JP2015088380A - 電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】保護回路で発生した熱を電池パック外に効率よく放熱して、保護回路の温度上昇を抑制する。【解決手段】電池パック１は、素電池１０と、素電池に隣接して配置された回路基板２０と、回路基板を少なくとも覆うカバー３０とを備える。カバーより高い熱伝導率を有する放熱部材３５が、回路基板に直接的に又は間接的に接続されている。放熱部材が、カバーに形成された開口３２を介して外界に露出している。【選択図】図２

Description

本発明は、素電池と回路基板とを備えた電池パックに関する。

携帯電話、スマートフォン、携帯型コンピューター（例えばタブレット端末、ノート型パソコン等）、電子書籍端末などの携帯型情報端末用の電源として、二次電池（一般に「素電池」と呼ばれる）を内蔵した電池パックが広範囲に利用されている。このような用途に用いられる電池パックに対しては、電池容量の増大化の要望が日増しに高まっている。しかしながら、電池容量を増大すると、充電時間が長くなり、電池パックに対するユーザの使い勝手が低下する。

充電時間を短縮化する手法として、大きな充電電流で充電する、いわゆる「急速充電」が検討されている。ところが、充電電流を大きくすると、電池パックに内蔵されている保護回路の発熱量が大きくなる。保護回路の発熱は、保護回路に搭載されているサーミスタの温度検知精度の低下や素電池の温度上昇を招く。従って、保護回路で発生した熱を電池パック外に放熱して、保護回路の温度上昇を抑えることが望まれる。

特許文献１には、素電池と、充電制御ＦＥＴ及び放電制御ＦＥＴを含む保護回路が設けられた回路基板とを外装ケース内に収納した電池パックが記載されている。ＦＥＴの上下面と外装ケースとは絶縁性の高熱伝導性接着剤で接着される。ＦＥＴの熱は高熱伝導性接着剤を介して外装ケースに伝導される。

特開２００９−１２９８４１号公報

上記の特許文献１の電池パックでは、高熱伝導性接着剤は、発熱素子であるＦＥＴの上下面のみに接着される。ＦＥＴは小さな部品であるから、その上下面の面積は小さい。このような限られた小さな面積と外装ケースとを高熱伝導性接着剤で接着しても、ＦＥＴから外装ケースへ熱が伝導される経路の断面積（以下「伝熱断面積」という）が小さいので、十分な熱伝導を行うことはできない。また、高熱伝導性接着剤に伝導された熱は、外装ケースを介して外界に放出される。そのため、外装ケースの熱伝導率によっては、外装ケースから十分な放熱を行うことができない。従って、特許文献１の構成は、急速充電時の保護回路の温度上昇を抑制する手法としては、不十分である。

本発明は、保護回路で発生した熱を電池パック外に効率よく放熱して、保護回路の温度上昇を抑制することができる電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、素電池と、前記素電池に隣接して配置された回路基板と、前記回路基板を少なくとも覆うカバーとを備える。前記カバーより高い熱伝導率を有する放熱部材が、前記回路基板に直接的に又は間接的に接続されている。前記カバーに開口が形成されている。前記開口を介して前記放熱部材が外界に露出している。

本発明によれば、充電時に保護回路で発生した熱は、回路基板に接続された放熱部材から外界に放熱される。放熱部材は、大きな伝熱断面積を有し、しかも、他の部材で覆われていない。従って、保護回路の熱を電池パック外に効率よく放出することができ、保護回路の温度上昇を抑えることができる。その結果、急速充電にも対応可能な電池パックを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態１にかかる電池パックの斜視図である。 図２は、本発明の実施形態１にかかる電池パックの分解斜視図である。 図３Ａは、本発明の実施形態１において、回路基板にカバーをかぶせ、更に放熱部品を固定した状態を示した平面図である。図３Ｂは、図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線を含む断面に沿った矢視断面図である。 図４は、図３Ｂの部分４の拡大断面図である。 図５は、本発明の実施形態２にかかる電池パックを構成する、カバー、回路部品付き回路基板、放熱部材の分解斜視図である。 図６Ａは、本発明の実施形態２において、回路基板にカバーをかぶせ、更に放熱部品を固定した状態を示した平面図である。図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線を含む断面に沿った矢視断面図である。

上記の本発明の電池パックにおいて、前記放熱部材は、前記回路基板の回路部品が搭載された面とは反対側の面に接続されていることが好ましい。これにより、放熱部材と回路基板との接続面積を拡大することができる。従って、回路部品から外界への放熱特性が更に向上し、保護回路の温度上昇を更に抑制することができる。

前記放熱部材は絶縁性を有することが好ましい。これにより、放熱部材を回路基板の外部接続端子の近傍に、またはその一部を覆って配置することができる。従って、放熱部材と回路基板との接続面積を更に拡大することができるので、回路部品から外界への放熱特性が更に向上する。

以下に、本発明を好適な実施形態を示しながら詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。以下の説明において参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態を構成する部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明は以下の各図に示されていない任意の部材を備え得る。また、以下の各図では、実際の部材の寸法および各部材の寸法比率等は忠実に表されていない。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る電池パック１の斜視図、図２は電池パック１を構成する主要部材を示した分解斜視図である。以下の説明の便宜のため、図１、図２の紙面の上側を電池パック１の「上側」、図１、図２の紙面の下側を電池パック１の「下側」という。但し、この「上」、「下」は、電池パック１の実際の使用時での姿勢を意味するものではない。

図２に示されているように、電池パック１は、上側に開口した金属製の電池ケース１０ａと、電池ケース１０ａの上側の開口を塞ぐ金属製の封口板１０ｂとを有する素電池１０を備える。素電池１０は、充放電が可能な二次電池である。二次電池の種類は特に制限はないが、例えばリチウムイオン二次電池を用いることができる。素電池１０は、上下方向寸法及び幅方向（封口板１０ｂの長手方向）寸法に比べて、これら２方向に直交する方向（奥行き方向）の寸法が小さな扁平形状（薄板形状）を有している。素電池１０内には、発電要素及び電解液（いずれも図示せず）が封入されている。発電要素は、シート状の正極集電体の片面又は両面に正極活物質を含む正極合剤層が塗布形成された正極と、シート状の負極集電体の片面又は両面に負極活物質を含む負極合剤層が塗布形成された負極とが、セパレータを介して巻回又は積層されてなる扁平状の電極体である。

電池ケース１０ａは、例えば、アルミニウム又はその合金などからなる金属製の板材を深絞り加工することで形成することができる。封口板１０ｂは、例えば、アルミニウム合金などからなる金属板をプレス加工して形成することができる。電池ケース１０ａの開口の周縁と封口板１０ｂの周囲の端縁とは、例えばレーザ光を用いたシーム溶接によって液密に封止されている。

封口板１０ｂの長手方向の略中央位置には、負極端子１１ｎが設けられている。負極端子１１ｎは封口板１０ｂを貫通し、電池ケース１０ａ内に収納された発電要素の負極集電体と電気的に接続されている。負極端子１１ｎと封口板１０ｂとの間には、両者を絶縁するための絶縁パッキンが介在している。一方、負極端子１１ｎからわずかに離れた封口板１０ｂ上の位置に正極端子１１ｐが設けられている。正極端子１１ｐは、封口板１０ｂ、電池ケース１０ａ、及び、素電池１０内の発電要素の正極集電体と電気的に接続されている。

素電池１０の一端面を構成する封口板１０ｂに、両面に粘着剤が塗布されたシート状の両面粘着テープ１２を介してインナーフレーム１３が固定される。インナーフレーム１３は、例えば絶縁性を有する樹脂を射出成形することで形成することができる。

インナーフレーム１３上に、保護素子１４及び回路基板２０が配置される。保護素子１４は例えば温度ヒューズ（ＰＴＣ）を含む。回路基板２０の上面には、３つの外部接続端子２１が幅方向に並んで配置されている。回路基板２０の下面には、保護回路（安全回路）を構成するＦＥＴ素子等の電子部品を含む回路部品２２が搭載されている。図２では、図面を簡単化するために、回路部品２２を単一の直方体で示している。回路基板２０には、保護回路に加えて、充電回路が更に形成されていてもよい。回路基板２０の下面には、更に、正極入力端子及び負極入力端子（いずれも図示せず）が回路部品２２の両外側に設けられている。

封口板１０ｂに設けられた負極端子１１ｎは、保護素子１４の一方の端子１４ａに接続される。保護素子１４の他方の端子１４ｂは、負極タブ１５ｎを介して、回路基板２０の下面の負極入力端子（図示せず）に接続される。封口板１０ｂに設けられた正極端子１１ｐは、正極タブ１５ｐを介して、回路基板２０の下面の正極入力端子（図示せず）に接続される。負極タブ１５ｎ及び正極タブ１５ｐは、短冊形状を有し、例えばニッケル、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材などの金属材料を用いて形成することができる。負極タブ１５ｎと保護素子１４の端子１４ａとを絶縁するために、両者間に絶縁テープ１６が配置される。

回路基板２０、保護素子１４、及びインナーフレーム１３等の封口板１０ｂの上側に隣接して配される部品は、カバー３０で覆われる。カバー３０は、上下方向に対して略垂直な薄板である上板３１と、上板３１の周囲の端縁から下方に向かって延びる周囲壁３４とを備える。カバー３０は、例えばポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンなどの絶縁性を有する樹脂材料を射出成形することにより形成することができる。

カバー３０は、インナーフレーム１３又は素電池１０に固定される。これにより、保護素子１４及び回路基板２０等の部品は、カバー３０の内腔内に収納される。カバー３０を固定する方法は任意である。例えば、嵌合又は係合により固定する方法、ネジを用いて固定する方法、接着剤を用いて固定する方法、ＹＡＧレーザ等を用いてレーザ溶接する方法等を例示することができる。

カバー３０の上板３１には、回路基板２０と対向する領域に開口３２が形成されている。開口３２を介して露出する回路基板２０の上面の領域には、放熱部材３５が固定される。放熱部材３５には、回路基板２０の上面の３つの外部接続端子２１に対応する３つの接続穴３６が形成されている。

放熱部材３５は、カバー３０より高い熱伝導率を有する。放熱部材３５の熱伝導率は、制限はないが、好ましくは１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、より好ましくは３Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に好ましくは５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。熱伝導性を有する放熱部材３５の材料は、制限はないが、例えば、窒化アルミニウムや炭化ケイ素などのセラミックス、シリコーン系、アクリル系などの樹脂マトリックス中に熱伝導性材料を混入させた熱伝導性シート、銅、アルミニウムなどの金属などを用いることができる。放熱部材３５は絶縁性を有することが好ましく、この観点からは、セラミックス、熱伝導性シートが好ましい。更に、放熱部材３５は、外部接続端子２１に接続される電子機器の端子との接触によって変形や破損することがない程度の硬度を有することが好ましく、この観点からはセラミックスが好ましい。

放熱部材３５は、シート状又は薄板形状を有している。放熱部材３５の厚さは、下限が好ましくは０．０３ｍｍ以上、より好ましくは０．０５ｍｍ以上であり、上限は好ましくは１．０ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。放熱部材３５が上記下限より薄いと、取り扱いが困難となり、上記上限より厚いと、電池パック１の上下方向寸法が大きくなる。

放熱部材３５は、直接的又は間接的に回路基板２０に接続される。例えば、一般的な熱伝導性シートのように、放熱部材３５自身が片面に粘着層を有する場合には、当該粘着層を介して放熱部材３５を回路基板２０に直接的に接続することができる。放熱部材３５が粘着層を備えていない場合には、粘着剤または両面粘着テープを介して、放熱部材３５を回路基板２０に間接的に接続することができる。放熱部材３５と回路基板２０とが「接続される」とは、放熱部材３５と回路基板２０とが空気層を介して離間している場合を含まない。

素電池１０（電池ケース１０ａ）の底面（下面）には、両面に粘着剤が塗布されたシート状の両面粘着テープ１７を介してボトムフレーム１８が固定される。ボトムフレーム１８は、例えばポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンなどの絶縁性を有する樹脂材料を射出成形することにより形成することができる。両面粘着テープ１７を用いないでボトムフレーム１８を素電池１０に固定することもできる。そのような固定方法としては、例えば、接着剤を用いて固定する方法、ＹＡＧレーザ等を用いてレーザ溶接する方法などを例示することができる。

素電池１０が外界に露出しないように、電池ケース１０ａの外周面に絶縁性を有するラベル１９が貼付される。図１に示されているように、上下方向においては、ラベル１９は、カバー３０及びボトムフレーム１８にまで延びている。ラベル１９の材料は任意であり、例えば絶縁性を有する樹脂又は紙などのシートを用いることができる。図１では、ラベル１９を二点鎖線で示し、本来であればラベル１９によって隠される電池パック１の構成を透視して示している。

図１に示されているように、放熱部材３５の３つの接続穴３６を介して３つの外部接続端子２１が露出している。電池パック１を携帯型情報端末などの電子機器に装着すると、当該電子機器の端子が、接続穴３６を介して外部接続端子２１に接触する。これにより、電池パック１に対して充放電電流の入出力が可能になる。

図３Ａは、回路基板２０にカバー３０をかぶせ、回路基板２０上に放熱部材３５を固定した状態を示した平面図である。図３Ｂは、図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線を含み、上下方向に平行な断面に沿った矢視断面図である。図４は、図３Ｂの部分４の拡大断面図である。図３Ｂ、図４では、回路基板２０と放熱部材３５との間に介在してもかまわない粘着剤や両面粘着テープなどの接続層の図示を省略している。

図３Ａ、図３Ｂ、図４に示されているように、放熱部材３５は、回路基板２２の回路部品２２が搭載された面とは反対側の面（上面）の全領域を、外部接続端子２１を除いて覆っている。回路基板２０の上面に設けられた３つの外部接続端子２１（図２参照）が、放熱部材３５に形成された３つの接続穴３６を介して露出している。放熱部材３５は、カバー３０の開口３２内に嵌入され、放熱部材３５の上面とカバー３０の上板３１の上面とはほぼ同一平面を構成している。

本実施形態１によれば、カバー３０よりも高い熱伝導率を有する放熱部材３５が回路基板２０に接続されている。当該放熱部材３５は、カバー３０の開口３２を介して外界に露出している。従って、回路部品２２で発生した熱は、回路基板２０を介して放熱部材３５に伝導され、放熱部材３５の外表面から電池パック１外に放熱される。

上述した特許文献１の電池パックでは、ＦＥＴの上下面という限られた狭い領域のみに高熱伝導性接着剤が接着されていた。そのため、ＦＥＴ素子から外装ケースへ熱が伝導される経路の断面積（伝熱断面積）が小さく、十分な熱伝導を行うことができなかった。更に、高熱伝導性接着剤に伝導された熱は、外装ケースを介して外界に放出される。そのため、外装ケースの熱伝導率によっては、外装ケースからの放熱量が少なくなり、熱が外装ケース内にこもってしまうこともあった。

これに対して、本実施形態では、回路部品２２が搭載された回路基板２０に放熱部品３５が接続されている。回路基板２０は回路部品２２を構成する個々の発熱素子（例えばＦＥＴ素子）に比べて大きな面積を有している。従って、放熱部材３５の面積を大きくすることにより、伝熱断面積を大きくすることが可能である。このため、特許文献１の構成に比べて、回路部品２２から放熱部材３５へより多くの熱を伝導することができる。

しかも、本実施形態１では、カバー３０より高い熱伝導率を有する放熱部材３５が外界に露出している。従って、放熱部材３５に伝導された熱は、外界に露出された放熱部材３５の外表面に直ちに伝導され、電池パック１外に放熱される。高熱伝導性接着剤が外界に露出していない特許文献１の構成に比べて、本実施形態１では放熱部材３５が他の部材で覆われていないので、放熱部材３５から電池パック１外へより多くの熱を放出することができる。

以上のように、本実施形態１によれば、充電時に保護回路を含む回路部品２２で発生した熱を電池パック１外に効率良く放出することができる。その結果、保護回路の温度上昇を抑制することができる。

放熱部材３５は、回路基板２０の回路部品２２が搭載された面とは反対側の面に接続されている。これにより、回路部品２２の寸法に関わらず、放熱部材３５と回路基板２０との接続面積を拡大することができるので、伝熱断面積が拡大される。その結果、回路部品２２から外界への放熱特性が更に向上し、保護回路の温度上昇を更に抑制することができる。

放熱部材３５が絶縁性を有するので、放熱部材３５を回路基板２０の外部接続端子２１の近傍に、またはその一部を覆って配置しても、隣り合う外部接続端子２１間の短絡が生じない。このため、安全性が向上する。更に、放熱部材３５と回路基板２０との接続面積を更に拡大することを可能にするので、回路部品２２から外界への放熱特性が更に向上する。

（実施形態２）
実施形態２は、カバー及び放熱部材に関して実施形態１と異なる。以下、実施形態１との相違点を中心に本実施形態２を説明する。図５は、本実施形態２にかかる電池パックを構成する、カバー２３０、回路部品２２付き回路基板２０、放熱部材２３５のみを示した分解斜視図である。実施形態１の電池パック１の分解斜視図を示した図２と比較すれば容易に理解できるように、本実施形態２では、カバー２３０の上板２３１に形成された開口２３２は、実施形態１のカバー３０に形成された開口３２より小さい。開口２３２は、回路基板２０の上面のうち、３つの外部接続端子２１が形成された領域を除く領域に対向する。外部接続端子２１に対応する３つの接続穴２３６は、カバー２３０の上板２３１に形成されている。放熱部材２３５は、開口２３２を介して露出する回路基板２０の上面の領域に固定される。

図６Ａは、回路基板２０にカバー２３０をかぶせ、回路基板２０上に放熱部材２３５を固定した状態を示した平面図である。図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線を含み、上下方向に平行な断面に沿った矢視断面図である。図６Ｂでは、回路基板２０と放熱部材２３５との間に介在してもかまわない粘着剤や両面粘着テープなどの接続層の図示を省略している。

図６Ａ、図６Ｂに示されているように、放熱部材２３５は、回路基板２２の回路部品２２が搭載された面とは反対側の面（上面）の一部を覆っている。回路基板２０の上面に設けられた３つの外部接続端子２１（図５参照）が、カバー２３０に形成された３つの接続穴２３６を介して露出している。放熱部材２３５は、カバー２３０の開口２３２内に嵌入され、放熱部材２３５の上面とカバー２３０の上板２３１の上面とはほぼ同一平面を構成している。

本実施形態２では、開口２３２を介して外界に露出した放熱部材２３５の面積は、たとえば回路基板を実施形態１と同一寸法にして比較すると実施形態１の放熱部材３５のそれに比べて小さい。従って、放熱特性は、実施形態１に比べると若干劣るかも知れない。しかしながら、特許文献１の構成に比べて伝熱断面積を大きくすることができる。また、放熱部材２３５は外界に露出されている。従って、本実施形態２によっても、充電時に保護回路を含む回路部品２２で発生した熱を電池パック外に効率良く放出することができる。その結果、保護回路の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態２では、放熱部材２３５を回路基板２０の外部接続端子２１から離間して配置することができる。従って、放熱部材２３５の材料が、硬度や絶縁性を有している必要はない。このため、放熱部材２３５の材料として、比較的硬度が低い熱伝導性シートや、導電性を有する金属材料を使用することが可能となり、材料選択の自由度が増大する。より優れた熱伝導性を有する材料を用いて放熱部材２３５を作成することにより、放熱特性を向上させることが可能である。これは、放熱部材２３５の面積が小さいことによる不利を補いうる。

本実施形態２は、上記を除いて実施形態１と同じである。実施形態１の説明は、そのまま、または、自明の変更をともなって、本実施形態２にも同様に適用される。

上記の実施形態１，２は例示にすぎない。本発明は、上記の実施形態１，２に限定されず、適宜変更することができる。

実施形態１では、放熱部材３５が、外部接続端子２１を除いて回路基板２０の上面の全領域を覆っていたが、回路基板２０の外周端縁が放熱部材３５で覆われないように、放熱部材３５の外寸法を回路基板２０の外寸法よりもわずかに小さくしてもよい。この場合、放熱部材３５で覆われていない回路基板２０の外周端縁の上面と、カバー３０の開口３２の端縁の下面とを上下方向に当接させることができる。この構成では、回路基板２０の外周端縁とカバーの開口３２の端縁との間に隙間が形成されないので、当該隙間を通ってカバー３０内にゴミなどの異物が混入する可能性を低減することができる。同様の構成を実施形態２にも適用しうる。

実施形態１，２では、放熱部材３５，２３５の上面がカバー３０，２３０の上板３１，２３１の上面と同一高さであったが、両者の高さが一致していなくてもよい。但し、電池パックの上下方向寸法を規定する電池パックの上端は、放熱部材３５，２３５及びカバー３０，２３０の上板３１，２３１のうちのいずれか高い方に依存する。従って、一般には、放熱部材３５，２３５の上面とカバー３０，２３０の上板３１，２３１の上面とが同一高さであることは、電池パックの高容量密度化を実現するのに有利である。

実施形態１，２では、素電池１０の封口板１０ｂの主面（面積が最大である面）と回路基板２０の主面とが平行であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、回路基板２０を、その主面が封口板１０ｂの主面に対して略垂直になるように配置してもよい。この場合、放熱部材３５を露出させる開口は、カバー３０，２３０の周囲壁３４に形成される。

実施形態１，２では、素電池１０は硬質材料からなるカバー３０，２３０で覆われていないが、回路基板２０に加えて素電池１０をも硬質材料からなるカバーで覆ってもよい。

本発明の利用分野は特に制限はないが、大容量且つ急速充電が要求される電池パックとして広範囲に利用することができる。特に、携帯電話、携帯型コンピューター（例えばタブレット端末、ノート型パソコン等）、電子書籍端末などの携帯型情報端末に使用される電池パックとして好ましく利用することができる。

１ 電池パック
１０ 素電池
２０ 回路基板
２２ 回路部品
３０，２３０ カバー
３２，２３２ カバーに形成された開口
３５，２３５ 放熱部材

Claims (3)

1. 素電池と、
   前記素電池に隣接して配置された回路基板と、
   前記回路基板を少なくとも覆うカバーとを備えた電池パックであって、
   前記カバーより高い熱伝導率を有する放熱部材が、前記回路基板に直接的に又は間接的に接続されており、
   前記カバーに開口が形成され、
   前記開口を介して前記放熱部材が外界に露出していることを特徴とする電池パック。
2. 前記放熱部材は、前記回路基板の回路部品が搭載された面とは反対側の面に接続されている請求項１に記載の電池パック。
3. 前記放熱部材は絶縁性を有する請求項１又は２に記載の電池パック。

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