JP4867734B2 - リチウム電池パック、及び電池パックと電動工具との組合せ - Google Patents

Description

本発明は、リチウム電池パックに関する。

コードレス電動工具において、電源となる電池の更なる高容量化、軽量化が要望され、この要望に対して、出力密度が高いリチウム電池が期待されて最近徐々に採用されてきている。

一方では、リチウム電池は、過充電・過放電・過電流を行うと、電池の劣化や電池温度の上昇により最悪の場合発火の恐れがある。このため電池パック内の各セルの過充電・過放電・過電流を監視する保護回路を設け、各電池セルの電池電圧が所定電圧値以下又は以上の場合、および電池セルに流れる電流を検出し所定の電流より大きな電流の場合、前記保護回路は検出信号を出力し、検出信号に基づき充放電経路を遮断することにより安全性に対する対策すなわち過電圧・過放電・過電流を防止することが行われている（特許文献１参照）。

特開平６−１４１４７９

コードレス電動工具は、木材や鉄板に穴を開けたりネジを締め付けるドライバドリル工具や木材を遮断する丸のこ工具等、様々な工具があり、力強くモータを動作させるためにコードレス電動工具用途のリチウム電池パックは、大きな電流の供給が必要となる。このため、リチウム電池パックは、複数のセルを並列接続したり、過大な電流に強い大型の電池セルを用いて大電流に対応している。一方、更なる軽量化の要望によりコードレス電動工具用途のリチウム電池パックは、小型の電池セルで１並列の電池組で構成する電池パックも製品化されている。しかしながら、例えば１並列の電池組で構成する電池パックと、２並列接続で構成される電池パックとを比較すると、それぞれの電池パックに同じ放電電流を流しても電池セルに流れる電流は１並列の電池組で構成する電池パックは、２並列接続で構成する電池パックの２倍の電流が流れ、当然のことながら電池セルの内部抵抗等により発生する電池セルの発熱もそれ相応に上昇してしまう。電池セルの温度上昇は、電池の寿命を損なう他、過大な発熱は電池の故障をも招き更には、発煙・発火の恐れもある。

本発明の目的は、上記した欠点をなくし、安価で安全性の高いリチウム電池パックを提供できるようにすることである。

上記課題を解決するために、本発明のリチウム電池パックは、複数のリチウム電池セルと、該電池セルの各電池セル電圧を検出する電圧検出部、該電圧検出部の検出電圧から前記各電池セルの少なくとも過放電、過電圧あるいは過電流を判別する電圧判別部を有する保護ＩＣと、前記電池セルと直列に接続され、前記保護ＩＣの前記電圧検出部の検出電圧に基づいて前記電池セルが少なくとも過放電あるいは過電流となった場合に開くスイッチ素子と、を備えたリチウム電池パックであって、一端が前記電池セルの正極側に接続されると共に他端が前記保護ＩＣからの判別信号が入力される前記スイッチ素子の信号入力部に接続され、電池温度が所定温度に達した際に開状態となる電池感温手段を設け、該電池感温手段は、サーマルプロテクタまたはサーモスタットからなり、前記電池温度が前記所定温度に達した際に、前記電池感温手段が開状態となることにより前記スイッチ素子を開くように構成したことを特徴としている。

更に、電池感温手段は複数のリチウム電池セルの内、一番高温になる電池セルに密着していることを特徴としている。

更に、電池感温手段は検出温度と検出解除温度が異なるヒステリシスを有することを特徴としている。

更に、前記保護ＩＣは前記電池セルの電源電圧で直接動作可能であり、更に非常に小さな消費電流で動作可能であることを特徴としている。

また、本発明の電池パック及び電動工具は、複数のリチウム電池セルと、該電池セルの各電池セル電圧を検出する電圧検出部、該電圧検出部の検出電圧から前記各電池セルの少なくとも過放電、過電圧あるいは過電流を判別する電圧判別部、該電圧判別部の判別結果を出力する電池保護信号出力部と、を備えた電池パックと、該電池保護信号出力部の信号を受けて前記リチウム電池からの電力供給により駆動可能なモータと直列に接続されるスイッチ素子が開閉する電動工具との組合せであって、一端が前記電池セルの正極側に接続されると共に他端が前記電池保護信号出力部からの判別信号が入力される前記スイッチ素子の信号入力部に接続され、電池温度が所定値に達した際に開状態となる電池感温手段を設け、該電池感温手段は、サーマルプロテクタまたはサーモスタットからなり、前記電池温度が前記所定温度に達した際に、前記電池感温手段が開状態となることにより前記スイッチ素子を開くように構成したことを特徴としている。

本発明によれば、電池感温手段により電池セルの温度をセンシングし電池セルが高温時に電池セルと直列に接続されたスイッチ素子を開き電池に流れる電流を遮断することで、電池セルの過大な発熱を防ぎ、電池の故障、更には発煙・発火を防止することができる。これにより、小型の電池セルで１並列の電池組で構成する軽量で安全且つ安価なリチウム電池パックを提供可能となる。

図１は本発明リチウム電池パック１の一実施形態を示すブロック図である。電池パック１は、例えば４個のリチウム電池セル３（以下、単に電池セルという）を直列に接続した電池組２、電池パック１の正極端子１１、負極端子１２、電池組２に流れる電流を検出する電池組２と直列接続された電流検出抵抗４、保護回路５、保護回路５から出力される充電禁止信号端子１３から構成される。

また、電池パック１と接続可能なコードレス電動工具８（以下、単に工具という）は、電池パック１の正極端子１１と接続可能な電動工具の正極端子８３、電池パック１の負極端子１２と接続可能な電動工具の負極端子８４、それぞれの端子間には、工具の動作のオン・オフを行うトリガスイッチ８１とモータ８２が直列接続される構成となっている。

保護回路５は、保護ＩＣ５１、前記電池組２と直列に接続されるスイッチ素子６、及び２つの抵抗６２，６３、電池組２のいずれかの電池セルに密着する感温素子７、保護ＩＣ５１の過放電・過電流信号出力部５６からの出力信号を受けてスイッチ素子６に反転伝達するスイッチ素子６１から構成される。なお、本実施形態のスイッチ素子は、ＮｃｈＦＥＴを用いたものであるが、これに限るものではない。

保護ＩＣ５１は、電池組２の直列接続された電池セルそれぞれの端子電圧を検出できるように接続され、電池組２の１段目から４段目の各電池セルの電圧を検出する電池電圧検出部５２、検出された電池電圧をもとに過放電か否かを判別する過放電判別部５４、電池組２に流れる電流を検出する電流検出抵抗４の出力電圧をもとに過電流か否かを判別する過電流判別部５３、また前記電池電圧検出部５２によって検出された電池電圧をもとに過電圧か否かを判別する過電圧判別部５５及びそれぞれの判別部で判別された結果を出力する過放電・過電流信号出力部５６、過電圧信号出力部５７からなる。

以下、保護ＩＣ５１の動作について説明する。
保護ＩＣ５1は、電池組２の各電池セルの両端電圧を電池電圧検出部５２で検出し、過放電判別部５４及び過電圧判別部５５で常に各電池セルの電圧を監視している。過放電判別部５４は、電池パック１の放電状態時における残容量低下時の過剰な電圧低下による電池セルの故障や劣化等を防止するために、あらかじめ設定された過放電電圧値（本実施の形態では、２．０Ｖとする。）以下にならない様に、２．０Ｖ以下を判別し、過放電・過電流信号出力部５６を介して過放電信号（ハイ信号：Ｈ）をスイッチ素子６１に出力する。Ｈ信号を受けたスイッチ素子６１は、オン状態となり、スイッチ素子６を開状態とする。つまり、電池パック１の放電可能な状態は停止する。また、電池組２と直列に接続された電流検出抵抗４は、電池組２に流れる電流を両端電圧により検出し過電流判別部５３に入力し、電池組２に流れる電流が過電流であるか否かの判別を常に行っている。過電流と判別されれば、過放電・過電流信号出力部５６を介して過電流信号（ハイ信号：Ｈ）をスイッチ素子６１に出力し、上記過放電時と同じくスイッチ素子６を開状態とし電池パック１の放電可能な状態を停止する。

また過電圧判別部５５は、電池パック１の充電中の過剰な電池セルの電圧上昇による電池の故障及び発煙・発火を防止するために、あらかじめ設定された過電圧電圧値（本実施の形態では、４．３Ｖとする。）以上にならない様に、４．３Ｖ以上を判別し過電圧信号出力部５７を介して充電禁止信号を充電禁止信号端子１３に出力する。電池パック１を充電する充電装置は、充電禁止信号端子１３と接続可能な端子を有し、電池パック１より出力された充電禁止信号を元に充電を停止する構成とすれば電池パック１の過電圧信号により電池パック１の充電保護が可能となる。
次に、本実施形態の保護回路５の動作について説明する。

通常（通常とは、電池組２の各電池セルが使用可能な電圧範囲で、また、電池セルに流れる電流が過電流に相当する電流以下あり、且つ電池セルの温度が所定値以下の温度である時を示す）、スイッチ素子６は、抵抗６２、感温素子７（オン状態）を介して電池組２の電池電圧で閉状態（オン状態）を維持する。つまり、電池パック１の正極端子１１、負極端子１２間に電池組２の電池電圧が出力され、それぞれの端子に接続された工具８はトリガスイッチ８１のオンにより動作可能となる。

続いて、本発明の特徴の電池感温手段である感温素子７の動作について図２を用いて説明する。感温素子７を電池セル３に密着させ電池セル３の温度をセンシングする目的は、工具８の連続作業や大電流が消費される高負荷の作業時に電池パック１が高温になり、電池セル３の劣化や故障から保護するために一時的に電池を休止させることを目的としている。図２に示す常温状態時には、感温素子７はオン状態であり直列に接続された抵抗６２を介して電池組２の電池電圧がスイッチ素子６を閉状態とし、電池組２の電圧は電池パック１の正極端子１１と負極端子１２より出力可能な状態となっている。工具８の使用により電池パック１の電池セル３の温度は徐々に上昇していく。
ここでの電池セル３の温度上昇は、電池パック１にかかる負荷が一定であれば予め電池セル３の温度上昇値が予測可能となり、負荷のかかる時間の積算等によりスイッチ素子６を開状態とし電池パック１の出力を停止する等の保護が可能となるが、かかる負荷が電動工具となると工具の作業内容（木材の穴あけや木材の切断等）や、異常時等（モータロック等による大電流出力時）により電池セル３の温度上昇値は大きく変化する。このため電池セル３の温度上昇値は予測不能であり、最悪の場合、想定以上の温度に達してしまい電池セル３の急激な劣化や故障、更には発煙・発火に至る可能性がある。このため、本発明の特徴である電池感温手段７を電池セル３に密着させ予め設定された電池感温手段７の温度に達したならば、スイッチ素子６を開状態にすることにより電池パック１の出力を遮断し、電池組２を保護することが非常に有効となる。
電池セル３の温度上昇が更に続き工具８の連続作業や大きい負荷の作業等による工具８の過酷使用により電池セル３の温度上昇は急激に上昇する。後に図２に示す電池感温手段７の設定温度（Ｔ点）に達すると、感温素子７は出力を停止（オフ状態）する。これにより、抵抗６２を介してスイッチ素子６に印可されていた電池組２の電圧は、遮断されスイッチ素子６の駆動電圧は、抵抗６３により放電され０Ｖとなり、スイッチ素子６は開状態（オフ状態）となる。つまり、電池パック１の出力は遮断される。

更に感温素子７は、図２に示すヒステリシス動作をするように予め設定しておけば、設定温度（Ｔ点）に達した後、直ぐに再び感温素子７が出力を出さない（オフ状態を維持する）ので、電池セル温度が設定されたヒステリシス動作温度に低下するまでは、電池パック１の出力は遮断され続ける。

以上の動作により、電池セル３の温度が電池感温手段７で予め設定された温度に達したならば、電池組２を保護するために電池パック１の出力をスイッチ素子６を開状態にすることで遮断することが可能となる。
なお、本発明の一実施形態を示すブロック図１の感温素子７は、設定温度に達すると接点が開状態となる、バイメタル方式のサーマルプロテクタまたは、サーモスタットを一例に示しているがこれに限るものではない。
例えば、図３に示す電池セル３の温度検出に温度変化により抵抗値が変化する感温素子７（サーミスタ）を用いた場合について説明する。感温素子７であるサーミスタは図１で示す一実施形態と同じく電池セル３に密着している。サーミスタ７により検出される電池セル温度は電池セル高温検出部９に入力され、電池セル高温検出部９は、電池セルが高温であるか否かの判別を行い結果をスイッチ素子６の入力部に接続されるスイッチ素子６１に出力する。高温と判別されればスイッチ素子６１は閉状態（オン状態）となり抵抗６２を介して電池組２の電池電圧により閉状態（オン状態）であるスイッチ素子６を開状態（オフ状態）とし、電池パック１の出力を遮断する。電池セル高温検出部９は、サーミスタ７により検出される温度を抵抗９１と電源Ｖｃｃにて電圧変換し、抵抗９２，９４、電源Ｖｃｃで予め設定される電池セル高温を検出するための判定電圧値とを比較器９６で比較する。比較の結果、高温と判別されれば比較器９６は、Ｈ信号を出力しダイオード９７を介して電池セル高温信号を出力する。同時に比較器９６は、抵抗９３と直列に接続されるスイッチ素子９５にＨ信号を出力する。Ｈ信号を受けたスイッチ素子９５は抵抗９４と抵抗９３を並列接続状態とし電池セル高温を検出するための判定電圧値を低下させる。すなわち、ヒステリシス特性を有する電池セル高温検出部９となる。

以上のように、サーミスタを感温素子として構成することも可能ではあるが、図１に示す本発明の一実施形態でのバイメタル方式のサーマルプロテクタまたは、サーモスタットを用いた場合には、サーミスタを用いた場合と比較して以下の良好なメリットがある。
サーマルプロテクタまたは、サーモスタットを用いた場合には、スイッチ素子６の入力部に直接接続可能であるので回路構成が非常に簡素に実現出来る。サーミスタを用いた場合には、図３に示すように比較器９６等を用いた温度検出部を介してスイッチ素子の入力部に入力する必要があり、相応の回路が必要となる。
サーマルプロテクタまたは、サーモスタットを用いた場合には、バイメタル方式での温度検出、つまり機械的な動作による温度検出なので温度検出部での回路消費電流が発生しない。故に保護回路の省エネ化が可能となる。サーミスタを用いた場合には、図３に示すような比較器９６等を用いた温度検出部が必要であり、比較器、検出温度の判定電圧値等に必要な電源Ｖｃｃ回路が必要となり、相応の回路消費電流が付加されてしまう。

以上のように、サーミスタを用いた場合より、図１に示す一実施形態のサーマルプロテクタまたは、サーモスタットを用いた場合のほうが、より良好な構成の保護回路が実現できる。

次に、図４に示す一実施形態について説明する。図４の実施形態はスイッチ素子６が電池パック１の内部でなく工具８内のトリガスイッチ８１、モータ８２と直列接続で配置され、更にスイッチ素子６は電池保護出力信号端子１４より出力される電池パック１の電池保護信号によりモータ６への電力供給を遮断出来る構成の電池パック及び電動工具となっている。通常、スイッチ素子６は、抵抗６２、感温素子７（オン状態）を介して電池組２の電池電圧で閉状態（オン状態）を維持する。つまり、ユーザからのトリガスイッチ８１のオン・オフ動作によりモータ８２の駆動が可能となっている。工具８の連続作業や大きい負荷の作業等による工具の過酷使用により電池セル３の温度上昇は急激に上昇し後に図２に示す電池感温手段７の設定温度（Ｔ点）に達すると、感温素子７は出力を停止（オフ状態）する。これにより、抵抗６２，感温素子７を介して電池保護出力信号端子１４に印可されていた電池組２の電圧は遮断され、電池保護出力信号端子１４と接続されている工具８の電池保護入力信号端子８５の電圧は、抵抗６３により放電され０Ｖとなり、スイッチ素子６は開状態（オフ状態）となる。つまり、モータ８２への電力供給は遮断される。なお、図４に記載の符号は、図１の符号と同じであり、保護回路５より出力される信号を出力する電池保護出力信号端子１４、工具８側の電池保護出力信号端子１４の信号を受ける電池保護入力信号端子８５が新たに付加されるのみである。

以上のように、スイッチ素子６が電池パック１内に限らずコードレス電動工具側つまり工具８の内部に配置された場合においてもサーミスタを用いた場合より、図４に示す一実施形態のサーマルプロテクタまたは、サーモスタットを用いた場合のほうが、前記の良好なメリットが得られる。

本発明電池パックの一実施形態を示すブロック回路図。 電池セル温度波形と各種波形を示す波形図。 本発明電池パックの別の実施形態を示すブロック回路図。 本発明電池パックの別の実施形態を示すブロック回路図。

符号の説明

１は電池パック、２は電池組、３は電池セル、４は電流検出抵抗、５は保護回路、６はスイッチ素子、７は感温素子、８はコードレス電動工具、８１はトリガスイッチ、８２はモータ、６２，６３は抵抗、６１はスイッチ素子、５１は保護ＩＣ、５２は電池セル電圧検出部、５３は過電流判別部、５４は過放電判別部、５５は過電圧判別部、５６は過放電・過電流信号出力部、５７は過電圧信号出力部、１１は電池パック１の正極端子、１２は電池パック１の負極端子、８３はコードレス電動工具８の正極端子、８４はコードレス電動工具８の負極端子。

Claims (5)

1. 複数のリチウム電池セルと、
   該電池セルの各電池セル電圧を検出する電圧検出部、該電圧検出部の検出電圧から前記各電池セルの少なくとも過放電、過電圧あるいは過電流を判別する電圧判別部を有する保護ＩＣと、
   前記電池セルと直列に接続され、前記保護ＩＣの前記電圧検出部の検出電圧に基づいて前記電池セルが少なくとも過放電あるいは過電流となった場合に開くスイッチ素子と、を備えたリチウム電池パックであって、
   一端が前記電池セルの正極側に接続されると共に他端が前記保護ＩＣからの判別信号が入力される前記スイッチ素子の信号入力部に接続され、電池温度が所定温度に達した際に開状態となる電池感温手段を設け、
   該電池感温手段は、サーマルプロテクタまたはサーモスタットからなり、前記電池温度が前記所定温度に達した際に、前記電池感温手段が開状態となることにより前記スイッチ素子を開くように構成したことを特徴とするリチウム電池パック。
2. 請求項１において、前記電池感温手段は前記複数のリチウム電池セルの内、一番高温になる電池セルに密着していることを特徴とするリチウム電池パック。
3. 請求項１において、前記電池感温手段は検出温度と検出解除温度が異なるヒステリシスを有することを特徴とするリチウム電池パック。
4. 請求項１及び請求項３において、前記保護ＩＣは前記電池セルの電源電圧で直接動作可能であり、更に非常に小さな消費電流で動作可能であることを特徴とするリチウム電池パック。
5. 複数のリチウム電池セルと、
   該電池セルの各電池セル電圧を検出する電圧検出部、該電圧検出部の検出電圧から前記各電池セルの少なくとも過放電、過電圧あるいは過電流を判別する電圧判別部、該電圧判別部の判別結果を出力する電池保護信号出力部と、を備えた電池パックと、
   該電池保護信号出力部の信号を受けて前記リチウム電池からの電力供給により駆動可能なモータと直列に接続されるスイッチ素子が開閉する電動工具との組合せであって、
   一端が前記電池セルの正極側に接続されると共に他端が前記電池保護信号出力部からの判別信号が入力される前記スイッチ素子の信号入力部に接続され、電池温度が所定値に達した際に開状態となる電池感温手段を設け、
   該電池感温手段は、サーマルプロテクタまたはサーモスタットからなり、前記電池温度が前記所定温度に達した際に、前記電池感温手段が開状態となることにより前記スイッチ素子を開くように構成したことを特徴とする電池パックと電動工具との組合せ。

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