CN210693472U - 具有多种输出模式的电池组 - Google Patents

Abstract

一种电池组，其被配置成可拆卸地安装在电气设备中。该电池组包含壳体、容纳在壳体内的N组电气连接的电池单元、N对开关端子以及电压控制模组。N是整数。N对开关端子中每一对的两个开关端子分别电气地连接到N组电气连接的电池单元的一组中的正输出端和负输出端。电压控制模组电气连接在开关端子与壳体上设置的多个输出端子之间。电压控制模组被布置为将N个开关端子对串联或并联连接，以便将电力从电池组输出到电气设备。电池组能够在电池单元的组之间进行串联和并联连接的内部切换，从而为电池输出提供了极大的灵活性。

Description

具有多种输出模式的电池组

技术领域

本发明涉及电气设备，特别是涉及一种与能量储存设备和其他电气设备之间的接口有关的能量储存设备。

背景技术

电池供电的电动工具，由于电池组可拆卸地安装在这种电动工具上的电池上带来的可移动性，而广泛被用于家庭和工业应用。电动工具通常包含作为电气负载的电机，其消耗由电池组提供的电力以输出用于完成期望工作的驱动力。

然而，常规的电动工具通常只与同一制造商生产的专用电池组相容。换句话说，对于不同类型的电动工具，需要设计不同的电池组，因为这些电池组在使用期间不可互换。原因之一，是不同类型的电动工具通常具有不同的电压和电流要求，并且单一电池组不能为不同的电动工具提供不同的电压和电流。即使是由同一制造商生产的电动工具也是如此。

另一方面，对于同一电动工具的一些情况，根据电动工具的输出模式，用于操作电动工具的所需电力可能不同。例如，对于冲击工具，输出模式可以是高功率模式，在工件上传递较高的扭矩，或者较低功率模式，在工件上传递较低的扭矩。为了产生高扭矩输出，需要从电池提取的电流更高，反之亦然。常规的电动工具电池组不能提供这种可变的输出电流。

发明内容

鉴于上述背景，本发明的目的是提供消除或至少缓解上述技术问题的可选电动工具和电池组。

独立权利要求的特征的组合满足了上述目的；从属权利要求公开了本发明的其他有利实施例。

本领域技术人员将从下面的描述中得出本发明的其它目的。因此，上述对象的陈述不是详尽的，仅用于说明本发明的许多目的中的一些。

因此，本发明在一个方面中是被配置成可拆卸地安装在电气设备中的电池组。电池组包含壳体；容纳在壳体内的N组电气连接的电池单元；N对开关端子；以及电压控制模组。N是整数。N对开关端子中的每一对中的两个开关端子分别电气地连接到N组电气连接的电池单元的一组中的正输出端和负输出端。电压控制模组电气地连接在开关端子与设置在壳体上的多个输出端子之间。电压控制模组被布置为将N对开关端子对串联或并联连接，以便将电力从电池组输出到电气设备。

优选地，电压控制模组还包括控制器和多个开关元件。多个开关元件分别连接在两个电气端子之间。控制器连接并控制多个开关元件的开关动作。

更优选地，开关元件包括配置在PCB板上的半导体开关。

在一个具体实施中，半导体开关是MOSFET。

在另一具体实施中，电压控制模组中的开关元件的数量为N+1。

在更具体的体实施中，输出端子包括正端子和负端子。

根据本发明的一个变型，当电池组从电气设备上拆下时，这些电气连接的电池单元组被彼此电气地隔离。

根据本发明的另一变型，每组电气连接的电池单元输出18V的电压。

根据本发明的另一变型，电气设备是电动工具。

本发明有许多优点。通过在电池组中配置一个内部开关电路，可以灵活地调节由电池组输出的电力。例如，当特定电动工具需要高电流和低电压输出时 (例如，在高输出扭矩的情况下)，电池组中的电池单元组可以并联连接。当同一电动工具需要低电流和高电压输出时(例如，在低输出扭矩的情况下)，电池组中的电池单元组可以串联连接。利用电池组中的内部开关电路，电动工具中不需要其他电压/电流开关电路，因为在电池组中已经完成了这些操作。因此，电动工具的结构复杂程度可以被简化。

本发明的另一个优点在于，相同的电池组可以用于具有不同电压/电流要求的不同类型的电动工具。优选地，使用者不需要手动选择电池组的输出模式，但电池组能够自动检测电池安装到的电动工具类型并切换到适当的输出模式。例如，电池组可以具有与电动工具/电池充电器交换数据的通信端子，因此电池根据电动工具/电池充电器的类型自动调整其内部电路配置。这是一个智能的过程，使得电池组可以与各种电动工具兼容。

附图说明

从下面结合附图仅作为示例提供的优选实施例的描述中，本发明的前述特征和进一步的特征将变得显而易见，其中：

图la示出了根据本发明第一实施例的电池组的透视图。

图lb示出了图1a中电池组的顶视图。

图2a示出了图la中的电池组的透视图，其中壳体被移除以暴露其内部部件。

图2b示出了图2a中的电池组内部部件的侧视图。

图3示出了电池组中的电压控制模组，其与电池组的端子支架上的四个输出端子中的两个电源端子连接。

图4示出了用于接合图3中的电池端子的电动工具或电池充电器上的相应端子支架。

图5示出了图la-2b的电池组的等效电路图。

图6示出了图la-2b的电池组的内部示意图。

图7示出了图5的电路中串联连接的两组电池单元。

图8示出了图7中的等效电路。

图9示出了图5的电路中串联和并联的四个电气端子。

图10a和图10b示出了根据本发明另一实施例的电池组中的多个电池单元的两个不同的连接状态。

图11示出了根据本发明实施例的电池组中的N组电池单元的广义连接图，其中每组电池单元包含n个电池单元。

图12a示出了根据本发明实施例的具有两对输出端子的电池组的端子支架。

图12b示出了用于容纳图12a中的电池组的端子支架的相应电动工具的端子支架。

图13a示出了根据本发明实施例的具有两对输出端子以及两个信号引脚的电池组的端子支架。

图13b示出了用于容纳图13a中的电池组的端子支架的相应电动工具的端子支架。

图14a示出了根据本发明实施例的具有三组电池单元和三对输出端子的电池组的侧视图。

图14b示出了图14a中的电池组的透视图。

图14c示出了图14a中的电池组的正视图。

图14d示出了图14a中的电池组的顶视图。

图15分别示出了图14a中的电池组的端子支架。

在附图中，贯穿在本文描述的几个实施例的相同的附图标记表示相似的部分。

具体实施方式

在随后的权利要求书和本发明的前述描述中，除了由于表达的语言或必要的暗示而在上下文中要求的情况之外，词语“包括”或诸如“包括”或“包含”等变形用于包容性意义上，即，指定所述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中存在或添加其他特征。

如本文和权利要求书中所使用的，“耦合”或“连接”是指通过一个或多个电气装置直接或间接的电气耦合或连接，除非另有说明。

诸如“水平”、“垂直”、“向上”、“向下”、“上方”、“下方”等术语和诸如本文所使用的类似的术语是为了将描述本发明处于其正常使用的方向，并不旨在将本发明限制在任何特定的方向。

现在参照图la和lb，本发明的第一实施例示出适用于电动工具的电池组。电动工具是需要电能来执行正常功能的电气设备的示例。电池组包含容纳包括电池单元和控制电路的电池组的所有内部构件的壳体20。在电池组的外表面上存在诸如用于将电池组安装到电动工具或电池充电器上的闩锁或特定的几何形状的机械特征24。机械特征24对于本领域技术人员来说是公知的，并且将不会被进一步详细描述。在电池组的顶面上，存在壳体20的区域被用作容纳电动工具或电池充电器上的端子支架(未示出)的插座26。在插座26的端部，配置有与电池组的内部电路电气连接的电池组的四个输出端子22。

现在转到图2a和2b，在电池组的壳体内部有多个被安装到框架33上的电池单元32。框架33允许单个电池单元32被固定并保持在适当位置。如图2a 和2b所示，总共有十个电池单元32。电池单元32之间的连接将在后面详细描述。然而，在其阴极和阳极处，每个电池单元32通过连接片36与另一个电池单元32或输出端子22机械连接。连接片36具有细长的形状，并且在连接片 36的两端处具有与相应的电池单元32的阴极/阳极紧密接触的接触垫片36。在框架33的顶部上，安装有承载电压控制模组(未示出)的PCB板28以及电池组操作所需的其他电路构件。电池端子支架30固定在PCB板28上，四个输出端子22固定在PCB板28上。

现在参照图3，电池端子支架30包含如上所述的四个输出端子22，具体地，四个端子包括正(+)端子22d、负(-)端子22a、第一信号端子(T1)22b和第二信号端子(T2)22c。T1端子22b和T2端子22c用于在电池组和外部电动工具和 /或电池充电器之间进行数据通信。与电压控制模组38连接的是正端子22d和负端子22a。四个输出端子22中的每一个都具有弯曲形状，其端部突出。反过来，图4所示的工具端子支架40包括金属夹42，该金属夹42以与输出端子 22类似的并排方式被布置。在工具端子支架40上存在至少两个金属夹42用于至少连接正端子22d和负端子22a。

图5显示了电池组的内部电路图。如上所述，电池组中有十个电池单元32。将电池组中的10个电池单元32分成两组，每组包含五个电池单元32，并且这五个电池单元32串联连接。每个电池单元32输出3.6V的电压，从而一起串联连接的五个电池单元32的输出总电压为18V。第一组电池单元44分别连接到正开关端子52b和负开关端子52d。第二组电池单元46分别连接到正开关端子52a和负开关端子52c。四个开关端子52a-d也分别由“b2+”、“bl+”、“a2-”和“al-”表示。

四个开关端子52a-d连接到电压控制模组38，电压控制模组38在另一侧连接到四个输出端子22a-22d。注意，只有输出端子22d和22a(即，分别为正端子和负端子)用作功率输出，而输出端子22b和22c(即，分别为T1和T2)用于电池组与充电器/电动工具之间的双向信号通信。电压控制模组38包括微控制器(MCU)48和三个开关元件50。MCU48连接到三个开关元件50，并被配置为控制后者的开关操作。注意，电池单元组的数量以及因此开关端子对的数量可以由变量N来表示，其中N是整数。然后，进行串/并开关所需的开关元件的数量是N-1。在图5的情况下，N是2，并且所需的开关元件的数量是N-1，其是3。

图6显示了上述电池组的详细示意图。MCU 48经由通信模组54耦合到 T2端子22c和T1端子22b。T2端子22c和T1端子22b可以用于与外部电动工具/电池充电器通信的MCU48，诸如提供电池组的操作状态或者接收用于调整开关元件50的电动工具/充电器的信息。每个开关元件50包括两个MOSFET 56。第一组五个电池单元44将其正输出端连接到bl+端子52b，并且其负输出端连接到al-端子52d。第二组五个电池单元46将其正极输出端连接到b2+端子52a，并且其负输出端连接到a2-端子52c。第一组五个电池单元44和第二组五个电池单元46中的每一个还与模拟前端(AFE)模组58耦合，该模组用于对电池单元的状态进行采样并提供给MCU 48。另一方面，对于开关元件50 中的两个MOSFET 56，高边驱动器60被配置为基于接收来自MCU 48的信号来驱动MOSFET 56。b2+端子52a直接连接到负输出端子22d，并且al-端子52d 直接连接到负输出端子22a。

现在转向上述设备的操作，图7和图8示出了当第一组电池单元44和第二组电池单元46串联连接时的电路连接。通过控制图6中的bl+端子52b和a2- 端子52c之间的两个MOSFET 56处于导通状态来实现这种电路配置。同时， b2+端子52a和bl+端子52b之间的两个MOSFET 56以及a2-端子52c和al-端子52d之间的两个OSFET 56处于截止状态。由于现在全部十个电池单元串联连接，所以正极输出端子22d和负极输出端子22a的输出电压是36V。

图9以简化的电路形式示出了图5-6中所示的电路可如何以串联或并联连接模式进行图示。方框60示出了当开关端子bl+和a2-被连接，但开关端子b2+ 和bl+未连接以及开关端子a2-和al-未被连接时，则2对开关端子串联连接，从而输出36V的电压。方框62示出了当开关端子bl+和a2-未被连接，但开关端子b2+和bl+被连接以及开关端子a2-和al-被连接时，则2对开关端子并联连接，从而输出18V的电压。输出18V电压时的电池组输出的电流能够是输出 36V电压时电池组输出电流的两倍。

图10a示出了根据本发明另一实施例的电池组中的十个电池单元122的等效电路图。在图10a中，每两个电池单元122并联连接以形成组145，因此在电池组中有五个这样的组145。假设单一电池单元122输出3.6V电压，则在正端子122d和负端子122a处的总输出电压是18V。在图10b的配置中，输出电压正端子122d和负端子122a也是18V，但是替代具有五组电池单元，在图10b 中仅有两组并联连接。通过实现类似于图5-6所示的开关元件，可以从图10a 中的电路配置切换到图10b中的电路配置，反之亦然。

现在转到图11，其示出了根据本发明的具有可扩展电池容量和输出额定值的电池组的广义内部电路连接。具体地，电池单元232的组的数量以及因此开关端子对的数量可以由变量N表示，其中N是整数。另一方面，在每组内，电池单元232的数量是n。因此，电池组中的电池单元232的总数是N×n，并且该总数与电池组的容量成比例。请注意，数值或N或n没有限制。在每组电池单元232内，所有的n个电池单元232串联连接，并且每个电池单元232具有V的输出电压。这意味着对于一组电池单元232，总的输出电压在通常分别由BN+252e和BN-252f表示的两个输出端子处将是V×n。例如，如果n＝5，那么该组电池单元232的输出电压将是V×5，如图11所示。因此，根据本发明制造的电池组具有可扩展性，其中通过提供多组电池单元232可以通过N对输出端子的选择性串联和/或并联连接来提供各种不同的输出电压/输出电流。

在图11中示出了第一组电池单元244分别连接到正开关端子252b和负开关端子252d。第二组电池单元246分别连接到正开关端子252a和负开关端子 252c。四个开关端子252a-d也分别由“B2+”、“B1+”、“A2-”和“A1-”表示。

现在参考图12a和12b，在本发明的另一个实施例中，电池端子支架330 包含四个类似于图3所示的输出端子322，特别是四个端子322包括第一正(+) 端子322d、第一负(-)端子322a、第二正(+)端子322b和第二负(-)端子322c。四个输出端子322中的每一个都具有弯曲的形状，其末端向前突出，而呈薄片状，具有很小的厚度。可以看出，所有的负端子322c、322a都被布置在电池端子支架330的一侧，而所有的正端子322d、322b被布置在电池端子支架330 的另一侧。

如图12b所示的工具端子支架340包含四个金属夹342，其与相应的电池端子支架330上的输出端子322以相似的并列方式排列。金属夹342被容纳在框架中，并且通过与框架343整体形成的三个分隔件341彼此分离。每个分隔件341基本为“L”形，并且包括竖直部分341a和底部部分341b。框架343类似地包括垂直壁343a和底部部分343b。在四个金属夹342中，其中两个包括另外的垂直金属销349，而另外两个不具有这样的垂直金属销。

图13a和13b进一步示出了本发明的另一个实施例，包括电池端子支架430 和工具端子支架440。工具端子支架440与图12b所示的工具端子支架相同。电池端子支架430也大致类似于图12a中所示的电池端子支架。因此，为了简洁起见，上面已经描述的任何类似的结构或形状将不再被讨论。然而，与图12a 所示的电池端子支架相比，电池端子支架430的主要不同之处在于在两个端子 422之间的电池端子支架430中存在两个另外的信号端子451。这两个信号端子451各自处于L形，但与图12a中仅具有最小宽度的端子322相比具有相当大的宽度。此处的宽度被定义为沿着多个端子布置的方向的距离的跨度。两个信号端子451在它们的开口端具有用作与电动工具的信号耦合的导电表面的顶表面。此外，还有两个额外的引脚453，分别从两个信号端子451的垂直部分沿着与端子422相同的方向延伸。引脚453被设计为执行与端子422类似的功能，用于从电池组向电动工具提供电力。

图14a-14d和图15示出了包括电池组的本发明的另一个实施例。与图la-2b 所示的电池组相比，该电池组的不同之处在于，现在有三组电池单元532，每组电池单元532的数量保持为五个。所有这些电池单元532被容纳在壳体(未示出)中，因此图14a-14d中的电池组的总高度大于图la-2b中的电池组的总高度。多个电池单元532被安装到框架533。框架533允许单个电池单元532 被固定并保持在适当位置。在框架533的顶部上，安装有PCB板528，其搭载电压控制模组(未示出)以及电池组操作所需的其他电路构件。有一个固定在PCB板528上的电池端子支架530，其上固定有六个输出端子522、551。

如图14c-d和15所示，在六个输出端子中，其中四个是L形的功率输出端子522。四个端子522包括第二正(+)端子522d、第二负(-)端子522a、第三正(+)端子522b和第三负(-)端子522c。在第二负(-)端子522a和第二正(+) 端子522d之间，存在两个信号端子551a、551b，每个信号端子551a、551b均为L形，但与图12a中仅具有最小宽度的端子322相比具有相当大的宽度。此处的宽度被定义为沿着多个端子布置的方向的距离的跨度。两个信号端子551a、 551b在其开口端具有用作与电动工具的信号耦合的导电表面的顶表面。此外，还有两个额外的引脚553a、553b，分别从两个信号端子551的垂直部分沿着与端子522相同的方向延伸。引脚553a、553b被设计为执行与端子522类似的功能，用于从电池组向电动工具提供电力。

因此充分描述了本发明的示例性实施例。尽管描述涉及特定实施例，但是本领域技术人员将清楚的是，可以通过这些具体细节的变型来实践本发明。因此，本发明不应被解释为限于在此阐述的实施例。

尽管已经在附图和前面的描述中详细说明和描述了本发明，但是应该认为本发明是示例性的而不是限制性的，应当理解，仅示出和描述了示例性实施例，并不以任何方式限制本发明的范围。可以理解，这里描述的任何特征可以与任何实施例一起使用。说明性实施例并不排除彼此或本文未列举的其他实施例。因此，本发明还提供了包括上述说明性实施例中的一个或多个的组合的实施例。如在此阐述的本发明的修改和变型可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行，因此只应该如所附权利要求书所指出的那样施加这样的限制。

应该理解的是，如果任何现有技术出版物在本文中被引用，则这样的引用并不是承认该出版物形成了在澳大利亚或任何其他国家的本领域公知常识的一部分。

例如，上述实施例中描述的电气设备是电动工具。然而，本领域技术人员将认识到，本发明的精神中，其他类型的耗能设备也可以与电池组一起使用。这种耗能设备例如包括发光设备、音响设备或测量仪器。

Claims (9)

1.一种电池组，所述电池组被配置成可拆卸地安装在电气设备中，所述电池组包括：

a)壳体；

b)N组电气连接的电池单元，所述电池单元容纳在所述壳体内；其中N是整数；

其特征在于，所述电池组还包括：

c)N对开关端子；所述N对开关端子中每一对的两个开关端子分别电气地连接至所述N组电气连接的电池单元中的一组的正输出端和负输出端；以及

d)电压控制模组，所述电压控制模组电气连接在所述开关端子与所述壳体上配置的多个输出端子之间；

其中所述电压控制模组被布置成串联或并联地连接所述N对个开关端子，以便从所述电池组向所述电气设备输出电力。

2.如权利要求1所述的电池组，其中，所述电压控制模组还包括控制器和多个开关元件；所述多个开关元件中的每个连接在所述开关端子的两个之间；所述控制器连接并控制所述多个开关元件的开关动作。

3.如权利要求2所述的电池组，其中，所述开关元件包括被配置在PCB板上的半导体开关。

4.如权利要求3所述的电池组，其中，所述半导体开关是MOSFET。

5.如权利要求2所述的电池组，其中，所述电压控制模组中的开关元件的数量是N+1。

6.如前述权利要求的任一项所述的电池组，其中，所述输出端子包括正端子和负端子。

7.如权利要求1-5中任一项所述的电池组，其中，当所述电池组从所述电气设备拆下时，所述N组电气连接的电池单元彼此电气地隔离。

8.如权利要求1-5中任一项所述的电池组，其中，每组电气连接的电池单元输出18V的电压。

9.如权利要求1-5中任一项所述的电池组，其中，所述电气设备是电动工具。

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