(57)【要約】  コードレス電動工具システム内において、電池パック又は装着されている工具又は充電器に対する内部又は外部損傷を防止するように、電動工具又は充電器に動作可能に装着された電池パックの障害状態から保護する保護方法、回路、及び装置が提供される。典型的な方法、回路、及び装置は、過充電、過放電、過電流、過温度などの障害状態に対処する。【選択図】図３Ｂ
2007520180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池パックの障害状態から保護するための電池パックの保護装置であって、
前記電池パックは、コードレスの電動工具に電力を供給するべく構成されており、且つ、複数のセルを有し、
それぞれのセルが、電流制限機能を実行するべく構成され対応する保護装置を具備していることを特徴とする、
複数の個別の保護用デバイスを有する保護装置。
【請求項２】
それぞれの保護用デバイスとして、サーミスタを使う請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記セルは直列接続されることによってセルの列を形成しており、
それぞれの保護用デバイスとしてその対応するセルが障害状態に到達する時に、前記列の全体を流れる電流を制限するべく抵抗値が増大するＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）を使うことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記電池パックはリチウムイオン電池パックである請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記リチウムイオン電池パックは少なくとも１８ボルトの公称電圧定格を具備している請求項４記載の装置。
【請求項６】
コードレスの電動工具に電力を供給するように構成され、且つ、複数の直列接続された電池セルを含む電池パックであって、
前記電池パックにおいて障害状態が検知された際に、前記電池パックの電流を制限又は遮断するように構成された保護装置を含む電池パック。
【請求項７】
所与の電池パラメータを検知して、前記１つ又は複数のセルの前記障害状態を判定し、障害状態の程度に基づいて制御信号を生成する少なくとも１つの保護回路と、
前記保護回路から受信した前記制御信号に基づいて電流を制限又は遮断するべく構成された電流制限又は電流遮断機能を具備するマスタ装置と、
を更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項８】
パックの温度を検出して第１信号を生成する温度センサと、
パックの電流を検出して第２信号を生成する電流センサと、
前記第１及び第２信号を受信し、前記電池パックの障害状態を判定すると共に、制御信号を生成するよう構成された電池制御回路と、
を更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項９】
前記電池の電子制御ユニットは自身に動作可能に接続されている半導体装置に前記制御信号を送信し、
前記半導体装置は前記制御信号に基づいて電流を制限又は遮断する電流制限又は電流遮断機能を具備する請求項８記載の電池パック。
【請求項１０】
前記装置は、
パック電流を検出し、検出された過電流障害状態に基づいて制御信号を生成する電流センサと、
電流制限又は電流遮断機能を具備し、前記電流センサに動作可能に接続されており、前記電流センサから受信した前記制御信号に基づいて電流を制限又は遮断するように構成された半導体装置と、
を更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項１１】
前記検出されたパック電流が所与の閾値を超過している場合に、前記過電流障害状態が存在することを特徴とする請求項１０記載の電池パック。
【請求項１２】
前記電流の閾値は前記セルの温度に基づくことを特徴とする請求項１１記載の電池パック。
【請求項１３】
前記装置は、
制御信号を生成するために、電池の電圧、電池の電流、及び電池の温度を監視するように構成された電池制御回路と、
前記電池制御回路によって動作可能に制御される半導体装置であって、前記制御信号に基づいて電流を制限又は遮断するように構成された半導体装置と、
を更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項１４】
前記装置は、
セルの温度を検出し、検出した信号を前記電池制御回路に出力する温度センサと、
電池電流を検出し、検出した信号を前記電池制御ユニットに出力する電流センサと、
個々のセル電圧の１つと前記パックの合計パック電圧を検出し、検出した信号を前記電池制御回路に出力する電圧モニタ回路と、
を更に有する請求項１３記載の電池パック。
【請求項１５】
前記装置は、
装着された外部コンポーネントに情報を伝達すると共に、該外部コンポーネントから情報を検出する少なくとも１つの通信端子を更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項１６】
前記装置は、前記パックの潜在的な過放電障害状態についてパック電圧を監視し、前記監視対象電圧が所与の電圧閾値に達した場合に、前記パックの電流の流れの自動的なシャットダウンを実行するように構成された少なくとも１つの保護回路を更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項１７】
前記装置は、
前記パックの潜在的な過放電障害状態についてパックの電圧を監視し、前記監視対象の電圧が所与の動的な電圧閾値に達した場合に、前記パックの電流の流れの自動的なシャットダウンを実行するように構成された少なくとも１つの保護回路を更に有し、
監視対象電圧が一時的に前記閾値未満に降下した場合に、絶対閾値レベルから瞬間放電電流の一部を減算することによって前記動的な電圧閾値を変更し、前記電池パックのインピーダンスを補償すると共に、電流の流れの不正の自動シャットダウンを回避することを特徴とする請求項６記載の電池パック。
【請求項１８】
前記装置は、
過電流障害状態からの保護として前記電池パックにおいて前記直列接続されたセルと直列に配置された単一のＰＴＣデバイスであって、
前記パックの電流が増大するに伴ってパックの合計インピーダンスを増大させるように構成された単一のＰＴＣ装置を更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項１９】
前記装置は、
前記パックにおいて互いに並列に配置され、並列のＰＴＣ列を形成している複数のＰＴＣデバイスであって、
過電流障害状態からの保護として前記直列接続されたセルと直列に配置され、前記パックの電流が増大するに伴ってパックの合計インピーダンスを増大させるように構成された複数のＰＴＣデバイスを更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項２０】
前記装置は、
前記電池パックの前記セルと端子間に配置された少なくとも１つのヒューズであって、前記ヒューズの物理的な配置は、前記セルよりも前記端子の近くに近接しており、これにより、前記パックの過電流障害の際に、前記パックの前記セル及び関連する電子回路を、接続されている充電器又は電動工具から絶縁する、少なくとも１つのヒューズを更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項２１】
前記電池パックはリチウムイオン電池パックである請求項６記載の電池パック。
【請求項２２】
前記リチウムイオン電池パックは少なくとも１８ボルトの公称電圧定格を具備している請求項２１記載の電池パック。
【請求項２３】
前記装置は、前記電池パックの切迫した又は現存している障害状態を前記電池パックのユーザーに警告するように構成された可聴警告メカニズムを更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項２４】
前記構成は、前記電池パックの切迫した又は現存している障害状態について前記電池パックのユーザーに警告するように構成された可視警告メカニズムを更に有する請求項６記載の電池パック。
【請求項２５】
コードレス電動工具及び充電器に着脱自在に装着できる電池パックにおける過電圧保護を提供する方法であって、前記電池パックは前記パックを充電する前記充電器に動作可能に装着され、
方法において、
前記パックの過電圧障害状態を検知するステップと、
前記検知された障害状態に基づいて前記電池パック又は充電器内の充電電流を終了させるステップと、
を有する方法。
【請求項２６】
前記終了させるステップは、前記パックにおいて制御信号を生成し、前記パックの充電経路内の電流を制限又は遮断するように構成された前記パックの半導体装置をターンオフするステップを含む請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記終了させるステップは、
前記パックにおいて制御信号を生成するステップと、
前記制御信号を前記充電器に伝達し、前記充電器の充電経路内の電流を制限又は遮断するように構成された前記充電器内の半導体装置をターンオフして前記電池パックの電流の流れを終了させるステップと、
を更に含む請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
充電器のウォッチドッグ回路において、
前記充電器は電池パックを充電するように電池パックに動作可能に装着されており、
前記電池パック又は充電器からの１つ又は複数の制御信号について前記電池パック及び前記充電器の両方のパラメータを監視し、前記電池パックの電流の流れを終了させるウォッチドッグ回路。
【請求項２９】
前記パラメータは、電池パックの温度、個々のセルの電圧、電池のスタック電圧、前記電池パックからの充電電流リセットパルス、及び前記電池パックからのクロックリセットパルス、並びに／或いは、前記充電器からの充電電流リセットパルスの内の、１つ又は複数のものを含む請求項２８記載のウォッチドッグ回路。
【請求項３０】
電池パックを充電するように構成された充電器であって、前記充電器及び電池パックは、コードレス電動工具システムの一部であり、
前記電池パック又は充電器からの１つ又は複数の制御信号について前記電池パック及び前記充電器の両方の内部のパラメータを監視し、前記電池パックの電流の流れを終了させる充電電流遮断回路を有する充電器。
【請求項３１】
前記パラメータは、電池パックの温度、個々のセルの電圧、電池のスタック電圧、前記電池パックからの充電電流リセットパルス、前記電池パックからのクロックリセットパルス、並びに／又は、前記充電器からの充電電流リセットパルスの内の、１つ又は複数のものを含む請求項３０記載の充電電流遮断回路。
【請求項３２】
コードレス電動工具に電力を供給すると共に、充電器によって充電されるように構成された電池パックであって、
複数の電池セルを含み、
所与の温度閾値を超過したパックの温度又は個々のセルの温度に基づいて前記パックの過温度状態を終了させるデバイスを有する電池パック。
【請求項３３】
前記デバイスは、
熱スイッチと、
複数の大電流接点と、
を更に含み、
前記熱スイッチは、パック又はセルの温度が前記所与の閾値を超過した場合に、前記大電流接点を開路することを特徴とする請求項３２記載の電池パック。
【請求項３４】
充電器に動作可能に装着可能であると共に、コードレス電動工具に電力を供給するべく適合された電池パックにおいて、充電の際に、過温度保護を提供するデバイスにおいて、
サーミスタと、
前記サーミスタを前記パック及び充電器によって共有される正の端子に接続する第１サーミスタリードと、
前記サーミスタを前記パック及び充電器によって共有される負の端子に接続する第２サーミスタリードと、
を有するデバイス。
【請求項３５】
前記第１及び第２リードに接続された前記正及び負の端子は、前記充電器内の温度監視回路にインターフェイスを導き、前記サーミスタを前記パックの前記充電経路から絶縁された状態に維持しつつ、パックの温度の監視を可能にしている請求項３４記載のデバイス。
【請求項３６】
コードレス電動工具のモーターに電力を供給するべく前記電動工具に動作可能に装着された電池パックにおいて、
障害状態を通知する、前記電池パックの少なくとも１つの計測可能なパラメータを決定するモーター制御ユニットと、
前記モーター制御回路と通信する１対のトランジスタであって、前記モーター制御回路は、前記１対のトランジスタを制御して可聴又は触覚フードバックのいずれかを前記工具のユーザーに対して提供する１対のトランジスタと、
を有する電池パック。
【請求項３７】
電動工具に着脱自在に装着される電池パックを有するコードレス電動工具システム内において、前記電動工具の前記モーター内において可聴警告を発し、前記パック又は工具内の切迫した障害状態について前記工具の操作者に警告する方法において、
前記電池パック又は工具のいずれかの内部の少なくとも１つの計測可能なパラメータを決定するステップと、
前記少なくとも１つの決定された計測可能なパラメータに基づいて、前記工具のユーザーに可聴又は触覚フィードバックのいずれかを提供するステップと、
を有する方法。
【請求項３８】
前記提供するステップは、前記少なくとも１つの判定されたパラメータに基づいてモーター電流スイッチング周波数を調節し、前記切迫した障害状態について前記工具の操作者に警告する前記工具の前記モーター内の可聴トーンを生成するステップを含む請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記提供するステップは、前記電池パックの少なくとも１つの半導体装置の望ましいＰＷＭデューティサイクルを調節し、前記切迫した障害状態について前記工具の操作者に警告する前記モーター速度におけるワーブル効果を生成するステップを含む請求項３７記載の方法。
【請求項４０】
前記調節するステップは、前記ＰＷＭデューティサイクルを低減することによって前記工具のユーザーによって感知される前記工具の弱化を生成し、切迫した障害状態について前記ユーザーに警告するステップを更に有する請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
過充電保護を具備する電池パックにおいて、
ハウジングと、
その内部の複数の直列接続されたセルと、
過充電イベントにおいて少なくとも１つのセルが膨張した際にトリガされる前記セル内の電流を遮断する電流遮断メカニズムと、
を有する電池パック。
【請求項４２】
前記セルは、前記パックの電力端子間に直列に接続され、且つ、タブコネクタを介して互いに相互接続されており、隣接するセルの前記タブコネクタは互いに接続されていることを特徴とする請求項４１記載の電池パック。
【請求項４３】
前記電流遮断メカニズムとして、隣接するセルの少なくとも１つのタブコネクタと分離されることによって電流を遮断する膨張セルの少なくとも１つのタブコネクタを使う請求項４２記載の電池パック。
【請求項４４】
前記電流遮断メカニズムは、
プランジャと、
スプリングとを有し、
前記プランジャは前記スプリングによって提供される抗力の下に、前記直列接続されたセルと前記電池ハウジングの側壁間に抑止されており、
前記プランジャは前記電池パックハウジングの中間壁と外部側壁間に形成された凹部内に部分的に延長した部分を含んでおり、
前記凹部は前記パックの前記セルを充電器に電気的に接続する前記パックからのリードワイヤを含んでおり、
前記少なくとも１つのセルの膨張は前記プランジャがばね圧を克服して、前記凹部内の前記リードワイヤを切断することによって、電流を遮断するのに有用である請求項４１記載の電池パック。
【請求項４５】
前記セルは、前記パックの電力端子間に直列接続され、且つ、タブコネクタを介して相互に接続されており、隣接するセルの前記タブコネクタは互いに接続されており、前記電流遮断メカニズムは隣接するセルの少なくとも１つのタブコネクタから分離されることによって電流を遮断する前記少なくとも１つの膨張するセルの少なくとも１つのタブコネクタを更に含む請求項４４記載の電池パック。
【請求項４６】
前記電流遮断メカニズムは、
プランジャと、
スプリングとを有し、
前記プランジャは前記スプリングによって提供される抗力の下に、前記直列接続されたセルと前記電池ハウジングの側壁間において抑止されており、
前記プランジャは凹部内に部分的に延長した部分を含んでおり、
前記凹部は前記電池パックハウジングの側壁と充電器ハウジングの側壁を通じて延長しており、
前記充電器を前記電池パックの対応したリードワイヤに電気的に接続する充電器リードワイヤが前記充電器ハウジング側壁の表面に沿って前記凹部の上方を長手方向に延長しており、
前記少なくとも１つのセルの膨張は前記プランジャがばね圧を克服して、前記凹部の上方を延長する前記充電器リードワイヤを切断することによって、電流を遮断するのに有用である請求項４１記載の電池パック。
【請求項４７】
前記セルは前記パックの電力端子間に直列接続され、且つ、タブコネクタを介して相互に接続されており、隣接するセルの前記タブコネクタは互いに接続されており、前記電流遮断メカニズムは隣接するセルの少なくとも１つのタブコネクタから分離されることによって電流を遮断する前記少なくとも１つの膨張するセルの少なくとも１つのタブコネクタを更に含む請求項４６記載の電池パック。
【請求項４８】
前記電流遮断メカニズムは、
プランジャと、
スプリングとを有し、
前記プランジャは前記スプリングによって提供される抗力の下に、前記直列接続されたセルと前記電池ハウジングの側壁間において抑止されており、前記プランジャは前記電池パックハウジングの側壁と前記充電器のハウジングの間に形成された凹部内に部分的に延長した部分を含み、
前記セルからのリードワイヤは、接点インターフェイスにおいて、前記充電器の対応するリードワイヤに電気的に接続されており、
前記少なくとも１つのセルの膨張は前記プランジャがばね圧を克服して前記充電器ハウジングから前記パックハウジングをイジェクトし、これにより、前記接点インターフェイスを破断させて電流を遮断するのに有用である請求項４１記載の電池パック。
【請求項４９】
前記セルは前記パックの電力端子間に直列接続され、且つ、タブコネクタを介して相互に接続されており、隣接するセルの前記タブコネクタは、互いに接続されており、前記電流遮断メカニズムは隣接するセルの少なくとも１つのタブコネクタから分離されることによって電流を遮断する前記少なくとも１つの膨張するセルの少なくとも１つのタブコネクタを更に含む請求項４８記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願に対する相互参照）
本出願は、米国特許法第１２０条に基づいて、米国特許商標庁に出願された関連する米国仮特許出願（２００３年１０月１４日付けで出願された米国仮特許出願第６０／５１０、１２８号及び２００４年３月１１日付けで出願された米国仮特許出願第６０／５５１，８０３号）に対する国内優先権を主張するものである。これらの仮特許出願のそれぞれの開示内容は、本引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
【０００２】
本発明は、充電可能な電池用の保護方法、保護回路、及び保護装置と、装着された電池パックのセルに保護を提供するべく適合された電動工具及び充電器と、その内部に保護制御装置を含む電池パックと、に関するものである。これらは、いずれも、様々な潜在的な障害状態から電池パックを保護するものである。
【背景技術】
【０００３】
ノートブックタイプのパーソナルコンピュータなどの低電圧の携帯型電子装置内のニッケルカドミニウム（ＮｉＣｄ）電池、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池、及び鉛蓄電池をリチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池に置き換える動きが数年前から始まっている。ＮｉＣｄ及びＮｉＨＭ電池と比べて、Ｌｉ−ｉｏｎ電池は、軽量でありながら、単位容積当たりの容量が大きい。このため、Ｌｉ−ｉｏｎ電池は、通常、軽量であることが好ましく、且つ長時間の継続使用に耐えることが要求される低電圧装置にとって好適なものであった。しかしながら、Ｌｉ−ｉｏｎ電池は、過放電状態において劣化が急速に進むため、過放電に対する保護が必要である。
【０００４】
携帯型の電子装置に使用される電池パックは、通常、直列接続された複数の電池セルを具備している。１つの電池パックに直列接続される電池セルの最大数は、電池パックの出力電圧によって決まる。例えば、１つのＮｉＣｄ電池セル又は１つのＮｉＭＨ電池セルの一般的な出力電圧は１．２Ｖである。電池パックの１８Ｖの出力電圧が大部分の汎用電子装置に適当であると仮定すれば、電池パックに直列接続されるＮｉＣｄ又はＮｉＭＨ電池セルの最大数は１５個である。一方、１つのＬｉ−ｉｏｎ電池セルの一般的な出力電圧は約３．６Ｖである。従って、１８Ｖの１つの仮想的なＬｉ−ｉｏｎ電池パックに直列接続されるＬｉ−ｉｏｎ電池セルの最大数は５個である。
【０００５】
ＮｉＣｄ電池パック及びＮｉＭＨ電池パックとは異なり、Ｌｉ−ｉｏｎ電池パックは、Ｌｉ−ｉｏｎ電池パックの内外における障害状態から保護する機能を有する。これにより、Ｌｉ−ｉｏｎ電池パックのセルの劣化とパックの有用な寿命の短縮が防止される。例えば、短絡等の障害状態がＬｉ−ｉｏｎ電池の内外において発生し、放電電流又は充電電流が所定の電流レベルを超えた場合に、ヒューズを使って過放電電流又は過充電電流を切断する。
【０００６】
現時点においては、Ｌｉ−ｉｏｎ電池パックなどの電池パックの保護回路は、主に、２〜４ボルト程度の電圧を必要とするノードブックタイプのパーソナルコンピュータや携帯電話機などの低電圧の携帯型電子装置用に設計されている。このような装置は、約４．２ボルト／セルの最大出力電圧を提供するセル（Ｌｉ−ｉｏｎ、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨセルなど）から構成された電池パックを使用することを特徴としている。Ｌｉ−ｉｏｎ電池セルの場合には、リチウムが非常に反応しやすい物質であるため、電気的及び機械的なストレスによる損傷を防止するように注意しなければならない。
【０００７】
これらの低電圧電池パック用の従来の保護回路は、セル電圧を監視することにより、所定のセルの過充電又は過放電を防止することができる。且つ、電流を監視することにより、過大にならないように電流を維持することができる。その他の保護回路は、電池パックが冷却するまで充電又は放電電流を無効にするための１つ又は複数の温度入力を具備することができる。更に、セルの電荷バランスの維持に有用な公知の等化回路（equalization circuit）その他の保護回路を設計することもできる。一般的な保護回路を電池パックの所定の電池セル又はセルのグループに接続することにより、これらの状況を回避することができる。例えば、従来の保護回路は、通常、双方向電流の流れを停止できるＭＯＳＦＥＴ又はその他の半導体のペアを含むことができる。
【０００８】
しかしながら、コードレス電動工具などの相対的にハイパワーの電子装置の場合には、前述のものを大幅に上回る電圧が必要である。このため、現在、コードレス電動工具用に相対的にハイパワーの電池パックを開発するステップにある。このような「ハイパワー」な電池パックは、従来のＮｉＣｄ及びＮｉＭＨ電池パックよりも大きな電圧出力（並びに、ＰＣ及び携帯電話機に使用されている従来のＬｉ−ｉｏｎパックよりも格段に大きな電力）を（従来のコードレス電動工具内に電源として使用されている従来のＮｉＣｄ又はＮｉＭＨ電池パックと比べて）格段に小さな重量で提供することができる。これらの電池パックは、従来のＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ、及び／又は、相対的に小さなパワーのＬｉ−ｉｏｎパックと比べて、格段に低いインピーダンス特性を有するということを特徴としている。
【０００９】
更に、これらの電池技術の進展に伴い、格段に大きな出力電圧（例えば、少なくとも１８Ｖ以上）を生成する二次電池を開発するべく相対的に低インピーダンスの成分と構造スタイルを導入することにより、恐らくは、複数の保護に関する課題を招くことになろう。相対的に低いインピーダンスを具備する電池パックは、電動工具などの装着された電子コンポーネントに格段に大きな電流を供給することができることをも意味している。装着された電動工具のモーターを流れる電流が増大するに従って、モーター内において、消磁力（例えば、モーターのアーマチュアの回転数と電流を乗算したもの：アンペア−ターン）が、望ましい又は設計限度を超えて、大幅に増大する可能性があろう。この結果、この望ましくない消磁作用により、潜在的に、モーターが焼損する可能性がある。
【００１０】
例えば、相対的に低インピーダンスの電源は、工具が不動作状態（stall condition）になった場合に、工具のモーターを損傷する恐れがある。モーター不動作の際には、モーターによって生成される逆起電力が存在しないため、電流を制限するメカニズムは、モーター及び電池のインピーダンスのみとなる。相対的に低インピーダンスのパックの場合には、電流が相対的に大きなものとなろう。モーターを流れる電流が大きいほど、工具のモーター内の永久磁石が消磁される可能性も増大する。
【００１１】
又、工具の起動時に、過大な始動電流が生成され、モーターが消磁される可能性もある。新しい電池は、従来のコードレス工具システムに設計されているものと比べて、長時間にわたって且つ強力に動作するように設計できるため、既存の電動工具に低インピーダンス電源を使用すると、結果的に熱的な過負荷が生じる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、既存のコードレス電動工具と、これらの相対的にハイパワーの電池パックとを共に使用するように製造される開発中の電動工具群と、の両方に使用するようなハイパワーの電池パックにおいて発生する潜在的な障害状態に対処するために、異なる保護制御装置（protection controls）を実現する必要があろう。具体的には、パック、充電器、又は工具、或いは、充電器又は工具に接続されたパック近傍のユーザーに対する内部及び外部損傷を防止するべく、電池パック（Ｌｉ−ｉｏｎやＮｉＣｄパックなど）の１つ又は複数のセル内において発生し得る過充電、過放電、過電流、過温度、及びセルの不均衡などの障害状態を処理する保護制御装置を開発する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の典型的な実施例は、電池パックを含むコードレス電動工具システム内において、電池パック又は装着された工具又は充電器に対する内部又は外部損傷を防止するように、電動工具又は充電器に動作可能に装着された電池パックの障害状態から保護するように設計された保護方法、保護構成、及び／又は装置に関係している。典型的な方法、回路、及び装置は、過充電、過放電、過電流、過温度などの電池パックの障害状態に対処する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の詳細な説明と添付の図面を参照すると、本発明の典型的な実施例について更に十分に理解することができる。添付の図面においては、類似の要素が類似の参照符号によって示されている。これらの添付図面は、一例として提供されているものに過ぎず、従って、本発明の典型的な実施例を制限するものではない。
【００１５】
図面には、本発明の典型的な実施例の開示内容に従って構築されたコードレス電動工具のシステムが示されている。本システムの典型的なコードレス電動工具は、一例として、電動丸のこぎり１０（図１７）、往復のこぎり２０（図１８）、及びドリル３０（図１９）を含むものとして示されている。工具１０、２０、及び３０は、それぞれ、所定の公称電圧定格を有する電源から電力が供給されるように適合された従来のＤＣモーター（図示されてはいない）を含むことができる。典型的な実施例においては、工具１０、２０、及び３０は、少なくとも１８ボルトの公称電圧定格を具備する着脱自在の電源によって駆動される。本発明が、図面に示されている特定タイプの工具又は特定電圧のいずれにも限定されないことは、当業者には明らかである。この点において、本発明の開示内容は、実質的にあらゆるタイプのコードレス電動工具及び電源電圧に対して適用可能である。
【００１６】
引き続き図面を参照する。着脱自在の電源の実施例として、電池パック４０を使うことができる。図示の典型的な実施例においては、電池パックは、充電可能な電池パック４０であってよい。電池パック４０は、直列接続された複数の電池セル及び／又は直列接続されたセルの複数の列（この場合に、これらの列は、互いに並列になっている）を含むことができる。本発明の典型的な実施例の説明においては、電池パック４０は、リチウムイオンセル成分を具備するセルにより構成される。典型的な実施例は、Ｌｉ−ｉｏｎ電池技術を使用する従来の低電圧装置（ラップトップコンピュータや携帯電話機など）と比べて、格段に高い電圧定格を具備した電源を必要とするコードレス電動工具の環境に関するものであるため、電池パック４０の公称電圧定格は、少なくとも１８Ｖである。
【００１７】
但し、パック４０は、パック４０の個々のセルの成分構成、電極、及び電解液の観点から、リチウム金属やリチウムポリマーなどの別のリチウムベースの成分、或いは、例えば、ニッケルカドミニウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、及び鉛−酸などのその他の成分のセルを使って構成することも可能である。
【００１８】
図１は、本発明の典型的な実施例による保護回路構成の部分ブロックダイアグラムを示している。図１は、電池回路の一部を示しており、具体的には、図１７〜図１９の電池パック４０などの電池パックのそれぞれのセル１０５ごとに、個別の保護装置１０２を示している。図１においては、電流制限機能を実行するべく、それぞれの保護装置１０２を適合可能である。一例において、保護装置１０２は、サーミスタ装置として実施可能であり、この場合に、サーミスタ装置は、セルの一部であるか、又は、その内部に収容されている。
【００１９】
サーミスタとは、その電気抵抗値がその温度の変化に応答して変化することを主要な特徴とする一連の電子コンポーネントを意味するべく使用される用語である（感熱抵抗器）。サーミスタは、更に、「正の温度係数（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ）装置」又は「負の温度係数（Negative Temperature Coeffiecient：ＮＴＣ）装置」に分類可能である。ＰＴＣ装置は、その抵抗値がその温度の上昇に伴って増大する装置である。ＮＴＣ装置は、温度の上昇に伴って抵抗値が低下する装置である。ＮＴＣサーミスタは、通常、遷移金属酸化物に基づいたセラミック材料の独自の製法によって製造される。
【００２０】
図１においては、保護装置１０２は、ＰＴＣ装置として実施可能であり、これにより、熱的な過負荷からセルの列を保護することができる。いずれかのセルが熱を持つと、そのセル内のＰＴＣ装置の抵抗値が増大し、列全体を流れる電流が制限される。電池セルを保護するこの方法の欠点は、電流制限機能を実行する多数の装置（この例においては、ＰＴＣ）が保護装置１０２として必要である欠点である。
【００２１】
図２は、本発明の別の典型的な実施例による保護回路構成の部分ブロックダイアグラムを示す。多数の保護装置１０２を使う方法に代わる方法は、例えば、電池パック４０などのパックの１つ又は複数の電池パックパラメータを検出する専用の保護回路２１０をそれぞれのセルごとに設ける方法である。これらのパラメータには、電流、温度、電圧、及びパックのインピーダンスが含まれる（但し、これらに限定されない）。保護回路２１０は、対応するドライバ回路２２０に動作可能に接続される。このレベルシフト回路２２０を複数のＡＮＤゲート（ボックス２３０によって示されているもの）に接続され、１つ又は複数の保護回路２１０をマスタ装置２４０にリンクすることができる。このマスタ装置２４０は電流制限又は電流遮断機能を実行する。いずれかの保護回路が故障を検出すると、その出力がＨＩＧＨ状態からＬＯＷ状態に変化する。ＡＮＤゲートは、すべての保護回路出力がＨＩＧＨ（ＯＫ）である場合にマスタ装置２４０がターンオンされるようにしている。又、この代わりに、出力が通常ＬＯＷである保護回路により、ＮＯＲゲートを使用し、逆の論理を使用することも可能であると考えられる。マスタ装置２４０として、図２に示されているように、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などの半導体装置を使うことができる。この結果、電池パックが多数のセル１０５を直列に具備している場合には、典型的な構成は、ＭＯＳＦＥＴなどの電流の流れを有効／無効にするマスタ装置２４０に接続され、且つ、これを制御する（セル当たり１つずつの）保護回路２１０の組を有することになる。
【００２２】
前述のように、多数の専用保護回路２１０を使用する場合には、例えば、図２に示されているように、レベルシフト回路２２０が必要となろう。このレベルシフト回路は電圧の変化を最高電位セルから通常レベルに降下させ、マスタ半導体装置２４０をスイッチングする。それぞれのセルの監視を行う必要がない場合には、電流を制限又は遮断する単一の保護回路２１０及び単一のマスタ装置２４０により、セルのグループ又は電池パックの全体を監視することも可能である。
【００２３】
図３Ａは、本発明の典型的な実施例による典型的な電池パックと典型的な電池充電器との間のコンポーネントと接続を示すブロックダイアグラムである。図３Ａは、典型的な回路構成であり、典型的な実施例による様々な保護方法、回路、及び装置をわかりやすく説明するために提供されているものに過ぎない。
【００２４】
図３Ａを参照すれば、電池パック１００は、直列接続された複数の電池セル１０５を含むことができる（わかりやすくするために、６つが示されているが、パック１００は、６つを上回る又は下回る数のセルを含むことが可能である。或いは、セルを直列接続した複数の列から構成することも可能である。この場合に、直列接続された列は、互いに並列接続されている。この説明においては、電池パック１００の典型的な実施例は、リチウムイオン成分を具備するセルから構成可能である。この典型的な実施例は、Ｌｉ−ｉｏｎ電池技術を使用する従来の装置よりも格段に高い電圧定格を必要とするコードレス電動工具の環境に関係しているため、電池パック１００の公称電圧定格は、少なくとも１８Ｖである。
【００２５】
従って、図３Ａ（及び図３Ｂ）の電池パック１００は、少なくとも１つのコードレス電動工具、電池パック、及び充電器を有するコードレス電動工具システムに適用可能であると共に／又は、これらの用途に設計可能である。パック１００は、ハイパワーの電動工具用の着脱自在の電源であるものと理解してよい。一例においては、電池パック１００は、少なくとも１８Ｖの公称電圧定格を具備すると共に／又は、少なくとも約３８５ワットの最大電力出力を有する。但し、本発明が、図１７〜図１９に示されている特定タイプの工具又は前述の特定の電圧定格及び／又は電力出力仕様に必ずしも制限されないことは、当業者には明らかである。
【００２６】
又、パック１００の個々のセルの成分構成、電極、及び電解液の観点において、パック１００は、別のリチウムベースの成分（例えば、リチウム金属又はリチウムポリマーなどの）、又は、その他の成分（ニッケルカドミニウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、及び鉛−酸などの）のセルから構成することも可能である。
【００２７】
図３Ａには、７つの端子（端子１〜７）が示されている。しかしながら、典型的な実施例は、この端子構成に限定されるものではなく、パック１００と又は充電器と間において伝達される望ましい情報又はこれらによって監視されるパラメータに応じて、これを上回る又は下回る数の端子を含むことが可能である。
【００２８】
パック１００は、パックＩＤ１１０を含む。このパックＩＤはパックが充電器１５０に挿入される際に、パック１００の識別のために出力端子（端子１）に接続される。パックＩＤ１１０は、例えば、モデル番号、バージョン、セル構成、並びに、リチウムイオン、ＮｉＣｄ、又はＮｉＭＨなどの電池タイプ（成分）を有する。パックＩＤ１１０として、Hiratsuka他の米国特許第５，６８０，０２７号明細書に記述されているものなどのパック１００内の非同期フルデュープレックス通信システムによって電池パック１００の出力端子１から受信される１つ又は複数の通信コードを使うことができる。但し、これは一例に過ぎず、パックＩＤ１１０として、ＩＤ抵抗器、ＬＥＤディスプレイ（パックの識別データを表示する）、シリアルデータ（係合（engagement）の際に送信され、例えば、端子２を介して工具／充電器によって検出される）、並びに／或いは、データフレーム内のフィールド（無線インターフェイス上において工具／充電器に送信される）などを使うことができる。
【００２９】
パック１００は、１つ又は複数の温度センサ１２０を更に含めてよい。温度センサ１２０として、ＮＴＣ又はＰＴＣサーミスタ、温度検知集積回路、又は熱電対を使うことができる。温度センサ１２０は、電池パック１００内のインテリジェント機能及び／又は接続されている充電器１５０内のインテリジェント機能に対して、例えば、端子３を介して、電池パック１００内の温度を伝達することができる。尚、このような温度センサの機能については周知であるので分りやすいように、機能的な動作の詳細な説明は省略する。充電及び放電のための電力接続は、端子１及び７として示されている。
【００３０】
電池電子制御ユニット１２５は、ユーザーによって（充電器１５０及び装着された工具により、並びに／又は、ユーザーの操作に起因して）端子上に出現するあらゆる障害状態に対してセル１０５を保護する責任を担う。電池電子制御ユニット１２５として、デジタルマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、アナログ回路、又はデジタル信号プロセッサとしてハードウェア又はソフトウェアにおいて、或いは、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの１つ又は複数のデジタルＩＣを使うことができる。
【００３１】
電池電子制御ユニット１２５の制御の下に、半導体装置１３０ａ（放電ＦＥＴ）及び１３０ｂ（充電ＦＥＴ）を使用することにより、放電電流及び充電電流をクランプ又は中断することができる。電池電子制御ユニット１２５には、図示のように内部電源１３５から電力を供給可能であり、半導体装置１３０ａ及び１３０ｂをドライバ回路１４０を通じてリンクすることができる。
【００３２】
電池パック１００は、電流を検知して信号を電池電子制御ユニット１２５に供給する電流センサ１４５を更に含むことができる。電流センサ１４５として、パック１００内の検知電流を表す信号を電池電子制御ユニット１２５に供給可能なシャント抵抗器や電流変圧器などの電流センサ用の既知のコンポーネントを用いることができる。半導体装置１３０ａは、装置１３０ａがオフであり、且つ、パック１００が休止状態である場合に、半導体装置１３０ａをバイパスするべく機能するプルダウン抵抗器１４７を含むことができる。
【００３３】
パック１００は、電圧モニタ回路１１５を含むことができる。電圧モニタ回路１１５として、例えば、既知の電圧モニタ回路を用いることができる。個々のセル電圧を検知すると共に／又は、セルの列１０５の合計パック電圧（「スタック電圧」）を検知し、個々のセル又はスタック電圧を示す信号を電池電子制御ユニット１２５に供給するべく構成することができる。変形例として、個々のセル及び合計スタック電圧の両方を検知するように構成された単一の電圧モニタ回路１１５の代わりに、パック１００は、図３Ａに示されているように、例えば、個々のセル電圧を検出する複数の第１電圧モニタ回路（総合的に１１５Ａとして示されているもの）と、セル１１０の合計スタック電圧を検出する第２電圧モニタ回路１１５Ｂと、を有する電圧モニタ回路を含むこともできる。
【００３４】
図２を再度参照すれば、例えば、保護回路２１０は、少なくとも電池電子制御ユニット１２５、電流センサ１４５、電圧モニタ回路１１５、及び温度センサ１２０を含むことが可能である。場合により、パックＩＤ１１０と電源１３５などの内部電源を更に含むこともできる。ドライバ回路１４０は、図２のドライバ回路２２０に類似したものであってよい。半導体装置１３０ａ及び１３０ｂは、単独又は集合的にマスタ装置２４０を表すことができる。このマスタ装置は、保護回路２１０の制御下において電流制限／遮断機能を具備するものである。
【００３５】
図３Ａを参照すれば、放電の際には、電池電子制御ユニット１２５は、パルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御信号を出力してドライバ回路１４０を駆動する。電子回路産業においては、デューティサイクルに比例した平均電圧を生成するべく、一般に、例えば、パルシング半導体（pulsing semiconductor）（パルス幅変調器（ＰＷＭ））が使用されている。ＰＷＭとは、パルスの持続時間が変調信号のなんらかの特性に応じて変化する変調である。この代わりに、パルス周波数変調を使用することにより、この平均電圧を生成することも可能である。いずれの場合にも、半導体装置１３０ａ及び１３０ｂ（これらは、それぞれ、放電ＦＥＴ及び充電ＦＥＴとして実施可能である）をＯＮ及びＯＦＦ状態間においてスイッチングすることにより、そのスイッチングのデューティサイクルに比例した平均電圧を生成することができる。
【００３６】
放電の際には、ドライバ回路１４０のレベルにより、電池電子制御ユニット１２５のＰＷＭ出力をシフトすることによって半導体装置１３０ａのゲートが駆動され、この結果、検知状態に応じて半導体装置１３０ａがＯＮ及びＯＦＦに順次切り替わる。半導体装置１３０ｂは、逆バイアスされているため、ダイオード降下電圧に伴う電流のみを通過させる。電流が２０アンペアであり、装置１３０ｂの順方向電圧が０．６Ｖである場合には、電力損失は、わずかに１２ワットとなる。更に少ない損失を望む場合には、電池電子回路１２５は、ドライバ回路１４０に対して半導体装置１３０ａ上におけるＰＷＭ動作の間にＯＮ状態に留まるよう半導体装置１３０ｂに指示する状態（state）を出力することができる。この結果、装置１３０ｂ内において失われる電力は、そのオン抵抗値に電流の二乗を乗算したものとなる（Ｉ2ＲON）。現在のＭＯＳＦＥＴのオン抵抗値（ＲON）は、通常、１０ミリΩであり、従って、２０アンペアの場合には、電力損失は、わずかに４ワットである。この結果、放電の制御と半導体装置における小さな損失が得られる。
【００３７】
充電の際には、この逆の論理を適用することができる。半導体装置１３０ａは、電流の流れに関して逆バイアスされており、装置１３０ａは、ＯＦＦ状態において導電状態にあるが、損失を最小にしてＯＮ状態に留まる必要がある。半導体装置１３０ｂは、ドライバ回路１４０を通じて電池電子制御装置１２５から到来する情報に基づいて、充電電流を制御することができる。尚、このドライバ回路１４０を有するコンポーネントの構成については、当技術分野において周知であるので、本明細書においては、この説明を省略する。
【００３８】
電池パック１００を充電器１５０に接続すると、端子１及び６を通じて、電池の内部電源１３５から充電器１５０内の充電器電子制御ユニット１５５に電力を供給することができる。これは典型的な一接続方式に過ぎず、充電器電子制御ユニット１５５に対して電力を供給するその他の手段を利用することができる。充電器１５０に、その独自の電源を設けてもよく、或いは、電池電圧から、これを直接取得することもできる。充電器電子制御ユニット１５５として、例えば、デジタルマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、アナログ回路、デジタル信号プロセッサとしてハードウェア又はソフトウェアにおいて、或いは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの１つ又は複数のデジタルＩＣを用いることができる。電池及び充電器のデータ及び制御情報は、端子４及び５上のシリアルデータ経路を通じて交換できる。充電器電子制御ユニット１５５は、設定された電圧及び設定された電流によって電力コントローラ１６０を駆動し、端末１及び７を介して、所望の電圧及び電流を電源１６５から電池パック１００に供給できる。
【００３９】
図３Ｂは、本発明の典型的な実施例による典型的な電池パックと典型的な電動工具間のコンポーネント及び接続を示すブロックダイアグラムである。図３Ｂは、典型的な回路構成であり、典型的な実施例による様々な保護方法、回路、及び装置をわかりやすく説明するために提供されているものに過ぎない。図３Ｂの電池パック及び工具の構成は、図１７〜図１９のいずれかの典型的なコードレス工具システム（並びに、これらの等価物）に適用できる。図３Ｂには、「スマート（smart）」な電動工具１７０が示されており、電池パック１００は、“dumb”な電動工具（即ち、マイクロプロセッサなどのインテリジェント装置やマイクロ電子コンポーネント制御装置を有していない電動工具）に電力を供給するように構成されることを理解されたい。
【００４０】
図３Ｂを参照すれば、電動工具１７０には、端子１及び６を介して内部電池電源１３５から電力を供給できる。工具１７０は、半導体装置１３０ａ（放電ＦＥＴ）がオフである場合に端子７をＨＩＧＨにプルする機械的なスイッチ１７５を備えることができる。電池パック１００が休止状態（dormant）にある際に半導体装置１３０ａがオフ状態に留まっておれば、端子７の電圧はプルダウン抵抗器１４７のためにＬＯＷである。この抵抗器は、半導体装置１３０ａをバイパスするよう動作するため、この抵抗器の値は、十分に高い抵抗値を有する必要がある。このプルダウン抵抗器１４７が適切に設定され、且つ、半導体装置１３０ａがオフ状態にあれば、端子７の電圧は、工具１７０内のスイッチ１７５が起動されるまでＬＯＷに留まる。この結果、パワー端子７の電圧が即座に上昇し、電力端子７を通った信号を使用して電池パック１００を休止動作モードから目覚めさせることができる。工具１７０は、工具電子制御ユニット１８０を含むことができる。工具電子制御ユニット１８０として、例えば、デジタルマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、アナログ回路、デジタル信号プロセッサなどのハードウェア又はソフトウェアにおいて、或いは、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの１つ又は複数のデジタルＩＣを用いることができる。
【００４１】
工具電子制御ユニット１８０は、トリガ１８１のトリガ位置を読み取り、端子４及び５のシリアルデータ経路を通って、このトリガ位置を電池電子制御ユニット１２５に報知するようにプログラム可能である。前記トリガ位置データに基づいて、電池電子制御ユニット１２５は、半導体装置１３０ａを通じてＰＷＭデューティサイクルを変更し、工具モーター１９０のモーター速度を得ることができる。半導体装置１３０ａがオフの間、工具１７０内のダイオード１９５は、残留誘導モーター電流を再循環させ、その内部において電圧スパイクの発生を防止することができる。順方向／逆方向スイッチ１８５は、コードレス工具においては、一般的なものであり、本明細書においては、その説明を省略する。
【００４２】
“dumb”な工具（図示されてはいない）は、ポテンショメーターとして構成され、且つ、端子１、４、又は５の中の１つと、端子６と、に接続されたトリガ１８１のみ具備可能である。電池電子制御ユニット１２５は、シリアルデータ通信が存在していないことを認識し、端子４又は５の電圧のアナログ分析を実行することができる。この分析に基づいて、電池電子制御ユニット１２５は目標とするモーター速度を生成するべく、ドライバ回路１４０を介してＰＷＭ制御信号を送信し、望ましいデューティサイクルで半導体装置１３０ａにスイッチングさせることができる。“dumb”な工具も、オン／オフ工具として存続することが可能である。これらの工具が動作のために必要とするのは、端子１及び７への接続のみである。
【００４３】
（過充電保護）
電池パックの充電に使用する電池充電器には、トリクル充電器（tricle charger）と急速充電器という２つの基本的なタイプが存在する。トリクル充電器は、高速充電器よりもかなり廉価であるが、トリクル充電器は、充電に略半日を必要とする。急速充電器は、約１時間以内に電池パックを充電できる。充電器又は電池パックのいずれかの障害状態又はシステム障害に起因し、過充電障害状態が発生する可能性がある。通常、電池パックの保護回路は、電池パックの両端の電圧を監視することにより、過充電障害状態を検出できる。充電の際には、電圧が特定の閾値に到達する。この結果、充電器は、電池パックが「フル充電」されたと見なし、充電電流を終了させる。充電器がコンポーネント破損（failure）のためにロックオン状態になった場合には、電池パックが、電池電子制御ユニット１２５の制御下において、充電ＦＥＴ（半導体装置１３０ｂ）などの自身の半導体装置によって充電電流を無効にできることが望ましい。
【００４４】
過充電制御は、電池パックと充電器間の充電ロックオン検出回路（これは、「ハードウェアウォッチドッグ回路」とも呼ばれる）を使用することによって行うことができる。一般に、充電器がロックオン状態となり、パルシングデータ（pulsing data）（例えば、適切なシリアルデータ経路を介してパックから充電器に供給されるクロック）が停止した場合に、ハードウェアウォッチドッグは、電流の流れを自動的にターンオフできる。
【００４５】
従来のハードウェアウォッチドッグ回路は、通常、充電器内に配置されている。この回路は、充電電流を監視し、充電電流の中の１０ｍｓの電流オフリセットパルスを探す（look for）。一般的な充電のシナリオにおいて、充電器内のマイクロプロセッサ（充電電子制御ユニット１５５など）は、充電制御ラインのＩCTRLを使って、このリセットパルスを生成することができる。異常な状況においては（例えば、充電器のマイクロプロセッサがこの電流を完全なオン状態にロックしたり、或いは、充電器の電源がこの電流を完全なオン状態にロックした状態など）、ハードウェアウォッチドッグ回路が、タイムアウトし、充電ＦＥＴを使用して充電電流をターンオフすることになる。しかしながら、従来の構成においては、充電器内のマイクロプロセッサが、（例えば、マイクロプロセッサの不適切な動作に起因して）急速充電を終了せずにリセットパルスを継続的に生成する場合には、電池パックが過充電される可能性が依然として存在している。
【００４６】
図４は、本発明の典型的な実施例による過充電保護を示す電池パックと充電器間の接続の部分ブロックダイアグラムである。図４においては、利便性を考慮し、７つの端子と６つの電池セルが示されているが、これを上回る又は下回る数の端子及び電池セルを典型的な実施例に示すこともできることを理解されたい。
【００４７】
図４においては、電池パック１００は、少なくとも１つの電池電子制御ユニット１２５、半導体装置１３０ｂ（充電制御ＦＥＴなど）、及び温度センサ１２０を備えている。温度センサ１２０は、例えば、内部ＮＴＣサーミスタとして実施可能である。充電器１５０は、少なくとも充電器電子制御ユニット１５５、充電ＦＥＴ１５７、及びハードウェアウォッチドッグ回路１５８を備えることができる。
【００４８】
電池電子制御ユニット１２５は、内部ＮＴＣサーミスタから電池の温度値を受信し、端子３及び／又は４のシリアルデータ経路を通って、この情報を充電器電子制御ユニット１５５に通信できる。過充電状態に起因して電池の温度が極端なものになっている場合には、電池電子制御回路１２５はドライバ回路１４０を介してＰＷＭ制御信号又はパルスを送信し、半導体装置１３０ｂをターンオフし、充電電流を終了させることができる。或いは、この代わりに、端子３及び／又は４のシリアルデータ経路を通って、この制御信号を充電器電子制御回路１５５に送信し、充電器内の充電ＦＥＴ１５７をターンオフすることもできる。しかしながら、２ポイント障害（電池パック１００内の半導体装置１３０ｂ（充電制御ＦＥＴ）の短絡と、電池電子制御ユニット１２５又は充電器電子制御ユニット１５５のいずれかの内部の不適切なユニット動作）の場合には、電池パック１００を過充電する可能性が依然として存在することになる。
【００４９】
図４の破線の矢印は、多数のリセット入力を具備するハードウェアウォッチドッグ回路１５８（以下、ウォッチドッグ１５８と呼ぶ）を示している。充電電流リセットパルスの監視に加え、ウォッチドッグ１５８は（端子３を通じて）シリアル通信クロック経路をリセットパルスと使って監視している。これらのリセットパルスのいずれかが発生しなかった場合には、ウォッチドッグが、タイムアウトし、充電電流をターンオフする。２ポイント障害（電池パック１００内の充電制御ＦＥＴ（例えば、装置１３０ｂ）の短絡と、電池電子制御ユニット１２５又は充電器電子制御ユニット１５５のいずれかの内部の不適切なユニット動作）の場合には、電池パック１００が過充電される可能性が依然として存在する。
【００５０】
充電電流リセットパルスの監視に加え、ウォッチドッグ１５８は温度センサ１２０（ＮＴＣサーミスタなど）においてパックの温度を監視して、直接的な過充電状態の検出を実行する。図４においては、電池充電制御ＦＥＴ（半導体装置１３０ｂ）の短絡と、電池電子制御ユニット１２５又は充電器電子制御ユニット１５５内の障害は、ウォッチドッグ１５８の能力に影響を及ぼさず、パック温度を監視して過充電状態を検知し、終了させる。
【００５１】
充電電流リセットパルスの監視に加え、ウォッチドッグ１５８は、回路４１５Ａ及び端子６を使用して個々のセル電圧を監視して、過充電状態を示す過電圧状態を検知することもできる。図４においては、電池充電制御ＦＥＴ（半導体装置１３０ｂ）の短絡と、電池電子制御ユニット１２５又は充電器電子制御ユニット１５５内の障害は、ウォッチドッグ１５８の能力に影響を及ぼさず、個々のセル電圧を監視して過充電状態を検知し、終了させる。
【００５２】
ハードウェアウォッチドッグの制御に加え、個々のセル電圧の監視に使用されている電圧モニタ回路４１５Ａにより、ドライバ回路１４０を通じて電池パック１００内の充電ＦＥＴ１３０ｂを直接制御すると共に／又は、ＡＮＤロジック（１５１）及び端子６を通じて充電器（１５７）内の充電ＦＥＴを直接制御することもできる。これは、電圧モニタ回路４１５Ａとドライバ回路１４０間の破線によって示されている。この制御により、回路４１５Ａは、個々のセルの過電圧に起因する過充電状態を停止させることができる。
【００５３】
充電電流リセットパルスの監視に加え、ウォッチドッグ１５８は、電圧モニタ回路４１５Ｂ及び端子７を使用して電池のスタック電圧を監視して、過充電状態を示す過電圧状態を検知することもできる。図４においては、電池充電制御ＦＥＴ（半導体装置１３０ｂ）の短絡と、電池電子制御ユニット１２５又は充電器電子制御ユニット１５５内のなんらかの障害は、ウォッチドッグ１５８の能力に影響を及ぼさず、電池のスタック電圧を監視して過充電状態を検知し終了させる。
【００５４】
ハードウェアウォッチドッグの制御に加え、電池のスタック電圧の監視に使用されている電圧モニタ回路４１５Ｂを使って、ドライバ回路（１４０）を通じて（任意選択の破線４２５を参照されたい）電池内の充電ＦＥＴ（１３０ｂ）を直接制御すると共に／又は、ＡＮＤロジック（１５１）及び端子（７）を通じて充電器内の充電ＦＥＴ（１５７）を直接制御することもできる。この制御により、電圧モニタ回路４１５Ｂは、電池全体のスタック電圧の過電圧に起因して過充電状態を停止させることができよう。
【００５５】
図５は、本発明の別の典型的な実施例による過充電保護を示すコードレス電動工具システムの電池パックと充電器間の接続の部分ブロックダイアグラムである。図５には、分りやすくするために、電圧モニタ回路４１５Ａ及び４１５Ｂが省略されているが、図４に示されているものと同様に、個々のセル電圧と合計スタック電圧の両方を図５のハードウェアウォッチドッグ回路１５８’にも入力できることを理解されたい。
【００５６】
図５は、図４の一変形例で、多数の入力を有するウォッチドッグ１５８’を示す。ウォッチドッグ１５８’は、充電ロックオン状態を検知すべく、充電リセットパルス、クロックリセットパルス、及びＮＴＣ信号、セル電圧、並びに／又は電池スタック電圧を監視する。電池内の充電制御ＦＥＴ１３０ｂの短絡と電池電子回路ユニット１２５又は充電器電子制御ユニット１５５のいずれかの不適切なユニット動作の場合にも、充電電流は依然としてシャットオフ可能である。且つ、ＮＴＣ出力端子をクロック端子と共有することにより、必要な端子数を低減することができる。従って、図４及び図５の１つ又は複数の典型的なハードウェアウォッチドッグ回路は、電池パック１００と充電器１５０の両方の状態を監視することによって電池の過充電を防止することができる。過充電防止機能は、電池充電ＦＥＴの短絡と電池パック１００及び充電器１５０のいずれか（又は、これらの両方）の不適切なマイクロプロセッサの動作などの２ポイント障害の場合にも、利用可能な状態に維持されている。
【００５７】
その他の手段により、過充電障害状態の判定を実行することもできる。放電の際に、電池パックの電流センサ（電流センサ１４５など）によって正確な電流計測が行われる場合には、電池電子制御ユニット１２５によってクーロン計測を行い、取り出されたエネルギー量を回復（pull back）することができる。電池パック１００内の保護回路２１０によって実行可能な電圧計測と共に（又は、これを伴うことなしに）、これを使用することにより、過充電障害状態を検出することができる。
【００５８】
（過放電保護）
様々な電池技術は製造者の推奨レベルを超えて放電した場合に損傷する可能性がある。典型的な実施例によれば、図３Ａ又は図３Ｂに示されたものなどの電池パック１００は、電池電圧が所定の電圧閾値を下回った場合に電流の流れを妨げる回路を設けることが可能である（即ち、不足電圧ロックアウト）。電池パックの保護回路２１０は電池電圧を検出可能であり、電圧が所定の電圧レベルを下回った場合には放電ＦＥＴ（半導体１３０ａ）がターンオフされる。電池セル１０５は依然として充電可能であるが、それ以上放電しなくなる。閾値は、例えば、製造時点において設定された絶対閾値であるか、或いは、いくつかの所定の要因に基づいて変化する閾値であってもよい。
【００５９】
図６は、電圧対時間のグラフであり、本発明の典型的な実施例による保護回路によって行われる自動シャットダウンを示す。コードレス電動工具システムの電池パックの過放電障害状態から保護するべく、典型的な保護回路２１０（図２に示されているものなど）及び／又は図３Ａ〜図５の電池電子制御装置１２５は、電圧が所定の閾値に到達した場合に、パック１００内の電流の自動シャットダウンを実行することができる。
【００６０】
前述の電圧閾値に対する改善は、閾値を放電電流の大きさと組み合わせ、電池パック１００のインピーダンスを補償するというものである。閾値を絶対レベルに基づいたものとし、且つ、瞬間電流の一部を減算して、不足電圧ロックアウトの代替することができる。
【００６１】
図７は、電圧対時間のグラフであり、本発明の典型的な実施例による過放電保護用の閾値の変更を示す。図７を説明するためには、図２の保護回路２１０又は電池電子制御装置１２５を構成して、以下の計算を実行すると共に／又は自動的なシャットダウンを実行する。図７は、１０％の充電状態の電池パックの一例を示している。放電電流の一部を算入して電池パック１００のインピーダンスを補償することにより、電池パック１００は、２．７ボルトという所定の放電閾値を依然として上回っている。
【００６２】
例えば、１０アンペアのパルス負荷を電池パック１００に加えると、電池のインピーダンスにより、電圧は、一時的に閾値を下回るまで降下し、電流パルスが除去された時に、その安定値に戻る。電池パック１００に１０％の電荷が残っているにも拘らず、保護電流（protection current）が電流の流れを遮断する。しかしながら、上記の通り、低電圧閾値を部分的に補償すると、大電流が引き出された際に閾値が降下することになり、シャットダウンは発生しない。換言すれば、望ましくない自動的なシャットダウンを回避するために、瞬間的な放電電流の一部を減算してパックのインピーダンスを補償すると、低電圧閾値を変更できる。
【００６３】
パックのインピーダンスが判明すれば、電流に関連する低電圧閾値の部分を算出することができる。低電圧閾値に影響を与える電池の要因には、電池の温度、電池の使用年数、電池電圧の減少速度などがある。
【００６４】
（過電流保護）
図８Ａ及び図８Ｂは、本発明の典型的な実施例による過電流保護のために電池パックに使用できる典型的な装置を示している。図８Ａ及び図８Ｂは、分かり易いように、電池パック回路の一部のみを表わしている。しかしながら、図８Ａ及び図８Ｂの装置は、図３Ａ〜図５のいずれかに示されている電池パック１００の一部であってよい。セル障害を引き起こす可能性のあるメカニズムが過電流である。様々な電子的スイッチング法において、短絡状態において電子スイッチは障害を起こしやすいという欠点がある。これが起ると、操作者は、装着された工具のモーターに過負荷をかけることになる。別個のインピーダンスブランチを含む電池パック回路設計の場合には、ヒューズ（fuse）又はヒュージング可能なリンク（fusible link）などの装置を使用して、その回路ブランチを流れる最大電流を制限することができる。
【００６５】
ヒューズの基本的な機能は短絡からの保護であるため、ヒューズは、通常、過負荷保護を提供するようには設計されていない。しかしながら、デュアル要素（２要素）ヒューズ又は時間遅延ヒューズ（time delay fuse）は、二次的なモーターの過負荷保護を行うことができる（但し、これらのヒューズは更新不能（non renewable）であるため、ヒューズがとんだ場合には交換しなければならない）。従って、このようなヒューズは、二次的障害を表すことが可能であり、例えば、更なる動作を防止するものであってよい。
【００６６】
従って、図８Ａに示されている単純なヒューズは、セル１０５を通じた電流を制限するべく設計することができるが、一旦その定格を超過すると、永久的な損傷を引き起こすことにもなる。過電流保護のために、ＰＴＣ（正の温度係数）要素やリセッタブルヒューズなどのその他の装置により、図８Ａのヒューズを置換することができる。前述のように、ＰＴＣ装置又は要素は、過電流状態において、熱の放出に伴ってその抵抗値が増大するので、保護対象の回路を流れる電流を制御する保護要素として知られている。これまで、過電流保護要素としては、例えば、ＰＴＣサーミスタが使用されている。電子回路が過負荷状態になると、ＰＴＣサーミスタの導電性ポリマー（これは、ＰＴＣ特性を具備している）が熱を放出し、熱膨張して高抵抗値を有するようになり、この結果、回路内の電流は安全であって相対的に小さな電流レベルに低減される。
【００６７】
従って、前述のものなどのＰＴＣ装置を電池と直列接続すれば、パックの合計インピーダンスが、電流の増大に伴って増大することになる。十分に低いインピーダンスが必要であり、且つ、市販されている単一のＰＴＣ装置が望ましい低インピーダンス及び／又は電流容量を提供できない場合には、例えば、図８Ｂに示されているように、多数のＰＴＣを互いに並列接続して電流を共有することもできる。
【００６８】
電池パックに別個の充電及び放電経路又はブランチを想定する場合には、ＰＴＣ要素などの熱ヒューズ（thermal fuse）をそれぞれの電流経路上に配置することができる。これは、充電経路に低電流装置を使用し、放電経路に高電流装置を使用するという点で有益であろう。
【００６９】
端子の近くにヒューズを近接配置し、絶縁されていない充電器から電気装置のダウンストリームブランチを絶縁するという更なる効果がある。電池パック１００が、十分に溶解し、セル１０５及び電子回路が露出するほどになった場合には、端子の近くのヒューズ（これは、既にとんでいる）が、絶縁されていない充電器出力から、露出した金属を切断し（即ち、電気的に絶縁することにより）、装着されている充電器（又は、工具）内の電気コンポーネントを保護することができる。従って、端子に近接した図８Ａのヒューズ（又は、ＰＴＣ要素）の配置法により、パック１００内において過電流保護を提供可能である。
【００７０】
過電流閾値に到達した際に、電流検知手段（図３Ａ及び図３Ｂの電流センサ１４５など）と半導体装置（半導体装置１３０ａ及び１３０ｂなど）を使用して電流の流れを停止する方法は、セルの損傷を防止するために望ましい方法であろう。例えば、電流センサ１４５は、パックの電流を検知し、所定の電流制限又は閾値を超過した検知電流に基づいて制御信号を生成するようにできる。電流制限又は電流遮断機能を具備する半導体装置（例えば、半導体装置１３０ａ及び１３０ｂ）を電流センサ１４５に直接接続することができる。この半導体装置は、ドライバ１４０を経由した電池電子制御装置１２５からではなく、電流センサ１４５から直接受信した制御信号に基づいて、電流を制限又は遮断することができる。
【００７１】
一時的に大きな電流負荷は許容できるが、安定した状態の大電流は許容できない場合には、電流検出を平均化アルゴリズムと組み合わせることができる。好適な電流の限度又は閾値は可変であってもよく、且つ、セルの温度に比例したものであってもよい。これは、セルが既に熱くなっている場合に、引き出される最大電流が内部セル成分を過熱させるほどにはならないという点で有益であろう。
【００７２】
（過温度保護）
いくつかの電池は、極端な温度（極端に高い又は低い温度）で損傷したり、極端な温度に起因して性能が低下する可能性がある（即ち、電圧及び／又は電流出力の低下）。これは、特に、Ｌｉ−ｉｏｎセル成分を有する電池パックに関係している。望ましい又は所定の温度未満に冷却されるまで、電池パックをシャットダウンするように電池の温度閾値を設定することができる。同様に、望ましい又は所定の温度を超過するまで、電池パックを遮断するべく電池の温度閾値を設定することもできる。これらの閾値は、例えば、電流、電圧、使用年数、温度の上昇又は下降速度に部分的に依存した設定限度に基づいたものであってもよい。前述のように、電池パックの温度の状態を判定するべく、１つ又は複数の温度センサを使用することができる。
【００７３】
図９は、本発明の典型的な実施例による過温度保護を提供する装置を示している。電池セル内の過温度障害状態により、永久的な損傷が発生する可能性がある。従って、絶対温度を監視するように構成された保護回路は過温度状態を防止するのに有用である。図９は、分りやすいように、電池パック回路の一部のみを示している。但し、図９の装置は、図３Ａ〜図５のいずれかに示されている電池パック１００の一部であってよい。
【００７４】
図９に示されているように、保護装置２１０として、高電流接点９２０を開路する熱スイッチ９１０を使うことができる。これらの接点を回路内に配置し、温度が許容レベルに低下するまで、パック１０の内外の電流の流れを停止できる。これらの装置は、通常、既定の温度においてトリップするように設定可能であり、一般的には、例えば、コーヒーメーカー内に見出すことが可能である。コーヒーメーカー内の水が沸騰すると、加熱要素の温度は、Ｆ２１２°超まで上昇する。温度スイッチは、これを検知し、温度制御スイッチを開路する。パック（又は、セル）の温度が熱くなり過ぎた場合に、パック１００内の充電及び／又は放電機能が無効となる。
【００７５】
この代わりに、熱によって制御される放出メカニズムにより、工具１７０又は充電器１５０から電池パック１００を外に「はじき」出し、パック１００が冷却されるまで、再挿入を防止することもできる。この装置は、後記するように、パック１００内のイジェクション装置を抑止するラッチメカニズムを狙いとした「ポップアップタイマ」に類似したものであってよい。過温度障害状態から保護する更なる装置は、サーミスタを使用するものである。電池パック１００内においてサーミスタを使用することにより、電池セル１０５からのサーミスタの完全な電気的絶縁状態を維持しつつ、温度状態を監視できる。
【００７６】
現時点においては、製造者は、通常、電池パックにサーミスタを設けることにより、コアパックの温度を監視すると共に、過温度状態において充電を終了させることができる。これらのサーミスタは、一端を充電器１５０に至る端子に接続し、他端を電池パックの負の端子リードに接続することによって接地された接続構成を有している。
【００７７】
既存のコードレス電動工具と、Ｌｉ−ｉｏｎ電池パックなどのこれらのハイパワー電池パックと共に使用するように製造される開発中の電動工具群と、の両方に使用するハイパワー電池パックの場合には、この前述の接続構成はサーミスタを通じた充電経路の可能性が生じるため問題となろう。少量の電流がサーミスタを通過した場合に、パック１００及び充電器１５０内に設けてある保護制御装置及び回路の外において、電池パックが潜在的に充電される可能性がある。潜在的に、不注意によるパック１００の過充電に結び付く可能性があり、潜在的に危険な状態である。
【００７８】
図１０は、本発明の典型的な実施例によるサーミスタの接続構成を示している。図１０には、分りやすいように、パック１００の正及び負の端子のみが示されている。図１０は、分りやすいように、電池パック回路の一部のみを示している。しかしながら、図１０のサーミスタは、図３Ａ〜図５のいずれかに示されている電池パック１００の一部であってよい。サーミスタの２つのリード（Ｔｈ＋及びＴｈ−）は、独立した端子２及び３上から、パックから引き出すことができる。これらの端子は、例えば、充電器電子制御ユニット１５５（分りやすいように、図１０には示されていない）の温度監視回路などの充電器１５０内の温度監視回路に接続できる。この結果、パック１００内の充電経路からサーミスタを完全に絶縁しつつ、パック１００の温度を監視できる。これを実行することにより、サーミスタを通じた充電経路、及び、サーミスタを通じて電池パック１００を過充電する可能性が消滅する。
【００７９】
（可聴／可視警告メカニズム）
電池電力をシャットダウンする前に、なんらかの種類の警告をコードレス工具（装着されている電池パックから電力が供給されている）の操作者に対して、行うことが望ましい。所有者の車の内部に障害状態が発生した際（又は、発生している最中）のシナリオと同様に、障害状態に起因してエンジンが破損する（即ち、オイルの欠乏に起因してピストンが損傷する）前に、所定の持続時間に亘って、ダッシュボード上の警告灯を所有者に対して点灯することができる。
【００８０】
不足電圧及び温度制限をカットオフとして使用可能である（即ち、閾値に到達すると、電池パック１００が電流の出力を中止する）。しかしながら、そのような障害状態（不足電圧又は過温度閾値など）が発生する前に、電池パック又は工具のいずれかの警告メカニズムにより、（パックの電池電力を自動的にシャットダウン可能な）パックにおける切迫した動作限度に接近していることを操作者に警告することができる。警告メカニズムは、可聴であるか（ホーンやブザーを有する）、又は、例えば、ＬＥＤなどの望ましい照明方式を使用して可視であってもよい。
【００８１】
この可聴及び／又は可視警告メカニズムをパック１００又は工具１７０内の既存の回路に結び付けることができる。前述のように、図３Ａ〜図５のいずれかの電池パック１００、工具１７０、又は充電器１５０は、パック、工具、充電器などのインテリジェント機能によって制御可能である。電池電子制御装置１２５や工具電子制御装置１８０等のこのようなインテリジェント機能は様々な切迫した又は現存する障害状態用の警告メカニズムを制御するよう構成することができる。一例として、電池パック１００内の過放電状態、電池パック１００内の過電流状態、及びパック１００又は装着された工具１７０のモーター１９０内の過温度状態、並びに／又は、電池パック１００から引き出される過大な量の電流に起因する電池パック１００内の不足電圧状態について、工具の操作者に警告するように別個の可聴又は可視警告を用意することができる。
【００８２】
前述のように、切迫した電池電力の自動的シャットダウンに至る前の警告メカニズムは、種々の形態で実施可能である。ホーン、ブザー、スピーカサウンドなどの前記可聴警告は、いくつかの作業環境においては、許容可能であろうが、騒音環境においては、工具の操作者は聴取り不可能である。１つ又は複数の指定された照明などの視覚的な合図及びゲージも、極端に暗い又は非常に明るい作業エリア内においては、工具の操作者が見逃す可能性がある。
【００８３】
工具の操作者に警告するための別の警告メカニズムは、工具モーターのモーター制御装置内において実施可能である。一般に、工具又は電池パックのいずれかの内部の電子回路は、電池パックの最大電力出力能力（maximum power output capacity）を低減し、「折り畳み（fold back）」状態を生成できる。操作者は、工具性能の「弱化」（weakening）として、この状態を聴取し、且つ、感じることになろう。操作者は、手を緩め、切迫した障害状態（例えば、不足電圧、過温度、不足温度状態など）を回避するよう促される。
【００８４】
切迫した障害状態についてユーザーに警告する更なる方法は、モーター制御のパルス幅変調（ＰＷＭ）を変化させることにより、モーターの速度に「ワーブル（warble）」効果を生成する方法であろう。モーター速度の、この穏やかな周期的な変化は、工具の性能に悪影響を与えないように選択される。この方法によれば、切迫した障害状態に関する可聴及び触覚的フィードバックの両方がユーザーに対して提供される。
【００８５】
切迫した障害状態についてユーザーに警告する第３の方法は、ＰＷＭ周波数を可聴周波数レンジ内に低下させ、ピッチを周期的に変化させる方法である。この結果、操作者の注意を引き付ける有効な警告メカニズムが提供される。少なくとも、この警告メカニズムは、電池パックを休ませるか又は充電して切迫した障害状態を除去又は克服しない限り、（現在の仕事を終えることは可能だが、）次の仕事に進むことができないという意味の警告を操作者に対して付与する。
【００８６】
以上の警告メカニズムは、いずれかも（単独で又は前述の警告メカニズムの１つ又は複数のものと組み合わせることにより）工具の機能を潜在的に向上させるか又は工具及び／又は電池パックの寿命を延長できる。以下、電池パックの充電状態に基づいた電動工具のモーター内における前記のワーブリング効果に関連した後者の警告メカニズムについて詳述する。
【００８７】
（ＰＷＭ  ＳＯＣ（State Of Charge）インジケータ）
ＰＷＭ  ＯＳＣ（State Of Charge）インジケータの目的は、自動的な電池電力のシャットダウンを生じさせ、この結果、電池パックの「死」をもたらしうる切迫した障害状態について操作者に警告することにある。これは、電池パック回路の一部であるモーター制御ユニット内においてＳＯＣ情報を直接的に判定することによって実現できる。このＳＯＣ情報に基づいて、電池パックのモーター制御ユニットがモーター電流スイッチング周波数を変化させ、工具の操作者が聴取及び／又は物理的に感知可能な工具モーター内の「ワーブリング効果」を生成する。
【００８８】
図１１は、電池パックの切迫した障害状態を電動工具の操作者に警告する方法を示すフローチャートである。図１１を参照すると、電池パックのモーター制御ユニット（図示されてはいない）が、様々な電池パックパラメータを計測し、所定の時点における電池パックの充電状態（State Of Charge：ＳＯＣ）情報を判定可能である（Ｓ１１１０）。モーター制御ユニットは、例えば、ハードウェア又はソフトウェア的にデジタルマイクロコントローラ又はマイクロプロセッサ又はアナログ回路として、並びに／又は、デジタル信号プロセッサ又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのデジタルＩＣを使って構成することができる。このＳＯＣ情報に基づいて、モーター制御ユニットが、望ましいモーター電流スイッチング周波数を判定し（Ｓ１１２０）、これを工具モーターに付与すると、ワーブリング効果が生成され、操作者に警告されることになる（Ｓ１１３０）。
【００８９】
電池パックのＳＯＣを評価、追跡、及び判定する方法としては、複数の方法が存在する。例えば、ＳＯＣ情報を判定するべくモーター制御ユニットが計測する電池パックパラメータには、電池パックの電圧、クーロンカウント（Ａｈin−Ａｈout）、電池パック１００の合計インピーダンスなどが含まれる。次いで、モーター制御ユニットはこのＳＯＣ情報に基づいてモーター電流スイッチング周波数を決定する。
【００９０】
工具１７０のモーターの削除電流スイッチング周波数をいくつかの方法で操作して、ユーザーに警告を与えることができる。即ち、モーター電流スイッチング周波数を調節すると、工具のモーターは工具の操作者に通信できる。スイッチング周波数を可聴周波数レンジ内に選択すると、操作者が知覚できる雑音をモーターが生成できる。典型的な可聴周波数は、例えば、工具モーターから放出される一定周波数のトーン、周波数が変化するリングトーン、工具の操作者に対して話し掛ける「音声」に似た複合的な一連の多数周波数のトーンであってよい。又、モーター制御ユニットはモーターを脈動させ、工具を物理的に身震い又は振動させ、例えば、電池パックが消耗しつつあるか又は注意を要する障害状態に接近しつつあることを操作者に通知することができる。
【００９１】
モーターをパルス幅変調することによって低ＳＯＣ状態などの切迫した障害状態について操作者に警告する方法を使用することにより、その他の障害状態を通知することも可能である。例えば、モーター電流スイッチング周波数を調節して、電池パックの過温度状態、工具のモーター内の過温度状態、パックの過電流状態、及び／又は電池パックから引き出される過大な量の電流に起因した不足電圧状態に関係する検知情報に基づいて、工具の操作者に警告することができる。尚、電流、温度、及び電圧は、所定の障害状態を追跡できる典型的な計測可能パラメータであるに過ぎない。
【００９２】
図１２は、本発明の典型的な実施例に従って、ＳＯＣを判定し、モーター電流スイッチング周波数を変化させる典型的な構成を示すブロックダイアグラムである。図１２は、図３Ｂに多少類似した電池パック１００’と工具１７０’の間の回路インターフェイスの関係を示しているが、分りやすいように、特定のコンポーネントのみを示している。
【００９３】
図１２を参照する。ＩＣ１、Ｒ１、及びＱ１は、その他の図のいくつかについて既に説明した通り、保護回路及びセルバランシング機能（cell balancing functionality）に寄与するものである。ＩＣ１は、例えば、図３Ａ及び図３Ｂの電池パック電子制御ユニット１２５を表す。ＤＡＴＡ３及びＤＡＴＡ４はＩＣ１とＩＣ２の間のシリアルデータを搬送するシリアルデータ経路を表しており、図１２のＩＣ２はモーター制御ユニットを表す。例えば、ＤＡＴＡ３はＩＣ１とＩＣ２の間のデータ及び制御信号の通信に専用である。又、ＤＡＴＡ４はクロックを送信してＩＣ１をＩＣ２に（又は、この逆に）同期させる。
【００９４】
要素ＲＥＧは電圧レギュレータで、ＶＣＣをデジタル装置ＩＣ２及びＩＣ３に供給する。図１４において、ＩＣ３は、例えば、図３Ｂに示されている工具電子制御ユニット１８０を表す。ＤＡＴＡ１及びＤＡＴＡ２はＩＣ３とＩＣ２の間のデータ及び制御信号の通信用のシリアルデータ経路を表している。ＳＷ１は工具スイッチを表し、これは電池パックから電流を引き出してモーターＭ１に電力を供給する。抵抗器Ｒ６とポテンショメーターＲ７は工具用の可変速度入力を構成している。ＩＣ１、ＩＣ２、及びＩＣ３は、ハードウェア又はソフトウェア的に例えば、デジタルコントローラ又はマイクロプロセッサ又はアナログ回路として、並びに／又は、デジタル信号プロセッサ又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのデジタルＩＣを使って構成することができる。
【００９５】
モーター制御ユニットＩＣ２は、電池パックの出力電圧を調節し、工具のモーターＭ１に電力を供給するモーター電流を制御するように、Ｑ５及びＱ６（これらは、ＭＯＳＦＥＴを使うことができる）のゲートを駆動する。ＩＣ２は１つ又は複数の電池パックのパラメータを計測してＳＯＣを判定できる。例えば、ＩＣ２はノードＮ１とＮ２の間の電池パックの出力電圧を監視することができ、或いは、シャント抵抗器Ｒ５において電流を監視し、（適切な内部クロックによって）時間を追跡して、クーロンカウンティング（Coulomb counting）を実行することができる。又、ＩＣ２は無負荷のパック電圧（電流が引き出される前に計測されたもの）から、負荷が加わった電池パックの出力電圧（電流が流れている際のもの）を減算し、この結果をＲ５において取得した電流計測値で除算することにより、パックのインピーダンスを監視することもできる。これらの計測可能なパラメータは、いずれも、ＳＯＣの尺度として使うことができる。次いで、ＩＣ２は、このＳＯＣ情報を使用して、適切なスイッチング周波数を判定し、Ｑ５及びＱ６を制御して、そのスイッチング周波数を実現する。
【００９６】
（冗長性）
以上の機能は、パック１００、充電器１５０、又は工具１７０内の制御システムの一部における過酷な使用法やコンポーネントの障害に起因した電池セルに対する損傷を防止するように設計されている。二次的な形態の冗長性を追加すると、セルが損傷する可能性を低減できる。例えば、図１２において、充電器１５０と工具１７０は外部端子又は通信を通じて、電池の温度と電流を監視することができる。充電の間に、充電器１５０により、電池電圧を監視することができる。又、放電の間に、これを工具によってチェックすることも可能である。
【００９７】
図１３〜図１６は、極端なケースにおいて過充電保護を行う様々な装置を概略的に示している。前述の図４及び図５のウォッチドッグ回路、その他の電流検知装置による過充電状態の解決に失敗し、電池パック１００又は充電器１５０のいずれか又は両方の内部の及び／又はインテリジェントな装置マイクロプロセッサに障害が発生した場合（パック又は充電器内におけるマルチポイント障害）の図１３〜図１６は、電池パック１００及び／又は充電器１５０用の潜在的な二次的保護法を示している。
【００９８】
図１３Ａは、セル１３０５（これは、図３Ａ〜図５のいずれかのセル１０５に類似している）が隣接する直列接続されたセルに対する接続用のタブ１３０３（コネクタとも呼ぶ）を具備しているシングルラミネート電池セルの等角図である。図１３Ｂ及び図１３Ｃは、本発明の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【００９９】
図１３Ｂ及び図１３Ｃは、パックにその他の保護回路が伴っていない深刻な過充電状態において、リチウムイオンセル成分（又は、その他のセル成分）を有する電池セルが破裂する可能性を低減することができる装置を示している。一般に、過充電イベントにおいては、ラミネートされたリチウムイオン電池セル１３０５は大きく膨張する。この結果、過充電状態が継続すると、１つ又は複数のセル１３０５が破裂する。この破裂は、結果的に、火災と、電池パック１００が装着されている電気装置（充電器１５０、工具１７０）及び／又は電池パック１００のユーザーに対し潜在的に深刻な損傷をもたらすことになる。
【０１００】
従って、この膨張現象を活用するような、電池パックを設計可能である。図１３Ｂは、電池パックにおける安定状態又は正常状態の側面図であり、タブ溶接点１３０６又は類似の接続を示す。これは電池パック１００の正及び負の電力端子間の隣接するセル１３０５のタブ１３０３を直列接続するものである。図１３Ｃに示されているように、電池パック１００内の１つ又は複数の所定のセル１３０５の膨張は深刻な過充電状態の発生の防止に有用である。１つ又は複数の膨張するセル１３０５は、そのタブ１３０３に対して引っ張り圧力（tension pressure）を生成し、この結果、タブ溶接点１３０６において、２つのタブ１３０３を分離する。この例においては、回路内に開路１３０８が形成されており、この結果、セル１３０５に対する充電電流が除去又は遮断される。即ち、セル１３０５の膨張に伴い、タブ溶接点１３０６において、タブコネクタ１３０３が隣接するタブ１３０３から分離されることにより、セル１３０５間の電気接続が切断され、電池パック１００内の電流の流れが遮断される。
【０１０１】
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。図１４Ａは、パック１００内の正常又は安定状態における側面図を示しており、別の典型的な保護構成を示している。図１４Ａにおいて、セル１３０５は電池ハウジング（これは、ハウジング側壁１４０１ａとハウジング側壁１４０１ｂとして概略的に示されている）内に直列に配列されており、この電池ハウジングは、例えば、中間ハウジング壁１４０１ｃを有することができる。壁１４０１ｂ、１４０１ｃを通じて凹部１４０９内に突出するべく、直列接続されたセル１３０５と中間ハウジング壁１４０１ｃ間にプランジャ１４０８を設けることができる。一例においては、スプリング１４１０から提供される抗力により、プランジャを抑止できる。このためハウジング側壁１４０１ｂと中間ハウジング壁１４０１ｃの間にチャネル１４０４が形成される。リードワイヤ（ここでは、正の端子ワイヤ又は回路トレースとして示されている）はチャネル１４０４を通じて延長可能である。
【０１０２】
次に、図１４Ｂを参照すると、過充電状態にある１つのセル１３０５が示されている。セル１３０５の膨張に伴い、セルの膨張力はプランジャがスプリング１４１０からのばね圧を克服するのに有用である。即ち、参照符号１４１５によって概略的に示されているように、プランジャ１４０８が凹部１４０９内に移動してリードワイヤ１４０５を切断し、結果、電池パックのセル１４０５への充電電流が遮断される。又、参照符号１３０８によって概略的に示されているように、膨張するセル１３０５により、タブ１３０３が分離することにより、電池パック部の電気接続を切断又は破断させるという更なる冗長性が提供されていることに留意されたい。従って、これらの保護機能により、電流の流れを遮断することによって、パック１００内の１つ又は複数のセルの破裂を防止できる。
【０１０３】
図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。図１５Ａ及び図１５Ｂは、充電器から電池パックをイジェクトするように設計されたプランジャを示している。
【０１０４】
図１５Ａは、図１４Ａに類似しているため、分りやすいように、相違点についてのみ説明する。図１５Ａに示されているように、安定状態又は正常動作においては、プランジャ１４０８はスプリング１４１０のばね圧に対してバイアスされており、このため、プランジャ１４０８は、充電器のハウジング側壁１５０１に対して配置されている。充電器のハウジング側壁１５０１はパック１００の側壁１４０１ｂと当接している。パックのリードワイヤ１４０５と充電器リードワイヤ１５０５は、接点１４０１、１５１０において、動作可能に接続されている。
【０１０５】
次に、図１５Ｂを参照すると、セル１３０５の膨張に伴い、プランジャ１４０８はスプリング１４１０の圧力を克服する、この結果、プランジャ１４０８は、充電器からパック１００をイジェクトする（セルのハウジング側壁１５０１とパックの側壁１４０１ｂ間のギャップ１５０８を参照されたい）。この動作により、接点１４１０及び１５１０が破断する。従って、深刻な過充電状態の際に、プランジャ１４０８の配置とパックの膨張の組合せによって、充電電流を遮断し、パックを充電器からイジェクトすることにより、パックの破裂を防止している。又、参照符号１３０８によって概略的に示されているように、膨張するセル１３０５により、タブ１３０３が分離して、電池パック部の電気的接続を切断又は破断させるという更なる冗長性も提供されていることに留意されたい。従って、これらの保護機能により、電流の流れを遮断することによって、パック１００内の１つ又は複数のセルの破裂を防止可能できる。
【０１０６】
図１６Ａ及び図１６Ｂは、本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。図１６Ａ及び図１６Ｂは、いくつかの面において図１４Ａ及び図１４Ｂに類似しており、従って、分かりやすいように、相違点についてのみ説明する。
【０１０７】
図１６Ａにおいては、充電器リードワイヤ又はトレース１５０５は、接点１４０５、１５０５においてパックのリードワイヤに接続されている。図１４Ａとは異なり、充電器のリードワイヤ１５０５は、充電器のハウジング側壁１５０１の内部表面に当接している。プランジャ１４０８及びスプリング１４１０は図１４Ａに示されているとおりである。次に図１６Ｂを参照すると、過充電状態にある１つのセル１３０５が示されている。セル１３０５の膨張に伴うセルからの膨張力は、プランジャ１４０８がスプリング１４１０からのばね圧を克服するのに有用である。この結果、プランジャ１４０８は、参照符号１６１５によって概略的に示されているように、凹部１４０９内に移動し、充電器のリードワイヤ１５０５を切断し、電池パックのセル１４０５への充電電流が遮断される。又、膨張するセル１３０５より、参照符号１３０８によって概略的に示されているように、タブ１３０３が分離して電池パック部の電気接続を切断又は破断させるという更なる冗長性も提供されていることに留意されたい。従って、これらの保護機能により、電流の流れを遮断することによって、パック１００内の１つ又は複数のセルの破裂を防止できる。
【０１０８】
以上、本発明の典型的な実施例について説明したが、多数の方法によって、これらに対して変更を加えることが可能であることは明らかである。このような変形は、本発明の典型的な実施例の精神及び範囲からの逸脱と見なすべきではなく、これらのすべての変更が添付の請求項の範囲内に含まれることは、当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の典型的な実施例による保護回路構成の部分ブロックダイアグラムを示している。
【図２】本発明の別の典型的な実施例による保護回路構成の部分ブロックダイアグラムを示している。
【図３Ａ】本発明の典型的な実施例による典型的な電池パックと典型的な電池充電器間のコンポーネント及び接続を示すブロックダイアグラムである。
【図３Ｂ】本発明の典型的な実施例による典型的な電池パックと典型的な電動工具間のコンポーネント及び接続を示すブロックダイアグラムである。
【図４】本発明の典型的な実施例による過充電保護を示す電池パックと充電器間の接続の部分ブロックダイアグラムである。
【図５】本発明の別の典型的な実施例による過充電保護を示す電池パックと充電器間の接続の部分ブロックダイアグラムである。
【図６】本発明の典型的な実施例に従って保護回路によって起動される過放電保護のための自動シャットダウンを示す電圧対時間のグラフである。
【図７】本発明の典型的な実施例による過放電保護用の閾値の変更を示す電圧対時間のグラフである。
【図８Ａ】本発明の典型的な実施例による過電流保護に使用される典型的な装置を示している。
【図８Ｂ】本発明の典型的な実施例による過電流保護に使用される典型的な装置を示している。
【図９】本発明の典型的な実施例による過温度保護を提供する装置を示している。
【図１０】本発明の典型的な実施例によるサーミスタの接続構成を示している。
【図１１】電池パックの切迫した障害状態について電動工具の操作者に警告する方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の典型的な実施例に従って、ＳＯＣを判定し、モーター電流スイッチング周波数を変更する典型的な構成を示すブロックダイアグラムである。
【図１３Ａ】シングルラミネート電池セルの等角図である。
【図１３Ｂ】本発明の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１３Ｃ】本発明の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１４Ａ】本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１４Ｂ】本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１５Ａ】本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１５Ｂ】本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１６Ａ】本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１６Ｂ】本発明の別の典型的な実施例に従って過充電状態から保護する装置を示している。
【図１７】本発明の典型的な実施例によるコードレス電動工具システムの典型的なコードレス電動工具を示している。
【図１８】本発明の典型的な実施例によるコードレス電動工具システムの典型的なコードレス電動工具を示している。
【図１９】本発明の典型的な実施例によるコードレス電動工具システムの典型的なコードレス電動工具を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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