JP2011055680A - 電池パック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電池パックは、複数の電池モジュールと、複数の電池モジュールが着脱可能なパック本体を備える。パック本体は可動部材を有している。可動部材は、第1位置を含む範囲を移動可能であり、第1位置においてパック本体に対する電池モジュールの着脱を禁止する。電池モジュールとパック本体の少なくとも一方には、可動部材が第1位置に存在するのか否かを検出するセンサと、そのセンサの検出結果に基づいて、既定の処理を実行するコントローラが設けられている。
【選択図】図2
Description
ここで、電動工具には、例えば、電動ドリル、電動ドライバ、電動グラインダ、電動マルノコ、電動チェーンソー、電動レシプロソー、電動ヘッジトリマ、電動芝刈り機、電動刈り払い機、電動ブロア等を含む。
例えば、特許文献1には、複数の電池パックを直列に接続した電池パック集合体が開示されている。この電池パック集合体では、10個の電池パックが直列に接続されており、各々の電池パックには、直列に接続された10個のリチウムイオン電池セルが内蔵されている。即ち、この電池パック集合体では、100個のリチウムイオン電池セルが直列に接続されている。この場合、一つのリチウムイオン電池セルの出力電圧を3.6ボルトとすると、この電池パック集合体の出力電圧は360ボルトという高電圧となる。
第1に、ユーザにとって電池セルを交換する作業は、感電のおそれがある危険な作業といえる。特に、多数の電池セルが直列に接続された電池パックでは、その出力電圧が非常に高くなることから、ユーザが感電する危険性も高くなる。ここで、直列に接続された複数の電池セルの間に、いくつかの遮断器を設けておくことも可能である。それにより、ユーザは、電池セルを交換する際に、それらの遮断器を開放することによって、自身の安全を確保することができる。しかしながら、そのような遮断器を設けたとしても、例えばユーザが遮断器を開放し忘れることも否定できず、ユーザの安全を十分に確保することができない。
この電池パックでは、電気的に接続される複数の電池セルが、各々の電池モジュールに分配されている。電池モジュールはパック本体に対して着脱可能であり、必要に応じて、一又は複数の電池モジュールを新品のものに交換することができる。例えば、一部の電池セルが大きく劣化し、電池パックの能力が低下した場合には、その劣化した電池セルを含む電池モジュールを交換することで、電池パックの能力を回復させることができる。他の電池モジュールについては、そのまま使用し続けることができる。
可動部材は、パック本体に移動可能に設けられた部材でもよいし、パック本体に対して着脱可能な部材であってもよい。後者の場合、可動部材がパック本体に取り付けられると、可動部材は第1位置に存在することになる。
可動部材の形態は特に限定されない。例えば、可動部材は、第1位置において、パック本体に取り付けられた複数の電池モジュールと係合する構造であってもよい。あるいは、可動部材は、第1位置において、パック本体に取り付けられた複数の電池モジュールを少なくとも部分的に覆う構造であってもよい。後者の構造であれば、パック本体に取り付けられた複数の電池モジュールに、ユーザが接触することを防止することも可能となる。
先にも説明したように、ユーザが電池モジュールを交換する際に、可動部材は第1位置から必ず移動する。可動部材が第1位置から移動すると、そのことはセンサによって検出される。即ち、ユーザによる電池モジュールの交換が、センサによって確実に検出される。コントローラは、センサの検出結果を監視することで、ユーザによって電池モジュールが交換されることを検知し、既定の処理を適切なタイミングで実行することができる。コントローラは、例えばマイクロコンピュータを用いて構成することができ、そのコントローラには、電池セルの交換に伴って必要とされる各種の処理を、予め教示しておくことができる。
この電池パックによれば、ユーザが電池セルの交換を行う際に、必要とされる一又は複数の処理を確実に実行させることができる。その結果、多数の電池セルを有する高電圧の電池パックにおいても、ユーザの安全確保や、電池セルの大量廃棄の防止を図ることができる。
第1に、コントローラは、センサの検出結果に基づいて、ユーザの安全を確保するための処理を実行することが好ましい。この場合、コントローラは、センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、複数の電池モジュールから電力工具への放電、及び/又は、外部電源から複数の電池モジュールへの充電を禁止する処理を実行することが好ましい。それにより、電池モジュールを交換するユーザが、高電圧を通電状態の電池モジュールに接触することが防止され、ユーザが感電するといった事態を防ぐことができる。
また、コントローラは、センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、本体に取り付けられた複数の電池モジュール間の電気的な接続を遮断する処理を実行することが好ましい。複数の電池モジュールの直列接続を切断することで、電池モジュールの充放電を禁止することができるとともに、電池パック内で発生し得る最大電圧を低下させることもでき、電池モジュールを交換するユーザが感電することを効果的に防止することができる。
さらに、コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置へと移動したことを検知した時から既定の遅延時間が経過する間、前記したスイッチング回路をオフし続けることが好ましい。可動部材が第1位置へと移動した時点で、ユーザによる電池モジュールの交換は終了している。しかしながら、ユーザは、可動部材を第1位置へと移動させた直後に、電池モジュールの取り付けに問題があることに気付き、電池モジュールの取り付けをやり直すことも多い。そのことから、可動部材が第1位置へと移動したことを検知した時から、複数の電池モジュールを電気的に接続するまでの間に、ある程度の時間差を設けておくことが有効である。
加えて、各々の電池モジュールには、内蔵する少なくとも一つの電池セルの電圧又は電流を測定する測定回路と、コントローラからの指令に応じて電池セル群と電気的に接続される放電用回路が設けられていることが好ましい。この場合、コントローラは、各々の電池モジュールに設けられた測定回路と放電用回路を用いて、前記劣化度合を診断する処理を実行することが好ましい。通常、劣化度合を診断する処理では、電池セル群を放電させながら、その電圧又は電流を測定する必要がある。各々の電池モジュールに測定回路や放電用回路が設けられていると、パック本体とは電気的に切断された状態で、電池セル群の放電や測定を各々の電池モジュール内で行うことができる。それにより、パック本体内の回路構成を簡素にすることができ、また、ユーザの感電を防止することもできる。
さらに、コントローラは、前記した各々の電池モジュールに設けられた測定回路と放電用回路を用いて、複数の電池モジュールの一部を選択的に放電するバランス処理をさらに実行可能であることが好ましい。この構成によれば、電池モジュール内の回路構成を大きく変更することなく、バランス処理を併せて行うことができる。
加えて、コントローラは、可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、前記メモリに第1検出フラグを記憶することが好ましい。この場合、コントローラは、予め定められたタイミングにおいて開放検出フラグがメモリに記憶されていれば、バランス処理を実行するとともに、メモリに記憶されている第1検出フラグを消去することが好ましい。ここで、バランス処理を行うタイミングは、例えば、可動部材が第1位置から移動したことを検知したタイミング、そのタイミングから所定時間が経過したタイミング、電池パックが充電されるタイミングなど、適宜設定することができる。また、第1検出フラグを消去するタイミングは、バランス処理の開始時としてもよいし、バランス処理の完了時としてもよい。何らかの原因でバランス処理が中断され得ることを想定すれば、バランス処理の完了時に第1検出フラグを消去することが好ましい。それにより、バランス処理が意図せず中断された場合は、第1検出フラグが消去されず、次の機会にバランス処理が自動的に再実行されることになる。
そして、各々の電池モジュールが測定回路と放電用回路を有する場合、コントローラは、その測定回路と放電用回路を用いて、各々の電池モジュールに内蔵された電池セル群の劣化度合を診断する処理をさらに実行可能であることが好ましい。この構成によれば、電池モジュール内の回路構成を大きく変更することなく、劣化度合を診断する処理を併せて行うことができる。
(特徴1) 電池パックは、電気機器に電気的に接続され、当該電気機器に電力を供給する。特に、本実施例の電池パックは、直列に接続された多数の電池セルを備えており、その出力電圧が高いことから、高出力の電動工具にも十分な電力を供給することができる。
(特徴2) 電池パックは、複数の電池モジュールと、複数の電池モジュールが着脱可能なパック本体を備えている。本実施例の電池パックでは、一部の電池セルが劣化した場合に、劣化した電池セルを含む電池モジュールを、ユーザが容易に交換することができる。それにより、電池パックの能力を回復させることができる。全ての電池セルを交換する必要がないので、多数の電池セルが無用に廃棄されるといったことがない。
(特徴5) パック本体は、モジュールカバーを有している。モジュールカバーは、ハウジングに対して着脱可能となっており、ハウジングに対して移動する可動部材である。モジュールカバーは、着脱されることによって、モジュール収容部を閉鎖する閉鎖位置と、モジュール収容部を開放する開放位置との間を、移動することができる。モジュールカバーがハウジングに取り付けられると、モジュールカバーはモジュール収容部を閉鎖し、ジュール収容部に対する電池モジュールの着脱を禁止する。モジュールカバーがハウジングから取り外されると、モジュールカバーはモジュール収容部を開放(オープン)し、モジュール収容部に対する電池モジュールの着脱を許容する。なお、モジュールカバーは、ハウジングに対して着脱不能に設けられ、ハウジングに対して揺動、回転、変形又はスライドすることによって、閉鎖位置と開放位置の間を移動する構成であってもよい。
(特徴6) モジュールカバーは、モジュール収容部を閉鎖する閉鎖位置において、モジュール収容部の全体を覆い隠すことができる。それにより、モジュールカバーが閉じられた状態では、パック本体に取り付けられた全ての電池モジュールが、パック本体のハウジング及びモジュールカバーによって完全に覆われる。この場合、ユーザが電池モジュールに誤って触れることや、モジュール収容部に異物が侵入することが、防止される。
(特徴8) 各々の電池モジュールには、コントローラによる劣化度合の診断結果を表示する表示部が設けられている。ここで、モジュールカバーを閉じた状態でもユーザが当該表示部を視認できるように、モジュールカバーは透明(半透明を含む)の材料で形成されている。モジュールカバーは、その全体を透明の材料で形成してもよいが、電池モジュールの表示部に対向する範囲のみを、透明の材料で形成してもよい。
各々の電池モジュール100は、直列に接続された複数の電池セル101を収容している(図3、図4参照)。後述するように、本実施例の電池パック10では、30本の電池セル101が、三つの電池モジュール100に分けて収容されている。
各々の電池モジュール100には、パック本体200と接続するためのモジュール側コネクタ105、電池セル101の劣化度合を診断するための診断スイッチ109、その診断結果や電池セル101の充電残量を表示するための表示ライト110が設けられている。
モジュールカバー250が閉鎖位置にある時(即ち、モジュールカバー250がパック本体200に取り付けられた時)、モジュール収容部212に収容された電池モジュール100は、モジュールカバー250によって覆われる。従って、モジュールカバー250は、閉鎖位置にある時に、モジュール収容部212に対する電池モジュール100の着脱を禁止する。一方、モジュールカバー250は、開放位置にある時(モジュールカバー250がパック本体200から取り外されたとき時)に、モジュール収容部212に対する電池モジュール100の着脱を許容する。
また、モジュールカバー250には、係合リブ251が形成されている。この係合リブ251は、パック本体200に形成された係合溝252に係合し、モジュールカバー250の位置ずれを防止する。さらに、モジュールカバー250の内面には、電池モジュール100の末端部(モジュール側コネクタ105とは反対側に位置する端部)150に当接する支持リブ254が設けられている。この支持リブ254により、電池モジュール100が本体側コネクタ214から外れてしまうことが防止される。なお、支持リブ254の位置には、電池モジュール100を本体側コネクタ214に向けて付勢する弾性部材を設けてもよい。
図4に示すように、モジュール側コネクタ105は、モジュールケース104の上下方向に関して中央に位置しておらず、上方にオフセットされている。その結果、モジュール側コネクタ105の下方のみに、切欠部113が形成されている。モジュールケース104は上下非対称の形状を有しており、それによって、電池モジュール100がパック本体200に誤った向きで取り付けられることが禁止される。
各々の電池セル101は、リチウムイオン電池セルである。一般に、リチウムイオン電池セルの公称電圧は3.6ボルトである。従って、電池モジュール100の公称電圧は36ボルトとなる。また、リチウムイオン電池セルが出力し得る最大電圧は4.2ボルトである。従って、電池モジュール100で発生し得る最大電圧は42ボルトとなる。ここで、電圧が42ボルトを上回ると、人が感電するおそれが高くなるとされている。そのことから、各々の電池モジュール100に収容する電池セル101の数は、リチウムイオン電池セルの場合に限らず、発生し得る最大電圧が42ボルト以下となるように設計するとよい。
モジュール回路ユニット108には、一対のモジュール側電力端子111、モジュール側通信端子112、診断スイッチ109、表示ライト110が設けられている。一対のモジュール側電力端子111とモジュール側通信端子112は、モジュール側コネクタ105の内部に配設されている。モジュール側コネクタ105をパック本体200の本体側コネクタ214に接続すると、一対のモジュール側電力端子111は一対の本体側電力端子201に接続され、モジュール側通信端子112は本体側通信端子223に接続される。
温度センサ106及び全てのリード板102は、基板107を介してモジュール回路ユニット108に電気的に接続されている。モジュール回路ユニット108及び基板107は、マイクロコンピュータや各種の回路素子を有しており、図5に示す電池モジュール100の内部回路を構成している。
放電用FET123及び充電用FET124は、電池セル群101の正極とモジュール側電力端子111を接続する線路上に設けられている。放電用FET123と充電用FET124は、モジュールコントローラ120に接続されており、放電用FET123と充電用FET124の動作は、モジュールコントローラ120によって制御される。モジュールコントローラ120は、放電用FET123及び充電用FET124を選択的にオン/オフすることにより、電池セル群101とモジュール側電力端子111を電気的に接続したり、その接続を切断したりすることができる。放電用FET123がターンオフされると、電池セル101群からの放電電力がパック本体200へ供給されることが禁止され、充電用FET124がターンオフされると、パック本体200からの充電電力が電池セル101群へ供給されることが禁止される。
シャント抵抗122は、電池セル群101と直列に設けられた抵抗素子であり、電池セル群101の電流を検出する回路を構成している。シャント抵抗122には、電池セル群101と同じ電流が流れ、電池セル群101を流れる電流に応じた電圧が発生する。モジュールコントローラ120は、シャント抵抗122に発生した電圧を入力し、電池セル群101の電流を検知する。
さらに、ハウジング211には、ソケットカバー206、ソケットカバーセンサ205、スプリング207が設けられている。ソケットカバー206は、出力ソケット233及び充電ソケット234を覆うカバーである。ソケットカバー206は、スライド可能に支持されており、出力ソケット233及び充電ソケット234を閉鎖する閉鎖位置と、出力ソケット233及び充電ソケット234を開放する開放位置との間で、移動することができる。ソケットカバー206は、スプリング207により、閉鎖位置に向けて付勢されている。ソケットカバーセンサ205は、ソケットカバー206のソケットカバー206の位置に応じてオン/オフするスイッチであり、ソケットカバーセンサ205の開閉を検出することができる。
電池モジュール100群は、一対の出力端子203及び一対の充電端子204に接続される。それにより、電池モジュール群100からの電力は、一対の出力端子203から電動工具400へ出力される。また、電池モジュール群100への充電電力は、商用電源から一対の充電端子204へ入力され、電池モジュール群100へと供給される。
充電制御サイリスタ224は、電池モジュール100と充電端子204との間に設けられている。充電制御サイリスタ224は、メインコントローラ220に接続されており、その動作は、メインコントローラ220によって制御される。メインコントローラ220は、充電制御サイリスタ224を用いて、電池モジュール100への充電電力を制御する。充電制御サイリスタ224により、商用電源から入力された交流電力が整流されるとともに、電池モジュール100への充電電流や充電電圧が調節される。
バックアップ電源部226は、メインコントローラ220に電力を供給する。バックアップ電源部226は、コンデンサや二次電池といった蓄電部を有しており、電池モジュール100の放電電力又は充電端子204に供給された充電電力を蓄積することができる。それにより、パック本体200から電池モジュール100が取り外され、かつ、充電端子204に商用電源が接続されていない状態でも、メインコントローラ220は動作することができる。
ユーザが電動工具400のスイッチをオンすると、コンデンサ228に充電された電力が、出力端子203を介して電動工具400に供給される。このとき、各々の電池モジュール100の放電用FET123はオフされている。従って、コンデンサ228の電圧が低下、又は、抵抗229の両端電圧が正電圧から負電圧に変化する。メインコントローラ220は、これら電圧の変化を検出することで、電動工具400のスイッチがオンされたことを検知する。
一方、メインコントローラ220は、シャント抵抗222の電圧を監視することによって、電動工具400のスイッチがオフされたことを検知する。
ユーザが電池モジュール100を交換する場合、ユーザはモジュールカバー250を開ける必要がある。そして、ユーザがモジュールカバー250を開けると、そのことはモジュールカバーセンサ208によって検知される。このように、本実施例の電池パック10では、ユーザによる電池モジュール100の交換が、確実に検知されるように構成されている。
本実施例の電池パック10では、モジュールカバー250の開放が検知されると、モジュールコントローラ120及びメインコントローラ220によって、下記する各種の処理が自動的に行われる。それらの処理は、ユーザによる電池モジュール100の交換に際して、実行されることが推奨されるものである。電池パック10は、それらの推奨される処理を、ユーザによる指示を特に必要とすることなく、確実に実行することができる。
図9のステップS001は、電池パック10の初期状態を示す。初期状態において、三つの電池モジュール100は、パック本体200に取り付けられている。また、モジュールカバー250も、パック本体200に取り付けられている。即ち、モジュール収容部212はモジュールカバー250によって閉じられている。さらに、パック本体200には、電力供給コード401も充電コード300も取り付けられておらず、ソケットカバー206も閉じられている。この状態は、電池パック10を保管しているときのように、電池パック10を使用していない状態に相当する。
ステップS005にて、メインコントローラ220は、各々の電池モジュール100のモジュールコントローラ120へ、自己診断結果の送信を要求する。指示を受けた各々のモジュールコントローラ120は、ステップS400の自己診断処理で得られた診断結果を、メインコントローラ220へ送信する。
ここで、各々の電池モジュール100による自己診断処理の結果は、各々の電池モジュール100の表示ライト110に表示される。それにより、ユーザは、交換を必要とする電池モジュール100を、見間違えることがない。
ステップS009にて、指示を受けた各々のモジュールコントローラ120は、電池セル群101の電圧と温度を検出し、その検出結果を示す電圧情報及び温度情報をメインコントローラ220へ送信する。
ここで、メインコントローラ220は、全ての電池セル101の電圧の平均値と、予め記憶している電圧と充電残量の相関データに基づいて、電池モジュール群100全体の充電残量を算出する。ただし、充電残量を算出は、この手法に限られず、他の手法を用いて行うこともできる。また、各々の電池モジュール100においてモジュールコントローラ120が電池セル群101の充電残量を算出し、各々の電池モジュール100で算出された充電残量に基づいてメインコントローラ220が電池モジュール群100の全体の充電残量を算出する構成とすることもできる。
ステップS015にて、メインコントローラ220は、各々のモジュールコントローラ120へ、放電用FET123及び充電用FET124のターンオフを指示する。
ここで、電池モジュール100の交換時に限らず、モジュールカバー250が予期せず外れてしまい、電池モジュール100が露出した場合でも、上記した電池モジュール100同士の接続を切断する処理は行われる。従って、電池モジュール100の交換時に限らず、ユーザが感電するといった事態は防止される。また、電池モジュール100同士の接続が切断されることにより、電池パック10は充電することも放電することもできなくなる。従って、モジュールカバー250が取り外された状態で、電池パック10が電動工具400の電源として使用され、あるいは、電池パック10が充電されることが禁止される。
ここで、ステップS017では、ソケットカバー206の開放を禁止するインターロック機能をさらに設けることも有効である。それにより、モジュールカバー250が開放された状態では、ソケットカバー206を開けることが禁止され、電池パック10の充電や放電といった使用を物理的に禁止することができる。
このステップS021により、例えばユーザがモジュールカバー250の閉鎖した直後に、なんらかの問題を見つけ、モジュールカバー250を再度開放するような場合に、メインコントローラ220が不必要にステップS022以降へ進むことが防止される。あるいは、モジュールカバーセンサ208の位置や感度によっては、モジュールカバー250が完全に閉鎖される前に、モジュールカバーセンサ208がモジュールカバー250の閉鎖を検知してしまうこともある。このような場合でも、このステップS021による遅延時間を設けることで、モジュールカバー250が完全に閉鎖される前に、メインコントローラ220がステップS022以降へ進むことが防止される。
ステップS023にて、メインコントローラ220は、ステップS017によるソケットカバーセンサ205の無効化を解除する。そして、メインコントローラ220は、ステップS003へ移行する。
ステップS101にて、メインコントローラ220は、開放検出フラグを記憶しているか否かを確認する。そして、メインコントローラ220は、開放検出フラグを記憶していればステップS200へ進み、そうでなければステップS102へ進む。
ここで、メインコントローラ220が開放検出フラグを記憶していることは、電池パック10を最後に充電した以降に、モジュールカバー250が少なくとも一度は開放されたことを意味する。即ち、電池モジュール100の交換が行われた可能性があることを意味する。このような場合に、メインコントローラ220は、ステップS200に示すバランス放電処理を実行する。
ステップS103にて、指示を受けた各々のモジュールコントローラ120は、電池セル群101の電圧を検知し、その検知結果を示す電圧情報をメインコントローラ220へ送信する。
ここで、電池セル群101の全体電圧は、電池セル群101の充電残量に応じて変化する。従って、電池モジュール100間で電池セル群101の電圧にばらつきが生じていれば、電池モジュール100間で電池セル群101の充電残量にばらつきが生じていることを意味する。このような場合は、電池モジュール100の交換の有無にかかわらず、ステップS200のバランス放電処理が実行される。
ステップS106にて、各々の電池モジュール100では、モジュールコントローラ120により、充電用FET124がターンオンされる。
ステップS107にて、メインコントローラ220は、充電制御サイリスタ224をオンさせて、電池モジュール群100の充電を開始する。電池モジュール群100の充電中、メインコントローラ220はステップS107から113を実行し、各々の電池モジュール100のモジュールコントローラ120はステップS114からS118を実行する。
以下に説明するように、電池モジュール群100の充電は、定電流−定電圧方式によって行われる。即ち、充電の前期では定電流で充電が行われ、充電の後期では定電圧で充電が行われる。
ステップS110にて、メインコントローラ220は、電池モジュール群100への充電処理を終了すべきかを否かを判断する。ここで、メインコントローラ220は、電池セル群101全体の電圧及び電流に基づいて、電池モジュール100群の電池セル群101が満充電に達したと検知した場合、内部回路の故障や商用電源の電圧変動などにより、充電電圧及び充電電流が適切に制御できない場合、各々のモジュールコントローラ120との通信が不通となった場合、又は、各々の電池モジュール100の電圧間に所定値以上のばらつきが生じた場合に、充電処理を終了すべきと判断する。そして、メインコントローラ220は、充電処理を終了すべきと判断した場合、ステップS112へ進む。そうでない場合は、ステップS111へ進む。
ステップS112にて、メインコントローラ220は、充電制御サイリスタ224をオフし、電池モジュール群100の充電を終了する。
ステップS113にて、メインコントローラ220は、各々のモジュールコントローラ120へ、充電用FET124のターンオフを指示する。この指示に対し、後述するモジュールコントローラ120のステップS116にて処理される。
以上により、電池パック10の充電処理において、メインコントローラ220で実行される処理は終了する。
ステップS114にて、各々のモジュールコントローラ120は、電池セル群101の電圧、電流及び温度を検知する。検知された電圧、電流及び温度は、メインコントローラ220へ送信され、メインコントローラ220の上記した処理に利用される。
ステップS117にて、各々のモジュールコントローラ120は、充電用FET124をターンオフする。それにより、電池セル群101への充電が停止される。
ステップS118にて、各々のモジュールコントローラ120は、メインコントローラ220へ、充電用FET124のターンオフを実行した旨の信号を送信する。この信号は、メインコントローラ220のステップS111で処理される。
以上により、電池パック10の充電処理において、各々のモジュールコントローラ120で実行される処理は終了する。
さらに、各々の電池モジュール100では、外部に露出している一対のモジュール側電力端子111が、電池セル群101から電気的に切断されている。それにより、電池モジュール100は、充電も放電も禁止される。電池モジュール100はパック本体200のみで充電可能であり、他の非正規の充電器によって充電されることは禁止される。
先に説明したように、各々の電池モジュール100は、電池セル群101が内部放電素子125に接続される放電用回路127を内蔵している。従って、各々の電池モジュール100は、パック本体200から電気的に切断された状態で、電池セル群101を放電させることができる。それに対して、各々の電池モジュール100をパック本体200で放電させようとすると、各々の電池モジュール100はグラウンド電位が互いに異なることから、パック本体200の内部回路が複雑なものとなってしまう。具体的には、各々の電池モジュール100に対して、互いに絶縁された放電用回路や各種のセンサを、パック本体200の内部回路に設ける必要がある。
ステップS202にて、指示を受けた各々のモジュールコントローラ120は、トランジスタ126をオンさせる。内部放電素子125を有する放電用回路127が電池セル群101に接続され、電池セル群101の放電が開始される。
ステップS205にて、指示を受けたモジュールコントローラ120は、電池セル群101の検出電圧を示す電圧情報を送信する。ここで、ステップS203の所定時間だけ待機する処理は、放電開始直後は電池セル群101の電圧が不安定に変動するためである。電池セル群101の電圧は、比較的に短時間で安定する。従って、ステップS203で待機する所定時間は、比較的に短時間とすることができ、この所定時間を短時間とすることで、バランス放電処理に必要とされる時間を短縮することができる。
ステップS209にて、指示を受けた最下電圧電池モジュール100のモジュールコントローラ120は、放電用回路127のトランジスタ126をオフし、放電用回路127を電池セル群101から電気的に切断する。それにより、最下電圧電池モジュール100では、電池セル群101の放電が中止される。
ステップS210にて、メインコントローラ220は、最下電圧電池モジュール100を除く他の電池モジュール100のモジュールコントローラ120へ、電池セル群101の検出電圧を示す電圧情報を要求する。
ステップS211にて、指示を受けたモジュールコントローラ120は、電池セル群101の検出電圧を示す電圧情報を送信する。
ステップS221にて、指示を受けたモジュールコントローラ120は、放電用回路127のトランジスタ126をオフし、放電用回路127を電池セル群101から電気的に切断する。それにより、電池セル群101の検出電圧が放電停止電圧に到達した電池モジュール100では、電池セル群101の放電が中止される。
ステップS214にて、メインコントローラ220は、図9のステップS022で記憶した開放検出フラグを消去する。即ち、メインコントローラ220は、バランス放電処理が実質的に完了した段階で、記憶していた開放検出フラグを消去する。開放検出フラグを消去することは、パック本体200に取り付けられた電池モジュール群100に対して、少なくとも一度のバランス放電処理が実行されたことを記憶することに実質的に等しい。従って、メインコントローラ220は、記憶していた開放検出フラグを消去することに代えて、記憶していた開放検出フラグに対し、バランス放電処理の実行完了を示すフラグを付与することも有効である。
本実施例のバランス放電処理では、各々の電池モジュール100の電圧を測定し(S201−S204)、最下電圧電池モジュール100の電圧を放電終止電圧に設定して、他の電池モジュール100の放電を実行する。この方式によると、バランス放電処理を比較的に短時間で行うことが可能となる。それに対して、予め設定された放電終止電圧を用い、全ての電池モジュール100を放電させる方式を採用すると、例えば充電残量が比較的に多い電池モジュール100が存在する場合に、バランス放電処理に必要とされる時間が長くなってしまう。
図10に示すように、バランス放電処理の完了後、電池モジュール群100の充電処理が行われる。電池モジュール群100の充電残量を均一化した後に、電池モジュール群100の充電を行うことで、電池モジュール群100により多くの電力を充電することができる。
ステップS301、S302にて、メインコントローラ220は、工具スイッチ検知部227により、ユーザが電動工具400のスイッチを監視する。そして、メインコントローラ220は、電動工具400のスイッチオンを検知すると、ステップS303へ進む。
ステップS303にて、メインコントローラ220は、各々の電池モジュール100のモジュールコントローラ120へ、放電用FET123のターンオンを指示する。
ステップS304にて、指示を受けた各々のモジュールコントローラ120は、放電用FET123をターンオンする。それにより、三つの電池モジュール100が直列に接続され、その電池モジュール群100が電動工具400に電気的に接続される。
ステップS305にて、電池パック10は電動工具400に電力を供給し、電動工具400はその工具を駆動する。
ステップS306にて、メインコントローラ220は、電池モジュール群100全体の電圧及び電流を検知する。
ステップS307にて、メインコントローラ220は、検知した電池モジュール群100全体の電圧に基づいて、電池モジュール群100全体の充電残量を算出する。そして、メインコントローラ220は、算出した充電残量を表示ライト209によって表示する。このステップS307の処理は、図9のステップS010と同様に行われる。
ステップS311にて、メインコントローラ220は、各々のモジュールコントローラ120へ、放電用FET123のターンオフを指示する。この指示は、モジュールコントローラ120のステップS314で処理される。
以上により、電池パック10の放電処理において、メインコントローラ220で実行される処理は終了する。
ステップS312にて、各々のモジュールコントローラ120は、電池セル群101の電圧、電流及び温度を検知する。
ステップS313にて、各々のモジュールコントローラ120は、電池セル群101の放電を終了すべきかを否かを判断する。ここで、モジュールコントローラ120は、少なくとも一つの電池セル101の電圧が所定の下限値(放電終止電圧)を下回った場合、短絡や過負荷によって電池セル101群の電流が所定の上限値を上回った場合、電池セル群101の温度が所定の温度範囲から外れた場合、電池セル101間の電圧に所定値以上のばらつきが生じた場合、又は、メインコントローラ220との通信が不通となった場合に、電池セル群101への放電を終了すべきと判断する。そして、モジュールコントローラ120は、電池セル群101の放電を終了すべきと判断した場合、ステップS315へ進む。そうでない場合は、ステップS314へ進む。
ステップS315にて、各々のモジュールコントローラ120は、放電用FET123をターンオフする。それにより、電池セル群101の放電が停止される。
ステップS316にて、各々のモジュールコントローラ120は、メインコントローラ220へ、放電用FET123のターンオフを実行した旨の信号を送信する。この信号は、メインコントローラ220のステップS310で処理される。
以上により、電池パック10の放電処理において、各々のモジュールコントローラ120で実行される処理は終了する。
さらに、各々の電池モジュール100では、外部に露出している一対のモジュール側電力端子111が、電池セル群101から電気的に切断されている。それにより、電池モジュール100は、充電も放電も禁止される。電池モジュール100はパック本体200のみで放電可能であり、他の非正規の電気機器に電源として使用されることは禁止される。
ステップS403にて、モジュールコントローラ120は、放電用回路127のトランジスタ126をオンし、内部放電素子125を含む放電用回路127を、電池セル群101に接続する。それにより、電池モジュール100内で電池セル群101の放電が開始される。
ステップS404にて、モジュールコントローラ120は、放電中の電池セル群101の電圧、電流及び温度の検知を開始する。
ステップS405にて、モジュールコントローラ120は、放電中の電池セル群101の電圧、電流及び温度の検知を、所定時間に亘って継続する。
ステップS407にて、モジュールコントローラ120は、放電停止後の電池セル群101の電圧、電流及び温度の検知を開始する。
ステップS408にて、モジュールコントローラ120は、非放電中の電池セル群101の電圧、電流及び温度の検知を、所定時間に亘って継続する。
以上により、電池モジュール100の自己診断処理は終了する。
モジュールカバー250は、軸260を中心に、パック本体200に対して揺動可能に支持されている。モジュールカバー250は、モジュール収容部212を閉鎖する閉鎖位置と、モジュール収容部212を開放する開放位置との間で、移動可能な可動部材である。モジュールカバー250は、閉鎖位置にある時に、パック本体200に対する電池モジュール100の着脱を禁止し、開放位置にある時に、パック本体200に対する電池モジュール100の着脱を許容する。
モジュールカバーセンサ208は、モジュールカバー250が閉鎖位置にあるのか否かを検出し、その検出結果をメインコントローラ220へ出力する。メインコントローラ220は、モジュールカバーセンサ208の検出結果に基づいて、実施例1で説明した各種の処理を実行することができる。
モジュールカバー250は、弾性材料で形成された板状の部材であり、湾曲するように変形することができる。モジュールカバー250の縁部250aは、パック本体200に固定されている。モジュールカバー250は、弾性変形することによって、モジュール収容部212を閉鎖する閉鎖位置と、モジュール収容部212を開放する開放位置との間を、移動することができる。モジュールカバー250は、閉鎖位置にある時に、パック本体200に対する電池モジュール100の着脱を禁止し、開放位置にある時に、パック本体200に対する電池モジュール100の着脱を許容する。なお、モジュールカバー250は、弾性変形するものに限られず、塑性変形するものであってもよい。
モジュールカバーセンサ208は、モジュールカバー250が閉鎖位置にあるのか否かを検出し、その検出結果をメインコントローラ220へ出力する。メインコントローラ220は、モジュールカバーセンサ208の検出結果に基づいて、実施例1で説明した各種の処理を実行することができる。
電池パック30では、パック本体200に対して電池モジュール100が着脱される時に、ラッチ部材352はアンラッチ位置に必ず移動する。そのことから、実施例3の電池パック30では、モジュールカバーセンサ208に代えて、ラッチ部材352がラッチ位置にあるのか否かを検出するセンサを設けることも有効である。この場合でも、ユーザが電池モジュール100の交換を行うことを確実に検知し、電池パック30は必要な各種の処理を自動的に実行することができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
100:電池モジュール(電池モジュール群)
101:電池セル(電池セル群)
102:リード板
104:モジュールケース
105:モジュール側コネクタ
106:温度センサ
108:モジュール回路ユニット
109:診断スイッチ
110:電池モジュールの表示ライト
111:モジュール側電力端子
112:モジュール側通信端子
120:モジュールコントローラ
123:放電用FET
124:充電用FET
127:放電用回路
200:パック本体
201:本体側電力端子
203:出力端子
204:充電端子
205:ソケットカバーセンサ
206:ソケットカバー
208:モジュールカバーセンサ
209:パック本体の表示ライト
211:ハウジング
212:モジュール収容部
214:本体側コネクタ
220:メインコントローラ
223:本体側通信端子
224:充電制御サイリスタ
250:モジュールカバー
400:電動工具
Claims (14)
- 電動工具に電力を供給する電池パックであって、
電気的に接続された電池セル群を内蔵する複数の電池モジュールと、
複数の電池モジュールが着脱可能であり、取り付けられた複数の電池モジュールを電気的に接続するとともに、電気的に接続された複数の電池モジュールからの電力を電動工具に供給するパック本体を備え、
そのパック本体は、パック本体に対する電池モジュールの着脱を禁止する第1位置を含む範囲を移動可能な可動部材を有し、
少なくとも一つの電池モジュールとパック本体の少なくとも一方は、
可動部材が第1位置に存在するのか否かを検出するセンサと、
そのセンサの検出結果に基づいて、既定の処理を実行するコントローラを有する、
電池パック。 - 前記コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、前記複数の電池モジュールから電動工具への放電、及び/又は、外部電源から前記複数の電池モジュールへの充電を禁止する処理を実行することを特徴とする請求項1に記載の電池パック。
- 前記コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、本体に取り付けられた複数の電池モジュール間の電気的な接続を遮断する処理を実行することを特徴とする請求項1又は2に記載の電池パック。
- 各々の電池モジュールには、内蔵する電池セル群とパック本体との電気的な接続を遮断するスイッチング回路が設けられており、
前記コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、前記スイッチング回路をオフすることを特徴とする請求項3に記載の電池パック。 - 前記コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置へと移動したことを検知した時から既定の遅延時間が経過する間、前記スイッチング回路をオフし続けることを特徴とする請求項4に記載の電池パック。
- 前記コントローラは、前記センサの検出結果に基づいて可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、各々の電池モジュールに内蔵された電池セル群の劣化度合を診断する処理を実行することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の電池パック。
- 各々の電池モジュールには、内蔵する少なくとも一つの電池セルの電圧又は電流を測定する測定回路と、前記コントローラからの指令に応じて電池セル群と電気的に接続される放電用回路が設けられており、
前記コントローラは、各々の電池モジュールに設けられた測定回路と放電用回路を用いて、前記劣化度合を診断する処理を実行すること特徴とする請求項6に記載の電池パック。 - 前記コントローラは、前記した各々の電池モジュールに設けられた測定回路と放電用回路を用いて、複数の電池モジュールの一部を選択的に充電又は放電するバランス処理をさらに実行可能であることを特徴とする請求項7に記載の電池パック。
- 前記コントローラは、前記センサによる検出結果の少なくとも一部を記憶するメモリを有し、そのメモリに記憶された情報に基づいて、複数の電池モジュールの一部を選択的に充電又は放電するバランス処理を実行することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の電池パック。
- 前記コントローラは、可動部材が第1位置から移動したことを検知した時に、前記メモリに第1検出フラグを記憶し、
前記コントローラは、予め定められたタイミングにおいて第1検出フラグがメモリに記憶されていれば、前記バランス処理を実行するとともに、メモリに記憶されている第1検出フラグを消去することを特徴とする請求項9に記載の電池パック。 - 前記した予め定められたタイミングは、電池パックに対して充電が行われるタイミングであることを特徴とする請求項10に記載の電池パック。
- 各々の電池モジュールには、内蔵する少なくとも一つの電池セルの電圧又は電流を測定する測定回路と、前記コントローラからの指令に応じて電池セル群と電気的に接続される放電用回路が設けられており、
前記コントローラは、各々の電池モジュールに設けられた測定回路と放電用回路を用いて、前記バランス処理を実行することを特徴とする請求項8から11のいずれか一項に記載の電池パック。 - 前記コントローラは、前記した各々の電池モジュールに設けられた測定回路と放電用回路を用いて、各々の電池モジュールに内蔵された電池セル群の劣化度合を診断する処理をさらに実行可能であることを特徴とする請求項12に記載の電池パック。
- 電動工具に電力を供給する電池パックであって、
電気的に接続された電池セル群を内蔵する複数の電池モジュールと、
複数の電池モジュールが着脱可能であり、取り付けられた複数の電池モジュールを電気的に接続するとともに、電気的に接続された複数の電池モジュールからの電力を電動工具に供給するパック本体を備え、
そのパック本体は、閉じた状態で複数の電池モジュールを少なくとも部分的に覆う開閉可能なモジュールカバーを有し、
少なくとも一つの電池モジュールとパック本体の少なくとも一方は、
モジュールカバーの開閉を検出するセンサと、
そのセンサの検出結果に基づいて、既定の処理を実行するコントローラを有する、
電池パック。
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