JP5083588B2

JP5083588B2 - リチウム電池パック

Info

Publication number: JP5083588B2
Application number: JP2006097090A
Authority: JP
Inventors: 一彦船橋; 信宏高野
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273241A; US20100159309A1; EP1841039A2; CN101047321B; US8183836B2; CN101047321A; US7723960B2; US20070273332A1

Description

本発明はコードレス電動工具等に用いられるリチウム電池パックに関するものである。

一般に、リチウム電池とは、バナジウム・リチウム電池、マンガンリチウム電池等を指し、何れも負極にリチウム・アルミ合金を用い、有機電解液を使用した電池を言う。また、リチウムイオン電池は一般に、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を使用し、電解液として有機電解液を用いたものである。本願明細書では、便宜上、リチウム電池及びリチウムイオン電池を含む有機電解液二次電池を総称して、単にリチウム電池と称することにする。

コードレス電動工具の電源としては従来、ニカド（Ｎ回路ｄ）電池、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池等が多用されているが、近年、電源の高容量化、軽量化のニーズが高まるに従ってリチウム電池が使用されるようになってきた。

通常のニカド電池の公称電圧は１．２Ｖであるのに対し、リチウム電池の公称電圧は例えば３．６Ｖと大きい利点がある。その反面、リチウム電池は過充電・過放電を行うと、電池の劣化が著しいという欠点がある。例えば公称電圧３．６Ｖのリチウム電池を４．５Ｖ以上に過充電すると電解液が分解し、電池性能が著しく劣化する。また２．０Ｖ以下に過放電した場合にも著しい性能劣化を生じる。

このため従来は、電池パック内の各電池セルの過充電、過放電を監視する保護回路を設け、各電池セルの電池電圧が第１の所定値以上になった場合、及び第２の所定値以下になった場合に、電池の充電及び放電を停止して過充電及び過放電を防止することが行われている。

このような保護回路として市販されているものは、汎用製品（例えばミツミ電機社製のＭＭ１４１４、或いはＭＭ３０９０など）であるため、電池セルの電圧を検出できるセル数に制約がある。現在市販されているものは、最大でも４個のセルの電池電圧を検出できるものに限定されている。

しかしながら電動工具の定格電圧が高い場合は、４個以上のセルを収納した電池パックを使用しなければならない。例えば１８Ｖの定格電圧を有する電動工具に用いる電池パックは、３．６Ｖのリチウム電池を５個直列に接続した構成を有する。従ってこの場合には４セル用保護回路と１セル用保護回路を使用してリチウム電池の過充電、過放電を保護するのが普通である。

しかしながらこの回路は、汎用製品であるため、４セル用保護回路の過放電判別電圧（過放電と認識する電圧）と、１セル用保護回路の過放電判別電圧の電圧仕様が一様でない場合がある。例えば４セル用保護回路の過放電判別電圧は、２．０Ｖであるのに対し、１セル用保護回路の過放電判別電圧は２．４Ｖという場合がある。このように１セル用の保護回路の過放電判別電圧が４セル用の保護回路の過放電判別電圧より高いときは、電池の過放電に対する保護が、１セル用の保護回路により実質的に支配されることになる。

一方、電池パックが使用される電動工具の中には、先端工具が加工物に噛み付いたような場合に、瞬間的にモータに大電流が流れるものがある。すなわち、電動工具に用いられる直流モータの負荷電流Ｉａは、
Ｉａ＝（Ｅ−Ｖ）／Ｒａ
但しＲａはモータの電機子巻線抵抗、Ｅは電池パックの出力電圧、Ｖはモータの逆起電力で表されるが、工具が加工物に噛み付くと、モータの回転が瞬間的に停止するため逆起電力Ｖが０になるため、Ｉａは瞬間的にかなり大きくなる。

この大きな負荷電流Ｉａが瞬間的に電池パック内の各リチウム電池に流れると、電池電圧は１セル用の保護回路の過放電判別電圧より低下して電池パックの放電回路を遮断してしまう。つまり、電池パックとしてはまだ安全に電池容量分のエネルギーを取り出せる状態にあるにもかかわらず、１セル用の保護回路が動作するために所望の電池エネルギーを取り出せないという不都合を生じる。

このような不都合は、電池パックのセル数が多いときに複数個の保護回路を使用せざるを得ず、特性仕様の異なる保護回路を使用することにより生ずるものであるから、電池パックのセル数に合わせた保護回路を新たに開発することも考えられるが、電池パックが高価になるという問題を生ずる。

本発明は上記のような従来の問題を解決した電池パックを提供することを目的とする。具体的には、リチウム電池の過充電、過放電に対して安全性を確保するために保護回路を備えた電池パックであって、保護回路の特性仕様、或いは特性のバラツキがあっても所望の電池エネルギーを安全且つ安価に取り出すことができる電池パックを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために本発明は、複数個のリチウム電池セルを直列に接続した電池組と、上記複数個の中の一部の電池セルの電圧を検出する第１の電圧検出部と、該第１の電圧検出部で検出された電池セルの検出電圧が、所定の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を生ずる第１の信号出力部を有する第１の保護回路と、前記複数個の中の他の一部の電池セルの電圧を検出する第２の電圧検出部と、該第２の電圧検出部で検出された電池セルの検出電圧が、所定の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を生ずる第２の信号出力部を有する第２の保護回路と、前記電池組の電流路に接続され、前記第１及び第２の信号出力部の出力信号に応じてオン・オフされるスイッチ手段とを備えた電池パックにおいて、前記第１の保護回路の過放電判別電圧を、前記第２の保護回路の過放電判別電圧より小さいレベルにすると共に、前記第２の保護回路の第２の信号出力部と、前記スイッチ手段との間に、所定時間以内の入力信号変化に応答しない出力を生ずる不感時間手段を接続したことに一つの特徴を有する。

本発明の他の特徴は、前記不感時間手段を、抵抗及びコンデンサよりなる時定数回路と、抵抗の両端子間に接続されたダイオードより構成したことにある。

本発明の他の特徴は、前記不感時間手段と、前記スイッチ手段との間に電圧レベル変換回路を有し、該電圧レベル変換回路は前記第１及び第２の信号出力部の信号が低レベル信号のときオンし、高レベル信号のときオフするスイッチング素子と、低レベル信号のときオフし、高レベル信号のときオンするスイッチング素子より構成したことにある。

本発明の他の特徴は、前記第１及び第２の保護回路が、それぞれ電池セルの検出電圧が所定の過充電判別値より大きくなったとき出力信号を生ずる第３及び第４の信号出力部と、前記第３及び第４の信号出力部の出力信号に応じてオン・オフされるスイッチ手段を備えていることにある。

本発明の他の特徴は、複数個のリチウム電池セルを直列に接続した電池組と、上記複数個の中の一部のリチウム電池のセル電圧を検出し、該電圧が第１の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を出す第１の保護回路と、前記複数個の中の他の一部のリチウム電池のセル電圧を検出し、該電圧が前記第１の過放電判別電圧値より大きい第２の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を出す第２の保護回路と、前記電池組の電流路に接続され、前記第１及び第２の保護回路の出力に応じてオン・オフされるスイッチ手段と、前記第２の保護回路と、前記スイッチ手段との間に接続され、所定時間以内の入力信号変化に応答しない出力を生ずる不感時間手段と、前記電池組からの電圧が前記スイッチ手段を介して供給されるモータとを備えたことにある。

本発明の他の特徴は以下の説明により、一層明確に理解される。

本発明によれば以下の効果が得られる。

（１）大きな負荷電流Ｉａが瞬間的に電池パック内の各リチウム電池に流れた場合には、過放電とは認識せず、電池パックの放電回路を遮断してしまうことがない。従って、電池パックの電池容量分のエネルギーを有効に取り出すことができる。

（２）電池パックのセル数が多く、複数個の保護回路を使用せざるを得ない場合にも、汎用の保護回路を使用することができるから、電池パックのセル数に合わせた保護回路を新たに開発する必要も無く安価な電池パックを提供できる。

（３）保護回路の特性仕様が異なったり、或いは特性にバラツキがあっても、所望の電池エネルギーを安全且つ安価に取り出すことが可能な電池パックを提供することができる。

図１は本発明に係る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５個のリチウム電池セル２１（以下単に電池セルという）を直列に接続した電池組２と、電池組２に流れる電流を検出するために電池組２と直列接続された電流検出抵抗７と、保護回路３から構成される。電池パック１の電圧は正極端子１１及び負極端子１２から取り出される。

保護回路３は、第１の保護回路３２、第２の保護回路３３、前記電池組２と直列に接続されるスイッチ回路３１、及び上記第１及び第２の保護回路３２，３３からの出力信号をスイッチ回路３１に伝達する電圧レベル変換回路５から構成される。

スイッチ回路３１は、電池組２と、負極端子１２との間に接続されたＮチャンネルスイッチング素子３１Ａ，３１Ｂより構成されており、両スイッチング素子３１Ａ，３１Ｂに高レベル信号（以下Ｈ信号）が印加されるとスイッチ回路３１は導通する。

第２の保護回路３３は電池電圧検出部３３１、過放電判別部３３２、過充電判別部３３３、過放電信号出力部３３５、過充電信号出力部３３６から構成される。

電池組２の最下段の電池セル２１（これを２１Ｅとする）の両端子間の電圧は、電池電圧検出部３３１により検出される。この検出された電圧は、第２の保護回路３３の過放電判別部３３２に設定された第１の所定電圧Ｖ１と比較され、それより低くなった場合は過放電信号出力部３３５よりＨ信号を発生する。また、電池電圧検出部３３１により検出された電圧は過充電判別部３３３に設定された第２の所定電圧Ｖ２と比較され、それより高くなると過充電信号出力部３３６よりＨ信号を発生する。

一方、第１の保護回路３２は、電池電圧検出部３２１、過放電判別部３２２、過電流判別部３２３、信号出力部３２５と、過充電判別部３２４、過充電信号出力部３２６を有する。

電池電圧検出部３２１は、電池組２の１段目から４段目までの電池セル２１（以下これを２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄとする）の端子電圧を検出する。検出された各電圧は、第１の保護回路３２の過放電判別部３２２に設定された第１の所定電圧Ｖ１´と比較され、それより低いときには信号出力部３２５からＨ信号を発生する。一方、過電流判別部３２３は、電流検出抵抗７の端子電圧より、電池組２に流れる電流を検知し、この電流が所定値より大きいときも信号出力部３２５からＨ信号を発生する。

電池電圧検出部３２１により検出された１段目から４段目までの電池セル２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄの各電圧は、過充電判別部３２４に設定された第２の所定電圧Ｖ２´と比較され、それより高くなると過充電信号出力部３２６からＨ信号を発生する。

保護回路３２及び３３自体は公知であり、例えばＭＭ１４１４の製品マニュアル等に記載されているので、各部の詳細な説明は省略するが、電池セルの検出電圧に対する出力部の信号の論理を示すと、図４の表のようになる。すなわち電池セル２１の電圧が正常のときは、全ての出力部３２５，３２６，３３５，３３６から低レベル信号（以下Ｌ信号）を出力する。過充電のときは出力部３２５，３３５からＬ信号、出力部３２６，３３６からＨ信号を生ずる。逆に、過放電のときは出力部３２６，３３６からＬ信号、出力部３２５，３３５からＨ信号を出力する。

電圧レベル変換回路５は、第１及び第２の保護回路３２，３３から生ずるそれぞれの回路仕様により異なった電位の出力信号を、同じ電位の信号に変換してスイッチ回路３１に印加するものでＰチャンネルのスイッチング素子５１，５３とＮチャンネルのスイッチング素子５２，５４を有する。

電池組２の正極端子はスイッチング素子５１のソース・ドレインを介してスイッチ回路３１のスイッチング素子３１Ａのゲートに接続されると共に、スイッチング素子５３のソース・ドレインを介してスイッチング素子３１Ｂのゲートに接続されている。スイッチング素子５１及び５３のゲートにはそれぞれ信号出力部３２５及び３２６の信号が印加される。またスイッチング素子５１のドレインとアース間には抵抗５０が接続され、スイッチング素子５３のドレインとアース間には抵抗５９が接続されている。

一方、過放電信号出力部３３５の出力信号は後述の不感時間手段６を介してスイッチング素子５２のゲートに印加され、過充電信号出力部３３６の出力信号はスイッチング素子５４のゲートに印加される。スイッチング素子５２のソース・ドレインは抵抗５０と並列に接続され、スイッチング素子５４のソース・ドレインは抵抗５９と並列に接続されている。また、電池組２の正極端子は抵抗５６，５８を介してそれぞれスイッチング素子５２，５４のドレインに接続されている。

電池セル２１の電圧が第１の所定電圧と第２の所定電圧の間にあるとき、つまり正常なときは、信号出力部３２５，３２６，３３５，３３６からＬ信号が出るので、スイッチング素子５１，５３はオン、スイッチング素子５２，５４はオフとなる。スイッチング素子５１がオンとなると電池組２の正極の電位がスイッチング素子３１Ａのゲートに印加されるので、Ｎチャンネルスイッチング素子３１Ａはオンとなる。またスイッチング素子５３がオンになると、同様に、Ｎチャンネルスイッチング素子３１Ｂはオンとなる。

従って、全ての電池セル２１のセル電圧が正常なときはスイッチング素子３１Ａ，３１Ｂがオンとなるためスイッチ回路３１は導通し、電池組の電圧が端子１１，１２より外部に取り出される。なお、放電時すなわち電動工具使用時においては、スイッチング素子３１Ｂと並列に接続されたダイオードを介して放電路が形成されるためスイッチング素子３１Ｂがオフであっても良い。また、充電時においては、スイッチング素子３１Ａと並列に接続されたダイオードを介して充電路が形成されるためスイッチング素子３１Ａがオフであっても良い。

第１の保護回路３２及び第２の保護回路３３が過充電を検出すると、過充電信号出力部３２６，３３６の出力はＨ信号になる。過充電信号出力部３２６の出力がＨ信号になるとスイッチング素子５３はオフになり、過充電信号出力部３３６がＨ信号になるとスイッチング素子５４はオンになる。従って、抵抗５９の両端間がスイッチング素子５４のソース・ドレイン間のオン抵抗で短絡されるため、スイッチング素子３１ＢにＬ信号が入り、このスイッチング素子３１Ｂがオフになる。従ってスイッチ回路３１はオフとなり、電池組２の電流路は遮断される。

また、第１の保護回路３２及び第２の保護回路３３が過放電又は過電流を検出すると、信号出力部３２５及び３３５の出力はＨ信号になる。過放電・過電流信号出力部３２５の出力がＨ信号になるとスイッチング素子５１はオフになる。過放電信号出力部３３５の出力がＨ信号になるとスイッチング素子５２はオンになる。従って、抵抗５０の両端間がスイッチング素子５２のソース・ドレイン間のオン抵抗で短絡されるため、スイッチング素子３１ＡにＬ信号が入り、スイッチング素子３１Ａはオフになる。従ってスイッチ回路３１はオフになり、電池組２の電流路は遮断される。

上記の各スイッチング素子５１〜５４及び３１Ａ，３１Ｂの動作を整理すると、図５のように表すことができる。

このように第１及び第２の保護回路３２，３３が過放電、過充電又は過電流を検出したときには、スイッチ回路３１がオフとなるので、リチウム電池セル２１を保護することができる。本発明はこのような回路において、第２の保護回路３３の過放電信号出力部３３５とスイッチング素子５２との間に不感時間手段６となる時定数回路を接続したことに特徴を有する。この不感時間手段６は、過放電信号出力部３３５の信号の変化が所定時間以内の短い時間であった場合にはその信号変化を後段のスイッチング素子５２に伝達させない作用をする。換言すれば所定時間以内の入力信号変化に応答しない出力を生ずるもので本実施例では抵抗６２及びコンデンサ６３とダイオード６１より構成される。

過放電信号出力部３３５の出力がＬ信号の時にはダイオード６１は導通するので、過放電信号出力部３３５の出力信号はＮチャンネルスイッチング素子５２のゲートに直ちに印加される。この時の不感時間は０か、かなり短い時間となる。一方、過放電信号出力部３３５の出力がＨ信号の時にはダイオード６１は非導通状態となるので、過放電信号出力部３３５の出力は抵抗６２、コンデンサ６３の時定数により定まる時間が不感時間となる。なお、不感時間手段６は抵抗、コンデンサ、ダイオードで構成するものに限るものではなく、例えばマイコンやタイマ回路等で構成することもできる。

図２は本発明電池パック１を接続したコードレス電動工具７の一例を示すブロック図であってＤＣモータ７１、スイッチ７２からなる。コードレス電動工具７に接続された電池組１は、コードレス電動工具７の動作をオン・オフするスイッチ７２で電源供給のオン・オフが行われる。

次に図３を用いて本発明に係る電池パック１を接続した電動工具７の動作について説明する。図３においてａは電池セル２１の電池電圧の変化を示し、Ｌ１は第１の保護回路３２が過放電と判断する過放電判別電圧値、Ｌ２は第２の保護回路３３が過放電と判断する過放電判別電圧値を示す。またｂは第２の保護回路３３の過放電信号出力部３３５の出力電圧、ｃはスイッチング素子５２のゲートに印加される電圧を示す。本実施例ではＬ１を２．０Ｖ，Ｌ２を２．４Ｖとしてある。

電池セル２１の検出電圧を示す波形ａにおけるＡ１部は、工具７のスイッチ７２がオフの状態のときの電圧でありリチウム電池セル２１の定格電圧である３．６Ｖ付近の電圧であることを示している。続いて工具７のスイッチ７２をオンすると検出電圧はモータ７１の負荷に応じて降下するためＡ２部の波形となる。その後、スイッチ７２をオフすると検出電圧は上昇し３．６Ｖ付近まで復帰し、Ａ３部に示す波形となる。更に、大きい負荷をかけスイッチ７２をオンすると検出電圧は更に降下し、第２の保護回路３３の過放電電圧判別値Ｌ２を下回る状態が発生する。この期間、第２の保護回路３３の過放電信号出力部３３５の出力ｂは図のＢ１に示すようにＬ出力からＨ出力となる。しかしながら、本発明においては過放電信号出力部３３５の出力が不感時間手段６を介してスイッチング素子５２のゲートに印加されるため、スイッチング素子５２の印加電圧はｃに示すように変化する。すなわち、不感時間手段６で予め設定された時定数によりＣ１部のように変化する。このためスイッチング素子５２はオフ状態を持続し、スイッチ回路３１はオン状態を持続する。

つまり、不感時間手段６で予め設定された時定数以内の時間であれば、大きな負荷等で工具を動作させ、この結果、電池セルの検出電圧がある一定時間、保護回路の過放電判別電圧値を下回っても電池組２の電流路は遮断されないから、持続的に電池パックを使用することが可能となる。

以上本発明の実施形態について説明したが、本発明の基本的な考え方を変更しない範囲内で種々の変形、変更をすることは可能であり、これらも本発明の範疇に属するものである。例えば電圧レベル変換回路５及びスイッチ回路３１は別の電子回路により実現することは容易である。

本発明に係る電池パックの一実施例を示すブロック図。本発明に係る電池パックを使用した電動工具のブロック図。本発明に係る電池パックの動作説明用の波形図。本発明電池パックの動作説明図。本発明電池パックの動作説明図。

符号の説明

１：電池パック、２：電池組、３１：スイッチ回路、６：不感時間手段、
２１：電池セル、３２：第１保護回路、３３：第２保護回路、
５：電圧レベル変換回路、３２１，３３１：電池電圧検出部、
３２２，３３２：過放電判別部、３２４，３３３：過充電判別部、
３２３：過電流判別部、３２５：過放電・過電流信号出力部、
３３５：過放電信号出力部、３２６，３３６：過充電信号出力部。

Claims

複数個のリチウム電池セルを直列に接続した電池組と、
上記複数個の中の一部の電池セルの電圧を検出する第１の電圧検出部と、該第１の電圧検出部で検出された電池セルの検出電圧が、所定の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を生ずる第１の信号出力部を有する第１の保護回路と、
前記複数個の中の他の一部の電池セルの電圧を検出する第２の電圧検出部と、該第２の電圧検出部で検出された電池セルの検出電圧が、所定の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を生ずる第２の信号出力部を有する第２の保護回路と、
前記電池組の電流路に接続され、前記第１及び第２の信号出力部の出力信号に応じてオン・オフされるスイッチ手段とを備えた電池パックにおいて、
前記第１の保護回路の過放電判別電圧を、前記第２の保護回路の過放電判別電圧より小さいレベルにすると共に、
前記第２の保護回路の第２の信号出力部と、前記スイッチ手段との間に、所定時間以内の入力信号変化に応答しない出力を生ずる不感時間手段を接続したことを特徴とするリチウム電池パック。
請求項１において、前記不感時間手段は、抵抗及びコンデンサよりなる時定数回路と、抵抗の両端子間に接続されたダイオードより構成されることを特徴とするリチウム電池パック。
請求項１において、前記不感時間手段と、前記スイッチ手段との間に電圧レベル変換回路を有し、該電圧レベル変換回路は前記第１及び第２の信号出力部の信号が低レベル信号のときオンし、高レベル信号のときオフするスイッチング素子と、低レベル信号のときオフし、高レベル信号のときオンするスイッチング素子より構成されることを特徴とするリチウム電池パック。
請求項１において、前記第１及び第２の保護回路は、それぞれ電池セルの検出電圧が所定の過充電判別値より大きくなったとき出力信号を生ずる第３及び第４の信号出力部と、前記第３及び第４の信号出力部の出力信号に応じてオン・オフされるスイッチ手段を備えたことを特徴とするリチウム電池パック。
複数個のリチウム電池セルを直列に接続した電池組と、
上記複数個の中の一部のリチウム電池のセル電圧を検出し、該電圧が第１の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を出す第１の保護回路と、
前記複数個の中の他の一部のリチウム電池のセル電圧を検出し、該電圧が前記第１の過放電判別電圧値より大きい第２の過放電判別電圧値より低下したときに出力信号を出す第２の保護回路と、
前記電池組の電流路に接続され、前記第１及び第２の保護回路の出力に応じてオン・オフされるスイッチ手段と、
前記第２の保護回路と、前記スイッチ手段との間に接続され、所定時間以内の入力信号変化に応答しない出力を生ずる不感時間手段と、
前記電池組からの電圧が前記スイッチ手段を介して供給されるモータとを備えたことを特徴とする電動工具。