JP2017184865A - 充放電保護システムおよび充電式電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は充放電保護システムに関し、大電流の充放電を行う二次電池を高温から保護することが可能な充放電保護システムを得ることを目的とする。【解決手段】本発明に係る充放電保護システムは、二次電池を充放電するための配線上に設けられ、遮断信号に応じて前記配線を遮断する保護素子と、前記二次電池が生成する電源電圧を降圧した電圧が印加され、前記二次電池の温度に応じて溶断する異常温度検出素子と、前記異常温度検出素子の溶断を検知し、前記遮断信号を出力する保護手段と、を備える。本発明に係る充電式電気掃除機は、上記充放電保護システムを搭載している。【選択図】図３

Description

本発明は充放電保護システムに関する。

特許文献１には、二次電池を高温から保護するために、充放電経路を温度ヒューズによって遮断する方法が開示されている。

特開２００３−７０７０５号公報

二次電池の充放電時に大電流が流れる場合、充放電経路を流れる電流値が温度ヒューズの定格電流値を超える場合がある。この場合、特許文献１に示す方法では高温から二次電池を保護することが出来ない。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされた。本発明の目的は、大電流の充放電を行う二次電池を高温から保護することが可能な充放電保護システムを得ることである。

本発明に係る充放電保護システムは、二次電池を充放電するための配線上に設けられ、遮断信号に応じて前記配線を遮断する保護素子と、前記二次電池が生成する電源電圧を降圧した電圧が印加され、前記二次電池の温度に応じて溶断する異常温度検出素子と、前記異常温度検出素子の溶断を検知し、前記遮断信号を出力する保護手段と、を備える。本発明に係る充電式電気掃除機は、上記充放電保護システムを搭載している。

本発明に係る充放電保護システムおよび充電式電気掃除機では、保護素子が遮断信号に応じて二次電池を充放電するための配線を遮断する。また、二次電池の温度を検出する異常温度検出素子には、二次電池が生成する電源電圧を降圧した電圧が印加される。従って、異常温度検出素子を流れる電流は、充放電するための配線を流れる電流よりも小さくなる。このため、異常温度検出素子の定格電流値が、充放電による電流値よりも小さい場合でも、二次電池を高温から保護することが可能になる。

本発明の実施の形態１に係る充電式電気掃除機本体の側面図である。 本発明の実施の形態１に係る充電式電気掃除機の側面図および断面図である。 本発明の実施の形態１に係る充放電保護システムの回路ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る充放電保護システムの動作を説明するタイミングチャートである。

本発明の実施の形態に係る充放電保護システムおよび充電式電気掃除機について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る充電式電気掃除機本体の側面図である。充電式電気掃除機本体１００は、電動送風機１０４、二次電池５０および二次電池保護システム搭載基板９０を備える。充電式電気掃除機本体１００の稼動時には、二次電池５０が放電状態となる。電動送風機１０４のモータは、二次電池５０の放電によって供給される電力によって回転する。モータの回転によって吸引風が発生する。この吸引風により、床面の塵埃が空気とともに吸込口体１０６に吸い込まれる。また、二次電池保護システム搭載基板９０には、二次電池５０の放電に伴う温度上昇から二次電池５０を保護するための充放電保護システムが搭載されている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る充電式電気掃除機の側面図および断面図である。図２において、充電式電気掃除機３００は、充電式電気掃除機本体１００が充電台２００に取り付けられた状態を示す。充電台２００は電源ケーブル２０２を備える。充電式電気掃除機本体１００が充電台２００に取り付けられると、電源ケーブル２０２と二次電池５０が電気的に接続される。従って、電源ケーブル２０２が外部電源と接続されることで、二次電池５０が充電される。また、二次電池保護システム搭載基板９０には、二次電池５０の充電に伴う温度上昇から二次電池５０を保護するための充放電保護システムが搭載されている。

図３は、本発明の実施の形態１に係る充放電保護システムの回路ブロック図である。図３は放電状態における充放電保護システム１０の回路ブロック図を示す。二次電池５０は電源電圧ＶＤＤを生成する。負荷である電動送風機１０４の一端には、二次電池５０の正極が接続される。電動送風機１０４の他端には、二次電池５０の負極が接続される。二次電池５０の負極は、基準電源ＧＮＤに接続される。従って、電動送風機１０４には二次電池５０から電源電圧ＶＤＤが供給される。電動送風機１０４と二次電池５０との間には充放電保護システム１０が接続される。

充放電保護システム１０は、二次電池保護システム搭載基板９０および異常温度検出素子１２を備える。二次電池保護システム搭載基板９０は、二次電池５０を充放電するための配線上に保護素子を備える。ここで、二次電池５０を充放電するための配線は、電動送風機１０４と二次電池５０を接続する配線である。

本実施の形態において保護素子は、充電保護素子４０および放電保護素子４２を備える。充電保護素子４０および放電保護素子４２はｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。充電保護素子４０のソースは電動送風機１０４と接続される。また、充電保護素子４０のドレインは放電保護素子４２のドレインと接続される。放電保護素子４２のソースは二次電池５０の負極と接続される。従って、充電保護素子４０または放電保護素子４２がオフになることで、充放電するための配線が遮断される。

二次電池５０の正極には、抵抗素子１４を介して異常温度検出素子１２の一端が接続される。異常温度検出素子１２の他端は、抵抗素子１６を介して二次電池５０の負極と接続される。この結果、異常温度検出素子１２には、二次電池５０が生成する電源電圧ＶＤＤが抵抗素子１４によって降圧された電圧が印加される。

異常温度検出素子１２は、規定の温度で溶断する温度ヒューズである。異常温度検出素子１２は、二次電池５０の温度に応じて溶断する。異常温度検出素子１２は、二次電池５０の温度を検出することが可能なように、二次電池５０の近傍に配置される。また、異常温度検出素子１２は、二次電池５０と接触するように配置されても良い。

さらに、異常温度検出素子１２の他端には、抵抗素子１８の一端が接続される。抵抗素子１８の他端には、コンデンサ２４の正極が接続される。コンデンサ２４の負極は二次電池５０の負極と接続される。

抵抗素子１８の他端には、さらに第１スイッチング素子３６のゲートが接続される。第１スイッチング素子３６はｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。第１スイッチング素子３６のソースは、二次電池５０の負極と接続される。第１スイッチング素子３６のドレインは、制御ＩＣ３０の充放電可否制御端子３１と接続される。

制御ＩＣ３０の電源端子３２には、二次電池５０の正極が接続される。このため、電源電圧ＶＤＤが制御ＩＣ３０の動作電源となる。制御ＩＣ３０の基準電源端子３３は基準電源ＧＮＤと接続される。制御ＩＣ３０の遮断信号出力端子３４は、充電保護素子４０のゲートに接続される。制御ＩＣ３０の遮断信号出力端子３５は、放電保護素子４２のゲートに接続される。充電保護素子４０および放電保護素子４２のオンオフは、制御ＩＣ３０によって制御される。第１スイッチング素子３６および制御ＩＣ３０は、保護手段３９を構成する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る充放電保護システムの動作を説明するタイミングチャートである。図４においてタイミングチャートの１段目は、異常温度検出素子１２の表面温度を示す。２段目は、図３のＡ点における第１スイッチング素子３６のゲート入力電圧を示す。３段目は、図３のＢ点における充放電可否制御端子３１の入力電圧を示す。４段目は、図３のＣ点における充電保護素子４０のゲート入力電圧を示す。５段目は、図３のＤ点における放電保護素子４２のゲート入力電圧を示す。６段目は、図３のＥ−Ｆ間に印加される負荷印加電圧を示す。

図４を用いて、放電時における充放電保護システム１０の動作を説明する。二次電池５０の放電によって、二次電池５０の温度が上昇する。これに伴い、異常温度検出素子１２の表面温度が上昇する。異常温度検出素子１２の表面温度が、二次電池を保護するために設定された電池保護温度に達すると、異常温度検出素子１２が溶断する。異常温度検出素子１２が溶断すると、Ａ点の電圧が低下する。このため、第１スイッチング素子３６がオフする。この結果、Ｂ点の電圧が制御ＩＣ３０の内部電源電圧まで上昇する。Ｂ点における電圧の上昇は異常温度情報として、充放電可否制御端子３１に入力される。

制御ＩＣ３０は、異常温度情報に応じて遮断信号出力端子３５から遮断信号を出力する。この結果、Ｄ点の電圧が低下する。このため、放電保護素子４２がオフする。従って、二次電池５０を放電するための配線が遮断される。この結果、Ｅ−Ｆ間の電圧が低下する。以上から、充放電保護システム１０は放電時における電池温度保護状態となる。

本実施の形態では、二次電池５０の放電時における充放電保護システム１０の動作を説明した。充電時においては、Ｅ−Ｆ間に外部電源が接続される。充電時において異常温度検出素子１２が溶断すると、放電時の場合と同様に第１スイッチング素子３６から異常温度情報が出力される。制御ＩＣ３０は、異常温度情報に応じて遮断信号出力端子３４から遮断信号を出力する。この結果、Ｃ点の電圧が低下する。このため、充電保護素子４０がオフする。従って、二次電池５０を充電するための配線が遮断される。この結果、Ｅ−Ｆ間の電圧である負荷印加電圧が低下する。

二次電池を高温から保護する別の方法として、充放電経路を温度ヒューズで遮断する方法が考えられる。しかし、充放電時に充放電経路を流れる電流が１５Ａ以上の大電流となる場合には、電流値が温度ヒューズの定格電流値を超える場合がある。この場合、充放電経路の遮断に温度ヒューズを用いることが出来ない。ここで、本実施の形態では保護素子をオフにすることで充放電するための配線を遮断する。

また、本実施の形態では二次電池５０の温度を、温度ヒューズである異常温度検出素子１２で検出する。異常温度検出素子１２には、二次電池５０が生成する電源電圧ＶＤＤを抵抗素子１４によって降圧した電圧が印加される。本実施の形態では、抵抗素子１４、１６、１８の抵抗値を調整することで、充放電時に異常温度検出素子１２に流れる電流を調整することができる。従って、充放電時に異常温度検出素子１２に流れる電流を小さく設定することで、定格電流値が大電流に対応していない温度ヒューズを異常温度検出素子１２として使用することが可能になる。このため、安価な温度ヒューズを用いて二次電池５０を保護することが可能になる。

また、二次電池の充放電保護システムでは、一度、二次電池の温度が電池保護温度まで上昇した場合には、その後二次電池の温度が低下しても保護状態を継続することが必要とされる。ここで、二次電池を高温から保護する別の方法として、サーミスタを用いた方法が考えられる。この方法によれば、二次電池の温度をサーミスタで検出し、温度が電池保護温度に達すると、サーミスタが異常温度情報を出力する。異常温度情報に応じて制御部が負荷を停止させる。しかし、この方法では、二次電池の温度が電池保護温度を下回るとサーミスタは異常温度情報の出力を停止する。このため、温度が低下すると保護状態が解除されることとなる。従って、温度の低下後に保護状態を継続することが出来ない。

これに対し、本実施の形態では保護手段３９が異常温度検出素子１２の溶断を検知し、遮断信号を出力する。その後、二次電池５０の温度が電池保護温度を下回った場合においても、異常温度検出素子１２が溶断しているため遮断信号の出力が継続される。このため、一度、電池温度保護状態となった後に、二次電池５０の温度が電池保護温度を下回った場合にも、充放電するための配線は遮断された状態が継続される。以上から、図４の矢印に示すように、電池温度保護状態となった後に、二次電池５０の温度が電池保護温度を下回っても、電池温度保護状態を継続することが可能になる。

また、電池温度保護状態を継続するための電力は二次電池５０から供給する必要がある。従って、電池温度保護状態を充分に長く継続するためには、保護状態の継続のために消費する電流を小さくする必要がある。ここで、本実施の形態では制御ＩＣ３０の消費電流のみで保護状態を維持することが出来る。従って、保護状態を長時間に渡って継続することが可能になる。

本実施の形態では、第１スイッチング素子３６の電源基準となるソースは、放電保護素子４２と二次電池５０を接続する配線と接続されることで、基準電源ＧＮＤと接続される。この構成では、保護素子がオフとなり、充放電するための配線が遮断されても、第１スイッチング素子３６の電源基準と基準電源ＧＮＤの接続を維持することが出来る。このため、配線の遮断後も第１スイッチング素子３６が異常温度情報を出力し続けることが可能になる。

本実施の形態では、充電保護素子４０と放電保護素子４２は同一配線上に直列に接続されるものとした。充放電するための配線において、充電保護素子４０は負荷側に、放電保護素子４２は二次電池側に配置される。この変形例として、放電保護素子４２が負荷側に、充電保護素子４０が二次電池側に配置されてもよい。

また、本実施の形態では、充放電するための配線上に２つの保護素子が配置される。充電時に異常温度検出素子１２が溶断した場合には、充電保護素子４０が遮断される。また、放電時に異常温度検出素子１２が溶断した場合には、放電保護素子４２が遮断される。これに対し、充放電するための配線上に１つの保護素子が配置されるものとしても良い。この場合、充電時および放電時における遮断は同じ保護素子によって行われる。また、充電するための配線と放電するための配線を別個に設けても良い。この構造では、充電するための配線に充電保護素子４０が接続され、放電するための配線に放電保護素子４２が接続される。

また、本実施の形態では、充電時に異常温度検出素子１２が溶断した場合には、充電保護素子４０が遮断される。また、放電時に異常温度検出素子１２が溶断した場合には、放電保護素子４２が遮断される。これに対し、充放電の状態に限らず、異常温度検出素子１２が溶断した場合には、充電保護素子４０と放電保護素子４２がともに遮断されるものとしてもよい。

また、保護手段３９は第１スイッチング素子３６と制御ＩＣ３０を備えるものとした。ここで、保護手段３９は異常温度検出素子１２の溶断を検知し、遮断信号を出力する機能を備えれば別の構成でも良い。例えば、保護手段３９が１つの制御ＩＣであってもよい。また、本実施の形態では充放電保護システム１０が充電式電気掃除機３００に搭載された構成について説明したが、充放電保護システム１０は二次電池を搭載した機器であれば電気掃除機以外にも適用することが出来る。

１０ 充放電保護システム、３００ 充電式電気掃除機、１２ 異常温度検出素子、３０ 制御ＩＣ、３６ 第１スイッチング素子、３９ 保護手段、４０ 充電保護素子、４２ 放電保護素子、５０ 二次電池

Claims (6)

1. 二次電池を充放電するための配線上に設けられ、遮断信号に応じて前記配線を遮断する保護素子と、
   前記二次電池が生成する電源電圧を降圧した電圧が印加され、前記二次電池の温度に応じて溶断する異常温度検出素子と、
   前記異常温度検出素子の溶断を検知し、前記遮断信号を出力する保護手段と、
   を備えることを特徴とする充放電保護システム。
2. 前記保護手段は、
   前記異常温度検出素子の溶断を検知し、異常温度情報を出力する第１スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子が出力する前記異常温度情報に応じて、前記遮断信号を出力する制御ＩＣを備えることを特徴とする請求項１に記載の充放電保護システム。
3. 前記第１スイッチング素子の電源基準は、前記保護素子と前記二次電池を接続する配線に接続されることを特徴とする請求項２に記載の充放電保護システム。
4. 前記保護素子は、前記遮断信号に応じて前記二次電池を充電するための配線を遮断する充電保護素子を備え、
   前記保護手段は、前記二次電池の充電時において前記異常温度検出素子の溶断を検知することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の充放電保護システム。
5. 前記保護素子は、前記遮断信号に応じて前記二次電池を放電するための配線を遮断する放電保護素子を備え、
   前記保護手段は、前記二次電池の放電時において前記異常温度検出素子の溶断を検知することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の充放電保護システム。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の充放電保護システムを搭載した充電式電気掃除機。

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