JP5524694B2 - 電動工具用バッテリの発熱量推定装置及び電動工具用装置 - Google Patents

電動工具用バッテリの発熱量推定装置及び電動工具用装置 Download PDF

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Description

本発明は、電動工具の電源として使用されるバッテリの発熱量を推定する発熱量推定装置、及び、この発熱量推定装置を備えた電動工具用装置に関する。
従来、電子機器の電源として使用されるバッテリは、充放電時の温度が所定の温度範囲から外れると劣化するという問題があった。
そこで、従来、バッテリからの放電電流やバッテリへの充電電流を検出し、その検出電流が所定の閾値を越えると、バッテリが発熱してバッテリ性能が劣化すると判断して、充放電を停止することが提案されている(例えば、特許文献1等参照)。
特開平6−225451号公報
しかしながら、バッテリ温度は、放電電流や充電電流だけで変化するわけではなく、これらの電流値とその電流が流れる時間とで変化する。
このため、上記従来技術では、バッテリの発熱量が少なく、バッテリが問題なく充放電できる状態であるにもかかわらず、検出電流値が閾値に達して、充放電を停止させてしまうことがあった。
また、上記従来技術では、バッテリの充電時間若しくは放電時間が長く、バッテリが高温になっているにもかかわらず、検出電流値が閾値に達しないので、バッテリへの充電若しくは放電が停止されず、バッテリが劣化してしまうこともある。
そして、特に、電動工具では、モータ等の動力源に大電流が流れ、しかも、その電流値や通電時間は、電動工具の使用状態によって大きく変化することから、上記従来技術ではバッテリを充分保護することができないという問題がある。
なお、この問題を防止するために、サーミスタ等の温度センサを用いてバッテリ温度を検出し、その検出温度が所定の過熱判定温度に達したときに、バッテリへの充放電を停止又は制限することも考えられる。
しかし、温度センサを用いて検出できるのは、バッテリの表面温度であり、バッテリの寿命に影響を与える内部温度を検出することはできないことから、温度センサを用いた過熱保護では、バッテリを充分保護することができない。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、電動工具用装置において、電動工具用バッテリの発熱量を推定して、その発熱量(換言すれば内部温度)が許容温度範囲の上限である限界温度に達するのを防止できるようにすることを目的とする。
かかる目的を達成するためになされた請求項1に記載の発明は、電動工具の電源であるバッテリに流れる充放電電流を検出する電流検出手段からの検出電流に基づき、バッテリの発熱量を推定する発熱量推定装置に関するものである。
そして、本発明の発熱量推定装置においては、演算手段が、バッテリからの放電時、若しくは、バッテリへの充電時に、電流検出手段からの検出電流を周期的に読み込み、その読み込んだ検出電流値に応じて発熱量相当値を加減算し、その発熱量相当値を、バッテリの発熱量を表す推定値として出力する。
つまり、バッテリの発熱量は、バッテリの充放電時に流れる電流と充放電時間とに応じて変化し、充放電電流が大きく充放電時間が長いほど、発熱量が大きくなる。そこで、本発明では、バッテリの充放電時に流れる電流を周期的に検出し、その検出した電流値に応じて発熱量相当値を加減算することで、バッテリの発熱量を推定するのである。
このため、本発明の発熱量推定装置によれば、バッテリの充電時若しくは放電時に流れる電流から、バッテリの発熱量(換言すれば内部温度)を正確に推定できることになる。従って、この推定値を用いてバッテリの充放電を制御するようにすれば、充放電を不必要に停止又は制限することなく、過熱によりバッテリが劣化するのを防止することができる。
また、演算手段は、加減算値設定手段を備え、加減算値設定手段にて設定された負又は正の加減算値を発熱量相当値に加算することで、発熱量相当値を更新する。そして、加減算値設定手段は、検出電流値が所定の閾値未満であるとき、検出電流値が小さいほど絶対値が大きくなるよう零を含む負の加減算値を設定し、検出電流値が所定の閾値以上であるとき、検出電流値が大きいほど値が大きくなるよう正の加減算値を設定する。
このため、本発明の発熱量推定装置によれば、発熱量相当値(推定値)は、バッテリの充電時や放電時に流れる電流に応じて、電流値が大きいほど大きく、電流値が小さいほど小さくなるよう、周期的に更新されることになり、その値から、バッテリの発熱量を正確に推定できるようになる。
ところで、バッテリの発熱量は、バッテリに流れる電流量だけでなく、バッテリの表面温度(延いては周囲温度)によっても変化し、バッテリの表面温度が低い場合には発熱量も小さくなる。このため、加減算値設定手段は、請求項2に記載のように構成してもよい。
つまり、請求項2において、加減算値設定手段は、電流検出手段から得られる検出電流値と、バッテリの温度(詳しくは表面温度若しくは周囲温度)を検出する温度検出手段からの検出温度に基づき、検出電流値が大きく、検出温度が高いほど、加減算値が大きくなるよう、加減算値を設定する。
従って、請求項2に記載の発熱量推定装置によれば、電動工具の使用状態によってバッテリの温度が大きく変化しても、その温度に応じて発熱量相当値を加減算することができるようになり、バッテリの発熱量をより正確に推定することが可能となる。
次に請求項3に記載の発明は、上述した本発明(請求項1又は請求項2)の発熱量推定装置を備えた電動工具用装置に関する発明である。
そして、請求項3に記載の電動工具用装置においては、判定手段が、発熱量推定装置にて得られたバッテリの発熱量を表す推定値が、予め設定された過熱判定用の設定値を越えたか否かを判定し、判定手段にて推定値が設定値を超えたと判断されると、保護手段が、バッテリからの放電若しくはバッテリへの充電を停止又は制限することで、バッテリを保護する。
このため、本発明の電動工具用装置によれば、充電時若しくは放電時に、バッテリの発熱量が過熱判定用の設定値を越えてしまい、バッテリが過熱により劣化若しくは破損するのを防止できる。
ここで、保護手段において、バッテリからの放電若しくはバッテリへの充電を制限する際には、請求項4に記載のように、バッテリの充・放電制御で用いられる制御閾値を補正するようにするとよい。
つまり、バッテリの放電時の制御としては、
・放電電流を所定の閾値以下に抑える放電電流制限、
・バッテリ電圧が所定の閾値以下に低下するのを防止する過放電制限、
・バッテリ温度(サーミスタ等を用いて検出される表面温度)が所定の閾値を超えるのを防止するバッテリ温度制限、
等が知られており、バッテリの充電時の制御としては、
・充電電流を所定の閾値以下に抑える充電電流制限、
・バッテリ電圧が満充電判定用の閾値に達したときに充電を停止させる過充電制限、
・バッテリ温度が所定の閾値を超えるのを防止するバッテリ温度制限、
等が知られている。
そして、請求項4に記載の電動工具用装置においては、保護手段が、こうした充放電時の制御に用いられる閾値を補正することで、バッテリの充放電時に流れる電流を制限し、バッテリの温度上昇(過熱)を抑える。
このため、請求項4に記載の電動工具用装置によれば、バッテリの発熱量が過熱判定用の設定値を越えた際に、バッテリの充放電を簡単且つ確実に制限することができるようになる。
なお、保護手段は、こうした充放電の制限に加え、充放電を停止させる制御も実行するようにしてもよい。具体的には、バッテリの発熱量が第1の設定値を越えた際に充放電を制限し、バッテリの発熱量が第1の設定値よりも大きい第2の設定値を越えた際に充放電を停止するようにするのである。そして、このようにすれば、バッテリをより確実に保護することができる。
また、保護手段は、請求項5に記載のように、バッテリからの放電時若しくはバッテリへの充電時に、判定手段にて発熱量の推定値が設定値を超えたと判断されると、次回のバッテリへの充電時若しくは次回のバッテリからの放電時に用いられる制御閾値を補正することで、次回の充電又は放電を制限するようにしてもよい。
また、本発明(請求項3〜5)の電動工具用装置は、請求項6に記載のように、バッテリが収納されたバッテリパックであっても、このバッテリパックが着脱自在に装着される電動工具本体であっても、或いは、バッテリパックが着脱自在に装着される充電器であってもよい。
実施形態の電動工具の本体にバッテリパックを装着した状態を表す側面図である。 実施形態の電動工具の本体からバッテリパックを離脱させた状態を表す側面図である。 実施形態のバッテリパック及び充電器の外観を表す斜視図である。 実施形態の電動工具の本体とバッテリパックに設けられた電子回路を表す回路図である。 実施形態のバッテリパックと充電器に設けられた電子回路を表す回路図である。 バッテリパックのMCUにて実行される放電禁止判定処理を表すフローチャートである。 図6の放電禁止判定処理の動作を説明する説明図である。 実施形態の過電流カウンタのカウント値の変化及び放電停止動作を表す説明図である。 図8に対応して従来技術による放電停止動作を表す説明図である。
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
(電動工具全体の構成)
図1は、本発明が適用された実施形態の電動工具の側面図である。
図1に示すように、本実施形態の電動工具は、所謂ドライバドリルとして構成された電動工具本体(以下単に本体ともいう)10と、本体10に着脱可能に装着されて、本体10に直流電源を供給するためのバッテリパック40とを備える。
本体10は、モータハウジング14と、モータハウジング14の前方に位置するギアハウジング16と、ギアハウジング16の前方に位置するドリルチャック18と、モータハウジング14の下方に位置するハンドグリップ20とを備えている。
モータハウジング14は、ドリルチャック18を回転駆動させる駆動力を発生する駆動モータM1(図4参照)を収容している。
ギアハウジング16は、駆動モータM1の駆動力をドリルチャック18に伝達するギア機構(図示せず)を収容している。
ドリルチャック18は、当該ドリルチャック18の前端部に工具ビット(図示せず)を着脱自在に装着する装着機構(図示せず)を備えている。
ハンドグリップ20は、電動工具の使用者が当該ハンドグリップ20を片手で把持可能に成形されている。そして、ハンドグリップ20の上部前方には、電動工具の使用者が駆動モータM1を駆動/停止するためのトリガスイッチ22が設けられている。
また、ハンドグリップ20の下端部には、バッテリパック40を着脱可能に本体10に装着ためのバッテリパック装着部24が設けられている。
より具体的には、図2に示すように、バッテリパック装着部24は、電動工具の使用者がバッテリパック40を前方に摺動させることでバッテリパック40を当該バッテリパック装着部24から離脱できるように構成されている。なお、図2は、電動工具の本体10からバッテリパック40を離脱させた様子を示す側面図である。
つまり、図3(a)に示すように、バッテリパック40の上部には、本体10のバッテリパック装着部24や、図3(b)に示す充電器80に接続するためのコネクタ部42が形成されている。また、コネクタ部42には、バッテリパック40内のバッテリや制御回路と接続するための電源端子部44及び接続端子部46が設けられている。
そして、バッテリパック40は、コネクタ部42を介して本体10のバッテリパック装着部24に装着することで、電源端子部44及び接続端子部46を介して、本体10の内部回路と電気的に接続され、本体10に直流電源を供給できるようになる(図4参照)。
また、図3(b)に示すように、充電器80の上部には、バッテリパック装着部82と、バッテリパック40への充電中等を表示するための複数の表示ランプが設けられた表示部88とが形成されている。
充電器80のバッテリパック装着部82は、バッテリパック40のコネクタ部42を下方に向けた状態で、コネクタ部42の先端部分を嵌合させて、装着方向にスライドさせることによりバッテリパック40を装着できるように構成されている。
そして、このバッテリパック装着部82には、バッテリパック40を装着した際、バッテリパック40の電源端子部44及び接続端子部46と電気的に接続される電源端子部84及び接続端子部86が設けられており、これら各端子部同士が互いに接続されることにより、充電器80からバッテリパック40へ充電できるようになる(図5参照)。
なお、本体10のバッテリパック装着部24は、充電器80と同様、バッテリパック40のコネクタ部42と嵌合可能に構成されている。
(電動工具本体10の回路構成)
次に、図4は、バッテリパック40を本体10に装着した際に、バッテリパック40と本体10とで形成される駆動モータM1制御用の回路を表す回路図である。
図4に示すように、本体10には、バッテリパック40の電源端子部44に接続するための端子として、正極側端子32A、負極側端子32Bが備えられ、同じく接続端子部46に接続するための端子として、信号端子34Aが備えられている。
正極側端子32Aは、メインスイッチSW1及び正極側電源ラインL1Aを介して、駆動モータM1の一端に接続されており、負極側端子32Bは、駆動モータM1への通電制御用のトランジスタQ1及び負極側電源ラインL1Bを介して、駆動モータM1の他端に接続されている。
本実施形態では、駆動モータM1は、ブラシ付き直流モータにて構成されており、メインスイッチSW1がオン状態であるとき、トランジスタQ1がバッテリパック40からの入力信号によりオンされることにより、通電されて、回転する。
なお、駆動モータM1には、トランジスタQ1のターンオフ時に負極側電源ラインL1Bに発生した高電圧を正極側電源ラインL1Aに戻すためのダイオード(所謂フライホイールダイオード)D1が接続されている。
また、メインスイッチSW1は、上述したトリガスイッチ22と連動してオン・オフ状態が切り換えられるものであり、トリガスイッチ22が引かれるとメインスイッチSW1がオンし、トリガスイッチ22が放されるとメインスイッチSW1がオフする。
また、トランジスタQ1には、Nチャネル型MOSFETが用いられている。
次に、本体10には、内部回路駆動用の電源電圧を生成する制御用電源回路36と、バッテリパック40との間で信号を入出力する入出力回路38とが備えられている。
制御用電源回路36は、ツェナーダイオードZD1と、コンデンサC1とを備えている。そして、ツェナーダイオードZD1のカソードは、抵抗R1を介して正極側電源ラインL1Aに接続されており、ツェナーダイオードZD1のアノードは、本体10のグランドに接地されている。
また、コンデンサC1は、電解コンデンサからなる。そして、コンデンサC1の正極側は、ツェナーダイオードZD1のカソードとともに、抵抗R1を介して、正極側電源ラインL1Aに接続され、コンデンサC1の負極側は、本体10のグランドに接地されている。
なお、本体10のグランドには、負極側端子32Bが接続されており、本体10にバッテリパック40が装着された際には、この負極側端子32Bを介して、バッテリパック40の負極側電源ラインL2B(延いてはバッテリ50の負極側端子52B)に接続される。
また、メインスイッチSW1がオン状態であるとき、正極側電源ラインL1Aには、正極側端子32Aを介して、バッテリパック40の正極側電源ラインL2A(延いてはバッテリ50の正極側端子52A)に接続される。
従って、制御用電源回路36では、メインスイッチSW1がオンされているときに、正極側電源ラインL1Aから、抵抗R1を介してツェナーダイオードZD1のアノードにバッテリ電圧(例えば直流36V)が印加され、ツェナーダイオードZD1によって所定の一定電圧(例えば直流5V)に降圧される。
そして、コンデンサC1は、その降圧された直流電圧により充電され、コンデンサC1の両端電圧は、本体10の内部回路を動作させるための電源電圧Vccとして、各種内部回路に供給される。
次に、入出力回路38は、トランジスタQ2と、抵抗R2,R3,R4,R5とを備える。
トランジスタQ2は、NPN型バイポーラトランジスタにて構成されており、そのベースは、抵抗R3を介して、信号端子34Aに接続されるとともに、抵抗R4を介して、グランドに接地されている。
また、信号端子34Aには、抵抗R2を介して電源電圧Vccが印加され、トランジスタQ2のコレクタにも、抵抗R5を介して電源電圧Vccが印加されている。また、トランジスタQ2のコレクタは、トランジスタQ1のゲートにも接続されており、トランジスタQ2のエミッタは、グランドに接地されている。
抵抗R2,R3,R4の抵抗値は、メインスイッチSW1がオンされてから電源電圧Vccが所定電圧に達したときにトランジスタQ2がオンし、信号端子34Aの電位が電源電圧Vcc近傍のハイレベルになるように設定されている。
そして、トランジスタQ2がオン状態であるときには、トランジスタQ1のゲートがトランジスタQ2を介してグランドに接地されることから、トランジスタQ1はオフ状態となって、駆動モータM1への通電経路を遮断する。
また、バッテリパック40の内部回路(後述するトランジスタQ4)により、信号端子34Aがグランドに接地されると、トランジスタQ2はオフ状態となる。そして、この状態では、抵抗R5を介してトランジスタQ1のゲートに電源電圧Vccが印加されることから、トランジスタQ1はオン状態となって、駆動モータM1への通電経路を形成する。
なお、本実施形態では、トランジスタQ2のコレクタがトランジスタQ1のゲートに直接接続されるが、トランジスタQ2のコレクタは、トランジスタQ1をスイッチングするための駆動回路を介して、トランジスタQ1のゲートに接続してもよい。
(バッテリパック40の回路構成)
一方、バッテリパック40には、電源端子部44に設けられた正極側端子44A及び負極側端子44Bと、接続端子部46に設けられた3つの信号端子46A,46B,46Cと、バッテリ50と、バッテリ制御回路60とが備えられている。
正極側端子44Aには、正極側電源ラインL2Aを介してバッテリ50の正極側端子52Aが接続され、負極側端子44Bには、負極側電源ラインL2Bを介してバッテリ50の負極側端子52Bが接続されている。
そして、バッテリパック40を本体10に装着した際、正極側端子44Aは、本体10の正極側端子32Aと接続され、負極側端子44Bは、本体10の負極側端子32Bと接続され、信号端子46Aは、本体10の信号端子34Aに接続される。
なお、信号端子46B,46Cは、バッテリパック40を充電器80に装着した際、充電器80の接続端子部86に接続するためのものであり、バッテリパック40を本体10に装着した際には、開放状態となる。
バッテリ50は、正極側端子52Aと負極側端子52Bとの間に、複数(例えば10個)のバッテリセルを直列接続することにより構成されており、駆動モータM1を駆動するための駆動電圧(例えば、直流36V)を発生する。
なお、バッテリセルは、例えば、単体で3.6Vの直流電圧を発生するリチウムイオン二次電池にて構成される。このため、バッテリ50は、高出力可能であり、例えば、出力可能な放電電流は10A以上である。
バッテリ制御回路60は、電流測定回路62と、電圧測定回路64と、温度測定回路66と、スイッチ操作検出回路68と、充電器検出回路72と、主制御ユニット(Main Control Unit :MCU)70と、トランジスタQ4とを備えている。
ここで、電流測定回路62は、正極側電源ラインL2A若しくは負極側電源ラインL2Bに流れる電流を検出するためのものであり、その電流に応じた電圧値を有する電流検出信号をMCU70に出力する。
また、電圧測定回路64は、バッテリ50を構成する各バッテリセルの電圧を順番に測定し、測定電圧に応じた電圧値を有する電圧検出信号をMCU70に出力する。
また、温度測定回路66は、バッテリ50周囲に配置されるサーミスタを含み、サーミスタを介してバッテリ温度を測定して、その測定温度に応じた電圧値を有する温度検出信号をMCU70に出力する。
次に、スイッチ操作検出回路68は、本体10のトリガスイッチ22が操作されたことを検出するためのものであり、トランジスタQ3と、抵抗R6,R7,R8とを備えている。
トランジスタQ3は、NPN型バイポーラトランジスタにて構成されており、そのベースは、抵抗R6を介して、信号端子46Aに接続されるとともに、抵抗R7を介して、バッテリパック40におけるグランドに接地されている。また、トランジスタQ3のエミッタは、グランドに接地されている。
なお、バッテリパック40のグランドは、負極側電源ラインL2Bに接続されている。このため、バッテリパック40が本体10に装着された際には、バッテリパック40と本体10のグランドが同電位となり、これら各グランドはバッテリ50の負極とも同電位になる。
また、トランジスタQ3のコレクタは、MCU70に接続されると共に、抵抗R8を介して、バッテリパック40に設けられた制御用電源回路(図示せず)からの電源電圧Vdd(例えば、直流5V)の出力経路に接続されている。
なお、制御用電源回路は、バッテリ50から電源供給を受けて一定の電源電圧Vddを生成し、バッテリパック40内の各種電子回路に電源供給を行うものであり、例えば、スイッチング電源回路等で構成されている。
一方、トランジスタQ4は、Nチャネル型MOSFETにて構成されており、そのドレインは、トランジスタQ3のベースが抵抗R6を介して接続される信号端子46Aに接続されている。また、トランジスタQ4のソースは、グランドに接地され、トランジスタQ4のゲートは、MCU70に接続されている。
このため、トランジスタQ4は、MCU70からの出力信号(後述する放電制御信号)にてオン・オフされ、トランジスタQ4のオフ時には、信号端子46Aが開放状態となる。
従って、バッテリパック40が本体10に装着されて、トリガスイッチ22が操作された際(メインスイッチSW1:オン)、トランジスタQ4がオフ状態であれば、本体10の信号端子34Aからバッテリパック40の信号端子46Aに、バッテリパック40内の電源電圧Vccに対応したハイレベルの信号が入力され、スイッチ操作検出回路68内のトランジスタQ3がオン状態となって、スイッチ操作検出回路68からMCU70への入力信号はローレベルとなる。
また、バッテリパック40が本体10に装着されても、トリガスイッチ22が操作されなければ(メインスイッチSW1:オフ)、本体10の信号端子34Aはローレベル(グランド電位)となるため、スイッチ操作検出回路68内のトランジスタQ3はオフ状態となって、スイッチ操作検出回路68からMCU70への入力信号はハイレベルとなる。
次に、充電器検出回路72は、バッテリパック40が充電器80に装着されて、充電器80から信号端子46Cにハイレベル(例えば直流5V)の信号が入力されたときに、その旨を表す検出信号を入力するものであり、スイッチ操作検出回路68と同様に構成されている。
つまり、充電器検出回路72は、信号端子46Cが開放状態にあるときには、プルアップ抵抗を介して、電源電圧Vddに対応したハイレベルの信号をMCU70に入力し、充電器80から信号端子46Cにハイレベルの信号が入力されると、MCU70への信号経路に接続されたトランジスタがオン状態となって、信号経路をグランドに接地し、MCU70への出力をローレベルにする。
このため、MCU70側では、スイッチ操作検出回路68からの入力信号に基づき、バッテリパック40が装着された本体10側でトリガスイッチ22が操作されたことを検知でき、充電器検出回路72からの入力信号に基づきバッテリパック40が充電器80に装着されたことを検知できる。
また、MCU70は、CPU、ROM、RAM、書換可能な不揮発性メモリ、入出力(I/O)ポート、A/D変換器等からなる周知のマイクロコンピュータにて構成されており、ROMに記憶された各種プログラムに従って動作する。なお、MCU70の動作については、後述する。
(充電器80の回路構成)
次に、図5は、バッテリパック40を充電器80に装着した際に、バッテリパック40と充電器80とで形成されるバッテリ充電用の回路を表す回路図である。
図5に示すように、充電器80には、電源端子部84として、バッテリパック40の正極側端子44A及び負極側端子44Bに接続するための正極側端子84A及び負極側端子84Bが備えられ、接続端子部86として、バッテリパック40の信号端子46B,46Cに接続するための信号端子86B及び86Cが備えられている。
また、充電器80には、整流回路92、充電用スイッチング電源回路94、主制御ユニット(MCU)96、及び、制御用スイッチング電源回路98が備えられている。
整流回路92は、商用電源等の交流電源から供給される交流電圧を整流するものであり、その整流出力は、充電用スイッチング電源回路94及び制御用スイッチング電源回路98に出力される。
充電用スイッチング電源回路94は、整流回路92からの出力に基づきバッテリ50への充電を行うスイッチング回路であり、MCU96により駆動制御される。
MCU96は、バッテリパック40内のMCU70と同様、マイクロコンピュータにて構成されており、バッテリ制御回路60内のMCU70から信号端子46B、86Bを介して、バッテリ状態を取り込み、充電用スイッチング電源回路94を駆動制御することで、バッテリ50への充電パターン(充電電流、充電電圧等)を制御する。
また、制御用スイッチング電源回路98は、MCU96等の内部回路を動作させるための電源電圧Vee(例えば直流5V)を生成するものである。
そして、充電器80のグランドは、負極側端子84B、及び、バッテリパック40の負極側端子44Bを介して、バッテリ50の負極側端子52Bに接続され、充電用スイッチング電源回路94にて生成された充電電圧は、正極側端子84A、及び、バッテリパック40の正極側端子44Aを介して、バッテリ50の正極側端子52Aに印加される。
また、充電器80の信号端子86Cには、制御用スイッチング電源回路98にて生成された電源電圧Veeが印加される。
このため、バッテリパック40が充電器80に装着されて、制御用スイッチング電源回路98にて電源電圧Veeが生成されると、バッテリパック40側では、この電源電圧Veeに対応したハイレベルの信号が、信号端子86C、46Cを介して、充電器検出回路72に入力され、充電器検出回路72からMCU70に入力される検出信号の信号レベルが、ハイレベルからローレベルに変化することになる。
なお、充電器80には、複数の表示ランプが設けられた表示部88が設けられているが、この表示部88の表示ランプは、バッテリ50への充電状態に応じてMCU96により点灯される。
(バッテリパック40内のMCU70の動作)
次に、バッテリパック40内のMCU70の動作について説明する。
MCU70は、通常、スイッチ操作検出回路68若しくは充電器検出回路72からの検出信号がハイレベルからローレベルになるのを監視するスリープモード(換言すれば低消費電力モード)で動作しており、スイッチ操作検出回路68若しくは充電器検出回路72からの検出信号がハイレベルからローレベルになると起動し、バッテリ50を保護する通常モードに移行する。
なお、MCU70がスリープモードであるときには、MCU70からトランジスタQ4のゲートに出力される放電制御信号はローレベルであり、トランジスタQ4はオフ状態に保持される。
そして、MCU70は、スイッチ操作検出回路68からの検出信号(ローレベル)により起動した際には、放電制御信号をハイレベルにして、トランジスタQ4をオンさせ、バッテリ50から駆動モータM1への放電を許可する。
つまり、トランジスタQ4がオン状態になると、本体10の入出力回路38内のトランジスタQ2がオフ状態となり、駆動モータM1への通電経路に設けられたトランジスタQ1がオン状態となるので、駆動モータM1に電流が流れ、駆動モータM1が回転する。
また、このように放電制御信号をハイレベルにして、バッテリ50から駆動モータM1への放電を許可しているとき(つまりバッテリ50からの放電時)には、MCU70は、バッテリ50を過放電等から保護する放電制御処理を実行する。
この放電制御処理では、電流測定回路62、電圧測定回路64、及び、温度測定回路66による検出結果に基づき、バッテリ50から駆動モータM1への放電を制限する、放電電流制限処理、過放電制限処理、及びバッテリ温度制限処理が実行される。
ここで、放電電流制限処理は、放電時に電流測定回路62にて検出された放電電流が予め設定された閾値を越えたときに、過電流が流れていると判定して、放電制御信号をローレベルにし、バッテリ50から駆動モータM1への放電を停止させる処理である。
また、過放電制限処理は、放電時に電圧測定回路64にて検出されたバッテリ電圧が予め設定された閾値よりも低下したときに、バッテリ50が過放電状態にあると判定して、放電制御信号をローレベルにし、バッテリ50から駆動モータM1への放電を停止させる処理である。
また、バッテリ温度制限処理は、放電時に温度測定回路66にて検出されたバッテリ温度が予め設定された閾値を越えたときに、バッテリ50が過熱状態にあると判定して、放電制御信号をローレベルにし、バッテリ50から駆動モータM1への放電を停止させる処理である。
そして、上述した何れかの制限処理にて、放電制御信号をローレベルにして、バッテリ50から駆動モータM1への放電を停止させると、使用者は異常を検知して、トリガスイッチ22を離す。すると、メインスイッチSW1がオフ状態となり、本体10側では、制御用電源回路36から出力される電源電圧Vccが低下し、信号端子34Aから信号端子46Aへの入力信号はローレベルとなる。
このため、MCU70は、上述した制限処理によりバッテリ50から駆動モータM1への放電を停止させた際には、スイッチ操作検出回路68からの検出信号がハイレベルになったか否かを判定することにより、メインスイッチSW1がオフされたことを認識する。
そして、MCU70は、メインスイッチSW1がオフされたことを認識すると、その後、所定時間が継続するまで、メインスイッチSW1がオンされるのを待ち、所定時間が経過するまでの間にメインスイッチSW1がオンされると、再度、放電制御信号をハイレベルにして、放電(換言すれば駆動モータM1の駆動)を許可し、所定時間が経過するまでの間に、メインスイッチSW1がオンされなければ、スリープモードに移行する。
なお、MCU70は、上述した制限処理により過電流等の異常を判定しなければ、放電制御信号(ハイレベル)の出力を継続するため、スイッチ操作検出回路68を介して、メインスイッチSW1のオフ状態(換言すればトリガスイッチ22の操作停止)を検出することができない。
このため、MCU70は、スリープモードから通常モードへの移行後、放電制御信号(ハイレベル)を出力しているときには、電流測定回路62からの検出信号等に基づき、駆動モータM1への通電停止期間を計測し、通電停止期間が所定時間に達すると、スリープモードに移行する。
また、MCU70は、上記放電制御処理にて、バッテリ50の過放電を判定して放電を停止させると、その過放電の履歴を不揮発性メモリに記憶する。
次に、MCU70は、充電器検出回路72からの検出信号(ローレベル)により起動した際には、バッテリ50の状態(バッテリ電圧、バッテリ容量等)を表す各種情報を、信号端子46B、86Bを介して充電器80のMCU96に出力し、その後、充電器80からバッテリ50への充電が開始されると、バッテリ保護のための充電制御処理を実行する。
この充電制御処理は、上記各測定回路62,64,66による検出結果に基づき、バッテリ50への過充電やバッテリ50の過熱等の異常が生じていないか否かを判定して、異常判定時には、信号端子46B、86Bを介して、充電器80に、充電停止若しくは充電電流を低減させる指令信号を送信するといった手順で実行される。
そして、MCU70は、この充電制御処理にて、バッテリ50の過充電を判定して充電を停止させると、その過充電の履歴を不揮発性メモリに記憶する。
また、充電制御処理は、充電器検出回路72からの検出信号がハイレベルになるまで(換言すれば充電器80から電源電圧Veeが入力されなくなるまで)継続され、検出信号がハイレベルになると、MCU70は、バッテリパック40が充電器80から取り外されたものと判断して、スリープモードに移行する。
上記のように、バッテリパック40内のMCU70は、バッテリ50から駆動モータM1への放電時、及び、充電器80からバッテリ50への充電時には、電流測定回路62、電圧測定回路64、温度測定回路66を介して充放電電流、バッテリ電圧、バッテリ温度等を監視し、これら各パラメータが所定の閾値を越えるか下回ると、放電若しくは充電を停止させてバッテリ50を保護する。
しかし、こうした従来の制御では、バッテリ50の発熱量(換言すれば内部温度)を検出できないことから、バッテリ50を過熱から確実に保護することが難しく、例えば、電動工具の駆動状態によっては、放電電流や表面温度が閾値よりも小さいにも関わらず、バッテリ50の内部温度が適正温度範囲を超えて、バッテリ50を劣化させてしまうことがあった。
そこで、本実施形態では、MCU70が通常モードにあるとき、上述した制御処理に加えて、図6に示す放電禁止判定処理を実行するようにされている。
以下、この放電禁止判定処理について説明する。
(放電禁止判定処理)
この放電禁止判定処理は、MCU70において、一定周期(例えば、0.5秒毎)で繰り返し実行される処理であり、処理が開始されると、まず、S110(Sはステップを表す)にて、現在、バッテリ50からの放電中であるか、バッテリ50への充電中であるか否かを判断する。
そして、現在、バッテリ50からの放電中であれば、続くS120に移行して、電流測定回路62及び温度測定回路66から放電電流I及びバッテリ温度Tを読み込む。なお、S120では、放電電流I及びバッテリ温度Tを単に読み込むだけでなく、その読み込んだ放電電流I及びバッテリ温度Tを、それぞれ、過去複数回分(換言すれば一定時間分)平均化するか、或いは、移動平均することにより、電流測定回路62及び温度測定回路66により得られる放電電流I及びバッテリ温度Tの誤差成分(換言すれば不要ノイズ成分)を除去する。
次に、S130では、S120の処理で得られた現在の放電電流I及びバッテリ温度Tに基づき、過電流カウンタ更新用の加減算値を算出し、続くS140にて、その算出した加減算値を過電流カウンタに加算することで、過電流カウンタを更新する。
ここで、過電流カウンタは、バッテリ50の発熱量相当値をカウント値として記憶するものであり、その値は、バッテリ50の発熱量を表す推定値となる。
また、S130では、この過電流カウンタを更新するための加減算値を、放電電流I及びバッテリ温度Tに基づき算出するが、その算出には、例えば、マップが使用される。
このマップには、例えば、図7に示すように、放電電流Iが閾値未満であれば加減算値として零若しくは負の値を設定し、放電電流Iが閾値以上であれば加減算値として正の値を設定するように構成されたものが、バッテリ50の所定の温度範囲毎に複数用意されている。そして、MCU70は、S130において、バッテリ温度Tに対応するマップを選択し、そのマップを用いて、放電電流Iに対応した加減算値を算出する。
図7の加減算値算出用のマップは、バッテリ50の温度範囲毎に、放電電流Iが大きいほど加減算値が大きくなるように設定されており、温度範囲が異なるマップ間では、バッテリ温度が高いほど、放電電流に対する加減算値が大きくなるように設定される。これは、バッテリ50は、放電電流Iが大きいほど発熱し易く、バッテリ温度T(詳しくはバッテリ50の表面温度、延いては周囲温度)が過熱し易いためである。
なお、S130にて加減算値を算出する際には、必ずしも上記マップを用いる必要はなく、放電電流I及びバッテリ温度Tをパラメータする2次元マップや、これら各値I、Tをパラメータとする演算式F(I,T)を用いるようにしてもよい。
次に、S140にて、過電流カウンタが更新されると、S150に移行して、その更新された過電流カウンタの値は、過電流判定用の第1設定値X1以上であるか否かを判定する。
そして、過電流カウンタの値が第1設定値X1以上であれば、バッテリ50の内部温度が許容範囲を超えていると判断して、S160に移行し、上述した放電電流制限処理、過放電制限処理、及びバッテリ温度制限処理にて放電停止を判定するのに用いられる閾値を補正することで、バッテリ50の放電を制限する。
具体的には、放電電流制御処理にて使用される過電流判定用の閾値を下げ、過放電制限処理にて使用される過放電判定用の閾値を上げ、バッテリ温度制限処理にて使用される過熱判定用の閾値を下げることで、各制限処理によって放電停止が実行され易くする。
なお、S160にて、上記各閾値を補正する際の補正値は、それぞれ、一定値にしてもよく、或いは、過電流カウンタの大きさに応じて、過電流カウンタの値が大きいほど補正値が大きくなるように設定してもよい。
また次に、S150にて、過電流カウンタの値が第1設定値X1以上ではないと判断されるか、S160にて、上記各閾値を補正することでバッテリ50の放電を制限すると、今度は、S170に移行して、過電流カウンタの値は、上記第1設定値X1よりも大きい第2設定値X2以上であるか否かを判定する。
そして、過電流カウンタの値が第2設定値X2以上であれば、バッテリ50の内部温度がバッテリ50の劣化を招く限界温度に達していると判断して、S180に移行し、放電制御信号をハイレベルからローレベルに切り換えることでバッテリ50からの放電を停止させる。
また、S170にて、過電流カウンタの値が第2設定値X1以上ではないと判断されるか、S180にて、バッテリ50からの放電を停止させると、当該放電禁止判定処理を一旦終了し、その後、所定時間が経過した後、再度S110以降の処理を実行する。
次に、S110にて、現在、バッテリ50への充電中であると判断された場合には、S190に移行する。そして、S190では、前回の放電時にバッテリ50の過電流カウンタの値が第1設定値X1若しくは第2設定値X2に達し、バッテリ50の放電を制限又は停止したか否かを判定する。
そして、前回の放電時に、バッテリ50の放電を制限又は停止している場合には、バッテリ50は内部温度が上昇し易くなっていると判断して、S200に移行し、充電器80のMCU96に対し充電電流制限信号を送信することで、バッテリ50への充電電流の上限を通常時よりも低下させ、当該放電禁止判定処理を終了する。
また、S190にて、前回の放電時にバッテリ50の放電を制限又は停止していないと判断された場合には、そのまま当該放電禁止判定処理を終了する。
(実施形態の効果)
以上説明したように、本実施形態では、バッテリパック40に設けられたMCU70が、図6に示した放電禁止判定処理を実行する。
そして、この放電禁止判定処理では、バッテリパック40から駆動モータM1への放電時に、放電電流Iとバッテリ温度Tとを用いて過電流カウンタの加減算値を周期的に算出し、その算出した加減算値にて過電流カウンタを更新することで、バッテリ50の発熱量を表す推定値(=過電流カウンタの値)を求める(S110〜S140)。
また、その推定値が第1設定値X1以上であれば、放電制御に用いられる閾値を補正することでバッテリ50の放電に制限をかけ、推定値が第2設定値X2以上であれば、バッテリ50からの放電を停止させる(S150〜S180)。
このように本実施形態では、過電流カウンタが、図7に示すマップを用いて放電電流Iから算出される加減算値を用いて周期的に更新されることから、過電流カウンタの値は、放電電流Iが大きいときには、短時間で第1設定値X1或いは第2設定値X2に到達し、放電電流Iが小さいときには、第1設定値X1或いは第2設定値X2に到達するのに要する時間が長くなる。
これは、過電流カウンタの値がバッテリ50の発熱量(換言すれば内部温度)に対応しているためであり、本実施形態によれば、過電流カウンタを用いてバッテリ50の発熱量(換言すれば内部温度)を正確に推定することができる。
そして、本実施形態では、その推定した発熱量(過電流カウンタの値)に基づき、バッテリ50からの放電を制限若しくは停止することから、放電を不必要に停止又は制限することなく、バッテリ50を過熱から保護することができる。
つまり、例えば、図8は、使用者がねじ止め等のためにトリガスイッチ22を繰り返し操作することを想定して、放電電流の電流値と過電流カウンタのカウント値とを測定した測定結果を表している。
この図8から明らかなように、使用者がトリガスイッチ22を繰り返し操作した場合、過電流カウンタのカウント値は、トリガスイッチ22の操作時に流れる電流値に応じて上昇し、トリガスイッチ22の操作停止時に減少する。そして、このカウント値の変化は、図7に示したマップにより、バッテリ50の発熱量(延いては内部温度)の変化に対応するよう設定されている。
このため、本実施形態によれば、バッテリ50の発熱量(延いては内部温度)が放電を停止すべき高温になると、過電流カウンタのカウント値が閾値「Y」(=第2設定値X2)に達し、放電が停止されることになる。
これに対し、従来技術では、放電電流だけでバッテリ50の過熱を判定して、放電を停止するため、図9に示すように、使用者がトリガスイッチ22を上記と同様に操作した際、放電電流が高くなれば、内部温度が高温になっていないにも関わらず、放電を停止させてしまう。なお、図9は、バッテリ50の放電電流が閾値「X」以上になり、その状態が1sec.以上経過したこと放電停止条件とした場合の説明図である。
従って、本実施形態によれば、放電を不必要に停止又は制限することなく、バッテリ50を過熱から保護することができるようになり、電動工具の使い勝手を向上することが可能となる。
また、本実施形態の放電禁止判定処理では、バッテリ50からの放電時に、過電流カウンタ(発熱量の推定値)に基づき放電を制限若しくは停止すると、次回のバッテリ50への充電時に、充電器80のMCUに対して充電電流制限信号を送信し、充電電流の上限を通常時よりも制限させる。このため、本実施形態によれば、次回のバッテリ50への充電時に、バッテリ50の過熱するのを防止できる。
ここで、本実施形態では、バッテリパック40に設けられた電流測定回路62が電流検出手段に相当し、同じく温度測定回路66が温度検出手段に相当する。
また、図6に示した放電禁止判定処理におけるS120〜S140の処理が、本発明の演算手段に相当し、このうち、S130の処理が、本発明の加減算値設定手段に相当する。
また、図6に示した放電禁止判定処理におけるS150,S170の判定処理が、本発明の判定手段に相当し、同じくS160、S180、S200の処理が、本発明の保護手段に相当する。
(変形例)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて、種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、過電流カウンタの加減算値を算出する際、放電電流Iとバッテリ温度Tを用いるものとして説明したが、放電電流Iだけで加減算値を算出するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、過電流カウンタの値(発熱量の推定値)に応じて、放電の制限及び放電の停止を行うものとして説明したが、放電の制限及び放電の停止の何れか一方を行うようにしても、従来装置に比べて、バッテリ50を良好に保護することができる。
また、上記実施形態では、バッテリ50の放電時に、過電流カウンタを用いてバッテリ50の発熱量を推定し、放電の制限及び停止を制御するものとして説明したが、バッテリ50の充電時に、上記実施形態と同様の手順でバッテリ50の発熱量を推定し、充電を制限若しくは停止するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、図6に示した放電禁止判定処理は、バッテリパック40内のMCU70が実行するものとして説明したが、本体10側に放電制御用のMCUを設けて、このMCUにて実行するようにしてもよい。
また、上記のようにバッテリ50の充電時に、バッテリ50の発熱量を推定して、バッテリ50への充電を制限若しくは停止するようにする際には、そのための充電禁止判定処理を、バッテリパック40内のMCU70にて実行するようにしてもよく、或いは、充電器80内のMCU96にて実行するようにしてもよい。
一方、上記実施形態では、本発明をドライバドリルに適用した場合について説明したが、ドライバドリル以外の電動工具に本願発明を適用してもよい。
また、上記実施形態では、ブラシ付き直流モータが駆動モータM1として用いられていたが、ブラシレス直流モータや交流モータが用いられてもよい。ただし、ブラシレス直流モータや交流モータを駆動モータM1として用いる場合には、本体10をそのように構成する必要はある。
また、上記実施形態におけるトランジスタは、バイポーラトランジスタやMOSFETであったが、これら以外のスイッチング素子が用いられてもよい。
10…本体(電動工具本体)、14…モータハウジング、16…ギアハウジング、18…ドリルチャック、20…ハンドグリップ、22…トリガスイッチ、SW1…メインスイッチ、24…バッテリパック装着部、32A…正極側端子、32B…負極側端子、34A…信号端子、36…制御用電源回路、38…入出力回路、L1A…正極側電源ライン、L1B…負極側電源ライン、M1…駆動モータ、Q1…トランジスタ(Nチャネル型MOSFET)、40…バッテリパック、42…コネクタ部、44…電源端子部、44A…正極側端子、44B…負極側端子、46…接続端子部、46A〜46C…信号端子、50…バッテリ、52A…正極側端子、52B…負極側端子、60…バッテリ制御回路、62…電流測定回路、64…電圧測定回路、66…温度測定回路、68…スイッチ操作検出回路、70…MCU、72…充電器検出回路、L2A…正極側電源ライン、L2B…負極側電源ライン、Q4…トランジスタ(Nチャネル型MOSFET)、80…充電器、82…バッテリパック装着部、84…電源端子部、84A…正極側端子、84B…負極側端子、86…接続端子部、86B,86C…信号端子、88…表示部、92…整流回路、94…充電用スイッチング電源回路、96…MCU、98…制御用スイッチング電源回路。

Claims (6)

  1. 電動工具用装置に設けられ、電動工具の電源であるバッテリに流れる充放電電流を検出する電流検出手段からの検出電流に基づき、前記バッテリの発熱量を推定する電動工具用バッテリの発熱量推定装置であって、
    前記バッテリからの放電時、若しくは、前記バッテリへの充電時に、前記電流検出手段からの検出電流を周期的に読み込み、該読み込んだ検出電流値に応じて発熱量相当値を加減算する演算手段を備え、
    前記演算手段にて加減算された発熱量相当値を、前記バッテリの発熱量を表す推定値として出力するよう構成されると共に、
    前記演算手段は、
    前記検出電流値が所定の閾値未満であるとき、該検出電流値が小さいほど絶対値が大きくなるよう零を含む負の加減算値を設定し、前記検出電流値が所定の閾値以上であるとき、該検出電流値が大きいほど値が大きくなるよう正の加減算値を設定する加減算値設定手段を備え、
    前記加減算値設定手段にて設定された負又は正の加減算値を発熱量相当値に加算することで、発熱量相当値を更新することを特徴とする電動工具用バッテリの発熱量推定装置。
  2. 前記加減算値設定手段は、前記検出電流値と、前記バッテリの温度を検出する温度検出手段からの検出温度に基づき、前記検出電流値が大きく、前記検出温度が高いほど、前記加減算値が大きくなるよう、前記加減算値を設定することを特徴とする請求項1に記載の電動工具用バッテリの発熱量推定装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の電動工具用バッテリの発熱量推定装置と、
    前記発熱量推定装置にて得られた前記バッテリの発熱量を表す推定値が、予め設定された過熱判定用の設定値を越えたか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段にて前記推定値が前記設定値を超えたと判断されると、前記バッテリからの放電若しくは前記バッテリへの充電を停止又は制限し、前記バッテリを保護する保護手段と、
    を備えたことを特徴とする電動工具用装置。
  4. 前記保護手段は、前記判定手段にて前記推定値が前記設定値を超えたと判断されると、前記バッテリの充・放電制御で用いられる制御閾値を補正することにより、バッテリからの放電若しくは前記バッテリへの充電を制限することを特徴とする請求項3に記載の電動工具用装置。
  5. 前記保護手段は、前記バッテリからの放電時若しくは前記バッテリへの充電時に、前記判定手段にて前記推定値が前記設定値を超えたと判断されると、次回のバッテリへの充電時若しくは次回のバッテリからの放電時に用いられる制御閾値を補正することを特徴とする請求項4に記載の電動工具用装置。
  6. 前記電動工具用装置は、前記バッテリが収納されたバッテリパック、該バッテリパックが着脱自在に装着される電動工具本体、又は、前記バッテリパックが着脱自在に装着される充電器、であることを特徴とする請求項3〜請求項5の何れか1項に記載の電動工具用装置。
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