鋰電工具電控系統(tǒng)一體化設計思路探討

李海英，董瑢，蔣雙云

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

本文結合電動工具涉及的電控發(fā)展趨勢及安全認證標準要求，對當前市場中常見工具的鋰電保護方案進行梳理，提出一種鋰電工具一體化設計思路。即：將電機控制、鋰電保護、充電器作為整體工具的電控系統(tǒng)來考慮，在設計過程中先期導入最新的安全標準要求，減少設計周期，規(guī)避產品認證階段的彎路。

1 概述

手持式電動工具行業(yè)是典型的外向型行業(yè)，整機出口數量及金額穩(wěn)步增長。圖1 為從海關總署獲取的我國電動工具整機出口趨勢，從相應的統(tǒng)計數據來看，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用技術的成熟與廣泛。

圖1 電動工具整機出口數量趨勢

2 鋰電保護

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

整體保護方案如圖1所示。

圖1 整體保護方案

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

目前常用的分體保護方案大體存在三種基本形式，如圖2～圖4所示。

圖2 分體保護方案一

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

圖3 分體保護方案二

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

圖4 分體保護方案三

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

熟悉鋰電保護方案的技術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差異，這一點在組包時無可避免。

目前電動工具產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構，少量采用整體電壓保護方式，而普通品牌采用全功能保護方案居多（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于對單節(jié)電芯進行了檢測和控制。普通電芯在動態(tài)過程中易出現不一致現象，如不針對單節(jié)電芯電壓進行檢測和控制，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品種類繁多，各種工具有不同的功能和控制參數，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設計，大多只配備單個電池包，充電器為簡易型居多。可見如工具有不同的工作參數，即無法在一種電池包內部實現，采用分開放置實現保護功能是最經濟實用且有效的方式。國內大多低端制造商因其產品線種類少，往往以工具參數適配電池包參數，將保護功能全部放置在電池包內部。

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

3 一體化設計

鋰電保護一體化設計即鋰電保護的分體方案，將鋰電池充電和放電時的電壓、溫度、電流保護分開放置在不同的部位，而非集中置于鋰電池包內部。

直流無刷電機采用電子換向代替機械換向，具有良好的調速和啟動性能。這些特點使得直流無刷電機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的組合。圖5所示為帶開關和控制器的無刷電機套件。

圖5 帶開關和控制器的無刷電機套件

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

隨著安全標準的提升，市場對鋰電保護系統(tǒng)的要求越來越高。如國際標準IEC 62841-1中第18部分Abnormal operation非正常操作部分，針對提供安全關鍵功能的電子線路（SFC）提出測試標準和要求。首先，使用IEC 61000-4進行抗擾度測試，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到標準規(guī)定的相應等級，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也有相應的要求。

鋰電工具電控的一體化設計化方案即根據實際的產品需求，將充電部分功能置于充電器中，實現精細化充電，在安全前提下將電芯充滿；將放電保護置于工具機身內部控制板上，設置滿足工具負載特性的保護參數，安全節(jié)能。在充電和放電都應具備精細化要求的場合下，改變以往在電池包內部完成所有的保護功能，根據需要將保護功能分開放置在對應位置，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雜程度，提升可靠性，降低元器件成本。在產品需進行安全認證要求情況下，可簡化測試項目。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計思路，順應技術發(fā)展的趨勢。

4 結語

鋰電工具電控一體化化設計是對現有鋰電保護方案的補充。方案的設計選擇與產品定位及各方因素有關，如產品的品牌定位、適用種類和數量、電機選型和控制、充電器類型、電池包搭配模式等都是實現該方案時應綜合考慮的附加因素，必須結合電動工具產品性能，產品整體設計能力、最新國際標準和市場準入規(guī)則等方面協(xié)作完成。