基于MSP430鋰電池充放電系統的設計與實現

林 蔚

(漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州 363000)

0 引言

近年來，隨著便攜式設備的快速發展，使得可循環充放電的電池得到了廣泛的應用.鋰離子電池憑借著使用壽命長等優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雜的化學性質，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安全事故.因此需要設計一款安全有效的鋰電池充放電系統對鋰電池組的各項參數進行實時監控測量，從而實現對整個鋰電池組的保護.

我國電池管理系統的研究正處于發展階段，蘇州興恒電力有限公司率先研究開發了應用于汽車領域的鋰離子動力電池組及其管理系統；北京航空航天大學設計的系統不僅可以完成溫度、電流、電壓的常規采集，同時增加了荷電狀態估算以及電池健康狀態的管理等功能[2-3].但目前鋰電池管理系統設計存在功能單一，硬件采樣電路復雜，無法實現實時監控與管理等不足.

針對以上問題，提出了一款鋰電池充放電管理系統，其具有以下優點：根據BQ76930芯片進行電池電壓和電流的采集，電路設計簡單，多參數實時采集，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 總體設計

本設計為6串1并的鋰電池充放電管理系統，整個系統主要由單片機、電池前端采集芯片、6顆18650的鋰電池電芯、LED顯示模塊、USB轉串口通訊以及上位機組成，系統整體框架如圖1所示.鋰電池充放電系統的設計選用MSP430系列的單片機作為系統的控制芯片，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計，通過BQ76930芯片完成對6串1并的鋰電池組每一節電芯的電壓、電流以及溫度等關鍵參數進行實時監測.在保護電路中設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過度充電、過度放電、電流過大以及短路等現象，保證系統處于穩定安全的工作狀態.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通過串口通訊,可以進行電路擴展發送給上位機進行數據顯示.本系統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 系統整體框架圖

2 硬件電路設計

本文主要對系統的硬件部分進行設計，包括了以下幾個部分：

(1)數據采集部分.數據采集部分完成鋰電池電壓、電流以及溫度等主要參數的采集，分別設計了專門的采集電路，采集精度較高，通過采集到的數據完成對鋰電池狀態信息的實時監控.

(2)保護模塊.通過數據采集部分采集來的數據，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，延長了鋰電池的使用壽命.

2.1 最小系統設計

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口接外部通訊數據口RXD和TXD，P1.4接開關信號源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保護恢復條件，P1.6和P1.7接時鐘線SCL和雙向數據線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 采集模塊電路設計

2.2.1 電壓采集電路設計 采用BQ7693003芯片實現電池電壓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，寄存器的數據格式為10-XXXX-XXXX-1000，在芯片出廠的時候已經校正，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，接的是最高節電池的正極，VCO-VC1采樣第一節電池，VC2-VC4采樣第二節電池，VC5采樣第三節電池，VC5B引腳作為高5節電池的基準，VC6采樣第四節電池，VC7-VC9采樣第五節電池，VC10采樣第六節電池.電阻R12、R18、R20、R24-R26以及電容C7、C8、C10-C15構成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，當電路進行充放電時精密電阻R49兩端會產生一個電壓，通過測量這個電壓值就可以準確計算出該電路的電流值.C18、C19、C20、R43、R44構成一個濾波器的作用,通過此電路濾除輸入產生的干擾信號,大大提高了回路電流的采集精度，使得電路更加地穩定.電流數據由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，根據采樣到的電壓值，根據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轉為十進制小數，382uV/LSB表示一個ADC值對應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 保護電路設計

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

2.3.2 負端回路電路設計 放電負端和電池負端分別接了充電的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充放電MOSFET管的的通斷.在系統常規運行的條件下，BQ76930芯片上CHG與DSH引腳都置高,充電MOSFET管和放電MOSFET管工作在導通狀態,系統可任意地進行充電或者放電.當CHG引腳為高電平時，Q7導通，從而控制Q11、Q13的導通，鋰電池進入充電狀態；當DSG引腳為高電平時，Q10、Q12導通，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動能力，圖5為負端回路電路圖.

圖5 負端回路電路圖

3 軟件設計

軟件程序設計首先將系統初始化，開關確定為輸出狀態時，系統開始檢測電壓、電流、溫度等參數，再進行判斷是否達到保護條件，當滿足保護條件時開始執行保護動作，如果沒滿足保護條件系統直接進入休眠判斷，系統程序設計主要包括數據采集模塊、保護模塊及休眠控制模塊程序設計.

3.1 數據采集模塊的軟件設計

數據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.利用BQ7693003芯片，通過A/D轉換器將鋰電池的電壓、電流、溫度模擬量轉為數字量，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芯片獲取狀態與溫度寄存器，將溫度寄存器值轉換為溫度值，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進行實時判斷，從而發出相應的指令，所以判斷保護條件的程序對于整個系統是非常重要的.

首先系統開始判斷是否觸發了電壓的相關保護，觸發了就設置電壓保護位標志，否則就接下去判斷是否達到電壓保護恢復條件，如果達到電壓保護恢復條件就清除相應電壓保護標志位，繼續判斷是否觸發電流相關保護，如果滿足電流相關保護條件就設置相應電流保護標志位，否則判斷是否觸發溫度相關保護，如果溫度相關保護條件滿足就設置相應溫度保護標志位，否則繼續判斷是否達到溫度保護恢復條件，如果條件滿足就清除相應溫度保護標志位，否則根據保護標志操作充放電管狀態，結束后返回主程序.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，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，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 調試與分析

關于測試產品，本文采用應用范圍較廣的比較典型的鋰離子電芯--SAMSUNG公司生產的型號為INR18650-25R的鋰離子電芯作為測試產品[11].該型號的電芯單節容量為2 500 mAH；額定電壓為3.6 V；內阻為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對電池組進行檢測，將每一節電芯實際的電壓值與采集來的電壓值進行比較分析，測量數據如表1所示，由表中數據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，由此可以看出該系統具有較高的采集精度.

表1 測量數據表

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，最大持續輸出電流值為23 A，內阻為120 mΩ，正常運行電流值為3 mA,休眠電流值為5 μA.此設計的充電設備選用為電源適配器，放電設備選用為24 V的小風扇，實驗過程具體介紹如下：

在放電實驗中，電池包滿電狀態，LED1、LED2、LED3常亮，將電路板上放電端口的正負極和小風扇的正負極相連，打開電源開關，電池包進入放電狀態，小風扇開始轉動.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.在充電實驗中，將電路板上充電端口的正負極和電源適配器的正負極相連，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，當電池包電壓達到充電電壓保護值的時候，充電MOS管關斷充電回路，避免電池包處于過壓狀態.

5 結語

本系統采用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，實現對鋰電池進行保護、監控和管理，實時反應鋰電池的工作狀態，防止鋰電池過充過放，避免電池損壞，提高系統安全性和可靠性，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，實時計算出當前電池所剩余的電量，對鋰電池起到調節和保護的作用.其次是加入均衡管理[12]的功能，對控制電路進行均衡設計，使每節鋰電池的電壓偏差控制在合理的范圍內，通過讓每節鋰電池保持相同的工作狀態，從而更好地保護鋰電池.