CN100380771C - 带过流保护电路的无绳电动工具 - Google Patents

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Abstract

一种无绳电动工具，其利用锂电池作为电机的动力源，并设置有过流保护电路。该电路允许在电机的启动时刻过电流瞬时流过，并当电动工具使用过程中，该电路切断当电动机进入锁定状态时可能流动的过电流。

Description

带过流保护电路的无绳电动工具
技术领域
本发明涉及一种使用锂电池的无绳电动工具，更特别地，涉及一种带过电流保护电路的无绳电动工具，用于防止过电流流过锂电池。
背景技术
在如电动螺丝刀、电动钻头、电动冲击工具的电动工具中，电动机产生的转动动力提供给减速机构用于减速并且然后传递到连接在工具末端的工具头(bit)。通常，电动工具上带有电源线，用于与商用AC电源相连，由此来自商用AC电源的动力转动电机。然而最近，无绳电动工具广泛使用，其中碱性蓄电池如镍镉电池或镍氢电池用作动力源。
用大电压操作的电动工具需要大量电池。镍镉电池单元的额定电压为1.2V，用14.4V操作的电动工具需要配备可容纳串接在一起的12节电池单元的电池组。用24V操作的电动工具需要配备可容纳串接在一起的20节电池单元的电池组。因此，存在的问题是：当电动工具的操作电压越时，电动工具本身变得越笨重。
另一方面，有机电解液蓄电池如锂电池和锂离子电池，它们的额定电压大。因此，为了获得同样的操作电压电池的数量可减小，因此可减小电动工具的重量和尺寸。
锂电池包括钒锂电池和锰锂电池，在负电极和有机电解液中使用锂铝合金。锂离子电池通常在正极中使用锂钴氧化物，负极和有机电解液使用石墨。在下面描述中，包括锂电池和锂离子电池的有机电解液蓄电池通称为锂电池。
锂电池单元的额定电压高达3.6V。因此，一节锂电池单元的电压相当于三节镍镉电池单元的总电压。当锂电池用作无绳电动工具的动力源时，锂电池的使用可以明显减少电池单元的数量。另一方面，如果锂电池被过渡充/放电或锂电池中流经过电流时，则锂电池的充/放电的循环寿命将大大缩短。
美国专利申请公开No.2003096158公开了一种过度放电预防控制，其中当电池电压处于预定值之下时，插入在电池和电机之间的场效应晶体管关闭以停止放电。
虽然也可使用同上述过度放电预防控制类似的方式来执行过电流预防控制，但如果不管当什么时候电池中流经过电流时通过切断场效应晶体管来实现过流保护控制，会引起下述不便。
如图1所示，当直流电源B通过开关元件S将直流电压施加在直流电机M上时，开关元件S闭合后的瞬间即启动时刻流过电机M和开关元件S中的电流Ia用下式表示：
Ia＝(V-E)/Ra
其中，V表示直流电源B两端的电压；Ra表示直流电机M的电枢绕组的阻值；E表示直流电机M的反电动势。
在电机M启动时刻，由于电机M的转子还没有开始转动而仍然保持在静止状态，因此反电动势E为零。由于这个原因，在短时间内不能防止过电流流过电动机。另一方面，在电动工具如电动螺丝刀或电动钻机的使用过程中，工具头会钻进或咬住正在被加工的工件，结果电机暂时进入锁定状态，即电机停止其转动。
图5显示了当电机M进入锁定状态时电机M的电枢绕组中流过的电流。在此情况下，由于电机M的反电动势E为零，包括开关元件S和电机M的电路中会流过过电流。如果过流预防控制系统设计成在任何情况下都能防止过电流流过电路，则高的启动电流就不会允许电机开始转动。另一方面，如果过流预防控制系统被构造成使得高的启动电流允许流过电路，则在电动工具使用过程中就不能防止电路中流动的过电流流经直流电源。由于高的电流持续流过锂电池，则锂电池会过渡退化，使得锂电池的充/放电循环寿命大大缩短。
发明内容
由于上述原因，本发明的目的是提供一种能解决上述问题的无绳电动工具。
简言之，本发明提供一种无绳电动工具，其利用锂电池作为电机的动力源，并带有过流保护电路，当电机启动转动时该过流保护电路允许过电流瞬时流过电机，但在电动工具使用过程中电机进入锁定状态时，不允许过电流在电机中流动。
为了实现上述或其他的目的，本发明提供一种电动工具，其包括：电池，该电池包括多个串连的锂电池单元；以及直流电机，其与电池相连，并从电池向其提供驱动电流，其中禁止通过具有等于或者大于预定值的电流限定的过电流在电流通路中流动超过预定时间周期。
根据本发明，当电机被锁定时，可防止过电流在锂电池中流动较长时间，从而可防止电池的退化。
电动工具还可以包括：开关元件，其连接在电池和电机之间；电流检测部；以及控制器。电池、开关元件以及直流电机连接以提供一条电流通路，驱动电流从电池流经该电流通路提供给直流电机。电流检测部被提供用于检测在电流通路流动的电流，并输出一表示电流通路中流动的电流的检测信号。控制器用于接收来自电流检测部的检测信号，并控制开关元件。控制器以这种方式控制开关元件，即当检测信号表示过电流在电池中流动的时间超过预定时间周期时，则控制器切断电池中流动的电流。这里，过电流被限定为其值等于或大于预定值的电流。
可选地，电动工具还包括开关元件、电流检测部以及微处理器。开关元件有选择地被设置为开启或关闭状态。电池、开关元件以及直流电机连接以提供一条电流通路，驱动电流从电池流经该电流通路提供给直流电机。电流检测部用于检测在电流通路中流动的电流，并输出一表示电流通路中流动的电流的检测信号。微处理器用于接收来自电流检测部的检测信号，并控制开关元件。微处理器包含执行第一步骤、第二步骤以及第三步骤操作的控制程序，其中第一步骤，判断在电流通路中流动的电流值是否超过预定值，第二步骤，当电流值超过预定值时，判断该电流在电流通路中持续流动的时间是否持续了第一预定时间周期，第三步骤，当电流在电流通路中持续流动的时间超过了第一预定时间时，产生一控制信号以将开关元件设置在关闭状态。
微处理器的控制程序在执行了第三步骤之后还可以执行第四步骤，在第四步骤中，判断在开关元件设置在关闭状态后第二预定时间是否已到期，当第二预定时间已到期时，产生一控制信号以将开关元件设置在开启状态。
电动工具包括电机、钻头、减速机构、主体、手柄以及电池组。减速机构包括可操作地连接到电机的输入侧和可操作地连接到钻头的输出侧。相对于电机的转动速度，减速机构传递到钻头的转动速度减小。主体容纳直流电机和减速机构。手柄具有连接到主体的一侧。电池组连接到手柄的另一侧，并在其中容纳电池。
在运行中，当电流检测部检测到直流电机的启动电流时，开关元件被设置在开启状态，而当电流检测部检测到直流电机的锁定电流时，开关元件被设置在关闭状态。
本发明的另一方面，提供了一种用于具有电机的电动工具中的电池组。电池组包括：由多个串连的锂电池单元构成的电池；以及一对用于将上述电池与电动工具连接的连接端子。被限定为其电流值等于或大于预定值的过电流禁止从电池向电机流动超过预定时间周期。
电池组最好还包括：开关元件、电流检测部以及控制器。电流检测部被提供用于检测从电池流向电机的电流，并输出一表示从电池流向电机的电流的检测信号。控制器被提供用于接收来自电流检测部的检测信号，并控制开关元件。控制器以这种方式控制开关元件，即当检测信号表示过电流在电池中流动超过预定时间周期时，则控制器切断从电池流动的电流。这里，过电流被限定为其电流值等于或大于预定值的电流。
可选地，电池组还包括：开关元件、电流检测部以及微处理器。开关元件有选择地被设置为开启或关闭状态，其中在使用时，从电池来的驱动电流通过所述一对连接端子提供给直流电机。电流检测部用于检测从电池流向电机的电流，并输出-表示从电池流向电机的电流的检测信号。微处理器用于接收来自电流检测部的检测信号，并控制开关元件。微处理器包含执行第一步骤、第二步骤以及第三步骤操作的控制程序，其中第一步骤，判断电流通路中流动的电流值是否超过预定值，第二步骤，当电流值超过预定值时，判断该电流在电流通路中持续流动的时间是否持续了第一预定时间周期，第三步骤，当电流在电流通路中持续流动的时间超过了第一预定时间周期时，产生一控制信号以便将开关元件设置在关闭状态。
微处理器的控制程序在执行了第三步骤之后还可以执行第四步骤，在第四步骤中，判断在开关元件设置在关闭状态后第二预定时间周期是否已到期，当第二预定时间已到期时，产生一控制信号以将开关元件设置在开启状态。
在运行中，当电流检测部检测到直流电机的启动电流时，开关元件被设置在开启状态，而当电流检测部检测到直流电机的锁定电流时，开关元件被设置在关闭状态。
附图说明
从如下的描述并结合相应附图，本发明的特点、优点及其他目的将会显而易见，其中：
图1为直流电机的运行的视图；
图2为根据本发明的电动工具的示意图；
图3为根据本发明实施例的连接到电动工具上的电池组的电路图；
图4为根据本发明的用于电动工具中的过流保护电路的控制流程图；以及
图5为从电机开始转动到电机被锁定期间流过电机的电流的曲线图。
具体实施方式
下面将结合相应附图详细介绍本发明实施例的电动工具。
图2为电动工具的实例示意图。这里所示的电动工具200为电动螺丝刀。其他电动工具具有类似的结构。电动工具200包括：主体200A；手柄200B，其连接到主体200A；电池组1，其连接到手柄200B的端部。电池组1容纳预定数量的串连的锂电池单元。
主体200A包括电机210、减速机构400、以及螺丝刀头300，螺丝刀头连接到主体200A的末端。当电机210与容纳于电池组1中的电池连接时，电动机210转动。减速机构400可操作地连接到电机210，用于减小电机210的转动速度并将该减小的转动速度传递到螺丝刀头300，同时基本保证电机210所产生的转动动能。冲击电动工具包括冲击机构(未示出)，如布置在减速机构和钻头之间的锤子。
使用在该实例中的锂电池单元的额定电压为3.6V。电动工具200的运行需要14.4V，因此四个锂电池单元11-14(见图3)串连在一起。
从容纳于电池组1中的锂电池单元流出的电流通过开关元件流进电机210。当在电机210启动时刻流过过电流时，开关元件切换到ON位置，而当在电机210进入锁定状态时刻流过过电流时，开关元件切换到OFF位置，后面将详细介绍。
下面，将详细介绍过流保护电路的具体实施例。
图3示出了连接到电动工具200上的电池组1的电路图。电池组1包括正极端子2和负极端子3。正极端子2与电动工具200的正极端子201相连，负极端子3与电动工具200的负极端子202相连。直流电机210和电源开关220串连在电动工具200的正极端子201和负极端子202之间。
电池组1包括电池10、电流开关部20、恒压电源30、电池电压检测器40、电池温度检测器50、微处理器60、电流检测部70、触发检测器80、以及显示器90，其中微处理器60用作控制器。
电池10包括电池单元11-14，这些电池单元通过连接板串连在一起。假设电池10的电池单元具有相同的电容。然而，实际上电池单元11-14的电容有稍许变化。
在电池组1与电动工具200相连时，电动工具200的开关220被开启，放电电流从电池10的正极流经电动工具200到电池10的负极。电池电压检测器40、恒压电源30、触发检测器80、以及开关部20连接在该放电电流通路中，微处理器60与容纳在电池组1中的这些和其他元件相连。
微处理器60包括中央处理单元(CPU)61、只读存储器(ROM)62、随机存储器(RAM)63、计时器64、模/数(A/D)转换器65、输出端口66、以及复位输入端口67。微处理器60的这些组件通过内部总线彼此连接在一起。
开关部20连接在电池10的正极和电池组1的负极端子3之间，并包括场效应晶体管(FET)21和电阻23、24。从微处理器60的输出端口66来的控制信号通过电阻24施加到场效应晶体管(FET)21的栅极，以执行对流经电动工具200的负载电流的开关控制。连接在场效应晶体管21的源极和漏极之间的二极管22被用作充电电流通路，当电池10被电池充电器(未示出)充电时，充电电流流经该充电电流通路，其中电池充电器取代电动工具200而与电池组1相连。
电流检测部70用于判断电池10是否处于充电、放电、或其他状态，如电池上没有负载的状态。电流检测部70的输入连接到二极管22的阴极和场效应晶体管21的漏极。电流检测部70的输出连接到微处理器60的模/数转换器65。
虽然未示出，电流检测部70包括彼此并联的反向放大电路和非反向放大电路(non-inverting amplifier)，用于有选择地放大施加在电流检测部70上的电压。根据电流方向，也就是是否充电电流正流经二极管22或放电电流正流经场效应晶体管21，确定施加在电流检测部70上的电压极性。施加在电流检测部70上的电压大小由场效应晶体管21的导通电阻和二极管22的导通电压决定。因此，反向放大电路或非反向放大电路所产生的输出依赖于电池10是否充电或放电。利用微处理器60的模/数转换器对电流检测部70上的输出进行模/数转换。如果需要精确检测充电和放电期间的电流值，则可在电流回路中放入低阻值的电流检测电阻器。在此情况下，根据流过电阻的电流大小得到的电压可被运算放大器放大。模/数转换器65对运算放大器的输出进行模/数转换，根据所获得的数字输出可计算出电流值。
恒压电源30包括三端子调整器(REG)31、滤波电容器32、33以及复位IC34。恒压电源30输出的恒压Vcc用于电池温度检测器50、微处理器60、电流检测部70、以及显示器90的电源。复位IC34与微处理器60的复位输入端口67相连，并向复位输入端口67输出一复位信号，以便在微处理器60内进行初始化。
电池电压检测器40用于检测电池10的电压，所述电池电压检测器40包括电阻器41-43。电阻器41、42串连在电池10的正极和地之间。微处理器60的模/数转换器65通过电阻器43连接到电阻器41、42相互连接在一起的连接点处，并输出一对应检测到的电池电压的数字值。微处理器60的中央处理单元61将来自模/数转换器65的数字值与下文将要介绍的第一和第二预定电压进行比较。所述第一和第二预定电压储存在微处理器60的只读储存器62中。
电池温度检测器50邻近电池10设置，用于检测电池10的温度。在严格意义上说，电池温度检测器50所检测到的温度不是电池10的温度，但是它基本上等于电池10的温度。电池温度检测器50包括热敏电阻51和电阻器52-54。热敏电阻51通过电阻器53与微处理器60的模/数转换器65相连。因此，模/数转换器65输出对应电池温度检测器50所检测到的电池温度的数字值。微处理器60的中央处理单元61将该数字值与预定值比较，进而判断电池温度是否处于异常高值。
触发检测器80包括电阻器81、82，该触发检测器80用于检测电动工具200的开关220何时被开启。当电源开关220被关闭时，电池10的电压没有被施加到场效应晶体管21的漏极。因此，与触发检测器80相连的模/数转换器65的输入端保持在地电位。另一方面，由于直流电机210的直流阻值非常小，例如只有几个欧姆，因此在开关220开启时，场效应晶体管21的漏极和源极之间产生几乎与电池电压相等的电压。该电压被电阻81、82所分担，并且电阻82上的电压被施加到模/数转换器65上，从而可以检测到开关220的开启状态。
显示器90包括发光二极管(LED)91和电阻器92。根据微处理器60的输出端66的输出，控制发光二极管91的发光或关闭。例如，当电池温度检测器50检测到电池温度高于预定温度时，控制显示器90的显示电池10的温度过高的警告。
下面，结合图3的电路图和图4的流程图介绍电池组1的运行。
如上所述，电池10中存在两种过电流。一种是电机210刚启动时刻流过的过电流，另一种是在电动工具200使用过程中电机进入锁定状态时流过的过电流。
在电机210启动时刻，过电流瞬时流过，电路的控制序列允许这种过电流流入电机210。另一方面，当电机210进入锁定状态时，电路防止过电流流过，在钻头钻进正在处理的工件中时通常会遇到这种情况。也就是说，切断在电动工具200使用过程中流过的过电流。
在图4所示的实施例中，过电流流过的时间周期用计时器来测量，当测量的时间等于或小于预定值时，场效应晶体管21保持在开启位置，当测量的时间超过预定值时，场效应晶体管21处于关闭位置。存储在微处理器60的只读储存器62中的程序可执行如下控制，根据需要，中央处理单元61读出并执行所述的程序。
如图4所示，在步骤S101中，微处理器60开启场效应晶体管21(初始设置)。然后，当电动工具200的主开关220开启时，启动电流流入电动工具200的直流电机210。
在步骤S102中，电流检测部70检测流过场效应晶体管21的电流Ia，在步骤S103中，微处理器60判断检测到的电流Ia是否等于或大于预定值I1。预定值I1要根据锂电池单元11-14的电流和寿命特点以及当直流电机210处于锁定状态时流过电枢绕组的电流值进行合理选择。例如，如图5所示，在电机启动时刻的峰值电流为100A时，预定值I1设置为峰值电流的50％-70％。
当步骤S103的判断为否时，则场效应晶体管21保持在开启状态。另一方面，当步骤S103的判断为是时，程序进行到下一步S104，在这一步需要判断等于或大于预定值I1的电流持续流过的时间周期是否等于或大于预定时间T1。到这时，微处理器60中的计时器64计数电流Ia等于或大于预定值I1的时间周期，其中电流Ia由电流检测部70检测。
根据直流电机210的类型，在启动时刻流过的过电流的时间周期为100msec或更少。另一方面，当电动工具200的钻头钻进工件，电机210进入锁定状态时，过电流流过的时间周期大大超过100毫秒。因此，当预定时间T1设置为大约100毫秒时，能够区别是在电机210启动时刻流过的过电流还是在电机210进入锁定状态时流过的过电流。
在步骤S104时，当判断过电流持续流过的时间周期等于或大于预定时间周期T1时，则程序进入步骤S105，在该步中场效应晶体管21被关闭。结果，就可以防止过电流长时间持续流过由锂电池单元11-14构成的电池10，从而可以防止锂电池单元11-14的特性退化。
而且，在步骤S106中，场效应晶体管21关闭后，要判断预定时间周期T2是否到期。当在步骤S106中的判断结果为否时，场效应晶体管21保持在关闭状态。另一方面，当在步骤S106中的判断结果为是时，则程序进入下一步S107，在这一步，开启场效应晶体管21，当程序返回到步骤S102，重复执行同样的操作。预定时间T2设定为如5秒。因此，即使直流电机210处于锁定状态且场效应晶体管21被关闭，过了预定时间T2后场效应晶体管21再一次被开启，由此允许操作电压施加到直流电机210上。由于在预定时间T2期间电动工具200未被使用，因此要根据电动工具200的运作特性和锂电池单元的退化特性合理选择预定时间T2。
虽然上面描述了根据本发明实施例的电动工具200的控制流程，但本发明并不局限于上述实施例，不脱离本发明的精神可以有多种变形、替换的结构或等同物，也可以有多种不同的控制。

Claims (13)

1.一种电动工具(200)，包括：
电池(10)，其包括多个串连的锂电池单元(11-14)；以及
直流电机(210)，其与电池(10)相连，并从电池(10)向其提供驱动电流，
改进的特征在于禁止过电流在电流通路中流动超过预定时间周期，其中过电流值通过其值等于或大于预定值的电流限定。
2.根据权利要求1所述的电动工具(200)，还包括：
开关元件(21)，其连接在电池(10)和电机(210)之间，其中电池(10)、开关元件(21)以及直流电机(210)连接以提供电流通路，驱动电流从电池(10)流经电流通路提供给直流电机(210)；
电流检测部(70)，其检测在电流通路中流动的电流，并输出指示电流通路中流动的电流的检测信号；以及
控制器(60)，其接收来自电流检测部(70)的检测信号，并控制开关元件(21)，其中，当检测信号指示过电流在电池(10)中流动的时间超过预定时间时，则控制器(60)切断电池(10)中流动的电流，其中过电流通过其值等于或大于预定值的电流限定。
3.根据权利要求1所述的电动工具(200)，还包括：
开关元件(21)，其有选择地被设置为开启或关闭，其中电池(10)、开关元件(21)以及直流电机(210)连接以提供电流通路，驱动电流从电池(10)流经电流通路提供给直流电机(210)；
电流检测部(70)，其检测在电流通路中流动的电流，并输出指示电流通路中流动的电流的检测信号；以及
微处理器(60)，其接收来自电流检测部(70)的检测信号，并控制开关元件(21)，其中微处理器(60)包含执行第一步骤、第二步骤以及第三步骤操作的控制程序，其中在第一步骤中，判断在电流通路中流动的电流值是否超过预定值，在第二步骤中，当电流值超过预定值时，判断该电流在电流通路中持续流动是否持续了第一预定时间周期，在第三步骤中，当电流在电流通路中持续流动超过了第一预定时间周期时，产生控制信号以将开关元件(21)设置在关闭状态中。
4.根据权利要求3所述的电动工具(200)，其中微处理器(60)的控制程序在执行了第三步骤之后还执行第四步骤，在第四步骤中，判断在开关元件(21)设置在关闭状态后第二预定时间周期是否已到期，当第二预定时间周期已到时期，产生控制信号以将开关元件(21)再次设置在开启状态。
5.根据权利要求1所述的电动工具(200)，还包括：
钻头(300)；
减速机构(400)，其包括连接到电机(210)的输入侧和连接到钻头(300)的输出侧，相对于电机(210)的转动速度，通过减速机构(400)传递到钻头(300)的转动速度减小；
主体(200A)，其容纳直流电机(210)和减速机构(400)；
手柄(200B)，其具有连接到主体(200A)的一侧；以及
电池组(1)，其连接到手柄(200B)的另一侧，电池组(1)在其中容纳电池(10)。
6.根据权利要求2或3所述的电动工具(200)，其中当电流检测部(70)检测到直流电机(210)的启动电流时，开关元件(21)被设置在开启状态，而当电流检测部(70)检测到直流电机(210)的锁定电流时，开关元件(21)被设置在关闭状态。
7.根据权利要求2-4中任一项所述的电动工具(200)，其中开关元件(21)包括场效应晶体管。
8.一种用于具有电机(210)的电动工具(200)中的电池组(1)，包括：
电池(10)，其包括多个串连的锂电池单元(11-14)；以及
一对连接端子(2，3)，用于连接到电动工具(200)；
其特征在于，禁止过电流从电池(10)向电机(210)流动超过预定时间周期，其中过电流被限定为其值等于或大于预定值的电流。
9.根据权利要求8所述的电池组(1)，还包括：
开关元件(21)；
电流检测部(70)，其检测从电池(10)向电机(210)流动的电流，并输出指示从电池(10)流向电机(210)的电流的检测信号；以及
控制器(60)，其接收来自电流检测部(70)的检测信号，并控制开关元件(21)，其中当检测信号指示过电流在电池(10)中流动超过预定时间周期时，则控制器(60)切断从电池(10)流动的电流，所述过电流被限定为其值等于或大于预定值的电流。
10.根据权利要求8所述的电池组(1)，还包括：
开关元件(21)，其有选择地被设置为开启或关闭，其中在使用时，从电池(10)来的驱动电流通过所述一对连接端子提供给直流电机(210)；
电流检测部(70)，其检测从电池(10)流向电机(210)的电流，并输出指示从电池(10)流向电机(210)的电流的检测信号；以及
微处理器(60)，其接收来自电流检测部(70)的检测信号，并控制开关元件(21)，微处理器(60)包含执行第一步骤、第二步骤以及第三步骤操作的控制程序，其中在第一步骤中，判断电流通路中流动的电流值是否超过预定值，在第二步骤中，当电流值超过预定值时，判断该电流在电流通路中持续流动是否持续了第一预定时间周期，在第三步骤中，当电流在电流通路中持续流动超过了第一预定时间周期时，产生控制信号以便将开关元件(21)设置在关闭状态。
11.根据权利要求10所述的电池组(1)，其中微处理器(60)的控制程序在执行了第三步骤之后还执行第四步骤，在第四步骤中，判断在开关元件(21)设置在关闭状态后第二预定时间周期是否已到期，当第二预定时间周期已到时期时，产生控制信号以将开关元件(21)再次设置在开启状态中。
12.根据权利要求9或10所述的电池组(1)，其中当电流检测部(70)检测到直流电机(210)的启动电流时，开关元件(21)被设置在开启状态，而当电流检测部(70)检测到直流电机(210)的锁定电流时，开关元件(21)被设置在关闭状态中。
13.根据权利要求9-11中任一项所述的电池组(1)，其中开关元件(21)包括场效应晶体管。
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