使用电池焊接的方法和设备的制作方法

专利名称：使用电池焊接的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及焊接式的电源的技术。更具体地，本发明涉及从电池或 其它能量存储装置获得电能的焊接式电源。
背景技术：
存在许多已知的焊接式电源用于很多公知的应用。通常，特定的电源将具 有为特定焊接应用选择或优化的拓朴和控制方案。例如，焊接电源可以被设计
用于CV焊接、AC焊接、CC焊接或受控制的短路(controlled short circuit, CSC)焊接。本文使用的焊接式电源除了包括控制电路和与其连接的其它辅助 电路，还包括能够提供焊接、等离子切割和/或感应加热电源的任何装置。
焊接式电源接收电能并将该电能转换或变换为适合焊接的电能。公知类型 的电源包括基于的变换器电源和基于开关变换器的电源，包括降压(buck)、 升压(boost)、 PWM、斩波(chopper)和其它拓朴。输入电能是通常的市电 或从发动机/发电机获得的电能。虽然传统的电源被设置来从公用事业公司 (utility)或发动机(但非两者)接收有限范围的输入电压，但是使用市电或 发电机电源的焊接电源已经在商业上成功多年。近来，电源已经变的更加通用， 电源能够被用于多种处理，并且能够从市电或电动机中的任意一个接收宽范围 的输入电压(见例如USP 6,239,407,其并入本文作为参考)。
对使用例如电池或车辆(vehicle)等其它电源的电焊机已经进行了尝试。 然而，由于电池电源不能使自身长时期的高电能输出(例如坪接)，并且该系 统的控制没有提供通用的、有用的焊接电源，因此电池电焊机是有限的应用。 此外，电池电焊机不能提供AC辅助输出(即，能够被用作用于工具、照明等 市电的替代品的115或230伏电压)。
存在许多远离电源的用于焊接的应用。许多这些焊接应用还需要AC辅助 电能(例如115VAC或230VAC)。 AC辅助电源可以被用于操作用来为焊接做 准备的研磨机、锯或其它电动工具，或用于在远程的其它应用。对焊接电源和
/或AC辅助电源的需要可以是短时期、断续周期的，但是却历经多个小时或
更长的时间。
电机。即使对焊接电源或AC电源的需要是有限的、不定时发生的类型，该电
的其它任务的全部时间。现有发动机/发电机通常以固定的RPM运转以提供固 定频率(例如50/60Hz) AC辅助电源。这可能需要发动机以大大超出空转速 度的速度运转以维持60Hz的AC电源，即使总的电能需要可能是相当低的。 这可能导致过度磨损、燃料消耗以及噪音。
因此，希望AC辅助电源不需要发动机以固定的RMP运转。不需要发动 机以固定的RMP运转的系统将更适宜接收电池电源作为输入。而且，该种系 统将被更适宜地用于多种应用，并且将提供对电池充电。并且，该种系统将更 适宜提供辅助输出。
焊接式系统具有宽范围的工业领域用途，包括制造业、建筑业、汽车业以 及服务业。在不能获得市电的提高的高度通常需要焊接式处理，例如船只建造、 桥梁、建筑等。通常需要使用升降机(例如吊杆式升降机、剪式升降机等)， 提升操作员。剪式升降机和吊杆式升降机具有跨越工业的许多应用。两种升降 机通常包括连接到用于定位升降机的底部的驱动部件和具有发动机、电动机、 电池阵列或它们的组合中的任意一个的电源系统。升降机的电源系统被连接到 驱动部件，除了提升平台，还从一个位置到另一个位置移动升降机。因此，需 要可以与车辆上的DC电源系统一起使用的焊接式电源。

发明内容
根据本发明的第一方面， 一种焊接式电源包括电池或其它能量存储装置、 与电池连接的转换器及控制器。控制器具有CV控制模块和/或CSC控制模块 和/或AC焊接控制模块，并且控制器控制转换器以提供焊接式电能输出。
根据本发明的第二方面， 一种焊接式电源包括电池或其它能量存储装置、 从电池转换电能的转换器及控制器。控制器具有控制转换器的ac辅助控制模 块，其提供辅助输出和/或焊接式输出。
根据本发明的第三方面， 一种提供焊接式电源的方法包括接收电池或其 它能量存储装置的电源；将电池电源转换为焊接式电源；并控制转换使得焊接 式电源是CV电源和/或CSC电源和/或AC焊-接电源。
根据本发明的第四方面， 一种提供焊接式电源的方法包括接收电池或其 它能量存^f渚装置电源；将电池电源转换为焊接式电源；并将电池电源转换为 ac丰乾助电源。
根据本发明的另 一方面， 一种焊接式电源包括电池或其它能量存储装置、 电池充电器、转换器及控制器。
根据本发明的再一方面， 一种提供焊接式电源的方法包括对电池或其它 能量存储装置充电；将来自电池的电源转换为焊接式电源；以及控制转换。
根据本发明的再一方面， 一种焊接式电源具有可以被连接到电池或其它能 量存储装置的输入电路。该电池或装置能够存储足够焊接至少一个焊条(stick electrode)的电能。第一转换器被连接到输入电路并提供dc总线作为输出。第 二转换器接收dc总线并将焊接式电源输出提供到输出电路。控制器控制在两 个转换器中的切换。在一个实施例中第一转换器是升压转换器，第二转换器是 降压转换器。
根据本发明的再一方面， 一种车辆和焊接电源包括车辆dc电源系统， 其具有能够存储足够焊接至少一个焊条的电能的能量存储装置。第一转换器被 连接到dc电源系统并提供dc总线。第二转换器接收dc总线并提供焊接式电 源输出。控制器控制转换器中的切换，包括控制第二转换器的输出电流大小。 在某一个实施例中第一转换器是升压转换器，第二转换器是降压转换器。
能量存储装置可以是电容器，优选能够存储足够焊接至少一个焊条的电能。
在各种实施例中，控制器具有CC控制模块或等离子控制模块。
在其它实施例中，转换器具有ac辅助输出，控制器具有用于ac辅助电源 的ac辅助控制模块和/或第二转换器。
在各种实施例中，转换器是升压转换器、降压转换器、升压串联式(cuk) 转换器、正激式(forward)转换器、逆变器、桥转换器和/或谐振转换器。
在某些实施例中，电池和/或电池充电器是可拆卸的。
在各种实施例中，电池是铅酸电池、密封铅酸电池、Ni-Cd、 NiMH或锂
离子电池，并且电池包括串联或并联的多个电池。
在其它实施例中，包括焊枪和/或焊丝供给器和/或气体源。
在各种实施例中，控制器具有CV控制模块和/或CSC控制模块和/或AC 焊接控制才莫块，并且控制器控制转换器以提供焊接式电源输出。
在各种实施例中，转换器包括预调节器，预调节器从电池接收电能并将电 能转换从而向总线提供dc信号，并且总线被连接到焊接输出电路作为输入。
在各种实施例中，控制器包括电池充电控制模块，并且可以具有一个或多 个充电方案，和/或存储的电荷数据，和/或电池预期寿命数据，和/或电池的最 大安培-小时充电，和/或最大充电电流数据。
在各种实施例中，电池充电方案可以包括至少三个阶段，和/或增加电压 的第一阶段和减少电流的第二阶段，和/或实质恒定的功率阶段。
在某些实施例中，控制器包括通过有线或无线连接到数据存储控制模块的 数据端口，例如，可连接到显示器、PDA的数据端口。
在其它实施例中，电池充电控制模块包括与热信息、电压、电流、功率等
相关的反馈输入。
在各种实施例中，发电机将电能提供到电池、充电器、能量存储装置和/ 或ac辅助转换器或输出。
在各种实施例中，发电机将电能提供到焊接电源电路，并且将来自焊接电 路和转换器的焊接式电源相结合。焊接电源电路可以包括转换器。
在其它选择中，控制器包括电池保护模块，该模块限制焊接，控制器还可 以包括电池电压检测模块，该模块在启动时起作用并向电池保护模块提供信 号。电池保护模块接收电池提供的有关于安培-小时的数据、电池电压、焊接 式电源提供的安培-小时数据及热数据的数据中的至少 一 个作为输入。
在其它选"t奪中，车辆是升降机系统。
基于下面的附图、具体描述及附属权利要求的阅读，本发明的其它主要特 点和优点对于本领域技术人员将更清楚。


图1是根据本发明的一个实施例的焊接式电源的框图； 图2是4艮据本发明的一个实施例的焊接式电源的框图3是才艮据本发明的一个实施例的焊接式电源的框图4是根据本发明的一个实施例的焊接式电源的框图5是根据本发明的一个实施例的焊接式电源的框图6是根据本发明的一个实施例的焊接式电源的框图7是示出根据本发明的一个方面的充电方案的图表；
图8是根据本发明的一个实施例的电池充电器的框图9是根据本发明的一个实施例的焊接式电源的示意图IO是根据本发明的一个实施例的焊接式电源的示意图；及
图11是根据本发明的一个实施例的车辆和焊接式电源的框图。
在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应该理解，本发明不限于在下
面的描述或在附图中说明的具体构造和部件的配置。本发明能够以各种方式实
施或执行。而且，应该理解，本文使用的措词和术语是出于描述的目的，而不
应作为限制。相同的参考标记用于表示相同的部件。
具体实施例方式
虽然参考特定部件、拓朴、控制及应用来说明本发明，但是， 一开始就应 该理解，使用其它部件、拓朴、控制及应用也可以实施本发明。
一般地，本发明涉及焊接电源，该焊接电源包括用于输入电能的电池和/ 或发动机/发电机和/或车辆。优选地，包括(或由用户提供)电池充电器以对 电池充电。还可以使用用于电池的电源来补充电池电能以提供焊接电源。
图1所示， 一个实施例提供了焊接式电源100,电源100包括电池(或其 它能量存储装置)102、转换器104及控制器106,这些装置合作来对焊接式 输出108提供电能。本文使用的电池包括任意类型的电池。本文使用的能量存 储装置包括存储能量的装置，该装置例如是电容器、电感器、电池等。本文使 用的控制器包括数字和模拟电路、分立或集成电路、微处理器、DSP等，以及 软件、硬件和固件，这些部件位于一个或多个电路板上用于控制例如转换器、 电源(powersupply)或功率源(power source )等装置。本文使用的转换器包 括开关电源电路或线性调节器，这些装置接收或提供ac或dc信号，并至少将 信号转换为其它的ac或dc信号，或不同的频率，或不同的大小，并且可以包 括层叠转换，在层叠转换中，输出与输入的频率、大小或ac/dc相同，而不同
之处在于中间级。
在优选实施例中，转换器104包括预调节器110 (优选为转换器)，dc总 线112以及输出电路114。本文使用的预调节器包括在输出电路之前的调节电 能的电路。转换器104优选包括用于预调节器110的升压转换器(例如在USP 6,239,407中所示)，转换器104能够接收宽范围的输出，并且提供dc总线112。 然后对输出电路114提供dc总线，输出电路114优选是PWM降压转换器， 其输出被变换为焊接式电源。本文使用的焊接式电源指焊接、等离子或加热电 源。本文使用的焊接式电源输出包括提供焊接式电源的输出。
其它实施例提供其它的电能转换，例如代替升压转换器使用降压转换器、 升降压的组合或其它转换器类型(例如升压串联式(cuk)转换器、正激式 (forward)转换器、桥转换器、谐振转换器、斩波器)，或直接脱离dc总线 112的焊接。本文使用的转换电能包括至少将ac或dc信号转换为其它的ac或 dc信号，或不同的频率，或不同的大小，并且可以包括层叠转换，在层叠转 换中，输出与输入的频率、大小或ac/dc相同，而不同之处在于中间级。
使用数字的、模拟的或该二者的结合的部件可以实现控制器106。通常， 控制器106控制转换器104 (例如开关定时)来将输入电能转换为所希望的输 出电能。控制器106可以包括一个或多个控制模块(例如CC控制模块、CV 控制模块、CSC控制模块、AC控制模块和/或等离子控制模块)以对希望的应 用提供希望的输出电能，这些模块是由用户或系统来激活的。
本文使用的AC焊接控制模块包括控制电源电路以提供ac坪接式电源的 控制模块。本文使用的CC控制模块包括控制电源电路以提供CC电源的控制 模块。本文使用的CSC控制模块包括控制电源电路以提供CSC电源的控制模 块。本文使用的CV控制模块包括控制电源电路以提供CV电源的控制模块。 本文使用的等离子控制模块包括控制电源电路以提供等离子电源的控制模块。 本文使用的控制模块可以是数字的或模拟的，并且包括执行特定控制功能的硬 件或软件。本文使用的AC焊接电源包括适合ac焊接的输出电源。
本文使用的CC电源包括适合CC焊接的电源，即以实际希望的电流或希 望的电流斜率提供的电源，并且该CC电源包括开环以及闭环控制。本文使用 的CV电源包括适合CV坪接的电源，例如希望的输出电压的电源，该电压或
是常量，或根据变化的波形而变化。
转换器104的输出与焊接输出电联系(可以直接设置，或通过例如电阻器、 电感器、滤波器等部件来设置)。本文使用的电联系指两个电路或部件直接或 通过其它电路和/或部件连接。
在操作中，控制器106优选从输出(和/或中间级)接收反馈并对转换器 104上的一个或多个控制输入提供一个或多个控制输出。本文使用的控制输出 包括用于控制电路的输出。本文使用的控制输入包括用于控制电路的输入，例 如是设置点(setpoint)、门信号、相位控制信号等。
在优选实施例中电池102是可移除的(在其它实施例中是不可移除的)。
100。本文使用的可移动的电池包括由用户容易移除的电池，例如移除可拆卸 盖和断开电池终端，而不会产生安全问题或需要过多的工作。电池优选为铅酸 电池，在其它实施例中电池是密封铅酸电池、Ni-Cd、 NiMH或锂离子电池。 在其它实施例中电池是电容器(例如马克西姆(Maxim)的超级电容器)、燃 料电池或其它能量存储装置。优选地，电池能够存储足够焊接至少一个焊条的 能量。电池或能量存储装置102可以设置在主焊接外壳的内部或外部。
在优选实施例中提供多个电池。这些电池可以被串联或并联设置，并且电 池即指一个或多个电池。电池的设置将依靠所需要的功率以及所希望的电压。 例如，boost电路所希望的输入电压可以低于buck电路所希望的输入电压。电 池电压的示例包括12伏、24伏、42伏及48伏。例如，每个电池能够以例如 24伏(串联的两个铅酸电池)的标称额定电压提供16安培小时的电能。
通常，当电池102没有被连接到工业用电或发电机组时，电池102提供能 量。来自电池102的电能也可以被增加到市电或发电机组，从而短时期提供比 市电或发电机组通常可能的输出更多的输出。
某一个实施例限定转换器104为单级buck转换器，当电池电压大于焊接 电压要求时优选该实施例，并且该焊接处理是调节用于GMAW的输出的恒定 电压(CV)。例如，使用用于GMAW (通常在15-18伏左右执行)的36伏或 24伏电池可以使用该实施例。该系统可以是电池供电的MIG电焊机，该电焊 机具有电池102、转换器104、焊丝供给器、电池充电器及气体源。 一个变化 是具有反馈的单级buck转换器，并且该变化被控制以在CC模式下工作。
现在参考图9，buck转换器使用电池102作为输入电源。优选地，以20KHz 到lOOKHz范围的开关频率来脉宽调制该开关。通过电流传感器提供电流反 馈。电感器使高频开关紋波平滑。如图IO所示，可以增加第二电感器和电容 器，其中，该电容器存储足够的能量以通过提供所需要的动态电流来促进短路 的清除。其它选择包括接收dc总线电能代替电池电能，和/或上面列出的拓朴， 例如boost-buck转换器。
现在参考图2，除了图1中描述的部件，第二实施例示出的焊接系统200 还包括电池充电器202，并且由焊接电路204代替转换器104。该系统可以被 用于一个或多个焊接处理，例如GMAW、 SMAW、 FCAW和/或GTAW。可以 包括保护气体源。可以从发动机/发电机或其它源(市电等)提供输入电源， 该发动机/发电机可以是系统200的一部分。如下面将具体描述的，可以根据 特定的充电方案来控制充电器202和电池102。焊接电路204可以与转换器104 相同，或者焊接电路204可以与由电池102产生的dc总线一样简单，焊接电 路204可以用于dc焊接输出。如电池102，充电器202是可以移除的。控制 器106可以具有上面或下面描述的各种模块，并且电池102可以是如上所述的 能量存储装置。作为或不作为焊接系统的一部分，其它选择限定严格地使用该 系统作为对终端电池充电的充电器(并非作为焊接系统的一部分)，或者对发 动机启动提供电池"升压(boost)"。
现在参考图3，除了图1和2中描述的部件，示出焊接系统300的另一实 施例还包括发动才几/发电4几302及辅助电源丰命出电路306。本文使用的发电机包 括发电机，并可以包括发动机或原动机，或可以包括车用发动机/交流发电机/ 发电机。在优选实施例中，辅助电源输出304是可以:陂用于通常由115或 230VAC电源提供电能的电动工具、灯或其它装置的输出。当执行焊接时，优 选使用ac辅助输出。在某些实施例中，在互斥的时间上提供ac辅助和焊接电 源。本文使用的AC辅助输出包括具有模拟市电的电源的输出。本文使用的 AC辅助控制模块包括控制电源电路以提供ac辅助电源的控制模块。本文使用 的AC辅助电源包括模拟市电的电源，并包括方波、正弦波、三角波及类似的 波形。
优选从转换器204获得辅助电源，特定地是从辅助转换器306获得辅助电 源。其它选择限定要被控制的焊接电源电路以提供ac辅助电源，和/或从发电 机302直接获得辅助电源，和/或当发电机302不运行时从电池102获得辅助 电源，和/或根据发电机是否运行自动地转换电源。控制器106能够监视电池 102的状态，并且当电池102被消耗到某个点时(或当焊接或AC电源达到阀 值时)自动地开启发动机，或当电池被充满电时自动地使发动机不工作，或基 于电池(或电池及输出)的需要控制发动机的速度。可以设置主要用户以控制 发动机的启动、停止或自动地使发动机不工作。
在优选实施例中(控制辅助电源电路306的控制器106的部分可以被认为 是控制器本身)，控制器106优选地控制电路306,电路306是buck转换器或 脱离dc总线112运行的变换器。输出可以是方波或合成的正弦波或其它波形。 在其它实施例中电路306从电池102直接获得电能。在各种实施例中，在与焊 接系统300公共的外壳中，发动机/发电机302是焊接系统300的一部分或与 焊接系统300分离。在其它实施例中，省略辅助电源电路306和输出304。控 制器106可以具有上面或下面描述的各种模块，并且电池102可以是如上所述 的能量存储装置。另一个实施例限定省略充电器202。在某一个实施例中，系 统300是MIG电焊机。
现在参考图4，示出焊接系统400的另 一实施例包括发动机/发电机302(其 可以是车辆的一部分)、电池102、电池充电器202、焊接电路204以及从发电 机302直接获得电能的焊接电源电路402。在优选实施例中，联合来自电路402 和转换器204的电能以产生单一的焊接输出。上面已经描述了关于先前实施例 的各种部件，并且将不在此对其进行描述。焊接电源电路402可以是脱离发电 机工作的任意公知的焊接电源电路，包括斩波器、变换器、转换器等。除了关 于其它实施例的上面和下面描述的改变，除了省略发电机302并使用市电作为 输入电源，各种其它选择还包括对充电器202或电池102 (以对电池充电)提 供发动机电能。
现在参考图5,示出与图4类似、但是包括ac辅助电路306的另一个实 施例。而且，上面已经描述了关于先前实施例的各种部件，并且将不在此对其 进行描述。焊接电源电路402可以是脱离发电机工作的、任意公知的焊接电源
电路，包括斩波器、变换器、转换器等。除了省略发电机302并使用市电作为 输入电源，联合发电机电源和电池电源以提供ac辅助电源，另外的实施例还 包括关于其它实施例的上面或下面描述的改变。
现在参考图6，示出与图5类似的另一个实施例，但是该实施例包括焊枪 602、焊丝供给器604及气体源606。而且，上面已经描述了关于先前实施例 的各种部件，并且将不在此对其进行描述。除了省略发电机302并使用市电作 为输入电源，另外的实施例还包括关于其它实施例的上面或下面描述的改变。
设置数据端口 612以下载和/或上载计费数据、明细(schedules)等。端 口 612可以在物理上远离充电器202，例如可以被连接到控制器106上的充电 控制模块610。例如通过硬件有线或无线连接，端口 612能够被连接到标准串 行连接(RS-232)或PDA。本文使用的数据端口包括提供数据到另一装置或 显示器的端口，该端口可以是有线的、无线的、RF、 IR等。本文使用的PDA 是个人数字助理，并且是能够存储数据和/或程序的手持装置。公知地，商业 上能使用的PDA包括Paln^和BlackBerry@。计费控制模块610可以包括数据 存储模块，该模块存储例如电池预期寿命、充电历史等。本文使用的数据存储 控制模块包括存储数据的控制模块。本文使用的电池的预期寿命是基于一个或 多个参数(例如充电循环的数量、安培-小时、开路电压、加载电压等)的特 定电池的寿命。
从电池102将电压、电流和热反馈提供到充电器202。本文使用的热反馈 或输入包括与电池的温度相关的数据。
如在图l-6的各种实施例和附加所描述的其它可选择的实施例中所示，一 般根据本发明的焊接系统包括上面描述的一个、多个或全部的部件。例如，某 一个实施例可以包括电池102、转换器104、控制器106、附加ac输出304， 而不包括其它部件。其它实施例限定部件的不同结合。
在操作中,充电器202对电池102充电。优选地，控制器106包括控制充 电器202的充电控制模块610 (充电模块610可以是控制器106的一部分，或 在物理及电气上与控制器106分离和不同)。本文使用的电池充电控制模块包 括控制电源电路来提供用于对电池充电的电源的控制模块。虽然仅在图6中示 出模块610，但是可以在其它实施例中包括模块610。 电池充电器202具有任意拓朴，优选包括boost预调节器(例如在USP 6,239,407中的boost预调节器)。充电器202优选包括充电方案控制模块，该 模块允许根据充电周期执行充电。本文使用的充电方案包括用于电池的充电程 序，该程序包括电流、电压、功率、时间、温度、历史等。本文使用的充电方 案控制模块包括控制充电器来提供所希望的充电方案的控制模块。
电数据例如是用于电池的、充电的总的或平均的安培-小时等(其可以用于电 流充电循环以提高充电，或经过多个循环来识别已经失败或接近失败的电池)， 放电/再充电循环的数量、电池的总的或平均的AH放电、总的或平均的焊接 时间、总的或平均的再充电时间、故障的数量(即，过温度、低的电池关闭)、 最近的循环信息(再充电时间、再充电AH、最终的电池电压)、电池温度数 据(峰值温度、平均温度)、再充电循环的结尾的平均电池电压。另外，供给 或来自电池的、供给或来自充电器的、供给或来自电焊机的电能或能量(瓦特 -秒、焦耳等)可以用于控制电池使用等。本文使用的充电数据包括与电池的 过去的充电相关的数据。
本发明提供快速的再充电以将电池恢复到再充电的充足状态，从而能够进 行进一步的焊接。由于电池的不足充电或过度充电会减少电池寿命，因此充电 器202还控制充电的数量，对电池设置该数量以对电池进行再充电。该系统监 控电池的充电状态，并基于充电的状态中断或允许电焊机的操作。当开始对电 池再充电时，还可以〗吏用该充电的状态来对充电电路发信号。基于电池电源和 /或发电机/市电的可用性，能够自动地选择电源，并且可以以该方式使用电源 以避免损害电池或不希望地循环开、关发电机。
优选地，在充电的电池状态变得太低之前终止焊接(或焊接电流从除电池 102之外的电源流出)。当电池电压下降到固定的阀值(对于24V电池例如为 18V)之下、下降到可变阀值之下(补偿负载电流)时，限定停止从电池取出 电能，当从电池取出的AH超过阀值时，监视开路电池电压，和/或使用时间 延迟或时间常数以减少麻烦地停止情况。当已经从电池移走某些电荷时，可以 以不同的阀值提供再充电信号从而再充电开始。
优选设置充电器202和电池102的大小以在希望的操作占空周期焊接延长
的时间^歐。例如，适当大小的充电器和电池能够限定IO分钟周期中的2分钟 的焊接，并然后在IO分钟周期的剩下的8分钟期间对电池再充电。占空周期 允许焊接操作过程中的焊接电能大于在任意给定时间可用的电能。例如，当电 焊机提供超过150-200安培的焊接输出时，充电器可以从115VAC的线路取得 小于15安培的电流。对该焊接输出，现有的电焊机可能从115VAC的线路取 得40-75安培峰值的电流，使得在115VAC线路上做不到更高的输出。
一个时期重复的放电和再充电循环可以造成电池102由于内部损耗而过 热。因此，希望限制电池温度升高或最高的电池温度，从而防止过度的温度对 电池的损害。优选实施例限定监视电池的温度和/或电源电路部件，例如，使 用安装在电池上的热敏电阻，并且如果电池温度或温度增加超过阀值则禁用电 焊机。另一个实施例限定经过特定的时间段跟踪放电循环的数量和/或从电池 取得的总的AH，并且当达到特定阀值时禁用电焊机，并且不允许电焊机工作 直到某些数量的空闲冷却时间出现。
充电方案优选包括阶段的数量，例如在图7中所示出的。例如在优选实施 例中阶段包括阶段A到E。图7示出用于优选充电方案的充电电压(7A)和 电流(7B)。本文使用的充电方案的阶段包括充电方案的一部分，其中，功率、 电流或电压具有预定的斜率或多个斜率。
通常，电池的再充电是属于秒或分钟量级的相对慢的处理(即使对于快速 再充电)。本发明的优选实施例限定使用一种方案，该方案提供所希望的再充 电时间并使用小于最大电流的电流。
在典型的放电周期(电池对电焊机提供电流)之后，电池的电压将处于 Vl(通常在每个单元1.5到2.0伏的范围内或对于串联的两个12V电池在18.0 和24.0VDC之间)。阶段A是初始的再充电阶段，电池电压初始处于V1并且 上升到V4。如在图7B中I1所示，在阶段A过程中，通过控制器106的充电 控制模块610控制充电器202以提供例如26-40安培的最大充电电流(在优选 实施例中)。然而，对于具有最大可接受充电电流的某些电池，模块610将电 流限制为电池能够接受的值。
其它实施例限定与电池电压相反地改变最大再充电电流，以提供实质上恒 定的功率，从而从AC线路(对充电器202的输入)取得的功率被保持为某个
最大等级，而且同时使电池的再充电时间最小。通过监视充电器并且如果部件 过热则调整功率，另一实施例限定恒定温度再充电。
通常，再充电时间是AH (安培-小时)充电多块充回电池的函数。例如， 如果充电器202的总的输出功率是750瓦，从而将线路输出(linedraw)保持 在15安培以下，然后电池上18伏的最大电流可以是750W/18.0V-41.7A。随 着电池电压的增加，最大电流减小以保持以750W或小于750W输出功率。例 如，30.0VDC的电池电压，最大电流可以是750W/30.0V-25A。
在电池电压达到V4之后，阶段B开始。在25。C ， V4通常是2.45到2.50VPC (电压每单元)，而且可以随着每度C每单元3到5mV的负温度系数变化。 因此，在进入阶段B时，可以使用温度反馈或者电压和温度反馈的结合来确 定。
在阶段B，充电器202提供实质上恒定的电压输出维持电池两端的V4电 压。可以调整该电压以补偿温度。当电池102充电时，电池102在电压V4取 得较少的电流，因此充电器202在阶段B时将具有减少的输出电流。当充电 电流减少到I2时，或在预设或确定的时间(从T0或T1)之后，或电流和时 间的结合之后，可以设置阶段B结束。本文使用的实质上恒定指恒定或接近 恒定，从而变量本质上是恒定的。
在阶段C过程中，电压增加到V5, V5大于V4。 V5优选为大概2.60VPC。 可以调整该电压以补偿温度。阶段C过程中的电流被限于相对低等级的I2, 12 依赖于特定的电池大小和类型，但是对于典型电池为0.5安培量级。阶段C通 过增加电压等级在相对短的时间段对电池提供额外的充电，并且在电流达到下 限之后和/或在特定时间段之后阶段C结束。该时间段可以是固定值或是在阶 段A和/或阶段B消耗的时间的函数。优选地，在阶段C消耗的时间大约是阶 段A和B联合消耗的总时间的1/2。如果在阶段B消耗了足够的时间来达到"充 分的"再充电-优选在阶段B为8-16小时，则可以不需要阶段C。
在阶段C之后，处理开始阶段D，阶段D是休眠期(restperiod)。不对电 池充电但是允许电池达到平衡温度和电压(V2)。在阶段D之后电池实质上被 充分的充电。在各种实施例中，休眠期的长度从O到几天或几周。在休眠期过 程中，电池将经历自我放电。在休眠期终止之后，充电器将进入阶段E。
在阶段E过程中，通过对电池维持"漂浮"电压等级V3，充电器典型地 维持电池中的电荷。在25。C该电压优选是2.27VPC左右，并且也优选被温度 补偿。充电电流可以改变，最大为充电器的最大输出。在固定时间段之后或在 再充电电流下降到阀值等级之后，阶段E可以不确定地继续或再循环回到阶 段D休眠期。
从一个阶段到下一个阶段的转变可以是基于电压、电流和时间的某些其它 组合。此外，在各种实施例中执行少于全部的阶段。
各种替代实施例提供电池充电控制模块包括与对电池所希望的最大安培-小时充电、最大充电电流或多个充电方案有关的数据(例如对于不同的电池类 型)。在某一个实施例中，电池102具有ID码，ID码是例如由控制器106可 读的条形码、RFID芯片或其它ID。对识别电池类型作出响应，控制器106使 充电器202对该电池类型纟是供所选择的充电方案。另 一个替代实施例限定控制 器106提供充电方案，该方案是经由例如计算机界面、PDA等用户界面定制 的。
控制器106能对系统提供某些特性，例如当存在较低的电池电压(相对于 标称电池电压)时关闭电池。对于从电池取得的电流等级可以调整关闭阀值， 或基于从电池取得的总的或平均的AH来关闭电池。在经过一个时间段之后的 多个放电/再充电循环，可以通过限制系统600的输出(或限制电池102的再 充电)来限制占空周期或热循环以防止电池102过热，或可以基于电池的温度 来限制放电和/或输出。
电池电焊机和/或电池使用的充电历史可以被存储在控制器106中并由数 据端口 612提供。例如服务和授权信息等信息也可以被存储并经由端口 612 来提供。该信息可以包括多个放电/再充电循环、电池的总的或平均的AH消 耗(充电或放电)、总的或平均的焊接时间、总的或平均的再充电时间、故障 的数量(即，过温度、低电池关闭)、最近的循环信息(再充电时间、再充电 AH、最终电池电压)、电池温度数据(最高温度、平均温度)、放电周期结束 时的平均电池电压以及电池应该立即被替换的指示信息。
可以在端口 612上对例如PDA、计算机界面、LED显示器等外部装置报 告数据。当替换电池时，优选将数据存储器复位。控制电路还提供例如LED 等视觉指示器以指示电池的再充电的状态。知道再充电处于何阶段和充电何时 结束是有用的。控制电路还对电池供电的电焊机提供界面信号。基于电池的状 态，该界面信号使电池电源电焊机的操作有效或无效。
现在参考图8，电池充电器202的一个实施例的框图接收例如115/230VAC 的输入，由整流器802对该输入进行整流。Boost预调节器804接收经过整流 的信号并跨越电容器806产生dc总线。优选提供功率因数校正。优选实施例 提供大概300-400VDC的dc总线电压。对高频转换器电路808提供该总线。 通过变压器810将高频转换器的输出耦合到输出整流器812和输出滤波器814 以对电池102 4€供相对平滑的DC输出。
充电控制模块610可以是基于微处理器的，并接收随同来自热敏电阻816 的温度信息一起的电压和电流反馈信号。模块610对转换器804和808提供控 制信号。转换器808优选脉宽调制变换器。在显示器818上可以对用户显示充 电信息。
显示器818可以简单的示出状态、充电方案，或允许由用户修改或选择充 电方案。计算机界面还提供例如上述用于服务和故障诊断的有用信息。其它选 择提供其它电路，例如上述电路或其它可选择的电路，并省略例如转换器804 和/或显示器818等器件。
热敏电阻816优选用于提供热量数据以帮助管理电池和/或电源电路。各 种选择实施例提供通过监视电池环境温度、电池壳温度或电池内部温度的热管 理，并且如果电池温度超过阀值则终止或减少焊接负载和/或再充电电流。如 果电池温度低于阀值则温度传感器还可以限制电焊机的操作。响应于温度感 应，可以打开和/或关闭风扇。
其它选择实施例提供监视时间的长度、输入或输出电流(或电压、功率等) 是否处于或大于阀值。其可以是关于时间的电流(电压或功率)的连续积分， 或其可以是特定等级的时间的离散测量，并且作为对其的响应来控制风扇或输 出。
另一优选实施例限定上述焊接式电源被用于车辆(能够运输的任何东西) 或车辆的一部分。该车辆可主要用于运输，或用于例如升降系统等其它使用。 当提供用于运输的车辆时，可以对该车辆提供空腔以存储焊接式电源。该
空腔优选包括通风或冷却以避免过热，并且该焊接式电源优选是从该车辆可拆 卸的。
如图11所示，当使用升降系统时，焊接式电源1100优选包括输入电路
1102、 boost电路1104 (例如USP 6239470中的)、降压电路1106 (例如图9 中的)、输出电路1108以及控制器1110。该输入和输出电路可以包括与焊接 式电源公共的滤波器、电容器等，或仅是被直接连接，转换器可以是上述的转 换器。优选地，boost电路提供具有70伏电压的总线，由buck转换器将该电 压降为焊接电压。控制器优选包括CC控制模型，该模型具有用户输入来选择 希望的焊接电流，从而提供CC焊接电源。
示出作为车辆1120的一部分的焊接式电源1100。车辆1120包括具有至 少一个电池(或在某些系统中为电池阵列)和充电系统的电源系统1122。 DC 电源系统1120对输入电路1102提供输入电源。
控制器1110可以包括上述关于控制器的功能，并优选包括电池保护模块。 本文使用的电池保护模块是这样的模块该模块监视电池并且当电池中剩余的 电池电压或功率减少到最低等级以下、或车辆操作(例如升降、发动机启动、 照明等)需要的等级以下时停止进一步的焊接。
控制器1110优选还包括电池电压检测模块，在启动时该模块起作用以确 定电池的标称电压。升降系统中的标称电压通常是24或48伏。也可以适应其 它输入电压。因此，当设置表示不应该从电池取得更多的电能的岡值电压时， 知道标称电压是有用的。该模块可以包括供给微处理器的a/d转换器，或其它 电压检测技术。控制器1110还包括用户界面，该界面允许用户设置焊接参数， 例如焊接电流和/或电压。
因此，当车辆系统的电池被完全耗尽时控制器1110延緩焊接式操作以保 证在低电池条件过程中维持车辆的灵活性和可操作性。并且，控制器1110可 以向操作员传达车辆电源以及焊接参数以允许操作员充分监视车辆的瞬间电 源性能，从而对焊接式系统提供电能。
焊接式电源1100优选安装在具有用户的升降机上。气体源可以被包括(与 焊接式电源1100 —起设置或与该电源分离)。由于焊接式电源1100不包括电 池，因此该电源不是非常笨重。然而，某一个实施例限定焊接式电源1100处
于升降机的底部(如果气体源被设置则连同气体源一起)。这样降低了升降机 的升降负载。优选地，该用户界面被设置在升降机上，从而用户不需要从升降 机上离开以调整参数。该用户界面可以被牢固地有线连接到控制器1110的架 子上或被无线的连接。如果焊接式电源1100位于底部，则可以设置第二对输
出电极为 一个输出电极用于升降， 一个输出电极用于地面工作。
可以对本发明进行多个修改，该修改仍然落入本发明的范围。从而，应该 清楚，根据本发明已经提供一种用于使用电池焊接的方法和设备，其充分满足 上述目的和优点。虽然结合本发明的特定实施例已经说明了本发明，但是明显 的，对于本领域技术人员，许多替换、修改和改变是明显的。因此，欲包括落 入后附权利要求的宗义和宽范围的全部的该种替换、修改和改变。
权利要求
1.一种焊接式电源，包括:电池；转换器，其具有与电池电联系的输入，具有控制输入，并且具有焊接式电源输出；以及控制器，其具有与所述控制输入电联系的控制输出，并且具有与该控制输出电联系的CV控制模块、CSC控制模块及AC焊接控制模块中的至少一个模块。
2. 根据权利要求1所迷的焊接式电源，其中，控制器具有与控制输出电 联系的CV控制模块和AC焊接控制模块。
3. 根据权利要求2所述的焊接式电源，其中，控制器具有与控制输出电 联系的CC控制模块。
4. 根据权利要求1所迷的焊接式电源，其中，控制器具有与控制输出电 联系的等离子控制模块。
5. 根据权利要求1所述的焊接式电源，其中，转换器具有AC辅助输出， 控制器具有与控制输出电联系的AC辅助控制模块。
6. 根据权利要求5所述的焊接式电源，其中，转换器是升压转换器。
7. 根据权利要求l所述的焊接式电源，其中，转换器是降压转换器。
8. 根据权利要求1所述的焊接式电源，其中，电池是可移除的。
9. 根据权利要求l所述的焊接式电源，其中，电池是铅酸电池。
10. 根据权利要求9所述的焊接式电源，其中，电池包括处于串联和并联 方式中至少一种的多个电池。
11. 根据权利要求1所述的焊接式电源，进一步包括焊枪，其与焊接式电 源及气体源电联系，该气体源被设置为对焊枪提供气体。
12. 根据权利要求1所述的焊接式电源，进一步包括发电机，其具有与电 池电联系的发电机输出。
13. 根据权利要求1所述的焊接式电源，进一步包括第二转换器，该第二 转换器具有与电池电联系的第二输入，具有第二控制输入，并且具有AC辅助 输出，其中，控制器具有AC辅助控制模块，该AC辅助控制模块具有与第二 控制输入电联系的第二控制输出。
14. 一种焊接式电源，包括 电池；转换器，其具有与电池电联系的输入，具有控制输入，并且具有焊接式电 源输出和AC辅助输出；以及控制器，其具有与所述控制输入电联系的控制输出，以及与控制输出电联 系的AC辅助控制模块。
15. 根据权利要求14所述的焊接式电源，其中，控制器具有与控制输出 电联系的CV焊接控制模块、CSC焊接控制模块及AC焊接控制模块中的至少 一个模块。
16. 根据权利要求15所述的焊接式电源，其中，转换器具有AC辅助输 出，控制器具有与控制输出电联系的AC辅助控制模块。
17. —种提供焊接式电源的方法，包括 接收电池电源；将电池电源转换为焊，接式电源；以及 将电池电源转换为AC辅助电源。
18. 根据权利要求17所述的提供焊接式电源的方法，其中，控制器具有 与控制输出电联系的CV焊接控制模块、CSC焊接控制模块及AC焊接控制模 块中的至少一个模块。
19. 根据权利要求18所述的提供焊接式电源的方法，进一步包括移除和 重新插入电池，其中，电池是可移除的。
20. —种焊接式电源，包括 用于将电池电源转换为焊接式电源的装置；以及用于控制所述转换使得焊接式电源是CV电源、CSC电源及AC焊接电源 中的至少一个的装置，其与所述用于转换的装置电联系。
21. 根据权利要求20所述的焊接式电源，进一步包括与用于转换的装置 电Jf关系的可移除的电池。
22. —种焊接式电源，包括 能量存储装置，其能够存储足够焊接至少一个焊条的能量；转换器，其具有与能量存储装置电联系的输入，具有控制输入，并且具有焊接式电源输出；以及控制器，其具有与该控制输入电联系的控制输出，并且具有与该控制输出电联系的CV控制模块、CSC控制模块及AC焊接控制模块中的至少一个模块。
23. —种焊接式电源，包括 电池；电池充电器，与电池电联系；焊接转换器，其具有与电池电联系的输入，具有控制输入，并且具有焊接 式电源1#出；以及控制器，其具有与控制输入电联系的控制输出，并且具有焊接电源控制摸块。
24. 根据权利要求23所述的焊接式电源，进一步包括预调节器，该预调 节器包括第一转换器和总线，其中，第一转换器与电池电联系并且与dc总线 电联系，并且其中将所述总线连接作为对焊接转换器的输入。
25. 根据权利要求24所述的焊接式电源，其中，第一转换器具有ac辅助 输出和第一控制输入，控制器具有与第一控制输入电联系的ac辅助控制模块。
26. 根据权利要求24所述的焊接式电源，进一步包括具有ac辅助输出和 第二控制输入的第二转换器，控制器具有与第二控制输入电联系的ac辅助控制模块。
27. 根据权利要求23所述的焊接式电源，其中，电池充电器包括充电器 控制输入，控制器包括与充电器控制输入电联系的充电器控制输出，并且控制 器还包括充电方案控制模块。
28. 根据权利要求27所述的焊接式电源，其中，电池充电器是可移除的。
29. 根据权利要求27所述的焊接式电源，其中，电池充电控制模块包括 存储充电数据的数据存储控制模块。
30. 根据权利要求29所述的焊接式电源，其中，电池充电控制模块包括 与数据存储控制模块电联系的数据端口 。
31. 根据权利要求30所述的焊接式电源，其中，电池充电控制模块包括 有关于电池的预期寿命、热数据以及用于电池的最大希望安培-小时充电中的 至少一个的数据。
32. 根据权利要求27所迷的焊接式电源，其中，充电方案控制模块包括 电池充电方案，该电池充电方案包括至少3个阶IS:。
33. 根据权利要求32所述的焊接式电源，其中，电池充电方案包括恒定 功率阶段。
34. 根据权利要求27所述的焊接式电源，其中，电池充电控制模块包括 多个充电方案。
35. 根据权利要求23所述的焊接式电源，进一步包括发电机，该发电机 具有与电池和充电器中的至少一个电联系的发电机输出。
36. 根据权利要求35所述的焊接式电源，进一步包括第二转换器，该第 二转换器具有与电池电联系的输入，具有第二控制输入，具有ac辅助输出， 其中，控制器具有ac辅助控制模块，该ac辅助控制模块具有与第二控制输入 电联系的第二控制输出。
37. 根据权利要求35所述的焊接式电源，其中，焊接转换器进一步具有 ac辅助输出，控制器进一步具有与控制输出电联系的ac辅助控制模块。
38. 根据权利要求23所述的焊接式电源，进一步包括与发电机电联系的 焊接电源电路，该焊接电源电路具有第二焊接式电源输出，其中，将焊接式电 源输出和第二焊接式电源输出相结合。
39. 根据权利要求38所述的焊接式电源，其中，焊接电源电路包括具有 第二控制输入的第二转换器，控制器具有与第二控制输入电联系的第二控制输出。
40. —种焊接式电源，包括输入电路，其被设置与能够存储足够焊接至少一个焊条的能量的电池连接；第一转换器，其具有连接到输入电路的输入，具有控制输入，并且具有 dc总线输出；第二转换器，其被连接到dc总线并具有焊接式电源输出及第二控制输入；以及 控制器，其具有与控制输入电联系的升压控制输出，并具有与第二控制输 入连接的电流控制输出。
41. 根据权利要求40所述的焊接式电源，其中，第一转换器是升压转换 器，第二转换器是降压转换器，并且其中，控制器进一步包括电池保护模块， 该电池保护模块具有与电池电压相关的信号作为输入，并将输出提供给控制输 入。
42. 根据权利要求41所述的焊接式电源，其中，控制器包括在启动时起 作用的电池电压检测模块，并且其中，电池保护模块接收来自电池电压检测模 块的信号。
43. 根据权利要求40所述的焊接式电源，进一步包括电池保护模块，电 池保护模块接收与电池提供的安培-小时、电池电压、焊接式电源提供的安培-小时及热数据相关的数据中的至少 一个作为输入。
44. 一种车辆和焊接电源，包括车辆DC电源系统，其包括能够存储足够焊接至少一个焊条的能量的能量 存储装置；升压转换器，其具有与DC电源系统连接的输入，具有控制输入，并且具 有dc总线输出；降压转换器，其与DC总线连接并具有焊接式电源输出和降压控制输入；以及控制器，其具有与控制输入电联系的升压控制输出，并具有与降压控制输 入连接的电流控制输出。
45. 根据权利要求44所述的车辆和焊接式电源，其中，车辆是升降系统。
46. 根据权利要求45所述的焊接式电源，其中，控制器进一步包括 电池电压检测模块，其在启动时起作用并具有初始电池电压输出； 电池保护模块，其具有有关于电池电压和初始电池电压输出的信号作为输入，并向升压转换器提供输出。
全文摘要
一种方法和设备提供焊接式电源，该方法和设备优选包括可拆卸的电池或其它能量存储装置、连接到电池的转换器以及控制器。控制器可以具有CV和/或CSC和/或AC焊接控制模块，和/或ac辅助控制模块。转换器是升压转换器、降压转换器、升压串联式转换器、正激式转换器、逆变器、桥转换器和/或谐振转换器。控制器可以包括电池充电控制模块，并且可以具有一个或多个充电方案，和/或存储的电荷数据、热量信息、电池预期寿命数据、电池的最大安培-小时充电、最大充电电流和或反馈的数据。电池充电方案可以包括至少三个阶段，例如增加电压的阶段和减少电流的阶段、实质恒定功率阶段。控制器可以无线地将数据提供到显示器或PDA。发电机可以将电能提供到电池、充电器和/或电焊机。可以包括车辆并使用车辆的dc电源系统。
文档编号B23K9/10GK101374627SQ200780003402
公开日2009年2月25日 申请日期2007年1月4日 优先权日2006年2月9日
发明者伯纳德·J.·沃格尔, 理查德·W.·比森 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司