基于單片機的電動工具鋰電池管理系統(tǒng)設計

黃其慶

（ 江蘇蘇美達五金工具有限公司 江蘇 南京 210061 ）

基于單片機的電動工具鋰電池管理系統(tǒng)設計

黃其慶

（ 江蘇蘇美達五金工具有限公司 江蘇 南京 210061 ）

摘要選用正極為三元材料的鋰電池，單節(jié)電壓3.6V，3串1并，以10.8V鋰電調速電鉆為主要研究與應用對象，分析了鋰電池在電動工具行業(yè)應用過程中所面對的一些問題，包括：充電器、PCM電路復雜、可靠性差、自耗電大、成本高等，并設計開發(fā)以PIC16F616單片機為核心控制的充放電系統(tǒng)。

關鍵詞PIC16F616 PCM 充電器 過充 過放 過流 PWM調速

0　引言

鋰電池在各行業(yè)的應用具有較多的優(yōu)點，無論應用在數(shù)碼產(chǎn)品上的容量型鋰電池，還是應用在直流工具上的動力型鋰電池，均需避免或防止鋰電池在使用過程中被過充電、過放電，持續(xù)大電流下充放電以及高溫下充放電這些情況的發(fā)生。一旦長期過充或過放，將影響鋰電池的使用壽命，甚至發(fā)生危險，導致人身傷害。傳統(tǒng)鋰電池由于材料選型及生產(chǎn)水平的限制，電池一致性較差。在應用到產(chǎn)品時，電池包內均需匹配一塊保護板，即行業(yè)內所稱的PCM(Protection circuit module)，該PCM對每一節(jié)鋰電池進行電壓、溫度參數(shù)的監(jiān)控。一般采用單個或多個專用芯片，對鋰電池組中的每一節(jié)鋰電池進行監(jiān)測與管理，理論上安全性、可靠性相對較高。在實際操作過程中，也存在一些不利因素，包括PCM總體成本高；PCM本身自耗電大，影響電池包生產(chǎn)與銷售過程中的擱置周期，甚至會產(chǎn)生死電池包，導致市場退貨或索賠；充放電控制電路復雜，大批量生產(chǎn)操作中較難控制一致性；另外，電池包內放置具有保護作用的功率器件，將增大電池包的體積，影響電池包的造型。同時，功率器件在電池包內將加劇發(fā)熱量，長期使用必然會縮短電池組的使用壽命，甚至發(fā)生危險。

針對以上亟待解決的問題，且隨著鋰電池技術的不斷發(fā)展，國內外鋰電池如日本三洋(Sanyo)、韓國三星(SamSung)、天津力神(Lishen)，深圳比克(BAK)，這些廠家的生產(chǎn)控制與篩選工藝日趨成熟，鋰電池間的差異性逐漸縮小，電池特性如電壓、內阻、容量趨向于一致。因此，在此背景下，作者在鋰電池充電器及PCM的設計中，開發(fā)出適用于直流鋰電工具的新系統(tǒng)。整個系統(tǒng)均以PIC16F616單片機進行電路設計，以C語言編寫源程序，電路簡單、可靠，相對于傳統(tǒng)單節(jié)鋰電池檢測的保護方案，具有成本低、電池包自耗電小、市場應用前景好的特點。

PIC16F系列單片機是美國Microchip公司推出的一種新型的高性能8位系列單片機微控器，采用RISC(精簡指令集)和Hovrard(哈佛總線)結構。其主要特點是發(fā)展多種型號的系列產(chǎn)品來滿足不同層次的應用要求，真正體現(xiàn)了單片機的“單片”特性。PIC16F616單片機應用于鋰電管理與電機控制方面具有突出的資源優(yōu)勢，包括寬范圍的工作電壓、低功耗、精確的內部振蕩器、省電休眠模式、10位精度的A/D轉換器、2路10位的PWM控制器、8路外部輸入通道及2路內部參考通道等。

為了更加詳細地論述設計思路及原理，本文選用正極為三元材料的鋰電池，單節(jié)電壓3.6 V，選用3串1并，以10.8 V鋰電調速電鉆作主要研究應用對象。系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能包括充電管理與保護，放電管理與保護。充電部分詳細功能描述：過充電壓檢測與保護、過流檢測與保護、超溫檢測與保護、電壓低時充電涓流控制、充電定時控制、充電狀態(tài)與故障報警指示；放電部分詳細功能描述：直流永磁電機無級調速(PWM)，過放電壓檢測與保護、過流檢測與保護、超溫檢測與保護、工作照明指示、故障報警、低功耗處理。

圖1　系統(tǒng)架構

1　充放電系統(tǒng)設計架構

如圖1所示，電控部分主要有三個部分，充電器、電池包、放電控制板。系統(tǒng)簡單清晰，其實現(xiàn)功能主要集中為充電管理與放電管理兩個部分，電池包內僅放置一只一次性的電流保險絲和一只溫度傳感器。從架構圖上看，充放電管理相互獨立，互不累贅，電池包內無電子元器件間的回路，電池包獨立擱置時，理論功耗為零。

2　系統(tǒng)硬件電路設計

2.1充電部分電路設計

圖2　充電部分電路設計

圖2所示，包括主回路和控制回路兩大部分。主回路是開關電源中功率電流流經(jīng)的通路，主要包含了高壓開關MOS M1、脈沖變壓器T1、濾波器LF1、全橋整流電路等所有功率器件?？刂苹芈芬訫CU--PIC16F616為主控芯片進行電路設計，AD端口RA1采集電池包溫度信息，AD端口RA0采集電池包電壓信息，回路電流反饋由運放U4檢測處理。MCU AD端口一旦接受收到電壓、溫度信息后，立即進行分析處理，可驅動M2、M3開關整個充電回路。整個電路實現(xiàn)了鋰電池組充電過程中必需的幾項功能，包括CC(恒流充電)、CV(恒壓充電)，低電壓檢測與涓流充電，過充電壓監(jiān)控，電池組溫度參數(shù)監(jiān)控，定時充電，過流保護等功能。便于用戶通過LED1，LED2的顯示狀態(tài)，判斷整個充電系統(tǒng)是否正常工作。

2.2放電部分電路設計

圖3　放電部分電路設計

圖3所示，以PIC16F616單片機為核心進行電路設計，充分利用了單片機的AD、PWM、I/O、內部晶振等資源，較好地實現(xiàn)了UV(Under Voltage過放電壓)檢測與保護，OC(Over Current過流)參數(shù)的檢測、放大與保護，OT(Over Temperature溫度)檢測與保護以及PWM速度調節(jié)與剎車等功能。同時，在電路設計時，考慮了電機在工作過程中的抗干擾和散熱處理，以防影響并損壞功率MOS Q7、Q8。在功耗處理方面，配合電動工具開關進行設計，使用工具時才會發(fā)生電流消耗，擱置不用時，放電系統(tǒng)的自耗電為零。電路設計中選用Φ5 mm高亮LED為照明指示，可使用戶在光線較暗的場所正常工作。同時，該LED被復用為智能報警指示，當檢測到電壓過放、電流過載或超溫時，及時為用戶提供警示功能。

3　軟件實現(xiàn)流程

3.1充電管理軟件流程圖

充電管理流程如圖4所示。

圖4　充電管理軟件工作流程

3.2放電管理軟件流程圖

放電管理流程如圖5所示。

圖5　放電管理軟件工作流程

4　結語

針對鋰電池在電動工具行業(yè)應用過程中所面對的一些問題，包括：充電器、PCM電路復雜、可靠性差、自耗電大、成本高等，設計開發(fā)了以PIC16F616單片機為核心控制的充放電系統(tǒng)。整個系統(tǒng)結構簡單，容易實現(xiàn)，控制電路簡潔。理論上，該方案適用于1節(jié)及1節(jié)以上串并聯(lián)鋰電池組的充放電系統(tǒng)。在大批量生產(chǎn)應用中具有成本低，一致性好，可靠性高，易于生產(chǎn)控制等特點，是充電式電動工具大規(guī)模推向市場的較好選擇方案。

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中圖分類號TM910.6

文獻標識碼A

文章編號1674-1796（2014）01-0008-04

[收稿日期]2013-12-23

[作者簡介]黃其慶（1980—）男，工程師，主要從事電動工具鋰電池的充放電系統(tǒng)及相關設計應用工作。

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