JP2011076950A

JP2011076950A - バッテリユニット

Info

Publication number: JP2011076950A
Application number: JP2009228903A
Authority: JP
Inventors: Shin Midorikawa; 慎緑川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Also published as: US20110074362A1

Abstract

【課題】放熱効率を向上させることが可能となるバッテリユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】筐体と、前記筐体に設けられる回路基板と、前記筐体内に設けられるとともに、充電時に吸熱反応が起こり放電時に発熱反応が起こるバッテリセルと、前記回路基板上に設けられる発熱部品と、前記発熱部品と前記バッテリセルと熱的に接続され、前記発熱部品が発する熱を前記バッテリセルへ輸送する熱輸送部材と、を備える。本実施形態に係るバッテリユニットによれば、バッテリセルの充電時に起こる化学反応の吸熱と、熱輸送部材および放熱部材を利用した放熱とによって効率的に放熱を行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、放熱効率を向上させることが可能なバッテリユニットに関する。

近年、一般的に使用されているリチウムイオンバッテリと比較してより大電流で充電することが可能なバッテリが考案されている（以下、新型バッテリと呼ぶ）。新型バッテリはリチウムイオンバッテリよりも大電流を流して充電可能な仕様となっているため、結果としてリチウムイオンバッテリよりも短時間で満充電まで充電することが可能となる。

このような新型バッテリは、充電時にリチウムイオンバッテリと比較してより大きな電流を流すために充電回路の素子などが発熱することとなる。したがって、新型バッテリに対しては放熱機構を設け、充電回路の発熱を抑える必要がある。

ところで、二次電池の充電時に電池を冷却する方法として特許文献１には、二次電池を囲う冷却ユニットを設け、二次電池を充電する際に生じる電池温度の上昇を吸収する充電装置が開示されている。このような構造を設けることで、急速充電時の電池温度上昇を抑えつつ、短時間で効率的に急速充電することのできる充電装置を提供することを目的としている。

特開２００４−２０８４７０号

特許文献１に記載された技術では、電池を囲う冷却ユニットを設けているが、特に冷媒（水）を循環させるタイプの冷却ユニットを設けるとなると新たに防水機構を設ける必要が生じる。この方式では、防水機構を設けるために電池の大型化およびコストアップを招くこととなるため、二次電池を冷却するための新たな機構が望まれる。

そこで本発明の目的は、放熱効率を向上させることが可能となるバッテリユニットを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係るバッテリユニットは、筐体と、前記筐体に設けられる回路基板と、前記筐体内に設けられるとともに、充電時に吸熱反応が起こり放電時に発熱反応が起こるバッテリセルと、前記回路基板上に設けられる発熱部品と、前記発熱部品と前記バッテリセルと熱的に接続され、前記発熱部品が発する熱を前記バッテリセルへ輸送する熱輸送部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、放熱効率を向上させることが可能となるバッテリユニットを提供することができる。

本発明の実施形態に係るバッテリユニットの外観を示す斜視図。本発明の実施形態に係るバッテリユニットの内部構造を示す斜視図。本発明の実施形態に係るバッテリユニットの内部構造を示す断面図。本発明の実施形態に係るバッテリユニットのシステム構成を示すブロック図。

以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るバッテリユニットの外観を示す斜視図である。バッテリユニット１は本体筐体２を備える。本体筐体２の前面２ａには、バッテリユニット１を操作するためのスイッチ３、スイッチ４が設けられる。このスイッチは例えばバッテリユニット１に電源を投入するための電源スイッチとすることができる。バッテリユニット１の背面２ｂからは、ＵＳＢケーブル５が引き出される。ＵＳＢケーブル５の先には、コンピュータ等の電子機器に接続するためのＵＳＢコネクタ６が設けられる。コンピュータ等の電子機器が備えるＵＳＢポートに対して、ＵＳＢコネクタ６を接続することで、バッテリユニット１から電子機器に対して電力を供給することができる。

本体筐体２の側面２ｃには、ＤＣ−ＩＮジャック７が設けられる。図示しないＡＣアダプタにより、商用電源から入力される交流電力が直流電力に変換される。ＡＣアダプタの持つＤＣプラグがＤＣ−ＩＮジャック７に挿入されることで、バッテリユニット１に対して電力が供給される。バッテリユニット１は供給された電力を用いてバッテリユニット１内のバッテリセルの充電を行なう。

本体筐体２の上面２ｄには、インジケータ８が設けられる。インジケータ８を５つのＬＥＤ８ａ、ＬＥＤ８ｂ、ＬＥＤ８ｃ、ＬＥＤ８ｄ、ＬＥＤ８ｅにより構成することができる。これら５つのＬＥＤ８ａ、ＬＥＤ８ｂ、ＬＥＤ８ｃ、ＬＥＤ８ｄ、ＬＥＤ８ｅの中で、いくつのＬＥＤを点灯させるかによって、バッテリユニット１のバッテリ残量を示すことができる。

本体筐体２の底面２ｅには、本体筐体を支持するための脚部９が設けられる。本体筐体２の内部には回路基板１０が設けられる。
従来のリチウムイオンバッテリと、新型バッテリとの相違点について具体的な数字を一例として、提示する。従来のリチウムイオンバッテリの充電を行う場合、１．８Ａの電流を流すことができるとする。このとき、リチウムイオンバッテリの容量４０００ｍＡｈに対して、１．８Ａの電流を２時間流して充電することで３６００ｍＡ（９０％）まで充電される。

一方、本発明の実施形態で開示するように、リチウムイオンバッテリと比較してより大電流で充電することが可能な新型バッテリはリチウムイオンバッテリよりも大電流を流して充電可能な仕様となっているため、結果としてリチウムイオンバッテリよりも短時間で満充電まで充電することが可能となる。

この新型バッテリの充電を行なう場合、２１．６Ａの電流を流すことができるとする。このとき、新型バッテリの容量４０００ｍＡｈに対して、２１．６Ａの電流を流して充電するため、わずか１０分で３６００ｍＡ（９０％）まで充電される。このような大電流を流すことにより比較的短時間で行う充電を、本実施形態上では便宜上、急速充電と呼ぶことがある。

このような新型バッテリは、充電時にリチウムイオンバッテリと比較してより大きな電流を流すために充電回路の素子等が発熱することとなる。したがって、新型バッテリに対しては放熱機構を設け、充電回路の素子等の発熱を抑える必要がある。

図２は、本発明の実施形態に係るバッテリユニットの内部構造を示す斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係るバッテリユニットの内部構造を示す断面図である。図２および図３を用いて、バッテリユニット内に設けられる放熱機構について説明する。

バッテリユニット１内には、回路基板１０が設けられ、回路基板１０の上面１０ａ上には、充電回路１２、プロセッサ１３等の電子部品が実装されている。充電回路１２は動作することで充電回路１２自身が発熱する電子部品である。プロセッサ１３も同様に、動作することでプロセッサ１３自身が発熱する電子部品である。本実施形態では、動作することで発熱する充電回路１２やプロセッサ１３のことを発熱部品と呼ぶことがある。

バッテリセル１５は、上記の説明のように、大電流を流すことにより比較的短時間で充電を行なうことが可能な急速充電に対応したバッテリである。本実施形態のバッテリセル１５の急速充電を行なう時には、特に充電回路１２が発熱する。そのため、充電回路１２やプロセッサ１３のような発熱部品に対して放熱機構を設け、発熱部品の発熱を抑える必要がある。

バッテリユニット１にはヒートシンク１６が設けられる。このヒートシンク１６は、充電回路１２と当接して充電回路１２から熱を受ける第１の受熱部１７と、プロセッサ１３と当接してプロセッサ１３から熱を受ける第２の受熱部１８と、を備える。

充電回路１２と第１の受熱部１７との間にはシリコングリスや熱伝導シートのような熱伝導部材２２が設けられる。また、プロセッサと第２の受熱部１８との間にも熱伝導部材２３が設けられる。

ヒートシンク１６は、第１の受熱部１７や第２の受熱部１８を介して充電回路１２やプロセッサ１３から受けた熱を輸送する。ヒートシンク１６は、その熱輸送経路上で、熱輸送部２６ａと熱輸送部２６ｂに枝分かれする。

熱輸送部２６ａは第１の放熱部材２８に接続される。第１の放熱部材２８はバッテリセル１５と熱的に接続され、第１の放熱部材２８とバッテリセル１５との間には熱伝導部材２４が設けられる。バッテリセル１５は充電時に吸熱反応が起こり放電時に発熱反応が起こる二次電池である。バッテリセル１５の充電時に、充電回路１２やプロセッサ１３等の発熱部品が発熱するが、ヒートシンク１６を利用して発熱部品とバッテリセル１５とを熱的に接続することで、バッテリセル１５の充電時の吸熱反応を放熱に利用することができる。

一般的にバッテリセル１５の充電のために流す電流量が増えれば、充電回路１２の発熱量も増えるが、同時にバッテリセル１５の充電時の吸熱反応も進むため、バッテリセル１５の充電時の吸熱反応は十分利用することができると考えられる。

第１の放熱部材２８を利用して空冷により自然に放熱するだけの場合に比べて、バッテリセル１５の充電時に起こる化学反応の吸熱を利用することで、バッテリセル１５の放熱効率を向上させることができる。

熱輸送部２６ｂは第２の放熱部材２９に接続される。第２の放熱部材２９を設けることで、バッテリセル１５と第１の放熱部材２８とを利用した放熱よりもさらに放熱効率を向上させることができる。

本実施形態では、第２の放熱部材２９は本体筐体２の内面２ｆに接するように設けられる。この内面２ｆは、底面２ｅの反対側に位置する。ヒートシンク１６から伸びる第２の熱輸送部２６ｂは、回路基板１０を外れた領域で一度折り曲げられ、回路基板１０の上面１０ａから下面１０ｂに向かう方向に伸びた末に第２の放熱部材２９に当接する。

第２の放熱部材２９は、本体筐体２内の任意の位置に設けても良いが、一般に本体筐体２の内面２ｆ、内面２ｇ、内面２ｈ、内面２ｉのいずれかの面に設けることでより放熱効率が向上する。また、特に第２の放熱部材２９をバッテリユニット１の底面２ｅの反対側に位置する内面２ｆに設けることで、使用者がバッテリユニット１を手で持つ位置からずらすことができる。

通常、バッテリユニット内に冷却ファンを設けたり、バッテリユニットの筐体に冷却用の空気孔を設けたりすることは難しい。このように、本実施形態に係るバッテリユニットによれば、バッテリセルの充電時に起こる化学反応の吸熱と、ヒートパイプと熱輸送部材および放熱部材を利用した放熱とによって効率的に放熱を行うことができる。

図４は、本発明の実施形態に係るバッテリユニットのシステム構成を示すブロック図である。バッテリユニット１は、図４に示したもの以外にも様々なパーツから構成されるが、図４では本発明の実施形態の説明に特に関係する部分を抽出してその他の部分は省略して説明をしている。

充電回路１２は、バッテリセル１５に対して充電用の電流を供給する。充電回路１２はバッテリセル１５の充電を行なう際に発熱する発熱素子１２ａを備える。充電回路１２は充電回路１２の温度を検出するための温度センサ１２ｂも備える。温度センサ１２ｂは、充電回路１２の動作に伴い充電回路１２内のＦＥＴや抵抗等の素子自体が発熱することによって生じる温度上昇を検出する。温度センサ１２ｂにより検出した温度の値は、充電回路１２が流す充電電流の制御に利用される。

充電回路１２は充電回路１２およびバッテリユニット１の安全を確保するため、例えばヒューズに代表される保護素子１２ｃも備える。
バッテリユニット１内には、バッテリセル１５の情報が記憶されるＥＥＰＲＯＭ１５ａが設けられる。バッテリユニット１内には、バッテリセル１５の温度を検出する温度センサ１５ｂも設けられる。

これら、バッテリセル１５、ＥＥＰＲＯＭ１５ａ、温度センサ１５ｂは、バッテリユニット１内に別々に設けても良い。また、バッテリセル１５、ＥＥＰＲＯＭ１５ａ、温度センサ１５ｂを一つのバッテリパックとしてまとめた状態で、このバッテリパックをバッテリユニット１内に実装するようにしても良い。

バッテリユニット１のシステムは、例えば電源コントローラ３１を介して、ＥＥＰＲＯＭ１５ａからバッテリセル１５の情報を読み出すことができる。
ＥＥＰＲＯＭ１５ａには、バッテリセル１５に関する情報、すなわち、バッテリセル１５のＩＤ情報、バッテリセル１５の容量、バッテリセル１５の満充電時の終始電流値のような充電制御に関係するパラメータ、およびバッテリセル１５が急速充電に対応したバッテリであることを示す情報等が記憶されている。

電源コントローラ３１は、ＥＥＰＲＯＭ１５ａから読み出した情報を元に充電回路１２の制御を行なう。
電源コントローラ３１は、先の説明で述べた、バッテリセル１５のＩＤ情報、バッテリセル１５の容量、バッテリセル１５の充電制御に関係するパラメータ、急速充電に対応したバッテリであることを示す情報等を取得する他に、バッテリセル１５の温度、バッテリセル１５が満充電であること、バッテリセル１５に過電圧／過電流が生じていること、バッテリセル１５の容量がある閾値よりも低下しているローバッテリ状態であること、を検出することができる。

電源コントローラ３１は、充電回路１２の温度センサ１２ｂから充電回路１２の温度を読み取る。電源コントローラ３１は、ＥＥＰＲＯＭ１５ａから読み出した情報や、充電回路１２の温度センサ１２ｂが示す温度の値を元に、バッテリセル１５を充電する充電電流を選択し、充電電流のＯＮ／ＯＦＦの指示を充電回路１２に送る。

バッテリユニット１内のバッテリセル１５や充電回路１２の保護のため、そしてバッテリユニット１を使用するユーザの安全のために、バッテリセル１５の温度と充電回路１２の温度に対して、それぞれ閾値が定められている。バッテリセル１５の温度が閾値を超えるか、充電回路１２の温度が閾値を超えると、バッテリセル１５の充電動作を停止したり、バッテリセル１５に供給される充電電流を減少させるように電源コントローラ３１により制御が行なわれる。

バッテリセル１５に供給される充電電流は、温度センサ１２ｂ、温度センサ１５ｂによって検出される温度の値に応じて、細かく変更されても良い。あるいは、温度センサ１２ｂ、温度センサ１５ｂによって検出される温度の値がいずれも閾値を超えていない場合には、大電流を流すことによってバッテリセル１５の充電を行う一方で、温度センサ１２ｂ、温度センサ１５ｂによって検出される温度のうち少なくともいずれかが閾値を超えた時にそれよりも低い数Ａ程度の電流を流すことによってバッテリセル１５の充電を行なうようにしても良い。

以上の説明のように本発明の実施形態によれば、放熱効率を向上させることが可能となるバッテリユニットを提供することができる。
本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。

１…バッテリユニット、２…本体筐体、５…ＵＳＢケーブル、６…ＵＳＢコネクタ、７…ＤＣ−ＩＮジャック、８…インジケータ、１０…回路基板、１２…充電回路、１２ａ…発熱素子、１２ｂ…温度センサ、１２ｃ…保護素子、１３…プロセッサ、１５…バッテリセル、１５ｂ…温度センサ、１６…ヒートシンク、１７…受熱部、１８…受熱部、２２…熱伝導部材、２３…熱伝導部材、２４…熱伝導部材、２６ａ…熱輸送部、２６ｂ…熱輸送部、２８…放熱部材、２９…放熱部材、３１…電源コントローラ

Claims

筐体と、
前記筐体に設けられる回路基板と、
前記筐体内に設けられるとともに、充電時に吸熱反応が起こり放電時に発熱反応が起こるバッテリセルと、
前記回路基板上に設けられる発熱部品と、
前記発熱部品と前記バッテリセルと熱的に接続され、前記発熱部品が発する熱を前記バッテリセルへ輸送する熱輸送部材と、
を備えることを特徴とするバッテリユニット。
前記筐体内に放熱部材が設けられ、前記熱輸送部材は、前記発熱部品が発する熱を前記バッテリセルへ輸送すると共に前記放熱部材へも輸送することを特徴とする請求項１記載のバッテリユニット。
前記バッテリセルの充電を制御する充電回路と、
前記バッテリセルの温度を検出する第１の温度センサと、
前記発熱部品の温度を検出する第２の温度センサと、を備え、
前記第１の温度センサにより検出される前記バッテリセルの温度と、前記第２の温度センサにより検出される前記発熱部品の温度のうち少なくとも一方の温度が予め定められた閾値を超えると、前記充電回路は充電電流を減少させることを特徴とする請求項２記載のバッテリユニット。
前記放熱部材は前記筐体の内面に接して設けられることを特徴とする請求項３記載のバッテリユニット。
前記放熱部材は前記筐体の内面に接するとともに、前記筐体の底面に位置するように設けられることを特徴とする請求項４記載のバッテリユニット。
回路基板を内蔵する筐体と、
前記筐体内に設けられるとともに、充電時に吸熱反応が起こり放電時に発熱反応が起こるバッテリセルと、
前記回路基板上に設けられ、前記バッテリセルの充電を制御するとともに前記バッテリセルの充電時に発熱する充電回路と、
前記筐体内に設けられる放熱部材と、
前記充電回路から前記バッテリセルおよび前記放熱部材と熱的に接続されるとともに、前記充電回路が発する熱を前記バッテリセルと前記放熱部材とへ輸送する熱輸送部材と、
を備えることを特徴とするバッテリユニット。
前記バッテリセルの温度を検出する第１の温度センサと、
前記発熱部品の温度を検出する第２の温度センサと、を備え、
前記第１の温度センサにより検出される前記バッテリセルの温度と、前記第２の温度センサにより検出される前記発熱部品の温度のうち少なくとも一方の温度が予め定められた閾値を超えると、前記充電回路は充電電流を減少させることを特徴とする請求項６記載のバッテリユニット。