CN115004520A - 基于电池包配置数据的燃气发动机替换装置的马达控制 - Google Patents

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Abstract

一种燃气发动机替换装置，该燃气发动机替换装置包括：壳体；电池插座，该电池插座联接到该壳体并且被配置为可移除地连接到电池包，该电池包具有存储电池包配置数据的存储器；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置为选择性地将电力从该电池包提供给该马达；以及第一电子处理器，该第一电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置为控制该电力开关网络以使该马达旋转。该第一电子处理器被配置为响应于该电池包与该电池插座的连接而接收该电池包配置数据，并且基于该电池包配置数据控制该电力开关网络。

Description

基于电池包配置数据的燃气发动机替换装置的马达控制
相关申请
本申请要求于2019年12月10日提交的美国临时专利申请号62/946,226的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过援引特此并入。
技术领域
本申请涉及燃气发动机替换马达单元，更特别地涉及用于与动力设备一起使用的燃气发动机替换马达单元。
背景技术
当前，若干室外动力设备(例如，草坪和园艺设备)和建筑设备(例如，混凝土搅拌机、平板压实机)包括使动力设备运行的燃气发动机。然而，燃气发动机会产生排放物，并且通常不适应于动力设备的最佳性能。
发明内容
由锂离子电池包供能并且使用电动无刷马达的燃气发动机替换装置(也称为动力头)在为设备提供动力时提供了若干优于燃气发动机的优点。然而，电池供能的燃气发动机替换装置当与类似大小的汽油供能的发动机相比时可能具有有限的运转时间。汽油的能量密度高于当前的锂离子电池化学或其他广泛可用的电池技术。
在一些实施例中，提供了一种燃气发动机替换装置，该燃气发动机替换装置包括：壳体；电池插座，该电池插座联接到该壳体并且被配置为可移除地连接到电池包，该电池包具有存储电池包配置数据的存储器；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置为选择性地将电力从该电池包提供给该马达；以及电子处理器。该电子处理器联接到该电力开关网络并且被配置为控制该电力开关网络以使该马达旋转。该电子处理器被配置为响应于该电池包与该电池插座的连接而接收该电池包配置数据，并且基于该电池包配置数据控制电动马达。
在一些实施例中，提供了一种燃气发动机替换装置，该燃气发动机替换装置包括：壳体；电池插座，该电池插座联接到该壳体并且被配置为可移除地连接到包括第一电子处理器的电池包；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置为选择性地将电力从该电池包提供给该马达；以及第二电子处理器。该第一电子处理器被配置为响应于该电池包与该电池插座的连接而向该第二电子处理器传达电池包配置数据。该第二电子处理器联接到该电力开关网络，并且被配置为基于该电池包配置数据控制该电力开关网络以使该马达旋转。该第一电子处理器被配置为监测该电池包的状况，并且响应于该状况违反阈值而向该第二电子处理器传达经修订的电池包配置数据。该第二电子处理器被配置为基于该经修订的电池包配置数据控制电动马达。
在一些实施例中，提供了一种燃气发动机替换装置，该燃气发动机替换装置包括：壳体；电池插座，该电池插座联接到该壳体并且被配置为可移除地连接到包括第一电子处理器的电池包；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置为选择性地将电力从该电池包提供给该马达；以及第二电子处理器。该第二电子处理器联接到该电力开关网络，并且被配置为控制该电力开关网络以使该马达旋转。该第一电子处理器或该第二电子处理器中的一者被配置为检测该电池包的连接，并且作为响应，该第一电子处理器被配置为向该第二电子处理器传达电池包配置数据。该第二电子处理器被配置为基于该电池包配置数据控制电动马达。
在详细说明任何实施例之前，应理解的是，这些实施例并不将其应用限制在以下说明中阐述的或在以下附图中展示出的构造细节和部件布置。本文描述的实施例能够以多种不同的方法来实践或实施。而且，应理解的是，在本文中使用的措辞和术语是用于描述的目的，而不应被视为是限制性的。在本文中使用“包括”、“包含”、“具有”及其变化形式旨在涵盖其后所列的项目和其等同形式以及额外项目。术语“安装”、“连接”和“联接”被广泛地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接和联接。进一步地，“连接”和“联接”不限于物理或机械的连接或联接，而是可以包括电气连接或联接，无论是直接的还是间接的。另外，如本文中与项目列表一起使用的，“和/或”表示可以包括全部项目、项目的子集或作为替代的项目(例如，“A、B和/或C”表示A；B；C；A和B；B和C；A和C；或A、B和C)。
应注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构部件来实现本文描述的实施例。此外，并且如在随后的段落中所描述的，附图中所展示的特定配置旨在作为示例实施例，并且其他替代配置也是可能的。除非另外说明，否则术语“处理器”、“中央处理单元”和“CPU”是可互换的。在术语“处理器”、“中央处理单元”或“CPU”被用作标识执行特定功能的单元的情况下，应理解的是，除非另外说明，否则这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来执行，处理器包括并行处理器、串行处理器、纵列式处理器、或云处理配置/云计算配置。
另外，应理解的是，实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论的目的，这些部件或模块可以被展示和描述为好像大多数部件仅在硬件中实现。然而，本领域的普通技术人员基于对这个详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，基于电子的方面可以在可由一个或多个处理单元(比如，微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”))执行的软件(例如，存储在非暂态计算机可读介质上)中实现。这样，应注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构部件来实现实施例。
通过考虑以下详细说明和附图，其他特征和方面将变得清楚。
附图说明
图1是根据实施例的燃气发动机替换装置的立体图。
图2是图1的燃气发动机替换装置的平面图。
图3是图1的燃气发动机替换装置的示意图。
图4是图1的燃气发动机替换装置的电池包的立体图。
图5是图4的电池包的截面视图。
图6是图1的燃气发动机替换装置的电池插座的截面视图。
图7是图1的燃气发动机替换装置的马达的截面视图。
图8是图1的燃气发动机替换装置的马达、齿轮系和动力输出轴的示意图。
图9是图1的燃气发动机替换装置的框图。
图10是图1的燃气发动机替换装置中的电池包配置控制的示例方法的流程图。
图11展示了包括图1的燃气发动机替换装置的泵***。
图12展示了包括图1的燃气发动机替换装置的搅拌***。
具体实施方式
如图1和图2中所示，用于与动力设备一起使用的燃气发动机替换装置10包括壳体14，该壳体具有第一侧18、邻近第一侧18的第二侧22、与第二侧22相对的第三侧26、与第一侧18相对的第四侧28、在第二侧22与第三侧26之间延伸的第五侧30、以及与第五侧30相对的第六侧32。燃气发动机替换装置10还包括在第一侧18联接到壳体14的凸缘34、位于壳体14内的电动马达36、以及从第二侧22突出并且接收来自马达36的扭矩的动力输出轴38。如下面进一步详细解释的，在一些实施例中，动力输出轴38从第一侧18且从凸缘34突出。如图3中所示，燃气发动机替换装置10还包括控制电子器件42，该控制电子器件定位在壳体14内并且包括布线和电连接到马达36的控制器46。在2019年8月26日提交的美国专利申请号16/551,197中描述并且展示了类似的燃气发动机替换装置10，该美国专利申请的全部内容通过援引并入本文。
如图1至图6中所示，燃气发动机替换装置10还包括电池包50，该电池包可移除地连接到壳体14中的电池插座54，以经由控制电子器件42将电流从电池包50传递到马达36。在一些实施例中，多个电池包50连接到壳体14中的多个电池插座54。参照图4至图6，电池包50包括电池包壳体58，该电池包壳体具有支撑部分62和第一端子66，该第一端子电连接到由电池包壳体58支撑的多个电池单体68。支撑部分62提供滑动布置，该滑动布置具有与电池插座54的互补凸起/凹陷部分74(如图6中所示)相配合的凸起/凹陷部分70。在图4至图6中所展示的实施例中，电池包50的凸起/凹陷部分70是导轨，并且电池插座54的凸起/凹陷部分74是引导凹陷。在2018年7月2日提交的美国专利公开号2019/0006980中描述和展示了类似的电池包，该专利申请的全部内容通过援引并入本文。在一些实施例中，电池单体68具有上至约80V的标称电压。在一些实施例中，电池单体68具有上至约120V的标称电压。在一些实施例中，电池包50具有上至约6lb的重量。在一些实施例中，电池单体68中的每一个电池单体具有上至21mm的直径和上至约71mm的长度。在一些实施例中，电池包50包括上至二十个电池单体68。在一些实施例中，电池单体68串联连接。在一些实施例中，电池单体68可操作以输出持续操作放电电流，该持续操作放电电流介于：20A与60A之间、20A与50A之间、30A与50A之间、20A与40A之间或40A与60A之间。在一些实施例中，电池单体68中的每一个电池单体的容量介于约3.0Ah与约5.0Ah之间。
尽管各种概念在本文中被描述为它们应用于燃气发动机替换装置，但是在一些实施例中，这些概念可以应用于马达不是负载的其他应用。例如，负载可以是由电池包50供能的照明***。
图6展示了根据一些实施例的燃气发动机替换装置10的电池插座54。电池插座54包括凸起/凹陷74、第二端子78、闩锁机构82和断电开关86。凸起/凹陷74与电池包50的凸起/凹陷70配合，以将电池包50附接到燃气发动机替换装置10的电池插座54。当电池包50附接到燃气发动机替换装置10时，第二端子78和第一端子66彼此电连接。闩锁机构82从电池插座54的表面突出，并且被配置为接合电池包50，以维持电池包50与电池插座54之间的接合。因此，电池包50可连接到电池插座54并可由其支撑，使得电池包50可由燃气发动机替换装置10的壳体14支撑。在一些实施例中，电池包插座54被布置在壳体14上的以下位置，使得在马达36与电池包50之间产生最大可能的分离距离，以便抑制从马达36传递到电池包50的振动。在一些实施例中，弹性体构件定位在电池包插座54上，以便抑制从马达36经由壳体14传递到电池包50的振动。
在其他实施例(未示出)中，闩锁机构82可以设置在不同的位置处(例如，在电池插座54的侧壁、端壁、上端壁等上)，使得闩锁机构82接合电池包50上的相应结构，以维持电池包50与电池插座54之间的接合。闩锁机构82包括操作性地接合闩锁构件94的可枢转致动器或把手90。闩锁构件94可滑动地设置在电池包插座54的孔99中，并且被偏置构件103(例如，弹簧)朝向闩锁位置偏置，以突出穿过电池插座54的表面并且进入电池包50中的空腔中。
闩锁机构82还包括断电开关86(例如，微型开关)，该断电开关有助于在把手90的致动期间将电池包50与电池插座54电连接/断开，以将闩锁构件94从电池包50撤出。断电开关86可以用于在从电池插座54移除电池包50之前将电池包50与燃气发动机替换装置10电断开。当闩锁构件94从闩锁位置(即，当闩锁构件94完全位于电池包50的空腔内时)移动到中间位置时，断电开关86被致动。断电开关86电连接到控制器46，并且可以产生中断以指示电池包50正从燃气发动机替换装置10断开。当控制器46接收到中断时，控制器46开始掉电操作，以使燃气发动机替换装置10的控制电子器件42安全地掉电。美国专利公开号2019/0006980中描述并且展示了类似的闩锁机构和断开开关，该专利申请的全部内容通过援引并入本文。
如图7中所示，马达36包括具有外直径97的马达壳体96、具有上至约80mm的标称外直径101的定子98、具有输出轴106并且被支撑以在定子98内旋转的转子102、以及风扇108。美国专利公开号2019/0006980中描述并且展示了类似的马达，该专利申请通过援引并入本文。在一些实施例中，马达36是无刷直流马达。在一些实施例中，马达36具有至少约2760W的功率输出。在一些实施例中，马达36的功率输出在操作期间可能下降到2760W以下。在一些实施例中，风扇108的直径109大于马达壳体96的直径97。在一些实施例中，马达36可以用电子离合器(未示出)停止，以用于快速过载控制。在一些实施例中，马达36具有上至约443,619mm3的体积。在一些实施例中，马达具有上至约4.6lb的重量。壳体14包括入口通风口和出口通风口，使得在空气通过出口通风口排出之前，马达风扇108通过入口通风口并且沿着控制电子器件42拉动空气以冷却控制电子器件42。在图7中所展示的实施例中，马达36是内转子马达，但是在其他实施例中，马达36可以是标称外直径(即转子的标称外直径)上至约80mm的外转子马达。在一些实施例中，马达的标称外径高于80mm，例如，上至90mm、100mm、110mm、120mm或125mm。
参照图8，马达36可以以多种配置将扭矩传递到动力输出轴38。在一些实施例中，输出轴106也是动力输出轴38，使得马达36直接驱动动力输出轴38，而没有任何中间齿轮系。例如，马达36可以是直接驱动高极数马达。如图8中所示，在其他实施例中，燃气发动机替换装置10包括将扭矩从马达36传递到动力输出轴38的齿轮系110。在一些实施例中，齿轮系110可以包括机械离合器(未示出)，以中断从马达36到动力输出轴38的扭矩传递。在一些实施例中，齿轮系110可以包括将扭矩从输出轴106传递到动力输出轴38的行星变速器，并且输出轴106的旋转轴线与动力输出轴38的旋转轴线同轴。在一些实施例中，齿轮系110包括与转子的输出轴106接合的正齿轮，使得输出轴106的旋转轴线偏离于并且平行于动力输出轴38的旋转轴线。在一些实施例中，齿轮系110包括锥齿轮，使得输出轴106的旋转轴线垂直于动力输出轴38的旋转轴线。在利用锥齿轮的其他实施例中，输出轴106的旋转轴线不垂直、平行或同轴于动力输出轴38的旋转轴线，并且动力输出轴38从凸缘34突出。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括开/关指示器(未示出)。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括过滤器(未示出)，以将空载碎屑阻挡在马达36和控制电子器件42之外。在一些实施例中，过滤器包括脏过滤器传感器(未示出)和自清洁机构(未示出)。在一些实施例中，当遇到阻力(比如减慢或停滞)时，马达36将模拟燃气发动机响应。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括壳体14中的散热件202，用于空气冷却控制电子器件42(图1和图2)。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10是液体冷却的。
在一些实施例中，转子102的输出轴106具有前进和后退能力，如下文进一步描述的。在一些实施例中，与燃气发动机相比，在不转换齿轮系110的挡位情况下，前进和后退能力是可控的，这些燃气发动机不能在没有附加传动装置和时间延迟的情况下实现前进/后退能力。因此，燃气发动机替换装置10提供了增大的速度、更轻的重量和更低的成本。因为与燃气发动机相比，燃气发动机替换装置10具有更少的运动部并且没有燃烧***，所以该燃气发动机替换装置还提供了附加的速度、重量和成本优势。
燃气发动机替换装置10能够在相对于地表面的任何取向(竖直、水平、倒置)上长时间段操作，这使其优于四循环燃气发动机，这些四循环燃气发动机只可以在一个取向上和稍微倾斜的情况下操作较短的时间段。因为燃气发动机替换装置10不需要气体、油或其他流体，所以该燃气发动机替换装置可以倒置或在任何给定侧运转、被输送以及存放，而没有泄漏或溢出。
在操作中，燃气发动机替换装置10可以用来代替燃气发动机***。具体地，通过将由凸缘34中的多个孔口限定的第一螺栓图案与第二螺栓图案对准，燃气发动机替换装置10可以安装到具有第二螺栓图案的动力设备上。在一些实施例中，凸缘34可以包括一个或多个中间安装构件或适配器，该一个或多个中间安装构件或适配器布置在凸缘34本身与具有第二螺栓图案的动力设备的凸缘之间，使得(多个)适配器将凸缘34联接到该动力设备。在这些实施例中，适配器包括第二螺栓图案和第一螺栓图案这两者，使得凸缘34的第一螺栓图案与适配器的第一螺栓图案对准，并且适配器的第二螺栓图案与动力设备中限定的第二螺栓图案对准，从而允许燃气发动机替换装置10的凸缘34联接到该动力设备。
替代性地，燃气发动机替换装置10可以通过设置操作性地连接动力输出轴和设备功能部的带而使用带***来连接到动力设备。因此，燃气发动机替换装置10的动力输出轴38可以用于驱动该设备。
在操作期间，燃气发动机替换装置10的壳体14可以比内燃单元的壳体冷得多，因为在燃气发动机替换装置10中没有燃烧。具体地，当燃气发动机单元运转时，燃气发动机单元的壳体是220摄氏度或更高。相比之下，当燃气发动机替换装置10运转时，壳体14的所有外表面低于95摄氏度。下面的表1和表2更具体地列出了燃气发动机替换装置10的壳体14上不同部件的温度极限。
下面的表1列出了在动力工具中典型使用的不同部件关于这些部件是由金属、塑料、橡胶、木材、瓷器、还是玻璃质形成的保险商实验室(UL)温度极限。例如，至少在一些实施例中，燃气发动机替换装置10决不会超过塑料额定温度。
表1
Figure BDA0003725794410000081
下面的表2列出了电池包50的电池包壳体58的不同部件关于这些部件是由金属、塑料、还是橡胶形成的UL温度极限。例如，至少在一些实施例中，燃气发动机替换装置10决不会超过塑料额定温度。
表2
金属 塑料/橡胶
偶然接触 70℃ 95℃
持续握持的把手和旋钮 55℃ 75℃
仅短暂握持的把手和旋钮(即开关) 60℃ 85℃
图9展示了根据一个示例实施例的燃气发动机替换装置10的简化框图。如图9所示，燃气发动机替换装置10包括电子处理器302、存储器306、电池包50、电力开关网络310、马达36、转子位置传感器314、电流传感器318、用户输入装置322(例如，调速件(throttle)、触发器或电源按钮)、收发器326、指示器330(例如，发光二极管)和振动传感器320。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括比图9中所示的部件更少或附加的部件。例如，燃气发动机替换装置10可以包括电池包燃料仪、工作灯、附加传感器、切断开关、断电开关86等。在一些实施例中，图9中所展示的包括电子处理器302、存储器306、电力开关网络310、转子位置传感器314、电流传感器318、用户输入装置322、收发器326、指示器330和振动传感器320中的一者或多者的燃气发动机替换装置10的元件形成图3中所示的控制电子器件42的至少一部分，其中电子处理器302和存储器306形成图3中所示控制器46的至少一部分。
存储器306包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、其他非暂时性计算机可读介质、或它们的组合。电子处理器302被配置为与存储器306通信以存储数据和检索存储的数据。电子处理器302被配置为从存储器306接收指令和数据并且执行指令等。特别地，电子处理器302执行存储在存储器306中的指令，以执行本文描述的方法。
如上文所描述，在一些实施例中，电池包50可移除地连接到燃气发动机替换装置10的壳体，使得不同的电池包50可以附接到燃气发动机替换装置10和从燃气发动机替换装置移除，以将不同量的电力提供给燃气发动机替换装置10。电池包50的进一步描述(例如，标称电压、持续操作放电电流、尺寸、单体的数量、操作等)以及马达36的进一步描述(例如，功率输出、尺寸、操作等)在上文关于图1至图8提供。
电力开关网络310使得电子处理器302能够控制马达36的操作。通常，当用户输入装置322被压下(或以其他方式致动)时，电流从电池包50经由电力开关网络310供应至马达36。当用户输入装置322未被压下(或以其他方式致动)时，电流不从电池包50供应至马达36。在一些实施例中，用户输入装置322被压下的量与马达36的期望的旋转速度相关或对应。在其他实施例中，用户输入装置322被压下的量与期望的扭矩相关或对应。在其他实施例中，单独的输入装置(例如，滑动件、拨盘等)包括在燃气发动机替换装置10上，与电子处理器302通信，以对马达36提供期望的旋转速度或扭矩。
响应于电子处理器302从用户输入装置322接收驱动请求信号，电子处理器302激活电力开关网络310以将电力提供给马达36。通过电力开关网络310，电子处理器302控制马达36可用的电流量，从而控制马达36的速度和扭矩输出。电力开关网络310可以包括许多场效应晶体管(FET)、双极晶体管、或其他类型的电开关。例如，电力开关网络310可以包括六FET桥(参见图10)，该六FET桥从电子处理器302接收脉宽调制(PWM)信号以驱动马达36。
转子位置传感器314和电流传感器318联接到电子处理器302，并且向电子处理器302传达指示燃气发动机替换装置10或马达36的不同参数的各种控制信号。在一些实施例中，转子位置传感器314包括一个霍尔传感器或多个霍尔传感器。在其他实施例中，转子位置传感器314包括附接到马达36的正交编码器。转子位置传感器314向电子处理器302输出马达反馈信息，比如当马达36的转子的磁体旋转越过霍尔传感器的表面时的指示(例如，脉冲)。在其他实施例中，转子位置传感器314包括例如电压或电流传感器，该电压或电流传感器提供马达线圈中产生的反电动势(反emf)的指示。电子处理器302可以基于从转子位置传感器314(即电压或电流传感器)接收的反电动势信号，确定转子位置、转子速度和转子加速度。转子位置传感器314可以与电流传感器318组合以形成组合式电流和转子位置传感器。在此示例中，组合式传感器提供流到马达36的(多个)有效相线圈的电流，并且还提供马达36的(多个)无效相线圈中的一个或多个中的电流。电子处理器302基于流到有效相线圈的电流测量流到马达的电流，并且基于无效相线圈中的电流测量马达速度。
基于来自转子位置传感器314的马达反馈信息，电子处理器302可以确定转子的位置、速度和加速度。响应于马达反馈信息和来自用户输入装置322的信号，电子处理器302传输控制信号以控制电力开关网络310来驱动马达36。例如，通过选择性地启用和禁用电力开关网络310的FET，从电池包50接收的电力以循环方式选择性地施加到马达36的定子绕组，以引起马达36的转子旋转。电子处理器302使用马达反馈信息确保对电力开关网络310的控制信号的正确定时，并且在一些情况下，提供闭环反馈以将马达36的速度控制在期望的水平。例如，为了驱动马达36，使用来自转子位置传感器314的马达定位信息，电子处理器302确定转子磁体相对于定子绕组的位置，并且(a)以预定图案激励下一个定子绕组对(或多个定子绕组对)，以在期望的旋转方向上将磁力提供给转子磁体，以及(b)去激励先前激励的一个定子绕组对(或多个定子绕组对)，以防止在转子磁体上施加与转子旋转方向相反的磁力。
电流传感器318在燃气发动机替换装置10操作期间监测或检测马达36的电流水平，并且向电子处理器302提供指示检测到的电流水平的控制信号。电子处理器302可以使用检测到的电流水平控制电力开关网络310，如下面更详细解释的。
收发器326允许电子处理器302与外部装置338(例如，智能手机、平板电脑或膝上型计算机)通过有线或无线通信网络334进行通信。在一些实施例中，收发器326可以包括单独的发射和接收部件。在一些实施例中，收发器326可以包括附接到燃气发动机替换装置10的无线适配器。在一些实施例中，收发器326是无线收发器，该无线收发器将从电子处理器302接收的信息编码成载波无线信号，并且通过通信网络334将编码的无线信号传输到外部装置338。收发器326还解码来自通过通信网络334从外部装置338接收的无线信号的信息，并且将解码的信息提供给电子处理器302。在一些实施例中，收发器326通过通信网络334与一个或多个外部传感器340通信。例如，外部传感器340可以与安装有燃气发动机替换装置10的设备相关联。在一些实施例中，外部传感器340是速度传感器、位置传感器等。在一些实施例中，电池包50包括收发器。在一些实施例中，电池包收发器与动力工具10中的收发器326或外部装置338无线通信。在一些实施例中，外部装置338向动力工具10传达比如电池包配置数据等数据。例如，电池包50中的收发器可以向外部装置338传达电池包配置数据，并且外部装置338可以向动力工具10中的收发器326传达电池包配置数据。
通信网络334在燃气发动机替换装置10、外部装置338、以及外部传感器340之间提供有线或无线连接。通信网络334可以包括短程网络，例如BLUETOOTH(蓝牙)网络、Wi-Fi网络等，或者远程网络，例如因特网、蜂窝网络等。
如图9中所示，指示器330也联接到电子处理器302并且接收来自电子处理器302的控制信号，以基于燃气发动机替换装置10的不同状态开启和关闭或以其他方式传送信息。指示器330包括例如一个或多个发光二极管(“LED”)或显示屏。指示器330可以被配置为显示燃气发动机替换装置10的状况或与燃气发动机替换装置相关联的信息。例如，指示器330被配置为指示燃气发动机替换装置10的测得电特性、燃气发动机替换装置10的状态、燃气发动机替换装置10的模式等。指示器330还可以包括通过听觉或触觉输出向用户传送信息的元件。在一些实施例中，指示器330包括eco指示器，该指示器指示负载在操作期间使用的电力量。
图9中简化了燃气发动机替换装置10的部件之间所示的连接。实际上，燃气发动机替换装置10的布线更加复杂，因为燃气发动机替换装置的部件通过数条用于电力和控制信号的线相互连接。例如，电力开关网络310的每个FET通过控制线分别连接到电子处理器302；电力开关网络310的每个FET连接到马达36的端子；从电池包50到电力开关网络310的电力线包括正极线和负极线/地线；等。另外，电力线可以具有大的规格/直径，以处理增大的电流。此外，尽管未示出，但是附加的控制信号线和电力线用于互连燃气发动机替换装置10的附加部件。
在一些实施例中，电池包50包括电子处理器336、存储器339和一个或多个电池传感器341。存储器339包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、其他非暂时性计算机可读介质、或它们的组合。电子处理器336被配置为与存储器339通信以存储数据和检索存储的数据。电子处理器336被配置为从存储器339接收指令和数据并且执行指令等。特别地，电子处理器336执行存储在存储器339中的指令，以执行本文描述的电池控制功能。电池传感器341提供与电池包50相关联的信息，比如温度、充电阶段、放电速率等。传感器341可以向电子处理器336提供信息，该电子处理器可以例如将传感器数据存储在存储器339中，分析信息并采取响应行动，或者两者兼有。在一些实施例中，存储器339存储电池配置数据，比如，最大放电电流、年限参数(例如，制造商日期或充电/放电循环次数)等。在一些实施例中，可以非数字地确定电池配置数据，比如通过读取或确定与电池包50相关联的电容、电阻、电感、磁场强度等的值来非数字地确定电池配置数据，该值可以由燃气发动机替换装置10确定。
电池包50中的电子处理器336与燃气发动机替换装置10中的电子处理器302通信，以交换与电池包50相关联的配置数据和状态数据。在一些实施例中，配置数据包括与电池包相关联的最大放电电流。在一些实施例中，电子处理器336还向电子处理器302传达与电池包50相关联的状态数据，比如年限、充电状态、放电速率等。电池包50中的电子处理器336可以通过有线接口或无线接口与燃气发动机替换装置中的电子处理器302通信。
电池包50具有影响其供电能力的特定单体布置。在推荐操作温度下，不同的单体类型可以提供不同的电流水平。例如，“30T”单体可能能够通过特定气流设计在电池包50中以30A持续放电，该特定气流设计在低于电池包50的最大允许温度的温度下达到热平衡。“40T”单体可能仅能够在类似设计中以25A放电。如果燃气发动机替换装置10针对30A放电进行优化，那么它可能在类似的使用情况下在具有“40T”的电池包50中导致过温状况，而没有对单体内所有可用能量放电。如果达到过温状况，电池包50中的电子处理器336将发出故障状况信号并中断电力，直到电池包50冷却到可接受的温度，然后才可以获取电池包50中的剩余电荷。替代性地，如果燃气发动机替换装置10针对25A放电进行优化，那么燃气发动机替换装置10将在较低且潜在地不太优选的操作负载点下操作，这可能导致燃气发动机替换装置10的功能以较慢的速率或较低的效率完成。
图10是用于图1的燃气发动机替换装置10中的电池包配置控制的示例方法400的流程图。在框405处，检测电池包50的连接或***。在一些实施例中，电池包50中的电子处理器336检测电池包50的连接，而在其他实施例中，燃气发动机替换装置10中的电子处理器302检测电池包50的连接。在一些实施例中，电池包50的连接由电子处理器336或电子处理器302通过以下方式检测：(a)使用来自电子处理器336和电子处理器302中的另一者的有线通信，或者(b)硬件检测电路，该硬件检测电路检测或测量(例如，在端子66或78处的)电阻或电压高于某个阈值的改变，并且向电子处理器336或电子处理器302提供信号。
在框410处，向燃气发动机替换装置10传达电池包配置数据。在一些实施例中，电池包50中的电子处理器336响应于在框405处检测到连接而广播电池包配置数据。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10中的电子处理器302响应于在框405处检测到电池包50的***而轮询电池包50以检索电池包配置数据。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10中的电子处理器302直接从电池包50中的存储器339读取电池包配置数据。在燃气发动机替换装置10中的电子处理器302直接从电池包50中的存储器339读取电池包配置数据的实施例中，可以省略电池包50中的电子处理器336。在一些实施例中，可以测量或推断电池包配置数据参数中的一个或多个电池包配置数据参数。例如，包括使电流脉冲化和响应于脉冲而测量电池包50中的电压降或电阻的技术可以用于测量电池包配置参数。
在接收时，燃气发动机替换装置10将电池包配置数据存储在存储器306中。在一些实施例中，电池包配置数据包括比如单体尺寸、单体最高温度、最大放电电流、最小操作速度等参数。电池包配置数据可以在制造时被写入电池包50的存储器339，或者在定期服务或校准间隔期间由经认证的服务中心重写。在一些实施例中，最大放电电流代表电池包50可以在没有热过载发生的情况下直到完全放电提供的最大电流。
在框412处，燃气发动机替换装置10的电子处理器302根据从电池包50接收的电池包配置数据操作马达36。例如，电子处理器302可以使用考虑最大放电电流的马达控制算法来控制马达36，以确保从电池包50汲取的电流不超过指定的最大放电电流。在一些实施例中，电流传感器318测量电流参数，比如，马达电流，并且被电子处理器302用来估计放电电流。在一些实施例中，电流传感器318直接监测从电池包50汲取的电流作为电流参数。在一些实施例中，电池传感器341测量电池电流作为电流参数。在一些实施例中，通过测量马达反电动势信号(比如，来自转子位置传感器314的输出)或者通过测量马达36两端的电压降，间接地测量马达电流。
在一些实施例中，电子处理器302可以通过以100％PWM操作马达(即，使用具有100％PWM占空比的控制信号来控制电力开关网络310的开关)来初始化马达控制算法，同时监测从电池包50汲取的电流，该电流与电池包配置数据中指定的最大放电电流进行比较。如果来自电池包50的电流达到最大放电电流，那么电子处理器302可以减小PWM参数，从而与100％PWM操作相比降低了消耗的电流。电子处理器302可以继续减小PWM参数，直到达到最小装置操作设定或0％PWM。以这种方式，电子处理器302可以产生操作曲线，该操作曲线将PWM参数与燃气发动机替换装置10的当前周围环境下汲取的电流相关联。在一些实施例中，电子处理器302在存储器306中存储基于最大放电电流确定的PWM参数上限。电子处理器302可以基于PWM参数上限控制燃气发动机替换装置10的操作，而无需连续监测从电池包50汲取的电流。在一些实施例中，电子处理器302可以连续监测从电池包50汲取的电流，将测量的电流与最大放电电流进行比较，并且响应于该电流超过最大放电电流而减小PWM参数，比如，驱动电力开关网络310的信号的占空比。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10中的电子处理器302所使用的控制算法可以采用预定操作参数，比如，PWM参数上限，这些预定操作参数是根据电池包配置数据(比如，单体尺寸、单体最高温度、最大放电电流、放电状态等)来定义的。例如，可以使用将各种电池包配置数据映射到相关联的PWM极限的查找表。
在一些实施例中，方法400在框412处结束，并且不执行剩余的步骤。在其他实施例中，该方法进行到框415。
在框415处，电池包50中的电子处理器336监测电池包状况。在一些实施例中，电池包状况包括温度参数。在一些实施例中，电池包状况包括电池包的容量改变速率或燃气发动机替换装置10的电力使用情况。与电池包50相关联的最大放电电流通常是基于关于电池包50在操作期间的热状况的某些假设(比如，用于冷却电池包50的气流设计)来设定的。在某些状况下，冷却可能会受到影响，或者环境温度可能会升高，使得实际操作状况与假设不同。结果，即使燃气发动机替换装置10没有超过最大放电电流，电池包50的温度也可能接近故障阈值。在一些实施例中，最大放电电流可以是基于电池包50的假设放电速率来设定的。例如，可以假设电池包50能够在已知时间段内以最大放电电流输送电力，从而定义放电速率。电池电荷放电的实际速率可能因比如温度或其他因素等状况而不同。在一些实施例中，电池包50中的电子处理器336监测电池包放电速率作为电池包状况。
在框420处，电池包50中的电子处理器336确定电池包50的状况是否违反阈值。例如，由电池传感器341测量的电池包50的温度可以超过阈值，或者电池包耗损速率可以超过阈值。在一些实施例中，阈值被设定为低于会导致电力中断的故障阈值的水平。
如果在框420处违反阈值，那么电池包50中的电子处理器336修订电池包配置数据。例如，可以降低电池包50的最大放电电流。在省略电池包50中的电子处理器336的实施例中，燃气发动机替换装置10中的电子处理器302可以从电池传感器341接收数据，在框420处确定电池包50的状况是否违反阈值，并修订电池包配置数据。
在框425处，向燃气发动机替换装置10传达经修订的电池包配置数据。在一些实施例中，电池包50中的电子处理器336将经修订的电池包配置数据推送到燃气发动机替换装置10中的电子处理器302。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10中的电子处理器302以规则的间隔或在操作循环之间轮询电池包50，以识别电池包配置数据的任何改变。在省略电池包50中的电子处理器336的实施例中，电子处理器302修订电池包配置数据。
在一些实施例中，在接收到经修订的电池包配置数据时，电子处理器302将经修订的电池包配置数据(例如，被更新或覆写先前的电池包配置数据)存储在存储器306中，从而修订其控制算法。例如，经修订的最大放电电流可以存储在存储器306中。在一些实施例中，可以重复上述PWM初始化程序以产生新的PWM极限，或者可以基于经修订的电池包配置数据来访问查找表。在稍后的时间点，比如，在电池包50的温度已降低到较低水平之后，电池包50中的电子处理器336可以再次修订电池包配置数据以增大最大放电电流。以这种方式，与电池包50相关联的最大放电电流可以基于燃气发动机替换装置10的实际操作环境来动态地控制。
该方法接着返回到框412，在此电子处理器302根据在框425处修订的电池包配置数据(即，根据经修订的电池包配置数据)来操作马达。
由燃气发动机替换装置10驱动的上述机械***包括许多优于由内燃发动机驱动的传统设备的优点，其中一些将在下面讨论。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以与新设备配合，并且存储器306可以被重新编程以优化燃气发动机替换装置10以便与新设备一起操作。在一些实施例中，电子处理器302自动地识别燃气发动机替换装置10已经配合的新设备的类型，并且相应地管控燃气发动机替换装置10的操作。在一些实施例中，电子处理器302可以经由与新设备的射频识别(RFID)通信来自动地检测燃气发动机替换装置10已经与哪个设备配合。
在一些实施例中，存储器306可经由BLUETOOTH或Wi-Fi通信协议重新编程。在一些实施例中，电子处理器302具有用于同一设备的不同用途的控制模式。控制模式可以是预设的或用户可编程的，并且可以经由BLUETOOTH或Wi-Fi远程编程。在一些实施例中，电子处理器302利用主/从设备到设备的通信和协调，使得燃气发动机替换装置10可以对设备施加单向控制，或者操作者可以使用智能手机应用程序对燃气发动机替换装置10施加单向控制。
在一些实施例中，允许操作者或原始设备制造商(OEM)通过电子处理器302经由例如类似控制器局域网(CAN)的接口来有限地控制燃气发动机替换装置10的速度。在一些实施例中，与汽油发动机相比，电子处理器302能够利用齿轮系110中的单个齿轮组进行更宽范围的速度选择。例如，控制电子器件42被配置为以小于2,000RPM(其低于汽油发动机能够达到的任何速度)驱动马达36，这样相比于汽油发动机允许相关设备在电池包50完全放电时具有更长的总运转时间。此外，控制电子器件42被配置为以高于3,600RPM(其高于汽油发动机能够达到的任何速度)驱动马达，并且具有传递更大扭矩的能力。相比于汽油发动机，马达36的较宽速度范围提供了更高的效率和能力。在一些实施例中，除了速度之外，操作者还可以控制由马达36汲取的电流。
在一些实施例中，电子处理器302被配置为记录和报告数据。例如，电子处理器302被配置为提供有线或无线诊断，以用于监测和读取燃气发动机替换装置10的状态。例如，电子处理器302可以例如在租赁的情况下监测和记录燃气发动机替换装置10运转时间。在一些实施例中，马达36和电子处理器302使用再生制动来给电池包50充电。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括用于灯或附件的DC输出(未示出)。在一些实施例中，电子处理器302可以经由电压、电流、运动、速度和/或热电偶来检测燃气发动机替换装置10的异常或故障。在一些实施例中，电子处理器302可以检测燃气发动机替换装置10的非预期使用或停止。如果由燃气发动机替换装置10驱动的设备没有以预期的特性运行或没有正确或安全地使用，则电子处理器302可以检测到异常并且停用燃气发动机替换装置10。例如，燃气发动机替换装置10可以包括一个或多个加速度计，以感测燃气发动机替换装置10和设备是否处于预期取向。而且，如果电子处理器302确定燃气发动机替换装置10没有处于预期取向(即，设备已经翻倒)，则电子处理器302可以停用燃气发动机替换装置10。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10包括可触及的传感器端口(未示出)，以与用户选择的用于动力设备一起使用的传感器(比如加速度计、陀螺仪、GPS单元或实时时钟)电连接，从而允许操作者定制由电子处理器302感测和检测的变量。在一些实施例中，电子处理器302可以经由视觉、听觉或触觉通知向操作者指示电池包50的状态，比如当电池电量低时。在一些实施例中，电子处理器302可以操作与马达36分开的辅助马达来驱动辅助装置，比如绞盘。辅助马达可以在燃气发动机替换装置10的内部或外部。
在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以包括可定制用户接口上的数字控制件，比如触摸显示器、或旋钮和按钮的组合。相比之下，模拟汽油发动机不包括这种数字控制件。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10的用户接口可以是模块化的、有线的或无线的，并且可以是可附接到燃气发动机替换装置10的或是手动握持的。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以用远程控制件控制，该远程控制件包括用于燃气发动机替换装置10的某些特性(比如电池包50的荷电、以及温度)的状态指示器。在一些实施例中，燃气发动机替换装置10可以用远程可编程装置提供状态指示。
图11和图12展示了由实施上述方法400的燃气发动机替换装置10驱动的动力设备的示例。图11展示了泵***1100，该泵***包括支撑燃气发动机替换装置10的框架1102、以及泵1104，其中燃气发动机替换装置10可操作以驱动泵1104。所展示的泵1104是离心泵，该泵具有定位在泵1104的壳体1106内的叶轮，该叶轮可围绕轴线旋转，以将材料从泵1104的入口1108移动到泵1104的出口1110。图12展示了搅拌***1200，该搅拌***包括支撑燃气发动机替换装置10的框架1205、以及搅拌鼓1210，其中燃气发动机替换装置10可操作以使搅拌鼓1210旋转。

Claims (20)

1.一种燃气发动机替换装置，包括：
壳体；
电池插座，该电池插座联接到该壳体并且被配置为可移除地连接到电池包，该电池包具有存储电池包配置数据的存储器；
马达，该马达位于该壳体内；
动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；
电力开关网络，该电力开关网络被配置为选择性地将电力从该电池包提供给该马达；以及
第一电子处理器，该第一电子处理器连接到该电力开关网络并且被配置为控制该电力开关网络以使该马达旋转，该第一电子处理器被配置为：
响应于该电池包与该电池插座的连接而接收该电池包配置数据；并且
基于该电池包配置数据控制该电力开关网络。
2.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，
该第一电子处理器被配置为从该存储器读取该电池包配置数据。
3.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，
该电池包配置数据包括最大放电电流，并且
该第一电子处理器被配置为基于该最大放电电流控制用于控制该电力开关网络的脉宽调制参数。
4.如权利要求3所述的燃气发动机替换装置，其中，
该第一电子处理器被配置为基于该最大放电电流产生该脉宽调制参数的上限；并且
基于该脉宽调制参数的上限控制该电力开关网络。
5.如权利要求3所述的燃气发动机替换装置，包括：
电流传感器，该电流传感器被配置为测量电流参数，其中，
该电流参数包括电池电流或马达电流中的至少一者，并且
该第一电子处理器被配置为基于该电流参数和该最大放电电流控制用于控制该电力开关网络的该脉宽调制参数。
6.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，
该电池包包括第二电子处理器，该第二电子处理器被配置为：
从该存储器读取该电池包配置数据；并且
向该第一电子处理器传达该电池包配置数据。
7.如权利要求1所述的燃气发动机替换装置，其中，
该电池包包括第二电子处理器，该第二电子处理器被配置为：
监测该电池包的状况；并且
响应于该状况违反阈值而向该第一电子处理器传达经修订的电池包配置数据，并且
该第一电子处理器被配置为：
基于该经修订的电池包配置数据控制该电力开关网络以使该马达旋转。
8.一种燃气发动机替换装置，包括：
壳体；
电池插座，该电池插座联接到该壳体并且被配置为可移除地连接到包括第一电子处理器的电池包；
马达，该马达位于该壳体内；
动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；
电力开关网络，该电力开关网络被配置为选择性地将电力从该电池包提供给该马达；以及
第二电子处理器，该第二电子处理器连接到该电力开关网络并且被配置为控制该电力开关网络以使该马达旋转，
其中，该第一电子处理器或该第二电子处理器中的一者被配置为检测该电池包与该电池插座的连接，并且作为响应，该第一电子处理器被配置为向该第二电子处理器传达电池包配置数据，并且
其中，该第二电子处理器被配置为基于该电池包配置数据控制该电动马达。
9.如权利要求8所述的燃气发动机替换装置，其中，
该电池包包括被配置为存储该电池包配置数据的存储器，并且
该第二电子处理器被配置为从该存储器读取该电池包配置数据。
10.如权利要求8所述的燃气发动机替换装置，其中，
该电池包配置数据包括最大放电电流，并且
该第二电子处理器被配置为基于该最大放电电流控制用于控制该电力开关网络的脉宽调制参数。
11.如权利要求10所述的燃气发动机替换装置，其中，
该第二电子处理器被配置为：
基于该最大放电电流产生该脉宽调制参数的上限；并且
基于该脉宽调制参数的上限控制该电力开关网络。
12.如权利要求11所述的燃气发动机替换装置，进一步包括：
电流传感器，该电流传感器被配置为测量电流参数，其中，该电流参数包括电池电流或马达电流中的至少一者，并且
该第二电子处理器被配置为基于该电流参数和该最大放电电流控制用于控制该电力开关网络的该脉宽调制参数。
13.如权利要求8所述的燃气发动机替换装置，其中，
该第一电子处理器被配置为：
监测该电池包的状况；并且
响应于该状况违反阈值而向该第二电子处理器传达经修订的电池包配置数据；并且
该第二电子处理器被配置为：
基于该经修订的电池包配置数据控制该电力开关网络以使该马达旋转。
14.一种用于操作燃气发动机替换装置的方法，该燃气发动机替换装置包括：壳体；电池插座，该电池插座联接到该壳体并且被配置为可移除地连接到电池包，该电池包具有存储电池包配置数据的存储器；马达，该马达位于该壳体内；动力输出轴，该动力输出轴接收来自该马达的扭矩并且从该壳体的一侧突出；电力开关网络，该电力开关网络被配置为选择性地将电力从该电池包提供给该马达；以及第一电子处理器，该第一电子处理器连接到该电力开关网络并且被配置为控制该电力开关网络以使该马达旋转，该方法包括：
通过该第一电子处理器，响应于该电池包与该电池插座的连接而接收该电池包配置数据；以及
通过该第一电子处理器，基于该电池包配置数据控制该电力开关网络。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：
通过该第一电子处理器，从该存储器读取该电池包配置数据。
16.如权利要求14所述的方法，其中，该电池包配置数据包括最大放电电流，并且该方法进一步包括：
通过该第一电子处理器，基于该最大放电电流控制用于控制该电力开关网络的脉宽调制参数。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
通过该第一电子处理器，基于该最大放电电流产生该脉宽调制参数的上限；以及
通过该第一电子处理器，基于该脉宽调制参数的上限控制该电力开关网络。
18.如权利要求16所述的方法，其中，该燃气发动机替换装置进一步包括电流传感器，该电流传感器被配置为测量电流参数，该电流参数包括电池电流或马达电流中的至少一者，并且该方法进一步包括：
通过该第一电子处理器，基于该电流参数和该最大放电电流控制用于控制该电力开关网络的该脉宽调制参数。
19.如权利要求14所述的方法，其中，该电池包包括第二电子处理器，并且该方法进一步包括：
通过该第二电子处理器，从该存储器读取该电池包配置数据；以及
通过该第二电子处理器，向该第一电子处理器传达该电池包配置数据。
20.如权利要求14所述的方法，其中，该电池包包括第二电子处理器，并且该方法进一步包括：
通过该第二电子处理器，监测该电池包的状况；以及
通过该第二电子处理器，响应于该状况违反阈值而向该第一电子处理器传达经修订的电池包配置数据，以及
通过该第一电子处理器，基于该经修订的电池包配置数据控制该电力开关网络以使该马达旋转。
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