JP2009238538A

JP2009238538A - 電池パック

Info

Publication number: JP2009238538A
Application number: JP2008082124A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Iwamura; 則宏岩村; Masaki Ikeda; 昌樹池田; Motoharu Muto; 元治武藤; Naoki Shimizu; 直樹清水; Atsumasa Kubota; 篤優久保田; Masaaki Okada; 昌彰岡田
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP5260999B2

Abstract

【課題】充電時の電池の安全性を確保する。
【解決手段】複数個を直列接続した二次電池Ｂと共通端子Ｔ４と放電端子Ｔ１と充電端子Ｔ２を持つ着脱式の電池パックである。充電器からの識別信号を入力する入力端子Ｔ３と、充電端子から二次電池を経て共通端子に至る充電経路中に配した第１のスイッチ手段ＦＥＴ１と、入力端子から入る充電器の識別信号が対応する充電器のものである場合に上記第１のスイッチ手段を導通させて二次電池への充電を開始させる制御部Ｃを備える、対応する充電器が接続された時のみ、第１のスイッチ手段ＦＥＴ１が導通して充電経路が閉じられて充電が開始される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池パック、殊に安全保護回路を内蔵することが求められている電池パックに関するものである。

電動工具用の電池パックは、大電流を供給することが求められているためにニッケルカドミウム電池を使用したものが多かったが、大容量のリチウム電池を使用することができるものも近年は提供されており、これに伴って従来の電動工具でも使用することができるリチウム電池の電池パックが望まれている。

この場合、電池パックにおける各端子が配されたコネクター部は、電動工具側のコネクターに接続することできる形状とすることになるとともに、このような形状とすることは、その電動工具用のニッケルカドミウム電池を使用した電池パックのための充電器に、リチウム電池を使用した電池パックを接続することができることを意味し、このような接続がなされた場合、過充電となり最悪発火・発煙のおそれがあり危険となる。

リチウム電池の電池パックのコネクター部における充電端子の配置を旧来の電池パックのコネクター部における配置と異なる場所に配置する等の対策をとったとしても、また、物理的な接続ができないようにしたとしても、コネクター部は電動工具に接続することができる形状であることが必要であるために、力を加えれば旧来の充電器に接続してしまうことができる可能性が高く、しかもその充電器の回路仕様によっては放電端子を伝って電池に電流が流れ込んで充電できる状態となる場合が存在する。

一方、電池パックとして、電池と放電端子との間にスイッチ手段を接続するとともに、電池と充電端子との間にもスイッチ手段を接続し、電池電圧を監視して過放電の時は放電経路にあるスイッチ手段をオフし、過充電となる電圧の時は充電経路にあるスイッチ手段をオフするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許３４３３７５１号公報

しかし、上記のような安全保護では、対応していない充電器に接続された時、充電末期に至るまで充電がなされることになる上に、充電電流によっては二次電池を傷めてしまうことにもなる。また、上述のように放電経路を通じて電流が電池に流れ込む場合、いずれのスイッチ手段も機能しないことになり、安全保護の機能を果たせない。

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、充電時の電池の安全性を確保することができる電池パックを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る電池パックは、複数個を直列接続した二次電池と共通端子と放電端子と充電端子を持つ着脱式の電池パックにおいて、充電器からの識別信号を入力する入力端子と、充電端子から二次電池を経て共通端子に至る充電経路中に配した第１のスイッチ手段と、入力端子から入る充電器の識別信号が対応する充電器のものである場合に上記第１のスイッチ手段を導通させて二次電池への充電を開始させる制御部を備えていることに特徴を有している。対応する充電器が接続された時のみ、第１のスイッチ手段が導通して充電経路が閉じられるようにしたものである。

二次電池の電池セル毎の電池電圧を検出する電圧検出部を備えており、上記制御部は少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に上記第１のスイッチ手段をオフとするものであってもよい。

また、第１のスイッチ手段と直列に非復帰型遮断手段を設けて、前記電圧検出部にて少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に非復帰型遮断手段をオフとするものも好ましい。

さらに放電端子から二次電池を経て共通端子に至る放電経路中に第２のスイッチ手段を備えており、上記制御部は入力端子から入る充電器の識別信号が非対応充電器のものである場合に上記第２のスイッチ手段をオフとするものであってもよい。

この場合、二次電池の電池セル毎の電池電圧を検出する電圧検出部を備えており、上記制御部は少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に上記第２のスイッチ手段をオフとするものであってもよい。

本発明の電池パックは、決められた充電器以外の充電器に接続されても充電されることはなく、このために過充電による発火破裂のおそれが無くて安全性が高いものである。

また、二次電池の電池セル毎の電池電圧を検出する電圧検出部を備えており、上記制御部は少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に上記第１のスイッチ手段をオフとするものであれば、入力端子に砂などの十分な接触を阻害する異物の付着で識別信号を認識できないときや誤信号が入って未対応充電器であるにもかかわらず充電が開始されるようなことがあっても、各電池セルは所定電圧以上充電されることがないために、より安全なものとなる。

また、第１のスイッチ手段と直列に非復帰型遮断手段を設けて、前記電圧検出部にて少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に非復帰型遮断手段をオフとするものでは、電池セル毎の電池電圧にアンバランスが発生している劣化した電池パックは、非復帰型遮断部のオフで使えなくしてしまうことができるものであり、このために劣化した電池を使っていることによる危険性を排除することができる。

さらに放電端子から二次電池を経て共通端子に至る放電経路中に第２のスイッチ手段を備えており、上記制御部は入力端子から入る充電器の識別信号が非対応充電器のものである場合に上記第２のスイッチ手段をオフとするものであれば、放電端子を通じて充電されてしまうという問題を招くこともなく、安全性が更に向上する。

この時、上記制御部が少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に第２のスイッチ手段をオフとするものであれば、何らかの原因で誤って放電端子から微小電流が流れて充電されたとしても所定電圧以上に充電されることはなく、安全性を更に高めることができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明すると、図１に示す電池パックは、電池セル（二次電池）Ｂが複数個直列に接続されており、その負極側に放電端子Ｔ１と充電端子Ｔ２とが接続され、正極側に共通端子Ｔ４が接続されている。そして充電端子Ｔ２と電池セルＢ群との間にＮチャネル型ＦＥＴからなるスイッチング素子ＦＥＴ１（第１のスイッチ手段）を配置し、スイッチング素子ＦＥＴ１のソースを電池セルＢの負極、ドレインを充電端子Ｔ２に接続している。また共通端子Ｔ４と電池セルＢ群の正極側の間にＰチャネル型ＦＥＴからなるスイッチング素子ＦＥＴ２（第２のスイッチ手段）を設置し、そのソースを電池セルＢ群の正極側に接続している。
。

さらにこの電池パックは、接続される充電器の識別のための入力端子Ｔ３を備えているとともに、この入力端子Ｔ３から充電器識別用の識別信号をＡ／Ｄポートを通じて受ける制御部Ｃを備えており、充電経路にある上記スイッチング素子ＦＥＴ１は制御部Ｃの出力でオンオフされるものとなっている。

マイクロコンピュータからなる上記制御部Ｃは、電圧信号としての識別信号の電圧範囲を記憶しており、接続された充電器が該電池パックに対応するものであれば、識別信号から対応充電器であると判断し、スイッチング素子ＦＥＴ１に対してＨ信号を出力してスイッチング素子ＦＥＴ１のオンで充電経路を閉じ、識別信号が上記範囲外であればＬ信号を出力してスイッチング素子ＦＥＴ１をオフとすることで充電経路を開く。

入力端子Ｔ２に充電器の種別毎に異なる電圧を出すための回路構成を図２に示す。電池パック側には制御部Ｃの電源からプルアップ抵抗Ｒ１を、充電器側にはグラウンドとプルダウン抵抗Ｒ２を配し、制御部Ｃにその電源電圧の抵抗Ｒ１，Ｒ２の比の分圧電圧が入力されるようにしている。充電器の種類によって充電器側のプルダウン抵抗Ｒ２の値を変えることで、制御部Ｃには充電器の種別によって異なる電圧が識別信号として入力されることになる。２本の抵抗Ｒ１，Ｒ２を使う簡単な回路で実現できる上に、入力端子Ｔ３がオープンの時でも入力端子Ｔ３には電源電圧が出るために力電圧がふらつかず、安定した識別信号を得ることができる。

今、制御部Ｃに記憶させておく電圧範囲として、たとえば３Ｖ超を未接続、２〜３Ｖをニッケルカドミウム電池用充電器、１〜２Ｖをニッケル水素電池用充電器、０〜１Ｖをリチウム電池用充電器としているならば、充電器内のプルダウン抵抗Ｒ２が０Ωであると入力端子Ｔ３から制御部Ｃが受け取る識別信号が０Ｖとなり、リチウム電池の電池セルＢを有する該電池パックは、対応する充電器が接続されたものと認識して前述のようにスイッチング素子ＦＥＴ１をオンとして電池セルＢへの充電を開始させる。

対応する充電器が接続された場合のみ充電可能となるものであり、このために誤って非対応の充電器が接続されても充電経路は遮断されたままで充電が開始されないために、過充電による発火破裂のおそれは無い。

また、この電池パックでは、過放電防止のために、各電池セルＢの両端電圧を検出する放電用電圧検出部１と、総和電圧を検出する放電用電圧検出部２とを備えており、これらが前述のスイッチング素子ＦＥＴ２をオンオフするものとしてある。放電電圧検出部２で検出される総和電圧がたとえば７.５Ｖ以下になった時、また放電用電圧検出部１で検出される各電池セルＢの両端電圧のうちのいずれか一つでも２．０Ｖ以下になった時、上記放電電圧検出部１，２はスイッチング素子ＦＥＴ２のゲート電圧をＨにする(スイッチング素子ＦＥＴ２のソース電圧と同じ電圧にする）ことでスイッチング素子ＦＥＴ２をオフして放電経路を遮断し、放電を止める。電池セルＢに温度差がある状態で充放電を繰り返すと各電池セルＢで電圧のアンバランスが進行することがあるが、放電用電圧検出部１はこれに対応するためである。

なお、過放電を防止する手段は該電池パックを電源として用いる機器側に設けてもよい。また、制御部Ｃとしてマイクロコンピュータを用いた例をあげたが、コンパレータを使っても同様な動作を得ることができる。また、充電器の識別信号として、電圧レベルで識別する例を示したが、充電器側と制御部Ｃとの間の各種充電器固有の識別信号のシリアル通信でも同様な動作をすることができる。更に図２では、電池パック内をプルアップ抵抗Ｒ１、充電器内をプルダウン抵抗Ｒ２としたが、充電器内でプルアップ抵抗、電池パック内でプルダウン抵抗としても同様な動作をすることができる。

別の例を図３に示す。基本的構成は上記の実施例のものと同じであるが、個々の電池セルＢの両端電圧を夫々検出する電圧検出部３を設けて、いずれかの電池セルＢの両端電圧が所定電圧以上となれば、制御部Ｃは識別信号が対応する充電器が接続されていることを示していても、スイッチング素子ＦＥＴ１をオフとして、充電経路を遮断する。

入力端子Ｔ３に誤信号が入ることで本来ならば未対応である充電器であるにもかかわらず、対応する充電器が接続されたとして充電経路が閉じられて充電が開始され、結果的に電池セルＢが過充電となるようなことがあっても、上記所定電圧以上に充電されることはないために、発火することがなくて安全である。

また充電器側の充電制御では、各電池セルＢ毎の電圧を検出できないために、個々の電池セルＢの電圧にアンバランスが発生した状態で充電した時、一つの電池セルＢだけが過充電となっても充電を停止することができないという問題を解決することができる。

図４に更に他の例を示す。これは充電経路中にスイッチング手段ＦＥＴ１に加えて、ヒューズのような非復帰型遮断手段Ｆと、この非復帰型遮断手段Ｆに遮断動作を行わせるための駆動回路Ｄを設けたもので、電圧検出部３で検出される各電池セルＢの電圧が一つでも所定電圧以上となれば、電圧検出部からＨ信号を出力して、駆動回路Ｄのスイッチング素子ＦＥＴ４をオンとすることで、非復帰型遮断手段Ｆのヒーター抵抗Ｒ３に電流を流してヒューズ素子ｆを切断し、充電経路を遮断する。

スイッチング素子ＦＥＴ１がショート破壊されていたり、外来要因で充電器の電圧検出精度が悪化した場合、無制御状態になって過充電になる虞があるが、別系統の検出手段（電圧検出部３）で非復帰型遮断手段Ｆを切断してしまうために、劣化が進んだ電池パックを使用できないようにでき、これに伴って発火の危険性を回避することができる。

図５に更に他の例を示す。ここでは、放電端子Ｔ１と電池セルＢ群の負極との間にＮチャネル型ＦＥＴからなるスイッチング素子ＦＥＴ３を配して、スイッチング素子ＦＥＴ３のソース側を放電端子Ｔ１に接続し、入力端子Ｔ３から制御部Ｃに入る識別信号が未対応充電器に該当する時、制御部Ｃはスイッチング素子ＦＥＴ３のゲート電圧をＬにしてスイッチング素子ＦＥＴ３をオフとし、それ以外のときはゲート電圧をＨにしてスイッチング素子ＦＥＴ３をオンする。

未対応充電器が接続された時、制御部Ｃは充電経路中のスイッチング素子ＦＥＴ１はもちろん、放電経路中のスイッチング素子ＦＥＴ３もオフとするために、充電端子Ｔ２及び放電端子Ｔ１の双方に充電電流が流れず、未対応充電器からの充電電流が放電端子Ｔ１を通じて電池セルＢに流れるようなことがなく、これに伴って知らぬ間に非復帰型遮断手段Ｆが切れて使えなくなるということがなくなる。

なお、放電時はスイッチング素子ＦＥＴ３内蔵のボディーダイオードを通じて放電電流を流すことができるが、電池パックを電源とする機器で大電流が流れるものもあるために、ボディーダイオード分の電圧降下による出力電圧の低下と電圧降下分の発熱を回避するために、制御部が未接続と検出することになる放電時はスイッチング素子ＦＥＴ３をオンとする。

図６に別の例を示す。これは上記図５に示したものに対して、電圧検出部３の出力が非復帰型遮断手段Ｆのための駆動部Ｄだけでなく、制御部Ｃにも入力されるようにしたものである。入力端子Ｔ３から得る識別信号から未対応充電器が接続されたと認識した時と，電圧検出部３で少なくとも一つの電池セルＢの両端電圧が所定電圧を超えた時、制御部Ｃは
スイッチング素子ＦＥＴ１，ＦＥＴ３をオフする。放電端子Ｔ１から微小電流が流れて電池セルＢへの充電がなされたとしてもいずれかの電池セルＢが過充電となる時点で充電経路及び放電経路の双方を遮断するために、それ以上充電されてしまうことがない。

本発明の実施の形態の一例の回路図である。同上の識別信号生成部を示す回路図である。他例の回路図である。更に他例の回路図である。別の例の回路図である。更に別の例の回路図である。

符号の説明

Ｂ電池セル
Ｃ制御部
Ｔ１放電端子
Ｔ２充電端子
Ｔ３入力端子
Ｔ４共通端子
ＦＥＴ１スイッチング素子
ＦＥＴ２スイッチング素子

Claims

複数個を直列接続した二次電池と共通端子と放電端子と充電端子を持つ着脱式の電池パックにおいて、充電器からの識別信号を入力する入力端子と、充電端子から二次電池を経て共通端子に至る充電経路中に配した第１のスイッチ手段と、入力端子から入る充電器の識別信号が対応する充電器のものである場合に上記第１のスイッチ手段を導通させて二次電池への充電を開始させる制御部を備えていることを特徴とする電池パック。
二次電池の電池セル毎の電池電圧を検出する電圧検出部を備えており、上記制御部は少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に上記第１のスイッチ手段をオフとするものであることを特徴とする請求項１記載の電池パック。
第１のスイッチ手段と直列に非復帰型遮断手段を設けて、前記電圧検出部にて少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に非復帰型遮断手段をオフとするものであることを特徴とする請求項２記載の電池パック。
放電端子から二次電池を経て共通端子に至る放電経路中に第２のスイッチ手段を備えており、上記制御部は入力端子から入る充電器の識別信号が非対応充電器のものである場合に上記第２のスイッチ手段をオフとするものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電池パック。
二次電池の電池セル毎の電池電圧を検出する電圧検出部を備えており、上記制御部は少なくとも一つの電池セルの電池電圧が所定電圧を超えた時に上記第２のスイッチ手段をオフとするものであることを特徴とする請求項４記載の電池パック。