JP3764332B2

JP3764332B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP3764332B2
Application number: JP2000326573A
Authority: JP
Inventors: 良一濱崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2020-10-26
Also published as: JP2002134177A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の単電池を直列または並列接続した状態で集合一体化して用いる電池パックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば、電動ドリルや電動グラインダーなどの電動工具の駆動電源として用いられる電池パックには、電動工具のハイパワー化に伴って高電圧と強放電に耐えることが要求されており、それに対応して一つの電池パックに使用される単電池の個数は、例えば30個といったように激増している。また、電動工具用の電池パックを構成する単電池としては、一般にニッケル−カドミウム二次電池が使用されており、近年では環境対策上の要請もあってニッケル−水素二次電池などが使用され始めている。これらの電池は、何れも無保守化の必要上、密閉化された円筒形二次電池である。
【０００３】
従来の電池パックは、多数個の円筒形二次電池をパックケース内部の限られたスペースに収納するために、多数個の円筒形二次電池を、スペース利用効率の良い俵積み状態に積層または配列するとともに、各々の電極をニッケル端子板などで直列または並列に電気接続してパックケース内に収容されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電池パックには上述のように密閉形電池が一般的に用いられているが、この密閉形電池は、充放電時に発生するジュール熱とガス吸収反応に伴う反応熱とによって電池温度が上昇する。また、電池パックのパックケースは、単電池との電気絶縁を図ることを目的として、熱伝導性の悪い樹脂製のものが一般的に採用されているので、このパックケース内に多数個収容された各単電池の発熱は、熱伝導性の悪いパックケースによって外部への放熱が妨げられている。さらに、電動工具などの駆動電源として使用する場合には、電動工具のモータなどを駆動させる放電時に大電流が流れ、これによっても単電池の温度がさらに上昇する。これらにより、単電池の温度は80°Ｃ以上にも上昇することがあるが、アルカリ二次電池では、80°Ｃ以上もの高温になると満充電できないことから、充放電特性が低下するとともに、充放電サイクル寿命が劣化する。
【０００５】
また、俵積み状態に積層または配列されてパックケース内に収容された各単電池のうちの中央部に位置する単電池は、その周囲を他の単電池で囲まれていることから、放熱性が一層悪くなり、他の単電池に比較して温度上昇が激しい。このように単電池間に温度差が生じた場合には、充放電にばらつきが生じて単電池の劣化を促進するだけでなく、各単電池の電池性能のばらつき、ひいては劣化のばらつきが生じる原因となる。
【０００６】
そこで、従来では、電池パックにおける俵積み状態に積層または配列された単電池の温度上昇を抑制するための種々の手段（例えば、特開平9-306447号公報および特開平6-223804号公報参照）が提案されている。ところが、これらの電池パックは、金属酸化物を含んだ合成樹脂製の波状仕切板を単電池間に介在させて、各単電池の発熱を波状仕切板で集熱したのちに、波状仕切板の端部に接触させたケースカバーを通じて外部に放熱したり、ヒートパイプの加熱部を単電池に直接接触させて単電池の発熱を加熱部に吸熱し、ヒートパイプにおけるパックケースの外部に導かれた放熱部から放熱するなどの構成となっており、いずれも単電池の発熱の集熱効果およびケース外部への放熱効果が不十分であるとともに、俵積み状態に積層または配列された各単電池から均等に集熱することができないので、各単電池間の温度差を解消することは到底無理なものである。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、発熱による各単電池の温度上昇を極力抑制できるとともに、各単電池間に温度差が生じるのを防止することのできる構成を備えた電池パックを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電池パックは、複数の電池列に配列された複数個の単電池と、熱伝導性に優れた金属薄板からなり、隣接する二つの前記電池列の間に介在して両面に前記電池列の前記各単電池が接触された集熱板と、前記集熱板の一端部を折曲して形成された集熱片に自身の加熱部を接触させた配置で設けられたヒートパイプと、熱伝導性に優れた素材からなり、前記集熱片と前記加熱部とをこれらの周囲を覆うように被せられて互いに密着状態に保持するラミネートシートと、前記単電池、前記集熱板および前記ヒートパイプが収容されたパックケースと、前記パックケースの一部外面に接合されて、前記パックケースとの接合面に凹状に設けられた取付用受溝に前記ヒートパイプの放熱部が嵌め込まれた放熱部材とを備えて構成されていることを特徴としている。
【０００９】
この電池パックでは、複数個の単電池の全てが集熱板に接触されているので、集熱板が全ての各単電池からの発熱を万遍なく均等に集熱し、その集熱した発熱が、ラミネートシートにより互いに熱的に確実に結合された集熱板の集熱片からヒートパイプの加熱部に極めて効率良く伝熱され、さらに、ヒートパイプの加熱部から放熱部に向けて潜熱の形で迅速に放熱部材に導かれたのちに、放熱部材から外部に放出される。そのため、この電池パックでは、各単電池からの発熱が効率良く外部に放出されるので、各単電池を連続して充放電することが可能となり、また、各単電池間に温度差が生じないように均等に集熱されるので、各単電池の各々の電池機能が均質化され、各単電池の充放電サイクルの特性が損なわれることがなく、電池パック自体が常に高機能状態に維持される。
【００１０】
上記発明において、ヒートパイプは、加熱部に対し放熱部が直交方向に配置するＬ字状に形成されていることが好ましい。これにより、放熱部の放熱部材に対する接触面積の増大を図ることができ、加熱部から高速移送されてきた潜熱を放熱部から放熱部材に効率良く伝熱することができる。
【００１１】
また、上記発明において、ヒートパイプの放熱部が、シリコンを塗布されて放熱部材の取付用受溝に嵌め込まれていることが好ましい。これにより、シリコンは熱伝導性に優れ、且つ高い電気絶縁性を有していることから、ヒートパイプの放熱部から放熱部材への熱伝導が一層効率的に行われるとともに、単電池からヒートパイプを通じて放熱部材に漏電することが確実に防止される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る電池パックを示す分解斜視図である。この電池パックは、上面が開口した箱状の樹脂製パックケース１の内部に、円筒状の密閉形単電池２が複数個（この実施の形態では20個の場合を例示）俵積み状態に配列、つまり20個の単電池２が恰も俵積み状態に積層したのちに立てた配列で収容されている。このパックケース１の上端開口部は樹脂製の蓋板３で施蓋され、さらに、パックケース１の一部外面に金属製の放熱部材４が接合された構成になっている。
【００１３】
20個の単電池２は、各６個をそれぞれ長手方向に立てた状態で互いに密着させて一列に配列されてなる二つの中央電池列Ｂ１，Ｂ２と、各４個をそれぞれ長手方向に立てた状態で互いに密着させて一列に配列されてなり、且つ各中央電池列Ｂ１，Ｂ２の両側部に配された二つの側部電池列Ｂ３，Ｂ４とに分けて配置されている。
【００１４】
図２は蓋板３を除外した状態の一部破断した平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４（ａ）は図２のＢ−Ｂ線断面図、同図（ｂ）は（ａ）の要部の拡大図をそれぞれ示す。両中央電池列Ｂ１，Ｂ２の間および各中央電池列Ｂ１，Ｂ２とこれらに隣接する各側部電池列Ｂ３，Ｂ４との各間には、図２および図４（ａ）に明示するように、細長い矩形の平板状となった３枚の集熱板７がそれぞれ介在されている。この集熱板７は、熱伝導性に優れた金属、例えばアルミニウムまたは銅からなる厚さが0.3 ｍｍ程度の薄板で形成されている。この各集熱板７の両面には、隣接する電池列Ｂ１〜Ｂ４の各単電池２がそれぞれ接触されている。これにより、各集熱板７は、隣接する電池列Ｂ１〜Ｂ４の各単電池２によって両側から挟まれることにより、パックケース１内に保持されている。
【００１５】
上記集熱板７には、これの上端部を上辺に沿って折り曲げることにより、短冊状の集熱片７ａが形成されており、この各集熱片７ａの上面には、帯状のヒートパイプ８が載置されている。このヒートパイプ８は、この実施の形態において断面形状が矩形状の開口を有する管体となったものを例示している。ヒートパイプ８は、周知のように、管内壁にウイック構造を有する金属パイプの内部を真空にするとともに、その金属パイプの内部に作動液として少量の純水を密封した伝熱素子である。
【００１６】
上記ヒートパイプ８は、その一端側の加熱部８ａが加熱されると、その加熱部８ａの作動液が蒸発するときの蒸発熱によって熱を吸収したのちに、蒸気流となって低温部である放熱部８ｂに向け高速移動したのちに、蒸気流が放熱部８ｂの管内壁に接触して冷却されることによって凝縮し、そのとき、凝縮潜熱による熱放出を行い、その凝縮液が毛細管現象または重力によって加熱部８ａに戻るというサイクルを繰り返して、熱を連続的に極めて効率良く移送して放熱できるものである。
【００１７】
上記各ヒートパイプ８の加熱部８ａとこれが上面に載置された集熱片７ａとは、図４（ｂ）に明示するように、熱伝導性に優れたアルミニウムからなるラミネートシート９で覆われて互いに密着状態に保持され、良好な伝熱性で確実に結合されている。各ヒートパイプ８の放熱側の端部近傍箇所は、図２に明示するように、パックケース１に形成された導出用溝１ａを挿通してパックケース１の外部に導き出されるとともに、放熱側端部に加熱部８ａに対し直交方向に屈曲配設された放熱部８ｂが、放熱部材４におけるパックケース１との接合面に形成された取付用受溝４ａに圧入状態に嵌め込まれている。ヒートパイプ８は、パックケース１が蓋板３で施蓋されることにより、蓋板３とパックケース１の導出用溝１ａとで囲まれる取付孔内に確実に固定される。
【００１８】
この電池パックでは、俵積み状態に立てて配列されている20個の単電池２の全てが何れかの集熱板７に接触されているので、各集熱板７が全ての各単電池２からの発熱を万遍なく均等に集熱する。また、集熱板７は、熱伝導性に優れたアルミニウムまたは銅などの薄板で形成されているので、単電池２の発熱を効率的に集熱することができる。
【００１９】
上記集熱板７は、図４（ａ）に明示するように、単電池２の長さよりも僅かに大きな幅（配置状態における高さ）を有する矩形状になっているので、パックケース１の高さは集熱板７が無い場合に比較して殆ど増大しない。また、集熱板７は厚さが0.3 ｍｍ程度の薄板であるから、パックケース１の容積が増大することもなく、電池パック自体の大型化を招かない。
【００２０】
３枚の各集熱板７に集熱された熱は、これらの集熱片７ａからヒートパイプ８の加熱部８ａに伝導される。このとき、集熱板７の集熱片７ａとヒートパイプ８の加熱部８ａとは、熱伝導性に優れたアルミニウムからなるラミネートシート９により覆われて互いに密着状態に保持されて、熱的に確実に結合されているから、集熱板７で集熱された熱は、これの集熱片７ａからヒートパイプ８の加熱部８ａに対し極めて効率良く伝導される。加熱部８ａに伝導された熱は、放熱部８ｂに向けて潜熱の状態で迅速に熱伝導される。
【００２１】
上記ヒートパイプ８は、一般の固体熱伝導に比較して重量当たりの伝熱量が１桁以上大きいので、集熱板７の集熱片７ａから加熱部８ａに伝導された熱を放熱部８ｂに向けて極めて高速に移送したのちに、放熱部８ｂから放熱部材４に対し熱伝導する。金属製の放熱部材４は、アルミニウムまたは銅などの熱伝導性の良い金属を素材として形成されているので、ヒートシンクとしての機能を有するものである。
【００２２】
また、ヒートパイプ８は、加熱部８ａに対し放熱部８ｂが直交方向に屈曲形成されたＬ字形状を有していることにより、放熱部８ｂの放熱部材４に対する接触面積の増大が図られている。さらに、ヒートパイプ８の放熱部８ｂは、図２の一部破断部分に明示するように、放熱部材４の取付用受溝４ａに圧入されて隙間無く密着状態に嵌まり込んでいる。これらの構成により、加熱部８ａから高速移送されてきた潜熱が放熱部８ｂから放熱部材４に効率良く伝熱され、放熱部材４から外部に放熱される。なお、図示していないが、取付用受溝４ａは、その開口端部に、ヒートパイプ８の放熱部８ｂを自身の溝底部に円滑に導き入れるためのテーパーが形成されている。
【００２３】
このように、上記電池パックでは、各単電池２からの発熱が効率良く外部に放熱されるので、各単電池２を連続して充放電することが可能となり、また、電池パック内部の各単電池２間に温度差が生じないように均等に集熱されるので、各単電池２の各々の電池機能が均質化され、各単電池２の充放電サイクルの特性が損なわれることがなく、電池パック自体が常に高機能状態に維持される。
【００２４】
上記実施の形態では、便宜上、図示を省略しているが、ヒートパイプ８の放熱部８ｂは、熱伝導性に優れ、且つ高い電気絶縁性を有するシリコンが塗着された状態で取付用受溝４ａに嵌め込まれている。これにより、この電池パックでは、ヒートパイプ８の放熱部８ｂから放熱部材４への熱伝導が一層効率的に行われるとともに、単電池２からヒートパイプ８を通じて放熱部材４に漏電することが確実に防止される。また、集熱板７の集熱片７ａとヒートパイプ８の加熱部８ａとの間には伝熱グリスが塗布されており、これにより、集熱板７からヒートパイプ８への伝熱性の一層の向上を図ることができる。
【００２５】
なお、集熱板７は、アルミニウム薄板の両面に粘着層を形成してなるアルミニウムラミネートシートに形成することもできる。このような集熱板７では、両面に各単電池２が粘着層によって接着固定されるので、各単電池２から集熱板７への高効率の熱伝導を長期間にわたり確実に維持することができる。
【００２６】
また、上記実施の形態では、集熱板７を薄い平板状としたが、両側に配置された各単電池２の一部を交互に嵌まり込ませることのできる波板状に金属薄板を形成して、これを集熱板として用いれば、集熱板と単電池２との接触面積が増大して、単電池２から集熱板への熱伝導効率が一層向上する。さらに、各ヒートパイプ８は、各々の加熱部８ａの放熱側一端部が単一の放熱部に連通状態に互いに連結された一体物としてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明の電池パックによれば、複数個の単電池の全てが何れかの集熱板に接触されている構成としたので、各集熱板が全ての各単電池からの発熱を万遍なく均等に集熱し、その集熱した発熱が、ラミネートシートにより熱的に確実に結合された集熱板の集熱片からヒートパイプの加熱部に極めて効率良く伝熱され、さらに、ヒートパイプの加熱部から放熱部に向けて潜熱の形で迅速に導かれたのちに、放熱部材から外部に放出される。そのため、この電池パックでは、各単電池からの発熱が効率良く外部に放出されるので、各単電池を連続して充放電することが可能となり、また、各単電池間に温度差が生じないように均等に集熱されるので、各単電池の各々の電池機能が均質化され、各単電池の充放電サイクルの特性が損なわれることがなく、電池パック自体が常に高機能状態に維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電池パックを示す分解斜視図。
【図２】同上の電池パックの蓋板を除外した状態の一部破断した平面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】（ａ）は図２のＢ−Ｂ線断面図、（ｂ）は（ａ）の要部の拡大図。
【符号の説明】
１パックケース
２単電池
４放熱部材
４ａ取付用受溝
７集熱板
７ａ集熱片
８ヒートパイプ
８ａ加熱部
８ｂ放熱部
９ラミネートシート
Ｂ１〜Ｂ４電池列

Claims

複数の電池列に配列された複数個の単電池と、
熱伝導性に優れた金属薄板からなり、隣接する二つの前記電池列の間に介在して両面に前記電池列の前記各単電池が接触された集熱板と、
前記集熱板の一端部を折曲して形成された集熱片に自身の加熱部を接触させた配置で設けられたヒートパイプと、
熱伝導性に優れた素材からなり、前記集熱片と前記加熱部とをこれらの周囲を覆うように被せられて互いに密着状態に保持するラミネートシートと、
前記単電池、前記集熱板および前記ヒートパイプが収容されたパックケースと、
前記パックケースの一部外面に接合されて、前記パックケースとの接合面に凹状に設けられた取付用受溝に前記ヒートパイプの放熱部が嵌め込まれた放熱部材とを備えて構成されていることを特徴とする電池パック。
ヒートパイプは、加熱部に対し放熱部が直交方向に配置するＬ字状に形成されている請求項１に記載の電池パック。
ヒートパイプの放熱部が、シリコンを塗布されて放熱部材の取付用受溝に嵌め込まれている請求項１または２に記載の電池パック。