快速充电电池组

本申请要求于2018年5月30日提交的申请号为62/678,050的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于电气设备(诸如电动工具)的电池组，并且更具体地涉及能够快速充电的这种电池组。

背景技术

与类似的有线电气设备相比，无线电气设备(例如，电气设备，诸如电动工具，户外工具，其他机动设备，非机动设备等)具有有限的运行时间。无线电气设备的运行时间通常取决于相关电池组的容量(安培-小时(Ah))。电池组的容量取决于单独的电池单元的容量，以及这些电池单元的数量和配置。例如，“5S1P”电池组包括一串五个串联连接的电池单元。对于具有约1.3Ah的容量的电池单元，5S1P电池组的容量为约1.3Ah。“5S2P”电池组(其具有两个并联连接的、五个串联连接的电池单元的串)的容量为约2.6Ah。“5S3P”电池组(其具有三个并联连接的、五个串联连接的电池单元的串)的容量为约3.9Ah。1P，2P和3P电池组的容量将基于单独的电池单元的容量而变化。

电池组的充电时间通常取决于由充电器提供(并由电池组接收)的电流量、电池单元的容量，以及电池组的整体容量。例如，由提供3安培(A)的充电电流的充电器对包括具有容量为1.3Ah的电池单元的电池组充电需要大约35分钟至40分钟才能达到完全充电。电池单元的容量越高，对电池组完全充电的充电时间越长。在相同的3A充电电流下，3.9Ah电池组需要大约75分钟至80分钟才能达到完全充电。

尽管可能期望增加充电电流以减少对具有较高容量的电池单元的电池组充电的时间(例如，为具有在约3Ah和约4Ah之间的容量的电池单元的电池组提供在约6A和约18A之间的充电电流)，但是电池组的部件(例如，印刷电路板(PCB)，保险丝，场效应晶体管(FET))可能无法在不产生不利影响(例如过度加热，磨损，不可逆转的损坏等)的情况下处理增加的电流(例如，大于约6A)。因此，可能需要具有能够处理在大于约6A至约18A或更高的范围内的充电电流的充电电路和部件的电池组。

发明内容

一个实施例提供了一种电池组，其包括壳体，由壳体支撑的多个电池单元，以及端子块。端子块被配置为联接至电动工具，以向电动工具提供来自多个电池单元的操作电力。端子块具有正电源端子，充电端子和接地端子。电池组还包括充电电路，其设置在充电端子与多个电池单元之间。充电电路被配置为在充电期间接收并向多个电池单元传输大于12安培的充电电流。充电电路包括充电开关，以及连接在充电端子和充电开关之间的保险丝。

在一些构造中，充电开关可包括N-沟道FET。保险丝可具有至少约8A的额定电流；在一些构造中，保险丝可具有约20A的额定电流。电池组可包括电子控制器，该控制器被配置为控制FET以选择性地将充电端子连接至电池单元。

另一实施例提供了一种电池组充电系统，其包括充电器，其被配置为提供在约6安培和约20安培之间的充电电流，以及电池组，其可以可拆卸地连接至充电器并被配置为由充电器充电。电池组包括多个电池单元及端子块。端子块被配置为联接至电动工具，以向电动工具提供来自多个电池单元的操作电力。端子块具有正电源端子，充电端子和接地端子。电池组还包括充电电路，其设置在充电端子与多个电池单元之间。充电电路被配置为在充电期间接收并向多个电池单元传输大于12安培的充电电流。充电电路包括充电开关，以及连接在充电端子和充电开关之间的保险丝。

通过考虑以下详细描述和附图，本发明的其他独立方面将变得显而易见。

附图说明

图1A至图1E是用于电气设备(诸如电动工具，户外工具，其他机动设备，非机动设备等)的电池组的透视图。

图2是连接到快速充电电池充电器的电池组的框图。

图3是电池组的充电电路的框图。

图4是图3的充电电路位于电池组的电路板上的示意性示图。

图5是示出启用电池组的快速充电的方法的流程图。

图6是示出停用电池组的快速充电的方法的流程图。

图7是电池组的充电电路的框图。

图8是电池组的充电电路的框图。

图9是示出图7的充电电路位于电池组的电路板上的示意图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何独立实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。本发明能够具有其他独立实施例，并且能够以各种方式实践或实施。另外，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。

如本文所用，“包括”和“包含”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。如本文所用，“由…组成”及其变型的使用意味着仅涵盖其后列出的项目及其等同物。

本领域普通技术人员将理解，结合数量或条件使用的相对术语(例如，“约”，“大约”，“大体上”等)为包括所述值并且具有上下文所指示的含义(例如，该术语至少包括与特定值的测量相关的误差程度，与特定值相关的公差(例如制造，组装，使用)等)。这种术语也应被视为公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“从约2至约4”也公开了范围“从2至4”。

相对术语可指代所指示的值的加或减一定百分比(例如1％，5％，10％或更多)。例如，在10％的范围内，“约20伏”可以表示18伏(V)至22V的范围，并且“约1％”可以表示从0.9-1.1。相对术语的其他含义可从上下文中显而易见(例如四舍五入)，因此，例如“约20V”也可能表示从19.5V至20.4V。

此外，本文描述为由一个部件执行的功能可以由多个部件以分布式方式执行。同样，由多个部件执行的功能可以合并并由单个部件执行。类似地，被描述为执行特定功能的部件也可以执行本文未描述的附加功能。例如，以某种方式“配置”的设备或结构至少以这种方式配置，但是也可以未列出的方式配置。

此外，本文描述的一些实施例可以包括一个或多个电子处理器，其被配置为通过执行存储在非暂时性计算机可读介质中的指令来执行所描述的功能。类似地，本文描述的实施例可被实现为存储可由一个或多个电子处理器执行以执行所描述的功能的指令的非暂时性计算机可读介质。如本申请中所使用的，“非暂时性计算机可读介质”包括所有计算机可读介质，但是不包括暂时性的传播信号。因此，非暂时性计算机可读介质可以包括例如硬盘，CD-ROM，光存储设备，磁存储设备，ROM(只读存储器)，RAM(随机存取存储器)，寄存器存储器，处理器高速缓存或其任何组合。

所描述的许多模块和逻辑结构能够以由微处理器或类似设备执行的软件来实现，或者能够使用包括例如专用集成电路(“ASIC”)的各种部件以硬件来实现。诸如“控制器”和“模块”的术语可以包括或指代硬件和/或软件。大写的术语符合惯例，并有助于使描述与编码示例，方程式和/或附图相关联。但是，没有仅仅因为使用大写字母就暗示了特定的含义，或者不应仅由于使用了大写就推断出特定的含义。因此，权利要求不应限于特定的示例或术语，或任何特定的硬件或软件的实施方式或软件或硬件的组合。

图1A至图1E示出了可操作以为无线电气设备(例如，电气设备，诸如电动工具，户外工具，其他机动设备，非机动设备等)供电的电池组10的几个实施例。图1A示出了具有“5S3P”配置(具有三个并联连接的、五个串联连接的电池单元的串)的电池组10A，图1B示出了具有“5S2P”配置(具有两个并联连接的、五个串联连接的电池单元的串)的电池组10B，并且图1C示出了具有“5S1P”配置(一串五个串联连接的电池单元)的电池组10C。在于2017年7月25日提交的申请号为62/536,807的美国临时专利申请、于2017年10月11日提交的申请号为62/570，828的题为“HIGH POWER BATTERY-POWERED SYSTEM”的美国临时专利申请以及于2018年7月25日提交的申请号为16/045,513的美国专利申请中描述和示出了类似的电池组，其全部内容都通过引用并入本文。

图1D示出具有“20S1P”配置(一串二十个串联连接的电池单元)的电池组10D，并且图1E示出了具有“20S2P”(具有两个并联连接的、二十个串联连接的电池单元的串)的电池组10E。在于2017年6月30日提交的申请号为62/527,735的题为“HIGH POWER BATTERY-POWERED SYSTEM”的美国临时专利申请以及在于2018年7月2日提交的申请号为16/025,491的美国专利申请中描述和示出了类似的电池组，其全部内容都通过引用并入本文。

电池组10包括具有标称电压(例如，在约3伏(V)和约5V之间)和标称容量(例如，在约3安培-小时(Ah)和约5Ah或更多(例如，高达约9Ah)之间)的电池单元14。电池单元可以是任何可再充电电池单元化学类型，例如锂(Li)，锂离子(Li-ion)，其他锂基的化学物质，镍镉(NiCd)，镍金属氢化物(NiMH)等。

电池组10包括电池单元14的多个布置，以提供期望的输出(例如，标称电压，容量等)。在图1A至图1C中，电池组10A-10C具有在约16V和约21V之间的标称电压，并且电池组10A的容量是电池组10C的容量的大约三倍(例如，相较于约3Ah，约9Ah)。在图1D至图1E中，电池组10D-10E具有在约72V和约84V之间的标称电压，并且电池组10E的容量是电池组10D的容量的大约两倍(例如，相较于约3Ah，约6Ah)。

图2是示出联接至充电器18的电池组10的框图。电池组10包括电池单元14，电池控制器22，模拟前端(AFE)26，充电场效应晶体管(FET)30，正电池端子34，正充电端子38和接地端子42。

正电池端子34和接地端子42联接到动力电气设备的相应电源端子，以向电气设备提供操作电力。正充电端子38和接地端子42联接到充电器18的相应充电端子，以从充电器18接收充电电流。充电FET 30联接在正充电端子38和电池单元14之间，以选择性地向电池单元14提供充电电流。

电池控制器22控制充电FET 30断开或闭合。当充电FET 30断开时，电池单元14与充电器18断开连接，并因此不接收充电电流。当充电FET 30闭合时，电池单元14连接到充电器18，并因此接收充电电流。AFE 26独立地监测和平衡电池单元14，并且向电池控制器22提供操作电力。

图3示出了在电池组10中实现的充电电路50的一个示例性实施例。所示的充电电路50包括充电FET 30，栅极驱动器54和保险丝58。在所示的示例中，充电FET 30包括40V N-沟道功率MOSFET，例如，由德州仪器公司(TI)制造的40V N-沟道功率NexFET

充电FET 30的漏极D通过保险丝58联接到充电端子38。充电FET 30的源极S联接到电池单元14，并且具体地联接到一串或更多串电池单元14的最正(most positive)的端子。充电FET 30的源极S也联接到栅极驱动器54的源极输入。充电FET 30的栅极G联接到栅极驱动器54的栅极输出。如上所述，充电FET 30选择性地将充电器18联接到电池单元14。

栅极驱动器54用于驱动充电FET 30。在一个示例中，栅极驱动器54是由麦克雷尔公司(Micrel)制造的超小型低侧MOSFET驱动器MC5060。如上所述，栅极驱动器54的源极输入联接到充电FET 30的源极S，并且栅极驱动器54的栅极输出联接到充电FET 30的栅极G。栅极驱动器54在正电源输入V+处从电池单元14接收操作电力。栅极驱动器54从电池控制器22接收控制输入CHG EN。电池控制器22通过控制输入CHG EN向栅极驱动器54提供控制信号以断开或闭合充电FET 30。响应于从电池控制器22接收的控制信号，栅极驱动器54断开或闭合充电FET 30以选择性地将充电器18连接到电池单元14。

第一开关62联接在电池单元14和电源输入V+之间。第一开关62的漏极联接到电池单元14，并且第一开关62的源极联接到电源输入V+。第一开关62的栅极由第二开关66控制，并且第二开关66的栅极由电池控制器22使用控制信号CHG FET来控制。电池控制器22将控制信号CHG FET设置为逻辑高(logical high)以闭合第二开关66，并且将控制信号CHG FET设置为逻辑低(logical low)以断开第二开关66。当第二开关66闭合时，第一开关62闭合，并且当第二开关66断开时，第一开关62断开。

电容器70(例如，定时器电路)联接在正功率输入V+和接地之间。当启用第一开关62时，在控制栅极驱动器54断开充电FET 30之前，首先对电容器70充电。可以选择电容器70的电容值以控制电容器70达到完全充电的时间量(即，时间常数)。

充电器18被配置为提供在约6A和约20A之间的充电电流以对电池组10充电。充电器18可以提供与电池组10的配置相对应的充电电流。在一个实施例中，充电器18提供约6A的充电电流以对5S1P电池组10C(或20S1P电池组10D)充电，提供约12A的充电电流以对5S2P电池组10B(或20S2P电池组10E)充电，并提供约18A的充电电流以对5S3P电池组10A充电。

在一些实施例中，无论电池组10的配置如何，充电器18都可将最大充电电流限制为约13.5A。因此，充电器18向5S3P电池组10A提供约13.5A的最大充电电流。选择充电FET30和保险丝58以允许电池组10在高电流下快速充电，如上所述。所示的充电FET 30可被配置为处理40V的电压和大约20A或更大的最大电流。所示的保险丝58是例如8A保险丝，其被额定为允许13.5A的最大电流。在其他实施例中，保险丝58可以被额定(例如20A的保险丝)为处理更高的最大电流，例如，高达18A或20A。

图4示出了所示的充电电路50的部件在电池组10的印刷电路板74上的放置。充电FET 30，保险丝58和电容器70放置在端子块32(包括正电池端子34，充电端子38和接地端子42)的正后方(immediately behind)。

图5是用于启用电池组10的快速充电的示例性方法78的流程图。电池控制器22响应于检测到充电器18的连接而启用电池单元14的充电。所示的方法78包括使用电池控制器22控制第一开关62闭合(在框82)，第一开关62联接在电池单元14和栅极驱动器54的电源输入V+之间。电池控制器22通过将控制信号CHG FET设置为高来断开第一开关62。如上所述，控制信号CHG FET闭合第二开关66，其继而闭合第一开关62。当第一开关62闭合时，栅极驱动器54的电源输入V+联接到电池单元14，从而向栅极驱动器54提供操作电力供应。

方法78包括使用电池控制器22设置对应于使电容器70完全充电的时间的第一延迟定时器(在框86)，电容器70联接在电源输入V+和接地之间。通过设置与电容器70达到完全充电所花费的时间量相对应的定时器，电池控制器22等待电容器70达到完全充电。

方法78还包括当第一延迟定时器到期时，使用电池控制器22控制充电FET 30闭合(在框90)。电池控制器22在向控制输入CHG EN提供启用信号之前等待电容器70达到完全充电。响应于栅极驱动器54通过控制输入CHG EN接收到启用信号，栅极驱动器54控制充电FET30闭合以对电池单元14充电。

图6是用于停用电池组10的快速充电的示例性方法94的流程图。响应于例如检测到电池组10完全充电、由于故障状况而停用等，或响应于检测到充电器18与电池组10断开连接，电池控制器22停用电池单元14的充电。

所示的方法94包括使用电池控制器22控制充电FET 30断开(在框98)。电池控制器22向控制输入CHG EN提供停用信号。当栅极驱动器54通过控制输入CHG EN接收到停用信号时，栅极驱动器54控制充电FET 30断开以停用电池单元14的充电。

方法94包括使用电池控制器22设置第二延迟定时器，以确保充电FET 30完全闭合(在框102)。方法94还包括在第二延迟定时器到期时，使用电池控制器22控制第一开关62断开(在框106)，第一开关62联接在电池单元14和栅极驱动器54的电源输入V+之间。电池控制器22在停用栅极驱动器54之前等待充电FET 30完全闭合。当第二延迟定时器到期时，电池控制器22断开第二开关66以断开第一开关62。由此，电池控制器22停止向栅极驱动器54的电力供应。

图7示出了在电池组10中实现的充电电路110的一个示例性实施例。除了栅极驱动器54在充电FET 30的高侧(而不是在充电FET 30的低侧)以使得栅极驱动器54从充电端子38接收操作电力之外，所示的充电电路110类似于充电电路50。在所示的示例中，充电FET包括由英飞凌科技公司(Infineon Technologies)制造的200V 36A N-沟道MOSFETBSC320N20NS3。栅极驱动器54是由凌力尔特公司(Linear Technologies)制造的电涌保护器LTC4380CMS。

图8示出了在电池组10中实现的充电电路114的一个示例性实施例。所示的充电电路114包括第一充电FET 118，第二充电FET 122和保险丝58。在所示的示例中，第一充电FET118和第二充电FET 122包括40V P-沟道功率MOSFET，例如，由威世硅尼克斯公司(

每个充电FET 118、122的漏极D都通过保险丝58联接到充电端子38。每个充电FET118、122的源极S都联接到电池单元14，并且具体地联接到一串或更多串电池单元14的最正的端子。每个充电开关118、122的栅极G都联接到开关126。电池控制器22控制开关126断开和闭合充电FET 118、122。例如，电池控制器22断开开关126以断开充电FET 118、122，并闭合开关126以闭合充电FET 118、122。

图9示出了所示的充电电路114的部件在电池组10的印刷电路板74上的放置。充电FET 118、122和保险丝58放置在端子块32(包括正电池端子34，充电端子38和接地端子42)的正后方。

在其他构造(未示出)中，充电电路50、110、114可以不包括保险丝(诸如保险丝58)。在这种构造中，可以在FET(例如，FET 30或FET 118或FET 122)的两端测量电压，并且可以基于已知的内部电阻确定(例如，通过控制器22)通过FET的电流。如果计算的电流高于阈值，则FET可以断开。

因此，本发明尤其可以提供快速充电的电池组。

尽管已经参考某些优选实施例对本发明进行了详细描述，但是在所描述的本发明的一个或多个独立方面的范围和精神内存在各种变化和修改。

可以在权利要求中阐述本发明的一个或多个独立特征和/或独立优点。