JP2023054555A - 二次電池パック - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池パックにおいて、二次電池セルに温度保護素子を接続した上で、放電時の電流容量を確保する。【解決手段】二次電池パック１は、二次電池セル２と、二次電池セル２の正極端子又は負極端子と接続される接続回路と、二次電池セル２に設けられて温度変化に応じて電流を遮断する温度保護素子１０と、を備える。接続回路は、充電時には温度保護素子１０に通電させ、放電時には温度保護素子１０に流れる電流を軽減させる切り替え手段を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、周囲温度が異常に高くなると電流を遮断する温度保護素子を備えた二次電池パックに関する。

従来から、二次電池パックには、周囲温度が異常に高くなると電流を遮断するブレーカが設けられている。特に、リチウムイオン電池を内蔵する二次電池パックは、過充電等の異常な状態で充電がなされると、温度が非常に高くなり、発火する等の危険があるので、安全性を確保するため、一般的に上記ブレーカのような温度保護素子を設けることが多い。

このような温度保護素子を設けた二次電池パックとしては、二次電池セルの一方の電池端子と、金属薄板で構成されたブレーカ端子とが積層され、その積層部がレーザー溶接により電気接続されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０２１－１２８０３号公報

ところで、電動ドリル等の工具向けの二次電池パックでは、高出力のリチウムイオン電池セルが複数、内蔵される。しかしながら、リチウムイオン電池セルは、単体での充電容量も大きい一方で、異常時のリスクも大きいことから、過充電対策として、セル単位で温度保護素子を設けたいとの要望がある。

ところが、一般的な温度保護素子は、他の通常の配線回路に比べると抵抗値が高い。上記特許文献１では、電池セルとブレーカとを低抵抗で接続して電流容量を大きくする試みがなされているが、温度保護素子には、例えば、周囲温度に応じて抵抗値が変化するＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタ等が用いられており、放電時の電流容量を確保できなくなる虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、二次電池セルに温度保護素子を接続した上で、放電時の電流容量を確保することができる二次電池パックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る二次電池パックは、二次電池セルと、前記二次電池セルの正極端子又は負極端子と接続される接続回路と、前記二次電池セルに接続され温度変化に応じて電流を遮断する温度保護素子と、を備えた二次電池パックであって、前記接続回路は、充電時には前記温度保護素子に通電させ、放電時には前記温度保護素子に流れる電流を軽減する切り替え手段を有することを特徴とする。

上記二次電池パックにおいて、複数の前記二次電池セルと、前記二次電池セルの個数以下の個数の前記温度保護素子と、を備えることが好ましい。

前記温度保護素子は、１対の接続端子を有し、前記接続回路は、前記二次電池セルの正極端子に接続される第１端子と、前記二次電池セルの負極端子に接続される第２端子と、を有し、隣り合う前記二次電池セルの前記第２端子と前記第１端子とは、前記温度保護素子を介して接続された第１回路及び前記温度保護素子を介さずに接続された第２回路によって接続され、前記切り替え手段は、充電時には前記第２回路の通電を遮断し、放電時には前記第２回路を通電させることが好ましい。

上記二次電池パックにおいて、前記切り替え手段は、外部入力信号に応じて、前記第２回路を通電させる又は通電を遮断するスイッチング素子であることが好ましい。

本発明によれば、放電時には温度保護素子への通電を抑制するので、温度保護素子の電流容量による制限を受け難くなる。また、充電時には温度保護素子に通電させるので、過充電等による異常状態で周囲温度が上昇した際には、温度保護素子が通電を遮断し、二次電池パックの安全性を確保することができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る二次電池パックの概略構成を示す斜視図、（ｂ）は分解斜視図。 上記二次電池パックに用いられる温度保護素子の概略構成を示す組立て斜視図。 （ａ）は通常の通電状態における上記温度保護素子を示す断面図、（ｂ）は異常時における上記温度保護素子を示す断面図。 （ａ）上記二次電池パックにおける放電時の回路図、（ｂ）は充電時の回路図。 （ａ）は上記実施形態の変形例に係る二次電池パックの概略構成を示す斜視図、（ｂ）は分解斜視図。 （ａ）上記二次電池パックにおける放電時の回路図、（ｂ）は充電時の回路図。

本発明の一実施形態に係る二次電池パックについて、図面を参照して説明する。本実施形態の二次電池パック１は、電動ドリルといった工具向けのものであり、図１（ａ）（ｂ）に示すように、複数の二次電池セル２を備える。また、二次電池パック１は、隣り合う二次電池セル２の正極端子２１と負極端子２２とを接続する接続回路（サブ基板４）と、複数の二次電池セル２毎に設けられて温度変化に応じて電流を遮断する複数の温度保護素子１０と、を備える。ここでは、５個の二次電池セル２が直接に配置され、これに対応するように、５個の温度保護素子１０が用いられる構成を示すが、二次電池セル２及び温度保護素子１０の個数は図例に限られず、夫々の個数が異なっていてもよく、温度保護素子１０の個数が、二次電池セル２の個数以下であればよい。

二次電池セル２は、板状のセル本体２０の上端部に正極端子２１及び負極端子２２が設けられている。正極端子２１及び負極端子２２は、所定の間隔を開けて設けられており、正極端子２１がセル本体２０の上端部のうち片縁部に設けられた場合には、それとは反対側の片縁部に負極端子２２が設けられることが好ましい。本実施形態のセル本体２０は、高出力のリチウムオムイオン電池セルを用いることが想定されるが、これに限らず、例えば、ニッケルカドミウム電池セルやナトリウムイオン電池セル等を用いてもよい。

本実施形態では、セル本体２０の上端部には、正極端子２１と電気的に接続された第１端子３１と、負極端子２２と電気的に接続された第２端子３２が設けられている。温度保護素子１０は、一対の接続端子（図３の固定片１２（接続端子１２ｃ）、可動片１４（接続端子１４ｃ）参照）を有し、一方の接続端子が二次電池セル２の正極端子２１と直接、又は第１端子３１を介して電気的に接続され、他方の接続端子が二次電池セル２の負極端子２２と直接、又は第２端子３２を介して電気的に接続されている。なお、ここでは、温度保護素子１０の正極側に接続された端子を第３端子３３、温度保護素子１０の負極側に接続された端子を第４端子３４と言う。この第３端子３３、温度保護素子１０及び第４端子３４で構成された回路が、後述する第１回路３Ａとなる。

５個の直列に接続される二次電池セル２のうち、最も外側（図中手前方向）に配置された二次電池セル２は、第１端子３１（正極端子２１）から第３端子３３を経ずに温度保護素子１０の一方の接続端子が接続され、温度保護素子１０の他方の接続端子には、第５端子３５が接続され、この第５端子３５は、負極端子２２ではなく、後述するサブ基板４に接続されている。

第１端子３１、第２端子３２、第３端子３３及び第４端子３４は、例えば、ニッケルや銅等の一種の金属又は複数種の金属を張り合わせて形成した金属薄板であり、板状のセル本体２０の平面方向に突出するよう配置される。夫々の端子は、例えば、レーザー溶接や抵抗溶接によって、溶接・固定される。第１端子３１及び第２端子３２の先方には、サブ基板４が配置される。ここでは、サブ基板４のうち第１端子３１及び第２端子３２と対向する面を裏面、それと反対側の面を表面と言う。なお、第１端子３１等のタブを用いずに、二次電池セル２の電極が直接的に温度保護素子１０やセル基板４に接続されてもよい。

サブ基板４は、サブ基板４の裏面において第１端子３１及び第２端子３２と各々接続される第１パッド４１及び第２パッド４２を有する。また、サブ基板４には、最も外側に配置された二次電池セル２の第１端子３１（正極端子２１）及び温度保護素子１０を介して接続された第５端子３５と接続される第３パッド４３を有する。第１パッド４１、第２パッド４２及び第３パッド４３は、第１端子３１、第２端子３２及び第３端子３３との接続（溶接又は半田）が容易となるよう構成されていれば、任意の形状が採用される。なお、図１（ｂ）では、サブ基板４の基板自体を点線で示し、サブ基板４の裏面に実装されたパッドや配線、回路素子を実線で示している。

第１パッド４１及び第２パッド４２は、一の二次電池セル２における正極端子２１及び負極端子２２の配列方向に並ぶように配置され、第１パッド４１及び第２パッド４２がサブ基板４の両縁側に配置され、最も外側の列（図中手前方向の列）において、第３パッド４３は、第１パッド４１及び第２パッド４２の中間に配置される。

また、サブ基板４には、サブ基板４における段違いの第１パッド４１と第２パッド４２とを電気的に接続する基板回路４４が設けられている。本実施形態では、基板回路４４中に、スイッチング素子５が配置される。図１（ｂ）の構成例では、４本の基板回路４４が用いられており、例えば、最上部の基板回路４４が、サブ基板４における最も上方の第１パッド４１と２段目の第２パッド４２とをスイッチング素子５を介して接続し、最下段の基板回路４４が、上から４段目の第１パッド４１と５段目の第２パッド４２とをスイッチング素子５を介して接続する。

スイッチング素子５は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、例えば、ドレイン端子が基板回路４４の第１パッド４１側に接続され、ソース端子が第２パッド４２に接続される。スイッチング素子５は、ゲート端子（図１（ｂ）は不図示、図４参照）に外部入力信号が印加されると、ドレイン－ソース間が通電する。基板回路４４及びスイッチング素子５で構成された回路が、第２回路４Ａとなる。すなわち、本実施形態の二次電池パック１は、隣り合う二次電池セル２の正極端子２１及び負極端子２２の間に、温度保護素子１０を介在させた第１回路３Ａと、スイッチング素子５を介在させた第２回路４Ａと、を並列に配置した２回路が存在することになる（図４（ａ）も参照）。

図示した最上段の第２パッド４２と、最下段の第１パッド４１とは、基板回路４４とは接続されておらず、配線回路及び外部端子を介して、別途の制御回路基板（不図示）に接続され、二次電池パック１の外部電極へと夫々接続されることになる。

次に、図２及び図３（ａ）（ｂ）を参照して、温度保護素子１０の基本構成を説明する。なお、以下に説明する基本構成は例示であり、二次電池パック１に搭載される二次電池セル２の仕様等に応じて、適宜に変更され得る。

温度保護素子１０は、略扁平直方体形状のケース７０内にスイッチング機構を収容したものであり、一対の接続端子がケース７０の対峙する面から外部へ露出している。ケース７０は概略箱状に形成されたベース７１と、ベース７１の開口を施蓋する板状のカバー７２と、から構成される。ベース７１とカバー７２との間には、固定接点１２ａを有する固定片１２、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）サーミスタ１６、バイメタルで形成された温度変化に伴って変形する熱応動素子１５、先端側に可動接点１４ａが形成された可動片１４が順番に収容される。

固定片１２は、基端部１２ｂがベース７１に固定され、先端部である接続端子１２ｃがケース７０外に露出する。本実施形態では、ベース７１は、固定片１２の基端部１２ｂの下面及び周囲を覆うようにインサート成型により一体化されている。固定接点１２ａは、ケース７０内側面における固定片１２の基端部１２ｂに形成されている。

可動片１４は、先端側が接続端子１４ｃとなり、基端側に固定接点１２ａに対して接離する可動接点１４ａが形成されたアーム１４ｂを備える。図例では、アーム１４ｂと接続端子とは、別部材で形成されている。アーム１４ｂは、板状の金属を概略弓状に湾曲させたものである。熱応動素子１５の動作に応じて可動接点１４ａは、固定接点１２ａに対して接離して湾曲するように形成されている。

熱応動素子１５は、円弧状に湾曲した初期形状を成し、熱膨張率の異なる薄板材を積層することにより形成される。熱応動素子１５は、過熱により動作温度に達すると、スナップモーションを伴って逆反りし、冷却により復帰温度を下回ると復元する。

ＰＴＣサーミスタ１６は、固定片１２と熱応動素子１５との間に配設されている。熱応動素子１５の逆反り動作により、固定接点１２ａと可動接点１４ａとの通電が遮断されると、ＰＴＣサーミスタ１６に流れる電流が増大する。ＰＴＣサーミスタ１６は、温度上昇と共に抵抗値が増大して電流を制限する正特性サーミスタであれば、動作電流、動作温度、復帰温度等の必要に応じて種類を選択でき、その材料及び形状はこれらの諸特性を損なわない限り、特に限定されるものではない。なお、図２、図３で示した構成は一例に過ぎず、温度保護素子１０として図例とは異なる構成が採用されてもよい。

図３（ａ）は、通常の通電時における温度保護素子１０を示す。熱応動素子１５は初期形状を維持し、カバー７２側へ凸となるように湾曲した形状となっている。この状態では、固定片１２の基端部１２ｂに形成された固定接点１２ａとアーム１４ｂに形成された可動接点１４ａとが接触して、可動片１４から固定片１２を通って電流が流れる。

一方、図３（ｂ）は、過電流状態や異常時における温度保護素子１０を示す。過電流又は高温状態となると、動作温度に達した熱応動素子１５は逆反りして、ベース７１側へ凸となるように湾曲する。この状態では、熱応動素子１５がアーム１４ｂを上側へ持ち上げるので、固定接点１２ａと可動接点１４ａとは離間した状態となり、可動片１４から固定片１２への電流は遮断される。これにより、可動片１４、熱応動素子１５、ＰＴＣサーミスタ１６、固定片１２を介して微小な漏れ電流しか流れず、実質的には電流が遮断される。漏れ電流は、ＰＴＣサーミスタ１６の発熱を引き起こし、これにより熱応動素子１５の反転動作が継続する。

上記のように構成された二次電池パック１の動作について、図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。放電時は、図４（ａ）に示すように、スイッチング素子５（図中のＦＥＴ）のゲート端子に外部入力信号が印加され、スイッチング素子５のドレイン－ソース間に電流が流れる。通電時におけるスイッチング素子５の電気抵抗は、温度保護素子１０よりも低い。そのため、放電時の電流は、スイッチング素子５を介在させた第２回路４Ａを主として流れ、温度保護素子１０（図中のＴＣＯ）に流れる電流は大幅に軽減される。一方、図４（ｂ）に示すように、充電時には、スイッチング素子５は逆方向には電流が流れない。そのため、充電時の電流は、温度保護素子１０を経由する第１回路３Ａに流れることになる。

これにより、本実施形態の二次電池パック１は、充電時には温度保護素子１０に通電させ、放電時には温度保護素子１０の通電を軽減させる替え手段を有する構成となる。すなわち、本実施形態によれば、放電時には、温度保護素子１０への通電を抑制するので、温度保護素子１０の電流容量による制限を受け難くなり、複数の二次電池セル２毎に温度保護素子１０を設けることができる。また、充電時には、スイッチング素子５ではなく、温度保護素子１０に通電させるので、過充電等による異常状態で周囲温度が上昇した際には、温度保護素子１０が通電を遮断し、二次電池パック１の安全性を確保することができる。

また、二次電池セル２の正極端子及び負極端子から第１端子３１、第２端子３２を繋げているので、サブ基板４を構成する回路への接続が容易となる。また、二次電池セル２とサブ基板４との間に温度保護素子１０を配置するための空間を設けるためにも、このような物理的な配線構造を採用する利点がある。なお、図示はしていないが、このサブ基板４には、スイッチング素子５のゲート端子への配線回路も設けられている。

次に、上記実施形態の変形例に係る二次電池パックについて、図面を参照して説明する。図５（ａ）（ｂ）に示すように、本変形例の二次電池パック１は、１個の二次電池セル２に１個の温度保護素子１０が設けられている構成である。二次電池セル１の上端部には、第１端子３１及び第２端子３２が設けられ、温度保護素子１０には、第５端子３５が設けられている点、及び第１端子３１、第２端子３２及び第５端子３５の先方に、サブ基板４が配置され、サブ基板４の裏面には、第１端子３１、第２端子３２及び第５端子３５と各々接続される第１パッド４１、第２パッド４２及び第３パッド４３が設けられ、更に、スイッチング素子５が設けられている点も、上記実施形態と同様である。

本変形例においても、スイッチング素子５（ＦＥＴ）は、外部入力信号に応じて、放電時には、図６（ａ）に示すように、外部入力信号がＯＮとなり、通電するようになり、ＦＥＴを経由する回路が主回路となる。一方、充電時には、図６（ｂ）に示すように、外部入力信号がＯＦＦとなり、ＦＥＴは通電しなくなり、温度保護素子１０（ＴＣＯ）を経由する回路が主回路となる。これにより、充電時には、過充電等による異常による二次電池パック１の安全性を確保し、放電時には、温度保護素子１０の電流容量の制限を受け難くして、使用効率を高めることができる。

本発明は、電動ドリルといった工具向けの二次電池パック１に適用されることを想定しているが、複数の二次電池セルを用いた構成であれば、工具向けに限らず、あらゆる二次電池パックに適用することができる。また、実施形態で示した構成は、複数の二次電池セル２が直列に接続されたものであるが、複数の二次電池セルが並列に接続されたもの、直列と並列とを組みせたものであってもよい。なお、スイッチング素子５において、外部入力信号のＯＮ／ＯＦＦと、スイッチの切り替えについては、適宜の組み合わせで実施し得るものであり、上記の動作例に限られない。

１ 二次電池パック
１０ 温度保護素子
２ 二次電池セル
２１ 正極端子
２２ 負極端子
３１ 第１端子
３２ 第２端子
４ サブ基板（接続回路）
５ スイッチング素子

Claims (4)

1. 二次電池セルと、前記二次電池セルの正極端子又は負極端子と接続される接続回路と、前記二次電池セルに接続され温度変化に応じて電流を遮断する温度保護素子と、を備えた二次電池パックであって、
   前記接続回路は、充電時には前記温度保護素子に通電させ、放電時には前記温度保護素子に流れる電流を軽減する切り替え手段を有することを特徴とする二次電池パック。
2. 複数の前記二次電池セルと、前記二次電池セルの個数以下の個数の前記温度保護素子と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の二次電池パック。
3. 前記温度保護素子は、１対の接続端子を有し、
   前記接続回路は、前記二次電池セルの正極端子に接続される第１端子と、前記二次電池セルの負極端子に接続される第２端子と、を有し、
   隣り合う前記二次電池セルの前記第２端子と前記第１端子とは、前記温度保護素子を介して接続された第１回路及び前記温度保護素子を介さずに接続された第２回路によって接続され、
   前記切り替え手段は、充電時には前記第２回路の通電を遮断し、放電時には前記第２回路を通電させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電池パック。
4. 前記切り替え手段は、外部入力信号に応じて、前記第２回路を通電させる又は通電を遮断するスイッチング素子であることを特徴とする請求項３に記載の二次電池パック。

Images