直流工具中的锂电保护及其相关技术分析

芦 泉 李海英

（上海电动工具研究所，上海 200031）

直流工具中的锂电保护及其相关技术分析

芦 泉 李海英

（上海电动工具研究所，上海 200031）

介绍直流工具中锂电保护板的关键技术及参数设计要点，从可靠性、均衡性、过流等6个方面分析锂电池组监控与保护参数选择及电路实现的原理和难点，对业界常用的硬件和软件保护方案进行比较和研究。

锂电池组 集成IC 模拟前端 分立元件 单片机

0 引言

随着现代工业技术的发展，手持式电动工具在人们的生产和生活中得到了广泛应用。早期的电动工具大多以工业应用为主，以交流电作为供电电源，就便携性而言，较为不便，实际使用中受限较多。目前，以充电式电池为电源的电动工具不仅能适应日常作业环境，且工具体积小、携带方便，越来越受到人们的青睐，已成为了主流电动工具的发展方向。随着电池技术的进一步发展，锂电池应用于电动工具也得到了迅速的发展。同时，锂电池的保护与监控技术也已成为锂电应用的关键性技术，受到了业界广泛关注。

1 概述

1.1 目的

锂电池能量密度高，这是其优势所在，同时也是危险所在。随着制造工艺和原材料升级，锂电池的安全性要求越来越高。使用中，过放电和过充电都会引起电池循环次数降低甚至是永久性损坏，针对应用于电动工具的锂电池，被大量串、并联以获得更高电压和更多放电电流的电池包就更需要实施保护，以避免在使用中产生过充、过放、过载、过热等不良现象。

1.2 要点

实施锂电保护，应合理设计保护参数。常规保护参数是针对充、放电过程的电压、电流和温度来设置的，关于这部分参数的详细定义和说明，相关的文章很多，本文不再赘述。

作为锂电池组产品，首先应确定电芯的选择，根据电芯制造企业给出的技术规格书设计保护板参数。

锂电池包的放电参数应被首要关注。放电参数中，放电电流更是重中之重。通过锂电工具产品的研究过程中，我们发现，过流保护参数的选择与工具特性以及电机工作点的选择都有着极大的关系，主要有：带有机械脱扣机构的工具以及负载稳定的工具，其工作时的电流表现为基本恒定；钻类、锯类等工具，其电流会随着钻入或者切割深度的增加而上升，并且有可能出现堵转现象。这两大类不同工具在过流值选择时，前者主要以电池的持续放电电流作为参考依据，而后者不仅需要参考持续放电电流，还需要顾及用户的使用感受，结合最大持续放电电流来最终确定过流保护值与保护时间。

放电欠压值和保护时间的选择需要结合工具的工作特性，根据工具电流规律以及电芯放电曲线，结合电芯放电电压限值来选择，而不仅仅将电芯给出的对应参数拿来直接使用。放电温度限值的设定可参考电芯规格书选择。充电保护参数（过电压、过电流）的选择可直接参考电芯规格书，对于是否可以零伏充电，应结合电芯性能来选择，就目前而言，一般倾向于不使用零伏充电。

以上是针对保护系统电气参数选择的理论考虑。实践中，保护参数的选择需根据工具产品的品牌定位，其余部件的参数及寿命以及所针对用户群，甚至是保护系统的实现方式等加以综合考虑。

2 原理分析

锂电保护电路形式多样，配套不同的接口要求和功能需要，但根本要求相同，即：在使用中出现异常情况时，及时采取措施保护电芯，有必要的情况下更需保护用电器件不致损坏。以下以共负异口的电路拓扑为例，锂电保护系统原理如图1所示。

图1 锂电保护系统原理

图1中，保护控制单元可采取专用的锂电保护IC或微处理器。电芯电压通过电源模块，输出稳定的电源电压；电压检测模块实时采集电芯电压，单节电芯电压低于门限值，保护单元即发出欠压保护信号；电流检测模块实时检测采样电阻端的电压，一旦发生过流或短路现象，保护单元及时发出信号切断电路；温度保护模块对电芯温度进行监测，过高或过低时由保护单元判断是否需要切断电路。

目前，锂电保护技术日渐成熟，但国内的一些电动工具制造企业在锂电工具开发过程中仍存在一些问题和难点，主要反映在：

1）可靠性

可靠性是锂电池组保护的首要问题，有些保护板在设计时只考虑基本的过充、过放、过流保护功能电路，忽视了短路、温度等因素对电路可靠性的影响，并且电动工具中存在反电势等有一定破坏性的干扰，电路设计中如果不注意这些问题，会造成芯片保护失效，从而引发整个保护系统失效。

2）均衡性

电池组在生产前都经过分选，将电压和内阻基本一致的电芯组合在一起，以保证在使用中能最大化发挥出电池组的作用，减少损耗。随着充放电循环次数的增加，电池组中的电芯不可避免会产生不一致的现象，即电压出现差异。为了能够平衡电芯电压，目前常规采用被动均衡方式，即在充电时将电压偏高的电芯充电电流使用电路旁路掉一部分。虽然许多保护板中都带有均衡电路，但是因为充电时间以及线路排布等问题，均衡电流一般都不大，一次充电并不能将电芯间的差异消除，之后的放电过程中又会使这种差异扩大，导致电池组的整体寿命受单节电芯的影响而加速衰减。

3）过流保护

一般使用放电回路中采样电阻上的电压作为电流取样信号。工具在使用时，电流较大且干扰较多，基准电压波动也较大，使得电流保护的偏差较大。一些低成本保护电路甚至不使用单独的电流取样电阻，直接利用放电MOS导通电阻上的压降作为电流检测电压，但是MOS管的导通电阻与发热以及控制开通电压都有很大关联，这样获得的电流检测值偏差更大且不稳定。

4）温度保护

温度保护限制的选取通常参考电芯制造商提供的技术规格书。典型的放电温度保护值一般为60℃～70℃，充电温度保护通常为50℃～60℃。一些电芯制造商出于商业目的在不增加现有电机参数的前提下获得更大的输出力矩，直接造成工具的工作电流越来越大，接近甚至超过电芯允许的最大持续放电电流，由此带来的是长时间工作后电池组发热异常，进而触发过温保护。为延长工具的单次操作时间且大电流放电后能快速充电，设置过高的充、放电过温保护值，对电芯的寿命极为不利，直接造成电池组整体性能和寿命迅速下降。

5）电量显示

为降低制造成本，电池组一般都省略了电量显示功能。即便是有电量显示的电池组，其剩余电量估算也不够准确，误差通常为20%～30%。开发低成本、高精度的剩余电量显示模块可提高电池组使用效率并满足用户使用体验。

6）电路功耗

芯片休眠电流一般为3 μ A以内，仍然会存在漏电流，如果外围电路设计不当，将造成额外的功耗。这种情况下，电池组长期存放时会出现电量耗尽的情况，导致工具无法正常工作。

3 方案介绍

采用专用保护IC作为控制单元的保护板常被业内称为硬件保护方案，如采用单片机作为控制单元，则称为软件保护方案。在软件方案中，需要将电芯的电压通过调理电路传递给单片机，调理电路可采用分立元件搭建或直接使用模拟前端实现。

表1 锂电保护的方案比较

表1为常规锂电保护方案的比较。比较结果并非绝对，应结合具体功能确定。如采用专用集成IC构成的硬件方案，则图1中的电压、温度、电流模块会集成在保护IC内部，外部只需通过电阻、电容的简单配置后将信号引入芯片对应的引脚即可实现。因此，此种方案的设计周期短，难度相对较低。通常情况下，专用集成IC的功耗较小，总体成本相对较低，但此类芯片的参数往往是固定的，芯片选定后，参数不能随意更改。因此，灵活性较差，不利于功能扩展，在电池串数不高并且保护功能要求不复杂的情况下适合采用。目前，精工、凹凸、美之美、理光、德州仪器、飞思卡尔等制造企业都推出了锂电专用保护IC。其中，德州仪器更是推出了参数可通过软件配置的专用锂电保护IC，既可独立使用，也可作为模拟前端与MCU搭配使用，具有较大灵活性。

在软件方案中，图1中的电压检测模块可采用电阻或运放等分立元器件实现。图2所示为基于运放的电压检测模块电路。运放的输出为单节电芯的电压信号。采用分立元件作为调理电路、单片机作为主控芯片的软件方案灵活性较高，成本较低，可根据客户的需求进行其他功能的扩展，适用于高串数的电池组。但由于前端电路采用电阻或运放等分立元件，因此该方案的功耗较大，精度略低。

图2 基于运放的电压采样电路示意图

图3所示为基于模拟前端（AFE）的软件控制方案。控制器可通过I2C修改模拟前端的保护参数，模拟前端采集的数据可通过I2C反馈给控制器。模拟前端检测电池组中的单节电芯电压、温度、回路电流等状态，当检测值超过控制器预先设定值时，模拟前端发出保护信号，及时切断电路。采用模拟前端+控制器的软件方案可实现较复杂的控制要求，控制器有更高的灵活性，可实现电量指示、均衡控制、电机控制等功能。此外模拟前端的功耗极低，可关闭供电输出，因而成本相对较高。该方案更适合用于5串及以上的高串数锂电保护板中。

图3 基于模拟前端（AFE）的软件控制方案

上述方案的保护电路均内置于电池包。近年来，一些制造商将保护板放入工具腔体或调速开关内，作为综合控制器，可完成放电的相关保护及电机调速控制，充电的相关保护则由充电器完成。采用机身内置综合控制器保护方案，不仅实现传统的锂电保护功能，还能更方便地实现电机控制。对于需要配备双电池包的工具，此方案的成本优势更明显，因此，越来越受到用户的青睐，或将成为锂电控制方式的发展趋势。

3 总结

充电式电动工具已经进入了飞速发展的时代，部分制造商推出的锂电产品已超出其工具总量的50%，锂电工具将成为电动工具行业的新的增长点。本文简单分析了锂电池组监控与保护参数选择及电路实现的关键点，对常用保护方案进行比较。对于方案的选择，还需要结合电机的特性、负载的情况、电芯的选择、成本的控制以及其他附带功能的需求综合考虑。

上海电动工具研究所在锂电池组的监控与保护方面积累了丰富的开发经验，除本文分析的常规保护方案外，还可以根据客户的具体需求进行定向设计，并有能力完成后续的组包、测试服务，希望能对行业的技术发展起到推动作用。

[1]张蓉，郑思仪，杨玲． 一种小型移动机器人锂电池充电器设计[J]．电源技术，2011(9)．

[2]杨新伟．便携式电动工具锂电池组智能监控系统设计[D]．武汉：武汉理工大学，2010．

[3]李洪，戴永军，李向锋．基于单片机控制的锂电池充电和保护系统[J]．电源技术，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

芦泉（1987—），男，硕士，主要从事锂电工具保护和驱动开发设计工作。