JP2011211867A

JP2011211867A - 電池パック

Info

Publication number: JP2011211867A
Application number: JP2010079143A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hanawa; 浩之塙
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】使用する充電器が必要な機能を備えていなければ、充電ができないようにした電池パックを提供すること。
【解決手段】スロースタート機能を有する充電器で、電池パックを充電する場合には、当該充電器に接続された電池パックは正規の充電を行うが、スロースタート機能を有さない充電器で電池パックを充電しようとした場合には、充電回路を強制的に遮断し、電池パックの充電ができないように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動工具等に用いる電池パックに関し、特にリチウムイオン電池を内蔵した電池パックに関する。

電池パックを充電するための充電器は、日々改良がなされており、電池パックに内蔵された二次電池が短命化しないような配慮がされている。例えば、特許文献１には、充電開始時に二次電池に流れる突入電流を防止するために、充電電流を徐々に増加していく、いわゆるスロースタート機能を充電器に持たせる提案がなされている。

特開２００７−６８２６４号公報

一方、上述のようなスロースタート機能を備えていない充電器が市場に出回っている。これらの充電器の多くは模造品であり、通常は特定メーカの電池パックを充電できるようにはなっているが、本来充電に際し必要とされる機能を全て備えている訳ではない。このため、このような模造充電器で電池パックを充電すると、電池パックが短命化する。

本発明は、斯かる実情に鑑み、使用する充電器が所定の機能を有していなければ、充電ができないようにした電池パックを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための電池パックは、充電可能な二次電池と、充電器に接続したときに形成される充電回路に設けられ、前記充電回路に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部が検出した電流が所定レベル以上であった場合に、前記電流充電回路を遮断する自己遮断手段と、を備えたことを特徴としている。

前記自己遮断手段は、前記充電器から前記二次電池に、若しくは前記二次電池から前記充電器に流れ込む突入電流に応答して前記充電回路を遮断するよう構成するのが好ましい。

更に、前記遮断手段は、前記充電器から前記二次電池に、若しくは前記二次電池から前記充電器に充電開始直後に流れ込む突入電流に応答して前記充電回路を遮断するように構成するのが好ましい。

いわゆるスロースタート機能を有する充電器で、本発明に係る電池パックを充電する場合には、当該充電器に接続された電池パックは正規の充電を行うが、スロースタート機能を有さない充電器で本発明に係わる電池パックを充電しようとした場合には、充電回路が強制的に遮断されるように構成されており充電をすることができないので、例えば、電池パックの短命化を防止することができる。

本発明の実施の形態による電池パックを充電器に接続したときの回路図。従来の電池パックを充電器に接続したときの回路図。図１に示した電池パックをスロースタート機能を有する充電器で充電するときの動作説明図。図１に示した電池パックをスロースタート機能を有さない充電器で充電しようとした場合の動作説明図。

以下、本発明の実施の形態による電池パックを添付図面を参照しながら説明する。従来の電池パックとの構成上の相違点を明らかにするため、必要に応じて従来の電池パックの構成を示した図２についても併せて参照することとする。

図１には、本実施の形態による電池パック１が充電器６に接続された状態が示されている。充電器６は充電制御ユニット６１を内蔵し、当該充電制御ユニット６１には抵抗６２を介して基準電圧Ｖが印加され動作可能となっている。充電制御ユニット６１の具体的構成は、充電器により異なり、ここでは充電制御ユニット６１がスロースタート機能を有するものと、同機能を有しないものとに分けて説明する。本実施の形態による電池パックを、スロースタート機能を有する充電器６で充電した場合には、正規の充電動作を行うことができるが、スロースタート機能を有しない充電器で６充電しようとした場合には、電池パック１自身の判断により充電動作を行わないように構成されている。

スロースタート機能とは、充電回路に設けられたスイッチをオンする前に、充電器から電池パックに供給される出力電圧を変化させて、当該出力電圧と電池電圧との差が所定範囲内になったときに前記スイッチをオンすることで、電池パック内の二次電池に過渡的に流れる突入電流を低減する機能をいう。スロースタート機能を有する充電制御ユニット６１の構成及び動作は、例えば、前記特許文献１に記載されているように公知である。その内容を簡単に説明すると、充電制御ユニット６１は、電池電圧を検出する電池電圧検出回路と、マイクロコンピュータ(以下、「マイコン」という)と、充電回路に介挿されたリレー（スイッチ）と、当該リレーを駆動するリレー駆動回路と、出力電圧を可変可能な電圧出力回路とを主たる構成要素としている。

かかるスロースタート機能を有する充電制御ユニット６１を内蔵した充電器６に本実施の形態による電池パック１を接続すると、マイコンは充電用正極別端子１６２を介して電池電圧を検出し、マイコンは第１出力ポートと第２出力ポートそれぞれの出力ポートからの出力に応じて、電圧出力回路の出力電圧を変化させる。例えば、第１出力ポートと第２出力ポートが共にＬレベルの場合には、電圧出力回路からの出力電圧が最も低くなり、第１出力ポートと第２出力ポートがそれぞれＬレベル、Ｈレベルの場合には電圧出力回路からの出力電圧が２番目に低くなり、第１出力ポートと第２出力ポートがそれぞれＨレベル、Ｌレベルの場合には、電圧出力回路からの出力電圧が３番目に低くなり、電圧出力回路からの出力電圧が第１出力ポートと第２出力ポート共にＨレベルの場合には、電圧出力回路からの出力電圧が最も高くなるようにする。

リチウムイオン電池の場合、１セル当たりの公称電圧は３．６Ｖであるので、例えば４セルを接続してなる電池組は１４．４Ｖが公称電圧となる。ここで、４セルの電池組を含む電池パックを充電しようとした場合、検出した電池電圧が１０．６Ｖから１４．７Ｖの範囲にある場合には、２番目に低い電圧、例えば、１２．６Ｖが電圧出力回路から出力されるようにマイコンの第１出力ポートと第２出力ポートからはそれぞれＬレベル、Ｈレベルの信号が出力される。通常、第１出力ポートと第２出力ポートは共にＨレベルに設定されており、充電器６から最も高い電圧、例えば、１６．８Ｖの出力がある。検出した電池電圧が１２Ｖの場合には、第１ポート出力と第２ポート出力をそれぞれＬレベル、Ｈレベルに切り換え、電圧出力回路からの出力を１６．８Ｖから１２．６Ｖに落とす。電圧出力回路からの出力が１２．６Ｖに落ちたところで、マイコンは出力ポートを介して、リレー駆動回路に信号を出力してリレーをオフ状態からオン状態にする。

その後、第１出力ポートと第２出力ポートを共にＨレベルに切り換え、電圧出力回路からの出力電圧を、例えば、１２．６Ｖから充電可能な１６．８Ｖに増加させる。リレーは実際の信号に対し、接点が閉じるまでには若干の時間遅れがあるが、この時間遅れは補正されており、リレーが閉じた瞬間、過渡的に二次電池に大きな突入電流が流れるのを抑制している。このように二次電池の電池電圧に近い電圧で充電をスタートするので、これをスロースタートと称する。

一方、スロースタート機能を有しない充電器６の充電制御ユニット６１は、少なくとも電圧出力回路からの出力電圧を段階的若しくは連続的に可変制御する構成を備えていない。従って、従来の電池パックをスロースタート機能を有しない充電器６で充電すれば、充電初期に過渡的に突入電流が流れる。スロースタート機能を有する充電器６で充電した場合にも、充電開始直後に定常電流値よりは高いレベルの電流が流れるが、このときの電流レベルは、同じ条件の下でスロースタート機能を有さない充電器で充電した場合に流れる突入電流のレベルと比べると、通常は低い。

図２に示した従来の電池パック１００と図１に示した本発明の実施の形態に係る電池パック１の構成は、以下の点では同じである。同一の構成部分には同一の参照番号を付してある。図１及び図２に示した電池パック１、１００には、放電用正極端子１６１、充電用正極端子１６２、電池電圧識別端子１６３、過電流過放電出力端子１６４、及び充電／放電負極端子１６５を含む接続端子１６が設けられており、これら端子に対応する端子が充電器６側にも設けられている。

電池パック１、１００には共に、複数の電池セル１２１を直列接続してなる電池組１２を内蔵しており、いずれの電池組１２も、一端が抵抗１４を介して放電用正極端子１６１に接続されると共に、抵抗１５とＰ型ＦＥＴ１３４を介して充電用正極端子１６２に接続されている。電池組１２の他端は充電／放電負極端子１６５に接続されている。

リチウムイオン電池からなる電池組１２を内蔵した電池パック１、１００には、充放電を厳格にモニターし、過電流、過放電を防止するための回路基板１３が実装されている。回路基板１３には、保護ＩＣ１３１とＮ型のＦＥＴ１３３が搭載されており、保護ＩＣ１３１は、各電池セル１２１の過放電と過電流、並びに電池組１２の過放電と過電流を検出できるよう接続されている。保護ＩＣ１３１の出力端子は、ＦＥＴ１３３のゲートに接続されている。ＦＥＴ１３３のドレインは保護ＩＣ１３１に、ソースは過電流過放電出力端子１６４に接続されている。保護ＩＣ１３１がいずれかの電池セル１２１若しくは電池組１２の過電流若しくは過放電を検出すると、保護ＩＣ１３１の出力端子からＦＥＴ１３３のゲートに対してＨレベルの検出出力が印加され、ＦＥＴ１３３はオンとなる。その結果、過電流過放電出力端子１６４から異常信号が充電器６の充電制御ユニット６１に入力され、この異常信号に応答して充電器６は充電を停止する。

電池電圧識別端子１６３からは電池組１２の電圧情報が出力されるよう接続されている。

図１に示した本実施の形態にかかる電池パック１と、図２に示した従来の電池パック１００とは以下の点で構成上相違する。

本実施の形態による電池パック１では、その充電用正極端子１６２と電池組１２の正極との間には、自己遮断手段たるＦＥＴ１３４と抵抗１５が直列に接続されており、当該抵抗１５と並列に充電電流検出回路１５１が接続されている。充電電流検出回路１５１の出力はＦＥＴ１３４のゲートに接続されている。抵抗１５、充電電流検出回路１５１及びＦＥＴ１３４により充電電流検出手段が構成される。

次に、図１及び図３を参照しながら充電器６の充電制御ユニット６１にスロースタート機能が備わっている場合における本発明の実施の形態による電池パックを充電する場合の動作を説明する。

電池パック１を充電器６に接続すると（Ｓ１）、充電用正極端子１６２、電池電圧識別端子１６３、過電流・過放電出力端子１６４及び充電／放電負極端子１６５を介して電池パック１と充電器６とが接続される。電池パック１を充電器６に接続した直後は、充電電流検出回路１５１は充電電流を検出しておらず、ＦＥＴ１３４はオフとなっている。従って、充電／放電負極端子１６５、電池組１２、抵抗１５、ＦＴ１３４、充電用正極端子１６２のルートからなる充電電流回路は開となっている（Ｓ２）。

次に、電池電圧識別端子１６３から電池電圧を検出し、検出した電池電圧が基準値に比べて低いか、高いかの判断を行う（Ｓ４）。４セルからなるリチウムイオン電池であれば、例えば、３つの異なる基準値のそれぞれとの比較において、検出した電池電圧の高低を判断する。第１の基準値を６．３Ｖ、第２の基準値を１０．５Ｖ、第３の基準値を１４．７Ｖとし、電池電圧が第１の基準値以下（０〜６．３Ｖ）であれば、充電電圧を４．２Ｖに設定し、電池電圧が第１の基準値を超え第２の基準値以下（６．４Ｖ〜１０．５Ｖ）であれば、充電電圧を８．４Ｖに設定し、電池電圧が第２の基準値を超え第３の基準値以下（１０．６Ｖ〜１４．７Ｖ）であれば、充電電電圧を１２．６Ｖに設定する。このように、電池電圧に応じて充電制御ユニット６１に含まれる電圧出力回路からの電圧を調整した上で、充電回路を閉じて充電を開始する（Ｓ６）。充電が開始されると充電電流若しくは充電電圧を徐々に上げ、かくしてスロースタートでの充電をおこなう（Ｓ７）。充電が開始されると、充電電流検出回路１５１によりＦＥＴ１３４はオンとなる。

この段階で、電池組１４に所定レベル以上の突入電流が流れているかどうかの判断を行う（Ｓ８）。充電電流検出回路１５１が所定レベル以上の突入電流を検出しない限り（Ｓ８：ＮＯ）、充電電流は流れ続け、充電は正常に継続される（Ｓ９）。充電電流検出回路１５１が電池組１４に所定レベル以上の突入電流が流れたと判定した場合には（Ｓ８：ＹＥＳ）、充電電流検出回路１５１よりＨレベルの信号がＦＥＴ１３４のゲートに印加され、ＦＥＴ１２４はオフとなる。よって、充電電流回路は開となり、充電は中止される（Ｓ１０）。

このようにスロースタート機能を備えた充電器６で本実施の形態にかかる電池パック１０を充電する場合には、充電初期に突入電流が発生しないように制御されており、正常な充電が可能である。万一、突入電流が流れたとの判断がされた場合には、安全のため充電は継続しないように構成されている（Ｓ１０）。

次に、図１及び図４を参照しながら充電器６の充電制御ユニット６１にスロースタート機能が備わっていない場合における本発明の実施の形態による電池パックを充電する場合の動作を説明する。

電池パック１を充電器６に接続し（Ｓ１００）、電池電圧が低くければ（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、充電器制御ユニット６１にはスロースタート機能が備わっていないので、電池パック１００に突入電流が流れることになる（Ｓ１０３）。充電検出回路１５１は、所定レベル以上の突入電流を検出すると（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、ＦＥＴ１３４をオフするので、充電電流回路は開となり（Ｓ１０６）、電池パック１の充電を継続することができなくなる（Ｓ１０７）。充電開始時に検出した電池電圧が高い場合（Ｓ１０１：ＮＯ、Ｓ１０２：ＮＯ）及び突入電流のレベルが所定レベルよりも低い場合には（Ｓ１０４：ＮＯ）、充電初期に流れる電流に起因した影響が深刻でないため、充電を継続できるようになっている。

上述のように、スロースタート機能を有する充電器で、本発明に係る電池パック１を充電する場合には、当該充電器に接続された電池パックは正規の充電を行うが、スロースタート機能を有さない充電器で本発明に係わる電池パックを充電しようとした場合には、充電器に電池パックを接続することにより形成される充電回路が強制的に遮断されるように構成されている。

本発明は、上記した実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば、電池パックに内蔵される電池組は４セルのものに限定されるものではなく、セル数とは無関係に本発明を適用することができる。また、スロースターの具体的方法についても、上記実施の形態で説明されたものに限定されない。

本発明の電池パックは、電池駆動の電気機器、例えば、電動ドリル等の電動工具に利用することができる。

１、１００：電池パック、６：充電器、１３：回路基板、１６：接続端子、６１：充電制御ユニット、１３１：保護ＩＣ、１３４：ＦＥＴ、１５１：充電電流検出回路

Claims

充電可能な二次電池と、
充電器に接続したときに形成される充電回路に設けられ、前記充電回路に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部が検出した電流が所定レベル以上であった場合に、前記充電回路を遮断する自己遮断手段と、
を備えたことを特徴とする電池パック。
前記自己遮断手段は、前記充電器から前記二次電池に、若しくは前記二次電池から前記充電器に流れ込む突入電流に応答して前記充電回路を遮断することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記自己遮断手段は、前記充電器から前記二次電池に、若しくは前記二次電池から前記充電器に充電開始直後に流れ込む突入電流に応答して前記充電回路を遮断することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。