CN201282161Y - 用于无缆装置的电池组和具有该电池组的电气组合 - Google Patents

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亚历克西斯·W·约翰逊
内森·J·奥斯本
小迈克尔·W·罗伯茨
史蒂文·J·菲利普斯
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Abstract

一种无缆装置的电池组和具有该电池组的电气组合，电池组包括壳体、接线盒、电连接到该接线盒的印刷电路板、至少一个电池单元和在该印刷电路板上以提供静电放电防护且布置在该印刷电路板和该接线盒之间的火花间隙装置。

Description

用于无缆装置的电池组和具有该电池组的电气组合
技术领域
本实用新型通常涉及用于无缆装置的电池组，且尤其涉及具有机械和/或电气保护特征的电池组，本实用新型还涉及具有该电池组的电气组合。
背景技术
电池组用来给许多各种各样的无缆装置供电，例如动力工具、器械和/或室外设备。传统的电池组使用支撑电子电路的电路板(例如印刷电路板)。该电子电路包括易受机械和/或电子损坏的元件。
实用新型内容
本实用新型的典型非限制性实施例可以实现机械地和/或电气地保护各种电路元件的特征，使得电池组中的电子组件更坚固。
下面将参考附图更具体地描述包括零件组合和结构的多种新颖的细节的典型实施例的上述及其它特征。应该理解地是典型实施例的细节仅仅是说明性示出的且并不认为是典型实施例的限制。本实用新型的原理和特征在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下可以用于很多不同的实施例。
为了实现本实用新型的目的，提供了一种电池组，包括：
壳体；
接线盒；
电连接到该接线盒的印刷电路板；
至少一个电池单元；和
在印刷电路板上以提供静电放电防护并布置在印刷电路板和接线盒之间的火花间隙装置。
本实用新型还提供了一种具有该电池组的电气组合，包括：
具有电机和多个工具终端的电动工具；
具有多个充电端子的电池充电器；
电池组，包括壳体、具有多个端子的接线盒、至少一个电连接到该接线盒的印刷电路板，和至少一个电池单元，上述电池组还包括与上述多个端子的至少一个结合在一起的外部机械锁，以在与电动工具或电池充电器的任一个结合之前识别该电池组。
本实用新型的优点在于，可防止多种外部原因引起的电池组损坏。
附图说明
将参考附图描述本实用新型的典型非限制性实施例，其中类似的元件采用类似的参考数字表示。
图1是根据典型非限制性实施例的电池组的透视图。
图2-4是根据典型非限制性实施例的实现在PCB上的火花间隙和盖子的示意图。
图5是根据典型非限制性实施例实现在接线盒上的火花间隙的示意图。
图6和7是根据典型非限制性实施例实现在电池组外壳上的外裙的透视图。
图8是根据典型非限制性实施例的实现具有应变减轻端子的接线盒的透视图。
图9和10是根据典型非限制性实施例实现浮动电子组件的透视图。
图11是根据典型非限制性实施例实现机械锁外部特征的接线盒的透视图。
图12和13是根据典型非限制性实施例实现在电池组壳体中的锁扣透视图。
具体实施方式
参考具有柱结构的电池组对下列典型非限制性实施例进行描述。然而，应当理解地是具有替换结构的电池组可以实现典型实施例的各种特征(例如轨道结构rail configuration)。
参考图1，电池组2包括其中设置多个电池(未示出)的下端壳体4。该下端壳体4支撑具有柱部分8的上端壳体6，其中印刷电路板(＂PCB＂)设置在柱部分8中。一个或多个电池也可以设置在该柱部分8中。该柱部分8包括开口，通过该开口暴露接线盒10(具有多个端子)。
I、具有ESD保护特性的PCB：
图2示意性地说明了接线盒10、PCB和该电池组2的单元电池之间的典型电连接。该接线盒10连接到通过PCB支撑的元件12上，和该元件12连接到单元电池14上。
该PCB包括在该接线盒10和该元件12之间延伸的线条。这些线条包括通向各个节点16的部分。该PCB也可支撑分别相应于节点16的节点18。每一对对应的节点16、18形成火花间隙20。该火花间隙20包含气体(例如空气)。该火花间隙20可以使元件12与可达千伏级别的静电放电隔绝(＂BSD＂)。
例如，该火花间隙20可以在由用户接触接线盒10的端子(但不限于此)产生的2kV ESD下操作。在这里，相对高电压的浪涌从接线盒10到达节点16，在这个点上将产生电火花，电弧穿过火花间隙20到达节点18。该高电压随后通过设置在PCB上的接地组件而接地。该接地组件有效地连接到单元电池上。做为选择，该高电压可消耗到电容器或消耗到相对于地面作为电容器的表面(代替接地)。
在正常操作中(包含相对低压和小电流)，信号在接线盒10和元件12之间传输，且不会产生任何电火花穿过该火花间隙20。
正如图3的平面图所示，限定该火花间隙20的该节点16、18具有三角形状。在替代实施例中，可以适当地采用具有很多不同形状的节点。限定特定火花间隙20的该节点16、18可以具有相同或不同的形状。
如图4的截面图所示(其沿着图3的线4-4截取)，且仅仅是示例性的，该PCB 11是叠层的形式，其包括支撑通向该节点16、18的线条的非导电基底22。在该线条上设置非导电层24，以允许节点16、18暴露。应该容易理解地是，该PCB 11可包括一个或多个导电层，且在PCB 10的相对的主表面上固定电路元件。
盖子26固定在该非导电层24上以将该火花间隙20密封在在空气或其它气体(举例来说)环境中。在替代实施例中，该盖子26将该火花间隙20密封在液体或固体中。通过很多不同的粘结剂可以将该盖子26固定在PCB 11上，在本领域中这些粘结剂是大家所熟知的。在任何保形涂层提供给PCB 11之前实现盖子26的固定。该盖子26可以为多个火花间隙20提供共用的密封环境。在替代实施例中，盖子可以分别为每个单独的火花间隙20提供密封环境。该盖子26可以采用本领域中公知的很多不同材料来制成。
正如所示的，该盖子26具有朝向该火花间隙20的凹陷。在替代实施例中，该盖子具有以平面方式延伸穿过该火花间隙20的平面剖面。如所示，该盖子26具有均匀的截面厚度。在替代的实施例中，该盖子具有不同的截面厚度。
该盖子26提供其中该火花间隙20可以操作的受控环境。举例来说，来自环境的碎屑不能进入该火花间隙20。每当该系统遭受ESD冲击时这可能促进电火花在相同的电压下产生。
II、具有ESD保护特性的接线盒：
图5示出了典型接线盒10的底视图。如所示，该接线盒10包括绝缘材料(例如塑料)制成的基底28。该基底28支撑多个金属端子，举例来说，包括信号端子32、电源负极(或接地)端子34和电源正极端子36。在替代实施例中，该接线盒10包括多于或少于三个的端子。
举例来说，正如图1所示，该金属端子32、34、36(其延伸到纸面下且因此在图5的视图中隐藏)的一端通过该电池组壳体的柱8中的开口而暴露。举例来说，如图2所示，该金属端子32、34、36的另一端可操作地连接到PCB 11和该电池组的单元电池上。通过传统的插入模塑技术及其他本领域公知的技术来制造该接线盒10。
如所示，在该金属端子32、34、36之间设置火花间隙38、40。该火花间隙38、40包含气体(例如空气)。该火花间隙38、40用来使电器部件(例如PCB 11上的元件12)与可达千伏级别的ESD隔绝。举例来说，在信号端子32和电源接地端子34之间设置火花间隙38。在电源接地端子34和该电源正极端子36之间设置该火花间隙40。
该接线盒10上的该火花间隙38、40类似于上述设置在PCB 11上的该火花间隙20而工作。同时，限定该火花间隙38、40的该节点具有三角形状。在替代实施例中，可以适当地采用具有很多不同形状的节点。限定特定火花间隙的节点可以具有相同或不同的形状。
应该显而易见地是，该火花间隙38、40可以与PCB上的该火花间隙20组合实现(或作为其替代)。举例来说，甚至在ESD到达PCB 11之间，接线盒10上的该火花间隙38、40可以有效地转移ESD事件。而且，在该接线盒10上设置火花间隙38、40可以避免在PCB 11上配置火花间隙(其可能损耗PCB 11表面有价值的区域)。
III、具有ESD保护特性的壳体：
图6和7说明了上端壳体6，其固定在下端壳体4上以密封电池组2的构成部分。该上端壳体6包括外裙42。该外裙42可以围着该上端壳体6的周边延伸。该外裙42可以由电子绝缘材料(例如塑料)制成。仅仅举例，该上端壳体6和该外裙42可以是单一整体结构。
如图7所示，当该下端壳体4和该上端壳体6组装在一起时，该外裙42延伸到该下端壳体4中。该外裙42插入到该下端壳体4和该电池组2内部的单元电池/导电元件之间。这样，该外裙42增加了ESD源(例如用户)和电池组2内部单元电池/导电元件之间的爬电距离。该爬电距离可以是从下端和上端壳体4、6之间的分隔线44(其是ESD时件的进入点)与电池组2内部电单元池/导电元件的距离。
该爬电距离可以基于基本安全性试验方法来测定，例如包括在EN61000-4-2中的标准＂人体模型＂(但不限于此)，其全部内容结合在此作为参考。仅作为典型实施例的，构造该外裙42的尺寸以设置从该分隔线44到该电池组2内部的电池/导电元件的至少8mm的爬电距离。该外裙42可以防止人为的ESD现象(和伴随发生的瞬变电流和电磁场)通过分隔线44进入到该电池组2中。
在替代实施例中，该下端壳体4可包括延伸到上端壳体6中的外裙。该外裙插入到电池组2内部的电池/导电元件和上端壳体6之间以增加ESD源(例如用户)和电池组2内部的单元电池/导电元件之间的爬电距离。
在替代实施例中，该电池组壳体包括很多不同的组合壳体部分(除了上端壳体和下端壳体之外)。例如，一对侧壳体组装在一起以形成纵向分隔线，或第一壳体部分与第二壳体部分通过螺纹配合。在这种替代实施例中，至少一个壳体部分可包括外裙，其增加了ESD源(例如用户)和电池组内部单元电池/导电元件之间的爬电距离。
IV、具有ESD应变减轻特征的接线盒：
图8说明接线盒110的另一个典型实施例。该接线盒110包括由绝缘材料(例如塑料)制成的基底128。该基底128支撑多个金属端子130。该基底128支撑PCB 111。该接线盒110通过传统的插入模塑技术及其他本领域公知的技术制造。
该金属接头130可以包括连接部分146，其通过电池组壳体的柱中的开口暴露。该连接部分146的功能用来将电池组电连接到无缆装置上。在这个典型实施例中，该连接部分146具有刀片形状。在替代实施例中，该连接部分可以具有很多不同的形状(例如针状)。
该金属端子130可以包括电连接到PCB 111的尾部148。仅仅作为举例说明，该尾部148插入到设置在PCB 111的垫(未示出)内的槽中。该尾部148可以焊接到PCB 111的垫上。
该金属端子130可以包括在基底128和PCB 111之间的弯曲部分150。如图所示，例如，该弯曲部分150在第一方向(离开PCB 111)从主体128伸出，且随后在第二方向(朝向PCB 111)对折。在这个典型实施例中，该弯曲部分150仅包括单个弯曲。在替代实施例中，该弯曲部分可以包括多个弯曲。
该弯曲部分150设置应变减轻特征。例如，由于在运转过程中可能出现的冲击和/或振动导致的该基底128和该PCB 111之间出现的相对移动。在这种移动过程中，该弯曲部分150可以降低该金属端子130和该PCB 111之间的焊点疲劳和/或失效的几率。
V、具有浮动电子设备的组件：
电池组的控制电子组件位于电池组壳体的柱部分中。在这一端，如图9所示，该控制电子组件可以安装在组件249中。
参考图9，该组件249可以包括支撑控制电路与组件的两个PCB 211、211′。该PCB 211、211’可以以＂T＂形状布置，即一个PCB垂直定向于另一个。替代实施例可以实现多于或少于两个PCB，其可以以很多不同的排列布置(除＂T＂形状排列以外)。
该PCB 211、211′夹在接线盒210(包括多个金属端子)和载体250之间，该载体250支撑场效应晶体管(＂FET＂)模块252。在这一端，该接线盒210的主体228和载体250包括容纳PCB 211、211′边缘部分的凹槽。
该凹槽可以帮助PCB 211、211′保持在平行于图9示出的通过X-Y坐标轴确定的平面的方向上。例如，在主体228中的凹槽254的侧壁在X轴方向保持PCB 211，而载体250中的凹槽256的底部在Y轴方向保持该PCB 211。然而，该凹槽可以在图9中示出的Z坐标轴方向上与该PCB 211、211′提供间隙配合。例如，该主体228中的凹槽254底部具有离开该PCB 211上边缘部分的空隙。
散热器258可以固定在接线盒210的主体228和FET模块252/载体250上。例如，该散热器258包括连接到FET模块252/载体250的基底部分。该散热器258还包括一个或多个连接到该接线盒210的主体228的支脚260(从基底沿Z轴方向延伸)。在这个典型实施例中，该散热器258包括一对相对的支脚260(在图9的视图中隐藏了其中一个)。仅仅举例说明，该散热器258的基底通过螺丝钉(未示出)连接到该FET模块252，和该散热器258的支脚260通过锁扣装配构造(或其它保持方法)连接到该接线盒210的主体228上。
该散热器258的该支脚260具有充足的尺寸以在Z轴方向上在该PCB211、211′和该接线盒210的基底228和/或载体250之间保持间隙配合。这样，在Z轴方向上施加给该组件249的压力负荷可以通过该散热器258的支脚260传递(其是更多机械坚固性的元件)，而不是通过PCB 211、211′(其是较少机械坚固性的元件)。例如当该组件249插入到电池组壳体的柱部分时，该电池组连接到电池组充电器和/或该电池组连接到无缆装置时，这种压力负荷施加给该组件249。
如图10所示，该组件249装配在电池组上端壳体206的柱部分208上。例如，该组件249插入到该柱部分208中，使得该接线盒210可以通过设置在该柱部分208中的开口而暴露。屏蔽262可以环绕柱部分208中的开口延伸，通过本领域公知的很多不同锁扣可以保持该组件249位于适当的位置。例如，通过散热器258的基底中的开口插入螺丝钉，螺纹配合到设置在柱部分208内部上的螺丝套部分(未示出)。
在电池组柱部分208中配置该组件249可以降低控制电子组件可能遭受的冲击和/或振动。而且，控制电子组件产生的热可以远离单元电池，其被设置在连接到该上端壳体的下端壳体(未示出)中。
VI、具有外部机械锁定构造的接线盒：
电池组可以实现为具有很多不同单元电池化学机理的单元电池，包括(例如)锂离子(Li-Ion)、镍氢氧化物/镉(NiCad)和镍/金属氢化物(NiMH)化学机理。电池组充电器可以用来给具有特定单元电池化学机理的电池组再充电。电池组充电器对于不符合某一充电器的特定标准的电池组不能充电和/或可能不正确地充电。因此，具有某一单元电池化学机理的电池组可以实现为具有与被设计用来给具有另一个不同单元电池化学机理的电池组充电的电池组充电器不相适应的构造。
在图11的说明中研究了典型接线盒310。正如所示，该接线盒310包括由绝缘材料(例如塑料)制成的基底328。该基底328支撑多个金属端子，举例来说，包括信号端子332、电源负极(或接地)端子334和电源正极端子336。在替代实施例中，该接线盒310包括多于或少于三个的端子。
该基底328可以包括支撑该金属端子332、334、336的壁。例如，支撑该信号端子332的该壁364具有平面形状。分别支撑电源负极端子334和电源正极端子336的每一个壁366、368具有外部锁定部分，其从通过相应的金属端子限定的平面延伸。正如所示，例如，该壁366、368的外部锁定部分以垂直方式从相应金属端子分别确定的平面向着信号端子332延伸。因此每一个壁366、368具有＂L＂形的断面。
具有外部锁定部分的该壁366、368不可防碍到很多不同传统的无缆装置的期望连接。因此，该接线盒310的金属端子可以与设置在传统无缆装置上的端子装置嵌合。
然而，该壁366、368的外部锁定部分可以防止金属接头332、334、336与不适宜的电池组充电器的端子装置嵌合(例如一个设计用来给不同单元电池化学机理的电池组充电的充电器)。仅仅举例说明，该接线盒310可以结合到锂离子电池组中，然而不适宜的充电器是用于给NiCad电池组充电。该NiCad电池组充电器包括其中设置端子装置的壳体。该端子装置通过该壳体的开口接近。该开口可以是矩形。因此，该壁366、368的外部锁定部分可以机械地防止接线盒310的金属端子进入到充电器的开口且与端子装置嵌合。
在这个说明实施例中，接线盒上该壁的外部锁定部分从相应金属端子确定的平面以垂直方式而延伸。在替代实施例中，该壁的外部锁定部分从相应金属端子确定的平面的以倾斜方式而延伸。同时，在替代实施例中，该接线盒的多于或少于两个的壁可以包括外部锁定部分。在既定接线盒上的具有外部锁定部分的该壁可以具有相同形状或不同形状。
VII、具有防篡改构造的壳体：
参考图12，电池组壳体包括固定在下端壳体404上的上端壳体406以密封该电池组的构成部件。可以通过本领域公知的很多不同的锁扣来使得该上端壳体406固定到该下端壳体404上。例如，螺丝钉(未示出)通过上端壳体406的开口插入并螺纹配合到在该下端壳体404内部设置的凸台部分(未示出)上。可以采用附加的锁扣以防止用户触及电池组内部。
例如，如图12和13所示，该附加的锁扣是一个或多个销钉470。每个销钉470插入到设置在下端壳体404中的盲孔472中，相应的盲孔474设置在上端壳体406中。该销钉470和对应的盲孔472、474的尺寸设置的在这些部分之间提供干涉配合(或压配合)。如图13所示，该销钉470包括环形肋和凹槽(或其它表面特征)使得只要插入到盲孔472、474中就设置期望的摩擦特性。
为了清楚起见，图12示出上端壳体406与下端壳体404间距隔开。在这个条件下，可以从电池组的外部看见其仅仅是部分地插入到相应的盲孔472、474中的该销钉470。在图12示出的条件中，该上端壳体406和该下端壳体404推挤在一起使得该销钉470完全地插入到对应的盲孔472、474中，且其是不可见的。
该销钉470可以降低用户触及电池组内部的可能。例如，企图打开电池组壳体的用户可以去除任何可见的将下端壳体404和上端壳体406连接在一起的锁扣(例如螺丝钉)。然而，该用户不会注意到销钉470(其是不可见的)。因此，该销钉470保持下端壳体404和上端壳体406的压配合，保持构成部件组装在一起。
本国优先权情况
本申请根据35 U.S.C.§119要求于2007年6月19日在美国申请的临时申请号为60/945003的优先权；其全部内容结合在此作为参考。

Claims (27)

1、一种电池组，其特征在于，包括：
壳体；
接线盒；
电连接到该接线盒的印刷电路板；
至少一个电池单元；和
在印刷电路板上以提供静电放电防护并布置在印刷电路板和接线盒之间的火花间隙装置。
2、根据权利要求1的电池组，其特征在于，该印刷电路板包括将该印刷电路板电连接到该接线盒的多个线条，上述多个线条的每一个与该火花间隙装置连接，该火花间隙装置具有相应的节点对以形成用于每个上述线条的火花间隙。
3、根据权利要求2的电池组，其特征在于，该节点对的每一个节点均接地。
4、根据权利要求2的电池组，其特征在于，该节点对中的至少一个节点是三角形的。
5、根据权利要求2的电池组，其特征在于，该印刷电路板包括用于支撑该多个线条的非导电基底。
6、根据权利要求5的电池组，其特征在于，该印刷电路板还包括在该多个线条上且使每个相应的节点对暴露的非导电层。
7、根据权利要求5的电池组，其特征在于，还包括布置在非导电层上以密封该火花间隙装置在闭合环境中的盖子。
8、根据权利要求5的电池组，其特征在于，还包括布置在该非导电层上以密封相应的节点对中的每一个在闭合环境中的盖子。
9、一种电池组，其特征在于，包括：
壳体；
具有支撑多个端子的基底的接线盒，该多个端子包括接地端子，和用于提供静电放电防护的火花间隙装置；
电连接到该接线盒的印刷电路板；和
至少一个电池单元。
10、根据权利要求9的电池组，其特征在于，上述火花间隙装置包括一对端子之间的至少一个火花间隙，其中每一对端子包括接地端子和上述多个端子中的另一个。
11、根据权利要求9的电池组，其特征在于，上述火花间隙装置包括多个火花间隙，每一个上述火花间隙位于一对端子之间，其中每一对端子包括接地端子和上述多个端子中的另一个。
12、根据权利要求9的电池组，其特征在于，还包括在印刷电路板上以提供静电放电防护并布置在该印刷电路板和该接线盒之间的第二火花间隙装置。
13、一种电池组，其特征在于，包括：
具有在连接线处结合在一起的第一壳体部分和第二壳体部分的壳体；
该壳体内部的至少一个电池单元；和
第一或第二壳体部分中的至少一个具有大约位于第一壳体和第二壳体之间连接线上的静电放电保护装置，以防止静电放电通过该连接线进入到该壳体中，其中该连接线限定了静电放电电压源和至少一个电池单元之间的间接路径。
14、根据权利要求13的电池组，其特征在于，上述静电放电保护装置包括在连接线上延伸的外裙，以增加从静电放电的外部源头到至少一个电池单元的爬电距离。
15、根据权利要求14的电池组，其特征在于，该爬电距离至少是8mm。
16、根据权利要求14的电池组，其特征在于，该外裙基本上围绕整个连接线而延伸。
17、一种电池组，其特征在于，包括：
壳体；
接线盒；
电连接到该接线盒的印刷电路板；
至少一个电池单元；和
该接线盒支撑多个端子，上述多个端子中的每个具有连接到电器设备的第一端，连接到该印刷电路板的第二端，和在第一和第二端之间存在的弯曲部分，其为每一个端子提供了有限的灵活移动空间。
18、根据权利要求17的电池组，其特征在于，该弯曲部分形成大约360度的角。
19、一种电池组，其特征在于，包括：
具有连接到柱部分的基底部分的壳体；
在该壳体柱部分内的接线盒；
在该柱部分中的且电连接到该接线盒的至少一个印刷电路板；和
在该基底部分中的至少一个电池单元。
20、根据权利要求19的电池组，还包括在该壳体柱部分中支撑在该接线盒和基底支撑之间的多个印刷电路板。
21、根据权利要求20的电池组，其特征在于，在该壳体柱部分中的在该接线盒和基底支撑之间支撑的多个印刷电路板中的至少两个在该柱部分内垂直布置。
22、根据权利要求19的电池组，其特征在于，还包括在该壳体柱部分中的与多个印刷电路板中的至少一个、基底支撑和接线盒具有热传导关系的散热器组件。
23、根据权利要求22的电池组，其特征在于，在该壳体柱部分中的该散热器组件还包括散热器元件和条形支撑，其与接线盒具有传热关系以进一步支撑该多个印刷电路板的。
24、根据权利要求23的电池组，其特征在于，还包括柱组件，该柱组件包括散热器组件、多个印刷电路板和接线盒，其中该柱组件固定在该壳体的柱部分中且与该壳体基底部分中的至少一个电池单元隔开。
25、一种电气组合，其特征在于，包括：
具有电机和多个工具终端的电动工具；
具有多个充电端子的电池充电器；
电池组，包括壳体、具有多个端子的接线盒、至少一个电连接到该接线盒的印刷电路板，和至少一个电池单元，上述电池组还包括与上述多个端子的至少一个结合在一起的外部机械锁，以在与电动工具或电池充电器的任一个结合之前识别该电池组。
26、根据权利要求25的电气组合，其特征在于，该外部机械锁包括多个端子支撑壁，每一个支撑壁与多个电池端子的各个中相应的一个相结合。
27、根据权利要求25的电气组合，其特征在于，每一个端子支撑壁在一端具有识别部分以允许接合电动工具同时防止与不正确的电池充电器接合。
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