用於無繩電動工具的電池組的製作方法

2023-07-26 15:55:06 4

專利名稱：用於無繩電動工具的電池組的製作方法
技術領域：
用於無繩電動工具的電池組技術領域示例性實施例總體上涉及配置成用於向無繩電動工具和/或包括工具和 充電器的電動工具系統供電的電池組。
背景技術：
在過去幾年中，鋰離子(Li離子)電池開始在低壓、可攜式電子裝置例 如筆記本型個人計算機中替代鎳-鎘(NiCd)、鎳-金屬-氫化物(NiMH)和鉛-酸電池。與NiCd和NiMH電池相比，Li離子電池較輕而每單位容積具有較大 的容量。因此，Li離子電池典型地適用於優選輕的且需要確保長時間地持續 使用的低壓裝置。但是，在過放電狀態下，Li離子電池迅速惡化，從而Li 離子電池需要過放電保護。用於Li離子電池組的常規保護主要被設計成用於總體上其需要2到4 伏級別的電壓的低壓可攜式電子裝置例如筆記本型個人計算機、蜂窩電話等。 這種裝置以使用由提供約4. 2伏/電池的最大輸出電壓的電池(例如Li離子、 NiCd、 NiMH電池)組成的電池組為特徵。對於Li離子電池組電池，由於鋰 是高活性物質，所以必須注意防止來自電氣和機械應力的損壞。但是，典型地，無繩電動工具需要高得多的電壓(如18V或更高)。然而， 18V以上的工具系統，使用常規的Ni(〕d或NiMH電池組的無繩電動工具的全 部重量開始變得受到限制。換句話說，對於NiCd和NiMH無繩電源，較高的 電能意味著基本上較重的電池組。無繩工具的全部重量的相應增加使得工具 更難製造和/或長期使用。例如，與12伏NiCd電池組(1. 5 lbs )的重量相 比，24伏NiCd電池組(約3. 3 lbs )在重量上的增加超過一倍。因此，為了提供比常規的NiCd和NiMH電池組更高的電壓輸出(以及比 用於PC和便攜電話的常規Li離子電池組基本上更高的電能)，重量卻減輕(與 在常規的無繩電動工具中作為電源使用的常規NiCd或NiMH電池組相比)，正 在研究基於Li離子或其它鋰基化學性質的電池組用於無繩電動工具。這些電 池組的特徵在於與常規的NiCd、 NiMH和/或甚至更低電能的Li離子電池組相 比，這些電池組可以顯示出基本上較低的阻抗特性。引入較低的阻抗特性和結構類型以發展產生基本上較高的輸出電壓(例如，至少18V及其以上)的次級電池，可能產生幾個額外的保護問題。具有較低阻抗的電池組還意味著該組能夠向連接的電子元件例如電動工具供給基 本上較高的電流。隨著通過連接的電動工具的電機的電流增加，消磁力(如 電機的電樞匝數乘以電流、安匝數)可能基本上增加到超過電機中的預期或 設計的限制。從而這種不良的消磁可能損壞電機。例如，當工具保持在制動狀態時，較低的阻抗電源能夠造成對工具的電 機的損壞。在電機制動期間，由於沒有由電機產生的反電動勢，所以只有電 機和電池阻抗是限制電流的機構。對於阻抗較低的電池組，電流會更高。通 過電機的較高的電流將增加工具的電機裡的永久磁鐵消磁的可能性、可能的 熱過量、最終電池組和/或工具損壞，等等。因此，為了防止對電池組、和/或連接的充電器、連接到充電器或工具的 電池組附近的工具或使用物的內部或外部損壞，需要將附加的保護控制放在合適的位置以解決在適合與無繩電動工具和充電器一起使用的高功率Li離 子電池組中可能發生的故障情況(例如過充電、過放電、過電流、過熱、電 池不穩定等)。實用新型內容本實用新型的目的是提供用於無繩電動工具的電池組，以解決在適合與 無繩電動工具和充電器一起使用的高功率Li離子電池組中可能發生的故障 情況(例如過充電、過放電、過電流、過熱、電池不穩定等)。本實用新型解決技術問題所採用的技術方案是 一種用於無繩電動工具 的電池組，該電池組可拆卸地連接到無繩電動工具系統所包括的電動工具和 充電器，其特徵在於，該電池組包括外殼；外殼內的多個電池組電池，外 殼內的電池電子控制單元，用於在電池的充電期間控制充電器，和用於在放 電操作期間控制場效應電晶體(FET)以控制到電動工具的電機的電流；第一電 壓監視單元，用於在充電和放電操作期間監視電池組中的單個電池電壓和總 的堆電壓之一或兩者；以及第二電壓監視電路，用於分別監視單個電池電壓 以;f全測在充電期間達到過電壓情況的任何電池。本實用新型解決技術問題所採用的另一技術方案是 一種用於無繩電動 工具的電池組，其特徵在於，其包括外殼；外殼內的多個電池組電池；外 殼內的控制器，用於在電動工具操作期間控制場效應電晶體(FET)以控制到 電動工具的電機的電流；以及基於從控制器接收的控制信號而在電動工具操 作期間供給用於開斷FET的驅動信號的驅動電路，其中控制器周期性地監視 用於與參考電壓水平比較的驅動電路的電源電壓，如果該電源電壓降到參考 電壓水平以下，則控制器為了截止FET而禁止驅動信號。本實用新型解決技術問題所採用的另一技術方案是 一種用於無繩電動 工具的電池組，可連接到電動工具，電動工具包括在工具中的功率端子之間 並與工具電機並聯的功率二極體，其特徵在於，電池組包括外殼；外殼內 的多個電池組電池；外殼內的控制器，用於在電動工具操作期間控制場效應 電晶體(FET)以控制到電動工具的電機的電流；檢測電路，用於在功率二極況，並通過在控制器中產生中斷以截止FET來保護FET。示例性實施例針對用於無繩電動工具系統的電池組。該電池組包括適於 控制連接的電動工具和/或連接的充電器的電池組電子控制電路。該電池組可 以包括附加的保護電路、手段和裝置以當該電池組可操作地連接到電動工具 並向其供電、和/或當該電池組可操作地連接到充電器並由充電器充電的時 候，保護防止發生在電池組內的故障情況。本實用新型的一個有益效果是防止對電池組、和/或連接的充電器、連 接到充電器或工具的電池組附近的工具或使用物的內部或外部損壞。


由以下給出的詳細說明和附圖，本實用新型的示例性實施例將理解得更 加充分，其中相同的元件由相同的附圖標記表示'僅以示例的方式給出'而 不限於本實用新型的示例性實施例。圖1A是根據本實用新型的示例性實施例示出內部電子元件和示例性電 池組與示例性充電器之間的連接的框池組與示例性電動工具之間的連接的框圖； 圖2是電池組的電子模塊的框圖； 圖3A是示出用於限制組內電流的電路的電池組的簡圖； 圖3B是用於示出在循環周波的基礎上進行的電池組中的限流特性的時序圖；圖3C是示出在到達電流限制時電池組的輸出功率如何減少的圖表；圖4是用於為在電池組100中驅動放電FET的電壓提供欠壓檢測的電路；圖5A是輸出電壓對電流限制的圖表，並且圖5B是流程圖，提供每一幅 圖5A和5B以用於解釋根據本實用新型的示例性實施例在無繩電動工具系統 中檢測制動狀態的方法；圖6示出用於為保護電池組100中的放電FET 130而在電池組中的功率 端子之間連接的開路二極體檢測和恢復電路；圖7是提供了用於電池組100和/或其連接的充電器的輔助保護的二次監 視和過電壓保護熔絲的保護電路；圖8是當工具處於檢測到的制動狀態/閉鎖轉子狀態時解釋電流傳感器 如何用於工具電機的脈沖方式/棘輪方式控制的電流和轉矩對時間的圖表；圖9-11示出根據本實用新型的無繩電動工具系統的示例無繩電動工具。
具體實施方式
總體參考附圖，示出了根據本實用新型的示例性實施例的教導而構造的 無繩電動工具系統。僅以示例的方式顯示出該系統的示例性無繩電動工具包 括圓形的動力鋸10 (圖9)、往復式鋸20 (圖10)和鑽孔機30 (圖11 )。工 具10、 20和30每個包括適於由具有給定的額定電壓規格的電源供電的常規 DC電機(未示出)。工具10、20和30可以由具有至少18伏的額定電壓規格的可拆卸的電源 驅動。對本領域技術人員將變得顯而易見的是，本實用新型不限於圖中所示 的特定類型的工具或者特定電壓。在這一點，事實上，本實用新型的教導可 以應用於任何類型的無繩電動工具和任何電源電壓。繼續參考附圖，可拆卸的電源可以具體為電池組40。在所述示例性實施 例中，電池組可以是可再充電電池組40。如圖9-ll所示，電池組40包括外殼。該外殼容納其中串聯連接的多個電池組電池(未示出)和/或多個電池串 聯連接的串，其中該串互相併聯。為了說明本實用新型的示例性實施例，電池組40的外殼中的電池具有鋰 離子電池的化學性質。由於示例性實施例是針對無繩電動工具環境，該無繩 電動工具需要具有比使用Li離子電池技術的常規低壓裝置(例如膝上型計算 機和蜂窩電話)高得多的電壓規格的電源，所以電池組40的額定電壓規格是 至少18V。然而，根據電池組40的單個電池、電極和電解液的化學組成，例如，電 池組40可以由其它鋰基化學性質的電池組成，例如鋰金屬或鋰聚合物，或者 由其它化學性質的電池組成例如鎳鎘(NiCd )、鎳金屬氫化物(NiMH )和鉛酸。池組與示例性充電器之間的連接的框圖；圖1B是根據本實用新型的示例性實 圖。 ； "" 一 日''''s參照圖1A，電池組100可以包括串聯連接的多個電池組電池105 (為了 簡化示出六個，電池組100可包括超過或少於六個的電池或者可以由電池串 聯的串組成，該串聯的串互相併聯)。為了說明示例性實施例，電池組100可 以由具有鋰離子電池化學性質的電池組成，並且相應於圖9-11的每一幅中 具有外殼的可拆卸電池組40,其外殼中具有電池。例如，根據正極(陰極)物質中的活性成分，Li離子電池105可以具有 橄欖石結構的 一個或多個鋰金屬氧化物電池的化學性質、鋰金屬磷酸鹽電池 的化學性質和/或其它鋰基的化學組成。作為示例，具有鋰金屬氧化物化學性 質的電池陰極中的活性物質可以是氧化鋰的鈷氧化物、氧化鋰的鎳氧化物、 氧化鋰的錳氧化物尖晶石以及它們或者其它氧化鋰的金屬氧化物的混合物中 的 一種。具有鋰金屬磷酸鹽化學性質的電池陰極中的活性成分可以是氧化鋰 的金屬磷酸鹽，例如鋰鐵磷酸鹽(LFP)、鋰錳磷酸鹽、鋰釩磷酸鹽、鋰鈷磷 酸鹽、鋰鎳磷酸鹽或它們的任何氧化物、所有的橄欖石結構。在具體的示例 中，根據正極(陰極)物質中的活性成分，電池組100的電池105具有LPF 電池的化學性質。例如，根據電池組100的單個電池、電極和/或電解液中的活性物質的組 成，電池組100還可以由除了鋰金屬氧化物或鋰金屬磷酸鹽之外的其它鋰基 化學性質的電池組成，例如鋰金屬或鋰聚合物化學性質，或者由其它化學性質如鎳鎘(NiCd)、鎳金屬氬化物(NiMH)和鉛酸的電池組成。像電池組電池的現有技術中已知的，這些電池可以是圓柱形的並且關於 陰極、隔板和陽極具有螺旋巻繞或"果凍巻"結構。像Li離子電池組電池的 現有技術中已知的，負極的材料可以是在銅集電極上的石墨碳材料或者其它 已知的陽極材料。由於示例性實施例針對無繩電動工具環境，該無繩電動工具需要比使用 Li離子電池技術的常規裝置高得多的電壓規格，所以電池組100的額定電壓 規格是至少18V。在示例中，電池組100中的電池105可以配置為具有在18 到36伏之間的範圍內的額定電壓規格。在示例中，電池組100包括具有用於 36V額定電壓的約3. 6V/電池的額定電池電壓的10 (十)個26650 Li離子電 池(每個電池直徑26mm且長65隨)。26650電池可以具有如上所述的Li離子 氧化物或磷酸鹽電池的化學性質。可替換地，為了實現36V的電池組電壓， 電池組100中的電池設置可以包括具有鋰金屬磷酸鹽或Li離子金屬氧化物電 池化學性質的二十(20 )個18650 Li離子電池(每個電池直徑18mm且長65mm )， 例如具有約3. 6V/電池的額定電池電壓的並聯結合的電池的三個串。由於鋰電池組電壓約為36V。例如，具有鋰鐵磷酸鹽(LFP)基電池的化學性質的電 池額定約為3. 3V/電池，而具有鋰金屬氧化物基電池的化學性質的電池額定 約為3. 6V/電池。在另一示例中，電池組100可以包含七(7)個26650 Li離子(氧化物 基)或Li離子(磷酸鹽基)電池以提供具有約25V (約3. 6V/電池)的額定 電壓規格的電池組。在又一示例中，電池組100可以包含串聯-並聯設置的十 四(14)個18650 Li離子(氧化物基)或Li離子(磷酸鹽基)電池以達到 約25V。每個電池的伏特數和電池的數量可以調整以適合需要大功率Li離子 電池組的全部預期的功率，並且可以在約3. 3到4. 6V/電池的額定電壓範圍 內，該範圍是基於工業電化學電壓電勢準則的可接受的範圍。當然，這些值 可以根據電池的充電狀態(電池是否完全充電)以及電池的特殊化學性質而 變化。在2005年11月5日Daniele C. Brotto常規註冊的、且題目為 "ERGONOMICALLY EFFICIENT CORDLESS POWER TOOL"的美國專利申請序列號 11/266,242的圖7A到8B中詳細示出並說明了上述電池結構，說明這些電池
結構的相關說明在這裡引作參考。因此，圖1A中(和圖IB中)的電池組100應用於和/或設計用於至少包 含無繩電動工具、電池組和充電器的無繩電動工具系統。電池組100可以理 解為用於大功率的電動工具操作的可拆卸電源，並且可拆卸地連接到現有技 術中已知的無繩電動工具或充電器。如之前所提到的，電池組100具有至少 18伏的額定電壓規格和/或具有至少約385瓦的最大功率輸出。但是，對本 領域技術人員顯而易見的是，電池組40/100不必限於圖9-ll所示的特定類 型的工具，也不限於特定的電壓規格和/或上面描述的功率輸出規格。圖1A中，示出IO個端子接線(端子1-10)。但是，由於根據在電池組 IOO或充電器150之間傳遞的預期信息或由電池組IOO或充電器150監視的 參數可以包括或多或少的端子，所以示例性實施例不限於該端子結構。電池電子控制單元125負責保護電池105不受在端子上(經由充電器 150、連接的工具和/或由於使用者的幹預)出現的任何故障情況。電池電子 控制單元125可以由所示的內部電源135供電。例如，電池電子控制單元125可以具體為如數字微控制器、微處理器或 模擬電路、數位訊號處理器或通過一個或多個數字IC例如專用集成電路 (ASIC)的硬體或軟體。電池電子控制單元125可以包括可執行一個或多個 軟體或者固件程序的各種類型的存儲器。示例性存儲器包括RAM、 FLASH和 EEPROM。作為示例，RAM可以用於存儲運行期間可變的程序。作為示例，FLASH 存儲器可以用於存儲程序代碼和校準值。也可以提供EEPROM來存儲校準值、 數據存入信息、錯誤代碼等等。為了控制到工具電機190的電流，電池組100的放電電流通過使用電池 電子控制單元U5控制下的半導體器件130 (放電FET)鉗位或中斷。電池電 子控制單元125可以由所示的內部電源135供電，並且控制通過驅動電路140 的放電FET 130的開/關狀態。通常，為了選擇性地控制應用到工具電機190 的平均電壓，電池電子控制單元125經由驅動電路140控制放電FET 130的 開斷，從而控制來自電池組100的功率和電流輸出的至少一個。通過電池電子控制單元125在數據線上傳遞到充電器150,電池組電池 105的充電是可控制的。通過在充電器150內而不是電池組100內放置充電 FET 157，空間和能量消散(熱)都從緊湊的電池組IOO移動到充電器150。電池組IOO還可以包括傳感電流並向電池電子控制單元125提供信號的
電流傳感器145。電流傳感器145可以由用於電流傳感器的已知元件實現， 例如分流電阻器、電流互感器等，其可以向電池電子控制單元125提供代表 傳感的電池組100中的電流的信號。電池組100包括電壓監視線路以監視電池的電壓。例如電壓監視單元 115。作為電池監視設置200的示例在Carrier等人於2005年9月30曰在 美國專利商標局常規註冊的、題目為"METHOD AND DEVICE FOR MONITORING BATTERY CELLS OF A BATTERY PACK AND METHOD AND ARRANGEMENT FOR BALANCING BATTERY CELL VOLTAGES DURING CHARGE"的美國專利申請序列號 11/239,286中詳細說明，(此後，'286申請)其全文在這裡引作參考。電壓監視單元115配置為傳感單個的電池電壓並傳感電池105的串的總 電池組電壓("堆電壓")以向電池電子控制單元125提供代表單個電池或堆 電壓的信號。像在'286申請中描述的，電壓監視單元115是集成電路('286 申請中的IC 220 )的一部分以單獨地或順序地進行包含電池組中的單個電池 電壓或所有電池的全部級電壓之一 的抽樣讀取。抽樣讀取在讀取之前通過電 池電子控制單元125 (在'286申請中稱為電池組微處理器250 )在集成電路 中濾波。在另一示例中以及像'286申請中描述的，電池電子控制單元125指導 電壓監視單元115以順序的方式周期地測量穿過電池組100的每個電池105 的電池電壓和總的電池組電壓，貫穿充電的持續時間。測量的單個電池電壓 和用於所有電池的電流平均電池電壓通過電壓監視單元115送到電池電子控 制單元125。自動用電池組中的電池數量除測量的全部電池組電壓以確定電 流平均電池電壓。從而電池電子控制單元125可以在充電期間基於每個測量 的單個電池電壓和確定的電流平均電池電壓來控制每個電池電壓的平衡。可選地，如果與另一智能裝置例如充電器微處理器或工具微處理器通訊， 則可以提供具有其自己的識別(ID)的電池組100。如果希望，電池組ID(未 示出)可以由ID電阻器、LED顯示來實現器，該顯示器顯示電池組的識別數 據，在接合之上傳送並由工具/充電器通過諸如數據和時鐘端子5和6傳感的 連續識別數據，和/或越過空氣界面送到工具/充電器的數據結構中的欄位， 等等。電池組100還可以包括一個或多個溫度傳感器120。溫度傳感器120可 以具體為NTC或PTC熱敏電阻、溫度傳感集成電路或熱電偶。溫度傳感器120 可以將電池組100內部的溫度傳給電池組100中的智能和/或連接的充電器 150中的智能，例如，經由端子IO到充電器電子控制155。由於這種溫度傳感器的功能是已知的，所以為了簡要省略功能性操作的詳細解釋。電池組100可以包括包含二次監視和過電壓保護炫絲電路148以及從充 電器150的返回充電線路中的充電熔絲149的輔助內部保護電路或裝置。像 下面更詳細的說明，二次監視和過電壓保護熔絲電路148分別監視每個電池 的電壓(除了電壓監視單元115)以檢測在充電期間達到過電壓情況的任何 電池(一個或一些或全部電池)。這種情況下，二次監視和過電壓保護熔絲電 路148將信號送到充電器150以在充電器150中產生預期的信號來終止充電 電流。這提供了獨立的後備保護，以防萬一電壓監視單元115中的電池平衡 功能在充電期間變差和/或電壓監視單元115變得不起作用。充電熔絲149作為第三重保護裝置以防萬一電池平衡(電壓監視單元 115)和來自電路148的二次過電壓保護測量都不起作用和/或無法檢測任何 原因的電池過電壓情況時燒斷。 一旦充電熔絲149燒斷，電池組100內永久 不能充電和放電。當電池組IOO連接到充電器150時，充電器150中的充電器電子控制單 元155可以由電池的內部電源135通過端子9供電。由於可以使用用於向充 電器電子控制單元155供電的其它手段，這僅是示例性連接圖。充電器150 可以具有其自己的電源或直接由電池電壓驅動它。充電器電子控制單元155還可以具體為像例如數字微控制器、微處理器、模擬電路、數位訊號處理器 或通過一個或多個數字IC如專用集成電路(ASIC)的硬體或軟體。充電器電 子控制單元155可以以固定的電壓和固定的電流驅動電源控制器160以將來 自電源165的預期電壓和電流經由端子1和IO傳遞到電池組100。可以通過端子5和6上的串行數據通路交換電池數據、充電器數據和控 制信息。例如，端子5和6可以用於提供充電器ID數據和其它信息到電池電 子控制單元125。這種信息可以包括，但不限於，充電器的數字ID、充電器 電流、由充電器讀取的電池總的堆電壓、充電器的溫度情況、充電器150的 AC電源水平等。在示例中，其診斷測試期間充電器150傳感的任何問題可以 通過端子5和6上的串行數據通路傳達到電池電子控制單元125。在另一示 例中，例如，如果電池電子控制單元125接收到充電器故障，如低AC電源， 則電池電子控制單元125能產生錯誤信息到充電器150和/或在繼續充電前等
待。而且，基於故障信息和充電器ID數據，電池電子控制單元125能控制充電器輸出和/或基於充電器數據控制用於其電池的充電決定。然後可以發出對充電器150的命令。圖1B是根據本實用新型的示例性實施例示出元件和示例性電池組與示 例性電動工具之間的連接的框圖。圖1B僅是示例性電路結構並作為上下文提 供用於根據示例性實施例更清楚地說明各種保護方法、電路和裝置。圖1B的 電池組和工具結構可以應用於圖9-11的任一幅中的示例性無繩工具系統和等價物。總體上，在放電以提供電力到工具電機190期間，電池電子控制單元125 可以輸出脈衝寬度調製(PWM)控制信號以驅動驅動電路140。例如，脈衝發 生半導體(脈衝寬度調製器(P麗))通常用在電子工業中以產生與工作循環 成比例的平均電壓。P麵是脈衝持續時間隨調製信號的某個特徵變化的調製。 可替換地，脈衝頻率調製可用於產生該平均電壓。這兩種情況中，放電FET 130 可以在開和關狀態之間切換以產生與其開斷的工作循環成比例的平均電壓。向電動工具170放電期間，驅動電路140電平變換電池電子控制單元125 的PWM輸出以驅動放電FET 130的柵極，根據傳感的情況使放電FET 130循 環開和關。包含驅動電路140的元件設置在現有技術中是已知的並且這裡為 了簡要不再說明。圖1B中的框圖示出沒有智能裝置例如工具電子控制的標準電動工具170 (如圖9-11中示出的任何工具)中的總體電路，可以理解的是，電池組IOO 可以與具有經由端子5和6連繫的工具電子控制的智能工具通訊。工具170 具有開/關(電源)開關175、前向/反向開關180並且包括配置為電位計且 連接到圖1B中的端子1和7之一的觸發器181。電池電子控制單元125可以 識別工具170中的串行數據通訊的缺失並執行端子5和/或6處的電壓的模擬 分析。在示例中，例如，就像已知的，分析可以包括讀取代表由用戶收回觸 發器181的程度的模擬觸發信號。為了產生預期的(或有序的)電機速度， 根據觸發信號的值，電池電子控制單元125經由驅動電路140發送P麗控制 信號以造成放電FET 130在預期的工作循環開斷。觸發器181的啟動還可以向電池組IOO中的電池電子控制單元125供電。 當電池組IOO插入到工具170時，沒有啟動電池組電子(OFF)。當啟動觸發 器181時，開關175關閉從而使電能從電池105流出電池組100的端子10到
工具170的端子1，經過開關175和電池組，經過工具的端子2到電池組100 的端子9作為Vin到電池電子控制單元125。電池組100能夠接收來自電動工具170中的工具ID 172的工具信息。像 所示的，工具ID 172配置為提供回到電池電子控制單元125的電壓^i的分壓 器(R1和R2)，該電壓值代表由電池電子控制單元125識別的工具ID值。每 個工具可以具有不同的ID值。該ID值可以將關於連接的工具170的功率、 電壓和/或電流限制通知給電池電子控制單元125,從而使電池電子控制單元 125可以相應地控制輸出電壓。如果工具170是具有其自己的微處理器的智 能工具，則該信息作為串行數據經由端子5和6傳遞到電池電子控制單元125。參照圖1A和1B，電池105和電壓監視單元115之間的每個傳感線路110 包括用於防止電池組100中的故障的冗餘保護的熔絲112。電流離開頂部電 池105並流到電壓監^f見單元115，該單元是包含電池組100內各種保護和控 制電路系統的電子模塊PCB (未示出)的一部分。電流經過開關175流到工 具電機190。當放電FET 130開啟時，電流流回到電池組100的模塊PCB (未 示出)並流到電池105的陰極側。連接電池的線具有連回到模塊PCB上的電壓監視單元115的第三引線(傳 感線IIO)。在這些傳感線110中，由於這些線110單獨用於確定單個的電池 電壓，所以不希望有大電流。靜態保護二極體(未示出)用於通過將任何靜 電放電尖端分流到可以更容易處理的大電流線路來防止控制器中的損壞。所有電池105的能量集中在電池組100內的模塊PCB上的小面積中，這 樣，如果發生元件失靈，則存在令人不安的後果。例如，如果連接電池組電 池105的高側的線在開路狀態失靈而放電FET 130開啟，則電流會經過PCB 模塊上的一個或多個靜態保護二極體流回到開關175和電機190。由於連接 電池105的線較少，這些線具有過大的電機電流而會過熱。由於靜態保護二極體沒有被設計成處理電機電流，所以還會發生損壞。 這樣的故障會炭化模塊PCB中的矽並造成與電池組100內的其它元件交叉的 短路。由於所有電池接線定位緊密的接近，故障會穿過電池組100中的全部 模塊PCB串聯。因此，通過在每條低電流傳感線110中增加單個的熔絲112，如果大電 流線斷開，電流會暫時流過保護二極體(未示出)並燒斷給定的熔絲112。 一旦燒斷熔絲112，電流流動終止。由於電池組100中的多處可能的線路失
靈並從而多條電流通路失靈，所以每條傳感線110包括熔絲112。在可替換的示例中，傳感線110可以包含任何電流流過都燒斷的熔線。 更進一步地，用於傳感線110的連接器可以包含熔絲/熔線以節省電池組內的 模塊PCB上的空間。圖2是電池組100的電子才莫塊200的框圖。電子模塊200可以從電池組 100中的電池105分離但通過合適的連接器與電池105互相連接。示例中， 電子模塊200設置在電池組100外殼的上部中的電池105的上面。電子模塊200的框圖示出電子元件的總體布局和電池組100中的元件之 間的總的相互關係。在示例中，電子模塊200具有包含集成電路(ASIC) 205 的模塊印刷電路板(PCB)。 ASIC 205包括向微控制器225 (圖1A/1B中的電 池電子控制單元125)供電的電池電源135和電壓監視單元115。 ASIC 205 可以包括ASIC命令結構、ASIC電壓獲取、過ASIC電池獲取和電池平衡功能， 每一個功能都在'286申請中有詳細解釋。ASIC 205還包括限流處理電路(下 面更詳細地解釋)和平均電流處理電路。大體上，平均電流處理電路(它可以包括電流傳感器145)能夠提供平 均電流測量作為對電池組電子控制單元125的反饋。圖2中，電池組電子控 制單元具體為微控制器225。此後，為了簡化，將電池組電子控制單元125 稱為微控制器225。為了改變從電池組100輸出的平均電壓，該平均電流信息反饋使微控制 器225到P麗能夠控制放電FET 130。因此，在電動工具操作期間，測量的 平均電池組電流值(在放電返回線上測量)反饋到微控制器225使電池組100 例如微控制器225可以控制工具電機電流。串可以在ASIC 205和微控制器225之間可以有箭頭207所示的行通訊， 它在電子模塊200的模塊PCB (未示出)上的ASIC 205的外部。微控制器225 配置為接收來自連接的工具或充電器的模擬和/或數字輸入210以及來自熱 敏電阻220的溫度信息。微控制器225能夠指導用於電池組100的放電控制 (大體上在方框215示出)的各方面，包括放電FET 130的控制。放電FET 130 也在模塊200中。在2004年10月1日向美國專利商標局申請的轉讓給Carrier 等人且題目為"METHODS OF DISCHARGE CONTROL FOR A BATTERY PACK OF A CORDLESS POWER TOOL SYSTEM , A CORDLESS POWER TOOL SYSTEM AND BATTERY PACK ADAPTED TO PROVIDE OVERDISCHARGE PROTECTION AND DISCHARGECONTROL"的美國專利申i青序列號10/954,222中詳細i兌明了i文電4空制的示例 (此後稱'222申請)，其全文在此引作參考。此外，電池組100中的電子模塊200的模塊PCB包括二次過電壓監視和 保護熔絲電路148,包括在其上作為後備過充電保護的充電熔絲149，以及還 包括其上的FET UV 4企測電路222,下面還對其詳細說明。FET UV檢測電路 222檢查看用於使放電FET 130循環的來自微控制器225的FET驅動信號是 否在足夠的電壓水平之上。這能夠使故障FET驅動電壓(欠壓)情況通過微 控制器檢測到，從而微控制器能夠禁止放電FET 130操作並保持FET 130斷 開直到故障消除。 限流處理圖3A是示出用於限制電池組內電流的電路的電池組100的簡圖，並且圖 3B是用於示出在PWM波形的循環基礎上執行的電池組中限流處理的時序圖， 其中循環還能理解為FET 130的開斷周期。電池組100中的電流限制限制了 瞬時電流，即使用於像工具電機190的"湧入" 一樣的暫態，其也不能得到 更多的電池組100的電流輸出。電池組電子控制單元(微控制器225 )通過 輸出與預期的電流限制成比例的P麗信號127 (REF P麗)設置預期的電流限 制。該信號不是用於控制電機電流的放電FET 130 (作為FET P麗示出)的 PWM信號。該REF PWM信號127通過分壓器(未示出)而減小並由RC濾波器 128濾波到穩定的DC電壓，以及作為陰極輸入供給比較器電路129以用作用 於電流限制的參考電壓。該穩定的DC電壓在圖3B中作為波形1示出。當》文電FET 130開通時，電池電壓應用到電才幾190並且電流迅速增加。 這在圖3B中的波形2示出。斜率與通過工具電機190的阻抗分壓的電壓成比 例。增加的電流流過放電FET 130並穿過產生分路電壓的小電阻(電流傳感 器145)。該分路電壓(代表瞬時電流)供給到比較器129並與經過濾波的REF PWM 信號(即參考電壓信號)比較。分路電壓一等於或大於參考電壓信號(由圖 3B中的波形3中的箭頭310示出)，放電FET 130就在開斷周期(PWM循環) 的剩餘周期內關斷(波形4 )。比較器129到微控制器225的輸出信號造成微 控制器225內的所謂的外部中斷。不管開斷周期內的FET 130的狀態，外部 中斷都使FET 130關斷。放電FET 130會保持關斷直到下一個P西循環，例 如在開斷周期的剩餘周期內。
注意的是，放電FET 130在由觸發開關175確定的工作循環下循環開和 關，但是開斷周期保持不變。通過縮短放電FET130的開通周期(圖3B的波 形4示出)，工作循環基本上減少，導致應用到工具電機190的來自電池組 100的較低的平均輸出電壓。因此，可以在循環的基礎或每個開斷周期的基 礎上實現限流過程並評價，即電池組100可以包括循環限流特徵。圖3C是示出在到達電流限制時電池組的功率輸出如何減少的圖表。在圖 3C中，示出速度或電壓對轉矩或電流的圖表，垂線表示電流限制。由於微控 制器225總是檢查電池組電池中的電流，該電流應達到某一給定的電流限制 (在示例中該電流限制可以是40安培，或者是小於40安培的某值)，則電池 組100的平均輸出電壓減小。通過降低輸出電壓，工具電機190用於電流的 需求將減少。這由圖3C中從點B到點C的垂線表示。像從點A到點B的放大 圖中示出的，由於電池組100的阻抗，低於電流限制的負載需求只顯示電壓下降。4豆路工具測試為了防止或避免電池元件由於短路而失靈，還可以參照圖3A說明由電池 組IOO執行的測試以檢測連接的工具170中的短路。通常，微控制器225中 的軟體能夠確定來自工具170的電流正常湧入和工具170中的短路情況之間 的區別。例如， 一旦電池組IOO放置到工具170中並且開始啟動(推動)觸 發器181,微控制器225中的軟體執行檢查以查看電動工具170中是否存在 短路。通常，具有微控制器225的軟體被設計成執行10微秒脈沖以確定連接的 工具沒有短路。該測試期間，放電FET 130開通而限流比較器129被監視。 IO微秒之後，如果FET 130仍然開通，則估計工具170沒有短路。另一方面， 如果比較器129啟動，例如來自電流傳感器145的代表瞬時電流並供給比較 器129的分路電壓超過經過濾波的參考信號，並因此超過電流限制，則移除 電源並且電池組100進入"停止方式"。觸發器181必須再循環供電以再試。用於短路工具測試的必要條件是10微秒脈衝。如果工具電機190沒有短 路，則即使在制動情況下電機190的阻抗也防止電流在IO微秒內增加到電流限制的安培數。此外，示例中第 一個2微秒內可以忽略電流限制以允許放電到電容負載。 電容負載將在短時間內造成大量電流。如果正在操作的電動工具有電容輸入，
則電流的第一次湧入會在2微秒以內就超過電流閾值。然後，當電容器充電 時，電流會降到零。通過忽略該湧入周期，可以操作具有電容輸入的電動工具。FET UV檢測圖4是用於為在電池組100中驅動放電FET 130的電壓提供FET欠壓檢 測的電路。圖4中的電路設計成檢測故障的FET驅動電壓和在必要時禁止放 電FET操作。示例中，微控制器225中的軟體可以配置成以特定間隔(例如 8ms間隔，但是其它間隔對本領域技術人員是顯而易見的)監視各種電池組 100的參數。監視的參數可以包括電池電壓、觸發電壓、工具ID、溫度等。 可以周期地檢查這些參數，由放電FET 130的工作循環控制輸出電壓和電流。監視周期內，微控制器225還查看圖4所示的通常連接到微控制器225 的比較器410 (構建在微控制器225中)的狀態。用於FET驅動器的電源電 壓(Vdrv )由分壓器R118/R119減小並且經過濾波到穩定的DC電壓，以及作 為陰極輸入供給比較器410。如果Vdrv降到臨界水平以下(例如小於 Vref-EXT)，則比較器410的輸出將改變狀態，指示故障狀態。根據該故障狀 態,微控制器225將禁止FET驅動(例如保持放電FET 130關斷或關斷FET 130 ) 並維持在停止狀態直到下一個參數監視間隔。如果故障沒有消除，則放電FET 130將通過微控制器225保持關斷並且在電池組上將沒有輸出電壓。該檢測 防止由驅動器140 (圖4中作為驅動電路630示出)發出的故障或微弱的FET 驅動信號造成放電FET 130在線性方式下運行並且防止電池組100中對電子 模塊的過熱和/或參數損壞。因此，通過監視FET驅動電壓，FET驅動器630 ( 140 )上的減少的電壓 (由某一臨時故障造成)將不會使放電FET 130由於線性方式操作而失靈。 這種保護可以提供系統穩定性。此外，由於比較器410構建在微控制器225 中，所以用於該保護而增加的成本是很少的。制動檢測圖5A是輸出電壓對電流限制的圖表，並且圖5B是流程圖，提供每一幅 圖5A和5B以用於解釋根據本實用新型的示例性實施例在無繩電動工具系統 中檢測制動狀態的方法。特別地，電池組100配置成檢測用戶故意即有目的 地制動電動工具17 0過長的時間的情況。現在參照圖5A，當操作無繩電動工具170時，電池組100的電壓分布可
以由圖5A中的區域A表示。由於固有的電源阻抗，更多的電流流出，所以輸 出電壓些微下降。在具有電流限制的系統中， 一旦負載超過該限制，由於不 再有電流流出，輸出電壓被迫到零。這種情況稱之為"制動"，並且由圖5A 的垂直部分示出。示例中，當安放螺釘的頭部時，用戶用鑽孔機/驅動器的驅動方頭螺釘經 常制動。但是，這裡的電池組電子配置成檢測該制動狀態並限制用戶可維持 該制動狀態的時間長短。參照圖5A,區域B表示稍微高於電流限制的負載。圓鋸的應用可能要求 用戶從區域A變化到區域B並在切割期間返回。通過偵聽鋸停頓(區域B), 用戶立即退出負載並返回到區域A。由於實際做功，在區域B中持續操作是 可接受的。但是，在區域C中，因為輸出電壓接近零，不做功，所以葉片不 旋轉並且只存在電機轉矩。這可以如早前描述的希望用於臨時情況，但這是 浪費並且有長期潛在的損壞。如前所述，示例性電池組100使用放電FET 130來控制電池組的輸出電 壓。放電FET 130的工作循環直接與電池組100的輸出電壓成比例。如前所 述，在FET 130的PWM循環或開斷周期內，電流傳感器145 ;險測到的電流一 達到電流限制就關斷放電FET 130。圖3A-3C示出超過電流限制的電流如何 釋放比較器129，這造成微控制器225內的所謂的外部中斷。不管開斷周期 內的放電FET 130的狀態，外部中斷都使放電FET 130關斷。放電FET 130 保持關斷直到下一個P麗循環(開斷周期)。為了產生P麗循環，微控制器225啟動自動地和定時器比較寄存器和定 時器溢出寄存器(分別響應於工作循環和周期) 一起遞增的定時器。定時器 溢出事件期間，P麗循環結束並且新的循環開始。圖5B中的數據流4顯示出 FET 130將開通以啟動循環。 一旦達到預期的工作循環，數據流3顯示出微 控制器225中的軟體將使放電FET 130關斷直到開斷周期結束。為了執行制動檢測，微控制器225的外部中斷管腳，由圖3A中的電路觸 發，必須檢查P麗循環中的運行時間以確定系統是否在區域B或區域C中操 作。參照圖5B，數據流2,在外部中斷(達到電流限制)期間，P麗定時器 的計數與閾值比較，其中閾值是由圖5A中的水平虛線510示出的計數值。該 計數值可以是固定的值或是作為預期的定時器俘獲值的一半計算的。如果檢 測到如圖5A所示的區域C操作(在電流限制之上，並且工作循環小於閾值)，則微控制器225遞增微控制器225的存儲器中的"制動計數器"。在該示例中， 這可以是區域C操作，在電流限制之上，並且其中PWM定時器小於預期的工 作循環的一半，例如，定時器〈數據流2中的閾值。例如，制動計數器的變 量可以以常數值遞增或以與循環中的運行時間成反比的值遞增。後者可以有 的優點是"死"制動會快於"大多數"制動情況地增加。如果中斷檢測區域 B操作，例如數據流2的"如果定時器 < 閾值"判別方框的輸出是"否"， 則制動計數器保持不變。在P麗"開通，，時刻末，圖5B的數據流3說明微控制器225中的P麗定 時器如何產生定時器比較中斷。該中斷通常在P麗循環的剩餘循環內使放電 FET 130關斷。如果放電FET 130仍然開通(區域A )，則該定時器比較中斷 也會清除當工具操作發生在區域B&C時遞增的制動計數器。如果放電FET 130 已經關斷(從區域B&C操作)，則什麼也不做。在PWM定時器循環末，見圖 5B中的數據流4，出現計時器溢出中斷，復位P麗定時器並啟動放電FET 130 以開始下一個P麗循環。參照圖5B中的數據流1，並且在典型的或正常的電機控制算法期間，其 操作基本上比外部中斷或定時器中斷慢，制動計數器可以與閾值或限制比較。 該限制或閾值可以是預先設定的值或是各種電池參數如"充電狀態"、溫度讀 數、電壓讀數等的函數。如果制動計數器超過閾值，則微控制器225完全關 斷放電FET 130。它保持這種方式直到用戶釋放觸發器並因此使全部系統失 去電力。再拉動觸發器會重啟制動過程。雖然延長制動事件的多次觸發器拉 動會最終使無繩電動工具系統中的電機繞組、電池組或工具或其它熱應力元 件中的半導體器件失靈，但是至少用戶必須有意地再啟動故障情況。再次參照圖5A和5B，沿圖5A中的"線1"的用戶操作會聽到電機190 周期地變慢，但微控制器225中的軟體不會遞增制動計數器。接下來說明短 暫地偏移到區域C但迅速返回到區域A的"線2"上的操作。微控制器225 中的軟體會短暫地遞增制動計數器，但是一重新進入區域A，它就會重新復 位。由於工具急劇地改變速度，"線3"上的操作很難保持。最後，在區域C 中用足夠的時間使制動計數器達到其限制並且系統關機。"線4"上的用戶操 作會迅速關閉並且會使其工具節約區域C操作能量的不需要的浪費。制動檢測方法可以使用戶推動工具以使功率輸出最大化並且微微越過而 沒有不必要的關^U但是當在故障情況下制動並保持時，為了防止對系統元
件的損壞，微控制器225中的軟體將通過關閉工具170限制制動的時間長度。 這可以通過在開關再啟動期間使熱消耗來增強穩定性。 制動情況下使工具電機脈動當通過以前描述的機構檢測到制動情況，例如閉鎖轉子的情況時，可以 期望使工具電機190脈動。示例中，電池組100可以配置成使工具電機190 脈動以向正常閉鎖的轉子情況(例如制動情況)提供沖擊功能。通過在檢測 到的制動情況下使工具電機190脈動並且使用傳動機構的後衝，電機190能 夠在傳動機構嚙合前加速。由此,傳遞到電動工具170的輸出軸的能量是旋 轉電機190的電機轉矩和慣性質量的動能的結合。當使用鑽孔機/驅動器的時候，鑽孔機/驅動器會變得超載並且制動。在 這種情況下，全部電能傳遞到電機轉矩。如果需要比工具電機190能夠提供的更多的轉矩來轉動附件(例如鑽頭)，則由於熱和不做功而浪費了能量。如 果在該制動情況下使電機190脈動，則輸出軸上的轉矩可以大於其在制動時 的轉矩。通過關閉(經由FET 130)流到電機的電流使電機190和傳動機構 從制動狀態到"放鬆"，由於傳動機構、外殼、操作把手和附件的小彈力，電 機逆轉。該逆轉使電機190以相反的方向轉動直到吸收了傳動機構中所有可 用的後衝力。傳動機構的後衝力可以理解為可移動部件之間的運動。 一旦傳 動才幾構完全逆轉，電機電流往回流並且電機190向前加速。由於傳動機構中的運動，電機190加速而輸出軸仍然固定不動。在某一 點，傳動機構中的所有運動都用完而且電機190和傳動機構緊緊地嚙合在一 起。此時，電機轉矩傳遞到工具輸出軸，該軸由於最初的制動狀態而保持固 定不動。由於電機190像以前一樣應用其全部的制動轉矩，所以存在由於電 機190的減速而施加的附加轉矩。電機減速越快，輸出軸上的轉矩越高。當 電機190的動能用完時，輸出軸上的轉矩降回到其最初的制動值。如果電機 電流再次關閉，則可以重複該過程。通過正確地安排放電FET 130的開和關的次數，可以由微控制器225 (電 池電子控制單元125)產生諧振以使傳遞到輸出軸的衝擊能最大。僅由系統 彈力或制動的"硬度"來限制最大轉矩。硬接合點可以定義為造成制動情況 的驟加荷栽並以非常小的系統彈力為特徵。這種類型的制動造成電機最迅速 的減速並因此造成輸出上的最高轉矩。這些電機脈動能夠提供所需的擊穿轉 矩以卡緊螺栓或螺釘鬆動。在另一示例中，能夠在制動情況下使電機脈動還 可以當正常的制動轉矩不足時提供驅動能以使具有工作面的大平頭螺栓下沉。除了增加電機轉矩，在制動情況下使電機脈動還有額外的優點。典型地， 用戶制動電機然後除了使用其臂力還使用該制動轉矩以終止驅動作業。通過 使工具電機脈動，消耗的能量較低並且因此用戶能夠用同樣的電池組完成更多。使電機脈動將電能轉化為熱和動能；相反，制動電機只能產生熱。脈動 可以是間歇的，因此作為熱而損失的能量只是周期地發生(每脈衝)，而不是 作為穩定的熱量損失持續地發生。這可以降低工具系統的溫度並提高效率。使電機脈動的另一益處是保護用戶不會在電機制動轉矩下反衝。它類似 於使用衝擊驅動器；它不會在持續的轉矩下扭傷你的胳膊。在轉讓給AlanA. Gilmore的題目為"ELECTRICAL POWER TOOL HAVING A MOTOR CONTROL CIRCUIT FOR INCREASING THE EFFECTIVE TORQUE OUTPUT OF THE POWER TOOL"的美 國專利號5,731, 673中進一步詳細說明了脈動或棘輪方式，其描述了用於工 具電機的脈動或棘輪方式的相關部分,在這裡引作參考。圖8是解釋當工具處於檢測到的制動狀態/閉鎖轉子狀態時電流傳感器 如何用於工具電機的脈衝方式/棘輪方式控制的電流和轉矩對時間的圖表。當 在制動下使工具電機脈動時，在電動工具系統中達到的諧振是有利的。諧振 可以理解為電機激活和鬆弛的時間選擇，它以這樣的方式以使具有傳動運動 的後衝和產生最大輸出轉矩脈衝的系統彈力最大。電流傳感器145對於確定諧振是有用的。通過監視通過系統的電流，可 以完成諧振。由於諧振，我們是指傳遞最多的動能而使用最少的電能(開機 時間)。此外，設計還必須為了使每秒的脈動數量最多而使鬆弛時間最少(停 機時間)。圖8中，電流和轉矩繪製為時間的函數，電機電流由曲線810表示， 水平線815表示制動電流處。輸出轉矩由曲線820表示而水平線825表示穩 定狀態的制動轉矩。初始電流脈衝期間，在達到最大電流之前有延遲(830示出)。該電機電 流曲線的斜率"a，，與系統的電感成比例，即通過來自電池組100的電池的給 定電源電壓，電流能夠爬升到最大的速度，並且系統阻抗由系統電感確定。 接下來的時間部分(在該處檢測到制動)作為"後衝時間"示出並且代表電 機加速。電機190正開始旋轉並且由於傳動裝置中的運動，在軸輸出上還不 存在轉矩。
因為電才幾190此時正在;j走轉，由於反電動勢建立，所以曲線810中的電 流減小。線上該部分的斜率"b"由電機的加速確定。電機和傳送的慣性質量、 電池電壓和阻抗、以及電機的阻抗影響了電機加速。電機電流曲線的部分"b" 向下傾斜的時間代表了當電流第一次開啟時可用的反衝量。當電流輪廓開始 爬升時(圖8中的點840處)，它表明傳動裝置此時完全嚙合。從這一點起， 電機直接耦合到輸出，並因此輸出上的轉矩迅速上升，如曲線820所示。電 流將繼續上升直到達到正常的制動電流，由850指定。這條線的斜率與電機 190的減速成比例。由於輸出停止，電機旋轉，並且傳動裝置剛嚙合，旋轉電機的動能越過 傳動機構傳遞到作為轉矩尖端而正被驅動的元件。電機減速的速率與電機和 傳動裝置的慣性質量以及接點的硬度成比例。其中任何或全部元件吸收衝擊 能的無繩電動工具系統稱之為"軟接點"。換句話說，衝擊能在傳動裝置的彈 力、執行機構的主體、附件以及正被驅動的元件中吸收。吸收是以置換、壓 縮、延長、散熱的形式和其它能量轉化的形式。如果用戶臂"給出"並允許 工具以相反方向旋轉，則傳遞到工件的轉矩會減小。在相反的情況中，如果機不得不非常快的減速時，衝擊能會接近無窮大。實際上，執行機構的臂可以是接點硬度中的主要因素之一併且不能產生 無窮的力。對於無繩電動工具的情況,執行機構的把手可以產生超過正常制 動轉矩至少兩倍的改進。圖1中的最大轉矩發生在電流斜線的末端附近。在 這一點，電流可以關斷並且允許傳動裝置放鬆。任何更多的電機電流產生正 常的制動(虛線所示)。通過使傳動裝置放鬆並在恰當的時刻使其再次啟動， 可以使用用於電機加速的最大時間。;微控制器225可以改變FET 130的停止時間以^使電才幾190加速的時間最 多。它還可能測量停機期間的電機電流並尋找降到零的電流。 一旦電機電流 降到零，這表明在電機190中不再有轉動速度。當電機190停止轉動時，電 機190的反電動勢還將告知電池組微控制器225。此外，微控制器225可以 配置為分析單獨的換向以確定電機的速度、位置和方向。例如，通過監視電 流和/或反電動勢中的尖峰來4全測換向。可替換地，可以使用轉速傳感器來確定製動情況、電流、反電動勢等。 此外，除非觸發器181在變速單元完全壓下，否則圖1B中的觸發器181可以 用來作為不脈動的條件設置。通過在開機期間改變電機的加速，觸發器181 還可提供可變的衝擊。或觸發器。如果執行機構的把手鬆了，則由於用戶在系統中是"軟"接點， 使電機脈動不會產生高轉矩水平。換句話說，執行機構的把手將吸收傳動裝 置的衝擊而沒有鑽孔或驅動原料。使用來自電容、電阻和/或應變儀傳感器的輸入，電池組100中的微控制器225可以確定脈衝方式是否開始。圖6示出用於為保護電池組100中的;j文電FET 130而在電池組中的功率 端子之間連接的開路二極體檢測和恢復電路。為了在電池組100中提供防止 這種事故的二次保護，圖1A和1B的電池組100可以配置為^r測其中續流二 極管例如工具170中的循環二極體195斷開或無法開啟的情況。該電池組100 中的二次保護通過在電池組100中使用具有較高的前向電壓的二次續流二極 管與電池組100中傳感增加的前向下降並且使工具電4幾190不工作的^企測電 路結合而設置。圖6示出配置在電池組100中的圖1A和1B所示的電池組100的端子2 和IO之間的示意性電路。電路600保護防止開路續流二極體例如工具170中 的循環功率二極體195 (失靈或斷開)。如圖6所示，如果工具170中的功率 二極體195無法開啟，則電池組100中的輔助二極體D301變為續流二極體。 由於D301是標準二極體，所以前向電壓下降比工具二極體195高得多。當工 具170中存在問題時，電流只經過D301循環。圖6的示意圖示出將微控制器225的PWM輸出轉換為適於MOSFET Q301 的驅動信號的驅動電路630。驅動電路630響應於驅動電路140並且FETQ301 響應於圖1A和1B中的放電FET 130。驅動電壓由選擇器Vdrv提供而且比供 給微控制器225的電壓高一些。電阻R312作為電流限制器用於放電FETQ301 的柵極充電並防止電源線上不必要的尖峰。電阻R314確保當電源從電路上移 除(工具觸發器鬆弛)時FET Q301的柵極拉低並截止。電阻R313是分路電 阻並且穿過它的電壓代表經過工具電機190的電流。R313響應於圖1A和1B 中的電流傳感器145。參照圖6，搡作中，FET(Q301 )截止而且Battery+和RET—DISCH管腳(圖 1A中的端子10和2 )具有相同的電勢。只有洩漏電流流過電阻R316和R315。 洩漏很小並且只產生幾毫伏經過電阻。"放電"FET Q301開啟期間，電池電
流流過電機190和FET Q301回到電池組100。當FET Q301截止時，允許電 機190中的電流經過工具二極體195循環。電池組100中的小電感不會循環 而且它產生穿過FET Q301的非常短的電壓尖峰。如果穿過電機190的二極體195無法開啟或變成斷開，電流必須穿過二 極管D301循環。這關於Battery+ (端子或管腳10 )在RET—DISCH (圖1A中 的端子或管腳2 )上產生前向壓降，它可以是1. 5到2伏(根據二極體電流)。 一些這種電壓在檢測電路600中通過二極體D300下降。這有助於保持FET Q301 —直截止直到發現穿過二極體D301的實際電壓(例如大於1伏)並且 當FET Q301開啟時也保持Q302的基-發射極反向擊穿。電容C308經過R317 充電並且最終，檢測電路600中的另一電晶體、Q302開啟。電池電壓流過電 阻分壓器和電容電路620來釋放微控制器225上的輸入，這如"雪崩"輸入 所示。微控制器225上的雪崩管腳是拉高時的輸入，造成微控制器225中的 軟體中斷其正常計算並直接進入其中放電FET Q301截止的停止方式。FET Q301會一直保持關斷直到移除電源並且通過釋放和執行工具觸發器181再應 用。不足的接線和無法開啟的二極體是稀少的，但是如果發生，無法開啟的 二極體會在電池組100連接到電動工具170之後操作的一段時間中損壞FET Q301 (放電FET 130)。因為失靈的二極體很難診斷，除非從電動工具系統斷 開，所以當在可疑的工具中插入以診斷工具中的故障情況時，服務中心可以 不必放棄"測試包"，這種情況下是失靈的二極體。此外，用戶無法利用其它 電池組100來使用"壞掉的"工具170,直到修理或替換失靈的二極體。二次過電壓保護圖7是提供了用於電池組和/或其連接的充電器的輔助保護的二次監視 和過電壓保護熔絲電路。圖7示出圖IA、 1B和圖2中總體上示出的二次監視 和過電壓保護熔絲電路148 (即第二電壓監視電路)與充電器功率控制器160 中的禁止電路151相結合的部分功能。圖1A中，電池充電器電子控制125 (基於來自電壓監視單元的讀數)和 /或充電器電子控制電路155之一能夠在充電期間提供主要的電池過電壓保 護。電路148設計為單獨監視每個電池的電壓(除了電壓監視單元115)以 檢測在充電期間達到過電壓條件的任何電池(一個或多個或所有電池)。這種 情況下，二次監視和過電壓保護熔絲電路148燒斷圖7 OVP線中的熔絲。端
子3處的管腳打開，並且由充電器150中的禁止電路151 ;險測到以產生用於 終止充電器150中的充電電流的禁止信號。這將關於圖7更詳細的解釋。如圖7所示，電路148位於電池組100中，並且包括P-溝道MOSFET(PFET 710)、熔絲715和battery+管腳(B+端子)與地之間的電阻720。儘管沒有 示出，但是電路148可以包括多個堆疊的ASIC,每個ASIC用於測量單個電 池105的電壓。禁止電路151位於充電器150中，並且可以是功率控制器160 的一部分。禁止電路151包括電阻730和串聯在Vcc (見圖1A中的端子7 ) 與地之間的兩個或更多的二極體732、 734，並且還包括NPN電晶體740。在圖1A中，連接在OVP管腳3的串行通路設置在電路148和151之間以 提供基於充電期間任何時刻任何電池105中的過電壓情況終止充電電流的第 二獨立裝置。該檢測電池105中的0V情況的第二方式獨立於微控制器125和 充電器電子控制電路155之間的任何通訊。注意的是，圖7中的各種電路元 件的值都只是示例性的，可以使用其它的元件值用於圖7所示的電阻和熔絲 (在一個示例中可以是0. 25A的熔絲)。操作中，在正常充電操作期間，電池組100中的PFET710處於截止狀態 並且熔絲715是完整的。電池組100中的電阻720 (例如，可以是2. 2KQ的 電阻)保持充電器中150中的NPN電晶體740處於截止狀態，從而允許充電 器150正常操作。當二次保護電路148中的ASIC之一檢測到電池中的電池過 電壓情況時，電池組100中的PFET 710將開啟。當PFET 710開啟，電流從 B+流過電池組100中的熔絲715、流過充電器150中的兩個二極體732、 734 然後到地。該電流流動將燒斷熔絲715並使電池組100中的電阻720從充電 器150的功率控制器160中的NPN電晶體740的基極斷開。此外，由於熔絲715燒斷打開，禁止電路151發現OVP管腳3打開並禁 止充電器輸出。這獨立於電池組中的微控制器225和圖1A中的充電器電子控 制155之間的任何通訊而執行。電阻720在電路之外，充電器150中的電阻 730 (例如，可以是IOO KQ電阻)將接收來自端子7的Vcc (3-5伏)，它 流過電阻730並使NPN電晶體740飽和以開啟電晶體740(它是下拉電晶體)。 這是設計為終止充電電流的禁止信號。基於收到禁用信號，NPN電晶體740 輸出低電平以下拉(關斷)向FET 157供電的驅動電路161，使充電器FET 157 循環關斷並終止充電電流。可選地，NPN電晶體740的集電極可以依賴於下側電流通路中的NFET。
圖7示出的過電壓檢測信號表示適當才及性的控制信號以激活PFET 710。該^f言 號來自圖1A和1B的獨立過電壓檢測電路148。此外，PFET 710可以是P型 或N型FET或雙極電晶體。圖7中的電路設計成即使由於不穩固的PFET710熔絲715無法斷開也中 斷充電。任何缺少的或不恰當的接線也會中斷充電，並且電路是可測試的 功能檢測器不會激活熔絲715。這樣說明了示例性實施例，顯而易見的是，同樣的內容可以按許多方式 改變。不會把這種變化看作脫離示例性實施例，並且所有這種修改都包括在 附加的權利要求的範圍內，對本領域技術人員來說是顯而易見的。優先權聲明本申請根據35 U. S. C. §119 (e)要求2005年10月28日David A. CARRIER 等人申請的、並且題目為"BATTERY PACK FOR CORDLESS POWER TOOLS"的美 國臨時專利申請序列號60/732,872的利益，其全部內容在此引作參考。
權利要求1、一種用於無繩電動工具的電池組，該電池組可拆卸地連接到無繩電動工具系統所包括的電動工具和充電器，其特徵在於，該電池組包括外殼，外殼內的多個電池組電池，外殼內的電池電子控制單元，用於在電池的充電期間控制充電器，和用於在放電操作期間控制場效應電晶體(FET)以控制到電動工具的電機的電流，第一電壓監視單元，用於在充電和放電操作期間監視電池組中的單個電池電壓和總的堆電壓之一或兩者，以及第二電壓監視電路，用於分別監視單個電池電壓以檢測在充電期間達到過電壓情況的任何電池。
2、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，該電池組還包括電池組內的充電返回線路上的熔絲，在電池組中的電池電子控制電路或 充電器中的電流控制電路變得不起作用並且電流在充電期間超過正常水平的 情況下作為額外的保護。
3、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，在每個電池和第一電壓監 視單元之間設置傳感線路以感測單個的電池電壓，並且每條傳感線路中包括 熔絲或熔線。
4、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，該電池組還包括在電池電 子控制單元與充電器和電動工具之一之間的多條串行數據通路，用於交換數 據並控制它們之間的信息。
5、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，所述信息包括經過串行數據通路接收的、並代表由工具的用戶縮回觸發器的程度的模擬觸發信號，以及電池電子控制單元發出P畫控制信號以造成放電FET為了產生預期的電機速度而在預期的工作循環下進行開斷。
6、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，電池電子控制單元為了控制工具電機電流而提供FET的脈衝寬度調製 (PWM)〗空制，以及電池組還包括用於在FET的每個開斷周期期間評價電池組電流、並基於 該評價選擇性地限制電池組的功率輸出的限流處理電路系統。
7、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，還包括基於從電池電子控制單元接收的控制信號而提供用於開斷FET的 驅動信號的驅動電路，其中電池電子控制單元周期性地監視用於與參考電壓水平比較的驅動電 路的電源電壓，並且如果該電源電壓降到參考電壓水平以下，則禁止驅動信 號發送給驅動電路從而使FET截止。
8、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，電池電子控制單元被配置 為在工具操作期間檢測所連接的電動工具的制動情況並限制制動情況的時間 長度。
9、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，電動工具包括在工具中的 功率端子之間並且與工具電機並聯的功率二極體，以及電池組包括用於如果功率二極體在功率操作期間無法開啟或變得斷開則保護電池組中的FET的檢 測電路。
10、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，所述電池是鋰離子電池。
11、 如權利要求1所述的電池組，其特徵在於，所述電池是鋰離子電池 並且電池組的額定電壓等級至少為18V。
12、 一種用於無繩電動工具的電池組，其特徵在於，其包括外殼，外殼內的多個電池組電池，外殼內的控制器，用於在電動工具操作期間控制場效應電晶體(FET)以控制到電動工具的電機的電流，以及基於從控制器接收的控制信號而在電動工具操作期間供給用於開斷FET的驅動信號的驅動電路，其中控制器周期性地監視用於與參考電壓水平比較的驅動電路的電源電 壓，如果該電源電壓降到參考電壓水平以下，則控制器為了截止FET而禁止 驅動信號。
13、 一種用於無繩電動工具的電池組，可連4妄到電動工具，電動工具包電池組包括 外殼， 外殼內的多個電池組電池，外殼內的控制器，用於在電動工具操作期間控制場效應電晶體(FET)以 控制到電動工具的電機的電流，檢測電路，用於在功率二極體在功率操作期間無法開啟或變得斷開時檢測電動工具中的開路二極體情況，並通過在控制器中產生中斷以截止FET來 保護FET。
專利摘要一種包括適於控制連接的電動工具和/或連接的充電器的電池組電子控制電路的電池組。該電池組包括附加的保護電路、方法和裝置以當該電池組有效地連接到電動工具並向其供電、和/或當該電池組有效地連接到充電器並由充電器充電的時候，保護防止電池組內的故障情況。
文檔編號H01M2/10GK201048140SQ20062016476
公開日2008年4月16日 申請日期2006年10月30日 優先權日2005年10月28日
發明者丹·T·特林, 丹尼爾·C·布羅託, 小安德魯·E·西曼, 弗雷德·S·沃茨, 強 張, 戴維·A·卡裡爾, 斯內哈爾·S·喬克西, 傑弗裡·S·霍華德 申請人:布萊克和戴克公司