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電動自行車鋰電池充放電保護方案

發(fā)布時間:2010-10-19 閱讀量:2599 來源: 發(fā)布人:

中心議題:
??? * 電動自行車能源轉(zhuǎn)變趨勢
??? * 采用MSP430F20X3設(shè)計鋰電池充放電保護電路
解決方案:
??? * MOSFET宜選擇高速、導(dǎo)通電阻小、最大漏極電流大的
??? * 單節(jié)電池電壓/電流/溫度檢測采用輪回檢測技術(shù)


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

隨著電動自行車使用的逐漸普及,電動自行車的能源也成為眾人關(guān)心的焦點。以前所使用的鉛蓄電池體積大,質(zhì)量重且不回收會污染環(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)點成為電動自行車的首選能源。

目前應(yīng)用于電動自行車的多為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。且能對于電壓過低的電池進行預(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、限定充電時間,為電池提供附加保護。

采用集成度高,超低功耗的MSP430F20X3系列的單片機做此方案具有優(yōu)勢。MSP430F20X3系列為高速、低功耗、模數(shù)混合信號單片機,集成度高,功能強,體積小,低功耗。它適用于小型產(chǎn)品設(shè)計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;
·從待機到喚醒不超過1mS;
·16位精簡指令集;
·帶2個捕獲/比較寄存器的16位定時器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??蛇M行完善的過流、過壓以及超溫保護,顯示充電管理過程。結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 充放電保護結(jié)構(gòu)框圖

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充電/放電控制電路
充電控制電路設(shè)計的核心是利用PWM控制MOSFET管的導(dǎo)通,MSP430F20X3系列時鐘頻率最高為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,不會產(chǎn)生噪聲。考慮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有力的MCU 解決方案。

參考文獻:
1. MSP430X20X3 MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER,Texas Instruments 2006.5
2. 周志敏、周紀(jì)海、紀(jì)愛華, 充電器電路設(shè)計與應(yīng)用,人民郵電出版社,2005年10月
3. 李建保、李敬鋒,新能源材料及其應(yīng)用技術(shù)--鋰離子電池、太陽能電池及溫差電池,清華大學(xué)出版社,2005年11月
4. 薛永毅,新型電源電路應(yīng)用實例,電子工業(yè)出版社,2001年10月
5. 現(xiàn)代電源設(shè)計,華興經(jīng)濟情報研究所
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