JP2005129359A

JP2005129359A - 充電装置

Info

Publication number: JP2005129359A
Application number: JP2003363735A
Authority: JP
Inventors: Atsumasa Kubota; 篤優久保田; Toshiharu Ohashi; 敏治大橋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】電池パックの性能劣化や短命化を防止または抑制することのできる充電装置を提供する。
【解決手段】電池パックが充電器に装着されると（♯１でＹＥＳ）、制御回路は温度センサからの検出信号を取り込み、複数の電池セルのうち１つでも温度が所定値以上のものがあるか否かを判定する（♯２）。１つでも温度が所定値以上のものがあると（♯２でＹＥＳ）、制御回路は、冷却ファンの風力を「強」に設定し（♯３）。全ての電池セルの温度が所定値以上を超えていなければ（♯２でＮＯ）、制御回路は、冷却ファンの風力を「弱」に設定する（♯４）。次に、制御回路は最高温度を有する電池セルと最低温度を有する電池セルとの温度差が所定値以下であるか否かを判定し（♯５）、その温度差が所定値を超えるときには（♯５でＮＯ）、ステップ♯２に戻り、所定値以下であるときには（♯５でＹＥＳ）、制御回路は電源部に電力の供給動作を開始させる（♯６）。
【選択図】図５

Description

本発明は、複数の電池セルを備えた電池パックとこの電池パックに対して充電動作を行う充電器とを備えた充電装置に関する。

複数の電池セルからなる電池パックとこの電池パックを充電する充電器とを備えてなる充電装置が広く知られている（例えば、下記特許文献１）。

特許文献１には、複数の単電池（電池セル）を備えてなる組電池において、異なる２つの単電池の温度を検出する２つの温度センサを備え、この温度センサにより検出される温度の差が所定の閾値を超えると、充電を停止する技術が記載されている。
特開平１０−２０１１２１号公報

ところで、例えば、電動工具等の電気機器の電源として電池パックを使用した場合、電気機器の使用直後における電池セルの温度は使用前に比して上昇しており、複数の電池セルのうち電池パックのケース近傍に配設された電池セルについては、温度が比較的早く低下するのに対し、ケースの中央付近に配設された電池セルについては、温度がケース近傍に配設された電池セルに比して低下し難い。このように各電池セル間に温度差がある状態で電池パックの充電を行った場合には、次のような不具合が生じる。

すなわち、電池セルは、温度に応じて充電効率が変化する特性を有しており、常温時の方が高温時（４０℃程度）や低温時（０℃程度）に比べて高い充電効率を示す。したがって、電池セル間で比較的大きな温度差があると、電池セルの充電効率に差が生じることにより充電完了時に充電された電気量が電池セル間で異なることとなる。そして、このような状態で電池パックの放電が行われたときには、充電電気量が比較的少ない電池セルが略全て放電し切った時点でも、充電電気量が比較的多い電池セルには残容量が存在するために、充電電気量が比較的少ない電池セルに対して負極から充電される状態（逆充電）が発生する。この逆充電により充電電気量が少ない電池セルを傷めることとなり、その結果、電池パックの性能劣化や短命化を招来する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電池パックの性能劣化や短命化を防止または抑制することのできる充電装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の第１の手段に係る充電装置は、複数の電池セルと前記電池セルの温度を検出するための複数の温度センサを備えた電池パックと、前記電池パックに対して充電動作を行う充電器とを備えた充電装置において、前記電池パックに充電を開始する前に、前記複数の温度センサにより検出された各温度間の温度差が所定の閾値以下である場合に、前記電池パックの充電を開始する。

また、前述の充電装置において、前記充電器は、前記電池セルを冷却するための冷却ファンを備え、充電を開始する前に前記電池セルを前記冷却ファンにより冷却し、前記温度差が前記所定の閾値以下になったことを検出すると前記電池パックの充電を開始する。

また、前述の充電装置において、前記冷却ファンの風力が調節可能に構成されており、前記電池パックに充電を開始する前に、前記複数の温度センサにより検出された各温度が所定の閾値以上である場合には、前記複数の温度センサにより検出された各温度が前記所定の閾値未満である場合に比して前記冷却ファンの風力を強くする。

このような充電装置においては、電池セル間の温度差を小さくした上で充電が開始されることとなる。したがって、電池セル間で比較的大きな温度差がある状態で充電を開始することによって充電電気量が少ない電池セルを傷めるということが無くなり又は少なくなり、電池パックの性能劣化や短命化を防止または抑制することができる。

以下、本発明に係る充電装置の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態の充電装置１を構成する充電器及び当該充電器に好適な電池の外観の概略図である。

図１において、充電器４が充電対象とする電池パック２は、図１（ａ）に示すように、電気器具１００（図１（ａ）では電動工具を例示している）の本体部３に装着して使用されるとともに、図１（ｂ）に示すように脱着後にそのまま充電器４に装着することにより充電が可能に構成された形態を採る。なお、一般に本発明の充電器が充電対象とする電池パックは、前記電動工具に装着されるものに限らず、例えばパーソナルコンピュータや携帯電話等に装着されるものも含む。電池パック２が内蔵する後述の電池セル１９（図３参照）は、例えばニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などである。電池電圧は、例えば１２Ｖ、１８Ｖ、２４Ｖなど様々あり得る。

図１に例示する電池パック２は、電池セル１９を保持する本体部５と、電気器具１００の本体部３及び充電器４との電気的接続を確立するためのコネクタ部６とを有している。充電器４には開口部を有するコネクタ部７が設けられており、コネクタ部６をコネクタ部７へ装着することにより、電池パック２と充電器４との間の電気的接続が確立される。

電池パック２及び充電器４は、より詳細には、例えば図２のような外観を有している。この例では、図２（ａ）に示すように、電池パック２のコネクタ部６は本体部５から突出した形状をなしており、電極８，９，１０，１１がその側面に露出するように配設されている。図２（ｂ）に示すように、充電器４が有するコネクタ部７は、コネクタ部６が挿入可能な凹部をなしており、その内側面には電池パック２の電極８，９，１０，１１と接触することにより電気的接続を図る電極１２，１３，１４，１５が配設されている。例えば、電極９，１５は正の充電電極、電極８，１２は負の充電電極、電極１０，１４は温度検出信号を伝える電極、そして電極１１，１３は、電池パック２が充電器４へ装着されたことを検出するための電極である。電池パック２が充電器４に装着されていなければ、充電器４は充電不可となり、装着されていれば充電可能となる。電極８のうち電極８ａの部分と電極８ｂの部分とは、それぞれ電極１２ａと電極１２ｂとに接続される。例えば、電池パック２が大容量（電池の容量は、アンペア・時間で表現される）の電池であれば、電極８ａと電極８ｂのいずれもが設けられ、小容量の電池であれば電極８ａのみが設けられる（電極８ｂを絶縁部材で覆う形態をも含む）。電極１２ｂは、電極８ｂが設けられているか否かを検出することができ、それにより電池パック２の電池容量を検出することができる。このため、電池パック２の電池容量の相違により個別に充電器を設ける必要がなく、充電器を電池容量が異なる電池パック２の充電に兼用することができる。

電池パック２と充電器４とには、それらが結合したときに互いに対向する表面上の位置に、例えばスリット状の通気孔１６，１７が設けられている。充電器４は、冷却ファン２４（図４参照）を内蔵しており、この冷却ファン２４が作り出す空気の流れが、通気孔１６，１７を通じて充電中の電池パック２内の電池セル１９にも供給されるようになっている。充電器４において通気孔１７の側方には、電池パック２の充電状況を表示する充電状況表示部１８が備えられている。充電状況表示部１８は、例えばＬＥＤ等からなる複数のランプが１列に配列されてなり、電池パック２の充電量に応じて、充電量が略０を示す「空」の文字が付せられたランプから充電量が略１００（％）を示す「満」の文字が付せられたランプに向かって順にランプが点灯する。充電器４には、ケーブル２１及びコンセント２２を備え、コンセント２２が商用電源に接続されることで、充電器４は、その商用電源からケーブル２１及びコンセント２２を介して電力の供給を受ける。供給された電力は、後述の電源部２３により電池セル１９の充電に適切な電力に変換される。

図３は、電池パック２の通気孔１７を有する平面に平行な平面でその本体部５の電池セル部分を切断したときの切断面を示す部分切断面図であり、図３に示すように、電池パック２の内部には、複数の電池セル１９がマトリックス状に整列して配設されている。各電池セル１９には、当該電池セル１９の温度を検出する温度センサ２０が備えられており、温度センサ２０は、例えばサーミスタを備えて構成されている。

図４は、充電装置１の電気的な構成を示すブロック図である。

図４に示すように、充電器４は、電源部２３と、冷却ファン２４と、ファン駆動部２５と、制御回路２６とを備える。図４において、電池セル１９及び温度センサ２０は、図３にそれぞれ示す電池セル１９及び温度センサ２０に対応するものである。各電池セル１９に対応して備えられる各温度センサ２０の端子２７は、充電器４内に内蔵された制御回路２６の端子２８に接続されるようになっており、各温度センサ２０の検出信号（温度情報）が制御回路２６に出力される。

電源部２３は、商用電源から供給される電力を電池セル１９の充電等に適切な電力に変換した上で該電池パック２に電力を供給するものである。冷却ファン２４は、空気の流れを生じさせ、図２に示す通気孔３３を通じて空気を供給する前述の冷却ファンに対応するものであり、本実施形態では、風力が相対的に大きな「強」と相対的に小さな「弱」との２段階でファン駆動部２５によって風力の調節が可能されている。ファン駆動部２５は、電源部２３及び制御回路２６に接続されており、電源部２３から電力の供給を受けながら、制御回路２６の指示（冷却ファン２４の駆動開始／停止及び風力の変更等の指示）により冷却ファン２４を駆動するものである。本実施形態では、電池パック２が充電器４にセットされると、少なくとも「弱」の風力で電池セル１９の冷却が行われるようになっており、複数の電池セル１９のうち１つでも温度が所定値以上であるときには、「強」の風力で電池セル１９の冷却が行われる。なお、電極９，１５は、図２（ｂ）に示す正の充電電極９，１５に対応するものであり、電極８，１２は、同じく図２（ｂ）に示す負の充電電極８，１２に対応するものである。

制御回路２６は、電源部２３による電力の供給／停止を制御するとともに、ファン駆動部２５による冷却ファン２４の動作（冷却ファン２４の駆動開始／停止及び風力の変更）を制御する。また、制御回路２６は、電池パック２内の各温度センサ２０からの検出信号を取り込んで次のような制御を行う。

図５は、制御回路２６の動作を示すフローチャートである。

図５に示すように、制御回路２６は、電池パック２が充電器４に装着されたものと判断すると（ステップ♯１でＹＥＳ）、温度センサ２０からの検出信号を取り込み、複数の電池セル１９のうち１つでも温度が所定値以上の電池セル１９があるか否かを判定する（ステップ♯２）。そして、１つでも温度が所定値以上の電池セル１９があると（ステップ♯２でＹＥＳ）、制御回路２６は、冷却ファン２４の風力を「強」に設定する（ステップ♯３）。これにより、電池セル１９が前記所定値以下の温度に速やかに冷却され、充電開始までに要する時間が短縮される。一方、全ての電池セル１９の温度が所定値未満であれば（ステップ♯２でＮＯ）、制御回路２６は、冷却ファン２４の風力を「弱」に設定する（ステップ♯４）。

次に、制御回路２６は、最高温度を有する電池セル１９と最低温度を有する電池セル１９との温度差が所定値以下であるか否かを判定し（ステップ♯５）、その温度差が所定値を超えるときには（ステップ♯５でＮＯ）、所定値以下となるまで、ステップ♯２〜♯４の処理を繰り返す。そして、前記温度差が所定値以下となると（ステップ♯５でＹＥＳ）、制御回路２６は、電源部２３に電力の供給動作を開始させる（ステップ♯６）。その後、電池パック２が略満容量となる（ステップ♯７でＹＥＳ）と、制御回路２６は、電源部２３に電池パック２への電力の供給動作を停止させる（ステップ♯８）。

このように、電池パック２の充電を開始する前に、最高温度を有する電池セル１９と最低温度を有する電池セル１９との温度差が所定値以下となっているか否かを見て、所定値以下になった時に始めて充電を開始する、すなわち電池セル１９間の温度のばらつきを小さくした上で充電を開始するようにしたので、温度差の大きなばらつき、延いては充電効率の大きなばらつきに起因して放電時に発生する電池セル１９の損傷等を未然に防止し、電池パック２の性能劣化や短命化を防止又は抑制することができる。

また、複数の電池セル１９のうち１つでもその温度が所定値を超えるときには、冷却ファン２４の風力を強くして速やかに電池セル１９を冷却するようにしたので、充電開始までの時間を短縮することができる。

本発明は、前述の実施形態に限らず、次の変形形態（１）〜（４）が採用可能である。

（１）上記実施形態においては、電池パック２の充電を開始する前に、最高温度を有する電池セル１９と最低温度を有する電池セル１９との温度差が所定値以下となっているか否かを見て、所定値以下になった時に充電を開始するようにしたが、これに限らず、制御回路２６が比較的高速で演算処理が可能なものであるときには、例えば、全ての組合せの温度差を算出するとともに、この温度差について閾値を設定し、算出した温度差がその閾値以下のときに充電を開始するように構成すると、より精度の高い充電制御を行うことができる。

（２）上記実施形態においては、各電池セル１９に対応して温度センサ２０を備えたが、これに限らず、例えば図６に示すように、横方向及び縦方向にそれぞれ１つおきに並ぶ電池セル１９に温度センサ２０を備えるようにしてもよい。この場合、温度センサ２０が備えられていない電池セル１９の温度については、例えば左側あるいは右側等に位置する電池セル１９の温度を代替としてもよいし、あるいは、周囲に位置する４つの温度センサ２０による検出温度の平均値を代替としてもよい。この構成においては、配設する温度センサ２０の数を低減できる分、電池パック２のコストを抑制することができる。

（３）上記実施形態においては、各電池セル１９に温度センサ２０を１つずつ配設したが、これに限らず、例えば図７（Ａ）に示すように、正方形状に並ぶ４つの電池セル１９を１つのブロックとして、各ブロックに対して１つの温度センサ２０を、該ブロック内の４つの電池セル１９により形成される全ての間隙２９に配設し、ブロック単位で温度を検出するようにしてもよい。

また、図７（Ｂ）に示すように、温度センサ２０を配設する間隙２９を縦横それぞれ１つおきに選定し、その選定された間隙２９に温度センサ２０を配設して、温度センサ２０が配設された間隙２９を形成する４つの電池セル１９の温度を該温度センサ２０により検出するようにしてもよい。この場合、図７（Ａ）の構成に比して、配設する温度センサ２０の数を低減できる分、電池パック２のコストを抑制することができる。

（４）上記実施形態においては、各温度センサ２０の検出信号が充電器４の制御回路２６に入力され、この制御回路２６において、複数の電池セル１９のうち１つでも温度が所定値以上であるか否かを判定したり、最高温度を有する電池セル１９と最低温度を有する電池セル１９との温度差が所定値以下であるか否かを判定したりするようにしたが、これに限らず、例えば、図８に示すように充電装置を構成してもよい。図８は、充電装置１’の他の構成を示す図である。

図８に示す充電装置１’は、各温度センサ２０からの検出信号を取り込む温度検出装置３０が電池パック２に備えられ、この温度検出装置３０が図５に示すフローチャートのステップ♯２及び♯５の処理を行うとともに、その処理結果に応じた制御信号（充電開始を指示する信号や冷却ファン２４の風力の切換えを指示する信号等）を充電器４の制御回路２６に出力するように構成されている点が図４に示す充電装置１と異なっている。

図４に示す構成では、各温度センサ２０から検出信号を受け取るために制御回路２６には温度センサ２０の数に応じた端子２８が必要である。電池パック２は充電器４から頻繁に着脱されるものであり、この電池パック２の着脱のたびに接触／非接触を繰り返す温度センサ２０及び制御回路２６の端子が多数存在すると、端子部分での故障や不具合が発生する可能性が高い。そこで、上記のように構成すると、電池パック２と充電器４との間に必要な端子は、温度検出装置３０から制御回路２６に前記制御信号を送出すべく該温度検出装置３０と制御回路２６とを接続するための端子のみとなるから、前述のような端子部分での故障等の発生を防止又は抑制することができる。

本発明の実施形態に係る充電装置を構成する充電器及び当該充電器に好適な電池の外観の概略図である。電池パック及び充電器の外観を示す図である。電池パックの通気孔を有する平面に平行な平面でその本体部の電池セル部分を切断したときの切断面を示す部分切断面図である。充電装置の電気的構成を示すブロック図である。制御回路の動作を示すフローチャートである。電池パックの他の実施形態を示す図である。同じく電池パックの他の実施形態を示す図である。充電装置の他の構成を示す図である。

符号の説明

１，１’ 充電装置
２電池パック
４充電器
１６，１７通気孔
１９電池セル
２０温度センサ
２４冷却ファン
２５ファン駆動部
２６制御回路
２９間隙
３０温度検出装置

Claims

複数の電池セルと前記電池セルの温度を検出するための複数の温度センサを備えた電池パックと、前記電池パックに対して充電動作を行う充電器とを備えた充電装置において、
前記電池パックに充電を開始する前に、前記複数の温度センサにより検出された各温度間の温度差が所定の閾値以下である場合に、前記電池パックの充電を開始することを特徴とする充電装置。
前記充電器は、前記電池セルを冷却するための冷却ファンを備え、充電を開始する前に前記電池セルを前記冷却ファンにより冷却し、前記温度差が前記所定の閾値以下になったことを検出すると前記電池パックの充電を開始することを特徴とする請求項１に記載の充電装置。
前記冷却ファンの風力が調節可能に構成されており、前記電池パックに充電を開始する前に、前記複数の温度センサにより検出された各温度が所定の閾値以上である場合には、前記複数の温度センサにより検出された各温度が前記所定の閾値未満である場合に比して前記冷却ファンの風力を強くすることを特徴とする請求項２に記載の充電装置。