CN110783651A - 电能储存装置、电动工具系统及充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电能储存装置、电动工具系统及充电装置，所述电能储存装置包括壳体、收容在壳体内的N组电池单元以及用于控制N组电池单元的控制单元，其中N为和数，所述电能储存装置还包括多个切换开关，所述控制单元控制所述切换开关导通或关断，使得N组电池单元串联和/或并联，所述电能储存装置能够输出至少三种电压。相较于现有技术，本发明的电能储存装置可以用于具有不同电压/电流要求的不同类型的电动工具或充电装置。

Description

电能储存装置、电动工具系统及充电装置
技术领域
本发明涉及一种电能储存装置及应用该电能储存装置的电动工具系统及充电装置。
背景技术
电池组储能装置的可移动性和可拆性，已广泛应用于家庭和工业场所。家庭和工业中常用的电动工具或园林工具一般将一个电机作为负载，它消耗电池组提供的电力，完成工作所需的驱动力。
不同类型的电动工具、园林工具对电压和电流的要求往往不同，一种电压或者两种电压的电池组储能装置无法为不同类型的多种电动工具、园林工具提供电压和电流，并且同一家制造公司生产的电动工具和园林工具也不能完全匹配。举例来讲：园林工具中链锯的工作状态一般处于高功率模式；电动工具中的冲击工具可以输出高功率模式，也可以输出低功率模式；此时，现有的一种电压或者两种电压的电池组储能装置不能提供这种可变的输出电流。
有鉴于此，确有必要对现有的电池组储能装置进行改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电能储存装置，该电能储存装置可以输出至少三种电压，继而可以与不同类型的电动工具或充电装置相匹配，进行供电或充电动作。
为实现上述目的，本发明提供了一种电能储存装置，包括壳体、收容在壳体内的N组电池单元以及用于控制N组电池单元的控制单元，其中N为和数，所述电能储存装置还包括多个切换开关，所述控制单元控制所述切换开关导通或关断，使得N组电池单元串联和/或并联，所述电能储存装置能够输出至少三种电压。
作为本发明的进一步改进，所述控制单元包括微控制器和与微控制器相连的高边驱动单元，所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，所述切换开关由所述高边驱动单元驱动。
作为本发明的进一步改进，每组电池单元具有相等的输出电压，所述切换开关的数量是3(N-1)。
作为本发明的进一步改进，所述切换开关包括连接相邻两组电池单元的正输出端的第一开关、连接相邻两组电池单元的负输出端的第二开关以及将相邻两组电池单元首尾相连的第三开关。
作为本发明的进一步改进，当所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，以驱动所述第一开关和第二开关全部导通、第三开关全部关断时，所述N组电池单元相互并联，所述电能储存装置的输出电压等于单个电池单元的输出电压。
作为本发明的进一步改进，当所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，以驱动部分第一开关、部分第二开关及部分第三开关导通时，所述N组电池单元形成串并联组合，所述电能储存装置的输出电压大于单个电池单元的输出电压而小于N组电池单元的输出电压之和。
作为本发明的进一步改进，所述N组电池单元形成串并联组合时，可以以先并联后串联或者先串联后并联的方式组合。
作为本发明的进一步改进，当所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，以驱动所述第一开关和第二开关全部关断、第三开关全部导通时，所述N组电池单元相互串联，所述电能储存装置的输出电压等于N组电池单元的输出电压之和。
作为本发明的进一步改进，所述第一开关、第二开关及第三开关均是MOSFET。
为实现上述目的，本发明还提供了一种电动工具系统，包括前述电能储存装置、以及具有第一额定电压的第一电动工具、具有第二额定电压的第二电动工具和具有第三额定电压的第三电动工具，所述电能储存装置与第一电动工具匹配时，输出第一额定电压；所述电能储存装置与第二电动工具匹配时，输出第二额定电压；所述电能储存装置与第三电动工具匹配时，输出第三额定电压。
作为本发明的进一步改进，所述电能储存装置的壳体上设有输出端口，所述输出端口设有正极连接片和负极连接片，所述电池单元的正输出端与所述正极连接片相连、负输出端与所述负极连接片相连。
为实现上述目的，本发明进一步提供了一种充电装置，用于对前述电能储存装置进行充电。
本发明的有益效果是：本发明的电能储存装置可以输出至少三种电压，从而相同的电能储存装置可以用于具有不同电压/电流要求的不同类型的电动工具或充电装置，与此同时，电能储存装置可以与电动工具/充电装置进行通信，根据电动工具/充电装置的类型自动调整其内部电路配置。
附图说明
图1是本发明电能储存装置应用于四组电池单元时的电路图。
图2是图1中四组电池单元相互并联时的电路图。
图3是图1中四组电池单元串并联组合时的电路图。
图4是图1中四组电池单元相互串联时的电路图。
图5是本发明电能储存装置应用于六组电池单元时的电路图。
图6是本发明电能储存装置应用于十二组电池单元时的电路图。
图7是应用本发明的电能储存装置激活电动工具时的工作原理图。
图8是图7中LDO外围的唤醒电路及自锁电路的电路图。
图9是本发明的电能储存装置与电动工具匹配时的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
请参阅图1所示，本发明揭示了一种电能储存装置，包括壳体、收容在壳体内的N组电池单元、多个切换开关以及用于控制N组电池单元的控制单元，其中，N为和数，每组电池单元均具有串联或并联连接的多个电池单体，且每组电池单元具有相等的输出电压。
所述控制单元包括微控制器MCU和与微控制器MCU相连的高边驱动单元(HSD，Highside driver)，所述切换开关与所述高边驱动单元相连并由所述高边驱动单元驱动，所述控制单元被配置成：微控制器MCU发出控制指令给高边驱动单元，高边驱动单元驱动相应的切换开关导通或关断，实现N组电池单元的串联和/或并联，使得所述电能储存装置能够输出至少三种电压。因电池单元的数量是N，所以切换开关的数量是3(N-1)。
以下将以图1中具有四组电池单元为例，对本发明的电能储存装置的工作原理进行详细说明。
壳体上设有可与电动工具或充电装置耦合的输出端口，所述输出端口设有正极连接片OUT1、负极连接片OUT4以及位于正极连接片OUT1与负极连接片OUT4之间的通讯端OUT2和充电端OUT3，所述电池单元的正输出端与所述正极连接片OUT1相连、负输出端与所述负极连接片OUT4相连；所述通讯端OUT2用于与电动工具对接，从而唤醒电动工具并接收电动工具发出的信号；所述充电端OUT3用于与充电装置对接，以便充电装置对电能储存装置进行充电。
四组电池单元分别为电池单元C1、电池单元C2、电池单元C3及电池单元C4，每个电池单元均由5个串联连接的电池单体组成，每个电池单体输出3.6V的电压，从而每个电池单元的输出电压为18V。电池单元C1具有正输出端C1+、负输出端C1-，电池单元C2具有正输出端C2+、负输出端C2-，电池单元C3具有正输出端C3+、负输出端C3-，电池单元C4具有正输出端C4+、负输出端C4-。
所述切换开关包括连接相邻两组电池单元的正输出端的第一开关、连接相邻两组电池单元的负输出端的第二开关以及将相邻两组电池单元首尾相连的第三开关。本实施例中，第一开关包括连接在C4+与C3+之间的开关Q1、连接在C3+与C2+之间的开关Q2以及连接在C2+与C1+之间的开关Q3；第二开关包括连接在C4-与C3-之间的开关Q4、连接在C3-与C2-之间的开关Q5以及连接在C2-与C1-之间的开关Q6；第三开关包括连接在C1+与C2-之间的开关Q7、连接在C2+与C3-之间的开关Q8以及连接在C3+与C4-之间的开关Q9。C4+与正极连接片OUT1相连、C1-与负极连接片OUT4相连。
请参阅图1与图2所示，当电能储存装置与18V电动工具匹配时，微控制器MCU接收到电动工具发出的反馈信号，例如：该电动工具的额定工作电压，微控制器MCU发出控制指令给高边驱动单元，高边驱动单元驱动第一开关(Q1、Q2、Q3)和第二开关(Q4、Q5、Q6)全部导通、第三开关(Q7、Q8、Q9)全部关断，此时四组电池单元(C1、C2、C3、C4)相互并联，电能储存装置的输出电压等于单个电池单元的输出电压，即18V。
请参阅图1与图3所示，当电能储存装置与36V电动工具匹配时，微控制器MCU接收到电动工具发出的反馈信号，例如：该电动工具的额定工作电压，微控制器MCU发出控制指令给高边驱动单元，高边驱动单元驱动部分第一开关(Q1、Q3)、部分第二开关(Q4、Q6)及部分第三开关(Q8)导通、部分第一开关(Q2)、部分第二开关(Q5)及部分第三开关(Q7、Q9)关断，此时四组电池单元(C1、C2、C3、C4)形成串并联组合，电能储存装置的输出电压大于单个电池单元的输出电压(18V)而小于四组电池单元的输出电压之和(72V)，即36V。
需要说明的是：四组电池单元(C1、C2、C3、C4)形成串并联组合时，可以以先并联后串联的方式组合，也可以以先串联后并联的方式组合，此处不作限制。
请参阅图1与图4所示，当电能储存装置与72V电动工具匹配时，微控制器MCU接收到电动工具发出的反馈信号，例如：该电动工具的额定工作电压，微控制器MCU发出控制指令给高边驱动单元，高边驱动单元驱动第一开关(Q1、Q2、Q3)和第二开关(Q4、Q5、Q6)全部关断、第三开关(Q7、Q8、Q9)全部导通，此时四组电池单元(C1、C2、C3、C4)相互串联，电能储存装置的输出电压等于四组电池单元的输出电压之和，即72V。
本发明中，第一开关(Q1、Q2、Q3)、第二开关(Q4、Q5、Q6)及第三开关(Q7、Q8、Q9)均是MOSFET，但不应以此为限。
以上是对电能储存装置与各种电动工具相匹配时，微控制器MCU接收电动工具发出的反馈信号的描述，换言之，MCU根据接收到的反馈信号发出控制指令，而该反馈信号是由电动工具发出并控制的。而当电能储存装置不与电动工具相匹配时，也可通过手动控制的方式控制MCU发出控制指令，继而输出三种不同的电压。
如图1所示，控制单元还包括与MCU相连的开关K-18V、开关K-36V、开关K-72V以及LED指示灯，LED指示灯包括对应于开关K-18V的LED-18V、对应于开关K-36V的LED-36V、对应于开关K-72V的LED-72V。开关K-18V、K-36V、K-72V以及LED指示灯LED-18V、LED-36V、LED-72V均设置在壳体上。此处的LED-18V、LED-36V及LED-72V既可以用于照明，也可以用于验证对应的开关K-18V、K-36V及K-72V是否正常工作。
当按下开关K-18V时，MCU同样发出控制指令给高边驱动单元，高边驱动单元驱动第一开关(Q1、Q2、Q3)和第二开关(Q4、Q5、Q6)全部导通、第三开关(Q7、Q8、Q9)全部关断，四组电池单元(C1、C2、C3、C4)相互并联，电能储存装置的输出电压等于单个电池单元的输出电压，即18V，此时LED-18V点亮。
同理，当按下开关K-36V时，MCU控制电能储存装置输出36V电压，此时LED-36V点亮；当按下开关K-72V时，MCU控制电能储存装置输出72V电压，此时LED-72V点亮。
请参阅图5并结合图1所示，当本发明的电能储存装置应用于六组电池单元(C1、C2、C3、C4、C5、C6)时，图5中切换开关的设置方式、微控制器MCU的控制方式、高边驱动单元的驱动方式与图1均相同，区别点仅在于：图5中电池单元的数量为6(N)、对应切换开关的数量为15(3N-3)，定义单个电池单元的输出电压为n(具体为18V)，此时电能储存装置可以输出四种电压，分别为n(18V)、2n(36V)、3n(54V)、6n(108V)。
请参阅图6并结合图1所示，当本发明的电能储存装置应用于十二组电池单元(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12)时，图6中切换开关的设置方式、微控制器MCU的控制方式、高边驱动单元的驱动方式与图1均相同，区别点仅在于：图6中电池单元的数量为12(N)、对应切换开关的数量为33(3N-3)，定义单个电池单元的输出电压为n(具体为18V)，此时电能储存装置可以输出六种电压，分别为n(18V)、2n(36V)、3n(54V)、4n(72V)、6n(108V)、12n(216V)。
请参阅图7至图9所示，以电能储存装置为电池包为例，电池包具有正输出端P+、负输出端P-，切换开关组1的一端与P+端相连、另一端与电池单元2的正极相连，切换开关组3的一端与电池单元2的负极相连、另一端与P-端相连，电池单元C1的正极通过二极管D1与P+端相连、负极直接与P-端相连。MCU 5分别与低压差线性稳压器(LDO)4、MCU自锁电路6、通讯模块(COM模块)8、高边驱动单元17相连，同时还通过模拟前端AFE 18与电池单元2相连。LDO 4还分别与P+端和P-端相连，以便电池包对LDO 4进行供电。电容耦合唤醒电路7的一端通过开关K1与P+端相连、另一端分别与LDO 4、MCU自锁电路6及COM唤醒电路16相连，COM唤醒电路16的另一端与COM模块8相连。高边驱动单元17分别与切换开关组1和切换开关组3相连，以驱动相应的切换开关导通或关断。
电动工具(整机)中也具有正输出端P+、负输出端P-，电机12的一端与P-端相连、另一端与电机驱动单元11相连，电机驱动单元11的另一端与P+端相连，MCU 13分别与低压差线性稳压器(LDO)10、MCU自锁电路15、通讯模块(COM模块)14及电机驱动单元11相连。LDO10还分别与P+端和P-端相连。电容耦合唤醒电路9的一端通过开关K2与P+端相连、另一端分别与LDO 10、MCU自锁电路15相连。COM模块14用于与电池包的COM模块8对接，电动工具的P+端用于与电池包的P+端对接、电动工具的P-端用于与电池包的P-端对接，从而实现电池包与电动工具的电性连接。
图8为图7中位于LDO 4/10外围的唤醒电路及自锁电路的具体电路图。从该图可以看出：LDO选用型号为TPS7A4001DGNR的稳压器U1，该稳压器U1具有输入端(Vin)、输出端(Vout)、使能端(EN)、FB端及接地端(GND)。Vin端通过二极管D1与电池正极(BAT+)相连，Vout端与5V电源相连。EN端通过电容C1(0.1uF/50V)、电阻R1(10K)、二极管D2、稳压二极管ZD1(36V)及开关SW1与电池正极(BAT+)相连，同时分别通过电容C4(0.1uF/50V)和电阻R4(2M)接地。FB端通过电阻R2与5V电源相连、通过电阻R3与GND端相连(即接地)。Vout端与FB端之间还连接有电容C2(0.1uF/50V)，Vout端还通过电容C3(4.7uF/25V)接地。
微控制器MCU通过电阻R5(100R)和二极管D3与EN端相连，同时COM模块也通过电阻R6(100R)和二极管D4与EN端相连，从而在MCU使能COM模块后，共同使能稳压器U1(即LDO)，实现电池包与电动工具整机之间的激活、匹配。
如图9所示，当电池包与电动工具匹配时，首先，电池单元C1经二极管D1给电池包的P+端供电、将电池包的P+端、P-端及COM端分别与电动工具的P+端、P-端及COM端对接，此时LDO 10被供电；然后，电容耦合唤醒电路9使能LDO 10，LDO 10输出5V电压给MCU 13，MCU 13完成初始化，MCU 13使能MCU自锁电路15，此时电动工具整机5V系统上电完成、MCU 13使能COM模块14；接着，电池包内部的COM唤醒电路16使能LDO 4，LDO 4输出5V电压给MCU 5，MCU5完成初始化，MCU 5使能MCU自锁电路6，此时电池包5V系统上电完成、电池包和电动工具整机通过COM模块8、14进行通信，以确定整机的额定工作电压；最后，MCU 5使能高边驱动单元17驱动切换开关组1、3导通或关断，实现电压输出，此时电池包匹配整机自动调节输出电压的动作完成。
简而言之，电池包与电动工具匹配后，电动工具被唤醒，产生一个信号反馈给电池包，电池包识别电动工具的工作电压，并自动切换到对应的电压状态，此时电动工具可以工作。
结合以上描述，本发明的电能储存装置不仅可以与电动工具对接，也可以与充电装置对接，当电能储存装置与电动工具对接时，可以与工作电压不同的至少三种电动工具相匹配；当电能储存装置与充电装置对接时，因电能储存装置(如电池包)内部的电芯组相互之间可以处于并联或串联、或多个并联然后串联、或多个串联然后并联的状态，从而可利用充电电压不同的至少三种充电装置对电能储存装置进行充电，适用范围较广。
综上所述，本发明的电能储存装置可以输出至少三种电压，从而相同的电能储存装置可以用于具有不同电压/电流要求的不同类型的电动工具或充电装置，与此同时，电能储存装置可以与电动工具/充电装置进行通信，根据电动工具/充电装置的类型自动调整其内部电路配置。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种电能储存装置，包括壳体、收容在壳体内的N组电池单元以及用于控制N组电池单元的控制单元，其中N为和数，其特征在于：所述电能储存装置还包括多个切换开关，所述控制单元控制所述切换开关导通或关断，使得N组电池单元串联和/或并联，所述电能储存装置能够输出至少三种电压。
2.根据权利要求1所述的电能储存装置，其特征在于：所述控制单元包括微控制器和与微控制器相连的高边驱动单元，所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，所述切换开关由所述高边驱动单元驱动。
3.根据权利要求2所述的电能储存装置，其特征在于：每组电池单元具有相等的输出电压，所述切换开关的数量是3(N-1)。
4.根据权利要求3所述的电能储存装置，其特征在于：所述切换开关包括连接相邻两组电池单元的正输出端的第一开关、连接相邻两组电池单元的负输出端的第二开关以及将相邻两组电池单元首尾相连的第三开关。
5.根据权利要求4所述的电能储存装置，其特征在于：当所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，以驱动所述第一开关和第二开关全部导通、第三开关全部关断时，所述N组电池单元相互并联，所述电能储存装置的输出电压等于单个电池单元的输出电压。
6.根据权利要求4所述的电能储存装置，其特征在于：当所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，以驱动部分第一开关、部分第二开关及部分第三开关导通时，所述N组电池单元形成串并联组合，所述电能储存装置的输出电压大于单个电池单元的输出电压而小于N组电池单元的输出电压之和。
7.根据权利要求6所述的电能储存装置，其特征在于：所述N组电池单元形成串并联组合时，可以以先并联后串联或者先串联后并联的方式组合。
8.根据权利要求4所述的电能储存装置，其特征在于：当所述微控制器发出控制指令给所述高边驱动单元，以驱动所述第一开关和第二开关全部关断、第三开关全部导通时，所述N组电池单元相互串联，所述电能储存装置的输出电压等于N组电池单元的输出电压之和。
9.根据权利要求4所述的电能储存装置，其特征在于：所述第一开关、第二开关及第三开关均是MOSFET。
10.一种电动工具系统，其特征在于：包括权利要求1-9中任一项所述的电能储存装置、以及具有第一额定电压的第一电动工具、具有第二额定电压的第二电动工具和具有第三额定电压的第三电动工具，所述电能储存装置与第一电动工具匹配时，输出第一额定电压；所述电能储存装置与第二电动工具匹配时，输出第二额定电压；所述电能储存装置与第三电动工具匹配时，输出第三额定电压。
11.根据权利要求10所述的电动工具系统，其特征在于：所述电能储存装置的壳体上设有输出端口，所述输出端口设有正极连接片和负极连接片，所述电池单元的正输出端与所述正极连接片相连、负输出端与所述负极连接片相连。
12.一种充电装置，其特征在于：用于对权利要求1-9中任一项所述的电能储存装置进行充电。
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