擁有受保護薄弱環節元件的無線電動工具的製作方法
2023-06-04 18:54:51 1
專利名稱：擁有受保護薄弱環節元件的無線電動工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線電動工具，且更具體的是擁有一個受保護薄弱環節元件的無線電動工具。
背景技術：
廣泛種類的電動工具被用於不同的應用中例如建築應用、火災和營救應用等等。一些無線電動工具的例子包括但不受限於無線電鑽、無線圓鋸、無線往復鋸、無線砂磨機、無線螺絲起子和閃光燈。無線電動工具使用一個可充電電池包提供能量使工具工作。可以容易地將該可充電電池包從無線電動工具移除並將其連接至一個外置電池充電器以達到充電的目的。
該電池包包括一個或多個電池。該電池可為鎳鎘或鎳氫電池。也可使用其他類型的電池例如鋰離子電池。如果鋰離子電池在高於一個特殊值被充電或低於一個特殊值被放電時，它將會退化或變得危險，因此電池包將引入一個監測電路來監測電池電壓值。該監測電路也監測流入或流出電池包的電流值。電池包中的感測電阻提供一個表示電流的信號至該監測電路。該感測電阻增加了費用和加劇了功率損耗。該功率損耗隨著在高電流無線電動工具例如電鑽或圓鋸的電流值的增加而加劇。
因此，需要去除該感測電阻並且為無線電動工具提供一個薄弱環節保護系統。
發明內容
本發明提供了一個無線電動工具。該無線電動工具包括一個電池包，該電池包包括至少一個電池，一個用來驅動該無線電動工具的一個元件的馬達，該馬達由至少一個電池提供電能。該無線電動工具也包括一個受保護薄弱環節元件，該薄弱環節元件被設置為在所述至少一個電池和所述馬達其中之一由於過載狀態失效前失效。該無線電動工具也包括監測電路，該監測電路用來監測該受保護薄弱環節元件的功率狀態。該監測電路還響應該被測功率狀態保護受保護薄弱環節元件以防過載狀態，因此也就保護了所述至少一個電池和所述馬達。
本發明還提供了一種方法。該方法包括選擇一個無線電動工具的電源系統的多個元件中的一個作為受保護薄弱環節元件；設置該受保護薄弱環節元件在無線電動工具的電源系統的剩餘多個元件由於過載狀態失效前失效；監測該受保護薄弱環節元件的功率狀態；並且保護該受保護薄弱環節元件以防過載狀態，因此也就保護了所述剩餘元件。
本發明還提供了一個電池包。該電池包包括至少一個電池、一個連接至該至少一個電池的開關和監測電路，該監測電路監測所述開關的電壓降並且如果該電壓降大於或等於一個閾值時斷開該開關，閾值被選擇用來保護所述至少一個電池以防過載狀態。
有了下文的
，本發明的實施例的特徵和優點將更顯著，且相同數字表示相同部件，其中圖1所示為一個無線電動工具的透視圖；圖2所示為圖1無線電動工具的電源系統的電路圖，其擁有一個受保護薄弱環節元件；圖3所示為圖2電源系統的一個實施例的電路圖；圖4所示為圖3監測電路的一個實施例的電路圖；和圖5所示為一個實施例的工作流程圖。
儘管下文的具體實施方式
將參考所示實施例進行，但許多選擇、修改和變動對於本領域技術人員是明顯存在的。因此，本發明旨在涵蓋廣泛範圍。
具體實施例方式
圖1所示為無線電動工具100的透視圖。無線電動工具100被表示為一個無線電鑽，並且在本文相關實施例也將如此表示。然而無線電動工具100可以是任何類型的無線電動工具，包括但不受限於無線圓鋸、無線往返鋸、無線砂磨機、無線螺絲起子和閃光燈。無線電動工具包括一個可充電電池包102，用來提供能量使工具100工作。可以容易地將可充電電池包102從無線電動工具100上移除並將其連接至一個外置電池充電器以達到充電的目的。無線電動工具100也包括一個速度控制扳機104。對於電鑽，使用者壓和放扳機104以控制卡盤142的速度。
圖2所示為圖1無線電動工具的電源系統200的電路圖。電源系統200包括電池包102、速度控制電路206、扳機104、馬達240和元件142，該元件142由馬達240通過一個相連接的齒輪系(未示出)所驅動。元件142可為電鑽的用來控制電鑽鑽頭的卡盤。本文任何實施例所使用的「電路」包括例如單個固定電路、可編程電路、狀態機電路，和/或儲存由可編程電路執行的指令的固件，或這些電路的任意組合。
電池包102包括一個或多個電池203，用來為系統200提供能量。電池203在一個實施例中可為鋰離子電池。電池包102向馬達240和系統200的其他負載提供能量。電池包102也包括監測電路208。監測電路208為每一個電池測量一個或多個電池包電流、溫度和電池電壓值，並測量通過一個元件的電壓降。
監測電路208比較監測功率狀態，並比較代表該狀態的所測值和相關閾值。如果所測值中的一個大於或等於相關閾值時，監測電路208識別一個過載狀態。例如，過載狀態可以是一個來自於電池203的大於或等於一個表示最大放電電流的閾值的放電電流。在另一個例子中，過載狀態可以是一個流入電池203的大於或等於一個表示最大充電電流的閾值的充電電流值。在另一個例子中，過載狀態可以是一個電池的大於或等於一個電壓閾值的電壓值。在另一個實施例中，過載狀態可以是一個元件的大於或等於一個溫度閾值的溫度。當檢測到過載狀態時，監測電路208就會提供一個輸出控制信號來保護電源系統200的元件。該輸出控制信號被提供至電池包102內的一個或多個開關，或被當作一個控制輸入通過路徑227提供至外置於電池包102的其他電路。
電池包102也包括一個受保護薄弱環節元件209。在一個實施例中，該受保護薄弱環節元件209可為電池包102的一個放電開關。在另一個實施例中，該受保護薄弱環節元件209可為一個保險絲。該保險絲可包括，但不限於熔線、快速或slo-blo汽車保險絲，或小規格金屬絲。
儘管被表示為電池包102的一部分，受保護薄弱環節元件209也可以被置於電源系統200的其他位置。受保護薄弱環節元件209被設置為在電源系統200的剩餘元件由於過載狀態失效前失效。因此通過保護受保護薄弱環節元件209以防過載狀態也就保護了電源系統200的剩餘元件。如果監測電路208沒能保護到受保護薄弱環節元件209，該元件也會在電源系統其他元件出現故障前自我毀滅，這樣就如一個附加的保護裝置。
受保護薄弱環節元件209可為一個開關，例如電池包102內的放電開關或速度控制開關218。當受保護薄弱環節元件209是一個開關時，監測電路208檢測過載狀態並提供一個控制信號至該開關以斷開開關。當該受保護薄弱環節元件209為一個保險絲時，過載狀態也由監測電路208所檢測。過載狀態為一個經過保險絲的等於或大於一個閾值的被測電壓降。當檢測到過載狀態時，監測電路208提供一個控制信號至一個開關以斷開該開關，例如一個例子中的放電開關。
速度控制電路206響應扳機104的位置以調節由馬達240驅動的元件142的速度。速度控制電路206包括控制信號發生器216、速度控制開關218和旁路開關230。控制信號發生器216響應扳機104的位置提供一個控制信號。接著速度控制開關218響應該來自控制信號發生器216的控制信號以調節馬達240的速度，即調節了由馬達240驅動的元件142的速度。如果扳機104的位置表示全速，速度控制開關218將被旁路開關230機械地旁路以防止對熱量累積敏感的速度控制開關218中的熱量累積。
圖3所示為圖2電源系統的一個實施例的電路圖。在該實施例中，受保護薄弱環節元件209為電池包102a中的放電開關209a。放電開關209a可為一個場效應電晶體(FET)。該FET可為一個金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOFET)，例如一個p溝道MOSFET(PMOS)或一個n溝道MOSFET(NMOS)。電池包102a也包括多個電池203-1、203-2...203-(n-1)和203-n。電池包102a向多個負載包括馬達繞組342提供能量。
速度控制電路206a的一個實施例包括旁路開關230、可變電阻320、脈寬調製(PWM)發生器216a和作為速度控制開關218的FET電晶體218a。在操作中，使用者摁壓扳機104至一個期望的量以控制元件142的速度。可變電阻320的阻抗響應扳機104的位置而變化。接著PWM發生器216a響應可變電阻320的阻抗更改提供至FET電晶體218a的PWM信號334的佔空比。PWM信號334在一個固定頻率工作，例如5到10千赫茲。當PWM信號的佔空比增加時，FET電晶體218a的閉合時間也增加，這樣電動工具的元件142的速度也增加。相似地，當PWM信號的佔空比減小時，FET電晶體218a的閉合時間也減少，因此電動工具的元件142的速度也減小。在一個例子中，PWM信號的佔空比可以有一個從大約10％(慢速)至75％(快速)的變化。如果扳機104的位置表示全速，FET電晶體218a通過閉合開關230並斷開速度控制開關218而機械地被旁路，這樣就防止了FET電晶體218a內的熱量累積並使導通電阻減小。
聯繫圖3看圖4，圖4所示為圖3監測電路208的相關的監測電路208a的一個實施例。監測電路208a監測受保護薄弱環節元件的功率狀態，例如放電開關209a的電壓降，並提供一個控制信號至放電開關209a使其斷開以防過載狀態。因此放電開關209a的斷開也就保護了電源系統的其他元件以防過載狀態。在一個例子中，過載狀態可為一個大於或等於一個最大放電電流值的放電電流值。因此可以去除電池包102中的傳統的感測電阻。如果受保護薄弱環節元件209為一個保險絲，監測電路208也相似地監測該保險絲的電壓降並提供一個控制信號至放電開關209a或電源系統的其他開關，使其斷開以防過載狀態。
放電開關209a被表述為一個FET，且在本文中傾向這樣表述。FET 209a的源極和漏極連接至感測放大器402以放大漏極至源極電壓。接著感測放大器402提供一個輸出信號至比較器404。比較器404也在另一個輸入端接收一個閾值。如果來自感測放大器402的信號大於或等於該閾值，比較器404就提供一個輸出信號至驅動器406。驅動器406響應該來自比較器404的輸出信號斷開放電開關209a。
監測電路208a被設置為在受保護薄弱環節元件失效之前使該受保護薄弱環節元件無效，或斷開放電開關209a。因此通過保護受保護薄弱環節元件209a，電源系統的其他元件也得到保護。如果監測電路208a沒能成功地使FET 209a無效，FET 209a也會自我毀滅，就如一個最後的保險絲。因此我們把FET 209a與電池包102a的其他元件隔離，其他元件例如電池203-1、203-2...203-(n-1)和203-n，這樣即使當FET 209a銷毀時電池包102的其他元件也可以得到保護。FET 209a可以通過封裝或塑膠密封來實現隔離，例如封裝445。
以FET作為受保護薄弱環節元件，例如放電開關209a或速度控制開關218a，要選擇一個具有相對高的漏極至源極電阻Rds(on)的FET。在一個實施例中，FET可為由國際整流器公司(International Rectifier)提供的元件號碼為IR IRL1404Z FET的FET，它擁有一個3.1毫歐姆的Rds(on)。也可以使用一個擁有更高Rds(on)大約5-7毫歐姆的FET。該FET的一個附加的優勢是它一般比較便宜。也故意限制FET的散熱以保證FET在電源系統的其他元件出故障之前(不過不是很久之前)因為過熱而銷毀。
FET的導通電阻Rds隨著電阻自身變熱而增加。該增加電阻提供了FET被測電壓的一定程度的有用的放大。例如，IR IRL1404ZFET擁有一個Rds，該Rds可由在30攝氏度時的正常值增加至在120攝氏度時的1.5倍。FET越熱，過載檢測越快被監測電路208所檢測到，這樣就越快使其無效。FET、FET驅動和散熱都需要被特定，這樣FET才會恰好地在電源系統的任何其他元件毀滅之前毀滅(這也是應該是最便宜的FET和散熱解決方案)。通過過載斷路器在FET銷毀前使其無效，我們就保護了電源鏈中最薄弱環節，這樣也就保護了所有元件。
受保護薄弱環節元件209因此保護了無線電動工具的電源系統的元件以防過載狀態。這些元件包括，但不限於1.電池203。雖然電池保護需求由電池供應商提供，但也包括由於快速放電和熱累積而導致的電池電化學問題。
2.導通路徑。由於可以選擇足夠型號的金屬線來承受允許的過載狀態，導通路徑通常不存在什麼問題。
3.速度控制開關218。由於速度控制開關218可以被機械地旁路，因此全導通工作也不存在什麼問題。如果速度控制開關FET沒有併入熱保護(thermal protection)，由於電子開關FET 218的潛在的熱量累積，全電子模式(75％PWM)可能出現問題。
4.馬達240。全功率工作(特別鎖定轉子全功率工作)將使馬達迅速變熱。
5.電池包開關(例如FET 209a)。假設(例如)IR IRL1404Z「汽車MOSFET」的參數為Vdss＝40V，Rds(on)＝3.1mOhm，Id＝75A。在70A的過載斷路器電流和額定Rds(on)FET將產生0.22V×70A＝15W的損耗。這將很好地落入電池包額定230W的損耗範圍內，不過考慮到電流有可能會更高且超時有可能持續30秒之長所以需要熱消散。更糟糕的是，當溫度增加時Rds(導通電阻)也增加(120攝氏度時的電阻值是30攝氏度時的電阻值的1.5倍)。如果電池包熱消散不充分的話，節點溫度和Rds(導通電阻)將持續升高直到FET銷毀。
如果監測電路208沒能及時地關閉FET，受保護薄弱環節保護元件將自我毀滅，這樣就如一個最後的保險絲。再者，如果期望薄弱環節元件也可以使用保險絲代替FET(這發生在電池包102不包括放電控制開關的情況下，並且要通過速度控制電路206的控制線來停止放電)。監測電路利用保險絲的電壓降。當保險絲的溫度達到熔點時其電阻將比FET的導通電阻更急劇地增加，這樣就提供一個更容易被測量到的電壓降。
圖5所示為一個實施例的工作流程圖500。操作502包括選擇一個無線電動工具的電源系統中的多個元件中的一個作為受保護薄弱環節元件。操作504包括設置該受保護薄弱環節元件在剩餘多個元件由於過載狀態失效前失效。操作506包括監測該受保護薄弱環節元件的功率狀態。最後，操作508包括保護該受保護薄弱環節元件以防過載狀態，因此也就保護了所述剩餘元件。
更優越的是可以去除在電池包102中使用的一個傳統的感測電阻，這將節約成本並簡化電路結構的複雜性。這也減少了感測電阻所消耗的功耗，對於高電流驅動無線電動工具這樣功耗非常大。通過保護受保護薄弱環節元件，無線電動工具的電源系統的其他元件也得到保護。受保護薄弱環節元件被放置更接近它的位置。薄弱環節保護元件也可以選擇比電源系統的其他元件相對便宜的元件。功率狀態例如受保護薄弱環節元件的電壓降將被監測。電壓降表示流經受保護薄弱環節元件的電流。通過保護該受保護薄弱環節元件，例如如果過載狀態為額外電流就通過停止電流或限制電流來保護該受保護薄弱環節元件，這樣其他元件也得到保護。僅當該監測電路沒能保護該受保護薄弱環節元件時，該受保護薄弱環節元件將自我銷毀，這樣就如一個故障保護措施。
本文所使用的術語與措辭是揭示內容的術語，但沒有局限性，並且在採用這些術語和措辭時不排除其他與本文所展示和描述的特徵(或部分特徵)相似的等價物，應該明白在權利要求範圍內本發明可能有多種修改。本發明還可能存在其他的修改、變動和選擇。因此，權利要求旨在覆蓋所有這些等價物。
權利要求
1.一種無線電動工具，包括一個電池包，所述電池包包括至少一個電池；一個馬達，所述馬達驅動所述無線電動工具的一個元件，所述馬達由所述至少一個電池供電；一個受保護薄弱環節元件，所述受保護薄弱環節元件被設置為在所述至少一個電池和所述馬達的其中一個由於過載狀態失效前失效；和監測電路，所述監測電路監測一個所述受保護薄弱環節元件的功率狀態，所述監測電路還響應所述被測功率狀態保護所述受保護薄弱環節元件以防過載狀態，因此也就保護了所述至少一個電池和所述馬達以防過載狀態。
2.根據權利要求1所述的無線電動工具，其特徵在於，所述受保護薄弱環節元件包括一個保險絲，且所述功率狀態包括一個所述保險絲的電壓降。
3.根據權利要求1所述的無線電動工具，其特徵在於，所述電池包還包括一個連接至所述至少一個電池的放電開關，且其中所述受保護薄弱環節元件包括所述放電開關。
4.根據權利要求3所述的無線電動工具，其特徵在於，所述放電開關與所述電池包隔離，這樣可以保護所述電池包以防所述放電開關的銷毀。
5.根據權利要求3所述的無線電動工具，其特徵在於，所述功率狀態包括一個所述放電開關的電壓降，並且如果所述電壓降大於或等於一個閾值，所述監測電路還通過斷開所述放電開關保護所述放電開關以防其銷毀，設置所述閾值使所述監測電路在所述放電開關銷毀前斷開所述放電開關。
6.根據權利要求5所述的無線電動工具，其特徵在於，所述放電開關包括一個場效應電晶體(FET)，所述電壓降為所述FET源極和漏極間的電壓降，且其中所述FET在30攝氏度的節點溫度擁有一個約為3.0毫歐姆的漏極至源極電阻，且其中所述漏極至源極電阻隨著所述節點溫度增加而增加。
7.一種方法，包括選擇一個無線電動工具的電源系統的多個元件中的一個作為一個受保護薄弱環節元件；設置所述受保護薄弱環節元件在剩餘所述多個元件由於過載狀態失效前失效；監測所述受保護薄弱環節元件的功率狀態；和保護所述受保護薄弱環節元件以防所述過載狀態，因此也就保護了所述元件的所述剩餘部分以防所述過載狀態。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述受保護薄弱環節元件包括一個保險絲，且所述功率狀態包括一個所述保險絲的電壓降。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述受保護薄弱環節元件包括一個電池包的放電開關，所述放電開關與所述電池包的至少一個電池連接。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，還包括從所述電池包裡隔離出所述放電開關，這樣所述電池包被保護以防所述放電開關的銷毀。
11.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述監測操作包括監測所述放電開關的電壓降並比較所述電壓降和一個閾值，且其中所述保護操作包括如果所述電壓降大於或等於所述閾值時斷開所述放電開關，設置所述閾值使所述放電開關的所述斷開發生在所述放電開關銷毀前。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述放電開關包括一個場效應電晶體(FET)，所述電壓降為所述FET的源極和漏極間的電壓降，且其中所述FET在30攝氏度的節點溫度擁有一個約為3.0毫歐姆的漏極至源極電阻，且其中所述漏極至源極電阻隨著所述節點溫度的增加而增加。
13.一種電池包，包括至少一個電池；一個開關，所述開關與所述至少一個電池連接；和監測電路，所述監測電路監測一個所述開關的電壓降，並且如果所述電壓降大於或等於一個閾值時斷開所述開關，選擇所述閾值保護所述至少一個電池以防過載狀態。
14.根據權利要求13所述的電池包，其特徵在於，所述開關包括一個放電開關，且所述過載狀態包括一個來自所述至少一個電池的最大放電電流。
15.根據權利要求14所述的電池包，其特徵在於，所述放電開關與所述電池包隔離，這樣所述電池包被保護以防所述放電開關的銷毀。
16.根據權利要求14所述的電池包，其特徵在於，所述放電開關包括一個場效應電晶體(FET)，所述電壓降為所述FET的源極和漏極間的電壓降。
17.根據權利要求16所述的電池包，其特徵在於，所述FET在約30攝氏度的節點溫度時擁有一個約為3.0毫歐姆的漏極至源極電阻，且其中所述漏極至源極電阻隨著所述節點溫度增加而增加。
全文摘要
本發明提供了一個實施例的一種方法，該方法包括選擇一個無線電動工具的電源系統的多個元件中的一個作為一個受保護薄弱環節元件。該方法也包括設置該受保護薄弱環節元件在剩餘多個元件由於過載狀態失效前失效，監測該受保護薄弱環節元件的功率狀態，和保護該受保護薄弱環節元件以防該過載狀態，因此也就保護了剩餘多個元件以防過載狀態。本發明也提供了一種電池包和一種無線電動工具。
文檔編號H02J7/02GK101036260SQ200580006700
公開日2007年9月12日 申請日期2005年4月20日 優先權日2004年5月4日
發明者布魯斯·丹寧 申請人:美國凹凸微系有限公司