一種電動工具及其控制方法

授權公告號：CN105227013B

授權公告日：2018.01.16

專利權人：南京德朔實業(yè)有限公司

發(fā) 明 人：付慧星

通常情況下，無開關調速功能的直流電動工具在匹配相應電池包使用時，輸出轉速為設定的數(shù)值考慮高切割效率和斷面質量的需求，通常希望工具的轉速高一些。在切割一些負載較大的直流電動工具上，使用放電能力偏低的電池包時，如果轉速設計過高，機器很容易進入過流保護或溫度保護狀態(tài)而停止工作，影響實際使用的連續(xù)性；使用放電能力較大的電池時，如果轉速設計較低，切割效率又偏低，沒有充分利用電池的能力。

發(fā)明內容：

為解決現(xiàn)有技術的不足，該發(fā)明的目的在于提供一種能夠識別不同電池包并根據(jù)它們供電能力控制電機轉速的電動工具。

為了實現(xiàn)上述目標，發(fā)明采用如下的技術方案：

一種電動工具，包括：工具主機以及多個為工具主機供電的電池包，工具主機包括：電機、控制器，控制器控制電機的轉動，在電機的電流超過控制器預設的電流保護閾值范圍時，控制器控制電機進行過流保護；電池包內包括多個電芯組，不同的電芯組串聯(lián)連接，電芯組包括一個以上的電芯單元，屬于同一個電芯組的電芯單元構成并聯(lián)；控制器至少包括一個能自動識別電池包的識別模塊、一個至少根據(jù)識別模塊識別結果驅動電機以與該識別結果對應的轉速進行輸出的驅動模塊。

電池包包括：一個能被識別的標簽，識別模塊包括：一個對電池包的標簽進行識別的識標單元。

識別模塊包括：一個對電池包的電量進行識別的電能識別單元。

識別模塊包括：一個對電池包中電能最低的一個電芯組的電能余量進行識別的最低電量識別單元。

識別模塊中包括多個能分別識別電池包多個不同屬性的子識別單元，還包括一個能將多個子識別單元的識別結果綜合為一個終端結果的終端輸出單元，控制器包括一個接收終端輸出單元的終端結果并使控制器根據(jù)該終端結果控制電機運行的主控模塊。

控制器包括：存儲有驅動參數(shù)以及驅動參數(shù)與終端結果構對應關系的數(shù)據(jù)存儲單元。

子識別單元包括：識標單元、電能識別單元和最低電量識別單元中的一個或幾個；識標單元對電池包的標簽進行識別；電能識別單元對電池包的電能余量進行識別；最低電量識別單元對電池包中電能最低的一個電芯組的電能余量進行識別。

電池包包括：一個能在電池包電連接至工具主機時對電池包的每個電芯組均進行檢測的自檢模塊。還包括：能檢測電池包溫度并存儲有溫度數(shù)據(jù)的溫度檢測模塊，控制器包括一個能根據(jù)溫度檢測模塊檢測結果和溫度數(shù)據(jù)進行溫度控制的溫度控制模塊，溫度控制模塊與溫度檢測模塊構成通訊連接，溫度控制模塊將溫度檢測模塊檢測到的溫度和存儲在其中的溫度數(shù)據(jù)中的最高溫度閾值進行對比，如果溫度大于最高溫度閾值則控制驅動模塊使電池包停止為電機供電，如果溫度小于最高溫度閾值則將溫度增加的斜率與溫度數(shù)據(jù)中的安全溫升斜率進行比較，并根據(jù)比較結果在電流保護閾值范圍內增加或減小電機的電流。

發(fā)明還提出一種電動工具的控制方法，電動工具，包括：工具主機以及多個為工具主機供電的電池包，工具主機包括：電機、控制器，控制器控制電機的轉動，在電機的電流超過控制器預設的電流保護閾值范圍時，控制器控制電機進行過流保護；電池包內包括多個電芯組，不同的電芯組串聯(lián)連接，電芯組包括一個以上的電芯單元，屬于同一個電芯組的電芯單元構成并聯(lián)；控制器至少包括一個能自動識別電池包的識別模塊、一個至少根據(jù)識別模塊識別結果驅動電機以與該識別結果對應的轉速進行輸出的驅動模塊 ；

控制方法包括：識別模塊對連接到工具主機的電池包進行識別，識別模塊根據(jù)識別模塊的識別結果驅動電機以對應該識別結果的轉速進行轉動。

發(fā)明的有益之處在于：通過識別電池包的硬件參數(shù)和電量情況，在使用不同的電池包時對電機的轉速實現(xiàn)差異化控制，在保證轉速能良好的工具效果的同時保證工具持續(xù)安全的使用。

具體實施方式：

如圖1所示，發(fā)明的電動工具100包括：工具主機10和電池包20，需要說明的是，為了使工具主機10通過更換不同的電池包20持續(xù)工作或適應不同使用時長的需求，電動工具100可以具有多個不同的電池包20。圖1所示電動工具100優(yōu)選為一種修枝機。

如圖2至圖3所示，工具主機10包括：電機（圖中未示出）、控制器（圖中未標識）。

控制器控制電機的轉動，在電機的電流超過控制器預設的電流保護閾值范圍時，控制器控制電機進行過流保護。

電池包20內包括多個電芯組201，不同的電芯組201串聯(lián)連接，電芯組201包括一個以上的電芯單元201a，屬于同一個電芯組201的電芯單元201a構成并聯(lián)。

為了實現(xiàn)電機轉速的差異化控制，控制器至少包括一個能自動識別電池包20的識別模塊11、一個至少根據(jù)識別模塊11識別結果驅動電機以與識別結果對應的轉速進行輸出的驅動模塊12。

這種識別主要是通過對電池包20硬件參數(shù)或/和電參數(shù)讀取進而反映出電池包20所能提供的電能的差異，使控制器根據(jù)實際情況差異化的控制電機的運行，進而使電動工具100在保證安全的情況下能在盡可能大的轉速下持續(xù)運行。

需要說明的一點是，這里能被識別的電量差異并不局限于不同電池包20因硬件而帶來的差異，還包括同一電池包20在不同狀態(tài)下所帶來的電以及其他參數(shù)的差異。

作為優(yōu)選方案，電池包20包括：一個能被識別的標簽21，識別模塊11包括：一個對電池包20的標簽21進行識別的識標單元113。關于電池包20其他一些不便于準確檢測或者較為固定的硬件信息，可以通過數(shù)據(jù)形式集成在標簽21中，在電池包20供電時，控制器能通過對標簽21的識別即能提取這些數(shù)據(jù)進行控制和顯示。

作為優(yōu)選，標簽21中可以存儲的數(shù)據(jù)包括：電芯組201的數(shù)目、單個電芯組201中并聯(lián)的電芯單元201a的數(shù)目、單個電芯單元201a的最大電量、單個電芯單元201a的最小電量等。為了方便介紹，單個電芯組201中并聯(lián)的電芯單元201a的數(shù)目簡稱為該電池包20的匹數(shù)。當然標簽21中還可以存儲有單個電芯單元201a電量與電壓的對應關系，以方便控制器對其電量的識別。

作為優(yōu)選方案，識別模塊11包括：一個對電池包20的電量進行識別的電能識別單元111，一個對電池包20中電量最低的一個電芯組201的電量進行識別的最低電量識別單元112。對于同一電池包20而言，其在滿電量和過度消耗電量時的供電量力是不同。

在實際使用中，用戶往往會為了完成工作而使用未完全完成充電的電池包20進行供電，如果僅識別該電池包20的硬件屬性是無法真實的反應該電池包20的供電量力的，所以此時需要對電池包20的剩余電量進行識別。在進行電量識別時，可以通過測量電池包20的總電壓得以實現(xiàn)，也可以分別測量每個電芯組201的電壓然后相加實現(xiàn)，如圖4所示，因為電芯單元201a電壓與電量具有一定的對應關系，所以由其組成的電芯組201以及由電芯組201進一步組成整體的電量總是與電壓具有一定的對應關系。

圖1

圖2

圖3

由于電池包20是由多個電芯組201組成的，在電池包20進行充、放電的過程中，各個電芯組201并不是總能平均的進行充電和放電的，而且由于線路問題也可能使某一電芯組201處于不同于其余電芯組201的過放或過充的狀態(tài)，因此在使用電池包20供電時需要對該種情況進行識別。

從以上可知，為了識別最低電量和判斷是否存在故障的電芯組201，均需要對每個電芯組201的情況進行檢測，作為一種優(yōu)選方案，電池包20包括：一個能對電池包20中各個電芯組201均進行檢測的自檢模塊22。

由于控制器在實現(xiàn)控制時，會通過識別模塊11讀取連接到工具主機10的電池包20的標簽21中的信息，對于兩個僅匹數(shù)存在不同的電池包20而言，控制器在連接到匹數(shù)較多的電池包20時控制電機以較高的轉速轉動，而在連接到匹數(shù)較少的電池包20時控制器電機以較低的轉速轉動。但是如果某個并聯(lián)有多個電芯單元201a的電芯組201中一個電芯單元201a斷線，而控制器仍按照從標簽21中識別信息進行控制的話，容易產生故障。

所以作為一種優(yōu)選方案，自檢模塊22中包括：一個能在電池包20電連接至工具主機10時使電池包20在預設時長內恒流放電的斷線檢測單元221、一個能對每個電芯組201的電壓進行檢測和記錄的電壓檢測單元222。由于電池包20內電芯組201是串聯(lián)的，所以它們也在該時間段內均處于相同的恒流放電狀態(tài)。

參照圖5所示，圖5為一個并聯(lián)有兩個電芯單元的電芯組在特定的放電電流下恒流放電時電壓與時間的對應關系曲線圖，其中橫軸表示時間，縱軸表示電壓變化，該曲線標注為F1，Umax表示該電芯組201在滿電時的電壓，Umin表示該電芯組201電量耗盡時的電壓，Tmax表示最大放電時間。

圖6為圖5所示的曲線F1的部分與另一個只有一個電芯單元（它們的電芯單元相同）的電芯組在同樣的放電電流下恒流放電時電壓與時間對應關系曲線F2的部分對比的示意圖。

從圖5可知，電芯組201在特定的放電電流下恒流放電時，電壓相對時間的斜率是變化的。

從圖6可知，不同匹數(shù)的電芯組201即使在同樣的放電電流下恒流放電時，它們曲線是具有差異的。

假設在電池包20中，有兩個電芯組201，正常而言一個電芯組201并聯(lián)有兩個電芯單元201a，如果其中一個電芯組201中的一個電芯單元201a斷線，那么這兩個電芯組201就相當于圖6中所對比的兩個電芯組201。如果此時，使它們處于特定的放電電流下恒流放電時，電壓檢測單元222先檢測并記錄放電過程中起始電壓，再在放電結束后檢測并記錄一個終止電壓，在放電過程中可以周期的檢測并記錄過程電壓，然后將數(shù)據(jù)傳輸給斷線檢測單元221，斷線檢測單元221讀取預存的電芯組201處于正常時電壓時間曲線F1作為參照曲線，作為參照的曲線數(shù)據(jù)可以預存在標簽21中也可以預存在斷線檢測單元221中。讀取之后，首先根據(jù)起始電壓選擇參考曲線用來對比的區(qū)間（因為在電量不同時用來對比的區(qū)間也不同），然后將電壓檢測單元222傳輸?shù)臄?shù)據(jù)擬合出一條實際的曲線，并將該曲線與參照曲線所選區(qū)間對比，即可得知該電芯組201是否處于正常狀態(tài)。

圖4

圖5

圖6

作為一種簡單的方法，可以在利用起始電壓U1確定對比的區(qū)間△T后，將實際測得的終止電壓U3與參照曲線F1在區(qū)間△T端點處的參考電壓U2進行對比，如果它們的差值的絕對值除以參考電壓U2與起始電壓U1差值的絕對值超過預設的百分比，比如50%，則認為實際檢測的電芯組201出線故障。

最低電量識別單元112根據(jù)電壓最?。ù黼娏渴Ｓ嘧钌伲┑碾娦窘M201的電壓值和其電壓與電量對應關系計算出電芯組201的剩余電能。

電能識別單元111則能根據(jù)各個電芯組201電壓之和以及電壓與電量的對應關計算出整個電池包20的剩余電量。

電芯組201以及電芯單元201a的電壓與電量關系數(shù)據(jù)可以預先通過實驗得出并存儲在標簽21或自檢模塊22中。

在電池包20與工具主機10構成連接時，自檢模塊22與最低電量識別單元112和電能識別單元111均構成電連接，標簽21與識標單元113構成連接，電芯組201與驅動模塊12構成電連接。

作為一種優(yōu)選方案，識別模塊11還包括一個能將多個子識別單元的識別結果綜合為一個終端結果的終端輸出單元114，控制器還包括：一個接收終端輸出單元114的終端結果并使控制器根據(jù)該終端結果控制電機運行的主控模塊13、存儲有控制器驅動參數(shù)以及它們與終端結果構對應關系的數(shù)據(jù)存儲單元14。終端輸出單元114的作用在于將識別模塊11中各個部分的識別結果綜合并對其進行相應的計算，使該結果為一個能被主控模塊13讀取進而完成控制的數(shù)據(jù)。

識別模塊11中，識標單元113、電能識別單元111、最低電量識別單元112通過終端輸出單元114與主控模塊13構成連接。

另外，為了實現(xiàn)對電池包20溫度與工具主機10電機轉速的綜合控制，作為一種優(yōu)選方案，電池包20中還包括：能檢測電池包20溫度并存儲有溫度數(shù)據(jù)的溫度檢測模塊23，控制器包括一個能根據(jù)溫度檢測模塊23檢測結果和溫度數(shù)據(jù)進行溫度控制的溫度控制模塊15，溫度控制模塊15與溫度檢測模塊23構成通訊連接，溫度控制模塊15將溫度檢測模塊23檢測到的溫度和存儲在其中的溫度數(shù)據(jù)中的最高溫度閾值進行對比，如果溫度大于最高溫度閾值則控制驅動模塊12使電池包20停止為電機供電，如果溫度小于最高溫度閾值則將溫度增加的斜率與溫度數(shù)據(jù)中的安全溫升斜率進行比較，并根據(jù)比較結果在電流保護閾值范圍增加或減小電機的電流。

溫度檢測模塊23在電池包20與工具主機10構成連接時與溫度控制模塊15構成電連接。具體而言，參照圖2所示，溫度檢測模塊23包括一個以上對電芯組201進行檢測的NTC檢測裝置（圖中未標識）。

在以上硬件基礎上介紹該發(fā)明的控制方法。

發(fā)明的控制方法主要包括：識別模塊11對連接到工具主機10的電池包20進行識別，識別模塊11根據(jù)識別模塊11的識別結果驅動電機以對應該識別結果的轉速進行轉動。更具體的在于識別模塊11在進行識別時，各個子識別單元分別對電池包20的不同屬性進行識別，識別完成后它們將各自的識別結果反饋給終端輸出單元114，終端輸出單元114能根據(jù)這些識別結果的組合輸出一個終端結果，該終端結果為一個能被主控模塊13讀取的數(shù)據(jù)，主控模塊13根據(jù)該終端結果控制驅動模塊12。

以下通過一個優(yōu)選實施例介紹該發(fā)明的控制方法。

在該實施例中，發(fā)明的控制方法包括：電池包自檢控制、電池包識別控制和電池包溫度控制。

電池包自檢控制在電池包20連接到工具主機10后開始，其包括：斷線檢測單元221使電芯組201構成的整體在指定的放電電流下進行預設時長的恒流放電，與此同時電壓檢測單元222至少檢測起始電壓和終止電壓；恒流放電結束后，斷線檢測221單元通過對比判斷是否存在出現(xiàn)故障的電芯組201，如果有，則報錯提示用戶更換電池包20，退出控制；如果沒有，則向控制器發(fā)送啟動信號并同時使電池包20通過驅動模塊12為工具主機10供電。

作為一種優(yōu)選方案，電池包20設有一個故障顯示模塊（圖中未示出），一旦斷線檢測單元221發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的電芯組201，就將該結果記錄在自檢模塊22中，在電池包20連接到工具主機10以及相應充電器時，該故障顯示模塊始終提示出現(xiàn)故障需停止使用該電池包20。該故障顯示模塊可以是一個指示燈或液晶顯示屏。

需要說明的是，這里所指的電池包20通過驅動模塊12為工具主機10供電是指電池包20為工具主機10的控制器供電，并能在控制器的控制下對電機進行供電。

一般而言，恒流放電的電流不宜過大，時間不宜過長，最好是與控制器控制所需的電流同樣大小，這樣一來，這個恒流放電的過程中所釋放的電量可以激活控制器，并沒有造成電量的浪費。放電時間可以控制在5秒至30秒之間。在放電電流較小時，可以適當延長時間。

需要說明的一點是，自檢模塊22可以通過電芯組201組成的整體連接到工具主機10時造成的電位變化觸發(fā)控制進程。

控制器在被激活后處于待機狀態(tài)，只有在自檢模塊22確認沒有故障的電芯組201向控制器發(fā)送啟動信號時，控制器才開始進行進入電池包識別控制。

參照圖7所示，電池包識別控制包括如下步驟：

S101：識標單元113讀取標簽21中的數(shù)據(jù)并判斷數(shù)據(jù)是否有效，如果有效進行下一步；如果無效則在報錯警告后轉入步驟S106。

作為優(yōu)選方案，工具主機10設有一個主機顯示模塊，在自檢模塊22啟動控制器后，主機顯示模塊顯示主機被啟動，在識別的過程中顯示正在識別中，在不能讀取標簽21的數(shù)據(jù)后顯示讀取失敗，提示用戶更換電池包20。

S102：識標單元113將讀取數(shù)據(jù)，電能識別單元111、最低電量識別單元112識別自檢模塊22中的數(shù)據(jù)，它們均數(shù)據(jù)傳送給終端輸出單元114。

作為一種優(yōu)選方案，識別模塊11傳輸給終端輸出單元114的數(shù)據(jù)包括：電芯組201的數(shù)目、單個電芯組201中并聯(lián)的電芯單元201a的數(shù)目、單個電芯單元201a的最大電量、單個電芯單元201a的最小電量、單個電芯單元201a電量與電壓的對應關系以及放電時電壓與時間的對應關系曲線。

S103：終端輸出單元114輸出終端結果給主控模塊13。

S104：主控模塊13根據(jù)終端結果調用數(shù)據(jù)存儲單元14中與之有對應關系的驅動參數(shù)。

終端結果中包括：電芯組201的數(shù)目、單個電芯組201中并聯(lián)的電芯單元201a的數(shù)目、電池包20剩余電能、電量最低的電芯組201的剩余電量。作為優(yōu)選方案，工具主機10設有操作模塊（圖中未示出），用戶可以根據(jù)需求設置電機轉速，此時終端結果可以直接或間接由主機顯示模塊顯示給用戶，供用戶設置轉速時參考，直接的方式只是直接顯示數(shù)據(jù)，間接的方式是指告知用戶在當前情況下可選擋位有哪些，以及選定這些擋位后預估的工作時長。

S105：主控模塊13根據(jù)用戶選擇或自動選擇的驅動參數(shù)驅動電機轉動。

S106：退出電池包20識別控制。

一旦電機開始轉動，即觸發(fā)電池包溫度控制。

電池包溫度控制包括：溫度檢測模塊23對各個電池包20的溫度進行檢測，溫度控制模塊15與溫度檢測模塊23構成通訊連接，溫度控制模塊15將溫度檢測模塊23檢測到的溫度和存儲在其中的溫度數(shù)據(jù)中的最高溫度閾值進行對比，如果溫度大于最高溫度閾值則控制驅動模塊12使電池包20停止為電機供電，如果溫度小于最高溫度閾值則將溫度增加的斜率與溫度數(shù)據(jù)中的安全溫升斜率進行比較，并根據(jù)比較結果在電流保護閾值范圍增加或減小電機的電流。

以上顯示和描述了該發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。行業(yè)技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制該發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在該發(fā)明的保護范圍內。

圖7