JP2009089468A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池によって構成された電池パックにおいて、簡単な構成により、電力消費特性の異なるいずれの機器に接続されても利便性を損なうことなく適切に過放電と過充電に対する保護を実現する。
【解決手段】電池パック１は、二次電池１０への充電経路を遮断または接続する充電スイッチ２と、二次電池１０の放電経路を遮断または接続する放電スイッチ３と、充電電流または放電電流を測定する電流計４と、二次電池１０の電圧を測定する電圧計５と、測定される電圧値と電圧基準値との比較結果に基づいて各スイッチ２，３を制御する制御手段６と、を備え、制御手段６は、電流計４によって測定される電流値に応じて電圧基準値を動的に変動させることにより、電池パック１が、電力特性の異なる機器（負荷機器や充電器）に接続されたときに、適切に過放電や過充電に対する保護を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池によって構成された電池パックに関する。

従来、二次電池によって構成された電池パックにおいて、過充電や過放電による劣化から電池パックを保護するために、充電経路や放電経路を遮断したり接続したりするスイッチ手段と、そのスイッチ手段を制御する制御手段と、を搭載した電池パックが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−０３４１６６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような電池パックにおいては、依然として次のような問題がある。すなわち、電池パックが汎用性のものであり、異なる電力消費特性を有する種々の機器に用いられる電池パックの場合、過放電の意味合いが電池パックを接続する機器によって異なるものとなる。例えば、携帯電話と電動工具とでは、消費電力が大きく異なり、過放電防止のための閾値電圧を一律に一定とすると、携帯電話のような軽負荷機器では、使い過ぎて過放電になったり、電動工具のような高負荷機器では、まだ使用可能な残存容量があるにもかかわらず保護がかけられて使用不能になったりして、電池パックの利便性が損なわれる可能性がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、電力消費特性や電気特性の異なる機器（負荷機器、充電器）に接続されても利便性を損なうことなく適切に過放電と過充電に対する保護を実現できる電池パックを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、二次電池によって構成された電池パックにおいて、前記二次電池への充電経路を遮断または接続する充電スイッチ手段と、前記二次電池の放電経路を遮断または接続する放電スイッチ手段と、前記二次電池を流れる充電電流または放電電流を測定する電流測定手段と、前記二次電池の総和電圧または前記二次電池を構成する各電池セルの電圧を測定する電圧測定手段と、前記電圧測定手段によって測定される電圧値と所定の電圧基準値との比較結果に基づいて前記各スイッチ手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電流測定手段によって測定される電流値に応じて前記電圧基準値を変動させるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電池パックにおいて、前記制御手段は、前記電流測定手段によって測定される放電電流値が大きいほど、前記電圧基準値を低下させるものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の電池パックにおいて、前記制御手段は、前記電圧基準値を低下させた場合に、所定の時間経過後に前記電圧基準値を元の値に戻すものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電池パックにおいて、前記制御手段は、前記放電スイッチ手段によって放電経路を遮断した後、電流測定手段によって充電電流を検出するまで前記二次電池への放電経路を接続しないものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電池パックにおいて、前記制御手段は、前記充電スイッチ手段によって充電経路を遮断した後、電流測定手段によって放電電流を検出するまで前記二次電池への充電経路を接続しないものである。

請求項１の発明によれば、電流測定手段によって測定される電流値に応じて電圧基準値を変動させるので、電池パックが電力消費特性の異なる機器に接続された場合に、電圧基準値を変動させて適切に過放電に対する保護を実現できる。また、電池パックを充電器に接続して充電する際に、特性の異なる種々の充電器に接続された場合においても、放電時と同様に、適切に過充電に対する保護を実現できる。

請求項２の発明によれば、測定される放電電流値が大きいほど、電圧基準値を低下させるので、携帯電話のような軽負荷機器に対しても過放電にならず、また、電動工具のような高負荷機器に対しても使用可能な残存容量に不適切に保護をかけることがなく、電池パックを適切に保護して有効利用でき、電池パックの利便性を発揮できる。

請求項３の発明によれば、電圧基準値を低下させた後、所定の時間経過後に電圧基準値を元の値に戻すようにしたので、ハンチング動作を回避でき、スイッチング手段による安定したスイッチング動作を実現できる。

請求項４の発明によれば、放電経路を遮断した後、充電電流を検出するまで二次電池への放電経路を接続しないので、より確実に過放電を防止できる。

請求項５の発明によれば、充電経路を遮断した後、放電電流を検出するまで二次電池への充電経路を接続しないので、より確実に過充電を防止できる。

以下、本発明の実施形態に係る、二次電池によって構成された電池パックについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る電池パックと共に、外部電源と負荷とを示したブロック構成を示し、図２（ａ）は同電池パックと高負荷機器との組合せを示し、図２（ｂ）は同電池パックと軽負荷機器との組合せを示し、図２（ｃ）は同電池パックと充電器との組合せを示す。

電池パック１は、図１に示すように、二次電池１０によって構成され、二次電池１０への充電経路を遮断または接続する充電スイッチ２と、二次電池１０の放電経路を遮断または接続する放電スイッチ３と、二次電池１０を流れる充電電流または放電電流を測定する電流計４と、二次電池１０の総和電圧または二次電池１０を構成する各電池セルＥの電圧を測定するための電圧計５と、電圧計５によって測定される電圧値と所定の電圧基準値との比較結果に基づいて各スイッチ２，３を制御する制御手段６と、を備えている。

制御手段６は、ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）、メモリ、タイマなどを備えて構成される。メモリにはプログラムや電圧基準値などの所定の定数などが記憶される。タイマは時間計測に用いられる。各スイッチ２，３は、例えば、ＦＥＴなどのスイッチング素子を用いて構成される。

電池パック１は、負荷３０に接続して用いられ、充電の際には充電器２０に接続される。電圧計５は、各電池セルＥの電圧を測定するための自動切替スイッチ５ａを備えている。電圧測定値は、制御手段６に送られる。また、電流計４によって測定された放電電流または充電電流は制御手段６に送られる。

制御手段６は、これらの二次電池１０の総和電圧や二次電池１０を構成する各電池セルＥの電圧などの電圧測定値や電流測定値に基づいて、二次電池１０や各電池セルＥが過放電や過充電とならないように、各スイッチ２，３を制御して充電経路や放電経路を遮断し、放電電流や充電電流を停止して電池パック１つまり二次電池１０の劣化を防止する。

上述の制御手段６は、電流計４によって測定される電流値に応じて電圧基準値を動的に変動させることができる。このように、電流計４によって測定される電流値に応じて電圧基準値を変動させることにより、例えば、電池パック１が、図２（ａ）（ｂ）に示すように電力消費特性の異なる機器に接続されたときに、適切に過放電に対する保護を実現できる。また、電池パック１を、図２（ｃ）に示すように、充電器２０に接続したときに、その充電器２０が複数種類あって特性がそれぞれ異なる場合においても、適切に過充電に対する保護を、放電時と同様に実現できる。以下、まず、背景から詳細に説明する。

近年電池パックを構成する二次電池として、リチウムイオン電池が用いられ、電池パックの軽量化が図られている。ところが、リチウムイオン電池は、電池自身の保護のために、所定の電圧値を越えないように、また所定の電圧を下回らないように、場合によっては個々の電池セル毎に、従来の二次電池であるニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池などよりもずっと厳密に、電池電圧を管理する必要がある。

そこで、リチウムイオン電池による電池パックを携帯電話などに用いる構成では、過充電や過放電を防止するために、ＦＥＴなどのスイッチング素子を用いたスイッチ回路により充放電経路を接続したり遮断したりする。

また、電動工具のように、充電時に数Ａ、放電時に１０Ａなどという電流が流れ、負荷としてのモータの回転が強制的に停止された、いわゆるモータロック時には１００Ａ近く流れるような負荷に接続される電池パックにリチウムイオン電池を用いる場合、通常、充電用の経路を接続ないし遮断するスイッチ回路は充電器内に備えられ、放電用の経路を接続ないし遮断するスイッチ回路は負荷装置の本体内に備えられており、電池パックにはスイッチ回路が備えられていない。

しかしながら、電動工具や充電器が、従来のニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池を用いる機器の場合、これらの電動工具や充電器内には、上述のスイッチ回路を備えていない場合が想定される。そして、このような電動工具や充電器において、リチウムイオン電池で構成される電池パックを共用可能とすることができれば、電池パックの利便性を高めることができる。

本発明の電池パック１は、電池パック１内に、充電経路や放電経路を接続ないし遮断するスイッチ回路を設けると共に電流計４によって測定される電流値に応じて電圧基準値を動的に変動させる保護機能を備えることによって、電池パック１の保護と各種の電動工具や充電器との共用接続を実現するものである。

電池パック１は、上述のようにスイッチ回路と動的な保護機能とを備え、高負荷から軽負荷まで幅広く各種の電気機器に用いることができる。この電池パック１は、出力用の電気機器への装着時の過放電に対する判断や電圧下限値の設定、および充電器への接続時の過充電防止のための設定などを各電気機器や充電器に応じて動的に、すなわち電池パック１の動作状況に応じて行うことができる。

電池パック１が共用される電気機器（充電器を含む）として、図２（ａ）に示すような、電流が１０Ａ以上の高負荷のドリルドライバ３１やインパクトドライバ３２などがあり、図２（ｂ）に示すような、電流が１Ａ以下の軽負荷のライト３３（照明器具）などがある。また、電池パック１は、図２（ｃ）に示すように、充電器２０に接続されて、例えば、１００Ｖ商用電源からの電力によって、充電される。この充電器２０として、電池パック１にとって特定の、いわゆる純正の充電器に限らず、構造的に接続可能であって所定の電気的仕様の許容範囲のもとにある種々の充電器を用いることができる。

電池パック１は、プラグＰを備え、このプラグＰを各電気機器３１，３２，３３，２０に設けられたソケットＳに挿入することにより、プラグＰを構成する放電用電極ａ，ｂ、充電要電極ｃ，ｄが各機器の電極に適宜接続される。

ここで、電池パック１が接続される各種出力用の電気機器（負荷３０）の動作時の電流電圧変動と作業内容の例を説明する。図３（ａ）は電池パック１をドリルドライバ３１に用いた場合の二次電池１０の放電電流の時間変化を示し、図３（ｂ）は同じく電池電圧の時間変化を示し、図３（ｃ）はドリルドライバ３１による作業例を示す。図４（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ前図と同様にインパクトドライバ３２の場合を示し、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ前図と同様にライト３３の場合を示す。

図３（ａ）（ｂ）には、ドリルドライバ３１による孔あけ動作の１サイクル（電源オンからオフまで）について、二次電池１０の２つの状態、すなわち、二次電池１０の蓄電量が十分ある状態、および多数回の孔あけ動作の後の蓄電量が少なくなった状態における、放電電流と電池電圧の時間変化が示されている。なお、ドリルドライバ３１は、図３（ｃ）に示すように、ドリルの刃（ドリルビット）をモータによって単純に回転させて木材などの被加工物に孔をあける、いわゆる孔あけ用の電動工具である。

ドリルドライバ３１の場合、二次電池１０の電流と電圧は、モータ起動時において、起動用電流が瞬間的に流れて所定値まで下がり、電圧が瞬間的に低下してから復帰する、という挙動を示す。モータ起動後における穴あけの初期は負荷も少なく、電流増加や電圧降下も少ないが、孔あけ作業の進行につれて、摩擦力による負荷の増大に対応して電流が増加し、電圧が低下する。従って、孔が貫通する寸前に負荷が最大になり、電圧低下と電流値増加が最大となる。

図４（ａ）（ｂ）には、上記同様に、インパクトドライバ３２によるねじ込み動作の１サイクル（電源オンからオフまで）について、二次電池１０の蓄電量が十分ある状態と、多数回の動作の後の蓄電量が少なくなった状態における、放電電流と電池電圧の時間変化が示されている。なお、インパクトドライバ３２は、通常、六角形のねじ回し工具をモータによって回転させて、図４（ｃ）に示すように、ねじをねじ込む回転工具であり、ねじ回し工具に対し回転方向に衝撃（インパクト）を与えながらねじ込み作業を行う。インパクトドライバ３２は、ナットのねじ込みなどにも用いられる。

インパクトドライバ３２の場合、二次電池１０の電流と電圧は、モータ起動時に起動電流が瞬間的に流れて所定値まで下がり、電圧が瞬間的に低下してから復帰するという挙動を示す。その後、略一定の負荷に対応して電流と電圧が略一定状態で時間変化し、ねじの着座時（ねじ締め時）に負荷が最大となる。なお、作業内容によるが、ドリルドライバ３１の増大負荷の持続時間と比べた場合、この着座時の増大した負荷の持続時間は短い。

また、図示しないが、インパクトドライバ３２を用いてナットとボルトとを締結する場合に、電池電流と電池電圧は、図４（ａ）（ｂ）に示したものと同様の挙動を示し、特に、最後の増し締め時に上述の着座と同様の挙動となる。

ライト３３の場合、図５（ａ）（ｂ）に示すように、電源オンからオフまでの１サイクルにおいて、二次電池１０の動作中に流れる電流は少なく、電圧降下はほとんどない。またライト３３などの照明器具は、ねじ締め毎に起動と停止が短時間で繰り返される上述のドライバ３１，３２などに比べて、１回の動作が、より長時間使用となる。

次に、電流計４によって測定される電流値に応じて電圧基準値を動的に変動させることについて説明する。ここでは、主に、電池パック１の放電の場合について述べる。電池パック１を複数の負荷について共用する場合、電池パック１からすると、自分がどのような負荷３０（３１，３２，３３の総称）に接続されるか不明である。従って、上記の電圧基準値をどのように設定すればよいか不明である。この点を解決するため、電池パック１は、接続される負荷３０の電流特性に注目して、自ら、負荷を判別して動的に電圧基準値を設定する。

上述の図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）に示した各負荷の起動から起動終了までの１サイクルの挙動をみると、各図に示した電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を負荷３０の種別判定に用いることができることが分かる。これらの電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は、各サイクル中における最小値である。この電流の最小値を計測することにより、電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対して電圧基準値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を設定することができる。つまり、各負荷の動作の１サイクルの最初に負荷電流に基づいて負荷の種別を判別し、その１サイクルにおける電圧基準値を設定することができる。

上述の判別について、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照してさらに説明する。これらの図は、上述のドリルドライバ３１、インパクトドライバ３２、およびライト３３という３つの負荷に対する電源オン（ＯＮ）からオフ（ＯＦＦ）までの１サイクルについて、放電電流値Ｉに対する電池電圧値Ｖの時間変化を、Ｉ−Ｖ空間における挙動（軌跡）として示している。

なお、これらの図は、電池電圧が各負荷毎に設定される電圧基準値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に接近する状態まで二次電池１０の蓄電量が減少した状態（使用末期の状態）について示すものとする。ちなみに、二次電池１０が充電直後の状態では、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）における各動作点の軌跡は、上方側（より高電圧側）に略平行移動した位置に現れる。

これらの図において、判定用の電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が、各サイクル中における最小値となっており、また、各負荷毎に設定された電圧基準値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が各サイクルにおける最小値となっていることが分かる。

上述の「電圧基準値」は、ドリルドライバ３１、インパクトドライバ３２、およびライト３３のそれぞれに対して、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）、または、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すＶ１，Ｖ２，Ｖ３のように設定するのが望ましい。ここで、これらの電圧基準値の大小関係は負荷の特性に応じて、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３、である。これらの値は、瞬時の電圧低下がより大きいほど、瞬時の電圧低下を許容するように、より低い電圧に設定されている。ここで、例えば、電池セルＥが４本の電池パック（１４．４Ｖ）の場合、Ｖ１＝８Ｖ、Ｖ２＝１０Ｖ、Ｖ３＝１３．２Ｖ程度になる。

次に、図７を参照して、上述の判定用電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３と、これらのそれぞれに対応する電圧基準値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３とを対応づけるマップについて説明する。上述のように、電池パック１が接続される負荷３０の電流特性に注目して、自ら、動的に電圧基準値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を設定する構成を実現するために、制御手段６は、電流計４によって検出される電流値と電圧基準値との対応マップを予め設定してメモリに記憶して備えている。

図７に示すように、各種の負荷の電力消費特性に応じて、例えば、ドリルドライバ３１は（Ｉ１，Ｖ１）などのように、判定用電流値と電圧基準値との組が設定されている。制御手段６は、このマップを参照することにより、測定される電流値に応じて電圧基準値を動的に変動させることができる。

なお、上述の電圧基準値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を設定するための判定用電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の大小関係は、ドリルドライバ３１、インパクトドライバ３２、およびライト３３のそれぞれに対して、Ｉ３＜Ｉ２＜Ｉ１、であり、負荷電流が小さいほど、より小さく設定されている。

測定された電流がＩ１以上の場合は電圧基準値がＶ１とされ、Ｉ２以上の場合はＶ２とされ、Ｉ３以上の場合はＶ３とされる。また、具体的な電流値として、ドリルドライバ３１では、Ｉ１＝３０Ａ程度、インパクトドライバ３２では、Ｉ２＝２５Ａ程度、ライト３３では、Ｉ３＝０．５Ａ程度になる。

上述のように、電流計４によって測定される放電電流値が大きいほど、電圧基準値を低下させる。これは、測定される放電電流値が大きいほど、電圧基準値を低下させることにより、携帯電話のような軽負荷機器に対して過放電にならず、また、電動工具のような高負荷機器に対して使用可能な残存容量に不適切に保護をかけることなく使用できるようにするためである。これにより、電池パック１の利便性を発揮できる。

また、測定された電流と、上述の判定用電流値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３との比較の際に、負荷３０の起動時の初期立上り電流は無視する必要がある。この立上り電流を無視する方法として、種々の方法を利用できる。例えば、電流計４において、電流測定回路に平滑コンデンサを挿入したり、遅延回路を組み込んだり、電源オン後の一定時間の電流測定値を無視する、などの方法が有効である。起動時の初期立上り電流を無視することは、電流計４に限らず制御手段６によっても実現することができる。

（過放電判断フローチャート）
次に、図８のフローチャートを参照して、電池パック１を異なる電力消費特性を有する機器に接続した場合に、制御手段６が、測定される電流値に応じて負荷を判別し、電圧基準値を動的に変動させて二次電池１０の過放電保護を行う処理を説明する。

負荷が起動されると（Ｓ１）、制御手段６は、電流計４を介して二次電池１０に流れている電流を測定して判定用電流値Ｉを取り込む（Ｓ２）。この電流値Ｉは、負荷３０がモータを含む場合の起動電流の瞬時の立ち上がりの影響を除外した電流値であり、負荷起動後の一定時間経過後における電流値である。

制御手段６は、ステップＳ２で測定された電流値Ｉと予め設定されてメモリに記憶している判定用電流値Ｉ１とを比較し（Ｓ３）、電流値Ｉが電流値Ｉ１以上（Ｉ１≦Ｉ）であれば（Ｓ３でＹｅｓ）、電池パック１に接続されている負荷３０がドリルドライバ系の負荷であると判断して、予め設定されてメモリに記憶しているマップに基づいて電圧変数Ｖｔに電圧基準値Ｖ１を代入する（Ｓ４）。

また、上述のステップＳ３において、電流値Ｉが電流値Ｉ１より小（Ｉ＜Ｉ１）であれば（Ｓ３でＮｏ）、制御手段６は、電流値Ｉと予め設定されて記憶している判定用電流値Ｉ２（ただし、Ｉ２＜Ｉ１）とを比較する（Ｓ５）。制御手段６は、電流値Ｉが電流値Ｉ２以上（Ｉ２≦Ｉ）であれば（Ｓ５でＹｅｓ）、電池パック１に接続されている負荷３０がインパクトドライバ系の負荷であると判断して、予め設定されて記憶しているマップに基づいて電圧変数Ｖｔに電圧基準値Ｖ２（ただし、Ｖ１＜Ｖ２）を代入する（Ｓ７）。

また、上述のステップＳ５において、電流値Ｉが電流値Ｉ２より小（Ｉ＜Ｉ２）であれば（Ｓ５でＮｏ）、制御手段６は、電池パック１に接続されている負荷３０がライト系の負荷であると判断して、予め設定されて記憶しているマップに基づいて電圧変数Ｖｔに電圧基準値Ｖ３（ただし、Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３）を代入する（Ｓ７）。

制御手段６は、電圧計５を介して二次電池１０の電池電圧を測定して電圧値Ｖを取り込む（Ｓ８）。

制御手段６は、ステップＳ８で測定された電圧値ＶとステップＳ４，Ｓ６、またはＳ７で設定された電圧変数Ｖｔ（従って電圧基準値Ｖ１，Ｖ２、またはＶ３）とを比較する（Ｓ９）。電圧値Ｖが電圧変数Ｖｔの値より以下（Ｖ≦Ｖｔ）であれば（Ｓ９でＹｅｓ）、制御手段６は、二次電池１０が過放電の状態（これは、過放電に近い状態、または回復可能な過放電の状態、以下同様）にあると判断し（Ｓ１１）、放電スイッチ３によって放電経路を遮断して二次電池１０を保護する（Ｓ１２）。これにより、電池パック１の使用は停止され、制御手段６による一連の処理は終了する。

また、電圧値Ｖが電圧変数Ｖｔの値より大（Ｖｔ＜Ｖ）であれば（Ｓ９でＮｏ）、二次電池１０が過放電の状態にはないと判断され、電池パック１の使用は継続可能とされ、ステップＳ１０が実行される。

制御手段６は、二次電池１０に放電電流が流れている放電中の状態であるかどうかを、電流計４からの入力有無などによって監視しており（Ｓ１０）、放電中でなければ（Ｓ１０でＮｏ）、一連の処理は終了する。また、放電中ならば（Ｓ１０でＹｅｓ）、処理がステップＳ８に戻され、ステップＳ８以下の処理が、繰り返される。

（第２の実施形態）
次に、図９のフローチャートを参照して、第２の実施形態に係る電池パックの二次電池に対する過放電保護動作の処理を説明する。図９のフローチャートは、上述の第１の実施形態における図８のフローチャートにおいて、ステップＳ１の後にステップ＃１，＃２，＃３が追加され、ステップＳ１１の前にステップ＃４が追加されたものである。この追加されたステップ以外の処理は上述同様であるので、ステップ＃１〜＃３，＃４に注目して説明する。

本実施形態の背景を述べる。ドリルドライバ３１やインパクトドライバ３２では、上述のように、起動時、および貫通時や着座時における大電流消費により、瞬時の電圧低下が発生する。このような電圧低下が短時間の場合は、過放電検出の対象とする必要はない。逆に、このような瞬時の電圧低下を検出してその検出結果によって、過放電防止のための保護を行うと、まだ十分に余力（蓄電量）があるにも拘わらず、電池パック１の使用を禁止してしまうことになりかねず、はなはだ使い勝手の悪いものとなる。

そこで、過放電検出を行う際に、二次電池１０が過放電状態にあるかどうかを判断するための比較基準とする電圧基準値を、この瞬時の電圧低下を回避するように（より低く）設定するか、または、電圧低下に対する許容時間を設けて瞬時の電圧低下を回避するようにすれば、電池パック１が、より使い勝手の良いものとなる。

図９のフローチャートは、ドリルドライバ３１について、上述の電圧低下に対する許容時間として回避時間ｔ１，ｔ２を設定した例を示す。インパクトドライバ３２についても同様に回避時間を設定することができる。なお、ライト３３では、大電流消費による電圧低下はないので、このような回避措置は不要である。

ステップ＃１〜＃３，＃４の処理は、二次電池１０の性能維持に悪影響を及ぼさないような短時間の電圧低下によって電池パック１が使用停止とならないように、所定の許容時間に基づいて行う回避処理である。本例では、一番小さい値とされている電圧基準値Ｖ１に対する過放電の判断において、回避処理が行われる。また、所定の回避時間は、できるだけ短く設定するのが望ましい。本例では、２つの回避時間を設けており、起動時における回避時間ｔ１（例えば、ｔ１＝０．１秒）、貫通時や着座時を想定した回避時間ｔ２（例えば、ｔ２＝１秒）を設定している。

制御手段６は、ステップ＃１において、電圧計５を介して二次電池１０の電圧を測定して判定用の電圧値Ｖを取り込む。二次電池１０の電圧は、負荷３０としてモータなどを含む場合、負荷３０の起動時に低下する。この起動時の低下した電圧値Ｖが所定の電圧基準値Ｖ０以上かどうかを調べ、電圧値Ｖが電圧基準値Ｖ０以上（Ｖ０≦Ｖ）ならば（＃２でＹｅｓ）、ステップＳ２以下の処理を行う。ここで、各電圧基準値の関係は、Ｖ０≦Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３、とされている。

また、電圧値Ｖが電圧基準値Ｖ０より小（Ｖ＜Ｖ０）ならば（＃２でＮｏ）、制御手段６は、タイマによる時間計測結果に基づいて現在の状態の時間経過について調べ、現在の状態が放電開始からｔ１秒以内ならば（＃３でＹｅｓ）、やはり、ステップＳ２以下の処理を行う。

判定用の電圧値Ｖが電圧基準値Ｖ０より小（Ｖ＜Ｖ０）であって、現在の状態が放電開始からｔ１秒よりも経過している場合（＃３でＮｏ）、制御手段６は、二次電池１０が過放電の状態にあると判断してステップＳ１１以下の処理を行う。

上述のステップ＃１〜＃３の処理は、立上り時（放電開始時）の短時間の大きな電圧低下を許容して、二次電池１０を使用可能とする処理となっている。

次に、ステップ＃４について説明する。制御手段６は、ステップ＃４において、現在の電池電圧値Ｖが電圧基準値Ｖ１以下（Ｖ≦Ｖ１）の状態の継続時間を調べ、その継続時間がｔ２秒より短ければ（＃４でＮｏ）、二次電池１０は過放電の状態にないと判断し、電池パック１の使用は継続とされ、制御ステップはステップＳ１０の前に進められる。

電圧値Ｖが電圧基準値Ｖ１以下（Ｖ≦Ｖ１）となっている状態がｔ２秒以上長く継続していれば（＃３でＹｅｓ）、制御手段６は、二次電池１０が過放電の状態にあると判断してステップＳ１１以下の処理を行う。

上述のステップ＃４の処理は、二次電池１０の過放電領域に近い領域において、蓄電された電気をできるだけ有効に利用するための処理であり、電圧基準値以下まで電圧低下した場合であっても、短時間（本例の場合１秒以内）の電圧低下は許容して、二次電池１０を使用可能とする処理となっている。

（第３の実施形態）
図１０は第３の実施形態に係る電池パックを異なる電力消費特性を有する機器に接続した場合の過放電保護動作のフローチャートを示す。本実施形態の電池パック１では、電池の電流値Ｉと電圧値Ｖとを時々刻々測定し、その測定された電池電流値Ｉに基づいて過放電を判断するための電圧基準値を決定する。従って、放電電流の変化につれて、電圧基準値が時々刻々変化することになる。

本実施形態の電池パック１は、第１、第２の実施形態における負荷の判別（図８、図９におけるステップＳ２〜Ｓ７）や各起動サイクルに対する１つの電圧基準値（Ｖ１，Ｖ２など）の設定などを行わないものであり、この点が第１、第２の実施形態における電池パックと異なっている。

電圧基準値を前出の電圧変数Ｖｔで表すと、電圧変数Ｖｔは、一般に、放電電流値Ｉの関数となり、Ｖｔ＝Ｆ（Ｉ）、と表される。Ｆ（Ｉ）は、連続関数とすることもでき、また不連続関数、例えばステップ関数とすることもできる。さらに、電流値Ｉだけでなく、その時間微分値ｄＩ／ｄｔ、起動時からの時間ｔ、所定の遅れ時間Δｔ、などの変数の関数とすることもできる。例えば、Ｖｔ＝Ｆ（Ｉ，ｄＩ／ｄｔ，Δｔ，ｔ）、と表される。また、単純な関数形としては、Ｆ（Ｉ）＝α／（ａ・Ｉ＋ｂ）、などの分数関数、Ｆ（Ｉ）＝−ｋ・Ｉ＋ｃ、などの傾きが負の一次関数などを用いることができる。

本実施形態の背景を述べる。各負荷３０の１回の動作中における高負荷による電圧低下の時間帯は、モータ起動時の電流の流れ始めや着座時などにおける数秒間のように、全体の動作時間に比べて短時間である。そこで、第１、第２の実施形態における電池パックのような１回の動作の全体に対して１つの判定用電流値と１つの電圧基準値とを設定するのではなく、動作時間を細分化し、細分化した各時間にそれぞれ判定用電流値と電圧基準値とを設定するようにしてもよい。

例えば、制御手段６が、電流値の変化から電流の上昇勾配などの変化率を算出するようにして、各動作サイクル中の電流の変化をより詳細に「初期の数秒間」、「放電電流値上昇中の数秒間」などのように細分化することにより、放電電流値Ｉの関数として複数の電圧基準値（これは、不連続関数やステップ関数に対応する）を適切に設定でき、より精度良く過放電に対する二次電池１０の保護と、二次電池１０に蓄電された電気の有効利用とを実現できる。

この場合に、負荷を判別することなく、電流値Ｉのみに基づいて電圧基準値を動的に設定することにより、種々の負荷３０に対応でき、より汎用性（共用性）の高い電池パックとすることができる。なお、過放電と同様に、種々の充電器２０に接続する場合の過充電に対しても、同様の構成を適用できる。

電圧基準値は、測定された放電電流に基づいて動的に設定されるが、あまりにも頻繁に電圧基準値を変化させると制御が不安定になり、電池パック１の性能低下を招くことになる。そこで、電池パック１において、制御手段６は、電圧基準値を低下させた場合に、所定の時間経過後に電圧基準値を元の値に戻すようにしてもよい。このような、いわば慣性を持たせた電圧基準値の設定方法によれば、ハンチング動作などを回避でき、スイッチング手段による安定したスイッチング動作を実現できる。

図１０のフローチャートを説明する。制御手段６は、負荷が起動されると（Ｓ１）、電流計４を介して二次電池１０に流れている電流の電流値Ｉを取得すると共に、電圧計５を介して二次電池１０の電圧値Ｖを取得する（＃５）。この電流値Ｉは、負荷３０がモータを含む場合の起動電流の瞬時の立ち上がりの影響を除外するため、負荷起動後の一定時間経過後における電流値である。

制御手段６は、電流値Ｉによって定まる電圧基準値Ｖｔ、Ｖｔ＝Ｆ（Ｉ）とステップ＃５で測定された電圧値Ｖとを比較する（＃６）。電圧値Ｖが電圧変数Ｖｔの値より以下（Ｖ≦Ｖｔ、すなわち、Ｖ≦Ｆ（Ｉ））であれば（＃６でＹｅｓ）、制御手段６は、二次電池１０が過放電の状態（これは、過放電に近い状態、または回復可能な過放電の状態、以下同様）にあると判断し（Ｓ１１）、放電スイッチ３によって放電経路を遮断して二次電池１０を保護する（Ｓ１２）。これにより、電池パック１の使用は停止され、制御手段６による一連の処理は終了する。

また、電圧値Ｖが電圧変数Ｖｔの値より大（Ｖｔ＜Ｖ、すなわち、Ｆ（Ｉ）＜Ｖ）であれば（＃６でＮｏ）、二次電池１０が過放電の状態にはないと判断され、電池パック１の使用は継続可能とされ、ステップＳ１０が実行される。

制御手段６は、二次電池１０に放電電流が流れている放電中の状態であるかどうかを、電流計４からの入力有無などによって監視しており（Ｓ１０）、放電中でなければ（Ｓ１０でＮｏ）、一連の処理は終了する。また、放電中ならば（Ｓ１０でＹｅｓ）、処理がステップ＃５に戻され、その後の処理が、繰り返される。

（第４の実施形態）
この実施形態は、上述の第１、第２、および第３の実施形態における図８、図９、図１０に示したステップＳ１２以後の処置に関する。上述のステップＳ１２の後、電池パック１は、その二次電池１０が過放電の状態にあると判断された結果、放電スイッチ３によって放電経路が遮断された状態にある。

本発明の電池パック１において、制御手段６は、放電スイッチ３によって放電経路を遮断した後は、電流計４によって充電電流が検出されるまで二次電池１０への放電経路を接続しない構成とされている。通常、過放電検出が実際に行われた電池パック１の二次電池１０は、過放電の状態、つまり過放電に近い状態または回復可能な過放電の状態とされた結果、過放電寸前の状態になっていると想定される。従って、一旦過放電検出された場合は、次に充電電流が流れるまで、つまり二次電池１０が充電されるまで、放電スイッチ３を接続できないようにされている。

上述の構成は、メモリリレーなどを用いてハード的に実現することもでき、また、メモリによる状態記憶と制御手段６による制御によっても実現することができる。電池パック１は充電に際して、充電器２０にセットされ、二次電池１０の充電経路が充電スイッチ２によって接続状態とされた状態で、電池に電流（充電電流）が流れる。制御手段６は、この充電電流を電流計４によって検知することによって放電スイッチ３による接続の可否を判断することになる。

本発明の電池パック１によれば、放電経路を遮断した後、充電電流を検出するまで二次電池１０への放電経路を接続しないので、より確実に過放電を防止できる。一般に、一旦過放電とされた電池パック１が、たとえ短時間であっても充電されないまま誤って使用されると劣化を速める原因となるので、上記構成により、二次電池１０に過放電が発生して劣化するという事態を回避でき、電池パック１を安全で長寿命のものとすることができる。

上述のことは、本発明の電池パック１において、充電時に対しても同様に適用されており、制御手段６は、充電スイッチ２によって充電経路を遮断した後、電流計４によって放電電流を検出するまで二次電池１０への充電経路を接続しない構成とされている。

本発明の電池パック１によれば、より確実に過充電を防止できる。これにより、一旦過充電とされた電池パック１が、放電することなく誤って再び充電器に接続されることにより過充電で二次電池１０を損傷するという事態を回避でき、電池パック１を安全で長寿命のものとすることができる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を矛盾のない範囲で互いに組み合わせた構成とすることができ、そのような組合せ可能な構成の実施形態は明記されていなくても当然に本発明に含まれる。上記において、電圧基準値と二次電池１０の総和電圧とを比較する例を説明したが、二次電池１０を構成する各電池セルの電圧毎に電圧基準値と比較して過充電や過放電を判断するようにできる。また、電池パック１を使用する負荷３０は、上記に例示したドリルドライバ３１などに限られない。

本発明の第１の実施形態に係る二次電池によって構成された電池パックと共に、外部電源と負荷とを示したブロック構成図。 （ａ）は同上電池パックと高負荷機器との組合せを示す図、（ｂ）は同電池パックと軽負荷機器との組合せを示す図、（ｃ）は同電池パックと充電器との組合せを示す図。 （ａ）は同上電池パックをドリルドライバに用いた場合の放電電流の時間変化図、（ｂ）は（ａ）の放電電流に対応する電池電圧の時間変化図、（ｃ）はドリルドライバによる作業例の図。 （ａ）は同上電池パックをインパクトドライバに用いた場合の放電電流の時間変化図、（ｂ）は（ａ）の放電電流に対応する電池電圧の時間変化図、（ｃ）はインパクトドライバによる作業例の図。 （ａ）は同上電池パックをライトに用いた場合の放電電流の時間変化図、（ｂ）は（ａ）の放電電流に対応する電池電圧の時間変化図、（ｃ）はライトの動作を示す図。 （ａ）は同上電池パックをドリルドライバに用いた場合の放電電流に対する電池電圧の時間変化図、（ｂ）は同上電池パックをインパクトライバに用いた場合の放電電流に対する電池電圧の時間変化図、（ｃ）は同上電池パックをライトに用いた場合の放電電流に対する電池電圧の時間変化図。 同上電池パックにおける放電電流と電圧基準値の対応関係を示すマップ図。 同上電池パックを異なる電力消費特性を有する機器に接続した場合の過放電保護動作のフローチャート。 第２の実施形態に係る電池パックを異なる電力消費特性を有する機器に接続した場合の過放電保護動作のフローチャート。 第３の実施形態に係る電池パックを異なる電力消費特性を有する機器に接続した場合の過放電保護動作のフローチャート。

符号の説明

１ 電池パック
２ 充電スイッチ（充電スイッチ手段）
３ 放電スイッチ（放電スイッチ手段）
４ 電流計（電流測定手段）
５ 電圧計（電圧測定手段）
６ 制御手段
１０ 二次電池
Ｅ 電池セル
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３ 電圧基準値

Claims (5)

1. 二次電池によって構成された電池パックにおいて、
   前記二次電池への充電経路を遮断または接続する充電スイッチ手段と、
   前記二次電池の放電経路を遮断または接続する放電スイッチ手段と、
   前記二次電池を流れる充電電流または放電電流を測定する電流測定手段と、
   前記二次電池の総和電圧または前記二次電池を構成する各電池セルの電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記電圧測定手段によって測定される電圧値と所定の電圧基準値との比較結果に基づいて前記各スイッチ手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記電流測定手段によって測定される電流値に応じて前記電圧基準値を変動させることを特徴とする電池パック。
2. 前記制御手段は、前記電流測定手段によって測定される放電電流値が大きいほど、前記電圧基準値を低下させることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記制御手段は、前記電圧基準値を低下させた場合に、所定の時間経過後に前記電圧基準値を元の値に戻すことを特徴とする請求項２に記載の電池パック。
4. 前記制御手段は、前記放電スイッチ手段によって放電経路を遮断した後、前記電流測定手段によって充電電流を検出するまで前記二次電池への放電経路を接続しないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電池パック。
5. 前記制御手段は、前記充電スイッチ手段によって充電経路を遮断した後、前記電流測定手段によって放電電流を検出するまで前記二次電池への充電経路を接続しないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電池パック。

Images