具有電池充電功能的dc電源單元的制作方法

專利名稱：具有電池充電功能的dc電源單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠選擇性地充電電池組的DC電源單元，所述電池組用作無繩電動工具的電源，并通過形似電池組的適配器將DC電壓提供給無繩電動工具。
背景技術：
由于其可以用于不受電源線長度限制的任何場所，因此無繩電動工具非常方便。但是，當電池電量減少時，需要取下電池組并進行充電，或替換上已經充好電的其它電池組。
可以將交流電轉換為直流電的DC電源單元與電池組一起使用。即，當在具有交流電源的單個地點操作無繩電動工具時，可以使用DC電源，而在沒有交流電源的多個地點操作無繩電動工具時，可以使用電池組。但是，這種情況的問題在于無繩電動工具的操作員必須將DC電源單元和電池組的充電單元都攜帶到工作地點。
日本專利申請公開No.HEI-556566公開了一種具有電池充電功能的DC電源單元。當DC電源單元檢測到相連的電動工具正在操作時，其不僅向無繩電動工具提供電源，還出于充電的目的向電池組提供電源，另一方面，當DC電源單元檢測到電動工具沒有在操作時，則對電池組進行充電。
日本專利申請公開No.平-556566中所公開類型的DC電源單元需要立刻向被驅動的電動工具提供適當的電源。為了滿足需要，控制DC電源單元所采用的開關電源，從而輸出適于電動工具的恒定電壓。但是，出現的問題在于，這種通過DC電源進行充電的電池具有與施加到電動工具的電壓不同的額定電壓。如果利用高于電池額定電壓的、與施加到電動工具的相同電壓對電池進行充電，則在開關閉合之后，在開關電源和電池之間插入的開關中立刻會流過瞬時涌流。這是由于開關電源的輸出和電池電壓之間的電壓差造成的。該沖擊電流縮短了開關的使用壽命。

發明內容
考慮到前述，本發明的目的是提供一種具有電池充電功能的DC電源單元，其中防止了涌流流經連接于開關電源和電池之間的開關設備。
為了實現以上及其它目的，提供了一種用作工具的電源的DC電源單元，并且具有對用作工具的交流電源的電池組進行充電的充電功能。所述DC電源單元包括開關電源電路、輸出電壓檢測電路、開關、電池電壓檢測電路、控制單元和輸出電壓控制電路。開關電源電路產生輸出電壓，輸出電壓檢測電路檢測由開關電源電路產生的輸出電壓。將開關插入開關電源電路和電池組之間。當開關為導通時，將由開關電源電路產生的輸出電壓施加到電池組，而當開關為截止時，不將由開關電源電路產生的輸出電壓施加到電池組。電池電壓檢測電路檢測電池電壓。當開始充電電池組時，控制單元根據由輸出電壓檢測電路所檢測到的輸出電壓和由電池電壓檢測電路所檢測到的電池電壓來控制開關的導通/截止。控制單元產生指令，以改變由開關電源電路所產生的輸出電壓。輸出電壓控制電路依照控制單元所產生的指令來改變由開關電源電路所產生的輸出電壓。
當開始充電電池組時，當由輸出電壓檢測電路所檢測到的輸出電壓高于由電池電壓檢測電路所檢測到的電池電壓時，截止開關。控制電源控制輸出電壓控制電路，以使由開關電源產生的輸出電壓降低到低于電池電壓的電平。
希望控制單元控制輸出電壓控制電路，從而在開始充電電池組之后，恢復由開關電源電路所產生的輸出電壓。


從閱讀結合了附圖的實施例的以下說明中，本發明的以上和其它目的、特點和優點會更加顯而易見，其中
圖1是示出了根據本發明實施例的具有充電功能的DC電源單元的透視圖；圖2是示出了根據本發明實施例的DC電源單元的電路設置的方框圖；圖3是示出了當利用根據本發明實施例的DC電源單元充電電池時，DC電源單元的輸出功率控制操作的流程圖；圖4A是示出了從根據本發明實施例的DC電源單元輸出的電源輸出電壓和充電電流的時序圖；圖4B是示出了從傳統的DC電源單元輸出的電源輸出電壓和電荷電流的時序圖；以及圖5是示出了相對于初始電池電壓和來自DC電源單元的電源輸出電壓的等待時間設置的示例的表。
具體實施例方式
參考附圖，對根據本發明實施例的直流(DC)電源單元進行說明。
如圖1所示，無繩電動工具22選擇性地使用DC電源單元和電池組2之一。無繩電動工具22包括電源開關22a。電池組2包括可分離地安裝于無繩電動工具22的手柄凹槽22b的插入部分2c。
DC電源單元包括主單元100、AC電線25和適配器21。AC電線25將主單元100與商用100V交流(AC)電源相連。此外，輸出電纜26將主單元100與適配器21相連。適配器21包括具有與電池組2的插入部分2c相同形狀的適配器插頭21b。將適配器插頭21b插入無繩電動工具22的手柄凹槽22b，以便向電動工具22提供電源。主單元100具有與電動工具22的手柄凹槽22b相同形狀的電池組插入凹槽100a。將電池組2的插入部分2c插入電池組插入凹槽100a，以便按照稍后所述的方式對電池組2進行充電。
接下來，將參考圖2，對主單元100、適配器21、電動工具22和電池組2的電路設置進行說明。
電池組2包括可充電電池2a和溫度傳感器2b。電池2a包括串聯的多個蓄電池組電池。將溫度傳感器2b放置于電池2a附近或與其相接觸。例如，將熱敏電阻器用作溫度傳感器2b。
適配器21包括輸出電壓換向開關21a，用于指定與附于適配器21的電動工具22的額定電壓相對應的電壓。
電動工具22包括電源開關22a和與電源開關22a串聯的DC電動機22b。當電源開關22a導通時，通過適配器21將DC電源從主單元100施加到電動工具22。
主單元100是其中包含微計算機13的計算機控制設備。微計算機13包括中央處理單元(CPU)13a、只讀存儲器(ROM)13b、隨機存取存儲器(RAM)13c、定時器13d、模數(A/D)轉換器13e、輸出端口13f和復位輸入端口13g。微計算機13根據存儲在ROM13b中的程序來實現多種不同的功能。
主單元100還包括開關電源30。開關電源30由與商用100V AC電源1相連的初級側整流/平滑電路8、與電路8的輸出相連的開關電路9和次級側整流/平滑電路10構成。初級側整流/平滑電路8包括全波整流電路8a和平滑電容器8b。開關電路9包括高頻變壓器9a、MOSFET 9b和PWM控制IC 9c。PWM控制IC 9c與MOSFET 9b的柵極相連，MOSFET 9b用于通過改變施加到MOSFET 9b上的脈沖的寬度來調整從次級側整流/平滑電路10提供的輸出電壓和輸出電流。次級側整流/平滑電路10包括二極管10a和10b、扼流圈10c、平滑電容器10d和跨接平滑電容器10d的放電電阻器10e。
主單元100還包括充電電流控制電路14和恒壓控制電路16。充電電流控制電路14具有經過電流檢測電阻器5與電池2a的負端子相連的輸入端，以及經過換向開關7和光電耦合器6與開關電路9相連的輸出端。電路14包括級聯的運算放大器14a和14b，輸入電阻器14c和第一級運算放大器14a的反饋電阻器14d，以及輸入電阻器14e和第二級運算放大器14b的反饋電阻器14f。將從微計算機13的輸出端口13f輸出的信號經過充電電流設置器15施加到第二級運算放大器14b的反向輸入端子。充電電流控制電路14控制PWM控制IC 9c，以調整輸出電流，使其與在充電電流設置器15中設置的值相匹配。恒壓控制電路16包括運算放大器16a和電阻器16b和16c。將從微計算機13的輸出端口13f輸出的信號經過電壓設置器17施加到運算放大器16a的反向輸入端子。恒壓控制電路16控制PWM控制IC 9c，以調整輸出電壓，使其與在電壓設置器17中設置的值相匹配。
主單元100包括與商用100V AC電源1相連的恒壓源18并且將正DC電壓Vcc提供給微計算機13，充電電流控制電路14中的運算放大器和恒壓控制電路16。恒壓源18包括電源變壓器18a、全波整流器電路18b、三端子調節器18d、平滑電容器18c和復位IC 18e。復位IC 18e與微計算機13的復位輸入端口13g相連。
換向開關7具有活動接觸器，用于選擇性地與充電電流控制電路14和恒壓設置電路16相連，并將來自電路14或16的反饋信號經過光電耦合器6施加到開關電路9。當將來自充電電流控制電路14的輸出反饋到開關電路7時，將從開關電源30提供的電流保持基本上恒定。另一方面，當將來自恒壓控制電路16的輸出反饋到開關電路9時，將從開關電源30輸出的電壓保持基本上恒定。通過與門24的輸出來控制換向開關7的切換(隨后進行說明)。
主單元100還包括電源輸出電壓檢測電路11、電池電壓檢測電路12和電池溫度檢測電路19。電源輸出電壓檢測電路11包括在開關電源30的輸出和地之間串聯的兩個電阻器11a和11b。電阻器11b兩端的電壓指示了開關電源30的輸出電壓。電池電壓檢測電路12包括在電池組2的正端子和地之間串聯的兩個電阻器12a和12b。電阻器12b兩端的電壓指示了電池2a兩端的電壓。電池溫度檢測電路19包括在正電壓Vcc和地之間串聯的兩個電阻器19a和19b。熱敏電阻器2b與電阻器19b并聯，因此由電阻器19b兩端的電壓來指示由熱敏電阻器2b所檢測到的溫度。
主單元100還包括電源輸出開關(FET)20、觸發檢測電路23、與門24、充電輸出開關3和二極管4。觸發檢測電路23包括電阻器23a和23b以及觸發檢測器23c。電阻器23a和23b串聯在開關電源30的輸出的兩端。將電阻器23b兩端的電壓施加到觸發檢測器23c。電阻器23b兩端電壓的變化指示了在驅動電動工具22。觸發檢測器23c將電源輸出信號輸出到FET 20，從而導通FET 20，由此向電動工具22提供功率。同時，觸發檢測器23c將充電禁止信號輸出到與門24的一個輸入端子。將微計算機13的輸出端口13f輸出的充電輸出導通/截止信號施加到與門的另一個輸入端子。當觸發檢測器23c沒有輸出充電禁止信號并且從微計算機13輸出了充電輸出導通信號時，啟動與門24并使其閉合充電輸出開關3。將充電輸出開關3設置于開關電源30的輸出和電池組2之間，并由與門24的輸出對其進行控制。當閉合時，如果沒有正在使用電動工具22，則充電輸出開關3使得對電池組2進行充電。例如，充電輸出開關3由如美國專利No.6,566,843所公開的延遲電路構成，該申請在此被合并參考。將二極管4連接于充電輸出開關3和電池組2之間，用于防止電流流出電池組2。
在操作中，當導通電源開關22a以驅動電動工具22時，恒壓控制電路16從功率輸出電壓檢測電路11接收指示了提供給電動工具22的實際電壓的電壓信號。恒壓控制電路16將電壓信號經過換向開關7和光電耦合器6反饋到開關電路9，因此開關電路9能夠控制MOSFET9c的開關占空比，從而將提供給電動工具22的電壓保持在電壓設置器17中所設置的電平。
另一方面，當截止電源開關22a并將電池組2安裝在主單元100用于充電時，充電電流控制電路14接收來自電流檢測電阻器5的電流信號，并經過換向開關7和光電耦合器6反饋到開關電路9。開關電路9控制MOSFET 9b的開關占空比，從而將提供給電池組2的充電電流控制在充電電流設置器15中所設置的電平。
接下來，將參考圖3所示的流程圖和圖4A和4B所示的時序圖，對當充電電池組2時的DC電源單元100的操作進行說明。
當對主單元100加電時，微計算機13根據由恒壓源18中的復位IC 18e所產生的復位信號而復位，然后執行初始化設置(S201)。圖4A的定時圖中的時間T0指示了當執行初始化設置時的時間。在初始化設置中，選擇電壓設置器17中的設置電壓，以使來自從開關電源30的輸出電壓變為最低電平V1(例如，8V)。
接下來，微計算機13確定適配器21是否與主單元100相連(S202)。根據從適配器21提供給微計算機13的A/D轉換器13e的電壓來進行此確定。當微計算機13確定適配器21與主單元100相連時(S202是)，則將恒壓設置器17中的設置電壓變化為另一個設置電壓(S203)，例如V4(16V)。圖4A的時序圖中的時間Ta指示了當選擇設置電壓V4時的時間。
接下來，微計算機13確定是否將電池組2裝入了主單元100(S204)。根據從電池電壓檢測電路12提供給A/D轉換器13e的電壓來進行此確定。當微計算機13確定沒有將電池組2裝入主單元100時(S204否)，則微計算機13確定是否已經根據觸發檢測電路23的輸出驅動了電動工具22(S205)。當已經驅動了電動工具22時(S205是)，則執行電動工具驅動過程(S206)，于是程序返回到S204。另一方面，當不驅動電動工具22時(S205否)，程序也返回到S204。
當確定將電池組2裝入了主單元100中時(204是)，微計算機13根據電池組2的電壓和溫度來確定所裝入的電池組2是否是可充電的(S207)。即，微計算機13根據電池電壓檢測電路12和電池溫度檢測電路19的輸出來進行該確定。例如，如果電池溫度高于預定溫度，則確定不適于對電池組2進行充電。如果充電了較高溫度的電池組2，則會縮短電池組2的周期使用壽命，周期使用壽命意味著當充電時電池組2能夠使用的預期次數。如果S207中進行的確定指示了所裝入的電池組2是可充電的(S207是)，則微計算機13進一步確定來自開關電源30的輸出電壓是否大于電池電壓(S208)。根據電池電壓檢測電路12和電源輸出電壓檢測電路11的輸出來進行該確定。電池電壓檢測電路12的輸出指示了由圖4A和4B中的Vo表示的初始電池電壓。電源輸出電壓檢測電路11的輸出指示了從開關電源30提供的電流輸出電壓。
當電源輸出電壓大于電池電壓V0時(S208是)，從電壓設置器17中的四個可選設置電壓中選擇低于初始電池電壓V0的設置電壓。圖5示出了四個設置電壓V1到V4。在此示例中，選擇設置電壓V2(11V)，并設置到電壓設置器17(S209)。開關電源30的輸出電壓逐漸降低，導致設置電壓變化到V2，如圖4A的定時圖中從Tb到Tc的區域所示。注意，設置電壓在時間Tb變化為V2。
微計算機13等待由設置電壓V2和初始電池電壓V0所確定的一定的時間周期Tw(S210)。圖5所示的表指示了相對于輸出電壓設置電壓和初始電池電壓的等待時間Tw。在等待時間Tw即，從時間Tb到時間Tc的持續時間，屆滿之后，微計算機13將充電輸出導通信號從輸出端口13f輸出到與門24(S211)。當啟動與門24時，響應從與門24輸出的開關導通信號，閉合充電輸出開關3。同時，換向開關7響應開關導通信號，經過光電耦合器6將充電電流控制電路14與開關電路9相連。結果，開關電路9執行了恒流控制。
當S208中的確定指示了開關電源30的輸出電壓低于初始電池電壓時，程序跳轉到S211并立即開始充電電池組2。當將電磁操作延遲用作充電輸出開關3時，從開關導通信號的產生到幾個微秒屆滿之后，閉合延遲的接觸器。此時，開關電源30的輸出電壓低于電池電壓。因此，涌流不會從開關電源30流向電池組2。此外，連接于充電輸出開關3和電池組2之間的二極管4防止了反向涌流從電池組2流向開關電源30。同樣地，由充電輸出開關3中流動的涌流不會影響電子元件。
可以選擇性地將諸如FET之類的半導體開關單元用作充電輸出開關3。當使用此類型的充電輸出開關3時，由于向半導體開關單元提供的整流能力，可以省去二極管4。
當在時間Tc閉合延遲接觸器時，利用充電電流設置器15所設置的恒定電流開始充電電池2a(S211)。充電電池組2開始之后，電壓設置器17中的設置電壓恢復為初始設置值V4(S212)，因此當在充電電池2a期間驅動電動工具22時，能夠適當地驅動電動工具22。應當注意，由于換向開關7的活動接觸器位于充電電流控制電路14一側，因此沒有將恒壓控制電路16的輸出傳送到PWM控制IC 9c。
在充電電池2a期間，微計算機13根據觸發檢測電路23的輸出來監視電動工具22的狀態(S213)。如果沒有驅動電動工具22，則繼續充電電池2a，并且微計算機13確定是否達到了電池2a的完全充電條件(S214)。用于確定電池完全充電條件的方法在現有技術中是眾所周知的，例如-ΔV方法，dT/dt方法。簡要地，在-ΔV方法中，當電池電壓從峰值電平下降到預定電壓時，確定對電池進行了完全充電。在dT/dt方法中，根據電池溫度的梯度來確定對電池進行了完全充電。當確定對電池2a進行了完全充電時(S214是)，則開啟充電輸出開關3，以停止充電(S215)。于是程序返回S202。如圖4A所示，在時間Td出現充電的結束(EOC)。
當在S213進行的確定指示了驅動電動工具22時(S213是)，微計算機12判斷是否正在驅動電動工具22(S216)。當正在驅動電動工具22時(S216是)，觸發檢測器23c將充電禁止信號輸出到與門24，由此開啟充電電流開關3。此外，閉合電源輸出開關20，并將換向開關7的活動接觸器切換到恒壓控制電路16一側。當這些處理完成時，將來自開關電源30的功率提供給電動工具22。
微計算機13能夠根據輸出端口13f的輸出來識別驅動了電動工具22。當正在驅動電動工具22時，不執行電池充電操作，而執行電動工具驅動處理(S217)，于是程序返回S216。當沒有正在驅動電動工具22時(S216否)，微計算機13在驅動電動工具22停止之后等待預定的時間周期(步驟S218)。當預定時間周期屆滿時(S218是)，則程序返回S213，并且微計算機13判斷是否驅動電動工具22。如果沒有驅動電動工具22，則繼續充電電池2。當在S218進行的確定指示了預定時間周期還沒有屆滿時，程序返回S216，因此在預定時間周期屆滿之前，不繼續電池充電。
圖4B示出了將開關電源30的輸出電壓保持在高于初始電池電壓的電平時，當閉合充電輸出開關3的延遲接觸器時電源輸出電壓和充電電流的變化。如圖4B的波形清楚所示，在閉合了充電輸出開關3之后，涌流立即從開關電源30流向電池組2。涌流引起了包括損壞延遲接觸器在內的多個缺點。
根據上述實施例，當將要開始充電電池2a時，涌流不會在充電輸出開關3中流動。因此，包括充電輸出開關3在內的電子元件免于將要開始的影響。
盡管已經參考特定實施例詳細說明了本發明，對于本領域的技術人員，在不脫離本發明精神的前提下，可以進行多種改變和修改是顯而易見的，本發明的范圍由所附的權利要求所限定。
權利要求
1.一種用作工具的電源的DC電源單元，并且具有對用作工具的交流電源的電池組進行充電的充電功能，所述工具具有電源開關，所述DC電源單元包括開關電源電路，用于產生輸出電壓；輸出電壓檢測電路，用于檢測由開關電源電路產生的輸出電壓；插入于開關電源電路和電池組之間的開關，當開關為導通時，將由開關電源電路產生的輸出電壓施加到電池組，而當開關為截止時，不將由開關電源電路產生的輸出電壓施加到電池組；電池電壓檢測電路，用于檢測電池電壓；控制單元，用于當開始充電電池組時，根據由輸出電壓檢測電路所檢測到的輸出電壓和由電池電壓檢測電路所檢測到的電池電壓來控制開關的導通/截止，控制單元產生指令，以改變由開關電源電路所產生的輸出電壓；以及輸出電壓控制電路，用于依照控制單元所產生的指令來改變由開關電源電路所產生的輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的DC電源單元，其特征在于當開始充電電池組時，當由輸出電壓檢測電路所檢測到的輸出電壓高于由電池電壓檢測電路所檢測到的電池電壓時，使開關截止，控制單元控制輸出電壓控制電路，以使由開關電源產生的輸出電壓降低到低于電池電壓的電平。
3.根據權利要求2所述的DC電源單元，其特征在于控制單元還控制輸出電壓控制電路，從而在開始充電電池組之后，恢復由開關電源電路所產生的輸出電壓。
4.根據權利要求3所述的DC電源單元，其特征在于在降低輸出電壓的指令開始的預定時間周期屆滿之后，控制單元開始充電電池組。
5.根據權利要求1所述的DC電源單元，其特征在于還包括觸發檢測電路，用于檢測是否驅動工具，其中當觸發檢測電路檢測到驅動工具時，使開關截止。
6.根據權利要求1所述的DC電源單元，其特征在于還包括輸出電流反饋電路，用于將電池組中流動的電流反饋到開關電源，開關電源將固定電平電流提供給電池組。
全文摘要
當導通工具的電源開關時，一種DC電源單元通過適配器將DC電壓提供給電動工具，并且當沒有操作電動工具時，還對用作工具的交流電源的電池組進行充電。當充電電池組開始時，為了防止沖擊電流流入插入在開關電源電路和電池組之間的開關，當開關電源的輸出電壓高于電池電壓時，使截止開關。當開關電源的輸出下降到低于電池電壓的電平時，立即開始充電電池。
文檔編號H02J7/00GK1578055SQ20041006991
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月19日 優先權日2003年7月18日
發明者高野信宏, 荒館卓央, 原田秀一, 石丸健朗, 武田岳史 申請人:日立工機株式會社