CN105071448A - 用于电动工具的多电池组 - Google Patents

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Abstract

一种电动工具，该电动工具包括电机、第一电池组、第二电池组、耦合在所述第一电池组和所述电机之间的第一开关元件、耦合在所述第二电池组和所述电机之间的第二开关元件、以及耦合至所述第一开关元件和所述第二开关元件的控制器。所述控制器包括耦合至所述第一开关元件的第一脉宽调制(PWM)输出以及选择性地闭合所述第一开关元件的第一PWM信号。所述控制器还包括耦合至所述第二开关元件的第二PWM输出以及选择性地闭合所述第二开关元件的第二PWM信号。

Description

用于电动工具的多电池组
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2014年5月16日提交的美国临时申请No.61/994,471的优先权，其内容以全文引用的方式结合于此。
技术领域
本发明涉及用于电动工具的多电池组配置，电动工具例如斜切锯、电钻/电动螺丝刀、筒式吸尘器、割草机、线式剪草机、树篱修剪机、以及扫叶机。
背景技术
传统上，草坪和花园电动工具由汽油发动机、120伏特交流(AC)电源、或直流(DC)电池电源提供动力。木工、金属加工、以及建筑电动工具也由汽油发动机、120伏特(V)AC电源、或DC电池电源提供动力。
将多个电池组连接在一起能够增加电池***的容量。例如，并行连接多个电池组通常增加电池***的容量(安培-小时)，而组合输出(例如18V)保持单个电池组的电压(例如18V)。然而，如果并行连接的电池组的电压不近似相等，会产生问题。在此使用的术语电池组以及电池可以互换使用，以指电池组。
并行连接电池组的一个问题是交叉充电。如果相对于另一个并行连接的电池组的电压，一个电池组位于合理的较高电压或电荷状态(stateofcharge)，则会发生交叉充电。如果发生这种情况，来自位于较高电压的电池组的电流将流入位于较低电压的电池组。该电流可以变得相对大(例如25安培(A))，并且因此对电池组有害，特别是在某些操作条件下(例如在低温下)。当并行连接的电池组具有不相等的容量大小时，也会发生交叉充电。
如果并行连接的电池组中的一者在其它电池组之前完全放电，会产生并行连接的电池组的另一问题。如果发生这种情况，完全放电但仍然连接的电池组可能永久损坏。
如果并行连接电池组中的一者变得过热，会产生并行连接的电池组的另一问题。如果发生这种情况，过热但仍然连接的电池组可能永久损坏。
串行连接的电池组也具有类似的问题，在下面详细描述。
本发明的实施例可以操作用于克服这些问题、以及与操作用于接收并由多电池组供电的电动工具有关的问题。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供电动工具，该电动工具包括电机、第一电池组、第二电池组、耦合在第一电池组和电机之间的第一开关元件、耦合在第二电池组和电机之间的第二开关元件、以及耦合至第一开关元件和第二开关元件的控制器。控制器包括耦合至第一开关元件的第一脉宽调制(PWM)输出(output)和选择性地闭合第一开关元件的第一PWM信号。控制器还包括耦合至第二开关元件的第二PWM输出和选择性地闭合第二开关元件的第二PWM信号。
在另一实施例中，本发明提供了操作电动工具的方法，该电动工具具有电机、第一电池组、第二电池组、耦合在第一电池组和电机之间的第一开关元件、耦合在第二电池组和电机之间的第二开关元件、以及控制器。该方法包括：由控制器确定第一电池组的电荷状态以及第二电池组的电荷状态。该方法还包括由控制器生成第一脉宽调制(PWM)信号以选择性地闭合第一开关元件以从第一电池组向电机提供功率，第一PWM信号基于第一电池的电荷状态；以及由控制器生成第二PWM信号以选择性地闭合第二开关元件以从第二电池组向电机提供功率，第二PWM信号基于第二电池的电荷状态。该方法还包括第一电池组和第二电池组异步地驱动电机。
本发明的单独方面以及其他方面通过考虑详细说明以及附图将变得明显。
附图说明
图1示出了根据本发明第一实施例的串联的多电池组配置的框图。
图2示出了根据本发明第二实施例的并联的多电池组配置的框图。
图3示出了根据本发明第三实施例的按序、并联的多电池组配置的框图。
图4示出了根据本发明第三实施例的按序、并联的多电池组配置的另一框图。
图5-7示出了根据本发明第三实施例的并联的多电池组配置的时序图。
图8示出了根据本发明第三实施例的按序、并联的多电池组配置的示意图。
图9-12示出了图10中所示电路的扩展示意图。
图13示出了根据本发明第四实施例的按序、多电池组配置的框图。
图14示出了根据本发明第五实施例的多电池组和双换向器电机配置的框图。
图15示出了根据本发明第五实施例的双换向器电机。
图16示出了根据本发明第五实施例的电机的双电枢绕组的剖面视图。
图17A-图17D示出了根据本发明第五实施例的电机的定子堆叠。
图18示出了根据本发明第六实施例的多电池组和分离电刷配置的框图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任一实施例之前，应当理解的是本发明不限于其应用于如下说明书中描述或如下附图所示部件的构造及布置的细节。本发明能够具有其他实施例并能够以各种方式执行或实践。
此外，还应当理解的是，在此使用的措辞以及术语用于描述，并且不应当视为限制。在此使用的“包括”和“包含”以及各种变型意欲囊括其后列举的条目和等同的条目、以及其他的条目。在此使用的“由……组成”及各种变型意欲仅囊括其后列举的条目和等同的条目。再者，应当理解的是，“向前”、“向后”、“左”、“右”、“向上”以及“向下”等是出于方便目的而使用的词(wordsofconvenience)，不得解释为限制性术语。
应当注意的是，多个基于硬件和软件的设备、以及多个不同结构部件可以用于实施本发明的各个方面。此外，在附图中描述或示出的特定配置目的是为了示例本发明的独立实施例，并且其他可替换的配置是可能的。术语“控制器”、“处理器”、“中央处理单元”以及“CPU”除另有说明外，可以互换使用。如果术语“控制器”、“处理器”、“中央处理单元”或“CPU”用于标识执行特定功能的单元，应当理解的是，除另有说明外，那些功能可以由单个处理器或以任何形式布置的多个处理器(包括并行处理器、串行处理器、串联处理器(tandemprocessor)、或云处理/云计算配置)执行。
如对本领域技术人员应当也是很明显地，图中显示的***是真实***可能与之类似的模型。描述的许多模块和逻辑结构能够通过由微处理器或类似设备执行的软件而被实施、或者能够通过使用包括例如应用特定集成电路(“ASIC”)的各种部件的硬件而被实施。如“控制器”和“模块”的术语可以包括或指硬件和/或软件二者。此外，在整个说明书中，如果使用大写术语，这些术语用于遵从惯例，并有助于将说明书与编码示例、等式、和/或附图关联。然而，并不会简单地由于使用大写而暗示或推导出特定含义。因此，权利要求并不应当限于特定示例或术语、或任何特定硬件或软件实施、或硬件或软件的组合。
电池组可以用于为电动工具上的电机供电，电动工具例如斜切锯、筒式吸尘器、以及割草机。电机启动后，传动***中的扭矩以及电流会飙升(surge)，其可能损坏电池组和/或电动工具的其他部件，或可以产生电池组和/或电动工具上的额外损耗，从而缩短电池组和/或电动工具的寿命。
软启动机构，例如电机软启动器，可以与电机一同使用以临时减少在启动期间传动***中的扭矩和负载以及电机的电流飙升。软启动机构减少电机和轴上的机械压力，以及附着的电缆和电气分布网络上的电动压力，从而延展了***的使用期限。
软启动机构由机械或电气设备或二者的结合组成。例如，机械软启动器可以包括离合器(clutch)和多种使用流体、磁力、或钢丸(steelshot)传送扭矩的耦合件，类似于其他形式的转矩限制器。电软启动器可以是通过临时减少电压或电流输入来减小转矩的任何控制***，或者临时改变电机在电路中如何连接的设备。例如，电软启动器可以使用固态设备来控制电流并从而控制施加到电机的电压。电软启动器可以与施加到电机的线电压串行连接。描述的各种实施例中的每个实施例还可以包括电机的软启动机构。描述的每个电机可以包括有刷或无刷DC电机。
电池组可以被配置成具有各种直流电压水平(例如12伏特、18伏特、24伏特、或28伏特)。在示出的实施例中，电池组是18伏特电池组。在其他实施例中，电池组的容量可以不同。例如，电池组可以是12伏特电池组、28伏特电池组、40伏特电池组、或另一个电压的电池组。在示例中，电池组可以包括一个或多个锂离子(Li-ion)单元(cell)，其被布置的以输出大约18伏特的直流电流。如果期望的话，其他电池组、电池组布置、或电压(例如12伏特、24伏特、或48伏特)可以被采用以为电动工具供电。
在一个结构中，电池组中的电池单元是可充电锂离子单元。在其他结构图中，电池单元可以具有不是锂离子的化学性质，例如镍铬(NiCa或NiCad)或镍-金属氢化物等等。此外或可替换地，电池单元可以是非可再充电电池。在一个实施例中，电池是电动工具电池组，其包括含有一个或多个电池单元的电池组壳体以及用于选择性地将电池组固定至电池接口的闩锁机构。该电动工具电池组在2010年5月11授权的美国专利No.7,714,538中描述和示出，其全文通过引用结合于此。
图1是串联、多电池组配置100的框图。当两个18伏特电池组串行连接时，电机120的电机端子之间的总电压大约是26V。电机电流与在两个电池组中类似。串行配置100是为较高电压电机(例如36V)提供功率的相对有效技术，因为没有向上转换电压(例如从18V到36V)的电压转换损失发生。额外的保护电路可以用于在一个电池组关闭时防止电池组损坏。例如，当电压或电流由于两个电池组110中的一者或二者耗尽(或电荷枯竭)而降低时，保护电路可以将电池组110从电机断开。电路还可以用于防止损害耗尽的电池组110，例如当NiCd电池组耗尽时。印刷电路板(PCB)组件130可以用于多电池组功能性和电路，例如电机制动功能、电池组保护以及软启动机构。通过使用从叠加在非导电(例如绝缘体)基底上的金属(例如铜)层刻蚀的导电轨迹、焊盘以及其他特征，PCB可机械地支撑和电连接电气部件。PCB组件(PCBA)可以包括控制器或状态机。
在串联配置100中，电动工具(或电机)的性能可能受限于最高阻抗电池组(例如最弱电池组)，其可能改变电机性能。一旦最低容量电池组110耗尽(即消耗或放电)，电动工具关闭。例如，一旦任何一个耗尽，保护电路将断开电池组中的一者或二者。
图2示出了另一多电池组配置(即，并联多电池组配置200(并联配置200))的框图。并联配置200包括并行连接的用于电动工具的多电池组110，并具有速度控制。在并联配置200中，当电池组110处于相同的放电状态(或均衡)时，电池组并行并且同时放电。
在该并联配置200中连接的电池组110应当处于相同放电状态以同时放电。如果处于不同放电状态的电池组110被安装入使用并联电池配置200的设备(即电动工具)，具有较高电压的电池组110对具有较低电压的电池组110充电(即交叉充电)，直到在***中达到电压均衡。较高电压电池组110对较低电压电池组110的交叉充电可以导致泄漏、温度上升、或对较低电压电池组110的其他损害。在一些实例中，并联配置200包括连接在电池组110之间的一个或多个二极管210以通过阻止电流流进电池组110来防止交叉充电。相应地，PCBA230可以操作用于控制电池组110，从而当电池组110未平衡时，依赖一个或多个较高电压电池组110来给电动工具供电，而一个或多个较低电压电池组断开。一个或多个较高电压电池组110被使用，直到它们的电荷状态下降并在电池组110之间达到均衡。一旦达到均衡，电池组110可以再次并行连接以同时向电机220提供功率。
在并联配置200，电机220可以使用较高电流和较大功率(更多瓦特)在较低电压操作，例如16V或18V。例如，并联电池组110可以配置成操作大约850瓦特(W)的电机220。在较低电压操作允许电机220在电池组110的放电曲线上拥有一致的性能。电机220被配置成作为4极电机操作，其比2极电机更有效率。因此，电机220被配置成作为4刷电机操作，从而在电刷中的每一者中存在较低的电流密度。并联配置200包括PCBA230，其使用脉宽调制(PWM)速度控制和/或旁路电容以维持电机220的速度，而不论电动工具上的负载，这可以提供电机220的一致性能。PWM是基于调制器信号信息而统一脉冲宽度的调制技术。PWM调制技术可以用于允许控制提供到电气设备(例如电动工具)的功率、特别是提供到例如电机的惯性负载的功率。PWM还可以允许功率上的临时提升(boost)。通过针对短的时间期间的增加的PWM占空比和/或旁路，临时提升是可能的。使用PWM和/或旁路，电机可以平滑地从无负载过渡到高负载场景。旁路电容可以用于处理电机的高电感。
由于并联配置200的相对低电压和高电流，高功率场效应晶体管(FET)或高电流FET可以用于处理较高电流。功率FET或高电流FET可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。为了减轻交叉充电的负面作用，可以将二极管放置在电池组110之间的电路上以防止电池组之间的电压下降。因为电机可以以单个电池组110提供的较低电压(例如16V或18V)操作，产品(例如电动工具)可以在任意数量的电池组(例如一个、两个或更多电池组)上运行。因为在电池组110的放电状态与***(例如电动工具)中的操作电池110的放电状态匹配时，每个该电池组110均上线，完整的容量可以由每个电池组110递送。所述并联配置200允许使用具有不同使用年限就放电状态的电池组110。较旧的电池组可以拥有较少电荷，因此将按比例贡献较少。PCBA230可以包括高电流FET及软启动机构，并且可以用于多电池组功能性和电路，例如维持恒定速度、监控反电动势(EMF)(以伏特为单位)、以及提供功率增长。PCBA230可以检测反EMF并根据感测的反EMF确定电机速度和控制电机220。感测的反EMF可以用于确定何时修改PWM和/或使用旁路电容。
图3示出了用于电动工具301的按序、并联多电池组配置300(并联按序配置300)的框图。电动工具301可以是斜切锯、电钻/电动螺丝刀、筒式吸尘器、割草机、线式剪草机、树篱修剪机、扫叶机、或其他工具。并联按序配置包括多电池组410a、410b和410c，尽管在配置300的一些实例中具有两个电池组(即410a和410b)，以及在其他实例中具有多于三个电池组410。配置300包括电机420，例如无刷DC电机或有刷电机，以及具有控制器430的PCBA429，该控制器430具有存储器和处理器，存储器具有程序指令和数据，处理器执行程序指令并利用数据来实施在此描述的控制器430的各种部件。电池410经由电池选择器440连接到电机420，电池选择器440由控制器430选择性地控制以在一些实例中一次连接电池410中的一者至电机420。
控制器430包括用于监控电池410的特性的电池监控器442和电流监控器444，以及用于指示所确定的电池特性的指示器控制装置(indicatorcontrol)445。更具体地，电池监控器442耦合至电压传感器446以测量每个电池组410的电荷状态，以及电流监控器444耦合至电流传感器448以检测每个电池组410的电流输出。每个电池组410的直流内阻(DCIR)可以被计算以确定电池的电荷状态。DCIR为在加载状况下(例如向电机420提供电流)电源(例如电池组410)的阻抗或内阻。在电池组410有负载或者产生电流时，DCIR被计算以指示电池组410中剩余的电荷。指示器控制装置445控制发光二极管(LED)449以指示每个电池组410的电荷状态。例如，LED449可以包括与每个电池组410相关联的多个LED(例如4个)，并且相关联的电池组410的电荷状态越高，点亮的LED越多。在一些实例中，当电动工具(例如电锯)操作时，LED449不工作。作为示例操作流程，在具有控制器430的电动工具(例如电锯)每次触发拉动之后，电池监控器442确定并传送每个电池组410的电荷状态至指示器控制装置445，以及指示器控制装置445控制LED449指示每个电池组410的电荷状态。在其他实例中，当电动工具(例如割草机)操作时，LED449用于指示电池组410的电荷状态。
在一些实施例中，LED449指示每个电池组410输出的功率。例如，指示器控制装置445分别从电流监控器444和电池监控器442接收针对每个电池组410的电流测量和电压测量。指示器控制装置445随后通过将电池组的电流和电压相乘计算每个电池组410的功率输出(例如以瓦特为单位)。随后指示器控制装置445控制LED449来向用户指示每个电池组410的功率输出。LED449可以包括与每个电池组410相关联的多个LED，其中指示器控制装置445控制LED449使得电池组410中的一者的功率输出越高，针对该电池组410启动的LED越多。控制器430还包括短路保护控制装置(shortcircuitprotectioncontrol)464，其控制短路保护开关466。当检测到过大电流(例如由电流监控器444检测)时，短路保护控制装置464控制短路保护开关466打开并停止来自电池组410的通过电机420的电流流动。在一些实施例中，短路保护开关466可以用于电机420的PWM控制，例如作为使用电池选择器开关440的替换。
在一些实施例中，半桥电路462可以联合充当低侧(lowside)开关的制动开关460用于半桥电机控制。在一些实施例中，电池选择器开关440充当高侧(highside)开关，而h桥电路462充当针对桥电机控制的低侧开关。
与并联配置200相反，在并联电池组110同时放电的情况下，并联按序配置300一次使用一个电池组410来为电机420提供功率，并且通过控制电池选择器440循环将电池组410作为电源。并联按序配置300选择性地连接并行布置的多电池组410中的一者来增加对于设备和/或电动工具可用的总能量。
在一些实施例中，通过控制电池选择器440来一次仅选择一个电池410，用于防止交叉充电的一个或多个二极管不是必须的。因此，相对于配置200，配置300的效率增加了，因为在这种***中不存在二极管之间的电压下降。然而，在一些情况下，多个FET可以有意或无意地同时被闭合(例如在重叠时间段期间短暂地闭合)。在这些实例中，配置300可以包括额外的电路以防止可以损害电池组410的交叉充电或其他情况。
更特别地，在一些实施例中，配置300包括反向电流闭锁元件470，每个电池组410关联一个该反向电流闭锁元件470。反向电流闭锁元件470可以包括例如二极管，该二极管允许电流从每个电池410流向电池选择器440，但不允许电流流回电池410。作为替换，为了通过减少反向电流闭锁元件470之间的电压下降来提升效率，反向电流闭锁元件470是漏极和栅极耦合至电池410并且源极向下连接在电池选择器440侧的FET。这种FET连接也称为“颠倒(upsidedown)”FET。二极管和颠倒FET可以被认为无源反向电流闭锁元件470。
在一些实施例中，所述配置包括有源反向电流闭锁元件470，例如由控制器430的闭锁控制装置(blockingcontrol)472控制的FET(每个电池410一个该FET)。闭锁控制装置472被配置成向反向电流闭锁元件470发送反向电流闭锁控制输出。在此，没有被依赖向电机420提供功率的电池组410的FET470被打开以防止电流流回那些电池组410，而与正被依赖向电机420提供功率的电池组410相关联的FET470被闭合以允许电流从电池组410流出至电机420。使用FET而非二极管作为反向电流闭锁元件470，为***提供在效率上的提升，因为FET通常比二极管具有更小的压降。
如所示出的，电机420是近似850W电机，尽管在其他实施例中包括不同瓦特数的电机。此外，在示出的实施例中，电机420是有刷DC电机420。然而，在一些实施例中，电机420是无刷DC电机。
控制器430还用于通过PWM电池FET控制装置(PWMbatteryFETcontrol)450到电池选择器440的信令，维持电机420的恒定速度、提供软启动、以及提供功率增长(通过电机420的额外电流)。
应该注意，每个电池组410与由PWM电池FET控制装置450输出的PWM信号控制的FET452相关联。总体上来讲，当FET452闭合(或“接通”)，FET452处于导电状态，从而电流可以流到电机420；以及当FET452打开(或“断开”)，FET处于非导电状态，从而没有电流流过。
PWM电池FET控制装置450基于由控制器430确定的关联的电池组410的特性确定每个PWM信号的占空比。例如，在一些实施例中，特定电池组410的电荷状态越大，用于其关联的FET452的PWM信号的占空比百分数越大。相应地，由于控制器430循环通过电池组410来为电机420提供功率，相对于具有较低电荷状态的电池组410，具有较高电荷状态的电池组410将被启动更长时间并释放更多电流。通过这种方案，即使电池组410以不同电荷状态或容量开始，电池组410将随时间以不同速率放电，并被控制变得在近似相同时间完全放电。在一些实例中，在电池410间循环允许控制器430最大化所递送的能量。
图5-7示出了配置300的FET452和反向电流闭锁元件470的时序图。更具体地，图5示出了具有无源反向电流闭锁元件470(例如二极管或颠倒FET)的FET452。相应地，如所示的，图5中的无源反向电流闭锁元件470不受控制(例如信号保持低)。在图5中，FET452a-c的每一者对来自PWM电池FET控制装置450的具有不同占空比的PWM信号做出反应，占空比与关联的电池组410的电荷状态成比例。例如，FET452b具有最大占空比，FET452c具有第二大占空比，FET452a具有最小占空比。相应地，电池组410的电荷状态从最高到最低分别是电池410b、410c、410a。尽管多个FET452同时启动或“接通”，反向电流闭锁元件470防止电流流回电池组410。相对于图5的时序图，在一些实施例中，每个FET452“接通”的时间段明显偏小或者与其他FET452无重叠。
图6示出了具有有源反向电流闭锁元件470的FET452。更具体地，反向电流闭锁元件470是FET，每一个由来自闭锁控制装置472的不同PWM信号控制。在该示例中，第一开关元件452a在第二开关元件452b闭合时打开，并且第一开关元件452a在第二开关元件452b打开时闭合。开关元件452二者从不同时闭合。这意味着对应于第一开关元件452a的第一PWM信号的“接通时间段”不与对应于第二开关件452b的第二PWM信号的“接通时间段”重叠。第一PWM信号和第二PWM信号控制第一开关元件452a和第二开关元件452b，从而第一电池410a和第二电池410b遵循打开和关闭的循环模式。
针对第一开关元件452a的PWM信号的占空比大于针对第二开关元件452b的PWM信号的占空比。如上所述，占空比可以与电池组410特性(例如它的电荷状态)成比例。在该实例中，电池组410a具有比电池组410b更大的电荷状态。因此，在所示出的时间块上，第一电池410a相对于第二电池410b将针对更长时段向电机420提供功率，并以更高速率放电。
仍然在图6中，针对反向电流闭锁元件470的PWM信号实质上遵从与针对它们对应的FET452的PWM信号相同的模式，但是具有稍微较低的PWM占空比。例如，如所示出的，反向电流闭锁元件470a在FET452a关闭(标记a)之前关闭，在FET452打开(标记b)之后打开。这种FET452和反向电流闭锁元件470激活/去激活之间的差异是时间延迟“c”。
图7还示出了具有有源反向电流闭锁元件470的FET452。在该示例中，第一开关元件452a和第二开关元件452b具有重叠的“接通”时间段。然而，只要FET452a和452b二者“接通”，反向电流闭锁元件470二者都是“断开”，阻止电流流回电池组410a和电池组410b。相应地，控制器430再次循环地将电池组410连接到电机420，但在时间上的给定时刻仅有电池组410中的一者为电机420提供功率。仍然在图7中，针对反向电流闭锁元件470的PWM信号又遵循与针对它们对应的FET452的PWM信号类似的模式，但具有比图7的示例低得多的PWM占空比。
各种非机械开关(例如FET452、制动开关460、以及保护开关466)可以包括晶体管、晶体管阵列、功率MOSFET(也称为FET)或达林顿阵列。
电流传感器448可以包括与一个电池组410串行连接的电流感测电阻。电流传感器448可以包括放大器(例如图12中的LMV321AS5X)以放大电流感测电阻两端的电压。随后放大的信号被电流监控器444接收，电流监控器444可以解析信号以确定电机420消耗的电流。在一些实施例中，并联按序配置300包括与电机串行连接且在电池选择器440下游的单个电流传感器448，从而电流传感器448提供电机420的电流指示而不论被选择的电池组410是哪些。包括针对每个电池组410的电流传感器448使得能够进行独立电池电流监控和更精确的控制。机械启动/停止开关(例如触发器(未示出))由用户操作来控制驱动电机420。触发器可以提供控制器430的输入，以及作为响应，控制器430可以产生驱动电机420的控制信号。输入可以是二进制(即接通和断开)或者可以包括位置传感器来提供针对更精确电机控制的变化信号。在一些实例中，工具包括机械提升开关(boostswitch，未示出)，其输出指示用户期望进入提升模式或普通模式的信号至控制器430。在提升模式中，PWM电池FET控制装置(以及可能的闭锁控制装置472)输出增加占空比的PWM信号以向电机420提供更大电流。
在操作中，控制器430按序运行并联配置中的每个电池组410，例如，直到电池组410枯竭，随后切换到使用***中的下一个电池组410。作为替换，并联按序配置300可以按序循环通过每个电池组410仅一短时段，并重复该循环模式直到每个电池组410枯竭。
例如，电机可以被电池组410a供电10秒，随后电池组410b供电10秒，电池组410c供电10秒，接着回到电池组410a供电10秒等等。当电池组410耗尽，使用少一个的电池组410继续循环。这个循环模式将重复直到所有的电池组410耗尽。依赖于应用、电池特定、和/或用户偏好，特定电池410连接到电机420的时段可以变化很大，从小于一秒至数秒至电池枯竭。
可以设计各种电路来执行并联按序配置300的功能。图8-图12示出了针对配置300的示例设计。其他设计(未示出)也可以用来执行类似的功能性。图8-图12示出在配置300中使用的各种输入、输出、以及部件(例如电阻、电容、二极管、齐纳二极管、晶体管、放大器、逻辑芯片、以及其他ASIC)。齐纳二极管允许电流与典型二极管相同的方式向前流动，但还允许在电压在高于被称为击穿电压、“齐纳弯曲点电压”、“齐纳电压”、“雪崩点”、或“峰值反向电压”的特定值时反向流动。晶体管可以包括p沟道(PNP)和n沟道(NPN)双极结晶体管(BJT或双极晶体管)、FET、以及p沟道(PNP)和n沟道(NPN)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。BJT是针对其操作依赖于两类半导体接触的一类晶体管。BJT区域称为发射极、集电极和基极。MOSFET用于放大或开关电子信号。FET的四个端子称为源极、栅极、漏极和本体(基底)。MOSFET的类型包括增强型MOSFET(MOSFETenh)和耗尽型MOSFET(MOSFETdep)。在增强型MOSFET中，氧化物之间的压降经由场效应引起源极和漏极触点之间的导电沟道。术语“增强型”指随着向沟道添加载流子的氧化物场(也成为反转层)的增加，导电性增加。
图8示出了实施图4的配置300框图的针对电动工具的示意PCBA500。PCBA500可以认为是图3的PCBA429的示例实施。PCBA500包括唤醒电路块510、电池选择器电路块520、控制器电路块530、以及电机电路块540。图9-12示出了图8中示出电路的扩展示意图。图9示出了针对唤醒块510的电路，并且包括温度监控器512、电荷泵514、负载开关516、以及电池电压感测电路(batteryvoltagesense)518。图10示出了电池选择器块520，其示出了用于将电池410连接到反向电流闭锁元件470、开关元件452、以及电流传感器448的电路。此外，图10示出了针对电流传感器电阻放大器520、放大后滤波器522、电池栅极驱动器524、以及再循环(recirculation)开关(制动开关460)。图11显示了控制器块530，其示出了针对控制器430和LED板连接器536的电路。图12显示了电机电路块，其示出了针对电机电压感测电路(motorvoltagesense)532、制动开关534和LED板536的电路。
并联按序配置300被配置用于各种控制器操作，例如负载共享、软启动、速度控制、单个/弱电池操作、机械启动/停止开关、以及提升功能。在负载共享中，控制器430测量电池410的电压和DCIR。根据该DCIR和/或电压信息，控制器430可以确定电池410的状况。控制器430被配置成从较强的电池410消耗更多功率。如果电池410被放电/变成放电(discharged)，控制器430将不尝试从该电池410放电。
在软启动中，控制器430在启动期间提供电流限制。速度控制由PWM控制以及来自电机420的反EMF的反馈而被完成。如果应用需要，可以施加制动以停止电机420。速度控制在变化的电池电压和电机负载的情况下提供一致速度。在单个/弱电池410操作中，如果控制器430确定只有一个充电的电池410被安装，控制器430可以以降低的性能操作电机。机械启动/停止开关(例如触发器)启动和停止电机420。位置反馈可以被添加以提供电机420的可变速度控制。机械启动/停止开关还可以用于通知控制器以施加制动460。如果用户关闭提升开关，那么增加PWM的占空比以增加到电机420的功率。
图13示出了另一多电池组配置的框图，即，按序、多电池组配置700(按序配置700)。按序配置700包括针对电动工具的多(N)电池组110，其独立和可选择地耦合到DC-DC转换器(例如驻在PCBA1130上)。DC-DC转换器接着耦合到36V电机1120。DC-DC转换器升高电池组的电压输出至电机1120优选使用的电压水平(例如从18V到36V，或针对电机的另一合适电压)。
类似于并联配置200和并联按序配置300，配置700使得电动工具能够同时接收一个、两个、或更多电池组110。类似于配置300，完整的容量可以由每个电池组110在放电下一个电池组110之前递送和枯竭。在配置700，与一些串联配置相反，电机1120的初始性能不被最弱的电池组110负面影响。最终，电机1120(或电动工具)的性能可能会随着较强电池组110枯竭并且电机1120由剩下的较弱电池组(例如较旧电池组)提供功率而被影响。电机1120(或电动工具)的功率可以受由单个电池组110提供的电流(例如55A)限制。由于弱电池组110和/或DC-DC变换，电机1120消耗的电流可以小于新的强电池组110可用的总电流的一半。配置700可以包括4极和/或4刷电机、或2极和/或2刷电机。PCBA1130可以包括用于升高电压的DC-DC转换器以及软启动机构，并且可以用来监控电池组健康。在一些实例中，DC-DC转换器与PCBA1130分开提供。
图14示出了另一多电池组配置的框图，即，二电池、双换向器配置800(双换向器配置800)。双换向器配置800包括两个独立连接的电池组110，每个与电动工具的双转换器电机1220的独立换向器相关联。换向器是某类电气电机或电气发电机中的旋转电气开关的移动部分，其周期性地在转子和外部电路之间反转电流方向。典型地，两个或多个较软金属电刷周期性地接触换向器以构成电池110和转子绕组之间的电路。
双换向器配置800使用双绕组电机(18V+18V配置)，其中两个换向器(每个绕组一个)耦合至相同的电机轴。每个电池组110向分离的电机换向器/绕组提供功率。电机(电动工具)可以在一个或两个电池组上运行，其中每个绕组及电池组110独立于其他绕组及其他电池组110运行。每个电池组110可以递送该电池组110的完整的容量。电机1120的性能在运行一个电池组110与两个电池组110时通常不同。运行两个电池组通常导致比运行单个电池组110更大的功率。还可以使用二极管防止由于电池组110之间的压降而对弱电池组进行充电(例如交叉充电)。PCBA1230可以包括针对电机1220的控制电路和软启动机构。
图15提供了一个针对电动工具的双DC换向器电机1220的示例。在双DC换向器电机1220中，两个绕组占用相同的电枢槽1222。在一些实例中，针对每个绕组的线规(wiregauge)不同，并且每个绕组的匝数也不同。参见例如图16。例如，不同的线规用于与提供到各个绕组的不同功率水平对齐(通常较高的规格设计有较大的电流)。在不同实施例中，例如具有两个18V电池组110和设计成分别向每个绕组提供类似功率电平的电路的电动工具，针对两个绕组的线规相同。作为替换，每个绕组可以在定子的分开的电枢槽中，因此每个绕组交替使用电枢槽。
电机1220的速度反比于电枢中的匝数。因此，速度会随着电枢中较少的匝而增大。电机1120的转矩直接正比于电枢中的匝数。因此，电机1120的转矩随着电枢中匝数的减少而减小。在针对双换向器电机的每个换向器的绕组较少的情况下，每个换向器具有较少的作用导体(actingconductors)来贡献整个电机转矩。由于速度和转矩还反比于电机磁通(flux)，通过增加电机1120的堆叠长度可以降低电机速度和增加转矩。增加电机1120的堆叠长度可能在制造上是具有挑战的，例如缠绕导线而不退出(bowingoutof)铁芯是很困难的。通常，绕组不能很好地位于电枢的针对长堆叠的槽中。图17A-图17B示出了长堆叠、窄直径电枢，其可以用在双DC换向器电机中。
各种技术可以用于减少与长电枢堆叠相关联的制造挑战。可以增加在电枢中使用的叠片的尺寸来减少与长堆叠电枢相关联的制造挑战。增加叠片的尺寸允许在电枢上缠绕特定匝数，且导线尺寸可提供期望转矩和电流额定值。图17C-图17D示出了短堆叠、大直径电枢，其具有在长度上短于小且长电枢结构的较大外直径(O.D.)结构。较大的叠片结构还可以允许绕组(即导线)具有比所述小且长电枢结构更好的双绝缘。
图18示出了另一多电池组配置的框图，即多电池组配置以及分离电刷配置900(分离电刷配置900)。分离电刷配置900包括多电池组110，其中每个电池组110连接到电动工具的电机1620的分离的电刷。在配置900中，类似于配置800，两个分离的绕组缠绕在电机1620的相同定子上(参见图18)。每一电池组110耦合至以大约18V运行的分离的绕组。定子的每个电枢槽可以包括两个绕组。作为替换，每个绕组可以在定子的分离的电枢槽中，因此每个绕组交替使用电枢槽。
在配置900中，每个电池100为相同换向器上的分离的电刷对提供功率，因此电机1620配置有4个电刷。如前所述，4个电枢可以降低电刷的电流密度。电机1620(或电动工具)可以在一个或两个电池组1620上运行，因为每个电池组110和绕组作为分离的电路操作。类似于配置800，每个电池组110可以递送其完整的容量。还类似于配置800，通常电机1620的性能主要在运行一个电池组110和两个电池组110时不同。运行两个电池组110通常导致比运行单个电池组110更大的电机功率。还类似于配置800，可以使用二极管防止由于电池组110之间的压降而对弱电池组110进行充电(例如交叉充电)。PCBA1430可以包括用于控制电机1620的电路和软启动机构。
因此，除了其他方面之外，本发明提供了可以操作用于至少接收第一电池组和第二电池组的电动工具。本发明的各种特征和优点在如下的权利要求中描述。

Claims (20)

1.一种电动工具，该电动工具包含：
电机；
第一电池组；
第二电池组；
第一开关元件，耦合在所述第一电池组和所述电机之间；
第二开关元件，耦合在所述第二电池组和所述电机之间；以及
控制器，耦合至所述第一开关元件和所述第二开关元件，所述控制器具有：
第一脉宽调制(PWM)输出，耦合至所述第一开关元件并且具有选择性地闭合所述第一开关元件的第一PWM信号，以及
第二PWM输出，耦合至所述第二开关元件并且具有选择性地闭合所述第二开关元件的第二PWM信号。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其中所述第一PWM信号具有所述控制器基于所述第一电池的电荷状态确定的占空比，并且所述第二PWM信号具有所述控制器基于所述第二电池的电荷状态确定的占空比。
3.根据权利要求2所述的电动工具，其中所述第一PWM信号的占空比和所述第二PWM信号的占空比由所述控制器基于相对于所述第一电池的电荷状态的所述第二电池的电荷状态确定。
4.根据权利要求2所述的电动工具，其中当所述第一电池的电荷状态大于所述第二电池的电荷状态时，所述第一PWM信号的占空比大于所述第二PWM信号的占空比。
5.根据权利要求2所述的电动工具，其中所述第一PWM信号的接通时间段与所述第二PWM信号的接通时间段重叠，从而当所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的接通时间段重叠时，所述第一开关元件和所述第二开关元件二者闭合。
6.根据权利要求1所述的电动工具，该电动工具还包括串行耦合在所述第一电池和所述第一开关元件之间的第一反向电流闭锁元件，以及耦合在所述第二电池和所述第二开关元件之间的第二反向电流闭锁元件。
7.根据权利要求6所述的电动工具，其中所述第一反向电流闭锁元件是从下组中选择的至少一者：(i)二极管以及(ii)具有耦合至所述第一电池的第一栅极和第一漏极的FET；以及其中所述第二反向电流闭锁元件是从下组中选择的至少一者：(i)二极管以及(ii)具有耦合至所述第二电池的第一栅极和第一漏极的FET。
8.根据权利要求6所述的电动工具，该电动工具还包括串行耦合在所述第一开关元件和所述第一反向电流闭锁元件之间的第一电流传感器，以及耦合在所述第二开关元件和所述第二反向电流闭锁元件之间的第二电流传感器。
9.根据权利要求8所述的电动工具，其中所述控制器包括耦合至所述第一反向电流闭锁元件的第一反向电流闭锁控制输出，以及耦合至所述第二反向电流闭锁元件的第二反向电流闭锁控制输出，并且所述控制器选择性地控制所述第一反向电流闭锁元件和所述第二反向电流闭锁元件打开和关闭。
10.根据权利要求6所述的电动工具，其中所述控制器针对PWM循环时间段上的每个PWM循环，在第一开关元件闭合之后控制所述第一反向电流闭锁元件关闭，以及在所述第一开关元件打开之前控制所述第一反向电流闭锁元件打开。
11.一种操作电动工具的方法，该电动工具具有电机、第一电池组、第二电池组、耦合在所述第一电池组和所述电机之间的第一开关元件、耦合在所述第二电池组和所述电机之间的第二开关元件、以及控制器；该方法包含：
所述控制器确定所述第一电池的电荷状态；
所述控制器确定所述第二电池的电荷状态；
所述控制器生成第一脉宽调制(PWM)信号以选择性地闭合所述第一开关元件来从所述第一电池组向所述电机提供功率，所述第一PWM信号基于所述第一电池的电荷状态；
所述控制器生成第二PWM信号以选择性地闭合所述第二开关元件来从所述第二电池组向所述电机提供功率，所述第二PWM信号基于所述第二电池的电荷状态；以及
通过所述第一电池组和所述第二电池组异步驱动所述电机。
12.根据权利要求11所述的方法，其中针对所述第一PWM信号的电荷状态由所述第一电池的内阻和电压确定。
13.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括所述控制器确定针对所述第一PWM信号的占空比，以及所述控制器确定针对所述第二PWM信号的占空比。
14.根据权利要求13所述的方法，其中当所述第一电池的电荷状态大于所述第二电池的电荷状态时，所述第一PWM信号的占空比大于所述第二PWM信号的占空比。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一PWM信号的接通时间段与所述第二PWM信号的接通时间段重叠，从而当所述第一PWM信号和所述第二PWM信号的接通时间段重叠时，所述第一开关元件和所述第二开关元件二者闭合。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一电池和所述第二电池具有不同的电荷状态。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一PWM信号的接通时间段和所述PWM信号的接通时间段是循环的，从而所述第一PWM信号重复地打开和闭合所述第一开关元件，以及所述第二开关元件在所述第一开关元件打开时闭合，并且所述第二开关元件在所述第一开关元件闭合时打开。
18.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括在所述第二开关元件闭合时，使用第一反向电流闭锁元件闭锁从所述第一开关元件流向所述第一电池的电流，以及在所述第一开关元件闭合时，使用第二反向电流闭锁元件闭锁从所述第二开关元件流向所述第二电池的电流。
19.根据权利要求18所述的方法，该方法还包括生成控制所述第一反向电流闭锁元件的第三PWM信号以及生成控制所述第二反向电流闭锁元件的第四PWM信号。
20.根据权利要求13所述的方法，该方法还包括使用第一电流传感器感测所述第一电池生成的电流，以及使用第二电流传感器感测所述第二电池生成的电流。
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