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應用於電動工具的嵌入式電池充電管理系統

本文作者Brian Chu。

可攜式電子設備的應用已擴大至消費性產品以外的市場,如電動工具(power tools)。現在業主、承包商和業餘愛好者在進行各種專案時可享受可攜式電動工具所帶來的便利。對於無電源線 (cordless)和非氣動的電動工具,如鑽機、螺絲刀、鋸子、鎚子、電動吹葉機/吸塵器和割草機等類似工具的需求正推動可攜式電動工具業的發展。開發電池供電工具時,電池選擇和功能組合將有別於典型可攜式消費性電子的應用...

由於這些掌上型工具通過電池供電,因此輸出功率的需求、電池運行時間和能量密度(energy density)已成為設計電池供電工具系統的重要因素。當越來越多的電池技術可用於驅動電動工具時,選擇能夠滿足所有需求並最大程度降低產品開發成本的通用電池充電管理系統是最重要的。本文將回顧一些用於電動工具的電池技術,並介紹一種針對9.6V至18V電池、採用單端初級電感轉換器(SEPIC)功率傳輸拓撲的嵌入式電池充電器設計,如圖 1所示。該嵌入式系統具有充分的彈性,其轉換器可由任何符合設計規範、現成的拓撲結構所替代。許多轉換器拓撲結構都能將能量儲存到電池—如線性(Linear)、降壓(Buck)、升壓(Boost)和反馳式(Flyback)等。本文之所以選取SEPIC拓撲是因為它允許電池電壓低於或高於電源電壓;並且由於電容隔離,不會構成1條從電源到電池的直流通路。SEPIC拓撲結構的電容隔離減少了功率元件數量也更安全。該嵌入式電池充電管理系統的彈性簡化了充電器的開發過程,從而最大限度地縮減設計成本和時間。

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圖1,使用SEPIC轉換器拓撲結構的典型電池充電器方塊圖。

圖2,使用綜合方法的典型NiCd/NiMH充電曲線。

表1,化學電池比較。

表2,電動工具所需的電池節數。

圖3,使用CC-CV方法的典型鋰離子電池充電曲線。

圖4,SEPIC電池充電管理系統方塊圖。

圖5,智慧型電池充電器流程圖。

電池技術

傳統的cordless電動工具由鎳鎘(NiCd)電池供電,因為它的內阻低所以可以輸出高電流來驅動電動工具中的馬達,並由於可充電次數多(1,000~1,500次),降低了電池的更換頻率。然而,NiCd電池中的鎳,可能產生結晶現象,造成記憶效應(memory effect),使得電池的實際容量變小;而其中的鎘可能毒害人類和環境健康,政府因此嚴格限制電池中的鎘用量,迫使設計工程師尋求其他解決方案。

NiCd電池放電率高、成本低和生命週期長,為可攜式電動工具市場的寵兒。這種成熟的電池技術也有許多充電系統供選擇。一種用於替代有毒金屬的化學電池便是鎳氫(NiMH)電池。由於NiMH電池由正極鎳板組成,因此對結晶形成較不敏感。然而,相對於NiCd電池,它的初始內阻較高,使用壽命較短。NiMH電池的相對低內阻使其可為電動工具輸出較高的峰值電流。眾所周知,NiCd和NiMH這兩種電池均具有高自放電率(每月20%至30%)。但如今的新型NiMH電池,具有低自放電率且在1年後仍可保存80~85%的電池電量。

有許多不同的方法可恢復NiCd和NiMH電池的能量。使用小的甯y(0.05C~0.2C)對NiCd和NiMH電池進行涓流充電很簡單且成本低。C是用來表示在一定時間內充放電速率的單位。電池的額定容量是依照它在1小時運行時間內所提供的安培數來決定,以安培時(Ah)或毫安培時(mAh)來表示。額定容量為1 Ah的電池,其0.2C充電電流為200 mA。然而,涓流充電很慢,而未及時終止充電會浪費能量則是不經濟或者不環保的。

另一種可行的方法是增加1個計時器來適當終止充電。但是,使用小甯y進行充電會花費很長時間。對NiCd和NiMH電池進行充電的其他方法是採用快速甯y(典型值為1C)充電,並監視電池的ΔT/Δt或-ΔV/Δt,其中T為溫度,t為時間,V為電壓。監視以上兩個參數之一,並快速將電流充入電池,直到很短時間內電池溫度升高或電壓下降才停止充電。

現代充電管理系統使用綜合充電方法來對NiCd和NiMH電池進行充電。圖2為典型的充電曲線。如果電池電壓低於截止電壓,將以0.2C預充電電流開始充電。一旦電池電壓超出截止電壓閾值,將改為快速充電電流。當電壓下降或溫度上升時,系統將改為60分鐘涓流充電,完成充電。有時,NiMH電池的電壓下降不是十分明顯,則可改用零電壓變化偵測(電壓平坦)。使用嵌入式充電管理解決方案的優點之一是可透過韌體輕鬆調整充電參數 。

雖然鎳鋅(NiZn)電池不是一種新的可再充電池類型,但使用於電動工具或高放電應用場合才剛剛起步。1.6V的額定電壓高於NiCd或NiMH電池的1.2V。表1列出了文中討論的化學電池的額定電壓、充電電壓和充電方法。不同於其他基於鎳的電池,NiZn電池不會隨著時間推移而產生大量的熱量。因此,它的充電演算法不同於NiCd和NiMH電池。NiZn電池使用甯y和睎(CC-CV)進行充電並在達到最小電流時終止充電,這一點類似於鋰離子電池。NiZn電池的充電演算法不需要預充電並且從1A – 2A甯y開始。一旦達到1.9V,將轉至睎ㄥ布q直到達到最小電流才終止充電。如果電池位於充電器內,當每節電池電壓降到1.68V時即開始再充電。通常要超過30天才會發生此種情況。

輸出相同的電壓所需的NiZn電池重量輕於NiCd和NiMH電池,這是因為NiZn電池的單節電壓和能量密度高於NiCd和NiMH電池。例如,需要8節NiCd電池來設計9.6V的電動工具,而僅使用6節NiZn電池就可滿足同樣的要求,從而減少了25%的電池節數。

鋰離子電池具有較低內阻和較高能量密度,性能較強且可輸出更大電流。由於該技術成熟並有助於降低產品成本,現已被廣泛應用。在設計高電壓應用時, 3.6V的額定電池電壓是巨大優勢。鋰電池所需的電池節數是NiCd或NiMH電池的1/3。不需維護的性能也使鋰離子電池更具吸引力。但是,鋰離子電池需要保護電路來防止過充和過放電條件。這些電路增加了大約100 mΩ的阻抗。鋰離子電池通常具備合理的生命週期(例如500~1,000次)。正確設計的充電和放電系統可延長鋰離子電池的壽命並提高整個系統的可靠性。

圖3描述了使用CC-CV方法對鋰離子電池進行充電的典型曲線。採用預充電電流使深度耗盡的電池恢復能量。當電池電壓低於約2.8V的截止電壓時,鋰離子電池以最大0.1C的甯y進行充電。如果電池電壓在大約30分鐘內未上升到超過截止閾值,可選擇使用安全計時器來終止充電。電池電壓上升到超過預充電閾值後,充電電流上升以進行快速充電。快速充電電流應介於0.5C和1C之間。如果從快速充電階段(1C快速充電電流)開始在約1.5小時內未達到其他終止條件,可選擇使用安全計時器來終止充電。當電池電壓達到4.2V時,開始睎ㄔR電階段。為了最大限度地提高性能和安全性,穩壓精確度應大於+-1%。為了提高可再充電鋰離子電池的安全性,日本電池協會(BAJ)提出限制最高充電電壓為4.25V,最大充電電流為0.7C,且10°C至45°C為標準的最低和最高充電溫度範圍。

繼續對鋰離子電池進行涓流充電是不被建議的。通常,充電會在充電電流最小時終止。最小電流方法在睎ㄥ布q監測充電電流並在充電電流降低至約小於0.07C或電池製造商建議的值時終止充電。先進的鋰離子電池充電管理系統會採用進一步的安全措施。在電池電壓超過約4.3V或電池溫度在指定範圍(通常為0°C至50°C)之外時,終止充電。

磷酸鐵鋰(Li-PO4)電池的負載能力出色(典型值為5C~10C)、可充電次數高(典型值為1,000~2,000次),加上其耐用性,目前正在可攜式工具市場尋求一席之地。許多公司或研究機構正在開發基於磷酸鹽的可再充電鋰電池。然而,由於沒有制定Li-PO4電池標準,因此性能可能因製造商不同而不同。 Li-PO4電池旨在用於高電流應用,如電動自行車、電動輪椅和電動汽車,也非常適用於電動工具。

Li-PO4電池充電演算法為CC-CV,類似於鋰離子電池,但典型的睎ㄜ是3.6V,而不是4.2V。一些製造商允許充電電壓為4.2V或4.1V,但這樣會縮短電池的使用壽命。最小電流終止方法選定的電流值可以是電池容量的比值或固定值。有些Li-PO4電池允許快速充電電流高達5C。因此,在需要高充電電流時,功率傳輸設備應能夠處理高電流。

嵌入式動力系統(Power-Train)的拓撲結構

圖1為嵌入式電池充電管理系統的基本方塊圖。如前面所述,動力系統可使用任何拓撲結構。本文選擇以SEPIC拓撲結構為例;微控制器(MCU)是「核心」,為整個系統提供智慧化控制。MCU的選擇範圍比較廣泛,且系統設計人員應為操作選擇合適的MCU。 MCU主要用於調整電流源控制的占空比(D)、感測溫度、輸出狀態、通訊聯絡並為終端使用者提供介面。還可選擇是否要有電量計(Fuel-gauge)和電池驗證功能。如搭配使用高解析度類比數位轉換器(ADC)時則MCU也可充當電量計。此外, MCU可通過訊號交握(hand shake)或簡單的序列號碼來識別有效電池組。

通常, MCU已存在於系統中且可用於驅動元件,如MCP1631HV脈寬調變器(PWM)控制器。MCP1631為高度整合的PWM控制器,可提供高速類比保護和驅動器來控制外部開關。圖4 描述了1個SEPIC電池充電管理系統的基本方塊圖。 MCP1631HV使用高達16V的輸入電源為MCU供電、驅動外部n-channel MOSFET,並檢測系統的電流和電壓。

●電感選擇

輸入電壓(VIN):12V + 5%

輸出電壓(VOUT): 21V(21V為採用5S鋰離子電池時選擇的最大輸出電壓。)

充電電流 (IBAT): 1A

開關頻率(FSW): 500 kHz

效率: 90%

漣波電壓(Ripple):40%

為了簡化計算,輸入電壓值採用額定電壓——任何情況下均為12V。

D = VOUT / (VOUT + VIN) = 21V / (21V+12V) = 63.6%

dt = 1/ FSW 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為漣波電流。選擇了33 µH電感。

L1A:

IRMS = (VOUT x IOUT) / (VIN x 效率) = (21V x 1A) / (12V x 0.9) = 1.94A

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

IPEAK = 1.94A + IRIPPLE/2 = 1.94A + 231 mA = 2.17A

L1B:

IRMS = IBAT = 1A

IRIPPLE = 12V x 1.27 x 10-6 / 33 x 10-6 = 462 mA

IPEAK = 1A+ 231 mA = 1.23A

●耦合電感

L = 12V x (1.27 x 10-6 /0.8) = 19.05 µH,其中在兩繞組之間選擇了0.8A的漣波電流。選擇了22 µH電感。

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

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

IRMS = 2.94A

當使用耦合電感時,電路板空間可以最小化而且電感洩漏也可減少。然而,當耦合電感的電感值不適用或使用成本太高時,也可在SEPIC設計中使用兩個獨立的電感。

●蕭特基二極體(Schottky Diode)

SEPIC設計中使用的蕭特基二極體必須滿足適當的電壓和電流額定值。流過蕭特基二極體的平均電流等於電池的充電電流1A。蕭特基二極體的峰值電流為1.21A。蕭特基二極體兩端的電壓可通過以下公式計算得出:

VSCHOTTKY = VOUT + VIN = 21V + 12V = 33V

在該設計中,選擇了額定值為40V、3A的蕭特基二極體。

●電容和N-channel MOSFET

建議此應用採用低ESR耦合電容CC。此電容的額定電壓與電流相關,且可通過下面的公式計算得出:

ICOUPLING CAP = C x dV / dt

輸出電容COUT的額定值應高於最大可承受電壓VBAT +。 因此,額定電壓為 25V的陶瓷電容用作CC,而額定電壓為35V的陶瓷電容用作COUT

最大開關電壓VOUT + VIN = 21V + 12V = 33V。選擇MOSFET開關時應考慮開關損耗。 可透過使用電源IC封裝或使用合適的佈線技術以提高散熱性。在這塈畯抰嚝雂FR_DSON = 16 mΩ 、具有低柵極電荷的40V N-channel MOSFET。

採用嵌入式韌體

可調適性是在電動工具中使用嵌入式策略來發展電池充電管理系統的諸多好處之一。表 2 為可用於常用手持式電動工具之電池系統的潛在組合。每種化學電池的充電演算法稍微或完全不同。不同製造商的相同化學電池也可能具有不同數量的活性物質(active material)。而系統開發成本和開發時間也成為許多電動工具製造商的負擔。藉由採用此平台,可透過更新韌體或修正小部分硬體以改變參數,以妥善利用各種化學電池。使用類似方法,也可開發多化學成分電池充電管理系統。

圖5為常見智慧型電池充電器流程圖。當檢測到電池存在時,執行狀態檢查以決定在進入正常充電模式前是否需要預充電或維護。充電模式期間,系統提供常規和監測功能來對電池進行充電。充電管理系統應在滿足終止條件時及時終止充電,防止過充。一旦充電活動完成,如果未從系統中取出電池,則應監測電池的健康狀態(SOH)。這可確保電池的容量足以進行下一次工作且能阻止過充進而延長電池壽命。

結論

電池供電工具使庭院工作、房屋工程和其他任務更加輕鬆容易,同時最大限度地減少因燃燒氣體而造成的空氣污染。cordless電動工具越來越受歡迎,因為它們重量輕,有更長的電池壽命、增強的電池運作時間和充足的電力。然而,設計工程師正面臨著電池標準、國際規則和電池技術的快速變化。各電池製造商的不同活性物質可能導致額定電壓、充電演算法、充電/放電電流和截止電壓略微不同。今天,產品設計人員不僅必須克服安全和性能相關的挑戰,還必須克服成本和產品生命週期的挑戰。嵌入式電池管理解決方案可幫助設計人員克服這些障礙並縮短產品上市時間。

文中的參數和設計值僅供參考。產品設計人員在開始任何項目之前應先諮詢電池製造商。

(本文作者Brian Chu為Microchip Technology Inc.類比與介面產品部門資深應用工程師,Hsinying Chu則為獨立化學工程師)