JP2006092935A

JP2006092935A - 電池パック

Info

Publication number: JP2006092935A
Application number: JP2004277675A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Toge; 真一峠; Hitoshi Nakamura; 仁志中村; Yoshiyuki Konishi; 善之小西; Takuya Kitamura; 拓也北村; Kaname Chiba; 要千葉; Taku Kawashima; 卓川島
Original assignee: Teijin Pharma Ltd; Solectron KK
Current assignee: Teijin Pharma Ltd; Solectron KK
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06

Abstract

【課題】安全性を確保すべく密閉構造を取った上で、発熱による電池及び電池周囲温度の上昇を抑制し、充放電特性の低下及び寿命劣化を防ぐことができ、高電流を必要とするような電子機器にも使用できるような電池パックを提供することを目的とする。
【解決手段】複数の円筒形電池１２、金属製放熱板、及び電気絶縁性材料を含む電池パック１０であり、前記電気絶縁性材料は前記金属製放熱板と前記円筒形電池側面との間に密着し、前記金属製放熱板は前記円筒形電池の側面に沿う複数の円弧状断面を持ち、隣接する本体部の中心を結んだ距離が、前記円弧の内径（直径）よりも長いことを特徴とする電池パックを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器の電源として使用される電池、および、それを収納する電池パックの放熱に関する。更に詳細には、電子機器の電源として使用される円筒形リチウムイオン２次電池、および、それを収納する電池パックの放熱に関する。

近年、ノートパソコン、携帯電話、ＣＤプレーヤー、ビデオカメラなどの携帯型電子機器の普及に伴い、それら携帯型電子機器の電源として、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の２次電池の需要が急速に増えつつある。中でも、装置の小型軽量化を狙い、高電圧、高エネルギ密度のリチウムイオン２次電池を搭載した携帯型電子機器が増えている。

これらの電池は、使用用途に合わせ複数の電池を直列または並列に接続することで、様々な電圧および容量に対応することが可能となり、幅広い分野の電子機器に用いられている。また、電池表面に何らかの導電体が接触しショートする危険性を防ぐため、上記複数の電池をＡＢＳ樹脂などの電気絶縁性を有する材料によって密閉された電池パックの状態で使用されることが多い。また、電池パックを小型化すべく、電池パック内では、複数の電池を隣接させて配列することで最密構造を成したものが通例である。

然しながら、電池は充放電時に化学反応熱や内部抵抗によるジュール熱を発生するため、しばしば電池パックの放熱が課題になる。密閉構造の電池パックは放熱性が悪く、また、電気絶縁性を兼ね備えるべく樹脂で作られた電池パック筐体は一般的に熱伝導率が低いため、断熱及び保温性を持ち、結果として電池パック内部に熱を閉じ込めてしまう。更に、パック内部で隣接する電池同士が互いに発生した熱を受熱し合うことにより、電池および電池周囲の温度が著しく上昇するケースがある。

一般的に、電池は高温状態で使用すると充電特性が低下し電池容量が低下すると伴に、寿命が短くなるという問題が発生する。また、電池パック自体が高温になると、電子機器内の電池パック周囲部品に熱が伝わって電子機器自体の温度が上昇し、電子機器が熱により損傷することがある。

また、電池は高負荷（高電流／高電力）で使用するほど内部抵抗によるジュール熱の発生が高くなるので、電池パックを高負荷での使用するためには、電池パックの放熱性能を十分に確保しなければならない。しかるに、従来技術の電池パックでは、十分な放熱が確保できないために、高電流を必要とする電子機器では電池を使用できないという問題がある。

特許文献１は、複数の電池を収納する筐体を熱伝導率が０．４〜１．２Ｗ／ｍ・Ｋの樹脂をにより形成し、電池及び電池周囲の温度を抑制するようにした電池パックが開示されている。然しながら、０．４〜１．２Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率では十分な放熱を確保できず、かつ、特許文献１の構成では、電池と筐体の空間に熱伝導率の極めて低い空気層（熱伝導率０．０２〜０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ）が介在しいるために、電池の熱が筐体外表面まで十分に伝わらず、従って十分な放熱が得られない。

また、特許文献２は、電池側面に沿った形状の波型金属製放熱板を、熱伝導率が高い電気絶縁材料を介して電池側面に配設し、波型金属製放熱板と電池を密着させて、放熱板と電池との間に空気層を介在させない構造とした電池パックが開示されている。然しながら、この発明では、複数の電池が近接して配置されるために、電池同士で熱を互いに受熱し合い、電池同士の近接部位付近および波型金属製放熱板の谷となった部分に熱がこもってしまう問題がある。

特開２００２−３０４９７４号公報特開２００２−２１６７２６号公報

このように、従来技術による電池パックの構造では、温度上昇の問題に関して十分な対策を図ることができなかった。特に、ショート等の危険性を防ぐため密閉構造としているために、電池パック内が保温状態になりやすいことが問題解決の主な障壁になっており、安全性確保と冷却の両立が成しえなかった。

本発明は、発熱による電池及び電池周囲温度の上昇を抑制して、電池の性能低下及び寿命劣化を防ぐことができるのうした電池パックを提供することを目的とする。

本発明者はかかる課題に対して鋭意検討した結果、以下の電池パックを見出した。すなわち本発明は、複数の円筒形電池、前記円筒形電池を収納し放熱を行う複数の円弧状断面を有する金属製放熱板、及び前記金属製放熱板と前記円筒形電池側面との間に密着する電気絶縁性材料を備えた電池パックにおいて、前記金属製放熱板は前記円筒形電池の側面に沿う複数の円弧状断面を持ち、かつ隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも長いことを特徴とする電池パックを提供するものである。

また本発明は、かかる隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも１ｍｍから１０ｍｍ長いことを特徴とし、前記金属性放熱板の断面形状が複数の円弧および円弧同士を結ぶ直線形状を有することを特徴とする電池パックを提供するものである。

また本発明は、かかる円筒形電池がリチウムイオン２次電池であり、平面状に配列されたことを特徴とする電池パックを提供するものである。

また本発明は、複数の円筒形電池、前記円筒形電池を収納し放熱を行う複数の円弧状断面を有する金属製放熱板、及び前記金属製放熱板と前記円筒形電池側面との間に密着する電気絶縁性材料を備え、前記金属製放熱板は前記円筒形電池の側面に沿う複数の円弧状断面を持ち、かつ隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも長い電池パックを内蔵または嵌め込んで用いる電子機器であり、前記金属製放熱板が電子機器の装置内部側に配置され、前記金属製放熱板表面を強制冷却する冷却手段を備えることを特徴とする電子機器を提供するものである。

また本発明は、かかる電池パックの隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも１ｍｍから１０ｍｍ長いことを特徴とし、前記金属性放熱板の断面形状が複数の円弧および円弧同士を結ぶ直線形状を有することを特徴とするものであり、更に前記冷却手段が、前記金属製放熱板に対して風を吹き付ける送風手段であることを特徴とする電子機器を提供するものである。

円筒形電池の外側面に沿う複数の円弧状断面を持つ金属製放熱板、円筒形電池と金属製放熱板の隙間に介在する電気絶縁性材料、およびケースを備え、金属製放熱板の隣接する本体部の中心間距離が円筒形電池の直径よりも長いことを特徴とする電池パックとすることで、従来の電池パックよりも冷却効果が高まる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
本発明の電池パック１０は、円筒形電池１２の外側面に沿う複数の円弧状の断面を持つ金属製放熱板２００、円筒形電池１２と金属製放熱板２００の隙間に介在する電気絶縁性材料２２、およびケース１６、１８を備え、後述するように金属製放熱板２００の隣接する本体部の中心間距離Ｌが円筒形電池１２の直径よりも長いことを特徴とする。

図１を参照して、電池パック１０を更に詳細に説明する。電池パック１０は複数の円筒形電池１２を収納可能となっており、該複数の円筒形電池１２は、必要な電圧および電池容量に応じ、直列、または並列、または直列と並列の組合せとなるように電気的に接続される。複数の円筒形電池１２の電気的接続には、導電材料からなり電池配列に合わせて設計されたタブが用いられる。

図１の電池パックは、４本の円筒形電池１２を一組とする四組の電池群で構成されており、タブ１４ａおよび、タブ１４ｂの２種類の寸法のタブが用いられる。タブ１４ａ、１４ｂは、それぞれ電池の端子側に溶着することで電池同士を電気的に接続する。なお、タブ１４ａ、１４ｂは、電気抵抗の小さい形状および材質のタブを用いることが好ましい。

タブ１４ａ、１４ｂによって接続された円筒形電池１２の各々の側面の一部には、電気絶縁材料２６を介して金属製放熱板２０が配設される。電気絶縁材料２６に求められる主な機能は、(1)円筒形電池１２と金属製放熱板２０とを電気的に絶縁してショートの危険を防ぐことと、(2)円筒形電池１２の充放電によって発生した熱を金属製放熱板２０に伝えることである。

熱伝導を良くするために、電気絶縁材料２６は、熱伝導率が高く、できるだけ薄い材料を用いるのが好ましい。また、円筒形電池１２と電気絶縁材料２６の界面、および、電気絶縁材料２６と金属製放熱板２０の界面の接触熱抵抗を低減するために、電気絶縁材料２６は、両面に粘着性を有する柔軟性のあるシート状の材料を使用するのが好ましい。電気絶縁材料２６としては、例えば、住友３Ｍ社製熱伝導シート「ハイパーソフト放熱材Ｎ０．５５０９」等を使用することができる。

金属製放熱板２０は、図２、３に示すように、円筒形電池１２の側面に沿う円弧断面を有した複数の本体部２２と、本体部２２間を連結する連結部２４とを具備している。本体部２２は、円筒形電池１２の中心軸に対して垂直な平面で切断した断面が円弧形状、好ましくは半円形となっており、円筒形電池１２の側面に面した内面は円筒形電池１２の外径に等しいか若干大きな内径を有している。また、本体部２２は、隣接する本体部２２の中心Ｏの間の距離距離Ｌは、円筒形電池１２の外径よりも長くなっている。

従来の電池パックの放熱板は、隣接する電池が、同電位の場合は隣接する本体部の中心間距離が円筒形電池の直径と等しく、異電位の場合は絶縁物等を配置するスペースが確保されている等して、円筒形電池の側面同士は略接触していた。円筒形電池の側面が互いに接触するようにした従来の電池パックにおいて、充放電中の表面温度分布をサーモグラフィーにて測定した。その結果、側面が互いに接触するように複数の円筒形電池を配置した場合には、電池間の接触点付近に熱がこもり十分な放熱ができていないことが明かになった。つまり、隣接する本体部の中心間距離が円筒形電池の直径と等しいような放熱板を有する電池パックでは、放熱板断面において円弧と円弧の谷の部分に熱がこもってしまい、放熱板の効果が半減してしまう。本発明では、この点を解消すべく、隣接する円弧の中心線を結ぶ距離が円筒形電池の直径よりも長いことを特徴とし、好ましくは１〜１０ｍｍ長いことを特徴とする。

金属性放熱板２０の各本体部２２の円弧形状は、使用する円筒形電池１２の側面に沿うように成型し、放熱効率を上げるために半円弧形状とすることが好ましい。従って図２に示すように半円弧および直線部分の繰り返し構造とすることで本体部２２の間に空間が形成され、送風などによる冷却風の通り道を形成することが出来る。

また、上述したように、円筒形電池１２の両端面は、タブ１４ａ、１４ｂを介して電極面が剥き出しになっており、ショートの危険性が高い部分である。また、タブ１４ａ、１４ｂの形状が単純でないこともあり、金属製放熱板２０の本体部２２は、円筒形電池１２の軸方向に円筒形電池１２よりも短く形成して、本体部２２の両端部が円筒形電池１２の両端面に近接しないようにすることが好ましい。また、放熱性の観点からは、金属製放熱板２０は薄いほど良いが、円筒形電池１２を保持可能な強度を有する程度の厚みが必要がある。また、金属製放熱板２０は、アルミニウム、銅、鉄など様々な金属から形成することができる。

電気絶縁材料２６および金属製放熱板２０を貼り付けた複数の円筒形電池１２は、最終的には樹脂製の筐体内に収納される。本実施形態において、この筐体は、ボトムケース１６とトップケース１８とを具備している。ボトムケース１６は、矩形の底板１６ａと、該底板１６ａの四囲に沿って延設された周壁１６ｂとを具備し、底板１６ａには、収納される円筒形電池１２の間に突き出るように複数の補強リブ１６ｃが円筒形電池１２の軸方向に延設されている。

トップケース１８は、ボトムケース１６の周壁１８ｂと嵌合する矩形の周壁１８ｅと、周壁１８ｅに連結され円筒形電池１２の両端に隣接する部分をボトムケース１６に押圧する押え板１８ａ、１８ｃと、隣接する押え板１８ａ、１８ｃの間に設けられた補強部１８ｂ、１８ｄとを具備している。押え板１８ａ、１８ｃは、円筒形電池１２の両端に隣接する部分のみならず、金属製放熱板２０の両端に隣接する部分をも円筒形電池１２へ押圧するようにしてもよい。本実施形態によれば、金属製放熱板２０は押え板１８ａ、１８ｃの間から筐体外部へ露出するので、この露出した部分から電池パック１０の放熱が促進される。

トップケース１８の押え板１８ａ、１８ｃは、その側縁部に沿って隣接する押え板１８ａ、１８ｃに連結するようにして、トップケース１８をボトムケース１６に取付けたときに、電池パック１０の内が密封されるようになっている。そのために、トップケース１８と金属製放熱板２０の接触部分、および、トップケース１８とボトムケース１６の接触部分は、電池パックが密閉構造となるように例えば接着剤で固定することができる。また、トップケース１８とボトムケース１６との間にガスケットを挟んで両者をネジ等の固定具で着脱自在に固定することにより、電池パックをメンテナンス可能な構造としてもよい。電池パック１０を密閉構造とすることにより、電池１２の表面に何らかの導電体が接触しショートしたり、電池１２が液漏れをしたときに液が外部へ漏洩したりすることが防止される。

また、外部への電気供給のインターフェースとなる端子や制御基盤など、電池パック１０の駆動に必要な部品は筐体１６、１８内に組み込んでも良い。また、複数の円筒形電池１２は使用用途に応じて様々に配列されるが、冷却効果を考えると、複数段重ねて配置するよりも平面状に配置するほうが良い。

図４は、本発明の電池パックを組み込んだ電子機器の一例である。この電子機器１００は、中空状のケーシング１０２内に配設された電子部品１０６、１０８と、冷却ファン１０４とを具備し、本発明の電池パック１０が、ケーシング１０２内において冷却ファン１０４に対面させて配置されている。より詳細には、電池パック１０は、金属製放熱板２０のある側（トップケース側）を電子機器１００の内側を向くように、ボトムケース１６側を電子機器のケーシング１０２に接するようにしてケーシング１０２内に取り外せないように或いは着脱自在に固定されている。ケーシング１０２に開口部（図示せず）を設けて、外部から電池パック１０のボトムケース１６にアクセスできるようにしてもよい。

ケーシング１０２の入口開口部１０２ａから冷却ファン１０４によって吸い込まれた冷却風が、電子機器１００の内部を流通し、電子部品１０６、電池パック１０、電子部品１０８を冷却して、ケーシング１０２の出口開口部１０２ｂから外部に排気される。この冷却風は、電池パック１０の金属放熱板２０に当たるが、その際、金属放熱板２０の表面の熱伝達係数を高くするように、金属放熱板２０に冷却風が垂直に当たるような構造を取るのが好ましい。そのために、例えば、図４に示すように、金属製放熱板２０の直前に冷却ファン１３を設けて冷却風を吹き付けることもできるが、内部レイアウトに応じて冷却ファン１３を引っ張りとして使用することも可能である。

本発明の電子機器１００としては医療用酸素濃縮装置があり、電池パック１０を搭載することにより酸素濃縮装置の携帯使用、或いは緊急時のバッテリー搭載仕様として使用することが出来る。またその他ノートパソコン、携帯電話、ＣＤプレーヤー、ビデオカメラなど各種電子機器として上記電池パックを搭載することが出来る。

円筒形電池の外側面に沿う複数の円弧状断面を持つ金属製放熱板、円筒形電池と金属製放熱板の隙間に介在する電気絶縁性材料、およびケースを備え、金属製放熱板の隣接する本体部の中心間距離が円筒形電池の直径よりも長いことを特徴とする電池パックとすることで、従来の電池パックよりも冷却効果が高まる。本発明の効果を検証するため実験を行った。

本発明の実施態様として、リチウムイオン２次電池（Φ１９ｍｍ×６５ｍｍ）を用いて、４本組み、４群、計１６本を図１に示すような配列として電池パックを作製した。放熱板にはアルミ製の金属製放熱板を使用し、図２に示すように半円弧形状の断面形状とし、住友３Ｍ社製熱伝導シート「ハイパーソフト放熱材Ｎ０．５５０９」を使用して厚さ５ｍｍで金属製放熱板と電池を密着させた。

そして(1)放熱板の無い従来の樹脂製密閉電池パック、(2)金属製放熱板の隣接する本体部２２の中心Ｏを結んだ距離Ｌが円筒形電池の直径と等しい従来の電池パック、(3)本発明の電池パック、の３種類において、金属製放熱板側に０．２ｍ³／分の冷却風を同様に当てながら放電させた時の、電池パック内円筒形電池の表面の最高温度を比較した。図５に示すように実験の結果、本発明の電池パックが他に比べて最も温度が低く、十分な冷却効果があることが明かになった。

また、金属製放熱板の隣接する本体部の中心間距離Ｌと円筒形電池の直径とが、どの程度の差が効果的かを調べる実験も行った。図６は、２本の隣接する電池の間の距離を変えながら、自然対流状態にて放電した時の電池表面温度の比較結果である。距離がゼロ、即ち、金属製放熱板の隣接する本体部の中心Ｏを結んだ距離Ｌと円筒形電池の直径が等しい場合に比べ、１０ｍｍ程度まで距離を広げるほど冷却効果が上がり、その後効果が飽和していることから、本発明の冷却効果を裏付けることができる。隣接する本体部の中心Ｏの距離は１ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上とするのが好ましい。

本発明の電池パック概略図。図１の矢視線II-IIに沿う本発明の電池パック断面図。金属製放熱板の断面図。電子機器に組み込んだ電池パックの一例。本発明と従来電池パックの比較実験結果。隣接する円筒形電池の距離と発熱の関係。

符号の説明

１０電池パック
１２円筒形電池
１４ａタブ
１４ｂタブ
１６ボトムケース
１８トップケース
２０金属製放熱板
２２電気絶縁材料
１００電子機器
１０２ケーシング
１０４冷却ファン
１０６電子部品
１０８電子部品
Ｌ隣接する本体部の中心間距離
Ｏ放熱板の円弧中心

Claims

複数の円筒形電池、前記円筒形電池を収納し放熱を行う複数の円弧状断面を有する金属製放熱板、及び前記金属製放熱板と前記円筒形電池側面との間に密着する電気絶縁性材料を備えた電池パックにおいて、前記金属製放熱板は前記円筒形電池の側面に沿う複数の円弧状断面を持ち、かつ隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも長いことを特徴とする電池パック。
前記隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも１ｍｍから１０ｍｍ長いことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
前記金属性放熱板の断面形状が複数の円弧および円弧同士を結ぶ直線形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電池パック。
前記円筒形電池が平面状に配列されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の電池パック。
前記電池が、リチウムイオン２次電池であることを特徴とした請求項１〜４のいずれかに記載の電池パック。
複数の円筒形電池、前記円筒形電池を収納し放熱を行う複数の円弧状断面を有する金属製放熱板、及び前記金属製放熱板と前記円筒形電池側面との間に密着する電気絶縁性材料を備え、前記金属製放熱板は前記円筒形電池の側面に沿う複数の円弧状断面を持ち、かつ隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも長い電池パックを内蔵または嵌め込んで用いる電子機器であり、前記金属製放熱板が電子機器の装置内部側に配置され、前記金属製放熱板表面を強制冷却する冷却手段を備えることを特徴とする電子機器。
前記電池パックの隣接する本体部の中心間距離が、前記円弧の内径（直径）よりも１ｍｍから１０ｍｍ長いことを特徴とする請求項６に記載の電子機器。
前記金属性放熱板の断面形状が複数の円弧および円弧同士を結ぶ直線形状を有することを特徴とする請求項７に記載の電子機器。
前記冷却手段が、前記金属製放熱板に対して風を吹き付ける送風手段であることを特徴とする請求項６から８の何れかに記載の電子機器。