司推出的智能电池监测芯片，是一种十分小巧、快速、精确的电池检测芯片。它具有功能强大、体积小、硬件接线简单等优点，可以方便地实现对蓄电池组运行状态的监测。DS2438的引脚排列如图2所示。GND接地，Vsens+、Vsens-为电池电流输入端，Vad为电池电压输入端，Vdd为电源输入端，NC悬空，DQ为数据输入输出端。

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    该电能管理芯片能够实现温度、电压、电流以及电量的测量，具体参数如下：
    ①温度测量。DS2438可以通过片内集成的温度传感器测量温度值，测量的温度范围为-55～+125℃，分辨率为0．031 25℃。
    ②电池电压测量。DS2438片内集成有10位A／D转换器，可以检测当前电池的电压值。测量范围是0～10V，分辨率为10mV。
    ③电池电流测量。DS2438通过测量外接电阻Rsens上的电压来测量流经电池上的电流，将参考电阻Rsens上的电压值采样送至电流寄存器中，电池电流等于电流寄存器中的值／(4 096×Rsens)，而且专门设置了补偿寄存器以消除转换误差。
    ④剩余电量的跟踪。DS2438能利用集成电流累加器(ICA)对电池的剩余电量进行跟踪。ICA中保存着流经电池的总电流，可以反映出电池的电量。
    ⑤DS2438是单总线工作方式，数据的输入、输出是依靠一根数据线来完成的；而且每一片DS2438都拥有唯一的64位序列号，可以通过查询序列号的方式进行通信，以便实现一条总线上连接多个DS2438。
    电能质量管理芯片DS2438的检测外接电路如图3所示。

    蓄电池电压通过电阻分压后连接到DS2438的Vad端，因为电能芯片电压输入范围是0～10 V，蓄电池的电压大小的24V，分压电路如图4所示。电能芯片的电流测量输入端(Vsens+，Vsens-)的电压范围是-125～+125 mV。本设计采用莱姆公司的电流传感器LA200-P，变比为2000：1，能够将200A范围内的电流精确缩小至100mA范围内，再将其通过1Ω精密电阻R4输入给电能芯片，如图3所示。

    具体的计算测量和修正处理将通过处理器的相关程序实现。电流I和电量Remaining Capaeity分别由式(1)和式(2)进行计算：
   
    其中，Current Register为电流寄存器的值，ICA为电流累加器的值。
1．2 电流传感器
    由于本系统测量的是大功率蓄电池电量，而电量质量管理芯片一般是用来测量容量和放电电流比较小的电池，所以必须选择合适的电流传感器以保证测量精度与测量范围。蓄电池用于启动电机产生100A以上的大电流，蓄电池的容量大小为110Ah，通过电流传感器LA200-P使大功率蓄电池能够采用普通小容量电池的测量方法进行测量，达到精确测量的目的。
    LA200-P凭借工作稳定、性能良好、使用寿命长等优点，成为变频厂家和不间断电源生产厂家的首选，在各个领域广泛应用于电流测量。LA200-P在电池管理、转向和刹车控制等方面具有显著优势。如图3所示，LA200-P的电源为±15V，能够测量正负电流，输出为电流形式，电流流经电阻R4产生压降传给电能芯片。 [p]

2 软件设计
    蓄电池的状态检测系统由电能芯片测试程序、显示程序、存储器读写程序、通信程序4个主要部分组成。电能芯片测试程序实现了电池电压、电流、电量、温度的测量，是软件程序的重点。显示程序主要实现测量结果的实时显示以及报警系统的输出。存储器读写程序完成对电量的存取和对重要数据表的保存，用于精确测量结果。通信程序则主要完成单片机与上位机的通信，保证人机界面的实现。本文主要介绍电能质量管理芯片的电量测试程序。
    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(Integrated Current Accumulator，ICA)。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R4上的电压获得的。根据此值的正、负，将此值与ICA寄存器中的值相加或相减。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R4上的电压，剩余电量可由式(2)计算得出。
    ICA寄存器格式如下：

    电量寄存器的读取与电量的换算函数如下：



结语
    本文主要采用小容量电池状态的精确测量方法来完成大功率蓄电池的状态测量，实现了对大功率蓄电池电流、电压、电量及温度的测量。电能质量管理芯片DS2438从根本上改变了蓄电池监测系统的结构，真正实现了就地采集，提高了测量精度和抗干扰能力，使电池剩余电量的监测变得精确可靠。实时监测电池的状态，将有利于蓄电池的循环使用，并有效提高蓄电池的维护水平。