JP2010212192A - Lithium ion battery pack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、包装部材にラミネートフィルムを使用したリチウムイオン電池を直列接続、および/または並列接続した組電池を用いたリチウムイオン電池パックに関する。 The present invention relates to a lithium ion battery pack using an assembled battery in which lithium ion batteries using a laminate film as a packaging member are connected in series and / or in parallel.
リチウムイオン電池は高エネルギー密度を有する代表的な二次電池であり、携帯電話やノートパソコン、ビデオカメラなどの携帯機器の駆動用電源として用いられることが知られている。 A lithium ion battery is a typical secondary battery having a high energy density, and is known to be used as a power source for driving portable devices such as a mobile phone, a notebook computer, and a video camera.
リチウムイオン電池は、正極活物質としてリチウム化合物、負極活物質として炭素系材料、電解液にはリチウム塩を溶解した有機溶媒が用いられる。この有機系電解液は、4.2Vを大きく超える電圧領域に至った際、酸化分解によりガスが発生し、電池内圧が上昇することで電池に膨れが生じたり、電池素子が発熱してリチウムイオン電池の劣化を加速する場合がある。 In the lithium ion battery, a lithium compound is used as a positive electrode active material, a carbon-based material is used as a negative electrode active material, and an organic solvent in which a lithium salt is dissolved is used as an electrolytic solution. When this organic electrolyte reaches a voltage range significantly exceeding 4.2 V, gas is generated by oxidative decomposition, and the battery internal pressure rises, and the battery element swells and the battery element generates heat to generate lithium ions. Battery deterioration may be accelerated.
これを防止するため、リチウムイオン電池パックは保護回路基板を備え、充放電保護回路等を含んだ保護回路基板等の内部部品によって、過充電や過放電、温度などを監視し、異常が検出された場合にはリチウムイオン電池パックと外部機器との通電が遮断される機能を備えている。 To prevent this, the lithium-ion battery pack is equipped with a protection circuit board, and overcharge, overdischarge, temperature, etc. are monitored and abnormalities are detected by internal components such as the protection circuit board including the charge / discharge protection circuit. In such a case, it has a function of shutting off energization between the lithium ion battery pack and the external device.
ここで、リチウムイオン電池は、正極シートと負極シートを積層して形成されていることから薄型化が可能であり、更に、多直列接続、あるいは多並列接続して使用することで、電動アシスト自電車や無停電電源装置等の大容量仕様に対応することが出来る。また、複数個の電池を使用する場合、外装体は金属ケースよりも軽い素材であるラミネートフィルムを使用した方が軽量化に有利である。 Here, since the lithium ion battery is formed by laminating the positive electrode sheet and the negative electrode sheet, the lithium ion battery can be reduced in thickness. It can handle large capacity specifications such as trains and uninterruptible power supplies. Further, when using a plurality of batteries, it is more advantageous for weight reduction to use a laminate film that is a lighter material than the metal case.
しかしながら、ラミネートフィルム外装体を使用したリチウムイオン電池は、金属ケースと比較して、ガスが発生した場合の電池の膨れ方が顕著であり、電池が過充電状態に陥った場合、電解液の酸化分解ガスが発生し、電池内圧が上昇することで電池に膨れが生じる場合がある。 However, the lithium-ion battery using a laminate film outer package has a noticeable tendency to swell when a gas is generated as compared to a metal case. When the battery falls into an overcharged state, the electrolyte is oxidized. In some cases, cracked gas is generated, and the battery internal pressure rises to cause the battery to swell.
そこで、特許文献1では、電極端子の一部を露出させて電池素子を包装部材で密封した一つの電池に対して、膨れの検出手段である導電体を電池の外装部材の外面に2箇所以上で固定し、電池が膨れた場合に導電体が破断することで、電池の膨れを検出する手段を備えた電池パックが提案されている。 Therefore, in Patent Document 1, two or more conductors serving as swelling detection means are provided on the outer surface of the battery outer member for one battery in which a part of the electrode terminal is exposed and the battery element is sealed with the packaging member. A battery pack has been proposed that includes a means for detecting battery swelling by fixing the battery and the conductor breaking when the battery is swollen.
また、例えば特許文献2では、外装が角型金属ケースで保護回路基板を備えた電池パックにおいて、電池が高温に陥った際に保護回路基板と電池の間に熱伝導シートを密着させることで電池素子の温度を感知し、温度異常時に保護回路基板の内部部品によって、電池パックと外部機器との通電が遮断される機能を備えた電池パックが提案されている。
Further, for example, in
さらに、特許文献3では外装に角型金属ケースを使用したリチウムイオン電池を直列接続、および並列接続した二次電池装置に、温度検出部と膨張の際に破断する圧力検出部が一体となったセンサーを各単位電池に設置することで、電池の温度上昇と膨張を検出する手段を備えた二次電池装置が提案されている。
Furthermore, in
しかしながら、特許文献1、2においてリチウムイオン電池を直列接続、および/または並列接続し積層した組電池を用いた電池パックに温度感知機能と膨張検出機能を備えようとする場合、電池素子の温度を保護回路基板に伝える熱伝導シートと膨れの検出手段である導電体がそれぞれ必要となる。また、特許文献3においてはリチウムイオン電池の温度上昇と膨張を感知する手段として、温度検出部と圧力検出部が一体となったセンサーを用いているが、その設置方法は各単位電池に対してセンサーを備えるため、積層する電池数が増えるほど導電体の必要点数も増え、膨張検出結果の出力を保護回路基板の端子に接続する工数も多く要するという問題がある。
However, in
そこで本発明の課題は、少ない工数と部材で、且つ簡易構成の温度感知機能と膨張検出機能とを兼ね備えたリチウムイオン電池パックを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a lithium ion battery pack that has both a simple structure and a temperature sensing function and an expansion detection function with a small number of man-hours and members.
上記の課題を解決するために、本発明のリチウムイオン電池パックは、複数のラミネート外装型のリチウムイオン電池を積層した組電池を有する電池パックにおいて、少なくとも一個の前記リチウムイオン電池の側面中央部に設けた固定箇所に固定し、側面中央部から中央部の表面に沿って設けられ、保護回路基板内の異常検出回路に接続された、絶縁フィルムで被覆され一箇所で接続された二種類の金属シートからなる温度検知機能を有する一個の異常検出手段を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a lithium ion battery pack according to the present invention is a battery pack having a battery pack in which a plurality of laminated exterior type lithium ion batteries are stacked, and at the center of the side surface of at least one lithium ion battery. Two types of metal that are fixed at the fixed location and are provided along the surface from the center of the side surface, connected to the anomaly detection circuit in the protection circuit board, covered with an insulating film and connected at one location It has one abnormality detection means which has the temperature detection function which consists of a sheet | seat, It is characterized by the above-mentioned.
また、前記二種類の金属シートは、正脚にニッケル及びクロムを主とした合金を、負脚にニッケルを主とした合金を使用した組み合わせであってもよいし、前記二種類の金属シートが、正脚に銅を、負脚にニッケルを主とした合金を使用した組み合わせであってもよく、 前記二種類の金属シートは、厚さは8μm以下、幅は各々2mm以下、測定ポイントで二種類の金属が接続し、それ以外ではそれらの金属は間隔を有し、絶縁フィルムでコーティングされていることが望ましい。 Further, the two kinds of metal sheets may be a combination using an alloy mainly composed of nickel and chromium for a positive leg and an alloy mainly composed of nickel for a negative leg. Further, a combination using copper as a positive leg and nickel as a negative leg may be used. The two types of metal sheets have a thickness of 8 μm or less, a width of 2 mm or less, and two measurement points. It is desirable that the types of metals connect, otherwise they are spaced and coated with an insulating film.
本発明によれば、温度感知機能を有し、且つ、包装部材が膨張した場合に破断する一個の異常検出手段を、ラミネートフィルムを梱包材に使用した組電池の平面に接するように固定することで、少ない工数と部材で、且つ簡易構成の組電池の温度感知機能と膨張検出機能とを兼ね備えたリチウムイオン電池パックの提供が可能となる。 According to the present invention, one abnormality detecting means that has a temperature sensing function and breaks when the packaging member expands is fixed so as to be in contact with the plane of the assembled battery that uses the laminate film as the packaging material. Thus, it is possible to provide a lithium ion battery pack that has both a temperature sensing function and an expansion detection function of a battery pack having a simple configuration with a small number of man-hours and members.
図7において、リチウムイオン電池の出力である正極端子21、負極端子22が引き出された電池素子3は、ラミネートフィルム包装材4で被覆されている。正極端子21は、アルミニウム箔やニッケル箔、ステンレス箔などの金属箔、負極端子22は銅箔やニッケル箔、ステンレス箔などの金属箔で構成されている。なお、ラミネートフィルム包装材4は、軽量化、加工性、形状の自由度からアルミラミネートフィルムを用いるのが好ましい。このリチウムイオン電池101が過充電状態に陥った場合、電解液のガスが発生し、電池内圧が上昇することで電池に膨れが生じたり、電池素子が発熱してリチウムイオン電池の劣化を加速する場合がある。
In FIG. 7, the
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1において、リチウムイオン電池111、112、113で構成される組電池110には異常検出手段5が側面中央部にあるラミネートフィルムの両端の固定箇所8に、変性シリコーン樹脂等から成る接着剤により固定されており、この異常検出手段5は、図2に示すように導電体6と、これをコーティングする絶縁フィルム7を備えている。導電体6は二種類のシート状の金属で構成され、正脚にクロメル等のニッケル及びクロムを主とした合金を、負脚にアルメル等のニッケルを主とした合金を組み合わせたり、あるいは正脚に銅を、負脚にコンスタンタン等の銅およびニッケルを主とした合金の組み合わせを用い、厚さは3〜8μm、幅は各々1〜2mmであり、測定ポイントで二種類の金属は接触し、それ以外ではそれらの金属間隔は1mm以下であることが望ましい。なお、厚さ、及び幅は屈曲に耐えうる強度や設置の際の作業性上、上記範囲で用いることが好ましい。この導電体6は、ある基準点の温度と測定点温度との間に差が生じた場合に、基準点と測定点との間に生じる電圧差を温度に換算することで、温度感知をすることができるという特性を有している。ここで、ラミネートフィルムを用いたリチウムイオン電池の厚さは5〜6mmと薄い場合には、電池間の熱の伝わりが良いため、温度測定ポイントは一つの電池のラミネートフィルム平面上に一箇所設定すれば良い。なお、導電体6の材質は温度検知機能を備えたものであればこれに限らないが、厚さと幅に関しては上記よりも大きい値とすると、電池が膨張した場合に導電体が破断しない可能性があるため、作業性を損なわない範囲であれば厚さは薄く、幅は狭い方が好ましく、さらに導電体6における測定ポイント以外では二種類の金属間隔は、各金属が接触しない距離であれば小型化のために短距離の方が良い。一方、絶縁フィルム7は導電体6を錆等から防止し、さらに導電体6の二種類の金属をコーティングすることで絶縁保護することを目的として備えられ、材質はポリエステルフィルムやポリイミドフィルム等を用い、厚さは10μm以下とするのが良い。なお、絶縁フィルム7の材質は、絶縁性を有していれば良く、これに限らないが、フィルムの中でも電気絶縁性に優れ、且つ、柔軟性を持つことから加工や取扱が容易であるという利点から上記を使用するのが好ましい。また、電池が発熱した場合の熱の感度を良くするために、作業性を損なわない範囲であれば厚さは薄い方が良い。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In FIG. 1, in the assembled
異常検出手段5の両端は異常検出回路9の端子に接続され、異常検出回路9では導電体6の温度感知機能により電池の温度を監視し、温度が例えば60度以上の高温になった場合に異常と判断する。さらに、導電体は電池の膨張状態を導電体の抵抗値を読み取ることで導通状態を監視しており、図2のように組電池110が通常の厚さの場合には、導電体6は導通を維持し、その抵抗値はゼロを示す。しかし、リチウムイオン電池111、112、113のいずれか、若しくは全数が膨れて組電池110の全体が膨張した場合には、図3のように導電体6は破断し、その抵抗値が無限大となることから、電池の膨張の有無を判断する。
Both ends of the abnormality detecting means 5 are connected to the terminals of the
図4において、組電池110と保護回路基板10からなる電池パック100の電気的接続を示す。組電池110の電池出力2は保護回路基板10に接続されており、さらに保護回路基板10と外部機器は外部出力端子11で接続されている。保護回路基板10は電池出力2から出力される組電池の電圧を監視し、電池が過充電や過放電状態に陥った場合に保護回路内で異常と判断し、内部部品によって外部機器と組電池の通電を遮断するはたらきをしている。なお、異常検出回路9は保護回路基板10の一部として保護回路基板10内に設置されており、組電池110の温度異常と膨張の有無を監視し、その監視結果によって異常と判断された場合は、保護回路内の内部部品によって外部機器と組電池の通電を遮断する。
In FIG. 4, the electrical connection of the
(実施例1)
実施例1について図1〜3を参照して説明する。図1に示すように縦170mm、横80mm、高さ4mmのリチウムイオン電池111、112、113、3個を積層して構成される縦170mm、横80mm、高さ12mmの組電池110の中央部を横断する方向に一周するように周回長さ184mmの異常検出手段5を取り付けた。異常検出手段5は図2に示すように、厚さ3μm、幅各々1mmの正脚にクロメル、負脚にアルメルを組み合わせ測定ポイントで接触し、それ以外ではそれらの金属間隔は1mmとした導電体6をポリエステルフィルムからなる絶縁フィルム7でコーティングしたもので、リチウムイオン電池の側面中央部でラミネートフィルムの両端の固定箇所8に、変性シリコーン樹脂から成る接着剤により6箇所固定した。このリチウムイオン電池パックに対し過充電試験を行い、組電池110が膨れて周回長さが204mmとなったところで導電体6が図3に示すように破断したことを確認した。なお、この過充電試験において温度感知機能による異常検出回路は動作しないようにして行った。
Example 1
A first embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, a central portion of a
(実施例2)
実施例2について図5を参照して説明する。組電池、及び異常検出手段5の材質と構造は実施例1と同様のものを用い、組電池110の中央部を横断する方向に一周するように周回長さ508mmの異常検出手段5を取り付けた。異常検出手段5は、図5に示すように、リチウムイオン電池111、112、113をそれぞれ一周するように取り付け、変性シリコーン樹脂から成る接着剤により6箇所固定した。このリチウムイオン電池パックに対し温度検知機能をはずして過充電試験を行い、組電池110が膨れて周回長さが528mmとなったところで導電体6が図3に示すように破断したことを確認した。なお、実施例2の場合、膨れた電池に接する導電体6が破断することより、組電池の中でもどの電池が膨らんだかを履歴に残る為、不具合解析等の優良な情報を得ることが可能である。
(Example 2)
A second embodiment will be described with reference to FIG. The material and structure of the assembled battery and the abnormality detecting means 5 are the same as those of the first embodiment, and the abnormality detecting means 5 having a circulation length of 508 mm is attached so as to make a round in the direction crossing the central portion of the assembled
(実施例3)
実施例3について図6を参照して説明する。組電池、及び異常検出手段5の材質と構造は実施例1と同様のものを用い、組電池110の中央部を横断する方向に一周する様に周回長さ340mmの異常検出手段5を取り付けた。異常検出手段5は図6に示すように、リチウムイオン電池111、112、113の各層の両面に接するように交互に取り付けられることを特徴とし、変性シリコーン樹脂から成る接着剤により5箇所固定した。このリチウムイオン電池パックに対し温度検知機能をはずして過充電試験を行い、組電池110が膨れて周回長さが360mmとなったところで導電体6が図3に示すように破断したことを確認した。なお、実施例3の場合も、膨れた電池に接する導電体6が破断することより、組電池の中でもどの電池が膨らんだかを履歴に残る為、不具合解析等の優良な情報を得ることが可能である。
Example 3
A third embodiment will be described with reference to FIG. The material and structure of the assembled battery and the abnormality detection means 5 were the same as those in Example 1, and the abnormality detection means 5 having a circumference length of 340 mm was attached so as to make a round in the direction crossing the central portion of the assembled
本発明では、外装体に金属缶ケースよりも膨張が顕著なラミネートフィルムを用いたリチウムイオン電池に関することにより、リチウムイオン電池111、112、113のいずれかが膨張すれば相乗効果で導電体6が引張られる為、異常検出手段5は1点のみ備えるだけでよい。また、厚さも薄いことから電池間の熱の伝わりが良ため、温度の検出ポイントも組電池110のうち、一つの電池のラミネートフィルム平面上に一箇所設定すればよい。なお、本発明の異常検出手段、及び導電体の設置方法は上記の実施例に限定されるものではない。また、本実施例では三つのリチウムイオン電池で構成された組電池について説明したが、より多数のリチウムイオン電池で構成される組電池に用いてもよい。
In the present invention, by relating to a lithium ion battery using a laminate film whose expansion is more remarkable than that of a metal can case, the
100 電池パック
101、111、112、113 リチウムイオン電池
110 組電池
2 電池出力
21 正極端子
22 負極端子
3 電池素子
4 ラミネートフィルム包装材
5 異常検出手段
6 導電体
7 絶縁フィルム
8 固定箇所
9 異常検出回路
10 保護回路基板
11 外部出力端子
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