电动锂电池充放电保护方案

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。


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,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1.8~3.6V;

  ・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。

充放电保护结构框图充电/放电控制电路


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16000000/512=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。

 

PWM控制充电电路

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/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。

 

 

单节锂电池充电的曲线

图3 单节锂电池充电的曲线


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。对低成本电池充电器吉利彩票投注提供强有力的MCU 解决方案。

 

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