专利名称：锂电池组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于无绳电动工具等的电池组件。
背景技术：
通常，锂电池包括钒锂电池、锰锂电池和类似的电池，每一种均在其负极使用锂铝合金，而且使用有机电解质来作为电解质。而且，锂离子电池通常指的是在其正极使用了钴酸锂并在其负极使用了石墨、且使用有机电解质作为电解质的电池。在本说明书中，为了方便起见，包括锂电池和锂离子电池在内的有机电解质充电电池一般被简称为锂电池。
作为无绳电动工具的电源，按照惯例通常使用镍镉(N-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池等。然而，近来，随着对提高电源容量和降低电源重量的需要的增加，已经使用了锂电池。
常规镍镉电池的标称电压为1.2V，而锂电池的标称电压很大，例如，为3.6V，这意味着锂电池具有优势。另一方面，锂电池的不利之处在于，当锂电池过充电或过放电时，锂电池会受到很大损害。例如，当标称电压为3.6V的锂电池过充电到4.5V或更高时，其电解质分解，这会导致电池性能极大下降。而且，当锂电池过放电到2.0V或更低时，电池性能会极大下降。
考虑到以上问题，通常会提供用来监视电池组件内所含的各个电池单元的过充电或过放电的保护电路；并且，当各个电池单元的电池电压等于或高于第一给定值时，以及当等于或低于第二给定值时，停止电池的充电和放电，从而防止电池过充电和过放电。
发明内容
由于市场中上述保护电路是通用产品(例如，Mitsumi Electric有限公司制造的MM1414或MM3090)，所以对其电压可被检测的电池单元的数量有限制。至于在当前市场上有效的保护电路，其可检测的电池单元的数量限于4个。
然而，当电动工具的额定电压很高时，需要使用其中存储了四个或更多电池单元的电池组件。例如，在额定电压为18V的电动工具中使用的电池组件具有其中每一个锂电池均具有3.6V电压的五个锂电池串联连接的结构。因此，在此情况下，通常使用用于四个电池单元的保护电路和用于一个电池单元的保护电路来防止锂电池过充电或过放电。
然而，因为这些电路是通用产品，在某些情况下，有这样的可能，即，四单元保护电路的过放电判断电压(用于把电池单元识别为过放电的电压)不同于一单元保护电路的过放电判断电压。例如，可能出现这样的情况，即，四单元保护电路的过放电判断电压为2.0V，而一单元保护电路的过放电判断电压为2.4V。这样，当一单元保护电路的过放电判断电压高于四单元保护电路的过放电判断电压时，对电池过放电的保护实质上是由一单元保护电路控制的。
另一方面，作为使用电池组件的电动工具，存在有当电动工具的前端进入工件时大电流瞬间流入电机这样的电动工具。即，电动工具中使用的直流电机的负载电流Ia被表述如下即，Ia＝(E-V)/Ra，其中Ra表示电机的电枢绕组电阻，E表示电池组件的输出电压，并且V表示电机的反电动势。当工具进入工件时，电机的旋转瞬间停止，从而使反电动势V为0，其结果为负载电流Ia瞬间变得相当大。
当这么大的负载电流Ia瞬间流入电池组件所包含的各个锂电池时，电池电压下降到低于一单元保护电路的过放电判断电压，从而切断电池组件的放电电路。换言之，出现了以下不便之处即，尽管电池组件仍然处于可安全给出相当于电池容量的能量的状态下，但是由于一单元保护电路的作用，因此电池组件不能给出所期望的量的电池能量。
出现这样的不便之处是因为当电池组件的单元数量很大时，必须使用两个或更多保护电路，并且还使用了在特性规范方面彼此不同的保护电路。考虑到这一点，还可期望开发适于电池组件的单元数量的新保护电路。然而，这就带来了另一问题，即这样的电池组件很昂贵。
因此，进行本发明以提供可解决上述传统问题的电池组件。具体地讲，本发明的一个目的在于提供一种电池组件，该电池组件包括保护电路以保证关于锂电池的过充电和过放电的安全，其中，即使当保护电路在其特性规范方面或在其特性方面彼此不同时，也可在低成本的情况下安全地给出所期望的量的电池能量。
为了实现上述目的，根据本发明，提供一种锂电池组件，包括电池组，其由串联连接的两个或更多锂电池单元构成；第一保护电路，其包括用于检测所述两个或更多锂电池单元的一部分的电压的第一电压检测部分、和用于在所述第一电压检测部分检测到的检测电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号的第一信号输出部分；第二保护电路，其包括用于检测所述两个或更多锂电池单元的另一部分的电压的第二电压检测部分、和用于在所述第二电压检测部分检测到的电池单元的检测电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号的第二信号输出部分；所述锂电池组件的特征在于，连接在所述第二保护电路的第二信号输出部分之间的停滞时间(dead time)装置不响应于给定时间内出现的输入信号的变化而发出输出。
根据本发明的第二方案，提供一种锂电池组件，其具有适用于第一保护电路的过放电判断电压小于第二保护电路的过放电判断电压的情况的结构。
根据本发明的第三方案，停滞时间装置由电阻器和电容器以及连接在电阻器两端之间的二极管所构成的时间常数电路组成。
根据本发明的第四方案，在所述停滞时间装置和所述开关装置之间还插入电压电平转换器电路；并且，所述电压电平转换器电路包括可在第一和第二信号输出部分的信号是低电平信号时导通并且可在所述信号是高电平信号时断开的开关元件、和可在所述信号是低电平信号时断开并且可在所述信号是高电平信号时导通的开关元件。
根据本发明的第五方案，第一和第二保护电路分别包括用于在所述电池单元的检测电压高于给定过充电判断电压值时发出输出信号的第三和第四信号输出部分、和可根据所述第三和第四信号输出部分的输出信号导通或断开的开关装置。
根据本发明的第六方案，提供一种电动工具，包括电池组，其包括串联连接的两个或更多锂电池单元；第一保护电路，其用于检测所述两个或更多锂电池单元的一部分的单元电压，并且用于在所检测到的电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号；第二保护电路，其用于检测所述两个或更多锂电池单元的另一部分的单元电压，并且用于在所检测到的电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号；开关装置，其连接到所述电池组的电流通路，从而可根据所述第一和第二保护电路的输出来导通或断开；连接在所述第二保护电路和所述开关装置之间的停滞时间装置，其不响应于给定时间内的输入信号的变化而发出输出；以及，电机，可通过所述开关装置把电压从所述电池组提供给所述电机。
可从以下描述中更清楚地理解本发明的又一方案。
根据本发明，可获得以下效果。
即(1)当大负载电流Ia瞬间流入电池组件的各个锂电池时，不把这样的电流识别为过放电，从而排除电池组的放电电路会被切断的可能性。因此，可给出相当于电池组件的电池容量的能量。
(2)即使当电池组件中的单元数量很大并且因此必须使用两个或更多保护电路时，由于可使用通用保护电路，所以也不需要开发与电池组件中的单元数量相匹配的新的保护电路，从而可提供便宜的电池组件。
(3)可提供这样一种电池组件，即使当保护电路在特性规范方面彼此不同或在特性方面彼此存在变化时，也可在低成本的情况下安全地给出所期望的量的电池能量。
图1是根据本发明的电池组件的实施例的框图。
图2是其中结合了根据本发明的电池组件的电动工具的框图。
图3是说明根据本发明的电池组件的操作的波形图。
图4是根据本发明的电池组件的操作的说明示图。
图5是根据本发明的电池组件的操作的说明示图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的锂电池组件1的实施例的框图。锂电池组件1由电池组2、与电池组2串联连接来检测流入电池组2的电流的电流检测电阻器7、和保护电路3构成，所述电池组2包括例如五个串联连接的锂电池单元21(以下简称为电池单元)。从正极端子11和负极端子12给出了电池组件1的电压。
保护电路3包括第一保护电路32、第二保护电路33、与电池组2串联连接的开关电路31、和用于把输出信号从第一保护电路32和第二保护电路33传送到开关电路31的电压电平转换器电路5。开关电路31包括分别连接在电池组2和负极端子12之间的N沟道开关元件31A、31B；并且，当对开关元件31A、31B二者施加高电平信号(以下称作H信号)时，允许开关电路31导通。
第二保护电路33包括电池电压检测部分331、过放电判断部分332、过充电判断部分333、过放电信号输出部分335、和过充电信号输出部分336。
由电池电压检测部分331来检测位于电池组2的最下级的电池单元21(被指定为21E)两端的电压。把这样检测到的电压与在第二保护电路33的过放电判断部分332中设置的第一给定电压V1相比较，并且当检测到的电压低于第一给定电压V1时，从过放电信号输出部分335发出H信号。而且，把由电池电压检测部分331检测到的电压与过充电判断部分333中设置的第二给定电压V2相比较，并且当检测到的电压高于第二给定电压V2时，从过充电信号输出部分336发出H信号。
另一方面，第一保护电路32包括电池电压检测部分321、过放电判断部分322、过电流判断部分323、信号输出部分325、过充电判断部分324、和过充电信号输出部分326。
电池电压检测部分321检测分别位于电池组2的第一级到第四级上的电池单元21(以下分别被指定为21A、21B、21C、和21D)的端电压。把各个检测到的电压与设置在第一保护电路32的过放电判断部分322中的第一给定电压V1’相比较，当检测到的电压低于第一给定电压V1’时，从信号输出部分325发出H信号。另一方面，过电流判断部分323从电流检测电阻器7的端电压检测流入电池组2的电流，并且当检测到的电流高于给定值时，也从信号输出部分325发出H信号。
把由电池电压检测部分321检测到的第一级到第四级的电池单元21A、21B、21C、和21D各自的电压与设置在过充电判断部分324中的第二给定电压V2’相比较，并且当检测到的电压高于第二给定电压V2’时，从过充电信号输出部分326发出H信号。
由于保护电路32和33自身是公知的并且在例如MM1414的产品手册中公开，所以在此省略对其各个部分的详细描述。然而，有关所检测到的电池单元的电压的输出部分的信号的逻辑可如图4中的表所示。即，当电池单元21的电压正常时，从全部输出部分325、326、335、和336发出低电平信号(以下称作L信号)。对于过充电，从输出部分325和335发出L信号，并且从输出部分326和336发出H信号。反之，对于过放电，从输出部分326和336发出L信号，并且从输出部分325和335发出H信号。
电压电平转换器电路5不仅用于把从第一保护电路32和第二保护电路33分别发出的、且根据第一保护电路32和第二保护电路33各自的电路规范而电势彼此不同的输出信号转换为具有相同电势的信号，而且把这样的信号应用于开关电路31；并且电压电平转换器电路5包括P沟道开关元件51，53和N沟道开关元件52，54。
电池组2的正极端子通过开关元件51的源极/漏极连接到开关电路31的开关元件31A的栅极，而且通过开关元件53的源极/漏极连接到开关元件31B的栅极。对于开关元件51和53各自的栅极，分别施加了信号输出部分325和326的信号。而且，在开关元件51的漏极和地之间连接有电阻器50；并且，在开关元件53的漏极和地之间连接有电阻器59。
另一方面，通过停滞时间装置6(将在下面讨论)把过放电信号输出部分335的输出信号施加给开关元件52的栅极，而把过充电信号输出部分336的输出信号施加给开关元件54的栅极。开关元件52的源极/漏极与电阻器50并联连接，而开关元件54的源极/漏极与电阻器59并联连接。而且，电池组2的正极端子分别通过电阻器56和58连接到开关元件52和54的漏极。
当电池单元21的电压处在第一和第二给定电压之间时，即，当电池单元电压正常时，从信号输出部分325、326、335、和336发出L信号，这样开关元件51和53导通，并且开关元件52和54断开。当开关元件51导通时，把电池组2的正极的电势施加给开关元件31A的栅极，从而N沟道开关元件31A导通。而且，类似地，当开关元件53导通时，N沟道开关元件31B导通。
因此，当全部电池单元21的单元电压正常时，开关元件31A和31B导通，从而允许开关电路31导通，从而从端子11和12把电池组2的电压取出。附带提及，在放电时，即，当使用电动工具时，形成通过与开关元件31B并联连接的二极管的放电通路，因此，开关元件31B可能断开。而且，在充电时，由于形成了通过与开关元件31A并联连接的二极管的充电通路，因此，开关元件31A可能断开。
当第一保护电路32和第二保护电路33检测到过充电时，过充电信号输出部分326和336的输出变为H信号。当过充电信号输出部分326的输出变为H信号时，开关元件53断开，而当过充电信号输出部分336的输出变为H信号时，开关元件54导通。因此，由于在开关元件54的源极和漏极之间的导通电阻使得电阻器59短路，所以把L信号输入到开关元件31B，而开关元件31B断开。因此，开关电路31断开，从而切断电池组2的电流通路。
而且，当第一保护电路32和第二保护电路33检测到过放电或过电流时，过放电/过电流信号输出部分325和335的输出变为H信号。当过放电/过电流信号输出部分325的输出变为H信号时，开关元件51断开，而当过放电信号输出部分335的输出变为H信号时，开关元件52导通。因此，由于在开关元件52的源极和漏极之间的导通电阻使得电阻器50短路，所以把L信号输入到开关元件31A，而开关元件31A断开。因此，开关电路31断开，从而切断电池组2的电流通路。
当整理上述各个开关元件51-54和31A、31B的操作时，它们可如图5所示那样显示。
这样，当第一保护电路32和第二保护电路33检测到过放电、过充电或过电流时，断开开关电路31从而可保护锂电池单元21。本发明的特征在于，在这样的电路中，用作停滞时间装置6的时间常数电路连接在第二保护电路33的过放电信号输出部分335和开关元件52之间。停滞时间装置6以以下方式工作，即，当过放电信号输出部分335的信号的变化是给定时间范围内的短时间时，停滞时间装置6防止信号变化被传送到位于下一级的开关元件52。换言之，停滞时间装置6产生输出，该输出不响应于给定时间范围内的输入信号的变化。在本实施例中，停滞时间装置6由电阻器62、电容器63、和二极管61构成。
由于当过放电信号输出部分335的输出是L信号时，允许二极管61导通，所以过放电信号输出部分335的输出信号立即被施加给N沟道开关元件52的栅极。此时的停滞时间变为0或非常短的时间。另一方面，当过放电信号输出部分335的输出为H信号时，二极管61进入非导通状态，这样过放电信号输出部分335的输出提供由电阻器62和电容器63的时间常数所确定的时间构成的停滞时间。顺带提及，停滞时间装置6不限于由电阻器、电容器和二极管所构成的结构，其还可由例如微型计算机或定时器电路构成。
现在，图2是连接了根据本发明的电池组件1的无绳电动工具7的示例的框图，而无绳电动工具7包括直流电机71和开关72。至于与无绳电动工具7连接的电池组2，由用于开启和关闭无绳电动工具7的操作的开关72接通和断开其电源。
接下来，以下将参照图3来对连接了根据本发明的电池组件1的电动工具7的操作进行描述。在图3中，参考字符a指明电池单元21的电池电压的变化，L1代表用于判断第一保护电路32为过放电的过放电判断电压值，并且L2代表用于判断第二保护电路33为过放电的过放电判断电压值。而且，b指明第二保护电路33的过放电信号输出部分335的输出，并且c代表要被施加给开关元件52的栅极的电压。在本实施例中，L1是2.0V并且L2是2.4V。
包含在示出了电池单元21的检测电压的波形a中的A1部分示出了工具7的开关72切断的状态下的电压，并且具体地讲，A1部分示出了作为锂电池单元21的标称电压的3.6V附近的电压。接下来，当工具7的开关72接通时，检测电压根据电机71的负载而下降，从而提供了A2部分的波形。其后，当开关72切断时，检测电压升高并且恢复到3.6V附近，从而提供了A3部分所示的波形。而且，当应用了大负载且开关72接通时，检测电压进一步下降，从而达到这样的状态，即检测电压低于第二保护电路33的过放电判断电压值L2。在此期间，如图3的B1所示，第二保护电路33的过放电信号输出部分335的输出b从L输出转到H输出。然而，根据本发明，由于通过停滞时间装置6把过放电信号输出部分335的输出施加给开关元件52的栅极，所以施加给开关元件52的电压按c所示变化。即，所施加的电压根据由停滞时间装置6预先设置的时间常数在C1部分变化。由于该原因，允许开关元件52保持断开状态，而允许开关电路31保持导通状态。
换言之，假设上述时间段处在由停滞时间装置6预先设置的时间常数的范围内，那么，当工具以大负载等工作，并且因此即使当电池单元的检测电压在给定时间内低于保护电路的过放电判断电压值时，电池组2的电流通路也不会切断。这使得连续使用电池组件成为可能。
尽管以上对本发明的实施例进行了描述，但是，在不脱离本发明的基本概念的范围的情况下可进行其它改变和改进，因此，这些改变和改进也落在本发明的范围内。例如，电压电平转换器电路5和开关电路31也可由其它电子电路容易地实现。
权利要求
1.一种锂电池组件，包括电池组，其由串联连接的两个或更多锂电池单元构成；第一保护电路，其包括用于检测所述两个或更多锂电池单元的一部分的电压的第一电压检测部分、和用于在所述第一电压检测部分检测到的检测电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号的第一信号输出部分；第二保护电路，其包括用于检测所述两个或更多锂电池单元的另一部分的电压的第二电压检测部分、和用于在所述第二电压检测部分检测到的电池单元的检测电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号的第二信号输出部分；以及停滞时间装置，其连接在所述第二保护电路的第二信号输出部分之间，所述停滞时间装置不响应于给定时间内出现的输入信号的变化而发出输出。
2.根据权利要求1所述的锂电池组件，其中，所述第一保护电路的过放电判断电压的电平小于所述第二保护电路的过放电判断电压的电平。
3.根据权利要求1所述的锂电池组件，其中，所述停滞时间装置由电阻器和电容器以及连接在所述电阻器两端之间的二极管所构成的时间常数电路组成。
4.根据权利要求1所述的锂电池组件，还包括在所述停滞时间装置和所述开关装置之间插入的电压电平转换器电路，其中，所述电压电平转换器电路包括将在所述第一和第二信号输出部分的信号是低电平信号时导通并且将在所述信号是高电平信号时断开的开关元件、和将在所述信号是低电平信号时断开并且将在所述信号是高电平信号时导通的开关元件。
5.根据权利要求1所述的锂电池组件，其中，所述第一和第二保护电路分别包括第三和第四信号输出部分、以及开关装置，所述第三和第四信号输出部分用于在所述电池单元的检测电压高于给定过充电判断电压值时发出输出信号，所述开关装置将根据所述第三和第四信号输出部分的输出信号导通或断开。
6.一种电动工具，包括电池组，其包括串联连接的两个或更多锂电池单元；第一保护电路，其用于检测所述两个或更多锂电池单元的一部分的单元电压，并且用于在所检测到的电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号；第二保护电路，其用于检测所述两个或更多锂电池单元的另一部分的单元电压，并且用于在所检测到的电压低于给定的过放电判断电压值时发出输出信号；开关装置，其连接到所述电池组的电流通路，从而可根据所述第一和第二保护电路的输出来导通或断开；停滞时间装置，其连接在所述第二保护电路和所述开关装置之间，所述停滞时间装置不响应于给定时间内的输入信号的变化而发出输出；以及电机，可通过所述开关装置把电压从所述电池组提供给所述电机。
7.根据权利要求1所述的锂电池组件，包括开关装置，其连接到所述电池组的电流通路，从而可根据所述第一和第二信号输出部分的输出信号导通或断开。
全文摘要
一种锂电池组件包括电池组(2)，其由串联连接的两个或更多锂电池单元(21)构成；第一保护电路(32)，其包括第一电压检测部分(321)、和第一信号输出部分(325)；第二保护电路(33)，其包括第二电压检测部分(331)、和第二信号输出部分(335)以及，开关(31)，其连接到所述电池组(2)的电流通路，并且可根据所述第一和第二信号输出部分(325)和(335)的输出信号导通或断开；在此还提供有连接在所述第二保护电路(33)的第二信号输出部分(335)之间的停滞时间装置(6)，其不响应于给定时间内出现的输入信号的变化而发出输出。
文档编号H02H7/18GK101047321SQ20071007928
公开日2007年10月3日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年3月31日
发明者船桥一彦, 高野信宏 申请人:日立工机株式会社