TW200529532A - Protection methods, protection circuits and protective devices for secondary batteries, a power tool, charger and battery pack adapted to provide protection against fault conditions in the battery pack - Google Patents

Description

200529532 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於可再充電電池的保護方法、保護電路 與保護裝置，關於調適以提供對附屬電池組之單電池的保 護之電動工具及充電器，及關於其中包括保護控制之電池 組，以上各項保護該電池組而對抗各種潛在的故障狀態。 【先前技術】 & 在過去的幾年中，鋰離子（Li離子）電池已開始取代低電壓 可攜式電子裝置（例如筆記型個人電腦）中的鎳鎘…⑴幻、鎳 金屬氫化物（NiMH)及鉛酸電池。與NiCd及NiMH電池相比 較，Li離子電池的重量較輕而每單位體積的容量較大。

過裒電保護。

係田？茨電池組之輸出電壓所決定。 一個NiCd單電池 接

池之最大數量係5。 &係1·2 V。假定電池組 弓電子裝置，則電池組中 電池之最大數量係15。另 輸出電壓係約3·6 V。因 戸串聯連接的Li離子單電 96637.doc 200529532 不像NlCd電池組&NlMH電池組，u離子電池組可包括進 行保護而對抗L!離子電池組内部及外部的故障狀態之功能 性。此可防止Li離子電池組中的電池劣化及縮短電池組的 ，用期。例如，若故障狀態（例如短路）出現於u離子電池内 邛或外邠，則可提供保險絲，以便在放電電流或充電電流 變得大於給定電流位準的情況下，切斷過放電電流或過充 電電流。 目前，電池組（例如Li離子電池組）中的保護電路主要係針 對低電壓可攜式電子裝置而設計，例如筆記型個人電腦、 蜂巢電話等，其一般需要2至4伏特等級的電壓。此類裝置 的特徵為採用由單電池（例如Li離子、NiCd、犯應電池）組 成勺包池、’且，其提供約4.2伏特/電池的最大輸出電壓。對於 1^離子早電池而言，必須注意防止受到電性及機制應力的 損壞’因為鋰係高度反應性物質。 用於該等低電壓電池組的冑統保護電路 電壓以防止給定單電池過充電或過放電，並可監視= 阻止電流上升得太高。其他保護電路可具有—或多個溫度 輸入，以在充電或放電期間停用電流直至電池組冷卻。其 他保護電路可設計成有助於維持單電池上的充電平衡，即 =的均衡電路。可將典型的保護電路與電池組中的給定 早電池或電池群組連接，以避免該等情形。例如，傳統保 護電路可通常包括一對刪阳或其他半導體，其可停止 任一方向上的電流。 …、而’車乂回功率電子裝置（例如無線電動工具）需要比以 96637.doc 200529532 上說明的電塵更高之電麼。因此，較高功率電池組可以在 開發用於無線電動工具之過程中。此類「高功率」電池组 可提供高於傳統则及犯顧電池組（並實質上高於用於％ 及行動電話之傳統Ll離子電池組)_輸出，而且其重量 大為減小（與用作傳統無線電動卫具中的電源之傳統順 或N囊電池組相比）。該等電池組之特徵在於電池組可展

現出實質上低於傳統NiCd、犯顧及/或甚至較低功率的U 離子電池組之阻抗特徵。 此外’隨著該等電池技術的進步，引人較低阻抗化學品 及結構形式以開發產生實質上較高的輸出電壓(例如至少 18 V及以上)之二次電池’可能會產生數個額外的保護問 題:具有較低阻抗的電池組還意味著電池組可供應實質上 較咼的電流給附屬電子組件’例如電動工具。隨著流經附 屬電動工具之馬達的電流增加，去磁力(例如馬達之電樞阻 數乘以電流，即安培隨）可實質上增加至超過馬達中的期 望限制或設計限制。因而此類不合需要的去磁可能會燒壞 馬達。 例如’當將工具保持在停轉狀態時，工具較低阻抗電源 可引起對工具之馬達的損壞。在馬達停轉期間，馬達及電 池阻抗為用以限制電流的唯一機制，因為不存在由馬達所 建立的反向EMF。採用較低阻抗電池組，電流將合。 流經馬達的較高電流將增加工具馬達内的永久性磁鐵^去 磁的可能性。 此外，工具的啟動可產生額外啟動電流並引起馬達之去 96637.doc 200529532 兹熱過載也可以為採用現有電動工具中的低阻抗電源之 結果，因為與所設計的最初無線工具系統相比，可將新電 池設計成運轉較長時間並且較穩定。 因此，不同保護控制可能需要處於適當位置，以解決調 適用於現有然線電動工具之高功率電池組及製造用於該等 較高功率電池組的電動工具之發展線路中可出現的潛在故 狀怨。特疋έ之，需要開發保護控制以處理故障狀態， 例如可出現於電池組（例如Li離子或Nicd電池組）之一或多 個單電池中的過充電、過放電、過電流、過熱及單電池失 衡，以便防止對電池組、附屬裝置（例如充電器或工具）之内 P或外σ卩損壞，或對與充電器或工具連接之電池組附近的 使用者之傷害。 【發明内容】 在包括包池組的無線電動工具系統中，本發明之示範性 具體貫施例係關於保護方法、保護配置及/或保護裝置，其 係設計成進行保護而對抗可附於電動工具或充電器之電池 組中的故障狀態，以便防止對電池組或附屬工具或充電器 之内部或外部損壞。示範性方法、電路與裝置可解決電池 組中的各故障狀態，例如過充電、過放電、過電流、過埶 等。 …、 【實施方式】 般參考各圖式’解說依據本發明之示範性具體實施例 的原理所構造的無線電動工具之系統。經由範例，將系統 之示範f生然線電動工具顯示成包括圓形電動鋸1〇(圖I?)、往 96637.doc 200529532 復鑛2_i8)及料糊外卫㈣、職騎射 傳統直流馬達「_ φ去gg +、甘 ^ w(圖中未喊朴其係調適成由具有給定標稱雷 塗領定值的電源供電。在示範性具體實施例中，工具1〇、 20及30可由具有至少18伏特之標稱電壓額定值的可移除雨 源所驅動。熟習此項技術者應明白本發衫限於圖式所二 的工具之特定類型，也不限於特定電壓。在此方面，可將 本發明之原理應用於實質上任-類型的無線電動工具及任 一供應電壓。 繼續參考圖式，可將可移除電源具體化為一電池組4〇。 在所解說的示範性具體實施例中，該電池組可以為可再充 電電池組40。電池組4〇可包括複數個串聯連接的單電池， 及/或複數個串聯連接的單電池串，其中該等單電池串係彼 此並聯。為了解說本發明之示範性具體實施例之目的，電 池組40可由具有輯子電池化學品的各單電純成。因^ 不範性具體實施例係關於無線電動工具環境，其需要具有 比採用Li離子電池技術之傳統低電壓裝置（例如筆記型電 腦及蜂巢電話）高甚多的電壓額定值之電源，所以電池組4〇 之標稱電壓額定值可以為至少18V。 然而電池組40可由另一鋰基化學品之電池組成，例如鋰 金屬或鋰聚合物；或其他化學品，例如鎳鎘（NiCd)、鎳金 屬氫化物（NiMH)及鉛酸，其係根據（例如）電池組4〇之個別 單電池、電極及電解質之化學組成。 圖1說明依據本發明之一示範性具體實施例的保護電路 配置之局部方塊圖。圖1解說電池電路之一部分，並特定解 96637.doc -10- 200529532 說用於電池組（例如圖17至19中的電池組4〇)之各單電池ι〇5 的個別保護裝置102。在圖，可將各保護裝置1〇2調適成 執行電流限制功能。在一範例中，可將保護裝置1〇2具體化 為各熱阻裝置，其中一熱阻裝置係單電池之一部分或包含 在單電池内。 熱阻器係用以說明電子組件之範圍的術語，該等組件的 主要特徵在於其電阻會對其溫度之變化作出回應而發生變 化，即熱敏感電阻器」。可將熱阻器進一步分類為「正、、w 度係數裝置」（PTC裝置）或「負溫度係數裝置」（㈣裝置 ptc裝置為其電阻隨其溫度增加而增加的裝置。㈣裝置為 其電阻隨其溫度增加而減小的裝置eNTC熱阻器通常係採 用基於過渡金屬氧化物的陶瓷材料之專利配方所製造。 在圖丄中，π將保護裝以02具體化為PTC裝置:盆可保 護單電池串免受熱過載之影響。若任一單電池變熱，則合 增加該單電池内的PTC裝置之電、s 之包阻以限制流經整個單電池 串的電流。單電池之此保護方法可能具有以下缺點：其需 要執行電流限制功能的許多裝置，作為保護裝置丨〇2(在此 範例中為PTC裝置）。 圖2說明依據本發明之另—示範性具體實施例的保罐電 路配置之局部方塊圖。採用多個保護裝置102的替代方： 包括用於各單電池的專用保護電路210，其感測一電池电 (例如電池組40)中的一或多個電池組參數。該等參數包括作 ^限於透過電池組的電流、溫度、電虔及阻抗。保護電路 可與對應㈣器電路220連接。位準偏移電路220可與複 96637.doc -11 - 200529532 數個AND閘極（由框23〇顯示）連接，以將該（等）保護電路训 與執行電流限制或電流中斷功能的主機裝E24叫接。若任 一保護電則貞測到問題，則該保護電路可從輸出高狀態變 為輸出低狀態。AND祕可確保所㈣ 叫《開啟主機裝一外，應預想到可使二= 輯，而保護裝置輸出將變為正常低狀態並採用馳閘極。 可將主《置240具體化為半導體裝置’例如金氧半導體場 效電晶體（MOSFET)，如圖2所示。因此，若電池組具有^ 個串聯單電池105，則示範性組態可預想一組保護電路 21〇(為每個單電池分配—個保護電路），其係與㈣/停^ 流的主機裝置240(例如M〇SFET)連接並控 如以上所說明，採用多個專用保護電路21〇可能枝需衣要置一對 :位準偏移電路220，其將自最高電位單電池的電壓變化下 降至正常位準，以切換主機半導體裝置24q，如（例如如 所示。若監視到各單電池係過度的，則單電池群組或整個 電池組可採用單一保護電路21〇及單一主機裝置24〇加以監 視’以限制或中斷電流。 圖3A為解說依據本發明之—示範性具體實施例的示範性 電池組與示範性電池充電器之間的組件及連接之方塊圖。 圖3A僅為示範性電路組態，並為其提供背景以更清楚地說 明依據各示範性具體實施例之各種保護方法、電路與裝置。 參考圖3A’電池組1〇〇可包括複數個争聯連接的單電池 1〇5(為了簡單起見而顯示六個電池，電池組⑽可包括多於 或少於六個的電池’或可由串聯單電池串組成，該等單電 96637.doc -12- 200529532 池串係彼此平行）。為了說明之目的，電池組ι〇〇之示範性 具體實施例可由具有㈣子電池化學品的電池組成。因為 不乾性具體實施例係關於無線電動工具環境，其需要比採 用Li離子電池技術之傳統裝置高甚多的電壓額定值，所以 電池組100之標稱電壓額定值可以為至少18V。 因此，圖3A(及圖3B)中的電池組1〇〇可應用於及/或設計 用於無線電動工具系統，其包括至少無線電動工具、電池 組及充電器。可將電池組1〇〇視為用於高功率電動工具操作 的可移除電源。在一範例中，電池組1〇〇可以具有至少Μ 伏特之標稱電壓額定值，及/或具有至少約385瓦特之最大 功率輸出。然而熟習此項技術者應明白本發明不必限於圖 17至19所示的工具之特定類型，也不必限於以上說明的特 定電壓額定值及/或功率輸出規格。 電池組100可進一步由另一鋰基化學品之單電池組成，例 如鋰金屬或鋰聚合物；或其他化學品，例如鎳鎘（Nicd)、 鎳金屬氫化物（NiMH)及鉛酸，其係根據電池組1〇〇之個別單 電池、電極及電解質之化學品組成。 在圖3A中，顯示七個端子（端子丨至7)。然而示範性具體 實施例不應限於此端子組態，因為可包括更多或更少的端 子，取決於其間所傳遞的資訊，或由電池組1〇〇或充電器丨5〇 所監視的蒼數。 屯池組100還可包括與輸出端子（端子i)連接的Pack ID 110 ’ S被插入充電150時該Pack ID用以識別電池組100。 PackID 110可包括型號、版本、單電池組態及電池類型（化 96637.doc -13- 200529532 學品），例如鋰離子、NiCd4NiMH。可藉由電池組1〇〇中的 兴步全雙工通訊系統，將Pack ID 110具體化為從電池組1〇〇 之輸出端子1所接收的一或多個通訊碼，如Hiratsuka等人的 美國專利第5,680,027號所說明。然而此僅為一個範例，因 為也可藉由ID電阻器、顯示電池組之識別資料的led顯示 器、在接合之後傳送並經由（例如）端子2由工具/充電器所感 測的串聯資料、及/或於空中介面上傳送至工具/充電器的資 料之訊框中的攔位等來具體化以仏m 11()。 私池組100可進一步包括一或多個溫度感測器丨2〇。可將 溫度感測器120具體化為NTC或PTC熱阻器、溫度感測積體 電路或熱電偶。溫度感測器120可經由（例如）端子3，將電池 組100内的溫度與電池組100中的智慧進行通訊，及/或與所 連接的充電器150中的智慧進行通訊。因為已瞭解此類溫度 之功能，所以為了簡要之目的而省略功能操作之詳細解 說。將用於充電及放電的電源連接表示為端子丨及端子7。 電池電子控制單元125可負責針對由使用者（經由充電器 150、附屬工具及/或因使用者之篡改）曝露於端子上的任一 故障狀態而保護電池105。例如電池電子控制單元125可以 被具體化於硬體或軟體中作為數位微控制器、微處理器或 類比電路、數位信號處理器，或可藉由—或多個數位^(例 如特殊應用積體電路（ASIC))而加以具體化。 在電池電子控制單元125之控制條件下，藉由採用半導體 裝置130a(放電断)及13〇b(充電FET)，可箝住或停止放電 電流及充電電流。電池電子控制裝置125可由所示的内部； 96637.doc •14- 200529532 源供應器13 5提供電源，並 半導體裝置130a及l3〇b。 且可透過驅動器電路140而連接 電池組1 〇〇可進_牛4 n j v匕括笔k感測器145，其感測電流並 提供信號給電池雷早妖也丨^ θ 子拴制早70 125。可將電流感測器145具

體化為用於電流咸測哭、&羽I z /iL 〜、口口的白知組件，例如分路電阻器、電 流轉換器等，盆可接征本-+ L / ，、j杈供表不電池組1〇〇中所感測的電流之信 5虎給電池電子控制單开〗）ς ·?# HA tio. 剌早兀125。丰導體裝置130a可包括下拉電 阻裔147 ’其在裝置130_閉並且電池組100休眠時旁通半 導體裝置130a。 私池組1〇〇也可包括電壓監視器電路ιι5。 路U5可由(例如)任一習知監視器㈣^ 可配置成感測個別單電池電壓及/或感測電池串1〇5之總電 池組電壓（「堆疊電壓」），以提供表示個別單電池電壓或堆 疊電壓的信號給電池電子控制單元125。作為變化，而非配 置成感測個別單電池電壓及總堆疊電壓的單一電壓監視器 私路115，電池組100可包括如圖3八所示的電壓監視器電 路，其包括用以感測個別單電池電壓的第一複數個電壓監 視态電路（一般顯示為115A)，及用以感測（例如）電池1〇5之 總堆疊電壓的第二電壓監視器電路115B。 例如芩考圖2，保護電路21 〇可包括至少電池電子控制單 凡125、電流感測器145、電壓監視器電路115及溫度感測器 120 ’並且可視需要而進一步包括Pack ID 110及内部電源供 應為’例如電源供應器135。驅動器電路140可類似於圖2 中的驅動器電路220,並且半導體裝置13如及13讥可單獨或 96637.doc •15- 200529532 一起表示主機裝置240，甘—/口此：& /、在保護電路2 1 〇之控制條件下具 有電流限制/中斷功能。 〃 參考圖3A，在放電期間，電池電子控制單元125可輸出脈 衝寬度調變（PWM)控制信號以驅動驅動器電路14〇。例如將 脈衝半導體（脈衝寬度調變器（pWM))共同用於電子行業，以 建立與工作週期成比例的平均電壓。pwM係調變，其中脈 衝之持_ 4間係依據調變信號之某特徵而改變。或者可使 用脈衝頻率調變來建立此平均電a。在任—情況下，半導 體裝置130a及130b(其可以分別具體化為放電㈣及充電 FET)可以在0N狀態與〇FF狀態之間加以切換，以建立與切 換日^*的工作週期成比例之平均電屢。 在放電期間，驅動器電路14〇位準偏移電池電子控制單元 125之PWM輸出，以驅動半導體⑽之閘極，從而取決於所 感測的狀態使半導體裝置13(^循環及中斷循環。因為半導 體裝置130a得以反向偏壓，所以裝置13肋傳遞電流，而僅 有二極體的電壓會下降。若電流為2G安培，並且裝置⑽ 具有0.6伏特的前向電壓，則功率損耗將僅為12瓦特。若需 要較低的損耗，則電池電子電路125可輸出一狀態至驅動器 電路140,其命令半導體裝置13卟在對半導體裝置i3〇a所採 取的PWM行動期間保持運行。現在裝置13〇b的功率損耗將 為其運行電阻乘以電流的平方（i2r〇n)。如今的M〇SFET通 常具有10毫歐姆的運行電阻（r〇n)，因此在2〇安培的電流情 況下功率損耗將僅為4瓦特。結果係透過半導體裝置而獲得 受控放電及較低損耗。 96637.doc •16- 200529532 在充電期間，可應用反向邏輯。半導體裝置13〇a係針對 私流而反向偏壓，並且即使其在〇FF狀態中進行傳導，裝 置130a仍應保持0N狀態以獲得最少量的損耗。半導體裝置 130b可根據自透過驅動器電路14〇之電池電子控制單元I。 的貧訊而控制充電電流。包括驅動器電路140的組件配置在 此項技術中已為人所知，並且因簡要之原因而未在本文中 加以說明。 备將電池組1〇〇與充電器15〇連接時，充電器15〇中的充電 的琶子L制單元155可透過端子1及6從電池的内部電源供 應裔135獲知電源。此僅為一示範性連接方案，因為可使用 供電給充電器電子控制單元155的其他構件。充電器15〇可 具有其自己的電源或直接從電池電壓獲得電源。例如充電 為私子控制單元155也可以被具體化於硬體或軟體中作為 數位微控制器、微處理器或類比電路、數位信號處理器， 或可藉由一或多個數位10(例如特殊應用積體電路（ASIC)) :加以具體化。可透過端子4及5上的串聯資料路徑而交換 :池及充電器資料與控制資訊。充電器電子控制單元155 可抓用又定電壓及設定電流而驅動電源控制器1 ，以經由 鈿子1及7遞送自電源165之所需電壓及電流給電池組1〇〇。 予圖3B為解說依據本發明之一示範性具體實施例的示範性 電池組與示範性電動工具之間的組件及連接之方塊圖。圖 3B僅為不乾性電路組態，並係提供為背景以更清楚地說明 依據各不範性具體實施例之各種保護方法、電路與裝置。 可將圖3B之電池组及工具組態應用於圖丨了至Μ之任一中的 96637.doc -17- 200529532 示範性無線工具系統及等效系統。在圖3B中，解說「智慧 型」電動工具1 70，應瞭解可調適電池組1 〇〇以供電給「啞 電動工具（即沒有智慧裝置或微電子組件控制（例如微處理 器）的電動工具）。 麥考圖3B，電動工具170可經由端子！及6從内部電池電源 供應裔135獲得電源。工具170可包括機械開關175，當半導 體裝置130a(放電FET)關閉時，該開關將端子7拉高。若半 導體裝置130a保持關閉而電池組1〇〇係休眠的，則端子7中 的私壓因下拉電阻器147而較低。此電阻器數值應具有實質 上較高的電阻，因為其用以旁通半導體裝置13〇&。在此下 拉電阻器147處於適當位置並且半導體裝置13(^處於關閉 狀態的情況下，端子7中的電壓會保持較低直至啟動工具 170中的開關175。結果係電源端子7的電壓會立即增加，並 且可將透過電源端子7的信號用以將電池組丨〇〇從休眠操作 杈式中喚醒。工具17〇可包括工具電子控制單元。例如 工具電子控料元180也可以被具體化於硬體或軟體中作 為數位微控制器、微處理器或類比電路、數位信號處理器， 或可藉由一或多個數位1(：(例如特殊應用積體電路（asic)) 而加以具體化。 工具電子控制單元180可加以程式化，以便讀取觸發器 1 8 1之觸發裔位置，並經由端+ 田而于4及5中的串聯資料路徑將觸 發器位置報告給電池電子控制單元125。根據觸發以立置資 枓’電池電子控制單元125可透過半導體裝置i3Ga改變pwM 工作週期’以獲得工具馬達19时的所需馬達速度。在半導 96637.doc -18· 200529532 體裝置130a關閉的同時，工具17〇中的二極體195可再循環 剩餘的感應馬達電流，以防止電壓尖峰出現於其中。前向/ 反向開關1 85通常用於無線工具，並且將不在此加以說明。 啞工具（圖中未顯示）可以僅具有觸發器181，其係配置為 電位計並與端子1、4或5之一及端子6連接。電池電子控制 單元125可識別串聯資料通訊之缺乏，並執行端子4或5中的 電壓之類比分析。根據分析，電池電子控制單元125可經由 驅動器電路140傳送PWM控制信號，以引 在所需工作週期中交換，以便建立預計的馬達速== 係，亞工具也可存在作為開/關卫具。該等卫具僅需要與端子 1及7的連接來進行操作。 過充電保護 存在用以對電池組進行充電之：種基本類型的電池充電 器：點滴式充電器及快速充電器。點滴式充電器在很大程 度上比快速充電器便宜’然而點滴式充電器需要約半天時 間來對電池組進行再充電。快速充電器可在約—小時内對 電池組進行再充電。因為充電器或電池組中的某故障狀態 或系統失效而可能會出5見過充電故障狀態。通常而古，電 池組中的保護電路可藉由監視橫跨電池組的電壓而：測過 充電故障狀態。在充電期間，電壓會達到特定臨界值。充 :器因此考量電池組已「完全充電」，並且終止充電電流。 若因組件失效而鎖定充電器，則需要電池組能在電池電子 控制單元125之控制條件下’採用其自己的半導體裝置(例 如充電FET(半導體裝置13〇b))而停用充電電流。 96637.doc •19- 200529532 藉由採用電池組盥 睁解為「廍# ”充电°。之間的充電鎖定偵測電路（亦 :二：體監視器電路」)，可提供過充電控制。一般而 衫及脈衝資料（例如經由合適串聯資料路捏 地二：：供給充電器的資料)停止，則硬體監視器可自動 地關閉電流。 〃通常將傳統硬體監視器電路定位於充電器卜此電路可 I視充電電流並尋找充雷+、、六 充私私/爪中的10 ms電流中斷重設脈 <。典型的充電方案中，充電器中的微處理器（例如充電 益電子控制單元155)可採用充電控制線別咖而產生此重 設脈衝。在反常情形（例如充電器處理器已敎電流固開關 或充電s電源供應器已較電流固態開 電路將中止並採用充電而而„充電電流。然而在傳㈣ 置中，若充電器中的微處理器將繼續產生重設脈衝而不曾 、、止決速充电，則仍可能對電池組進行過充電（例如因不適 當的微處理器行為）。 圖4為電池組與充電器之間的連接之局部方塊圖，其用以 解說依據本發明之一示範性具體實施例的過充電保護。在 圖4中，為方便起見而顯示七個端子及六個電池組，應瞭解 在示範性具體實施例中可解說或多或少的端子及電池組。 在圖4中，電池組1〇〇包括至少電池電子控制單元125、半 導體裝置130b(例如充電控制FET)及溫度感測器12〇。例如 可將溫度感測器120具體化為内部NTC熱阻器。充電5|15〇 可包括至少充電器電子控制單元155、充電FET 157及硬體 監視器電路158。 96637.doc -20- 200529532 私池包子控制單元125可從内部NTC熱阻器接收電池溫 度數值，並可經由端子3及/或4中的串聯資料路徑將此資訊 與充私為電子控制單元丨55進行通訊。在因過充電狀態而起 的極鈿電池溫度之事件中，充電電流可以由電池電子控制 私路125所終止’該電路經由驅動器電路14〇而傳送pwM控 制信號或脈衝，以關閉半導體裝置13〇b。或者，可經由端 子3及/或4中的串聯資料路徑而傳送此控制信號至充電器 笔子控制笔路155 ’以關閉充電器15〇中的充電feT 157。然 而在以下二點失效之事件中仍可能對電池組1〇〇進行過充 電：電池組1〇〇中的短路半導體裝置13〇b(充電控制FET)， 及電池電子控制單元125或充電器電子控制單元155其一之 不適當的單元行為。 圖4中的虛線箭頭顯示具有多個重設輸入的硬體監視器 電路158(此後稱為監視器158)。除監視充電電流重設脈衝以 外，監視器158還監視作為重設脈衝的串聯通訊時脈路徑 (透過端子3)。若該等重設脈衝之任一個並未出現，則監視 器將中止並關閉充電電流。然而在以下二點失效之事件中 仍可能對電池組1〇〇進行過充電：電池組1〇〇中的短路充電 控制FET(例如裝置130b)，及電池電子控制單元125或充電 器電子控制單元155其一之不適當的單元行為。 除監視充電電流重設脈衝以外，監視器158還直接監視溫 度感測器120(例如NTC熱阻器）中的電池組溫度，以感測過 充電狀態。在圖4中，短路電池充電控制FET(半導體裝置 130b)，及電池電子控制單元125或充電器電子控制單元 96637.doc -21 - 200529532 中的任何失效，將不會影響監視器158監視電池組溫度以感 測並終止過充電狀態之能力。 除監視充電電流重設脈衝以外，監視器158還可採用電路 415A及端子6監視個別單電池電壓，以感測將指示過充電狀 態的過電壓狀態。在圖4中，短路電池充電控制FET(半導體 裝置130b)，及電池電子控制單元125或充電器電子控制單 7C 155中的任何失效，將不會影響監視器158監視個別單電 池電壓以感測並終止過充電狀態之能力。 除了控制硬體監視器以外，用以監視個別單電池電壓的 電壓監視器電路415A還可透過驅動器電路14〇直接控制電 池組1〇〇中的充電FET 130b，及/或透過AND邏輯（151)及端 子6直接控制充電器中的充電fet〇57)。顯示此點係藉由電 壓監視器電路415A與驅動器電路14〇之間的虛線。此控制將 使電路415A可停止因個別單電池之過電壓而起的過充電狀 態。 除監視充電電流重設脈衝以外，監視器158還可採用電壓 監視β電路41 5B及端子7監視電池堆疊電壓，以感測將指示 過充電狀態的過電壓狀態。在圖4中，短路電池充電控制 FET(半導體裝置13〇b)，及電池電子控制單元125或充電器 私子控制單το 155中的任何失效，將不會影響監視器158監 視電池堆疊電壓以感測並終止過充電狀態之能力。

除了控制硬體監視器以外，用以監視電池堆疊電壓的電 壓監視為電路415B還可透過驅動器電路（14〇)直接控制電 池（芩見任選虛線425)中的充電FET(1 30b)，及/或透過AND 96637.doc -22- 200529532 邏輯（151)及端子（7)直接控制充電器中的充電fet(1 57)。此 控制將使電壓監視器電路415B可停止因整個電池堆疊電壓 之過電壓而起的過充電狀態。 圖5為然線電動工具系統的電池組與充電器之間的連接 之局部方塊圖，其用以解說依據本發明之另一示範性具體 實施例的過充電保護。圖5因清楚之目的而省略電壓監視器 包路41 5A及415B，應瞭解個別單電池電壓及總堆疊電壓可 以為至圖5中的硬體監視器電路158f之輸入，其類似於圖4 所示的情況。 圖5為圖4之混合物，其用以解說具有多個輸入的監視器 158。監視益158’監視充電重設脈衝、時脈重設脈衝、及NT。 =號、電池電壓及/或電池堆疊電遂，以便感測充電鎖定狀 悲。即使在電池中的短路充電控制FET n〇b、及電池電子 控制單元125或充電器、電子控制單元155其—之不適當的單 ^于為=情況下，仍可關閉充電電流，並且可藉由與時脈 端子共旱NTC輸出端子而減少所需的端子之數量。因此， 圖4及5中的該（等）示範性硬體監視器電路，可藉由監視電池 組1〇〇及充電器15〇之狀態而防止電池過充電。即使在以下 ，也：if之事件中過充電的防止仍保持可用：例如短路電 =Γ’及電池組100及充電器15〇其-(或二者)之不適 吾的u處理器行為。 精由其他構件而決定過充電故障狀態。若在放電期 =電池組中的電流感測器（例如電流感測 確 的電流量测，則可由電池電子控制單元125進行^/量^ 96637.doc -23- 200529532 以減少所消耗的能量之數量。此可結合或不結合由電池組 1 00中的保濩電路2 1 〇所進行的電壓量測而加以使用，以债 測過充電故障狀態。 過放電保護 §超出製造商的建議而對電池進行放電時，可損壞各電 池技術。依據各示範性具體實施例，例如以上圖3入或36所 示的電池組100可包括電路，以當電池電壓下降至給定電壓 臨界值以下因而出現欠電壓閉鎖時防止電流。若電壓下降 至給定電壓位準以下、關閉放電FET(半導體裝置130a)，則 電池組中的保護電路210可感測電池電壓。單電池105將仍 备迕充電，但是將不再放電。該臨界值可以為（例如）製造時 的、、巴對E«界5又疋值，或可根據給定因素之數量而改變的臨 界值。 圖6為電壓對時間之曲線圖’其用以解說由依據本發明之 一示範性具體實施例的保護電路所調用的自動切斷。為了 進行保4而對抗热線電動工具系統之電池組中的過放電故 I1旱狀悲’右電壓達到給定臨界值，則示範性保護電路(例 如圖2所示）及/或圖3八至5所示的電池電子控制125，可執行 電池組100中的電流之自動切斷。 改進上述電壓臨界值之可將臨界值與放電電流之一部分 組合’以補償電池組100之阻抗。將臨界值基於絕對位準： 減去瞬間電流之一部分可提供用於欠電ϋ閉鎖之替代方 法。 圖7為電壓對時間之曲線圖，其用以解說用於依據本發明 96637.doc -24- 200529532 之一示範性具體實施例的過放電保護之修改臨界值。為了 說明圖7之目的，可將圖2之保護電路210或電池電子控制 125配置成進行以下計算及/或執行自動切斷。圖7顯示在 1〇0/。之充電狀態下的電池組之範例。藉由添加放電電流之 一部分以補償電池組100之阻抗，電池組1〇〇仍超過2·7伏特 之給定放電臨界值。 例如，若將10安培的脈衝負載放置於電池組1〇〇上，則電 池阻抗將引起電壓瞬時跳至臨界值以下，並且當移除電2 脈衝時電壓會返回至其靜止數值。即使電池組丨⑼具有剩下L 10%的充電量，保護電流仍將中斷電流。然而若採用先前 段落所說明的電流來局部·低電壓臨界值，則該臨界值 將在過多電流沒取期間下降，並且將不會出現切斷。換言 之，改變低電壓臨界值可藉由減去瞬間放電電流之一部 分’以補償電池組之阻抗，從而避免不合需要的自動切斷°。 -旦瞭解電池組之阻抗’則可計算與電流相關的低電壓 臣品界值之部分。可影響低電壓臨界值之額外電池因素可包 括電池溫度、電池使用期、電池電壓之減小速率等。 過電流保護 J8A=B解說可用於依據本發明之1範性具體實施 二過“保4所需的電池組之示範性裝置。謀及咖 因而僅解說電池組電路之一部分。然而_趟 中的裂置可以為圖从至5之任_圖所示的電池組⑽之一部 = ::= 也損壞的另一機制係過電流。各種電子交換 …、有缺點，在該等電子中開關傾向於在短路狀 96637.doc -25- 200529532 態中失效。當此發生時，操作者會使附屬工具之馬達過載。 對於包括獨立阻抗支路的電池組電路設計而言，可使用例 如保險絲或可熔連接之裝置來限制流經該電路支路的最大 電流。 保險絲一般並非設計成提供過載保護，因為保險絲之基 本功能係進行保護而對抗短路。然而，即使當必須取代熔 斷絲時，雙元件（二元件）保險絲或時間延遲保險絲仍可提供 二次馬達過載保護，因為該等保險絲係非可再新的。因此， 此類保險絲表示二次失效並且希望其可防止（例如）進一步 的操作。 因此圖8A所示的簡單保險絲可設計成限制流經電池105 的電流，但是一旦超過其額定值，則也可能會引起永久性 損壞。可將例如正溫度係數（PTC)元件及可重設保險絲之其 他裝置替代圖8 A中的保險絲，以進行過電流保護。如以上 所說明，PTC裝置或元件係瞭解為保護元件，其用以控制 流經要保護的電路之電流，因為其電阻數值隨其在過電流 狀態中發熱而增加。例如，已將PTC熱阻器用作過電流保 護元件。當電子電路遭到過載時，具有PTC特性的PTC熱阻 器之導電聚合物會發熱並熱擴展以變成高電阻，從而將電 路中的電流減小至安全程度，即相對較小的電流位準。 因此，若將例如以上說明的PTC裝置與電池串聯連接， 則總電池組之阻抗將隨增加的電流而增加。若需要實質低 阻抗並且沒有商用單一 PTC裝置可提供所需低阻抗及/或電 流能力，則可將多個PTC裝置彼此平行連接以共享電流， 96637.doc -26- 200529532 例如如圖8B所示。 若在電池組中預想獨立的充電及放電路徑或支路，則可 將例如PTC元件之熱保險絲放置於各電流路徑上。此將會

有利的方面在於：充電路徑將使用低電流裝置而放電路徑 將使用高電流裝置。 I 將保險絲放置成接近於端子還可提供以下添加的利益： 將電性裝置之下游支路與非隔離充電器隔離。若電池組ι〇〇 充分熔化以曝露電池1〇5及電子，則端子附近的保險絲（其 可旎已熔斷）將提供所曝露的金屬與非隔離充電器輸出之 斷開，因此電性隔離可能將電性組件保存在附屬充電器（或 工具）中。因此，將圖8A中的保險絲（或PTC元件）固定在端 子較近處可提供電池組丨〇〇中的額外過電流保護。 防止電池損壞之所需方法可以為：一旦達到過電流臨界 值，則採用電流感測度量（例如圖3八及3B之電流感測器Μ” 及半導體裝置（例如半導體裝置130a及130b)來停止電流。例 如，可將電流感測器145調適成感測電池組電流，以根據超 過、、口疋私流限制或臨界值之感測的電流而產生控制信號。 可將具有電流限制或電流中斷功能的半導體裝置（例如半 導體裝置13〇a及l30b)直接與電流感測器145連接。可將半 ‘體衣置调適成根據經由驅動器14〇直接從電流感測器 145，而非從電池電子控制125所接收的控制信號而限制或 中斷電流。 右可以接受瞬時高電流負載而不可以接受穩定狀態高電 /；，L則還可將電流感測與平均演算法耦合。此可能會有利 96637.doc -27- 200529532 的方面在於：若單電池已變熱，則拉出的最大電流將不足 以使内部單電池化學品過熱。 過熱保護 某些私池也可能由極端溫度（極高或低温度）所損壞，或 因極端溫度而具有減小的性能（即減小的電壓及/或電流輸 出）。此尤其與具有Li離子電池化學品之電池組有關。可設 定電池溫度臨界值以切斷電池組，直至該電池組冷卻至所 需或給定溫度以下。同樣地，可設定電池溫度臨界值以切 斷電池組，直至該電池組上升至所需或給定溫度以上。該 等臨界值還可基於設定限制，局部取決於（例如）電流、電 壓、使用期、及溫度上升或下降速率。如以上所說明，可 將一或多個溫度感測器用以決定電池組溫度之狀態。 圖9解說提供依據本發明之各示範性具體實施例的過熱 保護之裝置。電池組中的過熱故障狀態可能會引起永久性 損壞。因此可將配置成監視絕對溫度的保護電路用以防止 過熱狀態。圖9因簡要之原因而僅解說電池組電路之一部 分。然而圖9中的裝置可以為圖从至5之任一圖所示的電池 組100之一部分。 如圖9所示，可將保護裝置21〇具體化為熱開關91〇，其會 斷開高電流接點920。可將該等接點定位在電路内以停止^ 入或流出電池組100的任何電流，直至溫度下降至可以接受 位準。該等裝置通常可設定成在預定溫度時跳停，並通常 在（例如）咖啡壺中找到。一旦咖啡壺中的水沸騰，則加熱元 件咖度會上升至212 F以上。溫度開關會感測此情況並中斷 96637.doc 200529532 溫度控制開關。當電池組（或一單電池）溫度變得太熱時，可 停用電池組100中的充電及/或放電功能。 或者熱控制釋放機制可從工具170或充電器150中「彈出 置可類似於針對抑制電池組1G㈣的彈射裝置之閃鎖機制 的「彈出定時器」，如以下將進一步詳細顯示。用以進行保 電池組100，並防止再插入，直至電池組100已冷卻。此裝 可將 護而對抗過熱故障狀態的另一裝置係熱阻器之使用 熱阻器用於電池組1〇〇以監視溫度狀態，同時維持熱阻器與 單電池105之完全電性隔離。 目前，製造商通常可將熱阻器包括在電池組中以監視中 心電池組之溫度，並且在過熱狀態之事件中終止充電。該 寺熱阻器具有連接配置，其中一端係與進入充電器"Ο的一 端子連接，而另-端係藉由與電池組中的負端子導線連接 而茶考為接地。 對於調適以用於現有無線電動工具之高功率電池組，及 製造用於該等高功率電池組（例如u離子電池組）的電動工 具之展開線路而言，以上此連接配置可能會存在問題，因 為該連接配置會建立用於透過熱阻器的充電路徑之電位。 若i的私机牙過熱阻益，則電池組可在提供於電池組1 及充電器150中的保護控制及電路外面潛在地得以充電。此 可/曰在地導致電池組1〇〇之無意過充電，即可能有害的狀 態0 圖1〇解說用於依據本發明之一示範性具體實施例的熱阻 益之連接配置。在圖10中，為清楚起見而僅顯示電池組1〇〇 96637.doc -29- 200529532 之正端子及負端子。圖10因簡要之原因而僅解說電池組電 路之一部分。然而圖10中的熱阻器可以為圖3八至5之任一圖 所不的電池組100之一部分。可從電池組 線阳及叫作為獨立的端子2及3。該等料可 充電器150内的溫度監視電路連接，該電路如充電器電子控 制單元155之溫度監視電路（因清楚起見而未在圖⑺中^ 示)。此可允許監視電池組100之溫度，同時保持熱阻器與 電池組100中的充電路徑完全隔離。藉由做到此點，則不存 在透過熱阻器的充電路徑’並且不存在透過熱阻器對電池 組100進行過充電的電位。 聽覺/視覺警告機制 在切斷電池電源之前，需要提供某種警告給由附屬電池 組所供電的無線電動工具之操作者。類似於當在業主的汽 車中出現故障狀態或於出現的過程中時所用的方案，在引 擎因故障狀態而中斷（即因缺少燃油而起的活塞損壞）之 前，可向業主提供儀錶盤上的警告燈達給定持續時間。 可將欠電壓及溫度限制用作切斷，即一旦達到臨界值， 則電池組100停止輸出電流。然而在此類故障狀態出現之前 達到（例如欠電壓或過熱臨界值），電池組或工具中的警告機 制可警告刼作者：操作者在接近電池組中臨近的操作限 制，其可能會自動切斷電池組中的電池電源。警告機制可 以係聽覺機制（具有喇队或蜂鳴器）或採用所需照明方案（例 如LED)的視覺機制。 可將聽覺及/或視覺警告機制與電池組1〇〇或工具17〇中 96637.doc -30- 200529532 現有的電路連接。如以上所說明，圖3人至5之任一圖中的電 池組100、工具17〇或充電器15〇可由該電池組、該工具、該 充電為等中的智慧所控制。可將如電池電子控制125或工具 電子控制180之此類智慧配置成控制用於各種臨近的或目 則的故障狀態之警告機制。舉例而言，可提供獨立的聽覺 或視覺警告以提醒工具操作者電池組1〇〇中的過放電狀 態、電池組1〇〇中的過電流狀態、電池組1〇〇或附屬工具 之馬達190中的過熱狀態、及/或電池組1〇〇中因從電池組 100沒取的過度數量之電流而起的欠電壓狀態。 如以上所說明，可採用許多不同形式而具體化在達到臨 近的自動電池電源切斷之前的警告機制。上述聽覺警告（例 如喇σΛ、蜂鳴器及揚聲器的聲音）在某些工作環境中可能可 以接叉’但是在大聲環境中可能無法由工具操作者聽見。 在極暗或實質光亮的工作區域中工具操作者也可能會錯過 視訊暗示，例如（各）特定照明及量規。 可採用工具馬達之馬達控制而具體化用以提醒工具操作 者之替代警告機制。一般而言，工具或電池組之一中的電 子電路可減小電池組之最大功率輸出能力，並產生「向後 折疊」狀態。操作者將聽見此狀態並將其感覺為工具性能 之「弱化」。將提示操作者後退並且避免臨近的故障狀態（例 如欠電壓、過熱、欠溫度狀態等）。 用以k醒使用者臨近的故障狀態之額外方法係改變馬達 控制的脈衝寬度調變（PWM)，以建立馬達之速度的「顫音」 效應。如此選擇馬達速度之此適度週期性變化，以便其將 96637.doc -31 - 200529532 不會對工具性能產生不利影響。此方法為使用者提供臨近 的故障狀態方面之聽覺回授及觸覺回授。 …用以提I使用者臨近的故障狀態之第三方法係將頻 率降低至可聽頻率範圍，並以週期形式改變節距。此將揭 不有效率的警告機制以引起操作者的注意。警告機制至少 為操作輕供以下警告之錢··其可能能衫成目前的工 作，但疋可能不能在休息或對電池組進行再充電之前接著 做另一工作，以消除或克服臨近的故障狀態。 以上警告機制之任一個，單一機制或與以上警告機制之 一或多個組合的機制，可潛在地增強工 具及:或電池組之使用期。以下詳細說明後者警二長： 係引導成根據電池組中的充電狀態而提供電動工具之馬達 中的上述顫音效應。 PWM充電狀態（s〇c)指示器 PWM充電狀態（S〇C)指示器之目的係提醒操作者臨近的 故障狀態，其可引起自動電池電源切斷，從而導致「死」 電池組。完成此點可藉由直接決定為電池組電路之—部二 之馬達控制單元中的SOC資訊。根據s〇c資訊，電池組中2 馬達控制單元將改變馬達電流交換頻率，以產生工具馬達 中的「顫音效應」，其可由工具操作者所聽見及/或實體感 覺。 圖U為流程圖，其解說提醒電動工具之操作者電池組中 臨近的故障狀態之方法。參考圖〃，電池組中的馬達控制 單元（圖中未顯示）可量測各種電池組參數，以決定給定瞬間 96637.doc -32 - 200529532 時間時的充電狀態（soc)資訊（S1110)。例如馬達控制單元 可以被具體化於硬體或軟體中作為數位微控制器、或微處 理器或類比電路，及/或可藉由數位IC(例如數位處理器或特 殊應用積體電路（ASIC))而加以具體化。根據S〇c資訊，馬 達控制單元可決定所需馬達電流交換頻率（S1120)，其係給 予工具馬達以產生顫音效應（S1130)，從而提醒操作者。 存在终多方法來評估、追蹤及決定電池組之s〇c。例如， 由馬達控制單元所量測以決定s〇c資訊的電池組參數可包 括私池組电壓、庫侖計數（Ahin _ Ah_)、總電池組1⑽之阻 抗等。馬達控制單元接著將根據s〇c資訊而決定馬達電流 交換頻率。 可採用許多方法操縱用於工具17〇之馬達的馬達電流交 換頻率來提醒使用者。因此調整馬達電流交換頻率使工L = 之馬達旎與工具操作者進行通訊。可將交換頻率選擇在可 聽頻率範圍内，以便馬達將製造可由操作者感覺得到的雜 Λ不範性可聽頻率可以為（例如）由工具馬達所發射的恆定 頻率音、變化的頻率振鈴音、向工具操作者模擬「聲音」 講話之-系列的複合多個頻率音。此外，馬達控制單 以向馬達進行脈衝以便使工具㈣以下方法實體上往復運 動或振動··例如使操作者瞭解電池組在用完充電或接近需 要引起注意的故障狀態。 對馬達進行脈衝寬度調變以提醒操作者臨近的故障狀能. :例如低SOC狀態)之方法’也可用以與其他故障狀態進行= π。例如可調整馬達電流交換頻率以根據與以下狀態有關 96637.doc -33- 200529532 的資訊而提醒工具操作者：電池組中的過熱狀態、工具馬 達中的過熱狀態、電池組中的過電流狀態、及/或因從電池 組所汲取之過度數量的電流而起的欠電壓狀態。電流、溫 度及電壓僅為可追縱用於給定故障狀態之示範性可量測參 數。 圖12為方塊圖，其解說用以依據本發明之一示範性具體 實施例而決定SOC並改變馬達電流交換頻率的示範性配 置。圖12顯示稍類似於圖3B的電池組100,與工具17〇,之間的 電路介面關係，儘管為了清楚之原因而僅顯示某些組件。 參考圖12, 1C卜R1及Q1貢獻保護電路及電池平衡功能， 如以上參考數個其他圖式所說明。IC1可表示（例如）圖3A及 3B中的電池組之電子控制單元125。資料3及資料4表示串聯 資料路徑，其用以承載IC1與IC2之間的串聯資料；圖12中 的IC2可表示馬達控制單元。例如資料3可專用以傳遞資料 及1C 1與IC2之間的控制信號，而資料4可用以傳送時脈以使 IC1與IC2同步化或反之亦然。 元件REG為電壓調節器，其供應VCC給數位裝置IC2及 IC3。在圖14中，IC3可表示（例如）圖3B所說明的工具電子 控制單元180，而資料1及資料2表示用於IC3與IC2之間的資 料及控制信號之通訊的串聯資料路徑。SW1表示用以將電 流從電池組拖入電動馬達Ml的工具關開。電阻器R6及電位 計R7構成用於工具的可變速度輸入。例如ici、IC2&IC3 之各個可以被具體化於硬體或軟體中作為數位微控制器或 微處理器或類比電路，及/或藉由數位1C(例如數位信號處理 96637.doc -34- 200529532 器或特殊應用積體電路（ASIC))加以具體化。 馬達控制單元IC2驅動Q5及Q6(其可以被具體化為 MOSFET)之閘極，以便調節電池組之輸出電壓，從而控制 為工具之馬達Ml提供電源的馬達電流。I c 2可量測一戍多 個電池組參數以決定SOC。例如IC2可監視橫跨節點1^1及1^2 的電池組輸出電壓，或藉由監視分路電阻器R5中的電流並 保持時間之追蹤（經由合適的内部時脈）而執行庫侖計數。此 外，IC2還可藉由以下方式而監視電池組之阻抗··從未負載 電池組電壓（電池汲取之前所記錄的電壓）中減去負載電池 組輸出電壓（當電流在流動時），並用結果除以尺5中所進行 的電流量測。該等可量測參數之任一個均可作為s〇c度 量。IC2接著將採用此SOC資訊來決定適當的交換頻率，並 採用Q5及Q6來達到該交換頻率。 冗餘 將以上說明的特徵設計成防止因過度使用或電池組 100、充電器150或工具170中的控制系統之任一部分中的失 效組件而導致對單電池的損壞。藉由添加二次形式的冗 餘’單電池不那麼可能經歷電池損壞。例如，在圖12中， 充電器150及工具170也可透過外部端子或通訊而監視電池 溫度及電流。也可由充電器150在充電期間監視電池電壓。 還可由該工具在放電期間檢查電壓。 圖13至16 —般解說用以提供極端情況下的過充電保護之 各種I置。在未能由以上圖4及5所說明的監視器電路解決 過充電狀態之事件中，其他電流感測裝置，及/或電池組1〇〇 96637.doc -35- 200529532 或充電器150之-或多項中的智慧裝置微處理器會失效（電 池組或充電器中的多點失效）。圖13至16解說用於電池組 1〇〇及/或充電器150之潛在的二次保持。 圖13A為單一層狀單電池笪 ^ ^ 干私也之寻距圖，其中電池13〇5(類似 於圖3A至5之任-圖中的電池1〇5)具有突片13〇3(亦瞭解為 連接器）’其用以與鄰近串聯連接電池相連接。圖uB及Μ 解兒用以進行保β蒦而對抗依據本發明之一示範性具體實施 例的過充電狀態之裝置。 圖13Β及13C解說一裝置，其可減小用於具有鋰離子電池 化予α口（或其他電池化學品）的單電池之電位，該減小係採用 破壞電池組中未由其他保護電路所注意的嚴重過充電狀 態。一般而言，在過充電事件中層壓式鋰離子單電池13〇5 可展現出廣泛的膨脹。若過充電繼續，則此可能會導致電 池1305之一或多個之破壞。此破壞可能會導致著火及對附 於電性裝置（充電器150、工具170)的電池組1〇〇及/或電池組 100之使用者之潛在的嚴重損壞。 因此’可將電池組設計成採取此膨脹現象之優點。圖i 3Β 為電池組中的穩定狀態或正常狀態之側視圖，並解說突片 焊接1306或類似連接，其用以串聯連接電池組100之正電源 端子與負電源端子之間的鄰近電池1305之突片13〇3。如圖 13C所示，電池組1〇〇中一或多個給定電池13〇5之膨脹可以 有助於防止嚴重的過充電狀態之出現。該（等）膨脹電池13〇5 會建立張力壓力而對抗其突片1303，以便二突片1303可在 突片焊接1306處分離。在此範例中，將開口 1308形成於電 96637.doc -36- 200529532 路中，從而移除或中斷至電池13〇5的充電電流。因此隨著 電池1305的擴展，其將突片連接器13〇3從突片焊接13〇6處 的鄰近突片1303拖開，以中斷電池13〇5之間的電性連接， 從而中斷電池組1 〇〇中的電流。 圖14A及14B解說用以進行保護而對抗依據本發明之另 一不範性具體實施例的過充電狀態之裝置。圖14解說電池 組100中的正常或穩定狀態之狀態的側視圖，以解說另一示 範性保護配置。在圖14a中，可將電池1305串聯配置在電池 外设（一般顯示為外殼側壁丨4〇丨a及外殼側壁丨4〇丨b)内，該外 冗又可包括（例如）中間外殼14〇lc。柱塞1408可以被提供在串 聯連接電池1305與中間外殼壁14〇ic之間，以便透過側壁 1401b、1401c突出至凹槽14〇9中。在一範例中，可經由彈 貫1410所提供的反作用力而抑制柱塞，以便存在形成於外 设側壁140lb與中間外殼壁1401c之間的通道1404。一導線 (此處顯示為正端子線路或電路跡線）可穿過通道丨4〇4。 參考圖14B，其顯示過充電狀態中的一個電池13〇5。隨著 電池1305的擴展，自電池的擴展力可協助柱塞14〇8克服自 彈簣丨410的反作用力（即彈簧壓力）。因此柱塞14〇8行進至凹 槽1409中以切斷導線1405，一般如1415所示，從而中斷至 電池組之電池1305的充電電流。還應注意膨脹電池丨3〇5亦 可引起突片1303分開，一般如1308所示，從而提供進一步 的几餘來切斷或中斷電池組的内部電性連接。該等保護特 徵因此可藉由中斷電流而防止電池组1〇〇中一或多個電池 之破壞。 96637.doc -37· 200529532 圖15A及15B解說用以進行保護而對抗依據本發明之另 一不範性具體實施例的過充電狀態之裝置。圖15A及15B解 說設計成從充電器中彈射電池組的柱塞。 圖15A類似於圖14A，因此為了簡要之原因而僅說明其差 異。如圖15A所示，在穩定狀態或正常操作中，柱塞14〇8 係偏壓而對抗彈篑1410之反作用力（即彈簧壓力），以便柱塞 1408依仗充電益外殼側壁1501。充電器外殼側壁15〇1與電 池組100之側壁1401b鄰接。電池組導線14〇5及充電器導線 1505可在接點1410、1510處連接。 現在參考圖15B，隨著電池1305的擴展，柱塞14〇8可克服 彈簧1410之壓力，其引起柱塞14〇8從充電器中自彈射電池 組100，參見充電器外殼側壁1501與電池組側壁14〇lb之間 的間隙1508。此行動會中斷接點141〇及151〇。因此在切斷 過充電狀怨之後’與柱塞1408之放置組合的電池組之膨脹 會中斷充電電流，並藉由從充電器中彈射電池組而防止電 池組之破壞。還應注意膨脹電池13〇5亦引起突片13〇3分 開，一般如1308所示，從而提供進一步的冗餘來切斷或中 斷電池組的内部電性連接。該等保護特徵因此可藉由中斷 電流而防止電池組100中的一或多個電池之破壞。 圖16 A及16B解說用以進行保護而對抗依據本發明之另 一示範性具體實施例的過充電狀態之裝置。圖16A至16B在 某些方面類似於圖14A至14B，因此為了簡要之目的而說明 其差異。 在圖16A中，於接點1405、1505處將柱塞導線或跡線15〇5 96637.doc -38- 200529532 與電池組導線連接。不像圖14A—樣，充電器導線1505係與 充電器外殼側壁1501之内表面鄰接。圖14A說明柱塞1408 及彈簧1410。現在參考圖16B，其顯示過充電狀態中的一個 電池1305。隨著電池1305的擴展，自該電池的擴展力可協 助柱塞1408克服自彈簧141〇之反作用力（即彈簧壓力）。因此 柱塞1408行進至凹槽14〇9中以切斷充電器導線1505，一般 如1 615所示’從而中斷至電池組之電池丨3〇5的充電電流。 還應注意膨脹電池1305亦引起突片13〇3分開，一般如13〇8 所示’從而提供進一步的冗餘來切斷或中斷電池組的内部 私性連接。該等保護特徵因此可藉由中斷電流而防止電池 組1 〇〇中的一或多個電池之破壞。 因此說明本發明之示範性具體實施例，應明白可採用許 夕方法改變該等示範性具體實施例。此類變動不應視為脫 離本發明之示範性具體實施例之精神及範疇，並且熟習此 項技術者應明白希望此類修改包括在以下申請專利範圍之 範_内。 【圖式簡單說明】 k以上本文所提供的詳細說明及附圖將更全面瞭解本發 月之各示範性具體實施例，其中相同參考數字表示相同元 件忒等數子係僅經由解說而給定，因而並非限制本發明 之各示範性具體實施例。 圖解。兒依據本發明之一示範性具體實施例的保護電路 配置之局部方塊圖。 圖2解說依據本發明之另一示範性具體實施例的保護電 96637.doc -39- 200529532 路配置之局部方塊圖。

圖3 A為解說依據本發明之一示範性且f A 電池組與示範性電池充㈣之門：广：體痛的示範性 充包裔之間的組件及連接之方塊圖。 +圖3料解說㈣本發明之―*範性具體實施㈣示範性 认組與不範性電動工具之間的組件及連接之方塊圖。 圖4為電池組與充電器之間的連接之局部方塊圖，其用以 解祝依據本發明之-示範性具體實施例的過充電保謹。 圖5為電池組與充電器之間的連接之局部方塊圖，其用以 解說依據本發明之另—示範性具體實施例的過充電保護。 π圖皡電壓對時間之曲線圖，其用以解說由㈣本發明之 一示範性具體實施例的保護電路所調用的自動切斷之過放 電保護。 圖7一為電壓對時間之曲線圖，其用以解說用於依據本發明 之一示範性具體實施例的過放電保護之修改臨界值。 圖从及8B解說用於依據本發明之—示範性具體實施例 的過電流保護之示範性裝置。 圖9解說提供依據本發明之各示範性具體實施例的過熱 保護之裝置。 圖1〇解說用於依據本發明之一示範性具體實施例的熱阻 器之連接配置。 圖11為解說提醒電動工具之操作者電池組中自近的故障 狀態之方法流程圖。 圖12為解說用以決定SOC並改變依據本發明之一示範性 具體貫施例的馬達電流父換頻率之示範性配置方塊圖。 96637.doc -40- 200529532 圖13A為單一層狀單電池之等距圖。 圖13B及13C解說用以進行保護而對抗依據本發明之一 示範性具體實施例的過充電狀態之裝置。 圖14A及14B解說用以進行保護而對抗依據本發明之另 一不範性具體實施例的過充電狀態之裝置。 圖15A及15B解說用以進行保護而對抗依據本發明之另 一示範性具體實施例的過充電狀態之裝置。 圖16A及16B解說用以進行保護而對抗依據本發明之另 一示範性具體實施例的過充電狀態之裝置。 一示範性具體實施例的無線 圖17至19解說依據本發 電動工具系統之示範性無線電動工具 【主要元件符號說明】 端子

10 20 30 40 100 100丨 102 105 110 115 115A 環形電動鋸 往復鋸 鑽子 電池組 電池組 電池組 保護裝置 電池

Pack ID 電壓監視器電路 電壓監視器電路 96637.doc -41 - 200529532 115B 電壓監視器電路 120 溫度感測器 125 電池電子控制單元 130a 半導體裝置 130b 半導體裝置 135 電源供應器 140 驅動器電路 145 電流感測器 147 下拉電阻器 150 充電器 151 AND邏輯 155 充電器電子控制單元 157 充電場效電晶體 158 硬體監視器電路 158， 硬體監視器電路 160 電源控制器 165 電源 170 工具 170f 工具 175 機械開關 180 工具電子控制單元 181 觸發器 185 前向/反向開關 190 工具馬達 96637.doc -42- 200529532 195 二極體 210 保護電路 220 驅動器電路 230 AND閘極 240 主機裝置 415A 電壓監視器電路 415B 電壓監視器電路 425 虛線 910 熱開關 920 南電流接點 1303 突片 1305 電池 1306 突片焊接 1308 開口 1401a 外殼側壁 1401b 外殼側壁 1401c 中間外殼 1404 通道 1405 電池組導線 1408 柱塞 1409 凹槽 1410 彈簧/接點 1501 充電器外殼側壁 1505 充電器導線 96637.doc -43- 200529532 1508 間隙 1510 接點 IC1 電子控制單元 IC2 數位裝置 IC3 數位裝置 Ml 電動馬達 N1 節點 N2 節點 REG 電壓調節器 R5 分路電阻器 R6 電阻器 R7 電位計 SW1 開關 96637.doc 44-

Claims (1)

1. 200529532 十、申請專利範圍： 丨·障電池組内用以進行保護而對抗該電池組中—故 保護配置，該電池組係調適以對-無線電動工 ^供電源並且包括複數個單電池，該配置包含. —複：個截然不同的保護裝置，各單電池具有調適以執 仃包流限制功能之一對應保護裝置。 2.::明求項1之配置’其中將各保護裝置具體化為一熱阻 器0 3 ·如請求項1之配置，其中·· 串聯連接該等單電池以形成一單電池串，以及 將各保護裝置具體化為—正溫度係數（PTc)，其增加電 ，以在其對應單電池達到—故障狀態時限制流過該整: 單電池串的電流。 4. 5. 如請求項1之配置， 如請求項4之配置， 之標稱電壓額定值 其中该電池組為一鋰離子電池組。 其中该鋰離子電池組具有至少1 8伏特 6· -種調適以對一無線電動工具提供電源並包括複數個串 聯連接單電池之電池組，該電池組包括—㈣配置，其 係調適成在該電池組中感測到—故障狀態之後限制或 斷該電池組中的電流。 7·如請求項6之電池組，該配置進一步包含： 至少一個保護電路，其感測一給定電池參數以決定該 等一或多個單電池中的故障狀態，並根據一故障狀態之 指示而產生一控制信號；以及 96637.doc 200529532 一主機衣置，其具有一電流限制或電流中斷功能，該 主機裝置係調適成根據從該保護電路所接收的控制信號 而限制或中斷電流。 8 ·如請求項6之電池組，該配置進一步包含： μ度感測器’其用以感測電池組溫度以產生一第一 信號； 電流感測盗’其用以感測電池組電流以產生一第二 信號；及 一電池控制電路，其係調適成接收該第一信號及該第 一化唬，從而決定該電池組中一故障狀態並產生一控制 信號。 9 ·如請求項8之電池組，其中： 該電池電子控制單元傳送該控制信號至可與之連接的 一半導體裝置，及 該半導體裝置具有一電流限制或電流中斷功能，以根 據該控制信號而限制或中斷電流。 I 〇.如凊求項6之電池組，該配置進一步包含： 一電流感測器，其用以感測電池組電流，以根據一感 測的過電流故障狀態而產生一控制信號；及 半導體裝置，其具有一電流限制或電流中斷功能並 且可與該電流感測器連接，該半導體裝置係調適成根據 從该電流感測器所接收的控制信號而限制或中斷電流。 II ·女明求項1 〇之電池組，其中若該感測的電池組電流超過 一給定臨界值，則該過電流故障狀態會存在。 96637.doc 200529532 其中该電流臨界值係基於該等單 12·如凊求項11之電池組 電池之溫度。 13·如凊求項6之電池組，該配置進一步包含·· 包池控制私路’其係配置以監視電池電壓、電池電 流2電池溫度，以便產生一控制信號，以及 -狀“ V體扁置’其可由該電池控制電路控制，該半導 體裝置係調適成根據該控制信號而限制或中斷電流。 14·如睛求項13之電池組，該配置進一步包含·· 二度感測器，其用以感測單電池溫度以輸出一感測 的信號至該電池控制電路； 一電流感測器，其用 k號至該電池控制電路 以感測電池電流以輸出一感測的 :以及 其用以感測該電池組之個別單電 之一 ’以輸出一感測的信號至該 一電壓監視器電路， 池電壓及總電池組電壓 電池控制電路。 15·如凊求項6之電池組，該配置進一步包含： 、至J 一個通訊端子，其用以將資訊與一附屬外部組件 進行通訊，並感測自該組件的資訊。 16.如睛求項6之電池組，該配置進一步包含： =少一個保護電路，其監視用於該電池組中一潛在過 2二故障狀怨之電池組電壓，並且係調適成若該監視的 電壓達m電壓臨界值’則執行自動切斷該電池組 中的電流。 1 7.如睛求項6之電池組，該配置進一步包含： 96637.doc 200529532 至少一個保護電路，其監視用於該電池組中一潛在過 放電故障狀態之電池組電壓，並且係調適成若該監視的 電壓達到一給定動態電壓臨界值，則執行自動切斷該電 池組中的電流， 其中改變該動態電壓臨界值係藉由從一絕對臨界位準 中減去瞬間放電電流之一部分，以便若所監視的電壓瞬 k下降至該臨界值以下，則補償該電池組之阻抗並避免 電流亂真自動切斷。 18. 19. 20. 如請求項6之電池組，該配置進一步包含： 一單一PTC裝置，其與該等串聯連接單電池串聯地放置 在該電池組内，作為對抗過電流故障狀態之保護，該pTC 裝置係調適成隨該電池組中電流增加而增加總電池組之 阻抗。 如明求項6之電池組’該配置進一步包含： 複數個PTC裝置，其彼此並聯放置在該電池組内以形成 一平行PTC串，該平行ptc串係與該等串聯連接單電池串 聯地放置作為對抗過電流故障狀態之保護，該平行pTc 串係調適成隨該電池組中電流增加而增加總電池組阻抗。 如請求項6之電池組，該配置進一步包含： 至少一個保險絲，其係配置在該電池組之該等單電池 與一端子之間，其中該保險絲之該實體放置比該等單電 池更接近於該端子，從而在該電池組之一過電流事故的 事件中將遠電池組之該等單電池及相關聯的電子裝置， 與一連接的充電器或電動工具隔離。 96637.doc 200529532 21. 如請求項6之電池組，其中該電池組為一鋰離子電池組。 22. 如請求項21之電池組，其中該鋰離子電池組具有至少 伏特之標稱電壓額定值。 23·如請求項6之電池組，其中該配置進一步包含一聽覺警告 機制，其係配置以提醒該電池組之使用者該電池組中一 臨近的或目前的故障狀態。 24·如請求項6之電池組，其中該配置進一步包含一視覺警告 機制，其係配置以提醒該電池組之使用者該電池組中一 臨近的或目前的故障狀態。 25. —種於可移除式附於一無線電動工具及一充電器的一電 池組中提供過電壓保護之方法，該電池組可附於對該^ 池組進行充電的充電器，該方法包含： 感測該電池組中的一過電壓故障狀態；以及 根據該感測的故障狀態而終止該電池組或充電器中的 充電電流。 26·如請求項25之方法，其中終止包括產生該電池組中的一 控制信號，以關閉該電池組中的一半導體裝置，其係調 適成限制或中斷該電池組之充電路徑中的電流。 27·如請求項25之方法，其中終止進一步包括： 產生該電池組中的一控制信號，以及 將該控制信號與該充電器進行通訊，以關閉該充電器 中的一半導體裝置，其係調適成限制或中斷該充電器之 充電路徑中的電流，從而終止該電池組中的電流。 28·種用於充電器之監視器電路，該充電器可附於一電池 96637.doc 200529532 組以對該電池組進行充電，該監視器電路監視該電池組 及該充電器二者中用於該電池組或該充電器的一或多個 控制彳δ唬之芩數，以終止該電池組中的電流。 29.如請求項28之監視器電路’其中該等參數包括電池組溫 度、個別單電池電壓、電池堆疊電壓、該電池組之一充 電電流重設脈衝、及該電池組之一時脈重設脈衝、及/或 該充電器之一充電電流重設脈衝之一或多項。 3〇· —種調適成對一電池組進行充電之充電器，該充電器及 該電池組係一無線電動工具系統之一部分，該充電器包 含： 一充電電流中斷電路，其監視該電池組及該充電器二 者中用於該電池組或該充電器的一或多個控制信號之參 數，以終止該電池組中的電流。 31·如請求項30之充電電流中斷電路，其中該等參數包括電 池組溫度、個別單電池電壓、電池堆疊電壓、該電池組 之一充電電流重設脈衝、該電池組之一時脈重設脈衝、 及/或该充電器之一充電電流重設脈衝之一或多項。 32· —種調適成為一無線電動工具提供電源並由一充電器加 以充電之電池組，該電池組包括複數個單電池，該電池 組包含： 一終止鈦置，其根據超過一給定溫度臨界值之電池組 溫度或一個別單電池溫度而終止該電池組中的一過熱狀 態。 3 3.如請求項32之電池組，其中該裝置進一步包括： 96637.doc 200529532 一熱開關，以及 複數個高電流接點， 其中在電池組溫度或單電池溫度超過該給定臨界值時 ’該熱開關會斷開該等高電流接點。 34. 35. 36. 37. 種於可附於一充電器之電池組中用以在充電期間提供 該電池組中的過熱保護之裝置，該電池組係調適為一無 線電動工具供電，該裝置包含： 一熱阻器； 一第一熱阻器導線，其將該熱阻器與由該電池組及該 充黾裔所共旱的一正端子連接；以及 一第一熱阻器導線，其將該熱阻器與由該電池組及該 充電器所共享的一負端子連接。 如請求項34之裝置，其中與該第—導線及該第二導線連 接的違正端子及該負端子，與該充電器中的溫度監視電 路連接，以致動電池組溫度之監視，同時維持該熱阻器 與該電池組中的充電路徑隔離。 種可附於無線電動工具而用以為該電動工具之馬達 提供電源之電池組，該電池組包含： -馬達控制單元，其用以決定該電池組中將指示一故 障狀態之至少一個可量測參數；以及 、皆電aa體其與該馬達控制電路進行通訊，該馬達 控制電路控制該對電晶體以提供聽覺回授或觸覺回授之 一給該工具之使用者。 種於一無線電動工具系統中用以提供該電動工具之馬 96637.doc 200529532 、中一聽覺警告之方法，該無線電動 移降^ 包勁工具糸統包括一可 不夕降式附於一電動工具的電池組 呈 邊^覺警告提醒該工 炙彳呆作者該電池組或該工具中一 丫 ^近的故障狀態，該 乃沃包含： 决疋该電池組或該工具之一中的 γ的至少一個可量測參數 ，以及 根據该至少一個決定的可量測炎 里j翏數而提供聽覺回授或 觸覺回授之一給該工具之使用者。 「托項37之方法’其中提供包括根據該至少一個決定 的：數而調整馬達電流交換頻率，以產生該工具之馬達 中警告該工具操作者臨近的故障狀態之一可聽音。 39.如响求項37之方法，其中提供包括調整該電池組中至少 —個半導體裝置之-所需PWM工作週期，以產生該馬達 速度中警告該工具操作者臨近的故障狀態之-顫音效 應。 月长項39之方法’其中調整進一步包括減小射職工 作週期以產生由該工具使用者所感覺的該工具之弱化， 從而警告該使用者一臨近的故障狀態。 41 ·種具有過充電保護之電池組，其包含： 一外殼； 位於該外殼的複數個串聯連接單電池，以及 用以中斷该等單電池中的電流之一電流中斷機制，其 係於-過充電事件中在至少一個I電池之膨服之後得以 觸發。 96637.doc 200529532 42·如請求項41之電池組，其中·· 該等單電池係串聯連接在該電池組之各電源端子之間 ’並經由突片連接器加以彼此互連，鄰近單電池之該等 突片連接器係彼此連接。 43.如請求項42之電池組，其中該電流中斷機制係具體化為 一膨脹單電池之至少一個突片連接器，該膨脹單電池係 從一鄰近單電池之至少一個突片連接器拉開以中斷電 流0 44.如請求項41之電池組，其中該電流中斷機制包含： 一柱塞，以及 一彈簧，該柱塞係在由該彈簧提供的一反作用力條件 下，抑制在該等串聯連接單電池與該電池外殼之一側壁 之間’忒柱基包括局部延伸至形成於該電池組外殼之一 中間壁與一外側壁之間一凹槽中的一部分，該凹槽包括 。亥私池組之一導線，其用以將該電池組之該等單電池與 一充電器電性連接， 其中該至少一個單電池之膨脹可協助該柱塞克服彈簧 壓力，以切斷該凹槽中的該導線來中斷電流。 45 如請求項44之電池組，其中該等單電池係串聯連接㈣ 電池組之各電源端子之間，並經由以連接器而加以彼 此互連’鄰近單電池之該等突片連接器係彼此連接，而 且該電流中斷機制進一步包括該至少—個膨脹軍電池之 至少-個突片連接器’該膨脹單電池係從—鄰近單電池 之至J 一個突片連接器拉開以中斷電流。 96637.doc 200529532 46.如請求項41之電池組，其中該電流中斷機制包含： 一柱塞，以及 一彈黃’遠柱基係在由該彈簧提供的一反作用力條件 下，抑制在該等串聯連接單電池與該電池外殼之一側辟 之間，該柱塞包括局部延伸至一凹槽中的一部分，今凹 槽穿過該電池組外殼之一側壁及一充電器外殼之_側壁， 其中將該充電器與該電池組之一對應導線電性連接的 一充電為’導線，沿該充電器外殼側壁之一表面並且在該 凹槽上縱向延伸，以及 其中該至少一個單電池之膨脹可協助該柱塞克服彈簧 壓力，以切斷延伸在該凹槽上的充電器導線來中斷電流。 47·如請求項46之電池組，其中該等單電池係串聯連接在該 電池組之各電源端子之間，並經由突片連接器而加以彼 此互連，鄰近單電池之該等突片連接器係彼此連接，而 且該電流中斷機制進-步包括該至少—個膨脹單電池之 至沙個突片連接器，該膨脹單電池係從一鄰近單電池 之至 >、個突片連接器拉開以中斷電流。 48·如請求項41之電池組，其中該電流中斷機制包含： 一柱塞，以及 一彈簧’餘塞係在㈣彈簧提供的_反作用力條件 下’抑制在該等串聯連接單電池與該電池外殼之-側壁 之間’該柱塞包括局部延伸至形成於該電池組外殼之一 側壁與該充電器之一外 外豉之間一凹槽中的一部分， ’、中在接觸"面上將自該等單電池的一導線與該充 96637.doc -10- 200529532 電器之一對應導線電性連接，以及 ^中該至少-個單電池之膨脹可協助該柱塞克服彈菩 二"广該充電器外殼中彈射該電池組外殼，從而引 〜觸介面中的一中斷以中斷電流。 49. 如明求項48之電池組，其巾料單電池係串聯連接在該 電池組之各電源端子之間，並經由突片連接器而加以彼 此互連钟近單電池之該等突片連接器係彼此連接，而 且該包机中斷機制進一步包括該至少一個膨脹單電池之 至少一個突片^查：^ 疋得益，該膨脹單電池係從一鄰近單電池 之至少-個突片連接器拉開以中斷電流。 96637.doc