电动自行车锂电池充放电保护方案

1、电动自行车锂电池充放电保护方案发布时间:2007年7月3日 点击次数:414 来源:利尔达科技有限公司技术部 张军元 作者: 摘要：本文从电动自行车能源转变趋势论述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3设计电动自行车的锂电池充、放电保护电路的方案。该方案从系统架构、充放电电路、检测及保护电路设计的每一个细节论述设计的全过程,为电动自行车电源的设计者提供了比较全面的参考。关键词：MSP430F20X3,超低功耗,锂电池,电动自行车,充电方式随着电动自行车使用的逐渐普及,电动自行车的能源也成为众人关心的焦点。以前所使用的铅蓄电池体积大,质量重且不回收会污染环境,而锂离子电池正在成为铅蓄电池的

2、替代品,它以具有较高的能量重量比和能量体积比,无记忆效应,可重复充电次数多,使用寿命较长的优点成为电动自行车的首选能源。目前应用于电动自行车的多为3并10串或4并10串电池组。 但它对充电器、保护电路的要求比较苛刻。要求较高的控制精度(精度高于1),充电方式是恒流恒压方式,有过压充电保护。且能对于电压过低的电池进行预充,充电终止检测除电压检测外,还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施,如检测电池温度、限定充电时间,为电池提供附加保护。采用集成度高,超低功耗的MSP430F20X3系列的单片机做此方案具有优势。MSP430F20X3系列为高速、低功耗、模数混合信号单片机,集成度高,功能强,

3、体积小,低功耗。它适用于小型产品设计中寻求较高精度测量的应用。MSP430F2013的结构特性 与其它类型的单片机相比,MSP430F20X3系列有以下特性：*低电压范围1.83.6V;*超低功耗五种省电模式;*从待机到唤醒不超过1mS;*16位精简指令集;*带2个捕获/比较寄存器的16位定时器TimerA_2;*集成差分PGA输入和内部参考电压的16位A/D;*通用串行接口(USI),支持SPI和I2C;*电源电压监测。系统架构本方案所需要外加的外围电路少,结构简洁。可进行完善的过流、过压以及超温保护,显示充电管理过程。结构框图如图1。图1 充放电保护结构框图充电/放电控制电路充电控制电路设

4、计的核心是利用PWM控制MOSFET管的导通,MSP430F20X3系列时钟频率最高为16MHz。如果取PWM分辨率为9位,MOSFET管工作频率为/512=32768 (Hz),在音频范围外,不会产生噪声。考虑到脉冲宽度与电源的输出并非线性关系,电源输出最多能控制到1/256,完全满足设计精度的需要。原理图如图2。图2 PWM控制充电电路此外必须选择适合的MOSFET,一般选择一些高速、导通电阻小、最大漏极电流大器件的,如ROHM的RTF020P02。电池组电压/电流/温度检测电路由于MSP430F20X3系列的指令速度可达16MIPS,且SD_16的采样速度为4kSPS,而且电池电压/电流

5、/温度变化缓慢,因此对电池组中单节电池电压/电流/温度检测采用轮回检测即可完全满足系统设计需要;16位的高精度保证了对每节电池温度、恒流、恒压等要求的准确控制。对单节锂电池充电的曲线如图3。图3 单节锂电池充电的曲线结语基于混合信号的MSP430F20X3系列MCU支持高频PWM工作(32kHz)、高速响应(纳秒级响应),并可将滤波器件的尺寸缩到最小。此外,系统还可以准确判断充电的不同阶段设定充电电流。对低成本充电器提供强有力的MCU 解决方案。参考文献:1. MSP430X20X3 MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER,Texas Instruments 2006.52. 周志敏、周纪海、纪爱华, 充电器电路设计与应用,人民邮电出版社,2005年10月3. 李建保、李敬锋,新能源材料及其应用技术-锂离子电