CN102637844A - 电池组 - Google Patents

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杰弗里·J·弗朗西斯
R·罗比·贝利
丹·T·特林
小安德鲁·E·西曼
克里斯托弗·R·扬克
丹尼尔·C·布罗托
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Abstract

提供了一种适合向无绳电动工具供电和包括多个串联电池的电池组，该电池组包括适合根据在电池组中检测的故障状况限制或中断电池组中的电流的保护结构；以及至少一个保护电路，用于针对电池组中的潜在过放电故障状况监视电池组电压，和适合如果监视的电压达到给定动态电压阈值，自动执行切断电池组中的电流流动，其中，通过从绝对阈值电平中减去一部分瞬时放电电流改变动态电压阈值，以补偿电池组的阻抗和避免因监视的电压暂时下降到阈值以下造成的电流流动的错误自动切断。

Description

电池组
本分案申请是申请日为2004年10月7日、申请号为201010239821.2、发明名称为“电池组”的分案申请。
交叉参考相关申请
本申请对向美国专利和商标局提出的如下相关美国临时专利申请要求按35U.S.C.§120的本国优先权：2003年10月14日提出的美国临时申请第60/510,128号、和2004年3月11日提出的美国临时申请第60/551,803号。特此引用这些临时申请每一个的公开文本的全部内部以供参考。
技术领域
本发明涉及可再充电电池的保护方法、保护电路和保护器件，涉及适合对附着电池组的电池提供保护的电动工具和充电器，和涉及其中包括保护控制的电池组，每一种保护控制都保护电池组以防各种潜在故障状况。
背景技术
在过去几年中，在诸如笔记本型个人计算机之类的低压便携式电子设备中锂离子(Li+)电池已经开始取代镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)、和铅酸电池。与NiCd和NiMH电池相比，锂离子电池更轻，但具有更大的单位体积容量。由于这个原因，锂离子电池通常适用于最好轻便和要求耐受长时间连续使用的低压设备。但是，在过放电状态下，锂离子电池迅速变坏，因此，锂离子电池需要过放电保护。
用在便携式电子设备中的电池组通常含有串联的多个电池。一个电池组中串联电池的最大个数由电池组的输出电压决定。例如，一个NiCd电池或一个NiMH电池的典型输出电压是1.2V。假设来自电池组的18V输出电压适合大多数通用电子设备，电池组中串联NiCd或NiMH电池的最大多个是15。另一方面，一个锂离子电池的典型输出电压大约是3.6V。因此，一个假设18V的锂离子电池组中串联锂离子电池的最大个数是5。
与NiCd电池组和NiMH电池组不同，锂离子电池组可以包括提供保护以防锂离子电池组内部和外部的故障状况的功能。这样就防止了锂离子电池组中的电池变坏和缩短电池组的使用寿命。例如，如果在锂离子电池组的内部或外部出现诸如短路之类的故障状况，可以配备熔丝以切断过放电电流或过充电电流，如果放电电流或充电电流变成大于给定电流电平的话。
当前，诸如锂离子电池组之类的电池组中的保护电路主要是为要求电压一般在2到4V的数量级上的、诸如笔记本型个人计算机和蜂窝式电话等的低压便携式电子设备设计的。这样的设备的特征在于，使用由提供大约4.2伏/每个电池的最大输出电压的电池(譬如，锂离子、NiCd、NiMH电池)组成的电池组。对于锂离子电池，由于锂是高活性物质，必须小心防止来自电和机械应力造成的损害。
这些低压电池组的传统保护电路可以监视电池电压，以防止给定电池过充电或过放电，和可以监视电流，以防止电流上升得太高。其它保护电路可以含有在充电或放电期间，在电池组冷却下来之前，禁止电流的一个或多个温度输入。还有一些保护电路可以设计成帮助维持电池上的电荷平衡，这些电路通常称为均衡电路。典型的保护电路可以与电池组中的一个给定电池或一组电池连接，以避免这些状况发生。例如，传统保护电路通常可以包括可以防止电流沿着每个方向流入的一对MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或其它半导体。
但是，对于诸如无绳电动工具之类的较高功率电子设备，需要比上述电压高得多的电压。因此，人们正在为无绳电动工具开发较高功率的电池组。这样的“高功率”电池组可以提供比传统NiCd和NiMH电池组高的电压输出(和比用于PC和蜂窝式电话的传统锂离子电池组高得多的功率)，和重量也减轻许多(与用作传统无绳电动工具中的电源的传统NiCd或NiMH电池组相比)。这些电池组的特征在于，该电池组可以呈现比传统NiCd、NiMH和/或甚至较低功率锂离子电池组低得多的阻抗特性。
并且，随着这些电池技术不断发展，引入较低阻抗化学成分和结构形式来开发生成高得多输出电压(例如，18V和更高)的二次电池可能引起另外几个保护问题。阻抗较低的电池组也意味着电池组可以向诸如电动工具之类的附着电子部件供应高得多的电流。随着流过附着电动工具的电机的电流增大，去磁磁势(例如，电机的电枢匝数×电流(安匝))可以显著地增大到超过电机的期望或设计极限。因此，这种不希望有的去磁可能烧坏电机。
例如，当工具处在失速(stall)状态下时，较低阻抗电源会损坏工具的电机。在电机失速期间，由于电机不会产生反向电动势，只电机和电池阻抗起限制电流的作用。电池组阻抗越小，电流就越大。较高的电流流过电机将增加工具电机内的永久磁铁去磁的可能性。
另外，工具的起动将产生额外起动电流和引起电机去磁。由于新电池可能被设计成比原无绳工具系统工作得更长和更耐用，在现有电动工具中使用低阻抗电源也会造成热过载。
因此，可能需要不同的保护控制来适当地解决出现在高功率电池组中的潜在故障状况，这些高功率电池组适合供现有无绳电动工具、和结合这些较高功率电池组使用制造的电动工具的加工线使用。具体地说，需要开发出保护控制，以处理出现在电池组(譬如，锂离子或NiCd电池组)的一个或多个电池中的诸如过充电、过放电、过电流、过高温度和电池失衡之类的故障状况，以便防止对电池组、诸如充电器或工具之类的附属设备、或在与充电器或工具相连的电池组附近的用户造成内部或外部损害。
发明内容
在包括电池组的无绳电动工具系统中，本发明的示范性实施例旨在针对设计成在可操作地附在电动工具或充电器上的电池组中提供保护以防故障状况，以便防止对电池组或附属工具或充电器造成内部或外部损害的保护方法、保护结构(arrangement)和/或器件。这些示范性方法、电路和器件解决了诸如过充电、过放电、过电流、过高温度等电池组中的故障状况问题。
根据本发明一实施例，提供了一种适合向无绳电动工具供电和包括多个串联电池的电池组，该电池组包括适合根据在电池组中检测的故障状况限制或中断电池组中的电流的保护结构；以及至少一个保护电路，用于针对电池组中的潜在过放电故障状况监视电池组电压，和适合如果监视的电压达到给定动态电压阈值，自动执行切断电池组中的电流流动，其中，通过从绝对阈值电平中减去一部分瞬时放电电流改变动态电压阈值，以补偿电池组的阻抗和避免因监视的电压暂时下降到阈值以下造成的电流流动的错误自动切断。
根据本发明另一实施例，提供了一种适合向无绳电动工具供电的电池组，包括：两个或更多串联的电池单元；保护电路，配置成监视电池单元的电压，并输出检测信号；电池保护电路，配置成从保护电路接收检测信号，并可操作为当电压达到动态电压阈值时中断来自电池组的电流流动，其中改变动态电压阈值以补偿电池组的阻抗。
根据本发明另一实施例，提供了一种适合向无绳电动工具供电的电池组，包括：两个或更多串联的电池单元；保护电路，配置成监视电池单元的电压，并输出检测信号；电池保护电路，配置成从保护电路接收检测信号，并可操作为当电压达到动态电压阈值时中断来自电池组的电流流动，并与从电池组放电的瞬时电流相关地调整动态阈值。
附图说明
通过参照附图给出详细描述，可以更完全地了解本发明的示范性实施例，在附图中，用相同的标号表示相同的单元，和这些附图只是表示本发明的示范性实施例，而不是限于本发明的示范性实施例。
图1表示按照本发明一个示范性实施例的保护结构的局部方块图；
图2表示按照本发明另一个示范性实施例的保护结构的局部方块图；
图3A是表示按照本发明一个示范性实施例的示范性电池组和示范性电池充电器之间的部件和连接的方块图；
图3B是表示按照本发明一个示范性实施例的示范性电池组和示范性电动工具之间的部件和连接的方块图；
图4是按照本发明一个示范性实施例的表示过充电保护的电池组和充电器之间的连接的局部方块图；
图5是按照本发明另一个示范性实施例的表示过充电保护的电池组和充电器之间的连接的局部方块图；
图6是按照本发明一个示范性实施例的表示保护电路实行的过放电保护的自动切断的电压随时间变化曲线；
图7是按照本发明一个示范性实施例的表示过放电保护的修正阈值的电压随时间变化曲线；
图8A和8B表示按照本发明一个示范性实施例的用于过电流保护的示范性器件；
图9表示按照本发明一个示范性实施例的提供过高温度保护的器件；
图10表示按照本发明一个示范性实施例的热敏电阻的连接结构；
图11是表示提醒电动工具的操作人员电池组中的即将出现故障状况的方法的流程图；
图12是表示按照本发明一个示范性实施例的确定SOC和改变电机电流开关频率的示范性结构的方块图；
图13A是单层电池的等角投影图；
图13B和13C表示按照本发明一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件；
图14A和14B表示按照本发明另一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件；
图15A和15B表示按照本发明另一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件；
图16A和16B表示按照本发明另一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件；和
图17-19表示按照本发明一个示范性实施例的无绳电动工具系统的示范性无绳电动工具。
示范性实施例详述
现在一般性地参照附图，说明按照本发明示范性实施例的原理构成的无绳电动工具的系统。所示该系统的示范性无绳电动工具包括，举例来说，环形电锯10(图17)、往复电锯20(图18)和电钻30(19)。工具10、20和30每一个都可以包括适合由具有给定额定电压值的电源供电的传统DC(直流)电机(未示出)。在示范性实施例中，工具10、20和30可以由具有至少18V的额定电压值的可拆卸式电源驱动。对于本领域的普通技术人员来说，显而易见，本发明既不局限于如图所示的具体工具类型，也不局限于特定电压。关于这一点，本发明的原理实际上可应用于任何类型的无绳电动工具和任何电源电压。
现在继续参照附图，可拆卸式电源可具体化成电池组40。在所表示的示范性实施例中，电池组可以是可再充电电池组40。电池组40可以包括串联的多个电池、和/或多个串联电池串，其中电池串相互并联。为了便于描述本发明的示范性实施例，电池组40可以由含有锂离子电池化学成分的电池组成。由于示范性实施例旨在针对无绳电动工具环境，这需要电压额定值比使用锂离子电池技术的传统低压设备(譬如，膝上型计算机和蜂窝式电话)高得多的电源，所以电池组40的额定电压值可以是至少18V。
但是，就电池组40的各个电池、电极和电解液的化学成分构成而言，电池组40例如可以由诸如锂金属或锂聚合物之类的另一种锂基化学成分、或诸如镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)和铅酸之类的其它化学成分的电池组成。
图1表示按照本发明一个示范性实施例的保护结构的局部方块图。图1表示一部分电池电路和具体表示像图17-19中的电池组40那样的电池组的每个电池105的各自保护器件102。在图1中，每个保护电路102适合执行限流功能。在一个例子中，可以将保护电路102具体化成热敏电阻器件，其中，热敏电阻器件是电池的一部分或包含在电池内。
热敏电阻是用于描述其主要特性是它们的电阻随它们的温度改变而改变的一类电子部件，即，‘热敏电阻’的术语。热敏电阻可以进一步分类成‘正温度系数’器件(PTC器件)或‘负温度系数’器件(NTC器件)。PTC器件是其电阻值随它们的温度升高而增大的器件。NTC器件是其电阻值随它们的温度升高而减小的器件。NTC热敏电阻通常由基于过渡金属氧化物的陶瓷材料的专有配方制成。
在图1中，可以将保护器件102具体化成PTC器件，它可以保护一串电池免受热过载。如果某一个电池变热了，那个电池内的PTC器件的电阻就增大，限制电流流过整串电池。这种保护电池的方法的缺点在于，它需要许多执行限流功能的器件(在本例中，PTC)作为保护器件102。
图2表示按照本发明另一个示范性实施例的保护结构的局部方块图。使用多个保护器件102的可替代方案是每个电池都包括一个专用保护电路210，其例如检测像电池组40那样的电池组中的一个或多个电池组参数。这些参数包括流过电池组的电流、温度、电压和阻抗，但不限于这些。保护电路210可操作地与相应驱动电路220连接。电平移动电路220可以与多个AND(“与”)门(如方框230所示)连接，以便将保护电路210与执行限流或断流功能的主器件240链接。如果某一个保护电路检测到一个问题，它可以从高电平输出状态改变到低电平输出状态。AND门保证了只有所有保护电路的输出都处在高电平上(OK)主器件240才接通。另外，可以设想，相反逻辑电路可以与正常输出低电平和代之使用NOR(“异或”)门的保护器件一起使用。如图2所示，主器件240可以具体化成诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的半导体器件。因此，如果电池组含有串联的多个电池105，那么，示范性配置可以设想成与诸如MOSFET之类，允许/禁止电流流过的主器件240连接和控制它的一组保护电路210(每个电池指定一个)。
正如上面所讨论的那样，使用多个专用保护电路210例如可能需要如图2所示的相应电平移动电路220，其使来自最高电位电池的电压变化量降低到正常电平以开关主半导体器件240。如果监视每个电池是过多的，那么，可以用单个保护电路210和用于限流或断流的单个主器件240监视数组电池或整个电池组。
图3A是表示按照本发明一个示范性实施例的示范性电池组和示范性电池充电器之间的部件和连接的方块图。图3A仅仅是示范性电路配置和作为更清楚地描述按照示范性实施例的各种保护方法、电路和器件的背景提供的。
参照图3A，电池组100可以包括串联的多个电池105(为了简单起见，示出了6个，电池组100可以包括多于或少于6个的电池，或可以由串联串相互并联的串联电池串组成)。为了便于描述电池组100的示范性实施例，电池组100可以由含有锂离子电池化学成分的电池组成。由于示范性实施例旨在针对无绳电动工具环境，这需要电压额定值比使用锂离子电池技术的传统设备高得多的电压，所以电池组100的额定电压值可以是至少18V。
因此，图3A中(和图3B中)的电池组100可应用于至少包括无绳电动工具、电池组和充电器的无绳电动工具系统和/或为该无绳电动工具系统设计的。电池组100可以理解为用于高功率电动工具操作的可拆卸式电源。在一个例子中，电池组100可以具有至少18V的额定电压值和/或具有至少约385W的最大功率输出。但是，对于本领域的普通技术人员来说，显而易见，本发明既没有必要局限于如图17-19所示的具体工具类型，也没有必要局限于如上所述的特定电压值和/或功率输出规定。
就电池组100的各个电池、电极和电解液的化学成分构成而言，电池组100可以进一步例如由诸如锂金属或锂聚合物之类的另一种锂基化学成分、或诸如镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)和铅酸之类的其它化学成分的电池组成。
在图3A中，示出了七个线端(线端1-7)。但是，由于取决于在电池组100或充电器150之间经过的所需信息，或电池组100或充电器150监视的参数，可以包括更多或更少的线端，这些示范性实施例不应该局限于这种线端配置。
电池组100还可以包括当插入充电器150中时用于识别电池组100的与输出端(线端1)连接的电池组ID 110。电池组ID 110可以包括，例如型号、版本、电池配置和诸如锂离子、NiCd或NiMH之类的电池类型(化学成分)。电池组ID 110可以具体化成如在颁发给Hiratsuka等人的美国专利第5,680,027号中描述的那样，通过电池组100中的异步全双工通信系统从电池组100的输出端1接收的一个或多个通信代码。但是，这只是一个例子，因为电池组ID 110也可以通过ID电阻、显示电池组的标识数据的LED显示器、根据约定发送和由工具/充电器例如通过线端2检测的串行数据、和/或通过空中界面发送到工具/充电器的数据的帧中的字段等具体化，
电池组100可以进一步包括一个或多个温度传感器120。温度传感器120可以具体化成NTC或PTC热敏电阻、温度检测集成电路、或温差电耦。温度传感器120可以将电池组100内的温度传送到电池组100中的智能部件和/或通过线端3传送到例如相连充电器150中的智能部件。由于这样温度传感器的功能是众所周知的，为了简洁起见，这里省略对功能操作的详细说明。用于充电和放电的电连接被表示成线端1和7。
电池电子控制单元125可以负责保护电池105以防由用户(通过充电器150，附属工具，和/或由于用户干预)在线端上造成的任何故障状况。电池电子控制单元125可以用硬件或软件具体化成数字微控制器、微处理器、模拟电路、数字信号处理器，或例如通过像专用集成电路(ASIC)那样的一个或多个数字IC具体化。
放电电流和充电电流可以在电池电子控制单元125的控制下，利用半导体器件130a(放电FET)和130b(充电FET)接通或中断。电池电子控制单元125可以由如图所示的内部电源135供电，和半导体器件130a和130b可以通过驱动电路140链接。
电池组100可以进一步包括检测电流和将信号提供给电池电子控制单元125的电流检测器145。电流检测器145可以具体化成可以将代表电池组100中的检测电流的信号提供给电池电子控制单元125、诸如分流电阻、电流变换器等的当前检测器的公知部件。半导体器件130a可以包括当器件130a断开和电池组100处在休眠状态时起旁通半导体器件130a作用的下拉电阻147。
电池组100还可以包括电压监视电路115。电压监视电路115可以例如通过任何已知电压监视电路具体化，和可以配置成检测各个电池电压和/或检测电池串105的总电池组电压(‘叠加电压’)，将代表各个电池或叠加电压的信号提供给电池电子控制单元125。作为一种变型，和取代配置成检测各个电池和总叠加电压两者的单个电压监视电路115，电池组100可以包括如图3A所示的电压监视电路，它例如包含检测各个电池电压的多个第一电压监视电路(如115A概括显示)和检测电池110的总叠加电压的第二电压监视电路115B。
回头参照例如图2，保护电路210可以至少包括电池电子控制单元125、电流检测器145、电压监视电路115和温度传感器120，和可选地，可以进一步包括电池组ID110和诸如电源135之类的内部电源。驱动电路140可以与图2中的驱动电路220类似，和半导体器件103a和130b可以单个或一起代表在保护电路210的控制下具有限/断流功能的主器件240。
参照图3A，在放电期间，电池电子控制单元125可以输出脉宽调制(PWM)控制信号来驱动驱动电路140。例如，在电子业中通常使用形成脉冲的半导体(脉宽调制器(PWM))来产生与占空比成正比的平均电压。PWM是脉冲宽度随调制信号的某种特性而变化的调制。可替代地，可以使用脉频调制来产生这个平均电压。在每一种情况中，半导体器件130a和130b(可以分别具体化成放电FET和充电FET)可以在接通和断开状态之间切换，以产生与切换的占空比成正比的平均电压。
在放电期间，驱动电路140电平移动电池电子控制单元125的PWM输出，以驱动半导体器件130a的栅极，使半导体器件130a取决于检测的状况，在接通和断开之间循环。由于半导体器件130a是反向偏置的，器件130b只有在存在二极管压降的情况下才让电流通过。如果电流是20A和器件130b具有0.6V的正向电压，功耗只有12W。如果这个功耗合乎要求，电池电子电路125可以将状态信号输出到驱动电路140，驱动电路140命令半导体器件130b在对半导体器件130a产生PWM作用期间保持在接通状态。现在，器件130b损耗的功率将是它的通态乘以电流的平方(I2RON)。今天的MOSFET通常具有10mΩ的通态(RON)，因此，在20A上，功耗只有4W。其结果是放电受到控制和通过半导体器件的损耗更低了。
在放电期间，可以应用反向逻辑电路。半导体器件130a相对于电流流向是反向偏置的，尽管在断开状态下是导通的，为了使损耗量最小，器件130a应该保持在接通状态。半导体器件130b可以根据来自电池电子控制单元125经过驱动电路140的信息控制充电电流。包含驱动电路140的部件布局在现有技术中是已知的，为了简洁起见，这里不再加以描述。
当电池组100与充电器150连接时，可以通过线端1和6从电池内部电源135对充电器150中的充电器电子控制单元155供电。这只是一种示范性连接方案，因为可以应用其它向充电器电子控制单元155供电的装置。充电器150可以拥有它自己的电源或直接从电池电压中引出。充电器电子控制单元155也可以用硬件或软件具体化成数字微控制器、微处理器、模拟电路、数字信号处理器，或例如通过像专用集成电路(ASIC)那样的一个或多个数字IC具体化。电池和充电器数据和控制信息可以通过线端4和5上的串行数据路径交换。充电器电子控制单元155可以用设置电压和设置电流驱动功率控制器160，通过线端1和7将所需电压和电流从电源165传送到电池组100。
图3B是表示按照本发明一个示范性实施例的示范性电池组和示范性电动工具之间的部件和连接的方块图。图3B仅仅是示范性电路配置和作为更清楚地描述按照示范性实施例的各种保护方法、电路和器件的背景提供的。图3B的电池组和工具配置可应用于图17-19的任何一个中的示范性无绳电动工具和等效物。在图3B中，表示‘聪明’电动工具170，不言而喻，电池组100也适合向‘傻瓜’电动工具，即，没有诸如微处理器之类的智能器件或微电子控制部件的电动工具供电。
参照图3B，可以通过线端1和6从内部电池电源135向电动工具170供电。工具170可以包括当半导体器件130a(放电FET)断开时将线端7推到高电平上的机械开关175。如果在电池组100处在休眠状态的同时半导体器件130a保持断开，由于下拉电阻147，线端7上的电压处在低电平上。这个电阻应该具有相当高的阻值，因为它起旁通半导体器件130a的作用。在这个下拉电阻147适当和半导体器件130a处在断开状态的情况下，线端7上的电压保持在低电平上，直到工具170中的开关175被启动。其结果是，电源线端7的电压马上升高，和经过电源线端7的信号可以用于将电池组100从休眠操作模式中唤醒。工具170可以包括工具电子控制单元180。工具电子控制单元180也可以用硬件或软件具体化成数字微控制器、微处理器、模拟电路、数字信号处理器，或例如通过像专用集成电路(ASIC)那样的一个或多个数字IC具体化。
工具电子控制单元180是可编程的，以便读取触发器181的触发器位置和通过线端4和5上的串行数据路径向电池电子控制单元125报告触发器位置。根据触发器位置数据，电池电子控制单元125可以通过半导体器件130a改变PWM占空比，以获取工具电机190的所需电机速度。在半导体器件130a断开的同时，工具170中的二极管195可以再循环残余电机感应电流，以防其中出现电压尖脉冲。正向/反向开关185通常用于无绳工具，这里将不再加以描述。
傻瓜工具(未示出)可以只含有配置成电位器和与线端1，4或5之一连接、和与线端6连接的触发器181。电池电子控制单元125可以识别串行数据通信是否存在和对线端4或5上的电压进行模拟分析。根据分析结果，电池电子控制单元125可以通过驱动电路140发送PWM控制信号，使半导体器件130a按所需占空比开关，以便产生预定电机速度。作为接通/断开工具也可以存在更傻瓜的工具。为了进行操作，只要求这些工具与线端1和7连接。
过充电保护
存在两种基本的用于对电池组再充电的电池充电器：细流式充电器和快速充电器。细流式充电器要比快速充电器便宜得多；但是，细流式充电器对电池组再充电大约需要1/2天。快速充电器可以在约一个小时内对电池组再充电。由于充电器或电池组中的一些故障状况或系统故障，可能会出现过充电故障状况。通常，电池组中的保护电路可以通过监视电池组两端的电压检测过充电故障状况。在充电期间，电压会达到特定阈值。充电器因此认为电池组‘得到完全充电’和终止充电电流。如果充电器因部件故障而被锁在接通状态上，最好使电池组能够在电池电子控制单元125的控制下，用诸如充电FET(半导体器件130b)之类它自己的半导体器件禁止充电电流流过。
过充电控制可以利用电池组和充电器之间的充电锁定接通检测电路(也称为‘硬件看门狗电路’来提供。一般说来，如果充电器被锁在接通状态上和脉冲化数据(例如，通过适当串行数据路径从电池组提供给充电器的时钟脉冲)停止了，那么，硬件看门狗可以自动断开电流流动。
传统硬件看门狗电路通常位于充电器中。这个电路监视充电电流和寻找充电电流中的10ms电流断开重置脉冲。在典型的充电情形中，充电器中的微处理器(譬如，充电器电子控制单元155)可以利用充电控制线ICTRL产生这个重置脉冲。在异常情况下(例如，充电器微处理器已经将电流完全锁定在接通状态上或充电器电源已经将电流完全锁定在接通状态上)，硬件看门狗电路将暂停工作和利用充电FET断开充电电路。但是，在传统结构中，如果充电器中的微处理器继续产生重置脉冲，而从来没有终止快速充电(例如，由于不适当微处理器行为)，仍然可以使电池组过充电。
图4是按照本发明一个示范性实施例的表示过充电保护的电池组和充电器之间的连接的局部方块图。在图4中，为了方便起见，示出了七个线端和六个电池。不言而喻，在示范性实施例中也可以表示更多或更少的线端和电池。
在图4中，电池组100至少包括电池电子控制单元125、半导体器件130b(譬如，充电控制FET)和温度传感器120。温度传感器120可以例如具体化成内部NTC热敏电阻。充电器150可以至少包括充电器电子控制电路155、充电FET 157和硬件看门狗电路158。
电池电子控制单元125可以接收来自内部NTC热敏电阻的电池温度值和可以通过线端3和/或4上的串行数据路径将这个信息传送到充电器电子控制电路155。在由于过充电状况造成极端电池温度的情况下，电池电子控制单元125通过驱动电路140发送PWM控制信号或脉冲以断开半导体器件130b，可以终止充电电流。可替代地，这个控制信号可以通过线端3和/或4上的串行数据路径发送到充电器电子控制电路155，以断开充电器150中的的充电FET 157。但是，在电池组100中存在两点故障-短路半导体器件130b(充电控制FET)和在电池电子控制单元125或充电器电子控制电路155之一中出现不适当单元行为的情况下，仍然有可能使电池组100过充电。
图4中的带箭头虚线示出了含有多个重置输入端的硬件看门狗电路158(下文称为看门狗158)。除了监视充电电流重置脉冲之外，看门狗158还像重置脉冲那样，监视串行通信时钟脉冲路径(通过线端3)。如果这些重置脉冲的某一个没有出现，看门狗将暂停工作和断开充电电流。在电池组100中存在两点故障-短路充电控制FET(例如，器件130b)和在电池电子控制单元125或充电器电子控制电路155之一中出现不适当单元行为的情况下，仍然有可能使电池组100过充电。
除了监视充电电流重置脉冲之外，看门狗158还直接监视温度传感器120(譬如，NTC热敏电阻)上的电池组温度，以检测过充电状况。在图4中，短路电池充电控制FET(半导体器件130b)和电池电子控制单元125或充电器电子控制电路155中的任何故障都不影响看门狗158为了检测和终止过充电状况而监视电池组温度的能力。
除了监视充电电流重置脉冲之外，看门狗158还利用电路415A和线端6监视各个电池电压，以检测表示过充电状况的过电压状况。在图4中，短路电池充电控制FET(半导体器件130b)和电池电子控制单元125或充电器电子控制电路155中的任何故障都不影响看门狗158为了检测和终止过充电状况而监视各个电池电压的能力。
除了控制硬件看门狗之外，用于监视各个电池电压的电压监视电路415A还可以通过驱动电路140直接控制电池组100中的充电FET 130b，和/或通过AND逻辑电路(151)和线端6直接控制充电器(157)中的充电FET。这由电压监视电路415A和驱动电路140之间的虚线示出。这种控制使电路415A可以停止由各个电池的过电压引起的过充电状况。
除了监视充电电流重置脉冲之外，看门狗158还利用电压监视电路415B和线端7监视电池叠加电压，以检测表示过充电状况的过电压状况。在图4中，短路电池充电控制FET(半导体器件130b)和电池电子控制单元125或充电器电子控制电路155中的任何故障都不影响看门狗158为了检测和终止过充电状况而监视电池叠加电压的能力。
除了控制硬件看门狗之外，用于监视电池叠加电压的电压监视电路415B还可以通过驱动电路(140)直接控制电池中的充电FET(130b)(参见可选虚线425)，和/或通过AND逻辑电路(151)和线端(7)直接控制充电器(157)中的充电FET。这种控制使电压监视电路415B可以停止由整个电池叠加电压的过电压引起的过充电状况。
图5是按照本发明另一个示范性实施例的表示过充电保护的无绳电动工具系统的电池组和充电器之间的连接的局部方块图。为了清楚起见，图5省略了电压监视电路415A和41B，不言而喻，与如图4所示相似，各个电池电压和总叠加电压两者都可以输入图5中的硬件看门狗电路158′中。
图5是图4与表示带有多个输入端的看门狗158′的混合。看门狗158′监视充电重置脉冲、时钟重置脉冲、和NTC信号、电池电压、和/或电池叠加电压，以便检测充电锁定接通状况。即使在电池组100中存在短路充电控制FET 130b和在电池电子控制单元125或充电器电子控制电路155之一中出现不适当单元行为的情况下，仍然可以切断充电电流，和可以减少NTC输出端与时钟脉冲线端共享所需的线端数量。因此，图4和5中的示范性硬件看门狗电路通过监视电池组100和充电器150两者的状况，可以防止电池过充电。即使在电池组100和充电器150之一(或两者)中存在两点故障，譬如，短路电池充电FET和不适当微处理器行为的情况下，过充电保护仍然保持有效。
过充电故障状态的确定也可以由其它装置完成。如果在放电期间电池组中的电流检测器(譬如，电流检测器145)进行精确电流测量，那么，电池电子控制单元125可以进行电量测量，将取出的能量放回原处。这种测量可以与电池组100中的保护电路210进行的电压测量结合在一起或不结合在一起用于检测过充电故障状况。
过放电保护
当放电超过制造商的推荐值时，各种的电池技术都会受到伤害。按照示范性实施例，像上面图3A或3B所示那样的电池组100可以包括当电池电压下降到低于给定电压阈值时阻止电流流过，因此，欠电压锁定断开的电路。电池组中的保护电路210可以检测电池电压，如果电池电压下降到低于给定电压电平，关断放电FET(半导体器件130a)。电池105仍然易被充电，但也不再放电。阈值例如可以是在制造时设置的绝对阈值，或可以随给定因素的数量而变化的阈值。
图6是按照本发明一个示范性实施例的表示保护电路实行的自动切断的电压随时间变化曲线。为了在无绳电动工具系统的电池组中提供保护以防过放电故障状况，如果电压达到给定阈值，图3A-5中的示范性保护电路210(像图2所示那样)和/或电池电子控制单元125可以自动切断电池组100中的电流。
对上述电压阈值的一种改进可以是将阈值与一部分放电电流组合在一起，以补偿电池组100的阻抗。使阈值基于绝对电平和减去一部分瞬时电流可以提供欠电压锁定断开的可替代方法。
图7是按照本发明一个示范性实施例的表示过放电保护的修正阈值的电压随时间变化曲线。为了便于描述图7，图2的保护电路210或电池电子控制单元125可以配置成进行如下计算和/或进行自动切断。图7示出了电池组处在10％充电状态的例子。通过加入一部分放电电流以补偿电池组100的阻抗，电池组100仍然在2.7V的给定放电阈值之上。
例如，如果将10A脉冲负载施加在电池组100上，电池阻抗使电压即刻跌到阈值之下，当除去电流脉冲时，返回到它的静态值。尽管电池组100还保留10％的充电，保护电路将中断电流流动。但是，如果低压阈值被如在上段中所述那样的电流部分补偿，阈值在大电流流出期间将下降，不会出现切断现象。换句话说，通过减去一部分瞬时放电电流以补偿电池组阻抗，可以改变低压阈值，从而避免了不必要的自动切断。
一旦电池组的阻抗已知，那么，就可以计算与电流有关的那一部分低压阈值。可能影响低压阈值的另外电池因素可能包括电池温度、电池年龄、和电池电压的下降速率等。
过电流保护
图8A和8B表示按照本发明一个示范性实施例的可以在电池组中用于过电流保护的示范性器件。为了简洁起见，图8A和8B只表示一部分电池组电路。但是，图8A和8B中的器件可以是像图3A-5的任何一个所示那样的电池组100的一部分。可以使电池损坏的另一种机理是过电流。各种的电子开关方法都可能存在电子开关在短路状况下易出故障的缺点。当发生这种情况时，操作人员会使附属工具的电机过载。对于包括分立阻抗支路的电池组电路设计，诸如熔丝或熔线之类的器件可以用于限制经过那个电路分支的最大电流。
由于熔丝的基本功能是防止短路，所以熔丝一般不设计成提供过载保护。然而，双元件(两元件)熔丝或时间延迟熔丝可以提供辅助电机过载保护，但由于这些熔丝是不可更新的，当被烧断时，必须替换掉。因此，这样的熔丝可以代表二次故障和旨在例如防止进一步的操作。
因此，像图8A所示那样的简单熔丝可以设计成限制电池105的电流，但是，一旦超过它的额定值，也会造成永久性损害。诸如正温度系数(PTC)元件和可重新设置熔丝之类的其它器件可以取代图8A中的熔丝用于过电流保护。正如上面所讨论的那样，公知PTC器件或元件作为控制流过要保护的电路的电流的保护元件，因为它们的电阻值随它们在过电流状况下放出热量而增大。例如，PTC热敏电阻已经用作过电流保护元件。当电路变成过载时，具有PTC特性的PTC热敏电阻的导电聚合物发热和热膨胀变成大电阻值，从而使电路的电流减小到安全的相对小的电流电平上。
因此，如果像上述那样的PTC器件与电池串联，总电池组阻抗将随电流增大而增大。如果需要相当低的阻抗和没有单个商用PTC器件能提供所需低阻抗和/或电流容量，那么例如如图8B所示，可以使多个PTC相互并联来分担电流。
如果在电池组中设想出分立充电和放电路径或支路，那么，可以将诸如PTC元件之类的热熔丝放在每条电流路径上。这样做的好处在于，充电路径使用小电流器件和放电路径使用大电流器件。
熔丝与线端较接近的附近位置还可以提供将电子设备的下游分支与非隔离充电器隔离开的附加好处。如果电池组100充分熔化使电池105和电子线路暴露出来，与线端接近的熔丝(已经烧断)将使暴露金属与非隔离充电器输出端断开，从而形成电隔离，有可能保护附属充电器(或工具)中的电子部件。因此，将图8A中的熔丝(或PTC元件)放置得与线端较接近可以在电池组100中提供附加过电流保护。
一旦达到过电流阈值就利用电流检测手段(譬如，图3A和3B的电流检测器145)和半导体器件(譬如，半导体器件130a和130b)来停止电流流动可能是防止电池损害的合乎需要方法。例如，电流检测器145可以适用于检测电池组电流，根据超过给定电流极限或阈值的检测电流生成控制信号。具有限流或断流功能的半导体器件(例如，半导体器件130a和130b)可以直接与电流检测器145连接。半导体器件可以适用于根据直接从电流检测器145接收的控制信号，而不是通过驱动器140从电池电子控制单元125接收的控制信号限制或中断电流。
如果瞬时高电流负载是可接受的，但稳定状态高电流是不可接受的，也可以使电流检测与求平均算法结合。适用的电流极限或阈值也可以是可变的，和与电池的温度成正比。这种做的好处在于，如果电池已经很热，流出的最大电流就不足以使内部电池化学成分过热。
过高温度保护
一些电池也可能受极端温度(极端高温或低温)损害或由于极端温度具有下降的性能(即，下降的电压和/或电流输出)。这尤其与含有锂离子电池化学成分的电池组有关。可以将电池温度阈值设置在它冷却到所需或给定温度以下之前切断电池组。同样，可以将电池温度阈值设置在它升高到所需或给定温度以上之前切断电池组。这些阈值也可以基于部分取决于电流、电压、年龄、和温度上升或下降速率的设置极限。正如上面所讨论的那样，一个或多个温度传感器可以用于确定电池组温度的状态。
图9表示按照本发明一个示范性实施例的提供过高温度保护的器件。电池中的过高温度故障状况可以造成永久性损害。因此，配置成监视绝对温度的保护电路可用于防止过高温度状况。为了简洁起见，图9只表示一部分电池组电路。但是，图9中的器件可以是像图3A-5的任何一个所示那样的电池组100的一部分。
如图9所示，保护电路210可以具体化成打开大电流触点920的热开关910。这些触点可以位于电路内，以便在温度下降到可接受水平之前，停止电池组100内外的任何电流流动。这些器件通常可以设置成在预定温度上断开和通常例如可以在咖啡壶中找到。一旦咖啡壶中的水沸腾，加热元件温度就升高到212°F以上。温度开关检测这个温度和断开温度控制开关。当电池组(或电池)温度变得太高时，电池组100中的充电和/或放电功能就被禁止。
可替代地，热控制释放机构可以将电池组100‘弹出’工具170或充电器150，和在电池组100冷却之前阻止它重新插入。正如从如下的进一步细节中看到的那样，这种器件与目的在于提供将弹出器件限制在电池组100内的锁定机构的“弹出计时器”相似。提供保护以防过高温度故障状况的另一种器件是热敏电阻中的使用。热敏电阻可以用在电池组100中，在保持热敏电阻与电池105完全电隔离的同时监视温度状况。
当前，制造商通常可以使热敏电阻包括在电池组中，监视核心电池组的温度，和在出现过高温度状况的情况下，终止充电。这些热敏电阻具有其中一端外出与充电器150的线端连接，和另一端通过与电池组中的负线端引线约束接地的连接结构。
为了使诸如锂离子电池组之类的高功率电池组适合与现有无绳电动工具、和其制造使之使用这些高功率电池组的电动工具的加工线结合使用，上面这种连接结构可能存在问题，因为这种连接结构在经过热敏电阻的充电路径上产生电位。如果少量电流经过热敏电阻，可能在配备在电池组100和充电器150中的保护控制和电路外部对电池组充电。这可能导致电池组100的无意过充电，一种潜在危险状况。
图10表示按照本发明一个示范性实施例的热敏电阻的连接结构。在图10中，为了清楚起见，只示出电池组100的负线端和正线端。为了简洁起见，图10只表示一部分电池电路。但是，图10中的热敏电阻可以是像图3A-5的任何一个所示那样的电池组100的一部分。可以将热敏电阻的两条引线(Th+和Th-)引到电池组之外的独立线端2和3上。这些线端可以与像充电器电子控制单元155的温度监视电路那样例如充电器150内的温度监视电路交接(为了清楚起见，在图10中未示出)。这样就可以在保持热敏电阻与电池组100中的充电路径完全隔离的同时，监视电池组100的温度。这样做的话，就不存在经过热敏电阻的充电路径和不存在通过热敏电阻使电池组100过充电的电位。
可听/可视警告机构
在切断电池供电之前，最好向由附着电池组供电的无绳工具的操作人员提供某种警告。与出现故障状况或正在出现过程中的情形类似，在车主的汽车中，在由于故障状况使引擎遭到破坏(例如，由漏油引起的活塞损坏)之前，可以在给定持续时间内在汽车仪表板上向车主发出警告光。
欠电压和温度限制两者都可以用于切断，即，一旦达到阈值，电池组100就停止输出电流。但是，在出现这样的故障状况(譬如，达到欠电压或过高温度阈值)之前，电池组或工具中的警告机构可以警告操作人员，操作人员正在接近可能自动切断电池组中的电池供电的电池组中的即将出现操作极限。警告机构可以是听得见的(借助于喇叭或蜂鸣器)或例如利用像LED那样的所需照明方案，可以是看得见的。
可以将可听和/或可视警告机构结合到电池组100或工具170中的现在电路中。正如上面所讨论的那样，图3A到5的任何一个中的电池组100、工具170或充电器150可以由电池组、工具、充电器等中的智能部件控制。像电池电子控制单元125或工具电子控制单元180那样的智能部件可以配置成控制对于各种即将出现或已出现故障状况的警告机构。举例来说，可以提供分立的可听或可视警告，以便提醒工具的操作人员电池组100中的过放电状况、电池组100中的过电流状况、电池组100中或附属工具170的电机190中的过高温度状况、和/或电池组100中由从电池组100中流出的过量电流引起的欠电压状况。
正如上面所讨论的那样，达到即将出现自动电池供电切断之前的警告机构可以以许多不同形式具体化。上述诸如喇叭、蜂鸣器、和扬声器声音之类的可听警告在一些工作环境下是可接受的，但在喧闹环境下工具操作人员可能听不见。诸如特定照明和仪表之类的可视提示在极其黑暗或相当明亮工作区域中工具操作人员也有可能觉察不到。
提醒工具操作人员的可替代警告机构可以用工具电机的电机控制具体化。一般说来，工具或电池组之一中的电子电路可以降低电池组的最大功率输出能力和造成“折返”状况。操作人员可以听到和感觉到这种工具性能‘变弱’的状况。因此，可以提示操作人员退避和避免即将出现故障状况(例如，欠电压、过高温度、过低温度状况等)。
提醒用户即将出现故障状况的另外方法可以是改变电机控制的脉宽调制(PWM)以便在电机的速度中产生“颤动”效果。这种电机速度的温和周期性变化是这样选择的，它不会对工具性能造成负面影响。这种方法将对即将出现故障状况的可听或可触觉反馈提供给用户。
提醒用户即将出现故障状况的第三种方法可以是将PWM频率降低到可听频率范围和周期方式地改变音调。这样就可以给出引起操作人员注意的有效警告机构。起码，该警告机构给予操作人员以警告感觉，使他们能够完成当前工作，但在使电池组停止或再充电以消除或克服即将出现故障状况之前不能继续转移到另一个工作。
上面警告机构的任何一种，无论单独使用还是与上面警告机警的另一种或几种结合在一起使用，都有可能提高工具功能和延长工具和/或电池组寿命。下面详细描述是针对根据电池组中的充电状态在电动工具的电机中提供上述颤动效果的后一种警告机构。
PWM充电状态(SOC)指示器
PWM充电状态(SOC)指示器的用途是提醒操作人员可能引起自动电池供电切换，导致电池组‘失效’的即将出现故障状况。这可以通过在作为电池组电路的一部分的电机控制单元中直接确定SOC信息来实现。根据SOC信息，电池组中的电机控制单元可以改变电机电流开关频率，以便在工具电机中产生可以被工具操作人员听见的和/或可以身体感觉到的‘颤动效果’。
图11是表示提醒电动工具的操作人员电池组中的即将出现故障状况的方法的流程图。参照图11，电池组中的电机控制单元(未示出)可以测量各种电池组参数，以确定给定时刻电池组中的充电状态(SOC)信息(S1110)。电机控制单元可以用硬件或软件具体化成例如数字微控制器、微处理器或模拟电路，和/或通过诸如数字信号处理器或专用集成电路(ASIC)之类的数字IC具体化。根据SOC信息，电机控制单元确定对工具电机产生影响的所需电机电流开关频率(S1120)，以便产生提醒操作人员的颤动效果(S1130)。
有许多评估、跟踪和确定电池组的SOC的方式。例如，由电机控制单元测量以确定SOC信息的电池组参数可以包括电池组电压、电量(库仑)计数(Ahin-Ahout)、总电池组100阻抗等。然后，电机控制单元根据SOC信息决定电机电流开关频率。
工具170电机的电机电流开关频率可以以许多提醒用户的方式操纵。因此，调整电机电流开关频率使工具的电机能够与工具操作人员通信。开关频率可以在可听频率范围内选择，以便电机发出操作人员可触觉的噪声。示范性可听频率可以例如是工具电机发出的恒定频率音调、可变频率铃声音调、或模仿工具操作人员说话声音的一系列复合多频率音调。另外，电机控制单元可以将脉冲提供给电机，以便以让操作人员知道例如电池电量耗尽，或接近要求引起注意的故障状况的方式使工具在身体上作来回移动或振动。
脉宽调制电机以提醒操作人员诸如低SOC状况之类的即将出现故障状况的方法也可以用于传达其它故障状况。例如，可以将电机电流开关频率调整成根据与电池组中的过高温度状况、工具电机中的过高温度状况、电池组中的过电流状况和/或由从电池组中流出的过量电流引起的欠电压状况有关的检测信息提醒工具操作人员。电流、温度和电压仅仅是可以对给定故障状况加以跟踪的示范性可测量参数。
图12是表示按照本发明一个示范性实施例的确定SOC和改变电机电流开关频率的示范性结构的方块图。与图3B有些相似，图12示出了电池组100′和工具170′之间的电路交接关系，但为了清楚起见，只示出了某些部件。
参照图12，正如上面参照其它几个附图所讨论的那样，IC1、R1和Q1对保护电路和电池平衡功能有影响。IC1可以例如代表图3A和3B中的电池组电子控制单元125。DATA3和DATA4代表在IC1和IC2之间传送串行数据的串行数据路径；图12中的IC2可以代表电机控制单元。例如，DATA3可以专用于在IC1和IC2之间传递数据和控制信号，和DATA4用于发送时钟脉冲以便使IC1与IC2同步，或反过来。
元件REG是将VCC供应给数字器件IC2和IC3的电压调节器。在图12中，IC3可以代表如在例如图3B中所述那样的工具电子控制单元180，以及DATA1和DATA2代表在IC3和IC2之间传送数据和控制信号的串行数据路径。SW1代表将电流从电池组送到电动工具M1的工具开关。电阻R6和电位器R7构成工具的可变速度输入。IC1、IC2和IC3的每一个可以用硬件或软件例如具体化成数字微控制器、微处理器或模拟电路，和/或通过诸如数字信号处理器或专用集成电路(ASIC)之类的数字IC具体化。
电机控制单元IC2驱动Q5和Q6(可以具体化成MOSFET)的栅极，以便调节电池组的输出电压，从而控制向工具的电机M1供电的电机电流。IC2可以测量多个电池组参数之一以确定SOC。例如，IC2可以监视节点N1和N2两端的电池组输出电压，或通过监视分流电阻R5上的电流和维持时间踪迹(通过适当内部时钟)进行电量计数。并且，IC2还可以通过从卸载电池组电压(电流流出之前记录的)中减去负载电池组输出电压(当电流正在流动时)和将结果除以在R5上所作的电流测量值监视电池组阻抗。这些可测量参数的任何一个都可以用于SOC测量。然后，IC2可以利用这个SOC信息来确定适当开关频率，和控制Q5和Q6达到那个开关频率。
冗余度
将上述的特征设计成防止电池组100、充电器150或工具170中控制系统的任何部分中的过度使用或故障部件对电池的损害。通过加以冗余的辅助形式，电池受到电池损害的可能性就更小。例如，在图12中，充电器150和工具170还可以监视电池温度和经过外部线端或通信线的电流。在充电期间也可以通过充电器150监视电池电压。在放电期间也可以通过工具检验电池电压。
图13-16一般性地表示在极端情况下提供过充电保护的各种器件。在过充电状况未能通过上述图4和5的看门狗电路、其它电流检测器件、和/或智能器件得到解决的情况下，电池组100或充电器150之一或多个中的微处理器就会发生故障(电池组或充电器中的多点故障)。图13-16表示电池组100和/或充电器150的潜在辅助保护。
图13A是单层电池的等角投影图，其中电池1305(与图3A-5的任何一个中的电池105类似)含有与相邻串联电池连接的接头1303(也称为连接器)。图13B和13C表示按照本发明一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件。
图13B和13C表示的器件，可以降低含有锂离子电池化学成分(或其它电池化学成分)的电池的电位，以免由于电池组中的其它保护电路未参与的严重过充电状况而发生破裂。一般说来，在发生过充电过程期间，片状锂离子电池1305可以呈现出严重的膨胀。如果过充电继续下去，这可能会导致一个或多个电池1305破裂。这种破裂可能会导致着火和可能会对电池组100、附着电子设备(充电器150，工具170)和/或电池组100的用户造成严重损害。
因此，可以将电池组设计成利用这种膨胀现象的优点。图13B是电池组在稳定状态或正常状况下的侧视图，和表示接头焊接点1306或类似连接点，以便在电池组100的正负电源端之间串联相邻电池1305的接头1303。如图13C所示，电池组100中一个或多个给定电池1305的膨胀可能有助于防止严重过充电状况出现。膨胀电池1305产生对它的接头1303的张力，使两个接头1303可在接头焊接点1306处分开。在本例中，在电路中形成开口1308，因此除去或中断到电池130和的充电电流。因此，随着电池1305膨胀，使接头连接器1303与相邻接头1303在接头焊接点1306上脱开，破坏电池1305之间的电连接，从而中断电池组100中的电流流动。
图14A和14B表示按照本发明另一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件。图14A表示电池组100在稳定状态或正常状况下的侧视图，从而表示另一种示范性保护结构。在图14A中，电池1305可以顺序排列在电池盒(如盒侧壁1401a和盒侧壁1401b概括所示)中，电池盒可以例如包括中间盒壁1401c。在串联电池1305和中间盒壁1401c之间可以配备插杆1408，以便通过壁1401b和1401c伸入凹槽1409中。在本例中，插杆可以通过弹簧1410提供的反作用力来约束，以便在盒侧壁1401b和中间盒壁1401c之间形成通道1404。引线(这里显示成正端线或电路印刷线)可以贯穿通道1404。
现有参照图14B，图14B示出了过充电状态下的一个电池1305。随着电池1305膨胀，来自电池的膨胀力帮助插杆1408克服来自弹簧1410的反作用弹簧压力。因此，插杆1408进入凹槽1409中，如在1415概括所示那样，切断引线1405，从而中断到电池组的电池1405的充电电流。还应该注意到，膨胀电池1305还使接头1303如在1308概括所示那样脱开。进一步提供了切断或破坏电池组内部的电连接的冗余度。因此，这种保护特征通过中断电流流动防止了电池组100中的一个或多个电池破裂。
图15A和15B表示按照本发明另一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件。图15A和15B表示设计成从充电器弹出电池组的插杆。
图15A与图14A相似，因此，为了简洁起见，只讨论不同之处。如图15A所示，在稳定状态或正常运行下，插杆1408被偏置成反抗弹簧1410的反作用弹簧压力，以便插杆1408贴着充电器盒侧壁1501静置。充电器盒侧壁1501与电池组100的侧壁1040b毗邻。电池组的引线1405和充电器引线1505可操作地连接在接触点1410和1510上。
现在参照图15B，随着电池1305膨胀，插杆1408克服引起插杆1408从充电器中自弹出电池组100的弹簧1410压力，参见充电器盒侧壁1501和电池组侧壁1401b之间的间隙1508。这个动作破坏了触点1410和1510。因此，一旦出现严重过充电状况，电池组的膨胀与插杆1408的移位结合在一起中断了充电电流，和通过从充电器中弹出电池组防止电池组破裂。还应该注意到，膨胀电池1305还使接头1303如在1308概括所示那样脱开。进一步提供了切断或破坏电池组内部的电连接的冗余度。因此，这种保护特征通过中断电流流动防止了电池组100中的一个或多个电池破裂。
图16A和16B表示按照本发明另一个示范性实施例的提供保护以防过充电状况的器件。图16A-B在某些方面与图14A-14B相似，因此，为了简洁起见，只描述不同之处。
在图16A中，充电器引线或接触线1505在触点1405和1505上与电池组引线连接。与图14A不同，充电器引线1505与充电器盒侧壁1501的内侧表面毗邻。插杆1408和弹簧1410如在图14A中所述那样。现在参照图16B，图16B示出了过充电状态下的一个电池1305。随着电池1305膨胀，来自电池的膨胀力帮助插杆1408克服来自弹簧1410的反作用弹簧压力。因此，插杆1408行进进入凹槽1409中，如在1615概括所示那样，切断引线1505，从而中断到电池组的电池1405的充电电流。还应该注意到，膨胀电池1305还使接头1303如在1308概括所示那样裂开。进一步提供了切断或破坏电池组内部的电连接的冗余度。因此，这种保护特征通过中断电流流动防止了电池组100中的一个或多个电池破裂。
虽然本发明的示范性实施例如此描述，但显而易见，可以以许多方式改变它们。这样的改变不应该被认为偏离了本发明的示范性实施例的精神和范围，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的所有这样修正都应该包括在所述权利要求书的范围之中。

Claims (20)

1.一种适合向无绳电动工具供电的电池组，包括：
两个或更多串联的电池单元；
保护电路，配置成监视电池单元的电压，并输出检测信号；
电池保护电路，配置成从保护电路接收检测信号，并可操作为当电压达到动态电压阈值时中断来自电池组的电流流动，其中改变动态电压阈值以补偿电池组的阻抗。
2.根据权利要求1所述的电池组，所述保护电路还包括：
温度传感器，用于检测电池组温度以生成第一信号；
电流检测器，用于检测电池组电流以生成第二信号；和
电池控制电路，适合接收所述第一和第二信号以确定电池组中的故障状况和生成控制信号。
3.根据权利要求2所述的电池组，其中
电池控制电路发送控制信号到可操作地与其连接的半导体器件；并且
半导体器件具有限流或断流功能，以根据控制信号限制或中断电流。
4.根据权利要求1所述的电池组，所述保护电路还包括：
电流检测器，用于检测电池组电流，以根据检测的过电流故障状况生成控制信号；以及
具有限流或断流功能和可操作地与电流检测器连接的半导体器件，该半导体器件适合根据从电流检测器接收的控制信号限制或中断电流。
5.根据权利要求4所述的电池组，其中如果检测的电池组电流超过给定阈值，存在过电流故障状况。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述保护电路还包括：
至少一个通信端，用于将信息传送到附属外部部件和从附属外部部件中检测信息。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述保护电路还包括：
安排在电池组的电池单元和线端之间的至少一个熔丝，其中，熔丝的形体位置到线端比到电池单元更近，从而在电池组中出现过电流故障的情况下，将电池组的电池和相关电子线路与相连充电器或电动工具隔开。
8.根据权利要求1所述的电池组，其中，电池组是锂离子电池组。
9.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述保护电路还包括可听警告机构，配置成提醒电池组的用户电池组中的即将出现或已出现故障状况。
10.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述保护电路还包括可视警告机构，配置成提醒电池组的用户电池组中的即将出现或已出现故障状况。
11.一种适合向无绳电动工具供电的电池组，包括：
两个或更多串联的电池单元；
保护电路，配置成监视电池单元的电压，并输出检测信号；
电池保护电路，配置成从保护电路接收检测信号，并可操作为当电压达到动态电压阈值时中断来自电池组的电流流动，并与从电池组放电的瞬时电流相关地调整动态阈值。
12.根据权利要求11所述的电池组，所述保护电路还包括：
温度传感器，用于检测电池组温度以生成第一信号；
电流检测器，用于检测电池组电流以生成第二信号；和
电池控制电路，适合接收所述第一和第二信号以确定电池组中的故障状况和生成控制信号。
13.根据权利要求12所述的电池组，其中
电池控制电路发送控制信号到可操作地与其连接的半导体器件；并且
半导体器件具有限流或断流功能，以根据控制信号限制或中断电流。
14.根据权利要求11所述的电池组，所述保护电路还包括：
电流检测器，用于检测电池组电流，以根据检测的过电流故障状况生成控制信号；以及
具有限流或断流功能和可操作地与电流检测器连接的半导体器件，该半导体器件适合根据从电流检测器接收的控制信号限制或中断电流。
15.根据权利要求14所述的电池组，其中如果检测的电池组电流超过给定阈值，存在过电流故障状况。
16.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述保护电路还包括：
至少一个通信端，用于将信息传送到附属外部部件和从附属外部部件中检测信息。
17.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述保护电路还包括：
安排在电池组的电池单元和线端之间的至少一个熔丝，其中，熔丝的形体位置到线端比到电池单元更近，从而在电池组中出现过电流故障的情况下，将电池组的电池和相关电子线路与相连充电器或电动工具隔开。
18.根据权利要求11所述的电池组，其中，电池组是锂离子电池组。
19.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述保护电路还包括可听警告机构，配置成提醒电池组的用户电池组中的即将出现或已出现故障状况。
20.根据权利要求11所述的电池组，其中，所述保护电路还包括可视警告机构，配置成提醒电池组的用户电池组中的即将出现或已出现故障状况。
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