JP2007195372A

JP2007195372A - 充電装置

Info

Publication number: JP2007195372A
Application number: JP2006013128A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sakagami; 正昭阪上; Toshiharu Ohashi; 敏治大橋; Masatoshi Ito; 正俊伊藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】使用者の要求に都度確実に応じることが可能な、使い勝手のよい充電装置を提供する。
【解決手段】いずれかの電池セル１の電圧が第１の閾値電圧Ｖ１まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流が第１の閾値電流Ｉ２まで減少した際に、充電を停止する第１の充電モードと、両端電圧が第１の閾値電圧Ｖ１に電池セル１の個数を乗じた電圧より低い第２の閾値電圧Ｖ２まで増加し、またはいずれかの電池セル１の電圧が第１の閾値電圧Ｖ１まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流が第１の閾値電流Ｉ２まで減少した際に、充電を停止する第２の充電モードと、を有し、第１の充電モードと第２の充電モードとを切換えるモード切換手段としてのスイッチ２２を備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本願発明は、二次電池を充電する充電装置に関するものである。

二次電池の充電を行う充電装置においては、直列に接続された複数の電池セルと、各々の電池セルの電圧を検知するための電圧検知部と、上記電池セルに充電用の電力を供給するための電源部と、その供給される電力の電流を検知する電流検知部とを有している。

上記充電装置は、定電流充電による電池セルへの充電を開始してから、電圧検知部により検知されたいずれかの電池セルの電圧が、設定された閾値電圧まで増加した際に、電池セルへの充電を、定電流充電から定電圧充電へ切換え、その後の定電圧充電において、電流が設定された閾値電流まで減少した際に、上記定電圧充電を停止する充電モードを備えた制御部を設けている（特許文献１）。

上記の構成の充電装置を用いることで、充放電の繰り返しにより、電池セルの充電容量にばらつきが生じた場合に、充電の際に各々の電池セルのいずれにも、設定された閾値以上の電圧が印加されないことにより、いわゆる過充電を防止することができる。
特開平５−３３６６７５号公報

しかしながら、前記背景技術の特許文献１に記載の充電装置においては、放電時間を長くするために、上記閾値電圧を高く設定した場合は、充放電の繰り返しによる電池セルの寿命が短くなってしまい、逆に電池セルの寿命を長くするために、上記閾値電圧を低く設定した場合は、充電時の充電容量が低くなるために、充電後の放電時間が短くなっていた。

よって、上記充電装置において、閾値電圧がいったん設定されてしまうと、使用者が電池セルの寿命より放電時間を優先したい場合や、または放電時間の確保より電池セルの寿命を優先したい場合の要求に、それぞれ都度対応することが困難であった。

本願発明は、このような上記背景技術の課題を解決するものであり、使用者の要求に応じて、放電時間を優先する充電モードと、電池セルの寿命を優先する充電モードとを、それぞれ切換えることができるとともに、電池セルの寿命を優先した充電モードにおいて、特に、充放電の繰り返しにより、各々の電池セルの充電容量にばらつきが生じた場合に、電池セルへ過充電を行うことなく放電時間を長くできる、使い勝手のよい充電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明は、直列に接続された複数の電池セルと、各々の電池セルの電圧を検知する電圧検知部と、電池セルに充電用の電力を供給する電源部と、供給される電力の電流を検知する電流検知部と、電圧検知部および電流検知部での検知結果に基づいて電源部の充電用の電力供給による充電を制御する制御部と、を有する充電装置であって、複数の電池セルの両端電圧を検知する両端電圧検知部を備え、制御部による制御は、電圧検知部により各々の電池セルの電圧を検知して、いずれかの電池セルの電圧が第１の閾値電圧まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流検知部により検知された電流が第１の閾値電流まで減少した際に、充電を停止する第１の充電モードと、両端電圧検知部により電池セルの両端電圧および電圧検知部により各々の電池セルの電圧を検知して、両端電圧が第１の閾値電圧に電池セルの個数を乗じた電圧より低い第２の閾値電圧まで増加し、またはいずれかの電池セルの電圧が第１の閾値電圧まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流検知部により検知された電流が第１の閾値電流まで減少した際に、充電を停止する第２の充電モードと、を有し、第１の充電モードと第２の充電モードとを切換えるモード切換手段を備えている。

本願請求項２記載の発明は、上記請求項1記載の充電装置において、制御部は、第２の充電モードにあっては、電流検知部により検知された電流が、第１の閾値電流に代えて第１の閾値電流より低い第２の閾値電流にまで減少した際に、充電を停止するように制御するものであることを特徴としている。

本願請求項１記載の発明の充電装置においては、使用者が放電時間を優先したい場合は、モード切換手段により、放電時間を優先する第１の充電モードに切換えを行い、使用者が電池セルの寿命を優先したいときは、同様にモード切替手段により、電池セルの寿命を優先する第２の充電モードに切換えを行うことにより、使用者の要求に応じた充電モードを選択することができる。

さらに、電池セルの寿命を優先した第２の充電モードにおいて、特に、充放電の繰り返しにより、各々の電池セルの充電容量にばらつきが生じた場合に、電池セルへ過充電を行うことなく放電時間を長くできる、使い勝手のよい充電装置を提供できる。

本願請求項２記載の発明の充電装置においては、特に、電池セルの寿命を優先した第２の充電モードにおいて、充電を停止する閾値電流を低く変更することで、電池セルの寿命を損うことなく、充電後の放電時間をさらに長くすることができる。

図１は、本願発明の実施形態である充電装置を示している。この充電装置は図１に示すように、直列に接続された複数の電池セル１と、各々の電池セル１の電圧を検知する電圧検知部２と、電池セル１に充電用の電力を供給する電源部３と、供給される電力の電流を検知する電流検知部４と、電圧検知部２および電流検知部４での検知結果に基づいて電源部３の充電用の電力供給による充電を制御する制御部５と、を有する充電装置であって、複数の電池セル１の両端電圧を検知する両端電圧検知部６を備え、制御部による制御は、電圧検知部２により各々の電池セル１の電圧を検知して、いずれかの電池セル１の電圧が第１の閾値電圧Ｖ１まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流検知部４により検知された電流が第１の閾値電流Ｉ２まで減少した際に、充電を停止する第１の充電モードと、両端電圧検知部６により電池セル１の両端電圧および電圧検知部２により各々の電池セル１の電圧を検知して、両端電圧が第１の閾値電圧Ｖ１に電池セル１の個数を乗じた電圧より低い第２の閾値電圧Ｖ２まで増加し、またはいずれかの電池セル１の電圧が第１の閾値電圧Ｖ１まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流検知部４により検知された電流が第１の閾値電流Ｉ２まで減少した際に、充電を停止する第２の充電モードと、を有し、第１の充電モードと第２の充電モードとを切換えるモード切換手段としてのスイッチ２２を備えている。

以下、この実施形態の充電装置をより具体的詳細に説明する。図２から４に示すように、この実施形態の充電装置は充電式電動工具セットに用いられるものであり、この充電式ドリルドライバーを構成する電動工具本体７と、この電動工具本体７に装着される電池ユニット８と、この電池パック８を充電する充電ユニット９とから構成されている。

図２に示すように、電動工具本体７内には、電池ユニット８が着脱自在に装着される装着部１０と、電池ユニット８により駆動されるモータ１１とが設けられており、電動工具本体7の把持部には、モータ１１の駆動および停止を制御するトリガー式スイッチ１２が配置されている。

上記装着部１０には、モータ１１に接続され、電池ユニット８が装着された際に、電池ユニット８から供給される電力をモータ１１に伝達する一対の電極１２ａが設けられている。また、電動工具本体７の先端側には、ドリル歯等が取りつけられてモータ１１により回転される回転部１３が設けられている。

次に、電池ユニット８内には、直列に接続された複数の電池セル１が設けられており、電池ユニット８の上部には、電動工具本体７の装着部１０に装着されるコネクタ部１４が配置されている。

コネクタ部１４の側面には、電池セル１に接続された電極１５、１６が、コネクタ部１４の側面に露出して設けられており、図３に示すように、コネクタ部１４が装着部１０に装着された際に、電極１５、１６と一対の電極１２ａが圧接されることにより、電池ユニット８から供給された電力を電動工具本体７のモータ１１に伝えている。

コネクタ部１４の上面には、検知された電池セル１の電圧を送信するための送信電極１６ａが配置されている。

また、充電ユニット９には、例えばＡＣ１００Ｖの商用電源に接続される電源コード１７と、電池ユニット８を充電する際、図４に示すように、コネクタ部１４が挿入される挿入部１８が設けられている。

充電ユニット９内には、電源コード１７に接続され、電池ユニット８を充電する際に電池ユニット８へ電力を供給する電源部３と、電源部３の動作を制御する制御部５が設けられている。

上記挿入部１８の内側面には、電源部３に接続された電極１９、２０が配置されており、挿入部１８にコネクタ部１４が挿入された際に、挿入部１８の電極１９、２０と、コネクタ部１４の電極１５、１６とが圧接されることにより、電源部３より供給された電力を、電池セル１に伝達している。

また、挿入部１８の底面には、同様に挿入部１８にコネクタ部１４が挿入された際に、送信電極１６ａと圧接されて、送信電極１６ａより送られた電池セル１の電圧を受信する受信電極２１が配置されている。

さらに充電ユニット９の側面には、放電時間を優先する第１の充電モード、または電池セル１の寿命を優先する第２の充電モードのいずれかを、使用者の要求により切換えるスイッチ２２が配置されている。

電池ユニット８と充電ユニット９との電気的構成については、図１に示すように、まず電池ユニット８内には、複数の直列に接続された電池セル１と、各々の電池セル１に接続され、各々の電池セル１の電圧を検知することができる電圧検知部２とが設けられている。

上記電池セル１の両端は、それぞれ電極１５、１６に接続されているとともに、電圧検知部２は、送信電極１６ａに接続されている。

一方、充電ユニット９には、例えばＡＣ１００Ｖの商用電源に接続される電源コード１７が接続されており、充電ユニット９内は、この電源コード１７が接続された電源部３と、電源部３の動作を制御する制御部５が配置されている。

電池ユニット８を充電ユニット９により充電する際には、電池ユニット８側の電極１５が、充電ユニット９側の電極２０に接続されるとともに、同様に電池ユニット８側の電極１６が、充電ユニット９側の電極１９に接続されている。

また、電圧検知部２により検知された電池セル１の電圧は、送信電極１６ａに接続された受信電極２１を介して制御部５に送信されている。

さらに、充電ユニット９において、電極２０と電源部３との間には、電池セル１の電流を検知して制御部５に送信する電流検知部４が設けられており、電極１９と電極２０との間には、電池セル１の両端電圧を検知して、同様に制御部５に送信する両端電圧検知部６が配置されている。

そして制御部５には、放電時間を優先する第１の充電モードと、電池セル１の寿命を優先する第２の充電モードとを使用者が切換えるための、モード切換手段としてのスイッチ２２が接続されている。

以上の構成において、この実施形態における充電装置の動作を図１から６を用いて説明する。

使用者が放電時間を優先したい場合、充電ユニット９の電源コード１７をコンセントに差し込み、充電ユニット９の側面に配置されているスイッチ２２を切換えると、制御部５は充電ユニット９の充電モードを、放電時間を優先する第１の充電モードへ切換える。

次に、電動工具本体７より電池ユニット８を取り外し、電池ユニット８のコネクタ部１４を、充電ユニット９の挿入部１８に挿入すると、コネクタ部１４の電極１５、１６が挿入部１８の電極１９、２０に圧接されることにより接続され、コネクタ部１４の送信電極１６ａが、同様に挿入部１８の受信電極２１に圧接されることにより接続されて、電池セル１へ第１の充電モードによる充電が開始される。

図５に示すように、充電が開始（時間Ｔ０）されると、制御部５は、電源部３から電池セル１へ供給され、電流検知部４により検知された充電電流Ｉａが、一定の電流Ｉ１となるように電源部３を制御することで、いわゆる定電流充電を行う。この定電流充電が行われると、電圧検知部２により検知された電池セル１の電圧Ｖａは、充電開始時の電圧ＶＳ１より、当初のみ急激に増加した後、その後は徐々に増加していく。

充電開始より時間Ｔ１が経過すると、電圧検知部２により検知された電池セル１の電圧Ｖａは、あらかじめ設定された第１の閾値電圧Ｖ１まで増加する。電池セル１の電圧Ｖａが第１の閾値電圧Ｖ１まで増加すると、制御部５は、電池セル１の電圧Ｖａが一定の電圧Ｖ１となるように電源部３を制御することで、いわゆる定電圧充電へ移行する。

ここで、第１の閾値電圧Ｖ１は、充電後における電池セル１の放電時間を確保するために、電池セル１が過充電されない電圧の許容値と同レベルの電圧が設定されている。

よって電池セル１は、充電時において過充電されない電圧の許容値と同レベルの電圧Ｖ１において、十分な定電圧充電が行われるために、充電後の放電時間を長く確保することができる。

上記定電圧充電への移行が行われると、電流検知部４により検知された充電電流Ｉａは、徐々に減少し、充電開始より時間Ｔ２が経過した地点で、充電電流Ｉａは第１の閾値電流Ｉ２まで減少する。充電電流Ｉａはあらかじめ設定された第１の閾値電流Ｉ２まで減少すると、制御部５は充電電流Ｉａを停止させて、電池ユニット８の電池セル１への充電が終了する。

使用者は、充電が終了した後、電池ユニット８のコネクタ部１４を充電ユニット９の挿入部１８より取り外し、電池ユニット８のコネクタ部１４を、電動工具本体７の装着部１０へ取りつける。そして、電動工具本体７の回転部１３へドリル歯等を取りつけ、トリガー式スイッチ１２を引くことにより、電動工具本体７を使用することができる。

一方、使用者が電池セル１の寿命を優先したい場合は、充電ユニット９の電源コード１７をコンセントに差し込み、充電ユニット９の側面に配置されているスイッチ２２を切換えると、制御部５は充電ユニット９の充電モードを、電池セル１の寿命を優先する第２の充電モードへ切換える。

次に、電動工具本体７より電池ユニット８を取り外し、電池ユニット８のコネクタ部１４を、充電ユニット９の挿入部１８に挿入すると、コネクタ部１４の電極１５、１６が挿入部１８の電極１９、２０に圧接されることにより接続され、コネクタ部１４の送信電極１６ａが、同様に挿入部１８の受信電極２１に圧接されることにより接続されて、電池セル１へ第２の充電モードによる充電が開始される。

図６に示すように、充電が開始（時間Ｔ０）されると、制御部５は、電源部３から電池セル１へ供給され、電流検知部４により検知された充電電流Ｉｂが、一定の電流Ｉ１となるように電源部３を制御することで、いわゆる定電流充電を行う。この定電流充電が行われると、両端電圧検知部６により検知された電池セル１の両端電圧Ｖｂは、充電開始時の電圧ＶＳ２より、当初のみ急激に増加した後、その後は徐々に増加していく。

充電開始より時間Ｔ３が経過すると、両端電圧検知部６により検知された電池セル１の両端電圧Ｖｂは、あらかじめ設定された第２の閾値電圧Ｖ２まで増加する。電池セル１の両端電圧Ｖｂが第２の閾値電圧Ｖ２まで増加すると、制御部５は、電池セル１の両端電圧Ｖｂが一定の電圧Ｖ２となるように電源部３を制御することで、いわゆる定電圧充電へ移行する。

上記第２の閾値電圧Ｖ２は、電池セル１の寿命を確保するために、電池セル１が過充電されない電圧の許容値に、電池セル１の個数を乗じた電圧より低い電圧が設定されている。

よって、電池セル１は充電時において過充電されない電圧の許容値に、電池セル１の個数を乗じた電圧より低い電圧Ｖ２において、定電圧充電が行われるために、充電の際には、各々の電池セル１において、過充電されない電圧の許容値より低い電圧までしか充電されないことから、充電時における電池セルへの負荷を低くすることができるために、電池セル１の寿命を長くすることができる。

ここで、特に、充放電の繰り返しにより、電池セル１の充電容量に各々ばらつきが生じたときにおいて、例えば、第２の閾値電圧Ｖ２が、電圧検知部２により検知された各々の電池セル１の電圧により設定されていた場合は、最も充電容量が低下した電池セル１の電圧が、最も早く第２の閾値電圧Ｖ２まで増加して、定電圧充電に移行されてしまう。

よって、この場合は、他の電池セル１については十分な充電が行われないままで、定電圧充電に移行されてしまうことになり、結果として電池セル１の放電時間が短くなってしまう。

しかしながら、第２の閾値電圧Ｖ２は、両端電圧検知部６により検知された電池セル１の両端電圧により設定されているために、電池セル１の充電容量にばらつきが生じて、最も充電容量が低下した電池セル１の電圧がＶ２まで増加しても定電圧充電に移行されずに、各々の電池セル１に対して十分な充電を行うことができるために、充電後の電池セル１の放電時間を長くすることができる。

さらに、最も充電容量が低下した電池セル１の電圧が、図５に示す第１の閾値電圧Ｖ１まで増加したときは、電池セル１の過充電を防止するために、この場合も定電圧充電に移行を行う。

上記定電圧充電への移行が行われると、電流検知部４により検知された充電電流Ｉｂは、徐々に減少し、充電開始より時間Ｔ４が経過した地点で、充電電流Ｉｂは第１の閾値電流Ｉ２まで減少する。充電電流Ｉｂはあらかじめ設定された第１の閾値電流Ｉ２まで減少すると、制御部５は充電電流Ｉｂを停止させて、電池ユニット８の電池セル１への充電が終了する。

以上のようにこの実施形態によれば、使用者が放電時間を優先したい場合は、上記第１の充電モードにより、電池セル１が過充電されない第１の閾値電圧Ｖ１において十分な定電圧充電を行うことで、放電時間を長くすることができる。

一方、使用者が電池セル１の寿命を優先したい場合は、上記第２の充電モードにより、電池セル１が過充電されない電圧より低い第２の閾値電圧Ｖ２において、定電圧充電を行うことにより、電池セル１の寿命を長くすることができる。

また、特に、電池セル１の充電容量にばらつきが生じた場合は、最も充電容量が低下した電池セル１の電圧が、第１の閾値電圧Ｖ１まで増加する間は定電流充電を行い、その後定電圧充電に移行するため、電池セル１へ過充電を行うことなく、かつ十分な充電を行うことにより電池セル１の放電時間を長くできる。

よって、使用者の要求に都度確実に応えることができる、使い勝手のよい充電装置を提供することができる。

そして、図７に示すように、制御部５は、上記第２の充電モードにおいて、電流検知部４により検知された電流が、第１の閾値電流Ｉ２に代えて第１の閾値電流Ｉ２より低い第２の閾値電流Ｉ３にまで減少した際に、充電を停止するように電源部３を制御してもよい。

この場合は、使用者が充電ユニット９の電源コード１７をコンセントに差し込み、制御部５が充電ユニット９の充電モードを、電池セル１の寿命を優先する第２の充電モードへ切換えてから、定電圧充電への移行が行われるまでは、上述と同様であるが以降の動作が異なる。

すなわち、上記定電圧充電への移行が行われると、電流検知部４により検知された充電電流Ｉｃは、徐々に減少し、充電開始より時間Ｔ４が経過した地点で、充電電流Ｉｃは第１の閾値電流Ｉ２まで減少するが、制御部５は、電池ユニット８の電池セル１への充電を継続する。

さらに、充電開始より時間Ｔ５が経過し、充電電流Ｉｃが第２の閾値電流Ｉ３まで減少した際に、制御部５は充電電流Ｉｃを停止させて、電池ユニット８の電池セル１への充電が終了する。

上記のように、制御部５は、電池セル１の寿命を優先する第２の充電モードにおいて、電池セル１への充電電流Ｉｃを停止させる閾値電流を、第１の閾値電流Ｉ２より低い第２の閾値電流Ｉ３に変更することで、電池セル１への充電をより長時間行うことができるために、充電容量の不足を防止して、電池セル１の放電時間をさらに長くすることができる。

よって、電池セル１の寿命が長く、かつ電池セル１の放電時間も長い、きわめて使い勝手のよい充電装置を提供することができる。

なお、上記本願発明の実施形態においては、電動工具本体７と、電池ユニット８および充電ユニット９が、各々別々に構成されているが、例えば、電動工具本体７に電池ユニット８および充電ユニット９が内蔵された構成としてもよい。

また、電池ユニット８は、電動工具本体７に用いられる場合に限られるものではなく、例えば、携帯型パーソナルコンピュータや、携帯電話機、または携帯型オーディオ機器等の、種々の電気機器に用いられる電池ユニット８であってもよい。

さらに、電池セル１は、例えばリチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池、またはニッケルカドミウム二次電池等からなる二次電池を用いればよい。

そして、第１の充電モードにおいては、第１の閾値電圧Ｖ１と、定電圧充電の際の電圧を等しくするとともに、定電流充電の際の電流Ｉ１と、定電圧充電に移行した際の電流を等しくしているが、それぞれ異なる値に設定してもよい。

また、第２の充電モードにおいても、第２の閾値電圧Ｖ２と、定電圧充電の際の電圧を等しくするとともに、定電流充電の際の電流Ｉ１と、定電圧充電に移行した際の電流を等しくしているが、上記と同様にそれぞれ異なる値に設定してもよい。

本願発明の実施形態である充電装置の制御ブロック図。同充電装置を用いた電動工具本体の側面図と電池ユニットおよび充電ユニットの斜視図。同電動工具本体に電池パックが装着された状態を示す側面図。同充電ユニットに電池パックが接続された状態を示す側面図。同第１の充電モードにおける時間に対する電圧および電流の変化を示す特性図。同第２の充電モードにおける時間に対する電圧および電流の変化を示す特性図。同第２の充電モードにおける時間に対する電圧および電流の変化を示す特性図（閾値電流をＩ２からＩ３に変更した場合）。

符号の説明

１電池セル
２電圧検知部
３電源部
４電流検知部
５制御部
７両端電圧検知部
２２スイッチ（モード切換手段）
Ｖ１第１の閾値電圧
Ｖ２第２の閾値電圧
Ｉ２第１の閾値電流
Ｉ３第２の閾値電流

Claims

直列に接続された複数の電池セルと、各々の電池セルの電圧を検知する電圧検知部と、電池セルに充電用の電力を供給する電源部と、供給される電力の電流を検知する電流検知部と、電圧検知部および電流検知部での検知結果に基づいて電源部の充電用の電力供給による充電を制御する制御部と、を有する充電装置であって、複数の電池セルの両端電圧を検知する両端電圧検知部を備え、制御部による制御は、電圧検知部により各々の電池セルの電圧を検知して、いずれかの電池セルの電圧が第１の閾値電圧まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流検知部により検知された電流が第１の閾値電流まで減少した際に、充電を停止する第１の充電モードと、両端電圧検知部により電池セルの両端電圧および電圧検知部により各々の電池セルの電圧を検知して、両端電圧が第１の閾値電圧に電池セルの個数を乗じた電圧より低い第２の閾値電圧まで増加し、またはいずれかの電池セルの電圧が第１の閾値電圧まで増加した際に、定電流充電から定電圧充電へ切換え、この定電圧充電の状態で電流検知部により検知された電流が第１の閾値電流まで減少した際に、充電を停止する第２の充電モードと、を有し、第１の充電モードと第２の充電モードとを切換えるモード切換手段を備えたことを特徴とする充電装置。
制御部は、第２の充電モードにあっては、電流検知部により検知された電流が、第１の閾値電流に代えて第１の閾値電流より低い第２の閾値電流にまで減少した際に、充電を停止するように制御するものであることを特徴とする請求項１記載の充電装置。