CN201383674Y

CN201383674Y - 嵌入电池组中的过电流保护机构

Info

Publication number: CN201383674Y
Application number: CN200820137051U
Authority: CN
Inventors: 内森·克鲁斯; 小安德鲁·E·塞曼; 杰弗里·S·霍华德; 丹尼尔·J·怀特
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2018-06-10
Also published as: US20080304199A1; EP2017917B1; EP2017917A2; EP2017917A3

Abstract

为可移除地附接至电动工具的电池组提供过电流保护机构。该保护机构包括：布置在电池组中的一个或多个电池；配置为感测由电池供应的电流的电流传感器；在有电池的电路通路中的开关；以及实现为嵌入在电池组中的控制器中的软件指令的电池控制单元。该电池控制单元适配为接收指示来自电流传感器的电流的信号，并且以电流和时间的函数控制开关来中断来自电池的电流。

Description

嵌入电池组中的过电流保护机构

技术领域

本发明涉及电池组，尤其涉及嵌入电池组中的软件实现的过电流保护机构(mechanism)。

背景技术

在过去的几年里，在例如笔记本型个人计算机的低电压、便携式电子设备中，锂离子(Li-离子)电池已经开始取代镍镉(NiCd)、金属氢化物镍(nickel-metal-hydride，NiMH)和铅酸电池。与NiCd和NiMH电池相比，锂离子电池更轻而且每单位体积具有更大的容量。由于这一原因，锂离子电池适用于优选较轻并且需要耐受长时间连续使用的低电压设备。

与NiCd电池组和NiMH电池组不同，锂离子电池在过放电状态下迅速恶化。因此，锂离子电池组可以包括保护其免受锂离子电池组的内部和外部的故障情况的损坏的功能。这防止锂离子电池组中的电池被损害和缩短电池组的使用寿命。例如，如果在锂离子电池组的内部或外部发生例如短路的故障情况，若放电电流或充电电流变得比给定电流等级(current level)大，可以提供保险丝来切断过放电电流或过充电电流。然而，在电池组可以再次使用之前，需要更换机械保险丝。

因此，期望在电池组中提供一种软件实现的保险丝。软件实现的保护机构使保险丝在不同的操作条件下跳闸。而且，软件实现的保险丝可以在跳闸之后复位而不需要使用者的干预。这部分的陈述仅仅提供涉及本发明公开的背景信息而不构成现有技术。

发明内容

根据本实用新型的一个方面，为可移除地附连至电动工具(power tool)的电池组提供过电流保护机构。该机构的特征在于包括：设置在电池组中的一个或多个电池；配置用来感测由电池供应的电流的电流传感器；在具有电池的电路通路中的开关；以及电池组中的电池控制单元。电池控制单元被配置用来接收指示来自电流传感器的电流的信号，并以电流和时间的函数控制开关来中断来自电池的电流。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种电池组，其特征在于包括：一个或多个电池；在有电池的电路通路中的开关；电流传感器，配置为感测由电池供应的电流；以及电池控制单元，适配用于接收指示来自电流传感器的电流的信号，并且可操作用于以电流和时间的函数控制开关来中断来自电池的电流。

根据本实用新型的又一个方面，提供一种电池组，其特征在于包括：一个或多个电池；与所述电池串连的开关；以及被配置为测量经过开关的电流的电池控制单元，该电池控制单元可操作用于以电流和时间的函数控制开关来中断来自电池的电流。

根据本实用新型的又一个方面，提供一种电池组，其特征在于包括：一个或多个电池；用于感测由电池供应的电流的器件；用于中断来自电池的电流的器件；以及与用于感测电流的器件和用于中断电流的器件进行数据通信的电池控制单元，该电池控制单元可操作用于以电流和时间的函数来控制用于中断来自电池的电流的器件。

更多适用领域将从此处提供的描述变得明显。应当理解，说明和具体的示例仅仅意在解释，而并非试图限定本发明的范围。

附图说明

图1是电动工具的示例性系统的示意图；

图2是集成到电池组中的过电流保护机构的示例性电路配置的示意图；

图3是集成到电池组中的过电流保护机构的可选电路配置的示意图；

图4是示出软件实现的保险丝的示例性跳闸点(trip point)的曲线图；

图5A是示出保险丝的示例性实现的流程图；

图5B是示出保险丝的另一个示例性实现的流程图；

图6A和6B是示出在软件实现的保险丝重置之前可以检查的示例性标准的流程图。

在此描述的附图仅仅是说明的目的，并且不意欲以任何方式限定本发明的范围。

具体实施方式

本公开可以涉及总体由图1中的附图标记10指示的类型的电动工具系统。电动工具系统10可以包括，例如，一个或多个电动工具12、电池组16和电池组充电器18。每个电动工具12可以是任何类型的电动工具，包括但不限于钻孔机、钻孔机/打桩机(driver)、锤钻(hammer drill)/打桩机、电锤(rotaryhammer)、螺丝起子、冲击式起子机(impact driver)、圆锯、竖锯、往复锯、带锯、切割工具(cut-off tool)、剪切工具(cut-out tool)、剪床、磨沙机、吸尘器、灯、刳刨机、点胶机(adhesive dispenser)、混凝土整实器、激光器、订书机和自动敲钉机。在特定示例中，假设电动工具系统10包括第一电动工具12a和第二电动工具12b。例如，第一电动工具12a可以是与美国专利No.6,431,289中所描述的类似的钻孔机/打桩机，而第二电动工具12b可以是与美国专利No.6,996,909中所描述的类似的圆锯。电池组16可以选择性地可移除地耦合至第一电动工具12a和第二电动工具12b，以向其提供电能。除了在此处另外描述的之外，电池组16可以以与美国专利申请公开No.2006/0096771中所描述的相似的方式配置电池组16。电池组16还可以选择性地电耦合至电池组充电器18，来给电池组16充电。值得注意的是本公开的更多方面可适用于其他类型的电池供电设备。

图2示出了集成到电池组16中的过电流保护机构20的示例性电路配置。过电流保护机构20通常由电池22、用于控制电池放电的开关24、电流传感器25和电池控制单元26组成。过电流保护机构20还可以包括与电池串联放置的保险丝28。每个元件优选地集成到电池组16中。然而，可以想象，除了电池之外的一个或多个元件可以放置在电池充电器、电动工具或可操作地耦合至电池组的某一其它外部设备中。

电池组可以包括多个串联连接的电池22，和/或多个电池的串联连接串，其中所述多个串相互并联。为了描述示例性实施例的目的，电池组可以由具有锂离子电池化学性质的电池组成。在无绳电动工具环境中，电池组的标称额定电压一般至少是18伏。然而，对于不同的应用，考虑(contemplate)其它的额定电压。另外，例如在电池组的单个电池、电极和电解液的化学组成方面，电池组可以由另一锂基(lithium-based)化学性质的电池(例如锂金属或锂聚合物的电池)，或例如镍镉(NiCd)、金属氢化物镍(NiMH)、和铅酸等其它化学性质的电池组成。尽管不限于此，但是电池组16优选的是可充电电池。

嵌入在电池组16中的电池控制单元26负责保护电池并监控可能产生的任何故障情况。在示例性实施例中，电池控制单元16在数字微控制器上以软件实现。然而，电池控制单元26可以以软件或硬件具体化为数字微控制器、微处理器或逻辑电路、数字信号处理器，或者以一个或多个数字IC(例如专用集成电路，ASIC)来具体化。

可以通过使用开关24来钳位或停止来自电池的放电电流和到电池的充电电流。开关24可以在电池的低电压侧与电池串联放置。然后可以通过电池控制单元控制开关24以中断到/来自电池的电流。在示例性实施例中，开关24是晶体管(例如，MOSFET)。这一公开也考虑了其它类型的开关。

配置电流传感器25来感测由电池供应的电流，并将指示感测的电流的信号提供电池控制单元26。在示例性实施例中，电流传感器25可以使用与电池22串联布置的电流分流器来实现。电流分流器优选放置在电池的低电压侧。在可选实施例中，开关24用作电流传感器(参见图3)。换句话说，电池控制单元26监控流经开关24的电流。在晶体管的情况下，将电阻R_on用作电流分流器来测量电流，该电流分流器将电流转化为可由电池控制单元读取的电压。其它类型的电流传感器(例如，霍耳效应电流传感器)也在本公开的范围内。

电池控制单元26实现可重置的软件实现的保险丝。在操作中，电池控制单元26接收指示来自电流传感器25的电流的信号。当电流值超过某一阈值时，电池控制单元25控制开关24中断来自电池的电流，由此避免破坏性的过电流情形。以这种方式，软件实现的保险丝被设计为保护电池组中的元件以及电池组外部的元件(例如与其连接的电子设备)。例如，软件保险丝可以被设计为保护电池、电池内部连线、电池带圈(battery strap)、焊接点、电源开关、接线和附接工具等。

在示例性实施例中，电池控制单元26以(as)电流和时间的函数来控制开关。如果电流高，电路元件在过热和/或彻底停止运转(failing)之前只能耐受这种电流等级非常短的持续时间。另一方面，当电流足够低时，电路元件能够无限期地运转而不过热或彻底停止运转。由随着时间的经过的电流的平方值限定这一关系，如图4所示。电池控制单元26可以实现这一关系作为软件实现的保险丝的跳闸点。例如，跳闸点可以定义为：F(I，t)＝∫I²dt，其中I是来自电流传感器25的感测电流值。当超过跳闸点时，电池控制单元26开始保护动作来保护电池组。例如，电池控制单元26可以打开开关24并由此中断来自电池的电流。软件实现的保险丝的跳闸点优选小于保险丝28的跳闸点，如图4所示。在软件实现的保险丝故障的情况下，保险丝28提供第二保护机制。

图5A示出通过电池控制单元26如何实现这一功能的示例性实施例。由电流传感器25感测的电流被不断报告给电池控制单元26或通过电池控制单元26测量，如在41所指示。例如，电流可以每100ms测量一次。在42利用下面的函数：Q＝∑I²-kdt来计算在一段时间内的电流值。因此，对测量的电流进行平方并与之前的电流测量值相加。常数k用于选择最小值，总和将被增加。然后在44将总电流值与预定的跳闸点相比较。当总电流值超过跳闸点时，如在46所示的，电池控制单元开始保护动作以保护电池组；否则，在41继续监控。

图5B示出通过电池控制单元26如何实现这一功能的可替换的实现。由电流传感器25感测的电流被不断报告给电池控制单元26或通过电池控制单元26测量，如在51所指示。首先在52将感测的电流与预定的最小电流阈值进行比较。当感测的电流不超过最小电流阈值时，不存在过电流情形的风险，并且不需要进一步的评价。如果之前计时器正在运行，则如在53所示的，终止计时器。

当感测的电流超过最小电流阈值时，存在过电流情形的风险。在这种情况下，电池控制单元将在55启动计时器。在启动计时器之前，在54执行检查来看看计时器之前是否已经被启动。如果已经被启动，则绕过这一步骤。

接着，电池控制单元将评价软件实现的保险丝的跳闸点。从查找表检索超时值(timeout value)。超时值将与感测电流值相关联。如上所讨论的，感测电流值越高，超时值越短。超时值存储在查找表中，该查找表存储在与电池控制单元相关联的存储器设备中。容易理解，表值将依赖于特定应用并可以相应地得出。

然后如58所示，将超时值与计时器值相比较。当计时器值超过超时值时，电池控制单元将打开开关24，并由此中断来自电池的电流。换句话说，超时值作为软件实现的保险丝的跳闸点。当计时器值未超过超时值时，获得另一电流测量。如果当计时器正在运行时电流改变56，将检索新的超时值，如在57所示；否则，处理如上所述保持不变。可以理解，关于图5仅讨论了方法的相关步骤，但是可能需要其他软件实现的指令来控制和管理系统的全面运行。也可以设想上述的保险丝功能可以使用数字或逻辑电路或它们的组合以硬件来实现。

软件实现的保险丝可以是温度补偿的，从而避免在正常操作期间发生伪保护动作，在所述正常操作期间，用户正在向下钻或者某一工具应用使得用户在短时间内操作工具困难。在示例性实施例中，可以在开关或电池中针对温度变化对软件实现的保险丝的跳闸点进行补偿。在这种情况下，基于温度值和感测的电流值从查找表检索超时值。可选择地，可以基于电池的电压电平以相似的方式补偿跳闸点。也设想对于跳闸点补偿其它电池参数。

另外，软件实现的保险丝可以与过放电保护特征合作运行。在示例性实施例中，当单个电池电压或电池组电压降至预定电压阈值以下时，中断来自电池组的电流放电。在更健壮(robust)的实现中，过放电功能的电压阈值基于诸如组温度或瞬时放电电流等其他操作条件而动态变化。过电流和过放电保护特征使得电池组能够满足在电动工具应用中发现的各种操作情况。

软件实现的保险丝的优势在于它们能够被复位。换句话说，电池控制单元可以随后关闭开关，由此允许电流从电池流出。在关闭开关之前，谨慎地允许任何由过电流情形产生的热得到消散。因此，如图6所示，一旦开关由电池控制单元打开，在61开始第二计时器。电池控制单元将不关闭开关，直到如第二计时器所指示的经过了预定的时间段62。在开关关闭之前，如下面进一步讨论的，可以评价其他故障标准。

继续参照图6A和6B，当电池组可操作地耦合至电动工具时，可以检查几个示例性标准。首先，电池控制模块可以检查是否存在任何电池故障情况，如63所指示的。例如，电池的电压电平是否超出某一最小阈值。如果是，软件实现的保险丝可以被重置；否则，开关保持打开并且可以由电池控制单元生成故障情况的标记65。可以检查另外的电池故障情况，并且是本公开所考虑的。

接下来，电池控制模块可以确定从检测到最后的过电流情况开始，电动工具是否已经操作66。由工具的操作情况频繁地引起过电流情况，所述工具的操作情况可随时间而改变或者由其自身解决(例如，钻孔机的钻头卡住情况)。如果工具尚未操作，计数器在67增加。当计数器达到某个预定值而工具未操作时，可以推断引起过电流情况的问题将持续。在这一情况下，软件实现的保险丝不复位，由电池控制单元生成故障情况的应用标记70。另一方面，如果工具已经操作，那么在68复位计数器。

电池控制单元还可以在72监控电动工具的触发开关。当工具的触发开关处于关的位置时，如74所示，软件实现的保险丝可以被复位。相反，当工具的触发开关处于开的位置时，电池控制单元将不关闭开关，而是生成故障条件的标记。这防止电动工具意想不到地启动。可以想到在复位软件实现的保险丝之前，可以通过电池控制单元来监控与电动工具相关联的其他标准。同样，要理解仅参照图6讨论了方法的相关步骤，但是可能需要其他的软件实现的指令来控制和管理系统的全面运行。

上述描述实质上仅仅是示例性的，并且不意在限定本公开、应用或使用。

Claims

1、一种电池组，其特征在于包括：

一个或多个电池；

在有电池的电路通路中的开关；

电流传感器，配置为感测由电池供应的电流；以及

电池控制单元，适配用于接收指示来自电流传感器的电流的信号，并且可操作用于以电流和时间的函数控制开关来中断来自电池的电流。

2、根据权利要求1的电池组，其特征在于将所述开关限定为晶体管。

3、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述开关和传感器是同一设备。

4、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电流传感器是布置在有电池的电路通路中的电流分流器。

5、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为当电流超出阈值时打开开关。

6、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为以时间和由电流传感器感测的电流的函数来打开开关。

7、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为以时间、温度和由电流传感器感测的电流的函数来打开开关。

8、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为以时间、电池的电压电平和由电流传感器感测的电流的函数来打开开关。

9、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为在经过一时间段之后关闭开关。

10、根据权利要求1的电池组，其特征在于其可操作地耦合至电动工具，其中所述电池控制单元配置为仅当电动工具的触发开关处于关位置时关闭开关。

11、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为当认为电池故障情况安全时关闭开关。

12、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为当电池的电压电平超过阈值时关闭开关。

13、根据权利要求1的电池组，其特征在于其还包括与电池串连的保险丝。

14、根据权利要求1的电池组，其特征在于所述电池控制单元利用逻辑或数字电路以硬件来实现。

15、一种电池组，其特征在于包括：

一个或多个电池；

与所述电池串连的开关；以及

被配置为测量经过开关的电流的电池控制单元，该电池控制单元可操作用于以电流和时间的函数控制开关来中断来自电池的电流。

16、根据权利要求15的电池组，其特征在于所述开关为晶体管。

17、根据权利要求15的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为随着时间的经过对电流的平方值进行积分，并且当积分值超过阈值时打开开关。

18、根据权利要求15的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为以时间、温度和由电流传感器感测的电流的函数来打开开关。

19、根据权利要求15的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为以时间、电池的电压电平和由电流传感器感测的电流的函数来打开开关。

20、根据权利要求15的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为经过一时间段之后关闭开关。

21、根据权利要求15的电池组，其特征在于其可操作地耦合至电动工具，其中所述电池控制单元配置为仅当电动工具的触发开关处于关位置时关闭开关。

22、根据权利要求15的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为当认为电池故障情况安全时关闭开关。

23、根据权利要求15的电池组，其特征在于所述电池控制单元配置为当电池的电压电平超过阈值时关闭开关。

24、根据权利要求14的电池组，其特征在于其还包括与电池串连的保险丝。

25、一种电池组，其特征在于包括：

一个或多个电池；

用于感测由电池供应的电流的器件；

用于中断来自电池的电流的器件；以及

与用于感测电流的器件和用于中断电流的器件进行数据通信的电池控制单元，该电池控制单元可操作用于以电流和时间的函数来控制用于中断来自电池的电流的器件。

26、根据权利要求25的电池组，其特征在于所述用于感测电流的器件是与电池串联布置的电流分流器。

27、根据权利要求25的电池组，其特征在于所述用于感测电流的器件是霍尔效应传感器。

28、根据权利要求25的电池组，其特征在于所述用于中断电流的器件是与电池串联布置的开关。

29、根据权利要求25的电池组，其特征在于所述用于感测电流的器件和所述用于中断电流的器件是晶体管。

30、一种用于可移除地附接至电动工具的电池组的过电流保护机构，其特征在于包括：

布置在电池组中的一个或多个电池；

配置为感测由电池供应的电流的电流传感器；

在有电池的电路通路中的开关；以及

电池组中的电池控制单元，该电池控制单元适配为接收指示来自电流传感器的电流的信号，并且可操作用于以电流和时间的函数控制开关来中断来自电池的电流。

31、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电流传感器是布置在电池的电路通路中的电流分流器。

32、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电流传感器是霍尔效应传感器。

33、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电流传感器放置在电池组或电动工具中的至少一个中。

34、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述开关是晶体管。

35、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述开关布置在电池组或电动工具中的至少一个中。

36、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电流传感器和开关是同一设备。

37、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电池控制单元配置为当电流超出阈值时打开开关。

38、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电池控制单元配置为以时间、温度和由电流传感器感测的电流的函数来打开开关。

39、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电池控制单元配置为以时间、电池的电压电平和由电流传感器感测的电流的函数来打开开关。

40、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电池控制单元配置为在经过一时间段之后关闭开关。

41、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电池控制单元配置为仅在电动工具的触发开关处于关位置时关闭开关。

42、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电池控制单元配置为当认为电池故障情况安全时关闭开关。

43、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于所述电池控制单元配置为当电池的电压电平超过阈值时关闭开关。

44、根据权利要求30的过电流保护机构，其特征在于其还包括与电池串联的保险丝。