WO2021111849A1

WO2021111849A1 - 電池パック及び電気機器システム

Info

Publication number: WO2021111849A1
Application number: PCT/JP2020/042523
Authority: WO
Inventors: 晃洋小林
Original assignee: 工機ホールディングス株式会社
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-06-10
Also published as: JPWO2021111849A1; JP7424392B2

Abstract

消費電力の抑制及び携帯性向上と故障の抑制を図る電池パック及び電気機器システムを提供する。電気機器システム１は、電池パック１００と電動工具２００とを備える。電池パック１００は電池セルユニット１１０と、電池側制御部１２０と、電源回路１２２と、トランジスタ１３０と、トランジスタ１３１と、を備える。電池パック１００が所定の不使用条件を満たすと、電池側制御部１２０はトランジスタ１３０とトランジスタ１３１と、を制御し、電池側端子部の出力を制限する。

Description

電池パック及び電気機器システム

本発明は、電池パック及び電気機器システムに関する。

電動工具等の電気機器が、リチウムイオン電池等の二次電池を用いた電池パックにより駆動されるようになって、近年では、電気機器のコードレス化が進んでいる。この種の電気機器では、電池パックが電気機器と脱着可能に構成されている。ここで、放電によって電池パックの電圧が低下した際には、電池パックを電気機器本体から取り外して、電池パックを外部充電装置により充電する。このような電池パックは接続される電動工具等の電気機器の多様化や利便性向上のために、電池出力の高電圧化が求められており、二次電池の性能向上とともに高電圧化が図られてきている。

特開２００３－１６４０６６号公報

電動工具等の電気機器で使用される電池パックは、放電によって電圧が低下した際には、電気機器本体から取り外され、外部充電装置により充電される。その際に電池パックは電気機器本体に装着されるまでは、電池パック単体で持ち運びされる。そのため、電池パック単体や電気機器本体に装着されても電気機器本体で作業を行わないときの電池パックの消費電力を抑制することが要求されている。また、電池パックの接続端子間のショートなどに対する保護機能が電池パックに要求されている。例えば上記先行技術文献に記載の電池パックでは、電池セルの出力をスイッチングする素子が内蔵されており、内蔵されたスイッチング素子は電池セルが過放電のときに電池セルの出力を遮断する構成となっている。また、電池パックにはショート等による過電流（例えば短絡電流）を検出し、電池セルの出力を遮断する回路などが内蔵されているが、当該回路が機能しても電池セルには短い時間ではあるが、短絡電流が流れてしまう。そのため、電池出力の高電圧化が進む中で、短絡電流による電池の故障などが更に懸念されている。また、電池パックの放電経路を遮断してしまうと、電気機器側の制御部と電池パック側の制御部との間で通信を行う場合、電池パックから電気機器側の制御部に電源を供給する構成では、電池パックを電気機器本体に接続しても電気機器側の制御部が駆動されないことが懸念される。

本発明は、上記事実を考慮して、消費電力の抑制を図る電池パック及び電気機器システムを提供する。また、携帯性向上（取り扱いがし易く）と故障の抑制を図る電池パック及び電気機器システムを提供する。また、電池パックを電気機器本体に接続した際に電気機器本体の制御部が動作できる電池パック及び電気機器システムを提供する。

本発明の第１実施態様に係る電池パックでは、複数の電池セルが直列に接続された電池セルユニットと、電池セルユニットと電気的に接続される電池側正極端子及び電池側負極端子を有し、外部の電気機器本体の機器側端子部に接続され、電池セルユニットの電圧を出力する電池側端子部と、電池セルユニットと電池側端子部との間に電気的に接続され、所定の不使用条件を満たすと電池側端子部からの出力を制限する出力電圧制限部と、を備える。

本発明の第１実施態様に係る電池パックは、電池セルユニットと、電池側端子部と、出力電圧制限部と、を備えている。したがって、この構成によれば、電池パックが所定の不使用条件を満たすと、出力電圧制限部により、電池側端子部の出力電圧を制限することができるため、電池パックの携帯性向上と故障の抑制を図ることができる。

本発明の第２実施態様に係る電池パックは、第１実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件は、電池パックが電気機器本体に接続されていない状態である。

本発明の第２実施態様に係る電気パックは、第１実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件は電池パックが電気機器本体に装着されていない状態である。したがって、この構成によれば、電池パックが電気機器から外され、電池パック単体のときに出力電圧制限部により、電池側端子部の出力電圧を制限することができるため、電池パックの消費電力を抑制することができる。さらに、電池パックの携帯性向上と故障の抑制を図ることができる。

本発明の第３実施形態に係る電池パックは、第１実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件は、電池パックが電気機器本体に接続されており電気機器本体が作業をしていない状態である。

本発明の第３実施態様に係る電池パックは、第１実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件は、電気機器本体が作業をしていない状態である。したがって、この構成によれば、電池パックが電気機器に装着され、電気機器本体を作業していない状態のとき、出力電圧制限部により電池側端子部からの出力電圧を制限することができるため、電池パックの消費電力を抑制することができる。

本発明の第４実施形態に係る電池パックは、第３実施態様に係る電池パックにおいて、電池パックが電気機器本体に接続され電気機器本体が作業を停止した後、作業しない状態が所定時間継続した場合に出力電圧制限部が電池側端子部からの出力を制限する。

本発明の第４実施態様に係る電気パックは、第３実施態様に係る電池パックにおいて、電池パックが電気機器本体に接続され、電気機器本体が作業を停止した後、所定時間作業しない状態が継続したとき、出力電圧制限部が電池側端子部からの出力を制限する。したがって、この構成によれば、電気機器本体の作業終了後、所定時間内に作業が開始されないとき、出力電圧制限部により、電池側端子部からの出力電圧を制限するため、電池パックの消費電力を抑制できる。

本発明の第５実施態様に係る電池パックは、第１～第４実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件を満たすと、電池側端子部から電池セルユニットの電圧出力を停止する。

本発明の第５実施態様に係る電池パックは、第１～第４実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件を満たすと、電池側端子部の出力電圧を停止する。したがって、この構成によれば、所定の不使用条件を満たしたとき、電池側端子部の出力を停止するため、電池パックの消費電力を抑制することができる。また、電池側端子部の出力を停止するため、短絡等による電池パックの故障の抑制と電池パックの携帯性向上を図ることができる。

本発明の第６実施態様に係る電池パックは、第１～第４実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件を満たすと、電池セルユニットの電圧より低い電圧を電池側端子部から出力する。

本発明の第６実施態様に係る電池パックは、第１～第４実施態様に係る電池パックにおいて、所定の不使用条件を満たしたとき、電池側端子部の出力には電池セルユニットの電圧より低い電圧が出力される。したがって、この構成によれば、電池パックが不使用の状態のときに、電池パックの電池側端子部の電圧を低くすることができるため、消費電力の抑制を図ることができる。さらに、電池パックの携帯性向上と故障の抑制を図ることができる。

本発明の第７実施態様に係る電池パックは、第５～第６実施態様に係る電池パックにおいて、出力電圧制限部は、電池セルユニットと電池側端子部との間の放電経路に設けられ、電池セルユニットから電池側端子部への出力を停止又は低下させる放電制限部を有する。

本発明の第７実施形態に係る電池パックは、第５～第６実施態様に係る電池パックにおいて、放電制限部を備える。したがって、この構成では放電経路に放電制限部を設けるだけで、出力を容易に制限することができる。また、電池側端子部の出力が接続される電気機器側に入力されるため、電気機器側の制御部に電源を供給することができる。

本発明の第８実施態様に係る電池パックは、第７実施態様に係る電池パックにおいて、電池セルユニットの電圧より低い電圧を生成する電池側電源部を備え、出力電圧制限部は、電池側電源部を電池側端子部に電気的に接続する状態と遮断する状態とに切り替える切替部を有する。

本発明の第８実施態様に係る電池パックは、第７実施態様に係る電池パックにおいて、電池側電源部と、切替部とを備える。従ってこの構成では、電池側端子部の出力を切替部によって容易に電池側電源部の出力電圧（低電圧）に切り替えることができる。また、電池側電源部を電池側端子部に接続した状態では、接続される電気機器側に低電圧が入力されるため、電気機器側の制御部に電源を供給することがでる。

本発明の第９実施態様に係る電池パックは、第８実施態様に係る電池パックにおいて、電池セルユニットを複数有し、電池側電源部と複数の電池セルユニットのいずれかとの接続状態を切り替えるセルユニット切替部と、を備える。

本発明の第９実施態様に係る電池パックは、第８実施態様に係る電池パックにおいて、複数の電池セルユニットと、セルユニット切替部と、を備える。従って、この構成では、複数の電池セルユニットを備えた構成でも、セルユニット切替部により、第８実施態様に係る電池パック同様の効果を得ることができる。また、電池側電源部と接続される電池セルユニットを切り替えることができるため、電池セルユニット間の電圧のアンバランスを抑制することができる。

本発明の第１０実施態様に係る電気機器システムは、電池側端子部に接続可能な機器側端子部と、電池側端子部と機器側端子部とを介して電源供給を受ける機器側制御部と、を備えた電気機器本体と、第１～第９実施態様のいずれかの電池パックと、を有する。

したがって、この構成によれば、電池パックが所定の不使用条件を満たすと、電池側端子部からの出力を制御することができるため、電池パックの携帯性向上と故障の抑制を図ることができる。さらに、電気機器システムの消費電力の抑制を図ることができる。また、電池パックを電気機器本体に接続した際に電気機器本体の制御部が動作することができる。

本発明の実施形態によれば、消費電力の抑制を図る電池パック及び電気機器システムを提供することができる。また、携帯性向上と故障の抑制を図る電池パック及び電気機器システムを提供することができる。また、電池パックを電気機器本体に接続した際に電気機器本体の制御部が動作できる電池パック及び電気機器システムを提供することができる。

本発明の第１実施の形態に係る電気機器システムの回路構成図である。本発明の第１実施の形態に係る電気機器システムの電源制御方法を説明する動作モード表である。本発明の第１実施～第３実施の形態に係る電気機器システムの電源制御方法を説明するフローチャートである。本発明の第１実施の形態に係る電気機器システムの電源制御方法を説明するタイミングチャートである。本発明の第２実施の形態に係る電気機器システムの回路構成図である。本発明の第３実施の形態に係る電気機器システムの回路構成図である。本発明の第２実施の形態及び第３実施の形態に係る電気機器システムの電源制御方法を説明する動作モード表である。本発明の第２実施の形態及び第３実施の形態に係る電気機器システムの電源制御方法を説明するタイミングチャートである。本発明の第１実施の形態の変形例に係る電気機器システムの回路構成図である。発明の第１実施の形態の変形例に係る電気機器システムの電源制御方法を説明するタイミングチャートである。

［第１実施の形態］　図１を用いて、本発明の第１実施の形態に係る電気機器システム１について、説明する。ここで、図１は電池パック１００を電動工具２００に接続した状態の電気機器システム１の回路構成を示している。また、電動工具２００はコードレスの電動工具であり、電池パック１００から電源供給を受けて動作する電気機器（電気機器本体）である。

［電気機器システム１の全体構成］　電気機器システム１の全体構成を、図１を用いて説明する。電気機器システム１は電池パック１００と、電動工具２００（電気機器本体）と、を含んで構成されている。電池パック１００と電動工具２００とは、それぞれ外部に複数の接続端子が設けられ、電池パック１００を電動工具２００に装着すると、電気的に接続する構造となっている。

（電池パック１００の構成）　電池パック１００は電池セルユニット１１０と、電池側制御部１２０と、電源回路１２２と、電流検出部１２３、トランジスタ１３０と、トランジスタ１３１と、を含んで構成されている。さらに、電池パック１００は電動工具２００に接続される電池側電源端子（電池側正極端子）１０１と、電池側電源端子（電池側負極端子）１０６と、接続端子１０２～１０５と、を備えている。これら端子は本発明の電池側端子部を構成する。

電池パック１００の正極端子である電池側電源端子１０１は、トランジスタ１３０のソース電極とトランジスタ１３１のソース電極に接続されている。電池パック１００の負極端子となる電池側電源端子１０６は、電池セルユニット１１０の負極に接続されている。トランジスタ１３０のドレイン電極は、電池セルユニット１１０の正極に接続されている。トランジスタ１３０のゲート電極は電池側制御部１２０に接続され、電池セルユニット１１０の正極と電池側電源端子１０１との間の遮断導通を制御する。トランジスタ１３０及びトランジスタ１３１は、ｎチャネル導電型絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いて構成されている。本実施例では、金属－酸化膜－半導体型電界効果トランジスタ（MOSFET：Metal Oxide Semiconductor FET）を使用している。

電源回路１２２には電池セルユニット１１０の正極から電源が供給され、電源回路１２２で生成された電源は電池側制御部１２０とトランジスタ１３１のドレイン電極に接続されている。トランジスタ１３１のゲート電極は電池側制御部１２０に接続されている。

電池側制御部１２０は接続端子１０２～１０５に接続されている。電流検出部１２３は電池セルユニット１１０の負極と電池側電源端子１０６との間に配設され、電池側制御部１２０に接続されている。

（電動工具２００の構成）　電動工具２００はモータ２１０と、機器側制御部２２０と、降圧回路２２１と、電源回路２２２と、通信回路２２３と、電池温度検出回路２２４と、過放電検出回路２２５と、トリガＳＷ２４０と、トランジスタ２３０と、を含んで構成されている。

さらに、電動工具２００は電池パック１００と接続される、工具側電源端子（工具側正極端子）２０１と、工具側電源端子（工具側負極端子）２０６と、接続端子２０２～２０５と、を備える。これら端子は本発明の機器側端子部を構成する。工具側電源端子２０１は降圧回路２２１とモータ２１０の一端と、に接続され、モータ２１０の他端はトランジスタ２３０のドレイン電極に接続されている。トランジスタ２３０のソース電極は工具側電源端子２０６に接続され、ゲート電極は機器側制御部２２０に接続されている。

降圧回路２２１は工具側電源端子２０１に接続され、生成された電圧は電源回路２２２に接続されている。電源回路２２２で生成された電源が機器側制御部２２０に接続されている。

機器側制御部２２０は、トリガＳＷ２４０と、電源回路２２２と、通信回路２２３と、電池温度検出回路２２４と、過放電検出回路２２５とにそれぞれ接続されている。接続端子２０２は、通信回路２２３に接続されている。接続端子２０３は、機器側制御部２２０に接続されている。接続端子２０４は、電池温度検出回路２２４と通信回路２２３とに接続されている。接続端子２０５は、過放電検出回路２２５に接続されている。

電動工具２００に電池パック１００が装着されると、工具側電源端子２０１は電池側電源端子１０１と接続され、工具側電源端子２０６は電池側電源端子１０６に接続される。さらに、接続端子２０２～２０５は、接続端子１０２～１０５にそれぞれ接続される。

（電池パック１００の回路説明）　電源回路１２２は降圧電源回路であり、電池セルユニット１１０から入力された直流電圧を降圧し、電池側の制御系電源として電池側制御部１２０と、図示していないが電池側制御部１２０周辺の電池側制御系回路に電源が供給される。例えば、降圧電源回路としてはスイッチング電源で構成され、電池セルユニット１１０の電圧は１個当たり３．６Ｖの電池セルが５個直列に接続され１８Ｖであり、降圧した出力電圧は５Ｖである。また、電池側制御部１２０には、過電流保護回路、もしくは、電流制限回路、又は過放電保護回路が内蔵されている。

電池側制御部１２０は電動工具２００に装着されると、接続端子１０２～１０５に接続される信号線によって電動工具２００と情報の伝達が行われる。

接続端子１０２に接続される信号線は、電池識別情報や工具識別情報が入出力される。この識別情報は接続端子２０２を介して、電動工具２００の通信回路２２３に入出力されている。

接続端子１０３に接続される信号線は、電池パックが電動工具に装着されているかを判断できる信号が入力される。接続端子２０３を介して、電動工具側の機器側制御部２２０に接続されている。また、電池パックが電動工具に装着されているかを検出する検出部を別途電池パックに配設してもよい。この場合、検出部は、電池パックが電動工具に装着されているかを検出し、電池側制御部１２０へ当該情報を出力する。例えば、検出部としては、圧力センサ、電圧検出、インピーダンス検出、フォトセンサ、メカニカルスイッチなどがあげられる。

接続端子１０４に接続される信号線は、図示しない電池パック１００内の電池セルユニット１１０に接触して設けられた感温素子による、電池セルユニット１１０の温度情報が出力される。この温度情報は接続端子２０４を介して、電動工具２００の通信回路２２３及び電池温度検出回路２２４に入力されている。

接続端子１０５に接続される信号線は、図示しない電池パック１００内の電池保護回路による過放電保護信号が出力される。電池セルユニット１１０が過放電になったことを電池保護回路で検出し、接続端子２０５を介して電動工具２００の過放電検出回路２２５に入力されている。

電流検出部１２３は、電池セルユニット１１０が消費している電流、言い換えると電池セルユニット１１０から出力される電流（放電電流）を検出する。モータ２１０が停止状態から回転状態に移行したときの電流の変化を検出し、検出結果を電池側制御部１２０に入力することで、トリガＳＷ２４０が操作されたかを判断する。

トランジスタ１３０及びトランジスタ１３１は、電池パック１００の正極となる電池側電源端子１０１に出力する電圧をスイッチングするスイッチング素子となる。トランジスタ１３０は電池セルユニット１１０の正極と電池側電源端子１０１の間の放電経路に直列に配設され、電池セルユニット１１０の電池側電源端子１０１への出力を遮断導通する。トランジスタ１３１は電源回路１２２と電池側電源端子１０１の間の電源経路に直列に配設され、電源回路１２２の電池側電源端子１０１への出力を遮断導通する。ここで、トランジスタ１３０及びトランジスタ１３１が本発明の出力電圧制限部を構成する。また、トランジスタ１３０は本発明の放電制限部であって第１のスイッチング素子を構成し、トランジスタ１３１は本発明の切替部であって第２のスイッチング素子を構成する。

これらトランジスタ１３０及び１３１を設けることにより、電池側電源端子１０１を用いて、通常の電池セルユニットの電圧（例えば１８Ｖ）を出力する機能に加え、後述する機器側制御部２２０の電源となる低電圧を出力する機能を兼用することができる。そのため低電圧用の新たな端子を設ける必要がなく、端子の設置スペースの増加を抑えることができる。なお、図示していないが、電池側制御部１２０、と各トランジスタ１３０、１３１との間に、トランジスタのゲート電極に印加するための電圧を生成する昇圧回路が設けられていてもよい。

（電動工具２００の回路説明）　図１に示す電動工具２００は、モータ２１０の回転駆動力を用いた電動工具の回路構成例である。

降圧回路２２１は電池パック１００から供給される直流電圧が工具側電源端子２０１を介して供給され、降圧して電源回路２２２に接続される。電源回路２２２は定電圧回路であり、降圧回路２２１から入力された電圧を安定化し、電動工具２００の制御系電源として機器側制御部２２０及び周辺の制御系回路に電源を供給する。例えば、降圧回路２２１及び電源回路２２２はスイッチング電源で構成され、電池パック１００の出力電圧は１８Ｖであり、電源回路２２２の定電圧回路の出力電圧は３．３Ｖである。

通信回路２２３、電池温度検出回路２２４及び過放電検出回路２２５は、機器側制御部２２０と接続されている。前述した様に、通信回路２２３、電池温度検出回路２２４及び過放電検出回路２２５を介して電池パック１００に搭載された電池側制御部１２０と機器側制御部２２０は情報のやりとりがされ、機器側制御部２２０はその情報により、電動工具２００の動作制御を行う。

トリガＳＷ２４０は、作業者が電動工具２００を操作するスイッチであり、機器側制御部２２０にはスイッチの状態が入力されている。トリガＳＷ２４０がオフ状態のときは、機器側制御部２２０はトランジスタ２３０のゲート電圧を制御し、トランジスタ２３０をオフ状態にする。作業者の操作により、トリガＳＷ２４０がオン状態にされると、機器側制御部２２０はトランジスタ２３０のゲート電極を制御し、トランジスタ２３０がオン状態にされる。トランジスタ２３０がオン状態にされると、モータ２１０に電流が流れ、モータ２１０が回転し、そのモータ２１０の回転駆動力で電動工具２００に取り付けられた先端工具が作動する。

（電気機器システム１の電源制御説明）　次に、図１を参照しつつ、図２～図４を用いて、本実施の形態に係る電気機器システム１の電池パック１００に搭載の電池側制御部１２０の電源制御について説明する。

図２に示されるように、電池パック１００は電池側制御部１２０による電源制御により、スリープモード、待機モード、通常モードの３つの動作モードに設定が可能である。

スリープモードは、電池パック１００が電動工具２００に装着されていないときに設定されるモードである。待機モードは、電池パック１００が電動工具２００に装着された直後及び一定時間電動工具が操作されなかったあとに設定されるモードである。通常モードは、作業者が電動工具を使用しているときに設定されるモードである。電池パック１００は電池パックの状態と作業者の電動工具の操作を検出し、電池側制御部１２０の制御プログラムにより動作モードが切り替えられる。

電池側制御部１２０の電源制御に関して、図３の電源制御フローチャート及び図４の電源制御タイミングチャートを参照しながら、動作を説明する。

まず、電池側制御部１２０は電池パック１００をスリープモードに設定する（ステップＳ１）。スリープモード中は、トランジスタ１３０をオフ状態に移行させ、トランジスタ１３１が一定周期でオンオフを継続的に繰り返す制御が行われる。この制御により電池側電源端子１０１には、電源回路１２２の出力電圧と０Ｖが交互に出力され、電池側電源端子１０１からの出力が制限される。例えば、本実施例では、５０ミリ秒間５Ｖ電圧が出力され、その後、５秒間０Ｖが出力される動作が繰り返される。

電池側電源端子１０１に電圧が出力されている期間に、電池側制御部１２０は電池パックが電動工具に装着されたかを確認する（ステップＳ２）。電池側電源端子１０１に電圧が出力される期間は、電動工具２００の降圧回路２２１及び電源回路２２２に電圧が供給され、機器側制御部２２０が動作可能となり、制御部間で通信が可能となる。電池側制御部１２０は、接続端子１０３及び接続端子２０３を介して電動工具２００の機器側制御部２２０との通信の情報で電池パック１００が電動工具２００に装着されているかを判断する。

電池パック１００が電動工具２００に装着されていないと判断したときは、ステップＳ１に戻り、スリープモードを継続する。スリープモードは所定（第１）の不使用条件を満たす場合に相当する。電池パック１００が電動工具２００に装着されたと判断すると、電池側制御部１２０は、スリープモードから待機モードに状態を切り替える（ステップＳ３）。スリープモードでは、一定周期で電池側電源端子１０１の出力をオンオフしていたが、待機モードは出力電圧が保持される。待機モードは所定（第２）の不使用条件を満たす場合に相当し、電池パック１００が電動工具２００に装着されているが、作業していない状態である。電池側制御部１２０はトランジスタ１３１のゲート電極を制御し、オン状態に固定する。

例えば、本実施例では、電池側電源端子１０１には５Ｖ出力が保持される。この場合にも電池側電源端子１０１からの出力が制限される。これにより、電池パック１００が電動工具２００に装着されると、電動工具２００の機器側制御部２２０に電池側電源端子１０１を介して電源が供給されるため、電池側制御部１２０と機器側制御部２２０との間での通信、例えば電池接続有無の情報、温度情報、過放電情報、履歴情報等の情報の通信を開始することができる。この構成により、電池パック１００が電動工具２００に接続されていないスリープ状態（第１の不使用条件を満たす場合）や接続されたが動作していない待機状態（第２の不使用条件を満たす場合）には、電池パック１００の出力が制限されるため電池セルユニット１１０の消費電力を抑制することができる。特にスリープ状態では電池側電源端子１０１からの出力を低下させつつ間欠的に出力させるため一層消費電力を抑制することができる。

待機モードに移行後、電池側制御部１２０はトリガＳＷ２４０の操作状態及び電池パック１００が装着されているかを継続的に監視する（ステップＳ４及びステップＳ５）。電動工具２００から電池パック１００が取り外されたと判断すると、電池側制御部１２０は電池パック１００をスリープモード（ステップＳ１）に移行させる。トリガＳＷ２４０が作業者により操作され、電流検出部１２３の検出結果からトリガＳＷ２４０のオン状態が検出されると、電池側制御部１２０は待機モードから通常モードに動作モードを切り替える（ステップＳ６）。

通常モードでは、トランジスタ１３１をオフ状態、トランジスタ１３０をオン状態に移行させ、電池側電源端子１０１の電圧が、電池セルユニット１１０の電圧に切り替えられる。本実施例では、電池側電源端子１０１の出力電圧が５Ｖから１８Ｖに切り替えられる。通常モードでは、機器側制御部２２０が作業者によるトリガＳＷ２４０の操作に同期してトランジスタ２３０を制御し、モータ２１０に電流を流し、モータを回転させ工具を作動させる。

次に、通常モードに移行すると、電池側制御部１２０には図示していない内蔵されたタイマーのリセットを実行し（ステップＳ７）、その後、タイマーのカウントアップを起動する（ステップＳ８）。さらに、タイマーのカウントアップを継続した状態で、トリガＳＷ２４０が操作されたかを検出する（ステップＳ９）。仮にトリガＳＷ２４０の操作がされたと電池側制御部１２０が判断すると、通常モードを継続したまま、ステップＳ７に戻りタイマーをリセットする。トリガＳＷ２４０の操作が無いと電池側制御部１２０が判断すると、次に、タイマーのカウント値が一定の時間が経過したかを判断する（ステップＳ１０）。本実施例では、一定の時間は１０分としているが、変更可能な時間である。仮に、一定の時間が経過したと電池側制御部１２０が判断すると、電池側制御部１２０はステップＳ３に戻り、電池パック１００を通常モードから待機モードに移行させる。

仮に、一定の時間が経過していないと電池側制御部１２０が判断すると、次に電池側制御部１２０は電池パック１００が電動工具２００に装着されているかを判断する（ステップＳ１１）。仮に、電池パック１００が電動工具２００から外されたと電池側制御部１２０が判断すると、ステップＳ１に戻り、電池側制御部１２０は電池パック１００を通常モードからスリープモードに移行させる。電池パック１００が電動工具２００に装着されていると判断したときは、ステップＳ９に戻り、トリガＳＷ２４０の操作の有無を確認する。

（作用効果）　本実施の形態に係る電気機器システム１は、図１に示されるように電池パック１００と電動工具２００と、を含んで構成されている。電池パック１００は電池セルユニット１１０と、電池側電源端子１０１と、電池側電源端子１０６と、接続端子１０２～１０５と、電池側制御部１２０と、電源回路１２２と、電流検出部１２３、トランジスタ１３０と、トランジスタ１３１と、を含んで構成されている。

ここで仮に、電池パック１００が電動工具２００に装着されていないとき、制御部間の通信結果から、電池側制御部１２０は電池パック１００が不使用状態であると判断する。電池側制御部１２０は電池パック１００が不使用状態と判断すると（不使用条件を満たすと）、動作モードをスリープモードに移行させる。そのとき、電池側電源端子１０１には、電池セルユニット１１０の電圧より低い電圧を生成する電源回路１２２の出力電圧が間欠的に出力される。従来の電池パックが電動工具に装着されていない状態で持ち運ばれ、電池側電源端子１０１に電池セルユニット１１０の電圧が出力されていると電池パック１００の電力を消費してしまう。また、接続端子間でショートが発生すると、高電圧出力の電池セルユニット１１０の正極と負極が直接ショートされることになり、短絡電流により電池セルの発熱や故障の可能性があった。

図２～図４で示した電源制御がされる電池パック１００では、電池側電源端子１０１の出力が電池セルユニット１１０の電圧より低く制限されているため電池パック１００の消費電力を抑制することができる。また、端子間がショートされたとき、電池セルの正極と負極が直接ショートされることはなく、電源回路１２２の出力がショートされる構成となる。出力がショートされた電源回路１２２は、過電流保護回路、もしくは、電流制限回路により保護されるため、電池セルユニット１１０に大きな短絡電流が流れず、電池セルユニット１１０を保護することができる。

また、電池側電源端子１０１に出力される電圧は間欠的にオンとオフを繰り返すため、仮に端子間ショートされても、電源回路１２２の出力がショートされる期間は限定される。つまり、図１～図４で示した電池パック１００は、接続端子間ショートに対して電池セルユニット１１０を保護する機能を有し、電池パック及び電気機器システムの携帯性向上と故障の抑制を図ることができる。また、電池側電源端子１０１からは低電圧が出力されているため、電気機器本体側の制御部には電池側電源端子１０１を介して駆動電圧を供給することができるため、電気機器本体の制御部を起動することができる。電池パック１００を電気機器本体に接続すれば、電池パック１００の消費電力を抑制しつつ両者の制御部間で通信を行うこともできる。

［第２実施の形態］　図５を用いて、本発明の第２実施の形態に係る電気機器システム１Ａについて説明する。ここで、図５は電池パック１００ａを電動工具２００ａに接続した状態の電気機器システム１Ａの回路構成を示している。

［電気機器システム１Ａの全体構成］　第２実施の形態に係る電気機器システム１Ａは、前述した第１実施の形態に係る電気機器システム１に対して、電池セルユニット１１０の代わりに２つの電池セルユニットが配設され、更に電池側電源端子部が変更された電池パック１００ａと、工具側電源端子部が変更された電動工具２００ａとで構成されている。なお、本実施の形態並びに後述する他の実施の形態において、第１実施の形態に係る電気機器システム１の構成要素と同一の構成要素又は実質的に同一の構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（電池パック１００ａの構成）　図５を用いて、電池パック１００ａの構成を説明する。電池パック１００ａは電池パック１００に対し、電池セルユニット１１０ａ（上側電池セルユニット）と、電池セルユニット１１０ｂ（下側電池セルユニット）と、電圧検出部１２４と、保護ＩＣ１２５と、保護ＩＣ１２６と、トランジスタ１３２と、スイッチ素子１３３（セルユニット切替部）と、を更に備えて構成されている。また、電池パック１００ａは電池パック１００の正極側の端子である電池側電源端子（電池側正極端子）１０１が２つの端子に分割された、セルユニット側電源端子（上側セルユニット正極端子）１０１ａとセルユニット側電源端子（下側セルユニット正極端子）１０１ｂを備えている。さらに、電池パック１００の負極側の端子である電池側電源端子（電池側負極端子）１０６が２つの端子に分割された、セルユニット側電源端子（下側セルユニット負極端子）１０６ａとセルユニット側電源端子（上側セルユニット負極端子）１０６ｂを備えている。また、電池パック１００の電池側制御部１２０は、電池パック１００ａでは、セルユニット制御部１２０ａに変更されている。これら端子は本発明の電池側端子部を構成する。

電池セルユニット１１０ａの正極はトランジスタ１３２のドレイン電極に接続され、負極はセルユニット側電源端子１０６ｂに接続されている。電池セルユニット１１０ａは複数の電池セルで構成され、それぞれの電池セルの正極及び負極は、保護ＩＣ１２５と接続されている。また、保護ＩＣ１２５はセルユニット制御部１２０ａと接続されている。

電池セルユニット１１０ｂの正極はトランジスタ１３０のドレイン電極に接続され、負極は電流検出部１２３を介して、セルユニット側電源端子１０６ａに接続されている。電池セルユニット１１０ｂは複数の電池セルで構成され、それぞれの電池セルの正極及び負極は、保護ＩＣ１２６に接続されている。また、保護ＩＣ１２６はセルユニット制御部１２０ａに接続されている。

電圧検出部１２４はセルユニット側電源端子１０１ａ及びセルユニット側電源端子１０１ｂに接続され、更に、セルユニット制御部１２０ａに接続される。

トランジスタ１３０のソース電極はセルユニット側電源端子１０１ｂに接続され、ゲート電極はセルユニット制御部１２０ａに接続されている。トランジスタ１３１のソース電極はセルユニット側電源端子１０１ａに接続され、ゲート電極はセルユニット制御部１２０ａに接続されている。トランジスタ１３２のソース電極はセルユニット側電源端子１０１ａに接続され、ゲート電極はセルユニット制御部１２０ａに接続されている。スイッチ素子１３３には電池セルユニット１１０ａの正極と電池セルユニット１１０ｂの正極がそれぞれ入力され、スイッチ素子１３３の出力は電源回路１２２に入力される。スイッチ素子１３３の制御端子はセルユニット制御部１２０ａに接続されている。

（電動工具２００ａの構成）　電動工具２００ａは、前述した第１実施の形態に係る電気機器システム１の電動工具２００に対し、工具側電源端子（工具側正極端子）２０１と工具側電源端子（工具側負極端子）２０６の端子構造を変更したものである。それ以外の回路構成は電動工具２００と同一である。

工具側電源端子（工具側正極端子）２０１は、電池パック１００ａが電動工具２００ａに装着されたとき、電池パック１００ａのセルユニット側電源端子（上側セルユニット正極端子）１０１ａとセルユニット側電源端子（下側セルユニット正極端子）１０１ｂの双方に接続される端子構造となっている。さらに、工具側電源端子（工具側負極端子）２０６は、電池パック１００ａが電動工具２００ａに装着されたとき、電池パック１００ａのセルユニット側電源端子（下側セルユニット負極端子）１０６ａとセルユニット側電源端子（上側セルユニット負極端子）１０６ｂの双方に接続される端子構造となっている。

電動工具２００ａを電池パック１００ａに装着すると、電池パック１００ａのセルユニット側電源端子１０１ａとセルユニット側電源端子１０１ｂ及び、セルユニット側電源端子１０６ａとセルユニット側電源端子１０６ｂがそれぞれショートされるため、電池パック１００ａの電池セルユニット１１０ａと電池セルユニット１１０ｂとは並列接続となる。例えば、本実施例では１８Ｖ出力の電池セルユニット１１０ａと電池セルユニット１１０ｂが並列に接続されるため、電動工具２００ａの工具側電源端子２０１には１８Ｖ（電池セルユニット１１０ａ又は電池セルユニット１１０ｂの２倍の容量）が入力される。

（電池パック１００ａの回路説明）　電源回路１２２に接続される電池セルユニットがスイッチ素子１３３により選択される。セルユニット制御部１２０ａの制御により、電池セルユニット１１０ａ、又は、電池セルユニット１１０ｂのどちらが選択される。電池パック１００ａが電動工具２００ａに装着されていないときは、電池セルユニット１１０ｂから電源供給するようにセルユニット制御部１２０ａはスイッチ素子１３３を制御する。電源回路１２２は、電池セルユニット１１０ｂから入力された直流電圧を降圧し、電池側の制御系電源としてセルユニット制御部１２０ａと、図示していないがセルユニット制御部１２０ａ周辺の電池側制御系回路とに電源供給される。例えば、電源回路１２２は電池パックの高電圧化が図られているため、降圧電源回路としてはスイッチング電源で構成され、電池セルユニット１１０ａ及び電池セルユニット１１０ｂの電圧は１８Ｖであり、降圧した出力電圧は５Ｖである。

トランジスタ１３０は、電池セルユニット１１０ｂの正極とセルユニット側電源端子１０１ｂの間の放電経路に直列に配設され、電池セルユニット１１０ｂの正極とセルユニット側電源端子１０１ｂの間を遮断導通する。トランジスタ１３１は電源回路１２２とセルユニット側電源端子１０１ａの間の電源経路に直列に配設され、電源回路１２２の出力を遮断導通する。トランジスタ１３２は電池セルユニット１１０ａの正極とセルユニット側電源端子１０１ａの間の放電経路に直列に配設され、電池セルユニット１１０ａの正極とセルユニット側電源端子１０１ａの間を遮断導通する。

電圧検出部１２４はセルユニット側電源端子１０１ａ及びセルユニット側電源端子１０１ｂの電圧値を検出し、その検出値はセルユニット制御部１２０ａに入力される。セルユニット制御部１２０ａは、取得した電圧値から電池パックが電動工具に装着されているかを検出することができる。

（電気機器システム１Ａの電源制御説明）　図７及び図８を用いて、電気機器システム１Ａの電源制御の説明をする。電気機器システム１Ａの電源制御は第１実施の形態に係る電気機器システム１の制御と基本的に同一である。電池パック１００ａは電池パック１００にくらべ、電池セルユニットが１つ増えたため、導通遮断制御用のトランジスタ１３２が追加されている。図７及び図８に示すように、追加されたトランジスタ１３２の制御は、第１実施の形態に係る電気機器システム１のトランジスタ１３０と同一の制御が行われる。

ここで、トランジスタ１３０、トランジスタ１３１及びトランジスタ１３２が本発明の出力電圧制限部を構成する。また、トランジスタ１３０及び１３２は本発明の放電制限部を構成し、トランジスタ１３１は本発明の切替部を構成する。トランジスタ１３０は第１のスイッチング素子、トランジスタ１３１は第２のスイッチング素子、トランジスタ１３２は第３のスイッチング素子を構成する。なお、図示していないが、トランジスタ１３０、トランジスタ１３１と同様、セルユニット制御部１２０ａとトランジスタ１３２との間に、トランジスタ１３２のゲート電極に印加するための電圧を生成する昇圧回路が設けられていてもよい。また、電源制御のフローチャートは前述した図３のフローチャートと同一である。

（作用効果）　このように構成される第２実施の形態に係る電気機器システム１Ａは、第１実施の形態に係る電気機器システム１により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。また、スイッチ素子１３３を設けたことにより、電源回路１２２の電源、言い換えると、電源回路１２２に接続する電池セルユニット、任意のタイミングで切り替えることができるようになる。そのため、２つの電池セルユニットの電圧差が大きくなり電池セルユニット間でアンバランス状態となることを抑制することができる。例えば、電圧検出部１２４で各電池セルユニットの電圧を検出することで、残容量（残電圧）の大きな電池セルユニットと電源回路１２２を接続するようにセルユニット制御部１２０ａで制御すればよい。

［第３実施の形態］　図６を用いて、本発明の第３実施の形態に係る電気機器システム１Ｂについて説明する。ここで、図６は電池パック１００ａを電動工具２００ｂに接続した状態の電気機器システム１Ｂの回路構成を示している。

［電気機器システム１Ｂの全体構成］　第３実施の形態に係る電気機器システム１Ｂは、前述した第２実施の形態に係る電気機器システム１Ａに対して、電動工具２００ａを電動工具２００ｂに置き換えた構成である。

（電動工具２００ｂの構成）　電動工具２００ｂは、電動工具２００ａの電源の正極側入力端子である工具側電源端子（工具側正極端子）２０１が２つに分割された、工具側電源端子（工具側第１正極端子）２０１ａと工具側電源端子（工具側第２正極端子）２０１ｂと、を備えている。さらに、電動工具２００ａの電源の負極側入力端子である工具側電源端子（工具側負極端子）２０６が２つに分割された、工具側電源端子（工具側第１負極端子）２０６ａと工具側電源端子（工具側第２負極端子）２０６ｂと、を備えている。

電池パック１００ａが電動工具２００ｂに装着されると、工具側電源端子２０１ａ、工具側電源端子２０１ｂ、工具側電源端子２０６ａ及び工具側電源端子２０６ｂは、それぞれセルユニット側電源端子１０１ａ、セルユニット側電源端子１０１ｂ、セルユニット側電源端子１０６ａ及びセルユニット側電源端子１０６ｂに接続される。また、工具側電源端子２０１ｂは工具側電源端子２０６ｂに接続されている。

ここで、電池パック１００ａが電動工具２００ｂに装着されると、電池セルユニット１１０ａと電池セルユニット１１０ｂが直列に接続される。すなわち、電池セルユニット１１０ａの正極はセルユニット側電源端子１０１ａ及び工具側電源端子２０１ａを介してモータ２１０に接続される。電池セルユニット１１０ａの負極はセルユニット側電源端子１０６ｂ、工具側電源端子２０６ｂ、工具側電源端子２０１ｂ及びセルユニット側電源端子１０１ｂを介して電池セルユニット１１０ｂの正極に接続される。電池セルユニット１１０ｂの負極はセルユニット側電源端子１０６ａ、工具側電源端子２０６ａ、及びトランジスタ２３０を介してモータ２１０に接続される。この構成により、２つの電池セルユニット１１０ａ及び１１０ｂは直列接続される。例えば、本実施例では１８Ｖ出力の電池セルユニット１１０ａと電池セルユニット１１０ｂが直列に接続されるため、電動工具２００ｂの工具側電源端子２０１ａには３６Ｖが入力される。

（電気機器システム１Ｂの電源制御説明）　電気機器システム１Ｂの電源制御は、第２実施の形態に係る電気機器システム１Ａと同一である。

（作用効果）　このように構成される第３実施の形態に係る電気機器システム１Ｂは、第２実施の形態に係る電気機器システム１Ａにより得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

［その他の実施の形態］　本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において、種々変形可能である。

例えば、図９に示す電気機器システム１Ｃのように、図１の構成において、トランジスタ１３１を削除し、電動工具２００との接続状態又は電池側制御部１２０の状態（スリープモード、待機モード、通常モード）に応じて、トランジスタ１３０のスイッチング動作を制御してもよい。この場合、図４のトランジスタ１３１のオンオフ信号と同様に、トランジスタ１３０のゲート電極を電池側制御部１２０によりＰＷＭ制御すればよい。図１０に示すように、スリープ状態の場合（第１の不使用条件を満たす場合）には、第１のデューティ比で第１のＰＷＭ制御を行い、待機モード状態の場合（第２の不使用条件を満たす場合）には第１のデューティ比の第１のＰＷＭ制御、又は第１のデューティ比より大きい第２のデューティ比で第２のＰＷＭ制御を行い（図１０では、第２のＰＷＭ制御で記載）、通常モード状態や電動工具２００が駆動している場合（不使用条件を満たさない場合）には、第２のデューティ比より大きい第３のデューティ比、例えばデューティ比１００％で第３のＰＷＭ制御（電池セルユニットの電圧を出力）を行う。この構成でも、電動工具２００が接続されていない場合や電動工具２００が作業していない場合の不使用状態における電池パック１００ｂからの出力電圧を抑えることができるため、上記と同様の作用効果を得ることができる。更に、この構成では、スイッチング素子となるトランジスタ１３１を削除できるため製造コストを抑えることもできる。

なお、トランジスタ１３１を削除しない場合には、トランジスタ１３０をＰＷＭ制御しているときはトランジスタ１３１を遮断（オフ）すればよい。また、第１のＰＷＭ制御や第２のＰＷＭ制御の際に電池側電源端子１０１からの出力が連続的な直流電圧となるように電池パック内に平滑回路を設けてもよい。平滑回路は電動工具２００側に設けてもよく、降圧回路２２１や電源回路２２２に平滑回路を兼用させてもよい。なお、第２のＰＷＭ制御はなくしてもよい。これらの変形は図５や図６にも適用することができる。

また、本発明において電池パックが電動工具に装着されたかが検出できればよいため、その構成は上記実施の形態に記載された事項に限定されるものではない。また、上記実施の形態に係る電気機器システム１において、トランジスタ１３１はトランジスタに限定されない。本発明では、電池側電源端子１０１にカソード電極を接続し、電源回路１２２の出力にアノード電極を接続した、整流ダイオードに置き換えることが可能である。

また、図５又は図６において、２つの電池セルユニット１１０ａ、１１０ｂにそれぞれ放電回路に接続してもよい。両電池セルユニットの電圧にアンバランスが生じた場合に、電圧が大きいほうの電池セルユニットに接続された放電回路を動作させて放電させ、両電池セルユニットの電圧をバランスさせることもできる。バランスさせることで、両電池セルユニットを並列接続した際に、高電圧側から低電圧側に大電流が流れることを抑制することができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…電気機器システム、１００，１００ａ，１００ｂ…電池パック、１０１，１０６…電池側電源端子、１０１ａ，１０１ｂ，１０６ａ，１０６ｂ…セルユニット側電源端子、２０１，２０１ａ，２０１ｂ，２０６，２０６ａ，２０６ｂ…工具側電源端子、１０２～１０５，２０２～２０５…接続端子、１１０，１１０ａ，１１０ｂ…電池セルユニット、１２０…電池側制御部、１２０ａ…セルユニット制御部、１２２，２２２…電源回路、１２３…電流検出部、１２４…電圧検出部、１２５，１２６…保護ＩＣ、１３０，１３１，１３２，２３０…トランジスタ、１３３…スイッチ素子、２００，２００ａ，２００ｂ…電動工具、２１０…モータ、２２０…機器側制御部、２２１…降圧回路、２２３…通信回路、２２４…電池温度検出回路、２２５…過放電検出回路、２４０…トリガＳＷ

Claims

複数の電池セルが直列に接続された電池セルユニットと、
前記電池セルユニットと電気的に接続される電池側正極端子及び電池側負極端子を有し、外部の電気機器本体の機器側端子部に接続され、前記電池セルユニットの電圧を出力する電池側端子部と、
前記電池セルユニットの電圧より低い電圧を生成する電池側電源部と、
前記電池セルユニットと前記電池側端子部との間に電気的に接続され、所定の不使用条件を満たすと前記電池側端子部からの出力を制限する出力電圧制限部と、
を備え、
前記出力電圧制限部は、前記電池側電源部を前記電池側端子部に電気的に接続する状態と遮断する状態とに切り替える切替部を有することを特徴とする電池パック。
前記所定の不使用条件は、前記電池パックが前記電気機器本体に接続されていない状態であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記所定の不使用条件は、前記電池パックが前記電気機器本体に接続されており前記電気機器本体が作業をしていない状態であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記電池パックが前記電気機器本体に接続され前記電気機器本体が作業を停止した後、作業しない状態が所定時間継続した場合に前記出力電圧制限部が前記電池側端子部からの出力を制限することを特徴とする請求項３に記載の電池パック。
前記所定の不使用条件を満たすと、前記電池側端子部から前記電池セルユニットの電圧出力を停止することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電池パック。
前記所定の不使用条件を満たすと、前記電池セルユニットの電圧より低い電圧を前記電池側端子部から出力することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電池パック。
前記出力電圧制限部は、前記電池セルユニットと前記電池側端子部との間の放電経路に設けられ、前記電池セルユニットから前記電池側端子部への出力を停止又は低下させる放電制限部を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の電池パック。
前記電池セルユニットを複数有し、
前記電池側電源部と前記複数の電池セルユニットのいずれかとの接続状態を切り替えるセルユニット切替部と、を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電池パック。
前記電池側端子部に接続可能な前記機器側端子部と、
前記電池側端子部と前記機器側端子部とを介して電源供給を受ける機器側制御部と、を備えた前記電気機器本体と、
請求項１から８のいずれか一項に記載の電池パックと、を有することを特徴とする電気機器システム。