CN205724938U - 具有多个电池组的电动工具 - Google Patents

Abstract

一种可操作地用于容纳第一电池组和第二电池组的电动工具。该电动工具包括电机；第一开关；第二开关；以及控制器。该控制器可操作地用于监视第一电池组的第一电压和第二电池组的第二电压，当第一电压和第二电压在预定范围内时闭合第一开关和第二开关，当第一电压在第二电压的预定范围之外且第二电压大于第一电压时打开第一开关，以及在第二电压在第一电压的预定范围之外且第一电压大于第二电压时打开第二开关。

Description

具有多个电池组的电动工具

相关申请

本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请61/783,539的优先权，其全部内容以引用的方式结合于此。

背景技术

本申请一般涉及电动工具，且更具体地涉及草地和花园电动工具，例如打边器、绿篱机、吹叶机等。

发明内容

在一个实施方式中，本发明提供了可操作地用于容纳第一电池组和第二电池组的电动工具。该电动工具包括第一电池容器，该第一电池容器被配置成接收该第一电池组；第二电池容器，该第二电池容器被配置成接收该第二电池组；电机；与该第一电池容器和该电机串联连接的第一开关；与该第二电池容器和该电机串联连接的第二开关；以及控制器。该控制器可操作地用于监视该第一电池组的第一电压和该第二电池组的第二电压，当该第一电压和该第二电压在预定范围以内时闭合该第一开关和该第二开关，当该第一电压在该第二电压的该预定范围之外且该第二电压大于该第一电压时打开该第一开关，以及当该第二电压在该第一电压的该预定范围之外且该第一电压大于该第二电压时打开该第二开关。

在另一实施方式中，本发明提供操作电动工具的方法，该电容工具具有并联的第一电池和第二电池，第一开关与该第一电池和该电动工具串联连接，第二开关与该第二电池和该电动工具串联连接。该方法包括具有控制器，该控制器监视该第一电池的第一电压和该第二电池的第二电压；当该第一电池的第一电压和该第二电池的第二电压在预定范围以内时，闭合该第一开关以将该第一电池连接到该电动工具，并闭合该第二开关以将该第二电池连接到该电动工具；当该第一电池的该第一电压在该第二电池的第二电压的该预定范围以外且该第二电池的该第二电压大于该第一电池的第一电压时，打开该第一开关以将该第一电池从该电动工具断开连接；以及当该第二电池的该第二电压在该第一电池的该第一电压的该预定范围以外且该第一电池的该第一电压大于该第二电池的第二电压时，打开该第二开关以将该第二电池从该电动工具断开连接。

通过考虑具体实施方式和附图，本发明的多个独立方面变得更明显。

附图说明

图1是示出电动工具的框图；

图2是图1的电动工具的电子器件和电路的电示意图；

图3A-3C示出了该电动工具的电力控制器的操作。

具体实施方式

在详细解释本发明的任意独立实施方式之前，可以理解本发明不限于其应用于以下具体实施方式提出的或附图示出的结构细节和组件排列。本发明能够实现其他独立实施方式且能够以各种方式实施或实现。此外，可以理解这里使用的短语和术语用于描述的目的而不应视为限制性。“包含”和“包括”以及这里使用的其变体的使用旨在包含在其之后列出的项及其等同物，以及另外的项。“由…组成”以及这里使用的其变体的使用旨在仅包含在其之后列出的项及其等同物。此外，可以理解诸如术语“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”和“向下”等是便利词语，且不被解释为限制性术语。

应当注意到多个基于硬件和软件的设备，以及多个不同结构的组件可以用于实施本发明的方面。此外，描述的或附图中示出的特定配置旨在例证本发明的独立实施方式，且其他可替换配置是可能的。术语“控制器”、“处理器”、“中央处理单元”以及“CPU”是可互换的，除非另有指明。在术语“控制器”、“处理器”、“中央处理单元”或“CPU”用作指明执行特定功能的单元的情况下，除非另有指令，否则应当理解这些功能能被单个处理器或以任意形式排列的多个处理器(包括并行处理器、串行处理器、串联处理器或云端处理/云端计算配置)来执行。

本领域技术人员还应当清楚的是，附图中示出的系统可能是与实际系统相像的模型。描述的许多模块和逻辑结构能够通过微处理器或类似设备执行的软件来实施或能够通过使用各种组件(组件包括，例如，应用专用的集成电路(application specificintegrated circuits,ASICs))的硬件来实施。像“控制器”和“模块”的术语可以包括或涉及硬件和/或软件。此外，在本文中，如果使用了大写的术语，这种术语用于遵照一般做法并帮助将说明书与编码示例、等式和/或附图相关。但是，不会仅由于使用大写而视为暗含或应当推断为特别的意思。因此，权利要求不应当受限于特定示例或术语或任意特定硬件或软件实施或软件或硬件的组合。

传统地，草地和花园电动工具由汽油引擎、120伏特AC电源或DC电池电源提供动力。

并联连接多个电池组一般增加电池系统的容量(安时)，同时维持单独电池组的电压。但是，如果并联连接的电池组的电压不近似相等，则会出现问题。

这样的一个问题是交叉充电。如果一个电池组处于高于另一并联连接的电池组的电压的相当高的电压，或充电状态，则会发生交叉充电。如果这发生，从在较高电压的电池组的电流将会流入较低电压的电池组。该电流会变得相对大(例如25A)且由此会对电池组产生危害，尤其是在某些操作情况中(例如低温)。交叉充电还会在并联连接的电池组具有不相等容量大小时发生。

如果并联连接的电池组之一在其他电池组之前变得完全放电，则会产生另一问题。如果这发生了，完全放电但仍然连接的电池组会被永久损坏。

如果串联连接的电池组之一变得过热，则会发生另一问题。如果这发生，过热的但仍然连接的电池组会被永久损坏。为了克服这些问题等，对以下发明进行描述。

这里描述的发明一般涉及与从并联连接的电池接收电力的电动工具相关联的系统、方法、设备和计算机可读介质。

图1是示出电动工具100的框图。示出的电动工具100包括草地和花园电动工具，例如打边器、绿篱机、链锯、吹叶机/吸尘器等。在其他结构中，该电动工具100可以包括其他类型的电动工具，例如圆形锯、往复锯、电钻、锤等。

该电动工具100一般包括外壳105、用户开关107、驱动杆部分110以及工具头115。该外壳105包括用户手柄120和电池接口125a、125b。用户手柄120允许使用者握持并操纵该电动工具100。示出的用户手柄120是拉式手柄(例如U形手柄)。在另一实施方式中，用户手柄120可以是拉手架(例如常见于电动工具例如电钻的阀杆手柄)。用户开关107位于用户手柄120上。辅助手柄122可以位于驱动杆部分110上。辅助手柄122可以是拉式手柄(如所示的)或拉手架。

该工具头115依据该电动工具100的功能而不同。在一个实施方式中，该工具头115包括用于修建草或其他植物对象的打边器头。在其他实施方式中，该工具头115包括用于砍树和砍较大植物对象的链锯刀片，用于修建灌木或其他植物对象的绿篱机，用于吹叶机/吸尘器的风扇等。工具头115可以是互换的，由此可以选择性将各种头类型用于该电动工具100。

电池接口125a、125b选择性地将电池130a、130b固定到电动工具100。在该示出的结构中，电动工具100包括两个电池接口125a、125b，每一个可操作地用于支撑相应的电池130a、130b。在其他结构中，该电动工具100可以包括两个以上的电池接口125并可操作地用于支撑对应数量的电池130。

在一种结构中，电池130a、130b是可充电锂离子电池。在其他结构中，电池130a、130b可以具有锂离子以外的化学物，例如镍铬、镍金属氢化物等。此外或可替换地，电池130a、130b可以是不可充电电池。在一个实施方式中，电池130a、130b是电动工具电池组，包括电池组外壳和封锁机构，电池组外壳包含一个或多个电池单元，封锁机构用于选择性地将电池130a、130b固定到电池接口125a、125b。该电动工具电池组被描述并显示在2010年5月11日授权的美国专利No.7,714,538中，其全部内容以引用的方式结合于此。

如下面更详细描述的，所示的电池130a、130b包括在电池组外壳内的控制器131a、131b。电池控制器131a、131b等监视电池单元和电池130a、130b的特性。该特性可以包括但不限于输入电流、输出电流、温度、各个单元电压以及总电池组电压。所示的电池控制器131a、131b还执行针对电池130a、130b的控制功能(例如在异常电池情况下禁止电池工作，结束放电等)。

在所示的实施方式中，电池130a、130b并联连接。该并联连接的电池130a、130b通常与电池130a、130b中的一个输出相同的电压等级(例如大约20V)。但是组合的电池130a、130b的容量大于单独使用的一个电池130a或130b。因此，串联连接的电池130a、130b一般与仅使用一个电池130a、130b的系统相比提供更久的运行时间。如下面所述，电池130a、130b可以具有不相等的电流容量或不相等的电荷状态(例如完全充电的电池和完全耗尽的电池)。

电池130a、130b的电流容量通常由并联连接设置的电池单元的数量来确定。电池130a、130b中并联的电池单元的数量越大，电流容量越高。在一些实施方式中，电池130a、130b可以具有并联的两个单元且标称容量例如是2.2Ah,2.6Ah,3.0Ah,4.0Ah等。在其他实施方式中，电池130a、130b可以具有并联的一个单元且标称容量例如是1.1Ah,1.3Ah,1.5Ah,2.0Ah,2.5Ah等。

电池130a、130b的电压一般由串联连接设置的电池单元的数量来确定。在一些实施方式中，每个电池单元具有例如大约4V的标称电压。电池130a、130b可以具有5个这样的单元，因此总标称电压大约为20V。

图2是电动工具100的电气示意图。所示的电动工具100在外壳105内还包括工具控制器140、电力控制器145、电机150以及电容C1、C2、C3。

在一个实施方式中，工具控制器140包括微控制器，微控制器可操作地用于控制电动工具100的运行等。在一些实施方式中，工具控制器140包括多个电气和电子组件，其向工具控制器140和电动工具100内的组件和模块提供电力、操作控制、保护等。例如，工具控制器140包括处理器、存储器和输入/输出单元等。

在一个实施方式中，电力控制器145是具有与工具控制器140类似结构的微控制器。电力控制器145与每个电池130a、130b的电池控制器131a、131b通信。在所示的结构中，电力控制器145还控制开关元件155a、155b，其选择性地允许来自电池130a、130b的电力供应给工具控制器140，以给电动工具100(例如电机150)供电。在一个实施方式中，该开关元件155a、155b包括一个或多个晶体管，例如MOSFET或功率MOSFET。在一种结构中，该MOSFET的源电极面向电池130a、130b。

在一个实施方式中，电机150是直流无刷电机。可替换地，电机150可以是另一电机类型，例如交流电电机、直流有刷电机等。电机150由工具控制器140控制。该工具控制器140从用户开关107接收信号，并根据用户开关的107的启动或停用来启动或停用该电机150。

在操作中，用户启动用户开关107，工具控制器140从该用户开关107接收启动信号。在从用户开关107接收到该启动信号时，工具控制器140启动电机150，其通过该控制器140从并联连接的电池130a、130b接收电力。例如，工具控制器140控制开关元件(例如MOSFET)以选择性地从并联连接的电池130a、130b提供电力给电机150的端子以驱动电机150的转子。

电力控制器145从电池控制器131a、131b接收指示电池130a、130b的各自特性(例如，电压)的信息。如上所述，如果并联耦合的电池130a、130b的电压基本不相等(例如在0V到500mV的范围内)，在具有较低电压的电池中会发生逆充电。为了防止逆充电和/或在这种情形中出现的其他问题，电力控制器145控制该开关元件155a、155b以通过将电池130a、130b的各自的电压保持基本相等来调整电池130a、130b的电压。

为了调整电池130a、130b的电压，电力控制器145打开或关闭各自的开关元件155a、155b。例如，如果电池130a的电压相对地高于电池130b的电压，则电力控制器145关闭开关元件155b，由此停止从电池130b到电动工具100的电流。电动工具100则仅由电池130a供电。一旦电池130a的电压已经降到基本等于电池130b的电压等级的等级，则电力控制器145再次开启开关元件155b，由此电动工具由并联连接的电池130a、130b供电。

在高负载放电期间的一些情况中，即使在电池130a、130b的电压没有基本相等时，只有一点或没有交叉充电的风险。这是由于放电电流和放电电压下降太低以至于这两个电池组将会放电。因此，在一些实施方式中，在高负载放电期间，电力控制器145将开启开关元件155a、155b，甚至在电池130a、130b的电压不是基本相等时也如此。

在操作中，电力控制器145持续监视电池130a、130b是否处于工作模式。在一些实施方式中，如果电池130a或130b没在工作(例如异常电池情况、放电结束等)。各自的电池控制器131a、131b将输出不工作信号。电力控制器145持续监视不工作信号是否已经由电池控制器131a、131b之一发送。如果电力控制器145从电池130a或130b之一接收到不工作信号，则电力控制器145将关闭相应的开关元件155a、155b。如果电力控制器145从电池130a、130b两者接收到不工作信号，则电力控制器145将关闭开关元件155a、155b两者，且电动工具100将不工作。

如果电力控制器145没有从电池130a、130b接收到不工作信号，则电力控制器145将确定电池130a、130b是否有交叉充电情况。在一些实施方式(例如见图3b)中，通过监视每个电池130a、130b的电流来执行对交叉充电情况的确定。如果有负电流流到电池130a、130b之一，则电力控制器145将关闭正接收电流的电池130a或130b的开关元件155a、155b。

在另一实施方式(例如见图3c)中，通过监视电池130a、130b的电压来执行交叉充电情况的确定。如果被监视的电池电压不相等，则电力控制器145将关闭具有较低电压的电池130a或130b的开关元件155a或155b。

图3A是示出电力控制器145的操作200的流程图。一开始，工具控制器140从用户开关107接收启动信号(步骤205)。电力控制器145确定电池130a、130b是否在工作(步骤210)。如果电池130a或130b之一没有工作，则电力控制器145确定电池130a、130b这两者是否没有工作(步骤215)。如果电池130a、130b都没有工作，则电力控制器145关闭开关元件155a、155b(步骤220)，且然后回到步骤205循环。如果电池130a、130b中仅一个没有工作，则电力控制器145关闭相应的开关元件155a、155b(步骤225)。然后工具工作(步骤230)，且然后该操作200回到步骤205。如果在步骤210中电池130a、130b被确定都在工作，则电力控制器145执行交叉充电确定(例如，如图3B和/或图3C中所示)(步骤235)。然后该工具工作(步骤230)，且该操作200回到步骤205。

图3B是示出基于电流监视确定交叉充电情况的实施方式的操作300的流程图。在操作300中，电力控制器145开启开关元件155a、155b两者(步骤305)。电力控制器145监视电池130a的电流(步骤310)。电力控制器145确定是否有负电流流入电池130a(步骤315)。如果有负电流流入电池130a，则电力控制器145关闭开关元件155a(步骤320)。如果有正电流流出电池130a，则电力控制器145监视电池130b的电流(步骤325)。电力控制器145确定是否有负电流流入电池130b(步骤330)。如果有负电流流入电池130b，则电力控制器145关闭开关元件155b(步骤335)。如果有正电流流出电池130a，则电力控制器145将开关元件155a、155b都保持在开启位置(步骤340)。然后电力控制器进行图3a所示的操作的步骤230。

图3C是示出使用电压监视确定交叉充电情况的实施方式的操作400的流程图。在操作400中，电力控制器145开启开关元件155a、155b两者(步骤405)。电力控制器145关闭开关元件155a(步骤410)。电力控制器145测量电池130a的电压(步骤415)。电力控制器145开启开关元件155a(步骤420)。电力控制器145关闭开关元件155b(步骤425)。电力控制器145测量电池130b的电压(步骤430)。电力控制器145确定电池130a的电压是否等于电池130b的电压(步骤435)。如果两个电池的电压相等(例如，在0V到500mV的范围内)，则电力控制器145开启开关元件155a、155b两者(步骤440)，然后电力控制器进行图3A示出的操作的步骤230。

如果两个电池的电压不相等，则电力控制器145确定电池130a的电压是否大于电池130b的电压(步骤445)。如果电池130a的电压大于电池130b的电压，则电力控制器145关闭开关元件155b(步骤450)，然后电力控制器进行图3A示出的操作的步骤230。如果电池130a的电压不大于电池130b的电压(且由此小于电池130b的电压)，则电力控制器145关闭开关元件155a(步骤455)，然后电力控制器进行图3A示出的操作的步骤230。

在一些实施方式中，操作200以预定频率进行(例如，1ms间隔，5ms间隔，10ms间隔或大约在1ms与10ms之间)。在这样的实施方式中，在该预定频率，电力控制器145在操作200中进行循环。

在一些实施方式中，预定频率依据电动工具100和/或电池130a、130b的工作情况而变化。例如，如果电池130a、130b都提供电力给电动工具100，则该频率可以设定为第一预定频率；但是如果仅一个电池130a或130b提供电力给电动工具100，则该频率设定为不同的第二预定频率。该频率还可以取决于其他情况，例如电池130a、130b之一或两者具有低或相对低电压、电池130a、130b的电压在彼此的预定范围内、电池130a、130b的电压之间的差接近限制等。

电容C1和C2被设置在电池130a、130b与开关元件155a、155b之间。电容C1和C2防止钳位电感和因开关元件155a、155b开启和关闭导致的其他形式的影响。电容C3被设置在开关元件155a、155b与工具控制器140之间并执行与电容C1和C2类似的功能。

如以上关于操作300所述，在一些实施方式中，电力控制器145还被配置成在开关元件155a、155b都开启时监视电流的方向。当电力控制器145感测到负电流流向电池130a、130b之一时，电力控制器145关闭接收该电流的电池130a、130b的相应开关元件155a、155b。在一个实施方式中，这种电流方向感测通过在电池130a与开关元件155a之间设置传感电阻和在电池130b与开关元件155b之间设置传感电阻来执行。在开关元件155a、155b是MOSFET的实施方式中，电力控制器145在开关元件155a、155b的开启状态(Rds(on))期间监视源极与漏极之间的电阻以感测电流方向。

在一个实施方式中，电动工具100包括二极管而不是开关155a、155b。在该实施方式中，该二极管阻止电流流入电池130a、130b，同时允许电流流出电池130a、130b。

如上所述，在一些实施方式中，工具控制器140包括开关元件155a、155b以控制到电机150的电流。在电机150是有刷直流电机的实施方式中，开关元件155a、155b能被组合到工具控制器140。在该实施方式中，开关元件155a、155b被选择性地启动以执行控制到电机150的电流的另外功能。因此，个别的开关元件组合可以由多功能开关元件155a、155b来替代。

应当理解电池开关和/或电机控制电力开关功能的许多其他实施、组合、混合是可能的。例如，在另一实施方式(未示出)中，不提供工具控制器140。在该实施方式中，开关155a、155b直接给电机150提供电力并执行电机控制电力开关功能。

在一些实施方式中，开关元件155a、155b可以以滞后的方式在开和关之间振荡。开关元件155a、155b的滞后开关可以用于防止不期望的开关元件155a、155b的迅速开关。换句话说，该系统可以在开关元件155a、155b刚刚关闭的情况下延迟开启开关元件155a、155b，反之亦然。滞后开关还可以用于防止由开启和关闭开关元件155a、155b导致的不期望的影响。

在一些实施方式中，电力控制器145能够与电池控制器131a、131b通信以关掉电池130a、130b(例如经由电池130a、130b中的开关元件)。例如，电池控制器131a、131b能够将电池130a、130b的各个单元的电荷状态通信给电力控制器145，且如果各个单元的任意之一达到太低的电荷状态，则电力控制器145将关闭相应的电池130a、130b(例如，通过向电池控制器131a、131b发送“关闭”信号)。

在一些实施方式中，电池130a、130b还包括内部开关、开关元件等(未示出)，其选择性允许电流流出和流进电池130a、130b。在这样的实施方式中，作为开关元件155a、155b的替换或附加，电力控制器145能够与电池控制器131a、131b通信以控制和/或能够直接控制电池130a、130b的该内部开关以调整电池130a、130b的电压(如以上关于开关155a、155b所述的)。

因此，本发明可以提供从并联连接的电池接收电力的电动工具等。本发明可以提供没有交叉充电、有自动平衡等的并联电池配置。本发明还可以提供在电池130a、130b之一低于某电压、过热、功能故障、没有连接到电动工具100等的情况下使得电池130a、130b的另一个不给电动工具100供电的能力。

通过将电池130a、130b并联连接，总的系统阻抗降低，这使得电池130a、130b同时放电并由此具有较低的总电阻损耗。较低的总电阻损耗可以提供更好的效率以及更长的运行时间。此外，总系统阻抗较低可以在两个电池在相同的电荷状态以及传递电流时允许更高的峰值运行功率。

因此，本发明提供具有多个电池组的电动工具的系统和方法等。本发明的一个或多个独立特征和独立优点可以在权利要求中提出。

Claims (12)

1.一种可操作地用于容纳第一电池组和第二电池组的电动工具，该电动工具包括：

第一电池容器，所述第一电池容器被配置成容纳所述第一电池组；

第二电池容器，所述第二电池容器被配置成容纳所述第二电池组；

电机；

与所述第一电池容器和所述电机串联连接的第一开关；

与所述第二电池容器和所述电机串联连接的第二开关；以及

控制器，所述控制器包括：

用于监视所述第一电池组的第一电压和所述第二电池组的第二电压的模块，

用于当该第一电压和该第二电压在预定范围内时闭合该第一开关和该第二开关的模块，

用于当该第一电压在该第二电压的预定范围以外且该第二电压大于该第一电压时打开该第一开关的模块，以及

用于当该第二电压在该第一电压的预定范围以外且该第一电压大于该第二电压时打开该第二开关的模块。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其中所述预定范围是500毫伏。

3.根据权利要求1所述的电动工具，其中当所述第一开关和所述第二开关被闭合时，所述第一电池组和所述第二电池组以并联型配置连接。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其中当所述第一开关打开且所述第二开关闭合时，所述电动工具由所述第二电池组供电，以及其中当所述第二开关打开且所述第一开关闭合时，所述电动工具由所述第一电池组供电。

5.根据权利要求1所述的电动工具，其中所述用于监视所述第一电池组的第一电压和所述第二电池组的第二电压的模块包括：

用于开启所述第一开关和所述第二开关的模块，

用于关闭所述第一开关的模块，

用于测量所述第一电压的模块，

用于开启所述第一开关的模块，

用于关闭所述第二开关的模块，以及

用于测量所述第二电压的模块。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其中所述第一电池组包括第一电池控制器，以及所述第二电池组包括第二电池控制器。

7.根据权利要求6所述的电动工具，其中所述第一电池控制器包括用于感测所述第一电压并将该第一电压通信到所述控制器的模块，以及所述第二电池控制器包括用于感测所述第二电压并将该第二电压通信到所述控制器。

8.一种可操作地用于容纳第一电池组和第二电池组的电动工具，该电动工具包括：

第一电池容器，所述第一电池容器被配置成容纳该第一电池组；

第二电池容器，所述第二电池容器被配置成容纳该第二电池组；

电机；

与所述第一电池容器和所述电机串联连接的第一开关；

与所述第二电池容器和所述电机串联连接的第二开关；以及

控制器，所述控制器包括：

用于监视所述第一电池组的第一电流和所述第二电池组的第二电流的模块，

用于当该第一电流和该第二电流是正的时闭合所述第一开关和所述第二开关的模块，

用于当该第一电流是负的时打开所述第一开关的模块，以及

用于当该第二电流是负的时打开所述第二开关的模块。

9.根据权利要求8所述的电动工具，其中所述控制器通过基于所述第一开关的电阻检测经过该第一开关的第一电流方向来监视所述第一电流，以及通过基于所述第二开关的电阻检测经过该第二开关的第二电流方向来监视所述第二电流。

10.根据权利要求8所述的电动工具，其中当所述第一开关和所述第二开关闭合时，所述第一电池组和所述第二电池组以并联型配置连接。

11.根据权利要求8所述的电动工具，其中当第一开关打开且第二开关闭合时，所述电动工具由所述第二电池组供电，以及其中当所述第二开关打开且所述第一开关闭合时，所述电动工具由所述第一电池组供电。

12.根据权利要求8所述的电动工具，其中第一电池包括所述第一开关以及所述第二电池包括第二开关。