JP2012068116A

JP2012068116A - 温度センサ付き電池

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Publication number: JP2012068116A
Application number: JP2010212936A
Authority: JP
Inventors: Kensho Nagatomo; 憲昭長友; Hitoshi Inaba; 均稲場
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-23
Also published as: JP5494967B2

Abstract

【課題】電池全体の温度を正確に計測できると共に応答性に優れ、外形状の凹凸を極力抑えて設置や収納も容易な温度センサ付き電池を提供すること。
【解決手段】電池本体２と、該電池本体２の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部を有したフィルム状温度センサ４と、を備えている。また、感熱部が、電池本体２の全周にわたって延在している。これにより、電池本体２の外周の広範囲な面で温度を測定でき、従来の局所的に温度センサを密着固定したものに比べて、電池全体の温度を正確に測定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、安全性確保等のため自己の温度を計測可能な温度センサ付き電池に関する。

バッテリーパックやリチウムイオン二次電池等の電池は、充電状態の制御や温度上昇に対する安全性確保等のために電池の温度を計測制御する必要がある。このため、従来、温度センサを二次電池やバッテリーパックに取り付けたものが知られている。

例えば、特許文献１では、絶縁フィルムで小さな薄板状のサーミスタ素子を被覆した温度センサを二次電池の表面に密着させたパック電池が提案されている。
また、特許文献２では、電池の電極リード部に感熱性の保護素子としてサーミスタを配置した電池および電池パックが提案されている。
さらに、特許文献３では、電池が挿入される電池ケースの温度を検出するための温度センサが、電池ケースの所定の温度検出部位に押圧されて位置決めされる電子機器が提案されている。

特開平８−１２８９０１号公報特開２００３−４５４９２号公報特開２００４−３４９１１９号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記特許文献１から３に記載の技術では、バッテリーパックや二次電池等の電池の側面に温度センサを密着させて配置しているが、この場合、電池の側面を部分的に温度測定しているだけで、電池全体を測定することができない。また、温度センサが電池の側面に局所的に固定され、密着している面積が小さいと共に温度センサの体積による局所的な熱容量によって、正確な温度を測定することが難しく、応答性も低いという不都合があった。また、外気風などにより、温度センサだけが急峻に温度変動し易いと共に、側面に固定した温度センサのため、電池の全体形状に凹凸ができ、設置や収納がし難く、設置場所の確保も困難になるという不都合もある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、電池全体の温度を正確に計測できると共に応答性に優れ、外形状の凹凸を極力抑えて設置や収納も容易な温度センサ付き電池を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の温度センサ付き電池は、電池本体と、該電池本体の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部を有したフィルム状温度センサと、を備えていることを特徴とする。
この温度センサ付き電池では、電池本体の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部を有したフィルム状温度センサを備えているので、電池本体の外周の広範囲な面で温度を測定でき、従来の局所的に温度センサを密着固定したものに比べて、電池全体の温度を正確に測定することができる。また、外気風を受ける場所では、フィルム状温度センサは温度変動するが、覆った電池本体の広い外周面における平均温度を測定しているので、その影響が低減される。さらに、フレキシブルで薄いフィルム状温度センサで電池本体の外周を覆うので、外形状に凹凸が生じ難いと共に熱容量も小さい。このため、温度計測の応答性が高く、設置や収納の場所も確保し易くなる。
なお、本発明では、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、リチウムポリマー二次電池等の二次電池だけでなく、一つまたは複数の二次電池を容器内に収納したバッテリーパックも電池本体として含むものである。

また、本発明の温度センサ付き電池は、前記感熱部が、前記電池本体の全周にわたって延在していることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ付き電池では、感熱部が、前記電池本体の全周にわたって延在しているので、電池本体の全周における平均温度を計測することができ、より高精度に電池本体の平均温度を測定することができる。

また、本発明の温度センサ付き電池は、前記フィルム状温度センサが、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルム上に形成され前記外周の周方向に延在した薄膜状の前記感熱部と、該感熱部に接続された一対のリード線と、を備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ付き電池では、フィルム状温度センサが、絶縁性フィルム上に形成され前記外周の周方向に延在した薄膜状の前記感熱部を有するので、高い柔軟性によって電池本体の外周に容易にかつ高い密着状態でフィルム状温度センサを接着させることができ、高精度かつ高応答性な温度計測が可能になる。

さらに、本発明の温度センサ付き電池は、前記感熱部が、前記絶縁性フィルム上に形成され前記一対のリード線が接続された一対のパターン電極と、前記絶縁性フィルム上および前記一対のパターン電極上にパターン形成された薄膜サーミスタ部と、を備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ付き電池では、感熱部が、絶縁性フィルム上にパターン形成された薄膜サーミスタ部を備えているので、電池本体の広範囲な外周を広い面積の薄膜サーミスタ部で覆って、より高精度かつ高応答性な温度計測が可能になる。

また、本発明の温度センサ付き電池は、前記感熱部が、前記絶縁性フィルム上に白金膜でパターン形成された白金測温抵抗体であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサ付き電池では、感熱部が、絶縁性フィルム上に白金膜でパターン形成された白金測温抵抗体であるので、電池本体の広範囲な外周にわたって延在する白金測温抵抗体により、より高精度かつ高応答性な温度計測が可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサ付き電池によれば、電池本体の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部を有したフィルム状温度センサを備えているので、電池全体の温度を正確に計測できると共に応答性に優れ、外形状の凹凸を極力抑えて設置や収納も容易になる。したがって、電池本体の温度を高精度にかつ高応答性で測定でき、充電状態の高精度な制御が可能になると共に過度な発熱を防止して高い安全性を確保することが可能になる。

本発明に係る温度センサ付き電池の第１実施形態を示す斜視図である。第１実施形態において、フィルム状温度センサを示す斜視図である。第１実施形態において、フィルム状温度センサの製造方法を工程順に示す斜視図である。第１実施形態において、電池本体へのフィルム状温度センサの固定方法を工程順に示す斜視図である。本発明に係る温度センサ付き電池の第２実施形態において、フィルム状温度センサを示す斜視図である。第２実施形態において、フィルム状温度センサの製造方法を工程順に示す斜視図である。本発明に係る温度センサ付き電池の第３実施形態において、電池本体へのフィルム状温度センサの固定方法を工程順に示す斜視図である。

以下、本発明に係る温度センサ付き電池の第１実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の温度センサ付き電池１は、図１及び図２に示すように、円柱状の電池本体２と、該電池本体２の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部３を有したフィルム状温度センサ４と、を備えている。
上記フィルム状温度センサ４は、絶縁性フィルム５と、該絶縁性フィルム５上に形成され上記外周の周方向に延在した薄膜状の上記感熱部３と、該感熱部３に接続された一対のリード線６と、を備えている。

なお、上記感熱部３は、電池本体２の全周にわたって延在している。
上記感熱部３は、図２に示すように、絶縁性フィルム５上に形成され一対のリード線６が接続された一対のパターン電極７と、絶縁性フィルム５上および一対のパターン電極７上にパターン形成された薄膜サーミスタ部８と、を備えている。

上記電池本体２は、例えばリチウムイオン二次電池である。この電池本体２は、リード線である一対のリード端子９が軸方向下方に突出して設けられている。
上記絶縁性フィルム５は、例えばポリイミド樹脂シートで電池本体２の全周以上の長さで帯状に形成されている。
上記一対のパターン電極７は、例えばＮｉＣｒ膜とＰｔ膜との積層金属膜でパターン形成され、互いに対向状態に配した櫛形パターンの櫛形電極部分を有している。これらパターン電極７の櫛形電極部分は、帯状の絶縁性フィルム５の延在方向（電池本体２への巻回方向）に沿って延在するように配置されている。また、一対のパターン電極７の基端部上には、リード線６の引き出し部としてめっき部１０が形成されている。さらに、このめっき部１０にリード線６の一端が半田材１１で接合されている。

上記薄膜サーミスタ部８は、例えばＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ、ＮｂＡｌＮ、ＮｂＮ等の窒化物からなる薄膜サーミスタ材料で、互いに対向するパターン電極７の櫛形電極部分を覆うように矩形帯状に絶縁性フィルム５にパターン形成されている。

次に、本実施形態の温度センサ付き電池１の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。
まず、例えば、図３の（ａ）に示す厚さ５０μｍのポリイミド樹脂シートの絶縁性フィルム５上に、スパッタ法によってＮｉＣｒ膜（Ｎｉ：Ｃｒ＝８０ｍｏｌ％：２０ｍｏｌ％）を厚さ１０ｎｍ形成し、さらにその上にＰｔ膜を厚さ２００ｎｍ形成する。

次に、図３の（ｂ）に示すように、積層されたＮｉＣｒ膜とＰｔ膜との上にレジスト液をバーコーターで塗布し、８０℃で１０ｍｉｎプリベークした後、露光装置で所定の櫛形電極構造のパターン形状に感光し、不要部分を除去する。さらに、Ａｒによるドライエッチングによって一対のパターン電極７を所定パターンでパターニングする。

このパターン電極７が形成された絶縁性フィルム５上に、図３の（ｃ）に示すように、メタルマスクを介して反応性スパッタ法によりＴｉＡｌＮの薄膜サーミスタ部８を所定形状で厚さ５００ｎｍ成膜する。
その後、図３の（ｄ）に示すように、この薄膜サーミスタ部８を覆うように絶縁性フィルム５上に接着剤付きのポリイミドカバーレイフィルム１２を載せ、プレス機によって１５０℃で２Ｎ／ｃｍの圧力で３０ｍｉｎ加圧し、接着させる。なお、この際、めっき部１０を形成する一対のパターン電極７の基端部上は除いてポリイミドカバーレイフィルム１２を接着する。

次に、図３の（ｅ）に示すように、一対のパターン電極７の基端部上にめっき液によって厚さ３μｍのＮｉめっき層および厚さ１０μｍのＳｎめっき層を形成して、一対のめっき部１０とする。
さらに、これらめっき部１０にそれぞれリード線６の一端を半田材１１で接合することで、図２に示すフィルム状温度センサ４が作製される。

次に、図４の（ａ）に示す電池本体２の外周に両面接着剤付きフィルム（図示略）を巻き付け、この両面接着剤付きフィルム上にフィルム状温度センサ４を、図４の（ｂ）に示すように、電池本体２の外周を覆うように巻き付けて接着させる。このとき、感熱部３が電池本体２の外周面をほぼ一周するように、フィルム状温度センサ４を接着する。
さらに、図４の（ｃ）に示すように、絶縁テープ１３でフィルム状温度センサ４の絶縁性フィルム５を覆うようにして電池本体２の外周をラッピングすることで、本実施形態の温度センサ付き電池１が作製される。

このように本実施形態の温度センサ付き電池１では、電池本体２の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部３を有したフィルム状温度センサ４を備えているので、電池本体２の外周の広範囲な面で温度を測定でき、従来の局所的に温度センサを密着固定したものに比べて、電池本体２全体の温度を正確に測定することができる。
特に、感熱部３を、電池本体２の全周にわたって延在させることで、電池本体２の全周における平均温度を計測することができ、より高精度に電池本体の平均温度を測定することができる。

また、外気風を受ける場所では、フィルム状温度センサ４は温度変動するが、覆った電池本体２の広い外周面における平均温度を測定しているので、その影響が低減される。さらに、フレキシブルで薄いフィルム状温度センサ４で電池本体２の外周を覆うので、外形状に凹凸が生じ難いと共に熱容量も小さい。このため、温度計測の応答性が高く、設置や収納の場所も確保し易くなる。

また、フィルム状温度センサ４が、絶縁性フィルム５上に形成され上記外周の周方向に延在した薄膜状の感熱部３を有するので、高い柔軟性によって電池本体２の外周に容易にかつ高い密着状態でフィルム状温度センサ４を接着させることができ、高精度かつ高応答性な温度計測が可能になる。特に、感熱部３が、絶縁性フィルム５上にパターン形成された薄膜サーミスタ部８を備えているので、電池本体２の広範囲な外周を広い面積の薄膜サーミスタ部８で覆って、より高精度かつ高応答性な温度計測が可能になる。

次に、本発明に係る温度センサ付き電池の第２実施形態および第３実施形態について、図５から図７を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、感熱部３が薄膜サーミスタ部８を備えた薄膜サーミスタであるのに対し、第２実施形態の温度センサ付き電池は、図５に示すように、感熱部２３が、絶縁性フィルム５上にＰｔ（白金）膜でミアンダ形状の線状にパターン形成された白金測温抵抗体２８である点である。
すなわち、第２実施形態のフィルム状温度センサ２４では、絶縁性フィルム５上に成膜されたＰｔ膜をミアンダ状にパターン形成して白金測温抵抗体２８が電池本体２の外周の周方向にわたって設けられている。

次に、第２実施形態の温度センサ付き電池の製造方法について、図５および図６を参照して説明する。
まず、図６の（ａ）に示すように、例えば厚さ５０μｍのポリイミド樹脂シートの絶縁性フィルム５上に、スパッタ法によってＮｉＣｒ膜（Ｎｉ：Ｃｒ＝８０ｍｏｌ％：２０ｍｏｌ％）を厚さ１０ｎｍ形成し、さらにその上にＰｔ膜を厚さ２００ｎｍ形成する。

次に、図６の（ｂ）に示すように、積層されたＮｉＣｒ膜とＰｔ膜との上にレジスト液をバーコーターで塗布し、８０℃で１０ｍｉｎプリベークした後、露光装置で所定のミアンダ構造のパターン形状に感光し、不要部分を除去する。さらに、Ａｒによるドライエッチングによって白金測温抵抗体２８を所定パターンでパターニングする。

その後、図６の（ｃ）に示すように、この白金測温抵抗体２８を覆うように絶縁性フィルム５上に接着剤付きのポリイミドカバーレイフィルム１２を載せ、プレス機によって１５０℃で２Ｎ／ｃｍの圧力で３０ｍｉｎ加圧し、接着させる。なお、めっき部１０が形成される白金測温抵抗体２８の一対の基端部上は除いてポリイミドカバーレイフィルム１２を接着する。

次に、図６の（ｄ）に示すように、白金測温抵抗体２８の一対の基端部上にめっき液によって厚さ３μｍのＮｉめっき層および厚さ１０μｍのＳｎめっき層を形成して、一対のめっき部１０とする。
さらに、これらめっき部１０にそれぞれリード線６の一端を半田材１１で接合することで、図５に示すフィルム状温度センサ２４が作製される。

次に、第１実施形態と同様に、電池本体２の外周に両面接着剤付きフィルム（図示略）を巻き付け、この両面接着剤付きフィルム（図示略）上にフィルム状温度センサ２４を、電池本体２の外周を覆うように接着させる。このとき、感熱部２３が電池本体２の外周面をほぼ一周するように、フィルム状温度センサ２４を接着する。さらに、絶縁テープ１３でフィルム状温度センサ２４の絶縁性フィルム５を覆うようにして電池本体２の外周をラッピングすることで、第２実施形態の温度センサ付き電池が作製される。

このように第２実施形態の温度センサ付き電池では、感熱部２３が、絶縁性フィルム５上にＰｔ膜でパターン形成された白金測温抵抗体２８であるので、電池本体２の広範囲な外周にわたって延在する白金測温抵抗体２８により、より高精度かつ高応答性な温度計測が可能になる。

次に、第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、電池本体２が円柱状のリチウムイオン二次電池であるのに対し、第３実施形態の温度センサ付き電池３１は、図７に示すように、電池本体３２が薄板状のバッテリーパックである点である。
すなわち、第３実施形態の温度センサ付き電池３１は、図７の（ｃ）に示すように、薄板状のバッテリーパックである電池本体３２と、該電池本体３２の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部３を有したフィルム状温度センサ４と、を備えている。

この第３実施形態の温度センサ付き電池３１を作製するには、まず第１実施形態と同様に、フィルム状温度センサ４を作製し、次に、図７の（ａ）に示す電池本体３２の外周に両面接着剤付きフィルム（図示略）を巻き付け、この両面接着剤付きフィルム上にフィルム状温度センサ４を、図７の（ｂ）に示すように、電池本体３２の外周を覆うように巻き付けて接着させる。このとき、感熱部３が電池本体３２の外周面をほぼ一周するように、フィルム状温度センサ４を接着する。

さらに、図７の（ｃ）に示すように、絶縁テープ１３でフィルム状温度センサ４の絶縁性フィルム５を覆うようにして電池本体３２の外周をラッピングすることで、第３実施形態の温度センサ付き電池３１が作製される。なお、第１実施形態では、リード端子９と反対方向にリード線６を突出させてフィルム状温度センサ４を設置したが、第３実施形態では、リード端子９と同一方向にリード線６を突出させてフィルム状温度センサ４を設置している。

このように第３実施形態の温度センサ付き電池３１においても、薄板状の電池本体３２の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部３を有したフィルム状温度センサ４を備えているので、電池本体３２の外周の広範囲な面で温度を測定でき、従来の局所的に温度センサを密着固定したものに比べて、電池本体３２全体の温度を正確に測定することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態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において種々の変更を加えることが可能である。

１，３１…温度センサ付き電池、２，３１…電池本体、３，２３…感熱部、４，２４…フィルム状温度センサ、５…絶縁性フィルム、６…リード線、７…パターン電極、８…薄膜サーミスタ部、２８…白金測温抵抗体

Claims

電池本体と、
該電池本体の外周を覆って設けられていると共に前記外周の周方向に延在して温度に応じて電気抵抗が変化する感熱部を有したフィルム状温度センサと、を備えていることを特徴とする温度センサ付き電池。
請求項１に記載の温度センサ付き電池において、
前記感熱部が、前記電池本体の全周にわたって延在していることを特徴とする温度センサ付き電池。
請求項１または２に記載の温度センサ付き電池において、
前記フィルム状温度センサが、絶縁性フィルムと、
該絶縁性フィルム上に形成され前記外周の周方向に延在した薄膜状の前記感熱部と、
該感熱部に接続された一対のリード線と、を備えていることを特徴とする温度センサ付き電池。
請求項３に記載の温度センサ付き電池において、
前記感熱部が、前記絶縁性フィルム上に形成され前記一対のリード線が接続された一対のパターン電極と、
前記絶縁性フィルム上および前記一対のパターン電極上にパターン形成された薄膜サーミスタ部と、を備えていることを特徴とする温度センサ付き電池。
請求項３に記載の温度センサ付き電池において、
前記感熱部が、前記絶縁性フィルム上に白金膜でパターン形成された白金測温抵抗体であることを特徴とする温度センサ付き電池。