JP2007143285A

JP2007143285A - 電動工具用の電池パック

Info

Publication number: JP2007143285A
Application number: JP2005333283A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Sainomoto; 良典才ノ本; Toshiharu Ohashi; 敏治大橋; Hiroshi Miyazaki; 博宮崎
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2025-11-17
Also published as: EP1788687A1; US20070108941A1; JP4241715B2; US7570017B2; CN100442630C; DE602006003513D1; CN1967966A; EP1788687B1

Abstract

【課題】コスト上昇を抑えつつ長期間放置された場合の過放電を防ぐ。
【解決手段】第２の制御回路８は、第２の所定値Ｖth２を生成するツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４、第２の所定値Ｖth２と二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧とを比較する複数の比較器８１〜８４を具備した第２の検出回路８ａと、充電器２若しくは電動工具３に装着された状態で充電器２あるいは電動工具３から与えられる制御信号ＶＤによって第２の検出回路８ａに動作用電源を供給する電源制御回路８ｅとを具備する。電源制御回路８ｅが放置状態で第２の検出回路８ａへの給電を遮断していることで放置状態における電流消費を非常に低いレベルに低減することができ、その結果、電池パック１が長期間放置された場合でも過放電になって劣化するのを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動工具用の電池パックに関するものである。

電動工具においては、携帯性や作業性を考慮して電源には二次電池が用いられている。特に最近では、軽量化及び高容量化の観点から従来のニッカド電池やニッケル水素電池に代えてリチウムイオン電池が普及してきている。但し、リチウムイオン電池はニッカド電池やニッケル水素電池と比べて過充電や過放電に弱いという欠点がある。

そのため、複数のリチウムイオン電池を直列接続してなる組電池をハウジング内に収納した電池パックにおいては、個々のリチウムイオン電池が過充電及び過放電とならないように種々の対策が施されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。例えば、特許文献１や２においては、組電池を形成する個々のリチウムイオン電池の両端電圧（電池電圧）を検出する手段と、検出した電池電圧を表す検出信号を充電器や電動工具に出力するための信号端子とを電池パックに備え、信号端子を通して電池パックから受け取った検出電圧に基づいて充電や放電を強制的に停止させる保護手段を充電器及び電動工具に備えている。
特開２００５−２１８１７４号公報特開２００５−１３１７７０号公報

ところで、電池パックに設けられる検出手段がリチウムイオン電池に対して閉回路を形成している場合、充電器や電動工具に装着されずに放置された状態であっても前記閉回路を通して漏れ電流が流れるため、電池パックが長期間放置されたときに過放電になってしまう虞がある。ここで、放置による過放電を防ぐために検出手段を低消費電流タイプの集積回路（ＩＣ）で構成するとコストが上昇してしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、コスト上昇を抑えつつ長期間放置された場合の過放電を防ぐことができる電動工具用の電池パックを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、充電器並びに電動工具にそれぞれ着脱自在に装着され、充電器によって充電されるとともに電動工具に装着されたときに該電動工具に電力を供給する電池パックであって、複数の二次電池を接続してなる組電池と、組電池の正極並びに負極とそれぞれ接続される一対の電源端子と、前記二次電池の両端電圧を個別に検出し該検出電圧が第１の所定値よりも高いときに充電器に対して充電制御信号を出力する第１の制御回路と、前記二次電池の両端電圧を個別に検出し該検出電圧が第１の所定値よりも低い第２の所定値を下回ったときに放電停止信号を出力する第２の制御回路と、前記充電制御信号並びに放電停止信号を個別に出力する信号端子とを備え、前記第２の制御回路は、両端電圧がほぼ一定となる定電圧素子、該定電圧素子の両端電圧に応じて設定される前記第２の所定値と前記二次電池の両端電圧とを比較する複数の比較器を具備した検出回路と、充電器若しくは電動工具に装着された状態で充電器あるいは電動工具から与えられる制御信号に応じて前記検出回路に動作用電源を供給する電源制御回路とを具備することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第２の制御回路は、検出電圧が第２の所定値を下回った時点から放電停止信号が出力されるまでの時間を遅らせる遅延回路を具備することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記電源制御回路は、前記定電圧素子や比較器への電源供給経路を各別に開閉する複数のスイッチ要素を具備することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３の何れかの発明において、前記電源端子と前記信号端子のグランドが分離されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、定電圧素子や比較器により検出回路が構成されるとともに充電器や電動工具に装着されていない放置状態では電源制御回路によって検出回路への電源供給が遮断されるため、コスト上昇を抑えつつ長期間放置された場合の過放電を防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、ノイズによる誤動作が防止できる。

請求項３の発明によれば、検出回路への電源供給経路を複数のスイッチ要素で各別に開閉するため、定電圧素子や比較器を介した漏れ電流を低減して二次電池が過放電となるのを防ぐことができる。

請求項４の発明によれば、充電器又は電動工具の端子と電源端子とが接触不良又は非接触状態となっても過大な放電電流や充電電流が流れるのを防ぐことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態の電池パック１は、充電器２並びに電動工具３にそれぞれ着脱自在に装着され、充電器２によって充電されるとともに電動工具３に装着されたときに該電動工具３に電力を供給するものであって、図１に示すように複数（図示例では４個）の二次電池４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄを直列に接続してなる組電池４と、組電池４の正極並びに負極とそれぞれ接続される一対の電源端子５ａ，５ｂと、二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧Ｖ１〜Ｖ４を個別に検出し検出電圧Ｖ１〜Ｖ４が第１の所定値Ｖth１（例えば、４．２Ｖ）よりも高いときに充電器２に対して充電制御信号を出力する第１の制御回路７と、二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧Ｖ１〜Ｖ４を個別に検出し検出電圧Ｖ１〜Ｖ４が第１の所定値Ｖth１よりも低い第２の所定値Ｖth２（例えば、２．０Ｖ）を下回ったときに放電停止信号を出力する第２の制御回路８と、充電制御信号並びに放電停止信号を個別に出力する信号端子１３ｂ，１３ｄと、組電池４の正極と接続されるとともに充電器２から供給される充電電流が流れる第２の電源端子５ｃと、第２の電源端子５ｃを通して組電池４に供給される充電電流の経路を開閉する保護素子６と、二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧Ｖ１〜Ｖ４を個別に検出し検出電圧が第１の所定値Ｖth１よりも高い第３の所定値Ｖth３（例えば、４．５Ｖ）を上回ったときに保護素子６を動作させて充電電流経路を開成する第３の制御回路９とを備えている。なお、本実施形態における二次電池４Ａ〜４Ｄにはリチウムイオン電池が用いられる。

保護素子６は、いわゆる非復帰形のヒュージング抵抗（ヒータ抵抗６ａに電流を流すことでヒューズ素子６ｂを溶断して電路を遮断するもの）である。また、信号端子１３ｂ，１３ｄは、信号用コネクタ１３に設けられた複数（図示例では６個）の信号端子１３ａ〜１３ｆに含まれるものである。ここで、信号端子１３ａはグランドに接続され、信号端子１３ｃは組電池４の温度を検出するための測温素子（サーミスタ）Ｔｈを介してグランドに接続され、信号端子１３ｆは識別用抵抗素子Ｒｘを介してグランドに接続され、信号端子１３ｅは第２の制御回路８と接続されている。なお、識別用抵抗素子Ｒｘとは、組電池４に関する情報（二次電池の個数、構成、電圧、容量など）に応じた抵抗値を有しており、充電器２や電動工具３において当該抵抗値から組電池４に関する情報を読み取ることが可能となっている。

第１の制御回路７は、４個の二次電池４Ａ〜４Ｄの正極の電位を取り込むことで各二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧Ｖ１〜Ｖ４を検出して第１の所定値Ｖth１と比較し、少なくとも何れか一つの検出電圧が第１の所定値Ｖth１を超えていればＨレベルの信号（オープンドレイン出力のアクティブハイ信号）を出力する第１の検出回路７ａと、第１の検出回路７ａから出力されるＨレベルの信号を充電制御信号に変換する信号変換回路７ｂとを具備している。第１の検出回路７ａは集積回路（ＩＣ）として構成されており、充電器２又は電動工具３に装着されていない状態（以下、放置状態という。）では組電池４から電源供給を受けて待機モードで動作し続けるものであるから、待機モードにおける消費電流が極めて少ない（例えば、１μＡ程度）ものである。信号変換回路７ｂは、充電器２又は電動工具３に装着されている状態で電源ＶＤが供給されて動作するものであって、第１の検出回路７ａの出力信号でオン・オフされるスイッチング素子Ｑ６、電源ＶＤに対してスイッチング素子Ｑ６と並列に接続されたツェナーダイオードＺＤ６等で構成され、第１の検出回路７ａの出力信号がＬレベルのときはスイッチング素子Ｑ６がオフであるからＨレベル（＝電源電圧ＶＤ）の充電制御信号を信号端子１３ｂに出力し、第１の検出回路７ａの出力信号がＨレベルのときにスイッチング素子Ｑ６がオンすることでＬレベルの充電制御信号を信号端子１３ｂに出力する。なお、ツェナーダイオードＺＤ６はスイッチング素子Ｑ６のノイズ保護並びに逆耐圧保護用に設けられている。

第２の制御回路８は、第２の検出回路８ａ並びに信号変換回路８ｂ、遅延回路８ｃ、駆動回路８ｄ、電源制御回路８ｅを具備している。第２の検出回路８ａは、４個の二次電池４Ａ〜４Ｄの正極の電位を取り込むことで各二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧Ｖ１〜Ｖ４を検出して第２の所定値Ｖth２と比較し、少なくとも何れか一つの検出電圧が第２の所定値Ｖth２を下回っていればＬレベルの信号（オープンコレクタ出力のアクティブロー信号）を出力する。信号変換回路８ｂは、第２の検出回路８ａから出力されるＬレベルの信号を放電停止信号に変換するものであって、第２の検出回路８ａの出力信号でオン・オフされるスイッチング素子Ｑ５、電源ＶＤに対してスイッチング素子Ｑ５と並列に接続されたツェナーダイオードＺＤ５等で構成され、充電器２又は電動工具３に装着されている状態で電源ＶＤが供給されて動作する。つまり、第２の検出回路８ａの出力信号がＨレベルのときはスイッチング素子Ｑ５がオンするからＬレベルの放電停止信号が信号端子１３ｄに出力され、第２の検出回路８ａの出力信号がＬレベルのときにスイッチング素子Ｑ５がオフすることでＨレベル（＝電源電圧ＶＤ）の放電停止信号が信号端子１３ｄに出力される。なお、ツェナーダイオードＺＤ５はスイッチング素子Ｑ５のノイズ保護並びに逆耐圧保護用に設けられている。遅延回路８ｃは抵抗Ｒ１８とコンデンサＣ９の積分回路からなり、第２の検出回路８ａの出力信号の立ち上がり時間に対して立ち下がり時間を長くするものである。また電源制御回路８ｅは、組電池４から第２の検出回路８ａへの電源供給を入切するものである。さらに駆動回路８ｄは、充電器２又は電動工具３に装着された状態で充電器２又は電動工具３から与えられる制御信号に応じて電源制御回路８ｅを駆動させるものである。

第３の制御回路９は、４個の二次電池４Ａ〜４Ｄの正極の電位を取り込むことで各二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧Ｖ１〜Ｖ４を検出して第３の所定値Ｖth３と比較し、少なくとも何れか一つの検出電圧が第３の所定値Ｖth３を超えていればＨレベルの信号（ＣＭＯＳ出力のアクティブハイ信号）を出力する第３の検出回路９ａと、第３の検出回路９ａからＨレベルの信号が出力されたときに保護素子６のヒータ抵抗６ａに通電してヒューズ素子６ｂを溶断する保護素子駆動回路９ｂとを具備する。第３の検出回路９ａは、第１の検出回路７ａと同様に集積回路（ＩＣ）として構成されており、放置状態では組電池４から電源供給を受けて待機モードで動作し続けることを考慮して、待機モードにおける消費電流が極めて少ない（例えば、１μＡ程度）ものである。保護素子駆動回路９ｂは、抵抗Ｒ２６とスイッチング素子Ｑ７からなり、第３の検出回路９ａからＨレベルの信号が出力されたときにスイッチング素子Ｑ７がオンして保護素子６のヒータ抵抗６ａに通電するものである。なお、電池パック１においては、組電池４の負極に接続された電源端子５ｂのグランドと信号端子１３ａのグランドとは直接接続されずに分離されている。したがって、充電器２又は電動工具３の電源端子１７ａ，１７ｂ又は１８ａ，１８ｂと電源端子５ａ，５ｂあるいは第２の電源端子５ｃとが接触不良又は非接触状態となっても過大な放電電流や充電電流が流れるのを防ぐことができる。

一方、充電器２は、電池パック１の信号用コネクタ１３と着脱自在に接続される信号用コネクタ１４と、電池パック１の電源端子５ｂ並びに第２の電源端子５ｃとそれぞれ着脱自在に接続される電源端子１７ｂ，１７ａと、商用電源ＡＣから供給される交流電力を直流電力に変換して電源端子１７ａ，１７ｂに出力する電源回路２１と、電源回路２１の出力を調整して充電制御を行う充電制御回路１９とを備えている。信号用コネクタ１４は、それぞれ電池パック１の信号用コネクタ１３の信号端子１３ａ〜１３ｆと接続される信号端子１４ａ〜１４ｆを有し、信号端子１４ａがグランドに接続され、信号端子１４ｄ，１４ｆが充電制御回路１９の動作電源ＶＤＤに抵抗Ｒ２８，２９でプルアップされている。

また電動工具３は、図２に示すように電池パック１の信号用コネクタ１３と着脱自在に接続される信号用コネクタ１５と、電池パック１の電源端子５ａ，５ｂとそれぞれ着脱自在に接続される電源端子１８ａ，１８ｂと、電源端子１８ａ，１８ｂを介して電池パック１から供給される直流電源で動作するモータ等の負荷２３と、負荷２３の動作を制御する負荷制御回路２２と、負荷制御回路２２に対して負荷２３を動作させるためのトリガを与えるトリガスイッチ２４とを備えている。信号用コネクタ１５は、それぞれ電池パック１の信号用コネクタ１３の信号端子１３ａ〜１３ｆと接続される信号端子１５ａ〜１５ｆを有し、信号端子１５ａがグランドに接続され、信号端子１５ｄ，１５ｆが負荷制御回路２２の動作電源ＶＤＤに抵抗Ｒ３０，３１でプルアップされている。なお、充電器２並びに電動工具３においては、電源端子１７ｂ，１８ｂのグランドと信号端子１４ａ，１５ａのグランドが直接接続されている。

次に、第２の制御回路８が具備する第２の検出回路８ａ並びに電源制御回路８ｅの具体回路構成について、図３を参照して説明する。

第２の検出回路８ａは、第２の所定値Ｖth２を生成するための定電圧素子たるツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４と、４個の二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧を第２の所定値Ｖth２と比較する４つの比較器８１〜８４とで構成される。比較器８１は、クワッドコンパレータＣＰ１とノイズキャンセル用の抵抗Ｒ１５，Ｒ１６並びにコンデンサＣ７からなり、アノードがグランドに接続されたツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧（第２の所定値Ｖth２）と二次電池４Ａの正極電圧とをクワッドコンパレータＣＰ１によって比較し、二次電池４Ａの正極電位Ｖ１が第２の所定値Ｖth２を下回ったときに出力がＨレベルからＬレベルに切り替わる。また比較器８２は、クワッドコンパレータＣＰ２とノイズキャンセル用の抵抗Ｒ１３，Ｒ１４並びにコンデンサＣ６からなり、アノードが二次電池４Ａの正極（二次電池４Ｂの負極）に接続されたツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧（第２の所定値Ｖth２）に二次電池４Ａの正極電位Ｖ１を加えた電圧と二次電池４Ｂの正極電位Ｖ２とをクワッドコンパレータＣＰ２によって比較し、二次電池４Ｂの正極電位Ｖ２が第２の所定値Ｖth２に二次電池４Ａの正極電位Ｖ１を加えた電圧を下回ったとき、つまり、二次電池４Ｂの両端電圧が第２の所定値Ｖth２を下回ったときに出力がＨレベルからＬレベルに切り替わる。さらに比較器８３は、クワッドコンパレータＣＰ３とノイズキャンセル用の抵抗Ｒ１１，Ｒ１２並びにコンデンサＣ５からなり、アノードが二次電池４Ｂの正極（二次電池４Ｃの負極）に接続されたツェナーダイオードＺＤ３のツェナー電圧（第２の所定値Ｖth２）に二次電池４Ａ，４Ｂの正極電位Ｖ１，Ｖ２を加えた電圧と二次電池４Ｃの正極電位Ｖ３とをクワッドコンパレータＣＰ３によって比較し、二次電池４Ｃの正極電位Ｖ３が第２の所定値Ｖth２に二次電池４Ａ，４Ｂの正極電位Ｖ１，Ｖ２を加えた電圧を下回ったとき、つまり、二次電池４Ｃの両端電圧が第２の所定値Ｖth２を下回ったときに出力がＨレベルからＬレベルに切り替わる。

一方、比較器８４は、クワッドコンパレータＣＰ４とノイズキャンセル用の抵抗Ｒ９，Ｒ１０並びにコンデンサＣ４からなり、カソードが電源制御回路８ｅを介して組電池４の正極（二次電池４Ｄの正極）に接続されたツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧（第２の所定値Ｖth２）を組電池４の正極電位Ｖ４から差し引いた電圧と二次電池４Ｄの負極電位（二次電池４Ｃの正極電位）Ｖ３とをクワッドコンパレータＣＰ４によって比較し、二次電池４Ｄの負極電位Ｖ３が組電池４の正極電位Ｖ４から第２の所定値Ｖth２を差し引いた電圧を上回ったとき、つまり、二次電池４Ｄの両端電圧が第２の所定値Ｖth２を下回ったときに出力がＨレベルからＬレベルに切り替わる。そして、４つの比較器８１〜８４の出力端子が全て並列に信号変換回路８ｂ及び遅延回路８ｃに接続されており、少なくとも１つの比較器８１〜８４の出力がＬレベルに切り替わると信号変換回路８ｂでＨレベルの信号に変換された放電停止信号が信号端子１３ｄに出力される。ここで、比較器８１〜８４の出力を遅延回路８ｃで遅延させ、第２の検出回路８ａの出力信号の立ち上がり時間（ＬレベルからＨレベルに変化する時間）に対して立ち下がり時間（ＨレベルからＬレベルに変化する時間）を長くしているので、信号変換回路８ｂに単発のノイズが入力することによる誤検知が防止できるものである。

電源制御回路８ｅは、組電池４から第２の検出回路８ａへの給電を入切するものであって、組電池４の正極とツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ４のカソードとの間に挿入されるスイッチング素子Ｑ１と、組電池４の正極とツェナーダイオードＺＤ２のカソードとの間に挿入されるスイッチング素子Ｑ３と、組電池４の正極とツェナーダイオードＺＤ３のカソードとの間に挿入されるスイッチング素子Ｑ２とを具備している。したがって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３がオフしているときにはツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４が組電池４から切り離されるために第２の検出回路８ａが動作せず、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３がオンしているときにツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４が組電池４と接続されるために第２の検出回路８ａが動作するのである。また、駆動回路８ｄは信号端子１３ｅを通して充電器２又は電動工具３から与えられる制御信号によってオン・オフするスイッチング素子Ｑ４を具備し、スイッチング素子Ｑ４をオンすることで電源制御回路８ｅのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のベース電位をグランドレベルに落として全てオンとし、スイッチング素子Ｑ４をオフすることでスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のベース電位を電源電圧ＶＤまで上げて全てオフとする。

ここで、第２の検出回路８ａへの電源供給を一つのスイッチで入切することも可能であるが、その場合、非給電時の第２の検出回路８ａにおける電力消費が増えてしまうことになる。つまり、第２の検出回路８ａを構成する回路素子（ツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４や抵抗、コンデンサなど）が二次電池４Ａ〜４Ｄの両極間に接続されて閉回路が形成されているため、第２の検出回路８ａが動作していないときでも閉回路に流れる電流によって電力消費が増えてしまうのである。特に、抵抗の抵抗値を大きくして電流値を下げたとしても電池パック１が長期間放置されていると過放電に至る可能性があり、また、組電池４を構成する各二次電池４Ａ〜４Ｄの間で電池容量がアンバランスとなり、結果的に寿命が短くなってしまう。しかしながら、本実施形態における電源制御回路８ｅでは、図４に示すように第２の検出回路８ａを構成する回路素子と二次電池４Ａ〜４Ｄの正極との間に挿入された３つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３で電源供給を入切しているので、上述のような閉回路が形成されないために無駄な電力消費を無くすことができ、長期間放置された場合に電池パック１が過放電に至ることを防止できるものである。

また、ツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４には少なくとも２個以上の二次電池４Ａ〜４Ｄから電源が供給されるため、何れかの二次電池４Ａ〜４Ｄの電圧が低下しても十分な電圧を印加することが可能である。さらに、ツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ４における消費電流を低減するためにツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ４と直列に接続された抵抗Ｒ１０，Ｒ１５の抵抗値を大きく（通常、１ＭΩ）し、しかも、ツェナーダイオードＺＤ２，ＺＤ３に直列に接続された抵抗Ｒ１３，Ｒ１２の抵抗値を調整してツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４に流れる電流をほぼ等しくして、第２の検出回路８ａにおける検出精度を向上することができる。

次に、充電器２に装着して電池パック１を充電する場合の動作について説明する。電池パック１が充電器２に装着されて第２の電源端子５ｃと電源端子１７ａ、電源端子５ｂと電源端子１７ｂ、信号用コネクタ１３と信号用コネクタ１４がそれぞれ接続されると、充電制御回路１９では、信号端子１４ｃ，１４ｆの電圧が電源電圧ＶＤＤからプルアップ抵抗Ｒ２８，Ｒ２９と測温素子（サーミスタ）Ｔｈと識別用抵抗素子Ｒｘとで分圧された電圧に変化することを検出して電池パック１の装着を自動的に検知し、充電動作を開始する。充電動作を開始した充電制御回路１９は、信号端子１４ｅに制御信号ＶＤを印加して第２の制御回路８を動作させるとともに、信号端子１４ｆの電圧から電池パック１の情報を読み取り、さらに信号端子１４ｃの電圧から測温素子（サーミスタ）Ｔｈで検出した組電池４の温度を読み取る。そして、組電池４の温度が所定の温度範囲内であり、且つ信号端子１４ｂに入力する充電制御信号がＨレベル（各二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧が第１の所定値Ｖth１（＝４．２Ｖ）以下）であれば、充電制御回路１９は電源回路２１を動作させて電池パック１の充電電流経路（第２の電源端子５ｃ→保護素子６→組電池４→電源端子５ｂ）に所定の充電電流を流して組電池４を充電する。また、何れかの二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧が第１の所定値Ｖth１を上回って信号端子１４ｂに入力する充電制御信号がＬレベルになると、充電制御回路１９は電源回路２１を制御し充電電流を減少させて定電圧充電に移行し、以下、充電制御信号がＨレベルからＬレベルに切り替わる毎に段階的に充電電流を減少させ、充電電流が所定のしきい値以下になった時点で電源回路２１を停止させて充電を完了し、信号端子１４ｅに対する制御信号ＶＤの印加を停止して第２の制御回路８を停止させることで電池パック１における電流消費を抑える。電池パック１が充電器２から取り外されたことは、信号端子１５ｃ，１５ｆの電圧が電源電圧ＶＤＤまで上昇することによって充電制御回路１９で検出される。ここで、充電器２の信号用コネクタ１５において信号端子１５ｃ，１５ｆをプルアップ抵抗Ｒ２８，Ｒ２９で電源電圧ＶＤＤにプルアップしているから、信号端子１５ｅに対する制御信号ＶＤの印加を停止しても電池パック１の取り外しが検知できるものである。なお、プルアップ抵抗を電池パック１に設けた場合、信号端子を追加して電圧を印加しない限りは制御信号ＶＤを印加し続ける必要がある。

ところで本実施形態においては、上述の充電時に４種類の安全機能が働くようになっている。ひとつめには、上述のように第１の制御回路７において何れかの二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧が第１の所定値Ｖth１を上回ったときに充電制御信号をＨレベルからＬレベルに切り換えて充電器２の充電制御回路１９に知らせ、充電制御回路１９が電源回路２１を制御して充電電流を減少させている。ふたつめには、測温素子（サーミスタＴｈ）で二次電池４Ａ〜４Ｄの温度を検出し、検出温度が所定値（＝７０°）を超えた場合に充電制御回路１９が充電を停止するようにしている。みっつめには、第２の電源端子５ｃの電圧を充電制御回路１９で監視し、当該電圧が所定値（１７．５Ｖ）を超えると充電を停止するようにしている。よっつめには、何れかの二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧が第３の所定値（＝４．５Ｖ）を超えたときに第３の制御回路９が保護素子６を動作させて充電電流経路を開成（遮断）している。

而して、本実施形態では何れかの二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧が第３の所定値Ｖth３を上回ると第３の制御回路９が保護素子６を動作させて充電電流経路を開成するので、例えば、充電制御回路１９が故障して充電器２による充電制御が不能となっても二次電池４Ａ〜４Ｄが過充電されるのを防ぐことができる。

次に、電動工具３に装着して電池パック１から放電する場合の動作について説明する。電池パック１が電動工具３に装着されて電源端子５ａ，５ｂと電源端子１８ａ，１８ｂ、信号用コネクタ１３と信号用コネクタ１５がそれぞれ接続された状態でトリガスイッチ２４がオンすると、負荷制御回路２２では、信号端子１５ｅに制御信号ＶＤを印加して第２の制御回路８を動作させるとともに、信号端子１５ｆの電圧から電池パック１の情報を読み取り、さらに信号端子１５ｃの電圧から測温素子（サーミスタ）Ｔｈで検出した組電池４の温度を読み取る。そして、組電池４の温度が所定の温度範囲内であり、且つ信号端子１５ｄに入力する放電停止信号がＬレベル（各二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧が第２の所定値Ｖth２以上）であれば、負荷制御回路２２は電池パック１から電源を供給させて負荷２３を駆動する。なお、放電停止信号がＨレベルである場合、またはトリガスイッチ２４がオフされた場合には負荷制御回路２２は電池パック１から負荷２３への放電を停止させるとともに、信号端子１５ｅへの制御信号ＶＤの印加を停止して第２の制御回路８を停止させることで電池パック１における電流消費を抑える。

ここで本実施形態においては、上述の放電時に２種類の安全機能が働くようになっている。一般にリチウムイオン電池は過放電によって信頼性が低下し寿命が短くなることが知られている。リチウムイオン電池の寿命低下は、Ｆｅの析出電圧（１．０Ｖ）及びＣｕの析出電圧（０．５Ｖ）以下まで電圧が低下することによって発生する。したがって、ひとつめには、上述のように第２の制御回路８において何れかの二次電池４Ａ〜４Ｄの両端電圧が第２の所定値Ｖth２（＝２．０Ｖ）を下回ったときに放電停止信号をＬレベルからＨレベルに切り換えて電動工具３の負荷制御回路２１に知らせ、負荷制御回路２１が負荷２３への放電を停止させている。ふたつめには、負荷制御回路２１が検出抵抗Ｒ３４，Ｒ３５によって電源端子１８ａの電圧を検出し、当該電圧が所定値（＝１０Ｖ）以下となれば過放電状態であると判断して負荷２３への放電を停止させている。

而して、本実施形態においては第２の検出回路８ａが汎用のクワッドコンパレータＣＰ１〜ＣＰ４やツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４等で構成されているため、専用の集積回路からなる第１及び第３の検出回路７ａ，９ａに比べて低コスト化が図れる。一方、汎用のクワッドコンパレータＣＰ１〜ＣＰ４やツェナーダイオードＺＤ１〜ＺＤ４等で構成されているため、第２の検出回路８ａでは充電時並びに放電時にかなりの消費電流（１ｍＡ程度）が消費されるのであるが、既に説明したように電源制御回路８ｅが放置状態で第２の検出回路８ａへの給電を遮断していることで放置状態における電流消費を非常に低いレベル（０．１μＡ以下）に低減することができ、その結果、電池パック１が長期間放置された場合でも過放電になって劣化するのを防ぐことができる。

本発明の実施形態の概略回路構成図、並びに充電器の概略回路構成図である。同上の概略回路構成図、並びに電動工具の概略回路構成図である。同上における第２の制御回路の回路構成図である。同上における第２の検出回路並びに電源制御回路の等価回路図である。

符号の説明

１電池パック
２充電器
４組電池
４Ａ〜４Ｄ二次電池
５ａ，５ｂ電源端子
５ｃ第２の電源端子
６保護素子
７第１の制御回路
８第２の制御回路
８ａ第２の検出回路
８ｅ電源制御回路

Claims

充電器並びに電動工具にそれぞれ着脱自在に装着され、充電器によって充電されるとともに電動工具に装着されたときに該電動工具に電力を供給する電池パックであって、複数の二次電池を接続してなる組電池と、組電池の正極並びに負極とそれぞれ接続される一対の電源端子と、前記二次電池の両端電圧を個別に検出し該検出電圧が第１の所定値よりも高いときに充電器に対して充電制御信号を出力する第１の制御回路と、前記二次電池の両端電圧を個別に検出し該検出電圧が第１の所定値よりも低い第２の所定値を下回ったときに放電停止信号を出力する第２の制御回路と、前記充電制御信号並びに放電停止信号を個別に出力する信号端子とを備え、前記第２の制御回路は、両端電圧がほぼ一定となる定電圧素子、該定電圧素子の両端電圧に応じて設定される前記第２の所定値と前記二次電池の両端電圧とを比較する複数の比較器を具備した検出回路と、充電器若しくは電動工具に装着された状態で充電器あるいは電動工具から与えられる制御信号に応じて前記検出回路に動作用電源を供給する電源制御回路とを具備することを特徴とする電動工具用の電池パック。
前記第２の制御回路は、検出電圧が第２の所定値を下回った時点から放電停止信号が出力されるまでの時間を遅らせる遅延回路を具備することを特徴とする請求項１記載の電動工具用の電池パック。
前記電源制御回路は、前記定電圧素子や比較器への電源供給経路を各別に開閉する複数のスイッチ要素を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の電動工具用の電池パック。
前記電源端子と前記信号端子のグランドが分離されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電動工具用の電池パック。