JP2012243535A - 電池パック - Google Patents

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Abstract

【課題】多数の電池セルを、短時間で、しかも均一に加熱する。
【解決手段】電池パックは、複数の充電可能な電池セル1と、複数の電池セル1を各々収納可能な電池収納空間20を個別に区画した電池ホルダ2と、電池セル1の表面に接触されて、これを加熱可能な発熱体3とを備えている。発熱体3は可撓性を有し、両面を発熱面3Aとするシート状であり、電池ホルダ2は、電池収納空間20において電池セル1を収納した状態で、該電池収納空間20の内面と電池セル1表面との間に発熱体3を挟持可能な収納隙間21を設けている。さらに、電池パックは、シート状の発熱体3を、複数の電池セル1の外周面に沿って配設して発熱面3Aを電池セル1の表面に面接触させており、発熱体3が通電されて発熱して複数の電池セル1を加熱する。
【選択図】図6

Description

本発明は、複数の充電可能な二次電池を収納した電池パックに関し、例えば、電動スクーターやアシスト自転車用の電源等に利用可能な電池パックに関する。とくに、気温が低い冬期や寒冷地において、スタートする時に内蔵する二次電池を加熱する電池パックに関する。
多数の二次電池を直列及び/又は並列に接続した電池パックが、電動スクーターやアシスト自転車の動力源、あるいは電気自動車の電源装置などに利用されている。このような電源装置は屋外で使用されるため、環境温度の影響を受けやすい。特に、電池セルは、発電要素として化学変化を利用しているため、温度が低いと充放電ができなかったり、電池セルへの負荷が大きくなって、寿命を縮める等の問題がある。これを防止するためには、電池セルを温める必要があり、例えば、気温の低い冬期や寒冷地で使用される電池パックは、使用前にヒーターなどを用いて電池セルを予熱することが考えられる。このような電池セルの加熱には、通電によって発熱する発熱体が利用されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に開示される電源装置は、図17に示すように角型のポリマー電池91の両主面91a、91bに発熱素子93をそれぞれ1つずつ当接させたり、図18に示すように、発熱素子93を二つ折りしてポリマー電池91を厚み方向に挟むように当接させる構成が開示される。これによってポリマー電池91を効率よく加熱できる。
特開2004−171897号公報 特開2010−129392号公報 特開2006−286508号公報 特開2010−238519号公報
しかしながら、このような電池セルの加熱は、複数の電池セル間で均一に行う必要がある。すなわち、一部の電池セルへの加熱が集中すると、かえって熱によって電池セルがダメージを受けるおそれもある。また、ダメージを受けた電池セルは充放電を繰り返すことによって劣化が早まり、電池容量が低下する。この結果、電池セルへの充電は、最も容量の小さい電池セルによって制限されるため、正常な他の電池セルの能力を発揮できなくなる。これを防止するためには、電池セルは加熱の際にばらつきが生じないように均等に加熱する必要がある。しかしながら、多数の電池セルを均等に加熱することは容易でない。
また、電池セルを予熱している間は、電池パックを使用できないため、予熱は短時間で完了することが望ましい。このため、電池セルを短時間で効率よく加熱できるような、温度勾配の高い予熱が好ましいが、一方で電池セルの温度を急峻に上昇させると、電池セル間のばらつきが生じやすくなるという問題もある。
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、多数の電池セルを、短時間で、しかも均一に加熱可能な電池パックを提供することにある。
課題を解決するための手段及び発明の効果
上記の目的を達成するため、本発明の第1の側面に係る電池パックは、複数の充電可能な電池セル1と、前記複数の電池セル1を各々収納可能な電池収納空間20を個別に区画した電池ホルダ2と、前記電池セル1の表面に接触されて、これを加熱可能な発熱体3とを備えている。前記発熱体3は可撓性を有し、両面を発熱面3Aとするシート状であり、前記電池ホルダ2は、前記電池収納空間20において前記電池セル1を収納した状態で、該電池収納空間20の内面と電池セル1表面との間に発熱体3を挟持可能な収納隙間21を設けている。さらに、電池パックは、前記シート状の発熱体3を、前記複数の電池セル1の外周面に沿って配設して前記発熱面3Aを電池セル1の表面に面接触させており、前記発熱体3が通電されて発熱して前記複数の電池セル1を加熱する。
これにより、複数の電池セルは、シート状の発熱体が面接触する状態で配置されて、発熱体に通電して発熱体の発熱で加熱されるので、短時間で効率よく暖められて、厳寒の使用環境においても速やかに電池性能を向上できる。
また、第2の側面に係る電池パックによれば、前記発熱体3は、一方向に延長された帯状として、両側縁に沿って一対の電極32を設けて、一対の電極32に複数の発熱層33を互いに並列に接続することができる。
これにより、複数の発熱層に対して均等に電流が与えられる結果、各発熱層を均等に加熱でき、各々の発熱層の発熱によって複数の電池セルを均等に加熱できる。
さらに、第3の側面に係る電池パックによれば、前記発熱体3は、一の発熱層33を、一の電池セル1に対向して配置することができる。
これにより、個々の電池セルを一の発熱層で独立して加熱するため、複数の電池セルを均一に加熱して温度差の発生を回避できる。
さらに、第4の側面に係る電池パックによれば、前記発熱層33を、PTCヒーターとすることができる。
これにより、発熱層の発熱状態をPTCヒーターで自己制御して、すなわち、PTC特性によって、発熱層の温度が低い状態では流れる電流を大きくして効率よく発熱し、発熱層の温度が高くなってPTCの保護設定温度であるキュリー温度に近づくと、流れる電流を制限して発熱量を抑制して、複数の電池セルを均等に加熱できる。とくに、個々の電池セルを一の発熱層で独立して加熱する電池パックにおいては、個々の電池セルに対してPTCヒーターの保護機能を作用させることで、個別の電池セルの温度が局部的に上昇されるのを確実に阻止しながら、全ての電池セルを均等に加熱できる。
さらに、第5の側面に係る電池パックによれば、前記電池ホルダ2が、前記電池収納空間20を多段多列に設けて、複数の電池セル1を互いに平行な姿勢で保持すると共に、前記シート状の発熱体3を波状に折曲して、波状に折曲された前記発熱体3の内周面を、前記電池セル1の外周面に面接触状態で接触させることができる。
なお、本明細書において、発熱体を波状に折曲するとは、発熱体を折曲部において湾曲させて波状とする状態を含む広い意味で使用する。
これにより、多数の電池セルを互いに平行な姿勢で多段多列に配列して電池ホルダの定位置に収納しながら、シート状の発熱体をスムーズに配設して全ての電池セルを効率よく均等に加熱できる。また、波状に折曲された発熱体の内周面を、電池セルの外周面に面接触させることで、シート状の発熱体の発熱面を広い面積で電池セルの表面に接触させて、発熱体の発熱で効率よく電池セルを加熱できる。
さらに、第6の側面に係る電池パックによれば、前記波状に折曲された発熱体を、互いに隣接する電池セル1同士の間に挿入し、互いに隣接する電池セル1に対して異なる発熱面3Aを面接触させることができる。
これにより、発熱体を異なる面でそれぞれ接触させるように折曲して電池ホルダ内に配置することで、各電池セルの表面に確実に接触させて熱結合を高め、効率のよい加熱が可能となる。
さらに、第7の側面に係る電池パックによれば、前記回路基板6が、前記発熱体3の通電をオンオフする制御回路11を備えて、前記制御回路11が、電池セル1の温度または外気温度を検出する温度センサー12を備えて、前記温度センサー12の検出温度が設定温度よりも低いときに、前記制御回路11が前記発熱体3に通電するように制御することができる。
これにより、電池セルの温度または外気温度が設定温度よりも低いときに、発熱体に通電して、電池セルを確実に加熱して速やかに電池性能を向上できる。
さらに、第8の側面に係る電池パックによれば、前記電池セル1を、円筒形の電池セルとすることができる。
さらにまた、第9の側面に係る電池パックによれば、前記電池セル1を、リチウムイオン二次電池とすることができる。
本発明の一実施の形態に係る電池パックを示す斜視図である。 図1の電池パックの分解斜視図である。 図1の電池パックを底面から見た分解斜視図である。 図2の電池集合体の分解斜視図である。 図4の電池ホルダの分解斜視図である。 図5の電池ホルダの分解斜視図である。 図1の電池パックの水平断面図である。 図1の電池パックの垂直横断面図である。 図1の電池パックの一部拡大垂直縦断面図である。 発熱体の一例を示す一部拡大正面図である。 図10の発熱体の端部の分解斜視図である。 隣接する電池セルに発熱体を接触させる一例を示す水平断面図である。 隣接する電池セルに発熱体を接触させる他の一例を示す水平断面図である。 対向する電池セルに発熱体を接触させる一例を示す水平断面図である。 本発明の一実施の形態に係る電池パックのブロック図である。 本発明の一実施の形態に係る電池パックが電池セルを加熱するフローチャートである。 従来の電源装置が角型のポリマー電池を発熱素子で加熱する一例を示す分解斜視図である。 従来の電源装置が角型のポリマー電池を発熱素子で加熱する他の一例を示す分解斜視図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電池パックを例示するものであって、本発明は電池パックを以下のものに特定しない。特に本明細書は、特許請求の範囲を理解し易いように、実施の形態に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記しているが、これらは特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
図1ないし図15に基づいて、本発明の実施の形態に係る電池パックとして、電動スクーター用の電源装置に適用した例を説明する。これらの図に示す電池パックは、複数の充電可能な電池セル1と、複数の電池セル1を各々収納可能な電池収納空間20を個別に区画した電池ホルダ2と、電池セル1の表面に接触されて、これを加熱可能な発熱体3とを備えている。図の電池パックは、複数の電池セル1を電池ホルダ2の定位置に配置して直列と並列とに接続している電池集合体10を外装ケース4に収納している。
(電池集合体10)
電池集合体10は、図2ないし図7に示すように、複数の充電できる電池セル1と、これらの電池セル1を多段多列に配列して保持するプラスチック製の電池ホルダ2と、電池ホルダ2で定位置に保持される各々の電池セル1の端部電極に溶接されて、隣接する電池セル1を接続している複数のリード板5と、電池セル1の表面に沿って配置されて、電池セル1を加熱する発熱体3と、電池ホルダ2の一面に設けられた回路基板6とを備えている。
図7に示す電池集合体10は、図において上下方向に7段に電池セル1を並べて、これを左右方向に14列に配置している。すなわち、98個の電池セル1を、7段14列にマトリクス状に並べて配置している。ただ、本発明の電池パックは、電池セル1の個数や配列をこの状態に特定しない。さらに、多段多列に配列される複数の電池セル1は、直列と並列に接続して電池集合体10を構成する。図2ないし図4に示す電池集合体は、同列に配置される7個の電池セル1を並列に接続すると共に、互いに隣接する列に配列される7個ずつの電池セル1同士を直列に接続して、14列の電池セル1同士を直列に接続している。すなわち、図の電池集合体は、98個の電池セルを7並14直に接続している。この構造は、複数の電池セル1を並列に接続することで電池パックの出力電流を大きくでき、また、互いに並列に接続された電池セル1を直列に接続することで電池パックの出力電圧を高くできる。ただ、本発明の電池パックは、互いに並列に接続する電池セルの個数と、互いに直列に接続する電池セルの個数を以上に特定しない。
(電池セル1)
電池セル1は、充電できる二次電池である。図の電池パックは、電池セル1を円筒形の電池セルとしている。本実施例においては、電池セル1として円筒形のリチウムイオン二次電池を使用する。リチウムイオン二次電池は、大容量、大出力のバッテリシステムに適している。それは、リチウムイオン二次電池が容積や重量に対する容量を大きくできるからである。ただし、本発明の電池パックは、電池をリチウムイオン二次電池には特定せず、リチウムポリマー電池やニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の充電可能な他の二次電池も利用できる。さらに、外形も円筒形に限らず角形電池とすることもできる。
(電池ホルダ2)
電池ホルダ2は、複数の円筒形の電池セル1を互いに平行な姿勢で多段多列に並べて保持している。電池ホルダ2は、図6の斜視図に示すように、電池セル1を収納可能な円筒状の電池収納空間20を多段多列に設けており、各々の電池収納空間20に電池セル1を挿入して定位置に配置している。電池ホルダ2は、電池セル1を収納する電池収納空間20を電池セル1の軸方向に開口して設けている。図の電池ホルダ2は、円柱状の電池収納空間20を有する形状に成形している。この電池収納空間20は、円筒形である電池セル1を挿入できる内形に成形している。図の電池ホルダ2は、98個の電池セル1を所定の配列で収納できるように、98個の電池収納空間20を7段14列のマトリックス状に設けている。さらに、電池ホルダ2は、その両面において、電池収納空間20の両端を開口している。
電池ホルダ2は、円筒形の電池セル1の長さ方向である、図5における上下方向の中間において、第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bとに2分割している。第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bは、電池収納空間20の両端を開口して、円筒形の電池セル1を挿入できる形状に成形している。電池ホルダ2は、プラスチックなどの絶縁材で成形される。電池収納空間20を設けた形状にプラスチックを成形している電池ホルダ2は、電池セル1を区画して配列することで、複数の電池セル1を正確に位置決めしながら配列できる。
第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bは、互いの電池収納空間20に電池セル1の両端部を挿入する状態で互いに連結されて、各々の電池収納空間20に電池セル1を収納する。第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bは、止ネジ17を介して互いに連結される。図の第1の電池ホルダ2Aは、止ネジ17を挿入するネジ孔(図示せず)を開口しており、第2の電池ホルダ2Bは、この止ネジ17をねじ込む連結ボス27を対向面に設けている。
さらに、図4ないし図7に示す電池ホルダ2は、多段多列に設けた電池収納空間20の中間部に位置して、多数の電池収納空間20を2つの領域に2分割する中間連結部23を設けている。図7に示す電池ホルダ2は、図において下から3段目の電池収納空間20と下から4段目の電池収納空間20との間に位置して、電池ホルダ2の両端まで延びる中間連結部23を設けている。このように、中間連結部23を備える電池ホルダ2は、この部分を電池収納空間20を設けない領域として電池ホルダ全体の強度を高くして、多数の電池セル1を収納する電池ホルダ2の捻れや反りに対する強度を高めることができる。
電池ホルダ2は、第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bを連結する状態で、電池セル1の端部電極を電池収納空間20の外側開口部から外部に露出させる。外部に露出する端部電極にリード板5がスポット溶接やレーザー溶接などの方法で溶接される。図4の電池ホルダ2は、電池収納空間20の両端を開口している両面に、複数のリード板5を互いに離して定位置に配置する複数列の嵌着凹部24を成形して設けている。リード板5は、嵌着凹部24に案内されて、電池セル1の端部電極に接続される。したがって、嵌着凹部24は、端部電極に接続されるリード板5を配置する位置に設けている。
(リード板5)
リード板5は、図4に示すように、電池ホルダ2の嵌着凹部24に案内されて、電池セル1の端部電極にスポット溶接やレーザー溶接して接続されて、隣接する電池セル1を直列と並列に接続する。リード板5は、同じ列の電池セル1を並列に接続して、隣接する列の電池セル1を直列に接続する。リード板5は、多列に接続される電池セル1の両端に位置して配置されて、1列7本の電池セル1を並列に接続する1列幅の第1リード板5Aと、各列7本の電池セル1を並列に接続し、かつ隣接する列の7本の電池セル1を直列に接続するために、14本の電池セル1の端部電極を接続する2列幅の第2リード板5Bとを備えている。
図4の電池集合体10は、第2の電池ホルダ2Bの外側面(図4において下面側)に、2列の電池セル1を接続する7枚の第2リード板5Bを互いに平行に配列している。7枚の第2リード板5Bは、各々が7段の電池セル1を並列に接続して、隣接する2列の電池セル1を直列に接続している。また、第1の電池ホルダ2Aの外側面(図4において上面側)には、2列の電池セル1を接続する6枚の第2リード板5Bを中間に配置して、出力側となる両端には、1列の電池セル1を接続する2枚の第1リード板5Aを配置している。中間に配置している6枚の第2リード板5Bは、各々が7段の電池セル1を並列に接続して、隣接する2列の電池セル1を直列に接続している。両端に配置している2枚の第1リード板5Aは、7段の電池セル1を並列に接続している。以上の電池集合体10は、7段の電池セル1を並列に接続しながら、14列の電池セル1をジグザグ状に直列接続して、両端部に接続される第1リード板5Aを出力として出力端子(図示せず)に接続している。
リード板5は、電気抵抗が小さくて熱伝導に優れた金属板、たとえばニッケル板、鉄や鉄合金あるいは銅や銅合金等の表面をニッケル等のメッキをしている金属板が使用される。リード板5は、溶接に最適な厚さの金属板、たとえば0.1mm〜0.3mmの金属板が使用される。スポット溶接やレーザー溶接されるリード板5は、厚すぎても薄すぎて理想的な状態で電池セル1の端部電極に溶接できない。このため、リード板は、流れる電流や用途を考慮して最適な厚さに設定される。
さらに、リード板5は、その一端に、回路基板6に接続するための接続片5aを設けている。このリード板5は、図4に示すように、接続片5aの先端部をさらに折曲しており、この先端部を回路基板6に直接に電気接続している。回路基板6は、接続片5aの先端部を挿入するためのスリット6aを開口しており、このスリット6aに接続片5aの先端部を挿入すると共に、接続片5aをハンダ付けして回路基板6に接続している。回路基板6は、リード板5からの電圧、電流を、接続片5aを介して入力して、電池集合体10の中間電位を検出している。
(発熱体3)
発熱体3は、図5ないし図9に示すように、可撓性を有するシート状で、電池ホルダ2の定位置に配列される複数の電池セル1の表面に面接触する状態で配設している。シート状の発熱体3は、所定の幅の帯状であって、電池ホルダ2に収納される複数の電池セル1の外周面に沿って配設している。図8と図9の発熱体3は、互いに平行に配列される多数の電池セル1の軸方向の中央部分に対向して配設している。帯状の発熱体3は、その幅(D)を電池セル1の全長(L)よりも小さく、例えば、電池セル1の全長(L)の20%〜80%、好ましくは40%〜60%としている。この発熱体3は、電池パックに内蔵される電池セル1から電力が供給されて発熱し、発熱面3Aに面接触する電池セル1を加熱する。
シート状の発熱体3は、図11に示すように、可撓性のあるシート状の導電発熱部30を備えており、この導電発熱部30の両面に絶縁フィルム35を積層して、この絶縁フィルム35を介して導電発熱部30を絶縁している。この絶縁フィルム35には、例えば、ポリエステル樹脂製フィルムを使用する。この発熱体3は、シート状の導電発熱部30の両面に絶縁フィルム35を積層し、加熱・加圧してラミネート加工している。
導電発熱部30は、図10に示すように、一方向に延びる帯状で可撓性を有するフレキシブルシート31と、このフレキシブルシート31の表面に対向して設けられた正負の電極32と、対向する正負の電極32に、互いに並列に接続された複数の発熱層33とを備えている。以上の発熱体3は、導電発熱部30を、フレキシブルシート31の表面に設けた正負の電極32と発熱層33とで構成し、この導電発熱部30の両面に絶縁フィルム35を積層してシート状とするので、発熱体全体を薄くできる。
フレキシブルシート31は、可撓性と耐久性に優れたペット製のシート材を使用している。このフレキシブルシート31は、透明のシート材を使用する。この導電発熱部30は、裏面側からもフレキシブルシート31を透過して表側面の発熱層33の位置を視認できる。ただ、フレキシブルシートには、着色されたシート材を使用することもできる。また、フレキシブルシートには、ペット以外のプラスチックシートも使用できる。
正負の電極32は、帯状のフレキシブルシート31の両側縁に沿って長さ方向に設けた平行電極32Aである。一対の平行電極32Aは、金属粉末または金属箔をフレキシブルシート31の表面に所定のパターンで塗布して設けている。図の電極32は、銅ペーストを所定のパターンで塗布して平行電極32Aを設けている。一対の平行電極32Aは、一方の電極32を+側電極とし、他方の電極32を−側電極として、電池パックに内蔵される電池セル1の電力が供給される。一対の平行電極32Aは、図10に示すように、それぞれ両端にリード線34を接続しており、このリード線34を回路基板6に接続している。このように、平行電極32Aの両端にリード線34を接続して電極32の両端から通電する構造は、多数の発熱層33に低抵抗な状態で通電できる特徴がある。
発熱層33は、対向する平行電極32Aに跨って、フレキシブルシート31の表面に設けられた導電抵抗層で、電極32から通電されて発熱する。図に示す発熱体3は、複数の発熱層33を所定の長さ(h)に区画しており、各発熱層33の電気抵抗が等しくなるようにしている。このように、電気抵抗の等しい複数の発熱層33を互いに並列に接続する構造は、一対の電極32間に電圧を印可する状態で、各々の発熱層33にかかる電圧と、流れる電流を等しくして、全ての発熱層33を均等に加熱できる特徴がある。
さらに、図の発熱層33は、PTC特性を有するPTCヒーターとしている。PTCヒーターである発熱層33は、通電されて発熱する状態で、発熱層33の温度がPTCの保護設定温度であるキュリー温度に近づくと、PTC特性によって通電される電流が制限され、さらに、キュリー温度まで上昇すると電流が遮断される。また、発熱層33の温度がキュリー温度に近づくまでは、PTCヒーターに通電される電流を大きくして、発熱層33の発熱量を大きくできる。このため、発熱層33をPTCヒーターとする発熱体3は、PTC特性によって、発熱層33の温度が低い状態では流れる電流を大きくして効率よく発熱し、発熱層33の温度が高くなってキュリー温度に近づくと、流れる電流を制限して発熱量を抑制するので、発熱層33の発熱量を自己制御して、複数の電池セル1の温度が均等になるように加熱できる。PTCヒーターの保護設定温度であるキュリー温度は、例えば、10℃〜30℃とすることができる。PTCヒーターである発熱層33は、たとえば、PTCインクを、対向する平行電極32Aに跨って所定の長さ(h)と厚さになるようにコーティングして設けられる。ただ、発熱層は、必ずしもPTCヒーターとする必要はなく、導電性の金属やカーボン等の粉末をバインダーで結合して所定の電気抵抗とするものを、所定の長さと厚さになるようにコーティングして設けることもできる。
複数の発熱層33は、電池ホルダ2の定位置に配置される複数の電池セル1に対向して配置される。したがって、図に示す発熱体3は、電池ホルダ2に収納される電池セル1と等しい数の発熱層33を備えており、一の発熱層33を一の電池セル1に対向して配置している。図10に示す発熱体3は、個々の発熱層33を個々の電池セル1に対向して配置できるように、複数の発熱層33を所定の間隔で設けている。すなわち、個別の電池セル1に対して、各発熱層33を対向できるように、電池セル1間のピッチとほぼ等しいピッチで複数の発熱層33を設けている。図10と図11の発熱体3は、互いに隣接する発熱層33の間に非発熱領域36を設けており、この非発熱領域36の間隔(d)を調整して、複数の発熱層33を所定のピッチで配置している。
このように、個々の電池セル1に対して、発熱層33を独立して接触状態に配置する構造は、電池セル1毎に配置された発熱層33で各電池セル1を確実に加熱するので、複数の電池セル1を速やかに、しかも均一に加熱できる。とくに、個々の電池セル1に配置する発熱層33をPTCヒーターとする構造は、個々の電池セル1に対してPTCヒーターの保護機能を作用させることで、個別の電池セル1の温度が局部的に上昇するのを確実に阻止しながら、全ての電池セル1を均等に加熱できる。それは、個々のPTCヒーターによって加熱される電池セル1の温度がPTCヒーターのキュリー温度まで上昇すると、このPTCヒーターに通電される電流が遮断されて、このPTCヒーターによる電池セル1の加熱が停止されるからである。これにより、設定温度まで加熱された電池セルは、PTCヒーターによる加熱が停止され、設定温度まで加熱されていない電池セルは、PTCヒーターに通電されて有効に加熱されて、全ての電池セルの温度を設定温度に近づくように均等に加熱できる。
図5ないし図7に示す電池パックは、互いに隣接する電池セル1の外周面に沿って、発熱体3の発熱面3Aを広い面積で接触できるように、シート状の発熱体3を波状に折曲しており、波状に折曲された発熱体3の内周面を電池セル1の外周面に面接触状態で接触させている。波状に折曲される発熱体3は、図12に示すように、互いに隣接する電池セル1の間に挿入して、発熱体3の両側に位置する電池セル1に対して異なる発熱面3Aを面接触状態で配置することができる。この発熱体3は、発熱層33の両面を発熱面3Aとしており、異なる発熱面3Aを隣接する電池セル1の反対側に位置する外周面に接触させる状態で配設している。さらに、図12に示す発熱体3は、互いに隣接する電池セル1の間に非発熱領域36を位置させて、非発熱領域36の両側に位置する発熱層33の反対側の発熱面3Aを、各々隣接する電池セル1の表面に対向して面接触状態で配設している。発熱体3の各発熱層33は、各々の電池セル1との接触面積が等しくなるように非発熱領域36によって区画している。この構造は、シート状の発熱体3に作用する張力が、発熱体3の発熱面3Aを電池セル1の表面に密着させる押圧力として作用する。したがって、複数の電池セル1に対して各々の発熱面3Aを確実に密着状態に配置できる特徴がある。
さらに、波状に折曲される発熱体3は、図13に示すように、互いに隣接する電池セルの片側に沿って配設して、発熱体3の片側に位置する電池セル1に対して同じ側の発熱面3Aを面接触状態で配置することができる。この図に示す発熱体3は、互いに隣接する電池セル1の間に非発熱領域36を位置させると共に、非発熱領域36の両側に位置する発熱層33の同じ側の発熱面3Aを、各々隣接する電池セル1の表面に面接触状態で配設している。この発熱体3の各発熱層33も、各々の電池セル1との接触面積が等しくなるように非発熱領域36によって区画している。
図7に示す電池パックは、98個の電池セル1に沿って、細長い帯状の発熱体3を一筆書きの状態で配設して、各電池セル1の外周面に各々の発熱層33を対向する状態で配置している。図7の電池パックは、各列に配列される7個の電池セル1に沿ってシート状の発熱体3を配設すると共に、各列の両端においては、シート状の発熱体3を電池セル1の外周面に沿って折曲して、隣接する列に向かって引き出しており、これにより、多段多列に配列された多数の電池セル1全てを1枚の発熱体3で連結する状態で配設している。この発熱体3は、図14に示すように、互いに隣接する列の端縁において、互いに対向する電池セル1同士の共通接線に沿って最短距離で配設されて、この発熱体3の内側に位置する電池セル1に対して同じ側の発熱面3Aを面接触状態で配置している。図14に示す発熱体3は、互いに対向する電池セル1の共通接線に沿って非発熱領域36を位置させると共に、この非発熱領域36の両側に位置する発熱層33の同じ側の発熱面3Aを、各々対向する電池セル1の表面に面接触状態で配設している。この発熱体3も、列の両端に位置する電池セル1と発熱層33との接触面積が等しくなるように非発熱領域36によって区画している。図14に示すように、対向する電池セル1の共通接線に沿って配置される非発熱領域36は、図12と図13に示すように、隣接する電池セル1の間に配置される非発熱領域36よりも間隔を広くしている。
さらに、図7に示す電池パックは、各列において、互いに隣接する電池セル1同士の間に、波状に折曲された発熱体3の非発熱領域36を配設し、図12に示すように、両側に位置する電池セル1に対して異なる発熱面3Aを面接触状態で配置している。ただ、図に示す電池パックは、各列に奇数個の電池セル1を配列しているので、互いに隣接する全ての電池セル1に対して、異なる発熱面3Aを交互に接触させる状態には配設できない。それは、奇数個の電池セル1に対して、図12に示すように異なる発熱面3Aを交互に接触させる状態で発熱体3を配列すると、列の先端において、シート状の発熱体3を次の列に向かって折曲できないからである。したがって、図7に示す電池パックは、各列の中間において、互いに隣接する電池セル1同士に同じ側の発熱面3Aを接触させるように、切り返し部37を設けている。この切り返し部37は、図13と同様に、非発熱領域36の両側に位置する発熱層33の同じ側の発熱面3Aを隣接する電池セル1に接触させており、これにより、奇数個の電池セル1が配列される各列の両端において、シート状の発熱体3を次の列に向かって折曲できるようにしている。このように配設される発熱体3は、図7に示すように、図の左端であって最も回路基板6に接近する電池セル1をスタート地点として、図の右端であって最も回路基板6に接近する電池セル1を終点とする1本の道筋によって、7段14列に配列された全ての電池セル1に沿って発熱体3を配設して、全ての電池セル1に発熱面3Aを接触できる。
ただ、各列に偶数個の電池セルを配列する構造においては、必ずしも列の中間に切り返し部を設ける必要はなく、互いに隣接する全ての電池セルに対して、異なる発熱面を交互に接触させる状態でシート状の発熱体を配設しながら、列の両端において、シート状の発熱体を次の列に向かって折曲できる。したがって、多段多列に配列される複数の電池セルに対して配設されるシート状の発熱体の道筋は、多段多列に配列される電池セルの段数と列数によって種々に変更できる。また、7段14列に配列される複数の電池セルに対して配設されるシート状の発熱体の道筋も、図7に示す道筋には特定するものではなく、シート状の発熱体を全ての電池セルの外周面に沿って配設できる他の道筋を採用することができる。
さらに、図に示す電池パックは、1枚の細長い帯状の発熱体3を全ての電池セル1に沿って配設して、1枚の発熱体3で全ての電池セル1の加熱するようにしている。ただ、電池パックは、帯状の発熱体を複数に分割することもできる。この電池パックは、多段多列に配列される複数の電池セルをいくつかの領域に分割し、各領域毎にシート状の発熱体を配設して、複数枚の発熱体で全ての電池セルを加熱する。
以上のようにして、複数の電池セル1に沿って配設されるシート状の発熱体3は、電池ホルダ2に成形された電池収納空間20の内面に沿って配設されて、電池セル1と対向する発熱面3Aを電池セル1の外周面に接触させる。この発熱体3は、電池ホルダ2の電池収納空間20に収納された電池セル1と、電池収納空間20の内面との間に挟持されて、発熱面3Aを電池セル1の表面に面接触状態で接触する。
図9に示す電池ホルダ2は、電池収納空間20に電池セル1を収納した状態で、電池収納空間20の内面と電池セル1の表面との間に、発熱体3を挟持するための収納隙間21を設けている。図に示す電池ホルダ2は、電池セル1の中間部に対向する電池収納空間20の内形を、電池セル1の両端部に対向する電池収納空間20の内形よりも大きく成形して、電池収納空間20の内面と電池セル1の表面との間に所定の深さの収納隙間21を設けている。図の電池ホルダ2は、第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bの対向面側における電池収納空間20の内形を電池セル1の外形よりも大きく成形して収納隙間21を設けている。この収納隙間21は、シート状の発熱体3を収納できるように、シート状の発熱体3の厚さとほぼ等しい、あるいはやや大きい深さとなる段差形状に成形すると共に、シート状の発熱体3の幅(D)とほぼ等しい、あるいはやや大きな上下幅となるように設けている。図9の第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bは、各々の収納隙間21に発熱体3の幅方向におけるほぼ半分を収納できる上下幅に設けている。この電池ホルダ2は、第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bの収納隙間21に、シート状の発熱体3の上下の半分ずつを挿入して第1の電池ホルダ2Aと第2の電池ホルダ2Bの収納隙間21に発熱体3を収納する。この電池ホルダ2は、電池収納空間20の長さ方向の中間部分に収納隙間21を設けて、この収納隙間21に配置される発熱体3を、電池セル1の中央部分に面接触させるので、電池セル1を中央部から理想的に加熱できる。
さらに、電池ホルダ2は、図7と図8に示すように、互いに隣接する電池セル1の間にシート状の発熱体3を配設できるように、隣接する電池セル1が収納される電池収納空間20を連結する連通隙間22を設けている。連通隙間22は、互いに隣接する電池セル1に沿って配設される発熱体3が通過するライン上であって、互いに隣接する電池セル1が収納される電池収納空間20の境界部分を切欠して設けている。図に示す電池パックは、複数の電池セル1が互いに並列接続される列に沿ってシート状の発熱体3を配設するので、互いに並列接続される電池セル1の間に位置して連通隙間22を設けている。このように、電圧差のない電池セル1の間に連通隙間22を設ける構造は、電池セル1間の電圧差による弊害、例えば、ショート等を確実に防止できる。ただ、シート状の発熱体は、電圧差のある電池セルに跨って配設することもでき、この場合は、互いに直列接続される電池セルの間に位置して連通隙間を設ける。
さらに、図5ないし図7に示す電池ホルダ2は、互いに隣接する列の両端に対向して配設される電池セル1の外周面に沿ってシート状の発熱体3を配設できるように、隣接する列の両端に位置して互いに対向する電池セル1が収納される電池収納空間20を連結する端部開口29を設けている。端部開口29は、互いに隣接する列の端において、互いに対向する電池セル1の外周面に沿って配設される発熱体3が通過するライン上であって、対向する電池セル1の共通接線に沿って電池収納空間20の周壁を切欠して設けている。この端部開口29は、ここに配設される発熱体3を、電池ホルダ2の外部に表出する状態で開口している。このように、電池ホルダ2の端面に端部開口29を設ける構造は、図4と図5に示すように、複数の電池セル1の外周面に沿って配設されるシート状の発熱体3を、外部から視認しながら電池ホルダ2に収納できるので、シート状の発熱体3を電池ホルダ2の定位置に正しい姿勢で配設できる。
以上のようにして、電池セル1の外周面に沿って配設される発熱体3は、図15に示すように、電池パックに収納される電池セル1から電力が供給される。発熱体3は、電極32から通電される電流が、並列接続された複数の発熱層33に枝分かれして均等に流れて、個々の発熱層33を均等に加熱する。均等に加熱される各々の発熱層33は、これに対向して接触する各電池セル1を効率よく、しかも均等に加熱する。
(回路基板6)
回路基板6は、電池ホルダ2の端面に固定されて、複数の電池セル1に接続されるリード板5の接続片5aが接続されると共に、発熱体3の正負の電極32に接続されたリード線34が接続されている。リード板5の接続片5aは、回路基板6に実装された電圧検出回路に接続される。これにより、電池集合体10の中間電位を回路基板6側で検出することができる。回路基板6は、各列の電池セル1の充放電電流を制御する充放電回路や保護回路等、電池パックの駆動に必要な回路及びその構成部品、素子等を実装する基板であり、ガラスエポキシ基板等が利用できる。
さらに、回路基板6は、発熱体3の通電をオンオフする制御回路11を備えている。制御回路11は、温度を検出して発熱体3の通電をオンオフする。制御回路11は、電池温度または外気温度を検出する温度センサー12を備えている。この温度センサー12は、たとえばサーミスタである。サーミスタは、周囲の温度を抵抗値の変化として検出して、制御回路11に入力する。図15に示す電池パックは、電池セル1の温度を検出する温度センサー12を電池セル1に接近して設けている。
(制御回路11)
制御回路11は、温度センサー12の検出温度が設定温度よりも低いときに、発熱体3に通電して電池セル1を加熱する。制御回路11は、電動車両である電動スクーターのイグニッションスイッチ51がオンに切り換えられたときに、電池温度または外気温度を検出し、検出温度が設定温度よりも低いときに、発熱体3に通電する。イグニッションスイッチ51がオフの状態、いいかえると電動スクーターを走行させない状態では、電池温度や外気温度が設定温度よりも低くなっても、発熱体3に通電しない。発熱体3に通電すると電池セル1が過放電になることがあるからである。さらに、イグニッションスイッチ51をオンに切り換えた状態においても、電池パックの残容量が設定容量よりも少ないときは、設定温度よりも低くても発熱体3に通電しない。電池パックの過放電を防止するためである。電池パックが充電されて残容量が設定容量よりも大きくなると、設定温度よりも低いときに発熱体3に通電する。発熱体3に通電して、電池セル1の温度があらかじめ設定された温度よりも高くなり、このことを温度センサー12が検出すると、あるいはタイマーで所定の時間が経過するまで通電すると、制御回路11は発熱体3の通電を停止する。
以上の電池パックは、図16に示す以下のフローチャートで電池セル1を加熱する。
[n=1のステップ]
電動スクーターのイグニッションスイッチ51がオンに切り換えられたかどうかを検出する。イグニッションスイッチ51がオフの状態、いいかえると電動スクーターを走行させない状態では発熱体3に通電しない。
[n=2のステップ]
電動スクーターのイグニッションスイッチ51がオンに切り換えられた後、所定の時間が経過したかどうかを調べる。所定の時間が経過するまでこのステップをループする。
[n=3、4のステップ]
制御回路11が、電池パックの電圧を検出する。制御回路11は、直列に接続された電池セル1の電圧を検出し、検出電圧から電池パックの残容量を調べる。検出電圧が設定電圧未満のときは、電池パックの残容量が設定値未満であると判定して発熱体3に通電しない。
制御回路11は、検出電圧から残容量を演算し、演算された残容量を設定値に比較することもできる。
[n=5、6のステップ]
制御回路11が、温度センサー12で電池温度を検出する。ただ、制御回路11は、外気温度を検出することもできる。制御回路11は、検出温度が設定温度よりも低いかどうかを判定し、検出温度が設定温度よりも低いときには発熱体3に通電する。検出温度が設定温度よりも高いときには発熱体3に通電しない。
ここで、設定温度は、例えば、5℃とすることができる。すなわち、制御回路11は、検出温度が5℃よりも低いと発熱体3に通電し、検出温度が5℃以上のときには発熱体3に通電しない。ただ、設定温度は0℃〜10℃とすることもできる。
[n=7、8、9のステップ]
制御回路11が発熱体3に通電して電池セル1を加熱する。制御回路11は、電池温度があらかじめ設定された温度以上になるまで発熱体3に通電し、あるいは、所定の時間が経過するまで発熱体3に通電する。
ここで、発熱体3への通電を停止する設定温度は、例えば、5℃とすることができる。すなわち、制御回路11は、検出温度が5℃以上になると発熱体3への通電を停止する。また、発熱体3に通電する所定の時間は、例えば、10分とすることができる。すなわち、制御回路11は、発熱体3に10分間通電すると、通電を停止する。ただ、発熱体3への通電を停止する設定温度は、通電を開始する設定温度よりも高い設定温度であって、たとえば、5℃〜15℃とすることもできる。また、発熱体3に通電する所定の時間は、3分ないし15分とすることもできる。
さらに、発熱体3に通電する所定の時間は、最初に検出した電池温度によって変更することもできる。たとえば、最初に検出した電池温度と設定温度との差が大きい時には通電時間を長く設定し、最初に検出した電池温度と設定温度との差が小さい時には通電時間を短く設定することもできる。
[n=10のステップ]
制御回路11は、電池温度が設定温度以上になると通電を停止する。また、制御回路11は、発熱体3に所定の時間通電すると、発熱体3への通電を停止する。
以上の電池パックは、イグニッションスイッチ51がオンに切り換えられた状態で発熱体3に通電するので、電池セル1の過放電を有効に防止できる。
(外装ケース4)
外装ケース4は、図1ないし図3に示すように、厚さよりも幅を広くした箱形に成形して、内部に電池集合体10を収納している。この外装ケース4は、上ケース4Aと下ケース4Bで構成しており、上下に二分割している。上ケース4Aと下ケース4Bは、外形を四角形として、四隅を貫通する固定ネジ13にナット14を連結して固定している。外装ケース4は、プラスチックで成形し制作している。ただ、外装ケース4は、金属製、例えばアルミニウム製とすることもできる。アルミニウム等の金属製の外装ケースは、絶縁するために、表面をラミネートフィルムやビニール等で被覆し、あるいは、絶縁塗料を塗布する。
電池集合体10は、外装ケース4の内部に収納されて定位置に固定される。電池集合体10は、外装ケース4の下ケース4Bの底面を貫通する止ネジ18が電池ホルダ2にねじ込まれて、下ケース4Bの定位置に固定される。したがって、図の下ケース4Bは、止ネジ18を挿入するネジ孔48を底面に開口して設けており、電池ホルダ2は、この止ネジ18をねじ込むネジ孔28を第2の電池ホルダ2Bの外側面(図においては下面)に設けている。第2の電池ホルダ2Bは、互いに平行に配置されるリード板5の間に位置してネジ孔28を設けている。
さらに、第2の電池ホルダ2Bは、その四隅に突出して固定プレート25を一体成形して設けている。固定プレート25は、電池ホルダ2の厚さ方向の中間に配置している。固定プレート25は、図3ないし図6に示すように、電池ホルダ2を外装ケース4の定位置に配置するための連結部26を、外装ケース4の四隅に対向して設けている。連結部26は、外装ケース4の四隅を連結する固定ネジ13を挿通させる貫通孔26Aをその中心に開口している。外装ケース4は、上ケース4Aと下ケース4Bの四隅の内面に突出して、連結ボス44と挿入ボス43を一体的に成形して設けている。電池ホルダ2は、連結部26の上下に、上ケース4Aの連結ボス44と下ケース4Bの挿入ボス43とが配置される状態で、これらを貫通する固定ネジ13が挿通されて、外装ケース4の定位置に配置される。この状態で、固定ネジ13の先端にナット14がねじ込まれて、連結ボス44と挿入ボス43とで電池ホルダ2の連結部26を挟着して、電池ホルダ2が定位置に固定される。ナット14は、上ケース4Aの上面に設けた挿入凹部45に挿入されて、下ケース4Bの挿入ボス43と電池ホルダ2の連結部26と上ケース4Aの連結ボス44を貫通する固定ネジ13の先端がねじ込まれて、これらを一体構造に固定する。
さらに、図に示す外装ケース4は、下ケース4Bの周壁に設けた挿入ボス46を貫通する止ネジ16を、上ケース4Aの周壁の内面に設けた連結ボス47にねじ込んで、上ケース4Aと下ケース4Bとを連結している。
さらに、電池パックは、図示しないが、内蔵される電池集合体の電力を外部に出力し、また、内蔵される電池セルを外部から充電するための出力端子を備えている。この出力端子は、外装ケースの端面から外部に表出して配設される。出力端子は、駆動対象の機器と接続されるコネクタであり、充放電用の端子及び通信用の端子として機能する。
本発明に係る電池パックは、電動スクーターやアシスト自転車用の電源装置等として好適に利用できる。
1…電池セル
2…電池ホルダ
2A…第1の電池ホルダ
2B…第2の電池ホルダ
3…発熱体
3A…発熱面
4…外装ケース
4A…上ケース
4B…下ケース
5…リード板
5A…第1リード板
5B…第2リード板
5a…接続片
6…回路基板
6a…スリット
10…電池集合体
11…制御回路
12…温度センサー
13…固定ネジ
14…ナット
16…止ネジ
17…止ネジ
18…止ネジ
20…電池収納空間
21…収納隙間
22…連通隙間
23…中間連結部
24…嵌着凹部
25…固定プレート
26…連結部
26A…貫通孔
27…連結ボス
28…ネジ孔
29…端部開口
30…導電発熱部
31…フレキシブルシート
32…電極
32A…平行電極
33…発熱層
34…リード線
35…絶縁フィルム
36…非発熱領域
37…切り返し部
43…挿入ボス
44…連結ボス
45…挿入凹部
46…挿入ボス
47…連結ボス
48…ネジ孔
51…イグニッションスイッチ
91…ポリマー電池
91a…主面
91b…主面
93…発熱素子

Claims (9)

  1. 複数の充電可能な電池セル(1)と、
    前記複数の電池セル(1)を各々収納可能な電池収納空間(20)を個別に区画した電池ホルダ(2)と、
    前記電池セル(1)の表面に接触されて、これを加熱可能な発熱体(3)と、
    を備える電池パックであって、
    前記発熱体(3)は可撓性を有し、両面を発熱面(3A)とするシート状であり、
    前記電池ホルダ(2)は、前記電池収納空間(20)において前記電池セル(1)を収納した状態で、該電池収納空間(20)の内面と電池セル(1)表面との間に発熱体(3)を配設可能な収納隙間(21)を設けており、
    前記シート状の発熱体(3)が、前記複数の電池セル(1)の外周面に沿って配設されて前記発熱面(3A)を前記電池セル(1)の表面に面接触させており、前記発熱体(3)が通電されて発熱して前記複数の電池セル(1)を加熱することを特徴とする電池パック。
  2. 請求項1に記載の電池パックであって、
    前記発熱体(3)が、一方向に延長された帯状で、両側縁に沿って一対の電極(32)を設けて、一対の電極(32)に複数の発熱層(33)を互いに並列に接続してなることを特徴とする電池パック。
  3. 請求項2に記載の電池パックであって、
    前記発熱体(3)が、一の発熱層(33)を、一の電池セル(1)に対向して配置してなることを特徴とする電池パック。
  4. 請求項1から3のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記発熱層(33)が、PTCヒーターであることを特徴とする電池パック。
  5. 請求項1から4のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記電池ホルダ(2)が、前記電池収納空間(20)を多段多列に設けて、複数の電池セル(1)を互いに平行な姿勢で保持しており、
    前記シート状の発熱体(3)が波状に折曲されており、波状に折曲された前記発熱体(3)の内周面が前記電池セル(1)の外周面に面接触状態で接触されてなることを特徴とする電池パック。
  6. 請求項5に記載の電池パックであって、
    前記波状に折曲された発熱体(3)が、互いに隣接する電池セル(1)同士の間に挿入されており、互いに隣接する電池セル(1)に対して異なる発熱面(3A)を面接触状態で配置してなることを特徴とする電池パック。
  7. 請求項1から6のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記回路基板6が、前記発熱体(3)の通電をオンオフする制御回路(11)を備えており、前記制御回路(11)は、電池セル(1)の温度または外気温度を検出する温度センサー(12)を備えており、前記温度センサー(12)の検出温度が設定温度よりも低いときに、前記制御回路(11)が前記発熱体(3)に通電するように制御することを特徴とする電池パック。
  8. 請求項1から7のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記電池セル(1)が、円筒形の電池セルであることを特徴とする電池パック。
  9. 請求項1から8のいずれか一に記載の電池パックであって、
    前記電池セル(1)が、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする電池パック。
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