CN115769484A - 用于燃气发动机替换装置的马达控制 - Google Patents

用于燃气发动机替换装置的马达控制 Download PDF

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Abstract

本文所描述的燃气发动机替换装置包括：壳体，该壳体包括电池插座，该电池插座被配置成可移除地接纳电池组；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置成选择性地将电力从该电池组提供给该马达；以及电子处理器。该电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置成接收与该马达相关联的电流测量值并且基于该电流测量值根据续流模式或同步整流模式中的一者来控制该电力开关网络。

Description

用于燃气发动机替换装置的马达控制
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年6月17日提交的美国临时专利申请号63/040,268的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本申请涉及燃气发动机替换马达单元，更特别地涉及用于与动力设备一起使用的燃气发动机替换马达单元。
背景技术
小型、单缸或多缸汽油发动机可以安装到动力设备，以用动力输出轴驱动该设备。
发明内容
本文所描述的燃气发动机替换装置包括：壳体，该壳体包括电池插座，该电池插座被配置成可移除地接纳电池组；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置成选择性地将电力从该电池组提供给该马达；以及电子处理器。该电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置成接收与该马达相关联的电流测量值并且基于该电流测量值根据续流模式或同步整流模式中的一者来控制该电力开关网络。
本文所描述的装置包括：马达；电力开关网络，该电力开关网络被配置成选择性地向该马达供电；以及电子处理器，该电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置成接收与该马达相关联的电流测量值并且基于该电流测量值根据续流模式或同步整流模式中的一者来控制该电力开关网络。
用于操作本文所描述的燃气发动机替换装置的方法提供的是，其中该发动机替换装置包括：壳体，该壳体包括电池插座，该电池插座被配置成可移除地接纳电池组；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置成选择性地将电力从该电池组提供给该马达；以及电子处理器。该电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置成控制该电力开关网络以使该马达旋转。该方法包括使电子处理器接收与该马达相关联的电流测量值并且基于该电流测量值根据续流模式或同步整流模式中的一者来控制该电力开关网络。
在详细说明任何实施例之前，应理解的是，这些实施例并不将其应用限制在以下说明中阐述的或在以下附图中展示出的构造细节和部件布置。本文描述的实施例能够以多种不同的方法来实践或实施。而且，应当理解的是，本文使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为受限制的。本文中“包括”、“包含”或“具有”和其变体的使用意在涵盖其后列出的项目和其等同物以及附加项目。术语“安装”、“连接”和“联接”被广泛地使用，并且涵盖直接和间接两种安装、连接和联接。进一步地，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接，并且可以包括电连接或联接，无论是直接的还是间接的。另外，如本文中与项目列表一起使用的，“和/或”表示可以包括全部项目、项目的子集或作为替代的项目(例如，“A、B和/或C”表示：A；B；C；A和B；B和C；A和C；或A、B和C)。
应注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构部件来实现本文描述的实施例。此外，并且如在随后的段落中所描述的，附图中所展示的特定配置旨在作为示例实施例，并且其他替代配置也是可能的。除非另有陈述，否则术语“处理器”、“中央处理单元”和“CPU”是可互换的。在术语“处理器”或“中央处理单元”或“CPU”被用作标识执行特定功能的单元的情况下，应理解，除非另有陈述，否则那些功能可以由单个处理器或以任何形式布置的多个处理器(包括并行处理器、串行处理器、串联处理器或云处理/云计算配置)来实施。
另外，应理解的是，实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论的目的，这些部件或模块可以被展示和描述为好像大多数部件仅在硬件中实现。然而，本领域的普通技术人员基于对这个详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，基于电子的方面可以在可由一个或多个处理单元(例如微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”))执行的软件(例如，存储在非暂态计算机可读介质上)中实现。这样，应注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构部件来实现实施例。
通过考虑以下详细说明和附图，其他特征和方面将变得清楚。
附图说明
图1是根据实施例的燃气发动机替换装置的立体图。
图2是图1的燃气发动机替换装置的平面图。
图3是图1的燃气发动机替换装置的示意图。
图4是图1的燃气发动机替换装置的电池组的立体图。
图5是图4的电池组的截面视图。
图6是图1的燃气发动机替换装置的电池插座的截面视图。
图7是图1的燃气发动机替换装置的马达的截面视图。
图8是图1的燃气发动机替换装置的马达、齿轮系和动力输出轴的示意图。
图9是图1的燃气发动机替换装置的框图。
图10A、图10B和图10C是用于在续流(freewheeling)模式和同步整流(synchronous rectification)模式期间驱动图1的燃气发动机替换装置的马达的电力开关网络的示意图。
图11是展示了续流模式和同步整流模式下在开间隔和关间隔期间的相马达电流的图表。
图12是用于控制图1的燃气发动机替换装置的马达的整流模式的示例方法的流程图。
图13A和图13B是展示了在使用图12的方法的情况下整流模式变化的时序图表。
图14是展示了用于实施续流模式和同步整流模式的整流模式曲线的图表。
具体实施方式
如图1和图2中所示，用于与动力设备一起使用的燃气发动机替换装置10包括壳体14，该壳体具有第一侧18、邻近第一侧18的第二侧22、与第二侧22相对的第三侧26、与第一侧18相对的第四侧28、在第二侧22与第三侧26之间延伸的第五侧30、以及与第五侧30相对的第六侧32。燃气发动机替换装置10还包括在第一侧18耦接到壳体14的凸缘34、位于壳体14内的电动马达36、以及从第二侧22突出并且接收来自马达36的扭矩的动力输出轴38。如下文进一步详细解释的，在一些实施例中，动力输出轴38从第一侧18且从凸缘34突出。如图3中所示，燃气发动机替换装置10还包括控制电子器件42，该控制电子器件定位在壳体14内并且包括布线和电连接到马达36的控制器46。在2019年8月26日提交的美国专利申请公开号2020/0076337中描述并且展示了类似的燃气发动机替换装置10，该美国专利申请的全部内容通过援引并入本文。
如图1至图6中所示，燃气发动机替换装置10还包括电池组50，该电池组可移除地接纳在壳体14中的电池组插座54中，以经由控制电子器件42将电流从电池组50传递到马达36。参照图4至图6，电池组50包括电池组壳体58，该电池组壳体具有支撑部分62和第一端子66，该第一端子电连接到由电池组壳体58支撑的多个电池单元68。支撑部分62提供滑动布置，该滑动布置具有与电池组插座54的互补凸起/凹陷部分74(图6中示出)相配合的凸起/凹陷部分70。在图4至图6所展示的实施例中，电池组50的凸起/凹陷部分70是引导轨道，并且电池组插座54的凸起/凹陷部分74是引导凹陷。在2018年7月2日提交的美国专利申请公开号2019/0006980中描述并且展示了类似的电池组，该专利申请的全部内容通过援引并入本文。在一些实施例中，电池单元68具有上至约80V的标称电压。在一些实施例中，电池单元68具有上至约120V的标称电压。在一些实施例中，电池组50具有上至约6磅(lb)的重量。在一些实施例中，电池单元68中的每一个具有上至21mm的直径和上至约71mm的长度。在一些实施例中，电池组50包括上至二十个电池单元68。在一些实施例中，电池单元68串联连接。在一些实施例中，电池单元68可操作以输出约40A与约60A之间的持续操作放电电流。在一些实施例中，电池单元68中的每一个具有约3.0Ah与约5.0Ah之间的容量。
图6展示了根据一些实施例的燃气发动机替换装置10的电池组插座54。电池组插座54包括凸起/凹陷部分74、第二端子78、闩锁机构82和断电开关86。凸起/凹陷部分74与电池组50的凸起/凹陷部分70配合，以将电池组50附接到燃气发动机替换装置10的电池组插座54。当电池组50附接到燃气发动机替换装置10时，第二端子78和第一端子66彼此电连接。闩锁机构82从电池组插座54的表面突出，并且被配置成接合电池组50，以维持电池组50与电池组插座54之间的接合。因此，电池组50可连接到电池组插座54并可由其支撑，使得电池组50可由燃气发动机替换装置10的壳体14支撑。在一些实施例中，电池组插座54被布置在壳体14上的位置使得在马达36与电池组50之间产生最大可能的分离距离，以便抑制从马达36传递到电池组50的振动。在一些实施例中，弹性体构件定位在电池组插座54上，以便抑制振动从马达36经由壳体14传递到电池组50。
在其他实施例(未示出)中，闩锁机构82可以设置在各种位置处(例如，在电池组插座54的侧壁、端壁、上端壁等上)，使得闩锁机构82接合电池组50上的相应结构，以维持电池组50与电池组插座54之间的接合。闩锁机构82包括可操作地接合闩锁构件94的可枢转致动器或手柄90。闩锁构件94可滑动地设置在电池组插座54的孔中，并且被偏置构件102(例如，弹簧)朝向闩锁位置偏置，以突出穿过电池组插座54的表面并且进入电池组50中的空腔中。
闩锁机构82还包括断电开关86(例如，微型开关)，该断电开关便于在手柄90的致动期间将电池组50与电池组插座54电连接/断开，以将闩锁构件94从电池组50撤出。断电开关86可以用于在从电池组插座54移除电池组50之前将电池组50与燃气发动机替换装置10电断开。当闩锁构件94从闩锁位置(即，当闩锁构件94完全位于电池组50的空腔内时)移动到中间位置时，致动断电开关86。断电开关86电连接到控制器46，并且可以产生中断以指示电池组50正从燃气发动机替换装置10断开。当控制器46接收到中断时，控制器46开始掉电运行，以使燃气发动机替换装置10的控制电子器件42安全地掉电。美国专利公开号2019/0006980中描述并且展示了类似的闩锁机构和断开开关，该专利申请已经通过援引并入本文。
如图7中所示，马达36包括具有外直径97的马达壳体96、具有上至约80mm的标称外直径100的定子98、具有输出轴106并且被支撑以在定子98内旋转的转子104、以及风扇108。美国专利申请公开号2019/0006980中描述并且展示了类似的马达，该专利申请已经通过援引并入本文。在一些实施例中，马达36是无刷直流马达。在一些实施例中，马达36具有至少约2760W的功率输出。在一些实施例中，马达36的功率输出在运行期间可能下降到2760W以下。在一些实施例中，风扇108的直径109大于马达壳体96的直径97。在一些实施例中，马达36可以用电子离合器来停止，以用于快速过载控制。在一些实施例中，马达36具有上至约443,619mm3的体积。在一些实施例中，马达具有上至约4.6lb的重量。壳体14包括入口通风口和出口通风口，使得在空气通过出口通风口排出之前，马达风扇108通过入口通风口并且沿着控制电子器件42拉动空气以冷却控制电子器件42。在图7中所展示的实施例中，马达36是内转子马达，但是在其他实施例中，马达36可以是标称外直径(即转子的标称外直径)上至约80mm的外转子马达。
参照图8，马达36可以以多种配置将扭矩传递到动力输出轴38。在一些实施例中，输出轴106也是动力输出轴38，使得马达36直接驱动动力输出轴38，而没有任何中间齿轮系。例如，马达36可以是直接驱动高极数马达。如图8中所示，在其他实施例中，燃气发动机替换装置10包括将扭矩从马达36传递到动力输出轴38的齿轮系110。在一些实施例中，齿轮系110可以包括机械离合器(未示出)，以中断从马达36到动力输出轴38的扭矩传递。在一些实施例中，齿轮系110可以包括将扭矩从输出轴106传递到动力输出轴38的行星变速器，并且输出轴106的旋转轴线与动力输出轴38的旋转轴线同轴。在一些实施例中，齿轮系110包括与转子的输出轴106接合的正齿轮，使得输出轴106的旋转轴线偏离于并且平行于动力输出轴38的旋转轴线。在一些实施例中，齿轮系110包括锥齿轮，使得输出轴106的旋转轴线垂直于动力输出轴38的旋转轴线。在利用锥齿轮的其他实施例中，输出轴106的旋转轴线不垂直、平行或同轴于动力输出轴38的旋转轴线，并且动力输出轴38从凸缘34突出。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括开/关指示器。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括过滤器，以将空载碎屑阻挡在马达36和控制电子器件42之外。在一些实施例中，过滤器包括脏过滤器传感器和自清洁机构。在一些实施例中，当遇到阻力(比如减慢或停滞)时，马达36将模拟燃气发动机响应。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括壳体14中的散热件202，用于空气冷却控制电子器件42(图1和图2)。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10是液体冷却的。
在一些实施例中，转子104的输出轴106具有正向和反向能力，如下文进一步描述的。在一些实施例中，与燃气发动机相比，在不转换齿轮系110的档位情况下，正向和反向能力是可控的，这些燃气发动机在没有附加传动装置和时间延迟的情况下不能实现正向/反向能力。因此，燃气发动机替换装置10提供了增大的速度、更轻的重量和更低的成本。因为与燃气发动机相比，燃气发动机替换装置10具有更少的运动部并且没有燃烧系统，所以该燃气发动机替换装置还提供了附加的速度、重量和成本优点。
燃气发动机替换装置10能够在相对于地表面的任何取向(竖直、水平、倒置)上长时间段操作，这使其优于四循环燃气发动机，这些四循环燃气发动机只可以在一个取向上和稍微倾斜的情况下操作较短的时间段。因为燃气发动机替换装置10不需要气体、油或其他流体，所以该燃气发动机替换装置可以倒置或在任何给定侧运转、被输送以及存放，而没有泄漏或溢出。
在操作中，燃气发动机替换装置10可以用来代替燃气发动机系统。具体地，通过将由凸缘34中的多个孔口限定的第一螺栓图案与第二螺栓图案对准，燃气发动机替换装置10可以安装到具有第二螺栓图案的动力设备上。在一些实施例中，凸缘34可以包括一个或多个中间安装构件或适配器，该一个或多个中间安装构件或适配器布置在凸缘34本身与具有第二螺栓图案的动力设备的凸缘之间，使得(多个)适配器将凸缘34耦接到该动力设备。在这些实施例中，适配器包括第二螺栓图案和第一螺栓图案两者，使得凸缘34的第一螺栓图案与适配器的第一螺栓图案对准，并且适配器的第二螺栓图案与动力设备中限定的第二螺栓图案对准，从而允许燃气发动机替换装置10的凸缘34耦接到该动力设备。
替代性地，燃气发动机替换装置10可以通过设置可操作地连接动力输出轴和设备功能部的带而使用带系统来连接到动力设备。因此，燃气发动机替换装置10的动力输出轴38可以用于驱动该设备。
在操作期间，燃气发动机替换装置10的壳体14可以比内燃单元的壳体冷得多，因为在燃气发动机替换装置10中没有燃烧。具体地，当燃气发动机单元运转时，燃气发动机单元的壳体是220摄氏度或更高。相比之下，当燃气发动机替换装置10运转时，壳体14的所有外表面低于95摄氏度。下面的表1和表2更具体地列出了燃气发动机替换装置10的壳体14上不同部件的温度极限。
下面的表1列出了在动力工具中典型使用的不同部件关于这些部件是由金属、塑料、橡胶、木材、瓷器、还是玻璃质形成的保险商实验室(UL)温度极限。例如，至少在一些实施例中，燃气发动机替换装置10决不会超过塑料额定温度。
表1：UL材料温度极限
Figure BDA0004026254230000081
下面的表2列出了电池组50的电池组壳体58的不同部件关于这些部件是由金属、塑料、还是橡胶形成的UL温度极限。例如，至少在一些实施例中，燃气发动机替换装置10决不会超过塑料额定温度。
表2：UL材料温度极限
Figure BDA0004026254230000082
图9展示了根据一个示例实施例的燃气发动机替换装置10的简化框图。如图9所示，燃气发动机替换装置10包括电子处理器302、存储器306、电池组50、电力开关网络310、马达36、转子位置传感器314、马达电流传感器318、用户输入装置322(例如，调速件(throttle)、触发器或电源按钮)、收发器326、指示器330(例如，发光二极管)和电池电流传感器320。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括比图9中所示的部件更少或附加的部件。例如，燃气发动机替换装置10可以包括电池组燃料仪、工作灯、附加传感器、切断开关、断电开关86等。在一些实施例中，图9中所展示的包括电子处理器302、存储器306、电力开关网络310、转子位置传感器314、马达电流传感器318、用户输入装置322、收发器326、指示器330和电池电流传感器320中的一者或多者的燃气发动机替换装置10的元件形成图3中所示的控制电子器件42的至少一部分，其中电子处理器302和存储器306形成图3中所示的控制器46的至少一部分。
存储器306包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、其他非暂时性计算机可读介质、或它们的组合。电子处理器302被配置成与存储器306通信以存储数据和检索存储的数据。电子处理器302被配置成从存储器306接收指令和数据并且执行指令等。具体地，电子处理器302执行存储在存储器306中的指令，以执行本文描述的方法。
如上文所描述的，在一些实施例中，电池组50可移除地附接到燃气发动机替换装置10的壳体，使得不同的电池组50可以附接到燃气发动机替换装置10和从燃气发动机替换装置移除，以将不同量的电力提供到燃气发动机替换装置10。电池组50的进一步描述(例如，标称电压、持续操作放电电流、尺寸、电池单元的数量、操作等)以及马达36的进一步描述(例如，功率输出、尺寸、操作等)在上文关于图1至图8提供。
电力开关网络310使得电子处理器302能够控制马达36的操作。通常，当用户输入装置322被压下(或以其他方式致动)时，电流从电池组50经由电力开关网络310供应到马达36。当用户输入装置322未被压下(或以其他方式致动)时，电流不从电池组50供应到马达36。在一些实施例中，用户输入装置322被压下的量与马达36的期望的旋转速度相关或对应。在其他实施例中，用户输入装置322被压下的量与期望的扭矩相关或对应。在其他实施例中，单独的输入装置(例如，滑动件、拨盘等)包括在燃气发动机替换装置10上，与电子处理器302通信，以对马达36提供期望的旋转速度或扭矩。
响应于电子处理器302从用户输入装置322接收驱动请求信号，电子处理器302激活电力开关网络310以将电力提供到马达36。通过电力开关网络310，电子处理器302控制马达36可用的电流量，从而控制马达36的速度和扭矩输出。电力开关网络310可以包括许多场效应晶体管(FET)、双极结型晶体管、或其他类型的电开关。例如，电力开关网络310可以包括六FET桥(参见图10A至图10C)，该六FET桥从电子处理器302接收脉宽调制(PWM)信号以驱动马达36。
转子位置传感器314和马达电流传感器318联接到电子处理器302，并且向电子处理器302传达指示燃气发动机替换装置10或马达36的不同参数的各种控制信号。在一些实施例中，转子位置传感器314包括一个霍尔传感器或多个霍尔传感器。在其他实施例中，转子位置传感器314包括附接到马达36的正交编码器。转子位置传感器314向电子处理器302输出马达反馈信息，比如当马达36的转子的磁体旋转越过霍尔传感器的表面时的指示(例如，脉冲)。在其他实施例中，转子位置传感器314包括例如电压或电流传感器，该电压或电流传感器提供马达线圈中产生的反电动势(反emf)的指示。电子处理器302可以基于从转子位置传感器314(即电压或电流传感器)接收的反emf信号，确定转子位置、转子速度和转子加速度。转子位置传感器314可以与电流传感器318组合以形成组合式电流和转子位置传感器。在此示例中，组合式传感器提供流到马达36的(多个)有效相线圈的电流，并且还提供马达36的(多个)无效相线圈中的一个或多个中的电流。电子处理器302基于流到有效相线圈的电流来测量流到马达的电流，并且基于无效相线圈中的电流来测量马达速度。
基于来自转子位置传感器314的马达反馈信息，电子处理器302可以确定转子的位置、速度和加速度。响应于马达反馈信息和来自用户输入装置322的信号，电子处理器302传输控制信号以控制电力开关网络310来驱动马达36。例如，通过选择性地启用和禁用电力开关网络310的FET，从电池组50接收的电力以循环方式选择性地施加到马达36的定子绕组，以引起马达36的转子旋转。电子处理器302使用马达反馈信息来确保对电力开关网络310的控制信号的正确定时，并且在一些情况下，提供闭环反馈以将马达36的速度控制在期望的水平。例如，为了驱动马达36，使用来自转子位置传感器314的马达定位信息，电子处理器302确定转子磁体相对于定子绕组的位置，并且(a)以预定图案激励下一个定子绕组对(或多个定子绕组对)，以在期望的旋转方向上将磁力提供给转子磁体，以及(b)去激励先前激励的一个定子绕组对(或多个定子绕组对)，以防止在转子磁体上施加与转子旋转方向相反的磁力。
马达电流传感器318在燃气发动机替换装置10操作期间监测或检测马达36的电流水平，并且向电子处理器302提供指示检测到的电流水平的控制信号。电子处理器302可以使用检测到的电流水平来控制电力开关网络310，如下文更详细解释的。
收发器326允许电子处理器302与外部装置338(例如，智能手机、平板电脑或膝上型计算机)通过有线或无线通信网络334进行通信。在一些实施例中，收发器326可以包括单独的发射和接收部件。在一些实施例中，收发器326可以包括附接到燃气发动机替换装置10的无线适配器。在一些实施例中，收发器326是无线收发器，该无线收发器将从电子处理器302接收的信息编码成载波无线信号，并且通过通信网络334将编码的无线信号传输到外部装置338。收发器326还解码来自通过通信网络334从外部装置338接收的无线信号的信息，并且将解码的信息提供到电子处理器302。在一些实施例中，收发器326通过通信网络334与一个或多个外部传感器340通信。例如，外部传感器340可以与安装有燃气发动机替换装置10的设备相关联。在一些实施例中，外部传感器340是速度传感器、位置传感器等。
通信网络334在燃气发动机替换装置10、外部装置338、以及外部传感器340之间提供有线或无线连接。通信网络334可以包括短程网络(例如BLUETOOTH(蓝牙)网络、Wi-Fi网络等)或者远程网络(例如因特网、蜂窝网络等)。
如图9中所示，指示器330也联接到电子处理器302并且接收来自电子处理器302的控制信号，以基于燃气发动机替换装置10的不同状态接通和切断或以其他方式传达信息。指示器330包括例如一个或多个发光二极管(“LED”)或显示屏。指示器330可以被配置成显示燃气发动机替换装置10的状况或与燃气发动机替换装置相关联的信息。例如，指示器330被配置成指示燃气发动机替换装置10的测得电特性、燃气发动机替换装置10的状态、燃气发动机替换装置10的模式等。指示器330还可以包括通过听觉或触觉输出向用户传送信息的元件。在一些实施例中，指示器330包括eco指示器，该指示器指示负载在操作期间使用的电力量。
图9中简化了燃气发动机替换装置10的部件之间所示的连接。实际上，燃气发动机替换装置10的布线更加复杂，因为燃气发动机替换装置的部件通过数条用于电力和控制信号的线相互连接。例如，电力开关网络310的每个FET通过控制线分别连接到电子处理器302；电力开关网络310的每个FET连接到马达36的端子；从电池组50到电力开关网络310的电力线包括正极线和负极线/地线；等等。另外，电力线可以具有大的规格/直径，以处理增大的电流。进一步地，尽管未示出，但是附加的控制信号线和电力线用于互连燃气发动机替换装置10的附加部件。
图10A至图10C展示了用于为马达36供电的电力开关网络310的一个示例、以及电力开关网络310在PWM周期的不同部分期间的操作。图11展示了在PWM周期期间的马达电流。电子处理器302控制电力开关网络310以为马达供电。
如图10A中所展示的，电力开关网络310包括三个高侧FET(UHS、VHS、WHS)以及三个低侧FET(ULS、VLS、WLS)，这些FET各自具有第一导通状态和第二非导通状态。马达36具有绕组M1、M2、M3。电力开关网络210用于选择性地将电力从电池组50施加到马达36。可以通过电子处理器302使用脉宽调制(“PWM”)换向、中心线换向或其他换向方案来控制高侧开关和低侧开关。在一些实施例中，使用PWM换向顺序来控制马达36沿正向方向旋转。高侧FET(UHS、VHS、WHS)中的每一者在换向阶段期间周期性地导通。当FET(UHS、VHS、WHS)中的一者停止导通时，下一个高侧FET开始导通。类似地，低侧FET(ULS、VLS、WLS)中的每一者在换向阶段期间周期性地导通。当FET(ULS、VLS、WLS)中的一者停止导通时，下一个低侧FET开始导通。然而，高侧或低侧FET中的一者或两者可以基于马达36的期望速度或马达36上的负载而仅在换向阶段的某个周期内被激活(例如，用具有75％、50％、25％或另一占空比的PWM信号)。为了沿正向方向驱动马达36，高侧和低侧FET以预定对和预定顺序被激活。例如，UHS和VLS首先被激活，然后VHS和WLS被激活，然后WHS和ULS被激活。在正向操作中，此顺序在马达36的运转期间持续。为了沿反向方向旋转，UHS和WLS首先激活，然后WHS和VLS被激活，然后VHS和ULS被激活。在反向操作中，此顺序在马达36的运转期间持续。在一些实施例中，可以基于期望的马达操作来执行对该顺序的一种或多种变化。例如，高侧和低侧FET中的一者或两者可以在其激活阶段期间以某频率切换以控制马达的速度。另外，高侧和低侧FET的激活阶段可以转变，以与其他激活产生重叠，从而实现不同的控制(例如，场定向控制)。
图10A展示了在PWM周期的一部分(其中绕组M1被供电，在图11中通过间隔TON表示)期间的电力开关网络310。整个PWM周期在图11中通过间隔TPWM表示FET(UHS和VLS)被激活，使得电流从电池流到绕组M1，如在图11中通过信号500表示的。在图10A至图10C的示例中，通过以特定工作周期和频率启用和禁用VLS控制信号而将PWM施加到FET(VLS)控制信号。
电子处理器302使用两种不同的整流模式(续流(“FW”)模式和同步整流(“SR”)模式)控制电力开关网络310。如下文更详细描述的，所选择的整流模式取决于比如马达电流、源电流、PWM频率、工作周期等因素。当FET(VLS)被切断(在图11中通过间隔TOFF表示)时，马达电流衰减。电流衰减的方式取决于整流模式。
图10B展示了在FW模式下的电力开关网络310的配置。如图10B中所展示的，FET(UHS)保持启用，并且FET(VLS)被切断。电流在图11中的间隔TFW期间通过流过FET(VHS)的体二极管400来与FET(UHS)创建电流环路。体二极管400导通续流电流并且在二极管被反向偏置时切断以阻止任何不连续的电流，如通过信号505表示的。电流衰减，如通过信号505表示的。体二极管400上的电压下降，在衰减期间造成功率损耗和发热。
图10C展示了在SR模式下的电力开关网络310的配置。采用同步整流以在TOFF间隔期间降低功率损耗并提高系统效率。由于FET(VHS)的导通电阻低于体二极管400的导通电阻，因此可以通过在TOFF间隔期间启用FET(VHS)来降低功率损耗和发热(与图10B相比)。如图10C中所展示的，FET(UHS)保持启用，FET(VLS)被切断，并且FET(VHS)被启用。电流通过流过FET(UHS、VHS)所限定的电流环路而衰减。在一些实施例中，同步整流被施加到燃气发动机替换装置以外的装置(例如，先前不包括燃气发动机的其他手持式工具或类似的动力工具)。
然而，在一些操作状况下(比如当TOFF>TON时)，在施加SR模式时可能存在不期望的影响。在一些情况下，马达36具有非常低的阻抗(具体而言，电感)。由于这种低电感，马达36中的开关电流快速衰减。当使用SR模式时，快速衰减阶段电流可能变得不连续。当出现这种情况时，能量从马达36的反EMF移除、使绕组中的电流反向并且导致马达效率降低并使发热增加，如通过图11的信号510表示的。应注意的是，信号510是不期望的，并且如在下文更详细描述的，电子处理器302控制操作模式以避免不连续的操作。
图10C的示例涉及将PWM信号施加到FET(VLS)，并且当FET(VLS)在PWM工作周期中被禁用时启用FET(VHS)。在一些实施例中，PWM信号替代性地被施加到FET(UHS)，而FET(VLS)保持启用，并且当FET(VLS)在PWM工作周期期间被禁用时启用FET(ULS)以提供同步整流。
图12是用于控制图1的燃气发动机替换装置10的马达36的整流模式的示例方法600的流程图。图13A和图13B是展示了在使用图12的方法600的情况下整流模式变化的时序图表。
参照图12，电子处理器302接收电流测量值，如框605中所示。在一些实施例中，电子处理器302基于电流测量值(比如马达电流传感器318所感测到的马达电流或电池电流传感器320所感测到的源电流测量值)控制整流模式。在一些实施例中，马达电流测量值是间接的。例如，马达扭矩或输出扭矩测量值是马达电流的间接测量值(例如，马达电流的估计值)。
如框610中所示，电子处理器302确定电流是否大于模式阈值。对于给定的马达36，若采用SR模式，可以根据经验确定出现不连续的导通的电流范围。模式阈值被选择为在马达36出现不连续的导通的电流范围以上。
若电流大于框610中的模式阈值，则电子处理器302采用框615中的同步整流模式。若电流不大于框610中的模式阈值，则电子处理器302采用框620中的续流模式。SR模式和FW模式间隔在图13A和图13B中标计。如图13A和图13B中所见，在SR模式下，当FET(VLS)被切断时，FET(VHS)被接通以提供图10C中所描述的有源电流衰减。
在一些实施例中，采用滞后带(hysteresis band)以在电流在模式阈值附近时避免整流模式的振荡。相应地，可以根据整流模式来调节模式阈值。例如，假定模式阈值为15A。则可以为模式改变提供5A的滞后带。若电子处理器302在FW模式下操作并且电流超过20A(15A的标称阈值加上滞后带)，则电子处理器302改变为SR模式。如图13A中所示，电流在点700处超过20A，并且电子处理器从FW模式改变为SR模式。
若电子处理器302在SR模式下操作并且电流降到15A的标称阈值以下，则电子处理器302改变为FW模式。如图13B中所示，电流在点705处降到15A以下，并且电子处理器从SR模式改变为FW模式。
图14是展示了用于实施续流模式和同步整流模式的整流模式曲线800的图表。在一些实施例中，除电流以外还可以包括其他决策参数。例如，可以使用PWM信号施加到马达36的工作周期和切换频率来计算TOFF。整流曲线800可以使电流随TOFF而变以指示不连续的导通所造成的给定TOFF的电流。因此，在曲线800上方区域的SR模式操作造成不连续的导通，而在曲线800下方的SR模式操作不造成不连续的导通。曲线800可以整合到图12的方法600的处理中，其中模式阈值基于操作参数(比如工作周期、切换频率和电流)动态地更新。滞后带还可以如上所述地结合到曲线800中以防止振荡。
如本文所述地控制整流模式降低了功率消耗、减少了热量产生并且提高了效率。
由燃气发动机替换装置10驱动的上述机械系统包括许多优于由内燃发动机驱动的传统设备的优点，其中一些优点将在下面讨论。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以与新设备配合，并且存储器306可以被重新编程以优化燃气发动机替换装置10以便与新设备一起操作。在一些实施例中，电子处理器302自动地识别燃气发动机替换装置10已经配合的新设备的类型，并且相应地管控燃气发动机替换装置10的操作。在一些实施例中，电子处理器302可以经由与新设备的射频识别(RFID)通信来自动地检测燃气发动机替换装置10已经与哪个设备配合。
在一些实施例中，存储器306可经由BLUETOOTH或Wi-Fi通信协议重新编程。在一些实施例中，电子处理器302具有用于同一设备的不同用途的控制模式。控制模式可以是预设的或用户可编程的，并且可以经由BLUETOOTH或Wi-Fi远程编程。在一些实施例中，电子处理器302利用主/从设备到设备的通信和协调，使得燃气发动机替换装置10可以对设备施加单向控制，或者操作者可以使用智能手机应用程序对燃气发动机替换装置10施加单向控制。
在一些实施例中，允许操作者或原始设备制造商(“OEM”)通过电子处理器302经由例如类似控制器局域网(“CAN”)的接口来有限地控制燃气发动机替换装置10的速度。在一些实施例中，与汽油发动机相比，电子处理器302能够利用齿轮系110中的单个齿轮组进行更宽范围的速度选择。例如，控制电子器件42被配置成以小于2,000RPM(其低于汽油发动机能够达到的任何速度)驱动马达36，这样相比于汽油发动机允许相关设备在电池组50完全放电时具有更长的总运转时间。另外，控制电子器件42被配置成以高于3,600RPM(其高于汽油发动机能够达到的任何速度)驱动马达，并且具有传递更大扭矩的能力。相比于汽油发动机，马达36的较宽速度范围提供了更高的效率和能力。在一些实施例中，除了速度之外，操作者还可以控制由马达36汲取的电流。
在一些实施例中，电子处理器302被配置成记录和报告数据。例如，电子处理器302被配置成提供有线或无线诊断，以用于监测和读取燃气发动机替换装置10的状态。例如，电子处理器302可以例如在租赁的情况下监测和记录燃气发动机替换装置10运转时间。在一些实施例中，马达36和电子处理器302使用再生制动来给电池组50充电。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括用于灯或附件的DC输出(未示出)。在一些实施例中，电子处理器302可以经由电压、电流、运动、速度和/或热电偶来检测燃气发动机替换装置10的异常或故障。在一些实施例中，电子处理器302可以检测燃气发动机替换装置10的非预期使用或停止。如果由燃气发动机替换装置10驱动的设备没有以预期的特性运行或没有正确或安全地使用，则电子处理器302可以检测到异常并且停用燃气发动机替换装置10。例如，燃气发动机替换装置10可以包括一个或多个加速度计，以感测燃气发动机替换装置10和设备是否处于预期取向。而且，如果电子处理器302确定燃气发动机替换装置10没有处于预期取向(即，设备已经翻倒)，则电子处理器302可以停用燃气发动机替换装置10。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括可触及的传感器端口(未示出)，以与用户选择的用于动力设备一起使用的传感器(比如加速度计、陀螺仪、GPS单元或实时时钟)电连接，从而允许操作者定制由电子处理器302感测和检测的变量。在一些实施例中，电子处理器302可以经由视觉、听觉或触觉通知向操作者指示电池组50的状态，比如当电池电量低时。在一些实施例中，电子处理器302可以操作与马达36分开的辅助马达来驱动辅助装置，比如绞盘。辅助马达可以在燃气发动机替换装置10的内部或外部。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以包括可定制用户接口上的数字控制件，比如触摸显示器、或旋钮和按钮的组合。相比之下，模拟汽油发动机不包括这种数字控制件。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10的用户接口可以是模块化的、有线的或无线的，并且可以是可附接到燃气发动机替换装置10的或是手动握持的。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以用远程控制件控制，该远程控制件包括用于燃气发动机替换装置10的某些特性(比如电池组50的荷电、以及温度)的状态指示器。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以用远程可编程装置提供状态指示。
因此，本文所描述的实施例此外提供了一种包括同步整流的燃气发动机替换装置。在所附权利要求中阐述了各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种燃气发动机替换装置，该燃气发动机替换装置包括：
壳体，该壳体包括电池插座，该电池插座被配置成可移除地接纳电池组；
马达，该马达位于该壳体内；
动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩，并且从该壳体的一侧突出；
电力开关网络，该电力开关网络被配置成选择性地将电力从该电池组提供给该马达；以及
电子处理器，该电子处理器连接到该电力开关网络并且被配置成：
接收与该马达相关联的电流测量值，并且
基于该电流测量值根据续流模式或同步整流模式中的一者来控制该电力开关网络。
2.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中：
该马达包括第一绕组；并且
该电力开关网络包括：
联接到该第一绕组的第一端子的第一高侧开关；
联接到该第一绕组的第二端子的第二高侧开关；
联接到该第一绕组的第二端子的第一低侧开关；以及
联接到该第一绕组的第一端子的第二低侧开关；
其中，当在该同步整流模式下操作时，该电子处理器被配置成启用该第一高侧开关和该第一低侧开关，周期性启用和禁用该第一低侧开关和该第一高侧开关中的一者，并且在该第一低侧开关被禁用的相位期间启用该第二高侧开关中的一者、而在该第一高侧开关被禁用相位期间启用该第二低侧开关。
3.如权利要求2所述的燃气发动机替换装置，其中，该电子处理器被配置成：
接收指示电流随该第一低侧开关的切断时间而变的整流模式曲线；
基于施加到该第一低侧开关的脉冲宽度调制信号的参数确定与该电流测量值相关联的切断时间；
响应于该电流测量值在该确定的切断时间在该整流模式曲线上方来以该续流模式控制该电力开关网络；并且
响应于该电流测量值在该确定的切断时间在该整流模式曲线下方来以该同步整流模式控制该电力开关网络。
4.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中：
该马达包括第一绕组；并且
该电力开关网络包括：
联接到该第一绕组的第一端子的第一高侧开关；
联接到该第一绕组的第二端子的第二高侧开关，该第二高侧开关具有体二极管；以及
联接到该第一绕组的第二端子的第一低侧开关；
其中，当在该续流模式下操作时，该电子处理器被配置成启用该第一高侧开关并周期性地启用和禁用该第一低侧开关，并且其中，在该第一低侧开关被禁用的相位期间，该第一绕组中的电流流过该第二高侧开关的体二极管。
5.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，该电流测量值表示通过该马达的电流。
6.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，该电流测量值表示由该电池组供应的电流。
7.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，该电子处理器被配置成：
响应于该电流测量值小于模式阈值来以该续流模式控制该电力开关网络；并且
响应于该电流测量值大于该模式阈值来控制以该同步整流模式控制该电力开关网络。
8.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，该电子处理器被配置成向从该续流模式改变为该同步整流模式并从该同步整流模式改变为该续流模式的该模式阈值施加滞后带。
9.一种装置，该装置包括：
马达；
电力开关网络，该电力开关网络被配置成选择性地向该马达供电；以及
电子处理器，该电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置成：
接收与该马达相关联的电流测量值，并且
基于该电流测量值根据续流模式或同步整流模式中的一者来控制该电力开关网络。
10.如权利要求9所述的装置，其中：
该马达包括第一绕组；并且
该电力开关网络包括：
联接到该第一绕组的第一端子的第一高侧开关；
联接到该第一绕组的第二端子的第二高侧开关；
联接到该第一绕组的第二端子的第一低侧开关；以及
联接到该第一绕组的第一端子的第二低侧开关；
其中，当在该同步整流模式下操作时，该电子处理器被配置成启用该第一高侧开关和该第一低侧开关，周期性启用和禁用该第一低侧开关和该第一高侧开关中的一者，并且在该第一低侧开关被禁用的相位期间启用该第二高侧开关中的一者、而在该第一高侧开关被禁用相位期间启用该第二低侧开关。
11.如权利要求10所述的装置，其中，该电子处理器被配置成：
接收指示电流随该第一低侧开关的切断时间而变的整流模式曲线；
基于施加到该第一低侧开关的脉冲宽度调制信号的参数确定与该电流测量值相关联的切断时间；
响应于该电流测量值在该确定的切断时间在该整流模式曲线上方来以该续流模式控制该电力开关网络；并且
响应于该电流测量值在该确定的切断时间在该整流模式曲线下方来以该同步整流模式控制该电力开关网络。
12.如权利要求9所述的装置，其中：
该马达包括第一绕组；并且
该电力开关网络包括：
联接到该第一绕组的第一端子的第一高侧开关；
联接到该第一绕组的第二端子的第二高侧开关，该第二高侧开关具有体二极管；以及
联接到该第一绕组的第二端子的第一低侧开关；
其中，当在该续流模式下操作时，该电子处理器被配置成启用该第一高侧开关并周期性地启用和禁用该第一低侧开关，并且其中，在该第一低侧开关被禁用的相位期间，该第一绕组中的电流流过该第二高侧开关的体二极管。
13.如权利要求9所述的装置，其中，该电子处理器被配置成：
响应于该电流测量值小于模式阈值来以该续流模式控制该电力开关网络；并且
响应于该电流测量值大于该模式阈值来控制以该同步整流模式控制该电力开关网络。
14.如权利要求9所述的装置，其中，该电子处理器被配置成向从该续流模式改变为该同步整流模式并从该同步整流模式改变为该续流模式的该模式阈值施加滞后带。
15.一种用于操作燃气发动机替换装置的方法，该燃气发动机替换装置包括：壳体，该壳体包括电池插座，该电池插座被配置成可移除地接纳电池组；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置成选择性地将电力从该电池组提供给该马达；以及电子处理器，该电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置成控制该电力开关网络以使该马达旋转，该方法包括：
通过该电子处理器来接收与该马达相关联的电流测量值；并且
基于该电流测量值通过该电子处理器根据续流模式或同步整流模式中的一者来控制该电力开关网络。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该马达包括第一绕组，并且该电力开关网络包括：联接到该第一绕组的第一端子的第一高侧开关；联接到该第一绕组的第二端子的第二高侧开关；联接到该第一绕组的第二端子的第一低侧开关；以及联接到该第一绕组的第一端子的第二低侧开关，该方法进一步包括：
当在该同步整流模式下操作时：
启用该第一高侧开关和该第一低侧开关；
周期性地启用和禁用该第一低侧开关和该第一高侧开关中的一者；并且
在该第一低侧开关被禁用的相位期间启用该第二高侧开关中的一者并且在该第一高侧开关被禁用的相位期间启用该第二低侧开关。
17.如权利要求16所述的方法，该方法进一步包括：
接收指示电流随该第一低侧开关的切断时间而变的整流模式曲线；
基于施加到该第一低侧开关的脉冲宽度调制信号的参数确定与该电流测量值相关联的切断时间；
响应于该电流测量值在该确定的切断时间在该整流模式曲线上方来以该续流模式控制该电力开关网络；并且
响应于该电流测量值在该确定的切断时间在该整流模式曲线下方来以该同步整流模式控制该电力开关网络。
18.如权利要求15所述的方法，其中，该马达包括第一绕组，并且该电力开关网络包括：联接到该第一绕组的第一端子的第一高侧开关；联接到该第一绕组的第二端子的第二高侧开关，该第二高侧开关具有体二极管；以及联接到该第一绕组的第二端子的第一低侧开关，该方法进一步包括：
当在该续流模式下操作时：
启用该第一高侧开关并周期性地启用和禁用该第一低侧开关，并且其中，在该第一低侧开关被禁用的相位期间，该第一绕组中的电流流过该第二高侧开关的体二极管。
19.如权利要求15所述的方法，该方法进一步包括：
响应于该电流测量值小于模式阈值来以该续流模式控制该电力开关网络；并且
响应于该电流测量值大于该模式阈值来控制以该同步整流模式控制该电力开关网络。
20.如权利要求15所述的方法，该方法进一步包括：
向从该续流模式改变为该同步整流模式并从该同步整流模式改变为该续流模式的该模式阈值施加滞后带。
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