電動(dòng)自行車鋰電池充放電保護(hù)方案

摘要： 本文從電動(dòng)自行車能源轉(zhuǎn)變趨勢論述了采用超低功耗、高性能MSP430F20X3設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車的鋰電池充、放電保護(hù)電路的方案。該方案從系統(tǒng)架構(gòu)、充放電電路、檢測及保護(hù)電路設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)論述設(shè)計(jì)的全過程，為電動(dòng)自行車電源的設(shè)計(jì)者提供了比較全面的參考。

關(guān)鍵詞： MSP430F20X3，超低功耗，鋰電池，電動(dòng)自行車，充電方式

隨著電動(dòng)自行車使用的逐漸普及，電動(dòng)自行車的能源也成為眾人關(guān)心的焦點(diǎn)。以前所使用的鉛蓄電池體積大，質(zhì)量重且不回收會(huì)污染環(huán)境，而鋰離子電池正在成為鉛蓄電池的替代品，它以具有較高的能量重量比和能量體積比，無記憶效應(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，使用壽命較長的優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)自行車的首選能源。

目前應(yīng)用于電動(dòng)自行車的多為3并10串或4并10串電池組。 但它對充電器、保護(hù)電路的要求比較苛刻。要求較高的控制精度(精度高于1％),充電方式是恒流恒壓方式，有過壓充電保護(hù)。且能對于電壓過低的電池進(jìn)行預(yù)充，充電終止檢測除電壓檢測外，還需采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施，如檢測電池溫度、限定充電時(shí)間，為電池提供附加保護(hù)。

采用集成度高，超低功耗的MSP430F20X3系列的單片機(jī)做此方案具有優(yōu)勢。MSP430F20X3系列為高速、低功耗、模數(shù)混合信號單片機(jī)，集成度高，功能強(qiáng)，體積小，低功耗。它適用于小型產(chǎn)品設(shè)計(jì)中尋求較高精度測量的應(yīng)用。

MSP430F2013的結(jié)構(gòu)特性

與其它類型的單片機(jī)相比，MSP430F20X3系列有以下特性：
*低電壓范圍1.8~3.6V；
*超低功耗五種省電模式；
*從待機(jī)到喚醒不超過1mS；
*16位精簡指令集；
*帶2個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器TimerA_2；
*集成差分PGA輸入和內(nèi)部參考電壓的16位A/D；
*通用串行接口(USI)，支持SPI和I2C；
*電源電壓監(jiān)測。

系統(tǒng)架構(gòu)

本方案所需要外加的外圍電路少，結(jié)構(gòu)簡潔。可進(jìn)行完善的過流、過壓以及超溫保護(hù)，顯示充電管理過程。結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1  充放電保護(hù)結(jié)構(gòu)框圖

充電/放電控制電路

充電控制電路設(shè)計(jì)的核心是利用PWM控制MOSFET管的導(dǎo)通，MSP430F20X3系列時(shí)鐘頻率最高為16MHz。如果取PWM分辨率為9位，MOSFET管工作頻率為16000000/512=32768 (Hz)，在音頻范圍外，不會(huì)產(chǎn)生噪聲?？紤]到脈沖寬度與電源的輸出并非線性關(guān)系，電源輸出最多能控制到1/256，完全滿足設(shè)計(jì)精度的需要。原理圖如圖2。

圖2 PWM控制充電電路

此外必須選擇適合的MOSFET，一般選擇一些高速、導(dǎo)通電阻小、最大漏極電流大器件的，如ROHM的RTF020P02。

電池組電壓/電流/溫度檢測電路

由于MSP430F20X3系列的指令速度可達(dá)16MIPS，且SD_16的采樣速度為4kSPS，而且電池電壓/電流/溫度變化緩慢，因此對電池組中單節(jié)電池電壓/電流/溫度檢測采用輪回檢測即可完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要；16位的高精度保證了對每節(jié)電池溫度、恒流、恒壓等要求的準(zhǔn)確控制。對單節(jié)鋰電池充電的曲線如圖3。

圖3 單節(jié)鋰電池充電的曲線

結(jié)語

基于混合信號的MSP430F20X3系列MCU支持高頻PWM工作(32kHz)、高速響應(yīng)(納秒級響應(yīng))，并可將濾波器件的尺寸縮到最小。此外，系統(tǒng)還可以準(zhǔn)確判斷充電的不同階段設(shè)定充電電流。對低成本充電器提供強(qiáng)有力的MCU 解決方案。

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