JP4085903B2

JP4085903B2 - 充電機能付き直流電源装置

Info

Publication number: JP4085903B2
Application number: JP2003195641A
Authority: JP
Inventors: 卓央荒舘; 健朗石丸; 一彦船橋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: JP2005033909A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、着脱可能な電池パックを電源とするコードレス電動工具(以下単に電動工具という)に着脱可能なアダプタを備えたケーブルを介して直流電圧を供給し、かつ電池パックを充電可能な充電機能付き直流電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動工具は電源ケーブルによる作業上の制約は無く、どのような場所においても作業できるというメリットを有しているが、電池パックの容量が低下すると電池パックを充電するか別の充電済み電池パックと交換しなければならないという問題があった。そこで、作業場所と交流電源設置場所が近く作業中の移動が少ない場合には交流を直流に変換する直流電源を用い、作業場所と交流電源設置場所が遠く作業中の移動が多い場合には電池パックを用い、作業状況に合わせて電動工具の電源として電池パックと直流電源を併用していた。
【０００３】
しかし、作業場所に充電器と直流電源を持ち込まなければ効率のよい作業ができないという問題がある。これらの問題を解決ため、電動工具の動作を検出し、電動工具の動作時は充電をせず直流電源を供給し、電動工具の動作が停止している時は電池パックを充電する充電機能付き直流電源装置を特許文献１により提案した。
【０００４】
また、電動工具等の電源に用いられるニッケルカドミニウム電池やニッケル水素電池等の電池パックを充電する場合、大きな充電電流で充電すれば短時間で充電できるが、充電時の電池パック内の電池の発熱が大きくなって電池のサイクル寿命が短くなるため、電池の発熱を抑制するように小さい充電電流で時間をかけて充電する充電装置が提案されている。
【０００５】
一方、充電装置に設けられた冷却ファンにより電池パックを冷却しながら充電し、充電時の電池パック内の電池の発熱を抑制して大きな充電電流で短時間で充電する充電装置も提案されている。
【０００６】
上記２つの充電装置は電池パックが強制冷却に対応できるか否かすなわち冷却ファンからの送風に対して電池パックが風穴等の構造を設けているか否かによってその充電方式が異なる。このように冷却対応電池パックと冷却非対応電池パックとでは充電方式が異なることを考慮し、充電開始時の電池温度勾配が所定値以上であるか以下であるかを判別することにより、冷却ファンによる電池パックへの送風による冷却効果の有無を判別し、その結果に基づいて平均充電電流を定めて充電する充電方法を特許文献２により提案した。
【特許文献１】
特開２０００−１８４６１４公報
【特許文献２】
特開２０００−３１２４４０号公報
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の充電機能付き直流電源装置において、電池温度勾配に基づき冷却効果を判別する場合、電動工具作動中は充電が行われないため、冷却効果の有無に拘わらず電池温度勾配が低下する。このため、正確な冷却効果の判別が行えない場合がある。これを図１〜図３を用いて説明する。図１〜図３はそれぞれの条件における充電中の電池電圧、電池温度、電池温度勾配（Ａ/Ｄ変換値）、充電電流の推移を示したグラフである。
【０００７】
この例の場合、冷却効果は、冷却効果判別電池温度Ｐに達するまでの、電池温度勾配により判別する。すなわち、電池温度Ｐに達するまでの電池温度勾配の最小値が判別値Ｑ以上であれば冷却効果が無いと判別し、充電開始時の比較的大きい電流値Ｔからより小さい電流値Ｓに切替え（図２参照）、Ｑ以下であれば冷却効果が有ると判別し、比較的大きい電流値Ｔのまま充電を行う（図１参照）。
【０００８】
図３は、冷却効果が無い場合において電動工具を使用した場合の充電波形である。電動工具使用時は充電が行われないため、電池温度が低下することから、電池温度勾配も低下し、冷却効果の判別値Ｑ以下になってしまう。また、充電再開時においては、電動工具使用時の電池温度の低下に対し、電池温度は相対的に上昇する。よって、例えば電池温度が相対的に上昇するまでの時間内に電池温度が冷却効果判別電池温度Ｐに達した場合は、電池温度勾配は、冷却効果の判別値Ｑ以下であるため、冷却効果有りと判別してしまい、そのまま大電流で充電を行ってしまう。大電流で充電されるため充電の早切れすなわち充電不足を引き起こす恐れがある。
【０００９】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、冷却効果の判別を確実に行うことにより適切な充電を行い、電池の長寿命化が可能な充電機能付き直流電源装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電動工具を使用し充電が行われていない時及び電動工具使用後の充電再開から所定時間が経過するまでは、電池温度勾配の最小値を更新しないようにすることにより達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を一実施形態を示した図面を参照して説明する。図５は本発明充電機能付き直流電源装置の一実施形態を示す斜視図である。
【００１２】
１はＡＣコード組、２は充電機能付き直流電源装置本体(以下単に電源装置本体という)、３はアダプタ組であり、一端に電動工具４に接続するアダプタプラグ、他端に電源装置本体２に接続する出力ケーブルとを有する。アダプタプラグは、上部が電池パック５の挿入部と同じ形状をしており、電池パック５と同様に電動工具４に着脱可能となっている。
【００１３】
図６は充電機能付き直流電源装置の一実施形態を示すブロック図である。ＡＣコード組１はＡＣ１００Ｖの商用交流電源に接続される。アダプタ組３は複数の電動工具４に対し、各々の定格電圧に対応する電圧を出力させるための出力電圧設定手段３ａを備えている。電動工具４は、ＤＣモータ４ａ及び直列に接続された電源スイッチ４ｂを内蔵し、電源スイッチ４ｂがオンされた時、アダプタ組３を介して、電源装置本体２から直流電源が供給される。電動工具４に装着可能な電池パック５は、充電可能な蓄電池５ａ及び蓄電池５ａの近傍または接触されて取り付けられる温度素子５ｂ（例えばサーミスタ等）から構成される。
【００１４】
１０は種々の駆動電圧の電動工具４に対応する所定の駆動電圧及び電池電圧が異なる種々の電池パック５を充電可能な如く所定の充電電流を出力可能なスイッチング電源で、第一整流平滑回路１１、高周波トランス１２、第二整流平滑回路１３、スイッチング素子１４、スイッチング制御回路１５から構成され、スイッチング制御回路１５はスイッチング素子１４の駆動パルス幅を変えて第二整流平滑回路１３の出力電圧及び出力電流を調整する。
【００１５】
電源出力制御手段２０は、電源スイッチ４ｂのオン時に電動工具４の駆動電圧を制御し、電源スイッチ４ｂのオフ時で電池パック５が充電可能な場合に充電電流を制御する電圧・電流制御回路２１、駆動電圧及び充電電流の値を設定する電圧・電流設定回路２２から構成される。電動工具４が駆動している時は、電圧検出回路４２の信号に基づきスイッチング制御回路１５に帰還をかけスイッチング素子１４のスイッチングデューティを制御し、同時に出力電流検出回路４１からの信号に基づきアダプタ組３のケーブルにおける電圧降下分を補正する機能を有する。また電源スイッチ４ｂのオフ時で電池パック５が充電可能な場合は、出力電流検出回路４１からの信号に基づきスイッチング制御回路１５に帰還をかけ、スイッチング素子１４のスイッチングデューティを制御し、電池パック５への充電電流を後述する電池状態検出手段５０の出力に基づいて制御する。
【００１６】
電源出力切り換え手段３０は、電源スイッチ４ｂのオン時に電源出力を電動工具４に供給する電源出力スイッチ回路３１、電動工具４の未使用時に電池パック５への充電を可能にする充電出力スイッチ回路３２から構成される。充電出力スイッチ回路３２は、例えば上記した如くまた特願２００１−１１１０２３で提案した如く、リレー回路から構成される。
【００１７】
電源出力検出手段４０は、電源スイッチ４ｂのオン時に電動工具４に供給される電流または電源スイッチ４ｂのオフ時に電池パック５に供給される充電電流を検出する出力電流検出回路４１、第二整流平滑回路１３の出力電圧を検出する電圧検出回路４２、電源スイッチ４ｂがオンされたことを検出し、その瞬間に充電不許可信号及び電動工具４への電源供給を許可する信号を出力するトリガ検出回路４３、アダプタ組３の出力電圧設定手段３ａの設定電圧を検出する出力電圧設定検出回路４４等から構成される。
【００１８】
電池状態検出手段５０は、電池パック５の電池電圧を検出する電池電圧検出回路５１、電池パック５内の温度素子５ｂの特性に応じて電池温度を検出する電池温度検出回路５２から構成される。
【００１９】
本発明制御手段を構成するマイコン６０は、電源出力検出手段４０及び電池状態検出手段５０の出力に基づいて、電動工具４使用時の駆動電圧及び電動工具４未使用時における電池パック５の充電電流の設定を行うと共に、電動工具４の未使用すなわち電源スイッチ４ｂのオフと電池状態検出手段５０の出力に基づき充電可能か否かを判別し、電池パック５が充電可能な時はトリガ検出回路４３を介して充電出力スイッチ回路３２に充電許可信号を出力する等の機能及び最新の電池温度と所定サンプリング前の電池温度から電池温度勾配と最新の電池電圧と所定サンプリング前の電池電圧から電池電圧勾配を演算する機能を有し、更に電池温度Ｔｉｎ、電池電圧Ｖｉｎ、電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ、電池温度勾配最小値ｄＴ／ｄｔ（ＭＩＮ）等を記憶するＲＡＭを有する。
【００２０】
例えばＬＥＤ等から構成される表示回路７０は、マイコン６０の出力に基づいて、電動工具４が使用中、電動工具４が使用可能か否かの表示、または電池パック５が充電中であること等を表示する。補助電源回路８０は、マイコン６０等の電源及び電源出力制御手段２０、電源出力検出手段４０及び電池状態検出手段５０等の基準電圧Ｖｃｃを供給する。冷却ファン制御回路９０は冷却ファン９１のオン・オフを制御する。
【００２１】
次に、図７〜図８のフローチャートを参照して本発明充電機能付き電源装置の動作を説明する。ＡＣコード組１をＡＣ１００Ｖの商用交流電源に接続すると、補助電源回路８０が起動し、マイコン６０及び電源出力制御手段２０等に基準電圧Ｖｃｃを供給する。次に、マイコン６０は記憶手段であるＲＡＭ内の電池パックフラグ、充電完了フラグ、充電中フラグ、電流切換え終了フラグ、充電初期設定終了フラグ、電流切換え終了フラグ、冷却効果有りフラグ、負荷電流カウンタ及びマイコン６０における記憶デ−タである３６サンプリング前までの電池温度Ｔi-36、Ｔi-35、……、Ｔi-01及び電池温度勾配最小値dT/dt(MIN)をイニシャルリセットし、充電出力スイッチ回路３２をオフする（ステップ７０１）。
【００２２】
続いて、スイッチング制御回路１５にスイッチング電源１０が起動する信号を出力し（ステップ７０２）、電動工具４の電源スイッチ４ｂがオンした時は、電源出力検出手段４０のトリガ検出回路４３が電源出力切り換え手段３０の電源出力スイッチ回路３１をオンさせ、電動工具４の定格電圧に対応する所定の駆動電圧を供給する。
【００２３】
電池状態検出手段５０の電池電圧検出回路５１及び電池温度検出回路５２の出力に基づいて、電池パック５が電源装置本体２に挿入されているか否かを判別し（ステップ７０３）、電池パック５が挿入されていると判別した時は、電池パックフラグをセットし（ステップ７０６）、ステップ７０７にジャンプする。電池パック５が挿入されていない時は、冷却ファン９１を停止し（ステップ７０４）、ステップ７０１と同じイニシャルリセットを行うと共に充電出力スイッチ回路３２をオフする（ステップ７０５）。
【００２４】
続いて、電源スイッチ４ｂがオフされたか否かを判別するため、出力電流検出回路４１の出力に基づいて、負荷電流が零か否かを判別する（ステップ７０７）。負荷電流が零の場合、電池パックフラグがセットされているか否かを判別し（ステップ７０８）、電池パックフラグがセットされてない場合はステップ７３０にジャンプする。ステップ７０８において電池パックフラグがセットされている時は、電池パック５が充電完了しているか否かすなわち充電完了フラグがセットされているか否かを判別し（ステップ７０９）、充電完了すなわちセットされている時はステップ７３０にジャンプする。
【００２５】
ステップ７０９において電池パック５が充電完了状態でない場合すなわち充電完了フラグがセットされていない場合は、電池パック５が充電中であるか否かすなわち充電中フラグがセットされているか否かを判別し（ステップ７１０）、充電中でない場合は、トリガ検出回路４３の出力に基づいて電源スイッチ４ｂがオンされたか否かを監視し(ステップ７１１)、電源スイッチ４ｂがオンされていない場合は、充電出力スイッチ回路３２に充電許可信号を出力し（ステップ７１２）、電源出力スイッチ回路３１をオフさせると同時に充電出力スイッチ回路３２をオンさせて充電を開始し、充電中フラグをセットし(ステップ７１３)、ステップ７３０にジャンプする。
【００２６】
ステップ７０７において負荷電流が零でない場合は、負荷電流零カウンタをクリアし（ステップ７１４）、引き続きトリガ検出回路４３の出力に基づいて電源スイッチ４ｂがオンされたか否かを監視する(ステップ７１５)。電源スイッチ４ｂがオンされている場合は充電中フラグがセットされているか否かを判別し（ステップ７１６）、充電中フラグがセットされている場合はステップ７１１にジャンプする。充電中フラグがセットされていない場合はステップ７０８に戻る。
【００２７】
ステップ７１５において、電源スイッチ４ｂがオンされてない場合はステップ７１７にジャンプして充電完了フラグが有るか否かを判別する。充電完了フラグが有る場合は、ステップ７３０にジャンプする。充電完了フラグが無い場合は、電池パック５の電池電圧検出による満充電判別を行う（ステップ７１８）。満充電判別は電池電圧を電池電圧検出回路５１を介してマイコン６０に入力することにより行われる。電池電圧検出による満充電判別としては、周知の如く、ピーク検出、−ΔＶ検出等がある。電池パック５が満充電の場合は充電中フラグをリセットし（ステップ７２７）、充電完了フラグをセットし(ステップ７２８)、充電出力スイッチ回路３２をオフして（ステップ７２９）ステップ７３０にジャンプする。
【００２８】
ステップ７１８において満充電でない場合は、電池パック５が充電すべきでない高温か否かの判別を、電池温度検出回路５２の出力に基づいて行い(ステップ７１９)、電池パック５が高温の時は、前述と同様に再度ステップ７２７以降の処理を行う。電池パック５が高温でない場合は、引き続き電池パック５に内蔵されている温度素子５ｂの特性から電池温度検出回路５２の出力に基づいて所定サンプリング幅の電池温度勾配を演算し、その温度勾配が所定値以上の場合は満充電と判別する周知のｄＴ／ｄｔ検出による満充電判別を行う（ステップ７２０）。電池パック５の温度勾配が所定値以下の場合はステップ７３０にジャンプする。所定値以上の温度勾配を検出した場合電池パック５は満充電と判別し、前述と同様に再度ステップ７２７以降の処理を行う。
【００２９】
ステップ７１０において、電池パック５が充電中すなわち充電中フラグが有りと判断した場合、すなわちここでは、充電中に電源スイッチ４ｂが一度オンされ、その後電源スイッチ４ｂがオフされた時、負荷電流零カウンタをスタートし（ステップ７２１）、次いで負荷電流零の状態が連続してすなわち電動工具４の連続未使用時間が所定時間経過したか否かを判別すなわち連続で電源スイッチ４ｂがオフされているか否かを判別し（ステップ７２２）、所定時間経過した時は、電池パック５の充電を再開すべく、ステップ７１１にジャンプする。なおこの所定時間は、例えば満充電判別のための電池電圧や電池温度のサンプリング時間または電動工具４の実際の使用形態を考慮して設定するのが望ましく、一例を挙げれば１分である。
【００３０】
ステップ７２２において、負荷電流零の状態が連続で所定時間経過していない場合は、充電出力スイッチ回路３２に充電不許可信号を出力し（ステップ７２３）、次いで電池パックフラグが有るか否かを判別し（ステップ７２４）、フラグがない場合はステップ７３０にジャンプし、電池パックフラグが有る時は、充電中に電源スイッチ４ｂが一度オンされ、充電を行っていない状態でも連続的に満充電判別をすべく、電池パック５が充電すべきでない高温か否かの判別を電池温度検出回路５２の出力に基づいて行い(ステップ７２５)、電池パック５が高温の時は、前述と同様に再度ステップ７２７以降の処理を行う。電池パック５が高温でない場合は、引き続き電池パック５に内蔵されている温度素子５ｂの特性から電池温度検出回路５２の出力に基づいて所定サンプリング幅の電池温度勾配を演算し、その温度勾配が所定値以上の場合は満充電と判別するｄＴ／ｄｔ検出による満充電判別を行う（ステップ７２６）。ステップ７２６において電池パック５の温度勾配が所定値Ｋ以下の場合は、ステップ７３０にジャンプする。所定値Ｋ以上の温度勾配を検出した場合は、電池パック５は満充電と判別し、前述と同様に再度ステップ７２７以降の処理を行う。
【００３１】
ステップ７３０において、記憶データである３６サンプリング前までの電池温度Ｔi-36、Ｔi-35、……、Ｔi-01を、Ti-35→Ti-36、Ti-34→Ti-35、………、Tin→Ti-01にそれぞれの記憶データを１サンプリング前の記憶エリアに移し替え、充電中フラグが有るか否かを判別し、無い場合はステップ７０３に戻る。ステップ７０３において充電中フラグが有る場合は、充電初期設定終了フラグが有るか否かを判別し（ステップ７３２）、有る場合はステップ７３７にジャンプする。ステップ７３２において、充電初期設定終了フラグが１でない場合は、冷却ファン制御回路９０により冷却ファン９１を作動させ（ステップ７３３）、所定の充電電流Ｔに制御すべく、電圧・電流設定回路２２に信号を出力し（ステップ７３４）、充電初期設定終了フラグをセットし（ステップ７３５）、サンプリングタイマをスタート（ステップ７３６）させる。
【００３２】
サンプリング時間経過したか否かを判別し（ステップ７３７）、サンプリング時間経過した場合は再度サンプリングタイマをスタートさせる（ステップ３７８）。続いて現在の電池温度Ｔｉｎを電池温度検出回路５２より検出し（ステップ７３９）、現在の電池温度Ｔｉｎから３６サンプリング前の電池温度Ｔｉ−３６を引いた値を電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）として演算・記憶する（ステップ７４０）。次にｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）が負であるか否かを判別し（ステップ７４１）、負である場合は、まだ３６サンプリングの時間が経過していない（ステップ７０１又は７０５におけるイニシャルセット時にはＴｉ−３６←∞であるので、３６サンプリング経過していない時は、Ｔｉｎ−Ｔｉ−３６の演算は負となる）ので、次の処理をスキップしステップ７４５にジャンプする。ステップ７４１において電池温度勾配が負でない場合は、電池温度勾配最小値ｄＴ／ｄｔ（ＭＩＮ）が現在の電池温度勾配ｄＴ／ｄｔ（ｉｎ）より大きいか否かを判別する（ステップ７４２）。
【００３３】
電池温度勾配最小値dT/dt(MIN)が現在の電池温度勾配dT/dt(in)より小さい場合は、電池温度勾配最小値dT/dt(MIN)を更新せずにステップ７４５にジャンプする。大きい場合は、負荷電流零または負荷電流検出後所定時間Ｕ経過していないか否かを判別する（ステップ７４３）。ステップ７４３において負荷電流零または負荷電流検出後所定時間Ｕ経過していない場合は、充電中の発熱とは無関係に電池温度勾配が低下するため、冷却効果の無い電池パック５を冷却効果が有ると誤判別してしまう恐れがあるため電池温度勾配最小値dT/dt(MIN)を更新せずにステップ７４５にジャンプする。ステップ７４３において負荷電流零でない場合または負荷電流検出後所定時間Ｕ経過している場合は、電池温度勾配最小値dT/dt(MIN)を更新する（ステップ７４４）。次いで、電流切換え終了フラグが有るか否かを判別し（ステップ７４５）、有る場合はステップ７０３に戻る。無い場合は冷却効果有りフラグが有るか否かを判別し（ステップ７４６）、有る場合はステップ７５０にジャンプする。無い場合は現在の電池温度Ｔinが４５℃を超えているか否かを判別し（ステップ７４７）、４５℃未満の場合はステップ７０３に戻る。４５℃を超えている場合は電池温度勾配最小値dT/dt(MIN)がＱを超えているか否かを判別する（ステップ７４８）。Ｑを超えている場合は冷却効果が無いと判別し、冷却効果が無い場合に電池パック５の発熱を抑制し充電を無理なく行える所定の充電電流Ｓ（Ｔ＞Ｓ）に制御すべく、電圧・電流設定回路２２に信号を出力し（ステップ７５２）、電流切換え終了フラグをセットして（ステップ７５３）ステップ７０３に戻る。ステップ７４８において電池温度勾配最小値dT/dt(MIN)がＱ以下の場合は冷却効果あると判別し、冷却効果有りフラグをセットし（ステップ７４９）、現在の電池温度Ｔinが５０℃を超えているか否かを判別し（ステップ７５０）、５０℃を超えている場合は冷却効果が有る場合に電池パック５の発熱を抑制し充電を無理なく行える所定の充電電流Ｒ（Ｔ＞Ｒ＞Ｓ）に制御すべく、電圧・電流設定回路２２に信号を出力し（ステップ７５１）、電流切換え終了フラグをセットし（ステップ７５３）、ステップ７０３に戻る。
【００３４】
図４は本発明によって充電された電池パック５の電池電圧、電池温度、電池温度勾配及び充電電流を関係を示すグラフで、電動工具使用後の充電再開から所定時間電池温度勾配値を更新しないようにすることにより、冷却効果有無を正確にの判別できるようになって、上記した充電の早切れを起すことがなくなり、その後の満充電を確実かつ正確に検出して充電を停止していることを示している。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明により、正確な冷却効果の判別を行うことにより適切な充電を行いるようになり、電池パックの長寿命化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明直流電源装置の充電制御説明用グラフ。
【図２】本発明直流電源装置の充電制御説明用グラフ。
【図３】本発明直流電源装置の充電制御説明用グラフ。
【図４】本発明直流電源装置の充電制御説明用グラフ。
【図５】本発明直流電源装置の一実施形態を示す斜視図。
【図６】本発明直流電源装置の一実施形態を示すブロック図
【図７】本発明直流電源装置の動作説明用フローチャート。
【図８】本発明直流電源装置の動作説明用フローチャート。
【符号の説明】
２は電源装置本体、３はアダプタ組、４は電動工具、５は電池パック、１０はスイッチング電源、２０は電源出力制御手段、３０は電源出力切り換え手段、４０は電源出力検出手段、４３はトリガ検出回路、５０は電池状態検出回路、５２は電池温度検出回路、６０はマイコン、９１は冷却ファンである。

Claims

着脱可能な電池パックを電源とするコードレス電動工具に着脱可能なアダプタを備えたケーブルを介して直流電圧を供給すると共に、コードレス電動工具未使用時に電池パックを充電するものであって、電池パックを冷却する冷却手段と、電池温度を検出する電池温度検出手段と、電池温度検出手段の出力に基づいて電池温度を記憶する電池温度記憶手段と、電池温度検出手段及び電池温度記憶手段の出力に基づいて電池温度勾配を演算する電池温度勾配演算手段と、電池温度勾配演算手段の出力に基づいて電池温度勾配を記憶する電池温度勾配記憶手段とを有し、前記電池温度が所定の値に達するまでの前記電池温度勾配の最小値により、電池パックの冷却効果の有無を判別して充電電流を設定する充電機能付き直流電源装置であって、
コードレス電動工具を使用して充電が行われていない時及びコードレス電動工具使用後の充電再開から所定時間が経過するまでは、冷却効果を判別するための電池温度勾配の最小値を更新しないことを特徴とする充電機能付き直流電源装置。