JP2012501061A - 蓄電池パック - Google Patents

Abstract

負の温度係数を有するアナログの温度センサと、外部からアクセス可能な温度測定インタフェースと、評価ユニットとを備えた、手持ち式電動工具用の蓄電池パックであって、該評価ユニットは当該蓄電池パックの不具合を監視し、当該蓄電池パックの不具合が発生した場合には該評価ユニットは該温度測定インタフェースの電圧を能動的に変化させるように構成された、蓄電池パック。

Description

本発明は、請求項１，５または６記載の蓄電池パックと、請求項９，１１または１２記載の蓄電池パックの検査方法とに関する。

ＥＰ１６１２９０７Ａ２から、手持ち式電動工具用の蓄電池パックが公知である。蓄電池パックは負の温度係数を有するアナログ温度センサを備えており、該蓄電池パックは、負荷である手持ち式電動工具に給電したり、対応する充電機器で充電されるように構成されている。アナログ温度センサには、外部からアクセス可能な温度測定インタフェースが設けられており、この温度測定インタフェースを介して、電動工具ないしは充電機器に設けられた蓄電池保護電子回路が蓄電池保護論理回路と、蓄電池パックの電流路に配置されたパワースイッチとによって制御される。

この蓄電池パックには、トポロジー的に前記アナログ温度センサに並列接続された評価ユニットが設けられている。この評価ユニットは、異常事態の発生時に、前記温度測定インタフェースを介して外部から測定することができる全抵抗を能動的に低減するために設けられている。

発明の概要
本発明の課題は、蓄電池の改善と、蓄電池の監視方法の改善とを実現することである。

本発明の課題は、請求項１，５または６に記載の蓄電池パックと、請求項９，１１または１２記載の方法とによって解決される。

本発明では、接続された機器に蓄電池パックの保護機能を実行させるように温度測定インタフェースに影響する。本発明の蓄電池パックおよび方法の利点は、蓄電池パックの不具合を識別するために、簡単な構成の回路と高信頼性の方法とを実現できることである。このことは、蓄電池パックの不具合の発生時に、外部からアクセス可能な温度測定インタフェースにおいて抵抗の変化を検出できるように抵抗測定を変化させることによって実現される。こうするためには、温度測定インタフェースと別の端子との間の抵抗を変化させるか、または、温度測定インタフェースを介して電圧を出力することができる。こうすることにより、蓄電池パックの不具合を高確実性かつ高信頼性で識別することができる。エラー報知を温度測定インタフェースに供給することにより、この温度測定インタフェースを別のエラーの検出に使用することもできる。

温度測定を調整することにより、妥当であるが適正でない温度値が得られることにより、外部の回路が所定の抵抗値ないしは温度値に応答して、実際のエラーも解消されるかまたは少なくとも緩和されるように蓄電池パックを切り換える。択一的に、温度測定によって妥当でない温度値が得られ、このことを外部の回路が、別のエラーの示唆として評価できるように構成することもできる。各所定の温度値がそれぞれ個別のエラーを専用にシグナリングすることもできる。

選択された実施形態に依存して、抵抗の変化ないしは電圧の出力をパルス波形または連続波形にすることができる。

保護回路を有する蓄電池パックを示す概略図である。 図１の蓄電池パック用の別の保護回路を示す。 図１の蓄電池パック用の別の保護回路を示す。 図１の蓄電池パック用の別の保護回路を示す。 図１の蓄電池パック用の別の保護回路を示す。 電動工具を示す。 充電機器を示す。

図１に、蓄電池パック１を概略図で示す。この蓄電池パック１は、蓄電セルとしてたとえばＬｉイオンセルの形態で形成された１つまたは複数のセル２を有する。セル２は並列接続および／または直列接続することができる。図中の実施形態では、蓄電池パック１のセル２は直列接続されている。

さらに、評価ユニット４を有する保護回路３が設けられている。評価ユニット４は複数の測定線路５によって、個々のセルまたはセル群に接続され、とりわけ個々のセルの電極に接続されている。さらに、選択された実施形態に依存して、評価ユニット４をセルの選択された電極に接続することもできる。また、たとえばセルの温度を検出して前記評価ユニット４へ伝送するセンサ５をセルに設けることもできる。評価ユニット４は測定線路６および／またはセンサ線路７によって、各個別のセル２の動作、セル群の動作または蓄電池パック１全体の動作を検出し、とりわけ、電極の電圧および／またはセル２の電流を検出する。

蓄電池パック１は、電圧電位を供給するための第１の電気的端子８および第２の電気的端子９を有する。図中の実施例では、第１の電気的端子８で正の電圧が出力され、第２の電気的端子９で負電圧ないしは接地電圧が出力される。さらに蓄電池パック１は、外部からアクセス可能な測定箇所１０も有する。測定箇所１０と第２の電気的端子９との間に第１の電気抵抗１１および第２の電気抵抗１２が直列接続されている。第１の電気抵抗１１はオーム抵抗として形成されており、第２の電気抵抗１２は、負の温度係数を有するＮＴＣ抵抗として形成されている。第１の抵抗１１に対して短絡線路１３が並列に設けられており、該短絡線路１３は第１の抵抗１１の両端子に接続されている。この短絡線路１３にスイッチ１４が設けられている。スイッチ１４は制御線路１５を介して評価ユニット４に接続されている。

蓄電池パックの通常動作時にはスイッチ１４は閉成されており、第１の抵抗１１は短絡線路１３によってバイパスされている。このようにして、第２の電気的端子９と測定箇所１０との間に形成され外部からアクセス可能な温度測定インタフェースでは、ＮＴＣ抵抗１２に発生した電圧降下のみを取り出すことができる。このようにして、蓄電池パックの過熱を検出することができる。ＮＴＣ抵抗は蓄電池パックのセルに密接しており、とりわけ、ＮＴＣ抵抗と蓄電池パックのセルとは熱伝導結合されている。蓄電池パックの温度が上昇するとＮＴＣ抵抗１２のオーム抵抗は低減する。

評価ユニット４は、測定線路６によって検出されたパラメータと格納された基準値とを比較する。前記パラメータは、とりわけ電圧および／または電流である。検出された値と基準値との間に、たとえば５％を上回る偏差が識別されると、評価ユニット４によって、蓄電池パックに不具合が発生していると検出される。

蓄電池パックに不具合が発生していることを評価ユニット４が識別した場合、評価ユニット４はスイッチ１４を開放し、第１の抵抗１１はＮＴＣ抵抗１２と有効に直列接続される。このようにして、スイッチ１４の開放後に温度測定インタフェース１０，９において電圧を取り出されるかまたは測定箇所１０のみで電圧が取り出されると、測定機器は、抵抗が上昇したかまたは電圧降下が大きくなったことを識別する。

別の実施形態では、抵抗１２は正の温度係数（ＰＴＣ）を有し、評価ユニット４は、通常動作時にはスイッチ１３を開放状態に維持し、評価ユニット４が蓄電池パック１の不具合を識別するとスイッチ１３を閉成する。いずれの場合にも、エラーの場合には、温度測定インタフェース１０，９において検出される全抵抗は、温度が通常動作時よりも高いことを示唆する。

選択された実施形態に依存して、不具合が識別されると、評価ユニット４はスイッチ１４もパルス状に開閉する。この実施形態でも、温度測定インタフェース１０，９ではパルス波形の電圧変化が検出され、とりわけ電圧降下がパルス状に上昇するのが検出される。この場合にもこのことにより、蓄電池パックの不具合が蓄電池パックの温度変化になって顕れなくても、温度測定インタフェース１０，９によって蓄電池パックの不具合を識別することができる。簡単な実施形態では、測定箇所１０における電圧を検出および評価するだけでも十分である。測定箇所１０における電圧の変化から、蓄電池パックの不具合を推定することができる。

設けられた保護回路３により、蓄電池パックの過度に低い温度または過度に高い温度、とりわけ蓄電池パックの個々のセルの過度に低い温度または過度に高い温度を指示するだけでなく、別の障害も温度測定インタフェース１０，９によって出力および識別することができ、たとえば個々のセルの電気的な欠陥も出力および識別することができる。

調整されて温度測定インタフェース１０，９を介して求められる値は次のように選択することができる。すなわち、前記値の妥当性検査を行わない簡単な測定機器がたとえば、蓄電池パックの遮断等の適切な保護応答を示し、より高度に開発された測定機器が特定のエラーを識別して該特定のエラーに適切な保護応答を示し、たとえば蓄電池パックを流れる電流の一時的な制限等の保護応答を示すように、選択することができる。

図２に、図１の蓄電池パック１に使用される択一的な保護回路３を示す。ＮＴＣ抵抗１２と第２の電気的端子９との間の電気的接続部にスイッチ２１が設けられており、該スイッチ２１は制御線路２２を介して評価ユニット４に接続されている。

蓄電池パック１の通常動作中にはスイッチ２１は閉成されており、温度測定インタフェース１０，９で検出される抵抗はＮＴＣ抵抗１２の温度を示す。

評価ユニット４が蓄電池パックの不具合を識別すると、該評価ユニット４はスイッチ２１を開放し、温度測定インタフェース１０，９で検出される抵抗は高い値まで上昇する。実際にはこの値は約１００ＭΩ以上であり、スイッチ２１がどのような構成であるか、たとえばＭＯＳＦＥＴであるか、またはリレーであるかに依存する。このようにして、スイッチ２１の開放後に温度測定インタフェース１０，９において電圧が取り出されるかまたは測定箇所１０のみで電圧が取り出されると、外部の測定機器は、抵抗が上昇したかまたは電圧降下が大きくなったことを識別する。

図３に、図１の蓄電池パック１に使用される別の択一的な保護回路２を示す。図２に示された評価ユニット４の回路の配線接続の他に、別のスイッチ３１が設けられており、該スイッチ３１は、スイッチ２１とＮＴＣ抵抗１２との間の接続部を電圧源３２に選択的に接続する。スイッチ３１は制御線路３３によって評価ユニット４に接続されている。

蓄電池パック１の通常動作中にはスイッチ２１は閉成されており、かつスイッチ３１は開放されており、温度測定インタフェース１０，９で検出される抵抗はＮＴＣ抵抗１２の温度を示唆する。

評価ユニット４が蓄電池パックの不具合を識別すると、評価ユニット４はスイッチ２１を開放してスイッチ３１を閉成し、このことによって温度測定インタフェース１０に電圧が印加される。このことにより、温度測定インタフェース１０，９に接続された測定装置は、ＮＴＣ抵抗１２の温度からずれた値を検出する。

一般的に、抵抗の検出では通常は、検出対象の抵抗に電流を印加し、該抵抗に発生した電圧を検出する。この測定中に抵抗に付加的に電圧を印加すると、検出される電圧値が示すのはこの抵抗だけではなくなる。

択一的な測定手法では、抵抗に電圧を印加し、該抵抗を流れる電流を検出する。この抵抗に発生した電圧が測定中に、さらなる電圧によって変化すると、上述の測定手法と同様に測定結果に影響が生じる。

付加的な電圧の大きさおよび極性を適切に選択することにより、検出される値を所定の値にずらすことができる。この検出値の正負および／または大きさは、抵抗測定に関しては、該抵抗測定を行う測定装置に該抵抗測定の変化した意味内容を指示するために妥当でなくてもよい。予め定義された非妥当な値が、特定のエラーを示すことができる。

図４に、図１の蓄電池パック１に使用される別の択一的な保護回路３を示す。図１に示した評価ユニット４の配線構成と異なる点としては、スイッチ１４が設けられておらず、制御線路１５は、第１の抵抗１１とＮＴＣ抵抗１２との間の接続部に直接接続されている。

蓄電池パック１の通常動作中には、制御線路１５に電圧が発生しない。有利には、制御線路１５と各端子８，９との間に高いオーム抵抗が生じる。

評価ユニット４が蓄電池パックの不具合を識別すると、評価ユニット４は制御線路１５に電圧を印加し、たとえば、図３に示した電圧源３２に相応する内部電圧源によって電圧を印加する。このような温度測定インタフェース１０の影響も、図３に示した配線構成と同様に、接続された測定装置によって評価することができる。

制御線路１５の電圧を適切に選択することにより、温度測定インタフェース１０を介して温度測定を、抵抗が低くなっていく方向に、ひいては温度が高くなっていく方向に自由に変化させることができる。電圧が高くなると、検出される温度は高くなり、電圧が低くなると、検出される温度は低くなる。制御線路１５のパルス状の駆動制御を行いながら、温度測定をこのように変化させることにより、たとえば蓄電池パック１の未調整の温度とともに、より高い異なる温度を出力することもできる。

たとえば、温度測定インタフェース１０を介して、個々のセル２の温度を時間的順序で出力することができる。セル２のうち１つのセルの温度が蓄電池パック１の温度を下回る場合、このことは必ずしも、状況がクリティカルであることを示す訳ではなく、むしろ、測定誤差と、このセルとＮＴＣ抵抗１２との間の熱伝導作用とを示す。評価ユニットは、温度測定インタフェース１０を介して検出される温度値に影響することがないので、外部の測定装置が適切な時間的順序で、蓄電池パック１の温度に相応するセル２の温度を検出する。

前記セル２のうち１つのセルの領域に障害が発生した場合、たとえばセル２に不所望の化学反応が発生した場合、このことは、セル２の温度上昇として顕れる。ＮＴＣ抵抗１２の領域においても、蓄電池パック１の温度がセル２による局所的な加熱によって上昇する前に、評価ユニット４は温度測定インタフェース１０において、適切な時間区分において、制御線路１５に適切な電圧を印加することにより、セル２の実際の温度を出力することができる。このようにして外部の測定装置は、基本的に蓄電池パック１の実際の温度に相応する温度の時間特性を検出し、この温度の時間特性は、セル２に割り当てられた時間区分ではこの温度を上回り、セル２の実際の温度に相応する。

この場合、個別の温度の時間的順序を評価するようには構成されていない従来の外部測定装置は、セル２に割り当てられた時間区分において、過剰温度を少なくとも短時間検出し、蓄電池パック１をたとえば遮断することができる。すなわち、負荷ないしは充電装置から切り離すことができる。個別の温度の時間的順序を識別するより高度な測定装置は、特定のセル２の過剰温度を求めることができる。測定装置はこれに基づいて、たとえば、具体的なセルと測定温度とを示唆する詳細なエラー報告を出力したり、または、セル２の性能の低下を考慮するために、蓄電池パック１を流れる最大電流を制限することができる。

蓄電池パック１の別の動作状態をシグナリングするために、制御線路１５を介して、適合された電圧をパルス波形で出力することもできる。

図５に、図１の蓄電池パック１に使用される別の択一的な保護回路を示す。ＮＴＣ抵抗１２は測定箇所１０と第２の電気的端子９との間に接続されている。この測定箇所１０から抵抗５１が出ており、この抵抗５１はスイッチ５２によって、第１の電気的端子８に選択的に接続される。スイッチ５２は制御線路５３によって評価ユニット４に接続されている。

蓄電池パック１の通常動作時にはスイッチ５２は開放されており、第２の電気的端子９と測定箇所１０との間に形成され外部からアクセス可能な温度測定インタフェースでは、ＮＴＣ抵抗１２に発生した電圧降下のみが取り出される。

評価ユニット４が蓄電池パックの不具合を識別すると、評価ユニット４はスイッチ５２を閉成し、抵抗５１とＮＴＣ抵抗１２とによって構成された分圧器を介して測定箇所１０に電圧が印加される。この電圧は、温度測定インタフェース１０，９に接続された測定装置によって評価することができる。

抵抗５１もパルス状に変化できるように設けることにより、測定箇所１０においてＮＴＣ抵抗１２が検出されるか、または電圧が読み出されるようにすることができる。

図６に、蓄電池パック１に対する負荷として手持ち式電動工具６１を概略図で示す。この手持ち式電動工具６１はたとえば、穿孔機、スクリュードライバまたは剪定鋏等として構成することができる。手持ち式電動工具６１は電気的コンタクト６２，６３を有し、これらの電気的コンタクト６２，６３は該手持ち式電動工具６１を作動させるために、蓄電池パック１の電気的端子８，９に接続される。さらに、手持ち式電動工具６１に温度コンタクト６４が設けられており、この温度コンタクト６４は測定箇所１０に接続される。

この手持ち式電動工具には、マイクロコントローラとして構成された蓄電池保護論理回路６６を有する蓄電池保護電子回路６５が設けられており、この蓄電池保護電子回路６５は、蓄電池パック１の電流路６７に配置されパワーＭＯＳＦＥＴとして形成されたパワースイッチ６８に影響するために構成されている。パワースイッチ６８はさらに、手持ち式電動工具を駆動する電動機６９に接続され、該電動機６９を制御するように設けられている。蓄電池保護論理回路６６は、測定箇所１０と第２の電気的端子９とに接続されている。測定箇所１０と第２の電気的端子９との間に発生した電圧に基づいて、蓄電池保護論理回路６６が、パルス波形または連続波形の抵抗上昇を識別した場合、蓄電池パックに不具合が生じていることが識別され、この不具合は電動機６９への給電で考慮される。たとえば給電を縮小するか、または遮断することができる。こうするために、蓄電池保護論理回路６６は２つの制御線路を介してパワースイッチ６８に接続されている。

図７に、商用電源によって給電される充電機器７３を概略図で示す。この充電機器７３に蓄電池パック１を接続して該蓄電池パック１を充電することができる。こうするために充電機器７３は、測定箇所１０に接続することができる温度端子７４を有する。さらに充電機器７３は、第１の充電コンタクト７１および第２の充電コンタクト７２を有し、これらの充電コンタクトは、蓄電池パック１の充電を行うために、蓄電池パック１の第１の電気的端子８および第２の電気的端子９に接続することができる。また、充電機器７３に、別の蓄電池保護論理回路７６を有する別の蓄電池保護電子回路７５も設けられている。蓄電池保護論理回路７６は、蓄電池パックが接続されたときに生じる該蓄電池パックの充電経路７７に配置される。

さらに、蓄電池パックの充電を行うときの充電電力を制御する別のパワースイッチ７８も設けられている。前記別の蓄電池保護電子回路７５は測定箇所１０および第２の電気的端子９に接続されており、測定箇所１０と第２の電気的端子９との間の抵抗ないしは電圧降下を検出する。前記別の蓄電池保護電子回路７５が、過度に高いかまたは過度に低い電圧降下ないしは抵抗を識別した場合、充電電圧および／または充電電流が変化するように、前記別の蓄電池保護論理回路７６によって前記別のパワースイッチ７８が制御される。

このような回路構成により、加熱が発生し、この加熱に伴って測定箇所１０と第２の電気的端子９との間の抵抗が低減した場合、この抵抗の低減を識別することができ、かつ、蓄電池パック１の保護回路３によって抵抗上昇ひいては電圧降下拡大に変換される別の不具合も、識別することができる。選択された実施形態に依存して、第２の電気的端子９と測定箇所１０との間で過度に小さい電圧降下ひいては過度に低い抵抗が識別された場合や、過度に大きい電圧降下ひいては過度に高い抵抗が識別された場合には、前記別の蓄電池保護電子回路７５は充電過程を変化させることができ、とりわけ充電電圧および／または充電電流を低減するか、または充電過程を終了することができる。

このようにして上述の構成により、温度測定インタフェースを使用して蓄電池パックの不具合を確実に識別し、かつ、蓄電池パックによる手持ち式電動工具の作動、または充電機器７３による蓄電池パックの充電を確実に制御することができる。

Claims (12)

1. 抵抗方式のアナログの温度センサ（１２）と評価ユニット（４）とを備えた、手持ち式電動工具用の蓄電池パック（１）であって、
   前記温度センサ（１２）は、外部からアクセス可能な温度測定インタフェース（１０）に接続されており、
   前記評価ユニット（４）は当該蓄電池パック（１）の不具合を監視し、当該蓄電池パック（１）の不具合が識別された場合、該評価ユニット（４）は前記温度測定インタフェース（１０）の電圧を能動的に変化するように構成されていることを特徴とする、蓄電池パック。
2. 前記評価ユニット（４）は集積回路として構成されている、請求項１記載の蓄電池パック。
3. 当該蓄電池パック（１）は複数の個別のセル（２）を有し、
   前記評価ユニット（４）は少なくとも、前記セルのうち１つのセルの少なくとも２つの電極に接続されている、請求項１または２記載の蓄電池パック。
4. 前記評価ユニット（４）は、前記電圧がパルス状に変化するように構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の蓄電池パック。
5. 負の温度係数を有するアナログの温度センサ（１２）と評価ユニット（４）とを備えた、手持ち式電動工具用の蓄電池パック（１）であって、
   前記温度センサ（１２）は、外部からアクセス可能な温度測定インタフェース（１０）に接続されており、
   前記評価ユニット（４）は当該蓄電池パック（１）の不具合を監視し、当該蓄電池パック（１）の不具合が識別された場合、該評価ユニット（４）は、前記温度測定インタフェース（１０）に接続された抵抗（１１，１２）を能動的に増大させるように構成されていることを特徴とする、蓄電池パック。
6. 正の温度係数を有するアナログの温度センサ（１２）と評価ユニット（４）とを備えた、手持ち式電動工具用の蓄電池パック（１）であって、
   前記温度センサ（１２）は、外部からアクセス可能な温度測定インタフェース（１０）に接続されており、
   前記評価ユニット（４）は当該蓄電池パック（１）の不具合を監視し、当該蓄電池パック（１）の不具合が識別された場合、該評価ユニット（４）は、前記温度測定インタフェース（１０）に接続された抵抗（１１，１２）を能動的に減少させるように構成されていることを特徴とする、蓄電池パック。
7. 前記評価ユニット（４）はスイッチ（１４）に接続されており、
   前記温度センサは第１の抵抗（１２）を有し、
   前記第１の抵抗（１２）は第２の抵抗（１１）に直列接続されており、
   前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との直列回路は前記温度測定インタフェース（１０）に接続されており、
   前記第１の抵抗（１２）に短絡線路（１３）が並列接続されており、前記スイッチ（１４）は該短絡線路（１３）に配置されている、請求項５または６記載の蓄電池パック。
8. 前記評価ユニット（４）は、前記抵抗（１１）がパルス状に変化するように構成されている、請求項５から７までのいずれか１項記載の蓄電池パック。
9. 抵抗方式の温度センサ（１２）と外部からアクセス可能な温度測定インタフェース（１０）とを備えた蓄電池パック（１）の不具合を評価ユニット（４）によって指示するための方法であって、
   前記蓄電池パック（１）の不具合が発生した場合、前記温度測定インタフェース（１０）の電圧を能動的に変化させることを特徴とする方法。
10. 前記電圧をパルス状に変化させる、請求項９記載の方法。
11. 温度センサ（１２）と外部からアクセス可能な温度測定インタフェース（１０）とを備えた蓄電池パック（１）の不具合を評価ユニット（４）によって指示するための方法であって、
    前記温度センサ（１２）および温度測定インタフェース（１０）は、温度が高い場合には該温度を大きな抵抗によって検出し、温度が低い場合には該温度を小さい抵抗によって検出するように構成されており、
    前記蓄電池パック（１）の不具合が発生した場合、前記温度測定インタフェース（１０）に接続された抵抗（１１，１２）を能動的に増大させることを特徴とする方法。
12. 温度センサ（１２）と外部からアクセス可能な温度測定インタフェース（１０）とを備えた蓄電池パック（１）の不具合を評価ユニット（４）によって指示するための方法であって、
    前記温度センサ（１２）および温度測定インタフェース（１０）は、温度が高い場合には該温度を小さな抵抗によって検出し、温度が低い場合には該温度を大きな抵抗によって検出するように構成されており、
    前記蓄電池パック（１）の不具合が発生した場合、前記温度測定インタフェース（１０）に接続された抵抗（１１，１２）を能動的に減少させることを特徴とする方法。

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