CN103503272A - 供电设备、逆变设备和电动工具 - Google Patents

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CN103503272A CN201280004174.4A CN201280004174A CN103503272A CN 103503272 A CN103503272 A CN 103503272A CN 201280004174 A CN201280004174 A CN 201280004174A CN 103503272 A CN103503272 A CN 103503272A
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中野恭嗣
船桥一彦
河野祥和
渡部伸二
小野濑美代次
藤泽治久
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Abstract

一种供电设备，其包括：电池包；变换单元，用于变换从电池包供给的DC电压；以及控制单元，用于基于电池包的特性来确定转换单元是否执行输出操作。

Description

供电设备、逆变设备和电动工具
技术领域
本发明涉及供电设备、逆变设备和具备供电设备或逆变器设备的电动工具。
背景技术
具有逆变电路的电子设备是广为人知的。这样的电子设备升高从商用电源供给的AC电压，将升高的AC电压整流/平滑成DC电压，使用逆变电路将DC电压转换成预定的AC电压，并且将预定的AC电压输出到电子设备中具有的AC电动机。
日本专利申请特开No.2009-278832提供了一种技术，其使用从电池包供给的DC电压替代从商用电源供给的AC电压来操作电子设备中具有的AC电动机。
在上述技术中，在电池包和电子设备之间连接具有转换电路、升压（booster）电路、整流/平滑电路和逆变电路的逆变设备以向电子设备供给AC电力。
发明内容
然而，由于电池包具有彼此不同的特性，因此尝试从所有电池包获取相同量的电力存在大幅地降低电池包的寿命和输出效率的风险。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有能够防止电池包的使用寿命大幅减少能力的供电设备。
为了实现上述以及其他目的，本发明提供了一种供电设备，包括：电池包；变换单元，用于变换从所述电池包供给的DC电压；以及控制单元，用于基于所述电池包的特性来确定转换单元是否执行输出操作。
优选地，当所述电池包的特性不适于所述供电设备时，所述控制单元防止所述转换单元执行输出操作。
优选地，所述变换单元包括用于升高从所述电池包供给的DC电压的升压器。当所述电池包的特性不适于所述供电设备时，所述控制单元防止所述升压器执行升压操作。
优选地，所述变换单元还包括：整流/平滑电路，用于整流/平滑从所述升压器输出的电压；以及逆变电路，用于将所述整流/平滑电路输出的电压转换成AC电压。当所述电池包的特性不适于所述供电设备时，所述控制单元防止所述升压器执行升压操作和所述逆变电路执行转换操作中的至少一个。
优选地，所述控制单元基于所述电池包的额定容量防止所述升压器执行升压操作。
优选地，所述控制单元基于所述电池包的额定电压防止所述升压器执行升压操作。
本发明的另一方面提供了一种逆变设备，包括：转换单元，用于将从电池包供给的第一DC电力转换成第一AC电力并且输出所述第一AC电力；整流/平滑电路，用于将所述第一AC电力转换成第二DC电力并且输出所述第二DC电力；逆变电路，用于将所述第二DC电力转换成第二AC电力并且输出所述第二AC电力；以及控制单元，用于基于所述电池包的特性防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
优选地，所述控制单元基于所述电池包的额定容量防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
优选地，所述电池包包括至少一个电池芯，并且所述控制单元基于电池芯的并联数量防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
优选地，所述控制单元基于所述电池包的额定电压防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
优选地，所述电池包包括至少一个电池芯，并且所述控制单元基于电池芯的类型防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
本发明的另一方面提供了一种电动工具，包括：供电设备；以及由第二AC电力驱动的AC电动机。
本发明的另一方面提供了一种电动工具，包括：逆变设备；以及由第二AC电力驱动的AC电动机。
发明效果
本发明的供电设备能防止电池包使用寿命的大幅降低。
附图说明
图1是依据本发明优选实施例的逆变设备的电路简图。
图2是示出了依据优选实施例的用于防止从逆变设备输出的处理中的步骤的流程图。
参考符号清单
1   逆变设备
14   整流/平滑电路
16   逆变电路
19   控制单元
2   电池包
2a   电池芯
3   电子设备
实施本发明的最佳实施例
将参照图1和图2描述依据本发明供电设备的优选实施例的逆变设备1。
图1是逆变设备1的电路简图。在电池包2和电子设备1之间连接逆变设备1以将从电池包2供给的DC电力转换成AC电力，并将AC电力输出到电子设备3具有的AC电动机31。当操作者操作电子设备3中具有的触发器开关32时，逆变设备1将电池包2供给的DC电力转换成AC电力并将该AC供电到电子设备3的AC电动机31。虽然逆变设备1、电子设备3和电池包2相互间可分离地连接，但是在下面的描述假设这些部件是连接的。电子设备3包括由100V的AC电压驱动的电动工具，例如割草机。
电池包2具有四个串联连接的3.6V锂电池芯2a用以输出14.4V的额定电压。进一步，电池包2包括具有与电池包2特性对应的电阻值的第一电池特性确定电阻23以及电池特性输出端子24。具有不同特性的电池包2能被装于逆变设备1上。在优选实施例中，电池特性包括电池芯2a并联的数目、额定电压和电池芯2a的类型，虽然不限定于这些例子。
逆变设备1包括电池电压检测单元11、供电单元12、升压电路13、整流/平滑电路14、升压电压检测单元15、逆变电路16、电流检测电阻17、PWM信号输出单元18和控制单元19。
电池电压检测单元11包括电池电压检测电阻111和112。在电池包2的正端子21和负端子22之间串联连接电池电压检测电阻111和112来通过电池电压检测电阻111和112将电池包2的电源电压的分压输出到控制单元19。
供电单元12包括在电池包2的正端子21和控制单元19之间串联连接的电源开关121和恒压电路122。恒压电路122包括三端稳压器122a以及振荡防止电容122b和122c。当操作者启动电源开关121时，恒压电路122将从电池包2供给的电压转换到规定的DC电压（例如5V），并将这个电压作为驱动电压供给到控制单元19。当操作者关闭电源开关121时，因为不再将驱动电压供给到控制单元19，因此整个逆变设备1被关闭。
进一步，供电单元12包括第二电池特性确定电阻123。第二电池特性确定电阻123连接在三端稳压器122a和电池包2的负端子22之间，并且经由电池特性输出端子24连接到负端子22。第二电池特性确定电阻123和第一电池特性确定电阻23将从三端稳压器122a输出的规定电压（在优选实施例中是5V）进行分压，并将此分压输出到控制单元19。因为依据电池包2的特性，第一电池特性确定电阻23的电阻值不同，因此控制单元19能基于从供电单元12输入的分压来确定电池包2的特性，并能够输出用于识别这些特性（电池类型）的识别信号。
升压电路13设置有变压器131和作为转换单元运行的场效应晶体管（FET）132。变压器131包括初级绕组131a和次级绕组131b。在电池包2的正端子21和负端子22之间连接初级绕组131a。在变压器131的初级绕组131a和电池包2的负端子22之间提供FET132。控制单元19将第一PWM信号输入FET132的栅极用以切换FET132的打开（on）和关闭（off）。通过FET132的开关切换，将从电池包2供给到变压器131的初级绕组131a的DC电力转换成AC电力。AC电力的AC电压基于次级绕组131b的匝数与初级绕组131a的匝数的匝数比而增大，并从次级绕组131b输出。
整流/平滑电路14设置有整流二极管141和142以及平滑电容143。通过这样的设置，整流/平滑电路14将通过变压器131增大的AC电压转换成DC电压（例如141V）。
升压电压检测单元15包括串联连接的电阻151和152以通过电阻151和152来将从整流/平滑电路14输出的DC电压的分压（在平滑电容143处的电压；例如141V）输出到控制单元19。
逆变电路16设置有四个FET161-164。FET161和162串联连接，FET163和164串联连接，两对FET都与平滑电容143并联连接。更具体地，FET161的漏极与整流二极管141和142的阴极连接，同时FET161的源极与FET162的漏极连接。相似地，FET163的漏极与整流二极管141和142的阴极连接，同时FET163的源极与FET164的漏极连接。
逆变电路16还包括与电动工具3的AC电动机31连接的输出端子165和166。FET161的源极和FET162的漏极与输出端子165连接，同时FET163的源极和FET164的漏极与输出端子166连接。PWM信号输出单元18向FET161-164的栅极输出第二PWM信号用以切换FET161-164开和关。通过切换FET161-164的开/关，将从整流/平滑电路14输出的DC电力转换成AC电力并向电动工具3（AC电动机31）供给该AC电力。
在FET162（FET164）的源极和电池包2的负端子22之间连接电流检测电阻17。高电压侧的电流检测电阻17的端子也与控制单元19连接。通过这样的设置，控制单元19能够基于由电流检测电阻17检测的电压，确定流过AC电动机31的电流。
控制单元19基于由升压电压检测单元15检测的升压电压向FET132的栅极输出第一PWM信号，以使从变压器131的次级侧输出的AC电压具有所需的有效电压（例如141V）。控制单元19也经由PWM信号输出单元18将第二PWM信号向FET161-164的栅极输出，以使向AC电动机31输出的AC电压具有所需的有效电压（例如100V）。在优选的实施例中，FET161和164视作一组（以下称作“第一组”），同时将FET162和163视作另一组（以下称作“第二组”），并且控制单元19输出第二PWM信号用以交替地以100%的占空比打开和关闭第一组和第二组。
控制单元19还基于由电池电压检测单元11检测的电池电压来确定在电池包2中是否产生过放电。更具体地，当由电池电压检测单元11检测的电池电压小于规定的过放电电压时，控制单元19确定在电池包2中发生过放电并且输出第一和第二PWM信号以便停止向AC电动机31的输出。即，控制单元19停止第一和第二PWM信号的输出。
电池包2还提供有内置保护电路或微型计算机并且具备自我检测过放电和向控制单元19输出过放电信号的功能。当控制单元19经由信号端子LD从电池包2接收过放电信号时，控制单元19输出第一和第二PWM信号以便停止向AC电动机31的输出。即，控制单元19停止第一和第二PWM信号的输出。这种构成能防止这样的过放电缩短电池包2的寿命。
此处，虽然在优选实施例中，具有不同特性的电池包2能与逆变设备1连接，由于尝试从所有的电池包2获取相同量的电力，因此存在电池包2的寿命和输出效率大幅地降低的风险。例如当尝试从具有以单串连接的电池芯的电池包2与从具有以两个并联串连接的电池芯的电池包2相比较获取相同量的电流时，在前者流过的电流将是在后者流过的电流的两倍，潜在地降低了设置有单串电池芯的电池包2的使用寿命。进一步，因为电池包2的额定电流根据其类型不同，因此电池包2的使用寿命也能出于同样原因降低。
通常，变压器的次级绕组的匝数与初级绕组的匝数的匝数比被设定成当应用规定电压时获取最大转换效率的值。从而，当具有不同于规定电压的额定电压的电池包2与逆变设备1连接时，变压器131的转换效率可能大幅地降低。这种效率上的降低导致了逆变设备1的温度上的升高，因此需要冷却风扇等，这增大了逆变设备1的尺寸。
相应的，根据优选实施例的逆变设备1基于从电池特性输出端子24（第一电池特性确定电阻23）获取的电池特性识别信号控制从逆变设备1向AC电动机31输出的电压。具体地，逆变设备1输出第一和第二PWM信号以防止FET132和FET161-164被打开/关闭。
接着，将参照图2的流程图描述根据优选实施例用以停止向AC电动机31输出的通过控制单元19执行的控制处理。
当启动电源开关121同时电池包2被装于逆变设备1时或当电池包2被装于逆变设备1同时电源开关121处于打开（ON）的状态时，控制单元19开始图2中的处理。当启动电源开关121时，恒压电路122从电池包2的电池电压产生用以驱动控制单元19的驱动电压。
依据优选实施例的逆变设备1具有适于从具有额定电压14.4V和额定容量3.0Ah的电池包2（并联的两串芯）供给电力的设置。
在图2流程图的S101中，控制单元19检测从第一电池特性确定电阻23和第二电池特性确定电阻123接收的电池特性识别信号。在S102中，控制单元19基于电池特性识别信号来确定与逆变设备1连接的电池包2的额定电压是否是14.4V。
如果电池包2不是14.4V而是例如18.0V的电池包（S102：否），则在S110中控制单元19输出第一和第二PWM信号以防止将电力从逆变设备1向AC电动机31输出。具体地，控制单元19停止第一和第二PWM信号的输出，由此停止升压电路13和逆变电路16的操作并且中断从逆变设备1向AC电动机31的输出。
如上述，配置变压器131以使当与逆变设备1连接的电池包2具有14.4V的额定电压时具有最佳电力效率。因为如果连接18.0V的电池包会降低输出效率，因此有可能不会获取所需的输出。因此，在这种情况下执行中断向AC电动机31输出的操作。
然而，当连接的电池包2具有14.4V的额定电压时（S102：是），在S103中控制单元19基于电池特性识别信号来确定电池包2是否具有3.0Ah的额定容量。
如果电池包2不具有3.0Ah的额定容量（S103：否），则在S110中控制单元19输出用以防止将电力从逆变设备1向AC电动机31输出的第一和第二PWM信号。具体地，控制单元19停止第一和第二PWM信号的输出。
如上述，设置逆变设备1以通过具有3.0Ah额定容量的电池包（两个并联连接的电池芯）达到最佳使用。在连接的电池包具有1.5Ah的额定容量（设置成单串芯）的情况下，当尝试获取与连接的具有3.0Ah的额定容量的电池包相同的电力时，将产生与具有并联的两串芯的电池包中流过的电流相比较两倍量级的电流。这种大电流能缩短电池包的寿命并潜在地损害FET132。
然而，当与逆变设备1连接的电池包2具有3.0Ah的额定容量时（S103：是），因为连接的电池包2适于优选实施例的逆变设备1，因此控制单元19开始将电力输出到AC电动机31。
具体地，在S104中控制单元19将第一PWM信号输出到FET132的栅极以便从变压器的次级侧输出的AC电力具有所需的有效电压（例如101V）。在S105中，控制单元19基于升压电压检测单元15检测的电压来确定通过变压器131升压的有效电压是否大于目标电压。
如果升压的电压大于目标电压（S105：是），则在S106中控制单元19减少FET132的占空比。当升压的电压小于或等于目标电压时（S105：否），在步骤107中控制单元19增大FET132的占空比。
在S108中控制单元19基于电池电压检测单元11检测的电压来确定电池包2的电池电压是否小于规定的过放电电压。如果电池电压小于规定的过放电电压（S108：是），则控制单元19确定电池包2处于过放电状态。相应地，在S110中控制单元19输出用以停止向AC电动机31输出的第一和第二PWM信号。具体的，控制单元19停止第一和第二PWM信号的输出。作为结果，关闭了升压电路13和逆变电路16的操作，因此停止了从逆变设备1到AC电动机31的输出。
然而，如果电池包2的电池电压大于或等于规定的过放电电压（S108：否），则在S109中控制单元19确定是否从电池包2经由LD端子输入过放电信号。如果输入了过放电信号（S109：是），则控制单元19确定电池包2处于过放电状态。相应地，在S110中控制单元19输出用以停止向AC电动机31输出的第一和第二PWM信号。具体地，控制单元19停止第一和第二PWM信号的输出。
但是，如果没有输入过放电信号（S110：否），则控制单元19返回到S101。
如上述，依据优选实施例的逆变设备1根据从第一电池特性确定电阻23获取的电池特性识别信号来停止升压电路13和逆变电路16的操作。因此，当不适于逆变设备1的电池包2连接到逆变设备1时，逆变设备1能够防止电池包2的使用寿命和输出效率大幅地降低。
例如，当设置成单串芯的电池包2与逆变设备1连接时，上述逆变设备1的结构能避免减少电池包2的使用寿命。
当这种电池包2与逆变设备1连接时，上述逆变设备1的设置也能避免减少不同于规定类型的电池包2的使用寿命。
当与逆变设备1连接的电池包2不具有规定的额定电压（例如18V）时，具有以上设置的逆变设备1也能防止变压器131的转换效率的降低。
虽然根据本发明的优选实施例详细地描述了本发明，都是在不背离本发明精神下做出的各种改变和修改应是对于本领域技术人员而言是清楚的。
在上述优选实施例中，逆变设备1根据从第一电池特性确定电阻23获取的电池特性识别信号来防止打开/关闭FET132、FETs161和164。然而可以设置逆变设备1仅防止FET132和FET161-164中的一个打开/关闭。
根据优选实施例，逆变设备1使用置于电池包2的第一电池特性确定电阻23和置于逆变设备1的第二电池特性确定电阻123来确定与逆变设备1连接的电池包2的类型。然而，逆变器1的确定方法不限于此，只要逆变设备1可以区分逆变设备1支持的电池包和逆变设备1不支持的电池包。
例如，设置逆变设备1基于连接电池包与逆变设备1的识别端子的存在来确定逆变设备1支持的电池包，其中支持具备有别于充/放电端子的端子（识别端子）的电池包，同时不支持不具备识别端子的电池包。或者，电池和逆变设备的连接部（用于将逆变设备与电池包连接的部件）可以根据类型采用不同的形状以使机械上不可用的电池包不能够装于（连接于）逆变设备。
进一步，虽然在上述优选实施例中与逆变设备1连接的电池包2是14.4V锂电池包，但是除了这些容纳锂外壳电池的电池包之外，逆变设备1还可以依据根据不同类型的电池包来的不同类型设置逆变设备1来防止输出，如以镍镉电池或镍金属氢化物电池设置电池包，或者设置成支持不同电压（例如18V）的电池包。
进一步，在图2的流程图中的在S104-S107中控制升高电压的处理和在S108-S109中检测过放电的处理可以在流程图中的任意位置被执行，或可以被并行执行。
在图2的流程图中，可以进一步执行过电流检测。具体地，当电流检测电阻17检测的电流超过预定电流时，控制单元19停止升压电路单元13和逆变电路16的操作。通过这种构成，其能够防止由于过电流产生的热量损害电池包2、AC电动机32、以及FET132和161-164。

Claims (13)

1.一种供电设备，包括：
电池包；
变换单元，用于变换从所述电池包供给的DC电压；以及
控制单元，用于基于所述电池包的特性来确定转换单元是否执行输出操作。
2.根据权利要求1所述的供电设备，其中当所述电池包的特性不适于所述供电设备时，所述控制单元防止所述转换单元执行输出操作。
3.根据权利要求1所述的供电设备，其中所述变换单元包括用于升高从所述电池包供给的DC电压的升压器，并且
其中当所述电池包的特性不适于所述供电设备时，所述控制单元防止所述升压器执行升压操作。
4.根据权利要求3所述的供电设备，其中所述变换单元还包括：
整流/平滑电路，用于整流/平滑从所述升压器输出的电压；以及
逆变电路，用于将所述整流/平滑电路输出的电压转换成AC电压，
其中当所述电池包的特性不适于所述供电设备时，所述控制单元防止所述升压器执行升压操作和所述逆变电路执行转换操作中的至少一个。
5.根据权利要求3所述的供电设备，其中所述控制单元基于所述电池包的额定容量防止所述升压器执行升压操作。
6.根据权利要求3所述的供电设备，其中所述控制单元基于所述电池包的额定电压防止所述升压器执行升压操作。
7.一种逆变设备，包括：
转换单元，用于将从电池包供给的第一DC电力转换成第一AC电力并且输出所述第一AC电力；
整流/平滑电路，用于将所述第一AC电力转换成第二DC电力并且输出所述第二DC电力；
逆变电路，用于将所述第二DC电力转换成第二AC电力并且输出所述第二AC电力；以及
控制单元，用于基于所述电池包的特性防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的逆变设备，其中所述控制单元基于所述电池包的额定容量防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的逆变设备，其中所述电池包包括至少一个电池芯，并且所述控制单元基于电池芯的并联数量防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
10.根据权利要求7所述的逆变设备，其中所述控制单元基于所述电池包的额定电压防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
11.根据权利要求7所述的逆变设备，其中所述电池包包括至少一个电池芯，并且所述控制单元基于电池芯的类型防止所述转换单元输出所述第一AC电力和所述逆变电路输出所述第二AC电力中的至少一个。
12.一种电动工具，包括：
依据权利要求1-6中任一项所述的供电设备；以及由第二AC电力驱动的AC电动机。
13.一种电动工具，包括：
依据权利要求7-11中任一项所述的逆变设备；以及由第二AC电力驱动的AC电动机。
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