JP2014036565A - 電気機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】機器本体へのバッテリユニットの装着によって自動的に複数の電池セル組の直列接続を導通させる場合と比較して信頼性を高めることの可能な電気機器を提供する。
【解決手段】工具本体3のトリガを引くと、トリガ連動スイッチ36がオンし、起動用スイッチング素子Tr1がオンする。これにより、第1の電池セル組21のプラス端子の電圧が、起動用スイッチング素子Tr1、ダイオードD4、ダイオードD6、抵抗R7、及び抵抗R4を経由して遮断用スイッチング素子M4の制御端子に印加され、遮断用スイッチング素子M4がオンする。すると、第1の電池セル組21のプラス端子からの電流がフォトダイオードD1〜D3に流れる。フォトダイオードD1〜D3が発光すると、その光を受光したフォトトランジスタQ1〜Q3が導通し、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンし、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が導通する。
【選択図】図1
【解決手段】工具本体3のトリガを引くと、トリガ連動スイッチ36がオンし、起動用スイッチング素子Tr1がオンする。これにより、第1の電池セル組21のプラス端子の電圧が、起動用スイッチング素子Tr1、ダイオードD4、ダイオードD6、抵抗R7、及び抵抗R4を経由して遮断用スイッチング素子M4の制御端子に印加され、遮断用スイッチング素子M4がオンする。すると、第1の電池セル組21のプラス端子からの電流がフォトダイオードD1〜D3に流れる。フォトダイオードD1〜D3が発光すると、その光を受光したフォトトランジスタQ1〜Q3が導通し、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンし、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が導通する。
【選択図】図1
Description
本発明は、複数の電池セル組を有するバッテリユニットを装着して動作する電動工具等の電気機器に関する。
バッテリユニット内の二次電池の直列本数を増加させた場合の感電を防止する技術が知られている。例えば下記特許文献1では、電動車両等のバッテリでの感電防止のために、バッテリユニットにおいて二次電池を分割させて2つの組電池を構成し、バッテリユニットに設けられている放電端子を組電池毎に並列的に設けて接続し、車両本体側に、組電池同士を直列に接続する直列接続端子と、直列接続端子により複数の組電池同士が直列に接続された状態で給電される受電端子とを設けている。
特許文献1の技術は、バッテリユニットの装着によって自動的に二次電池の直列接続が形成されて高電圧が発生する構成であり、電池や機器(電池の装着先)に不具合があったときに高電圧を遮断保護することはできない。
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、機器本体へのバッテリユニットの装着によって自動的に複数の電池セル組の直列接続を導通させる場合と比較して信頼性を高めることの可能な電気機器を提供することにある。
本発明のある態様は、電気機器である。この電気機器は、
少なくとも1つの電池セルをそれぞれ含む複数の電池セル組を有するバッテリユニットと、前記バッテリユニットを着脱自在に装着して前記バッテリユニットからの供給電圧で動作する機器本体と、を備える電気機器であって、
前記複数の電池セル組の間に設けられて前記複数の電池セル組と直列接続を成すセル組間スイッチング素子と、使用者の起動操作に連動して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替える直列接続起動回路と、を備える。
少なくとも1つの電池セルをそれぞれ含む複数の電池セル組を有するバッテリユニットと、前記バッテリユニットを着脱自在に装着して前記バッテリユニットからの供給電圧で動作する機器本体と、を備える電気機器であって、
前記複数の電池セル組の間に設けられて前記複数の電池セル組と直列接続を成すセル組間スイッチング素子と、使用者の起動操作に連動して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替える直列接続起動回路と、を備える。
使用者の停止操作から所定の時間が経過するまでの間に前記セル組間スイッチング素子をオンからオフに切り替えてもよい。
前記直列接続起動回路は一部の電池セル組からの供給電圧で動作を開始してもよい。
前記一部の電池セル組を前記複数の電池セル組の中から選択する第1の選択手段を備えてもよい。
前記セル組間スイッチング素子がオンのときに前記複数の電池セル組によって充電されるキャパシタを備え、前記セル組間スイッチング素子がオンからオフに切り替わると前記キャパシタに蓄えた電力によって一部の電池セル組を充電してもよい。
前記キャパシタからの充電対象となる電池セル組を選択する第2の選択手段を備えてもよい。
前記セル組間スイッチング素子が前記機器本体側に設けられ、前記バッテリユニットを前記機器本体に装着することで前記複数の電池セル組が前記セル組間スイッチング素子を介して直列接続されてもよい。
前記直列接続起動回路は発光素子を含み、前記起動操作が行われると一部の電池セル組から前記発光素子に通電し、前記発光素子の光を利用して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替えてもよい。
前記発光素子の光を受光する受光素子を含み、前記受光素子は、いずれかの電池セル組の一方の端子と前記セル組間スイッチング素子の制御端子との間に設けられ、前記発光素子の光を受光するとオンになって前記電池セル組の一方の端子と前記制御端子とを導通させてもよい。
前記発光素子と前記受光素子とが一体のフォトカプラを構成していてもよい。
前記セル組間スイッチング素子がオフからオンに切り替わった後は前記複数の電池セル組から前記発光素子に通電し、その後に使用者の停止操作が行われても所定の時間は前記発光素子への通電を継続してもよい。
前記直列接続起動回路は、前記一部の電池セル組から前記発光素子への通電経路に設けられ、前記起動操作に連動してオフからオンに切り替わる起動用スイッチング素子を有してもよい。
前記発光素子に直列接続された遮断用スイッチング素子と、使用者の停止操作から所定の時間が経過するまでの間に前記遮断用スイッチング素子をオンからオフに切り替えるコントローラとを備えてもよい。
前記コントローラは、前記セル組間スイッチング素子がオフからオンに切り替ってから前記複数の電池セル組からの供給電圧で起動し、前記セル組間スイッチング素子がオンからオフに切り替わると停止してもよい。
前記複数の電池セル組からの供給電圧を降圧して前記発光素子及び前記コントローラに供給する電源を備えてもよい。
本発明のもう1つの態様は、電気機器である。この電気機器は、
少なくとも1つの電池セルをそれぞれ含む複数の電池セル組を有するバッテリユニットと、前記バッテリユニットを着脱自在に装着して前記バッテリユニットからの供給電圧で動作する機器本体と、を備える電気機器であって、
前記複数の電池セル組の間に設けられて前記複数の電池セル組と直列接続を成すセル組間スイッチング素子と、使用者の起動操作に連動して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替えるフォトカプラと、を備える。
少なくとも1つの電池セルをそれぞれ含む複数の電池セル組を有するバッテリユニットと、前記バッテリユニットを着脱自在に装着して前記バッテリユニットからの供給電圧で動作する機器本体と、を備える電気機器であって、
前記複数の電池セル組の間に設けられて前記複数の電池セル組と直列接続を成すセル組間スイッチング素子と、使用者の起動操作に連動して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替えるフォトカプラと、を備える。
もう1つの態様において、前記フォトカプラは発光素子を含み、前記起動操作が行われると一部の電池セル組から前記発光素子に通電し、前記発光素子の光を利用して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替えてもよい。
もう1つの態様において、前記発光素子の光を受光する受光素子を含み、前記受光素子は、いずれかの電池セル組の一方の端子と前記セル組間スイッチング素子の制御端子との間に設けられ、前記発光素子の光を受光するとオンになって前記電池セル組の一方の端子と前記制御端子とを導通させてもよい。
前記機器本体は、交流電源に接続するAC接続端子を有し、前記AC接続端子は、前記バッテリユニットを取り外したときには接続可能な一方、前記バッテリユニットを装着しているときは接続不可能であってもよい。
前記電池セルのサイズが14500サイズであってもよい。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、使用者の起動操作に連動してセル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替える構成のため、機器本体へのバッテリユニットの装着だけで複数の電池セル組の直列接続を導通させる場合と比較して信頼性を高めることが可能となる。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図1は、本発明の実施の形態1に係る電動工具の回路図である。電動工具は、電気機器の例示であり、電池パック2(バッテリユニット)と、工具本体3(機器本体)とを備える。電池パック2は、工具本体3に着脱自在に装着されている。工具本体3は、電池パック2からの供給電圧で動作する。
電池パック2は、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24を有する。電池セル組の数は、複数であれば特に限定されない。各々の電池セル組は、例えば、一つ以上のリチウム電池セル101を含むリチウム電池組であり、電気機器を駆動する動力源(電力供給源)となるものである。各々の電池セル組において電池セル101の直列接続数と並列接続数は、必要な電圧や容量によって適宜設定されるが、4個直列から10個直列が望ましい。電池セル101は、好ましくは14500サイズのセルとする。
以下、一例として、各々の電池セル組が10個直列の場合(電池パック2全体で合計40セルの場合)の電池パック2の寸法と重量について説明する。14500サイズのセルは、φ14mm×高さ50mmであり、その体積は、
14×14×π/4×50=7697mm3
である。ただし、円柱セルを隙間なくパック内に積むことはできないため、円柱セルが入る四角柱を考えると、その四角柱の体積は、
14×14×50=9800mm3=9.8cm3
となる。これが40セル分あるから、合計の体積は、
9.8cm3×40セル=392cm3=0.392L
となり、この立方根は、約7.32cmである。したがって、14500サイズのセルを40セル収容するためには、電池パック2は少なくとも一辺が7.32cmのサイズとなる。なお、各セル間には隙間(例えば1mm程度)が必要となると共に、保護基板等のスペースも必要となるため、電池パック2のサイズは若干大きくなる。一方、各セルを“俵積み”すれば、一辺あたり7.32cmより小さくすることも可能である。また、質量に関しても、14500サイズのセルは約20gのため、
20g/セル×40セル=0.8kg
と軽量である。したがって、14500サイズのセルであれば、40セルを一つの電池パックに収容しても、手持ち式工具に使用することが可能である。なお、比較として18650サイズのセルを40セル用いることを考えると、質量は1.85kg(=46.3g/セル×40セル)であり、体積は842.4cm3、立方根は9.44cmとなる。
14×14×π/4×50=7697mm3
である。ただし、円柱セルを隙間なくパック内に積むことはできないため、円柱セルが入る四角柱を考えると、その四角柱の体積は、
14×14×50=9800mm3=9.8cm3
となる。これが40セル分あるから、合計の体積は、
9.8cm3×40セル=392cm3=0.392L
となり、この立方根は、約7.32cmである。したがって、14500サイズのセルを40セル収容するためには、電池パック2は少なくとも一辺が7.32cmのサイズとなる。なお、各セル間には隙間(例えば1mm程度)が必要となると共に、保護基板等のスペースも必要となるため、電池パック2のサイズは若干大きくなる。一方、各セルを“俵積み”すれば、一辺あたり7.32cmより小さくすることも可能である。また、質量に関しても、14500サイズのセルは約20gのため、
20g/セル×40セル=0.8kg
と軽量である。したがって、14500サイズのセルであれば、40セルを一つの電池パックに収容しても、手持ち式工具に使用することが可能である。なお、比較として18650サイズのセルを40セル用いることを考えると、質量は1.85kg(=46.3g/セル×40セル)であり、体積は842.4cm3、立方根は9.44cmとなる。
工具本体3は、セル組間スイッチング素子M1〜M3(Nチャンネル型FET)と、フォトカプラ31〜33と、電源34(電源回路)と、整流手段としてのダイオードブリッジ35と、トリガ連動スイッチ36(機械式スイッチ)と、起動用スイッチング素子Tr1(PNP型トランジスタ)と、遮断用スイッチング素子M4(Nチャンネル型FET)と、遮断開始用スイッチング素子M5(Nチャンネル型FET)と、コントローラ37と、インバータ38と、モータ39とを備える。フォトカプラ31〜33はそれぞれ、発光素子としてのフォトダイオードD1〜D3と、受光素子としてのフォトトランジスタQ1〜Q3とを一体に有する。
セル組間スイッチング素子M1〜M3は、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の間に設けられて第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24と直列接続を成す。具体的には、第1の電池セル組21のプラス端子と第2の電池セル組22のマイナス端子との間にセル組間スイッチング素子M1が設けられる。第2の電池セル組22のプラス端子と第3の電池セル組23のマイナス端子との間にセル組間スイッチング素子M2が設けられる。第3の電池セル組23のプラス端子と第4の電池セル組24のマイナス端子との間にセル組間スイッチング素子M3が設けられる。すなわち、バッテリユニット2を工具本体3に装着することで、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24がセル組間スイッチング素子M1〜M3を介して直列接続される。
第1の電池セル組21のマイナス端子は、トリガ連動スイッチ36と抵抗R8を介して起動用スイッチング素子Tr1の制御端子(ベース)に接続される。トリガ連動スイッチ36と抵抗R8の相互接続点はコントローラ37に接続される。第1の電池セル組21のプラス端子は、起動用スイッチング素子Tr1のエミッタに接続される。起動用スイッチング素子Tr1のコレクタは、ダイオードD4のアノードに接続される。ダイオードD4のカソードは抵抗R6を介してフォトダイオードD3のアノードに接続される。フォトダイオードD3のカソードはフォトダイオードD2のアノードに接続される。フォトダイオードD2のカソードはフォトダイオードD1のアノードに接続される。フォトダイオードD1のカソードは遮断用スイッチング素子M4のドレインに接続される。遮断用スイッチング素子M4のソースは第1の電池セル組21のマイナス端子に接続される。
ダイオードD4のカソードと抵抗R6の相互接続点は、ダイオードD6のアノードに接続される。ダイオードD6のカソードと遮断用スイッチング素子M4の制御端子(ゲート)との間に抵抗R7と抵抗R4が直列接続される。抵抗R7と抵抗R4の相互接続点は、遮断開始用スイッチング素子M5のドレインに接続される。遮断開始用スイッチング素子M5のソースは第1の電池セル組21のマイナス端子に接続される。遮断開始用スイッチング素子M5の制御端子(ゲート)は、抵抗R5を介してコントローラ37に接続される。
第2の電池セル組22のプラス端子とセル組間スイッチング素子M1の制御端子(ゲート)との間には、フォトトランジスタQ1と抵抗R1とが直列接続される。第3の電池セル組23のプラス端子とセル組間スイッチング素子M2の制御端子(ゲート)との間には、フォトトランジスタQ2と抵抗R2とが直列接続される。第4の電池セル組24のプラス端子とセル組間スイッチング素子M3の制御端子(ゲート)との間には、フォトトランジスタQ3と抵抗R3とが直列接続される。
第1の電池セル組21のマイナス端子は、コントローラ37及びインバータ38にそれぞれ接続される(図示は省略するが電源34にも接続される)。第4の電池セル組24のプラス端子は、電源34及びインバータ38にそれぞれ接続される。コントローラ37とインバータ38は相互に接続される。インバータ38の出力端子間にモータ39が設けられる。電源34の出力端子はコントローラ37及びダイオードD5のアノードに接続される。ダイオードD5のカソードはダイオードD4のカソードと抵抗R6の相互接続点に接続される。
工具本体3には商用電源等の交流電源も接続可能であり、工具本体3のAC接続端子301,302間にはダイオードブリッジ35が設けられている。交流電源を接続した場合は、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列合成電圧に替えてダイオードブリッジ35の出力電圧が工具本体3の駆動電圧となる。
図2(A)は、工具本体3の接続部の模式図(その1)である。図2(B)は、電池パック2の接続部の模式図(その1)である。図2(A)に示す工具本体3のDC接続端子300と、図2(B)に示す電池パック2の工具接続端子200とを接続すると、電池パック2の接続部によって工具本体3のAC接続端子301,302が隠れる(AC接続はできない)。一方、図2(A)に示す工具本体3のAC接続端子301,302にACケーブル(不図示)を接続すると、ACケーブルが邪魔になって電池パック2を接続できない。こうしてACとDCの重複接続が防止される。
図3(A)は、工具本体3の接続部の模式図(その2)である。図3(B)は、電池パック2の接続部の模式図(その2)である。図3(C)は、AC電源側の接続部の模式図である。本図の場合、工具本体3のDC接続端子300とAC接続端子301,302が並んでいるが、工具本体3の接続部と電池パック2の接続部とを接続するとAC接続端子301,302が隠れ、工具本体3の接続部とAC電源側の接続部とを接続するとDC接続端子300が隠れ、ACとDCの重複接続が防止される。工具接続端子400を備えるAC電源側の接続部は電池パック2と同等の形状とすればよい。
図1に示す電動工具の動作を説明する。工具本体3に電池パック2が装着された状態で使用者が工具本体3のトリガ(不図示)を引くと(起動操作を行うと)、トリガ連動スイッチ36がオンする。すると、第1の電池セル組21のプラス端子から起動用スイッチング素子Tr1のエミッタ端子、制御端子(ベース端子)、及び抵抗R8を通って電流が流れて起動用スイッチング素子Tr1がオンする。これにより、第1の電池セル組21のプラス端子の電圧が、起動用スイッチング素子Tr1、ダイオードD4、ダイオードD6、抵抗R7、及び抵抗R4を経由して遮断用スイッチング素子M4の制御端子に印加され、遮断用スイッチング素子M4がオンする。すると、第1の電池セル組21のプラス端子からの電流がフォトカプラ31〜33のフォトダイオードD1〜D3に流れる。フォトダイオードD1〜D3が発光すると、その光を受光したフォトトランジスタQ1〜Q3が導通し、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンし、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が起動(導通)する。
第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が形成されると、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列合成電圧が電源34に入力され、電源34が起動する。電源34は、入力電圧を所定の定電圧に降圧してコントローラ37に供給する。これによりコントローラ37が起動する(それまでの動作、すなわち上述の直列接続起動動作は、コントローラ37の制御によらず自動的に行われる)。コントローラ37はトリガの引き代等に応じてインバータ38を制御し、インバータ38によってモータ39が駆動される。インバータの構成と動作は周知なのでここでは説明を省略する。電源34の起動後は、フォトダイオードD1〜D3には電源34の出力端子から通電される。なお、ダイオードD4があることにより、電源34の出力電圧が起動用スイッチング素子Tr1側に逆流することが防止される。また、ダイオードD5があることにより、電源34の起動前に第1の電池セル組21の電圧によってコントローラ37が起動することを防止している。
使用者が工具本体3のトリガを元に戻すと(停止操作を行うと)、トリガ連動スイッチ36がオフする。ただし、フォトダイオードD1〜D3には電源34の出力端子から通電されるため、トリガを元に戻してから所定の時間は直列接続の起動状態(導通状態)が維持される。このため、トリガを戻してから所定の時間以内に再度トリガを引いたときは、直列接続の起動動作は行われず、直ちにモータ39が駆動される。一方、トリガを元に戻してから所定の時間が経過すると、コントローラ37は遮断開始用スイッチング素子M5の制御端子への入力信号(直列解除信号)をローレベルからハイレベルに切り替えて遮断開始用スイッチング素子M5をオンする。すると、遮断用スイッチング素子M4の制御端子が第1の電池セル組21のマイナス端子と同電位になって遮断用スイッチング素子M4がオフし、フォトダイオードD1〜D3への通電が停止され、フォトトランジスタQ1〜Q3がオフし、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオフし、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が解除される。直列接続が解除されると、電源34もオフとなり、コントローラ37も停止する。
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。
(1) 使用者がトリガを引く操作(起動操作)に連動してセル組間スイッチング素子M1〜M3をオフからオンに切り替える構成のため、工具本体3への電池パック2の装着だけで第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続を導通させる場合と比較して、不具合があったときに高電圧を遮断保護しやすく、信頼性を高めることが可能となる。
(2) 電源34の起動後は電源34からフォトダイオードD1〜D3に通電するため、第1の電池セル組21のみからフォトダイオードD1〜D3に通電し続ける場合と比較して、第1の電池セル組21の消耗によるセル組間の残容量のアンバランスが生じにくい。
(3) 使用者がトリガを戻しても所定の時間は第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続を維持するため、使用者がトリガを戻すたびに直列接続を解除して電源34とコントローラ37を停止する場合と比較して、間欠的にトリガを引くときの再起動が不要で効率が良い。
(4) セル組間スイッチング素子M1〜M3を電池パック2に設けると、セル組間スイッチング素子M1〜M3のオン故障時に高電圧が端子間に発生し続けるという問題があるところ、本実施の形態ではセル組間スイッチング素子M1〜M3を工具本体3に設けているため、セル組間スイッチング素子M1〜M3のオン故障時にも電池パック2を工具本体3に装着しない限り高電圧は発生せず、且つ、消耗品である電池パック2のコストを抑えることができる。
(5) セル組間スイッチング素子M1〜M3は大電流が流れる経路に設けられるため、セル組間スイッチング素子M1〜M3には大型のFET(大電流が流せるもの)を使用する必要がある。この種のFETのゲート電圧は一般的に10V以上(最大で20V程度)の高電圧が必要になるため、その電圧を生成するための電源回路が必要となり、コスト高、大型化を招く。この点、本実施の形態では、フォトカプラ31〜33を利用することにより、FETのゲートには直接電池パック2の電池電圧を印加することができるため、ゲート電圧生成回路を簡素化することができる。
(6) 電池パック2が工具本体3に接続されていない場合に、電池パック2からの出力はないため、電池パック2の無駄な消費を抑えることができる。
図4は、本発明の実施の形態2に係る電気機器の回路図である。この電気機器は、図1に示した実施の形態1のものと比較して、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンのときに第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24によって充電されるキャパシタCを備え、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオフになったときにキャパシタCに蓄えた電力によって第1の電池セル組21を充電する構成である点で相違し、その他の点で一致する。以下、その相違点に係る構成について説明する。
第4の電池セル組24のプラス端子にはダイオードD7のアノードが接続される。ダイオードD7のカソードは抵抗R11の一端に接続される。抵抗R11の他端はキャパシタCの一端に接続される。キャパシタCの他端は第1の電池セル組21のマイナス端子に接続される。抵抗R11とキャパシタCの相互接続点には抵抗R10の一端が接続される。抵抗R10の他端は充電用スイッチング素子M7(Pチャンネル型FET)のソースに接続される。充電用スイッチング素子M7のドレインは第1の電池セル組21のプラス端子に接続される。充電用スイッチング素子M7の制御端子(ゲート)は抵抗R15の一端に接続される。抵抗R15の他端は充電開始用スイッチング素子M6(Nチャンネル型FET)のドレインに接続される。充電開始用スイッチング素子M6のソースは第1の電池セル組21のマイナス端子に接続される。充電開始用スイッチング素子M6の制御端子(ゲート)は抵抗R9を介してコントローラ37に接続される。
セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンのとき、キャパシタCは、端子電圧が最大で第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列合成電圧と等しくなるまで充電される。この状態で使用者が工具本体3のトリガを元に戻してから所定の時間が経過すると、コントローラ37は、遮断開始用スイッチング素子M5の制御端子への入力信号(直列解除信号)をローレベルからハイレベルに切り替えると同時に、又は切替え後に微小時間待機してから、充電開始用スイッチング素子M6の制御端子への入力信号(充電開始信号)をローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、実施の形態1と同様に第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が解除されるとともに、充電開始用スイッチング素子M6がオンし、充電用スイッチング素子M7の制御端子が第1の電池セル組21のマイナス端子と同電位になって充電用スイッチング素子M7がオンする。キャパシタCは第1の電池セル組21よりも高電圧まで充電されているので、キャパシタCから抵抗R10及び充電用スイッチング素子M7を経由して第1の電池セル組21に充電電流が流れ、第1の電池セル組21が充電される。なお、コントローラ37が停止すると遮断開始用スイッチング素子M5がオフして充電が継続できなくなるが、工具本体3の電源内キャパシタ(不図示)の容量により、直列接続解除後のコントローラ37の持続時間(すなわちキャパシタCから第1の電池セル組21への充電可能時間)を確保することができる。
本実施の形態によれば、実施の形態1の効果に加え、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続の起動(導通)に用いた第1の電池セル組21を直列接続の解除後にキャパシタCから充電するので、セル組間の残容量のアンバランスを低減することができる。
図5は、本発明の実施の形態3に係る電気機器の回路図である。この電気機器は、図1に示した実施の形態1のものと比較して、直列接続の起動(導通)に用いる電池セル組を任意に選択できる点と、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンのときに第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24によって充電されるキャパシタCを備え、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオフになったときにキャパシタCに蓄えた電力によって任意に選択した電池セル組を充電する構成である点で相違し、その他の点で一致する。以下、その相違点に係る構成について説明する。
実施の形態2と同様に、ダイオードD7、抵抗R11及びキャパシタCが第4の電池セル組24のプラス端子と第1の電池セル組21のマイナス端子との間に直列接続される。抵抗R11及びキャパシタCの相互接続点とプラス側選択スイッチ42の一端との間には、フォトカプラ41のフォトトランジスタQ4(受光素子)が設けられる。プラス側選択スイッチ42の一端には起動用スイッチング素子Tr1のエミッタも接続される。プラス側選択スイッチ42の他端は、パックコントローラ44の制御により、いずれかの電池セル組のプラス端子に選択的に接続される。
ダイオードD4,D5の相互接続点には抵抗R12の一端が接続される。抵抗R12の他端はフォトカプラ41のフォトダイオードD8(発光素子)のアノードに接続される。フォトダイオードD8のカソードは充電用第1スイッチング素子M9(Nチャンネル型FET)のドレインに接続される。充電用第1スイッチング素子M9のソースは第1の電池セル組21のマイナス端子に接続される。充電用第1スイッチング素子M9の制御端子(ゲート)は抵抗R16を介してコントローラ37に接続される。
第1の電池セル組21のマイナス端子には、充電用第2スイッチング素子M8(Nチャンネル型FET)のソースが接続される。充電用第2スイッチング素子M8のドレインは抵抗R14の一端に接続される。抵抗R14の他端はマイナス側選択スイッチ43の一端に接続される。マイナス側選択スイッチ43の他端は、パックコントローラ44の制御により、いずれかの電池セル組のマイナス端子に選択的に接続される。プラス側選択スイッチ42の他端とマイナス側選択スイッチ43の他端は同じ電池セル組のプラス端子とマイナス端子にそれぞれ接続される。充電用第2スイッチング素子M8の制御端子(ゲート)は抵抗R13を介してコントローラ37に接続される。マイナス側選択スイッチ43の一端と第1の電池セル組21のマイナス端子との間には、ダイオードD9が設けられる。ダイオードD9は、直列接続起動時に起動時に起動用スイッチング素子Tr1のベース電流の経路を成すとともに、直列接続起動後にマイナス側選択スイッチ43の一端から第1の電池セル組21のマイナス端子への電流の逆流を防止する。
起動に先だって、パックコントローラ44は、各々の電池セル組のコントローラから残容量等の情報を取得し、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続の起動(導通)に用いる電池セル組を、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の中から選択する(例えば残容量が最も多い電池セル組を選択する)。そして、パックコントローラ44は、選択した電池セル組のプラス端子とマイナス端子がプラス側選択スイッチ42の他端とマイナス側選択スイッチ43の他端にそれぞれ接続されるようにプラス側選択スイッチ42とマイナス側選択スイッチ43を制御する。
使用者が工具本体3のトリガ(不図示)を引くと(起動操作を行うと)、トリガ連動スイッチ36がオンする。すると、パックコントローラ44により選択された電池セル組のプラス端子から、プラス側選択スイッチ42、起動用スイッチング素子Tr1のエミッタ、同ベース、抵抗R8、トリガ連動スイッチ36、ダイオードD9、マイナス側選択スイッチ43、選択された電池セル組のマイナス端子という経路で電流が流れ、起動用スイッチング素子Tr1がオンする。これにより、選択された電池セル組のプラス端子の電圧が、起動用スイッチング素子Tr1、ダイオードD4、ダイオードD6、抵抗R7、及び抵抗R4を経由して遮断用スイッチング素子M4の制御端子に印加され、遮断用スイッチング素子M4がオンする。すると、選択された電池セル組のプラス端子からの電流がフォトカプラ31〜33のフォトダイオードD1〜D3に流れる(電流はダイオードD9を経由して選択された電池セル組のマイナス端子に戻る)。フォトダイオードD1〜D3が発光すると、その光を受光したフォトトランジスタQ1〜Q3が導通し、セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンし、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が起動(導通)する。
セル組間スイッチング素子M1〜M3がオンのとき、キャパシタCは、端子電圧が最大で第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列合成電圧と等しくなるまで充電される。また、パックコントローラ44は、起動動作後所定時間経過後に各々の電池セル組のコントローラから残容量等の情報を取得し、キャパシタCから充電する電池セル組を第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の中から選択する(例えば残容量が最も少ない電池セル組を選択する)。そして、パックコントローラ44は、選択した電池セル組のプラス端子とマイナス端子がプラス側選択スイッチ42の他端とマイナス側選択スイッチ43の他端にそれぞれ接続されるようにプラス側選択スイッチ42とマイナス側選択スイッチ43を制御する。
使用者が工具本体3のトリガを元に戻してから所定の時間が経過すると、コントローラ37は、遮断開始用スイッチング素子M5の制御端子への入力信号(直列解除信号)をローレベルからハイレベルに切り替えるとともに、切替え後に微小時間待機してから、充電用第1スイッチング素子M9及び充電用第2スイッチング素子M8の制御端子への入力信号(充電開始信号)をローレベルからハイレベルに切り替える。これにより、実施の形態1と同様に第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続が解除され、その後に充電用第1スイッチング素子M9及び充電用第2スイッチング素子M8がオンする。すると、電源34から抵抗R12を経由してフォトカプラ41のフォトダイオードD8に電流が流れる(このとき直列接続は解除されているが電源34は不図示の電源内キャパシタによりオンしている)。そしてフォトカプラ41のフォトトランジスタQ4がフォトダイオードD8の光を受けてオンし、キャパシタCの一端と選択された電池セル組のプラス端子がフォトトランジスタQ4を介して導通する。また、キャパシタCの他端と選択された電池セル組のマイナス端子は、充電用第2スイッチング素子M8及び抵抗R14を介して導通する。キャパシタCは選択された電池セル組よりも高電圧まで充電されているので、キャパシタCにより、選択された電池セル組が充電される。
本実施の形態によれば、実施の形態1の効果に加え、第1の電池セル組21〜第4の電池セル組24の直列接続の起動(導通)に用いる電池セル組を任意に選択できるので、セル組間の残容量のアンバランスを低減することができる。また、任意に選択した電池セル組を直列接続の解除後にキャパシタCから充電するので、これによってもセル組間の残容量のアンバランスを低減することができる。さらに、パックコントローラ44は各々の電池セル組のコントローラによって残容量等の情報を取得しているので、任意に選択した電池セル組のみをキャパシタCから充電するだけでなく、各コントローラからの情報に応じて各電池セル組を任意に充電することもできる。
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
セル組間スイッチング素子M1〜M3は、フォトMOSリレーのスイッチ部であってもよい。この場合、フォトダイオードD1〜D3をフォトMOSリレーの発光部とすればよい。
使用者の起動及び停止操作は、トリガを引く及び戻す操作に限定されず、例えば他のスイッチのオンオフ操作であってもよい。
電気機器として交流電源により駆動する電動工具を例にしたが、インバータ38を削除して直流電源によって駆動する電動工具にも適用できる。また、フォトカプラではなくトランスを用いてもよい。
2 電池パック、21〜24 電池セル組、3 工具本体、31〜33 フォトカプラ、34 電源、35 ダイオードブリッジ、36 トリガ連動スイッチ、37 コントローラ、38 インバータ、39 モータ、101 電池セル、M1〜M3 セル組間スイッチング素子、M4 遮断用スイッチング素子、M5 遮断開始用スイッチング素子、Tr1 起動用スイッチング素子、D1〜D3 フォトダイオード、Q1〜Q3 フォトトランジスタ
Claims (20)
- 少なくとも1つの電池セルをそれぞれ含む複数の電池セル組を有するバッテリユニットと、前記バッテリユニットを着脱自在に装着して前記バッテリユニットからの供給電圧で動作する機器本体と、を備える電気機器であって、
前記複数の電池セル組の間に設けられて前記複数の電池セル組と直列接続を成すセル組間スイッチング素子と、使用者の起動操作に連動して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替える直列接続起動回路と、を備える、電気機器。 - 使用者の停止操作から所定の時間が経過するまでの間に前記セル組間スイッチング素子をオンからオフに切り替える請求項1に記載の電気機器。
- 前記直列接続起動回路は一部の電池セル組からの供給電圧で動作を開始する請求項1又は2に記載の電気機器。
- 前記一部の電池セル組を前記複数の電池セル組の中から選択する第1の選択手段を備える請求項3に記載の電気機器。
- 前記セル組間スイッチング素子がオンのときに前記複数の電池セル組によって充電されるキャパシタを備え、前記セル組間スイッチング素子がオンからオフに切り替わると前記キャパシタに蓄えた電力によって一部の電池セル組を充電する、請求項1から4のいずれか一項に記載の電気機器。
- 前記キャパシタからの充電対象となる電池セル組を選択する第2の選択手段を備える請求項5に記載の電気機器。
- 前記セル組間スイッチング素子が前記機器本体側に設けられ、前記バッテリユニットを前記機器本体に装着することで前記複数の電池セル組が前記セル組間スイッチング素子を介して直列接続される、請求項1から6のいずれか一項に記載の電気機器。
- 前記直列接続起動回路は発光素子を含み、前記起動操作が行われると一部の電池セル組から前記発光素子に通電し、前記発光素子の光を利用して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替える、請求項1から7のいずれか一項に記載の電気機器。
- 前記発光素子の光を受光する受光素子を含み、前記受光素子は、いずれかの電池セル組の一方の端子と前記セル組間スイッチング素子の制御端子との間に設けられ、前記発光素子の光を受光するとオンになって前記電池セル組の一方の端子と前記制御端子とを導通させる、請求項8に記載の電気機器。
- 前記発光素子と前記受光素子とが一体のフォトカプラを構成している請求項9に記載の電気機器。
- 前記セル組間スイッチング素子がオフからオンに切り替わった後は前記複数の電池セル組から前記発光素子に通電し、その後に使用者の停止操作が行われても所定の時間は前記発光素子への通電を継続する、請求項8から10のいずれか一項に記載の電気機器。
- 前記直列接続起動回路は、前記一部の電池セル組から前記発光素子への通電経路に設けられ、前記起動操作に連動してオフからオンに切り替わる起動用スイッチング素子を有する、請求項8から11のいずれか一項に記載の電気機器。
- 前記発光素子に直列接続された遮断用スイッチング素子と、使用者の停止操作から所定の時間が経過するまでの間に前記遮断用スイッチング素子をオンからオフに切り替えるコントローラとを備える、請求項8から12のいずれか一項に記載の電気機器。
- 前記コントローラは、前記セル組間スイッチング素子がオフからオンに切り替ってから前記複数の電池セル組からの供給電圧で起動し、前記セル組間スイッチング素子がオンからオフに切り替わると停止する、請求項13に記載の電気機器。
- 前記複数の電池セル組からの供給電圧を降圧して前記発光素子及び前記コントローラに供給する電源を備える請求項13又は14に記載の電気機器。
- 少なくとも1つの電池セルをそれぞれ含む複数の電池セル組を有するバッテリユニットと、前記バッテリユニットを着脱自在に装着して前記バッテリユニットからの供給電圧で動作する機器本体と、を備える電気機器であって、
前記複数の電池セル組の間に設けられて前記複数の電池セル組と直列接続を成すセル組間スイッチング素子と、使用者の起動操作に連動して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替えるフォトカプラと、を備える、電気機器。 - 前記フォトカプラは発光素子を含み、前記起動操作が行われると一部の電池セル組から前記発光素子に通電し、前記発光素子の光を利用して前記セル組間スイッチング素子をオフからオンに切り替える、請求項16に記載の電気機器。
- 前記発光素子の光を受光する受光素子を含み、前記受光素子は、いずれかの電池セル組の一方の端子と前記セル組間スイッチング素子の制御端子との間に設けられ、前記発光素子の光を受光するとオンになって前記電池セル組の一方の端子と前記制御端子とを導通させる、請求項17に記載の電気機器。
- 前記機器本体は、交流電源に接続するAC接続端子を有し、前記AC接続端子は、前記バッテリユニットを取り外したときには接続可能な一方、前記バッテリユニットを装着しているときは接続不可能である、請求項1から18のいずれか一項に記載の電気機器。
- 前記電池セルのサイズが14500サイズである請求項1から19のいずれか一項に記載の電気機器。
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JP2018149674A (ja) * | 2014-05-18 | 2018-09-27 | ブラック アンド デッカー インクBlack & Decker Inc. | 電動工具システム |
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2012
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