特許 6642793 電池パック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6642793

(24)【登録日】2020年1月8日

(45)【発行日】2020年2月12日

(54)【発明の名称】電池パック

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20200130BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20200130BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20200130BHJP

【ＦＩ】

   H02J7/00 302D

   H01M10/44 P

   H01M10/48 P

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-242501(P2015-242501)

(22)【出願日】2015年12月11日

(65)【公開番号】特開2017-108590(P2017-108590A)

(43)【公開日】2017年6月15日

【審査請求日】2018年8月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006301

【氏名又は名称】マックス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100157912

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 健

(74)【代理人】

【識別番号】100074918

【弁理士】

【氏名又は名称】瀬川 幹夫

(72)【発明者】

【氏名】田村 純一

(72)【発明者】

【氏名】小林 建司

(72)【発明者】

【氏名】橋本 泰成

【審査官】 田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−３２２５１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ７／００− ７／１２

７／３４− ７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２−１０／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

充電式工具の動力源としての使用可能な電池パックであって、
所定の条件に達したとき、および、前記電池パックの出力電圧が電池セル固有の放電終止電圧を下回ったときに、放電の停止、または、放電を停止するための信号の出力を実行する放電停止手段を備え、
満充電状態の前記電池パックの出力電圧を１００とし、０Ｖを０としたときの単位時間における前記電池パックの出力電圧の変化量をΔＶＰ、前記電池パックが満充電状態から０Ｖとなるまでの時間を１００としたときの前記単位時間における時間の変化量をΔＴＰとしたときに、
前記所定の条件として、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる値が所定値以下であり、かつ、前記電池パックの出力電圧が予め定められた所定の出力電圧値以上ではないことを使用したことを特徴とする、電池パック。

【請求項2】

前記所定値は−１．５であることを特徴とする、請求項１記載の電池パック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、充電式工具の動力源としての使用可能な電池パックに関し、特に、充電制御に特徴を有する電池パックに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、充電式工具の動力源として、充電式工具に着脱できる電池パックが使用されている。こうした電池パックは充放電を繰り返すうちに徐々に容量が減っていき、最終的に寿命に至る。

【0003】

ところで、こうした電池パックは、所定の放電終止電圧まで放電制御され、放電終止電圧になったときに放電を停止するように制御される。電池パックの容量と寿命とは、この放電終止電圧の設定値に大きく影響される。

【0004】

すなわち、放電終止電圧を高く設定した場合には、電池パックの容量を十分に使用することなく放電が停止してしまうため、一回の充電で使用可能な電池容量が低下することになる。一方で、放電終止電圧を予め低く設定すると、充放電サイクルが進行していない二次電池では過放電するおそれがある。

【0005】

こうした問題に関連して、例えば、特許文献１には、二次電池の充放電サイクルの進行に応じて、二次電池の放電を停止させる放電終止電圧を低く設定する構成が記載されている。この発明では、放電終止電圧を低く設定することで、二次電池の電池容量を有効に使い切ることができ、二次電池を効率よく使用できるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６−１２８０５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記した特許文献１記載の構成では、充放電サイクル（充電回数）によって放電終止電圧が決まるため、適切な放電終止電圧を設定できないおそれがあった。すなわち、放電終止電圧まで使用して充電した場合と、放電終止電圧まで使用せずに充電した場合とでは、電池の劣化の度合いに差が出てくるが、特許文献１記載の構成はこの差を考慮せずに放電終止電圧を設定しているため、過放電などの不都合が生じる可能性があった。

【0008】

また、本発明者らは、放電終止電圧を低く設定した場合に、充放電による容量低下への影響が大きくなり、結果として電池寿命が短くなってしまうことに着目した。図４は、本発明者らが計測した放電終止電圧と容量低下の関係を示す図である。この図４に示すように、放電終止電圧を３．０Ｖに設定した場合、充放電回数が２００回を超えても容量の低下は２０％未満である。一方、放電終止電圧を１．０Ｖに設定した場合、充放電回数が１５０回未満の状態ですでに容量の低下が４０％以上となっている（一般的な電池パックとしては寿命である）。このように、放電終止電圧を低くすると、少ない充放電回数で寿命を迎えてしまい、寿命までに使用できる電池の総容量が減少する点に着目した。寿命までに使用できる電池の総容量を考慮すれば、必ずしも特許文献１記載の構成のように放電終止電圧をできるだけ低く設定することが最適とは言えない。

【0009】

そこで、本発明は、電池パックにとって最適な放電終止電圧を設定でき、高容量と高寿命のバランスを最適化することができる電池パックを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、以下を特徴とする。

【0011】

請求項１記載の発明は、充電式工具の動力源としての使用可能な電池パックであって、所定の条件に達したとき、および、前記電池パックの出力電圧が電池セル固有の放電終止電圧を下回ったときに、放電の停止、または、放電を停止するための信号の出力を実行する放電停止手段を備え、満充電状態の前記電池パックの出力電圧を１００とし、０Ｖを０としたときの単位時間における前記電池パックの出力電圧の変化量をΔＶＰ、前記電池パックが満充電状態から０Ｖとなるまでの時間を１００としたときの前記単位時間における時間の変化量をΔＴＰとしたときに、前記所定の条件として、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる値が所定値以下であり、かつ、前記電池パックの出力電圧が予め定められた所定の出力電圧値以上ではないことを使用したことを特徴とする。

【0012】

請求項２に記載の発明は、上記した請求項１に記載の発明の特徴点に加え、前記所定値は−１．５であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

請求項１に記載の発明は上記の通りであり、放電の停止、または、放電を停止するための信号の出力を実行する条件として、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる値を使用した。このような構成によれば、傾きが急になったときに出力電圧が急激に下がったと判断し、そのタイミングで放電を停止できるので、最適な放電終止電圧を設定でき、高容量と高寿命のバランスを最適化することができる。

【0014】

また、出力電圧が急激に低下する状態では、充電式工具の能力を十分に発揮できず、場合によっては負荷が増大して危険である。この点、本発明によれば、出力電圧が急激に低下すると放電が停止するので、充電式工具に最適な管理を行うことができる。

【0015】

また、請求項２に記載の発明は上記の通りであり、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる値が−１．５以下となったときに放電を停止する。このような構成によれば、特に充電式工具にとって最適な放電終止電圧を設定でき、高容量と高寿命のバランスを最適化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】時間経過とともに推移する放電曲線を示す図である。

【図2】単位時間当たりの出力電圧や傾きを示す表である。

【図3】単位時間当たりの出力電圧や傾きを示す表（図２の続き）である。

【図4】放電終止電圧と容量低下の関係を示す図である。

【図5】放電の停止に係る制御フロー図である。

【図6】（ａ）電池パックを取り付けた充電式工具の外観斜視図、（ｂ）電池パックの外観斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明する。

【0018】

本実施形態に係る電池パック１０は、充電式工具４０の動力源としての使用可能なものであって、二次電池を内蔵して充放電可能に形成されている。この電池パック１０は、図６に示すように、充電式工具４０に形成された装着部４１に対して着脱可能となっており、充電式工具４０の動力源としての使用するときには、充電式工具４０に取り付けて使用する。この電池パック１０は、上面が充電式工具４０への取り付け面となっている。電池パック１０の取り付け面には、図１に示すように、端子部１０ａが設けられている。充電式工具４０に電池パック１０を取り付けると、この端子部１０ａが充電式工具４０の端子と電気的に接続され、充電式工具４０に対して放電可能となる。なお、この電池パック１０は、充電器に取り付けて充電可能である。充電器に電池パック１０を取り付けると、端子部１０ａが充電器の端子と電気的に接続され、充電器を使用して充電可能となる。

【0019】

この電池パック１０は、二次電池を内蔵して充放電可能に形成されている。電池パック１０の内部には、二次電池の充放電を制御する制御基板が内蔵されている。この制御基板は、所定の条件に達したときに、二次電池から充電式工具４０への放電を停止する放電停止手段として機能する。

【0020】

ところで、こうした電池パック１０に使用されるリチウムイオン二次電池は、充放電を繰り返すことにより劣化し、徐々に容量が低下することが知られている。そして、容量が所定のレベルまで低下したときに（例えば初期容量の６０％以下まで低下したときに）、電池パック１０の寿命に到達したと判断される。

【0021】

ここで、充放電による容量の低下は、図４に示すように、放電終止電圧を高く設定した方が緩やかとなる。例えば放電終止電圧を３．０Ｖに設定した場合、充放電回数が２００回を超えても容量の低下は２０％未満である。一方、放電終止電圧を１．０Ｖに設定した場合、充放電回数が１５０回未満の状態ですでに容量の低下が４０％以上となっている。このように、放電終止電圧を高く設定した方が、電池寿命に至るまでの充放電回数を多くすることができる。

【0022】

一方で、放電終止電圧を高く設定すると、使用できる電池の容量が減少してしまう。このため、使用できる電池の容量と充放電による劣化防止とのバランスを考えて放電終止電圧を設定することが重要である。

【0023】

二次電池を製造する電池セルメーカは、上記バランスを考慮して正常動作領域を設定している。例えば、高電圧側（充電電圧）を４．０Ｖ、低電圧側（放電終止電圧）を２．０Ｖ程度に設定している。電池セルメーカは、この正常動作領域内で使用された場合の容量や充放電サイクル寿命を保証している。

【0024】

しかしながら、充電式工具４０の動力源としてのこれらの二次電池を使用する場合、必ずしも電池セルメーカの設定した放電終止電圧が最適であるとは限らない。

【0025】

図１は、時間経過とともに推移する放電曲線を示す図である。なお、図１の縦軸は、無劣化かつ満充電状態の電池パック１０の出力電圧を１００としたときの電池パック１０の出力電圧（％）を示している。また、図１の横軸は、電池パック１０が満充電状態から完全放電状態となるまでの時間を１００としたときの経過時間（％）を示している。この図１が示すように、時間が６０％を超えたあたりから急激に電圧が低下していることが分かる。

【0026】

このように出力電圧が急激に低下する状態では、充電式工具４０の能力を十分に発揮できず、場合によっては負荷が増大して危険である。このため、本実施形態においては、電池セルメーカの設定した放電終止電圧とは別に、所定の条件を設け、この所定の条件を満たしたときに、放電停止手段が放電を停止する制御を実行するようにしている。

【0027】

所定の条件としては、単位時間当たりの電池パック１０の出力電圧の変化率を使用している。具体的には、単位時間における前記電池パック１０の出力電圧の変化量をΔＶＰ、電池パック１０が満充電状態から完全放電状態となるまでの時間を１００としたときの単位時間における時間の変化量をΔＴＰとしたときに、前記所定の条件として、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる値が−１．５以下となることで放電を停止するようにしている。

【0028】

この点について、図２及び図３を参照しつつ詳しく説明する。図２及び図３は、図１の放電曲線の基となる単位時間当たりの出力電圧や傾きを示す表である。この表では、単位時間（例えば１０Ｔ。Ｔは時間の単位）ごとに電圧を計測し、その変化率と、時間に対する傾きを算出している。

【0029】

すなわち、無劣化かつ満充電状態の電池パック１０を１０Ｔ使用すると、電圧が２０．７Ｖから１８．０６Ｖまで低下する。２０．７Ｖを１００％としたとき、これに対する１８．０６Ｖの割合は８７．２５％である。よって、このときの単位時間当たりの電池パック１０の出力電圧の変化量（ΔＶＰ）は、「８７．２５−１００＝−１２．７５」である。また、無劣化かつ満充電状態から完全放電状態となるまでの時間は６８０Ｔであり、これを１００としたときの単位時間における時間の変化量（ΔＴＰ）は、「１０／６８０×１００」である。よって、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる値（傾き）は、「−１２．７５÷（１０／６８０×１００）≒−８．６７」である。

【0030】

同様に、次の１０Ｔ（無劣化かつ満充電状態の電池パック１０を１０Ｔ使用後から２０Ｔ使用するまでの時間）における、単位時間当たりの電池パック１０の出力電圧の変化量（ΔＶＰ）は、「８５．１２−８７．２５＝−２．１３」である。このときΔＶＰ／ΔＴＰで求められる値（傾き）は、「−２．１３÷（１０／６８０×１００）≒−１．４５」である。

【0031】

なお、満充電状態から使用した場合には、使用直後に傾きが−１．５以下となることがある。しかしながら、この傾きは電圧が高いために無視することができる。言い換えると、放電停止手段は、電圧が所定値以上である場合には、傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）を条件とした放電停止を行わないように構成されている。

【0032】

そして、充電式工具４０を使用し続けると、使用開始から４００Ｔ程度までは比較的安定した電圧となっているが、４００Ｔを超えたあたりから電圧が急激に低下し始める。そして、図１及び図３の矢印が示すように、４５０〜４６０Ｔの期間における傾き（ΔＶＰ
／ΔＴＰ）が−１．５以下となる。放電停止手段は、このタイミングで放電を停止する制御を行う。

【0033】

すなわち、放電停止手段は、出力電圧を計測し、その計測値を基に傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）を算出する。そして、この傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）が−１．５以下となったことを検出したときに、放電を停止する制御を行う。

【0034】

なお、電池セルメーカが設定している放電終止電圧Ｖｍは二次電池個々の特性によって設定されている。本実施形態に係る電池パック１０が、仮にＶｍ＝２．０Ｖに設定された二次電池を使用している場合、図２及び図３において、この２．０Ｖに到達するのは使用開始から５７０Ｔが経過したあたりである。よって、放電停止手段は、電池セルメーカが設定した放電終止電圧Ｖｍよりも早い段階で放電を停止するように制御する。このように、本実施形態においては、電池セルメーカが設定している放電終止電圧Ｖｍよりも、あえて高い電圧で放電を停止するようにしている。

【0035】

なお、放電停止手段は、傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）が−１．５以下となるよりも先に、電池セルメーカが設定した放電終止電圧Ｖｍに到達した場合には、その時点で放電を停止するように制御する。つまり、本実施形態に係る放電停止手段は、充電式工具４０にとって最適な放電終止電圧（ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる傾きを条件とした放電終止電圧）と、電池セルにとって最適な放電終止電圧（電池セルメーカが設定した放電終止電圧Ｖｍ）と、の２種類の閾値によって放電の停止を制御しており、いずれかの閾値に到達したときに放電が停止されるようになっている。

【0036】

具体的には、図５に示すように、まずステップＳ１００において、ΔＴＰが算出される。そして、ステップＳ１０１に進む。
ステップＳ１０１では、単位時間（例えば１０Ｔ）毎に出力電圧Ｖが計測される。そして、ステップＳ１０２に進む。

【0037】

ステップＳ１０２では、計測した出力電圧Ｖが電池セルメーカが設定した放電終止電圧Ｖｍ以下であるかがチェックされる。出力電圧Ｖが放電終止電圧Ｖｍに到達している場合には、ステップＳ１０６へ進む。一方、出力電圧Ｖが放電終止電圧Ｖｍに到達していない場合には、ステップＳ１０３に進む。

【0038】

ステップＳ１０３では、出力電圧Ｖを基に、ΔＶＰが算出される。そして、ステップＳ１０４に進む。

【0039】

ステップＳ１０４では、ΔＶＰを基に、傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）が算出される。そして、ステップＳ１０５に進む。

【0040】

ステップＳ１０５では、傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）が−１．５以下であるかがチェックされる。傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）が−１．５以下である場合には、ステップＳ１０６へ進む。一方、傾き（ΔＶＰ／ΔＴＰ）が−１．５に到達していない場合には、ステップＳ１０１に戻る。

【0041】

ステップＳ１０６に進んだ場合、放電停止手段が二次電池から充電式工具４０への放電を停止する。

【0042】

以上説明したように、本実施形態によれば、放電を停止する条件として、単位時間当たりの電池パック１０の出力電圧の低下率を使用した。このような構成によれば、放電終止電圧を出力電圧の変化率に応じて設定できるので、最適な放電終止電圧を設定でき、高容量と高寿命のバランスを最適化することができる。

【0043】

また、出力電圧が急激に低下する状態では、充電式工具４０の能力を十分に発揮できず、場合によっては負荷が増大して危険である。この点、本発明によれば、出力電圧が急激に低下すると放電が停止するので、充電式工具４０に最適な管理を行うことができる。

【0044】

また、前記所定の条件として、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる傾きが−１．５以下となることを使用した。このような構成によれば、特に充電式工具４０にとって最適な放電終止電圧を設定でき、高容量と高寿命のバランスを最適化することができる。

【0045】

なお、上記した実施形態においては、放電停止手段が、所定の条件に達したときに、二次電池から充電式工具４０への放電を停止するようにしたが、これに限らず、放電の停止を充電式工具４０側で実行するようにしてもよい。すなわち、所定の条件に達したときに、放電停止手段が放電を停止するための信号を充電式工具４０へ出力し、当該信号を受信した充電式工具４０が電池パック１０からの送電を受け付けないように遮断する制御を行うようにしてもよい。

【0046】

また、上記した実施形態においては、放電停止手段が出力電圧を計測し、その計測値を基に放電を停止するようにしたが、本発明の実施形態としてはこれに限らない。例えば、予め測定した放電曲線から、ΔＶＰ／ΔＴＰで求められる傾きが−１．５以下となるときの電圧値を算定し、この電圧値以下となったときに放電を停止するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0047】

１０ 電池パック
１０ａ 端子部
４０ 充電式工具
４１ 装着部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】