CN100442628C - 用于电动工具的可充电电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于电动工具的电池组件，其具有自备过充电保护。该电池组件包括电池组和充电端子，该电池组由多个串联连接的二次电池组成，该充电端子通过充电电流路径连接到电池组，用以使来自充电器的充电电流流过。该电池组件包括插入充电电流路径内的断路器以及过充电检测器，该过充电检测器检测每个二次电池的电池电压并当任一个电池电压高于预定阈值(VTH3)时驱动断路器以断开充电电流路径。因此，即使充电器未能限制充电电流，电池组件自身也能保护二次电池免于过充电。

Description

用于电动工具的可充电电池组件
技术领域
本发明涉及一种用于电动工具的可充电电池组件，尤其涉及一种具有自备过充电保护的电池组件。
背景技术
可充电电池组件已经广泛地用于电动工具。近来，相对于传统的镍镉及镍氢电池，锂离子电池因为具有高电力产生性能和轻量结构而变得更为流行。为了安全地将锂离子电池用于电动工具，需要保护电池避免其过充电，这是因为锂离子电池特别易于过充电并会由于过充电而迅速退化。
为了避免过充电，日本专利公开JP2005-218174A和JP2005-1317770A提出一种电池组件和充电器的组合装置。该电池组件具有由串联连接的二次电池组成的电池组，并且整合了电压监视器，该电压监视器配置为检测每个二次电池(secondary cell)的电池电压，以提供表示电池电压的检测信号至充电器以及电动工具。充电器包括基于检测信号提供充电电流至电池组的充电电路，以在检测信号指示任一电池过充电时限制充电电流。然而，由于过充电保护依赖于设置在充电器侧的电流控制器，因而如果充电器出现故障则该保护不产生作用。因此，电池可能由于充电器的故障而意外地过充电。
发明内容
鉴于上述问题，完成了本发明，以提供一种用于电动工具的可充电电池组件，其具有自备过充电保护，从而即使相关充电器未能限制充电电流，该电池组件也能够保护电池免于过充电。根据本发明的电池组件包括：电池组，由多个串联连接的二次电池组成；一对电源输出端子，连接到该电池组，以提供电池组的电压，用于操作该电动工具；以及信号连接器，配置为包括充电控制端子、放电控制端子、及连接到电路地线的信号接地端子。该电池组件包括充电检测器，该充电检测器配置为监视每个二次电池的电池电压，并当所有电池电压低于第一阈值(VTH1)时提供高充电控制信号，而当任一个电池电压变得高于第一阈值(VTH1)时提供低充电控制信号。高充电控制信号和低充电控制信号通过充电控制端子被馈送至充电器，用于调节为二次电池充电的充电电流。该电池组件还包括放电检测器，该放电检测器配置为监视每个二次电池的电池电压，并当任一个电池电压变得低于第二阈值(VTH2)时提供放电停止信号，该第二阈值(VTH2)比第一阈值(VTH1)低。该放电停止信号通过放电控制端子被馈送至电动工具，用于使该电动工具断电。该电池组件还配备有充电端子，该充电端子与所述电源输出端子中的一个电源输出端子分离并连接到该电池组，用于使充电电流不通过所述电源输出端子中的一个电源输出端子从充电器流动到二次电池。在充电端子与电池组之间的充电电流路径内插入断路器。本发明的特征在于在该电池组件内包含过充电检测器，用以监视每个二次电池的电池电压，并当任一个电池电压变得高于第三阈值(VTH3)时驱动断路器以断开充电电流路径，该第三阈值(VTH3)比第一阈值(VTH1)高。因此，即使充电器未能限制充电电流，电池组件自身也能保护二次电池免于过充电。
优选地，上述断路器是不可复位元件，例如熔断式电阻器，一旦过充电保护起作用，该不可复位元件就只能由新元件来替换。
优选地，放电检测器包括电压监视器和电源控制器。电压监视器包括多个比较器和多个恒定电压元件，每个恒定电压元件提供限定第二阈值(VTH2)的恒定电压。每个比较器配置为将每个被监视的电池电压与第二阈值比较以给出比较结果，使得放电检测器基于比较结果而提供放电停止信号至放电控制端子。电源控制器配置为当电池组件被连接到电动工具时将电池组连接到电压监视器。因此，电压监视器响应电池组件被连接到电动工具而被激活，从而免于在没有电动工具时消耗来自电池组的电流，即消耗提供给电动工具的放电电流。借助这一结果，电池组件能够在其与电动工具断开时将放电检测器内的功耗减至最小。电源控制器配置为具有多个不同的电流提供路径，上述电流提供路径将电流分别从电池组的共用电位，通过每一个恒定电压源，提供至电池组的不同电位。每个电流提供路径包括开关，该开关配置为仅响应电池组件连接到电动工具时发出的检测信号而闭合。因此，在电池组件与电动工具断开时没有漏电流流过各二次电池，从而能够保持电压监视器与电池组完全断开，确保在电池组件与电动工具断开时实质上不消耗电池组件的能量。
优选地，放电检测器包括延迟电路，从检测到任一个电池电压变得低于第二阈值起，该延迟电路将放电停止信号延迟预定时间。通过设置延迟电路，能够排除噪声，否则的话则会导致不正确控制。
电源输出端子包括正输出端子和接地端子，该接地端子优选与电路地线电隔离，从而即使电池组件与充电器或电动工具之间的电连接失效时，也能良好地防止充电电流或放电电流流动。
本发明的电池组件可进一步包括温度传感元件和ID电阻器，该ID电阻器具有指示电池组种类的电阻。温度传感元件连接到信号连接器的温度输出端子及信号接地端子上，用以将指示电池组温度的温度信号提供至温度输出端子。ID电阻器连接到信号连接器的ID输出端子及信号接地端子上，用以将电阻提供至ID输出端子。通过包含这些元件，能够在充分考虑电池组的温度及种类的情况下，对位于充电器侧的电池组的充电以及电动工具的操作给出最佳控制。
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的用于电动工具的电池组件的电路图，该电池组件被示出与相关充电器连接；
图2是电池组件的电路图，该电池组件被示出与电动工具连接；
图3是整合在上述电池组件中的放电检测器的电路图；以及
图4是示出上述放电检测器中的不同电流流动路径的示意图。
具体实施方式
现参照图1和图2，其示出了根据本发明优选实施例的用于电动工具的电池组件。电池组件10具有外壳，该外壳对于电动工具100和充电器200来说是可拆卸的。外壳中容纳由多个串联连接的锂离子二次电池21至24组成的电池组20，并带有一对电源端子31和32、充电端子33、及用于与电动工具100和充电器200连接的的信号连接器40。电源端子由正输出端子31和接地端子32组成，正输出端子31和接地端子32连接到电池组20两端以向电动工具100提供放电电流，而充电端子33和接地端子32连接到电池组20两端以从充电器200接收充电电流。充电端子33是与正输出端子31分开的，因此电池组20不通过正输出端子31接收充电电流。
电池组件10包括充电检测器50、放电检测器60、及过充电检测器90，上述检测器配置为检测每个二次电池21至24的电池电压，以控制对来自充电器的充电电流的调节、防止在检测到过放电情况时从电池组20放电、以及保护电池组20免于过充电，如以下将要论述的。
除了与检测器50、60、及90共用的电路地线连接的信号接地端子41之外，信号连接器40还包括充电控制输出端子42、温度输出端子43、放电控制输出端子44、触发输入端子45、及ID输出端子46。充电控制输出端子42被设置用于输出来自充电检测器50的充电控制信号。充电控制信号在充电器200处被接收，用于调节由充电器200提供给电池组20的充电电流。温度传感元件13连接到温度输出端子43和电路地线上，以给出电池组20的温度。放电控制输出端子44被设置用于在检测到过放电情况时输出来自放电检测器60的放电停止信号。放电停止信号被馈送到电动工具100，以便将电动工具100断电，即停止将放电电流馈送到电动工具100以保护二次电池。触发输入端子45被设置用于接收来自电动工具100以及来自充电器200的触发信号，以开始操作放电检测器60。ID电阻器16连接到ID输出端子46和电路地线上，用于给出表示电动工具100和充电器200中电池组件10种类的电阻率，以识别电池组件10。电池组件10的种类包括二次电池的数量及二次电池的单个容量。
充电器200包括电源210和充电控制器220，电源210将输入的AC电压转换成DC电压以给电池组20提供充电电流，充电控制器220控制充电电流。充电电流是通过分别与电池组件10的充电端子33和接地端子32接触的充电端子233和接地端子232来提供的。充电器200配备有信号连接器240，该信号连接器240对电池组件10的信号连接器40来说是可拆卸的，用于通过端子241至246从电池组件10接收信号及向电池组件10发送信号。
电动工具100包括作为电动工具驱动源的电动马达110、由使用者操作的触发开关114、及用于控制马达110的马达控制器120。马达110由电池组20通过电源端子131和接地端子132所提供的放电电流来供电，电源端子131和接地端子132分别与电池组件10的正输出端子31和接地端子32接触。电动工具100配备有信号连接器140，该信号连接器140对电池组件10的信号连接器40来说是可拆卸的，用于通过端子141至146从电池组件10接收信号及向电池组件10发送信号。
充电检测器50配置为检测每个二次电池21至24的电池电压，以在所有电池电压低于例如为4.2V的第一阈值(VTH1)时提供高充电控制信号，并在任一个电池电压变得高于第一阈值(VTH1)时提供低充电控制信号。充电控制信号通过端子42和242被馈送至充电控制器220，充电控制器220进行调节，以响应高充电控制信号提供高充电电流，以及响应低充电控制信号提供低充电电流。在接收低充电控制信号之后，充电控制器226进行操作以逐渐减小充电电流，同时借助充电器200中设置的由电阻器251和252组成的分压器来监视电池组20的总电压。当电池组20的总电压变得高于预定极限值，例如17.5V时，充电控制器220停止提供充电电流。
充电检测器50包括第一电压监视器52，第一电压监视器52检测每个二次电池21至24的电池电压、将每个电池电压与第一阈值(VTH1)比较、以及在任一个电池电压高于第一阈值时提供高电平(H-level)输出，否则的话提供低电平(L-level)输出。第一电压监视器52的输出被馈送到由开关晶体管56和齐纳二极管58组成的信号接口54，以响应来自第一电压监视器52的低电平输出而向充电控制输出端子42给出高电平的高充电控制信号，及响应来自第一电压监视器52的高电平输出而给出低电平的低充电控制信号。第一电压监视器52由集成电路构成，并配置为消耗来自电池组20的低至1μA的较小电流。同时另一方面，仅当电池组件10被连接到充电器200时，信号接口54才由获得的电压Vd供电。
充电器200的充电控制器220配置为在识别出电池组件10连接到充电器200时开始为电池组20充电，并在电池组件10拆下时停止充电。为此目的，充电器200配置为产生上拉电压Vp，该上拉电压Vp分别通过上拉电阻器223和226而被施加到端子243和246。当电池组件10的信号连接器40被连接到充电器200的信号连接器240或与之断开时，由于端子243和246分别通过端子43和46而与温度传感元件13和ID电阻器16连接或断开，因而端子243和246处的电压变化。基于电压的变化，充电控制器120可知晓电池组件10的连接和断开以开始和停止充电。此外，充电控制器120配置为仅当温度传感元件13检测到的温度低于预定温度，例如70℃时允许充电。而且，充电控制器120配置为根据电池组20的种类，选择其充电电流的大小和/或充电速率，其中电池组20的种类是由来自ID电阻器146的电压信号而识别的。
整合在电池组件10中的放电检测器60配置为检测每个二次电池21至24的电池电压，并在任一个电池电压变得低于第二阈值(VTH2)，例如比第一阈值(VTH1)低的2.0V时，提供放电停止信号。表示电池组20过放电的放电停止信号通过端子44和144而被馈送到电动工具100的马达控制器120，以停止驱动马达110，即停止从电池组20获得放电电流。放电检测器60包括第二电压监视器70，第二电压监视器70配置为检测每个二次电池21至24的电池电压、将每个电池电压与第二阈值(VTH2)比较，以及在任一个电池电压低于第二阈值(VTH2)时提供低电平输出，否则的话提供高电平输出。第二电压监视器70的输出通过延迟电路65被馈送到由开关晶体管66和齐纳二极管68组成的信号接口64，以响应来自电压监视器70的低电平输出而向放电控制输出端子44给出高电平的放电停止信号。延迟电路65由电容器和电阻器组成，用以延迟电压监视器70的输出，从而将信号接口64的输出延迟预定时间，以消除可能的噪声而可靠地检测过放电。
在解释放电检测器60的细节之前，作如下说明：电动工具100包括由电阻器151和152组成的分压器，用于监视电池组20提供的总电压。在闭合触发开关114而且将电池组件10连接到电动工具100时，马达控制器120提供启动信号至端子145，该启动信号作为触发信号被通过触发输入端子45馈送，从而激活放电检测器60。当施加到端子143的电压指示出电池组20的温度低于预定极限值时，马达控制器120激活马达110并保持其激活，除非从放电检测器60接收到放电停止信号。马达控制器120也配置为当由于过放电而使电池组20的总电压降低至预定值，例如10V以下时，停止马达110，其中电池组20的总电压是由位于电动工具100侧的分压器进行监视。预定电压可从端子146处接收到的、ID电阻器16的电压信号获知。
放电检测器60还包括电源控制器80，电源控制器80仅响应在端子45处接收的来自马达控制器120的触发信号，给第二电压监视器70供电。上述触发信号被馈送到电源控制器80的驱动器88，使得电源控制器80被激活以给第二电压监视器70供电，即将第二电压监视器70连接到电池组20。当电池组件10被连接到充电器200时，也从充电控制器220馈送类似的启动信号。
如图3所示，第二电压监视器70配置成包括多个比较器71至74以及多个齐纳二极管ZD1至ZD4，其中每个齐纳二极管产生第二阈值(VTH2)并连接到比较器71至74中各自相关的一个比较器的输入端。比较器71至74均被连接在电路中，用于将每个二次电池21至24的电池电压与每个齐纳二极管ZD1至ZD4给出的第二阈值(VTH2)进行比较。电源控制器80包括多个开关晶体管81至83，开关晶体管81至83各自的基极共同连接到驱动器88，以便响应触发信号而同时导通。开关晶体管81至83各自的集电极共同连接到电池组20的正极端，以给出不同的电流提供路径，即通过第一晶体管81和齐纳二极管ZD1延伸至地的第一路径、通过第二晶体管82和齐纳二极管ZD2延伸至二次电池21与二次电池22之间节点的第二路径、通过第三晶体管83和齐纳二极管ZD3延伸至二次电池22与二次电池23之间节点的第三路径、及通过第一晶体管81和齐纳二极管ZD4延伸至电路地线的第四路径。第一晶体管81也连接成为集成在四重比较器内的比较器71至74提供工作电压。因此，电源控制器80为电压监视器70供电，即仅响应触发信号而提供来自电池组20的电流，从而在每个齐纳二极管ZD1至ZD4上产生第二阈值(VTH2)。这就意味着，当电池组件10被从电动工具100或充电器200拆下时，电压监视器70不消耗电流。关于这一点应注意的是，由于放电检测器60的电压监视器70因使用四重比较器和单个齐纳二极管的电路设计而消耗大约1.0mA电流，这在一定程度上高于通常在充电检测器50的第一电压监视器52处消耗的电流，因此需要用电源控制器80来减小电池组件10与电动工具或充电器断开时的空载电流量。然而，也可在充电检测器50内整合类似的电源控制器80，从而将空载电流减至最小。
第一比较器71的非反相输入端连接到二次电池21与二次电池22之间的节点，其反相输入端连接到齐纳二极管ZD1，以在二次电池21的电池电压低于齐纳二极管ZD1给出的第二阈值(VTH2)时提供低电平输出。第二比较器72的非反相输入端连接到二次电池22与二次电池23之间的节点，其反相输入端通过齐纳二极管ZD2而连接到二次电池21与二次电池22之间的节点，以在二次电池22的电池电压低于第二阈值(VTH2)时提供低电平输出。类似地，第三比较器73的非反相输入端连接到二次电池23与二次电池24之间的节点，其反相输入端通过齐纳二极管ZD3而连接到二次电池22与二次电池23之间的节点，以在二次电池23的电池电压低于第二阈值(VTH2)时提供低电平输出。第四比较器74的非反相输入端通过齐纳二极管ZD4而连接到电池组20的正极，其反相输入端连接到二次电池23与二次电池24之间的节点，以在二次电池24的电池电压低于齐纳二极管ZD4给出的第二阈值(VTH2)时提供低电平输出。上述比较器71至74彼此并联，从而当任一个比较器提供低电平输出时，信号接口64接收低电平输出并提供高电平放电停止信号。同样地，信号接口64接收高电平输出并依次提供低电平输出，从而使电池组20放电以使电动工具100持续操作。
如图4示意性示出的，因为开关晶体管81至83给出从电池组20的正极端子分别延伸至地、不同节点或不同的相邻二次电池对之间的电位的不同电流路径，并且还因为各齐纳二极管被分别插在不同的电流路径内从而为相关的比较器提供第二阈值(VTH2)，所以没有漏电流流过各二次电池21至24，从而避免了电池组20的无必要放电。此外，由于每个齐纳二极管ZD1至ZD4被提供二次电池21至24中至少两个二次电池的组合电压，因此即使在任一个二次电池的电池电压下降时，仍能在每个齐纳二极管上施加足够的电压，从而确保了每个电池电压的可靠检测。在这方面，电阻器R1至R4在单个电流流动路径中分别与齐纳二极管ZD1至ZD4串联连接，被调整成使得恒定电流流过齐纳二极管ZD1至ZD4，以对每个二次电池21至24的电池电压进行稳定和可靠的检测。
当电池组件10连接到充电器200时，充电控制器220产生并馈送触发信号至电源控制器80的驱动器88，以为第二电压监视器70供电。即使在电池组20的总电压变得高于预定值(表示电池组20被充分充电)的条件下通过端子44和144确认收到放电停止信号时，充电控制器220停止充电，并发出表示在充电期间发生异常放电的报警信号。报警信号被处理以借助适当的显示或声音来通知这个事件。在充电完成或停止时，充电控制器220不提供触发信号，从而通过电源控制器80使第一电压监视器70不激活，以将电池组件10侧的电流消耗减至最小。
返回到图1，电池组件10还包括过充电检测器90，过充电检测器90配置为在二次电池21至24中任一个二次电池的电池电压变得高于第三阈值(VTH3)，例如比第一阈值(VTH1)高的4.5V时，停止充电电流流入，以在充电控制器220未能停止提供充电电流时保护电池组20。过充电检测器90包括第三电压监视器92，第三电压监视器92由电池组20恒定地供电，以将每个二次电池21至24的电池电压与第三阈值(VTH3)比较，并在二次电池21至24中任一个二次电池的电池电压变得高于第三阈值(VTH3)时提供高电平输出，从而借助驱动器98激活断路器93，由此断开从充电器200到电池组20的充电电流路径。断路器93包括熔断电阻器形式的不可复位(non-resettable)元件95以及加热器97，加热器97由驱动器88来激活，以在任一个电池过充电超过第三阈值(VTH3)时熔化元件95从而断开充电电流路径。因为断路器93被插在充电端子33与电池组20的正极之间的充电电流路径内，该充电电流路径与放电电流路径(其形成于电池组20的正极与电源端子31之间，用以流过高于充电电流的放电电流)分开，因此仅需要断路器93流过相对较小的充电电流，从而能够密集地且以较低的成本制造断路器93，以实现电池组件10的成本有效和密集设计。第三电压监视器92被设计为消耗低至1μA的电流。
电池组件10的接地端子32与电路地线、即信号连接器40的信号接地端子41分开，从而在接地端子32未能建立与电动工具100的接地端子132、或充电器200的接地端子232的电连接时，避免放电电流或充电电流流入充电检测器50、放电检测器60、及过充电检测器90中。
以上实施例揭示了锂离子类型的二次电池作为本发明的最优选应用，其中考虑到锂离子电池在电压降低至Fe沉淀(precipitation)电压(1.0V)或Cu沉淀电压(0.5V)以下时退化，而将第二阈值(VTH2)选择为2.0V。然而，本发明不限于特定类型的二次电池，并且能够等同地用于其它类型的二次电池。在这方面，可依据二次电池的类型来适当地选择第一、第二及第三阈值。

Claims (6)

1.一种用于电动工具(100)的可充电电池组件(10)，所述电池组件包括：
电池组(20)，由多个串联连接的二次电池(21-24)组成；
一对电源输出端子(31，32)，连接到所述电池组，以提供来自所述电池组的电流，用于操作所述电动工具；
信号连接器(40)，配置为包括充电控制端子(42)、放电控制端子(44)、及连接到电路地线的信号接地端子(41)；
充电检测器(50)，配置为监视每个所述二次电池上的电池电压，并当所有电池电压低于第一阈值时提供高充电控制信号，而当任一个电池电压高于所述第一阈值时提供低充电控制信号，所述高充电控制信号和所述低充电控制信号通过所述充电控制端子而被馈送至充电器，用于调节为所述二次电池充电的充电电流；
放电检测器(60)，配置为监视每个所述二次电池上的所述电池电压，并当任一个所述电池电压低于第二阈值时提供放电停止信号，所述第二阈值比所述第一阈值低，所述放电停止信号通过所述放电控制端子而被馈送到所述电动工具，用于使所述电动工具(100)断电；
充电端子(33)，配置为与所述电源输出端子中的一个分离，并连接到所述电池组，以使所述充电电流不通过所述电源输出端子中与所述充电端子分离的一个从所述充电器流动到所述二次电池；
断路器(93)，插入在所述充电端子与所述电池组之间的充电电流路径内；以及
过充电检测器(90)，配置为监视每个所述二次电池上的所述电池电压，并当任一个电池电压高于第三阈值时驱动所述断路器以断开所述充电电流路径，所述第三阈值比所述第一阈值高。
2.根据权利要求1所述的可充电电池组件，其中：
所述断路器是不可复位元件。
3.根据权利要求1所述的可充电电池组件，其中：
所述放电检测器(60)包括电压监视器(70)和电源控制器(80)；
所述电压监视器包括多个比较器(71-74)和多个恒定电压元件(ZD1-ZD4)，每个恒定电压元件提供限定所述第二阈值的恒定电压，每个所述比较器配置为将每个所述电池电压与每个所述第二阈值比较以给出比较结果，使得所述放电检测器基于所述比较结果提供所述放电停止信号至所述放电控制端子；
所述电源控制器配置为当所述电池组件(10)连接到所述电动工具(100)时将所述电池组(20)连接到所述电压监视器(70)；
所述电源控制器具有多个不同的电流提供路径，所述电流提供路径将电流分别从所述电池组的共用电位，通过所述电压监视器的每一个所述恒定电压元件，提供到所述电池组的不同电位；
所述电源控制器具有多个开关(81-83)，每个开关插入在每个所述电流提供路径内并配置为响应所述电池组件连接到所述电动工具时发出的检测信号而闭合。
4.根据权利要求1所述的可充电电池组件，其中：
所述放电检测器包括延迟电路(65)，从检测到任一个所述电池电压低于所述第二阈值起，该延迟电路将所述放电停止信号延迟预定时间。
5.根据权利要求1所述的可充电电池组件，其中：
所述电源输出端子包括正输出端子(31)和接地端子(32)，所述电源输出端子中的所述接地端子(32)与所述信号接地端子(41)电隔离。
6.根据权利要求1所述的可充电电池组件，其中：
所述信号连接器包括温度输出端子(43)和ID输出端子(46)；
所述电池组件还包括温度传感元件(13)和ID电阻器(16)，该ID电阻器具有指示所述电池组种类的电阻；
所述温度传感元件连接到所述温度输出端子和所述信号接地端子上，以将指示所述电池组温度的温度信号提供至所述温度输出端子；并且
所述ID电阻器连接到所述ID输出端子和所述信号接地端子上，以将所述电阻提供至所述ID输出端子。
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