锂电工具电控系统一体化设计思路探讨

2018-10-22李海英董瑢蒋双云

电动工具 2018年5期

李海英，董瑢，蒋双云

（上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

本文结合电动工具涉及的电控发展趋势及安全认证标准要求，对当前市场中常见工具的锂电保护方案进行梳理，提出一种锂电工具一体化设计思路。即：将电机控制、锂电保护、充电器作为整体工具的电控系统来考虑，在设计过程中先期导入最新的安全标准要求，减少设计周期，规避产品认证阶段的弯路。

1 概述

手持式电动工具行业是典型的外向型行业，整机出口数量及金额稳步增长。图1 为从海关总署获取的我国电动工具整机出口趋势，从相应的统计数据来看，手持式电动工具市场需求持续旺盛。近年来，充电式无绳工具逐渐扩大了其在手持式电动工具中的市场份额，这得益于锂离子电池应用技术的成熟与广泛。

图1 电动工具整机出口数量趋势

2 锂电保护

市场常见以保护电压、电流、温度为主的锂电池包保护方案分为两类，一类是整体方案，在电池包内部完成所有对电池的保护功能；一类是分体方案，根据充电或放电将电压、电流和温度的保护分置于相关部件中。图1及图4所示为整体保护方案与分体保护方案的细分内容。

整体保护方案如图1所示。

图1 整体保护方案

整体方案中，在电池包内完成全功能型保护，即与充放电相关的电压、电流与温度保护功能集成在电池包内部线路板上；电池包外部端口数量较少；电池包端口一般充电和放电时分开，共正极或共负极。

目前常用的分体保护方案大体存在三种基本形式，如图2～图4所示。

图2 分体保护方案一

方案一：在电池包内部转接电芯信号，将每节电芯的电压信号以及电池包内部的温度信号引出，不在电池包内部做保护功能；电池包内部可能会有一次性保护器件，防止短路；电池包外部端口的数量可能较多；放电保护线路放置在工具内部；充电保护线路放置在充电器内部。

图3 分体保护方案二

方案二：电池包整串保护+分体放置，电池组的整体正负极引线；温度信号引出；电池包内部可能有一次性保护器件，防止短路；电池包外部端口数量较少；放电保护线路放置在工具内部；充电保护线路放置在充电器内部。

图4 分体保护方案三

方案三：电池包单串充电保护信号+分体放置，电池包内部可能有一次性保护器件，防止短路；放电保护线路放置在工具内部(总电压)；充电保护线路放置在充电器内部，电池包内有充电检测控制信号。

熟悉锂电保护方案的技术人员都知道一个重要因素，即电芯一致性问题。虽然在组包之前会进行分选，但大多采用静态分选方案，无法筛选充放电情况下的差异，且在使用一段时间后电芯本身也会出现差异，这一点在组包时无可避免。

目前电动工具产品市场中的主流品牌搭配的锂电池包多采用非全功能型结构，少量采用整体电压保护方式，而普通品牌采用全功能保护方案居多（本文以主流品牌和普通品牌以区分说明，并不针对电动工具制造商）。

简单分析以上差异原因，主要有：

1）电芯质量参差不齐，电池组动态使用过程的衰减不一致性较为明显。质量好的电池包每一个电芯在使用过程中都能保持一致的内阻和电压。长期使用后，其性能衰减过程也是一致的，由此可确保在检测整体电压的同时相当于对单节电芯进行了检测和控制。普通电芯在动态过程中易出现不一致现象，如不针对单节电芯电压进行检测和控制，充电过程中或可致使电芯超过允许电压值而引发危险，放电过程中或可发生电芯低于允许电压值而造成电芯的永久损坏。

2）主流品牌的电动工具产品种类繁多，各种工具有不同的功能和控制参数，单个工具可配备多个电池包，充电器一般选用智能型。普通品牌较少针对工具做专门的功能和控制参数设计，大多只配备单个电池包，充电器为简易型居多。可见如工具有不同的工作参数，即无法在一种电池包内部实现，采用分开放置实现保护功能是最经济实用且有效的方式。国内大多低端制造商因其产品线种类少，往往以工具参数适配电池包参数，将保护功能全部放置在电池包内部。

3）主流品牌工具配套部件标准化要求高，可更换性强。工具品种多，要求相关配件统配性好，故将配件制作成单一标准化是最佳选择。

3 一体化设计

锂电保护一体化设计即锂电保护的分体方案，将锂电池充电和放电时的电压、温度、电流保护分开放置在不同的部位，而非集中置于锂电池包内部。

直流无刷电机采用电子换向代替机械换向，具有良好的调速和启动性能。这些特点使得直流无刷电机成为锂电无绳工具的最佳动力源，大量电动工具开始使用锂电和无刷电机的组合。图5所示为带开关和控制器的无刷电机套件。

图5 带开关和控制器的无刷电机套件

由直流无刷电机的工作特点可以看出，必须配备电子控制线路来完成对电机的驱动，控制线路板可完成对负载电流即电池放电电流的保护，而锂电保护板上也有对放电电流的保护功能，两项参数是否匹配将直接影响到工具的实际使用效果。在实践中已有客户遇到这样的问题，选用无刷电机的工具配备电子开关，在电池包发生过流保护后，工具无法判断负载解除，不能在开关打开后从自我保护中恢复，必须插拔电池包断电后才能解除该现象，造成使用时的繁琐操作。

随着安全标准的提升，市场对锂电保护系统的要求越来越高。如国际标准IEC 62841-1中第18部分Abnormal operation非正常操作部分，针对提供安全关键功能的电子线路（SFC）提出测试标准和要求。首先，使用IEC 61000-4进行抗扰度测试，随后，采用ISO 13849-1要求做电子线路可靠性分析并判断性能水平是否达到标准规定的相应等级，如使用软件参与SFC的话，还需用按照IEC 60730-1要求做软件评估。GB/T 3883.1以及新出台的GB/T 34570.1也有相应的要求。

锂电工具电控的一体化设计化方案即根据实际的产品需求，将充电部分功能置于充电器中，实现精细化充电，在安全前提下将电芯充满；将放电保护置于工具机身内部控制板上，设置满足工具负载特性的保护参数，安全节能。在充电和放电都应具备精细化要求的场合下，改变以往在电池包内部完成所有的保护功能，根据需要将保护功能分开放置在对应位置，以避免部件间的功能冗余和冲突。方案可减少整体器件，减少各部件中控制线路的复杂程度，提升可靠性，降低元器件成本。在产品需进行安全认证要求情况下，可简化测试项目。该方案并不仅仅局限于主流品牌采用，而是一种值得普及的设计思路，顺应技术发展的趋势。