嵌入電池組中的過電流保護機構的製作方法

2023-05-04 17:30:31

專利名稱：嵌入電池組中的過電流保護機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池組，尤其涉及嵌入電池組中的軟體實現的過電流保護機
構(mechanism)。
背景技術：
在過去的幾年裡，在例如筆記本型個人計算機的低電壓、可攜式電子設 備中，鋰離子(Li-離子)電池已經開始取代鎳鎘(MCd)、金屬氬化物鎳 (nickel-metal-hydride, NiMH)和鉛酸電池。與NiCd和NiMH電池相比，鋰 離子電池更輕而且每單位體積具有更大的容量。由於這一原因，鋰離子電池 適用於優選較輕並且需要耐受長時間連續使用的低電壓設備。
與NiCd電池組和NiMH電池組不同，鋰離子電池在過放電狀態下迅速 惡化。因此，鋰離子電池組可以包括保護其免受鋰離子電池組的內部和外部 的故障情況的損壞的功能。這防止鋰離子電池組中的電池被損害和縮短電池 組的使用壽命。例如，如果在鋰離子電池組的內部或外部發生例如短路的故 障情況，若放電電流或充電電流變得比給定電流等級(currentlevel)大，可以提 供保險絲來切斷過》文電電流或過充電電流。然而，在電池組可以再次使用之 前，需要更換機械保險絲。
因此，期望在電池組中提供一種軟體實現的保險絲。軟體實現的保護機 構使保險絲在不同的操作條件下跳閘。而且，軟體實現的保險絲可以在跳閘 之後復位而不需要使用者的幹預。這部分的陳述僅僅提供涉及本發明公開的 背景信息而不構成現有技術。
發明內容
根據本實用新型的一個方面，為可移除地附連至電動工具(power tool)的 電池組提供過電流保護機構。該機構的特徵在於包括設置在電池組中的一 個或多個電池；配置用來感測由電池供應的電流的電流傳感器；在具有電池 的電路通路中的開關；以及電池組中的電池控制單元。電池控制單元被配置用來接收指示來自電流傳感器的電流的信號，並以電流和時間的函數控制開 關來中斷來自電池的電流。
根據本實用新型的另一個方面，提供一種電池組，其特徵在於包括一 個或多個電池；在有電池的電路通路中的開關；電流傳感器，配置為感測由 電池供應的電流；以及電池控制單元，適配用於接收指示來自電流傳感器的 電流的信號，並且可操:作用於以電流和時間的函悽t控制開關來中斷來自電池 的電流。
根據本實用新型的又一個方面，提供一種電池組，其特徵在於包括一 個或多個電池；與所述電池串連的開關；以及被配置為測量經過開關的電流 的電池控制單元，該電池控制單元可操作用於以電流和時間的函數控制開關 來中斷來自電池的電 流。
根據本實用新型的又一個方面，提供一種電池組，其特徵在於包括一 個或多個電池；用於感測由電池供應的電流的器件；用於中斷來自電池的電 流的器件；以及與用於感測電流的器件和用於中斷電流的器件進行數據通信 的電池控制單元，該電池控制單元可操作用於以電流和時間的函數來控制用 於中斷來自電池的電流的器件。
更多適用領域將從此處提供的描述變得明顯。應當理解，說明和具體的 示例僅僅意在解釋，而並非試圖限定本發明的範圍。


圖1是電動工具的示例性系統的示意圖2是集成到電池組中的過電流保護才幾構的示例性電路配置的示意圖； 圖3是集成到電池組中的過電流保護機構的可選電路配置的示意圖； 圖4是示出軟體實現的保險絲的示例性跳閘點(trip point)的曲線圖； 圖5A是示出保險絲的示例性實現的流程圖； 圖5B是示出保險絲的另一個示例性實現的流程圖； 圖6A和6B是示出在軟體實現的保險絲重置之前可以檢查的示例性標準 的流程圖。
在此描述的附圖僅僅是說明的目的，並且不意欲以任何方式限定本發明 的範圍。
具體實施方式

本公開可以涉及總體由圖1中的附圖標記IO指示的類型的電動工具系
統。電動工具系統10可以包4舌，例如， 一個或多個電動工具12、電池組16 和電池組充電器18。每個電動工具12可以是任何類型的電動工具，包括但 不限於鑽孔機、鑽孔機/打樁機(driver )、錘鑽(hammer drill)/打樁機、電錘(rotary hammer)、螺絲起子、衝擊式起子機(impact driver)、圓鋸、豎鋸、往復鋸、 帶鋸、切割工具(cut-offtool)、剪切工具(cut-outtool)、剪床、磨沙機、吸塵器、 燈、刳刨機、點膠才幾(adhesive dispenser)、混凝土整實器、雷射器、訂書機和 自動敲釘機。在特定示例中，假設電動工具系統10包括第一電動工具12a和 第二電動工具12b。例如，第一電動工具12a可以是與美國專利No. 6，431,289 中所描述的類似的鑽孔機/打樁機，而第二電動工具12b可以是與美國專利 No.6，996,909中所描述的類似的圓鋸。電池組16可以選4奪性地可移除地耦合 至第一電動工具12a和第二電動工具12b,以向其提供電能。除了在此處另外 描述的之外，電池組16可以以與美國專利申請公開No. 2006/0096771中所描 述的相似的方式配置電池組16。電池組16還可以選擇性地電耦合至電池組 充電器18，來給電池組16充電。值得注意的是本公開的更多方面可適用於 其他類型的電池供電設備。
圖2示出了集成到電池組16中的過電流保護機構20的示例性電路配置。 過電流保護機構20通常由電池22、用於控制電池放電的開關24、電流傳感 器25和電池控制單元26組成。過電流保護機構20還可以包括與電池串聯放 置的保險絲28。每個元件優選地集成到電池組16中。然而，可以想像，除 了電池之外的一個或多個元件可以^L置在電池充電器、電動工具或可操:作地 耦合至電池組的某 一其它外部設備中。
電池組可以包括多個串聯連接的電池22，和/或多個電池的串聯連接串， 其中所述多個串相互並聯。為了描述示例性實施例的目的，電池組可以由具 有鋰離子電池化學性質的電池組成。在無繩電動工具環境中，電池組的標稱 額定電壓一般至少是18伏。然而，對於不同的應用，考慮(contemplate)其它 的額定電壓。另外，例如在電池組的單個電池、電極和電解液的化學組成方 面，電池組可以由另一鋰基(l池ium-based)化學性質的電池(例如鋰金屬或鋰 聚合物的電池)，或例如鎳鎘(NiCd)、金屬氫化物鎳(NiMH)、和鉛酸 等其它化學性質的電池組成。儘管不限於此，但是電池組16優選的是可充電電池。
嵌入在電池組16中的電池控制單元26負責保護電池並監控可能產生的 任何故障情況。在示例性實施例中，電池控制單元16在數字微控制器上以軟 件實現。然而，電池控制單元26可以以軟體或硬體具體化為數字微控制器、 微處理器或邏輯電路、數位訊號處理器，或者以一個或多個數字IC (例如專 ^1集成電路，ASIC)來具體化。
可以通過^f吏用開關24來鉗位或停止來自電池的放電電流和到電池的充 電電流。開關24可以在電池的低電壓側與電池串聯j改置。然後可以通過電池 控制單元控制開關24以中斷到/來自電池的電流。在示例性實施例中，開關 24是電晶體(例如，MOSFET)。這一公開也考慮了其它類型的開關。
配置電流傳感器25來感測由電池供應的電流，並將指示感測的電流的信 號提供電池控制單元26。在示例性實施例中，電流傳感器25可以使用與電 池22串聯布置的電流分流器來實現。電流分流器優選放置在電池的低電壓 側。在可選實施例中，開關24用作電流傳感器(參見圖3)。換句話i兌，電 池控制單元26監控流經開關24的電流。在電晶體的情況下，將電阻R^用 作電流分流器來測量電流，該電流分流器將電流轉化為可由電池控制單元讀 取的電壓。其它類型的電流傳感器(例如，霍耳效應電流傳感器)也在本公 開的範圍內。
電池控制單元26實現可重置的軟體實現的保險絲。在操作中，電池控制 單元26接收指示來自電流傳感器25的電流的信號。當電流值超過某一闊值 時，電池控制單元25控制開關24中斷來自電池的電流，由此避免破壞性的 過電流情形。以這種方式，軟體實現的保險絲被設計為保護電池組中的元件 以及電池組外部的元件(例如與其連接的電子設備)。例如，軟體保險絲可 以被設計為保護電池、電池內部連線、電池帶圈(batteiy strap)、焊接點、電源 開關、接線和附接工具等。
在示例性實施例中，電池控制單元26以(as)電流和時間的函數來控制 開關。如果電流高，電路元件在過熱和/或徹底停止運轉(failing)之前只能 耐受這種電流等級非常短的持續時間。另一方面，當電流足夠低時，電路元 件能夠無限期地運轉而不過熱或徹底停止運轉。由隨著時間的經過的電流的 平方值限定這一關係，如圖4所示。電池控制單元26可以實現這一關係作為 軟體實現的保險絲的跳閘點。例如，跳閘點可以定義為F(I，t)- f"A，其中I是來自電流傳感器25的感測電流值。當超過跳閘點時，電池控制單元26 開始保護動作來保護電池組。例如，電池控制單元26可以打開開關24並由 此中斷來自電池的電流。軟體實現的保險絲的跳閘點優選小於保險絲28的跳 閘點，如圖4所示。在軟體實現的保險絲故障的情況下，保險絲28提供第二 保護機制。
圖5A示tT通過電池控制單元26如何實現這一功能的示例性實施例。由
電流傳感器25感測的電流被不斷報告給電池控制單元26或通過電池控制單
元26測量，如在41所指示。例如，電流可以每100ms測量一次。在42利 用下面的函數2 = Z/2—fe^來計算在一段時間內的電流值。因此，對測量的
電流進行平方並與之前的電流測量值相加。常數k用於選擇最小值，總和將 被增加。然後在44將總電流值與預定的跳閘點相比較。當總電流值超過跳閘 點時，如在46所示的，電池控制單元開始保護動作以保護電池組；否則，在 41繼續監控。
圖5B示出通過電池控制單元26如何實現這一功能的可替換的實現。由 電流傳感器25感測的電流被不斷報告給電池控制單元26或通過電池控制單 元26測量，如在51所指示。首先在52將感測的電流與預定的最小電流閾值 進行比較。當感測的電流不超過最小電流閾值時，不存在過電流情形的風險， 並且不需要進一步的評價。如果之前計時器正在運行，則如在53所示的，終 止計時器。
當感測的電流超過最小電流閾值時，存在過電流情形的風險。在這種情 況下，電池控制單元將在55啟動計時器。在啟動計時器之前，在54執行4企 查來看看計時器之前是否已經被啟動。如果已經被啟動，則繞過這一步驟。
接著，電池控制單元將評價軟體實現的保險絲的跳閘點。從查找表檢索 超時值(timeout value)。超時值將與感測電流值相關聯。如上所討論的，感測 電流值越高，超時值越短。超時值存儲在查找表中，該查找表存儲在與電池 控制單元相關聯的存儲器設備中。容易理解，表值將依賴於特定應用並可以 相應地得出。
然後如58所示，將超時值與計時器值相比較。當計時器值超過超時值時， 電池控制單元將打開開關24,並由此中斷來自電池的電流。換句話說，超時 值作為軟體實現的保險絲的跳閘點。當計時器值未超過超時值時，獲得另一 電流測量。如果當計時器正在運行時電流改變56,將檢索新的超時值，如在57所示；否則，處理如上所述保持不變。可以理解，關於圖5僅討論了方法 的相關步驟，但是可能需要其他軟體實現的指令來控制和管理系統的全面運 行。也可以設想上述的保險絲功能可以使用數字或邏輯電路或它們的組合以 硬體來實現。
軟體實現的保險絲可以是溫度補償的，從而避免在正常操作期間發生偽 保護動作，在所述正常操:作賴詢，用戶正在向下鑽或者某一工具應用使得用
戶在短時間內操:作工具困難。在示例性實施例中，可以在開關或電池中針對
溫度變化對軟體實現的保險絲的跳閘點進行補償。在這種情況下，基於溫度 值和感測的電流值從查找表檢索超時值。可選擇地，可以基於電池的電壓電 平以相似的方式補償跳閘點。也設想對於跳閘點補償其它電池參數。 另外，軟體實現的保險絲可以與過放電保護特徵合作運行。在示例性實
電池組的電流放電。在更健壯(robust)的實現中，過放電功能的電壓閾值基於 諸如組溫度或瞬時放電電流等其他操作條件而動態變化。過電流和過放電保 護特徵使得電池組能夠滿足在電動工具應用中發現的各種操作情況。
軟體實現的保險絲的優勢在於它們能夠被復位。換句話說，電池控制單 元可以隨後關閉開關，由此允許電流從電池流出。在關閉開關之前，謹慎地 允許任何由過電流情形產生的熱得到消散。因此，如圖6所示， 一旦開關由 電池控制單元打開，在61開始第二計時器。電池控制單元將不關閉開關，直 到如第二計時器所指示的經過了預定的時間段62。在開關關閉之前，如下面 進一步討論的，可以評價其他故障標準。
繼續參照圖6A和6B，當電池組可操作地耦合至電動工具時，可以檢查 幾個示例性標準。首先，電池控制模塊可以檢查是否存在任何電池故障情況， 如63所指示的。例如，電池的電壓電平是否超出某一最小閾值。如果是，軟 件實現的保險絲可以淨支重置；否則，開關保持打開並且可以由電池控制單元 生成故障情況的標記65。可以檢查另外的電池故障情況，並且是本公開所考 慮的。
接下來，電池控制it塊可以確定從檢測到最後的過電流情況開始，電動 工具是否已經操作66。由工具的搡作情況頻繁地引起過電流情況，所述工具 的操作情況可隨時間而改變或者由其自身解決(例如，鑽孔機的鑽頭卡住情 況)。如果工具尚未操作，計數器在67增加。當計數器達到某個預定值而工具未操作時，可以推斷引起過電流情況的問題將持續。在這一情況下，軟體
實現的保險絲不復位，由電池控制單元生成故障情況的應用標記70。另一方 面，如果工具已經操作，那麼在68復位計數器。
電池控制單元還可以在72監控電動工具的觸發開關。當工具的觸發開關 處於關的位置時，如74所示，軟體實現的保險絲可以被復位。相反，當工具 的觸發開關處於開的位置時，電池控制單元將不關閉開關，而是生成故障條 件的標記。這防止電動工具意想不到地啟動。可以想到在復位軟體實現的保 險絲之前，可以通過電池控制單元來監控與電動工具相關聯的其他標準。同 樣，要理解僅參照圖6討論了方法的相關步驟，但是可能需要其他的軟體實 現的指令來控制和管理系統的全面運行。
上述描述實質上僅僅是示例性的，並且不意在限定本公開、應用或使用。
權利要求1、一種電池組，其特徵在於包括一個或多個電池；在有電池的電路通路中的開關；電流傳感器，配置為感測由電池供應的電流；以及電池控制單元，適配用於接收指示來自電流傳感器的電流的信號，並且可操作用於以電流和時間的函數控制開關來中斷來自電池的電流。
2、 根據權利要求l的電池組，其特徵在於將所述開關限定為電晶體。
3、 根據權利要求1的電池組，其特徵在於所述開關和傳感器是同一設備。
4、 根據權利要求1的電池組，其特徵在於所述電流傳感器是布置在有電 池的電路通路中的電流分流器。
5、 根據權利要求1的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為當電 流超出閾值時打開開關。
6、 根據權利要求1的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為以時 間和由電流傳感器感測的電流的函數來打開開關。
7、 根據權利要求l的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為以時 間、溫度和由電流傳感器感測的電流的函數來打開開關。
8、 根據權利要求1的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為以時 間、電池的電壓電平和由電流傳感器感測的電流的函數來打開開關。
9、 根據權利要求1的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為在經 過一時間段之後關閉開關。
10、 根據權利要求1的電池組，其特徵在於其可操作地耦合至電動工具, 其中所述電池控制單元配置為僅當電動工具的觸發開關處於關位置時關閉開 關。
11、 根據權利要求l的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為當 認為電池故障情況安全時關閉開關。
12、 根據權利要求l的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為當 電池的電壓電平超過閾值時關閉開關。
13、 根據權利要求l的電池組，其特徵在於其還包括與電池串連的保險絲。
14、 根據權利要求l的電池組，其特徵在於所述電池控制單元利用邏輯 或數字電路以硬體來實現。
15、 一種電池組，其特徵在於包括 一個或多個電池； 與所述電池串連的開關；以及被配置為測量經過開關的電流的電池控制單元，該電池控制單元可操作 用於以電流和時間的函數控制開關來中斷來自電池的電流。
16、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於所述開關為電晶體。
17、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為隨 著時間的經過對電流的平方值進行積分，並且當積分值超過閾值時打開開關。
18、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為以 時間、溫度和由電流傳感器感測的電流的函數來打開開關。
19、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於所迷電池控制單元配置為以 時間、電池的電壓電平和由電流傳感器感測的電流的函數來打開開關。
20、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為經 過一 時間段之後關閉開關。
21、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於其可操作地耦合至電動工具， 其中所述電池控制單元配置為僅當電動工具的觸發開關處於關位置時關閉開 關。
22、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為當 認為電池故障情況安全時關閉開關。
23、 根據權利要求15的電池組，其特徵在於所述電池控制單元配置為當 電池的電壓電平超過閾值時關閉開關。
24、 根據權利要求14的電池組，其特徵在於其還包括與電池串連的保險絲。
25、 一種電池組，其特徵在於包括 一個或多個電池；用於感測由電池供應的電流的器件； 用於中斷來自電池的電流的器件；以及與用於感測電流的器件和用於中斷電流的器件進行數據通信的電池控制 單元，該電池控制單元可操作用於以電流和時間的函數來控制用於中斷來自電池的電流的器件。
26、 根據權利要求25的電池組，其特徵在於所述用於感測電流的器件是 與電池串聯布置的電流分流器。
27、 根據權利要求25的電池組，其特徵在於所述用於感測電流的器件是 霍爾效應傳感器。
28、 根據權利要求25的電池組，其特徵在於所述用於中斷電流的器件是 與電池串聯布置的開關。
29、 根據權利要求25的電池組，其特徵在於所述用於感測電流的器件和 所述用於中斷電流的器件是電晶體。
30、 一種用於可移除地附接至電動工具的電池組的過電流保護機構，其 特徵在於包括布置在電池組中的一個或多個電池；配置為感測由電池供應的電流的電流傳感器；在有電池的電路通路中的開關；以及電池組中的電池控制單元，該電池控制單元適配為接收指示來自電流傳 感器的電流的信號，並且可操作用於以電流和時間的函數控制開關來中斷來 自電池的電流。
31、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電流傳感器是 布置在電池的電路通路中的電流分流器。
32、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電流傳感器是 霍爾效應傳感器。
33、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電流傳感器放 置在電池組或電動工具中的至少一個中。
34、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述開關是電晶體。
35、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述開關布置在電 池組或電動工具中的至少 一個中。
36、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電流傳感器和 開關是同一設備。
37、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電池控制單元 配置為當電流超出閾值時打開開關。
38、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電池控制單元配置為以時間、溫度和由電流傳感器感測的電流的函數來打開開關。
39、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電池控制單元 配置為以時間、電池的電壓電平和由電流傳感器感測的電流的函數來打開開 關。
40、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電池控制單元 配置為在經過一時間段之後關閉開關。
41、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電池控制單元 配置為僅在電動工具的觸發開關處於關位置時關閉開關。
42、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電池控制單元 配置為當認為電池故障情況安全時關閉開關。
43、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於所述電池控制單元 配置為當電池的電壓電平超過閾值時關閉開關。
44、 根據權利要求30的過電流保護機構，其特徵在於其還包括與電池串 聯的保險絲。
專利摘要為可移除地附接至電動工具的電池組提供過電流保護機構。該保護機構包括布置在電池組中的一個或多個電池；配置為感測由電池供應的電流的電流傳感器；在有電池的電路通路中的開關；以及實現為嵌入在電池組中的控制器中的軟體指令的電池控制單元。該電池控制單元適配為接收指示來自電流傳感器的電流的信號，並且以電流和時間的函數控制開關來中斷來自電池的電流。
文檔編號H02H7/18GK201383674SQ20082013705
公開日2010年1月13日 申請日期2008年6月10日 優先權日2007年6月7日
發明者丹尼爾·J·懷特, 內森·克魯斯, 小安德魯·E·塞曼, 傑弗裡·S·霍華德 申請人:布萊克和戴克公司