应用于电动工具的嵌入式电池充电管理系统

本文作者Brian Chu。

可携式电子设备的应用已扩大至消费性产品以外的市场，如电动工具(power tools)。现在业主、承包商和业余爱好者在进行各种专案时可享受可携式电动工具所带来的便利。对于无电源线 (cordless)和非气动的电动工具，如钻机、螺丝刀、锯子、鎚子、电动吹叶机/吸尘器和割草机等类似工具的需求正推动可携式电动工具业的发展。开发电池供电工具时，电池选择和功能组合将有别于典型可携式消费性电子的应用...

由于这些掌上型工具通过电池供电，因此输出功率的需求、电池运行时间和能量密度(energy density)已成为设计电池供电工具系统的重要因素。当越来越多的电池技术可用于驱动电动工具时，选择能够满足所有需求并最大程度降低产品开发成本的通用电池充电管理系统是最重要的。本文将回顾一些用于电动工具的电池技术，并介绍一种针对9.6V至18V电池、采用单端初级电感转换器(SEPIC)功率传输拓扑的嵌入式电池充电器设计，如图 1所示。该嵌入式系统具有充分的弹性，其转换器可由任何符合设计规范、现成的拓扑结构所替代。许多转换器拓扑结构都能将能量储存到电池—如线性(Linear)、降压(Buck)、升压(Boost)和反驰式(Flyback)等。本文之所以选取SEPIC拓扑是因为它允许电池电压低于或高于电源电压；并且由于电容隔离，不会构成1条从电源到电池的直流代理。SEPIC拓扑结构的电容隔离减少了功率元件数量也更安全。该嵌入式电池充电管理系统的弹性简化了充电器的开发过程，从而最大限度地缩减设计成本和时间。

电池技术

传统的cordless电动工具由镍镉(NiCd)电池供电，因为它的内阻低所以可以输出高电流来驱动电动工具中的马达，并由于可充电次数多(1,000~1,500次)，降低了电池的更换频率。然而，NiCd电池中的镍，可能产生结晶现象，造成记忆效应(memory effect)，使得电池的实际容量变小；而其中的镉可能毒害人类和环境健康，政府因此严格限制电池中的镉用量，迫使设计工程师寻求其他解决方案。

NiCd电池放电率高、成本低和生命周期长，为可携式电动工具市场的宠儿。这种成熟的电池技术也有许多充电系统供选择。一种用于替代有毒金属的化学电池便是镍氢(NiMH)电池。由于NiMH电池由正极镍板组成，因此对结晶形成较不敏感。然而，相对于NiCd电池，它的初始内阻较高，使用寿命较短。NiMH电池的相对低内阻使其可为电动工具输出较高的峰值电流。众所周知，NiCd和NiMH这两种电池均具有高自放电率(每月20%至30%)。但如今的新型NiMH电池，具有低自放电率且在1年后仍可保存80~85%的电池电量。

有许多不同的方法可恢复NiCd和NiMH电池的能量。使用小的恒流(0.05C~0.2C)对NiCd和NiMH电池进行涓流充电很简单且成本低。C是用来表示在一定时间内充放电速率的单位。电池的额定容量是依照它在1小时运行时间内所提供的安培数来决定，以安培时(Ah)或毫安培时(mAh)来表示。额定容量为1 Ah的电池，其0.2C充电电流为200 mA。然而，涓流充电很慢，而未及时终止充电会浪费能量则是不经济或者不环保的。

另一种可行的方法是增加1个计时器来适当终止充电。但是，使用小恒流进行充电会花费很长时间。对NiCd和NiMH电池进行充电的其他方法是采用快速恒流(典型值为1C)充电，并监视电池的ΔT/Δt或-ΔV/Δt，其中T为温度，t为时间，V为电压。监视以上两个参数之一，并快速将电流充入电池，直到很短时间内电池温度升高或电压下降才停止充电。

现代充电管理系统使用综合充电方法来对NiCd和NiMH电池进行充电。图2为典型的充电曲线。如果电池电压低于截止电压，将以0.2C预充电电流开始充电。一旦电池电压超出截止电压阈值，将改为快速充电电流。当电压下降或温度上升时，系统将改为60分钟涓流充电，完成充电。有时，NiMH电池的电压下降不是十分明显，则可改用零电压变化侦测(电压平坦)。使用嵌入式充电管理解决方案的优点之一是可透过韧体轻松调整充电参数 。

虽然镍锌(NiZn)电池不是一种新的可再充电池类型，但使用于电动工具或高放电应用场合才刚刚起步。1.6V的额定电压高于NiCd或NiMH电池的1.2V。表1列出了文中讨论的化学电池的额定电压、充电电压和充电方法。不同于其他基于镍的电池，NiZn电池不会随着时间推移而产生大量的热量。因此，它的充电演算法不同于NiCd和NiMH电池。NiZn电池使用恒流和恒压(CC-CV)进行充电并在达到最小电流时终止充电，这一点类似于锂离子电池。NiZn电池的充电演算法不需要预充电并且从1A – 2A恒流开始。一旦达到1.9V，将转至恒压阶段直到达到最小电流才终止充电。如果电池位于充电器内，当每节电池电压降到1.68V时即开始再充电。通常要超过30天才会发生此种情况。

输出相同的电压所需的NiZn电池重量轻于NiCd和NiMH电池，这是因为NiZn电池的单节电压和能量密度高于NiCd和NiMH电池。例如，需要8节NiCd电池来设计9.6V的电动工具，而仅使用6节NiZn电池就可满足同样的要求，从而减少了25%的电池节数。

锂离子电池具有较低内阻和较高能量密度，性能较强且可输出更大电流。由于该技术成熟并有助于降低产品成本，现已被广泛应用。在设计高电压应用时， 3.6V的额定电池电压是巨大优势。锂电池所需的电池节数是NiCd或NiMH电池的1/3。不需维护的性能也使锂离子电池更具吸引力。但是，锂离子电池需要保护电路来防止过充和过放电条件。这些电路增加了大约100 mΩ的阻抗。锂离子电池通常具备合理的生命周期(例如500~1,000次)。正确设计的充电和放电系统可延长锂离子电池的寿命并提高整个系统的可靠性。

图3描述了使用CC-CV方法对锂离子电池进行充电的典型曲线。采用预充电电流使深度耗尽的电池恢复能量。当电池电压低于约2.8V的截止电压时，锂离子电池以最大0.1C的恒流进行充电。如果电池电压在大约30分钟内未上升到超过截止阈值，可选择使用安全计时器来终止充电。电池电压上升到超过预充电阈值后，充电电流上升以进行快速充电。快速充电电流应介于0.5C和1C之间。如果从快速充电阶段(1C快速充电电流)开始在约1.5小时内未达到其他终止条件，可选择使用安全计时器来终止充电。当电池电压达到4.2V时，开始恒压充电阶段。为了最大限度地提高性能和安全性，稳压精确度应大于+-1%。为了提高可再充电锂离子电池的安全性，日本电池协会(BAJ)提出限制最高充电电压为4.25V，最大充电电流为0.7C，且10°C至45°C为标准的最低和最高充电温度范围。

继续对锂离子电池进行涓流充电是不被建议的。通常，充电会在充电电流最小时终止。最小电流方法在恒压阶段监测充电电流并在充电电流降低至约小于0.07C或电池制造商建议的值时终止充电。先进的锂离子电池充电管理系统会采用进一步的安全措施。在电池电压超过约4.3V或电池温度在指定范围(通常为0°C至50°C)之外时，终止充电。

磷酸铁锂(Li-PO₄)电池的负载能力出色(典型值为5C~10C)、可充电次数高(典型值为1,000~2,000次)，加上其耐用性，目前正在可携式工具市场寻求一席之地。许多公司或研究机构正在开发基于磷酸盐的可再充电锂电池。然而，由于没有制定Li-PO₄电池标准，因此性能可能因制造商不同而不同。 Li-PO₄电池旨在用于高电流应用，如电动自行车、电动轮椅和电动汽车，也非常适用于电动工具。

Li-PO₄电池充电演算法为CC-CV，类似于锂离子电池，但典型的恒压值是3.6V，而不是4.2V。一些制造商允许充电电压为4.2V或4.1V，但这样会缩短电池的使用寿命。最小电流终止方法选定的电流值可以是电池容量的比值或固定值。有些Li-PO₄电池允许快速充电电流高达5C。因此，在需要高充电电流时，功率传输设备应能够处理高电流。

嵌入式动力系统(Power-Train)的拓扑结构

图1为嵌入式电池充电管理系统的基本方块图。如前面所述，动力系统可使用任何拓扑结构。本文选择以SEPIC拓扑结构为例；微控制器(MCU)是「核心」，为整个系统提供智能化控制。MCU的选择范围比较广泛，且系统设计人员应为操作选择合适的MCU。 MCU主要用于调整电流源控制的占空比(D)、传感温度、输出状态、通讯联络并为终端使用者提供界面。还可选择是否要有电量计(Fuel-gauge)和电池验证功能。如搭配使用高分辨率类比数码转换器(ADC)时则MCU也可充当电量计。此外， MCU可通过信号交握(hand shake)或简单的序列号码来识别有效电池组。

通常， MCU已存在于系统中且可用于驱动元件，如MCP1631HV脉宽调变器(PWM)控制器。MCP1631为高度整合的PWM控制器，可提供高速类比保护和驱动器来控制外部开关。图4 描述了1个SEPIC电池充电管理系统的基本方块图。 MCP1631HV使用高达16V的输入电源为MCU供电、驱动外部n-channel MOSFET，并检测系统的电流和电压。

●电感选择

输入电压(V_IN)：12V + 5%
输出电压(V_OUT)： 21V(21V为采用5S锂离子电池时选择的最大输出电压。)
充电电流 (I_BAT)： 1A
开关频率(F_SW)： 500 kHz
效率： 90%
涟波电压(Ripple)：40%

为了简化计算，输入电压值采用额定电压——任何情况下均为12V。

D = V_OUT / (V_OUT + V_IN) = 21V / (21V+12V) = 63.6%

dt = 1/ F_SW x D = (1/500000) x 0.636 = 1.27 µS

L = V dt/di = 12V x (1.27 x 10^-6) / 0.4) = 38.1 µH，其中0.4A为涟波电流。选择了33 µH电感。

L1A：

I_RMS = (V_OUT x I_OUT) / (V_IN x 效率) = (21V x 1A) / (12V x 0.9) = 1.94A

I_RIPPLE = (12V x 1.27 x 10^-6)/ 33 x 10^-6 = 462 mA

I_PEAK = 1.94A + I_RIPPLE/2 = 1.94A + 231 mA = 2.17A

L1B：
I_RMS = I_BAT = 1A
I_RIPPLE = 12V x 1.27 x 10^-6 / 33 x 10^-6 = 462 mA
I_PEAK = 1A+ 231 mA = 1.23A

●耦合电感

L = 12V x (1.27 x 10^-6 /0.8) = 19.05 µH，其中在两绕组之间选择了0.8A的涟波电流。选择了22 µH电感。

I_RIPPLE 12V x 1.27 x 10^-6 / 22 x 10^-6 = 693 mA

I_PEAK = 1.94A + 1A + 347 mA = 3.29A

I_RMS = 2.94A

当使用耦合电感时，电路板空间可以最小化而且电感泄漏也可减少。然而，当耦合电感的电感值不适用或使用成本太高时，也可在SEPIC设计中使用两个独立的电感。

●萧特基二极管(Schottky Diode)

SEPIC设计中使用的萧特基二极管必须满足适当的电压和电流额定值。流过萧特基二极管的平均电流等于电池的充电电流1A。萧特基二极管的峰值电流为1.21A。萧特基二极管两端的电压可通过以下公式计算得出：

V_SCHOTTKY = V_OUT + V_IN = 21V + 12V = 33V

在该设计中，选择了额定值为40V、3A的萧特基二极管。

●电容和N-channel MOSFET

建议此应用采用低ESR耦合电容C_C。此电容的额定电压与电流相关，且可通过下面的公式计算得出：

I_{COUPLING CAP} = C x dV / dt

输出电容C_OUT的额定值应高于最大可承受电压V_BAT +。 因此，额定电压为 25V的陶瓷电容用作C_C，而额定电压为35V的陶瓷电容用作C_OUT。

最大开关电压V_OUT + V_IN = 21V + 12V = 33V。选择MOSFET开关时应考虑开关损耗。 可透过使用电源IC封装或使用合适的布线技术以提高散热性。在这里我们选择了R_{_DSON} = 16 mΩ 、具有低栅极电荷的40V N-channel MOSFET。

采用嵌入式韧体

可调适性是在电动工具中使用嵌入式策略来发展电池充电管理系统的诸多好处之一。表 2 为可用于常用手持式电动工具之电池系统的潜在组合。每种化学电池的充电演算法稍微或完全不同。不同制造商的相同化学电池也可能具有不同数量的活性物质(active material)。而系统开发成本和开发时间也成为许多电动工具制造商的负担。藉由采用此平台，可透过更新韧体或修正小部分硬件以改变参数，以妥善利用各种化学电池。使用类似方法，也可开发多化学成分电池充电管理系统。

图5为常见智能电池充电器流程图。当检测到电池存在时，执行状态检查以决定在进入正常充电模式前是否需要预充电或维护。充电模式期间，系统提供常规和监测功能来对电池进行充电。充电管理系统应在满足终止条件时及时终止充电，防止过充。一旦充电活动完成，如果未从系统中取出电池，则应监测电池的健康状态(SOH)。这可确保电池的容量足以进行下一次工作且能阻止过充进而延长电池寿命。

结论

电池供电工具使庭院工作、房屋工程和其他任务更加轻松容易，同时最大限度地减少因燃烧气体而造成的空气污染。cordless电动工具越来越受欢迎，因为它们重量轻，有更长的电池寿命、增强的电池运作时间和充足的电力。然而，设计工程师正面临着电池标准、国际规则和电池技术的快速变化。各电池制造商的不同活性物质可能导致额定电压、充电演算法、充电/放电电流和截止电压略微不同。今天，产品设计人员不仅必须克服安全和性能相关的挑战，还必须克服成本和产品生命周期的挑战。嵌入式电池管理解决方案可帮助设计人员克服这些障碍并缩短产品上市时间。

文中的参数和设计值仅供参考。产品设计人员在开始任何项目之前应先谘询电池制造商。

(本文作者Brian Chu为Microchip Technology Inc.类比与界面产品部门资深应用工程师，Hsinying Chu则为独立化学工程师)