JP2008135342A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】電池パック内の電池セルを直並列接続した場合における良好な接続構成を得る。
【解決手段】複数の電池１１，１３を直列に接続して構成される第１の電池直列部と、複数の電池１２，１４を直列に接続して構成される第２の電池直列部とを備える電池パック１に適用される。第１の電池直列部を構成する複数の電池の接続部と、第２の電池直列部を構成する複数の電池の接続部とを、導電部材２０で電気的に接続する。導電部材２０は、第１の電池直列部の接続部と第２の電池直列部の接続部との間を流れる電流を所定値以下に制限する電流制限素子を備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池などの電池をケース内に収納して、各種電子機器の電源として使用される電池パックに関し、特に電池パック内に複数の電池を収納したものに関する。

ノート型パーソナルコンピュータ装置などの電子機器においては、二次電池を内蔵した電池パックを接続して、その電池パックから供給される電源で作動できるようにしてある。この場合、ポータブルオーディオ機器などの、比較的低消費電力の電子機器の場合には、電池パック内に１個の二次電池セルを内蔵させる構成としたものもある。しかしながら、ノート型パーソナルコンピュータ装置などの比較的消費電力が大きい電子機器の場合には、１つの電池パック内に、複数の二次電池セルを内蔵させて、その複数の二次電池セルを直列や並列に接続して、必要な電流・電圧が得られる構成としてある。

例えば、ある構成の電池パックでは、リチウムイオン電池で構成される二次電池セルを４個内蔵させて、その４個のセルを、２個ずつ直列接続するとともに、その２組の直列のセル群を、さらに並列接続した構成としたものがある。このような直列接続と並列接続を組み合わせることで、電池セルの直列接続数に対応した出力電圧とすることができると共に、電池セルの並列接続数に対応した電流での放電が可能で、接続される電子機器側が必要とする電圧や電流が得られる電源装置として構成される。なお、以下の説明では、このような直列と並列を組み合わせた接続構成を、直並列接続と称する。

特許文献１には、二次電池セルを直並列接続したものを内蔵した電池パックの一例についての開示がある。図１６には、２組の直列接続された電池群の中間を、電気的に接続する構成が記載されている。
特開２００４−２２９３９１号公報（図１６）

ところで、二次電池セルを直並列接続した場合には、二次電池セルを直列接続されたセル群を複数並列に接続させる構成としたとき、複数用意された複数の電池セル群の途中で、別の電池セル群と電気的に接続させて、一部の電池セルの劣化などによる電圧変動の影響を抑えるようにしてある。

即ち、例えば図７に示すように、電池パック９０として、二次電池９１〜９４の４個のセルを用意し、直並列接続する。具体的には、二次電池９１と二次電池９３を直列に接続すると共に、二次電池９２と二次電池９３とを直列に接続する。そして、二次電池９１と二次電池９２の正極側を、電池パック９０の正極端子９５に接続し、二次電池９３と二次電池９４の負極側を、電池パック９０の負極端子９６に接続する。このような２直列・２並列の直並列接続構成とした場合に、二次電池９１の負極と二次電池９３の正極を接続し、二次電池９２の負極と二次電池９４の正極を接続することで、電気的な接続は完了する。ここで、金属板などで構成される導電部材９７を用意して、二次電池９１の負極と二次電池９２の負極どうし（及び二次電池９３の正極と二次電池９４の正極どうし）を、この導電部材９７で接続するようしてある。特許文献１に記載された電池パックの場合にも、このような接続を行う構成が記載されている。

このような構成としてあることで、特定の二次電池の電圧が低下した場合における、電池パックとしての特性低下を最低限に抑えることができる。
例えば、４個の二次電池９１〜９４の内の１つ二次電池９１の特性劣化が、他の二次電池９２〜９４の特性劣化よりも大きく、二次電池９１のセル電圧が、他のセル電圧よりも低下したとする。この場合、導電部材９７がない場合には、２つの直列接続された電池群の電圧が、そのセル電圧の低下だけ異なってしまい、好ましくない状態になってしまう。これに対して、図７に示したような導電部材９７で途中を接続させてあることで、２つの直列接続された電池群の中点の電圧が等しくなり、電池セルの特性劣化の影響を低減することができる。このように、電池セルの劣化状態がある程度のセル電圧の低下までの場合には、導電部材で接続することで、有効に機能する。

ところが、電池パック内の特定の電池セルの劣化が進んだ場合には、このような導電部材による接続では対処できない問題があった。即ち、電池パック内の特定の電池セルの劣化が進んで、その劣化した電池セルの電圧が極端に低くなって、いわゆるセルショート状態になると、並列接続された他方の電池セルから過大な電流が流れてしまう。このような過大電流が流れるような事態は、電池パックとして好ましくない。

また、図７に示したような導電部材９７を設けた場合、何らかの要因で電池パックに外部から圧力が加わるなどして、二次電池９１〜９４の配置状態や導電部材９７の配置状態が規定された位置から多少ずれた場合に、導電部材９７で、二次電池９１又は９２の正極側と、二次電池９３又は９４の正極側とが、導電部材９７を介して導通してしまう事故が、稀にではあるが発生する可能性がある。そのような場合にも、過大な電流が流れることになり、電池パックとして好ましくない状態になる。一般には、このような電池の配置位置のずれがあっても、短絡してしまうことがないように、二次電池の側面部などは、樹脂フィルムで覆って、絶縁するようにしてあるが、樹脂フィルムで覆う箇所を多くすると、それだけ二次電池の製造コストが高くなり、好ましくない。

なお、一般にこの種の電池パック内は、上述したようなセルショート状態のような大電流が内部で流れるようなことがあると、そのことを電池パック内の保護回路で検出して、電池パック内の温度ヒューズを切断するなどの保護機構が設けてあるが、より厳重かつ良好な電池保護が求められている。特に、温度ヒューズを切断する処理は、電池パックを使用停止する最終的な保護機構であり、温度ヒューズを切断する前の段階での保護処理を適切に行うようにする要求がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電池パック内の電池セルを直並列接続した場合における良好な接続構成を得ることを目的とする。

本発明は、複数の電池を直列に接続して構成される第１の電池直列部と、複数の電池を直列に接続して構成される第２の電池直列部とを備える電池パックに適用される。第１の電池直列部を構成する複数の電池の接続部と、第２の電池直列部を構成する複数の電池の接続部とを、導電部材で電気的に接続する。導電部材は、第１の電池直列部の接続部と第２の電池直列部の接続部との間を流れる電流を所定値以下に制限する電流制限素子を備えた構成とする。

このようにしたことで、第１の電池直列部の中間部と、第２の電池直列部の中間部とが、導電部材で電気的に接続されているので、電池パック内に用意された複数の電池の内の一部の電池について、劣化などで電池電圧がある程度低下するようなことがあっても、導電部材での導通で、電圧が揃えられ、電池の電圧低下の影響を最小限に抑えることができる。
ここまでは従来の導電部材を設けた場合の効果と同じであるが、本発明の場合には、さらに、電池パック内の特定の電池の電圧が非常に低下して、いわゆるセルショート状態になった場合には、導電部材内の電流制限素子で、その電圧が低下した電池に、並列接続された他の電池から過大な電流が流れることが阻止されるように機能する。

本発明によると、電池パック内の特定の電池の電圧が非常に低下して、いわゆるセルショート状態になった場合でも、電池に過大な電流が流れるのを防止することができる。即ち、導電部材内の電流制限素子で、並列接続された他の電池から劣化した電池側に、過大な電流が流れることが阻止される。従って、電池パック内の一部の電池が大きく劣化するようなことがあっても、安全が保たれる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜図６を参照して説明する。

本実施の形態においては、パーソナルコンピュータ装置などの電子機器に接続して、その電子機器に電源を供給する電池パックに適用した例である。
図１は、電池パック１を分解して示した斜視図である。電池パック１は、それぞれ樹脂成型で構成された上ケース２と、下ケース３とを接合して筐体が構成され、内部に４個の二次電池１１，１２，１３，１４が配置される。それぞれの二次電池１１〜１４を構成するセルは、例えばリチウムイオン二次電池で構成される。図１の例では、各二次電池セルとして円筒形のものを使用した例としてあるが、その他の形状の二次電池セルを使用してもよい。

４個の二次電池１１，１２，１３，１４の接続状態としては、２直列２並列の直並列接続状態である。具体的は、２個の二次電池１１，１２の正極側が、正極側端子板４に接続してある。正極側端子板４は、外部端子７の正極側端子７ａ（図４）と接続される。二次電池１１，１２の負極側は、接続部材２０を介して、二次電池１３，１４の正極側と接続してある。接続部材２０の構成については後述する。二次電池１３，１４の負極側は、負極側端子板５に接続してある。負極側端子板５は、外部端子７の負極側端子７ｂ（図４）と接続される。

外部端子７は、基板６上に配置してある。基板６には、後述する制御部３１や充放電用スイッチ３２などの回路部品が組まれている。本例の電池パック１を、パーソナルコンピュータ装置などの電子機器に接続させることで、この外部端子７が、電子機器側の電源入力端子と接続されて、その電子機器に電源が供給される。

図２は、電池パック１内の各二次電池１１〜１４の配置状態を分解して示す図である。２個の二次電池１１，１２の正極１１ａ，１２ａを、１つの正極側端子板４に共通に接続してある。この正極側端子板４への接続は、例えば溶接やハンダ付けなどで一体に接続させてある。二次電池１１の負極１１ｂは、接続部材２０の導電部２１に接続させてある。二次電池１２の負極１２ｂは、接続部材２０の導電部２２に接続させてある。接続部材２０の導電部２１は、二次電池１３の正極１３ａと接続させてある。接続部材２０の導電部２２は、二次電池１４の正極１４ａと接続させてある。これらの接続部材２０の導電部２１，２２と各電池の電極との接続についても、ハンダ付けや溶接などで固着させた接続としてある。さらに、２個の二次電池１３，１４の負極１３ｂ，１４ｂを、１つの負極側端子板５に共通に接続してある。この負極側端子板５への接続についても、例えば溶接やハンダなどで一体に接続させてある。

次に、図２及び図３を参照して、２個の二次電池１１，１２と２個の二次電池１３，１４との間に配置される接続部材２０の構成について説明する。図３は断面で示した図である。図２及び図３に示すように、接続部材２０は、金属板などで構成された導電部２１及び２２を、接続基板２３で接続させた構成としてある。図２に示すように、接続基板２３には電流制限素子部２４が配置してある。電流制限素子部２４は、導電部２１から導電部２２に流れる最大電流と、導電部２２から導電部２１に流れる最大電流を、それぞれ一定電流に制限する素子である。制限させる一定値としては、二次電池の放電電流値として安全が保たれる電流値以下としてある。本例の場合には、電流制限素子部２４として、例えば、２つの定電流ダイオード２４ａ，２４ｂ（図４）で構成してある。

電流制限素子部２４は、導電部２１と導電部２２との間に電気的に接続される。即ち図３に断面で示すように、電流制限素子部２４を、接続基板２３の導電パターン２３ｃ上に配置してある。そして、導電部２１の端部２１ａを、接続基板２３の透孔２３ａに挿通させた上で、ハンダ２９で接続基板２３上の導電パターン２３ｃに接続させてある。導電部２２の端部２２ａについても、接続基板２３の透孔２３ｂに挿通させた上で、ハンダ２９で接続基板２３上の導電パターン２３ｃに接続させてある。

図４は、本例の電池パック１の回路構成を示した図である。４個の二次電池１１，１２，１３，１４は、２直列・２並列の直並列接続構成である。接続部材２０は、二次電池１１及び１３の接続箇所と、二次電池１２及び１４の接続箇所との間を接続する構成としてあり、回路的には、その２つの接続箇所の間に、電流制限素子部２４が接続された状態である。ここでは電流制限素子部２４として、２つの定電流ダイオード２４ａ，２４ｂを使用してある。２つの定電流ダイオード２４ａ，２４ｂは、図４に示すように、それぞれの電流制限方向を逆にして接続してある。

二次電池１１，１２の正極側は、充放電スイッチ３２を介して、正極側端子７ａと接続させてある。二次電池１３，１４の正極側は、充電電流検出用の抵抗Ｒ１を介して負極側端子７ｂと接続させてある。抵抗Ｒ１の両端の電圧や、二次電池１１〜１４のセル電圧は、制御部３１が監視する構成としてあり、その監視結果に基づいて、充放電スイッチ３２での充電や放電を制御する。充放電スイッチ３２としては、例えば電界効果トランジスタが使用される。
なお、制御部３１によるセル電圧の検出は、２つの並列接続された二次電池を単位として行うようにしてある。即ち、二次電池１１及び１２のセル電圧の検出と、二次電池１３及び１４のセル電圧の検出とを行う構成としてある。このため、接続部材２０のいずれかの導電部２１又は２２を、制御部３１と接続させてある。

次に、このような接続構成の電池パックで放電が行われる状態を、図５及び図６を参照して説明する。電池パック内の４個の二次電池１１〜１４のセル電圧がほぼ等しい場合には、図５（ａ）に示すように、二次電池の間に接続した２つの定電流ダイオード２４ａ，２４ｂを流れる電流はほとんどない。４個の二次電池１１〜１４の内の一部の二次電池のセル電圧が劣化により、他のセル電圧よりも低下することが発生した場合にも、定電流ダイオード２４ａ，２４ｂを流れる電流はわずかであり、セル間を接続する接続部材として有効に機能する。

ここで、例えば、図５（ｂ）に示すように、二次電池１４の劣化が非常に進んで、二次電池１４が短絡状態となったとする。このときには、定電流ダイオード２４ａで二次電池１３から二次電池１４側に流れる電流量が制限され、二次電池１３の正極と負極の間で大電流が流れることがない。もし、定電流ダイオード２４ａがない場合には、短絡状態の二次電池１４を介して、二次電池１３の正極と負極の間が直接接続された状態となり、大電流が流れてしまう。

図６（ａ），（ｂ）は、二次電池１３側が短絡した場合の例を示した図である。図６（ａ）は正常時の接続状態を示し、この状態から図６（ｂ）に示すように二次電池１３が短絡状態となると、定電流ダイオード２４ｂで二次電池１４から二次電池１３側に流れる電流量が制限され、二次電池１４の正極と負極の間で大電流が流れることがない。

この図５、図６に示すように、２つの定電流ダイオード２４ａ，２４ｂを逆方向に接続した構成としたことで、いずれの方向に流れる電流値についても一定値以下に制限されて、電流制限機構として良好に機能する。従って、直並列接続された複数の電池セルの内の一部の電池セルの劣化が進んだ場合でも、電池パック内部で過大な電流が流れることがなく電池パックの保護機構として有効に機能する。

なお、ここまで説明した実施の形態では、２直列・２並列の接続構成の電池パックを例にして説明したが、より多くの電池を内蔵した電池パックにも適用可能である。例えば、６個の電池セルを用意して、３直列・２並列の直並列接続構成とした場合には、接続部材を２個用意すれば対処可能である。また、６個の電池セルを、２直列・３並列の直並列接続構成とした場合には、接続部材として、３個の電池間の電流を相互に制限するものとすれば対処可能である。３個などの２個を越える電池間の電流を規定値以下に相互に制限する構成の場合には、１つの接続部材が備える電流制限素子を、接続電池数に対応して多く必要とする。

また、上述した実施の形態では、電池パックに内蔵される電池として、リチウムイオン二次電池としたが、その他の電池セルを内蔵させた電池パックにも適用可能である。例えば、ニッケル水素二次電池を内蔵した電池パックに適用して、そのニッケル水素電池の接続を、図３に示した如き接続部材２０で接続させる構成としてもよい。電池セルの形状についても、図１などに示した円筒形状以外のものでもよく、例えば角型形状の電池セルを内蔵させた電池パックにも適用可能である。

また、接続部材として、２個の定電流ダイオードの逆接続で、双方向に流れる電流を一定値以下に規制する構成としたが、その他の電流制限素子を使用してもよい。例えば、一定の電流値が流れると回路を切断するヒューズを、電流制限素子として使用してもよい。また、図４の接続構成では、２個の定電流ダイオードを直列接続したが、各素子を並列接続する構成としてもよい。

また、電池パックが電源として接続される電子機器についても、上述したパーソナルコンピュータ装置以外の電源を必要とする各種電子機器に適用が可能である。電池パックの外形形状についても、図１の例は一例であり、接続される電子機器に適合した各種形状のものが適用される。

本発明の一実施の形態による電池パックの例を分解して示す斜視図である。 本発明の一実施の形態による電池セル状態を分解して示す斜視図である。 本発明の一実施の形態による接続部材の例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態による電池パックの回路ブロック例を示す構成図である。 本発明の一実施の形態によるセル短絡時の例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態によるセル短絡時の例を示す説明図である。 従来の電池パックの構成例を示す構成図である。

符号の説明

１…電池パック、２…上ケース、３…下ケース、４…正極側端子板、５…負極側端子板、６…基板、７…外部端子、７ａ…正極側端子、７ｂ…負極側端子、１１，１２，１３，１４…二次電池、１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ…二次電池の正極、１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ…二次電池の負極、２０…接続部材、２１，２２…導電部、２１ａ，２２ａ…端部、２３…接続基板、２３ａ，２３ｂ…透孔、２３ｃ…導電パターン、２４…電流制限素子部、２４ａ，２４ｂ…定電流ダイオード、２９…ハンダ、３１…制御部、３２…充放電スイッチ、９０…電池パック、９１，９２，９３，９４…二次電池、９５…正極端子、９６…負極端子、９７…導電部材

Claims (2)

1. 複数の電池を直列に接続して構成される第１の電池直列部と、
   複数の電池を直列に接続して構成される第２の電池直列部と、
   前記第１の電池直列部を構成する複数の電池の接続部と、前記第２の電池直列部を構成する複数の電池の接続部とを、電気的に接続する導電部材とを有し、
   前記第１及び第２の電池直列部と前記導電部材をケースに収納して構成される電池パックにおいて、
   前記導電部材として、前記第１の電池直列部の接続部と前記第２の電池直列部の接続部との間を流れる電流を所定値以下に制限する電流制限素子を備えたことを特徴とする
   電池パック。
2. 請求項１記載の電池パックにおいて、
   前記電流制限素子は、それぞれ電流制限方向を逆とした２つの定電流ダイオードを接続して構成したことを特徴とする
   電池パック。

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