JP2022011877A - Battery pack and electrical equipment system and electrical equipment body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は複数の電池セルをケース内に収容した電池パック、電気機器システム、電気機器本体に関する。 The present invention relates to a battery pack containing a plurality of battery cells in a case, an electric device system, and an electric device main body.
リチウムイオン電池等の二次電池を用いた電池パックにて駆動されるコードレス型の電気機器が広く用いられている。例えば、モータにより先端工具を駆動する手持ち式の電動工具においては、複数の二次電池セルを収容した電池パックが電源として用いられ、電池パックに蓄電された電気エネルギーにてモータ等の負荷装置を駆動する。電池パックは電動工具本体に着脱可能に構成され、電池パックは放電によって電圧が低下したら電動工具本体から取り外されて、外部充電器を用いて充電される。このような電池パックの例として特許文献1の技術が知られている。特許文献1の電池パックでは、公称電圧(定格電圧)3.6Vのリチウムイオン二次電池のセル5本を一つのセルユニットとし、2つのセルユニットの並列接続状態で電気機器本体側に電力を供給することで定格電圧18Vの電池パックとして動作し、2つのセルユニットの直列接続状態で電気機器本体側に電力を供給することで公称電圧(定格電圧)36Vの電池パックとして動作する。
Cordless electrical devices that are driven by battery packs that use secondary batteries such as lithium-ion batteries are widely used. For example, in a hand-held electric tool in which a tip tool is driven by a motor, a battery pack containing a plurality of secondary battery cells is used as a power source, and a load device such as a motor is used by the electric energy stored in the battery pack. Drive. The battery pack is configured to be removable from the power tool body, and when the voltage drops due to discharge, the battery pack is removed from the power tool body and charged using an external charger. The technique of
コードレス型の電気機器においては、所定の稼働時間の確保や、所定の出力電圧が要求され、二次電池の性能向上に伴って、電池パックの高電圧化や高出力化が図られてきた。そのため電池パックに用いられる電池セルを大きくしたり、複数のセルユニットを並列接続にして高容量化を図るようにしたりすることが行われてきた。一方、電動工具の小型・軽量化の要求に伴い、電池パックの小型化の要求もある。つまり、従来の出力電圧固定型の電池パックや、出力電圧切換え型の電池パックのいずれにおいても、電池パックの筐体を大型化せずに安定した出力電圧が実現でき、高寿命の電池パックを実現することが求められている。 In cordless electric devices, a predetermined operating time is required and a predetermined output voltage is required, and along with the improvement of the performance of the secondary battery, the battery pack has been increased in voltage and output. Therefore, it has been practiced to increase the size of the battery cell used in the battery pack or to connect a plurality of cell units in parallel to increase the capacity. On the other hand, along with the demand for smaller and lighter power tools, there is also a demand for smaller battery packs. In other words, in both the conventional fixed output voltage type battery pack and the output voltage switching type battery pack, stable output voltage can be realized without enlarging the battery pack housing, and a long-life battery pack can be achieved. It is required to be realized.
本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、小型化を図りつつ高出力化を図った電池パックを提供することにある。
本発明の他の目的は、出力電圧の早期低下を、定格電圧に必要な本数以上の電池セルを用いることで補うようにした電池パックを提供することにある。
本発明の他の目的は、電池パックの制御部にて放電制御を行うことで、満充電時の電圧が電気機器本体の定格電圧又は従前の電池パックの満充電時の電圧より高くても使用できるようにした高出力の電池パックを提供することにある。
本発明の他の目的は、出力電圧の安定化を図った電池パックを提供することにある。
本発明の他の目的は、これらの電池パックを用いた電気機器システム、或いは、当該電池パックが装着可能な電気機器本体を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide a battery pack which is designed to have high output while being miniaturized.
Another object of the present invention is to provide a battery pack in which an early drop in output voltage is compensated for by using more battery cells than necessary for the rated voltage.
Another object of the present invention is to perform discharge control in the control unit of the battery pack, so that the voltage at the time of full charge can be used even if the voltage at the time of full charge is higher than the rated voltage of the main body of the electric device or the voltage at the time of full charge of the conventional battery pack. The purpose is to provide a high-power battery pack that enables it.
Another object of the present invention is to provide a battery pack for stabilizing the output voltage.
Another object of the present invention is to provide an electric device system using these battery packs, or an electric device main body to which the battery pack can be mounted.
本願において開示される発明のうち代表的な特徴を説明すれば次のとおりである。
本発明の一つの特徴によれば、第1の定格電圧の電気機器本体に接続可能な電池パックであって、公称電圧が第1電圧の電池セルをn本直列に接続された複数の電池セルと、複数の電池セルに電気的に接続された正極端子と負極端子とを有する端子部と、複数の電池セルの放電を制御する制御部と、複数の電池セルと正極端子又は負極端子との間の出力経路中に設けられ端子部からの出力電圧を制限可能に構成された出力制限部と、を備え、複数の電池セルの前記公称電圧の合計が、前記第1の定格電圧より高くなるよう構成され、出力制限部は、電池パックが満充電の状態で電気機器本体に接続されると、出力電圧を制限して電気機器本体に供給するように構成した。また、出力制限部は、出力電圧が低下すると制限を解除して出力電圧を電気機器本体に供給するように構成した。また、電池パックは電気機器本体に接続された際に、複数の電池セルの合計電圧が基準電圧よりも高い場合は出力電圧を制限し、合計電圧が基準電圧以下の場合は制限を解除するようにした。電池セルはn本直列に接続され、基準電圧は電池セルをn-1本直列に接続した時の電圧よりも大きくなるように構成した。
The following is a description of typical features of the invention disclosed in the present application.
According to one feature of the present invention, there is a battery pack that can be connected to the main body of an electric device having a first rated voltage, and a plurality of battery cells in which n battery cells having a nominal voltage of the first voltage are connected in series. A terminal unit having a positive terminal and a negative terminal electrically connected to a plurality of battery cells, a control unit for controlling the discharge of the plurality of battery cells, and a plurality of battery cells and a positive terminal or a negative terminal. The output limiting unit provided in the output path between the terminals and configured to be able to limit the output voltage from the terminal unit is provided, and the total of the nominal voltages of the plurality of battery cells becomes higher than the first rated voltage. The output limiting unit is configured to limit the output voltage and supply the battery pack to the main body of the electric device when the battery pack is fully charged and connected to the main body of the electric device. Further, the output limiting unit is configured to release the limiting when the output voltage drops and supply the output voltage to the main body of the electric device. Also, when the battery pack is connected to the main body of the electric device, the output voltage is limited if the total voltage of multiple battery cells is higher than the reference voltage, and the limit is released if the total voltage is less than the reference voltage. I made it. The battery cells were connected in series with n cells, and the reference voltage was configured to be larger than the voltage when the battery cells were connected in series with n-1 cells.
本発明の他の特徴によれば、電池パックを電気機器本体に接続した際に、複数の電池セルの残量が所定の閾値残量よりも大きい場合は出力電圧を制限し、残量が閾値残量以下の場合は、制限を解除する。また、電池パック又は電池セルの電圧を測定する電圧検出部と、制御部は、電圧検出部の測定結果に応じて出力制限部を動作させることにより出力電圧を制限する。さらに、出力制限回路は半導体スイッチング素子を含み、制御部がスイッチング素子をPWM制御することにより出力電圧の実効値を制限する。 According to another feature of the present invention, when the battery pack is connected to the main body of an electric device, if the remaining amount of a plurality of battery cells is larger than a predetermined threshold value, the output voltage is limited and the remaining amount is the threshold value. If it is less than the remaining amount, the restriction is lifted. Further, the voltage detection unit for measuring the voltage of the battery pack or the battery cell and the control unit limit the output voltage by operating the output limiting unit according to the measurement result of the voltage detection unit. Further, the output limiting circuit includes a semiconductor switching element, and the control unit PWM-controls the switching element to limit the effective value of the output voltage.
本発明のさらに他の特徴によれば、電池パックに、正極端子及び負極端子と、出力制限回路との間に、平滑回路を設けるようにした。また、出力制限回路はスイッチを有し、スイッチは、直列に接続された電池セルの正極から半導体スイッチング素子に接続される経路か、半導体スイッチング素子をバイパスさせて正極端子に接続される経路かを切り換えるように構成した。 According to still another feature of the present invention, the battery pack is provided with a smoothing circuit between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal and the output limiting circuit. Further, the output limiting circuit has a switch, and the switch determines whether the path is connected from the positive electrode of the battery cells connected in series to the semiconductor switching element or the path connected to the positive electrode terminal by bypassing the semiconductor switching element. It was configured to switch.
本発明のさらに他の特徴によれば、正極端子は第1正極端子と第2正極端子を有し、負極端子は第1負極端子と第2負極端子を有し、電池セルをn本直列に接続して第1セルユニットを構成して、第1正極端子と第1負極端子に接続し、電池セルをn本直列に接続して第2セルユニットを構成して第2正極端子と第2負極端子に接続し、第1セルユニットに対応させて第1の出力制限回路を設け、第2セルユニットに対応させて第2の出力制限回路を設けた。 According to still another feature of the present invention, the positive electrode terminal has a first positive electrode terminal and a second positive electrode terminal, the negative electrode terminal has a first negative electrode terminal and a second negative electrode terminal, and n battery cells are connected in series. The first cell unit is connected to form a first positive electrode terminal and the first negative electrode terminal, and n battery cells are connected in series to form a second cell unit to form a second positive electrode terminal and a second positive electrode terminal. It was connected to the negative electrode terminal, a first output limiting circuit was provided corresponding to the first cell unit, and a second output limiting circuit was provided corresponding to the second cell unit.
本発明のさらに他の特徴によれば、電池パックの筐体は、前記電池セルを収容する下ケースと、正極端子と負極端子を含む接続端子を収容するスロット部と電気機器本体又は外部充電装置に接続されるための装着部が形成された上ケースと、を含んで構成され、下ケースは、複数の電池セルを複数の領域に分けて収容するための仕切りを有するようにした。また、接続端子に接続される回路基板を備え、仕切りは、上下方向において下ケースの内側底面から回路基板の底面までの間に位置するようにした。 According to still another feature of the present invention, the housing of the battery pack includes a lower case for accommodating the battery cell, a slot portion for accommodating a connection terminal including a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, and an electric device main body or an external charging device. The lower case is configured to include an upper case in which a mounting portion for being connected to the battery is formed, and the lower case is provided with a partition for accommodating a plurality of battery cells in a plurality of areas. In addition, a circuit board connected to the connection terminal is provided, and the partition is located between the inner bottom surface of the lower case and the bottom surface of the circuit board in the vertical direction.
本発明のさらに他の特徴によれば、第1の定格電圧(例えば36V)を有する電気機器本体と、満充電時において第1の定格電圧よりも大きい電圧を有する第1の電池パックと、第1の定格電圧に対応し、満充電時において第1の電池パックの電圧より小さい電圧を有する第2の電池パックと、を備えた電気機器システムが実現される。第1の電池パックは第1の長さを有する第1の電池セル(例えば18350サイズの電池セル)を複数直列に接続したセルユニットを有し、第2の電池パックは、第1の長さよりも長い第2の長さを有する第2の電池セル(例えば18650サイズの電池セル)を複数直列に接続したセルユニットを有し、第1の電池セルの収容本数は第2の電池セルの収容本数より多くした電気機器システムが実現される。これらの制限された出力電圧は、第2の電池パックの定格電圧又は電気機器本体の定格電圧に対応する。 According to still another feature of the present invention, an electric device main body having a first rated voltage (for example, 36 V), a first battery pack having a voltage higher than the first rated voltage when fully charged, and a first battery pack. An electrical equipment system is realized that includes a second battery pack that corresponds to the rated voltage of 1 and has a voltage smaller than the voltage of the first battery pack when fully charged. The first battery pack has a cell unit in which a plurality of first battery cells having a first length (for example, 18350 size battery cells) are connected in series, and the second battery pack has a first length. It has a cell unit in which a plurality of second battery cells (for example, 18650 size battery cells) having a long second length are connected in series, and the number of the first battery cells accommodated is the capacity of the second battery cells. An electric device system with more than the number is realized. These limited output voltages correspond to the rated voltage of the second battery pack or the rated voltage of the electrical equipment body.
本発明のさらに他の特徴によれば、第1の定格電圧を有する電気機器本体であって、満充電時において第1の定格電圧(例えば36V)よりも大きい電圧を有する電池パックであり、第1の長さを有する第1の電池セルを複数直列に接続したセルユニットを有する第1の電池パックを着脱可能であると共に、第1の定格電圧に対応し、満充電時において第1の電池パックの電圧より小さい電圧を有する第2の電池パックであり、第1の長さよりも長い第2の長さを有し第1の電池セルより少ない第2の電池セルを複数直列に接続したセルユニットを有する第2の電池パックを着脱可能であることを特徴とする電気機器本体が実現される。 According to still another feature of the present invention, the battery pack is an electric device main body having a first rated voltage and having a voltage larger than the first rated voltage (for example, 36 V) when fully charged. A first battery pack having a cell unit in which a plurality of first battery cells having a length of 1 are connected in series can be attached and detached, and the first battery can be attached to and from the first rated voltage and is fully charged. A second battery pack having a voltage smaller than the voltage of the pack, and a cell in which a plurality of second battery cells having a second length longer than the first length and less than the first battery cell are connected in series. An electric device main body characterized in that a second battery pack having a unit can be attached and detached is realized.
本発明によれば、小型化を図りつつ高出力化を図った電池パックを提供することができる。
また、出力電圧の早期低下を、定格電圧に必要な本数以上の電池セルを用いることで補うようにした電池パックを提供することができる。すなわち、従来よりも小さいサイズの電池セルを用いて小型化を図りつつ、使用時の早期電圧低下現象を、定格電圧に必要とされる電池セルの本数よりも多い本数の電池セルを用いることで回避できた。
また、電池パックの制御部にて放電制御を行うことで、満充電時の電圧が電気機器本体の定格電圧より高くても使用できるようにした高出力の電池パックを提供することができる。すなわち、電池パックに必要本数以上の電池セルを直列接続して用いると充電直後の電圧が高くなりすぎる弊害が生ずるが、電池パックの制御部にてPWM制御等の放電制御を行うことにより定格電圧に沿った適切な電圧を出力できる。
また、放電制御を電池パック側で行うことで、電池パックを使うユーザにとっては従来の電池パックとの違いを意識すること無く、本発明の電池パックを従来の電池パックと同じように使用することができる。すなわち、従来の電池パックが装着可能な電気機器本体に本発明の電池パックも装着することができる。
また、電池パックの出力電圧の安定化を図った電池パックを提供することができる。
また、本発明の電池パックを用いた電気機器システム、或いは、当該電池パックが装着可能な電気機器本体を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a battery pack which is designed to have high output while being miniaturized.
Further, it is possible to provide a battery pack in which an early drop in output voltage is compensated for by using more battery cells than necessary for the rated voltage. In other words, by using a battery cell with a smaller size than before to reduce the size, and by using a battery cell with a larger number than the number of battery cells required for the rated voltage, the phenomenon of early voltage drop during use can be eliminated. I was able to avoid it.
Further, by performing discharge control in the control unit of the battery pack, it is possible to provide a high output battery pack that can be used even if the voltage at the time of full charge is higher than the rated voltage of the electric device main body. That is, if more than the required number of battery cells are connected in series to the battery pack, the voltage immediately after charging becomes too high, but the rated voltage is controlled by performing discharge control such as PWM control in the control unit of the battery pack. Appropriate voltage can be output along with.
Further, by performing the discharge control on the battery pack side, the user who uses the battery pack can use the battery pack of the present invention in the same way as the conventional battery pack without being aware of the difference from the conventional battery pack. Can be done. That is, the battery pack of the present invention can also be mounted on the main body of the electric device to which the conventional battery pack can be mounted.
Further, it is possible to provide a battery pack in which the output voltage of the battery pack is stabilized.
Further, it is possible to provide an electric device system using the battery pack of the present invention, or an electric device main body to which the battery pack can be mounted.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。本明細書においては、電気機器の一例として電池パックにて動作する電動工具を用いて説明するものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following figures, the same parts are designated by the same reference numerals, and the description of repetition will be omitted. In this specification, as an example of an electric device, a power tool operated by a battery pack will be used.
図1は本発明の実施例に係る電池パック1の斜視図である。電池パック1は、公称電圧(定格電圧)3.6V(第1電圧)のリチウムイオン電池セルを複数本直列接続して、ここでは公称電圧(定格電圧)36Vの直流電流を出力する。電池パック1の筐体(ケース)は合成樹脂等の不導体材料で形成され、上下方向に分割可能な下ケース8と上ケース2により形成される。上ケース2は、電気機器本体201(後述する図10参照)の電池パック装着部(図示せず)に取り付けるために2本のレール溝7a、7bが形成された装着機構が形成される。レール溝7a、7bは、電池パック1の装着方向と平行な方向に延びるように、且つ、上ケース2の左右側方に突出するように形成される。レール溝7a、7bは、電気機器本体側に形成されたレール(図示せず)と対応した形状に形成され、レール溝7a、7bが電気機器本体側のレールと嵌合した状態で、ラッチ19a、19bの爪となる係止部19cにて係止することにより電池パック1が電気機器本体に固定される。電池パック1を電気機器本体から取り外すときは、左右両側にあるラッチ19a、19bを押すことにより、係止部19cが内側に移動して係止状態が解除されるので、その状態で電池パック1を装着方向と反対側に移動させる。
FIG. 1 is a perspective view of a
上ケース2の下段面3と上段面5は階段状に高さが異なるように形成され、それらの接続部分から後方側に延びる複数のスロット部が形成される。スロット部は電池パック装着方向に所定の長さを有するように切り欠かれた部分であって、スロット11~18の8つのスロットを有する。スロットの切り欠かれた部分の内部には、電気機器本体又は外部の充電装置(図示せず)の機器側端子と嵌合可能な複数の接続端子(接続端子群)が配設される。スロット11~18は、電池パック1の右側のレール溝7aに近い側のスロット11が充電用正極端子(C+端子)の挿入口となり、スロット12が放電用正極端子(+端子)の挿入口となる。また、左側のレール溝7bに近い側のスロット17が負極端子(-端子)の挿入口となる。正極端子と負極端子の間には、電池パック1と電気機器本体や外部の充電装置(図示せず)への信号伝達用の複数の信号端子が配置され、ここでは信号端子用の4つのスロット13~16が電力端子群の間に設けられる。スロット13は予備の端子挿入口であり、本実施例では端子は設けられない。スロット14は電池パック1の識別情報となる信号を電気機器本体又は充電装置に出力するためのT端子用の挿入口である。スロット15は外部の充電装置(図示せず)からの制御信号が入力されるためのV端子用の挿入口である。スロット16はセルに接触して設けられた図示しないサーミスタ(感温素子)による電池の温度情報を出力するためのLS端子用の挿入口である。負極端子(-端子)の挿入口となるスロット17の左側には、さらに電池パック1内に含まれる電池保護回路(図示せず)による異常停止信号を出力するLD端子用(異常信号端子用)のスロット18が設けられる。
The
上段面5の後方側には、隆起するように形成された隆起部6が形成される。隆起部6の中央付近が窪み状に形成され、窪み部の中央下面には複数のスリットからなる風窓9aが形成される。風窓9aに対応するように下ケース8の前側壁に風窓9bが形成される。電池パック1が電気機器本体201(図10参照)の所定の位置(電池パック装着部)に装着されると、電気機器本体201に配設された複数の端子(機器側端子)と電池パック1に配設された複数の接続端子が接触して導通状態となる。
On the rear side of the
図2は本実施例及び従来例の電池パック1の電池セルの配線図であって、(A)は本実施例の電池パック1の配線図であり、(B)は従来の定格36V用の電池パックの配線図である。図2(B)に示すように、従来、定格直流電圧36Vの電池パックを実現するには、1本あたりの定格出力が3.6Vの電池セル131~135と141~145を10本直列接続していた。用いられる電池セルの一例は、いわゆる“18650サイズ”と呼ばれるもので、直径18mm、長さ65mmの円柱状の形状である。これに対して図2(A)に示す本実施例では、“18650サイズ”よりも小さなサイズ、即ち、直径18mm、長さ35mmの円柱状の形状である“18350サイズ”と呼ばれる長さの短い電池セルを用いるようにし、さらに、従来の10本の電池セルに対して、12本の電池セルを用いるようにした。即ち、電池セル31~36、41~46を直列に接続して定格直流電圧36Vの電池パック1を実現した。ここで、電池セルの公称電圧3.6Vが第1電圧に相当し、公称電圧の合計電圧は3.6V×12本=43.2Vとなる。一方、後述する電動工具本体201の定格電圧は36Vであり、電池パック1の電圧(43.2V)は電動工具本体201の定格電圧(36V)より大きくなる。尚、従前の電池パック(後述する図7(A))の公称電圧は36Vである。
2A and 2B are wiring diagrams of the battery cells of the
図3は10本と12本の電池セルを用いた電池パックの放電特性を示した図である。横軸は放電容量(単位Ah)であり、放電電圧が一定(例えば1C)の場合は、横軸は時間の経過に対応する。縦軸は電池電圧(単位V)である。放電特性81は、図2(B)に示した“18650サイズ”の電池セルを10本直列に接続した状態での放電特性を示した曲線である。“18650サイズ”の電池セルは、矢印81aのように満充電状態では42V程度の電圧を有し、電動工具を使用して放電が進むにつれて電圧が徐々に低下し、矢印81b付近で定格電圧36Vとなり、その後も徐々に低下する。
FIG. 3 is a diagram showing the discharge characteristics of a battery pack using 10 and 12 battery cells. The horizontal axis is the discharge capacity (unit: Ah), and when the discharge voltage is constant (for example, 1C), the horizontal axis corresponds to the passage of time. The vertical axis is the battery voltage (unit: V). The discharge characteristic 81 is a curve showing the discharge characteristic in a state where 10 “18650 size” battery cells shown in FIG. 2B are connected in series. The "18650 size" battery cell has a voltage of about 42V in a fully charged state as shown by the
放電曲線83は比較のために図示したものであって、いわゆる“18350サイズ”の電池セルを10本直列に接続した状態での放電特性を示した図である。この場合の矢印83aのように満充電状態では42V程度の電圧を有し、電動工具を使用して放電が進むと矢印83bのように電圧が大きく低下して電動工具本体の定格電圧36Vを下回ってしまう。これは、“18350サイズ”の電池セルの電池容量が、“18650サイズ”の電池セルに比べて半分程度であるため、電圧降下現象が著しいからである。このように、発明者らは“18350サイズ”の電池セルを用いると、放電容量が0.1Ahにも届かないうちに定格電圧36Vを下回ってしまうことになり、実用性が乏しいことがわかった。そこで本実施例の電池パック1では、“18350サイズ”の電池セルを12本直列接続して、定格電圧36Vを実現した。
The
本実施例の電池パック1の放電特性は82のようになる。満充電時の初期電圧が矢印82aに示すように約50Vとなる。そして矢印82bに示すように、放電容量が0.1Ah近くになって初めて、電池セル10本分の初期電圧(約42V)に到達する。その後の電圧降下状況は、放電容量が0.7Ah付近に到達するまで、“18650サイズ”の電池セル10本の放電特性81と近似した特性を示す。尚、矢印82cに示すように放電容量が0.7Ah以降で大きく電池電圧が低下するが、これは“18350サイズ”の電池セルの容量が、“18650サイズ”の電池セルに比べて小さいためである。
The discharge characteristic of the
以上、図3の放電特性82で示したように、小型の電池セル31~36、41~46を用いた場合であっても、放電容量が0.7Ah付近に到達するまで安定的に定格電圧以上(36V以上)で使用することができることがわかった。しかしながら、矢印82a~82bに至る高い電池電圧のまま電気機器本体に電力を供給すると、電気機器本体側を損傷してしまう恐れが生ずる。そこで、本実施例では、矢印82a~82bに至る高電圧区間における出力電圧を制限するようにして、使用可能な規定電圧まで低下(降圧)させるようにした。その制御を説明するのが図4である。
As described above, as shown by the discharge characteristic 82 in FIG. 3, even when
図4は従来例の電池パックの放電特性と、本実施例による電池パック1の放電制御を説明するための図であり、(A)は本実施例の電池パック1で出力制限を行わないでそのまま出力した場合の放電特性82である。リチウムイオン電池を10本使用する従前の電池パックの満充電時の電圧は42Vであり、放電特性82の矢印82a~82bの区間において、電動工具等の電気機器本体側の定格電圧36Vに比べて電圧が高くなりすぎてしまう。そこで、本実施例では、矢印82a~82bの区間の出力を、半導体スイッチング素子を用いてスイッチング制御、例えばPWM制御を行うことによって電池パック1から出力される実効電圧を従前の電池パックの満充電時の電圧42Vとほぼ同じとなるように制御する。PWM(Pulse Width Modulation)制御とは、周期は一定で、半導体スイッチング素子の制御端子への入力信号の大きさに応じて、パルス幅のデューティ・サイクル(パルス幅のHとLの時間比)を変えて、出力電圧の実効値を制御するものである。なお、PWM制御した出力をそのまま電池パック1の出力とすると、電圧が0の区間が存在することになるので、PWM制御回路の出力側に平滑回路を設けると良い(詳細は図5にて後述する)。
FIG. 4 is a diagram for explaining the discharge characteristics of the battery pack of the conventional example and the discharge control of the
PWM制御回路による出力制限後の出力が、放電特性85である。ここでは時刻0~t1、t2~t3、t4~t5の区間を後述の出力制限回路から放電電圧を出力するようにし(半導体スイッチング素子のオン区間とし)、時刻t1~t2、t3~t4の区間を出力制限回路から放電電圧を出力しないようにした(半導体スイッチング素子のオフ区間とした)。このようにして、時刻0~t5の区間では放電電圧の出力をPWM制御によって制限するようにして電池パック1からの出力電圧(実効値)が従前の電池パックの満充電時の電圧42V近辺になるようにし、時刻t5以降は半導体スイッチング素子を用いた出力制限を解除するようにした。このように、本実施例では満充電に近い高電圧区間において、12本の電池セルの合計電圧が基準電圧Vs(=41V)、或いは、従来の電池パックの満充電時の電圧(例えば42V)よりも高い時は電池パック1からの出力電圧を制限して正極端子及び負極端子から出力するようにし、基準電圧Vs以下の時は、制限を解除して12本の電池セルの直列接続の電圧をそのまま出力するように構成した。 尚、出力制限区間におけるPWM制御は、図4(B)では説明のために間隔T1、T2を極端に大きく図示しているが、実際にはPWM制御の周期は十分小さく設定されている。
The output after the output is limited by the PWM control circuit is the
図5は図1の電池パック1の内部回路を示すブロック図である。ここでは電池セル群、保護IC51、マイコン50等の基本的な回路ブロックと、本実施例によるPWM制御回路(出力制限部)60、平滑回路70だけを図示しており、その他の関連する回路、特に、外部の電気機器本体や外部充電器との信号端子とのやりとりを行う回路等の図示は省略している。電池パック1は、図1のスロット12、17の内部空間に配置される正極端子22と負極端子27を有して構成される。電池パック1にはこれらの接続端子以外に、充電用の正極端子(C+)と、その他の信号端子群(T端子、V端子、LS端子、LD端子)が設けられるが、ここではそれらの図示を省略している。正極端子22には、電池セル群(31~36、41~46)の直列接続の正極が接続される。また、負極端子27には、電池セル群(31~36、41~46)の直列接続の負極が接続される。
FIG. 5 is a block diagram showing an internal circuit of the
電池セル31~36、41~46の各両側端子は、電圧を監視するための保護IC51に接続される。保護IC51は、各電池セル31~36、41~46の両端電圧を入力することにより、過充電保護機能、過放電保護機能の他、セルバランス機能、カスケード接続機能、断線検出機能を実行するもので、“リチウムイオン電池用保護IC”として市販されている集積回路である。保護IC51はマイコン50に接続される。保護IC51は、いずれかの電池セルの電圧が所定値未満に低下して過放電状態になった場合は、過放電を示す信号(ハイ信号)をマイコン50に出力し、充電時にいずれかの電池セルの電圧が所定値以上に到達して過充電状態でなった場合は、過充電を示す信号(ハイ信号)をマイコン50に出力する。
The terminals on both sides of the
電源回路52は、電池セル31~36、41~46(電池セル群)の両端電圧を用いて3.3Vの基準電圧を生成するものであり、基準電圧(VDD)が駆動用の電源としてマイコン50に供給される。電圧検出回路(電圧検出部)53は、電池セル31(電池セル群)の正極電圧を降圧してマイコン50に入力させるための回路であり、マイコン50は電圧検出回路53の出力電圧54から電池電圧(電池セル31~36、41~46の直列接続の合計電圧)を測定することができる。電池セル46(電池セル群)の負極端子27側の経路中にはシャント抵抗49が介在される。電流検出回路55はシャント抵抗49の両端電圧に比例する出力電圧56をマイコン50に出力することにより、マイコン50は電池セル31~36、41~46に流れる電流(電池パック1の放電電流又は充電電流)を測定することができる。
The
マイコン50は、電圧値、電流値やセル温度の監視を行うことにより電池セルの状態や動作状況を統合して制御する。また、図示しない電気機器本体の緊急的な停止が必要となった場合には、LD端子を介して放電禁止信号を電気機器本体側に伝達する。また、図示しない外部の充電装置に電池パック1が装着されて、充電が行われている際に、保護IC51が電池セルの電圧が所定の上限値を越えたことを検出した場合に、過充電状態を示す過充電信号を図示しないLS端子を介して図示しない充電装置に送出する。
The
マイコン50は、自身にかかる電源電圧(VDD)の保持と、解除を切り換えることができ、通常動作状態(ノーマルモード)と動作機能制限状態(いわゆるスリープモード)と動作停止状態(いわゆるシャットダウンモード)を有する。ノーマルモードはマイコン50が常時起動している状態である。スリープモードは外部回路やマイコン50自身の機能の動作を最小限に制限し、マイコン50が自ら間欠的に起動するモードであり、例えば10ミリ秒の起動後に240ミリ秒停止するというような動作を繰り返す。これにより電池セルの消費電力を抑制することができる。シャットダウンモードは、基準電圧VDDが全く供給されない状態であって、マイコン50が完全に停止している状態である。マイコン50は、電池パック1が電気機器本体に装着されている時だけでなく、装着されていないときも動作可能である。但し、電池パック1が電気機器本体に装着されていない時や、装着時であっても電気機器本体が一定時間以上使用されていない時、例えば、電気機器本体のトリガ操作(スイッチ操作)が終了してから2時間程度トリガ操作が行われなかった場合は、マイコン50はスリープ状態に移行する。電気機器本体のスイッチが再び操作されてモータ等の負荷部に電流が流れると、マイコン50は、電流検出回路55によって検出される電流値の増加を検知してノーマルモードに復帰する。マイコン50の電源回路52は保護IC51と共用であるため、マイコンが起動すると保護IC51も同時に起動する。
The
電池セル群(31~36、41~46)と、正極端子22及び負極端子27の間にはPWM制御回路60と平滑回路70が介在される。PWM制御回路60は、電池セル群の出力(出力電圧)を半導体スイッチング素子61を用いて高速スイッチング、例えばPWM制御する。半導体スイッチング素子61のオン(導通状態)とオフ(非導通状態)の繰り返しを行うことにより、出力される電力(出力電圧)を制御する。半導体スイッチング素子61としては、例えばMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)を用いることができ、マイコン50から送出される制御信号A62をゲートに入力することによって、オン又はオフが切り換えできる。マイコン50は、パルス列のオンとオフの周期を変えることにより、オン時間幅を変化させる。早い周期でスイッチングを行うことで、オンのパルス幅に比例した任意の電圧を得ることができる。
A
平滑回路70は、正極端子22への出力ラインと、負極端子27への出力ラインの間をコンデンサ71で接続したものである。コンデンサ71としては、例えば電解コンデンサを用いることができ、PWM制御回路60でスイッチングされた断続出力を、より直流に近い状態に(平滑化)するための回路である。また、PWM制御回路60によって調節された出力電圧の波形は、ノイズが重畳されているため、平滑回路70で平滑し、正極端子22と負極端子27へ出力される。
The smoothing
図6は本実施例による電池パック1の放電制御を示した図である。マイコン50は、出力制限区間Lの間だけPWM制御を行うことにより電池パック1からの出力電圧を制限する。この結果、図6に示すように出力制限区間Lにおいて実効電圧が約41V(又は42V)になるので、従来の18650セルを10本用いた電池パックと同等の放電特性を有する電池パック1を実現できた。また、小型の電池セルを、定格電圧達成に必要な本数よりも多い本数だけ用いるように構成することにより、電池パックの小型化を達成することができるという効果がある。電池セルの大きさで比較すると、18350サイズの電池セルは、18650サイズの電池セルに比較して体積比で54%、重量比で47%となる。この結果、18650サイズの電池セル10本分に比較して、18350サイズの電池セル12本であっても、セル体積比が65%で済み、セル重量比も56%で済むことになる。また、小型の電池セルを用いることによって電池パック1の筐体内部の配置方法にも自由度が増すことになる。
FIG. 6 is a diagram showing discharge control of the
図7は電池パックにおける電池セルの配置例を示す図であり、(A)は従来の電池パックであり、(B)は本実施例の電池パックである。図7(A)は従来の定格電圧36Vの電池パックであり、18650サイズの電池セル131~135、141~145が直列に接続される。電池セル131~135、141~145は装着方向(前後方向)に対して直交する方向、即ち、左右方向にその長手方向の中心軸線が延在するように配置される。尚、図7は、電池セルのスタック方向を説明するための図であるので、電池セル131~135、141~145を安定的に固定するための合成樹脂製のセパレータや、電池セル間を電気的に接続する接続タブ等の図示を省略している。電池セルを保持するセパレータ(図示せず)の上側には、回路基板130が配置される。
7A and 7B are views showing an example of battery cell arrangement in a battery pack, FIG. 7A is a conventional battery pack, and FIG. 7B is a battery pack of this embodiment. FIG. 7A shows a conventional battery pack having a rated voltage of 36 V, in which 18650
図7(A)により上側にスタックされた電池セル131~135の上側において、回路基板130が水平に配置されることが理解できよう。回路基板130の前方側には、左右方向に延びるように接続端子群21が配置される。接続端子群21は、複数の金属製の端子により構成され、金属製の端子は回路基板130にハンダ付けによって固定され、製造組み立て後においては接続端子群21のそれぞれの端子は、図1で示したスロット11a~11hの内部に位置することになる。回路基板130には図示しない電池保護ICやマイクロコンピュータ、PTCサーミスタ、抵抗、コンデンサ等の様々な電子素子(ここでは図示していない)を搭載する。回路基板130の材質は、素材に対して絶縁性のある樹脂を含浸した基板上に、銅箔など導電体によってパターン配線を印刷したプリント基板を用いることができる。
It can be understood from FIG. 7A that the
図7(B)は本実施例の定格電圧36Vの電池パック1における電池セル31~36、41~46の配置図である。ここでは大きさの比較のために、回路基板130は図7(A)で用いたものと同じ大きさで図示している。接続端子群21は従来の電池パックと本実施例の電池パック1は同じ部品を用いている。電池セル31~36、41~46は、いわゆる18350サイズのものであり、図7(A)で示す電池セル131~135、141~145と直径(18mm)は同じであるが、長さが65mmから35mmと短くなっている。そのため、その長手方向の中心軸線方向を電池セル31~36、41~46のように前後方向になるように配置することが可能となる。この際、前側にスタックされる電池セル31~36と、後側にスタックされる電池セル41~46の間は、絶縁シートを介在させる等の処置により絶縁性を保つことが重要である。本実施例では、下ケース8の内部に、前後方向に仕切る仕切り板20(図9にて後述)を設け、仕切り板20を前側電池セル群と後側電池セル群の隙間に介在させるようにすれば、良好な絶縁性を達成することができる。尚、図7(A)と同様に、電池セル31~36、41~46を安定的に固定するための2組のセパレータや、電池セル間を電気的に接続する接続タブ等の図示を省略している。
FIG. 7B is a layout diagram of
図7(A)と比較して理解できるように、本実施例の電池パックでは、回路基板130と比較して十分小さいスペースで定格電圧36Vの電池パック1を実現することができた。しかも、電池セルとして通常必要とされる10本ではなく12本としたので、小型電池セルを用いることによって生ずる電圧降下を抑えることがきて、放電終了付近まで必要な電圧を維持することが可能となった。尚、図7(B)の配置の場合は、回路基板130を再設計して、集積度を向上させるようにすれば電池パック1の小型化を促進できる。
As can be understood in comparison with FIG. 7A, in the battery pack of this embodiment, the
小型の電池セル31~36、41~46を用いることには、電池パック1内での電池セルの配置の自由度を高めることになる。図8(A)、(B)は本実施例の定格電圧36Vの電池パック1における電池セル31~36、41~46の別の配置図である。図8(A)は各電池セル31~36、41~46の長手方向の中心軸線が鉛直(回路基板130に対して直交)になるように縦(上下方向に向けて)に配置した例である。このような配置でも、下ケース8の内部に、前後方向に仕切る仕切り板20(図9にて後述)を設け、仕切り板20をその隙間に介在させると良い。このように配置しても図7(A)で示した従来の電池パックよりも小型に構成することができる。
By using the
図8(B)は、電池パック1の右側半分に電池セル31~36をその長手方向が夫々左右方向となるようにして前後方向に並べて配置し、左側半分に電池セル41~46を右半分と同様に並べて配置した。このような配置とすると、左右方向にみると図7(A)で示した従来の電池パックよりも幅が広くなるが、上下方向に電池を積層しなくても済むので、電池パック1の高さを抑えることができる。尚、図8(B)の配置においては、電池パックの図示しない下ケースの形状を変更して、左右中央に上下前後方向に延在する図示しない鉛直壁(仕切り壁)を形成することによって、電池セル31~36と電池セル41~46との絶縁性を確実にすると良い。
In FIG. 8B, the
図9は本実施例の電池パック1の下ケース8単体の斜視図である。下ケース8は、上面が開口された略直方体の形状であって、底面と、底面に対して鉛直方向に延びる前方壁10aと、後方壁10bと、右側側壁10cと、左側側壁10dにより構成され、上側に開口面8aが形成される。前方壁10aには外気を吸引または、内気を排気するための風窓9bが形成される。本実施例の電池パック1では、いわゆる18350サイズの電池セルが12本収容されるが、下ケース8の前後方向で略中央付近に形成された仕切り(仕切り版)20が設けられる。仕切り20を設けることにより電池パック31~36による一つのセルユニットと、電池セル41~46による一つのセルユニットを仕切られた空間内に分離して配置できる。また、仕切り20を設けることにより下ケース8の剛性を高めることができる。尚、図9に示す仕切り20には風穴が形成されないため、2つのセルユニット収容空間内の冷却には不利となる場合もある。その場合は、仕切り20に一つ又は複数の図示しない貫通穴を形成すれば良い。貫通穴の形状は、スリット状や楕円穴など、種々の形式が考えられる。このように複数の貫通孔を形成することにより、2つのセルユニット収容空間に渡る冷却風量を確保することが可能となる。
FIG. 9 is a perspective view of the
図10は本実施例の電池パック1と電気機器本体201の接続回路を示すブロック図である。電気機器本体201は、定格電圧36Vで動作する電動工具本体の一種であり、本実施例の電池パック1を電源として動作する。電池パック1は、図5の回路図にて示した構成であって、その一部の構成を図10では模式的に図示している。電池セル31~36は一つのセルユニットを構成し、電池セル41~46は別のセルユニットを構成して、これらのセルユニットが直列に接続される。また、これらの直列出力が、図5にて示したPWM制御回路60と平滑回路70を経由して正極端子22と負極端子27に接続される。
FIG. 10 is a block diagram showing a connection circuit between the
電気機器本体201は定格電圧36Vの機器(電動工具)であり、モータ203による負荷装置を有する。モータ203は例えば直流モータや、インバータ回路を用いて駆動されるブラシレスモータを用いることができ、動力伝達機構210を介して出力軸204を駆動する。動力伝達機構210は、遊星歯車を用いた減速機構と、ハンマとアンビルを用いた打撃機構の組み合わせなど、公知の機構を用いれば良い。モータ203の回転はトリガ式のスイッチ206によってオン又はオフが制御され、制御装置250がモータ203の回転を制御する。制御装置250にはインバータ回路が含まれ、正極端子222と負極端子227を介して入力された電力からインバータ回路を介して駆動電力を生成し、3本の電力線を介してモータ203を駆動する。
The electric device
図11は、図10で示す電池パック1の出力制限手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、電池パック1に含まれる制御部のマイコン50にあらかじめ格納されたプログラムによってソフトウェア的に実行可能である。また、このフローチャートは、作業者がトリガレバーを引くことによってスイッチ206がオンになったら開始され、スイッチ206がオフになったら終了する。半導体スイッチング素子61はオフ状態となっており、まず、スイッチ206がオンになると、半導体スイッチング素子61がオン状態となり、電池パック1から電気機器本体201への放電が開始される。マイコン50はそのときの電池パック1(電池セル群)の出力電圧(電池電圧)を測定し、当該電圧が基準電圧Vsとなる41V未満(又は従来の電池パックの満充電時の電圧42V未満)であるかを判定する(ステップ91)。ここで、出力電圧が41V未満で無い場合、即ち、41V以上の場合は、マイコン50はPWM制御回路60(図5参照)の半導体スイッチング素子61のゲートに断続的な制御信号A62を出力することにより、電池パック1から電気機器本体201に出力される電圧(電圧の実効値)を低下させて、ステップ91に戻る(ステップ94)。この低下状況は、図4(B)にて説明した出力制限区間Lでの放電特性85になるように制限される。尚、半導体スイッチング素子61は電気機器本体に接続する前(電池パック1が単独)の状態ではオフ状態としたが、オン状態になっている構成であっても良い。すなわち、マイコン50の動作中はオン状態としても良い。
FIG. 11 is a flowchart showing the output limiting procedure of the
ステップ91において出力電圧(電池電圧)が41V未満になった場合は、マイコン50は、PWM制御回路60(図5参照)の半導体スイッチング素子61のゲートへの制御信号A62として、連続するハイ信号を出力し続けることによりDUTY比を100%として、電池セルからの出力をそのまま正極端子22と負極端子27へ出力する。次に、マイコン50は電池セルの1つでも放電を停止させる閾値たる2.5V以下(電池セルの合計電圧たる電池電圧が30V以下)になっているかを判定し、全ての電池セルの電圧2.5Vより大きい場合又は電池電圧が30Vより大きい場合はステップ91に戻り、電池セル電圧2.5V又は電池電圧30V未満の場合は、図示しない放電禁止信号(LD信号)を電気機器本体201側に送出することにより、電池パック1からの放電を終了させる。尚、ステップ91~93の手順事項中に、作業者がトリガレバーを離すことによりスイッチ206がオフになる。スイッチ206をオフにすると、負荷がなくなるため(無負荷状態となるため)、電池電圧が復帰し、過放電状態でなければ、ステップ93で「いいえ」となり、ステップ91に戻ることになるので、ステップ91で電池電圧に応じた制御となる。すなわち、スイッチ206の操作状態にかかわらず、電池パック1が電動工具本体201に接続されると図11の処理が実行されるため、無負荷時(未作業時)にも電動工具本体201の定格電圧に最適な電圧を供給することができる。
When the output voltage (battery voltage) becomes less than 41V in
以上、本実施例の電池パック1によれば、電気機器本体の所定の定格電圧に必要な電池セルの本数m本よりも多い本数(n本:但し、n>m)により電池パック1を実現し、残容量が大きい状態の時に出力制限制御を行うことによって、所定の定格電圧を有する電気機器本体に安定的に出力電圧(電池電圧)を供給できる電池パックを実現できた。また、m本でなくてn本(但しn>m)の電池セルを使用するので、電池残量が半分以下に低下しても、当該定格電圧以上の電圧を維持できるので、電気機器本体を安定して動作させることができる。
As described above, according to the
次に、本発明の第2の実施例の電池パック1Aを説明する。図12は本発明の第2の実施例に係る電池パック1Aのブロック回路図である。図5に示した第1の実施例の電池パック1との違いは、切り換え用のスイッチ回路63を設けて、PWM制御回路60を使用する出力経路と、使用しないバイパス経路を切り換え可能にしたことにある。電池パック1A(電池セル群)の出力電圧が閾値VS未満である場合は、半導体スイッチング素子66をオンにして、半導体スイッチング素子61、64をオフして、電池セル群の出力電圧をそのまま電力用の接続端子(正極端子22、負極端子27)に出力する。しかしながら、半導体スイッチング素子61を用いるとスイッチングロスが起きて、発熱のため電池出力が消費され、電池パックの出力がわずかに低下する虞がある。そこで、スイッチングロスを起こさないようにするために、スイッチ回路を設け、電池セル群の出力を直接平滑回路70へ出力するか、半導体スイッチング素子61へ出力するかを切替えられるようにした。これらの切り換え制御はマイコン50からの制御信号A62、B65、C67によって行う。
Next, the
スイッチ回路63は、基本的に2つの半導体スイッチング素子64と66によって構成される。半導体スイッチング素子64は、例えばMOSFETを用いることができ、マイコン50から送出される制御信号B65をゲートに入力することによって、オン又はオフを切り換える。スイッチ回路63には、半導体スイッチング素子61及び64をバイパスする出力経路57が接続され、出力経路57の途中に半導体スイッチング素子66が設けられる。半導体スイッチング素子66は、例えばMOSFETを用いることができ、マイコン50から送出される制御信号C67をゲートに入力することによって、オン又はオフが切り換えられる。
The
このようにして、半導体スイッチング素子61、64、66の制御を行うことによって、(1)PWM制御を用いた出力制限を行った上で出力するか、(2)PWM制御を用いた出力制限を行なわずに出力するか、(3)マイコン50をシャットダウン状態にして、半導体スイッチング素子61、64、66のすべてをオフ状態にするか、のいずれかに切り換えることが可能となる。これら(1)~(3)の際の半導体スイッチング素子の状態を示すのが図12の右下の表である。電池パック1Aの出力電圧が閾値VS以上である場合、(1)に示すように半導体スイッチング素子64をオンし、半導体スイッチング素子61をPMW制御することで、電池パック1Aからの出力電圧の実効値を所定電圧未満に調整する。この際の半導体スイッチング素子66はオフである。このようにして、電池セル群の出力を半導体スイッチング素子61によりPWM制御するか否かは、半導体スイッチング素子64、66のオンオフで切り換えることができる。電池パック1Aの出力電圧が閾値Vs未満である場合には、(2)に示すように、半導体スイッチング素子61及び64はオフ、半導体スイッチング素子66をオンすることで、電池セル群の電圧(電池電圧)を出力する。マイコン50がシャットダウンモードのときは、マイコン50から制御信号A62、B65、C67が出力されないため、(3)に示すように、半導体スイッチング素子61、64、66はオフし、電池電圧は放電端子(正極端子22、負極端子27)から出力されない。
By controlling the
図13は本発明の第3の実施例に係る電池パック301と電気機器本体201Aの接続回路を示すブロック図である。第3の実施例の電池パック301は、第1の電池セル群(第1セルユニット)と第2の電池セル群(第2セルユニット)を有し、それぞれの出力が独立した正極端子及び負極端子に接続される。第1の電池セル群(第1セルユニット)は電池セル31~36から構成され、第2の電池セル群(第2セルユニット)は電池セル41~46から構成される。正極端子として、図1で示したスロット12内においてに、上下方向に離間するように2つの正極端子(上側正極端子322a、下側正極端子322b)が設けられる。また、負極端子として、図1で示したスロット17内において、上下方向に離間するように2つの負極端子(上側負極端子327a、下側負極端子327b)が設けられる。つまり、電池パック301内の電池セルの直列接続数(n)を6として、図5と同様の回路構成として、それらを2組電池パック301内に収容した。
FIG. 13 is a block diagram showing a connection circuit between the
第1の電池セル群(電池セル31~36)の出力は、第1PWM制御回路361と第1平滑回路371を介して正極端子322aと負極端子327bに接続される。また、第2の電池セル群(電池セル41~46)の出力は、第2PWM制御回路362と第2平滑回路372を介して正極端子322bと負極端子327aに接続される。第1PWM制御回路361及び第2PWM制御回路362は、図5で示したPWM制御回路60と同じ構成であり、第1平滑回路371と第2平滑回路372は図5で示した平滑回路70と同じ構成である。尚、マイコンを含む制御部390は、2つ設ける必要が無いので、1つの制御部390が第1PWM制御回路361及び第2PWM制御回路362の双方を制御するようにした。ここでは図示していないが、電池セルの保護IC(図5の51参照)は、第1の電池セル群(電池セル31~36)と第2の電池セル群(電池セル41~46)にそれぞれ設けると良い。正極端子322a、322bと、負極端子327a、327bの具体的な構成は、出願人による先願(国際公開2019/017184)に記載されているので参照されたい。
The output of the first battery cell group (
電気機器本体201Aは、定格電圧18Vであって、負荷装置としてモータ203Aを用いて動力伝達機構210Aを駆動し、出力軸204に回転力を付与する電気機器(電動工具)である。定格電圧36Vか18Vかの違いを除いて基本的な回路構成は、図10で示した電気機器本体201と同じである。電気機器本体201Aは正極端子222と、負極端子227を有する。正極端子222と、負極端子227はそれぞれ、電池パック301の正極端子用のスロットと、負極端子用のスロットに挿入されるため、電池パック301に装着されると、正極端子222は正極端子322a及び322bに嵌合し、負極端子227は負極端子327a及び327bに嵌合する。つまり、電気機器本体201Aと電池パック301を装着することにより、電池パック301側の第1の電池セル群(電池セル31~36)と第2の電池セル群(電池セル41~46)が電気機器本体201Aの正極端子222及び負極端子227によって並列接続された状態になり、電動工具本体201Aの正極端子222と負極端子227には18Vの定格電圧(電池電圧)が出力されることになる。
The electric device
このような定格電圧18Vが出力される際にも、制御部390に含まれるマイコンは、第1PWM制御回路361と第2PWM制御回路362を用いて第1の電池セル群(電池セル31~36)からの出力と第2の電池セル群(電池セル41~46)の出力を閾値電圧以下に抑制すると共に、両方の電池セル群からの出力電圧(電池電圧)をそろえるように制御する。電池セルを12本直列接続した場合には満充電時の電池電圧が約50Vであったため(図3参照)、直列接続数が6本の場合の満充電時の電池電圧はその半分の25V程度になる。一方、定格電圧36Vの従来の電池パックは満充電時に42V程度になるため、定格電圧18Vの電池パックであればその半分の21V程度になる。そこで、定格電圧18Vの電気機器本体201Aに電池パック301を接続する場合には、従来同様、満充電時で出力電圧(電池電圧)が21Vになるよう、出力電夏の閾値を21Vとし、各電池セル群の出力電圧(電池電圧)が21Vを超えている場合に出力電圧を制限するように制御部390によって第1及び第2PWM制御回路361及び362を制御すれば良い。
Even when such a rated voltage of 18V is output, the microcomputer included in the
図14は本発明の第3の実施例に係る電池パック301を定格電圧36Vの電気機器本体401に接続する場合のブロック図である。電池パック301の構成は図13で示したものと同じである。ここでの違いは、電気機器本体401の正極端子(422a、422b)と負極端子(427a、427b)の構成である。ここでは正極端子(422a、422b)と負極端子(427a、427b)は、上下に2分割するように分離して配置され、電池パック301の装着時に正極端子422aが正極端子322aとだけ嵌合し、正極端子422bが正極端子322bとだけ嵌合し、負極端子427aが負極端子327aとだけ嵌合し、負極端子427bが負極端子327bとだけ嵌合する。また、電気機器本体401側の正極端子422bと負極端子427bが短絡回路429によって接続されている。正極端子422aがプラス36Vの電極(正極)として制御装置450に接続され、負極端子427aがグランド電位(負極)として制御装置450に接続される。このような端子構成を有する電気機器本体401に電池パック301を装着すると、短絡回路429を介して第1の電池セル群(電池セル31~36)と第2の電池セル群(電池セル41~46)の直列接続回路が形成されることになる。
FIG. 14 is a block diagram when the
以上説明した、第1の電池セル群(電池セル31~36)と第2の電池セル群(電池セル41~46)の直列接続回路が形成された場合であっても、制御部390に含まれるマイコンは、第1PWM制御回路361と第2PWM制御回路362を用いて第1の電池セル群(電池セル31~36)からの出力と第2の電池セル群(電池セル41~46)の出力を閾値電圧VS以下に抑制すると共に、両方の電池セル群からの電圧をそろえるように制御する。尚、直列接続状態にした場合は、第1PWM制御回路361と第2PWM制御回路362の2つを用いる必要はなく、いずれか一方のPWM制御回路だけを動作するだけでも制御可能である。この場合は、図12で示したスイッチ回路を併用するように構成すると、効率の良い制御が可能となる。
Even when the series connection circuit of the first battery cell group (
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。電気機器本体として電動工具本体を説明したが、ラジオやファン、ライト等の周辺機器本体にも適用可能である。更に、定格電圧36Vの電気機器本体、定格電圧36V又は電圧切替式の電池パックについて説明したがその電圧に限るものではない。例えば定格電圧18Vで固定された電池パックにも適用することができる。従前の定格電圧18Vの電池パックは18650セルを5本直列接続しているが、18350セルを6本直列接続にすると、従前の定格電圧18Vの電池パックよりも小型軽量となり、作業者にとって取り回しが良くなる。更に、電池セル群の接続方法を切替可能な電池パックを説明したが3組以上の電池セル群を有しても良い。また、電池セルを18350サイズとして説明したが18500サイズでも良く、寸法は限定されるものではない。 Although the present invention has been described above based on the examples, the present invention is not limited to the above-mentioned examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Although the power tool body has been described as the body of the electric device, it can also be applied to the body of peripheral devices such as radios, fans, and lights. Further, although the electric device main body having a rated voltage of 36 V, the rated voltage of 36 V, or the voltage switching type battery pack has been described, the voltage is not limited to that voltage. For example, it can be applied to a battery pack fixed at a rated voltage of 18 V. The conventional battery pack with a rated voltage of 18V has five 18650 cells connected in series, but if six 18350 cells are connected in series, it is smaller and lighter than the previous battery pack with a rated voltage of 18V, making it easier for workers to handle. Get better. Further, although the battery pack capable of switching the connection method of the battery cell group has been described, it is possible to have three or more sets of battery cell groups. Further, although the battery cell has been described as 18350 size, 18500 size may be used, and the size is not limited.
1 電池パック 2 上ケース 3 下段面 5 上段面 6 隆起部
7a、7b レール溝 8 下ケース 8a 開口面 9a、9b 風窓
10a 前方壁 10b 後方壁 10c 右側側壁 10d 左側側壁
11~18 スロット 19a、19b ラッチ 19c 係止部
20 仕切り板 21 接続端子群 22 正極端子 27 負極端子
31~36 電池セル 41~46 電池セル 49 シャント抵抗
50 マイコン 51 保護IC 52 電源回路 53 電圧検出回路
54 出力電圧 55 電流検出回路 56 出力電圧 57 出力経路
60 制御回路 61、64、66 半導体スイッチング素子
62、65、67 制御信号 70 平滑回路 71 コンデンサ
81、82 放電特性 83 放電曲線 85 放電特性
130 回路基板 131~135 電池セル 141~145 電池セル
150 回路基板 201、201A 電気機器本体
203、203A モータ 204 出力軸 206 スイッチ
210、210A 動力伝達機構 222 正極端子 227 負極端子
250 制御装置 301 電池パック
322a (上側)正極端子 322b (下側)正極端子
327a (上側)負極端子 327b (下側)負極端子
361 第1PWM制御回路 362 第2PWM制御回路
390 制御部 401 電気機器本体
422a、422b 正極端子 427a、427b 負極端子
429 短絡回路 450 制御装置 Vs 基準電圧
1 Battery pack 2 Upper case 3 Lower surface 5 Upper surface 6 Raised part 7a, 7b Rail groove 8 Lower case 8a Opening surface 9a, 9b Wind window 10a Front wall 10b Rear wall 10c Right side wall 10d Left side wall 11-18 Slot 19a, 19b Latch 19c Locking part 20 Partition plate 21 Connection terminal group 22 Positive electrode terminal 27 Negative electrode terminal 31-36 Battery cell 41-46 Battery cell 49 Shunt resistance 50 Microcomputer 51 Protection IC 52 Power supply circuit 53 Voltage detection circuit 54 Output voltage 55 Current detection circuit 56 Output voltage 57 Output path 60 Control circuit 61, 64, 66 Semiconductor switching element 62, 65, 67 Control signal 70 Smoothing circuit 71 Condenser 81, 82 Discharge characteristic 83 Discharge curve 85 Discharge characteristic 130 Circuit board 131 to 135 Battery cell 141 to 145 Battery cell 150 Circuit board 201, 201A Electrical equipment body 203, 203A Motor 204 Output shaft 206 Switch 210, 210A Power transmission mechanism 222 Positive electrode terminal 227 Negative electrode terminal 250 Control device 301 Battery pack 322a (upper side) Positive electrode terminal 322b (lower side) Positive electrode Terminal 327a (Upper) Negative terminal 327b (Lower) Negative terminal 361 1st PWM control circuit 362 2nd PWM control circuit 390 Control unit 401 Electrical equipment main unit 422a, 422b Positive terminal 427a, 427b Negative terminal 429 Short circuit 450 Control device Vs Reference voltage
Claims (15)
公称電圧が第1電圧の電池セルがn本直列に接続された複数の電池セルと、
前記複数の電池セルに電気的に接続された正極端子と負極端子とを有する端子部と、
前記複数の電池セルの放電を制御する制御部と、
前記複数の電池セルと前記正極端子又は前記負極端子との間の出力経路中に設けられ前記端子部からの出力電圧を制限可能に構成された出力制限部と、を備え、
前記複数の電池セルの前記公称電圧の合計が、前記第1の定格電圧より高くなるよう構成され、
前記出力制限部は、満充電の状態で前記電気機器本体に接続されると、前記出力電圧を制限して前記電気機器本体に供給するように構成したことを特徴とする電池パック。 A battery pack that can be connected to the main body of electrical equipment with the first rated voltage.
A plurality of battery cells in which n battery cells having a nominal voltage of the first voltage are connected in series, and
A terminal portion having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal electrically connected to the plurality of battery cells,
A control unit that controls the discharge of the plurality of battery cells,
An output limiting unit provided in the output path between the plurality of battery cells and the positive electrode terminal or the negative electrode terminal and configured to be able to limit the output voltage from the terminal unit is provided.
The sum of the nominal voltages of the plurality of battery cells is configured to be higher than the first rated voltage.
The battery pack is characterized in that the output limiting unit is configured to limit the output voltage and supply it to the electric device main body when it is connected to the electric device main body in a fully charged state.
前記出力制限部は、前記出力電圧が低下すると、前記制限を解除して前記出力電圧を前記電気機器本体に供給するように構成したことを特徴とする電池パック。 The battery pack according to claim 1.
The battery pack is characterized in that the output limiting unit is configured to release the limitation and supply the output voltage to the electric device main body when the output voltage drops.
前記電池パックを前記電気機器本体に接続した際に、
複数の前記電池セルの合計電圧が基準電圧よりも高い場合又は複数の電池セルの残量が所定の閾値残量よりも大きい場合は前記出力電圧を制限し、
前記合計電圧が前記基準電圧以下の場合又は前記残量が前記閾値残量以下の場合は、前記制限を解除することを特徴とする電池パック。 The battery pack according to claim 2.
When the battery pack is connected to the main body of the electric device,
If the total voltage of the plurality of battery cells is higher than the reference voltage or the remaining amount of the plurality of battery cells is larger than the predetermined threshold remaining amount, the output voltage is limited.
A battery pack characterized in that the limitation is released when the total voltage is equal to or less than the reference voltage or when the remaining amount is equal to or less than the threshold remaining amount.
前記電池セルはn本直列に接続され、
前記基準電圧は、前記電池セルをn-1本直列に接続した時の電圧よりも大きいことを特徴とする電池パック。 The battery pack according to claim 3.
The battery cells are connected in series with n batteries.
The battery pack is characterized in that the reference voltage is larger than the voltage when n-1 batteries are connected in series.
前記電池パック又は前記電池セルの電圧を測定する電圧検出部と、
前記制御部は、前記電圧検出部の測定結果に応じて前記出力制限部を動作させることにより前記出力電圧を制限することを特徴とする電池パック。 The battery pack according to any one of claims 1 to 4.
A voltage detection unit that measures the voltage of the battery pack or the battery cell,
The battery pack is characterized in that the control unit limits the output voltage by operating the output limiting unit according to the measurement result of the voltage detecting unit.
前記出力制限回路は半導体スイッチング素子を含み、
前記制御部が前記半導体スイッチング素子をPWM制御することにより前記出力電圧の実効値を制限することを特徴とする電池パック。 The battery pack according to claim 5.
The output limiting circuit includes a semiconductor switching element.
A battery pack characterized in that the control unit limits the effective value of the output voltage by PWM controlling the semiconductor switching element.
前記正極端子及び前記負極端子と、前記出力制限回路との間に、平滑回路を設けたことを特徴とする電池パック。 The battery pack according to claim 6.
A battery pack characterized in that a smoothing circuit is provided between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal and the output limiting circuit.
前記出力制限回路はスイッチを有し、
前記スイッチは、直列に接続された前記電池セルの正極から前記半導体スイッチング素子に接続される経路か、前記半導体スイッチング素子をバイパスさせて前記正極端子に接続される経路かを切り換えることを特徴とする電池パック。 The battery pack according to claim 6 or 7.
The output limiting circuit has a switch and has a switch.
The switch is characterized in that it switches between a path connected to the semiconductor switching element from the positive electrode of the battery cell connected in series and a path connected to the positive electrode terminal by bypassing the semiconductor switching element. Battery pack.
前記正極端子は第1正極端子と第2正極端子を有し、
前記負極端子は第1負極端子と第2負極端子を有し、
前記電池セルをn本直列に接続して第1セルユニットを構成して、前記第1正極端子と前記第1負極端子に接続し、
前記電池セルをn本直列に接続して第2セルユニットを構成して、前記第2正極端子と前記第2負極端子に接続し、
前記第1セルユニットに対応させて第1の前記出力制限回路を設け、
前記第2セルユニットに対応させて第2の前記出力制限回路を設けたことを特徴とする電池パック。 The battery pack according to any one of claims 1 to 8.
The positive electrode terminal has a first positive electrode terminal and a second positive electrode terminal.
The negative electrode terminal has a first negative electrode terminal and a second negative electrode terminal.
The battery cells are connected in series in n to form a first cell unit, which is connected to the first positive electrode terminal and the first negative electrode terminal.
The battery cells are connected in series in n to form a second cell unit, which is connected to the second positive electrode terminal and the second negative electrode terminal.
The first output limiting circuit is provided corresponding to the first cell unit.
A battery pack characterized in that the second output limiting circuit is provided corresponding to the second cell unit.
前記電池パックの筐体は、記電池セルを収容する下ケースと、前記正極端子と前記負極端子を含む接続端子を収容するスロット部と前記電気機器本体又は外部充電装置に接続されるための装着部が形成された上ケースと、を含んで構成され、
前記下ケースは、複数の前記電池セルを複数の領域に分けて収容するための仕切りを有することを特徴とする電池パック。 The battery pack according to any one of claims 1 to 9.
The housing of the battery pack is mounted so as to be connected to a lower case accommodating a battery cell, a slot portion accommodating a connection terminal including the positive electrode terminal and the negative electrode terminal, and the electric device main body or an external charging device. Consists of an upper case with a formed portion, and
The lower case is a battery pack characterized by having a partition for accommodating a plurality of the battery cells in a plurality of areas.
前記接続端子に接続される回路基板を備え、
前記仕切りは、上下方向において、前記下ケースの内側底面から前記回路基板の底面までの間に位置することを特徴とする電池パック。 The battery pack according to claim 10.
A circuit board connected to the connection terminal is provided.
The battery pack is characterized in that the partition is located between the inner bottom surface of the lower case and the bottom surface of the circuit board in the vertical direction.
請求項1から10のいずれか一項の前記電池パックであり、満充電時において前記第1の定格電圧よりも大きい電圧を有する第1の電池パックと、
前記第1の定格電圧に対応し、満充電時において前記第1の電池パックの電圧より小さい電圧を有する第2の電池パックと、を備えたことを特徴とする電気機器システム。 With the electrical equipment body
The battery pack according to any one of claims 1 to 10, wherein the first battery pack has a voltage larger than the first rated voltage when fully charged.
An electric device system including a second battery pack corresponding to the first rated voltage and having a voltage smaller than the voltage of the first battery pack when fully charged.
前記第1の電池パックは、第1の長さを有する第1の電池セルを複数直列に接続したセルユニットを有し、
前記第2の電池パックは、前記第1の長さよりも長い第2の長さを有する第2の電池セルを複数直列に接続したセルユニットを有し、
前記第1の電池セルの収容本数は第2の電池セルの収容本数より多いことを特徴とする電気機器システム。 The electrical equipment system according to claim 12.
The first battery pack has a cell unit in which a plurality of first battery cells having a first length are connected in series.
The second battery pack has a cell unit in which a plurality of second battery cells having a second length longer than the first length are connected in series.
An electrical equipment system characterized in that the number of accommodations of the first battery cell is larger than the number of accommodations of the second battery cell.
前記制限された出力電圧は、前記第2の電池パックの定格電圧又は前記電気機器本体の定格電圧に対応することを特徴とする電気機器システム。 The electrical equipment system according to claim 12 or 13.
An electric device system characterized in that the limited output voltage corresponds to the rated voltage of the second battery pack or the rated voltage of the electric device main body.
満充電時において前記第1の定格電圧よりも大きい電圧を有する請求項1から10のいずれか一項に記載の電池パックであり、第1の長さを有する第1の電池セルを複数直列に接続したセルユニットを有する第1の電池パックを着脱可能であると共に、
前記第1の定格電圧に対応し、満充電時において前記第1の電池パックの電圧より小さい電圧を有する第2の電池パックであり、前記第1の長さよりも長い第2の長さを有し前記第1の電池セルより少ない第2の電池セルを複数直列に接続したセルユニットを有する第2の電池パックを着脱可能であることを特徴とする電気機器本体。
The main body of the electric device
The battery pack according to any one of claims 1 to 10, which has a voltage larger than the first rated voltage when fully charged, and a plurality of first battery cells having a first length are connected in series. The first battery pack having the connected cell unit is removable and can be attached and detached.
A second battery pack corresponding to the first rated voltage and having a voltage smaller than the voltage of the first battery pack when fully charged, and having a second length longer than the first length. A second battery pack having a cell unit in which a plurality of second battery cells connected in series, which is smaller than the first battery cell, can be attached and detached.
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