JP2004006276A - 電池パック及びac/dc変換回路基板付き電池パック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外部AC電源からの入力をDCに変換して出力するためのAC/DC変換回路を備える電源装置内において前記外部AC電源からの入力が停止した時に代替電源として機能するリチウムイオン二次電池パックであって、外装ケース6と、前記外装ケース6内に収納されるリチウムイオン二次電池群7と、前記AC/DC変換回路と対向する外装ケース壁部分と前記リチウムイオン二次電池群7との間に配置される回路基板9とを具備することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池パック及びAC/DC変換回路基板付き電池パックに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度電池として注目されており、携帯機器やパーソナルコンピュータ等を中心に普及が進んでいる。さらに、リチウムイオン二次電池の改良による高出力が得られるようになり、コードレスクリーナなどの用途が広がりつつある。携帯機器やパーソナルコンピュータ等では、大電流出力が必要とされないため、エネルギー密度の向上が重要であり、そのために正負極の活物質の改良などが行われてきた。一方、コードレスクリーナなどのモータ駆動機器では大電流を必要とするために、放電時におけるリチウムイオン二次電池の発熱対策が重要であり、リチウムイオン二次電池パックの冷却方法の研究が行われてきた。
【0003】
特開2002−101572号公開公報には、交流電力を直流に変換して所定の電子機器本体を駆動する電源部と、前記交流電力の供給停止時における前記電子機器の作動を保証する無停電電源ユニットとを備えた無停電電源装置が記載されている。この無停電電源ユニットは、前記電源部により直流変換された電力を蓄積すると共に前記交流電力の停止時に前記電子機器本体に対して蓄積電力を供給する二次電池(例えば、ニッケル水素二次電池)と、この二次電池を冷却するための冷却ファンとを備えるものである。
【0004】
しかしながら、前記公開公報に記載された発明では、二次電池の放電時の発熱に対する冷却しか考慮されておらず、二次電池の蓄電部分以外の発熱部品から放出される熱に関しては、二次電池と発熱部品とを十分に離して配置する方法を採用している。この方法では、電源機能を担うデバイスが機器内に分散されて配置されるために機器設計が難しく、大きなスペースを占有するという問題点がある。
【0005】
そのうえ、冷却ファンによる風を二次電池に均等に当てることは難しいため、風の当っている電池と風の当らない電池との温度差が大きくなり、十分な充放電サイクル寿命を得られないという問題点がある。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−101572号公報(特許請求の範囲)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、AC/DC変換回路からの輻射熱による充放電サイクル寿命の劣化が改善された電池パック及びAC/DC変換回路基板付き電池パックを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電池パックは、外部AC電源からの入力をDCに変換して出力するためのAC/DC変換回路を備える電源装置内において前記外部AC電源からの入力が停止した時に代替電源として機能する電池パックであって、
外装ケースと、
前記外装ケース内に収納されるリチウムイオン二次電池群と、
前記AC/DC変換回路と対向する外装ケース壁部分と前記リチウムイオン二次電池群との間に配置される回路基板と
を具備することを特徴とするものである。
【0009】
本発明に係る電池パックにおいて、前記回路基板は、絶縁基板としてガラスエポキシ基板もしくは紙・フェノール樹脂基板を備えることが望ましい。
【0010】
本発明に係る電池パックにおいて、前記回路基板は、過充電防止機構及び過放電防止機構のうち少なくとも一方の機構を備えることが望ましい。また、過充電防止機構及び過放電防止機構のうち少なくとも一方の機構を備える回路基板は、さらに充放電制御機構を備えていても良い。
【0011】
本発明に係る電池パックにおいて、前記外装ケースは、箱型の第1のケースと、前記箱型ケースの開口部を覆う蓋として機能する第2のケースとを備えることが好ましい。
【0012】
本発明に係る電池パックは、外部AC電源からの入力をDCに変換して出力するためのAC/DC変換回路基板を備える電源装置内において前記外部交流電源からの入力が停止した時に代替電源として機能する電池パックであって、
外面が前記AC/DC変換回路基板と対向する壁部分を有する外装ケースと、
前記外装ケース内に収納されたリチウムイオン二次電池の組電池と、
前記外装ケース内における前記壁部分の内面と前記組電池との間に配置された電池制御回路基板と
を具備することを特徴とするものである。
【0013】
本発明に係る電池パックは、発熱性素子を備えたAC/DC変換回路基板に電気的に接続されて用いられる電池パックであって、
外面が前記AC/DC変換回路基板と対向する壁部分を有する外装ケースと、
前記外装ケース内に収納されたリチウムイオン二次電池の組電池と、
前記外装ケース内における前記壁部分の内面と前記組電池との間に配置された電池制御回路基板と
を具備することを特徴とするものである。
【0014】
本発明に係るAC/DC変換回路基板付き電池パックは、発熱性素子を備えたAC/DC変換回路基板と、
前記AC/DC変換回路基板に電気的に接続された電池パック本体とを具備したAC/DC変換回路基板付き電池パックであって、
前記電池パック本体は、外面が前記AC/DC変換回路基板と対向する壁部分を有する外装ケースと、
前記外装ケース内に収納されたリチウムイオン二次電池の組電池と、
前記外装ケース内における前記壁部分の内面と前記組電池との間に配置された電池制御回路基板と
を具備することを特徴とするものである。
【0015】
ここで、電池制御回路基板は、電池パック内の組電池の充放電を制御するための回路基板であり、AC/DC変換回路基板とは異なるものである。この電池制御回路基板は絶縁基板とその上に形成される電池制御回路からなる。前記電池制御回路としては、例えば、組電池の充放電を制御する充放電制御機構を有する回路、組電池の安全性を確保するための保護回路もしくは安全回路等を挙げることができる。保護回路および安全回路としては、例えば、過充電防止機構及び過放電防止機構のうち少なくとも一方の機構を備える回路を挙げることができる。また、電池制御回路には、充放電の制御と安全性の確保の双方の機能を有する回路を用いることができる。
【0016】
前記電池制御回路基板は、絶縁基板としてガラスエポキシ基板もしくは紙・フェノール樹脂基板を備えることが望ましい。
【0017】
前記外装ケースは、箱型の第1のケース(ケース本体)と、前記箱型ケースの開口部を覆う蓋として機能する第2のケース(箱型の封口部材)とを備えることが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る電池パックの第1の実施形態を図1〜図4を参照して説明する。
【0019】
図1は、本発明に係るリチウムイオン二次電池パックがATX電源装置内に組込まれた状態を模式的に示す斜視図で、図2は、図1のリチウムイオン二次電池パックを正負極端子側から見た側面図で、図3は、図1のリチウムイオン二次電池パックをIII−III線に沿って切断した際に得られる断面図(図1のリチウムイオン二次電池パックを垂直方向に切断した際に得られる断面図)で、図4は、図1のリチウムイオン二次電池パックを水平方向に切断した際に得られる断面図である。
【0020】
ATX電源は、外部AC電源からの入力を所定の各種電圧を有するDC出力に変換するものである。ATX電源筐体1の正面には、ファン2が取り付けられている。ATX電源筐体1の正面のファン2の横には、AC外部入力端子3が設けられている。AC/DC変換回路基板4は、ATX電源筐体1内に設置され、外部入力端子3と外部出力端子(図示しない)とに接続されている。
【0021】
リチウムイオン二次電池パック5は、長箱型の下側ケース6a(箱型の第1のケース)と長箱型の上側ケース6b(第2のケース)とからなる外装ケース6と、前記外装ケース6内に横置きの状態で収納された12本の円筒形リチウムイオン二次電池7からなる組電池とを備える。12本の円筒形リチウムイオン二次電池7は、横に2列、縦に2列並べられ、さらに3段積み上げられている。この組電池は、リード8を接触もしくは溶接することにより、単独もしくは複数のリチウムイオン二次電池7を並列に接続したものを複数個直列に接続することによって形成されている。なお、外装ケース6は、絶縁性を確保する点から、ABS樹脂、PC樹脂などの樹脂から形成されていることが望ましい。また、リード8は、例えば、ニッケル、アルミニウム等の金属から形成することができる。
【0022】
充放電制御や過充電・過放電防止機構等のうちいずれか一つ以上の機能を実現する保護制御回路基板9は、外装ケース6の内壁とリチウムイオン二次電池7の側周面との間に配置されている。この保護制御回路基板9は、回路基板及び電池制御回路基板の一例である。保護制御回路基板9と組電池は、第1のリード10により接続されている。絶縁板11は、保護制御回路基板9とリチウムイオン二次電池7の側周面との間に配置されている。ATX電源装置内の電池パック接続用端子に接続される外部接続端子12は、リチウムイオン二次電池7の正負極端子と対向する外装ケース壁面に設置されている。外部接続端子12と保護制御回路基板9とは、第2のリード13によって接続されている。なお、前記保護制御回路基板9に搭載されない電圧や電流を監視・制御する機能は、リチウムイオン二次電池パックに外付けしても良い。
【0023】
このような構成を有するリチウムイオン二次電池パック5をATX電源筐体1内に挿入し、ATX電源内の電池パック接続用端子に電池パック5の外部接続端子12を接続すると、AC/DC変換回路4側に保護制御回路基板9が位置する。つまり、AC/DC変換回路基板4と対向する外装ケース壁部分と組電池との間に保護制御回路基板9が配置される。
【0024】
以上説明したATX電源において、AC外部電源からAC外部入力端子3への入力をAC/DC変換回路基板4によって所定の各種電圧を有するDC出力に変換する。リチウムイオン二次電池パック5は、この変換されたDC出力を用いて充電され、常に充電状態であるように設定されている。AC外部電源の入力が停電等の外的要因で途絶した際に、リチウムイオン二次電池パック5に充電されている電力をその代替えとして使用する。
【0025】
ATX電源筐体1内は、AC/DC変換回路基板4からの輻射熱により50℃以上の高温になる。AC/DC変換回路基板4と組電池との間に位置する外装ケース壁面と、組電池との間に保護制御回路基板9を配置することによって、AC/DC変換回路4からの輻射熱を外装ケース壁面と保護制御回路基板9とによって吸収することができるため、組電池の一部が過度に熱せられるのを回避することができ、AC/DC変換回路4側の電池とATX電源筐体1の壁側の電池との温度差を小さくすることができる。その結果、組電池を構成する電池間の充放電特性のばらつきを小さくすることができるため、リチウムイオン二次電池パック5の充放電サイクル寿命を向上することができる。
【0026】
また、リチウムイオン二次電池パック5は、AC外部電源から正常に入力が行われている間は僅かな充電がときどき(1ヶ月に一度位の頻度)される程度であるため、定常的に充電状態にあり、放電はめったにされない。AC外部電源からの入力が停電等により寸断されると、リチウムイオン二次電池パック5は、大電流で放電されて代替電源としての機能を果たす。この大電流放電に伴って電池温度が急激に上昇するものの、電池パック5は、保護制御回路基板9による熱吸収によってもともとの温度が低いため、大電流放電によって電池温度が過度に高くなるのを回避することができ、大電流放電の際にも安全性を確保することができる。
【0027】
さらに、組電池と保護制御回路基板9との間に絶縁板11を設けることによって、電池缶もしくは接続リード等による保護回路基板の短絡を防ぐと共に、熱遮蔽効果をさらに高くすることができる。また、電池漏液時における基板回路損傷を防ぐために、絶縁板としては、樹脂板または絶縁紙を使用することが望ましい。
【0028】
ところで、ATX電源装置には、ファン2が取り付けられている。このファン2を用いて、AC/DC変換回路4からの輻射熱による電池温度上昇を解消しようとすると以下に説明するような問題点を生じる。
【0029】
そもそもファンは、AC/DCコンバータを冷却するためのものであるため、リチウムイオン電池パック5から離れた箇所に設置されており、ファンによる冷却効果を期待することはほとんどできない。
【0030】
ファンの位置を変更して、ファンによる電池パックの冷却を可能としても、風は電池パックの一部分にしか当らないため、風の当っている電池と風の当らない電池との温度差が大きくなり、電池パックのサイクル寿命の低下を招く恐れがある。さらに、本来の目的であるAC/DCコンバータの冷却能力が低下する。
【0031】
保護制御回路基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板に形成される回路パターンとを備えるものである。絶縁基板として、ガラスエポキシ基板もしくは紙・フェノール樹脂基板を使用することが望ましい。このような保護制御回路基板9であれば、AC/DC変換回路4からの輻射熱を遮蔽する効果が高いからである。また、十分な熱遮蔽効果を得るために、保護制御回路基板9の絶縁基板の厚さが0.8mm以上であることが望ましい。絶縁基板の厚さが厚い方が熱遮蔽効果は高くなるものの、絶縁基板の厚さが3.2mmを超えると、電池パックの小型化を図る上で不利になり、また、コストも高くなることから、絶縁基板の厚さは、0.8mm以上、3.2mm以下の範囲内にすることがより望ましい。
【0032】
保護制御回路基板9は、リチウムイオン二次電池7の側周面と絶縁板11を介してか、もしくは絶縁板11を介さずに直接対向していることが望ましい。このような構成にすることにより、リチウムイオン二次電池パック5のサイズを小型化できると共に、電池間の温度差をより小さくすることができるため、電池パックとしてのサイクル寿命をより向上することができる。組電池の保護制御回路基板9側側面の投影面積を100%とした際に、保護制御回路基板9の面積は、前記投影面積の50%以上に相当する大きさにすることが望ましい。この組電池の保護制御回路基板9側側面の投影面積は、例えば図5に示すように、組電池の長手方向側の幅をS1とし、組電池の高さをS2とした際に、S1×S2により算出される。なお、保護制御回路基板9の面積が前記投影面積の100%未満に相当する場合、保護制御回路基板による熱遮蔽効果を最大限にするために、保護制御回路基板9側の電池全てを保護制御回路基板9と対向させることが望ましい。この例を図5に示す。投影面積50%に相当する面積を持つ保護制御回路基板9は、保護制御回路基板9側に位置している6本のリチウムイオン二次電池7全てと対向している。このとき、保護制御回路基板9側に位置する6本のリチウムイオン二次電池7すべてに均等に対向することがより望ましい。これにより前記6本のリチウムイオン二次電池7の温度環境を均一化することができる。特に好ましいのは、投影面積100%以上に相当する面積を持つ保護制御回路基板9を用い、図6に示すように、6本のリチウムイオン二次電池7の側周面全てと保護制御回路基板9とを対向させることが望ましい。なお、図7は、投影面積50%に相当する面積を持つ保護制御回路基板9が、保護制御回路基板9側に位置している3本の二次電池7と対向している例である。この図7に示す配置によると、6本のリチウムイオン二次電池7の温度環境のばらつきが大きくなる恐れがある。
【0033】
組電池と保護制御回路基板9との間に隙間が設けられていることが望ましい。空隙による熱断熱効果を高め、かつ衝撃が加わったときの保護制御回路基板9への機械的損傷を回避するため、図2に例示される保護制御回路基板9と組電池の間隔Dは、1mm以上が望ましい。また、リチウムイオン二次電池パックサイズをできるだけ小型化して、体積効率を高める観点から、前記間隔Dは8mm以下が望ましい。
【0034】
保護制御回路基板9と組電池との間に絶縁板11を設ける場合、絶縁板11として樹脂板を用い、絶縁板11を組電池に接触させ、かつ保護制御回路基板9と組電池の間に隙間を設けることが望ましい。隙間の大きさは、1mm以上にすることが望ましい。これにより、空隙による熱断熱効果と耐衝撃性を高くすることができる。また、リチウムイオン二次電池パックサイズをできるだけ小型化して、体積効率を高める観点から、隙間の大きさは8mm以下にすることが望ましい。
【0035】
外装ケース6の下側ケース6aは、箱型とすることが望ましい。こうすることで、電池異常の際の漏出電解液がAC/DC変換回路やATX電源外の電子回路等の損傷を防止することができる。こうすることで、通常のAC電力供給時には補助電源であるリチウムイオン二次電池パックは必要とされていないため、不具合による漏液が生じても、リチウムイオン二次電池パック外に損傷がなければ、電源を停止することなくリチウムイオン二次電池パックだけを交換できる。箱型ケースの底面積は前記組電池や前記保護制御回路を収納できる大きさであればよい。箱型ケースの高さは、組電池を構成する全電池に注入されている電解液全量を受けられる内容積を持つことが望ましい。ただし、電池異常時に生じる漏液では全電解液が漏出することはなく、多くは電池内部の電極やセパレータに担持されたままであり、漏液が生じる電池も全電池ではなく劣化の進行した、もしくはなんらかの外的要因が集中的に作用した特定の一電池であることが多い。そのため、箱型の下側ケースは、構成単電池の一つに含有されている電解液量の1/2を受け止められるだけの内容積を持っていれば十分に機能する。一方、上側ケース6bは、組電池および保護制御回路基板を内包できるものであればよく、上面もしくは側面に通気のための穴を有していても良い。
【0036】
リチウムイオン二次電池について説明する。
【0037】
リチウムイオン二次電池は、容器と、容器内に収納され、正極及び負極を含む電極群と、前記電極群に保持される非水電解質とを備える。
【0038】
容器には、金属製容器もしくはラミネートフィルム製容器を使用することができる。また、前述した図1〜図4では、円筒形リチウムイオン二次電池に適用した例を説明したが、角型、薄型のリチウムイオン二次電池を用いても良い。
【0039】
前記正極は、種々の酸化物、例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物を正極活物質としてバインダーを用いて薄板状に成形されたものである。前記正極は、導電材として黒鉛、カーボンブラック等を含有することが望ましい。前記正極活物質としては、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物が望ましく、高い容量と高出力に耐える非水電解質二次電池を構成することができる。
【0040】
前記負極は、リチウム等のアルカリ金属、もしくはリチウムを吸蔵・放出する炭素質材料がバインダーにより銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等の集電体に担持され薄板状に成形されたものである。
【0041】
前記炭素質物は、石油や石炭などのコークスやピッチ、天然ガスや低級炭化水素などの低分子量有機化合物、ポリアクリロニトリル、フェノール樹脂等の合成高分子などを、焼成して炭化して炭素質材料としたもの、人造もしくは天然黒鉛等を用いることができる。
【0042】
正極と負極の間には、セパレータを配置する。前記セパレータとしては、例えば、合成樹脂不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム等を用いることができる。
【0043】
非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質とを含む。非水電解質としては、液状、ゲル状もしくは固体状のものを使用することができる。
【0044】
非水溶媒としては、特に限定されないが、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、γ−ブチロラクトン(BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレンまたは酢酸メチル(MA)などを用いることができる。一方、電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、六フッ化砒素リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウムなどのリチウム塩を用いることができる。
【0045】
リチウムイオン二次電池の組電池は、例えば、リチウムイオン二次電池単独もしくは複数個を並列に接続したものを、複数個直列に接続することにより得られる。接続方法は特に限定されないが、ニッケル、アルミ等の金属リードを電池端子間接続リードとして用い、接触もしくは溶接することで行うことができる。
【0046】
次いで、本発明に係る電池パックの第2の実施形態について説明する。
【0047】
この電池パックは、入力された交流を直流に変換して出力するAC/DC変換回路に電気的に接続された状態で使用される。この電池パックは、AC/DC変換回路を具備する電源装置内にて前記AC/DC変換回路への外部交流電源からの入力が停止した時に代替電源として機能する。なお、AC/DC変換回路は、トランス、レギュレータおよびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)よりなる群から選択される少なくとも1種類の発熱性素子を備える。
【0048】
この電池パックは、下記(1)式を満足することが望ましい。
【0049】
0.5×S≦X≦S (1)
図8は、発熱性素子の発熱部14、保護制御回路基板9および組電池16の位置関係を模式的に示した斜視図である。保護制御回路基板9の熱遮蔽面(例えば、主面)を含む平面Yは、図8の点線で表わされる平面である。Sは発熱性素子の発熱部14と組電池16とを結ぶ直線群Lが、平面Yと交わる領域の面積で、図8の場合、一点鎖線で囲む領域である。この面積Sは、発熱部14から放出される輻射熱を保護制御回路基板9の熱遮蔽面により遮蔽するのに必要な面積である。Xは面積S中に実際に含まれる保護制御回路基板9の熱遮蔽面の面積であり、面積Sと保護制御回路基板9の重なる部分の面積である。図8の場合、面積Xは斜線で表わした領域である。
【0050】
図9〜図10は、電池パックとAC/DC変換回路基板との位置関係を模式的に示した平面図である。なお、図9〜図10に示す部材のうち、前述した図面で説明したのと同様な部材については、同符号を付して説明を省略する。
【0051】
図9において、AC/DC変換回路基板4の主面には、発熱部14を有する発熱性素子を含む回路パターンが形成されている。電池パック5は、AC/DC変換回路基板4の隣に平行に配置されている。外装ケース6の長辺側の側面17が発熱部14と対向している。保護制御回路基板9側の列を構成する各セル7においては、外周面が保護制御回路基板9及び長辺側側面17を介して発熱部14と対向している。保護制御回路基板9は、長辺側の側面17と組電池16の間に配置されている。面積Sは、発熱性素子の発熱部14と組電池16とを結ぶ直線群Lが、保護制御回路基板9の熱遮蔽面(例えば、主面)を含む平面と交わって形成された領域である。面積Xは、面積S中に含まれる保護制御回路基板9の熱遮蔽面の面積である。図9の場合、面積Xは、面積Sの50%以上で100%未満の大きさである。
【0052】
図10において、電池パック5は、AC/DC変換回路基板4の隣に斜め置きされている。外装ケース6の長辺側の側面17と短辺側の側面18とが発熱部14と対向している。保護制御回路基板9側の列を構成する各セル7においては、外周面が保護制御回路基板9及び長辺側側面17を介して発熱部14と対向している。保護制御回路基板9は、長辺側の側面17と組電池16の間に配置されている。面積Sは、発熱性素子の発熱部14と組電池16とを結ぶ直線群Lが、保護制御回路基板9の熱遮蔽面(例えば、主面)を含む平面と交わって形成された領域である。面積Xは、面積S中に含まれる保護制御回路基板9の熱遮蔽面の面積である。図10の場合、面積Xは、面積Sの50%以上で100%未満の大きさである。
【0053】
図11は、2種類の発熱性素子を備えるAC/DC変換回路基板4の隣に、電池パック5を平行に配置した例である。このAC/DC変換回路基板4の主面には、発熱部19(図11において斜線で示す領域である)を有する第1の発熱性素子と、発熱部20(図11において斜線で示す領域である)を有する第2の発熱性素子とを含む回路パターンが形成されている。この場合、面積Sは、第1の発熱性素子の発熱部19と組電池16とを結ぶ直線群L1と、第2の発熱性素子の発熱部20と組電池16とを結ぶ直線群L2とが、保護制御回路基板9の熱遮蔽面(例えば、主面)を含む平面と交わって形成された領域である。面積Xは、面積S中に含まれる保護制御回路基板9の熱遮蔽面の面積である。図11の場合、面積Xは、面積Sの50%以上で100%未満の大きさである。
【0054】
AC/DC変換回路に含まれる発熱性素子には、例えば、トランスなどのように素子の一部が特に発熱するもの、素子とこの素子に取り付けられた放熱板あるいはヒートシンクなどの放熱フィンが発熱するものなどが挙げられる。面積S中に含まれる回路基板の熱遮蔽面の面積Xを0.5S以上にすることによって、発熱性素子に含まれる発熱部分を回路基板により遮蔽することができるため、AC/DC変換回路側のセルの熱劣化を抑えることができる。その結果、組電池を構成するセル間の充放電特性のばらつきを小さくすることができ、電池パックの充放電サイクル寿命を向上することができる。また、面積Xが面積Sの100%未満である場合、回路基板側に位置するセル(例えば、図1の場合、A側のセル)をどれも均一に遮蔽することが望ましい。これにより、特定の電池の劣化を防止することができるため、リチウムイオン二次電池パックの寿命を延ばすことができる。面積Xのさらに好ましい範囲は、0.8S〜Sであり、こうすることで組電池を構成する単電池内にある電極群のほとんどすべてを遮蔽することができる。特に好ましいのは、面積Xを面積Sと等しくすることである。これにより、組電池を構成するセル間の温度差を最小に抑制することができるため、電池パックの充放電サイクル寿命をより向上することができる。
【0055】
また、面積Xが0.5S〜Sの範囲内である場合、回路基板の熱遮蔽面の面積Xは、組電池の熱遮蔽面への投影面積の50〜100%の範囲内にすることが望ましい。この投影面積は、例えば図5に示すように、組電池の長手方向側の幅をS1とし、組電池の高さをS2とした際に、S1×S2により算出される。このような構成にすることにより、電池パック内の無駄なスペースをあまり増やさずに十分な熱遮蔽効果を得ることができる。回路基板の熱遮蔽面の面積のより好ましい範囲は、投影面積の90〜100%の範囲内である。
【0056】
本発明に係る電池パックの第2の実施形態を図12〜図16を参照して説明する。なお、図12〜図16に示す部材のうち、前述した図面で説明したのと同様な部材については、同符号を付して説明を省略する。
【0057】
図12、図13は、AC/DC変換回路基板に含まれる主たる発熱性素子がレギュレータである場合の模式図である。例えば金属材料から形成されているATX電源筐体1の底部内面に、AC/DC変換回路基板本体21が支持ピン22により底部内面から浮かせた状態で固定されている。支持ピン22は、例えば、樹脂、金属から形成することができる。レギュレータ23は、AC/DC変換回路基板本体21の主面に形成される回路パターンを構成する素子の一つである。このレギュレータ23は、冷却のための金属製の放熱板24を備え、発熱部はレギュレータ23と放熱板24を合わせた部分となる。レギュレータ23と放熱板24から放出される熱を保護制御回路基板9が遮蔽するために必要な面積Sは、レギュレータ23および放熱板24と組電池16とを結ぶ直線群Lが、保護制御回路基板9の熱遮蔽面(例えば、主面)を含む平面と交わる領域である。図12,13の場合、保護制御回路基板9の熱遮蔽面の中に面積Sが全て含まれるため、面積Xは面積Sと等しい。
【0058】
図14、図15は、AC/DC変換回路中に複数の発熱性素子が含まれる場合である。AC/DC変換回路基板本体21の主面上に形成される回路パターンには、主たる発熱性素子として、レギュレータ23と、放熱板24と、トランスとが存在する。面積Sは、レギュレータ23と放熱板24とトランスの発熱部25(図において斜線で示す領域)からの放熱を保護制御回路基板9で熱遮蔽するのに必要な面積である。この面積Sは、放熱板24と組電池16とを結ぶ直線群L1と、トランスの発熱部25と組電池16とを結ぶ直線群L2とが、保護制御回路基板9の熱遮蔽面(例えば、主面)を含む平面と交わる領域である。図14,15の場合、保護制御回路基板9の熱遮蔽面の中に面積Sが全て含まれるため、面積Xは面積Sと等しい。
【0059】
また、AC/DC変換回路基板本体21が、保護制御回路基板9と同等の素材と厚さを有する場合、AC/DC変換回路基板本体21を熱遮蔽に寄与させることができる。この場合、ATX電源筐体1の底部内面からのAC/DC変換回路基板本体21の高さを、組電池16の底部よりも高く、かつ組電池の高さよりも低くすることが望ましい。この一例を図16に示す。
【0060】
ATX電源筐体1内の底部内面に、AC/DC変換回路基板本体21が支持ピン26により固定されている。AC/DC変換回路基板21の底部内面からの高さHは、組電池16の底部よりも高く、かつ組電池の高さH1よりも低い。このような構成にすると、外装ケース6の長辺側側面17が、レギュレータ23および放熱板24とAC/DC変換回路基板本体21の端部と基板本体21の裏面側に形成された空間部27と対向する。保護制御回路基板9は、外装ケース6の長辺側側面17を介して放熱板24と対向するように配置されている。レギュレータ23および放熱板24と組電池16を結んでできる直線群Lと保護制御回路基板9を含む平面と交わる領域のうちで、外装ケース6の長辺側側面17を介して基板本体21及び空間部27と対向している領域は、AC/DC変換回路基板21により遮蔽を受けているので、必要とされる熱遮蔽面積Sから差し引くことができる。
【0061】
以上説明した図16に示す構成の電池パックによれば、AC/DC変換回路基板本体21による発熱素子非存在領域27と保護制御回路基板9による遮蔽効果により、実質的にすべての必要とされる熱遮蔽面積Sを覆うことができる。その結果、AC/DC変換回路基板21により遮蔽される部分を除いた面積S中の保護制御回路基板9による熱遮蔽面積Xは100%となり、十分な熱遮蔽効果を得ることができる。
【0062】
なお、前述した図16においては、AC/DC変換回路基板本体21を筐体1内に水平に配置した例を説明したが、AC/DC変換回路基板本体21を筐体1の内面に対して傾斜させても良い。
【0063】
次いで、本発明に係るAC/DC変換回路基板付き電池パックの一実施形態について説明する。
【0064】
このAC/DC変換回路基板付き電池パックは、本発明に係る電池パックと、AC/DC変換回路基板とを備えるものである。AC/DC変換回路基板としては、本発明に係る電池パックの第1〜第2の実施形態で説明したのと同様な構成のものを挙げることができる。
【0065】
【実施例】
以下、本発明の実施例を前述した図1〜図16及び図17〜図26を参照して詳細に説明する。なお、図17〜図26では、前述した図1〜図16で説明したのと同様な部材については同符号を付して説明を省略する。
【0066】
(実施例1)
<リチウムイオン二次電池の作製>
リチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末90重量%と、アセチレンブラック2重量%と、グラファイト3重量%と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン5重量%とをN−メチルピロリドンを溶媒として混練することによりスラリーを調製した。得られたスラリーをアルミニウム箔上に塗布した後、乾燥することにより正極を作製した。
【0067】
一方、3000℃焼成のメソフェーズピッチ系繊維状黒鉛粉末87重量%と、平均粒径5μmの人造グラファイト10重量%と、カルボキシメチルセルース1重量%と、スチレン・ブタジエンゴム2重量%とを、水を溶媒として混練することによりスラリーを調製した。得られたスラリーを銅箔上に塗布した後、乾燥して負極を作製した。
【0068】
セパレータにはポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。
【0069】
前記正極、前記セパレータ、前記負極をそれぞれこの順序で積層したのち、スパイラル状に捲回して捲回コイルの外径が16.7mmの電極群を作製した。
【0070】
前記電極群をステンレス製の円筒型缶(直径18mm、高さ65mm)に収納した。また、1Mの六フッ化リン酸リチウムを、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートの混合溶媒(体積比率1:1)に溶解させて調製した非水電解液を缶内に注入し、内圧上昇時に開放される弁、および前記弁の開放により正極側の電流端子が外れて電流が遮断される機構を組み込み、開口部を封じて円筒形リチウムイオン二次電池を組み立てた。
【0071】
<組電池の作製>
リチウムイオン二次電池を塩化ビニールで被覆して絶縁外装を施した。前記被覆済みリチウムイオン二次電池12本を、ニッケルリードを用いて3並列4直列(3P4S)接続して組電池とし、その両端子を保護制御回路基板に接続した。12本は、前述した図1に示したように、6×2に束ねた。
【0072】
縦135mm、横36mm、厚さが0.8mmのガラスエポキシ製絶縁基板に回路パターンが形成されている保護制御回路基板を用意した。この保護制御回路基板は、過充電防止機構を備えるものである。長箱型で、外形寸法で幅50mm、高さ30mm、奥行き140mmで、ABS樹脂製の下側ケース内に長手方向側の側面に沿って、保護制御回路基板と組電池を設置した。さらに、保護制御回路基板と組電池間をクラフト紙にワニス含浸を行った絶縁紙で隔離した。この際、絶縁紙は、組電池に密着させた。これにより、保護制御回路基板側の全ての二次電池の側周面が、保護制御回路基板と絶縁紙を介して対向した。次いで、下側ケースに長箱型の上側ケースをかぶせ、前述した図1〜図4に示す構造のリチウムイオン二次電池パックを得た。なお、下側ケースの内容積は185cm3であり、組電池を構成する12本の電池に含まれている電解液の総量59cm3をすべて受け止めることができる。
【0073】
300W出力ATX電源に、前記リチウムイオン二次電池パック、AC停止時の切替え機構、16.6Vの定電圧電池充電回路基板、AC/DC変換回路基板、DC/DC変換回路基板を組み込んだ。DC/DC変換回路基板は前記リチウムイオン二次電池パックの上部に設置した。この際、リチウムイオン二次電池パックを、保護制御回路基板が、AC/DC変換回路基板と対向する外装ケース壁部分と組電池との間に位置するように設置した。
【0074】
ATX電源筐体1内におけるAC/DC変換回路基板とリチウムイオン二次電池パックとの位置関係を模式に示した平面図と側面図を図17、図18に示す。AC/DC変換回路基板4は、縦120mm、横75mm、厚さが0.8mmのガラスエポキシ製絶縁基板からなる基板本体21と、基板本体21の主面に形成された回路パターンとを備えるものである。回路パターンには、主たる発熱性素子として、放熱板24付きレギュレータ23と、トランスの発熱部25とが含まれている。面積Sは、放熱板24と組電池16とを結ぶ複数の線分L1と、トランスの発熱部25と組電池16とを結ぶ複数の線分L2とが、保護制御回路基板9の熱遮蔽面(主面)を含む平面と交差して形成される領域である。図17、図18では、面積Sが保護制御回路基板9の熱遮蔽面で占められているため、面積Xは面積Sと等しい。また、組電池16と保護制御回路基板9との間隔Dは7mmであった。なお、絶縁紙からなる絶縁板11は、組電池16と接している。
【0075】
(実施例2)
保護制御回路基板の絶縁基板として厚さが1.6mmの紙・フェノール樹脂製基板を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様なリチウムイオン二次電池パックを組み立て、この電池パックを前述した実施例1で説明したのと同様にしてATX電源装置内に設置した。
【0076】
(比較例1)
実施例1のリチウムイオン二次電池パックを90度回転して、保護制御回路基板を上部に持ってきたこと以外は、実施例1と同様にして作製した。
【0077】
得られた実施例1〜2及び比較例1について、AC供給時のAC/DC変換回路部の温度、保護制御回路基板のAC/DC変換回路側表面温度(比較例においては、もっともAC/DC変換回路に近い端部温度)、保護制御回路基板側のリチウムイオン二次電池A(図1においてAで示す位置のリチウムイオン二次電池)の表面温度、保護制御回路基板と反対側のリチウムイオン二次電池B(図1においてBで示す位置のリチウムイオン二次電池)の表面温度を測定した。
【0078】
AC外部電源からの入力が寸断された時のPC停止操作に必要な電力として170Wを想定すると、この電力を供給するためにリチウムイオン二次電池パックを20Aの大電流で放電させなければならないこととなる(AC/DC変換回路の効率を60%と仮定する)。このようなAC外部電源の代替電源としての模擬運転として、AC外部電源からAC外部入力端端子への入力を継続して行い、同時に、ATX電源内に設置されたリチウムイオン二次電池パックを5Aで3時間充電後、20A放電して電池パック電圧が12Vに低下するまでの放電継続時間の測定を行った。これを50回繰返し、1回目の放電時間と、50回目の放電時間を下記表1に示す。
【0079】
【表1】
【0080】
表1から明らかなように、実施例1〜2のリチウムイオン二次電池パックは、ATX電源装置内に設置された際の電池温度を、比較例1のリチウムイオン二次電池パックに比較して低くできることが理解できる。その結果、実施例1、2のリチウムイオン二次電池パックでは、50回放電を繰り返した際の劣化が少ないことがわかる。
【0081】
(実施例3)
発熱性素子として放熱板付きレギュレータを備えるAC/DC変換回路基板が搭載されたATX電源装置内に、前述した実施例1で説明したのと同様なリチウムイオン二次電池パックを図19、図20に示すように設置した。面積Sは、放熱板24と組電池16とを結ぶ複数の線分Lが、保護制御回路基板9の熱遮蔽面(例えば、主面)を含む平面と交差して形成される領域である。図19、図20では、面積Sが保護制御回路基板9の熱遮蔽面で占められているため、面積Xは面積Sと等しい。
【0082】
(実施例4)
縦135mm、横29mm、厚さが0.8mmのガラスエポキシ製絶縁基板を備えた保護制御回路基板を用いること以外は、前述した実施例1でと同様のリチウムイオン二次電池パックを、図21のごとくATX電源内に設置した。上方から見たときの配置図は図17と同様とした。
【0083】
(実施例5)
実施例1で説明したのと同様なリチウムイオン二次電池パックを、図22に示したようなレギュレータ23およびその放熱板24、トランスの発熱部25の配置を持つAC/DC変換回路基板を有するATX電源内に設置した以外は、前述した実施例1と同様にした。上方から見たときの配置図は図17と同様とした。
【0084】
(実施例6)
縦68mm、横36mm、厚さが0.8mmのガラスエポキシ製絶縁基板を備えた保護制御回路基板を用いること以外は前述した実施例1で説明したのと同様なリチウムイオン二次電池パックを、図23に示したAC/DC変換回路を有するATX電源内に設置した。側方から見たときの配置図は図18と同様とした。
【0085】
(実施例7)
縦68mm、横36mm、厚さが0.8mmのガラスエポキシ製絶縁基板を備えた保護制御回路基板を用いること以外は前述した実施例1で説明したのと同様なリチウムイオン二次電池パックを、図24に示したAC/DC変換回路を有するATX電源内に設置した。側方から見たときの配置図は図18と同様とした。
【0086】
(実施例8)
縦68mm、横36mm、厚さが0.8mmのガラスエポキシ製絶縁基板を備えた保護制御回路基板を用いること以外は前述した実施例1で説明したのと同様なリチウムイオン二次電池パックを、図25に示したAC/DC変換回路を有するATX電源内に設置した。側方から見たときの配置図は図18と同様とした。
【0087】
(実施例9)
リチウムイオン二次電池パックの絶縁板として厚さ1mmのポリプロピレン製板を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様なATX電源装置を用意した。
【0088】
(実施例10)
縦68mm、横36mm、厚さが0.8mmのガラスエポキシ製絶縁基板を備えた保護制御回路基板と、絶縁板として厚さ1mmのポリプロピレン製板を用いること以外は前述した実施例1で説明したのと同様なリチウムイオン二次電池パックを、図23のごとくATX電源内に設置した。側方から見たときの配置図は図18と同様とした。
【0089】
(実施例11)
リチウムイオン二次電池パック内における保護制御回路基板と組電池の間隔Tを2mmにすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様なATX電源装置を用意した。
【0090】
実施例1、3〜11および比較例1について、発熱性素子の種類、面積X{面積S中の保護制御回路基板の熱遮蔽面の比率(%)}、AC/DC変換回路基板による熱遮蔽の有無、組電池の保護制御回路基板側の側面の投影面積を100%とした際の保護制御回路基板の主面の面積(%)、絶縁板の種類、保護制御回路基板と組電池間の距離D(mm)について表2にまとめた。
【0091】
また、得られた実施例3〜11について、前述したのと同様にして温度測定と模擬運転試験を行い、その結果を下記表2に併記する。なお、表2には、前述した実施例1と比較例1の結果を併記する。
【0092】
【表2】
【0093】
表2から明らかなように、AC/DC変換回路基板と対向する外装ケース壁面と組電池の間に基板を配置した構成を有する実施例1、3〜11の電池パックは、比較例1に比べて組電池の温度が低く、かつ50サイクル目の放電時間が長いことが理解できる。特に、前述した(1)式;0.5S≦X≦Sを満足する実施例1,3〜5,9〜11の電池パックは、50サイクル目の放電時間が実施例6〜8に比較して長かった。
【0094】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【0095】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、AC/DC変換回路からの輻射熱による充放電サイクル寿命の劣化が改善された電池パック及びAC/DC変換回路基板付き電池パックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電池パックがATX電源装置内に組込まれた状態の一例を模式的に示す斜視図。
【図2】図1の電池パックを正負極端子側から見た側面図。
【図3】図1の電池パックをIII−III線に沿って切断した際に得られる断面図。
【図4】図1の電池パックを水平方向に切断した際に得られる断面図。
【図5】組電池と保護制御回路基板との配置例を示す模式図。
【図6】組電池と保護制御回路基板との別な配置例を示す模式図。
【図7】組電池と保護制御回路基板とのさらに別な配置例を示す模式図。
【図8】発熱性素子と回路基板と組電池との位置関係を模式的に示した斜視図。
【図9】リチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路との位置関係の一例を模式的に示した平面図。
【図10】リチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路との位置関係の別な例を模式的に示した平面図。
【図11】リチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路との位置関係のさらに別な例を模式的に示した平面図。
【図12】ATX電源装置内におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の配置例を模式的に示した上面図。
【図13】図12の側面図。
【図14】ATX電源装置内におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した上面図。
【図15】図14の側面図。
【図16】ATX電源装置内におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路のさらに別な配置例を模式的に示した側面図。
【図17】実施例1のATX電源装置におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した上面図。
【図18】図17の側面図。
【図19】実施例3のATX電源装置におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した上面図。
【図20】図19の側面図。
【図21】実施例4のATX電源装置におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した側面図。
【図22】実施例5のATX電源装置におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した側面図。
【図23】実施例6のATX電源装置におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した上面図。
【図24】実施例7のATX電源装置におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した上面図。
【図25】実施例8のATX電源装置におけるリチウムイオン二次電池パックとAC/DC変換回路の別な配置例を模式的に示した上面図。
【符号の説明】
1…ATX電源筐体、2…ファン、3…AC外部入力端子、4…AC/DC変換回路基板、5…リチウムイオン二次電池パック、6…外装ケース、7…リチウムイオン二次電池、8…リチウムイオン二次電池同士を接続するリード、9…保護制御回路基板、10…リチウムイオン二次電池と保護制御回路を接続するリード、11…絶縁紙、12…外部接続端子、13…外部接続端子と保護制御回路を接続するリード、14,19,20…発熱部、16…組電池、21…AC/DC変換回路基板本体、23…レギュレータ、24…放熱板、25…トランスの発熱部。
Claims (10)
- 外部交流電源からの入力を直流に変換して出力するためのAC/DC変換回路基板を備える電源装置内において前記外部交流電源からの入力が停止した時に代替電源として機能する電池パックであって、
外面が前記AC/DC変換回路基板と対向する壁部分を有する外装ケースと、
前記外装ケース内に収納されたリチウムイオン二次電池の組電池と、
前記外装ケース内における前記壁部分の内面と前記組電池との間に配置された電池制御回路基板と
を具備することを特徴とする電池パック。 - 発熱性素子を備えたAC/DC変換回路基板に電気的に接続されて用いられる電池パックであって、
外面が前記AC/DC変換回路基板と対向する壁部分を有する外装ケースと、
前記外装ケース内に収納されたリチウムイオン二次電池の組電池と、
前記外装ケース内における前記壁部分の内面と前記組電池との間に配置された電池制御回路基板と
を具備することを特徴とする電池パック。 - 前記電池制御回路基板は、絶縁基板としてガラスエポキシ基板もしくは紙・フェノール樹脂基板を備えることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項記載の電池パック。
- 前記電池制御回路基板は、過充電防止機構及び過放電防止機構のうち少なくとも一方の機構を備えることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項記載の電池パック。
- 前記外装ケースは、箱型のケース本体と、前記ケース本体の開口部を覆う箱型の封口部材とを備えることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項記載の電池パック。
- 前記組電池と前記電池制御回路基板の間に配置される絶縁板をさらに備えることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項記載の電池パック。
- 下記(1)式を満足することを特徴とする請求項2記載の電池パック。
0.5×S≦X≦S (1)
Sは前記発熱性素子の発熱部と前記組電池とを結ぶ線分が、前記電池制御回路基板を含む平面と交わる領域の面積であり、Xは前記面積S中に含まれる前記電池制御回路基板の面積である。 - 前記電池制御回路基板の熱遮蔽面の面積は、前記組電池の前記熱遮蔽面への投影面積の50%以上であることを特徴とする請求項1〜2いずれか1項記載の電池パック。
- 発熱性素子を備えたAC/DC変換回路基板と、
前記AC/DC変換回路基板に電気的に接続された電池パック本体とを具備したAC/DC変換回路基板付き電池パックであって、
前記電池パック本体は、外面が前記AC/DC変換回路基板と対向する壁部分を有する外装ケースと、
前記外装ケース内に収納されたリチウムイオン二次電池の組電池と、
前記外装ケース内における前記壁部分の内面と前記組電池との間に配置された電池制御回路基板と
を具備することを特徴とするAC/DC変換回路基板付き電池パック。 - 前記発熱性素子は、トランス、レギュレータおよびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)よりなる群から選択される少なくとも1種類の素子であることを特徴とする請求項9記載のAC/DC変換回路基板付き電池パック。
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