高功率电池供电系统的制作方法

本发明涉及电池供电设备，更具体地说，涉及高功率电池及此类设备。

背景技术：

技术实现思路

1、图1a中示意性地示出了高功率电气组合。该组合通常包括电池电源，包括负载的电气设备(例如，电动机，如图所示)，电源与负载之间的电互连，以及可运行以控制例如电源的放电，负载的运行等的电子器件。

2、该组合被合并到具有由负载驱动的相关联的输出机构的电动设备(例如，电动工具，户外工具，其他电动设备等)或非电动设备(例如，锯片，钻头，砂轮，电源，照明设备等)中。合并该组合的设备中的至少一些是手持设备(例如，运行期间由用户可支持的设备)，因此，该组合必须适合手持设备的限制范围(例如，重量，体积/包装尺寸等)。

3、在所示的结构中，电池电源具有高达约20伏(v)(例如，约18v至约20v)的标称电压。而且，该组合可运行以输出高功率(例如，峰值功率为1800瓦(w)至2400w或更高(2.4马力(hp)至3.0hp或更高))。为了达到该峰值功率，高电流(例如100安培(a)或更高)从电源通过互连，通过电子器件的部件向负载放电。同样，在手持设备的限制内实现了这种高功率输出。

4、相反，具有18v至20v标称电压的手持设备的现有组合在大约50a至70a的电流下仅可输出大约1000w至1400w。从现有技术的性能进化到本发明的性能具有很多挑战。

5、挑战之一是增加电池电源的可输出功率。这种增加可以通过增加串联和/或并联电池中的单元数量来获得。单元形成因数的增加以及相关的阻抗降低，也将增加可用功率。但是，与手持设备的局限性相反，这些解决方案中的每一种都导致电池电源的尺寸和重量的增加。

6、另一个挑战是在负载(例如电动机)上有效地利用电池电源提供的功率。电动机尺寸(例如直径)的增加将导致功率输出的增加。这种增加又与手持设备的局限性冲突。为了最大程度地增加从电池电源到负载的可输出功率，必须降低系统中的阻抗和损耗。

7、来自电池电源的可输出功率的增加和/或来自负载的功率输出的增加，需要额外的电子器件来控制放电，运行等。此外，从18v到20v电池电源的功率增加需要产生热量的电流增加。必须控制运行和/或提供冷却结构以管理增加的电流和热量。

8、如上所述，现有设备在50a至70a的峰值电流下运行。同样，为了在本组合中以18v至20v电池电源实现高输出功率，峰值电流至少约为100a。现有的互连(例如，端子，开关，导体等)不能处理增加的电流/热量。必须控制运行和/或提供冷却结构以管理增加的电流和热量。

9、但是，克服这些挑战会引发其他挑战。例如，通过添加更多和/或更大的部件(更多和更大的电池单元，更大的电动机，更厚的端子，更大的开关等)，可以实现来自电源的功率以及负载输出的增加。如上所述，这些附加功能中的每一个都通过使组合变得更重，更大等而与手持设备所施加的限制相冲突。

10、作为另一示例，高功率电池电源可与现有的电气设备一起使用，并且这些设备未构造为处理来自电源的可用高功率。如上所述，为了处理增加的电流，已经对互连和电子器件进行了改进。现有设备不包括此类改进的部件，并且可能因功率，电流，热量等增加而损坏。

11、作为又一示例，在现有的电气设备中，由于系统中相对较高的阻抗(电池，互连，电子器件，电动机)，电动机的堵转电流低于系统中部件(例如，开关，场效应晶体管(fet)等)的最大电流。因此，在现有设备中，电动机将在部件遭受到其最大电流之前失速。在当前组合中阻抗降低的情况下，堵转电流现在超过了这些最大电流值。在运行中，电流现在可以在失速之前超过部件电流阈值。

12、在一个独立的实施例中，电气组合通常可以包括电气设备，电池组和控制器。电气设备通常可包括设备壳体，由设备壳体支撑的负载，该负载可运行以输出至少约1800瓦(w)(约2.4马力(hp))，以及电连接至该负载的设备端子。电池组可包括：电池组壳体，由电池组壳体支撑的电池单元，电池单元电连接并具有高达约20伏的标称电压，以及电池组端子，其可电连接至设备端子以在电池组和电气设备之间传输电流。控制器可运行以控制电流的传输。负载可运行以输出至少约2200瓦(w)(约3马力(hp))。

13、在一些构造中，负载包括具有输出轴的电动机，该电动机可运行以输出至少约1800瓦(w)(约2.4马力(hp))。在一些构造中，该设备包括电动工具，并且电动机可运行以驱动工具构件。电动机可以包括无刷直流电动机。电动机可包括定子，该定子的公称外径在约60毫米(mm)至约80mm之间(例如约70mm)。

14、在一些构造中，每个电池单元的直径在大约18mm至大约21mm之间，并且长度在大约65mm至大约71mm之间(例如，直径为大约21mm并且长度为大约71mm)。电池组可以包括多达15个电池单元，并且电池单元可以布置成串联连接的电池单元组(例如，五个电池单元)，所述组电池组并联连接。

15、电池单元可以可运行以输出介于约80安培(a)和约110a之间的工作放电电流，并输出高达约200a的峰值放电电流。电池单元可以具有约3.0安培-小时(ah)和5.0ah。

16、在一些构造中，该组合还可以包括电连接在电池单元和电动机之间的电源电路，该电源电路包括可运行以向负载施加电流的半导体开关。负载可包括无刷直流电动机，开关可运行以在绕组上施加电流。散热器可以与开关处于热传递关系，并且具有至少约63焦耳每摄氏度(j/c)的热容量。散热器可以与转子的旋转轴相交。电动机和散热器的总长度最大约为84毫米。

17、在一些构造中，该设备可以包括手持电动工具。电池组壳体可连接到设备壳体并由其支撑，使得电池组可由手持电动工具支撑。

18、在组合中，包括控制器的控制电子器件的体积可高达约15,000立方毫米(mm3)(例如，约8750mm3(尺寸约50mm乘以约35mm乘以约5mm))，电动机的体积可能高达约92,000mm3，电池组的体积可能高达约1,534,500mm3。控制电子器件的重量可能高达约19.6克(g)，功率电子器件的重量可能高达约94.1克(g)，电动机的重量可能高达约1.89磅(lbs)，电池组的重量可能高达3.5磅。

19、在另一个独立的实施例中，电动设备(例如，电动工具)系统通常可包括电动工具，电池组和控制器。电动工具可包括工具壳体，由工具壳体支撑的电动机，该电动机包括可运行以驱动工具元件的输出轴，该电动机可运行以输出至少约1800瓦(w)(2.4马力(hp)))，工具端子电连接到负载。电池组可包括电池组壳体，由电池组壳体支撑的电池单元，电池单元被电连接并具有高达约20伏的标称电压，以及电池组端子，其可电连接至工具端子以在电池组和电动工具之间传输电流。控制器可以可运行以控制电流的传输。

20、在又一个独立实施例中，可以提供一种运行电动机的方法。该方法通常可以包括以第一占空比向电动机提供第一电压信号；确定提供给电动机的电流是否超过阈值；如果要提供的电流超过阈值，则以第二占空比向电动机提供第二电压信号，第二占空比小于第一占空比。

21、该方法还可以包括：在以第二占空比向电动机提供第二电压信号之后，确定要提供给电动机的电流是否超过阈值；如果要提供的电流超过阈值，则以第三占空比向电动机提供第三电压信号，该第三占空比小于第二占空比。该方法还可以包括：在以第二占空比向电动机提供第二电压信号之后，确定要提供给电动机的电流是否超过阈值；如果要提供的电流不超过阈值，则以第一占空比向电动机提供第一电压信号。因此，该方法可以连续地改变占空比以提供最大的期望输出电流。

22、提供包括通过开关提供电压信号，并且其中电流阈值与开关相关联。通过开关提供电压信号包括通过场效应晶体管(fet)提供电压信号，电流阈值与fet相关联。

23、在另一个独立的实施例中，可以提供一种运行电动机的方法。fet可运行以向电动机提供电流，而继电器可运行以向fet提供电流。该方法通常可以包括：响应于运行电动机的信号，确定fet是否可运行；以及如果fet可运行，则运行继电器以通过fet向电动机提供电流。在一些构造中，第二fet可以可运行以向电动机供应电流，并且该方法还可以包括：在运行继电器之前，响应于运行电动机的信号，确定第二fet是否可运行。

24、该方法还可包括：如果fet不可运行，则禁用电动机的运行。禁用可以包括暂时禁用电动机的运行。该方法可以包括：在暂时禁用之后，确定fet是否可运行；如果在暂时禁用电动机之后fet可运行，运行继电器以通过fet向电动机提供电流；和/或，如果在暂时禁用电动机之后fet不可运行，则永久禁用电动机。

25、确定可以包括导通fet。确定可以包括将测试信号提供给fet，以及监控fet的输出。该信号可以包括触发信号。

26、在另一个独立方面，可以提供一种运行电气组合的方法。电气组合可以包括电气设备和电池电源，该设备包括设备端子，该电池源包括具有电压的多个电池单元，并且电池端子可连接至该设备端子。该方法通常可以包括：跨过电阻器将多个电池单元连接到电池端子，以向设备提供电流，该电阻器具有第一电阻；确定是否发生状况；以及，在该状况发生之后，通过开关将多个电池单元连接至电池端子，该开关的第二电阻小于第一电阻。

27、确定可以包括确定时间段是否已经过去。确定时间段是否已经过可以包括确定启动时间段是否已经过。通过开关连接可能包括使电阻器与开关短路。通过开关连接可以包括通过fet将多个电池单元连接到电池端子。

28、在又一个独立方面，电池组通常可以包括壳体；由壳体支撑并具有电压的多个电池单元；电池端子；选择性地将多个电池单元连接到电池端子以向电气设备提供电流的电路，该电路包括在多个电池单元与电池端子之间的第一电路径中的电阻器，该电阻器具有第一电阻，以及在多个电池单元和之间至电池端子的第二电路径中的开关，该开关的第二电阻小于第一电阻；以及控制器，其可运行以选择性地将多个电池单元通过电阻器或通过开关连接到电池端子。

29、控制器可运行以控制开关使电阻器短路。控制器可运行以闭合开关以使电阻器短路。该控制器可以可运行以在状况发生之后控制开关。该控制器可以可运行以在经过一段时间之后控制开关。在启动之后的一段时间之后，控制器可运行以控制开关。开关可以包括fet。

30、在又一个独立方面，电气组合通常可以包括电气设备，电池组和电路。电气设备可以包括设备壳体，由设备壳体支撑的负载以及电连接至负载的设备端子。电池组可包括：电池组壳体，由电池组壳体支撑的电池单元，电池单元被电连接，以及电池组端子，其可电连接至设备端子，以在电池组和电气设备之间传输电流。电路在电池单元和负载之间，并且可包括：放电开关，其可运行以选择性地将电池单元连接到负载，运行开关，其可运行以输出运行信号，控制器，其可运行以确定电气设备或电池组的状况，以及逻辑部分，其可运行以接收来自运行开关的第一输入和来自控制器的第二输入，该逻辑部分基于第一输入和第二输入向放电开关输出控制信号。放电开关可以包括机电继电器或基于半导体的固态继电器。

31、在另一个独立方面，电池组通常可包括壳体，该壳体包括可连接至电气设备并可由电气设备支撑的支撑部分，该支撑部分限定可运行以容纳电气设备上的突起的通道，该支撑部分包括模制的塑料材料以限定所述通道，以及在塑料材料中模制的金属材料，所述金属材料在所述通道周围限定c形部分；由壳体支撑的多个电池单元；以及电连接到多个电池单元并且可连接到电气设备的端子的电池端子。

32、在又一个独立方面，电动机通常可以包括定子，该定子包括限定多个齿的芯，设置在各个定子齿上的多个线圈以及靠近该芯的端部的端盖，该端盖包括：多个模制在所述端盖中的线圈接触板，以及与接触板分离并能够连接到接触板的第一端子和第二端子，该接触板使多个线圈中的相对线圈短路；以及转子，其被支撑以相对于定子旋转。

33、在另一个独立的方面，电动机组件通常可以包括电动机壳体；由壳体支撑的无刷电动机；以及连接到壳体的印刷电路板(pcb)组件，该pcb组件包括散热器，耦合至散热器的第一侧的电源pcb，以及耦合至散热器的相对的第二侧的位置传感器pcb，并且其与电动机呈面对关系。位置传感器pcb可以包括多个霍尔效应传感器。电动机可包括支撑磁体的转子，霍尔效应传感器可运行以感测磁体的位置。

34、通过考虑详细说明和附图，本发明的其他独立方面将变得显而易见。