锂离子电池组监控系统研究与实现 — 系统硬件设计

目前，锂离子蓄电池组作为一种新能源，与传统的以镍隔，镍氢电池为储能核心的电源系统相比，存在以下问题：

⑴串联电池组由于各单体之间容量的差异引起的充电放电过程的不均衡。

⑵由于过充电，过放电，过电流或高温而引起的电池失效问题。

针对以上两个问题，提出以下设计目标：

⑴对锂离子电池组，实现充放电时电池之间的均衡，做到各单体电池之间电压与其平均电压的差不超过0.2V，实现充放电时对电池的保护。

⑵设计充放电控制电路，实现对锂离子电池组过充、过放以及短路保护。

3.1系统硬件总体结构

根据以上设计目标，系统总体方案框图如图3.1所示。本系统采用TI公司的MSP430F233为控制核心，包括电压、电流和温度采样电路、锂电池组的过充、过放、短路保护电路和均衡电路、串口通信电路以及相关外围电路等。



锂电池组在充放电的过程中，系统的信号检测电路实时地对电压、温度、电流等参数进行采集，同时采样到的信号送入AD转换器，经过A/D转换后的数据送入处理器，处理器读取转换结果后，将转换结果与系统预设的参数值进行比较，判断是否出现过压、过放或短路现象，以决定是否启动相应的保护措施。同时，根据需要，单片机可实时上传采集到的电压、电流、温度等参数给上位机，由上

位机处理后进行显示和存储。另外，上位机系统还可通过串口给单片机系统设置相关的系统参数和数据校正参数。

3.2单片机系统

单片机最小系统设计电路如图3.2所示，主要有电源电路、复位电路、外部振荡电路、均衡控制信号输出、充放电控制信号输出、短路保护中断输入、电压检测输入、电流检测输入、温度检测输入、多路模拟开关控制信号输出、指示和报警信号输出等。



3.2.1 MCU的选择

MCU是整个保护器系统的核心，根据系统设计的要求，MCU的选择必须具有强大的功能：低功耗、内部集成多路A/D转换器、支持SPI通信以及具有E 2 PROM等功能。TI公司的MSP430单片机以低功耗著称，其中MSP430F233芯片具有工作电压低、功耗低的特点，工作电压在1.8V～3.6V范围内，当该芯片以2.2V的电压正常工作时，其工作电流可以低到270uA，待机状态电流低至0.3uA，关断模式电流低至0.1uA.该芯片内部还包含了8路12位AD转换器，可以实现多路数据同时采集。除此之外，该芯片还包含一些外围接口，如UART串行口和SPI、IIC接口；JTAG下载调试接口等。其基准时钟可设在32KHz~16MHz的范围；2个16位的具有捕获/比较功能的定时器。MSP430F233的功能方框图如图3.3所示。

MSP430x2xx系列的主要特性如下：

⑴超低功耗延长了电池的使用寿命

⑵保持RAM0.1uA

⑶实时时钟模式0.8uA

⑷MIPS运行250uA

⑸理想精确的模拟信号测量

⑹门控比较定时器测量电阻类元件

⑺16位的精简指令集的CPU全新应用

⑻更大的寄存器空间消除了运行空间的瓶颈

⑼紧凑的核结构设计减少了功耗、降低了成本

⑽使用高水平的编程更优化

⑾27条核心指令和7种寻址方式

⑿强大的矢量中断能力

3.2.2系统电源电路

系统需要从锂电池组中取电。对于小型的电池组，可以从电池组中间取电。

但是对于大中型电池组，如果从中间取电的话，势必会由于各单体电池的差异导致整个电池组的不均衡，使电池组的放电能力下降。因此，我们使用锂电池组对系统进行供电时，一般情况下尽量不从电池组中间取电，需要对电池组最大电压进行变换，使其变成适合系统工作的电源电压。

本系统的工作电压有两种：5V和3.6V.其中5V的电源需要从锂电池组的最大电压变换得到，本系统所监控管理的电池组最大数量为16节，锂电池的最高电压为4.2V，因此该电池组的最大电压可以达到67.2V，当电池组中电池数目较少时，电池组最大电压则可能降到10V左右。因此，我们需要选用电压工作范围在10V~67.2V之间的降压芯片。而MAX5033B作为一种高效、高压、降压型DC-DC转换器，其电压工作范围可达7.5V~76V，另外，我们可以通过设定使其输出固定在5V，满足了系统的要求。因此，我们选用MAX5033B作为降压DC-DC电路的主芯片。

MAX5033B除了电压工作范围满足要求外，还具有功耗低、工作效率高和工作温度范围广的优点。其空载时仅消耗350uA的静态电流，转换效率可高达94%，，输出电流可到500mA，工作温度范围-40℃~125℃，非常适合本系统。该芯片共有8个引脚，其芯片图如图3.4所示。



系统的3.6V电源则由变换的5V电源转换得到。该DC-DC电路可以由HT7536芯片实现。该芯片是一个三端高效电源管理芯片。具有结构简单，功耗小、温度系数小、压差低等优点。该电路如图3.6所示。

3.2.3复位电路