基于MSP430鋰電池充放電系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

林 蔚

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建漳州 363000)

0 引言

近年來，隨著便攜式設(shè)備的快速發(fā)展，使得可循環(huán)充放電的電池得到了廣泛的應(yīng)用.鋰離子電池憑借著使用壽命長等優(yōu)勢在眾多電池材料中脫穎而出[1]，但由于鋰電池本身有著較為復(fù)雜的化學(xué)性質(zhì)，過充、過放、過流以及短路都會影響電池的壽命損害電池性能甚至出現(xiàn)安全事故.因此需要設(shè)計一款安全有效的鋰電池充放電系統(tǒng)對鋰電池組的各項參數(shù)進行實時監(jiān)控測量，從而實現(xiàn)對整個鋰電池組的保護.

我國電池管理系統(tǒng)的研究正處于發(fā)展階段，蘇州興恒電力有限公司率先研究開發(fā)了應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的鋰離子動力電池組及其管理系統(tǒng)；北京航空航天大學(xué)設(shè)計的系統(tǒng)不僅可以完成溫度、電流、電壓的常規(guī)采集，同時增加了荷電狀態(tài)估算以及電池健康狀態(tài)的管理等功能[2-3].但目前鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計存在功能單一，硬件采樣電路復(fù)雜，無法實現(xiàn)實時監(jiān)控與管理等不足.

針對以上問題，提出了一款鋰電池充放電管理系統(tǒng)，其具有以下優(yōu)點：根據(jù)BQ76930芯片進行電池電壓和電流的采集，電路設(shè)計簡單，多參數(shù)實時采集，控制充放電回路智能保護電路[4-5]，多功能綜合，使得電池能夠正常地進行充放電，提高鋰電池的工作性能和使用壽命.

1 總體設(shè)計

本設(shè)計為6串1并的鋰電池充放電管理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)主要由單片機、電池前端采集芯片、6顆18650的鋰電池電芯、LED顯示模塊、USB轉(zhuǎn)串口通訊以及上位機組成，系統(tǒng)整體框架如圖1所示.鋰電池充放電系統(tǒng)的設(shè)計選用MSP430系列的單片機作為系統(tǒng)的控制芯片，在硬件電路中分別對電壓采集部分、電流采集部分以及溫度采集部分進行功能設(shè)計，通過BQ76930芯片完成對6串1并的鋰電池組每一節(jié)電芯的電壓、電流以及溫度等關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測.在保護電路中設(shè)計了充放電回路的控制電路，對這些采集部分加以保護，防止鋰電池在使用過程中出現(xiàn)過度充電、過度放電、電流過大以及短路等現(xiàn)象，保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定安全的工作狀態(tài).與此同時通過外部通信接口，將采集部分檢測到的主要參數(shù)通過串口通訊,可以進行電路擴展發(fā)送給上位機進行數(shù)據(jù)顯示.本系統(tǒng)可以延長鋰電池的使用壽命，提高鋰電池能源的利用率，降低鋰電池在使用過程中的安全隱患.

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 硬件電路設(shè)計

本文主要對系統(tǒng)的硬件部分進行設(shè)計，包括了以下幾個部分：

(1)數(shù)據(jù)采集部分.數(shù)據(jù)采集部分完成鋰電池電壓、電流以及溫度等主要參數(shù)的采集，分別設(shè)計了專門的采集電路，采集精度較高，通過采集到的數(shù)據(jù)完成對鋰電池狀態(tài)信息的實時監(jiān)控.

(2)保護模塊.通過數(shù)據(jù)采集部分采集來的數(shù)據(jù)，搭建了過壓保護、欠壓保護、過流保護以及短路保護等電路，保證鋰電池處于安全的工作狀態(tài)，延長了鋰電池的使用壽命.

2.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

采用MSP430單片機為主控芯片，MSP430系列單片機是一種新型的16位單片機，主要特點就是功耗小，速度快，共有27條指令，多個寄存器供使用，可進行多種運算[6].由3.3 V的電源供電，P1.1和P1.2口接外部通訊數(shù)據(jù)口RXD和TXD，P1.4接開關(guān)信號源T Trig，P1.5接報警引腳ALERT，P2.1、P2.2和P2.3分別接三個綠色LED燈，P3.5接DCH保護恢復(fù)條件，P1.6和P1.7接時鐘線SCL和雙向數(shù)據(jù)線SDA，RST和TEST接程序燒寫口，MSP430G2553控制電路如圖2所示.

圖2 MSP430G2553控制電路圖

2.2 采集模塊電路設(shè)計

2.2.1 電壓采集電路設(shè)計 采用BQ7693003芯片實現(xiàn)電池電壓A/D采樣，電池電壓的計算公式如公式1所示[7]，其中電壓值存儲14位的寄存器中，寄存器的數(shù)據(jù)格式為10-XXXX-XXXX-1000，在芯片出廠的時候已經(jīng)校正，GAIN增益值為8.44 μV，offset偏移值為0 V.ADCcell是利用BQ7693003芯片的VC1到VC10引腳采集到的ADC值.

Vcell=GAIN*ADCcell+offset

(1)

圖3為電壓采集電路圖，BAT是芯片供電的引腳，接的是最高節(jié)電池的正極，VCO-VC1采樣第一節(jié)電池，VC2-VC4采樣第二節(jié)電池，VC5采樣第三節(jié)電池，VC5B引腳作為高5節(jié)電池的基準(zhǔn)，VC6采樣第四節(jié)電池，VC7-VC9采樣第五節(jié)電池，VC10采樣第六節(jié)電池.電阻R12、R18、R20、R24-R26以及電容C7、C8、C10-C15構(gòu)成RC濾波器電路，連接在每一個電池電壓的輸入端口，該電路的作用是過濾輸入噪聲，提高電池電壓采集精度.各節(jié)電芯電壓由BQ79630采集后傳送至MSP430.

圖3 電壓采集電路圖

2.2.2 電流采集電路設(shè)計 測量電流i方法是通過歐姆定律求得，對檢流電阻R兩端的電壓u進行采樣，通過i=u/R可計算出流經(jīng)該電阻的電流.取樣后通過放大，采用ADC方法能得到線性的變化，電阻上的電流與電壓成正比.短路電流檢測電壓及時間的配置保護寄存器protecion1用于設(shè)計短路電流和延遲.其中4-3位為短路延時時間，2-0位為短路電流.過流電壓及時間的配置保護寄存器protecion2用于設(shè)置電流值和延遲時間.其中6-4位為過流延遲時間，3-0位為過流電流.

本設(shè)計選用的精密電阻只有1 mΩ且誤差為1%.測量原理是在電流采樣引腳兩端串接一個精密電阻R49，當(dāng)電路進行充放電時精密電阻R49兩端會產(chǎn)生一個電壓，通過測量這個電壓值就可以準(zhǔn)確計算出該電路的電流值.C18、C19、C20、R43、R44構(gòu)成一個濾波器的作用,通過此電路濾除輸入產(chǎn)生的干擾信號,大大提高了回路電流的采集精度，使得電路更加地穩(wěn)定.電流數(shù)據(jù)由MSP430通過I2C總線從BQ76930中讀取，電流采集電路圖如圖4中所示.

圖4 電流采集電路圖

2.2.3 溫度采集電路設(shè)計 溫度值由BQ7693003芯片的溫度檢測模塊對外接的NTC阻值采樣，用TS2引腳來連接熱敏電阻.電池里的熱敏電阻的阻值會跟隨著電池溫度變化，采集點的電壓值也會隨著溫度變化，溫度采集每隔2 s采樣一次，根據(jù)采樣到的電壓值，根據(jù)分壓比換算成電阻值，熱敏電阻的阻值的計算如公式2，其中VTSX值的計算如公式3，將采集到ADC轉(zhuǎn)為十進制小數(shù)，382uV/LSB表示一個ADC值對應(yīng)382 uV電壓，再代入公式2進行計算則得出熱敏電阻的阻值[8].根據(jù)熱敏電阻的阻值和電池溫度表查表獲取溫度值[9].

Rrs=(10 000*VTSX)+(3.3-VTSX)

(2)

VTSX=(ADCinDecimal)*382uV/LSB

(3)

2.3 保護電路設(shè)計

2.3.1 正端回路電路設(shè)計 正端回路保護[10]是將放電正端和電池正端通過兩個20 A的保險絲并聯(lián)相接,可承受40 A的放電電流，預(yù)防放電MOSFET管損壞導(dǎo)致電芯直接短路.

2.3.2 負(fù)端回路電路設(shè)計 放電負(fù)端和電池負(fù)端分別接了充電的MOSFET管和放電的MOSFET管，通過控制BQ76930 CHG和DSG引腳上的電平高低來實現(xiàn)充放電MOSFET管的的通斷.在系統(tǒng)常規(guī)運行的條件下，BQ76930芯片上CHG與DSH引腳都置高,充電MOSFET管和放電MOSFET管工作在導(dǎo)通狀態(tài),系統(tǒng)可任意地進行充電或者放電.當(dāng)CHG引腳為高電平時，Q7導(dǎo)通，從而控制Q11、Q13的導(dǎo)通，鋰電池進入充電狀態(tài)；當(dāng)DSG引腳為高電平時，Q10、Q12導(dǎo)通，鋰電池開始進行放電.鋰電池組進行充電和放電時各使用了兩個型號為NCEP40T15GY的MOSFET管,目的是為了增大放電的電流以及增強電路的驅(qū)動能力，圖5為負(fù)端回路電路圖.

圖5 負(fù)端回路電路圖

3 軟件設(shè)計

軟件程序設(shè)計首先將系統(tǒng)初始化，開關(guān)確定為輸出狀態(tài)時，系統(tǒng)開始檢測電壓、電流、溫度等參數(shù)，再進行判斷是否達到保護條件，當(dāng)滿足保護條件時開始執(zhí)行保護動作，如果沒滿足保護條件系統(tǒng)直接進入休眠判斷，系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、保護模塊及休眠控制模塊程序設(shè)計.

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊主要有電壓采集、電流采集、溫度采集.MSP430G2553單片機通過BQ7693003芯片和NTC阻值完成電壓和溫度采集任務(wù).利用BQ7693003芯片，通過A/D轉(zhuǎn)換器將鋰電池的電壓、電流、溫度模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，利用定時采集的方式，每間隔一段進行采樣，獲得鋰電池的參數(shù)信息.首先開始判斷是否過了100 S，如果過了100 S就從BQ7693003芯片獲取狀態(tài)與溫度寄存器，將溫度寄存器值轉(zhuǎn)換為溫度值，再從BQ7693003芯片獲取電芯電壓寄存器，將電壓寄存器值轉(zhuǎn)換為電壓值，又從BQ7693003芯片獲取電流寄存器值，將電流寄存器值轉(zhuǎn)換為電流值.如果條件不滿足則將返回主程序(圖略).

3.2 保護模塊的軟件設(shè)計

鋰電池的過充、過放、短路的保護特別重要，因此需要對鋰電池的工作狀態(tài)進行實時判斷，從而發(fā)出相應(yīng)的指令，所以判斷保護條件的程序?qū)τ谡麄€系統(tǒng)是非常重要的.

首先系統(tǒng)開始判斷是否觸發(fā)了電壓的相關(guān)保護，觸發(fā)了就設(shè)置電壓保護位標(biāo)志，否則就接下去判斷是否達到電壓保護恢復(fù)條件，如果達到電壓保護恢復(fù)條件就清除相應(yīng)電壓保護標(biāo)志位，繼續(xù)判斷是否觸發(fā)電流相關(guān)保護，如果滿足電流相關(guān)保護條件就設(shè)置相應(yīng)電流保護標(biāo)志位，否則判斷是否觸發(fā)溫度相關(guān)保護，如果溫度相關(guān)保護條件滿足就設(shè)置相應(yīng)溫度保護標(biāo)志位，否則繼續(xù)判斷是否達到溫度保護恢復(fù)條件，如果條件滿足就清除相應(yīng)溫度保護標(biāo)志位，否則根據(jù)保護標(biāo)志操作充放電管狀態(tài)，結(jié)束后返回主程序.保護條件判斷流程圖如圖6所示.

圖6 保護條件判斷流程圖

其中電流短路的放電門限及短路放電電流恢復(fù)，為了能夠短路保護和檢測保護使能.過載放電門限和過載放電恢復(fù)，充電過流保護使能；電芯過壓是電池過壓保護使能；電芯欠壓是電池欠壓保護使能.保護包括為放電時的低溫保護使能，充電時的低溫保護使能，放電時的過溫是放電過溫保護使能，充電時的過溫為充電過溫保護使能.

4 調(diào)試與分析

關(guān)于測試產(chǎn)品，本文采用應(yīng)用范圍較廣的比較典型的鋰離子電芯--SAMSUNG公司生產(chǎn)的型號為INR18650-25R的鋰離子電芯作為測試產(chǎn)品[11].該型號的電芯單節(jié)容量為2 500 mAH；額定電壓為3.6 V；內(nèi)阻為20 mΩ；充電飽和電壓為4.2 V；放電截止電壓為2.5 V；充電電流為1 A；放電電流為1.25 A；最大放電電流為30 A，通過鋰電池充放電系統(tǒng)對電池組進行檢測，將每一節(jié)電芯實際的電壓值與采集來的電壓值進行比較分析，測量數(shù)據(jù)如表1所示，由表中數(shù)據(jù)可知采樣電壓值與實際值誤差很小，幾乎相等，電池組實際總電壓為25.08 V，系統(tǒng)采集到的總電壓為24.93 V，電芯實際電壓與采集電壓的誤差控制在1%以內(nèi)，由此可以看出該系統(tǒng)具有較高的采集精度.

表1 測量數(shù)據(jù)表

電池包由鋰離子電芯、充放電控制、采集模塊、保護模塊、通信模塊等組成，電池包額定電壓為21.6 V，額定容量為2 500 mAh，輸出電壓最小值為16.5 V，輸出電壓最大值為25.2 V，最大持續(xù)輸出電流值為23 A，內(nèi)阻為120 mΩ，正常運行電流值為3 mA,休眠電流值為5 μA.此設(shè)計的充電設(shè)備選用為電源適配器，放電設(shè)備選用為24 V的小風(fēng)扇，實驗過程具體介紹如下：

在放電實驗中，電池包滿電狀態(tài)，LED1、LED2、LED3常亮，將電路板上放電端口的正負(fù)極和小風(fēng)扇的正負(fù)極相連，打開電源開關(guān)，電池包進入放電狀態(tài)，小風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動.電池包在放電過程中電池的電壓隨著放電時間的增加而逐漸降低，當(dāng)電池包電壓達到電壓保護值的時候，放電MOS管切斷放電回路，避免電池包處于欠壓狀態(tài).在充電實驗中，將電路板上充電端口的正負(fù)極和電源適配器的正負(fù)極相連，電池包采用CC-CV的方式充電.首先使用恒定的電流進行充電，鋰電池快充滿時，使用恒定的電壓進行充電，充電電流不斷減小，當(dāng)電池包電壓達到充電電壓保護值的時候，充電MOS管關(guān)斷充電回路，避免電池包處于過壓狀態(tài).

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用MSP430為控制器，BQ76930為電池模擬前端，完成了對電池電壓、電流以及溫度等參數(shù)的實時采集；控制充放電回路為鋰電池提供硬件以及軟件方案的保護，對鋰電池過壓、欠壓、過流以及短路具有顯著的保護作用，實現(xiàn)對鋰電池進行保護、監(jiān)控和管理，實時反應(yīng)鋰電池的工作狀態(tài)，防止鋰電池過充過放，避免電池?fù)p壞，提高系統(tǒng)安全性和可靠性，從而提高鋰電池的工作性能和使用壽命.不足之處：目前只能通過電池組電壓的大小來判斷鋰電池的電量以及系統(tǒng)并沒有均衡管理的能力，今后可以對此加以改進，首先增加SOC電池剩余電量的估算功能，實時計算出當(dāng)前電池所剩余的電量，對鋰電池起到調(diào)節(jié)和保護的作用.其次是加入均衡管理[12]的功能，對控制電路進行均衡設(shè)計，使每節(jié)鋰電池的電壓偏差控制在合理的范圍內(nèi)，通過讓每節(jié)鋰電池保持相同的工作狀態(tài)，從而更好地保護鋰電池.