鋰電工具電控系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)思路探討

李海英，董瑢，蔣雙云

（ 上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

本文結(jié)合電動工具涉及的電控發(fā)展趨勢及安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求，對當(dāng)前市場中常見工具的鋰電保護(hù)方案進(jìn)行梳理，提出一種鋰電工具一體化設(shè)計(jì)思路。即：將電機(jī)控制、鋰電保護(hù)、充電器作為整體工具的電控系統(tǒng)來考慮，在設(shè)計(jì)過程中先期導(dǎo)入最新的安全標(biāo)準(zhǔn)要求，減少設(shè)計(jì)周期，規(guī)避產(chǎn)品認(rèn)證階段的彎路。

1 概述

手持式電動工具行業(yè)是典型的外向型行業(yè)，整機(jī)出口數(shù)量及金額穩(wěn)步增長。圖1 為從海關(guān)總署獲取的我國電動工具整機(jī)出口趨勢，從相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，手持式電動工具市場需求持續(xù)旺盛。近年來，充電式無繩工具逐漸擴(kuò)大了其在手持式電動工具中的市場份額，這得益于鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)的成熟與廣泛。

圖1 電動工具整機(jī)出口數(shù)量趨勢

2 鋰電保護(hù)

市場常見以保護(hù)電壓、電流、溫度為主的鋰電池包保護(hù)方案分為兩類，一類是整體方案，在電池包內(nèi)部完成所有對電池的保護(hù)功能；一類是分體方案，根據(jù)充電或放電將電壓、電流和溫度的保護(hù)分置于相關(guān)部件中。圖1及圖4所示為整體保護(hù)方案與分體保護(hù)方案的細(xì)分內(nèi)容。

整體保護(hù)方案如圖1所示。

圖1 整體保護(hù)方案

整體方案中，在電池包內(nèi)完成全功能型保護(hù)，即與充放電相關(guān)的電壓、電流與溫度保護(hù)功能集成在電池包內(nèi)部線路板上；電池包外部端口數(shù)量較少；電池包端口一般充電和放電時分開，共正極或共負(fù)極。

目前常用的分體保護(hù)方案大體存在三種基本形式，如圖2～圖4所示。

圖2 分體保護(hù)方案一

方案一：在電池包內(nèi)部轉(zhuǎn)接電芯信號，將每節(jié)電芯的電壓信號以及電池包內(nèi)部的溫度信號引出，不在電池包內(nèi)部做保護(hù)功能；電池包內(nèi)部可能會有一次性保護(hù)器件，防止短路；電池包外部端口的數(shù)量可能較多；放電保護(hù)線路放置在工具內(nèi)部；充電保護(hù)線路放置在充電器內(nèi)部。

圖3 分體保護(hù)方案二

方案二：電池包整串保護(hù)+分體放置，電池組的整體正負(fù)極引線；溫度信號引出；電池包內(nèi)部可能有一次性保護(hù)器件，防止短路；電池包外部端口數(shù)量較少；放電保護(hù)線路放置在工具內(nèi)部；充電保護(hù)線路放置在充電器內(nèi)部。

圖4 分體保護(hù)方案三

方案三：電池包單串充電保護(hù)信號+分體放置，電池包內(nèi)部可能有一次性保護(hù)器件，防止短路；放電保護(hù)線路放置在工具內(nèi)部(總電壓)；充電保護(hù)線路放置在充電器內(nèi)部，電池包內(nèi)有充電檢測控制信號。

熟悉鋰電保護(hù)方案的技術(shù)人員都知道一個重要因素，即電芯一致性問題。雖然在組包之前會進(jìn)行分選，但大多采用靜態(tài)分選方案，無法篩選充放電情況下的差異，且在使用一段時間后電芯本身也會出現(xiàn)差異，這一點(diǎn)在組包時無可避免。

目前電動工具產(chǎn)品市場中的主流品牌搭配的鋰電池包多采用非全功能型結(jié)構(gòu)，少量采用整體電壓保護(hù)方式，而普通品牌采用全功能保護(hù)方案居多（本文以主流品牌和普通品牌以區(qū)分說明，并不針對電動工具制造商）。

簡單分析以上差異原因，主要有：

1）電芯質(zhì)量參差不齊，電池組動態(tài)使用過程的衰減不一致性較為明顯。質(zhì)量好的電池包每一個電芯在使用過程中都能保持一致的內(nèi)阻和電壓。長期使用后，其性能衰減過程也是一致的，由此可確保在檢測整體電壓的同時相當(dāng)于對單節(jié)電芯進(jìn)行了檢測和控制。普通電芯在動態(tài)過程中易出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，如不針對單節(jié)電芯電壓進(jìn)行檢測和控制，充電過程中或可致使電芯超過允許電壓值而引發(fā)危險，放電過程中或可發(fā)生電芯低于允許電壓值而造成電芯的永久損壞。

2）主流品牌的電動工具產(chǎn)品種類繁多，各種工具有不同的功能和控制參數(shù)，單個工具可配備多個電池包，充電器一般選用智能型。普通品牌較少針對工具做專門的功能和控制參數(shù)設(shè)計(jì)，大多只配備單個電池包，充電器為簡易型居多?？梢娙绻ぞ哂胁煌墓ぷ鲄?shù)，即無法在一種電池包內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，采用分開放置實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用且有效的方式。國內(nèi)大多低端制造商因其產(chǎn)品線種類少，往往以工具參數(shù)適配電池包參數(shù)，將保護(hù)功能全部放置在電池包內(nèi)部。

3）主流品牌工具配套部件標(biāo)準(zhǔn)化要求高，可更換性強(qiáng)。工具品種多，要求相關(guān)配件統(tǒng)配性好，故將配件制作成單一標(biāo)準(zhǔn)化是最佳選擇。

3 一體化設(shè)計(jì)

鋰電保護(hù)一體化設(shè)計(jì)即鋰電保護(hù)的分體方案，將鋰電池充電和放電時的電壓、溫度、電流保護(hù)分開放置在不同的部位，而非集中置于鋰電池包內(nèi)部。

直流無刷電機(jī)采用電子換向代替機(jī)械換向，具有良好的調(diào)速和啟動性能。這些特點(diǎn)使得直流無刷電機(jī)成為鋰電無繩工具的最佳動力源，大量電動工具開始使用鋰電和無刷電機(jī)的組合。圖5所示為帶開關(guān)和控制器的無刷電機(jī)套件。

圖5 帶開關(guān)和控制器的無刷電機(jī)套件

由直流無刷電機(jī)的工作特點(diǎn)可以看出，必須配備電子控制線路來完成對電機(jī)的驅(qū)動，控制線路板可完成對負(fù)載電流即電池放電電流的保護(hù)，而鋰電保護(hù)板上也有對放電電流的保護(hù)功能，兩項(xiàng)參數(shù)是否匹配將直接影響到工具的實(shí)際使用效果。在實(shí)踐中已有客戶遇到這樣的問題，選用無刷電機(jī)的工具配備電子開關(guān)，在電池包發(fā)生過流保護(hù)后，工具無法判斷負(fù)載解除，不能在開關(guān)打開后從自我保護(hù)中恢復(fù)，必須插拔電池包斷電后才能解除該現(xiàn)象，造成使用時的繁瑣操作。

隨著安全標(biāo)準(zhǔn)的提升，市場對鋰電保護(hù)系統(tǒng)的要求越來越高。如國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62841-1中第18部分Abnormal operation非正常操作部分，針對提供安全關(guān)鍵功能的電子線路（SFC）提出測試標(biāo)準(zhǔn)和要求。首先，使用IEC 61000-4進(jìn)行抗擾度測試，隨后，采用ISO 13849-1要求做電子線路可靠性分析并判斷性能水平是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相應(yīng)等級，如使用軟件參與SFC的話，還需用按照IEC 60730-1要求做軟件評估。GB/T 3883.1以及新出臺的GB/T 34570.1也有相應(yīng)的要求。

鋰電工具電控的一體化設(shè)計(jì)化方案即根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品需求，將充電部分功能置于充電器中，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化充電，在安全前提下將電芯充滿；將放電保護(hù)置于工具機(jī)身內(nèi)部控制板上，設(shè)置滿足工具負(fù)載特性的保護(hù)參數(shù)，安全節(jié)能。在充電和放電都應(yīng)具備精細(xì)化要求的場合下，改變以往在電池包內(nèi)部完成所有的保護(hù)功能，根據(jù)需要將保護(hù)功能分開放置在對應(yīng)位置，以避免部件間的功能冗余和沖突。方案可減少整體器件，減少各部件中控制線路的復(fù)雜程度，提升可靠性，降低元器件成本。在產(chǎn)品需進(jìn)行安全認(rèn)證要求情況下，可簡化測試項(xiàng)目。該方案并不僅僅局限于主流品牌采用，而是一種值得普及的設(shè)計(jì)思路，順應(yīng)技術(shù)發(fā)展的趨勢。

4 結(jié)語

鋰電工具電控一體化化設(shè)計(jì)是對現(xiàn)有鋰電保護(hù)方案的補(bǔ)充。方案的設(shè)計(jì)選擇與產(chǎn)品定位及各方因素有關(guān)，如產(chǎn)品的品牌定位、適用種類和數(shù)量、電機(jī)選型和控制、充電器類型、電池包搭配模式等都是實(shí)現(xiàn)該方案時應(yīng)綜合考慮的附加因素，必須結(jié)合電動工具產(chǎn)品性能，產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)能力、最新國際標(biāo)準(zhǔn)和市場準(zhǔn)入規(guī)則等方面協(xié)作完成。