JP4124041B2 - 充電機能付き直流電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は着脱可能な電池パックを電源とするコードレス電動工具（以下単に電動工具という）に着脱可能なアダプタを有するケーブルを介して直流電圧を供給可能にすると共に電池パックを充電可能な充電機能付き直流電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動工具は電源ケーブルによる作業上の制約は無く、どのような場所においても作業できるというメリットを有しているが、蓄電池の容量が低下すると蓄電池を充電するか別の充電済み蓄電池と交換しなければならないという問題があった。そこで、作業場所と交流電源設置場所が近く作業中の移動が少ない場合には交流を直流に変換する直流電源を用い、作業場所と交流電源設置場所が遠く作業中の移動が多い場合には蓄電池を用い、作業状況に合わせて電動工具の電源として電池パックと直流電源を併用していた。
【０００３】
しかし、作業場所に充電器と直流電源を持ち込まなければ効率のよい作業ができないという問題がある。これらの問題を解決する案として特開平５−５６５６６号公報に、電動工具用の電源スイッチがオンの時に蓄電池の充電と電動工具の駆動を同時に行い、電源スイッチがオフの時に蓄電池の充電のみを行う充電機能付き直流電源装置について記載されている。
【特許文献１】
特開平５−５６５６６号公報
【発明が解決しようとする課題】
このような充電機能付き直流電源装置においては、接続される電動工具が起動された場合に早急に適切な電力を供給する必要があるため、スイッチング電源を電動工具側の要求電圧にあわせた電圧値の定電圧制御を掛けた状態で常に動作させておく必要がある。一方充電される蓄電池の電圧は必ずしも電動工具本体の要求電圧と同一ではない。電動工具本体の電圧が蓄電池の電圧よりも高かった場合、充電出力開閉手段を閉じて充電を開始すると、電源側の定電圧制御電圧と電池電圧の差により充電電流開閉手段が閉じた瞬間に突入電流が充電出力開閉手段に流れるため、充電出力開閉手段の寿命等の性能に影響を及ぼすことがある。
【０００４】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、充電出力開閉手段が閉じた際の突入電流を小さくなるようにした充電機能付き直流電源装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、アダプタが装着された場合に、出力電圧設定手段の複数個の設定値のうち電動工具の駆動に必要な第１の設定値を選択し、電池パックが充電可能な場合には充電出力開閉手段を閉じて充電を開始する前に、電池電圧検出手段により電池電圧を検出し、前記選択した第１の設定値が検出した電池電圧より高い場合には電池電圧より低い値となる第２の設定値を選択し、スイッチング電源の出力電圧が電池電圧よりも低い値になってから充電電流開閉手段を閉じて充電を開始することにより達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態を示すブロック回路図である。１は交流電源、２は電池パックで、複数の蓄電池を直列接続した電池組２a及び電池組２aに接触または近接して電池温度を検出する感温素子２ｂを有する。３は電池パック２に流れる充電電流を開閉するリレー等の充電出力開閉手段で、後述するマイコン１３の出力ポート１３ｆの出力とトリガ検出手段２３の出力のＡＮＤをとるアンドゲート２４の出力信号によりその開閉が制御される。４は充電出力開閉手段３と電池パック２との間であって充電電流の流れる方向に直列に接続されたダイオード、５は電池パック２に流れる充電電流及び後述する電動工具２２に流れる負荷電流を検出する電流検出手段、６は電源出力を定電圧または定電流に制御するための帰還信号をＰＷＭ制御ＩＣ９ｃに伝達するフォトカプラ等からなる電源制御信号伝達手段、７は後述する定電流制御手段１４と定電圧制御手段１６からの帰還信号を切り替える帰還信号切り替え手段、８は全波整流回路８ａと平滑用コンデンサ８ｂからなる一次側整流平滑回路、９は高周波トランス９ａ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ９ｂ、ＰＷＭ制御ＩＣ９ｃからなるスイッチング回路で、ＰＷＭ制御ＩＣ９ｃは半導体スイッチ９ｂの駆動パルス幅を変えて二次側整流平滑回路１０の出力電圧を調整するスイッチング電源ＩＣである。１０はダイオード１０ａ、１０ｂ、チョークコイル１０ｃ、平滑用コンデンサ１０ｄ、及びコンデンサ１０ｄの放電用抵抗１０ｅからなる二次側整流平滑回路、１１は抵抗１１ａ、１１ｂからなる電源出力電圧検出手段で二次側整流平滑回路１０の出力電圧を分圧する。１２は抵抗１２ａ、１２ｂからなる電池電圧検出手段で、電池パック２の端子電圧を分圧する。１３は演算手段（ＣＰＵ）１３ａ、ＲＯＭ１３ｂ、ＲＡＭ１３ｃ、タイマ１３ｄ、Ａ／Ｄコンバータ１３ｅ、出力ポート１３ｆ、リセット入力ポート１３ｇからなるマイクロコンピュータ（以下マイコン）である。１４は演算増幅器１４ａ、１４ｂ、抵抗１４ｃ〜１４ｆからなる充電電流を定電流に制御する充電電流制御手段、１５は出力ポート１３ｆからの信号に対応して演算増幅器１４ｂの反転入力端に印加する電圧値を変えることにより、充電電流を複数の設定値に切り替える充電電流設定手段、１６は演算増幅器１６ａ、抵抗１６ｂ、１６ｃからなる定電圧制御手段、１７は出力ポート１３ｆからの信号に対応して演算増幅器１６ａの反転入力端に印加する電圧値を変えることにより、二次側整流平滑回路１０の出力電圧を複数の設定値に切り替える定電圧設定手段、１８は電源トランス１８ａ、全波整流回路１８ｂ、３端子レギュレータ１８ｄ、平滑コンデンサ１８ｃ、リセットＩＣ１８ｅからなる定電圧電源で、マイコン１３、充電電流制御手段１４、定電圧制御手段１６等の電源となる。リセットＩＣ１８ｅはマイコン１３を初期状態にするために定電圧電源１８の出力電圧の立ち上がり時にリセット入力ポート１３ｇにリセット信号を出力する。１９は電池パック２の感温素子２ｂの抵抗値を電圧に変換しＡ／Ｄコンバータ１３ｅに出力する抵抗１９ａ及び１９ｂとからなる電池温度検出手段である。２０はＦＥＴを用いた電源出力開閉手段、２１は電動工具２２と充電装置３を接続するためのアダプタを備えたケーブルで、電動工具２２の要求電圧に合わせて作業者が切り替えを行う出力電圧切り替えスイッチ２１ａを備える。２２は接続された電動工具であり、起動停止を行うスイッチ２２ａ及び駆動源であるモータ２２ｂを内蔵する。２３は分圧抵抗２３a、２３b、トリガ検出回路２３cより構成される電動工具２２の起動を検出するトリガ検出手段で、充電前にはマイコン１３の出力ポート１３fの信号により、電源出力開閉手段２０を開き、充電と電動工具２２への電源供給を同時にできないようにする。また分圧抵抗２３ａ、２３ｂにより分圧された電圧の電圧変化により電動工具２２の起動を検出すると、電源出力信号を出力し電源出力開閉手段２０を閉じて電動工具２２への電源の供給を行うと共に電動工具２２への電源供給中の充電を禁止する充電禁止信号をアンドゲート２４に出力する。アンドゲート２４はマイコン１３の出力ポート１３fからの充電出力開閉信号とトリガ検出回路２３からの充電禁止信号のＡＮＤをとり充電出力開閉手段３の開閉を行う。
【０００７】
電池パック２を充電する際の動作の一例を図２のフローチャート、図３（ａ）のタイムチャートにより説明する。まず電源投入後リセットＩＣ１８ｅからの信号によりマイコン１３がリセットされリセット解除後初期設定を行う（ステップ２０１、図３Ｔ０）。初期設定時においては定電圧設定手段１７の設定値は二次側整流平滑回路１０の出力電圧が図４に示す最も低いＶ１（例えば８Ｖ）になるように設定される。次に出力電圧切り替えスイッチ２１ａの値をＡ／Ｄコンバータ１３ｅにより読み込みアダプタ２１があると判断すれば（ステップ２０２）、定電圧設定手段１７の設定値を変更し出力電圧を作業者の設定した値（ここではＶ４（１６Ｖ））に設定する（ステップ２０３、図３Ｔａ）。次に電池電圧検出手段１２からの信号をＡ／Ｄコンバータ１３ｅにより検出し電池パック２の挿入を監視する（ステップ２０４）。電池パック２が挿入されていない場合は、電動工具２２の起動をトリガ検出回路２３からの出力により判別する（ステップ２０５）。電動工具２２が起動し動作している場合は、電動工具２２使用時における処理を行い（ステップ２０６）、ステップ２０４まで戻る。ステップ２０５において、電動工具２２が動作していない時もステップ２０４まで戻る。ステップ２０４において電池パック２が挿入された場合は、電池電圧検出手段１２、電池温度検出手段１９の出力により電池電圧と温度をＡ／Ｄコンバータ１３ｅにより検出し、充電可能な電池パック２であるかどうかの判別を行う（ステップ２０７）。充電可能な電池パック２であるかどうかの判別は、例えば電池温度が所定温度以上の場合は、サイクル寿命の劣化を防ぐために充電不可能と判別すればよい。充電可能な電池パック２であった場合は、電池パック２の初期電池電圧（図３、Ｖ０）と現在の出力電圧をそれぞれ電池電圧検出手段１２、電源出力電圧検出手段１１の出力から読み込み比較を行う（ステップ２０８）。電源出力電圧が初期電池電圧Ｖ０よりも高かった場合には、図４に示す複数個の出力電圧設定値の中から初期電池電圧Ｖ０よりも低い設定値（ここではＶ２（１１Ｖ））を選択し、定電圧設定手段１７を設定する（ステップ２０９）。電圧設定値がＶ２に変更されると二次側整流平滑回路１０の出力電圧は徐々に下がり始める（図３Ｔｂ）。この間、マイコン１３は例えば図４に示すような出力電圧設定値と初期電池電圧Ｖ０の関係によって決まる所定の時間Ｔｗ（図３（ａ））待機し（ステップ２１０）、その後充電電流開閉手段３を閉じる信号をポート１３ｆより出力する（ステップ２１１）。充電電流開閉手段３を閉じる信号がＡＮＤ回路２４より出力されると、帰還信号切り替え手段７は充電電流制御手段１４側に切り替わりスイッチング回路９は定電流制御となる。ステップ２０８において二次側整流平滑回路１０の出力電圧が電池電圧よりも低かった場合は、すぐに充電電流開閉手段３を閉じて充電を開始する。充電出力開閉手段３が例えば電磁式リレーであった場合は、充電開始の信号により数ｍｓ後リレー接点が閉じる。この時、出力電圧は電池電圧よりも低いため、二次側平滑回路１０側から電池パック２側への突入電流は流れない。また、ダイオード４により電池パック２側から二次側平滑回路１０側への逆方向の突入電流も防ぐことができるため、充電出力開閉手段３の突入電流による性能への影響を防ぐことができる。また充電出力開閉手段３には電磁式リレーの他に、半導体スイッチング素子を用いることも可能であり、この場合は半導体スイッチング素子の整流特性を利用することができるためダイオード４を削除することも可能である。リレー接点が閉じると（図３Ｔｃ）、定電流設定手段１５にて設定された値の充電電流で充電を行う（ステップ２１１）。充電が開始された後は、電動工具２２が起動された時に備え定電圧設定値を元の値Ｖ４に変更する（ステップ２１２）。この際、定電圧制御手段１６の出力は帰還信号切り替え手段７により遮蔽されスイッチングＩＣ９ｃには伝達されない。充電を開始すると、トリガ検出回路２３からの出力により電動工具２２の起動があったかどうかを常に監視しながら（ステップ２１３）、電池電圧のピーク値からの電圧降下を検出する−ΔＶ方式、満充電近辺での電池温度勾配を検出するｄＴ／ｄｔ方式等の満充電検出法により満充電となるまで充電を行い、満充電と判断すると（ステップ２１４）、充電電流開閉手段３を開き充電を停止し（ステップ２１５、図３Ｔｄ）その後ステップ２０２まで戻る。ステップ２１３において電動工具２２が起動されたと判別された場合は、電動工具２２が動作中か否かを判別し（ステップ２１６）、電動工具２２が動作中の場合は、トリガ検出手段２３により充電出力開閉手段３を開くと共に電源出力開閉手段２０を閉じ、帰還信号切り替え手段７が定電圧制御手段１６側に切り替わり電動工具２２への電力供給へと切り替わる。マイコン１３側では出力ポート１３ｆの状態により電動工具２２が起動したことを検出し、電動工具２２が動作している間は充電を停止すると共に電動工具２２使用時における処理を行い、ステップ２１６に戻る（ステップ２１７）。ステップ２１６において電動工具２２の動作が停止したと判別した場合は、停止した後所定の時間が経過したか否かを判別する（ステップ２１８）。所定時間経過した場合は、ステップ２１３に戻り、電動工具２２が起動したか否かを判断した上でその後充電を再開する。所定時間経過していないと判別された場合は、ステップ２１６に戻り、所定時間経過するまで充電させない。
【０００８】
図３（ｂ）は前記出力電圧が高いままでリレー接点を閉じた場合の動作波形である。充電出力開閉手段３のリレー接点が閉じた瞬間に非常に大きな突入電流が電源側から電池パック２側に流れ込むため、リレー接点延いてはリレー等の寿命等の性能に影響を及ぼすこととなる。
【０００９】
【発明の効果】
以上のように、充電開始時の電源の出力電圧を制御することにより、充電開始時における充電電流開閉手段への突入電流をなくすことができ、突入電流による充電電流開閉手段の寿命等の性能への影響を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明充電機能付き直流電源装置の一実施形態を示すブロック回路図。
【図２】本発明電源装置による充電開始時における出力電圧制御の動作を説明するフローチャート。
【図３】本発明電源装置の充電開始前及び充電中の電源出力電圧、充電電流を示すタイムチャート。
【図４】本発明電源装置の充電開始前時の出力電圧と電池電圧差によって決まる待ち時間の例と示す表。
【符号の説明】
２は電池パック、３は充電電流開閉手段、４はダイオード、７は帰還信号切り替え手段、１０は二次側整流回路、１１は電源出力電圧検出手段、１２は電池電圧検出手段、１３はマイコン、１４は充電電流制御手段、１６は定電圧制御手段、１７は定電圧設定手段、２０は電源出力開閉手段、２１はケーブル、２２はコードレス工具、２３はトリガ検出手段、２４はアンドゲート。

Claims (1)

1. 着脱可能な電池パックを電源とするコードレス電動工具に着脱可能なアダプタを有するケーブルを介して直流電圧を供給し、かつ電池パックを充電する充電機能付き直流電源装置であって、
   出力電圧を発生するスイッチング電源と、コードレス電動工具の動作スイッチのオン・オフ状態を検出するトリガ検出手段と、トリガ検出手段により電動工具の動作スイッチのオン状態を検出した場合にコードレス電動工具に電源出力の供給をオンする電源出力開閉手段と、トリガ検出手段により電動工具の動作スイッチのオフ状態を検出した場合に電池パックに充電出力をオンする充電出力開閉手段と、スイッチング電源の出力電圧を制御する出力電圧制御手段と、出力電圧制御手段の基準値を複数の値に設定する出力電圧設定手段と、スイッチング電源の出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、スイッチング電源の出力を電池パックの充電時において定電流に制御する定電流制御手段と、電動工具使用時の定電圧制御と充電時の定電流制御を切り替える帰還信号切り替え手段と、電池パックの電池電圧を検出する電池電圧検出手段と、を有し、
   アダプタが装着された場合には、出力電圧設定手段の複数個の設定値のうち電動工具の駆動に必要な第１の設定値を選択し、電池パックが充電可能な場合には、充電出力開閉手段を閉じて充電を開始する前に、電池電圧検出手段により電池電圧を検出し、前記選択した第１の設定値が検出した電池電圧より高い場合には電池電圧より低い値となる第２の設定値を選択し、スイッチング電源の出力電圧が電池電圧よりも低い値になってから充電電流開閉手段を閉じて充電を開始することを特徴とする充電機能付き直流電源装置。

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