JP2005135601A

JP2005135601A - 電池パック

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Publication number: JP2005135601A
Application number: JP2003367233A
Authority: JP
Inventors: Fumiya Sato; 文哉佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP4114592B2

Abstract

【課題】二次電池と温度保護素子と電圧変換器とを熱結合させることで電圧変換器の発熱を抑制することができ、それによって電圧変換器のエネルギー変換効率を高くする。
【解決手段】ケース４には、マイナス外部端子５、電圧変換外部端子６、およびプラス外部端子７が設けられる。二次電池１の正極と、プラス外部端子７との間には、温度保護素子２が設けられる。また、二次電池１の正極と、電圧変換外部端子６との間には、温度保護素子２および電圧変換器３が直列に接続される。マイナス外部端子５は、二次電池１の負極から導出される。
【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁ケースに二次電池が内蔵され、該絶縁ケースの外表面に少なくとも正極および負極が外部端子として設けられた電池パックに関する。

軽量、高容量、且つ充電可能な二次電池として、例えばリチウムイオン二次電池が、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯型電話機等の移動体電源として目覚しい勢いで普及している。しかしながら、リチウムイオン二次電池は、決められた上限の電圧を超えて充電する（過充電）とリチウムを析出し、下限を超えて放電する（過放電）と内部ショートを発生するといった不具合が発生する問題があった。

そのため、リチウムイオン二次電池の場合、他のアルカリ系二次電池とは異なり、その電池電圧を検知し、出力線を遮断するような保護回路と電池セルとが一体化された電池パックの形で世に供給されるのが一般的である。

なお従来、リチウムイオン電池の出力電圧は約３．０Ｖ〜４．２Ｖと高く、汎用の一次電池の出力電圧１．０Ｖ〜１．５Ｖよりかなり高く使用しにくい問題点を解決することを目的とし、電池パックの出力電圧を変換する電圧変換器を内蔵したものがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１８５８２４号公報

また、二次電池上部と基板と熱感応素子が樹脂で充填成形されているものがある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−１８５３９８号公報

また、２個以上の二次電池の間に、感熱素子を配置しているものがある（例えば、特許文献３参照。）。
特開平２−１１９６７９号公報

また、二次電池電圧を別な電圧に変換し、外部端子に出力し、放電するバッテリーパックが記載され、さらに充電時には、外部端子電圧を別な電圧に変換し、二次電池電圧に出力し、充電するようにしたものがある（例えば、特許文献４参照。）。
特開平１１−１８５８２４号公報

また、二次電池の電圧により、二次電池の接続構成を変化させることにより、バッテリーパック外部端子の電圧を一定範囲内に保ち、バッテリーパックを効率的に放電するようにしたものがある（例えば、特許文献５参照。）。
特開平２００１−１７８００６号公報

リチウムイオン二次電池を電源として駆動する電子機器は、リチウムイオン二次電池の電池電圧をそのまま使用しているわけではない。例えば携帯型電話機を例に取ると、近年増加しているＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶パネルを採用するモデルでは、ＴＦＴ液晶パネル駆動用として正電源の＋１５Ｖ電源、負電源の−１０Ｖ電源が必要となる。その他にマイコン（マイクロコンピュータ）駆動用として＋３Ｖ電源が必要となり、ディジタルカメラＣＣＤ（Charge Coupled Device）素子用電源およびスピーカ駆動用電源として＋５Ｖ電源が必要となり、さらにアンテナ電波発生器用電源として＋２．９Ｖ〜＋４．２Ｖの電源が必要である。

しかしながら、従来の二次電池を内蔵した電池パックは、出力端子が２端子であり、出力電圧として電池電圧か、特許文献１に記載のような変換された単一の定電圧を出力する構成であった。したがって、電子機器本体の電圧変圧器にて必要とされる電圧を作る必要があった。

そこで、電池パック内に電圧変換器を内蔵して必要とされる電圧を作ることが考えられる。内蔵される電圧変換器の一例として、ＤＣ（Direct Current）−ＤＣコンバータを使用した場合、そのエネルギー変換効率は、７０％〜９５％である。これは、電圧変換器を構成する電磁トランスの電磁誘導の効率が温度上昇によって低下することが原因である。言い換えると、５％〜３０％のエネルギーがＤＣ−ＤＣコンバータの発熱のために失われているという問題があった。

従って、この発明の目的は、電圧変換器を内蔵しても従来と同等サイズにでき、且つ二次電池と温度保護素子と電圧変換器とを熱結合させることで電圧変換器の発熱を抑制することができ、それによって電圧変換器のエネルギー変換効率を高くすることができる電池パックを提供することにある。

上述した課題を達成するために、この発明は、二次電池が内蔵された電池パックにおいて、１以上の電圧変換器と、二次電池および電圧変換器の温度を検出する温度保護素子と、２以上の異なる電圧を出力する複数の出力端子とを有し、温度保護素子が二次電池および電圧変換器の両方に熱的に結合するようにした電池パックである。

この発明は、二次電池が内蔵された電池パックにおいて、二次電池の放電時に使用する放電用電圧変換器と、二次電池の充電時に使用する充電用電圧変換器と、二次電池、放電用電圧変換器、および充電用電圧変換器の温度を検出する温度保護素子とを有し、温度保護素子が二次電池、放電用電圧変換器、および充電用電圧変換器に熱的に結合するようにした電池パックである。

この発明に依れば、従来必要であった電圧変換器および二次電池それぞれの温度保護素子を１つにすることができるため、電池パックを小型化でき、さらにコストダウンを図ることができる。

さらに、この発明に依れば、電圧変換器の発熱が温度保護素子を介して二次電池に放熱されるため、電圧変換器の温度上昇を抑えることができる。電磁トランスは、低温の方が電磁誘導の効率が高いので、このように温度を低く抑えることによって、電圧変換器の変換効率の向上を図ることができる。また、二次電池を電圧変換器のヒートシンクとすることができるので、従来必要であった電圧変換器用の放熱器を削除することができ、電池パックを小型化でき、さらにコストダウンを図ることができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。この発明が適用される電池パックの第１の実施形態の構成について図１を参照して説明する。この電池パックは、二次電池１、温度保護素子２、および電圧変換器３からなり、ケース４にはマイナス外部端子５、電圧変換外部端子６、およびプラス外部端子７が設けられる。二次電池１の正極と、プラス外部端子７との間には、温度保護素子２が設けられる。また、二次電池１の正極と、電圧変換外部端子６との間には、温度保護素子２および電圧変換器３が直列に接続される。マイナス外部端子５は、二次電池１の負極から導出される。

なお、図１に示すように、温度保護素子２は、二次電池１と電圧変換器３との両方に、距離的に近くに配置されている。例えば、温度保護素子２および電圧変換器３は、二次電池１の外装ケースの面に物理的に接触するように配置される。また、図示しないが、二次電池１の端部に設けられた金属フィルム、例えばラミネートフィルムの溶着部に温度保護素子２および電圧変換器３を配置するようにしても良い。

従って、図２に示すように、二次電池１と温度保護素子２と電圧変換器３とを有する電池パックにおいて、温度保護素子２は、二次電池１と電圧変換器３の両方に熱的に結合している。

二次電池１としては、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、リチウム金属二次電池等を用いることができる。リチウムイオン二次電池の場合、例えば角形電池の構成とされ、二次電池１が全体として鉄の電池缶で被覆されている。また、リチウムポリマー二次電池の場合には、アルミニウムのラミネートフィルムで封止された構成とされている。また、今後開発される種類の二次電池であっても同様に用いることができる。

温度保護素子２は、二次電池１と電圧変換器３との両方の温度異常を検出し、保護する働きを有する。二次電池１が外部から物理的な損傷を受ける等、二次電池１が異常状態になり、温度が上昇した場合、温度保護素子２が溶断し、放電電流および充電電流を遮断する。また、電圧変換器３が故障し、その内部で短絡等の異常が発生し、異常発熱した場合、温度保護素子２が溶断し、放電電流および充電電流を遮断する。

温度保護素子２としては、温度ヒューズ、正特性サーミスタ（ＰＴＣ：Positive Temperature Coefficient）、サーモスタット等を用いることができる。温度ヒューズは、棒形状の低融点金属で構成されており、この低融点金属が高温時に溶断する。低融点金属の周囲には、フラックスが付着している。二次電池用の温度ヒューズの溶断温度は、約９０℃、約１００℃、約１３０℃などである。このような温度ヒューズの一例として、松下電子部品株式会社製のＥＹＰ２ＭＴ０９２がある。

正特性サーミスタ（ＰＴＣ）は、グラファイト、金属粉などの導体と樹脂とが混ざった構成をしており、温度が高温になると樹脂が膨張し、導体の接合密度が低くなり抵抗値が増大するものである。例えば、正特性サーミスタ（ＰＴＣ）の温度が２３℃からトリップ温度以上の１３０℃になると、抵抗値が２０mΩから２０Ωと約１０００倍以上になる。正特性サーミスタ（ＰＴＣ）の抵抗値が上昇するトリップ温度は、約１００℃〜約１３０℃である。このような正特性サーミスタ（ＰＴＣ）の一例として、タイコエレクトロニクスレイケム株式会社製のＶＴＰ２１０Ｓがある。

サーモスタットは、２種類の金属を張り合わせた金属の合板（バイメタル）と、バネ性を有する金属板とから構成されており、バイメタルおよび金属板のそれぞれにスイッチ接点が設けられている。バイメタルおよび金属板の一方は上下に動作し、その他方は固定されている。また、サーモスタットの種類によっては、バイメタルおよび金属板の一方にのみスイッチ接点が配置されているものもある。通常、バイメタルに設けられたスイッチ接点と、金属板に設けられたスイッチ接点とは接触状態であり、規定の温度に達すると、バイメタルが逆方向に反り返るように動作し、スイッチ接点が開放状態となる。そして、再び温度が正常状態に戻ると、バイメタルおよび金属板のそれぞれのスイッチ接点が接触状態となる。このようなサーモスタットの一例として、日本テキサス・インスツルメンツ株式会社製の１ＭＭがある。

電圧変換器３としては、種々の構成のものを使用できる。例えば、コンデンサとスイッチ素子を用いたチャージャーポンプ方式、ダイオードとインダクタとコンデンサとスイッチ素子を用いたステップアップコンバータ（ステップダウンコンバータ）、またはトランスとスイッチ素子を用いたスイッチングレギュレータを使用できる。さらに、圧電トランスを用いた圧電インバータ、またはバイポーラトランジスタ素子を用いたシリーズレギュレータを電圧変換器３として使用しても良い。電圧変換器３の厚さは、約０．５mm〜１０mmであり、一般的には、約１mmのものが使用される。そのため、電池パックに電圧変換器を内蔵するのは比較的容易である。なお、電圧変換器３は、放電用電圧変換器または充電用電圧変換器の何れを適用しても良いが、この一例では放電用電圧変換器を適用したものとする。

電圧変換器３は、その内部にＦＥＴ（Field Effect Transistor）やコンデンサを含んでいることがある。その内部のＦＥＴが破壊されると、ＦＥＴのドレイン−ソース間の抵抗値が増大し、異常発熱する可能性がある。また、コンデンサの内部電極の短絡が発生すると、コンデンサ内部に大きな電流が流れて、異常発熱する可能性がある。

なお、温度保護素子２と電圧変換器３との間に、絶縁板を配置しても良い。絶縁板の材質は、プラスチックまたは不織布である。プラスチックの一例として、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレン等があり、不織布の一例として、ガラス繊維等がある。

ここで、この第１の実施形態の回路の一例を図３に示す。二次電池１の正極とプラス外部端子７との間に、温度保護素子２が設けられる。二次電池１の負極からマイナス外部端子５が導出される。マイナス外部端子５とプラス外部端子７との間には、二次電池１の電池電圧が直接出力される。例えば、二次電池１の電池電圧は、２．５Ｖ〜４．３Ｖが適正状態の電圧値、すなわち過放電および過充電の何れでもない状態の電圧値と設定されている。

電圧変換器３の一方の電源端子が温度保護素子２を介して二次電池１の正極と接続され、その他方の電源端子が二次電池１の負極と接続される。なお、以下の説明でも同様であるが、電圧変換器の電源端子に供給される直流電圧は、電圧変換器の入力直流電圧となる。電圧変換器３の出力端子が電圧変換外部端子６として導出される。マイナス外部端子５と電圧変換外部端子６との間には、電圧変換器３によって定電圧制御され、電池電圧と異なる値の出力電圧が取り出される。

このように、温度保護素子２、二次電池１、および電圧変換器３のそれぞれは、電気的に接続されているため、電気的接続のための金属板や電線により熱が伝わるようになされている。熱的により強く結合させるためには、金属板の断面積を大きくし、距離を短くすれば良い。その金属板は、一般的にニッケルが使用されているが、銅、鉄、鉄合金等を使用しても良い。

なお、この実施形態では、二次電池１、温度保護素子２、および電圧変換器３は、熱的に結合させるために、後述する熱伝導性の高い接着剤が塗布され、電圧変換器３のヒートシンクとして二次電池１が使用される。熱伝導性の高い接着剤が塗布されることによって、温度保護素子２は、二次電池１および電圧変換器３とより強固に熱的に結合することができ、電圧変換器３のエネルギー変換効率を高くすることができる。

熱的に結合させるために塗布される熱伝導性の接着剤には、通常小さなアルミニウム粉が含まれており、熱伝導率を高くするために、細かな金属粉を含有させることが好ましい。さらに、この熱伝導性の接着剤の電気抵抗値は高く、略々絶縁物と同じ値となる。

また、熱的に結合させるため、温度保護素子２と電圧変換器３との間に、熱伝導性のゲル状の板を配置するようにしても良い。通常、熱伝導性のゲル状の板には、小さなアルミニウム粉が含まれており、熱伝導率を高くするために、細かな金属粉を含有させることが好ましい。さらに、この熱伝導性の接着剤の電気抵抗値は高く、略々絶縁物と同じ値となる。ゲル状の板は、電子部品の凹凸を吸収し、隙間を埋めるような形状に変化するため、温度保護素子２とその周囲の部品との熱結合が強固になる。

一例として、東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製の放熱用各種シリコーンを使用することができる。表１は、この放熱用各種シリコーンの分類とその特徴を示す。これら放熱用シリコーンは、通常のシリコーン熱伝導率を改良し、「熱放散性」を向上させたものであり、熱伝導率が高いという特徴がある。これら放熱用シリコーンは、パワートランジスタやサーミスタなどの熱源と、基板ないしは放熱板との間隔に設置することで、電子機器の熱放散を大きく向上させ、これら機器の軽薄短小化を可能にする。放熱用シリコーンは、ゴムタイプ、ゲルタイプ、オイルコンパウンドタイプの３種類がある。

具体的には、２液加熱硬化型放熱用シリコーンゲル（ＳＥ４４４５ＣＶＡ／Ｂ）を使用すると好適である。このシリコーンゲルの熱伝導率は、１．２６W/m・kであり優れている。また、このシリコーンゲルは、電気絶縁性に優れている、弾性に富んでいるため各種クリアランスに対応できるなどの特徴を有する。このシリコーンゲルを型に流し込んで長時間加熱して硬化し、板形状のゲルシートを製作する。製作した硬化物のゲルシートは、密着性、追随性、粘着性に優れた難燃タイプである。

また、例えば、東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製の速乾・非腐食性シリコーン接着剤（ＳＥ９１８４ＷＨＩＴＥＲＴＶ）を使用することができる。この接着剤は、１成分形室温硬化型シリコーン接着剤である。熱伝導率は、０．８４W/mK（２．０×１０^-3cal/cm・sec・℃）と高く、体積抵抗率は、１．０×１０¹⁵Ω・cmであり、放熱性にも優れているなどの特徴を有する。

また、例えば、ジーイー東芝シリコーン株式会社製の難燃性・半流動性一般工業用接着シール材（ＴＳＥ３８４３−Ｗ）を使用することができる。このシール材は、１成分オキシム型の液状シリコーンゴムである。このシール材は、チューブまたはカートリッジから押し出すだけで常温で硬化し、ゴム状弾性体となる。したがって、塗布後に乾燥させることで固体化する。熱伝導率は、０．８W/mK（１．９×１０^-3cal/cm・sec・℃）と高く、体積抵抗率は、２．０×１０¹⁵Ω・cmであり、放熱性にも優れているなどの特徴を有する。

また、例えば、株式会社ジェルテック製のラムダゲル（λＧＥＬ）を使用することができる。このラムダゲルは、ゲル状なので凹凸部品の隙間を埋め密着する。また、接触面に空気層が形成されず、電気絶縁性を有している。熱伝導率は、１．８W/m・kと高く、体積抵抗率は、３．４×１０¹²Ω・cmであり、放熱性にも優れているなどの特徴を有する。

また、例えば、株式会社寺岡製作所製の熱伝導性両面テープＮｏ７０９０を使用することができる。この熱伝導性両面テープＮｏ７０９０は、熱伝導率が１．０×１０^-3cal/cm・sec・℃と高いなどの特徴を有する。

このように、熱伝導率の高い接着剤を塗布したり、ゲル状の充填剤を充填したりすることによって、温度保護素子２は、電圧変換器３および二次電池１とより強く熱的に結合することができる。

ここで、この発明が適用される電池パックの第２の実施形態の構成について図４を参照して説明する。この電池パックは、二次電池１、温度保護素子２、電圧変換器３、および基板１１からなり、ケース４にはマイナス外部端子５、電圧変換外部端子６、およびプラス外部端子７が設けられる。このように、この第２の実施形態の電池パックは、第１の実施形態に基板１１を追加したものである。

基板１１には、電圧変換器３がマウントされる。参照符号１２で示すように、基板１１の端部で、基板１１に設けられた銅箔ランド（図示なし）と、温度保護素子２に電気的に接続された配線とが半田付けされる。基板１１の銅箔ランドには、電圧変換器３が電気的に接続されている。

なお、図４に示すように、温度保護素子２は、二次電池１および電圧変換器３の両方に、距離的に近くに配置されている。例えば、温度保護素子２および電圧変換器３は、二次電池１の外装ケースの面に物理的に接触するように配置される。また、図示しないが、二次電池１の端部に設けられた金属フィルム、例えばラミネートフィルムの溶着部に温度保護素子２および電圧変換器３を配置するようにしても良い。

従って、図４に示すように、二次電池１、温度保護素子２、および電圧変換器３を有する電池パックにおいて、温度保護素子２が二次電池１および電圧変換器３の両方に熱的に結合している。

この発明が適用される電池パックの第２の実施形態の他の例の構成について図５を参照して説明する。この図５の他の例は、上述の図４の構成と比較すると、基板１１にマウントした電圧変換器３を温度保護素子２側に配置したものである。図５に示すように、温度保護素子２と電圧変換器３とが物理的に接触している。このため、温度保護素子２と電圧変換器３とが熱的により強く結合している。上述の図４と同様に、参照符号１２で示すように、基板１１の端部で、基板１１に設けられた銅箔ランド（図示なし）と、温度保護素子２に電気的に接続された配線とが半田付けされる。基板１１の銅箔ランドには、電圧変換器３が電気的に接続されている。

なお、図５に示すように、温度保護素子２は、二次電池１および電圧変換器３の両方に、距離的に近くに配置されている。例えば、温度保護素子２および電圧変換器３は、二次電池１の外装ケースの面に物理的に接触するように配置される。また、図示しないが、二次電池１の端部に設けられた金属フィルム、例えばラミネートフィルムの溶着部に温度保護素子２および電圧変換器３を配置するようにしても良い。

従って、図５に示すように、二次電池１、温度保護素子２、および電圧変換器３を有する電池パックにおいて、温度保護素子２が二次電池１および電圧変換器３の両方に熱的に結合している。

この発明が適用される電池パックの第３の実施形態の構成について図６を参照して説明する。この電池パックは、二次電池１、温度保護素子２、放電用電圧変換器２１、および充電用電圧変換器２２からなり、ケース４にはマイナス外部端子５、放電用外部端子２３、および充電用外部端子２４が設けられる。このように、この第３の実施形態の電池パックは、第１の実施形態と比較すると、放電用および充電用のそれぞれ２つの電圧変換器を使用したものである。

二次電池１の正極と放電用外部端子２３との間には、温度保護素子２および放電用電圧変換器２１が直列に接続される。また、二次電池の正極と充電用外部端子２４との間には、温度保護素子２および充電用電圧変換器２２が直列に接続される。マイナス外部端子５は、二次電池１の負極から導出される。

なお、図６に示すように、温度保護素子２は、二次電池１、放電用電圧変換器２１、および充電用電圧変換器２２の全てに、距離的に近くに配置されている。例えば、温度保護素子２、放電用電圧変換器２１、および充電用電圧変換器２２は、二次電池１の外装ケースの面に物理的に接触するように配置される。また、図示しないが、二次電池１の端部に設けられた金属フィルム、例えばラミネートフィルムの溶着部に温度保護素子２、放電用電圧変換器２１、および充電用電圧変換器２２を配置するようにしても良い。

従って、図７に示すように、二次電池１、温度保護素子２、放電用電圧変換器２１、および充電用電圧変換器２２を有する電池パックにおいて、温度保護素子２が二次電池１、放電用電圧変換器２１、および充電用電圧変換器２２の全てに熱的に結合している。

ここで、この第３の実施形態の回路の一例を図８に示す。放電用電圧変換器２１の一方の電源端子が温度保護素子２を介して二次電池１の正極と接続され、その他方の電源端子が二次電池１の負極と接続される。放電用電圧変換器２１の出力端子が放電用外部端子２３として導出される。二次電池１の負極からマイナス外部端子５が導出される。マイナス外部端子５と放電用外部端子２３との間には、放電用電圧変換器２１によって定電圧制御され、電池電圧と異なる値の出力電圧が取り出される。

また、二次電池１の電池電圧が所定値以下、いわゆる過放電になるような場合、放電用電圧変換器２１の動作を停止させて、二次電池１を過放電から保護することができる。

充電用電圧変換器２２の入力端子は充電電圧が供給される充電用外部端子２４と接続され、その他方の電源端子はマイナス外部端子５と接続される。また、充電用電圧変換器２２の他方の電源端子は、二次電池１の負極と接続される。充電用電圧変換器２２の出力端子は、二次電池１の正極と接続される。

充電用電圧変換器２２では、充電器（図示なし）からマイナス外部端子５および充電用外部端子２４から充電電圧が供給され、供給された充電電圧に応じて二次電池１が充電される。

また、充電器から過充電となる電圧および電流が供給されても、充電用電圧変換器２２で最適な電圧および電流を二次電池１に対して供給することができるので、二次電池１を過充電から保護することができる。

このように図７に示す回路の他の例では、放電用電圧変換器２１によって二次電池１を過放電から保護することができ、充電用電圧変換器２２によって二次電池１を過充電から保護することができる。従って、放電制御用のＦＥＴおよび充電制御用のＦＥＴを省略できる。

なお、二次電池１、温度保護素子２、放電用電圧変換器２１、および充電用電圧変換器２２を熱的に結合させるために、熱伝導性の高い接着剤が塗布される。それによって、放電用電圧変換器２１および充電用電圧変換器２２の発熱を二次電池１を介して放熱することができ、放電用電圧変換器２１および充電用電圧変換器２２のエネルギー変換効率を高くすることができる。

この発明が適用される電池パックの第４の実施形態の構成について図９を参照して説明する。この電池パックは、二次電池１、温度保護素子２、電圧変換器３、および二次電池保護回路３１からなり、ケース４にはマイナス外部端子５、電圧変換外部端子６、およびプラス外部端子７が設けられる。このように、この第４の実施形態の電池パックは、第１の実施形態に二次電池保護回路３１を追加したものである。

二次電池保護回路３１は、二次電池１の負極とマイナス外部端子５との間に設けられる。また、二次電池保護回路３１は、温度保護素子２を介して二次電池１の正極と接続され、さらに温度保護素子２および電圧変換器３を介して二次電池１の正極と接続される。この二次電池保護回路３１は、二次電池１が過電圧充電された場合、スイッチ素子を開放状態に切り替える、すなわち二次電池１が過電圧充電されることを防止する機能（過電圧充電保護機能）と、二次電池１が過電圧放電された場合、スイッチ素子を開放状態に切り替える、すなわち二次電池１が過電圧放電されることを防止する機能（過電圧放電機能）とを有する。

このとき二次電池保護回路３１で使用されるスイッチ素子は、ＦＥＴが一般的である。このＦＥＴが破壊されると、ＦＥＴのドレイン−ソース間の抵抗値が増大し、異常発熱する可能性がある。

なお、図９に示すように、温度保護素子２は、二次電池１、電圧変換器３、および二次電池保護回路３１の全てに、距離的に近くに配置されている。例えば、温度保護素子２、電圧変換器３、および二次電池保護回路３１は、二次電池１の外装ケースの面に物理的に接触するように配置される。また、図示しないが、二次電池１の端部に設けられた金属フィルム、例えばラミネートフィルムの溶着部に温度保護素子２、電圧変換器３、および二次電池保護回路３１を配置するようにしても良い。

従って、図１０に示すように、二次電池１、温度保護素子２、電圧変換器３、および二次電池保護回路３１を有する電池パックにおいて、温度保護素子２が二次電池１、電圧変換器３、および二次電池保護回路３１の全てに熱的に結合している。

ここで、この第４の実施形態の回路の一例を図１１に示す。二次電池１の正極とプラス外部端子７との間に、温度保護素子２および二次電池保護回路３１が設けられる。二次電池１の負極とマイナス外部端子５との間に、二次電池保護回路３１が設けられる。マイナス外部端子５とプラス外部端子７との間には、二次電池１の電池電圧が直接出力される。例えば二次電池１の電池電圧は、２．５Ｖ〜４．３Ｖが適正状態の電圧値、すなわち過放電および過充電の何れでもない状態の電圧値と設定されている。

電圧変換器３の一方の電源端子が温度保護素子２および二次電池保護回路３１を介して二次電池１の正極と接続され、その他方の電源端子が二次電池保護回路３１を介して二次電池１の負極と接続される。電圧変換器３の出力端子が電圧変換外部端子６として導出される。マイナス外部端子５と電圧変換外部端子６との間には、電圧変換器３によって定電圧制御され、電池電圧と異なる値の出力電圧が取り出される。

二次電池保護回路３１は、一例として保護回路３２、ＦＥＴ３３、３５、寄生ダイオード３４、および３６から構成される。保護回路３２の一方の電源端子が温度保護素子２を介して二次電池１の正極と接続され、その他方の電源端子が二次電池１の負極と接続される。二次電池１の負極とマイナス外部端子５が放電電流用のスイッチ３３および充電電流用のスイッチ３５を介して接続される。

スイッチ３３および３５は、例えばＮチャンネル型のＦＥＴにより構成され、スイッチ３３および３５と並列に寄生ダイオード３４および３６が接続される。スイッチ３３および３５が保護回路３２からの放電制御信号３７および充電制御信号３８によってそれぞれ制御される。

保護回路３２は、一般的な回路構成であり、保護回路３２によってスイッチ３３および３５が制御され、過充電保護、過放電保護および過電流保護がなされる。電池電圧が設定電圧範囲内の通常状態であれば、放電制御信号３７および充電制御信号３８が共に"1"（論理的なレベルを意味する）となり、スイッチ３３および３５がオン状態とされる。したがって、二次電池１から負荷への放電と、充電器から二次電池１への充電が自由に行える。

二次電池１の電池電圧が設定電圧範囲より高いと、例えば電池電圧が４．３Ｖ以上になると、充電制御信号３８が"0"となり、スイッチ３５がオフとされ、充電が禁止される。
このようにして、二次電池１の電池電圧が異常に高い場合に、充電を停止させて、二次電池１の劣化を防止する。負荷への放電は、寄生ダイオード３６を介して行われる。

二次電池１の電池電圧が設定電圧範囲より低いと、例えば電池電圧が２．５Ｖ以下になると、放電制御信号３７が"0"（論理的なレベルを意味する）となり、スイッチ３３がオフとされ、放電電流が流れることを禁止する。このようにして、二次電池１の電池電圧が低い場合に、放電を停止させて、二次電池１の劣化を防止する。その後充電器を接続すると、寄生ダイオード３４を介して充電がなされる。

さらに、マイナス外部端子５およびプラス外部端子７の間が短絡されると、過大放電電流が流れ、ＦＥＴが破壊される可能性があるので、放電電流が所定の電流値に達すると、放電制御信号３７が"0"となり、スイッチ３３がオフとされ、放電電流が流れることを禁止する。

なお、二次電池１、温度保護素子２、電圧変換器３、および二次電池保護回路３１は、熱的に結合させるために、熱伝導性の高い接着剤が塗布される。それによって、電圧変換器３の発熱を二次電池１を介して放熱することができ、電圧変換器３のエネルギー変換効率を高くすることができる。

ここで、この実施形態で使用される接着剤等について説明する。図１２に示す特性図は、ケース４と二次電池１との隙間に接着剤を塗布し、電池パックの周囲温度である雰囲気温度４５℃における高負荷電流５．８Ａの放電をしたときの二次電池１の温度曲線ａ、ｂ、およびｃと、電池パックのプラス外部端子７およびマイナス外部端子５の間の電圧曲線ｄとを示す。

温度曲線ａは、ソニーケミカル株式会社製のＳＣ９０１を使用したときの温度変化を示す。このＳＣ９０１は、熱伝導率が０．８４W/m・K（２．０×１０^-3cal/cm・sec・℃）、比重が１．６５、金属粉(アルミニウム粉)が５０重量％、接着力（引っ張り強さ）が２．９ＭＰａであり、乾燥時に体積膨張しないシリコン接着剤である。時間経過と共に二次電池１の温度が上昇し、放電末期における二次電池１の温度は約５７．６℃になる。

温度曲線ｂは、セメダイン株式会社製のスーパーＸを使用したときの温度変化を示す。このスーパーＸは、熱伝導率は０．２W/m・K（０．４８×１０^-3cal/cm・sec・℃）であり、極めて熱伝導性の悪い接着剤である。時間経過と共に二次電池１の温度が上昇し、放電末期における二次電池１の温度は約６１．６℃になる。

温度曲線ｃは、熱伝導率が０．４W/m・K（０．９６×１０^-3cal/cm・sec・℃）の接着剤を使用したときの温度変化を示す。この接着剤は、金属粉（アルミニウム粉）が２０重量％、シリコーン８０重量％のものであり、接着力は２ＭＰａ以上であり、乾燥時に体積拡張しない接着剤である。時間経過と共に二次電池１の温度が上昇し、放電末期における二次電池１の温度は約６０．２℃になる。

このように、接着剤の熱伝導率の差によって放電末期における二次電池１の温度が異なる。そこで、この実施形態では、温度保護素子２が二次電池１および電圧変換器３をより強く熱的に結合させるために、熱伝導性の高い接着剤として、例えば熱伝導率が０．４W/m・K（０．９６×１０^-3cal/cm・sec・℃）以上のものが使用される。

この実施形態では、電池パックから出力される電圧は、異なる２つの電圧としたが、３つ以上の異なる電圧を出力するようにしても良い。その場合、複数の電圧変換器を設けるようにしても良いし、１つの電圧変換器から複数の異なる電圧を出力するようにしても良い。

この発明は、上述したこの発明の実施形態等に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

この発明が適用される第１の実施形態の電池パックの構成について説明するための概略図である。この発明が適用される第１の実施形態の熱的結合について説明するための概略図である。この発明が適用される第１の実施形態について説明するための回路図である。この発明が適用される第２の実施形態の電池パックの構成について説明するための概略図である。この発明が適用された第２の実施形態の電池パックの他の例の構成について説明するための概略図である。この発明が適用される第３の実施形態の電池パックの構成について説明するための概略図である。この発明が適用される第３の実施形態の熱的結合について説明するための概略図である。この発明が適用される第３の実施形態について説明するための回路図である。この発明が適用される第４の実施形態の電池パックの構成について説明するための概略図である。この発明が適用される第４の実施形態の熱的結合について説明するための概略図である。この発明が適用される第４の実施形態について説明するための回路図である。この発明に適用される接着剤について説明するための特性図である。

符号の説明

１二次電池
２温度保護素子
３電圧変換器
４ケース
５マイナス外部端子
６電圧変換外部端子
７プラス外部端子

Claims

二次電池が内蔵された電池パックにおいて、
１以上の電圧変換器と、
上記二次電池および上記電圧変換器の温度を検出する温度保護素子と、
２以上の異なる電圧を出力する複数の出力端子とを有し、
上記温度保護素子が上記二次電池および上記電圧変換器の両方に熱的に結合するようにした電池パック。
さらに、上記二次電池を保護する二次電池保護手段を有し、
上記温度保護素子が上記二次電池、上記電圧変換器、および上記二次電池保護手段の全てに熱的に結合するようにした請求項１に記載の電池パック。
上記温度保護素子の周囲に熱伝導率が０．４W/m・K以上の接着剤を塗布するようにした請求項１に記載の電池パック。
上記温度保護素子の周囲に熱伝導率が０．４W/m・K以上のゲル状の充填剤を充填するようにした請求項１に記載の電池パック。
上記二次電池と、上記電圧変換器と、上記温度保護素子とが共通のケース内に収納された請求項１に記載の電池パック。
上記電圧変換器および上記温度保護素子は、上記二次電池の外装ケースの面に接触するように配置される請求項１に記載の電池パック。
上記電圧変換器および上記温度保護素子は、上記二次電池の端部の金属フィルム溶着部に接触するように配置される請求項１に記載の電池パック。
二次電池が内蔵された電池パックにおいて、
上記二次電池の放電時に使用する放電用電圧変換器と、
上記二次電池の充電時に使用する充電用電圧変換器と、
上記二次電池、上記放電用電圧変換器、および上記充電用電圧変換器の温度を検出する温度保護素子とを有し、
上記温度保護素子が上記二次電池、上記放電用電圧変換器、および上記充電用電圧変換器に熱的に結合するようにした電池パック。
さらに、上記二次電池を保護する二次電池保護手段を有し、
上記温度保護素子が上記二次電池、上記放電用電圧変換器、上記充電用電圧変換器、および上記二次電池保護手段の全てに熱的に結合するようにした請求項８に記載の電池パック。
上記温度保護素子の周囲に熱伝導率が０．４W/m・K以上の接着剤を塗布するようにした請求項８に記載の電池パック。
上記温度保護素子の周囲に熱伝導率が０．４W/m・K以上のゲル状の充填剤を充填するようにした請求項８に記載の電池パック。
上記二次電池と、上記放電用電圧変換器と、上記充電用電圧変換器と、上記温度保護素子とが共通のケース内に収納された請求項８に記載の電池パック。
上記放電用電圧変換器、上記充電用電圧変換器、および上記温度保護素子は、上記二次電池の外装ケースの面に接触するように配置される請求項８に記載の電池パック。
上記放電用電圧変換器、上記充電用電圧変換器、および上記温度保護素子は、上記二次電池の端部の金属フィルム溶着部に接触するように配置される請求項８に記載の電池パック。