JP3754381B2 - 保護部品を有するパック電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池を加熱から保護する保護部品と、この保護部品を備えるパック電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
二次電池は、加熱されると電池としての性能が著しく低下する性質がある。二次電池の異常な温度上昇を防止するために、パック電池は保護部品を内蔵している。保護部品は、電池温度が設定温度よりも高くなると電流を遮断するPTC等の感熱遮断素子を内蔵している。
【0003】
図1と図2は保護部品22を内蔵するパック電池の回路図である。これ等のパック電池に内蔵される保護部品22は、電池21と出力端子25との間に接続している感熱遮断素子24を備える。図2のパック電池に内蔵される保護部品22は、電池21と並列に接続している発熱素子23を感熱遮断素子24に熱結合するようにして設けている。発熱素子23は、図3に示す電圧−電流特性を示し、設定電圧よりも高い状態で電気抵抗が小さくなって電流が増加する定電圧特性を有する素子である。発熱素子23は、電池電圧が設定電圧よりも高くなると電流が増加して発熱し、熱結合している感熱遮断素子24を加熱する。感熱遮断素子24はPTCで、設定温度よりも高温になると、電気抵抗が急激に増加して電池に流れる電流を制限する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図2に示す保護部品22は、二次電池21の過充電を保護できる。しかしながら、この構造を実現する保護部品22は、発熱素子23とPTCを内蔵し、かつ、発熱素子23とPTCとを熱結合して独特の配列で配設する必要があって、製造コストが高くなり、また大きくなる欠点がある。また、発熱素子23と感熱遮断素子24を理想的な状態で熱結合するのも難しい。熱結合が充分でないと、発熱素子の発熱で感熱遮断素子を有効に加熱できなくなって、感熱遮断素子の抵抗増加に時間遅れが発生し、あるいは、定温で正常に動作しなくなる欠点もある。さらに、図1の保護部品22は、感熱遮断素子24でもって電池温度を速やかに検出するようにして、簡単な構造でパック電池に内蔵させるのが難しい。とくに、出力端子25と感熱遮断素子24の両方を簡単な構造でパック電池の定位置にしっかりと配置するのが難しい。
【0005】
本発明は、このような欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、極めてシンプルな構造で感熱遮断素子を理想的な状態に配置でき、さらに、加工性を向上して、安価に多量生産できる保護部品を内蔵するパック電池を提供することにある。
さらに、本発明の他の大切な目的は、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的な状態に配列してコンパクトにできる保護部品を内蔵するパック電池を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明のパック電池は、出力端子5と電池1との間に、電池1の保護部品2を接続している。この保護部品2は、電池1と直列に接続されて、設定温度よりも高温になると電気抵抗が大きくなって、電池1に流れる電流を制限する感熱遮断素子4を備える。保護部品2は、電池1の凸部電極1Bの反対側の端面に対向して配設されている。保護部品2の感熱遮断素子4は、基板7と、この基板7に積層して固定している素子本体4Xとを備える。素子本体4Xは、設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層4Aと、この感熱層4Aの両面に電気接続して積層している第1電極層4B及び第2電極層4Cとを備える。基板7は、電池1と対向する表面に素子本体4Xを積層して、電池1との対向面の反対側の外側面に出力端子5を固定している。
【0007】
素子本体4Xは、PTCとすることができる。感熱遮断素子4は、素子本体4Xの片面に基板7を積層して、他の片面に絶縁プレート8を積層することができる。この感熱遮断素子4は、基板7と絶縁プレート8に導電パターン層10、11を設けて、この導電パターン層10、11を、基板7と絶縁プレート8を貫通するスルーホール12を介して第1電極層4Bと第2電極層4Cに接続すると共に、基板7の導電パターン層10を出力端子5に接続して、絶縁プレート8の導電パターン層11を電池1に接続することができる。
【0008】
さらに、本発明のパック電池は、電池1と保護部品2をケース16に収納して、基板7の外側面にケース端面を積層すると共に、このケース16に逆挿入阻止部17を設けることができる。このパック電池は、逆挿入阻止部17によって、パック電池の向きを特定できるので、充電器や電気機器等に誤った向きで装着されるのを確実に防止できる。
【0009】
さらに、本発明のパック電池は、電池1に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子3を基板7の外側面に設けることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を例示するものであって、本発明はパック電池を以下のものに特定しない。
【0011】
さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例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。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
【0012】
図4の回路図に示すパック電池は、二次電池1に保護部品2を接続している。保護部品2は、発熱素子3と感熱遮断素子4とを備え、発熱素子3を二次電池1と並列に接続して、感熱遮断素子4を出力端子5と二次電池1との間に接続している。
【0013】
発熱素子3は、図3に示すように、電池に並列に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると、電流が増加して発熱する特性を示すものが全て使用できる。最も簡単な発熱素子3は、定電圧ダイオード3Aである。ただ、定電圧ダイオード3Aのみでは、図3に示す理想的な電圧−電流特性を実現するのが難しい。好ましい発熱素子3は、図4に示すように、定電圧ダイオード3Aとスイッチング素子3Bを組み合わせた回路、あるいは、さらに複雑な回路でより理想に近い定電圧特性のものである。なお、スイッチング素子と並列にダイオードを接続し、当該ダイオードを利用して、二次電池の逆充電時にダイオードが発熱するようにして、これを感熱遮断素子に熱結合するようにしてもよい。スイッチング素子としてMOSFETを使用すれば、当該FETの寄生ダイオードが上記ダイオードの代わりとなる。また、スイッチング素子と直列に抵抗素子を接続し、当該抵抗素子の熱も感熱遮断素子に伝えるようにしてもよい。
【0014】
発熱素子3は、充電される電池1の電圧が設定電圧よりも高くなると電気抵抗が低下して、両端の電圧を一定に保持する。したがって、電池電圧が設定電圧よりも高くなると、充電電流をバイパスして電池1に電流を流さないように制御する。この状態で発熱素子3に流れる電流は、ジュール熱で発熱素子3を加熱する。
【0015】
感熱遮断素子4は、発熱素子3に熱結合して配設されて、発熱素子3の発熱で加熱される。感熱遮断素子4は、設定温度よりも高温に加熱されると、電気抵抗が急激に増加する素子であって、たとえば、PTCが使用できる。ただし、感熱遮断素子4には、設定温度よりも高く加熱されると電気抵抗が増加する全ての素子が使用できる。感熱遮断素子4は、出力端子5と二次電池1との間に接続されている。したがって、感熱遮断素子4が設定温度よりも高温になると、電気抵抗が大きくなって二次電池1に流れる電流を制限する。感熱遮断素子4は、設定温度よりも高温になると、電気抵抗が大きくなって実質的に電流を遮断する素子である。したがって、多少は電流が流れることもある。
【0016】
図4の保護部品2は、充電される電池1の電圧が設定電圧よりも高くなると、発熱素子3に流れる電流が大きくなって発熱素子3が発熱し、発熱した発熱素子3が感熱遮断素子4を加熱して二次電池1に流れる電流を制限する。
【0017】
保護部品2の断面構造を図5に示す。この保護部品2の感熱遮断素子4は、基板7と、この基板7に積層して固定している素子本体4Xと、素子本体4Xに積層している絶縁プレート8とを備え、基板7と絶縁プレート8で素子本体4Xを挟着する積層構造としている。
【0018】
基板7と絶縁プレート8は、ガラスエポキシ等のプラスチック製の硬質絶縁基板である。基板7は、出力端子5を固定している。出力端子5は、保護部品2を内蔵するパック電池の出力端子である。図の保護部品2は、正負の出力端子5と検出端子6を基板7に固定しているが、出力端子のみを基板に設けることもできる。基板7は、表面に導電パターン層10を積層して、この導電パターン層10に半田付けやスポット溶接して出力端子5と検出端子6を接続している。さらに、基板7は、導電パターン層10に発熱素子3を半田付けして接続している。さらにまた、基板7と絶縁プレート8は、導電パターン層10、11に二次電池1の電極に接続される電極接続リード9を半田付けやスポット溶接で接続している。以上の感熱遮断素子4は、基板7と絶縁プレート8で素子本体4Xを挟着するので、発熱素子3と電極接続リード9をしっかりと固定できると共に、素子本体4Xの両面を保護できる特長がある。ただ、保護部品は、絶縁プレートを絶縁シートとすることもできる。
【0019】
素子本体4Xは、設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層4Aと、この感熱層4Aの両面に電気接続して積層している第1電極層4B及び第2電極層4Cとを備える。
【0020】
図6は図5に示す保護部品2の底面図であり、図7は図5に示す保護部品2の感熱遮断素子4を構成している各々の層の平面図である。これ等の図に示す保護部品2は、上から順番に出力端子5、導電パターン層10、基板7、第1電極層4B、感熱層4A、第2電極層4C、絶縁プレート8、導電パターン層11を積層して接着している。導電パターン層10、11は、導電製金属の薄膜で、基板7と絶縁プレート8の表面に積層して固定される。
【0021】
基板7は、出力端子5と検出端子6と発熱素子3と電極接続リード9を接続するために、絶縁して5つの導電パターン層10を設けている。第1導電パターン層10Aと第3導電パターン層10Cには、+−の出力端子5を設けている。第1導電パターン層10Aは、基板7を絶縁するスルーホール12を介して、素子本体4Xの第1電極層4Bに接続している。第2導電パターン層10Bには、検出端子6を設けている。さらに、検出端子6を設けた第2導電パターン層10Bと、一方の出力端子5を設けた第3導電パターン層10Cは、判別抵抗15を介して接続している。この判別抵抗15は、図4の回路図で示すように、一方の出力端子5と検出端子6と間に接続された抵抗である。この判別抵抗15の両端にかかる電圧値が、パック電池が装着される機器側で検出されると、この電圧値と抵抗値から電流値が演算されて、この電流値からパック電池の機種が判別される。したがって、この検出端子6は、パック電池の機種を判別する端子に使用できる。第4導電パターン層10Dと第5導電パターン層10Eには、発熱素子3に設けている一対の電極を接続している。第4導電パターン層10Dは、基板7と第1電極層4Bと感熱層4Aとを絶縁状態で貫通するスルーホール12を介して、第2電極層4Cに接続している。さらに、第5導電パターン層10Eには、第2電極接続リード9Bを接続している。
【0022】
絶縁プレート8は、その表面に、絶縁して二つの導電パターン層11を設けている。一方の導電パターン層11である第1導電パターン層11Aは、第1電極接続リード9Aを接続している。さらに、第1導電パターン層11Aは、絶縁プレート8を貫通するスルーホール12を介して、素子本体4Xの第2電極層4Cに接続している。他方の導電パターン層11である第2導電パターン層11Bは、絶縁プレート8と素子本体4Xと基板7とを絶縁状態で貫通する2つのスルーホール12を介して、基板7に設けている第3導電パターン層10Cと第5導電パターン層10Eとに接続している。
【0023】
感熱遮断素子4は、一対の電極接続リード9を介して二次電池1の+−の電極に接続される。一方の電極接続リード9である第1電極接続リード9Aは、第1導電パターン層11A、スルーホール12、素子本体4X、スルーホール12、第1導電パターン層10Aを介して出力端子5に接続される。他方の電極接続リード9である第2電極接続リード9Bは、第5導電パターン層10E、スルーホール12、第2導電パターン層11B、スルーホール12、第3導電パターン層10Cを介して出力端子5に接続している。図5に示す電極接続リード9は、第1電極接続リード9Aを基板7の表面に、第2電極接続リード9Bを絶縁プレート8の表面に接続している。ただ、一対の電極接続リードは、両方を基板の表面に接続することも、両方を絶縁プレートの表面に接続することもできる。
【0024】
以上の保護部品2は、図4に示す回路図のパック電池に使用される。このパック電池は、図8に示すように保護部品2を二次電池1に接続している。パック電池に内蔵される二次電池1は、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池等の充電できる二次電池である。さらに、図の二次電池1は、端面の形状を細長い形状とする薄型電池や角型電池である。このパック電池は、二次電池1の凸部電極1B側の反対側の端面に対向して保護部品2を配設している。保護部品2の外形は、二次電池1の端面形状にほぼ等しく、あるいは端面形状よりもわずかに小さく、二次電池1の端面の外周からはみ出さないように、端面に密着して、あるいは端面に接近して配設される。この保護部品2は、もっとも高いスペース効率でパック電池に内蔵される。
【0025】
保護部品2は、一方の電極接続リード9である第1電極接続リード9Aを外装缶1Aに、他方の電極接続リード9である第2電極接続リード9Bを凸部電極1Bにスポット溶接等の方法で接続している。図のパック電池は、たとえば、ニッケルとアルミニウムのクラッド材13を介して、第1電極接続リード9Aを外装缶1Aに接続している。この構造は、アルミニウム缶に電極接続リード9を接続するのに適している。第2電極接続リード9Bと二次電池1との間には、絶縁シート14を配設している。ただし、図8では、電極接続リード9と絶縁シート14とをわかりやすくするために、これらを実際よりも厚く表示している。現実には、電極接続リード9は薄い金属板であり、絶縁シート14はうすいシート材である。したがって、電池端面に配置される保護部品2は、実際には、電池端面にほぼ密着する状態で配置される。
【0026】
さらに、パック電池は、図8と図9に示すように、二次電池1と保護部品2とをケース16に収納している。ケース16はプラスチック製で、二次電池1と保護部品2を入れることができる形状に成形されている。図のケース16は、第1ケース16Aと第2ケース16Bとからなり、内部に二次電池1と保護部品2とを収納して、第1ケース16Aと第2ケース16Bの開口部を閉塞して組み立てられる。第1ケース16Aと第2ケース16Bは、超音波溶着して連結される。ただ、第1ケース16Aと第2ケース16Bは、接着し、あるいは嵌着して連結することもできる。さらに、ケース16は、保護部品2が収納される側の端面に位置して、プリント基板4に固定している出力端子5と検出端子6とを外部に表出させる端子窓18を開口している。
【0027】
さらに、ケース16は、パック電池が電気機器等に誤った向きで装着されるのを防止する逆挿入阻止部17を備える。ケース16は、保護部品2が収納される側の端部に逆挿入阻止部17を設けている。図の逆挿入阻止部17は、ケース16のコーナー部を切除して成形された凹部である。ただ、逆挿入阻止部は、ケース端面に開口部を有する凹部として、コーナー部以外の部分に設けることもできる。凹部である逆挿入阻止部17は、これに対向する嵌入凸部が嵌入されてパック電池が正しい向きで装着される。図示しないが、パック電池が装着される電気機器の装着部には、この逆挿入阻止部17に嵌入される嵌入凸部を設けている。したがって、パック電池が正しい向きで装着部に挿入されると、逆挿入阻止部17に嵌入凸部が嵌入される状態となって正しく装着される。パック電池が誤った向きで装着部に挿入されると、嵌入凸部の先端面がケース16の端面に当接してパック電池の装着が阻止される。
【0028】
図のケース16は、四隅のコーナー部のうち、長辺の両側に位置して隣り合うコーナー部にそれぞれ逆挿入阻止部17を設けている。このように2つの逆挿入阻止部17を離れた位置に配置する構造は、最も簡単な構造で確実にパック電池の逆挿入を阻止できる。ただ、ケースは、1つの逆挿入阻止部を設けることも、3つ以上の逆挿入阻止部を設けることもできる。複数の逆挿入阻止部を設ける構造は、これらの位置関係がケースの端面において点対称とならないように配置して、パック電池が逆向きに装着されるのを阻止できる。
【0029】
さらに、パック電池は、図10と図11に示す構造とすることもできる。図10に示す保護部品2は、発熱素子を備えていない。この保護部品2は、感熱遮断素子4と温度検出素子19を備え、感熱遮断素子4を出力端子5と二次電池1との間に接続し、温度検出素子19を出力端子5と検出端子6の間に接続している。感熱遮断素子4は、図11に示すように、基板7と絶縁プレート8で素子本体4Xを挟着する積層構造としている。この保護部品2も素子本体4Xの両面を基板7で挟着するので、一対の電極接続リード9と出力端子5と検出端子6とをしっかりと固定できると共に、素子本体4Xの両面を保護できる特長がある。さらに、保護部品2は、感熱遮断素子4の基板7の表面に温度検出素子19を配設している。温度検出素子19は、電池温度を検出するサーミスタや温度センサー等である。したがって、このパック電池の検出端子6は、電池の温度検出に使用される。
【0030】
このパック電池も、二次電池1の凸部電極1B側の反対側の端面に対向して保護部品2を配設している。保護部品2は、基板7の外側面に温度検出素子19を固定しているので、二次電池1の端面に密着して、あるいは端面に接近して配設できる。この保護部品2は、発熱素子を備えていないが、感熱遮断素子4を外装缶1Aに密着して配設できるので、高温となった二次電池1で直接に加熱される。したがって、この保護部品2も、二次電池1が高温になると感熱遮断素子4を確実かつ速やかに動作させて、二次電池1に流れる電流を制限できる。
【0031】
【発明の効果】
本発明のパック電池は、極めてシンプルな構造で感熱遮断素子を理想的な状態に配置でき、さらに、加工性を向上して、安価に多量生産できる特長がある。それは、本発明のパック電池が、基板に素子本体を積層して固定している感熱遮断素子を備える保護部品を電池の凸部電極の反対側の端面に対向して配設しており、この感熱遮断素子が、基板の電池と対向する表面に素子本体を積層すると共に、反対側の外側面に出力端子を固定しているからである。この構造のパック電池は、保護部品を電池の凸部電極の反対側の端面に対向して配設して、感熱遮断素子の素子本体を電池の端面により接近させる状態で配置できるので、感熱遮断素子を理想的な状態に配置しながら、電池の発熱で効率よく感熱遮断素子を加温して、感熱遮断素子の感温性を向上できる。さらに、感熱遮断素子は、出力端子を設けた基板に、シート状の感熱層の両面に第1電極層と第2電極層を積層した素子本体を積層するので、これらの加工性を向上して安価に多量生産できる。とくに、この保護部品は、熱遮断素子を大きくできるので、通電状態における内部抵抗を小さくできる特長もある。
【0032】
さらに、本発明の請求項5のパック電池は、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的な状態に配列してコンパクトにできる特長がある。それは、このパック電池の保護部品が、電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子を基板の外側面に設けているからである。この保護部品は、極めて簡単な構造として、発熱素子と感熱遮断素子とを理想的に配列できるので、これらを確実に熱結合させて、発熱素子の発熱で感熱遮断素子を有効に加熱して正常に動作できると共に、安価に多量生産して、しかもコンパクトにできる。とくに、発熱素子を基板の外側面に設ける構造は、感熱遮断素子を電池と発熱素子とで両面から加熱できるので、感熱遮断素子を確実かつ速やかに動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の保護部品を内蔵するパック電池の一例を示す回路図
【図2】従来の保護部品を内蔵するパック電池の他の一例を示す回路図
【図3】発熱素子の電圧−電流特性を示すグラフ
【図4】本発明の一実施例にかかるパック電池の回路図
【図5】図4に示すパック電池の保護部品の概略拡大断面図
【図6】図5に示す保護部品の底面図
【図7】図5に示す保護部品の感熱遮断素子を構成している各層の平面図
【図8】図4に示すパック電池の概略断面図
【図9】図8に示すパック電池の斜視図
【図10】本発明の他の実施例にかかるパック電池の回路図
【図11】図10に示すパック電池の概略断面図
【符号の説明】
1…電池 1A…外装缶
1B…凸部電極
2…保護部品
3…発熱素子 3A…定電圧ダイオード
3B…スイッチング素子
4…感熱遮断素子 4X…素子本体
4A…感熱層
4B…第1電極層
4C…第2電極層
5…出力端子
6…検出端子
7…基板
8…絶縁プレート
9…電極接続リード 9A…第1電極接続リード
9B…第2電極接続リード
10…導電パターン層 10A…第1導電パターン層
10B…第2導電パターン層
10C…第3導電パターン層
10D…第4導電パターン層
10E…第5導電パターン層
11…導電パターン層 11A…第1導電パターン層
11B…第2導電パターン層
12…スルーホール
13…クラッド材
14…絶縁シート
15…判別抵抗
16…ケース 16A…第1ケース
16B…第2ケース
17…逆挿入阻止部
18…端子窓
19…温度検出素子
21…電池
22…保護素子
23…発熱素子
24…感熱遮断素子
25…出力端子
Claims (4)
- 出力端子(5)と電池(1)との間に、電池(1)の保護部品(2)を接続しており、この保護部品(2)が、電池(1)と直列に接続されて、設定温度よりも高温になると電気抵抗が大きくなって電池(1)に流れる電流を制限する感熱遮断素子(4)を備えるパック電池であって、
保護部品(2)が電池(1)の凸部電極(1B)の反対側の端面に対向して配設されると共に、保護部品(2)の感熱遮断素子(4)が、基板(7)と、この基板(7)に積層して固定している素子本体(4X)とを備え、素子本体(4X)は設定温度よりも高くなると電気抵抗が大きくなるシート状の感熱層(4A)と、この感熱層(4A)の両面に電気接続して積層している第1電極層(4B)及び第2電極層(4C)とを備え、基板(7)は電池(1)と対向する表面に素子本体(4X)を積層して、電池(1)との対向面の反対側の外側面に出力端子(5)を固定しており、電池 (1) と保護部品 (2) をケース (16) に収納しており、基板 (7) の外側面にケース端面を積層すると共に、このケース (16) に逆挿入阻止部 (17) を設けている保護部品を有するパック電池。 - 素子本体(4X)がPTCである請求項1に記載の保護部品を有するパック電池。
- 感熱遮断素子(4)が、素子本体(4X)の片面に基板(7)を積層して、他の片面に絶縁プレート(8)を積層しており、基板(7)と絶縁プレート(8)に導電パターン層(10)、(11)を設けており、この導電パターン層(10)、(11)は基板(7)と絶縁プレート(8)を貫通するスルーホール(12)を介して第1電極層(4B)と第2電極層(4C)に接続しており、基板(7)の導電パターン層(10)を出力端子(5)に接続して、絶縁プレート(8)の導電パターン層(11)を電池(1)に接続している請求項1に記載の保護部品を有するパック電池。
- 電池(1)に接続されて電池電圧が設定電圧よりも高くなると発熱する発熱素子(3)を基板(7)の外側面に設けている請求項1に記載の保護部品を有するパック電池。
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