電動工具與電池包的組合的製作方法

2023-04-25 18:29:16

專利名稱：電動工具與電池包的組合的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動工具與電池包的組合。
背景技術：
近年來，隨著電池材料技術的發展，電池的容量已被大幅度的提升，其應用範圍也 已經從一些小功率的電子類電氣裝置而延伸到一些大功率的動力類電氣裝置，如電動工具 等。這樣，採用了高倍率電池的電動工具可以擺脫線纜的束縛而可隨時、隨地地使用。為提 高利用率，這些電池通常採用的是可充電電池，如鎳鎘(Nickel-cadmium，NiCd)電池、鎳氫 (Nickel-Metal Hydride, NiMH)電池、鋰離子(Lithium-ion, L-ion)電池等。上述類型的電池在和無繩類電氣裝置配合工作時，是處於一個放電狀態，電池放 電時，當電壓下降到電池不宜再繼續放電的最低工作電壓值(終止電壓)時，還繼續放電就 可能會造成電池內壓升高，正、負極活性物質的可逆性遭到損壞，從而會使電池的容量產生 明顯減少。因此，在這些無繩類電氣裝置設計時，都會考慮採用硬體或硬體與軟體的結合來 對電池包進行過放保護，但通常其本身設計要求以及設計和製造成本都非常高。US 7270910 B2中描述了一種可再充電的電池單元，可連接到由電池驅動的電動 裝置，對該裝置提供電能。在電池單元中設置有檢測電路及控制電路，檢測電路用於檢測 電池單元的放電電流及電池包的溫度，檢測裝置將檢測到的電流或溫度信號傳送給控制裝 置，控制裝置根據此兩個電氣信號，控制電池包對電動裝置電能的提供。在該方案中，電池 包內既包含檢測裝置，同時包含控制裝置，即設置於電池包內的線路板不僅具有檢測功能， 同時具有對電池包放電進行控制的功能，因此電池包的設計結構複雜，電池包的設計成本 尚οCN 100340045 C中描述了一種電動工具與電池包的組合，其中電池包具有一個檢 測裝置，該檢測裝置用於檢測電池包的至少一個工作參數，如放電電流、電池包溫度、電池 電壓等，電動工具具有一個控制裝置，該控制裝置根據由電池包的檢測裝置輸出的檢測信 號控制電池包的放電。在該方案中，具有檢測功能的檢測裝置及具有控制功能的控制裝置 分別設置於電池包及電動工具中，電池包中僅具有檢測功能的檢測裝置，相較於檢測裝置 及控制裝置均設置在電池包內的方案，該方案電池包的設計明顯簡化，電池包的設計成本 隨之降低。但該方案中，所有檢測裝置檢測到的信號都需在電池包內進行初步處理，然後再 通過一個統一的信號埠輸送給控制裝置，由此增加了檢測信號在電池包內的信號處理設 計，電池包的設計結構較為複雜，設計成本也較高。在上述方案中，電池包的設計結構均較為複雜，設計成本也相應較高，且在產品銷 售過程中，一般為一個電動工具配置兩個電池包，若電池包的設計結構複雜、設計成本高， 必然會增加總體成本，因此需要一種設計結構更簡單，成本更低廉的電池包。

發明內容
本發明提供一種電動工具和電池包的組合，電池包的設計結構進一步簡化，設計成本進一步降低。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種電動工具與電池包的組合，包括電池包，其包括殼體，若干電池，收容在所述殼體內，第一檢測裝置，與所述電池電性連接，用於檢測單節電池的電壓，並相應地生成狀 態信號，第二檢測裝置，設置在所述殼體內，用於檢測所述電池包的溫度，並相應地生成溫 度信號，若干第一導電端子，設置於所述殼體上，電動工具，其包括機殼，電機，設置在所述機殼內，控制裝置，用於接收所述狀態信號及溫度信號，並根據所述狀態或溫度信號，控制 所述電機的運轉，若干第二導電端子，與所述控制裝置電性連接，設置於所述機殼上，其中，所述若干第一導電端子包括與所述第一檢測裝置電性連接的第一狀態指示 端子及與所述第二檢測裝置電性連接的第一溫度指示端子，所述若干第二導電端子包括與 所述第一狀態指示端子電性連接的第二狀態指示端子及與所述第一溫度指示端子電性連 接的第二溫度指示端子。優選地，所述電池包溫度高於預設溫度值時，所述控制裝置切斷所述電池包流向 所述電機的電流。優選地，所述預設溫度值為65°C。優選地，所述狀態信號包括狀態正常信號或狀態異常信號，所述控制裝置接收到 狀態異常信號時，切斷所述電池包流向所述電機的電流。優選地，所述電池包內任意一節電池的電壓低於預設電壓值時，所述第一檢測裝 置生成狀態異常信號。優選地，預設電壓值為單節電池額定電壓的80 %。優選地，所述第一檢測裝置包含處理器。優選地，所述控制裝置包含開關電晶體， 所述控制裝置控制所述開關電晶體斷開時，切斷所述電池包流向所述電機的電流。與現有技術相比，本發明中在電池包和電動工具內均設有電子控制組件，可分別 用來監測電池包狀態以及對電池包實行保護控制，且電池包內的檢測裝置分開設置，一部 分檢測裝置的檢測信號在電池包內進行初步處理，一部分檢測裝置的檢測信號不在電池包 內作任何處理，相對於所有檢測均在電池包內初步處理的方案，這種設計的要求相對而言 進一步被簡化，同時成本也相應地降低。


下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步說明。圖1是本發明具體實施方式
中電池包插接到電動工具後工作的電路框圖。圖2是本發明具體實施方式
中電池包的工作流程框圖。
圖3是本發明具體實施方式
中電動工具對電池包實現過放保護的工作流程框圖。
具體實施例方式本發明旨在揭示一種新的電池包過放的保護方式，通過無繩電氣裝置與電池包的 共同配合來避免電池包過放，以下以鋰離子電池包和無繩電動工具為例結合圖1至圖3對具體實施方式
進行說明。需要說明的是，鋰離子電池包只是一個較佳的實施例，除鋰離子電 池包外，也可為鎳氫(Ni-MH)或鎳鎘(Ni-Cd)電池包，同時這裡所說的鋰離子電池是負極 材料為鋰元素的可充電電池的總稱，依據正極材料的不同，其可構成許多體系，如「鋰錳」電 池，「鋰鐵」電池等。圖1是電池包10插接到電動工具20後工作的電路原理框圖。本領域的普通技術 人員易於理解的是，電池包10、電動工具20內都設置有印刷電路板，而圖中所示的由若干 電子元器件組成的電子控制組件設置在相應電路板上，並通過電路板上的電路使這些電子 元器件相互電性連接。如圖1所示，電池包10包括有電池組11、第一檢測裝置12、第二檢測裝置13、以及
若干導電端子。在本實施方式中，電池組11由五節串聯的鋰離子電池11組成，其中每節電池的額 定電壓為3. 6伏(V)。當然，在其他實施方式中，根據不同的工況需求，電池的類型、節數、以 及設置方式也可視具體情況而不同。如電池組11可以由十節額定電壓為3. 2伏的鋰鐵電 池組成，這十節電池分兩排並列設置，且每排由五節電池串聯而成。此外，由於電池的特性 不同，其對應的放電電壓下限VI、放電溫度上限Tl都會相應有所不同。第一檢測裝置12與電池組11的各個電池電性連接，用來檢測單節電池的電壓 數據，並通過這些數據來判斷電池包的工作狀態。該第一檢測裝置12可以是由實現各相 應功能的元器件組成的邏輯電路，也可以是集成有程序、指令的微處理器。在本實施方式 中，第一檢測裝置12包含處理器，通常該處理器內包括有微處理模塊(MCU)、只讀存儲器 (ROM)模塊、隨機存儲器(RAM)模塊、數字/模擬轉換單元(A/D converter)模塊、計時器 (timer) 221模塊、輸入/輸出埠(I/O port)模塊等，由於這些模塊的功能及其工作原理 都為本領域的普通技術人員所熟識，所以申請人在此不再予以贅述。需要注意的是，在本實 施方式中，每節電池11的電壓都會被第一檢測裝置12檢測到，相比僅檢測某一節電池的電 壓或某幾節電池的電壓或整個電池包的總體電壓的方案，可有效避免因為電池的一致性差 異而導致某一節電池出現過度放電的情形。在具體實施中，每節電池11的電壓模擬信號通 過第一檢測裝置12的輸入埠輸入，並且由模擬/數字轉換模塊轉換成數位訊號，而後由 微處理模塊執行相應的程序來判斷每一節電池是否被過放。在本實施方式中，第二檢測裝置13為熱敏電阻，其被粘附在電池的表面，優選的 實施方式，第二檢測裝置13被設置在電池組11內溫度最高的區域，這樣可以確保所有電池 不會因為過溫而受到損壞，並且，第二檢測裝置13設置的區域最好與外部氣流隔絕，如此 可以確保檢測到電池組11的溫度值比較準確。通過這種設置，當電池的溫度發生變化時， 第二檢測裝置13的阻值也相應發生變化，並通過導電端子將該溫度變化傳遞給電動工具 20。在本實施方式中，電池包10的導電端子包括與電池組11的正、負極相應電性連接的第一正極端子(B+) 15和第一負極端子(B-) 19，與電池包第一檢測裝置12的相應輸入端 口連接的第一電源端子(Vcc) 16，與電池包第一檢測裝置12的相應輸出埠連接用來輸出 表示電池包工作狀態指示信號的第一狀態指示端子(BH) 17，以及與第二檢測裝置13電性 連接的第一溫度指示端子(NTC) 18。如圖1所示，電動工具20包括電機21、電機控制單元22、直流電源轉換模塊 (DC-DC) 24、電機控制開關201、扳機開關202、以及若干導電端子。其中，電動工具20的導電端子包括與電池包10的第一正極端子(B+) 15電性接 觸的第二正極端子(B+) 25，與電池包10的第一負極端子(B-)19電性接觸的第二負極端子 (B-)29，與電池包10的第一電源端子(Vcc) 16電性接觸的第二電源端子(Vcc)26，與電池包 10的第一狀態指示端子(BH) 17電性接觸的第二狀態指示端子(BH) 27，以及與電池包10的 第一溫度指示端子(NTC)IS電性接觸的第二溫度指示端子(NTC) 28。在本實施方式中，電機控制單元22與第二狀態指示端子(BH) 27及第二溫度指示 端子(NTC) 28連接，用於控制電機21的運轉。電機控制單元22可以是由實現各相應功能 的元器件組成的邏輯電路，也可以是集成有程序、指令的微處理器。在本實施方式中，電機 控制單元22為邏輯電路。電機控制單元22通過第二狀態指示端子27、第一狀態指示端子 17獲取第一檢測裝置12檢測到的電池包10的狀態信號，並且通過第二狀態指示端子28、 第一狀態指示端子18獲取第二檢測裝置13檢測到的電池包10的溫度信號。電機控制單 元22通過接收到的電池包狀態信號及溫度信號控制電機21的運轉。在本實施方式中，直流電源轉換模塊24是DC-DC轉換模塊，用於將來自電池組11 的高壓且不穩定的直流電源轉換為供電池包10的第一檢測裝置12、電動工具20的電機控 制單元22使用的低壓且穩定的直流電源。該直流電源轉換模塊24設置在第二正極端子25 與第二負極端子29之間，且在第二正極端子25與直流電源轉換模塊24之間設置有一扳機 開關202，該扳機開關202可人手操作地設置在電動工具20上。在電池包10與電動工具20 插接，按下扳機開關202後，電源轉換模塊24可與電池組11組成電性迴路。電源轉換模塊 24經扳機開關202、第二正極端子25及第一正極端子15從電池組11獲得高壓且不穩定的 直流電源，經電源轉換模塊24轉換後變為低壓穩定的直流電源，該低壓穩定的直流電源經 電動工具20內部的電性連接給電機控制裝置22提供電力，同時經過第二電源端子26及第 一電源端子16給電池包10內的第一檢測裝置12提供電力。該在本實施方式中，雖然還是 由電池組為電池包及電動工具內的電子元器件提供電力，但是需要將電池包插接到電動工 具並開始工作(合上扳機開關202)後，該電力才可供應。也就是說，電池包在存儲(未插 接)或待機(扳機開關202未閉合)狀態下，電池包及電動工具內的電子元器件並不能得 到電力供應，從而有效避免電池包及電動工具內的電子元器件不必要地消耗電力。電動工具20內還設置有一個電機控制開關201，該電機控制開關201與電機21 串聯設置，且與電機控制單元22電性連接。電機控制單元22根據電池組11的狀態可選 擇性地控制電機控制開關201的開通或關斷。同樣，電機控制開關201也可採用本領域 技術人員所熟知的半導體開關，如採用MOSFET(Metallic Oxide Semiconductor Field Effecttransistor，金屬氧化物半導體場效應電晶體金屬氧化物半導體)，這樣可以通過 MOSFET高頻通斷的特性來有效地控制控制電機21的運行。以下結合圖2及圖3詳細說明，電動工具與電池包的配合實現電池包在放電過程中的過放保護過程。當電池包10插接到電動工具20上並閉合扳機開關202後，電池組11的電流經第 一、第二正極端子(B+)傳遞到扳機開關202，再經扳機開關202傳遞給直流恆壓電源24，隨 後直流恆壓電源24開始工作。電池組11的電源經直流恆壓電源24轉換後依次通過第二 電源端子26、第一電源端子16將電流傳遞給電池包10內的第一檢測裝置12，同時經電動 工具20內部的電路傳遞給電機控制單元22，從而第一檢測裝置12及電機控制單元22開始 工作。如圖2所示，第一檢測裝置12開始工作(步驟401)後，檢測並獲得電池組10中 每節電池的電壓值Vc (步驟402)。隨後，第一檢測裝置12進一步判斷電池的電壓Vc是否 處在放電狀態下的正常範圍內。首先，判斷電池電壓Vc是否小於等於放電電壓下限Vl (步 驟405)。由於電池組11中各電池的一致性可能不是很好，所以各電池電壓Vc可能不是完 全相同，因此在本實施方式中，為確保可靠性，取其中最小的電壓值進行比較，這樣可確保 所有的電池都不會產生過放的情形。一般而言，V 1設置為低於單節電池額定電壓的80%， 在本實施方式中，由於採用的是鋰錳特性的電池，放電電壓下限Vl取低於鋰錳電池額定電 壓3. 6V的80%，即低於2. 88V，優選地取Vl為2. 5伏(V)。當判斷Vc彡2. 5V時，表明電池 包已經達到過放的狀態，此時，置位BH埠為低電平(步驟411)，即第一檢測裝置12輸出 到第一狀態指示端子(BH) 17的信號為低電平信號，表示目前電池包的工作狀態處於異常； 當判斷Vc > 2. 5V時，表明電池包還未過放，所以，置位BH埠為高電平信號(步驟407)， 即第一檢測裝置12輸出到第一狀態指示端子(BH) 17的信號為高電平信號，表示目前電池 包的工作狀態處於正常，而後，再回到步驟405進行單節電池電壓的循環判斷。需要說明的 是，也可以用高電平信號表示電池包工作狀態異常，低電平信號表示電池包工作狀態正常。如圖3所示，電機控制單元22開始工作(步驟501)後，檢測BH埠信號(步驟 502)，即通過第二狀態指示端子(BH) 27、第一狀態指示端子(BH) 17獲取第一檢測裝置12輸 出的電池包10的狀態指示信號。隨即轉入下一步，判斷BH信號是高電平信號還是低電平 信號(步驟503)。如果判斷是低電平信號，則轉至步驟507斷開放電迴路，即電機控制單元 22控制電機控制開關201處於斷開狀態，電機21停止工作。當判斷BH埠信號為高電平 信號時，電機控制單元22就進一步檢測電池溫度Tb (步驟504)，並判斷電池組11的工作 溫度是否已經過高，一般而言，電池包放電過程中的溫度達到65°C即認為電池溫度過高，需 要保護，為充分利用電池的能量，在本實施方式中，電池包工作溫度上限為75°C。電機控制 單元22根據設定的75°C判斷電池包10的溫度是否大於75V (步驟505)。當判斷Tb > 75°C時，表明電池組11工作溫度過高，則轉至步驟507斷開放電迴路，即電機控制單元22 控制電機控制開關201處於斷開狀態，電機21停止工作；當判斷Tb ( 75°C時，表明電池組 11工作溫度處於正常範圍，則轉至步驟506接通放電迴路，即電機控制單元22控制電機控 制開關201處於閉合狀態，從而，電機21開始正常運轉，同時電機控制單元22的工作邏輯 轉至步驟502，開始循環檢測電池包的狀態指示信號及溫度指示信號，一旦出現上述任何狀 態或溫度的異常情況，即通過電機控制裝置22控制電機控制開關201處於斷開狀態，從而 控制電機21停止工作。本發明中，電池包10分別通過兩個檢測裝置檢測電壓及溫度，為避免與電動工具 20連接的複雜性，第一檢測裝置12的檢測信號在電池包10內部進行初步的信號處理後，傳遞給電動工具20 ；而第二檢測裝置13的信號，考慮到簡化電池包結構，降低電池包成本，未 在電池包10內做任何處理，直接將信號傳遞給電動工具20。電動工具20根據該第一檢測 裝置12及第二檢測裝置13的信號來執行相應的控制。通過這種設置，既可以有效保護電 池，同時降低了電池包和的設計和製造成本。
權利要求
1.一種電動工具與電池包的組合，包括 電池包，其包括殼體，若干電池，收容在所述殼體內，第一檢測裝置，與所述電池電性連接，用於檢測單節電池的電壓，並相應地生成狀態信號，第二檢測裝置，設置在所述殼體內，用於檢測所述電池包的溫度，並相應地生成溫度信號，若干第一導電端子，設置於所述殼體上，電動工具，其包括機殼，電機，設置在所述機殼內，控制裝置，用於接收所述狀態信號及溫度信號，並根據所述狀態或溫度信號，控制所述 電機的運轉，若干第二導電端子，與所述控制裝置電性連接，設置於所述機殼上， 其特徵在於所述若干第一導電端子包括與所述第一檢測裝置電性連接的第一狀態指 示端子及與所述第二檢測裝置電性連接的第一溫度指示端子，所述若干第二導電端子包括 與所述第一狀態指示端子電性連接的第二狀態指示端子及與所述第一溫度指示端子電性 連接的第二溫度指示端子。
2.根據權利要求1所述的電動工具與電池包的組合，其特徵在於所述電池包溫度高 於預設溫度值時，所述控制裝置切斷所述電池包流向所述電機的電流。
3.根據權利要求2所述的電動工具與電池包的組合，其特徵在於所述預設溫度值為 65 "C。
4.根據權利要求1所述的電動工具與電池包的組合，其特徵在於所述狀態信號包括 狀態正常信號或狀態異常信號，所述控制裝置接收到狀態異常信號時，切斷所述電池包流 向所述電機的電流。
5.根據權利要求4所述的電動工具與電池包的組合，其特徵在於所述電池包內任意 一節電池的電壓低於預設電壓值時，所述第一檢測裝置生成狀態異常信號。
6.根據權利要求5所述的電動工具與電池包的組合，其特徵在於預設電壓值為單節 電池額定電壓的80%。
7.根據權利要求6所述的電動工具與電池包的組合，其特徵在於所述第一檢測裝置 包含處理器。
8.根據權利要求3或7所述的電動工具與電池包的組合，其特徵在於所述控制裝置 包含開關電晶體，所述控制裝置控制所述開關電晶體斷開時，切斷所述電池包流向所述電 機的電流。
全文摘要
本發明涉及一種電動工具與電池包的組合。該電動工具與電池包的組合包括電動工具及電池包，其電池包內包括第一檢測裝置及第二檢測裝置，其電動工具內設置有控制裝置，第一檢測裝置和第二檢測裝置分別用於檢測電池包的單節電池電壓及電池包溫度，第一檢測裝置的信號在電池包內做初步處理後，通過導電端子傳遞給電動工具內的控制裝置，第二檢測裝置的信號，在電池包內不做任何處理，直接通過另一導電端子傳遞給電動工具內的控制裝置，該控制裝置根據第一檢測裝置及第二檢測裝置的信號對電池包實現過放保護，通過這種設計，可以簡化電池包結構，降低電池包設計成本。
文檔編號H02J7/00GK102130471SQ201010003378
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月16日 優先權日2010年1月16日
發明者周昶, 田角峰 申請人:蘇州寶時得電動工具有限公司