用于无绳电动工具的电池组的制作方法

专利名称：用于无绳电动工具的电池组的制作方法
技术领域：
用于无绳电动工具的电池组技术领域示例性实施例总体上涉及配置成用于向无绳电动工具和/或包括工具和 充电器的电动工具系统供电的电池组。
背景技术：
在过去几年中，锂离子(Li离子)电池开始在低压、便携式电子装置例 如笔记本型个人计算机中替代镍-镉(NiCd)、镍-金属-氢化物(NiMH)和铅-酸电池。与NiCd和NiMH电池相比，Li离子电池较轻而每单位容积具有较大 的容量。因此，Li离子电池典型地适用于优选轻的且需要确保长时间地持续 使用的低压装置。但是，在过放电状态下，Li离子电池迅速恶化，从而Li 离子电池需要过放电保护。用于Li离子电池组的常规保护主要被设计成用于总体上其需要2到4 伏级别的电压的低压便携式电子装置例如笔记本型个人计算机、蜂窝电话等。 这种装置以使用由提供约4. 2伏/电池的最大输出电压的电池(例如Li离子、 NiCd、 NiMH电池)组成的电池组为特征。对于Li离子电池组电池，由于锂 是高活性物质，所以必须注意防止来自电气和机械应力的损坏。但是，典型地，无绳电动工具需要高得多的电压(如18V或更高)。然而， 18V以上的工具系统，使用常规的Ni(〕d或NiMH电池组的无绳电动工具的全 部重量开始变得受到限制。换句话说，对于NiCd和NiMH无绳电源，较高的 电能意味着基本上较重的电池组。无绳工具的全部重量的相应增加使得工具 更难制造和/或长期使用。例如，与12伏NiCd电池组(1. 5 lbs )的重量相 比，24伏NiCd电池组(约3. 3 lbs )在重量上的增加超过一倍。因此，为了提供比常规的NiCd和NiMH电池组更高的电压输出(以及比 用于PC和便携电话的常规Li离子电池组基本上更高的电能)，重量却减轻(与 在常规的无绳电动工具中作为电源使用的常规NiCd或NiMH电池组相比)，正 在研究基于Li离子或其它锂基化学性质的电池组用于无绳电动工具。这些电 池组的特征在于与常规的NiCd、 NiMH和/或甚至更低电能的Li离子电池组相 比，这些电池组可以显示出基本上较低的阻抗特性。引入较低的阻抗特性和结构类型以发展产生基本上较高的输出电压(例如，至少18V及其以上)的次级电池，可能产生几个额外的保护问题。具有较低阻抗的电池组还意味着该组能够向连接的电子元件例如电动工具供给基 本上较高的电流。随着通过连接的电动工具的电机的电流增加，消磁力(如 电机的电枢匝数乘以电流、安匝数)可能基本上增加到超过电机中的预期或 设计的限制。从而这种不良的消磁可能损坏电机。例如，当工具保持在制动状态时，较低的阻抗电源能够造成对工具的电 机的损坏。在电机制动期间，由于没有由电机产生的反电动势，所以只有电 机和电池阻抗是限制电流的机构。对于阻抗较低的电池组，电流会更高。通 过电机的较高的电流将增加工具的电机里的永久磁铁消磁的可能性、可能的 热过量、最终电池组和/或工具损坏，等等。因此，为了防止对电池组、和/或连接的充电器、连接到充电器或工具的 电池组附近的工具或使用物的内部或外部损坏，需要将附加的保护控制放在合适的位置以解决在适合与无绳电动工具和充电器一起使用的高功率Li离 子电池组中可能发生的故障情况(例如过充电、过放电、过电流、过热、电 池不稳定等)。实用新型内容本实用新型的目的是提供用于无绳电动工具的电池组，以解决在适合与 无绳电动工具和充电器一起使用的高功率Li离子电池组中可能发生的故障 情况(例如过充电、过放电、过电流、过热、电池不稳定等)。本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是 一种用于无绳电动工具 的电池组，该电池组可拆卸地连接到无绳电动工具系统所包括的电动工具和 充电器，其特征在于，该电池组包括外壳；外壳内的多个电池组电池，外 壳内的电池电子控制单元，用于在电池的充电期间控制充电器，和用于在放 电操作期间控制场效应晶体管(FET)以控制到电动工具的电机的电流；第一电 压监视单元，用于在充电和放电操作期间监视电池组中的单个电池电压和总 的堆电压之一或两者；以及第二电压监视电路，用于分别监视单个电池电压 以;f全测在充电期间达到过电压情况的任何电池。本实用新型解决技术问题所采用的另一技术方案是 一种用于无绳电动 工具的电池组，其特征在于，其包括外壳；外壳内的多个电池组电池；外 壳内的控制器，用于在电动工具操作期间控制场效应晶体管(FET)以控制到 电动工具的电机的电流；以及基于从控制器接收的控制信号而在电动工具操 作期间供给用于开断FET的驱动信号的驱动电路，其中控制器周期性地监视 用于与参考电压水平比较的驱动电路的电源电压，如果该电源电压降到参考 电压水平以下，则控制器为了截止FET而禁止驱动信号。本实用新型解决技术问题所采用的另一技术方案是 一种用于无绳电动 工具的电池组，可连接到电动工具，电动工具包括在工具中的功率端子之间 并与工具电机并联的功率二极管，其特征在于，电池组包括外壳；外壳内 的多个电池组电池；外壳内的控制器，用于在电动工具操作期间控制场效应 晶体管(FET)以控制到电动工具的电机的电流；检测电路，用于在功率二极况，并通过在控制器中产生中断以截止FET来保护FET。示例性实施例针对用于无绳电动工具系统的电池组。该电池组包括适于 控制连接的电动工具和/或连接的充电器的电池组电子控制电路。该电池组可 以包括附加的保护电路、手段和装置以当该电池组可操作地连接到电动工具 并向其供电、和/或当该电池组可操作地连接到充电器并由充电器充电的时 候，保护防止发生在电池组内的故障情况。本实用新型的一个有益效果是防止对电池组、和/或连接的充电器、连 接到充电器或工具的电池组附近的工具或使用物的内部或外部损坏。


由以下给出的详细说明和附图，本实用新型的示例性实施例将理解得更 加充分，其中相同的元件由相同的附图标记表示'仅以示例的方式给出'而 不限于本实用新型的示例性实施例。图1A是根据本实用新型的示例性实施例示出内部电子元件和示例性电 池组与示例性充电器之间的连接的框池组与示例性电动工具之间的连接的框图； 图2是电池组的电子模块的框图； 图3A是示出用于限制组内电流的电路的电池组的简图； 图3B是用于示出在循环周波的基础上进行的电池组中的限流特性的时序图；图3C是示出在到达电流限制时电池组的输出功率如何减少的图表；图4是用于为在电池组100中驱动放电FET的电压提供欠压检测的电路；图5A是输出电压对电流限制的图表，并且图5B是流程图，提供每一幅 图5A和5B以用于解释根据本实用新型的示例性实施例在无绳电动工具系统 中检测制动状态的方法；图6示出用于为保护电池组100中的放电FET 130而在电池组中的功率 端子之间连接的开路二极管检测和恢复电路；图7是提供了用于电池组100和/或其连接的充电器的辅助保护的二次监 视和过电压保护熔丝的保护电路；图8是当工具处于检测到的制动状态/闭锁转子状态时解释电流传感器 如何用于工具电机的脉沖方式/棘轮方式控制的电流和转矩对时间的图表；图9-11示出根据本实用新型的无绳电动工具系统的示例无绳电动工具。
具体实施方式
总体参考附图，示出了根据本实用新型的示例性实施例的教导而构造的 无绳电动工具系统。仅以示例的方式显示出该系统的示例性无绳电动工具包 括圓形的动力锯10 (图9)、往复式锯20 (图10)和钻孔机30 (图11 )。工 具10、 20和30每个包括适于由具有给定的额定电压规格的电源供电的常规 DC电机(未示出)。工具10、20和30可以由具有至少18伏的额定电压规格的可拆卸的电源 驱动。对本领域技术人员将变得显而易见的是，本实用新型不限于图中所示 的特定类型的工具或者特定电压。在这一点，事实上，本实用新型的教导可 以应用于任何类型的无绳电动工具和任何电源电压。继续参考附图，可拆卸的电源可以具体为电池组40。在所述示例性实施 例中，电池组可以是可再充电电池组40。如图9-ll所示，电池组40包括外壳。该外壳容纳其中串联连接的多个电池组电池(未示出)和/或多个电池串 联连接的串，其中该串互相并联。为了说明本实用新型的示例性实施例，电池组40的外壳中的电池具有锂 离子电池的化学性质。由于示例性实施例是针对无绳电动工具环境，该无绳 电动工具需要具有比使用Li离子电池技术的常规低压装置(例如膝上型计算 机和蜂窝电话)高得多的电压规格的电源，所以电池组40的额定电压规格是 至少18V。然而，根据电池组40的单个电池、电极和电解液的化学组成，例如，电 池组40可以由其它锂基化学性质的电池组成，例如锂金属或锂聚合物，或者 由其它化学性质的电池组成例如镍镉(NiCd )、镍金属氢化物(NiMH )和铅酸。池组与示例性充电器之间的连接的框图；图1B是根据本实用新型的示例性实 图。 ； "" 一 日''''s参照图1A，电池组100可以包括串联连接的多个电池组电池105 (为了 简化示出六个，电池组100可包括超过或少于六个的电池或者可以由电池串 联的串组成，该串联的串互相并联)。为了说明示例性实施例，电池组100可 以由具有锂离子电池化学性质的电池组成，并且相应于图9-11的每一幅中 具有外壳的可拆卸电池组40,其外壳中具有电池。例如，根据正极(阴极)物质中的活性成分，Li离子电池105可以具有 橄榄石结构的 一个或多个锂金属氧化物电池的化学性质、锂金属磷酸盐电池 的化学性质和/或其它锂基的化学组成。作为示例，具有锂金属氧化物化学性 质的电池阴极中的活性物质可以是氧化锂的钴氧化物、氧化锂的镍氧化物、 氧化锂的锰氧化物尖晶石以及它们或者其它氧化锂的金属氧化物的混合物中 的 一种。具有锂金属磷酸盐化学性质的电池阴极中的活性成分可以是氧化锂 的金属磷酸盐，例如锂铁磷酸盐(LFP)、锂锰磷酸盐、锂钒磷酸盐、锂钴磷 酸盐、锂镍磷酸盐或它们的任何氧化物、所有的橄榄石结构。在具体的示例 中，根据正极(阴极)物质中的活性成分，电池组100的电池105具有LPF 电池的化学性质。例如，根据电池组100的单个电池、电极和/或电解液中的活性物质的组 成，电池组100还可以由除了锂金属氧化物或锂金属磷酸盐之外的其它锂基 化学性质的电池组成，例如锂金属或锂聚合物化学性质，或者由其它化学性质如镍镉(NiCd)、镍金属氬化物(NiMH)和铅酸的电池组成。像电池组电池的现有技术中已知的，这些电池可以是圓柱形的并且关于 阴极、隔板和阳极具有螺旋巻绕或"果冻巻"结构。像Li离子电池组电池的 现有技术中已知的，负极的材料可以是在铜集电极上的石墨碳材料或者其它 已知的阳极材料。由于示例性实施例针对无绳电动工具环境，该无绳电动工具需要比使用 Li离子电池技术的常规装置高得多的电压规格，所以电池组100的额定电压 规格是至少18V。在示例中，电池组100中的电池105可以配置为具有在18 到36伏之间的范围内的额定电压规格。在示例中，电池组100包括具有用于 36V额定电压的约3. 6V/电池的额定电池电压的10 (十)个26650 Li离子电 池(每个电池直径26mm且长65隨)。26650电池可以具有如上所述的Li离子 氧化物或磷酸盐电池的化学性质。可替换地，为了实现36V的电池组电压， 电池组100中的电池设置可以包括具有锂金属磷酸盐或Li离子金属氧化物电 池化学性质的二十(20 )个18650 Li离子电池(每个电池直径18mm且长65mm )， 例如具有约3. 6V/电池的额定电池电压的并联结合的电池的三个串。由于锂电池组电压约为36V。例如，具有锂铁磷酸盐(LFP)基电池的化学性质的电 池额定约为3. 3V/电池，而具有锂金属氧化物基电池的化学性质的电池额定 约为3. 6V/电池。在另一示例中，电池组100可以包含七(7)个26650 Li离子(氧化物 基)或Li离子(磷酸盐基)电池以提供具有约25V (约3. 6V/电池)的额定 电压规格的电池组。在又一示例中，电池组100可以包含串联-并联设置的十 四(14)个18650 Li离子(氧化物基)或Li离子(磷酸盐基)电池以达到 约25V。每个电池的伏特数和电池的数量可以调整以适合需要大功率Li离子 电池组的全部预期的功率，并且可以在约3. 3到4. 6V/电池的额定电压范围 内，该范围是基于工业电化学电压电势准则的可接受的范围。当然，这些值 可以根据电池的充电状态(电池是否完全充电)以及电池的特殊化学性质而 变化。在2005年11月5日Daniele C. Brotto常规注册的、且题目为 "ERGONOMICALLY EFFICIENT CORDLESS POWER TOOL"的美国专利申请序列号 11/266,242的图7A到8B中详细示出并说明了上述电池结构，说明这些电池
结构的相关说明在这里引作参考。因此，图1A中(和图IB中)的电池组100应用于和/或设计用于至少包 含无绳电动工具、电池组和充电器的无绳电动工具系统。电池组100可以理 解为用于大功率的电动工具操作的可拆卸电源，并且可拆卸地连接到现有技 术中已知的无绳电动工具或充电器。如之前所提到的，电池组100具有至少 18伏的额定电压规格和/或具有至少约385瓦的最大功率输出。但是，对本 领域技术人员显而易见的是，电池组40/100不必限于图9-ll所示的特定类 型的工具，也不限于特定的电压规格和/或上面描述的功率输出规格。图1A中，示出IO个端子接线(端子1-10)。但是，由于根据在电池组 IOO或充电器150之间传递的预期信息或由电池组IOO或充电器150监视的 参数可以包括或多或少的端子，所以示例性实施例不限于该端子结构。电池电子控制单元125负责保护电池105不受在端子上(经由充电器 150、连接的工具和/或由于使用者的干预)出现的任何故障情况。电池电子 控制单元125可以由所示的内部电源135供电。例如，电池电子控制单元125可以具体为如数字微控制器、微处理器或 模拟电路、数字信号处理器或通过一个或多个数字IC例如专用集成电路 (ASIC)的硬件或软件。电池电子控制单元125可以包括可执行一个或多个 软件或者固件程序的各种类型的存储器。示例性存储器包括RAM、 FLASH和 EEPROM。作为示例，RAM可以用于存储运行期间可变的程序。作为示例，FLASH 存储器可以用于存储程序代码和校准值。也可以提供EEPROM来存储校准值、 数据存入信息、错误代码等等。为了控制到工具电机190的电流，电池组100的放电电流通过使用电池 电子控制单元U5控制下的半导体器件130 (放电FET)钳位或中断。电池电 子控制单元125可以由所示的内部电源135供电，并且控制通过驱动电路140 的放电FET 130的开/关状态。通常，为了选择性地控制应用到工具电机190 的平均电压，电池电子控制单元125经由驱动电路140控制放电FET 130的 开断，从而控制来自电池组100的功率和电流输出的至少一个。通过电池电子控制单元125在数据线上传递到充电器150,电池组电池 105的充电是可控制的。通过在充电器150内而不是电池组100内放置充电 FET 157，空间和能量消散(热)都从紧凑的电池组IOO移动到充电器150。电池组IOO还可以包括传感电流并向电池电子控制单元125提供信号的
电流传感器145。电流传感器145可以由用于电流传感器的已知元件实现， 例如分流电阻器、电流互感器等，其可以向电池电子控制单元125提供代表 传感的电池组100中的电流的信号。电池组100包括电压监视线路以监视电池的电压。例如电压监视单元 115。作为电池监视设置200的示例在Carrier等人于2005年9月30曰在 美国专利商标局常规注册的、题目为"METHOD AND DEVICE FOR MONITORING BATTERY CELLS OF A BATTERY PACK AND METHOD AND ARRANGEMENT FOR BALANCING BATTERY CELL VOLTAGES DURING CHARGE"的美国专利申请序列号 11/239,286中详细说明，(此后，'286申请)其全文在这里引作参考。电压监视单元115配置为传感单个的电池电压并传感电池105的串的总 电池组电压("堆电压")以向电池电子控制单元125提供代表单个电池或堆 电压的信号。像在'286申请中描述的，电压监视单元115是集成电路('286 申请中的IC 220 )的一部分以单独地或顺序地进行包含电池组中的单个电池 电压或所有电池的全部级电压之一 的抽样读取。抽样读取在读取之前通过电 池电子控制单元125 (在'286申请中称为电池组微处理器250 )在集成电路 中滤波。在另一示例中以及像'286申请中描述的，电池电子控制单元125指导 电压监视单元115以顺序的方式周期地测量穿过电池组100的每个电池105 的电池电压和总的电池组电压，贯穿充电的持续时间。测量的单个电池电压 和用于所有电池的电流平均电池电压通过电压监视单元115送到电池电子控 制单元125。自动用电池组中的电池数量除测量的全部电池组电压以确定电 流平均电池电压。从而电池电子控制单元125可以在充电期间基于每个测量 的单个电池电压和确定的电流平均电池电压来控制每个电池电压的平衡。可选地，如果与另一智能装置例如充电器微处理器或工具微处理器通讯， 则可以提供具有其自己的识别(ID)的电池组100。如果希望，电池组ID(未 示出)可以由ID电阻器、LED显示来实现器，该显示器显示电池组的识别数 据，在接合之上传送并由工具/充电器通过诸如数据和时钟端子5和6传感的 连续识别数据，和/或越过空气界面送到工具/充电器的数据结构中的字段， 等等。电池组100还可以包括一个或多个温度传感器120。温度传感器120可 以具体为NTC或PTC热敏电阻、温度传感集成电路或热电偶。温度传感器120 可以将电池组100内部的温度传给电池组100中的智能和/或连接的充电器 150中的智能，例如，经由端子IO到充电器电子控制155。由于这种温度传感器的功能是已知的，所以为了简要省略功能性操作的详细解释。电池组100可以包括包含二次监视和过电压保护炫丝电路148以及从充 电器150的返回充电线路中的充电熔丝149的辅助内部保护电路或装置。像 下面更详细的说明，二次监视和过电压保护熔丝电路148分别监视每个电池 的电压(除了电压监视单元115)以检测在充电期间达到过电压情况的任何 电池(一个或一些或全部电池)。这种情况下，二次监视和过电压保护熔丝电 路148将信号送到充电器150以在充电器150中产生预期的信号来终止充电 电流。这提供了独立的后备保护，以防万一电压监视单元115中的电池平衡 功能在充电期间变差和/或电压监视单元115变得不起作用。充电熔丝149作为第三重保护装置以防万一电池平衡(电压监视单元 115)和来自电路148的二次过电压保护测量都不起作用和/或无法检测任何 原因的电池过电压情况时烧断。 一旦充电熔丝149烧断，电池组100内永久 不能充电和放电。当电池组IOO连接到充电器150时，充电器150中的充电器电子控制单 元155可以由电池的内部电源135通过端子9供电。由于可以使用用于向充 电器电子控制单元155供电的其它手段，这仅是示例性连接图。充电器150 可以具有其自己的电源或直接由电池电压驱动它。充电器电子控制单元155还可以具体为像例如数字微控制器、微处理器、模拟电路、数字信号处理器 或通过一个或多个数字IC如专用集成电路(ASIC)的硬件或软件。充电器电 子控制单元155可以以固定的电压和固定的电流驱动电源控制器160以将来 自电源165的预期电压和电流经由端子1和IO传递到电池组100。可以通过端子5和6上的串行数据通路交换电池数据、充电器数据和控 制信息。例如，端子5和6可以用于提供充电器ID数据和其它信息到电池电 子控制单元125。这种信息可以包括，但不限于，充电器的数字ID、充电器 电流、由充电器读取的电池总的堆电压、充电器的温度情况、充电器150的 AC电源水平等。在示例中，其诊断测试期间充电器150传感的任何问题可以 通过端子5和6上的串行数据通路传达到电池电子控制单元125。在另一示 例中，例如，如果电池电子控制单元125接收到充电器故障，如低AC电源， 则电池电子控制单元125能产生错误信息到充电器150和/或在继续充电前等
待。而且，基于故障信息和充电器ID数据，电池电子控制单元125能控制充电器输出和/或基于充电器数据控制用于其电池的充电决定。然后可以发出对充电器150的命令。图1B是根据本实用新型的示例性实施例示出元件和示例性电池组与示 例性电动工具之间的连接的框图。图1B仅是示例性电路结构并作为上下文提 供用于根据示例性实施例更清楚地说明各种保护方法、电路和装置。图1B的 电池组和工具结构可以应用于图9-11的任一幅中的示例性无绳工具系统和等价物。总体上，在放电以提供电力到工具电机190期间，电池电子控制单元125 可以输出脉冲宽度调制(PWM)控制信号以驱动驱动电路140。例如，脉冲发 生半导体(脉冲宽度调制器(P丽))通常用在电子工业中以产生与工作循环 成比例的平均电压。P麵是脉冲持续时间随调制信号的某个特征变化的调制。 可替换地，脉冲频率调制可用于产生该平均电压。这两种情况中，放电FET 130 可以在开和关状态之间切换以产生与其开断的工作循环成比例的平均电压。向电动工具170放电期间，驱动电路140电平变换电池电子控制单元125 的PWM输出以驱动放电FET 130的栅极，根据传感的情况使放电FET 130循 环开和关。包含驱动电路140的元件设置在现有技术中是已知的并且这里为 了简要不再说明。图1B中的框图示出没有智能装置例如工具电子控制的标准电动工具170 (如图9-11中示出的任何工具)中的总体电路，可以理解的是，电池组IOO 可以与具有经由端子5和6连系的工具电子控制的智能工具通讯。工具170 具有开/关(电源)开关175、前向/反向开关180并且包括配置为电位计且 连接到图1B中的端子1和7之一的触发器181。电池电子控制单元125可以 识别工具170中的串行数据通讯的缺失并执行端子5和/或6处的电压的模拟 分析。在示例中，例如，就像已知的，分析可以包括读取代表由用户收回触 发器181的程度的模拟触发信号。为了产生预期的(或有序的)电机速度， 根据触发信号的值，电池电子控制单元125经由驱动电路140发送P丽控制 信号以造成放电FET 130在预期的工作循环开断。触发器181的启动还可以向电池组IOO中的电池电子控制单元125供电。 当电池组IOO插入到工具170时，没有启动电池组电子(OFF)。当启动触发 器181时，开关175关闭从而使电能从电池105流出电池组100的端子10到
工具170的端子1，经过开关175和电池组，经过工具的端子2到电池组100 的端子9作为Vin到电池电子控制单元125。电池组100能够接收来自电动工具170中的工具ID 172的工具信息。像 所示的，工具ID 172配置为提供回到电池电子控制单元125的电压^i的分压 器(R1和R2)，该电压值代表由电池电子控制单元125识别的工具ID值。每 个工具可以具有不同的ID值。该ID值可以将关于连接的工具170的功率、 电压和/或电流限制通知给电池电子控制单元125,从而使电池电子控制单元 125可以相应地控制输出电压。如果工具170是具有其自己的微处理器的智 能工具，则该信息作为串行数据经由端子5和6传递到电池电子控制单元125。参照图1A和1B，电池105和电压监视单元115之间的每个传感线路110 包括用于防止电池组100中的故障的冗余保护的熔丝112。电流离开顶部电 池105并流到电压监^f见单元115，该单元是包含电池组100内各种保护和控 制电路系统的电子模块PCB (未示出)的一部分。电流经过开关175流到工 具电机190。当放电FET 130开启时，电流流回到电池组100的模块PCB (未 示出)并流到电池105的阴极侧。连接电池的线具有连回到模块PCB上的电压监视单元115的第三引线(传 感线IIO)。在这些传感线110中，由于这些线110单独用于确定单个的电池 电压，所以不希望有大电流。静态保护二极管(未示出)用于通过将任何静 电放电尖端分流到可以更容易处理的大电流线路来防止控制器中的损坏。所有电池105的能量集中在电池组100内的模块PCB上的小面积中，这 样，如果发生元件失灵，则存在令人不安的后果。例如，如果连接电池组电 池105的高侧的线在开路状态失灵而放电FET 130开启，则电流会经过PCB 模块上的一个或多个静态保护二极管流回到开关175和电机190。由于连接 电池105的线较少，这些线具有过大的电机电流而会过热。由于静态保护二极管没有被设计成处理电机电流，所以还会发生损坏。 这样的故障会炭化模块PCB中的硅并造成与电池组100内的其它元件交叉的 短路。由于所有电池接线定位紧密的接近，故障会穿过电池组100中的全部 模块PCB串联。因此，通过在每条低电流传感线110中增加单个的熔丝112，如果大电 流线断开，电流会暂时流过保护二极管(未示出)并烧断给定的熔丝112。 一旦烧断熔丝112，电流流动终止。由于电池组100中的多处可能的线路失
灵并从而多条电流通路失灵，所以每条传感线110包括熔丝112。在可替换的示例中，传感线110可以包含任何电流流过都烧断的熔线。 更进一步地，用于传感线110的连接器可以包含熔丝/熔线以节省电池组内的 模块PCB上的空间。图2是电池组100的电子才莫块200的框图。电子模块200可以从电池组 100中的电池105分离但通过合适的连接器与电池105互相连接。示例中， 电子模块200设置在电池组100外壳的上部中的电池105的上面。电子模块200的框图示出电子元件的总体布局和电池组100中的元件之 间的总的相互关系。在示例中，电子模块200具有包含集成电路(ASIC) 205 的模块印刷电路板(PCB)。 ASIC 205包括向微控制器225 (图1A/1B中的电 池电子控制单元125)供电的电池电源135和电压监视单元115。 ASIC 205 可以包括ASIC命令结构、ASIC电压获取、过ASIC电池获取和电池平衡功能， 每一个功能都在'286申请中有详细解释。ASIC 205还包括限流处理电路(下 面更详细地解释)和平均电流处理电路。大体上，平均电流处理电路(它可以包括电流传感器145)能够提供平 均电流测量作为对电池组电子控制单元125的反馈。图2中，电池组电子控 制单元具体为微控制器225。此后，为了简化，将电池组电子控制单元125 称为微控制器225。为了改变从电池组100输出的平均电压，该平均电流信息反馈使微控制 器225到P丽能够控制放电FET 130。因此，在电动工具操作期间，测量的 平均电池组电流值(在放电返回线上测量)反馈到微控制器225使电池组100 例如微控制器225可以控制工具电机电流。串可以在ASIC 205和微控制器225之间可以有箭头207所示的行通讯， 它在电子模块200的模块PCB (未示出)上的ASIC 205的外部。微控制器225 配置为接收来自连接的工具或充电器的模拟和/或数字输入210以及来自热 敏电阻220的温度信息。微控制器225能够指导用于电池组100的放电控制 (大体上在方框215示出)的各方面，包括放电FET 130的控制。放电FET 130 也在模块200中。在2004年10月1日向美国专利商标局申请的转让给Carrier 等人且题目为"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"的美国专利申i青序列号10/954,222中详细i兌明了i文电4空制的示例 (此后称'222申请)，其全文在此引作参考。此外，电池组100中的电子模块200的模块PCB包括二次过电压监视和 保护熔丝电路148,包括在其上作为后备过充电保护的充电熔丝149，以及还 包括其上的FET UV 4企测电路222,下面还对其详细说明。FET UV检测电路 222检查看用于使放电FET 130循环的来自微控制器225的FET驱动信号是 否在足够的电压水平之上。这能够使故障FET驱动电压(欠压)情况通过微 控制器检测到，从而微控制器能够禁止放电FET 130操作并保持FET 130断 开直到故障消除。 限流处理图3A是示出用于限制电池组内电流的电路的电池组100的简图，并且图 3B是用于示出在PWM波形的循环基础上执行的电池组中限流处理的时序图， 其中循环还能理解为FET 130的开断周期。电池组100中的电流限制限制了 瞬时电流，即使用于像工具电机190的"涌入" 一样的暂态，其也不能得到 更多的电池组100的电流输出。电池组电子控制单元(微控制器225 )通过 输出与预期的电流限制成比例的P丽信号127 (REF P丽)设置预期的电流限 制。该信号不是用于控制电机电流的放电FET 130 (作为FET P丽示出)的 PWM信号。该REF PWM信号127通过分压器(未示出)而减小并由RC滤波器 128滤波到稳定的DC电压，以及作为阴极输入供给比较器电路129以用作用 于电流限制的参考电压。该稳定的DC电压在图3B中作为波形1示出。当》文电FET 130开通时，电池电压应用到电才几190并且电流迅速增加。 这在图3B中的波形2示出。斜率与通过工具电机190的阻抗分压的电压成比 例。增加的电流流过放电FET 130并穿过产生分路电压的小电阻(电流传感 器145)。该分路电压(代表瞬时电流)供给到比较器129并与经过滤波的REF PWM 信号(即参考电压信号)比较。分路电压一等于或大于参考电压信号(由图 3B中的波形3中的箭头310示出)，放电FET 130就在开断周期(PWM循环) 的剩余周期内关断(波形4 )。比较器129到微控制器225的输出信号造成微 控制器225内的所谓的外部中断。不管开断周期内的FET 130的状态，外部 中断都使FET 130关断。放电FET 130会保持关断直到下一个P西循环，例 如在开断周期的剩余周期内。
注意的是，放电FET 130在由触发开关175确定的工作循环下循环开和 关，但是开断周期保持不变。通过缩短放电FET130的开通周期(图3B的波 形4示出)，工作循环基本上减少，导致应用到工具电机190的来自电池组 100的较低的平均输出电压。因此，可以在循环的基础或每个开断周期的基 础上实现限流过程并评价，即电池组100可以包括循环限流特征。图3C是示出在到达电流限制时电池组的功率输出如何减少的图表。在图 3C中，示出速度或电压对转矩或电流的图表，垂线表示电流限制。由于微控 制器225总是检查电池组电池中的电流，该电流应达到某一给定的电流限制 (在示例中该电流限制可以是40安培，或者是小于40安培的某值)，则电池 组100的平均输出电压减小。通过降低输出电压，工具电机190用于电流的 需求将减少。这由图3C中从点B到点C的垂线表示。像从点A到点B的放大 图中示出的，由于电池组100的阻抗，低于电流限制的负载需求只显示电压下降。4豆路工具测试为了防止或避免电池元件由于短路而失灵，还可以参照图3A说明由电池 组IOO执行的测试以检测连接的工具170中的短路。通常，微控制器225中 的软件能够确定来自工具170的电流正常涌入和工具170中的短路情况之间 的区别。例如， 一旦电池组IOO放置到工具170中并且开始启动(推动)触 发器181,微控制器225中的软件执行检查以查看电动工具170中是否存在 短路。通常，具有微控制器225的软件被设计成执行10微秒脉沖以确定连接的 工具没有短路。该测试期间，放电FET 130开通而限流比较器129被监视。 IO微秒之后，如果FET 130仍然开通，则估计工具170没有短路。另一方面， 如果比较器129启动，例如来自电流传感器145的代表瞬时电流并供给比较 器129的分路电压超过经过滤波的参考信号，并因此超过电流限制，则移除 电源并且电池组100进入"停止方式"。触发器181必须再循环供电以再试。用于短路工具测试的必要条件是10微秒脉冲。如果工具电机190没有短 路，则即使在制动情况下电机190的阻抗也防止电流在IO微秒内增加到电流限制的安培数。此外，示例中第 一个2微秒内可以忽略电流限制以允许放电到电容负载。 电容负载将在短时间内造成大量电流。如果正在操作的电动工具有电容输入，
则电流的第一次涌入会在2微秒以内就超过电流阈值。然后，当电容器充电 时，电流会降到零。通过忽略该涌入周期，可以操作具有电容输入的电动工具。FET UV检测图4是用于为在电池组100中驱动放电FET 130的电压提供FET欠压检 测的电路。图4中的电路设计成检测故障的FET驱动电压和在必要时禁止放 电FET操作。示例中，微控制器225中的软件可以配置成以特定间隔(例如 8ms间隔，但是其它间隔对本领域技术人员是显而易见的)监视各种电池组 100的参数。监视的参数可以包括电池电压、触发电压、工具ID、温度等。 可以周期地检查这些参数，由放电FET 130的工作循环控制输出电压和电流。监视周期内，微控制器225还查看图4所示的通常连接到微控制器225 的比较器410 (构建在微控制器225中)的状态。用于FET驱动器的电源电 压(Vdrv )由分压器R118/R119减小并且经过滤波到稳定的DC电压，以及作 为阴极输入供给比较器410。如果Vdrv降到临界水平以下(例如小于 Vref-EXT)，则比较器410的输出将改变状态，指示故障状态。根据该故障状 态,微控制器225将禁止FET驱动(例如保持放电FET 130关断或关断FET 130 ) 并维持在停止状态直到下一个参数监视间隔。如果故障没有消除，则放电FET 130将通过微控制器225保持关断并且在电池组上将没有输出电压。该检测 防止由驱动器140 (图4中作为驱动电路630示出)发出的故障或微弱的FET 驱动信号造成放电FET 130在线性方式下运行并且防止电池组100中对电子 模块的过热和/或参数损坏。因此，通过监视FET驱动电压，FET驱动器630 ( 140 )上的减少的电压 (由某一临时故障造成)将不会使放电FET 130由于线性方式操作而失灵。 这种保护可以提供系统稳定性。此外，由于比较器410构建在微控制器225 中，所以用于该保护而增加的成本是很少的。制动检测图5A是输出电压对电流限制的图表，并且图5B是流程图，提供每一幅 图5A和5B以用于解释根据本实用新型的示例性实施例在无绳电动工具系统 中检测制动状态的方法。特别地，电池组100配置成检测用户故意即有目的 地制动电动工具17 0过长的时间的情况。现在参照图5A，当操作无绳电动工具170时，电池组100的电压分布可
以由图5A中的区域A表示。由于固有的电源阻抗，更多的电流流出，所以输 出电压些微下降。在具有电流限制的系统中， 一旦负载超过该限制，由于不 再有电流流出，输出电压被迫到零。这种情况称之为"制动"，并且由图5A 的垂直部分示出。示例中，当安放螺钉的头部时，用户用钻孔机/驱动器的驱动方头螺钉经 常制动。但是，这里的电池组电子配置成检测该制动状态并限制用户可维持 该制动状态的时间长短。参照图5A,区域B表示稍微高于电流限制的负载。圓锯的应用可能要求 用户从区域A变化到区域B并在切割期间返回。通过侦听锯停顿(区域B), 用户立即退出负载并返回到区域A。由于实际做功，在区域B中持续操作是 可接受的。但是，在区域C中，因为输出电压接近零，不做功，所以叶片不 旋转并且只存在电机转矩。这可以如早前描述的希望用于临时情况，但这是 浪费并且有长期潜在的损坏。如前所述，示例性电池组100使用放电FET 130来控制电池组的输出电 压。放电FET 130的工作循环直接与电池组100的输出电压成比例。如前所 述，在FET 130的PWM循环或开断周期内，电流传感器145 ;险测到的电流一 达到电流限制就关断放电FET 130。图3A-3C示出超过电流限制的电流如何 释放比较器129，这造成微控制器225内的所谓的外部中断。不管开断周期 内的放电FET 130的状态，外部中断都使放电FET 130关断。放电FET 130 保持关断直到下一个P丽循环(开断周期)。为了产生P丽循环，微控制器225启动自动地和定时器比较寄存器和定 时器溢出寄存器(分别响应于工作循环和周期) 一起递增的定时器。定时器 溢出事件期间，P丽循环结束并且新的循环开始。图5B中的数据流4显示出 FET 130将开通以启动循环。 一旦达到预期的工作循环，数据流3显示出微 控制器225中的软件将使放电FET 130关断直到开断周期结束。为了执行制动检测，微控制器225的外部中断管脚，由图3A中的电路触 发，必须检查P丽循环中的运行时间以确定系统是否在区域B或区域C中操 作。参照图5B，数据流2,在外部中断(达到电流限制)期间，P丽定时器 的计数与阈值比较，其中阈值是由图5A中的水平虚线510示出的计数值。该 计数值可以是固定的值或是作为预期的定时器俘获值的一半计算的。如果检 测到如图5A所示的区域C操作(在电流限制之上，并且工作循环小于阈值)，则微控制器225递增微控制器225的存储器中的"制动计数器"。在该示例中， 这可以是区域C操作，在电流限制之上，并且其中PWM定时器小于预期的工 作循环的一半，例如，定时器〈数据流2中的阈值。例如，制动计数器的变 量可以以常数值递增或以与循环中的运行时间成反比的值递增。后者可以有 的优点是"死"制动会快于"大多数"制动情况地增加。如果中断检测区域 B操作，例如数据流2的"如果定时器 < 阈值"判别方框的输出是"否"， 则制动计数器保持不变。在P丽"开通，，时刻末，图5B的数据流3说明微控制器225中的P丽定 时器如何产生定时器比较中断。该中断通常在P丽循环的剩余循环内使放电 FET 130关断。如果放电FET 130仍然开通(区域A )，则该定时器比较中断 也会清除当工具操作发生在区域B&C时递增的制动计数器。如果放电FET 130 已经关断(从区域B&C操作)，则什么也不做。在PWM定时器循环末，见图 5B中的数据流4，出现计时器溢出中断，复位P丽定时器并启动放电FET 130 以开始下一个P丽循环。参照图5B中的数据流1，并且在典型的或正常的电机控制算法期间，其 操作基本上比外部中断或定时器中断慢，制动计数器可以与阈值或限制比较。 该限制或阈值可以是预先设定的值或是各种电池参数如"充电状态"、温度读 数、电压读数等的函数。如果制动计数器超过阈值，则微控制器225完全关 断放电FET 130。它保持这种方式直到用户释放触发器并因此使全部系统失 去电力。再拉动触发器会重启制动过程。虽然延长制动事件的多次触发器拉 动会最终使无绳电动工具系统中的电机绕组、电池组或工具或其它热应力元 件中的半导体器件失灵，但是至少用户必须有意地再启动故障情况。再次参照图5A和5B，沿图5A中的"线1"的用户操作会听到电机190 周期地变慢，但微控制器225中的软件不会递增制动计数器。接下来说明短 暂地偏移到区域C但迅速返回到区域A的"线2"上的操作。微控制器225 中的软件会短暂地递增制动计数器，但是一重新进入区域A，它就会重新复 位。由于工具急剧地改变速度，"线3"上的操作很难保持。最后，在区域C 中用足够的时间使制动计数器达到其限制并且系统关机。"线4"上的用户操 作会迅速关闭并且会使其工具节约区域C操作能量的不需要的浪费。制动检测方法可以使用户推动工具以使功率输出最大化并且微微越过而 没有不必要的关^U但是当在故障情况下制动并保持时，为了防止对系统元
件的损坏，微控制器225中的软件将通过关闭工具170限制制动的时间长度。 这可以通过在开关再启动期间使热消耗来增强稳定性。 制动情况下使工具电机脉动当通过以前描述的机构检测到制动情况，例如闭锁转子的情况时，可以 期望使工具电机190脉动。示例中，电池组100可以配置成使工具电机190 脉动以向正常闭锁的转子情况(例如制动情况)提供沖击功能。通过在检测 到的制动情况下使工具电机190脉动并且使用传动机构的后冲，电机190能 够在传动机构啮合前加速。由此,传递到电动工具170的输出轴的能量是旋 转电机190的电机转矩和惯性质量的动能的结合。当使用钻孔机/驱动器的时候，钻孔机/驱动器会变得超载并且制动。在 这种情况下，全部电能传递到电机转矩。如果需要比工具电机190能够提供的更多的转矩来转动附件(例如钻头)，则由于热和不做功而浪费了能量。如 果在该制动情况下使电机190脉动，则输出轴上的转矩可以大于其在制动时 的转矩。通过关闭(经由FET 130)流到电机的电流使电机190和传动机构 从制动状态到"放松"，由于传动机构、外壳、操作把手和附件的小弹力，电 机逆转。该逆转使电机190以相反的方向转动直到吸收了传动机构中所有可 用的后冲力。传动机构的后冲力可以理解为可移动部件之间的运动。 一旦传 动才几构完全逆转，电机电流往回流并且电机190向前加速。由于传动机构中的运动，电机190加速而输出轴仍然固定不动。在某一 点，传动机构中的所有运动都用完而且电机190和传动机构紧紧地啮合在一 起。此时，电机转矩传递到工具输出轴，该轴由于最初的制动状态而保持固 定不动。由于电机190像以前一样应用其全部的制动转矩，所以存在由于电 机190的减速而施加的附加转矩。电机减速越快，输出轴上的转矩越高。当 电机190的动能用完时，输出轴上的转矩降回到其最初的制动值。如果电机 电流再次关闭，则可以重复该过程。通过正确地安排放电FET 130的开和关的次数，可以由微控制器225 (电 池电子控制单元125)产生谐振以使传递到输出轴的冲击能最大。仅由系统 弹力或制动的"硬度"来限制最大转矩。硬接合点可以定义为造成制动情况 的骤加荷栽并以非常小的系统弹力为特征。这种类型的制动造成电机最迅速 的减速并因此造成输出上的最高转矩。这些电机脉动能够提供所需的击穿转 矩以卡紧螺栓或螺钉松动。在另一示例中，能够在制动情况下使电机脉动还 可以当正常的制动转矩不足时提供驱动能以使具有工作面的大平头螺栓下沉。除了增加电机转矩，在制动情况下使电机脉动还有额外的优点。典型地， 用户制动电机然后除了使用其臂力还使用该制动转矩以终止驱动作业。通过 使工具电机脉动，消耗的能量较低并且因此用户能够用同样的电池组完成更多。使电机脉动将电能转化为热和动能；相反，制动电机只能产生热。脉动 可以是间歇的，因此作为热而损失的能量只是周期地发生(每脉冲)，而不是 作为稳定的热量损失持续地发生。这可以降低工具系统的温度并提高效率。使电机脉动的另一益处是保护用户不会在电机制动转矩下反冲。它类似 于使用冲击驱动器；它不会在持续的转矩下扭伤你的胳膊。在转让给AlanA. Gilmore的题目为"ELECTRICAL POWER TOOL HAVING A MOTOR CONTROL CIRCUIT FOR INCREASING THE EFFECTIVE TORQUE OUTPUT OF THE POWER TOOL"的美 国专利号5,731, 673中进一步详细说明了脉动或棘轮方式，其描述了用于工 具电机的脉动或棘轮方式的相关部分,在这里引作参考。图8是解释当工具处于检测到的制动状态/闭锁转子状态时电流传感器 如何用于工具电机的脉冲方式/棘轮方式控制的电流和转矩对时间的图表。当 在制动下使工具电机脉动时，在电动工具系统中达到的谐振是有利的。谐振 可以理解为电机激活和松弛的时间选择，它以这样的方式以使具有传动运动 的后冲和产生最大输出转矩脉冲的系统弹力最大。电流传感器145对于确定谐振是有用的。通过监视通过系统的电流，可 以完成谐振。由于谐振，我们是指传递最多的动能而使用最少的电能(开机 时间)。此外，设计还必须为了使每秒的脉动数量最多而使松弛时间最少(停 机时间)。图8中，电流和转矩绘制为时间的函数，电机电流由曲线810表示， 水平线815表示制动电流处。输出转矩由曲线820表示而水平线825表示稳 定状态的制动转矩。初始电流脉冲期间，在达到最大电流之前有延迟(830示出)。该电机电 流曲线的斜率"a，，与系统的电感成比例，即通过来自电池组100的电池的给 定电源电压，电流能够爬升到最大的速度，并且系统阻抗由系统电感确定。 接下来的时间部分(在该处检测到制动)作为"后冲时间"示出并且代表电 机加速。电机190正开始旋转并且由于传动装置中的运动，在轴输出上还不 存在转矩。
因为电才几190此时正在;j走转，由于反电动势建立，所以曲线810中的电 流减小。线上该部分的斜率"b"由电机的加速确定。电机和传送的惯性质量、 电池电压和阻抗、以及电机的阻抗影响了电机加速。电机电流曲线的部分"b" 向下倾斜的时间代表了当电流第一次开启时可用的反冲量。当电流轮廓开始 爬升时(图8中的点840处)，它表明传动装置此时完全啮合。从这一点起， 电机直接耦合到输出，并因此输出上的转矩迅速上升，如曲线820所示。电 流将继续上升直到达到正常的制动电流，由850指定。这条线的斜率与电机 190的减速成比例。由于输出停止，电机旋转，并且传动装置刚啮合，旋转电机的动能越过 传动机构传递到作为转矩尖端而正被驱动的元件。电机减速的速率与电机和 传动装置的惯性质量以及接点的硬度成比例。其中任何或全部元件吸收冲击 能的无绳电动工具系统称之为"软接点"。换句话说，冲击能在传动装置的弹 力、执行机构的主体、附件以及正被驱动的元件中吸收。吸收是以置换、压 缩、延长、散热的形式和其它能量转化的形式。如果用户臂"给出"并允许 工具以相反方向旋转，则传递到工件的转矩会减小。在相反的情况中，如果机不得不非常快的减速时，冲击能会接近无穷大。实际上，执行机构的臂可以是接点硬度中的主要因素之一并且不能产生 无穷的力。对于无绳电动工具的情况,执行机构的把手可以产生超过正常制 动转矩至少两倍的改进。图1中的最大转矩发生在电流斜线的末端附近。在 这一点，电流可以关断并且允许传动装置放松。任何更多的电机电流产生正 常的制动(虛线所示)。通过使传动装置放松并在恰当的时刻使其再次启动， 可以使用用于电机加速的最大时间。;微控制器225可以改变FET 130的停止时间以^使电才几190加速的时间最 多。它还可能测量停机期间的电机电流并寻找降到零的电流。 一旦电机电流 降到零，这表明在电机190中不再有转动速度。当电机190停止转动时，电 机190的反电动势还将告知电池组微控制器225。此外，微控制器225可以 配置为分析单独的换向以确定电机的速度、位置和方向。例如，通过监视电 流和/或反电动势中的尖峰来4全测换向。可替换地，可以使用转速传感器来确定制动情况、电流、反电动势等。 此外，除非触发器181在变速单元完全压下，否则图1B中的触发器181可以 用来作为不脉动的条件设置。通过在开机期间改变电机的加速，触发器181 还可提供可变的冲击。或触发器。如果执行机构的把手松了，则由于用户在系统中是"软"接点， 使电机脉动不会产生高转矩水平。换句话说，执行机构的把手将吸收传动装 置的冲击而没有钻孔或驱动原料。使用来自电容、电阻和/或应变仪传感器的输入，电池组100中的微控制器225可以确定脉冲方式是否开始。图6示出用于为保护电池组100中的;j文电FET 130而在电池组中的功率 端子之间连接的开路二极管检测和恢复电路。为了在电池组100中提供防止 这种事故的二次保护，图1A和1B的电池组100可以配置为^r测其中续流二 极管例如工具170中的循环二极管195断开或无法开启的情况。该电池组100 中的二次保护通过在电池组100中使用具有较高的前向电压的二次续流二极 管与电池组100中传感增加的前向下降并且使工具电4几190不工作的^企测电 路结合而设置。图6示出配置在电池组100中的图1A和1B所示的电池组100的端子2 和IO之间的示意性电路。电路600保护防止开路续流二极管例如工具170中 的循环功率二极管195 (失灵或断开)。如图6所示，如果工具170中的功率 二极管195无法开启，则电池组100中的辅助二极管D301变为续流二极管。 由于D301是标准二极管，所以前向电压下降比工具二极管195高得多。当工 具170中存在问题时，电流只经过D301循环。图6的示意图示出将微控制器225的PWM输出转换为适于MOSFET Q301 的驱动信号的驱动电路630。驱动电路630响应于驱动电路140并且FETQ301 响应于图1A和1B中的放电FET 130。驱动电压由选择器Vdrv提供而且比供 给微控制器225的电压高一些。电阻R312作为电流限制器用于放电FETQ301 的栅极充电并防止电源线上不必要的尖峰。电阻R314确保当电源从电路上移 除(工具触发器松弛)时FET Q301的栅极拉低并截止。电阻R313是分路电 阻并且穿过它的电压代表经过工具电机190的电流。R313响应于图1A和1B 中的电流传感器145。参照图6，搡作中，FET(Q301 )截止而且Battery+和RET—DISCH管脚(图 1A中的端子10和2 )具有相同的电势。只有泄漏电流流过电阻R316和R315。 泄漏很小并且只产生几毫伏经过电阻。"放电"FET Q301开启期间，电池电
流流过电机190和FET Q301回到电池组100。当FET Q301截止时，允许电 机190中的电流经过工具二极管195循环。电池组100中的小电感不会循环 而且它产生穿过FET Q301的非常短的电压尖峰。如果穿过电机190的二极管195无法开启或变成断开，电流必须穿过二 极管D301循环。这关于Battery+ (端子或管脚10 )在RET—DISCH (图1A中 的端子或管脚2 )上产生前向压降，它可以是1. 5到2伏(根据二极管电流)。 一些这种电压在检测电路600中通过二极管D300下降。这有助于保持FET Q301 —直截止直到发现穿过二极管D301的实际电压(例如大于1伏)并且 当FET Q301开启时也保持Q302的基-发射极反向击穿。电容C308经过R317 充电并且最终，检测电路600中的另一晶体管、Q302开启。电池电压流过电 阻分压器和电容电路620来释放微控制器225上的输入，这如"雪崩"输入 所示。微控制器225上的雪崩管脚是拉高时的输入，造成微控制器225中的 软件中断其正常计算并直接进入其中放电FET Q301截止的停止方式。FET Q301会一直保持关断直到移除电源并且通过释放和执行工具触发器181再应 用。不足的接线和无法开启的二极管是稀少的，但是如果发生，无法开启的 二极管会在电池组100连接到电动工具170之后操作的一段时间中损坏FET Q301 (放电FET 130)。因为失灵的二极管很难诊断，除非从电动工具系统断 开，所以当在可疑的工具中插入以诊断工具中的故障情况时，服务中心可以 不必放弃"测试包"，这种情况下是失灵的二极管。此外，用户无法利用其它 电池组100来使用"坏掉的"工具170,直到修理或替换失灵的二极管。二次过电压保护图7是提供了用于电池组和/或其连接的充电器的辅助保护的二次监视 和过电压保护熔丝电路。图7示出图IA、 1B和图2中总体上示出的二次监视 和过电压保护熔丝电路148 (即第二电压监视电路)与充电器功率控制器160 中的禁止电路151相结合的部分功能。图1A中，电池充电器电子控制125 (基于来自电压监视单元的读数)和 /或充电器电子控制电路155之一能够在充电期间提供主要的电池过电压保 护。电路148设计为单独监视每个电池的电压(除了电压监视单元115)以 检测在充电期间达到过电压条件的任何电池(一个或多个或所有电池)。这种 情况下，二次监视和过电压保护熔丝电路148烧断图7 OVP线中的熔丝。端
子3处的管脚打开，并且由充电器150中的禁止电路151 ;险测到以产生用于 终止充电器150中的充电电流的禁止信号。这将关于图7更详细的解释。如图7所示，电路148位于电池组100中，并且包括P-沟道MOSFET(PFET 710)、熔丝715和battery+管脚(B+端子)与地之间的电阻720。尽管没有 示出，但是电路148可以包括多个堆叠的ASIC,每个ASIC用于测量单个电 池105的电压。禁止电路151位于充电器150中，并且可以是功率控制器160 的一部分。禁止电路151包括电阻730和串联在Vcc (见图1A中的端子7 ) 与地之间的两个或更多的二极管732、 734，并且还包括NPN晶体管740。在图1A中，连接在OVP管脚3的串行通路设置在电路148和151之间以 提供基于充电期间任何时刻任何电池105中的过电压情况终止充电电流的第 二独立装置。该检测电池105中的0V情况的第二方式独立于微控制器125和 充电器电子控制电路155之间的任何通讯。注意的是，图7中的各种电路元 件的值都只是示例性的，可以使用其它的元件值用于图7所示的电阻和熔丝 (在一个示例中可以是0. 25A的熔丝)。操作中，在正常充电操作期间，电池组100中的PFET710处于截止状态 并且熔丝715是完整的。电池组100中的电阻720 (例如，可以是2. 2KQ的 电阻)保持充电器中150中的NPN晶体管740处于截止状态，从而允许充电 器150正常操作。当二次保护电路148中的ASIC之一检测到电池中的电池过 电压情况时，电池组100中的PFET 710将开启。当PFET 710开启，电流从 B+流过电池组100中的熔丝715、流过充电器150中的两个二极管732、 734 然后到地。该电流流动将烧断熔丝715并使电池组100中的电阻720从充电 器150的功率控制器160中的NPN晶体管740的基极断开。此外，由于熔丝715烧断打开，禁止电路151发现OVP管脚3打开并禁 止充电器输出。这独立于电池组中的微控制器225和图1A中的充电器电子控 制155之间的任何通讯而执行。电阻720在电路之外，充电器150中的电阻 730 (例如，可以是IOO KQ电阻)将接收来自端子7的Vcc (3-5伏)，它 流过电阻730并使NPN晶体管740饱和以开启晶体管740(它是下拉晶体管)。 这是设计为终止充电电流的禁止信号。基于收到禁用信号，NPN晶体管740 输出低电平以下拉(关断)向FET 157供电的驱动电路161，使充电器FET 157 循环关断并终止充电电流。可选地，NPN晶体管740的集电极可以依赖于下侧电流通路中的NFET。
图7示出的过电压检测信号表示适当才及性的控制信号以激活PFET 710。该^f言 号来自图1A和1B的独立过电压检测电路148。此外，PFET 710可以是P型 或N型FET或双极晶体管。图7中的电路设计成即使由于不稳固的PFET710熔丝715无法断开也中 断充电。任何缺少的或不恰当的接线也会中断充电，并且电路是可测试的 功能检测器不会激活熔丝715。这样说明了示例性实施例，显而易见的是，同样的内容可以按许多方式 改变。不会把这种变化看作脱离示例性实施例，并且所有这种修改都包括在 附加的权利要求的范围内，对本领域技术人员来说是显而易见的。优先权声明本申请根据35 U. S. C. §119 (e)要求2005年10月28日David A. CARRIER 等人申请的、并且题目为"BATTERY PACK FOR CORDLESS POWER TOOLS"的美 国临时专利申请序列号60/732,872的利益，其全部内容在此引作参考。
权利要求1、一种用于无绳电动工具的电池组，该电池组可拆卸地连接到无绳电动工具系统所包括的电动工具和充电器，其特征在于，该电池组包括外壳，外壳内的多个电池组电池，外壳内的电池电子控制单元，用于在电池的充电期间控制充电器，和用于在放电操作期间控制场效应晶体管(FET)以控制到电动工具的电机的电流，第一电压监视单元，用于在充电和放电操作期间监视电池组中的单个电池电压和总的堆电压之一或两者，以及第二电压监视电路，用于分别监视单个电池电压以检测在充电期间达到过电压情况的任何电池。
2、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，该电池组还包括电池组内的充电返回线路上的熔丝，在电池组中的电池电子控制电路或 充电器中的电流控制电路变得不起作用并且电流在充电期间超过正常水平的 情况下作为额外的保护。
3、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，在每个电池和第一电压监 视单元之间设置传感线路以感测单个的电池电压，并且每条传感线路中包括 熔丝或熔线。
4、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，该电池组还包括在电池电 子控制单元与充电器和电动工具之一之间的多条串行数据通路，用于交换数 据并控制它们之间的信息。
5、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述信息包括经过串行数据通路接收的、并代表由工具的用户缩回触发器的程度的模拟触发信号，以及电池电子控制单元发出P画控制信号以造成放电FET为了产生预期的电机速度而在预期的工作循环下进行开断。
6、 如权利要求1所述的电池組，其特征在于，电池电子控制单元为了控制工具电机电流而提供FET的脉冲宽度调制 (PWM)〗空制，以及电池組还包括用于在FET的每个开断周期期间评价电池组电流、并基于 该评价选择性地限制电池组的功率输出的限流处理电路系统。
7、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，还包括基于从电池电子控制单元接收的控制信号而提供用于开断FET的 驱动信号的驱动电路，其中电池电子控制单元周期性地监视用于与参考电压水平比较的驱动电 路的电源电压，并且如果该电源电压降到参考电压水平以下，则禁止驱动信 号发送给驱动电路从而使FET截止。
8、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，电池电子控制单元被配置 为在工具操作期间检测所连接的电动工具的制动情况并限制制动情况的时间 长度。
9、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，电动工具包括在工具中的 功率端子之间并且与工具电机并联的功率二极管，以及电池组包括用于如果功率二极管在功率操作期间无法开启或变得断开则保护电池组中的FET的检 测电路。
10、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述电池是锂离子电池。
11、 如权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述电池是锂离子电池 并且电池组的额定电压等级至少为18V。
12、 一种用于无绳电动工具的电池组，其特征在于，其包括外壳，外壳内的多个电池组电池，外壳内的控制器，用于在电动工具操作期间控制场效应晶体管(FET)以控制到电动工具的电机的电流，以及基于从控制器接收的控制信号而在电动工具操作期间供给用于开断FET的驱动信号的驱动电路，其中控制器周期性地监视用于与参考电压水平比较的驱动电路的电源电 压，如果该电源电压降到参考电压水平以下，则控制器为了截止FET而禁止 驱动信号。
13、 一种用于无绳电动工具的电池组，可连4妄到电动工具，电动工具包电池组包括 外壳， 外壳内的多个电池组电池，外壳内的控制器，用于在电动工具操作期间控制场效应晶体管(FET)以 控制到电动工具的电机的电流，检测电路，用于在功率二极管在功率操作期间无法开启或变得断开时检测电动工具中的开路二极管情况，并通过在控制器中产生中断以截止FET来 保护FET。
专利摘要一种包括适于控制连接的电动工具和/或连接的充电器的电池组电子控制电路的电池组。该电池组包括附加的保护电路、方法和装置以当该电池组有效地连接到电动工具并向其供电、和/或当该电池组有效地连接到充电器并由充电器充电的时候，保护防止电池组内的故障情况。
文档编号H01M2/10GK201048140SQ20062016476
公开日2008年4月16日 申请日期2006年10月30日 优先权日2005年10月28日
发明者丹·T·特林, 丹尼尔·C·布罗托, 小安德鲁·E·西曼, 弗雷德·S·沃茨, 强 张, 戴维·A·卡里尔, 斯内哈尔·S·乔克西, 杰弗里·S·霍华德 申请人:布莱克和戴克公司