JP5488877B2

JP5488877B2 - 電動工具

Info

Publication number: JP5488877B2
Application number: JP2009215124A
Authority: JP
Inventors: 祥和河野; 信宏高野; 栄二中山; 健朗石丸; 治久藤澤; 圭太齋藤
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: WO2011034201A1; JP2011067004A

Description

本発明は、複数の２次電池からなる電池パックを用いた電動工具に関する。

コードレス電動工具を駆動する電源として、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池（以下、ニカド電池と称す）、或いは、高容量化および軽量化されたリチウムイオン電池が使用されている。セル公称電圧は、ニカド電池及びニッケル水素電池では１．２Ｖであるのに対して、リチウム電池のセル公称電圧は、３．６Ｖであり、ニッケル水素電池やニカド電池と比較すると約３倍高い。また、リチウム電池のエネルギ密度は、ニカド電池の約３倍という性能を持ちながらも小形軽量であるという特徴を有する。更に、リチウム電池は、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能であり、広い温度範囲で安定した電池電圧を得ることができる。

一方、従来から用いられている定格電圧が１２Ｖのコードレス電動工具に対し、多くの機種で、セル公称電圧が１．２Ｖのニカド電池又はニッケル水素電池を直列に１０本接続した電池組が用いられている。この電池組をリチウム電池だけで構成する場合、リチウム電池のセル公称電圧は３．６Ｖであるために、リチウム電池を直列接続して得られる電圧は、３．６Ｖの倍数となって１２Ｖにはならず、リチウム電池だけでは、コードレス電動工具に対応する電池パックを実現することができなかった。そこで、リチウム電池にニカド電池やニッケル水素電池を組み合わることにより、１２Ｖの電池パックを構成する方法が提案されている（特許文献１）。

また、リチウム電池の出力電圧を変更するために、リチウム電池に電圧変換器を接続して電池パックからの出力電圧をセル公称電圧の３分の１に落とすことによって、リチウム電池に汎用の一次電池との互換性を持たせる方法も提案されている（特許文献２）。

特開２００５−１６０２３３号公報特開平１１−１８５８２４号公報

リチウム電池は、電池の充電制御方式がニカド電池又はニッケル水素電池とは異なり、さらに、電池の容量や自己放電レベルも異なる。従って、リチウム電池にニカド電池又はニッケル水素電池を組み合わせて電池組を構成する場合、これらの違いに対処するために、複雑な充電制御や自己放電制御が必要になる。

また、電動工具は、定格電圧が例えば１２Ｖと汎用の一次電池の出力電圧と比較してかなり高い。従って、特許文献２記載の電圧変換器を内蔵する電池パックは、出力電圧が低いために、電動工具を駆動させることは難しい。

本発明の目的は、上記問題点を鑑み、電動工具本体が使用可能な電圧を給電可能な電池パックを用いた電動工具を提供することである。

請求項１記載電動工具は、複数の素電池からなる電池パックからの電力によって駆動されるモータを備えた電動工具であって、前記電池パックからの出力電圧を制御する制御部と、前記モータの使用可能電圧を示す電圧仕様情報を提供する電圧仕様情報提供手段と、を有し、前記制御部は、前記電圧仕様情報提供手段から前記電圧仕様情報を取得し、取得した前記電圧仕様情報に応じて前記出力電圧を制御することを特徴とする。

請求項２記載の電動工具は、請求項１に記載の電動工具であって、前記制御部は、前記素電池と直列に接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記電圧仕様情報に応じて前記スイッチング動作を制御することを特徴とする。

請求項３記載の電動工具は、請求項２に記載の電動工具であって、前記制御手段は、前記スイッチング素子のデューティ比を設定することを特徴とする。

本発明による電池パックと電動工具本体との回路図を示す。図１に示す電池パックの放電とその制御を行うフローチャートを示す。電圧識別信号の電圧値と電動工具本体の電圧仕様の関係を示す表である。図１に示す電池パックを充電する充電器の回路図を示す。本発明による電池パックと電動工具との他の構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１において、電動工具１０は、電池パック１０１と、使用可能電圧がＶ_Ｓの電動工具本体２０１とからなる。

電池パック１０１は、電池組１３０と、保護回路１０２と、スイッチング手段１４０と、電源供給部１５０と、電池電圧検出手段１６０と、サーミスタ１０７と、電動工具電圧仕様検出部１７０と、制御手段としてのマイコン１２６とを有する。電池組１３０は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池を素電池とする４つの電池セル１０３，１０４，１０５，１０６が直列に接続されて構成される。電池組１３０は、高電位側の端子Ｐが電池パック１０１の高電位側の出力端子Ｔ_Ｈに接続され、低電位側の端子Ｑが電池パックの低電位側の出力端子Ｔ_Ｌに接続されている。

保護回路１０２は、各電池セル１０３，１０４，１０５，１０６のセル電圧を監視する。保護回路１０２は、電池組１３０の放電中に、少なくとも１つの電池セルのセル電圧が所定の電圧値以下になって過放電が生じていると判断する場合は、電池セルの過放電を知らせる過放電信号をマイコン１２６の入力ポートＦに向けて出力する。また、保護回路１０２は、電池組１３０の充電中に少なくとも１つの電池セルに過充電が生じたときに、電池セルの過充電を知らせる過充電信号ＬＥを出力する。

スイッチング手段１４０は、スイッチング素子１２４と抵抗１２２、１２３とからなる。スイッチング素子１２４は、電池組１３０の低電位側の端子Ｑと出力端子Ｔ_Ｌとの間に接続されている。スイッチング素子１２４は、ＦＥＴからなり、マイコン１２６の出力ポートＥから抵抗１２２を介して送られてくるスイッチング信号によって、電池組１３０の放電路の電動工具本体２０１への電気的接続を周期的にオン・オフさせるスイッチング動作を行う。

電源供給部１５０は、スイッチング素子１１０、１１１と、レギュレータ１１６と、ダイオード１２０、１２１と、抵抗１０８、１０９、１１８、１１９と、コンデンサ１１５，１１７とを有する。

スイッチング素子１１０、１１１は、それぞれＦＥＴからなる。スイッチング素子１１０は、端子Ｐとマイコン１２６の入力ポートＡとの間に接続されて、電池組１３０からマイコン１２６への給電のオン・オフを行う。スイッチング素子１１０のゲート端子にハイレベルのスイッチング信号が印加されると、スイッチング素子１１０はオンになり、電池組１３０からの電力をマイコン１２６へ中継する。さらに、スイッチング素子１１０と入力ポートＡとの間には、レギュレータ１１６が接続されている。レギュレータ１１６は、電池組１３０を電源とする所定電圧をマイコン１２６に出力する。

スイッチング素子１１１は、端子Ｑとスイッチング素子１１０のゲート端子との間に接続されて、スイッチング端子１１０のオン・オフを行う。スイッチング素子１１１は、端子ＴＬを介してダイオード１２１及び抵抗１１９を介して流れ込む電流によって誘起される電圧、或いは、マイコン１２６の出力ポートＤからダイオード１２０及び抵抗１１９を介して送られてくるハイレベルのスイッチング信号が印加されるとオンになる。

電池電圧検出手段１６０は、抵抗１１２、１１３とコンデンサ１１４とからなり、電池組１３０の電池電圧Ｖ_０を検出する。検出された電池電圧は、マイコン１２６のポートＢに入力される。

サーミスタ１０７は、抵抗１２５と直列に接続されて、電池電圧Ｖ_０を抵抗１２５と分圧することによって生成される電圧値を電池温度信号ＬＳとして生成する。この電池温度信号ＬＳは、マイコン１２６の入力ポートＣに入力され、マイコン１２６は、電池パック１０１の温度を検出する。

電動工具電圧仕様検出部１７０は、抵抗１２７を有し、電動工具本体２０１の使用可能電圧Ｖ_Ｓに対応する電圧識別信号Ａを生成する。

マイコン１２６は、電池組１３０の電池電圧Ｖ_０に対するスイッチング素子１２４のスイッチング動作によって得られる電池パック１０１の平均出力電圧が、電動工具本体の使用可能電圧Ｖ_Ｓと一致するように、スイッチング素子１２４のスイッチング動作のデューティ比Ｒを設定する。そして、設定されたデューティ比Ｒに対応したスイッチング信号を出力ポートＥからスイッチング素子１２４に向けて出力する。また、電池組１３０の放電の継続により電池組１３０の電池電圧Ｖ_０が低下する場合は、デューティ比Ｒを変更させることによって、電池パック１０１の平均出力電圧を一定に維持する。

電池セルに過放電が生じた場合、マイコン１２６は、スイッチング素子１２４へのスイッチング信号をローレベルに変更してスイッチング素子１２４をオフにしてその状態を維持することによって、電池組１３０の放電を遮断する。このとき、同時に、マイコン１２６は、スイッチング素子１１１に対してローレベルの信号を出力してスイッチング素子１１１とスイッチング素子１１０とをオフにすることで、マイコン１２６自身への給電も遮断する。

ダイオード１２８は、アノードが出力端子ＴＬに接続されるように、出力端子Ｔ_Ｈ，Ｔ_Ｌの間に接続されている。

一方、電動工具本体２０１は、高電位側の接続端子Ｒ_Ｈと、低電位側の接続端子Ｒ_Ｌとの間に、モータ２０２と、トリガースイッチ２０３とが直列に接続されている。接続端子Ｒ_Ｈは、電池パック１０１の出力端子Ｔ_Ｈと接続され、接続端子Ｒ_Ｌは、電池パック１０１の出力単位Ｔ_Ｈと接続される。さらに、電動工具本体２０１は、電圧仕様情報提供手段としての抵抗２０４を有し、抵抗２０４は、使用可能電圧としての電動工具本体２０１の電圧仕様Ｖ_Ｓに対応した抵抗値を有する。

次に、電池パック１０１が電動工具本体２０１へ放電する動作について、図２のフローチャートに沿って説明する。

電池パック１０１が電動工具本体２０１に装着された後、電動工具本体２０１のトリガースイッチ２０３がオンとされると、電池組１３０から出力された電流は、出力端子Ｔ_Ｈ、電動工具本体２０１の接続端子Ｒ_Ｈ、モータ２０２、トリガスイッチ２０３を通過して、電池パック１０１の低電位側の出力端子Ｔ_Ｌに流れ込む（ステップ４０１）。このとき、スイッチング素子１２４は、オフ状態であるため、電流は、ダイオード１２１、抵抗器１１９を通ってスイッチング素子１１１のゲート端子に流れ込む。この電流によって誘起された電圧によって、スイッチング素子１１１はオン状態になる。

スイッチング素子１１１がオン状態になると、それに伴ってスイッチング素子１１０もオン状態に切り替わり、レギュレータ１１６に電池電圧Ｖ_０が入力される。レギュレータ１１６は、定電圧源であり、マイコン１２６に定電圧を供給する（ステップ４０２）。マイコン１２６は、給電の開始によって起動され、出力ポートＤからダイオード１２０を介してスイッチング素子１１１のゲート端子にハイレベルの信号を出力して、スイッチング素子１１１のオン状態を維持する（ステップ４０３）。スイッチング素子１１１のオン状態の維持によって、スイッチング素子１１０のオン状態も維持され、マイコン１２６は、継続して電池組１３０の充放電を制御可能となる。

また、電池パック１０１が電動工具本体２０１に装着されることによって、電動工具仕様電圧検出部１７０の抵抗１２７と電動工具本体２０１の抵抗２０４とが直列に接続される。マイコン１２６は、電池電圧Ｖ_０が直列接続された抵抗１２７、２０４によって分圧されて得られた電圧値を電圧識別信号Ａとして入力ポートＧを介して取り込む（ステップ４０４）。図３に、電圧識別信号Ａの電圧値と、電動工具本体２０１の電圧仕様との関係の一例を示す。例えば、電圧識別信号Ａの電圧値が０〜０．５Ｖであった場合、マイコン１２６は、電圧仕様が３．６Ｖの電動工具本体２０１が装着されたと判別する。また、電圧識別信号Ａの電圧値が２．５〜３．０Ｖであった場合は、マイコン１２６は、１４．４Ｖ用の電動工具本体２０１が装着されたと判別する。

次に、マイコン１２６は、電池組１３０の電池電圧Ｖ_０を測定する（ステップ４０５）。マイコン１２６は、ステップ４０４で検出した電動工具本体２０１の電圧仕様Ｖ_Ｓとステップ４０５で検出した現在の電池組１３０の電池電圧Ｖ_０とから、スイッチング素子１２４のスイッチング動作のデューティ比を以下の式を用いて算出する（ステップ４０６）。

デューティ比＝（電動工具本体の電圧仕様／実際の電池組の電池電圧）×１００％

次に、マイコン１２６は、ステップ４０６で設定したデューティ比のスイッチング信号を、抵抗器１２２を介してスイッチング素子１２４のゲート端子に入力する。このスイッチング信号によって、スイッチング素子１２４は、スイッチング動作を開始し、スイッチング信号がハイレベルの時はオンとなり、ローレベルの時はオフとなる。このスイッチング動作によって、電池組１３０からの出力電圧は、デューティ比に応じて平均化されて電動工具本体２０１に印加される（ステップ４０７）。このとき、電池パック１０１から出力される平均電圧は、電池電圧Ｖ_０ではなく、電動工具本体２０１の電池仕様と一致する。

次に、マイコン１２６は、保護回路１０２からの過放電信号の有無を検出する（ステップ４０８）。過放電信号が検出された場合は（ステップ４０８：ＹＥＳ）、ステップ４１１に進む。過放電信号が検出されない場合は（ステップ４０８：ＮＯ）、ステップ４０９に進む。

ステップ４０９で、マイコン１２６は、電池パック１０１の温度を測定する。電池パック１０１の温度が所定値以上である場合は（ステップ４０９：ＹＥＳ）、ステップ４１１に進む。電池パック１０１の温度が所定値未満である場合は（ステップ４０９：ＮＯ）、ステップ４１０に進む。

ステップ４１０において、マイコン１２６は、スイッチング素子１２４のスイッチング動作を開始してから１時間が経過したかどうかの判別を行う。スイッチング動作を開始してから１時間が経過しているときは（ステップ４１０：ＹＥＳ）、ステップ４１１に進む。スイッチング動作を開始してから１時間を経過していないときは（ステップ４１０：ＮＯ）、ステップ４０３へ戻り、電池パック１０１の出力電圧の制御及び電池パック１０１の状態の監視を継続する。

一方、マイコン１２６の判別がステップ４１１に進んだ場合は、スイッチング素子１２４をオフ状態にして電池パック１０１から電動工具本体２０１への放電を停止する（ステップ４１１）。さらに、マイコン１２６は、スイッチング素子１１１に出力していたハイレベルの信号をローレベルの信号に切り替えることによって、スイッチング素子１１１をオフにする（ステップ４１２）。スイッチング素子１１１のオフにより、スイッチング素子１１０もオフになるので、マイコン１２６への給電が停止される。

なお、図２に示すフローチャートにおいて、ステップ４０３からステップ４１２までの各ステップは、マイコン１２６によって行われる。

次に、図４に、電池パック１０１を充電する充電器３０１を示す。充電器３０１は、主に、電池パック１０１に充電電流を供給する充電回路３０２と、電池パック１０１への充電動作を制御する制御回路３０３とを有する。制御回路３０３は、電池パック１０１から送られてくる過充電信号ＬＥと電池温度信号ＬＳとに基づいて、充電中の電池パック１０１の過充電の発生と温度とを監視する。保護回路１０２から過充電信号ＬＥが出力された時は、制御回路３０３は、直ちに充電回路３０２に信号を送って、電池パック１０１の充電を停止させる。

電池パック１０１の充電が開始されると、電池パック１０１の放電開始直後と同様に、スイッチング素子１１０がオンしてマイコン１２６が起動される。マイコン１２６は、電圧識別信号Ａが入力されないことから、電池パック１０１が充電されていることを検知する。従って、スイッチング素子１２４のゲート端子に対して、ハイレベルの信号を出力して、スイッチング素子をオンにしてその状態を維持させる。従って、電池組１３０と充電回路３０２とは電気的に接続されるので、電池パック１０１は充電される。他の構成としては、充電器の内部に、充電器であることを示す識別抵抗を設け、電池パック１０１が充電器に接続されたときには、端子Ａから識別抵抗を読み取ることで、マイコン１２６は、充電器に接続されていると判断し、スイッチング素子１２４をオンするようにしてもよい。

以上のように、電池パック１０１が装着された電動工具本体２０１から電圧仕様を取得して、電圧仕様及び電池組の実際の電池電圧から求められたデューティ比で、電池組１３０に直列接続されたスイッチング素子１２４をスイッチング動作させることにより、電池パックの平均出力電圧を、電動工具本体２０１の電圧仕様と一致させることができる。従って、電池パック１０１からの給電によって、電動工具本体２０１を駆動させることができる。従って、電池組１３０の電池電圧Ｖ_０と、電動工具本体２０１の電圧仕様とが一致しない場合であっても、かかる電池パック１０１を電動工具本体２０１に装着して電池パック１０１からの給電によって、電動工具本体２０１を駆動させることができる。

また、電池パック１０１の放電中は、断続的に電池電圧Ｖ_０を検出し、電池電圧Ｖ_０を検出する度にデューティ比Ｒを算出している。従って、放電の継続により電池電圧Ｖ_０の降下が生じた場合であっても、デューティ比Ｒを変えることによって、電池パック１０１の平均出力電圧を一定に維持することができる。従って、電動工具本体２０１への定電圧の印加を維持できる。

さらに、電池パック１０１から電動工具本体２０１への放電がスイッチング素子１２４のオフによって停止されたとき、スイッチング素子１１０のオフによって、電池組１３０からマイコン１２６への給電も停止される。従って、電池パック１０１の未使用時における電池パック１０１の内部での電力消費を抑制できる。

また、電池セル１０３，１０４，１０５，１０６の過放電、或いは電池パック１０１の温度が異常なほど高温に達した場合も、電池パック１０１の放電が停止されると共に、電池パック１０１内部での電力消費も抑制される。

なお、上記実施例では、電池パック１０１は、電池組１３０と、保護回路１０２と、スイッチング手段１４０と、電源供給部１５０と、電池電圧検出手段１６０と、サーミスタ１０７と、電動工具電圧仕様検出部１７０と、マイコン１２６とを有していたが、この構成に代えて、図５に示すように構成することもできる。すなわち、電池パック１０１は、電池組１３０と、保護回路１０２と、サーミスタ１０７とを有し、電動工具本体２０１が、電源供給部１５０と、電池電圧検出手段１６０と、電動工具電圧仕様検出部１７０と、マイコン１２６とを有していても良い。電池パック１０１が、複数の電池セルの直列構成からなる場合であっても、電動工具本体２０１が自身の電圧仕様に、スイッチング素子１２４のスイッチング動作により電池パック１０１の出力平均電圧を調整することができるので、図１に示す構成と同様の作用及び効果を奏する。

また、上記実施例では、電池組１３０は、４つの電池セルが直列に接続された場合について説明したが、電池組の構成はこれに限られるものではない。この場合、図３に示した電圧識別信号Ａの電圧値と電動工具本体の電圧仕様の関係も、電池パックのセル数に適した値に変更される。さらに、電池セルは、リチウムイオン電池に限らず、リチウムイオン電池に代えて別の種類の二次電池を用いることができる。

また、ステップＳ４１０における経過時間は、電動工具１０の用途に応じて適宜に変更できる。

１０電動工具
１０１電池パック
１０３、１０４、１０５、１０６素電池
１２４スイッチング素子
１２６制御手段
１３０電池組
２０１電動工具本体

Claims

複数の素電池からなる電池パックからの電力によって駆動されるモータを備えた電動工具であって、
前記電池パックからの出力電圧を制御する制御部と、
前記モータの使用可能電圧を示す電圧仕様情報を提供する電圧仕様情報提供手段と、を有し、
前記制御部は、前記電圧仕様情報提供手段から前記電圧仕様情報を取得し、取得した前記電圧仕様情報に応じて前記出力電圧を制御することを特徴とする電動工具。
前記制御部は、前記素電池と直列に接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記電圧仕様情報に応じて前記スイッチング動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の電動工具。
前記制御手段は、前記スイッチング素子のデューティ比を設定することを特徴とする請求項２に記載の電動工具。