JP2006196230A

JP2006196230A - 電池パック

Info

Publication number: JP2006196230A
Application number: JP2005004392A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakazawa; 浩志中澤
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】電池体により構成される電池パックの寿命を延ばす。
【解決手段】電池パック20は、所定の電圧，容量となるよう、複数個の扁平板状の電池セル21を電気的に直列接続したものを上下に重ねて形成された電池スタックとなっており、段積みされた各電池セル21間には層間部材25が挟み込まれている。層間部材25が面圧拡散部材として機能し、電池パック20を構成する電池セル21の面圧が均一化されるため、電池パック20全体として寿命を延ばすことができる。また、層間部材25に断熱性を有する断熱部材又は熱伝導性が良い放熱部材を使用することで、電池パック20の中心部に位置する電池セル21が高温となることにより発生する電池パック20の部分的な寿命低下を防ぎ、電池パック20全体として寿命を延ばすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子装置の電源として利用される、例えばリチウムイオン二次電池などの電池パックに関する。

一般に、バックアップ電源を必要とする無停電電源装置などでは、商用交流電源からの入力電圧が正常に発生している場合に、電子装置としての電源本体の主電源部から負荷に所要の直流または交流電圧を供給し、且つこの主電源部を介して二次電池を充電する一方で、前記入力電圧が著しく低下若しくは停電すると、バックアップ電源としての二次電池が主電源部から負荷に引き続き電力を供給するようになっている。ここで使用する二次電池は、従来より鉛蓄電池が使用されているが、その理由は主に安価であって、且つ充放電管理が簡単であるからである。

図３および図４は、従来の無停電電源装置の概略構成を示すブロック図である。これらの各図において、１は例えば商用電源（図示せず）からの交流入力電圧Ｖｉが印加される主電源部としての電源回路で、この電源回路１には交流若しくは直流の出力電圧Ｖｏが与えられる一乃至複数の負荷３が接続される。また４は、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時に、負荷３への電力給電を行なうバックアップ電源としての鉛蓄電池である。前記電源回路１には、入力電圧Ｖｉの正常時に鉛蓄電池４を充電する充電回路５と、入力電圧Ｖｉの低下若しくは停電時に鉛蓄電池４を放電して負荷３に電力を供給する放電回路６がそれぞれ組み込まれる。ここで図４は、電源回路１と共に鉛蓄電池４が本体電源である本体ケース７の内部に収容される例を示し、また図５は、電源回路１と別体に鉛蓄電池４が構成される例を示している。

前記電源回路１は、交流入力電圧Ｖｉを負荷３への所要の交流出力電圧Ｖｏに変換するＡＣ／ＡＣ変換部11や、交流入力電圧Ｖｉを昇圧または降圧した直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部12や、ＡＣ／ＤＣ変換部12で得られた直流電圧を負荷３への所要の直流出力電圧Ｖｏに変換するＤＣ／ＤＣ変換部13などが適宜組み込まれる。

ところで、上記鉛蓄電池４を搭載した無停電電源装置は電池収容スペースを多く確保しなければならない上に、重量が極めて重く、さらには環境面でも鉛使用による種々の問題がある。かかる欠点を解消するため、例えば特許文献１には、鉛蓄電池に代わってリチウムイオン二次電池をバックアップ電源とした無停電電源装置が提案されている。ここでのリチウムイオン二次電池は、複数個の電池セルを直列接続した電池モジュール（電池パック）からなり、過充電および過放電を防止する電池保護回路も内蔵されている。

また別な特許文献２には、過放電保護回路や過充電保護回路を備え、リチウムイオン二次電池を内蔵したパッケージ状の二次電池パックが開示されている。

このようなリチウムイオン電池パックの構成を示すのが図５である。リチウムイオン電池パックには、主に円筒型と角型があるが、ここには角型のものを図示している。同図において、電池パック20は、所定の電圧，容量となるよう、複数個の扁平板状の電池セル21を電気的に直列接続したものを上下に重ねて形成された電池スタックであり、その最上部に電池保護回路22が搭載されている。電池セル21内部は、一般的には、正極にコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）かマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）、負極にグラファイト（炭素）を使い、各電極間には絶縁のためセパレータを挟みそれぞれの極板を何層かに積層した後、電解液と共にアルミラミネートなどで封止した構造になっている。
特開２００２−５８１７０号公報特許第２８６１８７９号公報

しかし、従来の電池パックでは、複数の電池セル21が重ねられて電池パック20として形成されているため、充放電時に各電池セル21が発熱すると、電池パック20の中心部で熱が篭ってしまい、電池パック20の寿命が低下してしまうという問題があった。例えばリチウムイオン電池などでは、高温条件下で使用すると寿命が著しく低下する特性があり、電池パック20の中心部に位置する電池セル21から先に寿命がきてしまい、電池パック20全体としての電圧が低下するため、他の電池セル21の寿命が残っていても電池パック20全体を交換しなければならなかった。

また、例えばリチウムイオン電池などでは、電池セル21の表面に、ある程度の圧力をかけた方が電極と電解液の接触が良好となり寿命が延びる傾向がある。しかし、電解液は液状又はゲル状の軟らかいものであり、パッケージとなるアルミラミネートも軟らかいものであるため、このように表面が軟らかい電池セル21同士を段積みして外側から圧力をかけても、各電池セル21の面圧が不均一となってしまい、電池パック20全体として大して寿命が延びないという問題があった。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、電池体により構成される電池パックの寿命を延ばすことをその目的とする。

本発明における請求項１の電池パックでは、複数の電池体が重なってなる電池パックにおいて、前記電池体間に面圧拡散部材を介在させて構成されている。

このようにすると、電池パックを構成する電池体の面圧が均一化されるため、電池パック全体として寿命を延ばすことができる。

本発明における請求項２の電池パックでは、複数の電池体が重なってなる電池パックにおいて、前記電池体間に断熱部材を介在させて構成されている。

このようにすると、電池パックを構成する各電池体が断熱部材により熱的に隔離されるため、電池パックの中心部に位置する電池体が他の電池体の熱による影響を受けて高温となることがなく、電池体ひいては電池パック全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。

本発明における請求項３の電池パックでは、複数の電池体が重なってなる電池パックにおいて、前記電池体間に放熱部材を介在させて構成されている。

このようにすると、電池パックを構成する各電池体の熱が放熱部材により速やかに放熱されるため、電池パックの中心部に熱が篭らず、電池体ひいては電池パック全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。

本発明における請求項４の電池パックでは、複数の前記放熱部材が熱伝達部材で連結されている。

このようにすると、熱伝達部材により放熱面積が増加し、電池パックを構成する各電池体の熱が速やかに放熱されると共に、各放熱部材が熱伝達部材により熱的に接続されるため、各電池体の熱が均一化されることで各電池体の寿命が概ね揃い、電池体ひいては電池パック全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。

本発明の請求項１によると、各電池体の面圧が均一になり、電池パック全体として効果的に寿命を延ばすことができる。

本発明の請求項２によると、各電池体間の熱移動がなくなり、電池パックの部分的な寿命低下を防ぎ、電池パック全体として寿命を延ばすことができる。

本発明の請求項３によると、電池パック中心部の熱が放熱され、電池パックの部分的な寿命低下を防ぎ、電池パック全体として寿命を延ばすことができる。

本発明の請求項４によると、電池パックの放熱をより効果的に行うことができると共に、各電池体の熱が均一になり、電池パックの部分的な寿命低下を防ぎ、電池パック全体として寿命を延ばすことができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における電池パックの好ましい各実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は、本第１実施例における電池パックの構成を示す要部断面図であり、電池パック20を構成する電池体としての電池セル21は、従来例で示したリチウムイオン電池と同様のものを使用している。すなわち、電池セル21内部は、例えば、正極，負極それぞれの極板とセパレータを何層かに積層した後、電解液と共にアルミラミネートなどで封止した構造になっている。本実施例においても、電池パック20は、所定の電圧，容量となるよう、複数個の扁平板状の電池セル21を電気的に直列接続したものを上下に重ねて形成された電池スタックとなっているが、段積み（積層）された各電池セル21間には層間部材25が挟み込まれている。

層間部材25は、電池セル21の面圧を均一化するものであり、例えば板状のものやグリッド状（網目状）のものなど、電池パック20に外側から圧力をかけた際に、電池セル21の面圧が均一となればどのような形状のものでもよい。また、層間部材25の材質は、例えば金属などの硬質部材や、例えばゴムなどの弾性部材や、例えば低反発ウレタンなどの電池セル21の形状に合わせて表面形状が変形するものなど、適度な硬さを有する材質であればどのようなものでもよい。

電池パック20を例えばケーシングに圧入することにより、電池パック20の外側から圧力をかけた際には、表面が軟らかい電池セル21が比較的硬い各層間部材25に押し付けられるため、電池セル21が層間部材25に密着することで、電池セル21の面圧が拡散される。すなわち、層間部材25が面圧拡散部材として機能し、電池セル21の面圧を均一化する。このように、複数の各電池セル21間に層間部材25を介在させて電池パック20を構成することにより、電池パック20を構成する電池セル21の面圧が均一化されるため、電池パック20全体として寿命を延ばすことができる。

ところで、前述したように、電池セル21は充放電時に発熱し、電池パック20の中心部で熱が篭ってしまい、電池パック20の寿命が低下してしまう。これを抑制する手段として、本発明では、層間部材25に断熱性を有する断熱部材又は熱伝導性が良い放熱部材を使用する。

層間部材25として断熱部材を使用した場合では、各電池セル21間に介在された層間部材25により、電池パック20を構成する各電池セル21が熱的に隔離されることとなる。従って、充放電時に各電池セル21が発熱しても、各電池セル21間で熱移動が起こらず、一の電池セル21が他の電池セル21の熱で炙られて自己発熱した温度以上の温度となることを防ぐことができる。電池パック20は複数の電池セル21を段積みした構成であるため、従来の電池パック20における電池パック20の中心部に位置する一の電池セル21は、他の電池セル21の熱により上下方向から炙られることとなるが、段熱性を有する層間部材25を各電池セル21間に設けることにより他の電池セル21の熱が遮断されるため、当該一の電池セル21が他の電池セル21の熱による影響を受けて高温となることがなく、電池セル21ひいては電池パック20全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。

一方、層間部材25として放熱部材を使用した場合では、各電池セル21間に介在された層間部材25により、電池パック20を構成する各電池セル21の熱が速やかに放熱されることとなる。従って、充放電時に各電池セル21が発熱しても、その熱が速やかに放熱され、電池パック20内部が高温になることを防ぐことができる。電池パック20は複数の電池セル21を段積みした構成であるため、電池パック20の中心部に熱が篭り易いが、放熱性に優れた層間部材25を各電池セル21間に設けることにより電池セル21の熱が速やかに放熱されるため、電池パック20の中心部に熱が篭らず、電池セル21ひいては電池パック20全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。

以上のように本実施例では、複数の電池体としての電池セル21が重なってなる電池パック20において、電池セル21間に面圧拡散部材としての層間部材25を介在させて構成されている。

このようにすると、電池パック20を構成する電池セル21の面圧が均一化されるため、電池パック20全体として寿命を延ばすことができる。

また本実施例では、複数の電池セル21が重なってなる電池パック20において、電池セル21間に断熱部材としての層間部材25を介在させて構成されている。

このようにすると、電池パック20を構成する各電池セル21が断熱性を有する層間部材25により熱的に隔離されるため、電池パック20の中心部に位置する電池セル21が他の電池セル21の熱による影響を受けて高温となることがなく、電池セル21ひいては電池パック20全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。従って、各電池セル21間の熱移動がなくなり、電池パック20の部分的な寿命低下を防ぎ、電池パック20全体として寿命を延ばすことができる。

さらに本実施例では、複数の電池セル21が重なってなる電池パック20において、電池セル21間に放熱部材としての層間部材25を介在させて構成されている。

このようにすると、電池パック20を構成する各電池セル21の熱が放熱性に優れた層間部材25により放熱されるため、電池パック20の中心部に熱が篭らず、電池セル21ひいては電池パック20全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。従って、電池パック20中心部の熱が放熱され、電池パック20の部分的な寿命低下を防ぎ、電池パック20全体として寿命を延ばすことができる。

図２は、本第２実施例における電池パックの構成を示す要部断面図であり、電池パック20の基本的な構成は、第１実施例で示したリチウムイオン電池と略同様である。すなわち、電池パック20は、所定の電圧，容量となるよう、複数個の扁平板状の電池セル21を電気的に直列接続したものを上下に重ねて形成された電池スタックとなっており、段積み（積層）された各電池セル21間には層間部材25が挟み込まれている。本実施例の層間部材25は、各電池セル21間のみでなく、電池パック20の最上部及び最下部にも設けられ、各電池セル21を複数の層間部材25で上下方向から挟み込む形になっている。

本実施例における層間部材25には、熱伝導性が良い放熱部材を使用し、各層間部材25は同じく熱伝導性が良い熱伝達部材26で連結されている。層間部材25と熱伝達部材26とは、例えばアルミダイキャストなどで一体成形され、電池パック20の外殻部材としてのケーシング27を形成している。ケーシング27は、最上部及び最下部に位置する２つの層間部材25と熱伝達部材26とにより形成されたコの字形の外殻部材の内部を複数の層間部材25で間仕切りした形状となっており、当該間仕切りされた空間である電池セル室28に各電池セル21が圧入されている。

本実施例では、層間部材25が熱伝達部材26で連結されているため、放熱面積が大幅に増加しており、充放電時に各電池セル21が発熱しても、その熱が速やかに放熱され、電池パック20内部が高温となることを防ぐことができる。また、各層間部材25が熱伝達部材26により熱的に接続されるため、各電池セル21の熱が均一化されることで各電池セル21の寿命が概ね揃い、電池セル21ひいては電池パック20全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。とりわけ、本実施例では、層間部材25と熱伝達部材26によりケーシング27を形成し、層間部材25により間仕切りされた電池セル室28に各電池セル21が圧入されているため、電池セル21の面圧が均一となるように圧力をかけることもできる。

以上のように本実施例では、複数の放熱性に優れた層間部材25が熱伝達部材26で連結されている。

このようにすると、熱伝達部材26により放熱面積が増加し、電池パック20を構成する各電池セル21の熱が速やかに放熱されると共に、各層間部材25が熱伝達部材26により熱的に接続されるため、各電池セル21の熱が均一化されることで各電池セル21の寿命が概ね揃い、電池セル21ひいては電池パック20全体として寿命低下を抑制し寿命を延ばすことができる。従って、電池パック20の放熱をより効果的に行うことができると共に、各電池セル21の熱が均一になり、電池パック20の部分的な寿命低下を防ぎ、電池パック20全体として寿命を延ばすことができる。

なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明の電池パックとしてはリチウムイオン電池に限らず、同様の性質，課題を有する種々の電池パックに適用可能である。また、層間部材25は、各電池セル21の層間に入れずに、２枚の電池セル毎又は３枚の電池セル毎など複数の電池セル毎に分けて挿入してもよく、放熱性の層間部材25（放熱板）と断熱性の層間部材25（断熱板）を組み合わせてもよい。例えば、複数の電池セル21を２枚の放熱板で挟んだものを１つのユニット（構成単位）とし、このユニットを複数段積みした際に当該放熱板同士の間に断熱板を挿入するよう構成するなどとしてもよい。

本発明の第１実施例における電池パックの要部縦断面図である。本発明の第２実施例における電池パックの要部縦断面図である。従来例における鉛蓄電池を使用した無停電電源装置の一例を示すブロック構成図である。同上、鉛蓄電池を使用した無停電電源装置の別な一例を示すブロック構成図である。同上、電池パックの斜視図である。

符号の説明

20 電池パック
21 電池セル（電池体）
25 層間部材（面圧拡散部材，断熱部材，放熱部材）
26 熱伝達部材

Claims

複数の電池体が重なってなる電池パックにおいて、前記電池体間に面圧拡散部材を介在させて構成されることを特徴とする電池パック。
複数の電池体が重なってなる電池パックにおいて、前記電池体間に断熱部材を介在させて構成されることを特徴とする電池パック。
複数の電池体が重なってなる電池パックにおいて、前記電池体間に放熱部材を介在させて構成されることを特徴とする電池パック。
複数の前記放熱部材が熱伝達部材で連結されたことを特徴とする請求項３記載の電池パック。