基于单片机的电动工具锂电池管理系统设计

黄其庆

（ 江苏苏美达五金工具有限公司 江苏 南京 210061 ）

基于单片机的电动工具锂电池管理系统设计

黄其庆

（ 江苏苏美达五金工具有限公司 江苏 南京 210061 ）

摘要选用正极为三元材料的锂电池，单节电压3.6V，3串1并，以10.8V锂电调速电钻为主要研究与应用对象，分析了锂电池在电动工具行业应用过程中所面对的一些问题，包括：充电器、PCM电路复杂、可靠性差、自耗电大、成本高等，并设计开发以PIC16F616单片机为核心控制的充放电系统。

关键词PIC16F616 PCM 充电器 过充 过放 过流 PWM调速

0　引言

锂电池在各行业的应用具有较多的优点，无论应用在数码产品上的容量型锂电池，还是应用在直流工具上的动力型锂电池，均需避免或防止锂电池在使用过程中被过充电、过放电，持续大电流下充放电以及高温下充放电这些情况的发生。一旦长期过充或过放，将影响锂电池的使用寿命，甚至发生危险，导致人身伤害。传统锂电池由于材料选型及生产水平的限制，电池一致性较差。在应用到产品时，电池包内均需匹配一块保护板，即行业内所称的PCM(Protection circuit module)，该PCM对每一节锂电池进行电压、温度参数的监控。一般采用单个或多个专用芯片，对锂电池组中的每一节锂电池进行监测与管理，理论上安全性、可靠性相对较高。在实际操作过程中，也存在一些不利因素，包括PCM总体成本高；PCM本身自耗电大，影响电池包生产与销售过程中的搁置周期，甚至会产生死电池包，导致市场退货或索赔；充放电控制电路复杂，大批量生产操作中较难控制一致性；另外，电池包内放置具有保护作用的功率器件，将增大电池包的体积，影响电池包的造型。同时，功率器件在电池包内将加剧发热量，长期使用必然会缩短电池组的使用寿命，甚至发生危险。

针对以上亟待解决的问题，且随着锂电池技术的不断发展，国内外锂电池如日本三洋(Sanyo)、韩国三星(SamSung)、天津力神(Lishen)，深圳比克(BAK)，这些厂家的生产控制与筛选工艺日趋成熟，锂电池间的差异性逐渐缩小，电池特性如电压、内阻、容量趋向于一致。因此，在此背景下，作者在锂电池充电器及PCM的设计中，开发出适用于直流锂电工具的新系统。整个系统均以PIC16F616单片机进行电路设计，以C语言编写源程序，电路简单、可靠，相对于传统单节锂电池检测的保护方案，具有成本低、电池包自耗电小、市场应用前景好的特点。

PIC16F系列单片机是美国Microchip公司推出的一种新型的高性能8位系列单片机微控器，采用RISC(精简指令集)和Hovrard(哈佛总线)结构。其主要特点是发展多种型号的系列产品来满足不同层次的应用要求，真正体现了单片机的“单片”特性。PIC16F616单片机应用于锂电管理与电机控制方面具有突出的资源优势，包括宽范围的工作电压、低功耗、精确的内部振荡器、省电休眠模式、10位精度的A/D转换器、2路10位的PWM控制器、8路外部输入通道及2路内部参考通道等。

为了更加详细地论述设计思路及原理，本文选用正极为三元材料的锂电池，单节电压3.6 V，选用3串1并，以10.8 V锂电调速电钻作主要研究应用对象。系统所要实现的功能包括充电管理与保护，放电管理与保护。充电部分详细功能描述：过充电压检测与保护、过流检测与保护、超温检测与保护、电压低时充电涓流控制、充电定时控制、充电状态与故障报警指示；放电部分详细功能描述：直流永磁电机无级调速(PWM)，过放电压检测与保护、过流检测与保护、超温检测与保护、工作照明指示、故障报警、低功耗处理。

图1　系统架构

1　充放电系统设计架构

如图1所示，电控部分主要有三个部分，充电器、电池包、放电控制板。系统简单清晰，其实现功能主要集中为充电管理与放电管理两个部分，电池包内仅放置一只一次性的电流保险丝和一只温度传感器。从架构图上看，充放电管理相互独立，互不累赘，电池包内无电子元器件间的回路，电池包独立搁置时，理论功耗为零。

2　系统硬件电路设计

2.1充电部分电路设计

图2　充电部分电路设计

图2所示，包括主回路和控制回路两大部分。主回路是开关电源中功率电流流经的通路，主要包含了高压开关MOS M1、脉冲变压器T1、滤波器LF1、全桥整流电路等所有功率器件。控制回路以MCU--PIC16F616为主控芯片进行电路设计，AD端口RA1采集电池包温度信息，AD端口RA0采集电池包电压信息，回路电流反馈由运放U4检测处理。MCU AD端口一旦接受收到电压、温度信息后，立即进行分析处理，可驱动M2、M3开关整个充电回路。整个电路实现了锂电池组充电过程中必需的几项功能，包括CC(恒流充电)、CV(恒压充电)，低电压检测与涓流充电，过充电压监控，电池组温度参数监控，定时充电，过流保护等功能。便于用户通过LED1，LED2的显示状态，判断整个充电系统是否正常工作。

2.2放电部分电路设计

图3　放电部分电路设计

图3所示，以PIC16F616单片机为核心进行电路设计，充分利用了单片机的AD、PWM、I/O、内部晶振等资源，较好地实现了UV(Under Voltage过放电压)检测与保护，OC(Over Current过流)参数的检测、放大与保护，OT(Over Temperature温度)检测与保护以及PWM速度调节与刹车等功能。同时，在电路设计时，考虑了电机在工作过程中的抗干扰和散热处理，以防影响并损坏功率MOS Q7、Q8。在功耗处理方面，配合电动工具开关进行设计，使用工具时才会发生电流消耗，搁置不用时，放电系统的自耗电为零。电路设计中选用Φ5 mm高亮LED为照明指示，可使用户在光线较暗的场所正常工作。同时，该LED被复用为智能报警指示，当检测到电压过放、电流过载或超温时，及时为用户提供警示功能。

3　软件实现流程

3.1充电管理软件流程图

充电管理流程如图4所示。

图4　充电管理软件工作流程

3.2放电管理软件流程图

放电管理流程如图5所示。

图5　放电管理软件工作流程

4　结语

针对锂电池在电动工具行业应用过程中所面对的一些问题，包括：充电器、PCM电路复杂、可靠性差、自耗电大、成本高等，设计开发了以PIC16F616单片机为核心控制的充放电系统。整个系统结构简单，容易实现，控制电路简洁。理论上，该方案适用于1节及1节以上串并联锂电池组的充放电系统。在大批量生产应用中具有成本低，一致性好，可靠性高，易于生产控制等特点，是充电式电动工具大规模推向市场的较好选择方案。

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[6]（美）普莱斯曼，王志强.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2005.

中图分类号TM910.6

文献标识码A

文章编号1674-1796（2014）01-0008-04

[收稿日期]2013-12-23

[作者简介]黄其庆（1980—）男，工程师，主要从事电动工具锂电池的充放电系统及相关设计应用工作。

SCM-based Power Tools Lithium Battery Management System Design

Huang Qiqing

(Jiangsu SUMEC hardware & tools Co., LTD., Nanjing 210032, China)

Abstract:Choose the lithium battery whose anode is ternary material, single section voltage 3.6V, and using 3 in series 1 in parallel, the 10.8V lithium variable speed drill as the main object of study and application. Analyzed the lithium batteries in power tool industry facing some problems in the process of application, including: charger, PCM circuit complex, poor reliability, large self power consumption, high cost. Design and development with PIC16F616 SCM as the core of the chargedischarge control system.

Keyword:PIC16F616PCMChargerOver chargeOver dischargeOver currentPWM speed control