具体实施方式

本文描述的实施例涉及一种由可移除且可充电电池组(例如，与各种手持式电动工具一起使用的电池组)供电的车辆电池搭电启动装置。电池组可移除地连接到车辆电池搭电启动装置。电池组或连接在一起的多个电池组可用于为车辆电池搭电启动装置供电并搭电启动车辆电池。电池组还可以选择性地用于为车辆电池搭电启动装置内的功率提升模块充电。功率提升模块包括例如一个或多个能量存储设备，诸如多个超级电容器或锂聚合物电池单元。与可移除且可充电电池组结合的功率提升模块可用于搭电启动车辆电池。

图1至图3示出了用于与车辆电池搭电启动装置一起使用的电池组100。电池组100可连接到手持式电动工具(例如钻机，紧固器，锯，切管机，砂光机，钉枪，打钉器，吸尘器等)并可由其支撑。电池组100还可以连接到户外电动工具(例如线式修剪机，绿篱修剪机，鼓风机，链锯等)并可由其支撑。如图1至图3所示，电池组100包括壳体105和由壳体105支撑的至少一个可再充电电池单元110(如图3所示)。电池组100还包括用于将电池组100支撑在工具上的支撑部分115，以及用于将电池组100选择性地联接到工具或从工具释放电池组100的联接机构120。支撑部分115可连接到工具上的互补支撑部分。

电池组100包括多个端子125，其位于支撑部分115内并且可操作以将电池单元110电连接到电池组100内的印刷电路板(PCB)130。多个端子125包括例如正极电池端子，接地端子，以及感测或数据端子。电池组100可移除地且可互换地连接至工具以向工具提供操作功率。端子125被配置为与在工具的互补接收部分内从工具延伸的对应的电源端子配合。

所示的电池组100包括十个电池单元110。在其他实施例中，电池组100可以包括更多或更少的电池单元110。电池单元可以串联，并联或串联-并联组合布置。例如，电池组可包括总共十个电池单元，其以五组两个串联连接的电池单元的串联-并联布置的方式配置。电池单元的串联-并联组合允许电池组具有增加的电压和增加的容量。在一些实施例中，电池组100包括五个串联连接的电池单元。在其他实施例中，电池组100包括串联，并联或串联-并联组合连接的不同数量的电池单元(例如，在三个和三十个电池单元之间)，以产生具有期望的额定电池组电压和电池容量的组合的电池组。

电池单元110是具有例如锂钴(“Li-Co”)，锂锰(“Li-Mn”)或Li-Mn尖晶石的化学物质的锂基电池单元。在一些实施例中，电池单元110具有其他合适的锂或锂基的化学物质，例如包括锰的锂基化学物质等。电池组100内的电池单元向工具提供操作功率(例如，电压和电流)。在一个实施例中，每个电池单元110具有大约3.6V的额定电压，使得电池组具有大约18V的额定电压。在其他实施例中，电池单元具有不同的额定电压，例如在3.6V和4.2V之间，并且电池组具有不同的额定电压，例如10.8V，12V，14.4V，24V，28V，36V，60V，80V，在10.8V和80V之间等。电池单元110还各自具有例如在大约1.0安培小时(“Ah”)和6.0Ah之间的容量。在示例性实施例中，电池单元各自具有大约1.5Ah，2.4Ah，3.0Ah，4.0Ah，6.0Ah，在1.5Ah和6.0Ah之间等的容量。在一些实施例中，具有大约5.0Ah或更大(例如5.0Ah至12.0Ah)的总电池组容量的电池组100与车辆电池搭电启动装置结合使用。在其他实施例中，具有大约1.5Ah或更大(例如1.5Ah至12.0Ah)的总电池组容量的电池组100与车辆电池搭电启动装置结合使用。

使用电池组100内，工具内或它们的组合内的控制电子器件来控制，监测和调节由电池组100输出到工具的功率。图4示出了与电池组100相关联的控制器200。控制器200电气地和/或通信地连接到电池组100的各种模块或部件。例如，所示的控制器200连接到电量计205，一个或多个传感器210，工具接口215，多个电池单元220和充电/放电控制模块225(可选的在电池组内)。控制器200包括硬件和软件的组合，这些硬件和软件的组合可操作以控制电池组100的操作，启用电量计205，监测电池组100的操作等。电量计205包括例如一个或多个指示器，诸如发光二极管(“LED”)。电量计205可以被配置为显示电池单元220的充电状态的状况或与充电状态相关的信息。控制器200还包括与工具或电池组100的操作相关的、与温度，电流，电压等有关的各种预设或计算好的故障状况。

在一些实施例中，控制器200包括向控制器200和/或电池组100内的部件和模块提供电力，操作控制和保护的多个电气和电子部件。例如，控制器200尤其包括处理单元230(例如，微处理器，微控制器或另一合适的可编程设备)，存储器235，输入单元240和输出单元245。处理单元230尤其包括控制单元250，算术逻辑单元(“ALU”)255和多个寄存器260(在图4中示出为一组寄存器)并使用已知的计算机架构(例如，修改的哈佛架构，冯诺依曼架构等)实现。处理单元230，存储器235，输入单元240和输出单元245，以及连接到控制器200的各种模块通过一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线265)连接。为了说明的目的，在图4中总体上示出了控制和/或数据总线。基于本文描述的实施例，使用一种或多种控制和/或数据总线进行各种模块和部件之间的互连及通信是本领域技术人员将知晓的。在一些实施例中，控制器200部分地或全部地在半导体(例如，现场可编程门阵列[“FPGA”]半导体)芯片(例如通过寄存器传输级(“RTL”)设计过程开发的芯片)上实现。

存储器235是非暂时性计算机可读介质，其包括例如程序存储区域和数据存储区域。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器的组合，例如只读存储器(“ROM”)，随机存取存储器(“RAM”)(例如，动态RAM[“DRAM”]，同步DRAM[“SDRAM”]等)，电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)，闪存，硬盘，SD卡或其他合适的磁性，光学，物理或电子存储设备。处理单元230连接到存储器235，并且执行能够存储在存储器235的RAM中(例如，在执行期间)，存储器235的ROM中(例如，在大体上永久的基础上)，或另一非暂时性计算机可读介质(例如另一存储器或磁盘)中的软件指令。包括在电池组100的实现中的软件可以存储在控制器200的存储器235中。该软件包括例如固件，一个或多个应用程序，程序数据，过滤器，规则，一个或多个程序模块，以及其他可执行指令。控制器200被配置为从存储器中检索并执行与本文所述的电池组的控制有关的指令等。控制器200还可以存储各种电池组参数和特性(包括电池组额定电压，化学物质，电池单元特性，最大允许放电电流，最大允许温度等)。在其他构造中，控制器200包括额外的，更少的或不同的部件。

工具接口215包括机械部件(例如，支撑部分115)和电气部件(例如，多个端子125)的组合，其被配置为并且可操作以用于使电池组100与工具或另一设备连接(例如，机械地，电气地和通信地连接)。例如，从电池组100提供给工具或设备的电力通过充电/放电控制模块225提供给工具接口215。充电/放电控制模块225包括例如一个或多个开关(例如，FET)，以用于控制到电池单元220的充电电流和来自电池单元220的放电电流。在一些实施例中，由电池组100提供给工具或设备(或从充电器)的电力由电池组100外部(即，工具，设备或充电器内部)的充电/放电控制模块225控制。工具接口215还包括例如通信线270，该通信线270用于在控制器200与工具或设备(例如，车辆电池搭电启动装置)之间提供通信线或链路。

传感器210包括例如一个或多个电流传感器，一个或多个电压传感器，一个或多个温度传感器等。例如，控制器200使用传感器210来监测电池单元220中的每一个的单独的充电状态，监测从电池单元220放电的电流，监测电池单元220中的一个或多个的温度等。如果电池单元220中的一个的电压等于或高于电压上限(例如，最大充电电压)，则充电/放电控制模块225防止电池单元被进一步充电或请求电池充电器(未示出)提供恒定电压充电方案。可替代地，如果电池单元220中的一个降到电压下限以下，则充电/放电控制模块防止电池单元220进一步放电。类似地，如果达到了电池单元220的操作温度的上限或下限，则控制器200可以防止电池组100被充电或放电，直到电池单元220或电池组100的温度在可接受的温度范围内为止。

电池组100可连接到车辆电池搭电启动装置(诸如图5所示的车辆电池搭电启动装置300)并可由其支撑。车辆电池搭电启动装置300包括壳体305，用于接收和支撑电池组100的支撑部分310，用于将电池组100电连接到车辆电池搭电启动装置300的多个端子315，用于启用或激活车辆电池搭电启动装置300的开启(ON)或电源(POWER)按钮320，第一电缆325，第二电缆330，第一端子夹335和第二端子夹340。电池组100通过支撑部分310和多个端子315连接到车辆电池搭电启动装置300。因此，电池组100用作车辆电池搭电启动装置300的电源。

如图6所示，车辆电池搭电启动装置300包括控制器400。控制器400电气地和/或通信地连接到车辆电池搭电启动装置300的各种模块或部件。例如，所示的控制器400连接到一个或多个指示器405，功率输入模块410，电池组接口415，一个或多个传感器420，用户输入模块425和FET开关模块430。控制器400包括硬件和软件的组合，这些硬件和软件的组合可操作以控制车辆电池搭电启动装置300的操作，监测车辆电池搭电启动装置300的操作，激活一个或多个指示器405(例如，LED)等。一个或多个传感器420尤其包括一个或多个电压传感器，一个或多个电流传感器，一个或多个温度传感器等。

在一些实施例中，控制器400包括多个电气和电子部件，其向控制器400和/或车辆电池搭电启动装置300内的部件和模块提供电力，操作控制和保护。例如，控制器400尤其包括处理单元435(例如，微处理器，微控制器或另一合适的可编程设备)，存储器440，输入单元445和输出单元450。处理单元435尤其包括控制单元455，ALU 460和多个寄存器465(在图6中示为一组寄存器)，并且使用已知的计算机架构(例如，修改的哈佛架构，冯诺依曼架构等)实现。处理单元435，存储器440，输入单元445和输出单元450，以及连接到控制器400的各种模块通过一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线470)连接。为了说明的目的，在图6中总体上示出了控制和/或数据总线。基于本文描述的实施例，使用一种或多种控制和/或数据总线进行各种模块和部件之间的互连及通信是本领域技术人员将知晓的。在一些实施例中，控制器400部分地或全部地实现在半导体(例如，FPGA半导体)芯片上。

存储器440是非暂时性计算机可读介质，并且包括例如程序存储区域和数据存储区域。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器的组合，例如ROM，RAM(例如，DRAM，SDRAM等)，EEPROM，闪存，硬盘，SD卡或其他合适的磁性，光学，物理或电子存储设备。处理单元435连接到存储器440，并执行能够存储在存储器440的RAM中(例如，在执行期间)，存储器440的ROM中(例如，在大体上永久的基础上)或另一非暂时性计算机可读介质(例如另一存储器或磁盘)中的软件指令。包括在车辆电池搭电启动装置的实现中的软件可以存储在控制器400的存储器440中。该软件包括例如固件，一个或多个应用程序，程序数据，过滤器，规则，一个或多个程序模块，和其他可执行指令。控制器400被配置为从存储器中检索并执行与本文所述的控制过程和方法有关的指令等。在其他构造中，控制器400包括附加的，更少的或不同的部件。

电池组接口415包括机械部件(例如，支撑部分310)和电气部件(例如，多个端子315)的组合，其被配置成并可操作以将车辆电池搭电启动装置与电池组100连接(例如，机械地，电气地和通信地连接)。例如，由电池组100提供给车辆电池搭电启动装置的功率通过电池组接口415提供给功率输入模块410。功率输入模块410包括有源和无源部件的组合，以在将功率提供给控制器400之前调节或控制从电池组100接收的功率。电池组接口415还包括例如用于在控制器400和电池组100之间提供通信线或链路的通信线475。电池组接口415向FET开关模块430供电，以由开关FET进行切换，以选择性地向夹335、340供电。FET开关模块430也连接至功率提升模块480。功率提升模块480包括例如多个超级电容器或锂聚合物电池单元。功率提升模块480由控制器400利用来自电池组100的功率选择性地充电。在一些实施例中，功率提升模块480由车辆电池充电(例如，超级电容器可以由耗尽的车辆电池充电)。功率提升模块480可以与电池组100结合使用，以向车辆电池提供功率以搭电启动车辆电池。在一些实施例中，功率提升模块480可以单独(即，没有电池组100)用于试图搭电启动车辆电池。然而，在没有电池组100的情况下，车辆电池搭电启动装置300的能力有限。例如，在没有电池组100的情况下，单独的超级电容器可能没有足以搭电启动车辆的能量容量。替代地，锂聚合物电池单元需要充电，但取决于车辆在其电池需要被搭电启动时的位置，这可能很难或不可能实现。

图7是电池组100和车辆电池搭电启动装置300的组合的电气示意图。车辆电池搭电启动装置300连接到车辆电池500。通过将电池组100与功率提升模块495和车辆电池500并联连接，车辆电池搭电启动装置300防止系统电压超过18V并且潜在地损坏车辆电池500或控制电子器件。车辆电气系统通常在几伏特(例如，在启动期间)至大约14V(例如，在充电期间)的电压下操作。常规的搭电启动装置通常在10V和14V的电压下操作。较高电压的锂基电池组(例如18V电池组)由于其电池单元高的内部电阻(例如，与锂聚合物电池单元和超级电容器相比)而在作为搭电启动装置时存在问题。增加串联连接的电池单元的数量会增加电池组的内部电阻。并联连接电池单元可降低内部电阻。但是，对于12V锂基电池组，可能需要并联连接大量电池单元，以充分降低内部电阻，以使其能够搭电启动车辆电池。与预期相反，使用18V锂基电池组可以使电池组看起来像是具有减小的内部电阻的12V电池组。通过应用戴维南定理计算18V电池组的戴维南等效电阻和戴维南等效电压，可以用数字方式显示这种效果。因此，可以使用具有比车辆电气系统的电压高的电压的电池组(例如18V锂基电池组)。

车辆电池搭电启动装置300包括预充电电路505(例如，包括预充电开关)，其通过连接至控制器400的预充电引脚控制，以及搭电启动开关510，其通过连接至控制器400的跳线引脚控制。控制器400选择性地控制预充电电路505，以对功率提升模块480中的超级电容器或锂聚合物电池单元进行充电。控制器400控制预充电电路505，以防止电池组100向功率提升模块480提供过量的放电电流。例如，使用来自控制器400的脉冲宽度调制(PWM)信号来控制预充电电路505，以限制来自电池组100的电流被用于给功率提升模块充电。在一些实施例中，可以在预充电电路505中与预充电开关串联地放置电阻器，以限制来自电池组100的放电电流。在所示的实施例中，功率提升模块480包括一串串联的超级电容器。在其他实施例中，功率提升模块480包括以并联或串联-并联布置的多个超级电容器，以串联，并联或串联-并联布置的多个锂聚合物电池单元，或以串联，并联或串联-并联配置连接的超级电容器和锂聚合物电池单元的组合。根据本公开，本领域的技术人员将理解如何组合串联，并联或串联并联配置的超级电容器和/或锂聚合物电池单元，以实现从功率提升模块480输出期望的电压和电流。

车辆电池搭电启动装置300还包括电流传感器515(例如，分流电阻器)，使得控制器400可以监测被放电到车辆电池500的电流，以及允许控制器400监测车辆电池500的电压的正负电压抽头。控制器400可以在试图搭电启动期间监测放电电流，以确保在延长的时间段内放电的电流不超过高电流阈值或特定值。例如，与功率提升模块组合的电池组100在大约50毫秒内输出大约750A的组合电流以搭电启动车辆电池500，并且在之后的几秒钟內输出200A或更大的组合电流。为了保护电池组100和车辆电池搭电启动装置300，控制器400可以防止车辆电池搭电启动装置300将超过500A的电流放电超过100毫秒或将超过200A的电流放电持续五秒钟。这些限制可以根据用于为车辆电池搭电启动装置300供电的电池组而有所不同。然而，在每种情况下，放电电流限制都适当地防止损坏电池组100，车辆电池搭电启动装置300或车辆电池500。

除了电池组100的放电电流限制之外，电池组100还具有必须在其内操作的电压和温度限制。电池组100的放电电流，电压和温度限制中的每一个可以由电池组的控制器200监测和控制。功率提升模块480还具有放电电流，电压和温度限制，其独立于电池组100必须在其内运行的放电电流，电压和温度限制。功率提升模块480的放电电流，电压和温度限制中的每一个都可以由车辆电池搭电启动装置300的控制器400监测和控制。在一些实施例中，在达到电流，电压或温度限制(即故障状况)的情况下，电池单元220和功率提升模块480(例如，包括超级电容器，锂聚合物电池单元或超级电容器和锂聚合物电池单元的组合)中的每一个可以独立地断开连接。

在图8和图9中的过程600描述了电池组100和车辆电池搭电启动装置300的组合的操作。过程600开始于将电池组100附接到车辆电池搭电启动装置300(步骤605)。在步骤605之后，车辆电池搭电启动装置300的控制器400控制预充电电路505，以将电池组100电连接至功率提升模块480(步骤610)。在电池组100连接到功率提升模块480之后，来自电池组100的存储能量可以用于对功率提升模块480充电(步骤615)。在功率提升模块480已经被完全充电之后，控制器400控制预充电电路505，以将电池组100与功率提升模块480电气地断开连接(步骤620)。在功率提升模块480被充电并且电池组100连接到车辆电池搭电启动装置300的情况下，电池组100和车辆电池搭电启动装置的组合可用于搭电启动车辆电池500。

如果电池组100的电压太低，以至于试图搭电启动车辆电池500可能会损坏电池组100，则车辆电池搭电启动装置的控制器400或电池组100的控制器200可以选择性地防止电池组100被用于搭电启动车辆电池500。例如，除了用于电池组100的电池单元220的标准低电压切断以外，还可以实现第二低电压阈值，以防止电池组100用于搭电启动车辆。电池组100可以经由与车辆电池搭电启动装置300或识别设备(例如，电阻器)的通信来确定其已连接至车辆电池搭电启动装置300(例如，而不是手持式动力工具)。然后，当电池组100的电压低于第二阈值并且放电电流会使电池组100的电压下降至低于标准低电压切断电压(例如每个电池单元2.6V)时，电池组100的控制器200可以防止电池组100放电电流。选择第二电压阈值以对应于：搭电启动车辆电池500所需的能量或由于搭电启动车辆电池所需的高电流的放电而导致的预期电压降低。如果电池组100具有的电荷少于搭电启动车辆电池500所需的电荷，并且试图搭电启动车辆电池500将导致电池组100的电压耗尽或降至低于标准低电压切断，则控制器200防止电池组100试图搭电启动车辆电池500。

在步骤625，车辆电池搭电启动装置300经由端子夹335和340连接到车辆电池500。一旦车辆电池搭电启动装置300连接到车辆电池500，则控制器400监测车辆电池500两端的电压(步骤630)。当试图启动车辆时，车辆电池500的电压降低。车辆电池500的电压的这种降低向控制器400发出信号，表明已经试图启动车辆。然后，过程600进行到图9所示并关于图9描述的控制部分A。

参考图9，如果在步骤635没有试图启动车辆，则过程600在步骤635等待试图进行车辆启动(或者发生控制器400的超时状况)。在控制器400在步骤635中检测到车辆启动试图之后，控制器400将电池组100和功率提升模块480电连接至车辆电池500(步骤640)。在一些实施例中，当在车辆电池搭电启动装置300的电压(+)和电压(-)端子之间存在低电阻时，控制器400使用搭电启动开关510来防止从车辆电池搭电启动装置300放电。这样的低电阻可能是由于跳线电缆短路或车辆电池500短路引起的。控制器400可以检测到这种情况，并使用搭电启动开关510防止放电，从而防止产生火花。在一些实施例中，搭电启动开关510用作超越开关，以将电池组100和功率提升模块480连接到车辆电池500，而不试图搭电启动车辆电池500。例如，柴油车辆要求电热塞必须足够热以引起燃料着火。耗尽的汽车电池可能不足以单独加热电热塞。通过将电池组100和功率提升模块480通过搭电启动开关510连接到车辆的电池，来自电池组100和功率提升模块480的功率可用于加热电热塞。此外，如果车辆的电池电量已耗尽(例如，即使安装了搭电启动装置)，则较新的车辆也会通过电子方式防止操作员试图启动车辆。通过搭电启动开关510将电池组100和功率提升模块480连接到车辆的电池上可以使车辆的系统电压升高到足以允许操作员试图启动车辆。

当从电池组100和功率提升模块480向车辆电池500提供搭电启动电流时，控制器400监测车辆电池500的电压(步骤645)。在步骤650，当控制器400确定车辆尚未启动时，过程600保持在步骤650，直到车辆启动(或控制器400的超时状况或电池组100的低电压状况发生)为止。在步骤650，当控制器400检测到车辆已经启动时，控制器400将电池组100和功率提升模块495与车辆电池500电气地断开连接。然后，车辆电池搭电启动装置300和夹335、340可以物理地断开连接。

因此，本文描述的实施例尤其提供了由可移除且可充电电池组供电的车辆电池搭电启动装置。在所附权利要求中阐述了各种特征和优点。