JP2006288150A - リチウム電池用充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特にリチウム電池の電池温度Ｔが充電適温範囲（例えば、１５°Ｃ≦Ｔ＜３５°Ｃ）より低温領域にあっても充電時間を短縮し得る充電装置を提供することにある。
【解決手段】リチウム電池パック２の充電開始から充電停止までの間、前記電源供給手段２０１、前記充電電流制御手段６０、および前記温度調整手段２０２を制御するマイクロコンピュータ５０を備え、マイクロコンピュータ５０は、リチウム電池パック２の電池温度Ｔが充電可能温度範囲（−１５°Ｃ≦Ｔ＜５５°Ｃ）になるように温度調整手段２０２を制御し、かつリチウム電池パック２の電池温度が前記充電可能温度範囲にある場合、該充電可能温度範囲の温度に従って段階的に充電電流を供給するように充電電流制御手段６０を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電池反応にリチウム種が深く関与する二次電池、所謂、リチウムイオン二次電池を含むリチウム二次電池から成るリチウム電池パックを充電するための充電装置に関し、特に、リチウム電池パックの周囲温度を調整する機能を有するリチウム電池用充電装置に関する。

携帯用機器の発達に伴い、携帯用ラジオ付ＣＤプレーヤ、携帯用ビデオカメラ、携帯用パソコン等の電子機器、携帯電話等の通信機器、コードレス電動工具等の動力機器の電源に、ニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池等の高容量化された二次電池が使用されつつある。高容量化された二次電池の一つとして、他の二次電池に比較して電気量を多く取り出し得るリチウム電池を携帯用機器へ使用することが注目されている。

リチウム電池のセル公称電圧は、広く実用に供されているニッケル・カドミウム電池やニッケル・水素電池に比較すると約２〜３倍高く、そのエネルギー密度はニッケル・カドミウム電池の約３倍という性能を持ち、かつ小形軽量であるという特徴を持っている。さらに、放電効率も良く、比較的低温環境の中でも放電が可能で、広い温度範囲で安定した電圧を得ることができる特徴を有する。

本願出願人は、これらのリチウム電池の特徴に着目して、リチウム電池パックをインパクトドライバ等のコードレス電動工具のモータ駆動電源として採用し、コードレス電動工具の小形かつ軽量化を検討してきた。特に、コードレス電動工具においては、作業者が、作業現場で、長時間、把持した状態で使用することから、工具全体を出来るだけ軽量化することが要求され、リチウム電池の採用が有利となる。さらに、コードレス電動工具は、他の電子機器と異なって、大形のモータを使用することから、駆動源として高容量（高放電容量）のリチウム電池の採用が有利となる。

コードレス電動工具に使用される電池パックを充電する充電器は、通常、コードレス電動工具とともに建築現場等の作業現場へ搬入する場合が多い。作業現場での長時間の使用により電池パックの給電能力が低下すれば、充電器で充電してからコードレス電動工具本体に使用しなければならない。さらに、作業現場が寒冷地など電池パックの使用環境温度が電池パックの充電特性に適していない作業現場で充電器を使用する場合もある。このため、電動工具用充電器には、電池パックを極力早く充電するための充電機能（急速充電）が要求されるとともに、電池パックの充放電機能を損なわないようなコントロールされた環境温度の中で充電することが要求される。

従来の充電装置において、特に、二次電池の環境温度（周囲温度）をコントロールする機能を設けた充電装置が周知である。例えば、下記特許文献１には、環境温度を所定温度に設定して充電することによって放電容量を向上させる充電装置が示されている。また、下記特許文献２には、充電の際、電池本体の温度が低すぎると電解液から不要なガスが発生するので、低温側温度を所定温度以上に制御すること、また充電時の温度が高すぎると寿命が短くなるので、高温側温度を所定温度以下に制限して充電する充電装置が開示されている。さらに、下記特許文献３には、二次電池（例えば、鉛蓄電池）の周囲温度を加熱手段によって調整することにより、二次電池の容量低下を防止した充電装置が開示されている。さらに、下記特許文献４には、二次電池の温度を所定の温度範囲（０°Ｃ〜４０°Ｃ）に調整することによって、性能の劣化を防止した充電装置が開示されている。また、下記特許文献５には、低温での充電は二次電池の性能を低下させることから所定温度以上で充電すること、高温での充電は寿命を短くすることから所定温度以下で充電すること、および電池パックを構成する複数の電池セル間の温度を均一に制御して充電する充電装置が開示されている。

一方、下記特許文献６には、特に、人工衛星に積載されるリチウム電池の充電装置において、低温による非水電解質電池内部の凍結を防止し、高温による電池の劣化を防止することによって安定した充放電特性を発揮させるための充電装置が開示されている。

特公平７−８７６７３号公報 特開平８−１８５８９７号公報 特開平８−２２３８１５号公報 特開平１１−５５８６９号公報 特開平１１−２８８７４４号公報 特開２００１−１５５７８３号公報

リチウム二次電池は、ニッケル・水素二次電池との性質の相違から、充放電特性（可逆性）乃至は長寿命を維持するために、ニッケル系二次電池を充電する充電方式とは異なる充電方式が必要である。単に管理された所定温度範囲内で定電流充電しても、急速充電の時間短縮およびリチウム電池の寿命（充放電サイクル寿命）を改善する点から、従来の充電方式では不充分である。特に、リチウム電池の充電では、充電適温温度範囲（例えば、１５°Ｃ〜３５°Ｃ）より低温側領域の環境温度で充電すると、充電時の自己発熱温度が低いために、電池特性の観点より充電電流を低い電流に維持しながら充電する必要があり、従来の充電方式では、充電時間を短縮する点で不充分であった。

従って、本発明の目的は、高容量のリチウム電池パックについてサイクル寿命等の電池の性能を低下させることなく、充電時間を短縮させたリチウム電池用充電装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、リチウム電池パックまたは充電装置の環境温度または周囲温度が、充電適温温度範囲より低い低温でも、電池の性能を低下させることなく使用し得るリチウム電池用充電装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、コードレス電動工具が使用される作業現場が氷点下の温度領域を含むような低温の環境温度においても、電池の性能を低下させることなく使用し得るリチウム電池用充電装置を提供することにある。

本発明の一つの特徴によれば、入力電源に接続され、被充電リチウム電池に充電電流を供給する電源供給手段と、前記電源供給手段に電気的接続され、前記被充電リチウム電池に流れる充電電流を制御する充電電流制御手段と、前記被充電リチウム電池の周囲温度を検出する温度検出センサと、前記温度検出センサによって検出した前記被充電リチウム電池の周囲温度が、充電可能温度範囲より低い場合または高い場合、前記被充電リチウム電池の周囲温度を調整する温度調整手段と、被充電リチウム電池の充電開始から充電停止までの間、前記電源供給手段、前記充電電流制御手段、および前記温度調整手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲になるように前記温度調整手段を制御し、かつ前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲にある場合、該充電可能温度範囲の温度区分に従って段階的に充電電流を供給するように前記充電電流制御手段を制御する。

本発明の他の特徴によれば、前記制御手段は、前記充電可能温度範囲の温度区分に従って段階的に充電電流を制御するとともに、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲の所定温度となるように前記温度調整手段を制御する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲以下にある場合、前記充電可能温度範囲に上昇するように、前記温度調整手段を制御する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲を超える場合、前記充電可能温度範囲に下降するように、前記温度調整手段を制御する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が充電可能温度範囲内にあって充電を開始した後も、前記周囲温度が充電適温温度範囲となるように、前記温度調整手段を制御する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電可能温度範囲は、−１５°Ｃ乃至５５°Ｃである。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記充電適温温度範囲は、１５°Ｃ乃至３５°Ｃである。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記温度調整手段は加熱手段および冷却手段を有し、該加熱手段および冷却手段を被充電リチウム電池の電池パックの外側に設け、前記温度検出センサを前記電池パックの内側に設ける。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記制御手段はマイクロコンピュータから成り、該マイクロコンピュータは、前記温度検出センサが検出した温度検出信号を入力する入力ポートと、該温度検出信号に基づいて前記充電電流制御手段からの受電電流値を段階的に制御する制御信号を出力する出力ポートと、前記温度検出信号に基づいて前記温度調整手段を制御する制御信号を出力する出力ポートとを備える。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記被充電リチウム電池の周囲温度に基づいて、前記被充電リチウム電池の充電電流の制御および前記被充電リチウム電池の周囲温度の制御が同時に行われる。

本発明のさらに他の特徴によれば、被充電リチウム電池の電池パックを挿入する係合部を有するリチウム電池用充電装置であって、前記係合部に温度調整用ヒーターおよびファンから成る温度調整機構を装着し、前記被充電リチウム電池の周囲温度が充電適温温度範囲より低温領域にあるとき、前記被充電リチウム電池の周囲温度に応じた充電電流値によって充電を開始させ、充電中において、前記温度調整機構によって前記被充電リチウム電池の前記周囲温度を制御しながら、充電中に変化した該周囲温度に応じて前記充電電流値を切替える。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記リチウム電池用充電装置の前記係合部には、前記温度調整機構の前記ファンの温風または冷風が通風する通風穴を有する。

本発明の充電装置によれば、被充電リチウム電池の電池温度に基づいて、充電電流および電池温度を制御しながら、充電電流を段階的に切り替えて充電するので、リチウム電池パックの寿命等の性能を大きく損なうことなく、充電時間の短縮、すなわち急速充電が可能となる。

上記した本発明の特徴および他の特徴、ならびに上記効果および他の効果は、以下の本明細書の記述および添付図面よりさらに明らかにされるであろう。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図４を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

［充電装置の構成］
図１は本発明の一実施形態に係る充電装置の回路図を示す。図１において、充電装置２００によって充電すべき被充電リチウム電池パック２（以下、電池パックと称する。）は、直列接続された複数の充電可能なリチウム電池セル２Ａ（以下、電池セルと称する。）と、電池パック２の周囲温度（以下、電池温度と称する。）を検出するために、電池セル２Ａに接触または近接して配置された、サーミスタ等の温度検出センサとして機能する感温素子２Ｂとから成る。これらは合成樹脂から成る電池ケース（図示なし）に収納されている。例えば、このリチウム電池パック２は、リチウム電池セル２Ａが公称電圧３．６Ｖの電圧を有するリチウムイオン電池を４個直列接続したものから成り、総計約１４．４．Ｖの電圧を持つ。

電池パック２に充電電流を供給するための電源供給手段２０１は、第１の整流平滑回路１０と、スイッチング回路２０と、第２の整流平滑回路３０とを具備する。

第１の整流平滑回路１０は全波整流回路１１と平滑用コンデンサ１２とから成り、商用交流電源等の交流電源１を全波整流する。スイッチング回路２０は、高周波トランス２１と、トランス２１の１次コイルに直列接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）２２と、ＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に印加する駆動パルス信号のパルス幅を変調させるための駆動信号制御手段となるＰＷＭ制御ＩＣ２３とを備える。ＰＷＭ制御ＩＣ２３は、充電電流信号伝達手段５より入力される制御入力信号に基づいてＭＯＳＦＥＴ２２のゲート電極に供給する駆動パルス幅を変えることによって、ＭＯＳＦＥＴ２２のオン時間を制御し、整流平滑回路３０の出力電圧と電池パック２の充電電流を調整する。第２の整流平滑回路３０はトランス２１の２次コイル側に接続されたダイオード３１および３２、チョークコイル３３、および平滑コンデンサ３４から成る。

第１の整流平滑回路１０、スイッチング回路２０、および第２の整流平滑回路３０を含む電源供給手段２０１には、充電電流制御手段６０および定電圧制御手段９０が電気的に接続されている。

充電電流制御手段６０は、演算増幅器６１および６２と、入力抵抗６３および６５と、帰還抵抗６４とから構成された演算増幅回路を含む。この充電電流制御手段６０の入力側は電池パック２の充電電流を検出するための抵抗等から成る電流検出手段３に接続される。また、その出力側はダイオード１３０および充電電流信号伝達手段５を介して前述したＰＷＭ制御ＩＣ２３に電気的に接続される。さらに、演算増幅器６２の反転入力端子には充電電流設定手段６６が接続される。充電電流設定手段６６は、後述する制御手段となるマイクロコンピュータ５０の出力ポート５１ｅからの制御信号に対応して充電電流の大きさを設定するものである。すなわち、出力ポート５１ｅからの制御信号に対応して演算増幅器６２の反転入力端に印加する電圧値を変えるものである。このような構成に基づき、充電電流制御手段６０は充電電流設定手段６６の設定値に従って、電池パック２の充電電流を制御する。

定電圧制御手段９０は、抵抗９１および９２と演算増幅器９３とから構成され、定電圧制御手段９０の入力側は電池パック２の正極側に接続され、電池パック２の充電電圧を検出する。さらに、演算増幅器９３の反転入力端子には電圧設定手段９４が接続される。電圧設定手段９４は、充電電流設定手段６６と同様に、後述するマイクロコンピュータ５０の出力ポート５１ｅからの制御信号に対応して充電電圧の大きさを設定するものである。

充電時に、リチウム電池パック２の電池温度を、充電可能温度範囲または充電適温温度範囲に調整するために、本発明に従って、電池パック２に近接して温度調整装置２０２が設けられる。この温度調整装置２０２は、加熱手段として機能するヒーター１０１と、冷却手段として機能するファン６とから構成されている。ヒーター１０１は、ヒーター１０１に流す加熱電流を制御するための例えば抵抗可変素子として機能するＦＥＴ等から成る制御回路１０２に接続されている。ヒーターの制御回路１０２は、マイクロコンピュータ５０の出力ポート５１ｄからの制御信号を受けて、ヒーター１０１に流れる電流をオンまたはオフし、かつその電流の大きさを制御する。ファン６は、モータ（図示なし）を含み、トランジスタ７ａと、バイアス抵抗７ｂおよび７ｃとから成るファン駆動回路７によって、モータの回転および停止が制御される。後述するように、ファン駆動回路７の制御は、マイクロコンピュータ５０の出力ポート５１ｂからの制御信号によって行われる。温度調整装置２０２には、充電装置２００が使用される作業現場等の環境温度が、充電適温温度範囲より特に高温領域で、積極的に冷却が要求される場合は、ペルチェ素子等の冷却装置をファン６と共に組込んでも良い。

電源供給手段２０１、充電電流制御手段６０、定電圧制御手段９０、温度調整装置２０２等の動作は、マイクロコンピュータ５０によって制御される。マイクロコンピュータ５０は、制御プログラムを実行する中央処理装置（ＣＰＵ）５１、ＣＰＵ５１の制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）５６、ＣＰＵ５１の作業領域やデータの一時記憶領域などとして利用されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５３、およびタイマ５４を具備し、さらに、マイクロコンピュータ５０は、アナログ入力信号をデジタル出力信号に変換するためのＡ／Ｄコンバータ５２、制御信号をそれぞれ出力するための出力ポート５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄおよび５１ｅ、電源投入時にリセット信号を入力するためのリセット入力ポート５５を具備する。これらの機能プロックは内部バス５８によって相互に接続されている。

電池パック２の電池温度を検出する感温素子２Ｂからの温度検出信号は、抵抗１２１および１２２から成る電池温度検出手段１２０を介してＡ／Ｄコンバータ５２の一つの入力端子に入力される。

電池パック２の電圧は、分圧抵抗４１および４２から成る電池電圧検出回路４０を介して、Ａ／Ｄコンバータ５２の他の入力端子に入力される。

電池パック２の充電を開始または停止させる制御信号は、マイクロコンピュータ５０の制御プログラムに従って、その出力ポート５１ｃより充電制御信号伝達手段４を介してＰＷＭ制御ＩＣ２３の制御入力へ供給される。充電制御信号伝達手段４より充電開始の制御信号を受信すれば、ＭＯＳＦＥＴ２２はスイッチング動作を開始し、逆に充電停止の制御信号を受信すれば、ＭＯＳＦＥＴ２２はスイッチング動作を停止する。

マイクロコンピュータ５０、充電電流制御手段６０、温度調整装置２０２、および電池温度検出手段１２０等の電源は、商用交流電源１より直流電圧源を形成する定電圧電源７０によって供給される。この定電圧電源７０は、電源トランス７１と、全波整流回路７２と、トランジスタ７３、ツェナーダイオード７５および抵抗７４から成る定電圧回路と、３端子レギュレータ７８と、平滑用コンデンサ７７および７９と、リセットＩＣ８０とから構成される。定電圧電源７０のリセットＩＣ８０は、電源投入時などにマイクロコンピュータ５０を初期状態にするために、リセット入力ポート５５にリセット信号を出力する機能を有する。

モニタ回路１１０は、後述する電池パック２の電池温度Ｔに応答する充電装置の動作状況、すなわち、電池パック２の挿入前の状態か、電池パック２の電池温度が低過ぎ、または高過ぎて充電を待機している状態か、充電中の状態か、または充電を完了した状態かを表示するために設けられている。このモニタ回路１１０は、表示素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイ１１１を具備し、アレイ１１１は赤色発光ダイオードＲおよび緑色発光ダイオードＧを含む。さらに、発光ダイオードＲおよびＧの電流をそれぞれ制限する抵抗１１２および１１３を具備する。赤色発光ダイオードＲおよび緑色発光ダイオードＧの点灯または点滅は、充電装置の動作を制御するマイクロコンピュータ５０の出力ポート５１ａの出力によって制御される。赤色発光ダイオードＲおよび緑色発光ダイオードＧは、ある状態表示において、同時に点灯または点滅するように制御され、「橙点灯」または「橙点滅」の表示も行う。

［温度調整装置の構造］
図７および図８は、本発明の充電装置２００、および該充電装置２００に着脱可能に挿入（係合）された電池パック２の部分断面構造図を示す。充電装置２００の一端部には、電池パック２を挿入し、充電装置２００の回路ボードに電気的に接続するための係合凹部２００Ｂおよび係合凸部２００Ｃが設けられている。係合凸部２００Ｃの内部にはファン６およびヒーター１０１から成る温度調整装置２０２が組み込まれ、係合凸部２００Ｃのケース部にはファン６による送風を電池パック２のケース内に流通させるための通風穴２００Ａが設けられる。ヒーター１０１は電源配線１０１ａを介して充電装置２００内に形成された直流電源に電気的に接続される。

リチウム電池パック２は、係合凹部２００Ｂに挿入される係合部２Ｇと、複数の電池セル２Ａが収納された本体部２Ｈとから成り、電池パック２の断面形状はＴ字形となっている。図７には図示されていないが、電池パック２の電池温度Ｔを検出するための感温素子２Ｂは、複数の電池セル２Ａのセル間に配置されている。また、電池パック２の係合部２Ｇには回路ボード２Ｄが収納され、図示されていないが、係合部２Ｇの下方端部の外面には、電池の電極端子および感温素子２Ｂの電極端子が設けられている。さらに、電池パック２の本体部２Ｈの下面ケース部には、通風穴２００Ａに連通する通風穴２Ｃを有する。両者の通風穴２００Ａおよび２Ｃを介して、電池セル２Ａの外周表面に温度調整装置２０２から温風または冷風が送風される。図８の側面図に示すように、ファン６の送風出口６ａは、ヒーター１０１の近くに配置され、ヒーター１０１の発熱を通風穴２００Ａへ温風として送風するように配置されている。ファン６は配線７ｄによりファン駆動回路７（図１参照）に電気的に接続される。ファン６とヒーター１０１の制御については後述する。

［モニタ回路の動作］
本発明の充電装置に従ったモニタ回路１１０による発光ダイオード（ＬＥＤ）の表示例を図２に示す。電池パック２が充電装置２００に挿入または電気的に接続されていない「電池挿入前」の表示は、緑色発光ダイオードＧおよび赤色発光ダイオードＲを同時に点滅させて「橙点滅」させる。また、電池パック２の電池温度Ｔが充電可能温度範囲より低温領域（ Ｔ ＜−１５°Ｃ）にあって低温で充電を待機している「低温待機」の表示は、赤色発光ダイオードＲを点滅させて「赤点滅」させる。さらに、電池パック２の温度が充電可能温度範囲（−１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜５５°Ｃ ）にあって「充電中」である場合の表示は、緑色発光ダイオードＧおよび赤色発光ダイオードＲを同時に点灯させて「橙点灯」させる。電池パック２の温度が充電可能温度範囲より高温領域（５５°Ｃ ≦ Ｔ ）にあって高温で充電を待機している「高温待機」の表示は、緑色発光ダイオードＧを点滅させて「緑点滅」とさせる。さらに、「充電終了」の表示は、緑色発光ダイオードＧのみを点灯させて「緑点灯」させる。このように、モニタ回路１１０によって使用者は充電装置の動作状態を把握することができる。

［充電の動作モード］
次に、本発明の充電装置による充電モードについて、図３および図４を参照して説明する。本発明の充電装置によれば、感温素子２Ｂによって検出された電池パック２の電池温度Ｔに基づいて、マイクロコンピュータ５０は、充電電流制御手段６０および温度調整装置２０２を制御し、電池温度Ｔに対応した適切な充電電流を供給するとともに、電池パック２の温度調整を行う。以下、リチウム電池パック２の電池温度Ｔと充電電流の関係、並びに電池温度Ｔと温度調整装置２０２による温度調整の関係について、図３を参照して説明する。

本発明によれば、リチウム電池パック２の充電可能温度範囲は、複数の温度区分に分割される。この充電可能温度範囲の低温側および高温側の限界は、充電による電池寿命に損傷を極力与えない温度に制限される。本発明の実施例では、図３に示すように、充電可能温度範囲は（−１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜５５°Ｃ ）の範囲に制限されている。

さらに、充電可能温度範囲（−１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜５５°Ｃ ）は、本発明に従って、複数の温度区分に分割される。例えば、図３に示すように、区分Ｂ（−１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜０°Ｃ ）、区分Ｃ（０°Ｃ ≦ Ｔ ＜１５°Ｃ ）、区分Ｄ（１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜３５°Ｃ ）および区分Ｅ（３５°Ｃ ≦ Ｔ ＜５５°Ｃ ）の４段階の温度区分に分割される。この４つの温度区分に対応して、電池寿命の劣化を極力少なくするような充電電流が設定される。図３に示す実施例では、４つの温度区分Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥに対し、それぞれ１Ａ、４Ａ、９Ａ、および４Ａの充電電流が設定されている。この温度区分と充電電流の関係は、マイクロコンピュータ５０のＲＯＭ５６に記憶される。そして、マイクロコンピュータ５０は、感温素子２Ｂの検出温度に基づいて制御信号を出力し、電池温度Ｔに従った充電電流が電池パック２に供給されるように充電電流制御手段６０を制御する。この充電電流は、室温（２５°Ｃ）を含む充電適温温度範囲（図３に示す区分Ｄ）に近づく程、増加する傾向にある。図３に示す例では、充電のためのリチウム電池パック２の充電適温温度範囲は、温度区分Ｄの（１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜３５°Ｃ ）の範囲であり、このとき、最大の充電電流９Ａに設定される。しかしながら、電池温度Ｔが、充電可能温度範囲の上限以内で、かつ充電適温温度範囲Ｄ区分より高い温度区分Ｅにあるときは、最大充電電流９Ａより低い電流４Ａに設定される。この理由は、充電適温温度範囲より高い温度で、かつ９Ａの高電流で充電する場合、電池温度が自己発熱により高温となり、大電流による充電はリチウム電池の寿命を短くするためである。

本発明によれば、電池温度Ｔが充電可能温度範囲より低温領域（Ｔ ＜−１５°Ｃ）の場合、充電は行わない。代わりに、電池温度Ｔが充電可能温度範囲になるように、ヒーター１０１とファン６とから構成される温度調整装置２０２を動作させる。この場合、図３の温度区分Ａに示されるように、充電可能温度範囲（−１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜５５°Ｃ ）より低温側にあるので、ヒーター１０１およびファン６は同時にオン（動作）して、電池パック２を強く加熱する。そして、電池温度Ｔが充電可能温度範囲まで上昇した時、上記したように、温度区分に従った充電電流を設定し、充電を開始する。

本発明によれば、電池温度Ｔが充電可能温度範囲の低温側（例えば、温度区分Ｂ）に上昇し充電を開始しても、温度調整装置２０２の動作を直ぐにオフさせない。この理由は、特に、リチウム電池では、充電時の自己発熱が少なく、充電しても温度上昇が期待できないためである。このため、図３に示すように、温度区分Ｄの充電適温範囲の低温側にある温度区分Ｂおよび温度区分Ｃでは、温度調整装置２０２のヒーター１０１およびファン６を動作させて、電池パック２を加熱する。つまり、本発明によれば、電池温度Ｔが充電適温温度範囲（温度区分Ｄ）に集約するように、電池パック２の温度を調整する。これとは逆に、電池温度Ｔが充電可能温度範囲の高温側（温度区分Ｅおよび温度区分Ｆ）にある場合も、充電適温温度範囲（温度区分Ｄ）に集約するように、温度調整装置２０２によって、電池パック２の温度調整が行われる。この場合の調整は、図３の温度区分Ｅおよび温度区分Ｆに示すように、ファン６のみをオンさせて、冷却動作を行う。

このように、本発明によれば、電池パック２の電池温度Ｔに従って、充電電流の制御および電池温度の制御を同時に実行する。その結果、本発明による充電方式は、図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように、概略３つの充電モードに分類できる。

まず、図４の（ａ）に示す第１のモードは一定電流で充電するものである。すなわち、上記温度区分Ｃまたは温度区分Ｄの状態で充電を開始し、充電終了の直前まで一定の充電電流を供給するモードである。なお、リチウム電池は、充電電圧が最大に達した時点から充電電流が小さくなって充電を終了する特性がある。

次に、図４の（ｂ）に示す第２のモードは、温度区分に従って段階的に充電電流を上昇させるモードである。すなわち、電池パック２の電池温度Ｔが、充電装置２００に挿入（係合）されたとき、−１５°Ｃ以下の温度区分Ａにあって充電を待機し、代わりに温度調整装置２０２によって温度区分Ｂに加熱してから１Ａで充電を開始したものである。さらに、電池パック２は充電中の自己加熱が殆ど無いので、充電しながら温度調整装置２０２によって電池温度Ｔを温度区分Ｃに加熱し、同時に充電電流を４Ａに切り替えて充電する。さらに、電池温度Ｔが温度区分Ｄである充電適温温度範囲（１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜３５°Ｃ ）となったので、９Ａの最適充電電流に切替えたものである。

さらに、図４の（ｃ）に示す第３のモードは、温度区分に従って段階的に充電電流を下降させるモードである。すなわち、電池温度Ｔが、当初、温度区分Ｄの充電適温温度範囲（１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜３５°Ｃ ）であったので、９Ａで充電を開始したが、途中で電池温度が温度区分Ｅと上昇したので、充電電流を４Ａに切り替えたものである。

［充電の動作フローチャート］
次に、本発明の充電装置による充電動作について、図５および図６に示した動作フローチャートを参照して説明する。

まず、図５のステップＳ１０１に示すように、電池パック２が挿入されていない状態で充電装置２００に電源を入れると、モニタ回路１１０の発光ダイオードＲおよびＧが同時に点滅し、「橙点滅」を行い、図２に示したように、電池パック２の挿入前の状態を表示する。

ステップＳ１０２で電池パック２を挿入して充電装置２００と電気的に接続すると、ステップＳ１０３で電池温度Ｔが上記した温度区分Ａ（Ｔ＜−１５°Ｃ）であるか否かをチェックする。温度区分Ａの温度の場合には（ステップＳ１０３がＮｏの場合）、ステップＳ１１０〜ステップＳ１１２に進み、モニタ回路１１０を「赤点滅」させると同時に、ヒーター１０１の加熱の強さを「強」とし、かつファン６をオンさせて電池パック２を加熱する。

ステップＳ１０４では、電池パック２の電池温度Ｔが、上記した温度区分Ｂ（−１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜０°Ｃ ）にあるか否かをチェックする。電池温度Ｔが温度区分Ｂの範囲にある場合は、ステップＳ１１３〜スデップＳ１１６に進み、モニタ回路１１０を「橙点灯」させ、かつヒーター１０１およびファン６をオンさせながら、充電電流を「１Ａ」に設定して充電を開始する。この場合、ヒーター１０１の加熱の強さは、「中」とする。

ステップＳ１０５では、電池パック２の電池温度Ｔが、上記した温度区分Ｃ（０°Ｃ ≦ Ｔ ＜１５°Ｃ ）にあるか否かをチェックする。電池温度Ｔが温度区分Ｃの範囲にある場合は、ステップＳ１１７〜ステップＳ１２０に進み、モニタ回路１１０を「橙点灯」させ、かつヒーター１０１およびファン６をオンさせながら、充電電流を「４Ａ」に設定して充電を開始する。この場合、ヒーター１０１の加熱の強さは、「弱」とする。

ステップＳ１０６では、電池パック２の電池温度Ｔが、上記した温度区分Ｄ（１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜３５°Ｃ ）にあるか否かをチェックする。電池温度Ｔが温度区分Ｄの範囲にある場合は、ステップＳ１２１およびステップＳ１２２に進み、モニタ回路１１０を「橙点灯」させて、充電電流を「９Ａ」に設定して充電を開始する。この場合、温度区分Ｄは、充電適温温度範囲であるので、ヒーター１０１およびファン６はオンさせない。

ステップＳ１０７では、電池パック２の電池温度Ｔが、上記した温度区分Ｅ（３５°Ｃ ≦ Ｔ ＜５５°Ｃ ）にあるか否かをチェックする。電池温度Ｔが温度区分Ｅの範囲にある場合は、ステップＳ１２３〜ステップＳ１２５に進み、モニタ回路１１０を「橙点灯」させ、かつファン６のみをオンさせながら、充電電流を「４Ａ」に設定して充電を開始する。この場合、ヒーター１０１はオフされている。なお、ステップＳ１０７で電池温度Ｔが温度区分Ｆ（Ｔ ≦ ５５°Ｃ ）にある場合は、ステップＳ１０８およびステップＳ１０９に進み、モニタ回路１１０を「緑点滅」させ、かつファン６のみをオンさせて、電池温度Ｔが下降するまで待機する。

図６に示すように、充電を開始した後、電池パック２の電池温度Ｔは周期的にチェックされる。

まず、ステップＳ１２６では、電池パック２の電池温度Ｔが、充電適温温度範囲（温度区分Ｄ）を超えているか否か、すなわち、（Ｔ ≧３５°Ｃ）にあるか否かをチェックする。電池温度Ｔが温度区分Ｄの範囲を超えている場合は、ステップＳ１３２〜ステップＳ１３４に進み、ファン６のみをオンさせながら、充電電流を「４Ａ」に切替える。

ステップＳ１２７では、電池パック２の電池温度Ｔが、温度区分Ｄ（１５°Ｃ ≦Ｔ ＜３５°Ｃ ）にあるか否かをチェックする。電池温度Ｔが温度区分Ｄの範囲にある場合は、ステップＳ１３５〜ステップＳ１３７に進み、ヒーター１０１およびファン６はオフさせ、充電電流を「９Ａ」に切り替えて充電を継続する。この場合、温度区分Ｄは、充電適温温度範囲であるので、ヒーター１０１およびファン６はオンさせない。

ステップＳ１２８では、電池パック２の電池温度Ｔが、温度区分Ｃ（０°Ｃ ≦Ｔ ＜１５°Ｃ ）にあるか否かをチェックする。電池温度Ｔが温度区分Ｃの範囲にある場合は、ステップＳ１２９〜ステップＳ１３１に進み、ヒーター１０１およびファン６をオンさせながら、充電電流を「４Ａ」に切り替えて充電を継続する。この場合、ヒーター１０１の加熱の強さは、「弱」とする。ステップＳ１２８で、電池温度Ｔが温度区分Ｂ（−１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜０°Ｃ ）にある場合は、ステップＳ１３８〜ステップＳ１４０に進み、ヒーター１０１およびファン６をオンさせながら、充電電流を「１Ａ」に切り替えて充電を継続する。この場合、ヒーター１０１の加熱の強さは、「中」とする。

以上の充電により、満充電近くになると、電池パック２の充電電圧は最大に達したところから、充電電流が減少し、満充電を迎える。図６のステップＳ１４１で満充電となったか否かをチェックする。ステップＳ１４１で満充電と判断されると、ステップＳ１４２〜ステップＳ１５４に進み充電を終了する。まず、モニタ回路１１０は「緑点灯」して充電終了であることを表示する（ステップＳ１４２）。その後、温度調整装置２０２は、電池温度Ｔが充電適温温度範囲（１５°Ｃ ≦ Ｔ ＜３５°Ｃ ）に集約するように温度調整する（ステップＳ１４３〜ステップＳ１５３）。その後、ステップＳ１５４でリチウム電池パック２が充電装置２００から取り外されたか否かをチェックする。取り外されたならば（ステップＳ１５４がＹｅｓの場合）、ステップＳ１０１に戻り電池パック２が接続されるまで待機する。

以上の説明から明らかにされるように、本発明のリチウム電池用充電装置によれば、電池パックの電池温度に従って、充電電流および電池温度を制御しながら充電することができ、電池温度に対応した充電モードが設定できる。特に、リチウム電池の充電は自己発熱作用が少ないので、低温領域での充電において、大きな充電電流を流すと、寿命などの電池特性の点から好ましくなかったが、本発明に従えば、電池温度を制御しながら、かつ充電電流を切替えながら充電を行うことができるので、寿命等の電池特性に悪影響を与えることなく、充電時間を短縮させることができる。特に、コードレス電動工具を低温地域の作業現場で使用する場合、本発明の充電装置をともに搬入すれば、電池パックの急速充電が可能となり、効率のよい作業が可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明に係るリチウム電池用充電装置の実施例を示す回路図。 図１に示したリチウム電池用充電装置のモニタ回路の動作を示す特性図。 図１に示したリチウム電池用充電装置による充電動作を示す特性図。 図１に示したリチウム電池用充電装置による各種の充電モードを示す特性図。 図１に示したリチウム電池用充電装置による充電動作を示すフローチャート。 図５に示したフローチャートに連続するステップを示すフローチャート。 図１に示したリチウム電池用充電装置の構造例を示す部分断面図。 図７に示したリチウム電池用充電装置の断面図の側面図。

符号の説明

１：入力商用電源 ２：リチウム電池パック ２Ａ：電池セル
２Ｂ：感温素子（温度検出センサ） ２Ｃ：通風穴 ２Ｄ：回路ボード
２Ｇ：電池パックの係合部 ２Ｈ：電池パックの本体部
３：電流検出手段 ４：充電制御信号伝達手段
５：充電電流信号伝達手段 ６：ファン ７：ファン駆動回路
７ａ：トランジスタ ７ｂ、７ｃ：バイアス用抵抗 ７ｄ：配線
１０：第１の整流平滑回路 １１：全波整流回路 １２：平滑用コンデンサ
２０：スイッチング回路 ２１：高周波トランス
２２：ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）
２３：ＰＷＭ制御ＩＣ ３０：第２の整流平滑回路
３１、３２：整流用ダイオード ３３：チョークコイル
３４：平滑用コンデンサ ４０：電池電圧検出手段 ４１、４２：分圧用抵抗
５０：マイクロコンピュータ ５１：中央処理装置（ＣＰＵ）
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ：出力ポート ５２：Ａ／Ｄコンバータ
５３：ＲＡＭ ５４：タイマ ５５：リセット入力ポート ５６：ＲＯＭ
５８：内部バス（ＢＵＳ） ６０：充電電流制御手段 ６１、６２：演算増幅器
６３、６５：演算増幅器の入力用抵抗 ６４：演算増幅器の帰還用抵抗
６６：充電電流設定手段 ７０：定電圧電源 ７１：電源トランス
７２：全波整流回路 ７３：レギュレータ用トランジスタ ７４：抵抗
７５：ツェナーダイオード ７８：３端子レギュレータ
７７、７９：平滑用コンデンサ ８０：リセットＩＣ
９０：定電圧制御手段 ９１、９２：分圧用抵抗 ９３：演算増幅器
９４：電圧設定手段 １０１：ヒーター １０１ａ：ヒーターの配線
１０２：ヒーター電流制御用回路（ＦＥＴ素子） １１０：モニタ回路
１１１：発光ダイオードのアレイ １１２、１１３：電流制限用抵抗
Ｇ：緑色発光ダイオード（ＬＥＤ） Ｒ：赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）
１２０：温度検出手段 １２１、１２２：分圧用抵抗 ２００：充電装置
２００Ａ：通風穴 ２００Ｂ：係合凹部
２００Ｃ：係合凸部 ２０１：電源供給手段 ２０２：温度調整装置

Claims (10)

1. 入力電源に接続され、被充電リチウム電池に充電電流を供給する電源供給手段と、
   前記電源供給手段に電気的に接続され、前記被充電リチウム電池に流す充電電流を制御する充電電流制御手段と、
   前記被充電リチウム電池の周囲温度を検出する温度検出センサと、
   前記温度検出センサによって検出した前記被充電リチウム電池の周囲温度が、充電可能温度範囲より低い場合または高い場合、前記被充電リチウム電池の周囲温度を調整する温度調整手段と、
   被充電リチウム電池の充電開始から充電停止までの間、前記電源供給手段、前記充電電流制御手段、および前記温度調整手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲になるように前記温度調整手段を制御し、かつ前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲にある場合、該充電可能温度範囲の温度区分に従って段階的に充電電流を供給するように前記充電電流制御手段を制御することを特徴とするリチウム電池用充電装置。
2. 前記制御手段は、前記充電可能温度範囲の温度区分に従って段階的に充電電流を制御するとともに、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲の所定温度となるように前記温度調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載されたリチウム電池用充電装置。
3. 前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲以下にある場合、前記充電可能温度範囲に上昇するように、前記温度調整手段を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたリチウム電池用充電装置。
4. 前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が前記充電可能温度範囲を超える場合、前記充電可能温度範囲に下降するように、前記温度調整手段を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載されたリチウム電池用充電装置。
5. 前記制御手段は、前記被充電リチウム電池の周囲温度が充電可能温度範囲内にあって充電を開始した後も、前記周囲温度が充電適温温度範囲となるように、前記温度調整手段を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載されたリチウム電池用充電装置。
6. 前記充電可能温度範囲は、−１５°Ｃ乃至５５°Ｃであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載されたリチウム電池用充電装置。
7. 前記充電適温温度範囲は、１５°Ｃ乃至３５°Ｃであることを特徴とする請求項５に記載されたリチウム電池用充電装置。
8. 前記温度調整手段は加熱手段および冷却手段を有し、該加熱手段および冷却手段を被充電リチウム電池の電池パックの外側に設け、前記温度検出センサを前記電池パックの内側に設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載されたリチウム電池用充電装置。
9. 被充電リチウム電池の電池パックを挿入する係合部を有するリチウム電池用充電装置であって、前記係合部に温度調整用ヒーターおよびファンから成る温度調整機構を装着し、前記被充電リチウム電池の周囲温度が充電適温温度範囲より低温領域にあるとき、前記被充電リチウム電池の周囲温度に応じた充電電流値によって充電を開始させ、充電中において、前記温度調整機構によって前記被充電リチウム電池の前記周囲温度を制御しながら、充電中に変化した該周囲温度に応じて前記充電電流値を切替えることを特徴とするリチウム電池用充電装置。
10. 前記リチウム電池用充電装置の前記係合部には、前記温度調整機構の前記ファンの温風または冷風が通風する通風穴を有することを特徴とする請求項９に記載されたリチウム電池用充電装置。
    

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