蘆 泉 李海英

（上海電動工具研究所，上海 200031）

直流工具中的鋰電保護及其相關技術分析

蘆 泉 李海英

（上海電動工具研究所，上海 200031）

介紹直流工具中鋰電保護板的關鍵技術及參數(shù)設計要點，從可靠性、均衡性、過流等6個方面分析鋰電池組監(jiān)控與保護參數(shù)選擇及電路實現(xiàn)的原理和難點，對業(yè)界常用的硬件和軟件保護方案進行比較和研究。

鋰電池組 集成IC 模擬前端 分立元件 單片機

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，手持式電動工具在人們的生產(chǎn)和生活中得到了廣泛應用。早期的電動工具大多以工業(yè)應用為主，以交流電作為供電電源，就便攜性而言，較為不便，實際使用中受限較多。目前，以充電式電池為電源的電動工具不僅能適應日常作業(yè)環(huán)境，且工具體積小、攜帶方便，越來越受到人們的青睞，已成為了主流電動工具的發(fā)展方向。隨著電池技術的進一步發(fā)展，鋰電池應用于電動工具也得到了迅速的發(fā)展。同時，鋰電池的保護與監(jiān)控技術也已成為鋰電應用的關鍵性技術，受到了業(yè)界廣泛關注。

1 概述

1.1 目的

鋰電池能量密度高，這是其優(yōu)勢所在，同時也是危險所在。隨著制造工藝和原材料升級，鋰電池的安全性要求越來越高。使用中，過放電和過充電都會引起電池循環(huán)次數(shù)降低甚至是永久性損壞，針對應用于電動工具的鋰電池，被大量串、并聯(lián)以獲得更高電壓和更多放電電流的電池包就更需要實施保護，以避免在使用中產(chǎn)生過充、過放、過載、過熱等不良現(xiàn)象。

1.2 要點

實施鋰電保護，應合理設計保護參數(shù)。常規(guī)保護參數(shù)是針對充、放電過程的電壓、電流和溫度來設置的，關于這部分參數(shù)的詳細定義和說明，相關的文章很多，本文不再贅述。

作為鋰電池組產(chǎn)品，首先應確定電芯的選擇，根據(jù)電芯制造企業(yè)給出的技術規(guī)格書設計保護板參數(shù)。

鋰電池包的放電參數(shù)應被首要關注。放電參數(shù)中，放電電流更是重中之重。通過鋰電工具產(chǎn)品的研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)，過流保護參數(shù)的選擇與工具特性以及電機工作點的選擇都有著極大的關系，主要有：帶有機械脫扣機構的工具以及負載穩(wěn)定的工具，其工作時的電流表現(xiàn)為基本恒定；鉆類、鋸類等工具，其電流會隨著鉆入或者切割深度的增加而上升，并且有可能出現(xiàn)堵轉現(xiàn)象。這兩大類不同工具在過流值選擇時，前者主要以電池的持續(xù)放電電流作為參考依據(jù)，而后者不僅需要參考持續(xù)放電電流，還需要顧及用戶的使用感受，結合最大持續(xù)放電電流來最終確定過流保護值與保護時間。

放電欠壓值和保護時間的選擇需要結合工具的工作特性，根據(jù)工具電流規(guī)律以及電芯放電曲線，結合電芯放電電壓限值來選擇，而不僅僅將電芯給出的對應參數(shù)拿來直接使用。放電溫度限值的設定可參考電芯規(guī)格書選擇。充電保護參數(shù)（過電壓、過電流）的選擇可直接參考電芯規(guī)格書，對于是否可以零伏充電，應結合電芯性能來選擇，就目前而言，一般傾向于不使用零伏充電。

以上是針對保護系統(tǒng)電氣參數(shù)選擇的理論考慮。實踐中，保護參數(shù)的選擇需根據(jù)工具產(chǎn)品的品牌定位，其余部件的參數(shù)及壽命以及所針對用戶群，甚至是保護系統(tǒng)的實現(xiàn)方式等加以綜合考慮。

2 原理分析

鋰電保護電路形式多樣，配套不同的接口要求和功能需要，但根本要求相同，即：在使用中出現(xiàn)異常情況時，及時采取措施保護電芯，有必要的情況下更需保護用電器件不致?lián)p壞。以下以共負異口的電路拓撲為例，鋰電保護系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 鋰電保護系統(tǒng)原理

圖1中，保護控制單元可采取專用的鋰電保護IC或微處理器。電芯電壓通過電源模塊，輸出穩(wěn)定的電源電壓；電壓檢測模塊實時采集電芯電壓，單節(jié)電芯電壓低于門限值，保護單元即發(fā)出欠壓保護信號；電流檢測模塊實時檢測采樣電阻端的電壓，一旦發(fā)生過流或短路現(xiàn)象，保護單元及時發(fā)出信號切斷電路；溫度保護模塊對電芯溫度進行監(jiān)測，過高或過低時由保護單元判斷是否需要切斷電路。

目前，鋰電保護技術日漸成熟，但國內(nèi)的一些電動工具制造企業(yè)在鋰電工具開發(fā)過程中仍存在一些問題和難點，主要反映在：

1）可靠性

可靠性是鋰電池組保護的首要問題，有些保護板在設計時只考慮基本的過充、過放、過流保護功能電路，忽視了短路、溫度等因素對電路可靠性的影響，并且電動工具中存在反電勢等有一定破壞性的干擾，電路設計中如果不注意這些問題，會造成芯片保護失效，從而引發(fā)整個保護系統(tǒng)失效。

2）均衡性

電池組在生產(chǎn)前都經(jīng)過分選，將電壓和內(nèi)阻基本一致的電芯組合在一起，以保證在使用中能最大化發(fā)揮出電池組的作用，減少損耗。隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池組中的電芯不可避免會產(chǎn)生不一致的現(xiàn)象，即電壓出現(xiàn)差異。為了能夠平衡電芯電壓，目前常規(guī)采用被動均衡方式，即在充電時將電壓偏高的電芯充電電流使用電路旁路掉一部分。雖然許多保護板中都帶有均衡電路，但是因為充電時間以及線路排布等問題，均衡電流一般都不大，一次充電并不能將電芯間的差異消除，之后的放電過程中又會使這種差異擴大，導致電池組的整體壽命受單節(jié)電芯的影響而加速衰減。

3）過流保護

一般使用放電回路中采樣電阻上的電壓作為電流取樣信號。工具在使用時，電流較大且干擾較多，基準電壓波動也較大，使得電流保護的偏差較大。一些低成本保護電路甚至不使用單獨的電流取樣電阻，直接利用放電MOS導通電阻上的壓降作為電流檢測電壓，但是MOS管的導通電阻與發(fā)熱以及控制開通電壓都有很大關聯(lián)，這樣獲得的電流檢測值偏差更大且不穩(wěn)定。

4）溫度保護

溫度保護限制的選取通常參考電芯制造商提供的技術規(guī)格書。典型的放電溫度保護值一般為60℃～70℃，充電溫度保護通常為50℃～60℃。一些電芯制造商出于商業(yè)目的在不增加現(xiàn)有電機參數(shù)的前提下獲得更大的輸出力矩，直接造成工具的工作電流越來越大，接近甚至超過電芯允許的最大持續(xù)放電電流，由此帶來的是長時間工作后電池組發(fā)熱異常，進而觸發(fā)過溫保護。為延長工具的單次操作時間且大電流放電后能快速充電，設置過高的充、放電過溫保護值，對電芯的壽命極為不利，直接造成電池組整體性能和壽命迅速下降。

5）電量顯示

為降低制造成本，電池組一般都省略了電量顯示功能。即便是有電量顯示的電池組，其剩余電量估算也不夠準確，誤差通常為20%～30%。開發(fā)低成本、高精度的剩余電量顯示模塊可提高電池組使用效率并滿足用戶使用體驗。

6）電路功耗

芯片休眠電流一般為3 μ A以內(nèi)，仍然會存在漏電流，如果外圍電路設計不當，將造成額外的功耗。這種情況下，電池組長期存放時會出現(xiàn)電量耗盡的情況，導致工具無法正常工作。

3 方案介紹

采用專用保護IC作為控制單元的保護板常被業(yè)內(nèi)稱為硬件保護方案，如采用單片機作為控制單元，則稱為軟件保護方案。在軟件方案中，需要將電芯的電壓通過調理電路傳遞給單片機，調理電路可采用分立元件搭建或直接使用模擬前端實現(xiàn)。

表1 鋰電保護的方案比較

表1為常規(guī)鋰電保護方案的比較。比較結果并非絕對，應結合具體功能確定。如采用專用集成IC構成的硬件方案，則圖1中的電壓、溫度、電流模塊會集成在保護IC內(nèi)部，外部只需通過電阻、電容的簡單配置后將信號引入芯片對應的引腳即可實現(xiàn)。因此，此種方案的設計周期短，難度相對較低。通常情況下，專用集成IC的功耗較小，總體成本相對較低，但此類芯片的參數(shù)往往是固定的，芯片選定后，參數(shù)不能隨意更改。因此，靈活性較差，不利于功能擴展，在電池串數(shù)不高并且保護功能要求不復雜的情況下適合采用。目前，精工、凹凸、美之美、理光、德州儀器、飛思卡爾等制造企業(yè)都推出了鋰電專用保護IC。其中，德州儀器更是推出了參數(shù)可通過軟件配置的專用鋰電保護IC，既可獨立使用，也可作為模擬前端與MCU搭配使用，具有較大靈活性。

在軟件方案中，圖1中的電壓檢測模塊可采用電阻或運放等分立元器件實現(xiàn)。圖2所示為基于運放的電壓檢測模塊電路。運放的輸出為單節(jié)電芯的電壓信號。采用分立元件作為調理電路、單片機作為主控芯片的軟件方案靈活性較高，成本較低，可根據(jù)客戶的需求進行其他功能的擴展，適用于高串數(shù)的電池組。但由于前端電路采用電阻或運放等分立元件，因此該方案的功耗較大，精度略低。

圖2 基于運放的電壓采樣電路示意圖

圖3所示為基于模擬前端（AFE）的軟件控制方案。控制器可通過I2C修改模擬前端的保護參數(shù)，模擬前端采集的數(shù)據(jù)可通過I2C反饋給控制器。模擬前端檢測電池組中的單節(jié)電芯電壓、溫度、回路電流等狀態(tài)，當檢測值超過控制器預先設定值時，模擬前端發(fā)出保護信號，及時切斷電路。采用模擬前端+控制器的軟件方案可實現(xiàn)較復雜的控制要求，控制器有更高的靈活性，可實現(xiàn)電量指示、均衡控制、電機控制等功能。此外模擬前端的功耗極低，可關閉供電輸出，因而成本相對較高。該方案更適合用于5串及以上的高串數(shù)鋰電保護板中。

圖3 基于模擬前端（AFE）的軟件控制方案

上述方案的保護電路均內(nèi)置于電池包。近年來，一些制造商將保護板放入工具腔體或調速開關內(nèi)，作為綜合控制器，可完成放電的相關保護及電機調速控制，充電的相關保護則由充電器完成。采用機身內(nèi)置綜合控制器保護方案，不僅實現(xiàn)傳統(tǒng)的鋰電保護功能，還能更方便地實現(xiàn)電機控制。對于需要配備雙電池包的工具，此方案的成本優(yōu)勢更明顯，因此，越來越受到用戶的青睞，或將成為鋰電控制方式的發(fā)展趨勢。

3 總結

充電式電動工具已經(jīng)進入了飛速發(fā)展的時代，部分制造商推出的鋰電產(chǎn)品已超出其工具總量的50%，鋰電工具將成為電動工具行業(yè)的新的增長點。本文簡單分析了鋰電池組監(jiān)控與保護參數(shù)選擇及電路實現(xiàn)的關鍵點，對常用保護方案進行比較。對于方案的選擇，還需要結合電機的特性、負載的情況、電芯的選擇、成本的控制以及其他附帶功能的需求綜合考慮。

上海電動工具研究所在鋰電池組的監(jiān)控與保護方面積累了豐富的開發(fā)經(jīng)驗，除本文分析的常規(guī)保護方案外，還可以根據(jù)客戶的具體需求進行定向設計，并有能力完成后續(xù)的組包、測試服務，希望能對行業(yè)的技術發(fā)展起到推動作用。

[1]張蓉，鄭思儀，楊玲． 一種小型移動機器人鋰電池充電器設計[J]．電源技術，2011(9)．

[2]楊新偉．便攜式電動工具鋰電池組智能監(jiān)控系統(tǒng)設計[D]．武漢：武漢理工大學，2010．

[3]李洪，戴永軍，李向鋒．基于單片機控制的鋰電池充電和保護系統(tǒng)[J]．電源技術，2009(9)．

Analysis of Lithium Protection and Related Technologies of DC Tools

Lu Quan Li Haiying

(Shanghai Electrical Tool Research Institute, Shanghai 200031, China)

Introduce key technologies and parameters design features of lithium protection boards in DC tools, analysis on lithium battery pack monitoring, protection parameters selection, the principle and the technical difficulties of circuit implementation from reliability, balance, overcurrent and so on six aspects, compare and research the industry common hardware and software protection schemes.

Lithium-ion battery pack Integrated IC AFE Discrete component MCU

TM910.6

A

1674-2796（2014）06-0001-04

2014-10-11

蘆泉（1987—），男，碩士，主要從事鋰電工具保護和驅動開發(fā)設計工作。