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。

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。

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：