電力工具市場正在穩(wěn)步增長,復合年增長率超過6%。無繩電動工具是最快擴張的部分,占了所有貨運的近一半。這種增長正推動先進技術進入這些產品。通過加入鋰離子電池,制造商們使無繩電動工具能夠提供更高的功率密度、更快的充電和更長的放電周期--這是消費者追求的關鍵功能。此外,無刷直流電動機的進步有助于減小尺寸,提高可靠性,延長壽命和提高輸出性能。
雖然鋰離子電池提供了緊湊的動力和延長的壽命,但它們也帶來了與電池安全有關的挑戰(zhàn)。無刷直流電動機,雖然效率高,但需要仔細注意最佳性能。本文提供了10個基本的建議,幫助設計師提高他們的無繩電源工具設計的效率和健壯性。
無繩電動工具的電池組
典型的無繩工具電池組設計包括電池組和用于電池管理和保護的電路,有助于確保安全運行。概述了電池組及其功能部件的例子,以及每個功能的推薦保護部件。
給出了電池組電路的框圖和列出每個電路推薦的保護和傳感元件的表格。這些建議的部件包括防止溫度和電氣危害。
鋰離子電池,雖然提供高能量密度的容量,但如果在裝配過程中損壞,排放低于電壓限制或過度充電,可能會過熱。過熱的鋰離子電池,如果不加以控制,會轉變成熱失控狀態(tài),可能會產生火災和有毒化學物質。電池組設計的無繩電動工具有多層保護電池組,以幫助防止這種故障模式。前五項建議解決了保持電池安全的挑戰(zhàn)。
提示1:密切監(jiān)控電池溫度
電池組溫度是保證安全運行的最重要參數(shù).電池組上的多個熱敏電阻可以檢測到一些高溫電池。然而,可以在電池組上安裝物理和經濟的熱敏器的數(shù)量是有限的。
另一種解決辦法是分布式溫度監(jiān)測裝置 。這個新的解決方案是一個帶許多嵌入式溫度指示器安裝30mm分開.磁帶可以符合和粘附任何電池組.TCAM的優(yōu)點是,它可以成本有效地安裝在每個電池附近,并發(fā)現(xiàn)熱點比離散組件早得多。溫度指示器是一個系列,并操作在TTL電壓水平。如果溫度指示器檢測到溫度高于60℃,那么T帶鏈的電阻就會上升幾十年。電阻的變化可以創(chuàng)建一個高邏輯,通過這個邏輯,一個監(jiān)控電路可以響應.
作為一種選擇,設計者可能會添加一個次級組件,如果電池組溫度接近不安全水平,那么它可以直接將電池與電動工具電路斷開。熱切斷元件,例如含有聚合物正溫度系數(shù)器件(PPTC)和雙金屬開關的平行組合的組件,可以作為二次保護。
展示了熱截止元件的示意圖。PPTC設備根據電池組溫度加熱,導致雙金屬開關打開。開關一直保持開放,直到PPTC元件冷卻,提供可補給的過熱保護。熱切斷裝置的版本可以選擇溫度激活等級。
提示2:確保一個堅固的主保護電路
主保護電路與電池組直接接口,保護電池組免受過電壓、過電流、過電壓、過低溫和過高溫。瞬態(tài)電壓抑制器(TT)二極管可以防止損壞該電路中的半導體。電視二極管可以安全地吸收200瓦的瞬態(tài)脈沖,并提供靜電放電(ESD)保護30kV。它們能夠響應不到1n的瞬態(tài).選擇一個表面安裝組件可以節(jié)省PC板的空間。
提示3:保護二級保護電路
在二次保護電路中,主保護電路的備份,一個三端鋰離子電池保護器,可提供電池過載和過流保護。該三端組件包括分布式嵌入式保險絲和加熱元件。引信元件中斷過電流狀態(tài)。此外,如果電池組是超充電,嵌入式加熱元件將過熱的保險絲,使其爆炸。
作為一種更簡單的選擇,使用高電流引信進行過流保護。表面安裝的引信節(jié)省了空間,簡化了合規(guī)要求,而UL/SA識別的組件也可用。
提示4:充分保護電池管理電路
電池管理單元和電池平衡電路確保每個電池對負載電流的貢獻相等。為了保持電路的可靠性,防止過電流和ESD是必不可少的。通過抗涌流引信或聚合物PpTC可重置引信緩解電流過載,兩者均可用于節(jié)省空間的表面安裝包。
電視二極管是一種有效的ESD保護解決方案,用于保護電池管理電路中的半導體組件。電視二極管可以從直接接觸或空氣排放中安全地處理高達30千伏的ESD打擊,響應時間在亞納米秒范圍內。
提示5:保護身份釘電路
身份釘電路確保電源工具的電池組只連接到適當?shù)某潆娖?確保安全充電。該電路必須保護不受過電流和ESD的影響。為了保護電路不受電流過載的影響,請考慮使用PpTC重置保險絲。對于ESD保護,建議使用電視二極管。尋找一個具有雙二極管的電視二極管陣列提供兩極保護。
提示6:使用環(huán)保開關
開關電路負責指示電池組是處于放電模式還是處于充電模式。選擇一個最低IP67等級的密封開關，以可靠運行。微型開關是保存PCB空間的理想選擇。該設計的主要特性考慮包括延長至少100,000次的工作周期，一致的觸覺反饋和較短的激活距離。這些特性有助于提高交換機的整體可靠性。
提示1-6的重點是盡量減少電池組中熱失控的風險，同時確保關鍵的監(jiān)測電路保持抵抗電氣和環(huán)境危害，并保持持續(xù)運行。
設計一個更堅固的無繩電動工具
為了開發(fā)一種可靠的無繩動力工具,設計工程師應實施防止電氣危害的保護機制,并確保最佳電池壽命,使便攜式工具能夠在整個工作班次中運行。介紹了專業(yè)級無繩電源工具,突出強調了保護它不受電流過載、瞬態(tài)過電壓和過熱影響所需的組件。此外,還有提高電力驅動電路效率的機會.
在無繩電鉆內提供電路框圖,其中無刷直流電動機驅動鉆頭。該表列出了建議的保護、傳感和每個特定電路的高效控制組件,有助于優(yōu)化性能和安全性。
提示7:防止過電流和電壓暫態(tài)
直流輸入保護和電池通信電路為無繩鉆頭提供必要的過電流和過電壓保護。電子器件中的短路、內部短路的電動機或鎖定的轉子可以從電池中吸收過多的電流。建議用保險絲保護電路和電動機免受不受控制短路的潛在損害。考慮以下備選辦法:
· 快速引信
· 在150℃以下溫度下運行的引信
· 表面安裝保險絲包,以節(jié)省多氯聯(lián)苯空間
使用電視二極管來保護過電壓不受電火花和電池的瞬態(tài)的影響。選擇一個最多吸收400瓦峰值功率或60a峰值脈沖電流的電視二極管。組件具有超快1-PS響應時間的過渡和特點的節(jié)能特性,如最大反向泄漏電流只有1歐姆A。
提示8:保持電機驅動電路冷卻
電力橋保護電路持續(xù)監(jiān)測電動機驅動的健康.用NTC熱敏電阻器有效地控制驅動電動機的功率MOSIFT的溫度。
為了防止過熱,考慮實現(xiàn)安全斷開,當溫度過高時,降低MOSFET的電流驅動。例如,利特爾福茲提供了一個獨特的解決方案?數(shù)字溫度指示器 它能在達到特定溫度閾值時增加60年的阻力。 說明了兩個標準溫度指示器的電阻-溫度-溫度特性。這一顯著的電阻變化可以觸發(fā)控制電路與MOSFET斷開電源,防止熱失控。
提示9:保持發(fā)動機冷卻
監(jiān)控電動機溫度對確保電動工具的可靠性至關重要.NTC熱敏電阻可以跟蹤電機的溫度,從而防止由于內部的短路或停止的電機過熱。表面安裝的NTC熱敏電阻器可以通過導線連接、環(huán)氧樹脂或焊料固定在電機上,為溫度管理提供了一種有效的手段。
提示10:使用低功率設備以最大限度地延長電池壽命
為了最大限度地延長電池壽命,盡可能優(yōu)先使用低功耗元件。由于電動機是最大的電力消費者,選擇一個高效的電動機將顯著影響電池的性能。電力橋接和閘門驅動電路是第二大電力消費電路,因此使用高效的電力MOSIFT是最大限度減少電力損耗的關鍵。
現(xiàn)代教育和體育部可提供高達600Ar的放射性物質 (續(xù)) 價值遠低于100毫米。它們的低閘門電荷--在1倍C下--和快速的開關時間,以幾十納秒測量,有助于最小化開關損失和減少在狀態(tài)下的耗電,從而提高電動機的效率。
穩(wěn)健可靠的性能改進了10倍
仔細的部件選擇是實現(xiàn)對電動工具和電池組的優(yōu)越保護,同時最大限度地提高整體效率的關鍵。在選擇電路保護和效率組件時尋求幫助的設計師可以利用組件制造商的專業(yè)知識來加速開發(fā)。支助可包括:
· 成本效益高的組件選擇
· 遵守適用的安全標準
· 事先合規(guī)測試(一些制造商提供),以降低測試實驗室的認證成本
最終,這種方法將產生一個更安全、更可靠和更有效的無繩電源工具。
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