检测作用在系统上的机械应力的制作方法

检测作用在系统上的机械应力
1.本发明涉及一种用于控制电池的方法，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测至少一个机械参数或电参数的至少一个传感器、安全装置、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
2.除此之外，本发明还涉及一种电池，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测机械参数或电参数的至少一个传感器、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
3.此外，本发明还涉及一种包括电池和由该电池提供动力的动力工具的系统。
4.更具体地，本发明涉及一种用于向动力工具供应电能的电池。动力工具可以是手持动力工具，并且例如是无绳螺丝刀、圆锯、曲线锯(jigsaw)、往复锯、无绳钻等形状。
5.在建筑工地上，当操作包括由电池供电的动力工具的系统时，系统无意中从某个高度掉落到地面上并不罕见。此外，有意将系统投掷一定距离而也导致掉落到地面上并不少见。
6.现代动力工具和电池非常坚固，并且可以承受相对大量的滥用、粗暴的操纵以及几乎任何种类的机械或电应力和应变。即使以相对高的距离掉落并下落到硬的且非弹性的地面也不会损害动力工具和/或电池。除此之外，动力工具在发生故障前通常能够承受大范围且相对高的振动量。而且，对于现代动力工具而言，动力工具掉落引起的冲击之外的其他冲击通常不是更大的问题。已观察到，动力工具甚至电池组都被误用为锤子将钉子钉到物体中。尽管将现代动力工具和/或电池组用作锤子可能被认为是相对高程度的滥用，但大多数现代动力工具和电池组能够适度地承受被用作锤子。
7.然而，包括动力工具和电池的系统仍有可能在经受机械应力和/或应变后受到损坏。电池甚至可能在经受电应力和/或应变后受到损坏。在动力工具和/或电池损坏的情况下，继续操作该系统可能对使用者造成潜在危险。在这种背景下，系统的使用者难以判断滥用、特别是掉落是否损害了系统。
8.除此之外，即使系统、特别是电池没有发生显著机械应力或明显滥用，动力工具和/或电池内仍可能发生电气故障或失效。对电芯过度充电、将电芯深度放电、将电芯暴露于极端温度(即，太热或太冷)可能不知不觉地导致损坏电芯和电池整体。
9.因此，本发明的目的是提供一种用于控制电池的方法，以便提高使用者的安全性，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测至少一个机械参数或电参数的至少一个传感器、安全装置、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
10.而且，本发明的目的是提供一种电池，以便提高使用者的安全性，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测机械参数或电参数的至少一个传感器、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
11.同样，本发明的目的是还提供一种包括电池和由该电池提供动力的动力工具的系
统，以便提高使用者的安全性。
12.关于用于控制电池的方法的前述目的由独立权利要求1的主题实现，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测至少一个机械参数或电参数的至少一个传感器、安全装置、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
13.关于电池的前述目的由独立权利要求4的主题实现，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测机械参数或电参数的至少一个传感器、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
14.关于包括电池和由该电池提供动力的动力工具的系统的前述目的由独立权利要求10的主题实现。
15.本发明的关于该方法的有利配置描述在从属权利要求2和3以及从属权利要求5至9中。
16.根据本发明，提供了一种用于控制电池的方法，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测至少一个机械参数或电参数的至少一个传感器、安全装置、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
17.该方法包括以下步骤：通过该传感器检测至少一个参数；以及如果所检测的参数达到预定阈值，那么通过安全装置消除从该至少一个储能电芯提供电能。
18.应理解，“达到”预定阈值是指所检测的参数的值减小或增大，以便达到(或者至少匹配)预定阈值。
19.在本发明的优选实施例中，消除从该至少一个储能电芯提供电能是通过使用电路中断装置中断该电气布线以便停止电能在该至少一个储能电芯与该外部装置之间的传送来完成的。
20.在本发明的另一优选实施例中，消除从该至少一个储能电芯提供电能是通过放电装置使该至少一个储能电芯放电以便停止电能在该至少一个储能电芯与该外部装置之间的传送来完成的。
21.根据本发明，提供了一种电池，该电池包括至少一个储能电芯、控制装置、用于检测机械参数或电参数的至少一个传感器、用于将该电池连接到外部装置的接口、以及用于在该至少一个电池电芯与该外部装置之间传输电能的电气布线。
22.此外，该电池包括安全装置，该安全装置用于如果该至少一个传感器检测的参数达到预定阈值，那么消除从至少一个储能电芯提供电能。
23.在本发明的优选实施例中，该安全装置是电路中断装置的形式，该电路中断装置用于中断该电气布线，以便停止电能在该至少一个储能电芯与该外部装置之间的传送。
24.在进一步的优选实施例中，该电路中断装置是至少一个硬熔断器的形式。
25.在本发明的又一优选实施例中，该安全装置是放电装置的形式，该放电装置用于如果该至少一个传感器检测的参数达到预定阈值，那么使该至少一个电池电芯放电。
26.此外，在另一优选实施例中，该放电装置是至少一个电阻器、led或电容器的形式。
27.根据另一优选实施例，该电池包括收发器，该收发器用于发送关于这些所检测的参数的信号、并且用于接收将用于中断该电气布线的该电路中断装置激活以便停止电能在
该至少一个电池电芯与该外部装置之间传送的信号。
28.根据本发明，还存在一种系统，该系统包括根据权利要求4至9中至少一项所述的电池和可连接到该电池的外部装置。
29.该外部装置可以是动力工具、充电器、放电器等形式。
30.下面将结合下文列出的附图描述进一步的优点和优选实施例。在以下描述中使用的表述“左”、“右”、“在
……
下方”和“在
……
上方”是指排列整齐的附图，以使得所使用的附图标记和符号可以正常阅读。
31.在附图中：
32.图1示出了具有手持动力工具和电池的本发明的系统的侧视图；
33.图2示出了根据第一实施例的本发明的电池的示意性电路图；
34.图3示出了根据第二实施例的本发明的电池的示意性电路图；
35.图4示出了根据第三实施例的本发明的电池的示意性电路图；
36.图5示出了根据第四实施例的本发明的电池的示意性电路图；
37.图6示出了根据第五实施例的本发明的电池的示意性电路图；以及
38.图7示出了根据第六实施例的本发明的电池的示意性电路图。
39.示例：
40.图1示出了系统1，该系统包括手持动力工具2以及电池3。电池3可移除地附接到动力工具2，以便向动力工具2供应电能。在所示出的示例内，动力工具2是无绳螺丝刀的形式。然而，动力工具可以是无绳锯、研磨机、钻等形式。
41.被实施为无绳螺丝刀的手持动力工具2基本上包括壳体4、电动马达、齿轮箱、工具固持装置5和手柄6。手柄6包括上端6a和下端6b，其中电池3可移除地附接到手柄6的下端6b。
42.电动马达的驱动轴经由齿轮箱连接到工具固持装置5，以便最终将电动马达产生的扭矩传递到由工具固持装置5固持的工具(例如，钻头)。图中未展示出电动马达、驱动轴以及齿轮箱。
43.电池3包括壳体7，用于储存和释放电能的若干储能电芯8定位在该壳体中。除此之外，电池还包括安全装置。如稍后更详细解释的，安全装置可以是用于中断电池的电路的电路中断装置的形式，或者是用于使电池电芯放电的放电装置的形式。安全装置还可以组合电路中断装置和放电装置，即，两种功能都在一个安全装置内。
44.储能电芯8也可以被称为电池电芯或电芯。除此之外，电池3还包括用于控制和调节电池3内的所有过程的控制装置9。除此之外，控制装置9控制并调节关于与外部装置2进行的通信和电能传送的所有过程。外部装置2可以是动力工具、充电器、放电器等。控制装置9也可以被称为中央处理单元(cpu)、电池管理系统、电池管理装置、中央处理器或主处理器。而且，控制装置9包括存储器(即，存储元件)和用于测量并记录时间、时间段和时间间隔的时钟(或秒表)。而且，电池3包括用于将电池3连接到外部装置2的接口。如图1中看到的，外部装置2是手持动力工具的形式。如图5所示，外部装置2也可以是用于使电池电芯8放电的放电装置。替代性地，外部装置2可以是用于对电池电芯8充电的充电器。充电装置和放电装置可以组合在仅一个装置中。
45.除此之外，电池3包括用于检测各种参数的传感器10。传感器10定位在电池3的外
壳7内。传感器10被配置成检测机械参数或电参数。传感器10还可以被配置成检测机械参数和电参数。根据电池3的替代性实施例，电池3包括被配置成检测机械参数的第一传感器和被配置成检测电参数的第二传感器。机械参数可以是加速度、振动、温度、压力或冲击。
46.根据电池3的第一示例，被配置成检测机械参数的传感器10是加速度计的形式。根据电池3的另一示例，被配置成检测机械参数的传感器10是压电传感器的形式。
47.图1展示了具有处于电池3的壳体7内的加速度计10的电池3。
48.加速度传感器10或加速度计用于记录并测量影响电池3的加速度(即，加速度值)。本发明的系统内使用的加速度计10形成为记录并测量g力(即，重力：1g等于9.81m/s2)、特别是重力和地面反作用力。加速度计10被配置成记录并测量在系统1的x方向、y方向和z方向上的加速度值。x方向、y方向和z方向也可以被理解为x轴、y轴和z轴。而且，加速度传感器能够检测、测量并记录系统1发生的振动。
49.电参数可以是电流、电压、容量、荷电状态或健康状态。特别地，被配置成检测电参数的传感器10能够检测电池电芯8的过电压、过电流或深度放电。传感器10还可以被配置成检测电池电芯8的温度、荷电状态或健康状态。
50.被配置成检测电参数的传感器10可以是储能电芯的电压测量装置的形式。电压测量装置10也定位在电池3的壳体7内。电压测量装置10也可以被称为电压计。根据本发明的替代性实施例，电压测量装置或附加电压测量装置可以定位在动力工具2的壳体4内。电压测量装置10被配置成以规则或不规则的时间间隔测量储能电芯8的电压。
51.除此之外，电压测量装置10连接到控制装置9，以便传送并接收信号和数据。
52.如上所提及的，传感器10连接到控制装置9，以便传送并接收信号和数据。控制装置9包括用于存储预定数据和阈值的存储器。存储器还能够接收并存储由传感器10检测的数据、值和参数。通过将数据(即，所检测的参数)从传感器10传送到控制装置9，控制装置9能够将所检测的参数与预定阈值进行比较。
53.此外，系统1还包括用于使储能电芯放电的装置11，该装置用于将电荷从每个储能电芯8放电或排出。用于使储能电芯放电的装置11也可以被称为放电装置，并且可以是一个或多个电阻器或者一个或多个电容器的形式。根据本发明的优选实施例，用于使储能电芯放电的装置11位于电池3的壳体7内。在本发明的替代性实施例中，单个或附加的用于使储能电芯11放电的装置也可以位于外部装置2的壳体4内。
54.除此之外，用于使储能电芯放电的装置11连接到控制装置9，以便传送并接收信号和数据。
55.此外，电池3包括硬熔断器的形式的电路中断装置12。电路中断装置12定位在电气布线13内，该电气布线用于在电池电芯11与外部装置2之间传输电能。电路中断装置12连接到控制装置9，以接收何时中断电气布线13并因而停止电能从电池电芯8发送到外部装置2的信号。电气布线13也可以被称为电路、布线、线路等。
56.除此之外，电池3包括用于发出关于所检测的参数的信号的收发器14。为此，收发器14连接到传感器10，以便在收发器14与传感器10之间接收和传输数据。通过收发器14，电池3能够与外部存储器、数据库和/或云进行通信。与外部存储器和数据库的通信可以通过云计算来实现。通过收发器14，电池3可以是物联网(iot)的一部分，该物联网使用比如蓝牙网状网络连接、光保真、近场通信、射频识别、wi
‑
fi、zigbee、z
‑
wave、lte
‑
advanced、低功率
广域网络连接、甚小孔径终端、以太网或电力线通信等传输技术。
57.通过收发器14，可以经由iot将数据从电池3发送到云，并且电池3也可以从云接收数据。从云接收的数据可以用于允许控制装置9启动电池3内的相应活动。相应活动可以是中断电气布线13以停止将电能从电芯8传输到外部装置2。然而，收发器14也可以用于将关于电池3的状态的数据发送到云。如果出于某种原因，电路中断装置12被激活以中断电池3内的电气布线13，那么电池3的电路13中断的状态被发送到云。基于云中的关于电池3不再工作的信息，可以向使用者发送新电池，以便替换损坏的电池。
58.此外，电池3包括多色led灯的形式的信号发射器。led灯能够发射三种颜色，即红色、黄色或绿色。颜色代码表示系统的临界状况(＝红色)、系统的警告(＝黄色)或系统的非临界状况。信号发射器未示出在图中。
59.根据本发明的替代性实施例，电池3还包括应变仪。系统可以包括不止一个应变仪。至少一个应变仪定位在电池3的壳体7内。应变仪用于测量并记录电池3上的应变。而且，应变仪连接到控制装置，以便传送并接收信号和数据。
60.所有传感器10频繁地在所检测的值方面测量并记录电池3的状况。根据所检测的值，可以解释导致所检测的值的事件，并因此将这些事件对电池3的影响分类。因此，电池3能够通过仅一种影响或几种影响的组合来识别电池3的应力、滥用、失效或任何其他形式的不当操纵。
61.据此，如果加速度传感器10在某范围内检测到某些加速度值持续某时间段，那么电池3能够识别电池3经历振动。如果加速度传感器10检测到的加速度值超过预定阈值持续预定时间段，那么控制装置9激活电路中断装置12，以便中断电路13。
62.在电池3或与电池3连接的动力工具2从某个高度掉落到地面的情况下，加速度计10将在x方向、y方向和z方向上测量到约为零的值，因为系统1将处于自由下落。由于测量不确定性或测量误差，加速度计10的测得值将在
‑
0.1g到+0.1g的范围内。此范围内的任何读数都将系统1(即，动力工具2和电池3)或仅电池3识别为自由下落。
63.当系统1或电池3最终到达地面时，即，撞击在地面上的瞬间，加速度计10测量x方向、y方向或z方向中的至少一个上的相对高的加速度值。加速度值可以高达350g。单位g代表重力，即1g等于9.81m/s2。在撞击瞬间，加速度计10的读数在x方向、y方向和z方向中的任一个上可以高达5000g。加速度计10的第一预定阈值位于200g与5000g之间，并且确定系统或电池3对地面(即，地板)的撞击。加速度计3的第一预定阈值被保存(即，存储)在控制装置9的存储器中。
64.除此之外，加速度计10的第二预定阈值确定撞击对于系统1或电池3而言是否是临界的。加速度计10的第二预定阈值高于350g。
65.控制装置9内的时钟记录从系统1或电池3开始自由下落(即，加速度计10几乎为零的测量值)到撞击瞬间的时间。通过测量系统1行进(即，下落或掉落)到地面的时间，可以通过下式计算距离(即，掉落高度)：
66.距离＝0.5
×
(加速度值)
×
(时间2)。
67.如果距离(即，掉落高度)大于2m(即，米)，那么掉落在硬的、非弹性的地面上大体上可以被认为对于系统1或电池3而言是临界的。距离(即，掉落高度)的第一预定阈值为1m。距离(即，掉落高度)的第二预定阈值为1.5m，并且距离(即，掉落高度)的第三预定阈值为
2m。第一预定阈值、第二预定阈值和第三预定阈值可以取决于系统1和电池3的实际重量、尺寸和复杂性而不同。换句话说：系统1或电池3越重，阈值越低。
68.如果加速度传感器10检测到的距离(即，系统或电池的掉落高度)超过预定阈值，那么控制装置9将掉落解释为潜在有害的，并且可能已对系统1或电池3造成损坏。因此，控制装置9激活电路中断装置12，以便中断电路13。
69.压电传感器10能够检测系统1或电池3发生的冲击。由于其能力，压电传感器10因此能够检测系统1或电池3发生的冲击，即使系统1或电池3不移动(即，静止)也是如此。取决于冲击的量值，系统1或电池3可能会损坏。如果由压电传感器10得到的冲击测量值超过阈值，那么控制装置9将冲击解释为潜在有害的，并且可能已对系统1或电池3造成损坏。因此，控制装置9激活电路中断装置12，以便中断电路13。
70.如已经提及的，被配置成检测电参数的传感器10可以是用于测量每个电池电芯8的电压的电压测量装置的形式。电压测量装置10连接到控制装置9，并且电压的测量值被传送到控制装置9。电压测量装置10测量第一电压值和第二电压值。如果第一电压值与第二电压值之间的差值大于预定阈值，那么可以假设电池3没有正常工作并且可能被损坏。所检测的第一电压值与所检测的第二电压值之间的差可能是约0.1伏，并且应在60秒内出现。差值的预定阈值是0.1伏，并且时间的预定阈值是60秒。换句话说：如果在60秒的最大持续时间内出现至少0.1伏的电压差，那么电池3(即，电池电芯8)可能出现临界情形。
71.在这种背景下，如果第一电压值与第二电压值之间的差值大于阈值预定值，那么控制装置9将该情形解释为对系统1或电池3潜在有害。因此，控制装置9激活电路中断装置12，以便中断电路13。
72.图2示出了本发明的电池3的第一实施例。根据第一实施例，电池3包括多个电芯8、传感器10、控制装置9以及电路中断装置12。电路中断装置12是硬熔断器的形式。同样如图2所示，电池3连接到外部装置2。如果传感器10检测的参数超过预定阈值，那么控制装置9激活电路中断装置12，以便中断电路13。
73.图3示出了本发明的电池3的第二实施例。根据第二实施例，电池3包括多个电芯8、传感器10、控制装置9、收发器14以及电路中断装置12。再次，电路中断装置12是硬熔断器的形式。同样如图3所示，电池3连接到外部装置2。传感器10将关于所检测的参数的信号发送到收发器14。收发器14用存储在外部计算系统和数据库内的预定阈值评估所检测的参数。评估的结果被发送到收发器14。如果评估确定所检测的参数实际上超过预定阈值(存储在云中)，那么连接到收发器14的锁定接收器(lock down receiver)激活电路中断装置12，以便中断电路13。
74.图4示出了本发明的电池3的第三实施例。根据第三实施例，电池3包括多个电芯8、传感器10、控制装置9、放电装置11以及电路中断装置12。再次，电路中断装置12是硬熔断器的形式。同样如图4所示，电池3连接到外部装置2。
75.放电装置11是若干led(即，发光二极管)的形式并且定位在电池3的壳体7内。led消耗电池电芯8的电能，并因而将电池电芯8排空(即，放电)。如果传感器10检测的参数超过预定阈值，那么控制装置9激活电路中断装置12，以便中断电路13。而且，控制装置9激活附加开关15以激活放电装置11。通过熔断器12和放电装置11，不再有电能从电池电芯8传输到外部装置1，并且电芯8被放电。
76.图5示出了本发明的电池3的第四实施例。根据第四实施例，电池3包括多个电芯8、传感器10和控制装置9。传感器10定位在控制装置9内。同样如图5所示，电池3可移除地连接到外部装置2。外部装置2是放电装置的形式。放电装置2包括处理器单元。如果传感器10检测的参数超过预定阈值，那么控制装置9向使用者警告电池3的失效。该警告是由信息发射装置进行的。使用者被信息发射装置告知将电池连接到放电装置，以便将电池电芯8排空，即，使电池电芯8完全放电。放电装置2可以是充电器(即，充电装置)的一部分。
77.图6示出了本发明的电池3的第五实施例。根据第五实施例，电池3包括多个电芯8、传感器10、控制装置9、放电装置11以及电路中断装置12。再次，电路中断装置12是硬熔断器的形式。同样如图4所示，电池3连接到外部装置2。
78.放电装置11是电阻器的形式并且定位在电池3的壳体7内。如果传感器10检测的参数超过预定阈值，那么控制装置9激活电路中断装置12，以便中断电路13。而且，控制装置9激活附加开关15以激活放电装置11。通过熔断器12和放电装置11，不再有电能从电池电芯8传输到外部装置2，并且电芯8被放电。
79.图7示出了本发明的电池3的第六实施例。根据第六实施例，电池3包括多个电芯8、传感器10、控制装置9、多个放电装置11以及电路中断装置12。再次，电路中断装置12是硬熔断器的形式。同样如图7所示，电池3连接到外部装置2。
80.如图7中看到的，控制装置9和放电装置11是仅一个组合式装置。同样如图7所示，每个电池电芯8分开连接到放电装置11。每个放电装置11是电阻器的形式。电路13将电芯8与其电阻器11连接。开关15与每个电路一起定位。开关15可由控制装置9操作。传感器10被配置成单独检测来自每个电池电芯8的参数。在一个电池电芯8失效的情况下，控制装置9使失效的电池电芯8的特定开关15闭合。当开关15闭合时，电芯电路闭合，从而单独电阻器11使特定电池电芯8放电。如果传感器10检测的参数超过预定阈值，那么可以由传感器10识别电池电芯8的失效。硬熔断器12可以通过选择来激活。