基于DS2438的大功率蓄電池電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

管州等

摘 要：介紹一種基于DS2438芯片為采集器，以STC89C51為控制器的大功率蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的剩余電量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，避免傳統(tǒng)的測(cè)試電壓代替剩余電量的方式。讓電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行時(shí)更為可靠，提高了電池性能。

關(guān)鍵詞：DS2438；STC89C51；剩余電量；大功率蓄電池

0 引言

當(dāng)前電動(dòng)車(chē)逐漸普及，蓄電池作為一種簡(jiǎn)單有效的儲(chǔ)電方式而被廣泛使用在電動(dòng)車(chē)中。而蓄電池的儲(chǔ)電能力有限，因此需要精確的計(jì)算剩余電量和續(xù)航路程，保證車(chē)子的正常行駛。目前蓄電池剩余電量的計(jì)算有很多種方法，例如密度法（比重法）、電壓法、安時(shí)法。傳統(tǒng)方法是測(cè)電池電壓代替電量，在啟動(dòng)時(shí)電流增大，端電壓降低，故剩余電量表的指針明顯偏轉(zhuǎn)，不能達(dá)到精確測(cè)量電量的目的。本系統(tǒng)的原理是安時(shí)法，能夠?qū)﹄娏鞣e分來(lái)記憶電池的充放電，測(cè)算電池電量，故而精確計(jì)算剩余電量。同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度、電壓等參數(shù)，有利于延長(zhǎng)蓄電池的循環(huán)使用次數(shù)。

1 DS2438芯片介紹

DS2438芯片被命名為 Smart Battery Monitor，是Maxim公司推出的智能電池監(jiān)測(cè)芯片，是一種十分小巧、快速、精確的電池檢測(cè)芯片。它具有功能強(qiáng)大、體積小、硬件接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部自帶A/D，通過(guò)單總線來(lái)讀取，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。DS2438的引腳排列如圖1所示。

1.1 溫度測(cè)量

DS2438內(nèi)集成的溫度傳感器。將芯片緊貼于被測(cè)電池就能夠測(cè)量溫度。結(jié)果放入溫度寄存器中，可通過(guò)單總線接口串行傳送。 DS2438測(cè)量的溫度范圍為-55℃～125℃，分辨率為0.03125℃。

1.2 電壓測(cè)量

DS2438內(nèi)置10位的電壓A/D轉(zhuǎn)換器，用于測(cè)量電壓。當(dāng)芯片收到轉(zhuǎn)換電壓的命令時(shí)，片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換器將對(duì)Vad管腳上的電壓進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為4ms。結(jié)果被保存在兩字節(jié)的電壓寄存器。電壓寄存器格式。

DS2438 ADC 的測(cè)量范圍為0～10V，分辨率為10mV，最大量程為0～10.23V。

1.3 電流測(cè)量

DS2438內(nèi)置電流A/D轉(zhuǎn)換器，用于測(cè)量蓄電池的電流。芯片通過(guò)VSENS+和VSENS-兩引腳之間電阻的電壓間接得出電流。測(cè)量系統(tǒng)硬件電路圖7。VSENS+接線端外接電阻R1，VSENS-端接RC低通濾波電路，濾除尖波電流干擾。電流A/D轉(zhuǎn)換器每工作頻率約為36Hz。結(jié)果保存在兩字節(jié)的電流寄存器中。最高位S為符號(hào)位，表示電池是充電還是放電。電流寄存器格式如圖5所示。

該寄存器存儲(chǔ)的實(shí)際數(shù)值是RSENS兩端的電壓值，電池電流可由下面的公式計(jì)算出來(lái)。

I=電流寄存器中的值/（4096*RESES）（RSENS的單位是Ω）

1.4 剩余電量的測(cè)量

DS2438集成電流累加器Integrated Current Accumu-lator（ICA），可以跟蹤測(cè)量電池的剩余電量。ICA是對(duì)電池組投入使用后的全部流入和流出電池進(jìn)行積分的一個(gè)電流寄存器，故ICA的值可以表示為電池的剩余電量。如上所述，電池組電流是通過(guò)頻率為36Hz的外接電阻RSENS上的電壓獲得的。根據(jù)此值的正、負(fù)而將此值進(jìn)行積分存儲(chǔ)在ICA寄存器中。ICA是一個(gè)8位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它綜合了每次測(cè)得的外接電阻RSENS上的電壓。

剩余電量可由下式計(jì)算得出：

剩余電量=ICA/（2048*RSENS）（Ahr）

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心，通過(guò)單總線對(duì)DS2438芯片進(jìn)行讀寫(xiě)，測(cè)算剩余電量、電壓、電流、溫度參數(shù)。加入了LCD1602液晶，可以對(duì)電池的剩余電量和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)充分利用了DS2438自帶的EEPROM進(jìn)行掉電保護(hù)，保存計(jì)算好的電量的值。

由于本系統(tǒng)測(cè)量的是大功率蓄電池組電量，而DS2438是用來(lái)測(cè)量容量和電流比較小的電池，所以必須選擇合適的電流傳感器以保證測(cè)量精度與測(cè)量范圍。在這里選擇了廣泛應(yīng)用于電流測(cè)量的LA200-P。啟動(dòng)電動(dòng)車(chē)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生幾十安倍的大電流，通過(guò)電流傳感器LA200-P使測(cè)量電路的電流變換為為主工作電路電流的2000分之一，LA200-P輸出為正負(fù)電流形式，且在DS2438的正常承受范圍之內(nèi)，能達(dá)到精確測(cè)量的目的。

電壓的測(cè)量時(shí)通過(guò)將被測(cè)的電壓通過(guò)分壓的方法將電壓的值限制在測(cè)量范圍內(nèi)（0-10.23V）。

關(guān)于電路中電阻R1的選擇，電流的最小位不同，會(huì)造成最小的單元表示的電量大小不同，從而造成能夠用一個(gè)字節(jié)表示不同電量大小。選取合適的值會(huì)有合適的精度和范圍，具體的取值和電量范圍可參照DATASHEET。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序主要由DS2438讀模塊，DS2438寫(xiě)模塊、顯示程序和上位機(jī)通信程序。

DS2438讀程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電壓、電流、電量和溫度的讀取，然后將讀到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)值，這是軟件的基礎(chǔ)部分。顯示模塊是基于LCD1602來(lái)顯示的，可以實(shí)時(shí)根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)來(lái)顯示參數(shù)。上位機(jī)通訊是為了和上位機(jī)或者他控制器進(jìn)行通信，具體的做法是將電壓、電流、電量和溫度這些參數(shù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)一維數(shù)組，然后通過(guò)UART通信協(xié)議來(lái)向外發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置好波特率，有相應(yīng)的開(kāi)始位和結(jié)束位，這樣方便上位機(jī)和其他控制器數(shù)據(jù)的接收。

最后重點(diǎn)介紹DS2438的寫(xiě)模塊。最初的程序不能對(duì)芯片進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)，這就沒(méi)有工程的實(shí)用性。因?yàn)槿绻荒軐?duì)芯片的電量寄存器ICA設(shè)置初始化的值，就意味著電量寄存器工作之后只能從零開(kāi)始，這樣蓄電池的初始值就只能設(shè)置成0，只能把電池放完電，然后接入芯片，這樣才能保證電量數(shù)據(jù)的正確性，但是這樣對(duì)電池的損害很大。基于這些考慮，對(duì)芯片的寫(xiě)數(shù)據(jù)必須實(shí)現(xiàn)，在和團(tuán)隊(duì)深入研究芯片的DATASHEET后，才發(fā)現(xiàn)這款芯片寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)是先寫(xiě)到緩存區(qū)，然后在復(fù)位脈沖的作用下才能寫(xiě)入指定的地址中，修改程序之后能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)芯片的寫(xiě)數(shù)據(jù)。且可以對(duì)電量寄存器的初值進(jìn)行設(shè)置和校正，同時(shí)DS2438芯片自帶40個(gè)字節(jié)的EEPROM，可以把想保存的數(shù)據(jù)寫(xiě)到這個(gè)區(qū)域而掉電保護(hù)，不需要用外部的EEPROM。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要講訴了使用測(cè)量小容量電量的芯片來(lái)測(cè)量大功率電量的方法，成功的實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的電流、電壓、電量和溫度的測(cè)量，并且充分利用該芯片的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的寫(xiě)數(shù)據(jù)，將該技術(shù)真正具有工程實(shí)用性。并且實(shí)現(xiàn)電量的精準(zhǔn)測(cè)算，對(duì)電動(dòng)車(chē)的續(xù)航能力有一定的預(yù)測(cè)，減少電量不足對(duì)電池的損害，有利于蓄電池的循環(huán)利用。

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項(xiàng)目名稱(chēng)：安徽大學(xué) 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于雙電源自由切換車(chē)內(nèi)安全監(jiān)控的電動(dòng)車(chē)的研究”。項(xiàng)目編號(hào)：201410357065。endprint