專利名稱：單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路及其檢測、控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰電電動工具，特別涉及一種鋰電電動工具的控制與保護電路及其檢測、控制方法。
背景技術(shù)：
直流電動工具的運用，直接替代了手工工具，減輕了人們的作業(yè)勞動強度，提高了作業(yè)效率，特別是采用了動力型鋰離子電池的直流電動工具，更是減輕了電動工具的重量，提高了電池的循環(huán)使用壽命，符合環(huán)保的需求，受到人們的喜愛。動力型鋰離子電池由于自身的特性,在充放電過程對電池電壓、放電電流和溫度都有嚴(yán)格的要求，超出規(guī)格要求，輕則縮短電池的充放電循環(huán)使用壽命或損壞電池，重則有可能引起著火或爆炸等安全事故的發(fā)生。由于采用單節(jié)(標(biāo)稱電壓3.6V)動力型鋰離子電池的電動工具通常體積小巧，電池均采用不可拆卸的方式固定安裝在電動工具內(nèi)，為此，保護與控制電路也必須安裝在電動工具內(nèi)。在電動工具行業(yè)內(nèi)使用單節(jié)鋰離子電池的傳統(tǒng)做法是采用原設(shè)計用于手機數(shù)碼類的單節(jié)保護用的IC來做控制與保護。由于一般單節(jié)保護IC是針對手機數(shù)碼類產(chǎn)品而設(shè)計，工作時充、放電電流小，放電負載基本為阻性負載，放電平穩(wěn)，不需作溫度保護功能，而單節(jié)鋰電直流電動工具負載為直流有刷電機，具有放電電流大，電池工作過程中溫度上升快，電機運轉(zhuǎn)時電火花干擾大，電動機反電勢特別高等特點，所以采用用于手機數(shù)碼類的IC作單節(jié)鋰電直流電動工具的保護方案存在保護功能不全面的缺陷，如無溫度保護功能和多段電流保護功能，充放電保護電壓與放電保護電流參數(shù)由IC生產(chǎn)廠家固定而無法改變，無法顯示電動工具的各種工作與保護狀態(tài)等，用戶界面不友好，安全及可靠性相對較低等缺陷。所以，用于手機數(shù)碼類產(chǎn)品的IC并不適合用于鋰電電動工具的保護與控制，如果另外加上溫度保護功能、多段電流保護功能、充放電電壓與電流保護功能等電路，則整個系統(tǒng)的電路將變得較復(fù)雜，元器件大大增加，電動工具內(nèi)基本上無安裝空間，所以實用價值不大。普通單節(jié)鋰電保護IC的電路原理如圖1所示，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但用于鋰電電動工具時保護功能不全面，安全及可靠性低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種單節(jié)動力型鋰離子電池用于電動工具的控制與保護電路，采用單片機U2作主控1C，配合簡單的外圍電路將鋰電電動工具實現(xiàn)了:充電控制管理功能、放電控制管理功能、充放電電壓保護功能、充放電溫度保護功能、充電過流保護保護功能，放電多段過流保護功能以及各工作狀態(tài)顯示等功能，本發(fā)明的電路原理如圖2所示。對于單片機U2的供電電路，傳統(tǒng)的做法是采用穩(wěn)壓的3.3V或5V的電源給單片機供電，而本發(fā)明利用單節(jié)鋰離子電池的正常工作電壓范圍在2.5-4.2V之間，以及單片機可在2-5V之間工作的特性，直接采用電池電壓供電的方式來給單片機供電，即可使單片機穩(wěn)定工作，同時也簡化了供電電源的設(shè)計，降低了元器件成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。如圖2所示，由于直流有刷電機在工作時會產(chǎn)生較大的電火花干擾，如果不加處理，則會造成單片機程序指針跑飛，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運行，為消除此影響，在電機Ml的正負端反向并聯(lián)一個續(xù)流二極管，以消除電機的反電動勢，在電池BTl的正負極兩端并聯(lián)有一個數(shù)10微法的電容Cl，可吸收大部分電機換向時的脈沖干擾。如圖2所示，在單片機U2的VB供電回路中加一個由電阻R16、電容C12所組成的RC低通濾波電路，可確保單片機U2工作不受電機Ml以及各種外部干攏，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。 對于電池充放電的電壓檢測電路傳統(tǒng)的方法是以穩(wěn)定的單片機供電電壓或外部參考電壓作AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓去檢測電池電壓，一般要求被檢測的電壓不能高于參考電壓。如圖2所示，本發(fā)明由單片機的一個IO 口通過電阻RlO限流向精密電壓參考源Ul供電，Ul輸出的2.495V作外部參考電壓，以電池電壓(單片機U2供電電壓)作基準(zhǔn)，通過檢測外部參考源的電壓，采用反推算法從而達到檢測電池電壓的目的，以實現(xiàn)對充電電壓的高精度檢測要求，而在放電過程中由于過放保護電壓點一般設(shè)在2.5-2.7V，當(dāng)電池電壓降到2.5V時，精密外部電壓參考源U1(TL431)已經(jīng)無法提供精準(zhǔn)的電壓了，由于動力工具電機的工作電流至少在幾安培以上，放電保護點的電壓精度要求相對充電電壓精度低一些，所以在放電保護時，以電池電壓(單片機U2供電電壓)作參考基準(zhǔn)，通過檢測單片機U2內(nèi)部1.2V的穩(wěn)壓電壓來反推電池電壓，即可保證單片機在2V以上時可相對準(zhǔn)確地檢測到電池電壓，從而實現(xiàn)過放保護功能。如圖2所示，電池充放電溫度檢測電路采用穩(wěn)定的2.495V電壓為電阻Rll和負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC的串聯(lián)回路提供電源，以電阻R12與電容C4組成的低通濾波電路，通過單片機U2的AD 口以外部2.495V作基準(zhǔn)檢測該點的電壓，由單片機U2中的軟件換算實現(xiàn)對電池溫度的檢測。如圖2所示，為降低供電回路內(nèi)阻，直接采用放電MOS管Q4的內(nèi)阻Rds作電流采樣電阻，通過電阻R8與電容C3作低通濾波后，送給單片機U2的IIN腳(AD 口 )作電流檢測。如圖2所示，由NPN型充電控制三極管Q3，充電MOS管Ql、Q2，電阻Rl、R2與R3組成充電控制與隔離電路，充電MOS管Ql與Q2的漏極相連，共用門極控制組成充電開關(guān)與隔離，當(dāng)充電控制三極管Q3導(dǎo)通時，充電MOS管Ql與Q2同時導(dǎo)通，開始充電，充電控制三極管Q3截止時，充電MOS管Ql與Q2同時關(guān)斷，停止充電，這樣的設(shè)計使得充電回路的內(nèi)阻很低，導(dǎo)通壓降小，關(guān)斷時可完全將電池與前面的充電回路隔離，即可提高充電效率同時又可降低靜態(tài)損耗。如圖2所示，通過單片機U2控制放電MOS管Q4的通斷可控制電機的運轉(zhuǎn)與停止，通過操作組合控制開關(guān)Si可改變電機的運轉(zhuǎn)方向。如圖2所示，公開了單片機U2休眠控制與喚醒方法。電池電壓正常時，單片機U2的程序檢測到?jīng)]有充電器的插入，組合控制開關(guān)SI也沒有按下時，程序控制單片機U2關(guān)閉外部精密電壓參考源Ul的供電，同時關(guān)閉充電控制三極管Q3與放電MOS管Q4，進入低功耗的休眠狀態(tài)，整機靜態(tài)電流小于I微安，而當(dāng)充電器或組合控制開關(guān)SI按下時，單片機U2的VIN腳或IIN腳將由低電平變?yōu)楦唠娖?，將單片機U2喚醒，開始正常的充電或放電過程。如圖2所示，由外部充電器、電路中的雙色發(fā)光二極管2LED1與電阻R13、R14組成充電狀態(tài)指示燈，當(dāng)電池電壓小于2V時，雙色LED同時導(dǎo)通以小電流向電池進行預(yù)充電，紅綠雙色同時發(fā)光混合顯示為橙色，當(dāng)電壓大于2V時，進入正常充電狀態(tài)，此時紅燈亮，綠燈滅，充電完成后紅燈滅，綠燈亮，充電過程中出現(xiàn)溫度超出時，紅燈閃，以給用戶明顯的提示。放電時白光發(fā)光二極管LEDl亮，當(dāng)出現(xiàn)任何異常時，如欠壓、超溫以及過流短路時，白光發(fā)光二極管LEDl以不同的頻率與占空比(閃亮?xí)r間)閃亮，以提醒用戶注意異常的發(fā)生。
_9] 有益.效果與采用鎳鎘與鎳氫電池作電源的方案比較:采用鋰電池的電動工具由于具有環(huán)保節(jié)能，重量輕，使用方便，作業(yè)效率高，每個充放電周期作業(yè)次數(shù)更多等優(yōu)點；而采用單片機U2控制與保護電路則使功能設(shè)計更靈活，控制電路更可靠，使用更安全，電池循環(huán)使用壽命更長等特點。本方案將單片機U2作保護與控制電路的主控1C，與傳統(tǒng)的單節(jié)保護IC的做法相比:電路具有保護與控制功能全面，電路復(fù)雜度降低、電子元件減少、成本降低、安全與可靠性提高、電路不工作時幾乎不耗電等特點。
圖1是單節(jié)保護IC的電路原理圖；圖2是本發(fā)明所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路的電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合電路原理圖對單節(jié)鋰電電動工具的工作原理進一步說明:休眠狀態(tài):當(dāng)電池電壓正常時，單片機程序檢測到?jīng)]有充電器的插入，組合控制開關(guān)SI也沒有按下時，程序控制單片機關(guān)閉外部精密電壓參考源Ul的供電，同時關(guān)閉充電控制三極管Q3與放電MOS管Q4，進入低功耗的休眠狀態(tài)，整機靜態(tài)電流小于I微安，當(dāng)單片機U2處于休眠狀態(tài)后，即使電池電壓下降到接近OV時，仍會保持在低功耗的休眠狀態(tài)。充電狀態(tài):當(dāng)將5V/1A的恒流恒壓充電器插入充電插座Jl時，如果電池電壓低于2V以下時，由于單片機U2已處于休眠狀態(tài)，不能正常工作，此時充電器正極通過可恢復(fù)保險元件PTC、二極管D2、雙色發(fā)光二極管2LED1、電阻R13、R14以及單片機的LEDG和LEDR引腳內(nèi)部的寄生上拉二極管對電池進行幾毫安的小電流充電，以便能激活電池電壓上升，此時雙色LED紅綠燈同時亮燈，顯示為橙色，表示為小電流充電激活中，如果電池電壓升到2V以上時，單片機U2內(nèi)部的上電復(fù)位電路會將產(chǎn)生上電復(fù)位動作，將休眠中的單片機U2喚醒，使之開始正常工作，當(dāng)單片機U2的VIN腳檢測到高電平后進入充電程序，單片機U2將開啟精密電壓參考源Ul且COUT腳輸出高電平使充電控制三極管Q3導(dǎo)通，從而使充電MOS管Ql與Q2導(dǎo)通，使來自DC插座的恒流恒壓充電器向電池充電，同時紅燈亮，表示正在充電中。如果電池電壓低于2.5V，則COUT腳輸出PWM調(diào)制波，即以較小的平均電流進行涓流充電，否則直接輸出高電平進行快速充電，當(dāng)充電電壓快接近4.2V時，軟件調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波使之進行恒壓充電，直到PWM占空比低于設(shè)定值或單片機內(nèi)部的充電定時器到達設(shè)定時間時，COUT腳輸出低電平，使充電控制三極管Q3關(guān)斷從而使充電MOS管Ql與Q2關(guān)斷截止，停止充電并關(guān)閉精密電壓參考源Ul的供電，同時綠燈亮表示充電完成。如果充電器不撥下，則綠燈一直亮，由于充電MOS管Ql與Q2同時截止，綠燈與充電器電壓檢測回路的供電是由充電器提供，而單片機則進入休眠狀態(tài)，以降低電池的損耗。充電保護狀態(tài):當(dāng)充電過程中單片機通過檢測貼在電池表面的負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，檢測到電池表面溫度超出保護溫度時，將關(guān)閉充電MOS管Ql與Q2暫停充電，且紅燈開始閃爍，而當(dāng)溫度回復(fù)正常范圍時，則恢復(fù)充電，由單片機軟件設(shè)定一個充電定時器，當(dāng)充電時間達到了定時時間電池仍未達到4.2V電壓時，則自動停止充電，以保鋰離子電池的安全。如果充電電流過大，則串在充電回路中的自恢復(fù)保險PTC阻值變得很大，關(guān)斷充電器電源，同時指示燈將熄滅，單片機檢測到?jīng)]有充電電壓時，將自動進入休眠狀態(tài)。電機放電狀態(tài):由于平時單片機處于休眠狀態(tài)，放電MOS管Q4是處于關(guān)閉狀態(tài)的，當(dāng)組合控制開關(guān)SI按下時，電池電壓將通過電機的線圈電阻加到放電MOS管Q4的漏極，該點的高電平通過電阻R8加到了單片機U2的IIN腳，將單片機U2喚醒，單片機U2將打開精密電壓參考源Ul，并開啟放電MOS管Q4，進入電機運轉(zhuǎn)的放電狀態(tài)，白光LEDl將點亮，以便作為工具的附助照明與指示用，當(dāng)組合控制開關(guān)SI釋放后，單片機U2檢測不到放電電流，將關(guān)斷放電MOS管Q4，關(guān)斷精密電壓參考源Ul的電源，關(guān)閉白光LED1，自動進入休眠狀態(tài)。電機放電保護狀態(tài):通過單片機軟件設(shè)置了放電欠壓、超溫與多段過流等保護功能，在放電的過程中，單片機U2軟件循環(huán)檢測電池電壓、溫度與放電電流，當(dāng)其中的任一項超出設(shè)定的保護值并延時設(shè)定的時間后，將關(guān)斷放電MOS管Q4，關(guān)斷精密電壓參考源Ul的電源，同時白燈LEDl按設(shè)定的閃爍頻率閃爍設(shè)定的時間后，自動進入休眠狀態(tài)并鎖定不變。如需重啟電機M1，只需釋放組合控制開關(guān)SI后，再次按下組合控制開關(guān)SI即可，如果此時所有保護條件不滿足時，則電機Ml重新運轉(zhuǎn)。以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其中包括單片機(U2)的供電電路模塊、電池充放電的電壓檢測電路模塊、電池充放電的溫度檢測電路模塊、電池充電控制管理電路模塊、電機的開關(guān)以及換向控制電路模塊、工作狀態(tài)指示電路模塊，其特征在于:單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路采用單片機(U2)作主控1C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其特征在于:所述的單片機(U2)的供電電路模塊中，單片機(U2)由電池電壓直接供電，電機(Ml)的正負端反向并聯(lián)一個續(xù)流二極管(Dl)，電池(BTl)的正負極兩端并聯(lián)有電容(Cl)，單片機(U2)的VB供電回路中有一個由電阻(R16)、電容(C12)組成的RC低通濾波電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其特征在于:所述的電池充放電的電壓檢測電路模塊中，單片機(U2)的一個IO 口通過電阻(RlO)限流向精密電壓參考源(Ul)供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其特征在于:精密電壓參考源(Ul)輸出2.495V作外部參考電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其特征在于:所述的電池充放電的溫度檢測電路模塊中，采用穩(wěn)定的2.495V電壓為電阻(Rll)與負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)的串聯(lián)回路提供電源，以電阻(R12)與電容(C4)組成低通濾波電路，單片機(U2)的AD 口以外部的2.495V電壓作基準(zhǔn)來檢測該點的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其特征在于:所述的電池充電控制管理電路模塊中，包括由充電MOS管(Q1、Q2)、充電控制三極管(Q3)、電阻(R1、R2、R3)組成的充電控制與隔離電路，充電MOS管(Q1、Q2)的漏極相連，公用門極控制組成充電開關(guān)與隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其特征在于:所述的電機的開關(guān)以及換向控制電路模塊中，單片機(U2)控制放電MOS管(Q4)的通斷控制電機的運轉(zhuǎn)與停止，組合控制開關(guān)(SI)控制電機的運轉(zhuǎn)方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路，其特征在于:所述的工作狀態(tài)指示電路模塊中，由外部充電器、雙色發(fā)光二極管(2LED1)與電阻(R13、R14)組成充電狀態(tài)指示燈。
9.一種如權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路的工作電流檢測方法，采用放電MOS管(Q4)的內(nèi)阻(Rds)作電流采樣電阻，通過電阻(R8)與電容(C3)作低通濾波后，送給單片機(U2)的IIN腳作電流檢測。
10.一種如權(quán)利要求1所述的單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路的單片機休眠控制與喚醒方法，電池電壓正常時，單片機(U2)的程序檢測到?jīng)]有充電器插入，電機(Ml)的組合控制開關(guān)(SI)也沒有按下時，程序控制單片機(U2)關(guān)閉外部精密電壓參考源(Ul)的供電，同時關(guān)閉充電控制三極管(Q3)與放電MOS管(Q4)，進入低功耗的休眠狀態(tài)，整機靜態(tài)電流小于I微安，當(dāng)充電器與電機控制開關(guān)(SI)按下時，單片機的VIN腳或IIN腳將由低電平變?yōu)楦唠娖?，將單片機喚醒，開始正常的充放電過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單節(jié)鋰電電動工具控制與保護電路及其檢測、控制方法，其中包含單片機供電電路、電池充放電電壓檢測電路、電池充放電溫度檢測電路、電池充電控制管理電路、電機的開關(guān)以及換向控制電路、工作狀態(tài)指示電路，采用單片機作主控IC，配合簡單的外圍元件，實現(xiàn)了單節(jié)鋰電電動工具保護與控制的全部功能，功能設(shè)計靈活、電路復(fù)雜度降低、電子元件減少、成本降低、安全可靠性高、電路不工作時幾乎不耗電，具有環(huán)保節(jié)能、重量輕、使用方便、作業(yè)效率高、電池循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點。
文檔編號H02J7/00GK103166290SQ20131010083
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者黃躍進 申請人:欣旺達電子股份有限公司