JP2011204395A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】隣接する電池セル同士の熱伝導を防止するために電池パック内に設けられ、筐体と隔壁との間に隙間を存在させることなく、一体化された隔壁を有する電池パックを提供する。
【解決手段】筐体内に直列及び／又は並列に接続された複数の筒型の電池セルを収納した電池パックであって、電池セル同士の間に介在するように筐体内壁から屹立した隔壁を備え、隔壁を支持する基礎部分がインサート成形により筐体の壁に埋め込まれて一体化されていることを特徴とする電池パックを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、筐体内に直列及び／又は並列に接続された複数の電池セルを収納した電池パックに関し、さらに詳しくは、電池セル間の熱伝導を防止するための隔壁を設けた筐体の構造に関する。

ノート型パソコンや携帯電話等のような携帯型電気機器の電源として用いられる高容量強負荷放電性能を有する充電可能な電池パックとして、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池を収納した電池パックが広く採用されている。このような電池パックには、電池セルとともに、安全装置としてのＰＴＣ素子や温度ヒューズ、充放電の終止電圧等を制御するための保護回路や各種センサ等が収納されている。

リチウムイオン二次電池は、高容量であり、またハイレートで充放電が行われるために発熱量が大きい。このような場合、複数の電池セルを収納する電池パックにおいて、電池セルの一部が発熱した場合、隣接する電池セルに熱が拡散して広がることにより、隣接する電池の発熱を促進させることがある。そして、隣接する電池セル間で次々に、熱が伝播することにより、電池内部の短絡や電解液の分解等を引き起こし、熱暴走することも知られている。

隣接する電池セル同士間での熱暴走を抑制する方法として、いくつかの方法が提案されている。
例えば、下記特許文献１は、非水電解液の分解等により生成し電池セル内部から排出された高温ガスを、その温度を下げて外部に放出させるような排気ダクトを備えた電池パックを開示している。具体的には、電池セルから排出された高温ガスを、電池パック内に配設されたダクトを通過させることにより、その温度を下げた後、外部に放出するような構造を備えた電池パックが開示されている。
また、下記特許文献２は、電池セルの一部が発熱した場合、隣接する電池セルに熱が伝播して熱暴走が広がることを抑制するために、電池セル同士の電極連結領域に絶縁性や断熱性を有するセパレータを配置した電池パックを開示している。
また、下記特許文献３は、合成樹脂で形成された隔壁の場合には充分な難燃性や耐衝撃性を維持できなかったという問題を解決したとして、電池セル同士を仕切る隔壁として、マイカのような高融点材料で形成された隔壁を配設した電池パックを開示している。

特開２００８−１１７７６５号公報 特開２００８−１９２５７０号公報 特開２００８−２１８２１０号公報

従来の技術により、電池パック内の電池セル間を隔離する隔壁を配設する場合、次のような問題があった。
従来の隔壁の形成方法としては、電池パックの筐体の上側ケースまたは下側ケースに複数の電池セルを収容した後、その電池セル間に予め部材として準備した隔壁片を電池セル間に挿入して組み込むような方法が広く用いられていた。しかしながら、このような方法によれば、部材を組み立てる工程の増加により生産性が低下するという問題があった。また、組み付けられた隔壁は、筐体内で何らかの手段により固定支持されなければ使用中に衝撃を受けた際に、隔壁が移動してしまうおそれもあった。また、このような部品として組み込まれた隔壁は、筐体と一体化されていないために、筐体内壁と隔壁との間に隙間が存在する。このような隙間は、電池セルで発生した高温ガスを隣接する電池セルが配置されている領域に通過させるために、断熱性が不充分になるという問題があった。

上記問題を解決する方法としては、電池パックの筐体を射出成形する際に、成形金型のキャビティに筐体形状の一部として筐体の内壁から屹立するような隔壁を形成するための形状を設け、成形時に筐体に一体化された隔壁を成形するという方法も知られている。しかしながら、このような方法の場合には、以下のような問題が生じる。すなわち、電池パックは、例えばノート型パソコンの筐体の一部を構成するように用いられることが多い。従って電池パックの筐体の外壁には、高い衝撃性等の機械的特性や難燃性が要求される。このために、筐体の外壁にはある程度の肉厚性が要求される（例えば０．８ｍｍ以上）。このような肉厚の外壁を有する電池パックの筐体を射出成形する場合、隔壁の厚みも同程度の厚みにしなければ隔壁部が充分に成形できない、いわゆるショートショットという未充填の領域を生じさせる。すなわち、通常、筐体の射出成形においては、隔壁部は溶融樹脂が流れるときの流動の末端に位置する。流動の末端における樹脂は金型内で流動するときにある程度冷却されて粘度が上昇しているために、隔壁部に対して射出圧力が充分に掛かりにくい。従って、電池パックの小型化を行うために薄肉の隔壁を設計しても、樹脂が完充填されないいわゆるショートショットと呼ばれる状態が生じる。また、薄肉部分に溶融樹脂を流すために射出圧力を高めすぎた場合には、厚肉の外壁部分にバリが生じるという問題があった。従って、射出成形により筐体の成形と同時に薄肉の隔壁を成形しようとした場合には、溶融樹脂の流動長を十分に確保できないために充分な高さの隔壁を得ることができなかった。また、射出成形においては、金型設計において、溶融樹脂の入り口（ゲート）の位置や個数等を調整することにより流動性を調整することもできる。しかし、成形品には通常その表面にゲート跡が残る。電池パックはその筐体自身が製品であるノート型パソコン等の筐体の一部をなすことが多いために、通常、外観にゲート跡を残さないような金型設計が行われる。そのために、金型設計の自由度が制限される。

本発明は、上述したような問題を解決すべく、隣接する電池セル同士の熱伝導を防止すべく、筐体と隔壁内壁との間に隙間を存在させることなく、設計自由度にすぐれた隔壁を有する電池パックを提供することを目的とする。

本発明の一局面の電池パックは、筐体内に直列及び／又は並列に接続された複数の筒型の電池セルを収納した電池パックであって、電池セル同士の間に介在するように筐体内壁から屹立した隔壁を備え、隔壁を支持する基礎部分がインサート成形により筐体の壁に埋め込まれていることを特徴とする。このような電池パックによれば、隔壁と筐体内壁との間に隙間が存在しない。従って、従来知られた隔壁のように、電池セルで発生した高温のガスが、隔壁と筐体内壁との間に存在する隙間を通過して隣接する電池セルの配設領域に通過することを抑制できる。また、隔壁がインサート成形のインサート品として成形により形成されるものであるために、隔壁の高さや厚みや材料の選定等の設計の自由度が高い。さらに、電池パックの組み立て時に隔壁を形成するための部材を組み込む工程を省略できる。

隔壁はシート基材、具体的には、例えば、樹脂シートや無機シートから形成されていることが好ましい。また、シート基材は、断熱層，吸熱層，難燃剤層，絶縁剤層等の機能層を有するが積層体であることが好ましい。このような機能層を形成することにより、従来の隔壁よりも高い断熱性や絶縁性等の機能を付与することができる。

また、前記シートは山折されており、その山折線が前記隔壁の頂部を形成していることが、熱伝導の遮断性が向上する点から好ましい。この場合においては、隔壁は、シートの両端を谷折して形成された平坦部を、インサート成形により、筐体壁に埋め込むことにより形成されたものであることが好ましい。それにより、隔壁が筐体に充分に固定される。
本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明及び添付する図面により、より明白となる。

本発明の電池パックによれば、隔壁と筐体内壁との間に存在する隙間をなくすことができる。また、隔壁がインサート成形のインサート品として成形により一体化されるために、隔壁の高さや厚みや材料の選定等の設計の自由度が高い。さらに、電池パックの組み立て時の隔壁を組み込む工程を省略することができる。

本実施形態の電池パック１０の斜視図である。 図１に示す電池パック１０の分解斜視図である。 図１に示す電池パック１０のＡ−Ａ'線断面図である。 図３に示す電池パック１０の隔壁６の拡大模式図である。 隔壁の代表的な形態を説明するための斜視模式図である。 機能性を付与されたシートの断面模式図である。 下側ケース２ｂを成形するための金型３０の模式斜視図である。 インサート成形工程を説明する説明図である。

以下、本発明に係る電池パックの実施の形態として、電池パック１０を一例として、図面を参照しながら説明する。本実施形態では代表例としてノート型パソコン用の電池パックである電池パック１０を代表例として説明する。なお、本発明の電池パックはノート型パソコン用のバッテリに限られず、各種ポータブル情報端末等のバッテリとして用いられうる。

図１は、本実施形態の電池パック１０の斜視図であり、図２は、電池パック１０の分解斜視図であり、図３は図１に示す電池パック１０のＡ−Ａ'線断面図である。図中、１は電池セル、２は上側ケース２ａと下側ケース２ｂから構成される筐体、３はリード、４は制御部、５は端子、６は隔壁である。

図２に示すように、電池パック１０には複数の筒型の電池セル１が収納されている。そして、電池セル１は、長手方向に３個の電池セル１を直列に接続したものを１セットとし、それを短手方向に並列に２セット並べて接続している。直列接続においては、各電池セル１の正極と負極とをリード３を介して接続している。リード３は、金属板で、スポット溶接して、あるいはレーザ溶接して電池セル１の電極に接続される。そして、各セットの先端に位置する電池セル１の正極同士を接続し、各セットの後端に位置する電池セル１の負極同士を接続することにより、３本の直列接続された電池セル１の２セットのセル列を、並列に接続している。

電池パック１０には、電池セル１に接続された図略の制御回路基板を収納する制御部４が設けられている。制御回路基板は、例えば、各電池セル１の電圧、電流、温度等を測定し、その結果に基づいて充放電量等を制御する。

電池パック１０においては、電池セル１として、１８６５０サイズの円筒型リチウムイオン二次電池を用いている。電池セル１は、外装缶内部において非水電解液の分解等により生じたガスの発生により、内圧が急上昇したときにガスを外部に放出するために開放される図略の安全弁を備えている。なお、電池セルの種類は特に限定されず、リチウムイオン二次電池の代わりに、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等、その他の電池を用いてもよい。また、そのサイズや形状も特に限定されない。

そして、図３の電池パック１０のＡ−Ａ'線断面図に示しように、電池パック１０においては、２列に隣接するように並行配置された電池セル列の間に介在するように、隔壁６が筐体２の内壁ＩＷから屹立している。そして、隔壁６は、その基礎部分６ａがインサート成形により筐体２の下側ケース２ｂの壁Ｗに埋め込まれて一体化されている。隔壁６は、絶縁性及び断熱性を有する材料から形成されている。それにより、例えば、一方の列の電池セル１（１ａ）が発熱した場合において、隣接する他方の列の電池セル（１ｂ）に熱が伝播することを抑制する。また、隔壁６の基礎部分６ａがインサート成形により下側ケース２ｂの壁Ｗに埋め込まれて一体化されていることにより、下側ケース２ｂと、隔壁６との間に隙間が存在しないために、そのような隙間を通じてガスが隣の列に移行することが抑制される。なお、隔壁６の他端は図３に示すように、上側ケース２ａに設けた切り欠き溝に嵌め込まれて嵌合されている。

筐体２を形成する材料としては、各種樹脂材料が用いられ、具体的には、例えば、ポリカーボネート、ポリカーボネートとアクリロニトリルブタジエンスチレンのアロイ等が挙げられる。なお、筐体２を形成する材料としては、通常、難燃剤を含有させることにより、難燃性を付与されたものが用いられる。

隔壁６を形成する絶縁性及び断熱性を有する材料の具体例としては、例えば、ポリプロピレン等の各種ポリオレフィンや、ポリカーボネート、ＰＥＴ，ＰＢＴ等の各種ポリエステル、ポリアミド、液晶ポリマー等の樹脂またはこれらに無機フィラーや難燃剤等を配合した樹脂組成物や、ガラスやマイカ等の耐熱性無機材が挙げられる。

隔壁６の形態としてはシート状であることが好ましい。なお、シート形態としては、樹脂シートの他、ガラスクロスのような不織布、マイカシートのような無機耐熱シートのような形態であってもよい。さらに、２種以上の材料の積層体やコンポジット体であってもよい。また、そのシート厚みは、特に限定されないが、本発明により電池パックの小型化を実現するためには、１０〜５００μｍ、さらには１００〜２００μｍの範囲であることが好ましい。

図３の電池パック１０においては、隔壁の形態として、図４に示すように１枚のシートを山折し、その山折線が前記隔壁の頂部を形成しているようなシートを用いている。このように山折したシートを用いた場合には、山折されて重なる面同士の間に空気層が形成されるために、隔壁を介して隣接する電池セル間の断熱性がより高くなる点から好ましい。この場合においては、シートの両端を谷折して形成された平坦部６ａを、インサート成形により、筐体の壁Ｗに埋め込むことにより、隔壁を筐体に充分に固定することができる。

また、図３の電池パック１０のように、隔壁６の一端を、上側ケース２ａに設けた切り欠き溝に嵌め込んで固定する代わりに、図５（ａ）に示すように、上側ケース２ａ及び下側ケース２ｂのそれぞれに隔壁１６を設けてもよい。さらに、図５（ｂ）に示すように、山折したシートの代わりに、一枚のシートを隔壁２６としてもよい。

なお、隔壁を形成するためのシートは、図６（ａ）に示すように、シート基材８の表面に、難燃剤層，断熱層，吸熱層，絶縁剤層等の機能層９が積層されたような形態であることがより好ましい。シート基材８にこのような機能層９を積層することにより、単位厚みあたりの断熱性や絶縁性等が従来の隔壁よりも向上させることができるために、薄肉化しても高い断熱性や絶縁性を維持することができる。また同様に、図６（ｂ）に示すように、ガラスクロスのような不織布１８を基材とし、不織布１８に、断熱剤、難燃剤、吸熱剤、絶縁剤等を含有する機能樹脂成分１９を含浸させたようなコンポジットを用いてもよい。

このような積層体やコンポジットの形成に用いられる機能材料としては、以下のようなものが例示される。具体的には、例えば、りん系難燃剤、ハロゲン系難燃剤等の難燃剤；水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムのような各種無機水酸化物等の吸熱剤；ガラスパウダー、シリカパウダー、セラミックパウダー等の無機フィラー等の断熱剤等が挙げられる。これらの材料は、バインダー樹脂とともに溶媒に分散させた後、その分散液をシート基材８の表面に塗布することにより積層形成したり、不織布１８に含浸させた後、溶媒を除去することにより含浸形成することができる。

次に、このような隔壁が形成された電池パック１０の筐体の製造方法について図７〜図８を参照しながら説明する。

本実施形態の電池パック１０は、従来から知られたインサート成形を用いて製造することができる。一例として、下側ケース２ｂに隔壁６を形成する場合について、図７及び図８を参照しながら説明する。

図７は筐体２を構成する下側ケース２ｂを成形するための金型３０の模式斜視図である。また、図８は、金型３０を用いてインサート成形するときの各工程を説明する説明図である。なお、図中、３１は上金型、３２は下金型、３３はキャビティ、３４はモールドコア、３５はシート部材、３６はランナー部、３７はゲート、３８はスプルー部、３９は射出成形機のノズル部、４０は射出成形機のシリンダーである。

インサート成形においては、図８（ａ）に示すように、射出成形機は、セットされた金型３０を型開きするように指令を出し型開きする。次に、図８（ｂ）に示すように、金型３０が型開きされた状態で、上金型３１のモールドコア３４に設けられた図略の溝にシート部材３５を挿入してシート部材３５を固定支持する。そして、図８（ｃ）に示すように、射出成形機に対して型閉めの指令を出し、型閉めする。

そして、射出成形機に対して射出動作の指令を出すことにより、図８（ｄ）に示すように射出成形機のシリンダー４０を前進させ、ノズル３９を金型３０のスプルー３８に圧接させる。そして、射出成形機のシリンダー４１から溶融樹脂を射出して、ノズル３９から型閉めされた金型３０内に溶融樹脂を注入する。溶融樹脂の射出により金型３０内に流入した溶融樹脂は、ランナー部３６を通過して、ゲート３７からキャビティ３３内に流入する。このとき、シート部材３５の基礎部分が溶融樹脂に包埋される。そして溶融樹脂の流入後、金型内の溶融樹脂が冷却されて固化するまでの冷却時間の経過を待った後、図８（ｅ）に示すように金型３０は型開きされる。この一連の操作は射出成形機に備えられた制御装置により制御される。

そして、型開きされた金型３０から、成形された下側ケース２ｂを取り出す。取り出した下側ケース２ｂには、インサート成形されたシート部材３５がその内壁から屹立しており、隔壁６を形成している。このようにして、隔壁６を支持する基礎部分６ａがインサート成形により壁Ｗに埋め込まれている下側ケース２ｂが得られる。そして、このように形成された下側ケース２ｂに内部端子の形成、外部端子の形成、制御回路基板やリードの組み込み等を行った後、隣接する電池セル１同士の間に隔壁６が介在するように電池セル１が組み込まれる。そして、下側ケース２ｂに、予め準備していた上側ケース２ａを被せて固定することにより電池パック１０が得られる。

本発明の電池パックは、ノートパソコン等の携帯用機器に使用して、電池セルの一部が異常発熱しても、その拡散を効果的に阻止して安全に使用できる。

１ 電池セル、２ 筐体、２ａ 上側ケース、２ｂ 下側ケース、３ リード、４ 制御回路部、５ 端子、６，２６ 隔壁、６ａ 基礎部分、７ 切り欠き溝、８ シート基材、９機能層、１０ 電池パック、１８ 不織布、１９ 機能樹脂成分、ＩＷ 内壁、Ｗ 壁、３０ 金型、３１ 上金型、３２ 下金型、３３ キャビティ、３４ モールドコア、３５ シート部材、３６ ランナー部、３７ ゲート、３８ スプルー、３９ ノズル、４０ シリンダー

Claims (9)

1. 筐体内に直列及び／又は並列に接続された複数の筒型の電池セルを収納した電池パックであって、
   前記電池セル同士の間に介在するように筐体内壁から屹立した隔壁を備え、
   前記隔壁を支持する基礎部分がインサート成形により筐体の壁に埋め込まれていることを特徴とする電池パック。
2. 前記隔壁はシートを基材として含む請求項１に記載の電池パック。
3. 前記シートは樹脂シート及び無機シートからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む請求項１又は２に記載の電池パック。
4. 前記シートは、その表面に機能層が積層された積層体である請求項２または３に記載の電池パック。
5. 前記機能層が断熱層または吸熱層を含む請求項４に記載の電池パック。
6. 前記機能層が難燃剤層を含む請求項４または５に記載の電池パック。
7. 前記機能層が絶縁剤層を含む請求項４〜６の何れか１項に記載の電池パック。
8. 前記シートは山折されており、その山折線が前記隔壁の頂部を形成している請求項２〜７の何れか１項に記載の電池パック。
9. 前記隔壁を支持する基礎部分が前記シートの両端を谷折して形成された平坦部を含む請求項８に記載の電池パック。

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