JP5708853B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、負荷ラッシュ電流が流れる電動工具等に用いられる電池パックに関する。

近年、様々な電子機器の電源として、高出力、高エネルギー密度、小型、軽量といった利点を有するリチウムイオン二次電池が広く使用されている。リチウムイオン二次電池は、例えばニッケルカドミウムやニッケル水素を用いた他の二次電池と比較してエネルギー密度が高いので、電池の安全性を十分に確保することが非常に重要である。

リチウムイオン二次電池を用いた電池パックにおいては、出力が何らかの原因によって短絡してしまった場合に、過電流によって内部の部品が破損してしまうおそれがある。また、充放電サイクルを繰り返すうちに過充電や過放電によって電池が劣化し、異常な発熱が発生するおそれがある。そのため、通常、電池パックには、過電流や過充電、過放電などの際に充放電を禁止するための保護回路や保護ＩＣ（Integrated Circuit）が搭載されている。

このような保護回路では、充放電電流に対して過電流検出電流となる所定の閾値を予め設定しておき、検出された充放電電流の値がこの閾値を超えた場合に過電流であると判断し、充放電を禁止するようにしている。

また、従来の電池パックは、例えば充電制御ＦＥＴ（Field Effect Transistor）および放電制御ＦＥＴ（以下、充放電制御ＦＥＴと適宜称する）が設けられている。そして、この充放電制御ＦＥＴにおけるドレイン・ソース間の抵抗の両端に発生する電位差に基づいて充放電電流を検出するようにしている。例えば、下記の特許文献１には、放電制御ＦＥＴのオン抵抗に生じる電圧降下に基づいて電流を検出する技術が記載されている。

特開２０００−６７９２８号公報

しかしながら、充放電制御ＦＥＴの抵抗値には、バラツキがあるとともに、ゲート電圧が下がった場合の抵抗値上昇によって電流値が変動してしまうため、検出精度が悪化して充放電電流を正確に検出することができないという問題点があった。

また、最近では、モータを使用した電動工具などの大電力を必要とする機器においても、その電源としてリチウムイオン二次電池の電池パックを用いた製品が普及してきている。一般的に、このような電動工具では、起動時などのモータの回転数が低いときに負荷ラッシュ電流と呼ばれる大電流が瞬間的に流れ、回転数が高くなった時点で通常の電流が流れる。

従来の過電流検出方法では、このような起動時に流れる負荷ラッシュ電流が閾値を超えてしまうため、保護回路は、充放電電流が過電流であると判断し、充放電を禁止してしまうという問題点があった。

また、負荷ラッシュ電流のような大電流が流れた場合には、充放電制御ＦＥＴが故障してしまうおそれがある。これは、充放電制御ＦＥＴの抵抗値が例えば数１０［ｍΩ］程度であり、充放電制御ＦＥＴに対して１００［Ａ］程度の負荷ラッシュ電流が流れることにより、充放電制御ＦＥＴでの消費電力が数［Ｗ］に及ぶためである。さらにまた、充放電制御ＦＥＴの抵抗における消費電力が高いため、充放電制御ＦＥＴによる損失が大きくなってしまう。

このような問題点を解決する方法としては、例えば負荷ラッシュ電流の大きさを考慮して耐電力の高いＦＥＴを充放電制御ＦＥＴとして用いることが考えられる。しかしながら、耐電力の高いＦＥＴを用いると、コストが増大してしまうという問題点があった。

したがって、この発明の目的は、負荷ラッシュ電流による過電流の誤検出を防止し、過電流を正確に検出することができる電池パックを提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、負荷としてモータが接続される二次電池と、二次電池の電流経路に設けられた制御ＦＥＴと、電流経路の、二次電池と制御ＦＥＴとの間に設けられた電流検出抵抗と、電流検出抵抗の両端に発生する電位差から電流検出抵抗に流れる電流を所定時間毎に測定し、測定の結果に応じて制御ＦＥＴを制御する制御部とを備え、制御部は、電流検出抵抗に流れる電流と閾値とを比較し、電流が閾値以上である場合に、制御ＦＥＴをＯＦＦとするように制御し、制御ＦＥＴをＯＦＦとするように制御した後に、電流検出抵抗の両端に発生する電位差を測定し、電位差が発生しない場合に制御ＦＥＴをＯＮとするように制御する電池パックである。

例えば、電流検出抵抗に流れる電流と閾値とを所定時間毎に比較し、電流が閾値以上である場合に過電流状態と判断し、過電流状態が予め設定された時間以上、継続した場合に制御信号を出力し、制御信号によって電流を遮断することにより、より精度の高い過電流検出を行うことができる。

この発明は、二次電池の電流経路に設けられた制御ＦＥＴと、電流経路の、二次電池と制御ＦＥＴとの間に設けられた電流検出抵抗と、電流検出抵抗の両端に発生する電位差から電流検出抵抗に流れる電流を所定時間毎に測定し、測定の結果に応じて制御ＦＥＴを制御する制御部とを備える電池パックであり、制御部は、電流検出抵抗に流れる電流と閾値とを比較し、電流が閾値以上である場合に、制御ＦＥＴをＯＦＦとするように制御し、制御ＦＥＴをＯＦＦとするように制御した後に、電流検出抵抗の両端に発生する電位差を測定し、電位差が発生しない場合に制御ＦＥＴをＯＮとするように制御する。そのため、より精度の高い過電流検出を行うことができるという効果がある。

この発明の実施の第１の形態に適用可能な電池パックの一例の外観を示す略線図である。 この発明の実施の第１の形態に適用可能な電池パックの一例の構成を示すブロック図である。 電動工具を起動させた際に発生する負荷ラッシュ電流について説明するための略線図である。 この発明の実施の第１の形態による過電流検出処理の流れを説明するためのフローチャートである。 充放電禁止状態を解除する方法について説明するための略線図である。 この発明の実施の第２の形態に適用可能な電池パックの一例の構成を示すブロック図である。

以下、この発明の実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
１．実施の第１の形態（電池パックの内部に充放電制御ＦＥＴを設けた例）
２．実施の第２の形態（電池パックの外部に充放電制御ＦＥＴを設けた例）

＜１．実施の第１の形態＞
この発明の実施の第１の形態について説明する。この発明の実施の第１の形態では、二次電池に対する電流経路に、充放電電流を検出するための電流検出抵抗および充放電電流を制御するためのスイッチ回路を設ける。そして、電流検出抵抗に基づく過大電流を検出してから、スイッチ回路を制御して充放電電流を遮断するまでの時間に対して遅延時間を設定し、接続された機器の起動時などに発生する負荷ラッシュ電流による過電流の誤検出を防ぐようにしている。

［電池パックの構成］
図１Ａは、この発明の実施の第１の形態に適用可能な電池パック１の一例の外観を示す。電池パック１は、筐体２に正極端子３、負極端子４、接続される機器本体や充電器に対する制御や通信を行うための端子５等の各種端子が設けられている。電池パック１は、機器本体に装着されることにより、内部に設けられた二次電池の電池セルから機器本体に対して電力を供給する。また、電池パック１は、充電器に装着されることによって電池セルに対する充電が行われる。

電池パック１は、図１Ｂに示すように、筐体２の内部に複数の二次電池の電池セル１１，１１，・・・、および回路基板６を備える。電池パック１の筐体２内には、複数の電池セル１１，１１，・・・が並べられるようにして配置される。また、筐体２内には、回路基板６が配置される。そして、複数の電池セル１１，１１，・・・の電極端子に電極タブが溶接され、複数の電池セル１１，１１，・・・が直列および／または並列に接続される。この例では、一例として複数の電池セルが２並列４直列に接続された場合を示している。また、線材の一端部が電極タブに接続され、他端部が回路基板６と接続される。これにより、電池セル１１，１１，・・・と回路基板６とが電気的に接続される。

回路基板６には、正極端子３、負極端子４、端子５等の各種端子が設けられ、筐体２に回路基板６を配置した際に、各種端子が筐体２の外部に露出するようになっている。なお、この例では、各種端子が回路基板６に直接的に配置されるように説明したが、これはこの例に限られず、例えばコネクタを用いて筐体２の外部に各種端子を配置するようにしてもよい。

図２は、この発明の実施の第１の形態に適用可能な電池パック１の一例の構成を示す。なお、この例では、説明が煩雑となるのを防ぐため、この発明の実施の一形態に関連する部分以外については、図示および説明を省略する。電池パック１は、複数の電池セル１１，１１，・・・からなる組電池１０と、制御部１２、スイッチ回路１３、電流検出抵抗１４、正極端子３および負極端子４がマウントされた回路基板６とから構成されている。

電池パック１は、機器使用時には正極端子３および負極端子４がそれぞれ外部の機器本体の正極端子および負極端子に接続され、放電が行われる。また、充電時には充電器に装着され、機器使用時と同様に、正極端子３および負極端子４がそれぞれ充電器の正極端子および負極端子に接続され、充電が行われる。

組電池１０は、複数の電池セル１１，１１，・・・が直列および／または並列に接続されている。電池セル１１は、例えば、リチウムイオン電池の二次電池であり、いわゆる円筒型と呼ばれる二次電池が用いられる。この例では、複数の電池セル１１，１１，・・・が直列に接続された場合を示している。

制御部１２は、例えばＩＣ（Integrated Circuit）で構成されている。制御部１２は、電流経路に設けられた電流検出抵抗１４を用いて、その両端に発生する電位差から充放電電流を測定し、測定結果に基づき過電流の検出を行う。また、制御部１２は、各電池セル１１の電圧を測定し、測定結果に基づき過充電や過放電の検出を行う。そして、過電流や過充電、過放電の検出結果に基づき後述するスイッチ回路１３を制御するための制御信号を出力する。また、制御部１２には、タイマ２０が設けられている。タイマ２０は、過大電流が検出された際にカウントを開始し、過大電流が流れる時間を計測する。

スイッチ回路１３は、充電制御ＦＥＴ（Field Effect Transistor）２１ａおよび放電制御ＦＥＴ２２ａとから構成され、負極端子４側に設けられている。充電制御ＦＥＴ２１ａおよび放電制御ＦＥＴ２２ａとしては、例えばＮチャンネルのＦＥＴが用いられる。

充電時に過電流が検出された場合には、制御部１２からの制御信号に基づき充電制御ＦＥＴ２１ａをＯＦＦとし、充電電流が流れないように制御される。また、放電時に過電流が検出された場合には、制御部１２からの制御信号に基づき放電制御ＦＥＴ２２ａをＯＦＦとし、放電電流が流れないように制御される。

さらに、電池電圧が過充電検出電圧となったときは、制御部１２からの制御信号に基づき充電制御ＦＥＴ２１ａをＯＦＦとし、充電電流が流れないように制御される。充電制御ＦＥＴ２１ａのＯＦＦ後は、寄生ダイオード２１ｂを介することによって放電のみが可能となる。電池電圧が過放電検出電圧となったときは、制御部１２からの制御信号に基づき放電制御ＦＥＴ２２ａをＯＦＦとし、放電電流が流れないように制御される。放電制御ＦＥＴ２２ａのＯＦＦ後は、寄生ダイオード２２ｂを介することによって充電のみが可能となる。

なお、この例では、ＮチャンネルのＦＥＴを用いたスイッチ回路１３を負極端子４側に設けるようにしているが、この例に限られず、例えばＰチャンネルのＦＥＴを用いたスイッチ回路１３を正極端子３側に設けることも考えられる。しかしながら、ＰチャンネルのＦＥＴは、ＮチャンネルのＦＥＴと比較してドレイン・ソース間の抵抗値が高いことや、ＦＥＴが高価であることを考慮すると、上述で説明したように、ＮチャンネルのＦＥＴを用いると好ましい。

［負荷ラッシュ電流による過電流の誤検出防止］
次に、過電流の誤検出を防止する方法について説明する。背景技術の項で説明したように、モータを使った電動工具では、起動時などに負荷ラッシュ電流が流れる。図３Ａは、電池パック１が装着された電動工具を起動させた際に、電流検出抵抗１４の両端に発生する電位差の波形の一例を示す。また、図３Ｂは、図３Ａの点線で囲まれた部分を時間方向に拡大した例を示す。

電動工具を起動させた場合には、図３Ａに示すように、電流検出抵抗１４の両端に電位差が瞬間的かつ連続的に発生する。このときの最大ピーク電圧は、４２０［ｍＶ］程度に達する。そして、この電位差は、そのピーク電圧が徐々に小さくなるようにして所定時間経過後に定常状態となり、通常の電圧値となる。

この場合に流れる負荷ラッシュ電流のピーク値は、例えば、抵抗値が５［ｍΩ］の電流検出抵抗１４を用いた場合、数式（１）に基づき算出することができる。
４２０［ｍＶ］／５［ｍΩ］＝８４［Ａ］ ・・・（１）

このように、電動工具の起動時などにおいては、過電流検出電流を大きく超える８０［Ａ］程度の電流が瞬間的に流れるため、従来の過電流検出処理では、この負荷ラッシュ電流を異常による過電流として誤検出してしまう。

そこで、この発明の実施の第１の形態では、この負荷ラッシュ電流が過電流であると誤検出されないように、過大電流が検出された際に、充放電電流が流れる時間に対して所定の遅延時間を設定する。そして、検出された過大電流が設定された遅延時間内に収まるか否かにより、この過大電流が過電流であるか否かを判断する。

遅延時間は、制御部１２に設けられたタイマ２０に閾値として設定される。過大電流が検出された場合には、タイマ２０を起動し、過大電流が流れている時間をカウントする。例えば、遅延時間を超えても過大電流が流れ続けている場合には、異常による過電流であると判断することができる。また、設定された遅延時間内に過大電流が収まる場合については、過電流ではないと判断することができる。すなわち、設定された遅延時間内に過大電流が収まり、通常程度の電流値となっていれば、負荷ラッシュ電流などの一時的な過大電流であると判断することができる。

このように、過大電流が検出されてから設定された遅延時間に達するまで、過電流の判断を行わないようにすることにより、負荷ラッシュ電流を異常による過電流として誤検出してしまうことを防ぐことができる。

なお、電位差が瞬間的に発生する時間は、図３Ｂに示すように、１．８［ｍｓｅｃ］程度である。このように瞬間的に電位差が発生する状態が、定常状態となるまでに複数回発生する。したがって、遅延時間を設定する場合には、この電位差の発生によって流れる負荷ラッシュ電流の時間を考慮して設定する。具体的には、マージン等も考慮すると、遅延時間を例えば２０［ｍｓｅｃ］〜１００［ｍｓｅｃ］程度に設定すると好ましい。

［過電流検出処理］
この発明の実施の一形態に適用可能な二次電池２による過電流検出処理の流れについて、図４に示すフローチャートを参照して説明する。なお、特別な記載がない限り、以下の処理は、制御部１２の制御の下で行われるものとする。また、以下の処理は、所定時間毎に巡回的に行われるものとする。

先ず、ステップＳ１において、電流検出抵抗１４に流れる充放電電流の検出が行われる。充放電電流に対しては、過電流検出電流が閾値として予め設定され、検出された充放電電流が設定された過電流検出電流以上であるか否かが判断される。検出された充放電電流が過電流検出電流未満である場合には、正常な充放電電流が流れていると判断され、このステップＳ１の処理が所定時間毎に巡回的に行われる。また、検出された充放電電流が過電流検出電流以上である場合には、過大電流が流れていると判断され、次のステップＳ２でタイマ２０が起動され、電流が流れている時間のカウントが行われる。

次のステップＳ３では、タイマ２０によってカウントされた時間が予め設定された遅延時間以上であるか否かが判断される。カウントされた時間が遅延時間以上であると判断された場合には、処理がステップＳ４に移行する。すなわち、この場合には、タイマ２０に設定された遅延時間に達しても過大電流が流れているため、過電流が流れていると判断される。ステップＳ４では、スイッチ回路１３に設けられた充電制御ＦＥＴ２１ａおよび放電制御ＦＥＴ２２ａがＯＦＦとされて充放電が禁止され、一連の処理が終了する。

一方、ステップＳ３において、カウントされた時間が遅延時間未満であると判断された場合には、次のステップＳ５で電流検出抵抗１４に流れる充放電電流が過電流検出電流以上であるか否かが判断される。充放電電流が過電流検出電流以上であると判断された場合には、処理がステップＳ３に戻る。

また、充放電電流が過電流検出電流未満であると判断された場合には、処理がステップＳ６に移行し、タイマ２０による時間の計測が終了される。すなわち、この場合には、タイマ２０に設定された遅延時間に達する前に過大電流が流れなくなるため、検出された過大電流が負荷ラッシュ電流であり、過電流ではないと判断される。そして、処理がステップＳ１に戻り、充放電電流の検出が所定時間毎に巡回的に行われる。

［充放電禁止状態の解除］
次に、充放電禁止状態の解除について説明する。電池パック１では、過電流が流れていると判断された場合に充電制御ＦＥＴ２１ａおよび放電制御ＦＥＴ２２ａをＯＦＦとして充放電を禁止するが、その後、過電流が流れていない状態となった場合には、充放電禁止状態を解除する必要がある。この発明の実施の第１の形態では、電流検出抵抗１４の両端に発生する電位差に基づき、充放電禁止状態を解除するようにしている。

例えば、図５に示すように、電池パックに対して電動工具などの負荷が接続され、放電中に負荷の異常によって過電流が流れた場合について考える。先ず、この発明の実施の第１の形態による充放電禁止状態の解除についての理解を容易とするため、従来の電池パック１００に負荷を接続した場合について説明する。図５Ａは、従来の電池パック１００に負荷を接続した場合の一例を示す。

従来の電池パック１００では、図５Ａに示すように、電流検出抵抗が設けられていないため、放電制御ＦＥＴ１２２ａにおけるドレイン・ソース間の抵抗によって電流検出を行う。すなわち、従来の電池パック１００では、地点Ｘおよび地点Ｙにおける電圧を測定し、この２つの地点の電位差に基づき過電流が流れているか否かを判断する。

従来の電池パック１００では、負荷５０の異常によって過電流が流れると、放電制御ＦＥＴ１２２ａをＯＦＦとするように制御する。このとき、放電制御ＦＥＴ１２２ａがＯＦＦとされることによって過電流が遮断される。しかしながら、過電流が遮断されても、負極端子１０４が負荷５０を介して正極端子１０３と接続されているため、地点Ｙが＋側にプルアップされた状態となってしまい、地点Ｘおよび地点Ｙ間に電位差が発生してしまう。そのため、従来の電池パック１００では、正常な電流が流れる状態となった場合であっても、地点Ｘおよび地点Ｙ間に生じる電位差によって過電流が流れていると判断してしまい、充放電状態を解除することができない。

一方、図５Ｂは、この発明の実施の第１の形態による電池パック１に負荷を接続した場合の一例を示す。この実施の第１の形態による電池パック１では、図５Ｂに示すように、負荷５０の異常によって過電流が流れると、上述した図４に示すフローチャートに従い、放電制御ＦＥＴ２２ａをＯＦＦとするように制御する。

このとき、放電制御ＦＥＴ２２ａがＯＦＦとされることによって過電流が遮断され、地点Ｘ'およびＹ'で示す電流検出抵抗１４の両端に電位差が発生しない。したがって、制御部１２は、過電流が流れていないと判断し、放電制御ＦＥＴ２２ａをＯＮとして放電禁止状態を解除することができる。

このように、電流検出抵抗の両端に発生する電位差に基づき充放電電流を検出し、電位差が発生しない場合に正常な電流が流れていると判断することにより、充放電禁止状態を解除することができる。

＜２．実施の第２の形態＞
この発明の実施の第２の形態について説明する。この発明の実施の第２の形態では、上述した実施の第１の形態に対して、充電制御ＦＥＴおよび放電制御ＦＥＴを外部の機器および／または充電器に設け、電池パック側から充放電制御ＦＥＴを制御する。

［電池パックの構成］
図６は、この発明の実施の第２の形態に適用可能な電池パック１'の一例の構成を示す。なお、上述した実施の第１の形態と同様の部分については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。電池パック１'は、複数の電池セル１１，１１，・・・からなる組電池１０と、制御部１２'、電流検出抵抗１４、正極端子３、負極端子４、充電制御端子７および放電制御端子８がマウントされた回路基板６とから構成されている。

電池パック１'は、機器本体および／または充電器に接続された際に、正極端子３および負極端子４がそれぞれ外部の機器本体および／または充電器の正極端子および負極端子に接続される。また、充電制御端子７および放電制御端子８がそれぞれ外部の機器本体および／または充電器の充電制御端子および放電制御端子に接続される。

制御部１２'は、実施の第１の形態と同様に、例えばＩＣ（Integrated Circuit）で構成されている。制御部１２'は、電流経路に設けられた電流検出抵抗１４を用いて、その両端に発生する電位差から充放電電流を測定し、測定結果に基づき過電流の検出を行う。そして、過電流の検出結果に基づき、外部の機器本体や充電器に設けられた充電制御ＦＥＴを制御するための充電制御信号が充電制御端子７を介して出力される。また、放電制御ＦＥＴを制御するための放電制御信号が放電制御端子８を介して出力される。

外部の機器本体および／または充電器は、電池パック１'から供給された充電制御信号および放電制御信号に基づき、機器本体および／または充電器に設けられた充電制御ＦＥＴおよび放電制御ＦＥＴが制御される。

［負荷ラッシュ電流による過電流の誤検出防止］
次に、過電流の誤検出を防止する方法について説明する。この発明の実施の第２の形態では、上述した実施の第１の形態と同様に、過大電流が検出された際に、検出された過大電流がタイマ２０に設定された遅延時間内に収まるか否かにより、この過大電流が過電流であるか否かを判断する。

例えば、遅延時間を超えても過大電流が流れ続けている場合には、異常による過電流であると判断することができる。そして、過電流であると判断した場合には、制御部１２'から充電制御信号および放電制御信号が充電制御端子７および放電制御端子８を介して出力され、接続された機器本体および／または充電器に対して供給される。また、設定された遅延時間内に過大電流が収まる場合については、過電流ではないと判断することができる。

充電制御信号および放電制御信号を受け取った機器本体および／または充電器は、これらの制御信号に基づき、自身に設けられた充放電制御ＦＥＴをＯＦＦとすることにより、充放電を禁止する。

このように、この発明の実施の第１の形態および実施の第２の形態では、過大電流が検出されてから設定された遅延時間内に発生する過大電流に基づいて充放電の制御を行わないようにしている。したがって、負荷ラッシュ電流等の瞬間的に流れる過大電流による過電流の誤検出を防ぐことができる。

以上、この発明の第１の実施の形態および第２実施の形態について説明したが、この発明は、上述したこの発明の第１の実施の形態および第２の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。この例では、電池セルとして円筒型を用いた場合について説明したが、これに限らず、例えば角形状の電池セルを用いた場合にも適用可能である。

１，１' 電池パック
２ 筐体
３ 正極端子
４ 負極端子
５ 端子
６，６' 回路基板
７ 充電制御端子
８ 放電制御端子
１０ 組電池
１１ 電池セル
１２，１２' 制御部
１３ スイッチ回路
１４ 電流検出抵抗
２０ タイマ
２１ａ 充電制御ＦＥＴ
２２ａ 放電制御ＦＥＴ

Claims (2)

1. 負荷としてモータが接続される二次電池と、
   上記二次電池の電流経路に設けられた制御ＦＥＴと、
   上記電流経路の、上記二次電池と上記制御ＦＥＴとの間に設けられた電流検出抵抗と、
   上記電流検出抵抗の両端に発生する電位差から上記電流検出抵抗に流れる電流を所定時間毎に測定し、上記測定の結果に応じて上記制御ＦＥＴを制御する制御部とを備え、
   上記制御部は、
   上記電流検出抵抗に流れる上記電流と閾値とを比較し、上記電流が上記閾値以上である場合に、上記制御ＦＥＴをＯＦＦとするように制御し、
   上記制御ＦＥＴをＯＦＦとするように制御した後に、上記電流検出抵抗の両端に発生する電位差を測定し、上記電位差が発生しない場合に上記制御ＦＥＴをＯＮとするように制御する電池パック。
2. 上記制御ＦＥＴは、上記二次電池の負極側に設けられている請求項１に記載の電池パック。

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