JP5422094B2 - 電池群を有するバッテリパックの過放電防止方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池群を有するバッテリ（蓄電池）パック、特にバッテリ駆動式手持ち工具装置のための過放電防止に関する。

欧州特許第７４３７３６号明細書（特許文献１）には、モータ制御装置に統合した、バッテリパックの充電残量状態のための制御回路を有するバッテリ駆動式手持ち工具装置が記載されており、この制御回路は、充電残量が所定の閾値を下回ると、バッテリパックまたはバッテリ駆動式手持ち工具装置を停止させる。
欧州特許第７４３７３６号明細書

バッテリパックに過放電が生じると、最も容量の少ない電池は極性逆転を生じる。従って、ある１個の電池が過放電を生じることによって、バッテリパック全体が破壊されてしまう場合がある。これを阻止するため、過放電を防止する場合、個別の電池それぞれに電圧監視装置を設けることによって閾電圧を下回ったことを検出することができるが、この方法は、バッテリが多くの電池を有する場合、非経済的なほどに配線コストが高くなってしまう。従って、通常、複数個の電池群の絶対電圧をそれぞれチェックするようにし、これによって、配線コストを、経済的に合理的でより少ない、電池群の個数に削減する。しかし、これでは個別の電池を直接個別に把握することができないので、個別の電池の極性逆転を阻止するのは非常に困難である。

さらに、米国特許第６０２０７４３号明細書（特許文献２）には、充電プロセス時に、同一個数の電池を備える２個の直列接続した電池群の相互間における電圧差の経時変化を測定するバッテリパックが記載されている。バッテリパックの経時的充電残量増加に基づく充電方法は、充電残量が電力消費機器によって経時的に減少する放電プロセスにおける過放電防止には適用することがでできない。
米国特許第６０２０７４３号明細書

本発明の目的は、放電過程において電池それぞれの極性逆転を確実に防止する、電池群を有するバッテリパックのための過放電防止方法および装置を得ることにある。

この目的は、基本的に独立請求項に記載の特徴によって達成される。好適な実施態様を従属請求項に示す。

すなわち、本発明は、ある１個の最も能力が低下した電池の極性逆転によるバッテリパックの過放電を確実に阻止する、直列接続した電池群を有するバッテリパック用の過放電防止方法において、最も能力の低い電池の極性逆転の可能性を示唆する事象を検出する継続的に繰り返される差分測定ステップを有し、このステップにおいて、個数が同一の２個の電池群間における電圧差分の経時変動が差分閾値を数値的に越えているかどうかをチェックするとともに、この差分閾値によって、一方の電池群におけるある１個の最も能力が低下した電池の急激な極性逆転を、ある１個の最も能力が低下した電池の極性逆転が発生しない場合の通常の特性曲線上における双方の電池群間における電圧差分の緩慢な変動とは確実に区別することを特徴とする。

バッテリパックの双方の電池群に同様の負荷がかかる場合に、電池群ごとそれぞれある１個の群内電池の極性逆転が同時に発生することは極めてまれであるため、ループにおいて、差分測定値を経時的に評価することによって、バッテリパックごとちょうど１個の電池の（始まりつつある）極性逆転を確実に検出することができる。また、電池の極性逆転自体は、確かに比較的急激なプロセスであるものの、時間連続的なプロセスでもあるので、過放電が防止されることによって、極性逆転がいまだ可逆的な領域においてバッテリパックのさらなる放電を阻止し、再び自己修復または関連する既知の再生方法によるバッテリパックの能力回復が可能になる。

好適な実施の形態においては、差分閾値を０．２Ｖ〜１．０Ｖの範囲（電池の個数および技術、例えばニッケル‐金属‐水素（NiMH）、ニッカド（NiCd）またはリチウムイオン(Li-Ion)、リチウムポリマー（Li-Polymer）、に依存する）の値とする。これによって、双方の電池群間における電圧差分の緩慢な変動をきわめて確実に抑制する一方で、始まりつつある極性逆転がいまだ可逆的な領域において確実に検出することができる。

差分測定ステップを、０．１ｓ〜１０ｓの範囲の差分ステップ間隔で周期的に繰り返されると好適であり、この差分ステップ間隔を１ｓとするとさらに好適である。これによって、比較的速く進行する始まりつつある極性逆転が、適時にいまだ可逆的な領域において確実に検出される。

極性逆転の可能性を示唆する事象を検出する継続的に繰り返されるさらに他の絶対測定ステップにおいて、バッテリパックの総電圧および／または双方の電池群の群電圧が絶対閾値を下回っているかどうかをチェックすると好適である。これによって、さらに、セルの極性逆転の可能性が累積的に過度に高まるのが、確実に阻止される。

差分測定ステップおよび随意に絶対測定ステップを前提として、これらステップの後に続く分離ステップにおいて、極性逆転の可能性を示唆する事象が発生した場合に、バッテリパックを電気的に電力消費機器から分離させると好適である。これによって、ユーザーが介在する操作とは関係なく過放電が阻止される。

過放電防止のための制御回路をバッテリパックに内蔵すると好適であり、マイクロコントローラに統合されているとさらに好適である。これによって、量産品として安価に製造することができる。

バッテリパックは、５〜２０の範囲の個数とした同一個数の電池を備える２個の直列接続した電池群を有するものとすると好適であり、この同一個数をちょうど１５にするとさらに好適であり、また、電池群の個数をちょうど２個にするとさらに好適である。これによって、０．５Ｖ〜４．０Ｖ（Li-Ion）の範囲のバッテリタイプに応じた電圧によって、高出力のバッテリ駆動式手持ち工具装置の作動に必要な例えば１８Ｖまたは３６Ｖの高い作動電圧を得ることができる。

あるいは、過放電防止ための制御回路を、それぞれ同一個数の電池を備える２個の、さらに好適にはちょうど２個の直列接続した電池群の電気的な中間に配置した中間給電接点を有する付属バッテリパックと、駆動用電動モータとを有するバッテリ駆動式手持ち工具装置のモータ制御装置に内蔵すると好適である。これによって、特にモータ制御装置の出力スイッチ素子（リレーまたは出力半導体）が利用可能になり、従って、それ自体は過放電防止装置を有しない簡単なバッテリパックが使用可能になる。

次に、本発明の好適な実施例について図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す単体のバッテリパック１は、それぞれ１．２Ｖ（負荷電流Ｉ_Ｌに応じて０．５Ｖ〜１．２Ｖの間で変動する）の電池電圧Ｕ_Ｚ（図３参照）を有するＸ＝１５個の個別のニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池３からなるちょうど２個の直列に接続した電池群２ａ，２ｂを有する。さらに、バッテリパック１は、マイクロコントローラの形式として構成し、かつバッテリパック１に内蔵した制御回路４を有する。この制御回路４は、過放電防止のためプログラム制御する処理アルゴリズム５と、統合された半導体出力スイッチの形式として構成した出力スイッチ素子６とを有する。

図２に示す他の実施例におけるバッテリパック１′は中間給電接点１９を有し、この中間給電接点１９は、それぞれ１．２Ｖの電池電圧Ｕ_Ｚ（図３参照）を有するＸ＝１５個の個別のニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）電池３からなるちょうど２個の直列接続した電池群２ａ，２ｂ間の中間電圧をタップ（接続）する。このバッテリパック１′は、電力消費機器として電動モータ２０を有する３６Ｖバッテリ駆動式手持ち工具装置７に接続する。過放電防止装置として機能する制御回路４′は、全体として、プログラム制御する処理アルゴリズム５′と、リレーの形式として構成した電子的に制御する出力スイッチ素子６とを有するバッテリ駆動式手持ち工具装置７におけるマイクロコントローラ制御のモータ制御装置を完備する。

図３に示す放電プロセスの電圧Ｕ‐時間ｔグラフに示されるように、最も能力の弱まった単独の電池３（図１、図２参照）の極性逆転を確実に防止することによって、個数的に同一の直列接続した２個の電池群２ａ，２ｂ（図１、図２参照）を有するバッテリパック１′の過放電を防止するための方法は、極性逆転の可能性を示唆する事象Θを正確に検出することに基づく。第１電池群電圧Ｕ_Ｉは、電池電圧Ｕ_Ｚに相当する急激な電圧変化を伴う最も能力が弱まった電池３（図１、図２参照）によって誘発される急激な極性逆転プロセスを示す。極性逆転の可能性を示唆する事象Θを検出するにあたって、電池群２ａ，２ｂ（図１、図２参照）それぞれが有する双方の電池群電圧Ｕ_Ｉ、Ｕ_ＩＩの差分の経時変動が、定期的に順次連続する差分ステップ間隔Ｔ＝１ｓの間に、（負荷電流Ｉ_Ｌに反比例する）差分閾値Ｓ_Ｄ＝０．８Ｖを値的に越える場合、または、ゆっくりと変化する電池群電圧Ｕ_Ｉ、Ｕ_ＩＩが、絶対閾値Ｓ_Ａ＝０．７Ｖ×電池３の個数／電池群２ａ，２ｂの個数を絶対的に下回る場合に、それぞれ、極性逆転の可能性を示唆する事象Θを検出する。

図４に示すプログラム制御する処理アルゴリズム５′（図１、図２参照）は、極性逆転の可能性を示唆する事象Θを検出するループ内で複数回継続的に繰り返される差分測定ステップ８を含む。この差分測定ステップ８では、差分測定モジュール９において定期的に順次連続する差分ステップ間隔Ｔの間における双方の電池群電圧Ｕ_Ｉ、Ｕ_ＩＩの差分の値の経時変動を決定するとともに、差分比較器１０で、差分閾値Ｓ_Ｄと比較し、その際、閾値越えがある場合にはその現象Θの時点を信号化する。さらに、極性逆転の可能性を示唆する事象Θを検出する別の継続的に繰り返される絶対測定ステップ１１では、絶対測定モジュール１２で、双方の電池群２ａ，２ｂ（図１、図２参照）電池群電圧Ｕ_Ｉ、Ｕ_ＩＩ、ならびにその和の２分の１を個別に決定するとともに、絶対比較器１３で絶対閾値Ｓ_Ａを下回っているか検査し、その際、下回っている場合にはその現象Θの時点を信号化する。現象Θの時点の信号発生という条件下でのみ実行される後続の分離ステップ１４において、出力スイッチ素子６′（図２参照）に対するスイッチ信号により、バッテリパック１′（図１、図２参照）を、電力消費機器（図２における手持ち工具装置７）から電気的に分離する。

本発明過放電防止装置を内蔵したバッテリパックの説明図である。 本発明過放電防止装置を内蔵したバッテリ駆動式手持ち工具装置の説明図である。 バッテリパックの放電に関連するグラフである。 過放電を防止する方法のフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリパック
２ 電池群
３ 電池
４ 制御回路
５ 処理アルゴリズム
６ 出力スイッチ素子
７ バッテリ駆動式手持ち工具装置
８ 差分測定ステップ
９ 差分測定モジュール
１０ 差分比較器
１１ 絶対測定ステップ
１２ 絶対測定モジュール
１３ 絶対比較器
１４ 分離ステップ
１９ 中間給電接点
２０ 電動モータ

Claims (7)

1. 最も能力が低下した１個の電池（３）の極性逆転によるバッテリパック（１）の過放電を確実に阻止する、直列接続した電池群（２ａ，２ｂ）を有するバッテリパック（１）のための過放電防止方法において、最も能力が低下した電池（３）の極性逆転の可能性を示唆する事象（Θ）を検出する継続的に繰り返される差分測定ステップ（８）を行い、このステップにおいて、個数が同一の２個の電池群（２ａ，２ｂ）間における電圧差分の経時変動が差分閾値（Ｓ_Ｄ）を数値的に越えているかどうかをチェックするとともに、この差分閾値（Ｓ_Ｄ）によって、一方の電池群（２ａ，２ｂ）におけるある１個の最も能力が低下した電池（３）の急激な極性逆転を、ある１個の最も能力が低下した電池（３）の極性逆転が発生しない場合の通常の特性曲線上における双方の電池群（２ａ，２ｂ）間における電圧差分の緩慢な変動とは確実に区別し、
   前記差分測定ステップ（８）を、０．１ｓ〜１０ｓの範囲の差分ステップ間隔（Ｔ）で周期的に繰り返すことを特徴とする過放電防止方法。
2. 前記差分閾値（Ｓ_Ｄ）を、０．５Ｖ〜１．０Ｖの範囲の値としたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 極性逆転の可能性を示唆する事象（Θ）を検出する継続的に繰り返されるさらに他の絶対測定ステップ（１１）において、前記バッテリパック（１）の総電圧および／または双方の前記電池群（２ａ，２ｂ）の電池群電圧（Ｕ_Ｉ，Ｕ_ＩＩ）が絶対閾値（Ｓ_Ａ）を下回っているかどうかをチェックすることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記差分測定ステップ（８）および随意に絶対測定ステップ（１１）を前提として、これらステップの後に続く分離ステップ（１４）において、極性逆転の可能性を示唆する事象（Θ）が発生した場合に、前記バッテリパック（１）を電気的に電力消費機器から分離することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の方法。
5. それぞれ同一個数の電池（３）を備える２個の直列接続した電池群（２ａ，２ｂ）を有するバッテリパックにおいて、
   請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法を実行する制御回路（５）を内蔵したことを特徴とするバッテリパック。
6. それぞれの電池群（２）に含まれる電池（３）の前記同一個数を、５と２０との間の個数としたことを特徴とする請求項５に記載のバッテリパック。
7. それぞれ同一個数の電池（３）を備える直列接続した２個の電池群（２ａ，２ｂ）の電気的な中間に配置した中間給電接点（１９）を有する付属バッテリパック（１’）と、駆動用電動モータ（２０）とを有するバッテリ駆動式手持ち工具装置において、前記電動モータ（２０）のモータ制御装置に、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の方法を実行する制御回路（５’）を完備したことを特徴とするバッテリ駆動式手持ち工具装置。
   

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