Портативный автономный электросиловой инструмент - RU2345462C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к приборам и инструментам с автономными источниками энергии, в частности к портативным автономным электросиловым инструментам, и объектом изобретения является комплект инструмента вышеуказанного типа с литий-ионной или литий-полимерной батареей.

В настоящей заявке под «инструментом» в целом следует понимать прибор или инструмент, выполненный с возможностью облегчения физического труда оператора при выполнении какой-либо материальной задачи или с возможностью выполнения этой задачи под управлением оператора. Под комплектом инструмента следует понимать инструмент с его автономным источником энергии и средство питания этого источника.

В качестве инструментов, уже реализованных заявителем, можно указать: электрические секаторы для обрезки плодовых деревьев и виноградной лозы, инструменты для подвязки растений и инструменты для сбора плодов.

В качестве не ограничительного примера инструментов такого типа можно также указать инструменты, выполненные по аналогичной технологии: цепные пилы, портативные газонокосилки-триммеры, кусторезные машинки, отбойные молотки.

Эти портативные электросиловые инструменты отличаются от аналогичных инструментов, питаемых от гидравлических, пневматических или электрических источников энергии, главным образом тем, что являются автономными и не зависят от любого внешнего источника энергии, что позволяет оператору сохранять полную свободу передвижений. Они также отличаются от портативных автономных электроинструментов с приводом от теплового двигателя тем, что не загрязняют окружающую среду, не выделяют неприятные запахи, не производят вибрации и шума во время работы, а также характеризуются надежностью в использовании.

С другой стороны, установлено, что использование таких инструментов отличается исключительным комфортом за счет бесшумной работы и маневренности.

Такие портативные автономные электросиловые инструменты, как правило, содержат, по меньшей мере, три отдельных функциональных узла, а именно: первый узел, являющийся электрическим приводом, обеспечивающим механическое действие инструмента, второй узел, являющийся источником электрической энергии и содержащий в основном электрохимическую аккумуляторную батарею, и третий узел, являющийся зарядным устройством, выполненным с возможностью управляемой подзарядки батареи.

Появление и широкое применение этих инструментов главным образом связано с двумя техническими факторами:

- с одной стороны, появлением на рынке новых типов батарей с улучшенным соотношением емкость/вес;

- с другой стороны, развитием технологий создания электрических двигателей высокой производительности.

В настоящее время для указанных инструментов используются никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи. Они имеют энергетическую емкость порядка 30-50 ватт-час на килограмм.

Учитывая, что, в частности, согласно официальным инструкциям и рекомендациям оператор может переносить на спине при помощи лямок или на поясе максимальный груз 4 кг при непрерывной работе в течение рабочего дня, при современных технологиях, использующих никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи, общая емкость батареи, переносимой оператором, будет составлять от 150 до 200 ватт-час.

Этой емкости недостаточно для обеспечения портативных автономных электросиловых инструментов энергией, необходимой для работы в течение половины рабочего дня, а тем более в течение всего рабочего дня.

В связи с этим возникает потребность в батарее, отличающейся более высоким соотношением емкость/вес, чтобы расширить область применения портативных автономных электросиловых инструментов с учетом их преимуществ и качеств, указанных выше.

В этой связи задачей настоящего изобретения является использование технологии, связанной с применением литий-ионных или литий-полимерных батарей, в портативных автономных электросиловых инструментах.

Действительно, несмотря на то, что эти батареи в настоящее время широко используются в мобильных телефонах, видео- и фотокамерах и портативных компьютерах, их пока не применяли в портативных автономных электросиловых инструментах в связи с трудностями, которые встретились на пути такого применения. Вместе с тем они характеризуются соотношением емкость/вес от 150 до 200 ватт-час на килограмм, что позволило бы втрое и даже вчетверо повысить мощность или продолжительность использования этих портативных электроинструментов по сравнению с сегодняшними возможностями, обеспечиваемыми никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными батареями.

Следует заметить, что с учетом требующейся мощности использование литий-ионной или литий-полимерной батареи в портативных электросиловых инструментах требует наличия высокого напряжения.

Действительно, литий-ионные и литий-полимерные элементы по своей природе не могут выдавать большой ток и поэтому требуется последовательное соединение базовых элементов для получения высокого напряжения, что позволит получить большую мощность несмотря на слабый ток.

Так, для реализации батарей, обеспечивающих электрическую мощность, необходимую для применения в портативных автономных электросиловых инструментах, при соблюдении действующих правил использования потребительского напряжения и обеспечении полезного рабочего напряжения, необходимо осуществлять последовательное соединение многочисленных элементов или многочисленных аккумуляторов, при этом каждый из этих аккумуляторов будет содержать такие элементы, соединенные параллельно.

Отсюда возникают проблемы управления и контроля таких батарей с множеством компонентов, которые до сегодняшнего дня были неразрешимыми.

Действительно, в указанных выше вариантах применения (мобильные телефоны, видео- и фотокамеры, портативные компьютеры) батареи, как правило, содержат не более четырех последовательно соединенных элементов, контроль за зарядкой и разрядкой которых не представляет сложности и является относительно легким в реализации.

Задачей настоящего изобретения является решение вышеуказанной проблемы.

В этой связи объектом настоящего изобретения является комплект портативного автономного электросилового инструмента вышеуказанного типа, то есть содержащего по меньшей мере три вышеуказанных функциональных узла, при этом указанный комплект инструмента характеризуется тем, что:

второй узел может переноситься оператором, он содержит электрохимическую литий-ионную или литий-полимерную батарею, выполненную путем последовательного соединения более чем четырех аккумуляторов, при этом каждый аккумулятор состоит из элемента или нескольких элементов, соединенных параллельно; модуль контроля и управления батареей, предпочтительно выполненный в виде электронного устройства, расположенного в непосредственной близости от указанной батареи и обеспечивающего получение во времени и управляемым образом максимальной емкости батареи и оптимальное использование инструмента;

первый узел во время работы контролируется системой ограничения тока, предназначенной для защиты литий-ионной или литий-полимерной батареи, питающей его энергией;

третий узел содержит, по меньшей мере, один источник электрического питания, напряжение и ток которого обеспечивают подзарядку литий-ионной или литий-полимерной батареи.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения, приведенного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых:

фиг.1 - вид в перспективе комплекта инструмента в соответствии с настоящим изобретением в виде секатора во время фазы зарядки;

фиг.2 - вид в перспективе комплекта инструмента, показанного на фиг.1, во время использования оператором;

фиг.3 - блок-схема второго функционального узла, входящего в комплект инструмента;

фиг.4 - принципиальная электронная схема некоторых элементов второго узла, показанного на фиг.3.

Как показано на фиг.1, 3 и 4, комплект 1 портативного автономного электросилового инструмента состоит из трех отдельных функциональных узлов 2, 3 и 4, а именно из первого узла 2, представляющего собой электрический привод и создающего механическое действие инструмента, второго узла 3, представляющего собой источник электрической энергии и в основном содержащего электрохимическую аккумуляторную батарею 5, и третьего узла 4, представляющего собой зарядное устройство, выполненное с возможностью управляемой подзарядки батареи 5.

Согласно изобретению второй узел 3 выполнен портативным, он содержит электрохимическую литий-ионную или литий-полимерную батарею 5, состоящую из более чем четырех последовательно соединенных аккумуляторов 6, при этом каждый аккумулятор содержит один или несколько параллельно соединенных элементов; содержит модуль 7 контроля и управления батареей 5 предпочтительно в виде электронного устройства, расположенного в непосредственной близости от указанной батареи 5 и обеспечивающего получение во времени и управляемым образом максимальной емкости батареи и оптимальное использование инструмента.

Кроме того, первый узел 2 во время работы контролируется системой 8 ограничения тока, выполненной с возможностью защиты литий-ионной или литий-полимерной батареи 5, которая питает его энергией, а третий узел 4 содержит, по меньшей мере, один источник электрического питания, напряжение и ток которого соответствуют условиям подзарядки литий-ионной или литий-полимерной батареи 5.

При расположении модуля 7 в непосредственной близости от батареи 5 облегчается соединение при помощи проводов, а сигналы измерения и управления меньше подвергаются воздействию помех и потерям и претерпевают меньшие искажения за счет уменьшенного расстояния передачи.

Второй и третий узлы 3 и 4 могут быть объединены в единый блок, содержащий два указанных узла 3 и 4, или выполнены в виде двух отдельных модулей, соединенных между собой во время фазы зарядки.

Разумеется, что этот второй вариант более предпочтителен в рамках настоящего изобретения, так как позволяет уменьшить вес, переносимый пользователем.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения электронный модуль 7 контроля и управления батареей 5 второго узла 3 выполнен в виде электронной платы и содержит, по меньшей мере, один цифровой блок 9 обработки данных, такой, например, как микропроцессор, микроконтроллер, процессор цифровых сигналов, соединенный с запоминающим устройством и с вспомогательными схемами, при этом весь узел выполнен с возможностью решения, по меньшей мере, некоторых задач, а предпочтительно всех задач из следующего комплекса задач, в который входят:

- управление зарядкой,

- управление разрядкой,

- балансировка зарядки каждого аккумулятора 6,

- оценка и индикация емкости батареи 5,

- защита во время разрядки батареи 5 от перегрузки по току во время использования инструмента,

- управление инструментом во время фаз обслуживания при хранении,

- управление сигналами тревоги,

- управление и передача собранной информации,

- управление диагностикой.

Выполнение этих различных задач осуществляется и управляется цифровым блоком 9 обработки данных под контролем и при управлении программой управления работой комплекта 1 инструмента с учетом команд, подаваемых пользователем, и значений различных параметров, измеряемых на втором блоке 3, а также, в случае необходимости, на первом и/или третьем блоке 2 и/или 4.

Согласно первому отличительному признаку настоящего изобретения для выполнения задач управления зарядкой, управления разрядкой, балансировки зарядки каждого аккумулятора 6, оценки и индикации емкости батареи 5 модуль 7 контроля и управления непрерывно использует значения измерения напряжения на каждом аккумуляторе 6, входящем в состав батареи 5.

Для этого, как показано на фиг.3 и 4, изобретением предусмотрено, чтобы для батареи 5, состоящей из n аккумуляторов 6, значения измеренного напряжения на каждом аккумуляторе 6 поступали от электронной схемы 10 сбора данных, в основном состоящей из n идентичных аналоговых модулей 11, установленных соответственно на контактах n аккумуляторов 6 батареи 5 и выполненных с возможностью измерения напряжения соответствующего аккумулятора 6, при этом значения напряжения, измеренные каждым из n модулей 11, поочередно подаются через, по меньшей мере, один аналоговый мультиплексор 12 и после усиления при помощи соответствующей схемы 13 на аналогово-цифровой преобразователь 9' на входе цифрового блока 9 обработки данных, входящего в состав модуля 7 контроля и управления.

Преобразователь 9' может быть встроен в блок 9 или выполнен в виде схемы отдельно от последнего.

Через электронную схему 10 сбора данных модуль 7 контроля и управления осуществляет последовательное или цикличное наблюдение за напряжением на различных аккумуляторах 6, при этом с высокой частотностью происходит обновление данных напряжения для каждого аккумулятора 6 в блоке 9, обеспечивая, таким образом, учет и быстрое реагирование в случае получения при измерении не приемлемого значения напряжения.

Как показано на фиг.4, аналоговые модули 11 измерения напряжения осуществляют соответственно для каждого аккумулятора 6 вычитание между напряжением, измеренным на положительном контакте, и напряжением, измеренным на отрицательном контакте, при помощи электронной дифференциальной схемы с операционным усилителем 11', в которой применяются входные резисторы или резисторные элементы 11''.

Для достижения чувствительности измерения, наиболее соответствующей задаче надежного и точного контроля за каждым аккумулятором 6, дифференциальная схема с операционным усилителем 11' каждого модуля 11 измерения напряжения содержит входные резисторы или резисторные элементы 11'' с полным сопротивлением, близким или превышающим 1 МОм, таким образом, чтобы получать очень слабые токи утечки, например, но не ограничительно, ниже 1/20000 доли в час от общей емкости батареи 5, при этом предпочтительно значения измерения напряжения на каждом аккумуляторе 6 выдаются с точностью измерения, по меньшей мере, 50 мВ.

Предпочтительно требуемую точность измерения напряжения, то есть, по меньшей мере, 50 мВ, получают путем калибровки во время изготовления электронной платы модуля 7 контроля и управления батареи, позволяющей индивидуально компенсировать погрешности измерения напряжения аналоговыми модулями 11.

Эта калибровка может представлять собой, например, для каждого модуля 11 измерения напряжения введение путем программирования в цифровой блок 9 обработки данных параметров, корректирующих погрешности в зависимости от очень точного контрольного измерения одного или нескольких значений напряжения, которыми при этой операции калибровки заменяют значения напряжения, нормально измеренного на контактах каждого аккумулятора 6.

Для обеспечения подачи на блок 9 сигнала измерения требуемой точности аналогово-цифровой преобразователь 9' формирует на выходе, по меньшей мере, десять значащих двоичных разрядов.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения задача балансировки зарядки аккумуляторов 6 относительно друг друга выполняется с помощью цифрового блока 9 обработки данных, который, на основе значений измерения напряжения на каждом аккумуляторе 6 и, в случае необходимости, для каждого из них, осуществляет управление изменением зарядного тока при помощи рассеивающих схем на основе электронных коммутаторов 14, связанных с резисторными элементами 14'.

Для сбалансированной зарядки батареи 5 можно применять, например, способ, описанный в патентной заявке №03135570, зарегистрированной 20 ноября 2003 года на имя заявителя.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения задача управления разрядкой состоит в непрерывном наблюдении за данными напряжения на каждом аккумуляторе 6 при помощи цифрового блока 9 обработки данных, прекращении разрядки, когда этот блок обнаруживает, что одно из значений напряжения на аккумуляторе 6 достигло минимального порога разрядки, установленного изготовителем литий-ионных или литий-полимерных элементов, и в размыкании цепи разрядки путем отключения элемента 15 коммутации разрядки, что влечет за собой прекращение работы инструмента 2 с одновременным включением, например, но не ограничительно, звукового или визуального сигнального устройства.

Как показано на фиг.3 и 4, согласно еще одному отличительному признаку настоящего изобретения задачи управления зарядкой, оценки и индикации емкости батареи 5 и защиты от перегрузки током во время разрядки выполняются в непрерывном режиме с помощью цифрового блока 9 обработки данных при помощи аналоговой электронной схемы 16 измерения тока зарядки и разрядки батареи 5.

Предпочтительно в ходе выполнения задачи управления зарядкой в течение времени подключения третьего узла 4, представляющего собой зарядное устройство, на уровне электронной платы модуля 7 контроля и управления батареей 5 завершение зарядки осуществляют путем размыкания элемента 17 коммутации зарядки, управляемого цифровым блоком 9 обработки данных, когда, с одной стороны, указанный блок 9 при помощи аналоговой электронной схемы 16 измерения тока зарядки и разрядки обнаруживает падение зарядного тока до установленного порога, например, 50 мВ для батареи 5, или когда, с другой стороны, температура батареи 5 превышает предельную допустимую величину, например, 55°С, или когда зарядка длится дольше заданного теоретического времени зарядки, например, на 20%.

Кроме того, задача оценки и индикации емкости батареи 5 выполняется цифровым блоком 9 обработки данных, который рассчитывает указанную емкость непрерывно, во время зарядки и использования инструмента, на основе, с одной стороны, информации о моментальном токе зарядки и разрядки батареи 5, поступающей от аналоговой электронной схемы 16 измерения тока зарядки и разрядки, и, с другой стороны, значений измерений напряжения на каждом аккумуляторе 6 и, но не обязательно, а для более точного вычисления, из известного среднего внутреннего сопротивления.

Задача защиты от перегрузки по току во время разрядки батареи 5 в ходе использования инструмента, предназначенная для предохранения литий-ионной или литий-полимерной батареи от преждевременного старения или от перегрева, выполняется либо путем прерывания тока разрядки в случае чрезмерного импульсного превышения максимального значения тока разрядки, допустимого для батареи 5, или превышения предельно допустимой для нее максимальной температуры, либо путем ограничения тока разрядки в зависимости от потребляемой инструментом энергии в течение некоторого «скользящего» времени, с учетом того, что значение энергии и «скользящее» время заранее определены экспериментально в зависимости от типа инструмента, его использования и срока службы литий-ионной или литий-полимерной батареи 5, входящей в состав второго узла 3.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения ограничением тока разрядки управляет цифровой блок 9 обработки данных путем подачи команды на модуляцию длительности импульса (МДИ), формируемой либо непосредственно указанным блоком 9, либо при помощи специального элемента через каскад 18 управления на элемент 15 коммутации разрядки, выполненный, например, в виде элемента типа N-канальной МОП-схемы.

Для автоматического создания оптимизированных условий хранения можно предусмотреть, чтобы, когда комплект электрического инструмента 1 не находится на зарядке и когда его не используют длительное время, например 10 дней, цифровой блок 9 обработки данных автоматически выполнял задачу управления хранением, в ходе выполнения которой он проверяет, является ли остаточная емкость батареи 5 существенно выше емкости, рекомендованной для условий хранения изготовителем литий-ионных или литий-полимерных элементов, и, если остаточная емкость существенно превышает такую емкость, то включает автоматическую разрядку батареи при помощи резисторных схем 14, соединенных параллельно с каждым аккумулятором 6, до момента достижения емкости хранения, после чего отключает все электронные схемы, при этом цифровой блок 9 обработки данных переходит в режим наблюдения со слабым потреблением, а если емкость оказывается ниже емкости хранения, то цифровой блок 9 обработки данных включает звуковой и/или визуальный сигнал тревоги.

Предпочтительно цифровой блок 9 обработки данных выполняют с возможностью обнаружения соединения зарядного устройства 4, находящегося под напряжением, с батареей 5 путем измерения напряжения модулем 7 контроля и управления, по меньшей мере, на одном из контактов 20, предпочтительно на положительном контакте второго узла 3, которые предназначены для подключения к указанному зарядному устройству 4.

Эта функция, в случае необходимости, выполняемая при помощи соответствующей специальной схемы 19, позволяет во время хранения инструмента в нерабочей фазе путем определения момента, в который, по меньшей мере, один аккумулятор 6 достигает минимального значения напряжения, установленного изготовителем, включать автоматическую подзарядку батареи 5.

Когда модуль 7 контроля и управления обнаруживает чрезмерное или недостаточное напряжение зарядного устройства 4 на соответствующих соединительных контактах 20 второго узла 3, цифровой блок 9 обработки данных, использующий эту информацию, подает команду на остановку зарядки и включает звуковой и/или визуальный сигнал тревоги.

Необходимо отметить, что пара контактов 20 соединения с зарядным устройством 4 и пара контактов 20 соединения с инструментом 2 содержат общий отрицательный контакт, соединенный с массой, и отдельные положительные контакты, с каждым из которых соединен соответствующий элемент 15 или 17 коммутации.

Для облегчения долгосрочного контроля при использовании комплекта 1 инструмента, а также его обслуживания и планирования технических осмотров задача управления информацией и диагностикой может состоять в накоплении в запоминающем устройстве цифрового блока 9 обработки данных, собираемых в ходе эксплуатации инструмента, таких, например, как число подзарядок, количество часов эксплуатации инструмента, изменение емкости батареи 5 во времени, средняя энергия, потребляемая инструментом, при этом указанные данные могут передаваться через проводную, радиочастотную или инфракрасную связь 23 на отдельный эксплуатационный терминал, например, типа персонального компьютера, персонального электронного консультанта, GSM, который может, в случае необходимости, быть подключен к Интернету.

Для оптимизации интеграции средств управления и контроля комплекта 1 инструмента модуль 7 контроля и управления батареей 5, входящий в состав второго узла 3, являющегося аккумуляторным источником электрической энергии, может быть связан с электронным модулем контроля и управления привода 2 на той же электронной плате, в случае необходимости, с использованием того же цифрового блока 9 обработки данных.

Цифровой блок 9 обработки данных может также содержать средство 24 контроля за исполнением программы управления комплектом 1 инструмента и управляемого сбора измененных значений, символически показанное на фиг.3.

Средства контроля и управления привода 2 сами по себе известны и не нуждаются в более подробном описании.

Для обеспечения дополнительных мер безопасности, позволяющих предохранять аккумуляторы 6 батареи 5 в случае воздействия на эти аккумуляторы экстремальных условий напряжения или тока, можно предусмотреть наличие дополнительных схем размыкания соединения второго узла 3 с первым или третьим узлами 2 или 4, соединенных параллельно с вышеуказанной системой нормального контроля, смонтированной вокруг цифрового блока 9 обработки данных.

Так, электронный модуль 7 контроля и управления батареей 5 может содержать для каждого аккумулятора 6 дублирующие защитные схемы 21 прекращения зарядки, выполненные с возможностью подачи индивидуальной команды на прекращение зарядки в случае перегрузки по напряжению аккумулятора 6 путем непосредственного отключения элемента 17 коммутации зарядки, без участия цифрового блока 9 обработки данных.

Точно так же электронный модуль 7 контроля и управления может содержать дублирующую схему 21' прекращения разрядки, выполненную с возможностью прекращения разрядки в случае обнаружения тока разрядки, равного или превышающего максимально допустимое значение для батареи 5, при помощи аналоговой схемы 16 измерения, путем непосредственного отключения элемента 15 коммутации разрядки, без участия цифрового блока 9 обработки данных.

Предпочтительно третий узел 4, образующий зарядное устройство, предназначенное для подзарядки литий-ионной или литий-полимерной батареи 5, создает напряжение с точностью, близкой к 0,5%, и регулируемый ток, получаемые при помощи специальной схемы регулирования напряжения и тока. Такие схемы уже известны и не нуждаются в дополнительном описании.

Как показано на фиг.1 и 2, каждый функциональный узел 2, 3 и 4 установлен (если узлы 3 и 4 выполнены раздельно) внутри защитного корпуса, при этом узлы могут быть соединены между собой попарно при помощи гибких разъемных кабелей 22, 22' для подачи энергии и передачи сигналов управления и/или контроля между указанными узлами 2, 3, 4.

Следует отметить, что зарядку батареи 5 можно осуществлять при помощи кабеля 22', соединяющего между собой узлы 2 и 3.

Корпус, содержащий первый узел 2, можно также использовать для размещения в нем инструмента, и он может быть выполнен, по меньшей мере, частично с соблюдением эргономичности - легким, надежным и удобным для пользователя.

Кроме того, кнопки или аналоговые устройства управления, а также средства индикации и звуковой и/или световой сигнализации предпочтительно выполняют частично на корпусе первого узла 2 и частично на корпусе второго узла 3 в зависимости от их типа и необходимости обзора со стороны оператора во время реального использования комплекта 1 инструмента.

Само собой разумеется, что настоящее изобретение не ограничивается описанными и показанными на прилагаемых чертежах вариантами осуществления. В него можно вносить изменения, в частности, с точки зрения компоновки различных элементов или их замены техническими эквивалентами, не выходя при этом за рамки области правовой охраны изобретения.

Реферат

Изобретение относится к комплекту портативного автономного электросилового инструмента, такого как секатор, цепная пила, инструмент для сбора фруктов, газонокосилка-триммер, отбойный молоток или аналогичный механизм, содержащий, по меньшей мере, три отдельных функциональных узла, характеризующийся тем, что второй узел (3) выполнен с возможностью его переноски оператором и содержит электрохимическую литий-ионную или литий-полимерную батарею (5), выполненную путем последовательного соединения более чем четырех аккумуляторов (6), и модуль (7) контроля и управления батареей (5), предпочтительно выполненный в виде электронного устройства, расположенного в непосредственной близости от указанной батареи (5) и обеспечивающего получение во времени и управляемым образом максимальной емкости батареи и оптимальное использование инструмента, при этом каждый аккумулятор состоит из элемента или нескольких элементов, соединенных параллельно; первый узел (2) во время работы контролируется системой (8) ограничения тока, предназначенной для защиты электрохимической литий-ионной или литий-полимерной батареи (5), питающей его энергией; третий узел (4) содержит, по меньшей мере, один источник электрического питания, напряжение и ток которого обеспечивают подзарядку литий-ионной или литий-полимерной батареи (5). Технический результат - расширение области применения. 25 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула