CN104487206A

CN104487206A - 电动工具

Info

Publication number: CN104487206A
Application number: CN201380039554.6A
Authority: CN
Inventors: 堀江由季; 船桥一彦; 高野信宏
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-04-01
Also published as: WO2014034129A3; JP5962983B2; DE112013004220T5; US10320214B2; WO2014034129A2; DE112013004220B4; JP2014046388A; US20150171654A1

Abstract

一种电动工具，包括：二次电池；驱动单元；检测单元；以及控制单元。二次电池具有正端子和负端子，跨过正端子和负端子形成电池电压。驱动单元连接到二次电池。检测单元被配置成检测从二次电池提供到驱动单元的电流值和电压值。控制单元被配置成根据在其上施加的负载控制施加到驱动单元的有效电压和有效电流以落到允许功率损耗值之内。

Description

电动工具

技术领域

本发明涉及通过二次电池供电的电动工具。

背景技术

内装二次电池的电池包被通常地用于电动无绳电动工具(例如，参考日本专利申请公报NO.2011-136405)。电动工具包括产生适合于电动工具的应用的输出的电机，以及被配置场效应晶体管(FET)的控制电路，例如，其控制提供到电机的电流。传统地，电动工具已经被提供有具有适合于FET和电机的输出的电压和容量的专用的电池包。结果是，存在用于多个类型的电动工具的多个类型的电池包。

引证列表

专利文献

日本专利申请公报NO.2011-136405

发明内容

如上所述，用于传统电动工具的电池包已经专门化而不是通用的电池包并且因此不能用于除了制作它们以用于的类型之外的电动工具。

例如，具有18V的输出的电池包不能用于被设计用于14.4-V的电池包的电动工具。因此，生产多个类型的电动工具的制造者必须准备并且提供分别与个别的电动工具兼容的个别的电池包。同时，消费者必须存储和记录具有电池包的每个购买的电动工具，该电池包被设计用于伴随那个电动工具的使用。

结果是，采用用于每个电动工具的专门的电池包是抑制低成本的因素，因为制造者必须附加对于每个新购买的电动工具的电池包的成本。存储并且管理伴随其各自电动工具的每个电池包对于消费者也可能是令人困惑并且不便的。

进一步地，因为用于为现有电动工具所设计的专门的电池包不能用于新购买的电动工具，所以使用专门的电池包是显然是不方便并且不经济的，并且不满足时代的需求。从消费者的角度，希望具有能够普遍用于各种类型电动工具的单独的电池包。

鉴于前述，本发明的目的是提供能够使各种类型的电池包被普遍使用的电动工具。为了获得上述和其他的目的，本发明提供一种电动工具，包括：二次电池，具有正端子和负端子，跨过正端子和负端子形成电池电压；驱动单元，连接到二次电池；检测单元，被配置成检测从二次电池提供到驱动单元的电流值和电压值；以及控制单元(例如，控制FET)，被配置成根据在其上施加的负载控制施加到驱动单元的有效电压和有效电流以落到允许功率损耗值之内。

对于该配置，有效电流与被施加到驱动单元或控制FET的电池的电池电压相一致，以便落到驱动单元或控制FET的允许功率损耗值之内。结果是，当电池包具有比为使用电动工具所专门设计的电池包的电压高的电池电压时，电动工具能够提供在电动工具的能力允许之内的高功率输出并且较大地提高工作效率。

优选地，控制单元执行第一控制和第二控制中的一个，其中第一控制持续地将电池电压施加到驱动单元，并且第二控制转换电池电压，所转换的电池电压具有不同于电池电压的有效电压，至少一个所转换的电池电压被施加到驱动单元。

对于该配置，控制单元通过将具有不同有效电压的多个电力施加到电机来执行多个控制，包括直接地将二次电池的电池电压和电流施加到电机的控制。因此，可以执行适合于驱动单元的驱动情况的最佳的控制。

优选地，电池电压不同于驱动单元的额定电压。结果是，内装可用于电动工具的二次电池的电池包不限于为电动工具所专门设计的电池包。具有不同电池电压和容量的各种电池包可以用于电动工具。

优选地，驱动工具还包括电流中断单元，被配置成响应报警二次电池将要变成异常状态的报警信号来中断流向驱动单元的电流。报警信号报警二次电池将要变成过放电状态、过电流状态以及高温状态中的至少一个，在过电流状态中过电流从二次电池流动，在高温状态中二次电池的温度超过规定温度。

优选地，控制单元还被配置成通过将规定频率的方波信号输出作为斩波控制信号并且变化斩波控制信号的占空比，根据电池电压来逐步地将来自二次电池的电流改变为不同值。控制单元还被配置成通过响应斩波控制信号打开和关闭电流中断单元，来改变来自二次电池的电流。因为电流中断单元还用于斩波控制，甚至当将斩波控制增加到电动工具时，可以抑制包括在电动工具中的部件的数量的增加。

具体地，每个已知的电池可以包括在二次电池中，并且形成的二次电池还可以应用在将来。然而，在本申请的时代中优选地使用锂离子电池芯。

发明的有益效果

通过保持功率损耗，本发明使得具有不同输出电压的电池包能够伴随相同的电动工具使用，该功率损耗被计算作为来自安装的电池包的输出电压与流过电流中断单元的电流的乘积(例如，控制FET；W(瓦特)＝A(电流)*V(伏特))，不超过电流中断单元的额定功率损失，使得电池包能够被普遍使用。当二次电池的温度超过规定温度(高温状态)时，通过在斩波控制中使用电流中断单元以切断流向驱动单元的电流还可以简化本发明的结构。

因为电机的旋转在高电压下通常较大，所以在启动期间较大的负载趋于被施加到电机，并且当停止电机的旋转时锁定的转子电流趋于增加。

因此，当将18-V电池使用到装备14.4-V电机的电动工具时，例如，根据本发明的电动工具在启动期间通过斩波控制来降低电池的有效电压以阻止电机旋转太快(此控制被称作“软启动”)。这防止在电机等的驱动单元中的部件被损坏。当电机锁定时，还必须通过斩波控制技术来限制电流，以防止毁坏电机。

另一方面，除了启动(当电池电压高时)和电机锁定(当切断放电时)的任何时间，无需通过斩波控制等限制电流，因为电机等的驱动单元上的负载相对较小，在驱动单元中提供的功率损耗少于最大允许。因此，操作者能够以由电池或电机所拥有的最大功率来舒适地使用电动工具。对于以上描述的根据本发明的电动工具，具有来自电动工具的电压的不同电池电压的电池包可以连接于电动工具，以完成适当的操作而不将过大负载施加到电动工具。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的电池包和电动工具的电路图；

图2是说明图1中所示的电动工具的操作的流程图。

具体实施方式

接着，完全参考附图将描述根据本发明的优选实施例的电动工具1。图1示出电动工具1的电路图以及安装在电动工具1上的电池包2。

电池包2内装锂离子电池6、电池保护电路7、热敏电阻8和电阻R1。锂离子电池组6被配置串联连接的多个电池芯。电池保护电路7被连接到锂离子电池6。热敏电阻8被布置接近或者与锂离子电池6接触并且检测锂离子电池6的温度。从热敏电阻8的输出被输入到电池保护电路7中。

通常地，伴随电动工具1提供的电池包2是用于在电动工具中提供的电机3(稍后描述)所设计的专门的电池包。然而，在优选实施例中连接到电动工具1的电池包2不必是与电动工具1兼容的专门的电池包，但是可以是具有与专门的电池包不同的输出电压的另一类型的电池包。作为一个例子，如果电机3的额定电压是14.4V，那么伴随电动工具1提供的专门的电池包2可以配置串联连接的四个电池芯，其中每个芯是3.6V。然而，为了改善电池包的通用性，电动工具1可以连接到具有除了14.4V的输出电压的电池包，例如18V、25V或者36V。在优选的实施例中，电机3的额定电压是14.4V。连接到电动工具1的电池包2被配置五个3.6V的锂离子电池芯，每个芯串联连接用于18V的总电池电压。然而，在本发明中使用的电池包2不限于锂离子电池，例如镍镉电池、镍-金属氢化物电池以及铅酸电池。以上给出的二次电池的例子中，锂离子电池是较佳的，因为其高能量密度。

电池保护电路7监视电池电压、放电电流以及锂离子电池6中的每个芯的温度。当任意芯的电压下降到规定值时，电池保护电路7确定锂离子电池6处于过放电状态。当检测过放电状态时，电池保护电路7从电池包2的电池切断端子9输出报警信号。当来自锂离子电池6的放电电流超过规定值时，电池保护电路7还确定过电流状况已经发生，并且通过电池切断端子9输出相同的报警信号。热敏电阻8起作用以检测锂离子电池6的温度并且以将检测结果输入到电池保护电路7中。如果电池保护电路7确定检测锂离子电池6的温度超过规定值(即，是太热)，电池保护电路7通过电池切断端子9输出相同的报警信号。当锂离子电池组6正被充电时，电池保护电路7还检测过充电状况等并且将报警信号输出至充电设备以停止充电操作。

电动工具1具有连接到电池包2的对应正端子和负端子的正(+)端子和负(-)端子。当电池包2被安装在电动工具1时，电动工具1和电池包2都拥有连接到彼此的电池切断端子9。

电动工具1具有在电动工具1的正端子和负端子之间串联连接的电机3、触发开关4以及控制FET 5。当电池包2被安装在电动工具1上并且触发开关4和控制FET 5是开时，锂离子电池6向电机3供电用于驱动电机3以旋转。

电动工具1还被提供具有三端子调节器10。三端子调节器10基于从锂离子电池6提供的电池电压输出5V的恒定电压。5-V的恒定电压用于向稍后描述的微型计算机11和存储设备12供电。将电容C1和C2连接到三端子调节器10用于防止电路振荡。

电动工具1进一步包括微型计算机11和存储设备12。如上所述，将三端子调节器10的输出端子连接到微型计算机11的VDD端子，跨过其施加5V的电压。当将5-V的电压施加到VDD端子时，微型计算机11处于操作状态。类似地将5-V电压从三端子调节器10的输出端子施加到存储设备12时，将存储设备12置于操作状态。存储设备12连接到微型计算机11，并且微型计算机12能够读取在存储设备12中存储的数据并且临时地将该数据存储到微型计算机11提供的RAM(未示出)中。微型计算机11还包括计时器(未示出)。

当施加到电机3的电流是小时，存储设备12在低负载期间存储用于电机3和控制FET 5的第一允许功率损耗W1(也称作“额定功率损失”)；并且当施加到电机3的电流是大时，存储设备12在高负载期间存储用于电机3和控制FET 5的第二允许功率损耗W2；并且当电机的驱动时间超过规定时间时，存储设备12在连续驱动期间存储用于电机3和控制FET 5的第三允许功率损耗W3。允许功率损耗W1、W2、W3中的每个被设置为不超过用于电机3和控制FET 5的所确定的允许功率损耗的值。用于电机3和控制FET 5的允许功率损耗能够被表示为流过电机3(或者控制FET 5)的电流A与锂离子电池6的电压的乘积(W＝A*V)。

电动工具1还被提供有配置串联连接的电阻R2和R3的电池电压检测电路13。电池电压检测电路13与锂离子电池6并联连接。电阻R2和R3划分来自锂离子电池6的电池电压，以便于输入到微型计算机11的电压是对应锂离子电池6的电池电压的分压。微型计算机11将表示输入电池电压的数据临时地存储在内部RAM(未示出)中。电流检测电路14连接于微型计算机以检测流向电机3的电流。电流检测电路14将所检测的电流值输出到微型计算机11，并且微型计算机11将表示流向电机3的电流临时地存储到RAM中。电流检测电路14被配置电阻(未示出)。

切断电路15连接于在电动工具1侧的电池切断端子9。切断电路15经由电阻R8还连接于控制FET 5的栅极。切断电路15被配置FET 15a、连接到FET 15a的栅极的电阻R4、连接在FET 15a的栅极和源极之间的电阻R5。FET15a的漏极经由电阻R8连接于控制FET 5的栅极。

电动工具1还提供有在微型计算机11的斩波控制端子与控制FET 5之间的斩波电路16。斩波电路16被配置FET 16a、电阻R6和R7。电阻R6连接在微型计算机11的斩波控制端子于FET 16a之间。斩波电路16的FET 16a经由电阻R8连接于控制FET 5的栅极。换句话说，切断电路15和斩波电路16这两者能够导通(ON)或者关断(OFF)控制FET 5。即，控制FET 5，其用于响应报警信号以中断流向电机3的电流，还起到了用于电池电压的斩波控制的作用。

在优选的实施例中，斩波控制是在其中控制FET 5将从锂离子电池6提供的电池电压(或者电流)打开或者关闭以将方波电流施加到电机3或者控制FET 5的技术。由此，斩波控制能够调节施加到电机3和控制FET 5的有效电压/电流。通过从微型计算机11的斩波控制端子提供的规定频率的方波斩波控制信号，来确定控制FET 5的导通期间和关断期间。换句话说，通过占空比确定施加到电机3和控制FET 5的有效电压并且有效电压低于由锂离子电池6所产生的电池电压。相应地，甚至当连接到电动工具1的电池包输出高于用于电机3的使用所设计的电池包的电压时，斩波控制能够用于生成与电动工具1中的电机3和控制FET 5兼容的电压/电流。

电阻R9和R10串联连接于电机3的正端子和FET 5的源极之间。FET 5的栅极连接于电阻R9和R10之间的连接点。当报警信号不被输出时以及当斩波控制不被执行时，通过流经电阻R9和R10的电流，控制FET 5维持在导通状态。

接着，当参考图2中的流程图时，将描述具有上述配置的电池包2和电动工具1的操作。

当电池包2安装在电动工具1并且打开电动工具1上的电源开关(未示出)时，电动工具1中的三端子调节器10基于来自锂离子电池6所提供的电池电压生成5-V电源电压，并且将该电压施加到微型计算机11和存储设备12。当三端子调节器10施加该电压时，微型计算机11和存储设备12进入可操作状态，并且微型计算机11开始控制过程。在正常条件下，电池保护电路7在此时不输出报警信号(低电平信号)。相应地，切断电路15的FET 15a被导通，导通控制FET 5。

在控制过程的开始，在S1中微型计算机11基于来自电池电压检测电路13的输入数据检测锂离子电池6的电池电压。在S2中微型计算机11确定触发开关4是否打开。如果触发开关4关闭(S2：否)，微型计算机11返回到S1并且继续检测电池电压同时等待触发开关打开。然而，如果触发开关打开(S2：是)，在S3中微型计算机11将要施加到电机3的电压值伏特设置为在S1中所检测的电池电压。在这个例子中，微型计算机11检测电池电压为18V。

接着，微型计算机从存储设备12读取第一允许功率损耗W1并且将该数据临时地存储到其内部RAM中。微型计算机11基于从存储设备12读取的第一允许功率损耗W1以及在S3中设置的电压值伏特来计算电流值x安培。可以从下面的等式获得电流值x安培。

<电流值x安培>＝<第一允许功率损耗W1>/<电压值伏特>

上面所计算的电流值安培指示在低负载期间可以被施加到电机3或控制FET 5的最大电流。

在S4中微型计算机11将根据上面等式所计算的电流值x安培与由电流检测电路14所检测的电流的值进行比较，以确定所检测的电流是否超过电流值x安培。如果在电流检测电路14中所检测的电流超过电流值x安培(S4：是)，指示控制FET 5的电机3处于高负载状态而不是低负载状态，那么微型计算机11计算与实际流向电机3和控制FET 5相一致的、施加到电机3或控制FET 5的有效电压，以停留在第二允许功率损耗W2之中。为了这个目的，在S5中微型计算机11执行斩波控制以将施加到电机3的有效电压设置为电压值b伏特。另一方面，如果由电流检测电路14检测的电流值低于电流值x安培(S4：否)，指示在电机3和控制FET 5中的功率损失在第一允许功率损耗W1之中，微型计算机11返回到S2并且允许继续电动工具1的操作。因此，当在电机3上的负载低时，即当流向电机3的电流小时，不执行斩波控制，因为此时不需要限制施加到控制FET 5的电流。

如上所述，斩波控制是通过输出来自微型计算机11的斩波控制端子的规定频率的方波信号(斩波控制信号)来控制施加到电机3或者控制FET 5的有效电压的过程，用于导通和关断控制FET 5。具体地，当斩波控制信号是高电平时，斩波电路16的FET 16a导通，其导通控制FET 5。结果是，当斩波控制信号保持在高电平时，来自锂离子芯组6的电池电压被施压到电机3。然而，当微型计算机11输出低电平斩波控制信号时，斩波电路16的FET 16a关断，并且因此关断了控制FET 5。结果是，当斩波控制信号保持在低电平时，电压不再施加到电机3。通过变化斩波控制信号的占空比，可以改变施加到电机3或控制FET 5的有效电压。

当电池包2的电池保护电路7输出报警信号(低电平)时，该信号经由电动工具1侧的电池切断端子9被施加到斩波电路16。信号关断斩波电路16的FET 16a，从而关断了控制FET 5。因此，电流不流过电机3和控制FET 5，停止电动工具1的操作。通过在优选实施例中控制FET 5还作用为在斩波控制中使用的FET，可以最小化用于执行斩波控制的所需的部件的数量。

从存储在存储设备12中存储的、用于电机3的高负载条件的第二允许功率损耗W2以及由电流检测电路14所检测的电流的值获得在S5中作为有效电压所设置的电压值b伏特。微型计算机11从数据存储设备12读取该第二允许功率损耗W2并且将数据临时地存储在内部RAM中。在S5中微型计算机11根据下面的等式计算电压值b伏特。

<电压值b伏特>＝<第二允许功率损耗W2>/<检测的电流的值>

用这种方式，通过降低施加到控制FET 5的有效电压，可以限制大负载电流。因此，甚至当负载高时，通过不超过用于电机3和控制FET的预设的允许功率损耗，可以继续电动工具1的操作。

在S6中微型计算机11使用其内部定时器以确定在规定时间T或者更长时间是否已经持续施加了大于电流值x安培的电流。因为电流的值以规定的间隔被采样并且被存储在微型计算机11的RAM中，所以基于采样到电流值超过电流值x安培的次数以及采样间隔，微型计算机11可以确定在超过规定时间T的期间通过电流检测电路14是否已经检测到超过电流值x安培的电流。替选地，微型计算机11可以使得在S6中的确定简单地基于持续地采样到电流值超过电流值x安培的次数。

当微型计算机11确定在规定的时间T或者更长时间超过规定值的大电流已经被持续地施加到控制FET 5时(S6：是)，指示持续的高负载驱动状态，在S7中通过将施加到控制FET 5的电压设置为电压值c伏特，微型计算机11继续执行斩波控制，其中电压值c伏特是比电压值b伏特低的有效电压。因为微型计算机11在S6中已经确定电机3被持续地驱动，所以微型计算机11从存储设备12读取第三允许功率损耗W3用于持续的高负载驱动状态，并且基于第三允许功率损耗W3和由电流检测电路14所检测的电流的值计算施加到电机3的电压值c伏特。从下面的等式获得电压值c伏特。

<有效电压c伏特>＝<第三允许功率损耗W3>/<电流值x安培>

用这种方式通过设置被施加到控制FET 5的电压值c伏特，微型计算机11可以防止功率损耗超过用于持续的高负载驱动状态的预设的第三允许功率损耗W3。在S7中微型计算机11接着确定流向电机3的电流是否超过电流值x安培。通过将从电流检测电路14输出的所检测的电流值与在内部RAM中存储的电流值x安培进行比较，微型计算机11执行该确定。如果微型计算机11确定施加到电机3的电流超过电流值x安培(S8：是)，通过将施压到控制FET5的有效电压设置为低于电压值c伏特的电压值d伏特，微型计算机11返回到S7并且继续执行斩波控制。为了使有效电压降到电压值d伏特，控制FET 5的关断(OFF)期间必须短于用于电压值c伏特的期间。

参考本发明的实施例同时已经详细描述了本发明，对于其具体实施例其是显而易见的，在不脱离本发明的精神在此做出很多修改和变型对于本领域技术人员是显而易见的，通过所附的权利要求书限定其范围。例如，在优选实施例中，图1中所示的电池电压检测电路13检测图1中所示的电池电压检测电路13通过累计测量检测锂离子电池组6的电池电压。然而，如果电池包2具有表示用于其内部芯组的ID数据的内置识别电阻，微型计算机11通过读取该ID数据可以确定电池电压。对于该配置，可以省略图1中所示的实施例的电动工具1中提供的电池电压检测电路13，从而消除由电池电压检测电路13所引起的锂离子电池6的功率损耗。上面描述的识别数据包括电池的类型(例如，锂离子电池芯等)和芯的数量。

上面的实施例描述了使用输出比用于电动工具1的使用所专门设计的电池包的电压高的电池包的情况。然而，也可以使用输出比专门的电池包的电压低的电压的电池包。在这种情况下，开关集成电路可以被提供在电动工具1中用于通过DC-DC转换升高从安装在电池1上的电池包所提供的电池电压，并且微型计算机11可以控制该升高的DC电压。

进一步地，本发明可以被应用到采用FET的驱动单元以驱动电机，例如无刷DC电机，并且通过执行在优选实施例中描述的相同控制，在电机和FET中的功率损耗的范围之内可以获取本发明的相同效果。

参考符号列表

1 电动工具

2 电池包

3 电机

4 触发开关

5 控制FET

6 锂离子电池

7 电池保护电路

8 热敏电阻

9 电池切断端子

10 三端子调节器

11 微型计算机

12 存储设备

13 电池电压检测电路

14 电流检测电路

15 切断电路

16 斩波电路

R1-R10 电阻

C1,C2 用于防止电路振荡的电容

Claims

1.一种电动工具，包括：

二次电池，具有正端子和负端子，跨过正端子和负端子形成电池电压；

驱动单元，连接到二次电池；

检测单元，被配置成检测从二次电池提供到驱动单元的电流值和电压值；以及

控制单元，被配置成根据在其上施加的负载控制施加到驱动单元的有效电压和有效电流以落到允许功率损耗值之内。

2.根据权利要求1的电动工具，其中控制单元执行第一控制和第二控制中的一个，其中第一控制持续地将电池电压施加到驱动单元，并且第二控制转换电池电压，所转换的电池电压具有不同于电池电压的有效电压，至少一个所转换的电池电压被施加到驱动单元。

3.根据权利要求1的电动工具，其中电池电压不同于驱动单元的额定电压。

4.根据权利要求1的电动工具，还包括电流中断单元，被配置成响应报警二次电池有错误的报警信号来中断流向驱动单元的电流。

5.根据权利要求4的电动工具，其中报警信号报警二次电池将要变成过放电状态、过电流状态以及高温状态中的至少一个，在过电流状态中过电流从二次电池流动，在高温状态中二次电池的温度超过规定限制温度。

6.根据权利要求1的电动工具，其中控制单元还被配置成通过将规定频率的方波信号输出作为斩波控制信号并且变化斩波控制信号的占空比，根据电池电压来逐步地将来自二次电池的电流改变为不同值。

7.根据权利要求6的电动工具，还包括电流中断单元，被配置成响应报警二次电池有错误的报警信号来中断流向驱动单元的电流，其中控制单元还被配置成通过响应斩波控制信号打开和关闭电流中断单元，来改变来自二次电池的电流。

8.根据权利要求1的电动工具，其中二次电池包括锂离子电池芯。