JP3882818B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、電池パックに関し、特に、電極積層体及び電解質を角型容器に収容して構成される電池セルが複数個積層して収容される電池パックに関する。

近年、電子機器の小型化に伴い、電子機器に用いられる各種の電池も小型化しており、また様々な形状の電池がある。なかでも、角形のリチウムイオン電池は、エネルギー密度を高くすることが可能であることから、携帯電話、ノート型パソコン等に対して幅広く用いられる。

角形のリチウムイオン電池を複数個積層して電池パックの内部に配置することで、幅広い電子機器に対応した電池容量および電圧を得ることができる。複数個積層した電池を並列に接続すれば、電池パックの電池容量を高めることができる。また、複数個積層した電池を直列に接続すれば、電池パックの出力電圧を高めることができる。

このような電池パックでは、テープ等の仕切り部材によって積層状態で配置された電池同士の絶縁を行っていた。例えば、角型の電池容器側面の外周部にテープを貼ることによって、隣接する電池との間に隙間を設け絶縁していた。

角形の電池は、円筒形の電池に比べて電池容器の強度が弱いため、リチウムイオン電池などのエネルギー密度の大きい角形の電池は、電池内圧の上昇に伴って電池容器が膨張し、耐久性や信頼性を低下させるという問題点があった。

この問題点を解決するために、例えば、下記の特許文献１には、側板膨張吸収空間が設けられるスペーサにより電池を保持するパッケージ型電池装置が開示されている。

特許第２５１９５７６号公報

このパッケージ型電池装置では、積層された電池の電池容器間にスペーサにより側板膨張吸収空間が設けられるため、角型電池容器の側板に樽形膨張が生じても、側板膨張吸収空間に膨張部分を吸収することができる。

しかしながら、上述した従来の電池パックには、以下の問題点があった。すなわち、従来の角形の積層タイプの電池パックでは、テープやスペーサ等を仕切り部材として用いて絶縁を行っているため、構成が複雑であり、組み立てが容易でないという問題点があった。

また、電池間に設けられる仕切り部材は、電池の隙間用であるか、電池のガイド用であるかが主な用途であり、電池を電池パックに組み込んだ際のアッセンブリ強度は、テープやスペーサ等の個々の部品強度に依存していた。また、従来の電池パックは、電池のアッセンブリ全体を支える構成ではないため、構造上の強度が劣っていた。

さらに、従来の仕切り部材は、電池と基板、端子の位置ガイド等が無いため、位置精度は設備等で行う必要があった。

したがって、この発明の目的は、組み立てが容易で信頼性の高い電池パックを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ケース内に複数個の角形の電池セルを収容する電池パックにおいて、複数個の角形の電池セルを、電池セル間に隙間を設けて積層した状態で支える箱型の仕切り部材を有し、仕切り部材は、電池セルの厚みに応じて設けられ、電池セルを周縁部で支える凸部と、凸部に設けられ、電池セルを挟持する突起と、を有しており、仕切り部材の、電池セルの側面との接触面に側壁をほとんど除去した開口が設けられており、少なくとも電気的に並列に接続される電池セル間を絶縁する絶縁部材が上記仕切り部材に設けられていることを特徴とする電池パックである。

この発明では、仕切り部材のみで複数個の角形の電池セルを、電池セル間に隙間を設けて積層した状態で支えることで、電池セル間を絶縁した状態で精度良く丈夫に安定して支えることができる。また、電池パックの組み立てが容易である。さらに、少なくとも電気的に並列に接続される電池セル間を絶縁する絶縁部材が仕切り部材に設けられていることで、異電位となる電池セル間をより確実に絶縁することができる。したがって、この発明によれば、内部に配置される電池セル同士の配線を良好に行うことができ、強度および内部部品の配置精度に優れた信頼性の高い電池パックを提供することができるという効果を奏する。

仕切り部材を、電池セルを電池セルの周縁部で支える構造とし、仕切り部材の、電池セルの側面との接触面中央部に開口を設ける、または、仕切り部材の、電池セルの側面との接触面中央部を薄くすることで、電池セルが膨張した場合でも、電池セルが圧迫から開放される。これにより信頼性をさらに向上させることができる。

仕切り部材に電池セルの位置決め機構を設けることで、さらに組み立てが容易となり、電池セルの位置精度を向上することができる。仕切り部材に電池セルの電気的な接続に用いるタブの位置決め機構を設けることで、さらに組み立てが容易となり、タブの位置精度を向上することができる。仕切り部材に保護回路を備えた回路基板の位置決め機構を設けることで、さらに組み立てが容易となり、回路基板の位置精度を向上することができる。仕切り部材にケースの位置決め機構を設け、仕切り部材がケースの内側を支える構造とすることで、さらに組み立てが容易となり、強度を高めることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施形態による電池パックの構成の一例を示す。参照符号１は、ビデオカメラ等の電子機器の駆動電源として使用される電池パックである。なお、図１は、電池パック１を分解した図であり、各構成部材は、それぞれ二点破線方向に組み合わされる。

電池パック１は、上ケース３と下ケース４とで構成されるケース内に仕切り部材２を収容した構成とされている。上ケース３は、ケースの上部を構成する部材であり、下ケース４は、ケースの下部を構成する部材である。上ケース３と下ケース４とは、溶接や接着剤などにより接合され、ケースの内部が密閉状態とされる。仕切り部材２は、複数個の電池セル５（図示では電池セル５ａ〜５ｄの４個）を電池セル５の間に隙間を設けて積層した状態で支える構造とされている。

上ケース３および下ケース４、仕切り部材２は、比較的丈夫なプラスチックなどの材料により構成されている。これら上ケース３および下ケース４、仕切り部材２は、軽量であり絶縁性を有する材料であることが好ましい。軽量の材料とすることで、電池パック１および電池パック１を使用する電子機器の携帯性を向上することができる。絶縁性を有する材料とすることで、電池パック１を構成する各要素や電子機器との短絡など、電池パック１に起因する電気的な接続不良を防止することができる。仕切り部材２の詳細については、後述する。

電池セル５は、角形リチウムイオン二次電池である。すなわち、電池セル５は、セパレータを介した正極と負極とを積層した電極積層体と電解液とを角型容器に収容して構成された素電池である。電池セル５は、プラス端子である正極ピンを有している。また、電池セル５の角型容器は、鉄、鉄合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの導電性を有する材料で構成され、負極と電気的に接続された負極缶である。

電池セル５ａ〜５ｄは、仕切り部材２に設けられた引き出し状の空間にそれぞれ嵌挿された状態で固定されている。電池セル５ａと電池セル５ｂは、左側がプラス電極となり右側がマイナス電極となる向きで、仕切り部材２に嵌挿されている。電池セル５ｃと電池セル５ｄは、左側がマイナス電極となり右側がプラス電極となる向きで、仕切り部材２に嵌挿されている。これにより、以下の電池セル５間の電気的接続を容易としている。

電池パック１内の電池セル５を並列に接続することで、電池容量を高めることができ、直列に接続することで、出力電圧を高めることができる。電池パック１では、仕切り部材２に固定された電池セル５ａと電池セル５ｂとが並列に電気的に接続されており、仕切り部材２に固定された電池セル５ｃと電池セル５ｄとが並列に電気的に接続されている。また、電池セル５ａおよび５ｂと電池セル５ｃおよび５ｄとが直列に電気的に接続されている。

電池セル５間の電気的接続は、正極タブ６、負極タブ７および中間タブ８によって行われている。正極タブ６、負極タブ７および中間タブ８は、金属などの導電性を有する部材である。正極タブ６は、電池セル５ａのプラス電極と電池セル５ｂのプラス電極との電気的接続用のタブであり、負極タブ７は、電池セル５ｃのマイナス電極と電池セル５ｄのマイナス電極との電気的接続用のタブであり、中間タブ８は、電池セル５ａおよび電池セル５ｂのマイナス電極と電池セル５ｃおよび電池セル５ｄのプラス電極との電気的接続用のタブである。

なお、電池セル５ａ〜５ｄのマイナス電極には、それぞれ保護素子１１ａ〜１１ｄが設けられており、各電池セルのマイナス電極側の電気的接続は、これら保護素子１１ａ〜１１ｄを介してそれぞれ行われる。これら電池セル５ａ〜５ｄ、正極タブ６、負極タブ７および中間タブ８、保護素子１１ａ〜１１ｄ間の電気的接続は、例えば半田付けなどの溶接や接着剤による接合により行われる。

保護素子１１ａ〜１１ｄは、正特性サーミスタ（ＰＴＣ：Positive Temperature Coefficient）、温度ヒューズ、サーモスタットなどの異常状態を検出して電気的接続を遮断する素子である。

正特性サーミスタ（ＰＴＣ）は、グラファイト、金属粉などの導体と樹脂とが混ざった構成をしており、温度が高温になると樹脂が膨張し、導体の接合密度が低くなり抵抗値を増大させる。

温度ヒューズは、棒形状の低融点金属で構成されており、この低融点金属が高温時に溶断する。低融点金属の周囲には、フラックスが付着している。

サーモスタットは、２種類の金属を張り合わせた金属の合板（バイメタル）と、バネ性を有する金属板とから構成されており、バイメタルおよび金属板のそれぞれにスイッチ接点が設けられている。バイメタルおよび金属板の一方は上下に動作し、その他方は固定されている。また、サーモスタットの種類によっては、バイメタルおよび金属板の一方にのみスイッチ接点が配置されているものもある。通常、バイメタルに設けられたスイッチ接点と、金属板に設けられたスイッチ接点とは接触状態であり、規定の温度に達すると、バイメタルが逆方向に反り返るように動作し、スイッチ接点が開放状態となる。そして、再び温度が正常状態に戻ると、バイメタルおよび金属板のそれぞれのスイッチ接点が接触状態となる。

シール１２ａ〜１２ｄは、例えば、片面に粘着性を有する絶縁性のテープで構成され、絶縁のために電池セル５に貼られるものである。シール１２ａは、電池セル５ａと保護素子１１ａの中間タブ８と接続される側等とを絶縁するための部材であり、シール１２ｂは、電池セル５ｂと保護素子１１ｂの中間タブ８と接続される側等とを絶縁するための部材である。シール１２ｃは、電池セル５ｃと保護素子１１ｃの負極タブ７と接続される側等とを絶縁するための部材であり、シール１２ｄは、電池セル５ｄと保護素子１１ｄの負極タブ７と接続される側等とを絶縁するための部材である。

絶縁板１３ａは、保護素子１１ａおよび１１ｂ等を外部から保護する絶縁性を有する部材であり、絶縁板１３ａを保護素子１１ａおよび１１ｂの外面に設けることによって、保護素子１１ａおよび１１ｂと電池セル５ａおよび５ｂとの接続と他の部材や接続部とが短絡することを防止している。絶縁板１３ｂは、保護素子１１ｃおよび１１ｄ等を外部から保護する絶縁性を有する部材であり、絶縁板１３ｂを保護素子１１ｃおよび１１ｄの外面に設けることによって、保護素子１１ｃおよび１１ｄと電池セル５ｃおよび５ｄとの接続と他の部材や接続部とが短絡することを防止している。

回路基板９は、電池パック１の充放電を安全に行うための過充電保護、過放電保護および過電流保護等の機能などを備えた保護回路を構成するプリント配線基板である。端子部材１０は、電子機器や充電器などに接続される電池パック１のプラス端子やマイナス端子などの外部端子を構成する部材である。正極タブ６および負極タブ７は、それぞれ回路基板９の電気回路を介して端子部材１０のプラス端子およびマイナス端子に電気的に接続されている。これら正極タブ６および負極タブ７のそれぞれと回路基板９との電気的接続、端子部材１０のプラス端子およびマイナス端子のそれぞれと回路基板９との電気的接続は、半田付けなどにより行われている。

回路基板９および端子部材１０は、仕切り部材２にネジ止めなどによって固定されている。仕切り部材２には、回路基板９および端子部材１０の位置決め機構が設けられている。例えば、仕切り部材２に凸形状を設け、この凸形状に回路基板９や端子部材１０の凹形状を嵌合することで、回路基板９の位置決めが行われる。

仕切り部材２には、下ケース４の位置決め機構が設けられている。すなわち、下ケース４の内側の底部は、回路基板９と端子部材１０とが組み合わされた仕切り部材２の底面部が嵌合する凹凸形状を有しており、仕切り部材２、回路基板９および端子部材１０が安定して下ケース４に嵌め込まれる構成とされている。仕切り部材２と下ケース４とは、ネジ止めなどにより固定しても良い。端子部材１０は、端子部分が電池パック１の外表面に露出するように固定されている。端子部材１０と下ケース４との間は、溶接や接着剤などにより隙間なく密閉されている。

図２は、仕切り部材２を拡大したものであり、図３は、電池セル５を固定した状態での電池セル５の嵌挿方向に対して直角方向の仕切り部材２の断面である。仕切り部材２は、電池セル５ａ〜５ｄが積層した状態で収納される箱型の形状で構成されている。仕切り部材２の一側面は、電池セル５を嵌挿するために、側壁がない構成とされている。なお、図示していないが電池セル５の嵌挿後に蓋をするように他の側壁と同様の側壁を設けても良い。これにより、電池セル５の安定性がより向上する。

仕切り部材２の内側壁には、電池セル５を嵌挿可能な電池セル５の厚みに応じた凸部２１が設けられており、この凸部２１に沿って引き出しを押し入れる要領で電池セル５が嵌挿される。凸部２１によって、電池セル５間の隙間が一定に保持される。仕切り部材２は、内壁および凸部２１に沿って嵌挿された電池セル５を電池セル５の周縁部で支える構造とされている。凸部２１は、仕切り部材２の内周全てに渡って設けているが、部分的に設けても良い。部分的に設けることで、軽量化することができる。凸部２１は、例えば、仕切り部材２と一体成形で形成されるものであり、これにより、電池セル５を収納した状態での強度を高めることができる。

突起２２は、電池セル５を挟持する突出形状である。突起２２は、電池セル５の挿入および離脱をスムーズに行うために、仕切り部材２の底内壁と天井内壁および凸部２１の上下等に設けられている。電池セル５を安定して挟持できるならば、突起２２は、図２および図３に示した形状に限定されるものではない。例えば、電池セル５の上下四隅のみに突出形状を設けても良い。突起２２によって電池セル５は、隙間なく安定して仕切り部材２に固定される。

並列に電気的に接続される電池セル５ｂと電池セル５ｃとの間には、絶縁部材２３が設けられている。絶縁部材２３は、絶縁性を有する材料で構成されている。これにより、仕切り部材２によって積層されている電池セル５の異電位間が完全に絶縁される。すなわち、電池セル５の間での短絡を防止することができる。また、絶縁部材２３を設けることで、仕切り部材２の強度を増すことができる。なお、絶縁部材２３は、例えば、各電池セル５の間の全てなど、他の電池セル５間にも設けても良い。これにより、絶縁部材２３を挟んだ電池セル５の間を確実に絶縁することができる。図２および図３では、凸部２１の内側に絶縁部材２３を設けているが、凸部２１自体によって絶縁部材２３を構成してもよい。これにより、仕切り部材２と一体成形とすることができ、より強度を高めることができる。

ところで、リチウム電池などのエネルギー密度の高い角形の電池は、電池内圧の増大によって、電池容器の側面が膨張してしまう。仕切り部材２は、この膨張による圧迫を解消するための構造を有している。

仕切り部材２に嵌挿された複数の電池セル５の間には、凸部２１の厚みによって、隙間が設けられる。この隙間によって、電池セル５が膨張した場合でも、膨らみによる圧迫から各部材を保護することができる。したがって、凸部２１の厚みは、電池セル５の膨張度合いに応じて適切に設定する。

また、仕切り部材２には、電池セル５が膨らんでも圧迫されないように、電池セル５の側面との接触面に圧迫開放用の開口が設けられている。例えば、電池セル５ａを固定する部分においては、開口部２４、開口部２５、開口部２６および開口部２７が設けられている。なお、図２に示す手前側は、嵌挿口であり側壁がないため電池セル５の膨張によって仕切り部材２が圧迫されることはない。また、下側は、凸部２１によって電池セル５ｂとの間に隙間が設けられているので、電池セル５の膨張によって仕切り部材２が圧迫されることはない。電池セル５ａの場合と同様に、電池セル５ｂ〜５ｄの各側面との接触面にも圧迫開放用の開口が設けられている。このような開口によって、電池セル５の膨張による圧迫から開放することで、放熱効果も得ることができる。なお、仕切り部材２の側壁が電池セル５の膨らみを吸収する厚みであるならば、仕切り部材２の開口部の全て、または一部に外側から蓋を被せることも可能である。

電池セル５ｂと電池セル５ｃとの間には、絶縁部材２３が設けられているため、開口による圧迫の回避を行う構造とすることができない。そこで、絶縁部材２３は、図３に示すように、電池セル５の膨張に伴って圧迫されないように、電池セル５の側面との接触面が中央部に向かって薄くなる構造とされている。したがって、電池セル５の膨張による圧迫からの開放と電池セル５間の確実な絶縁とを両立することができる。絶縁部材２３の中央付近を薄肉とすることで、電池セル５の膨らみに対しても一定の隙間を設けつつ、電池セル５の周縁付近では、電池セル５間と接触する凸形状２１で支え、構造体として強度を確保している。

仕切り部材２には、他の部材の位置決め機構が設けられている。仕切り部材２の内壁と凸部２１の仕切りによって電池セル５の位置決めが行われる。なお、嵌挿された電池セル５は、突起２２によって安定した状態で仕切り部材２に格納される

ガイド２８および２９は、負極タブ７の位置決めを行う凸形状である。図４は、ガイド２８および２９の周辺を拡大したものである。ガイド２８および２９は、負極タブ７に設けられている凹み３０および３１とそれぞれ嵌合する突出形状であり、これらを嵌合し負極タブ７を所定の位置に固定することで負極タブ７の位置決めができるように設けられている。ガイド２８および２９は、例えば、負極タブ７を配する仕切り部材２の側壁を利用して形成される。仕切り部材２には、負極タブ７だけでなく、正極タブ６および中間タブ８の位置決め機構も、同様な仕組みによって設けられている。なお、これらタブの位置決めは、タブの形状に合わせて仕切り部材２の側壁に凹みを設け、仕切り部材２と仕切り部材２に組み込んだタブの外壁面とが段差のない構成とすることが好ましい。例えば、図４では、負極タブ７を仕切り部材２の凹部３２で所定の位置に固定し、負極タブ７の側面の位置決めを行っている。

タブの位置決めと同様に、保護素子１１ａ〜１１ｄ、絶縁板１３ａおよび１３ｂ等の電池パック１を構成する他の部材についても部材の形状に合わせた凹み等による位置決め機構を仕切り部材２には設けられており、各部材の組み立て強度を高めるとともに組み立て作業を容易としている。

図２に示すガイド３３および３４は、上ケース３の位置決めを行う凸形状である。ガイド３３および３４は、上ケース３の内側面に設けられている凹みとそれぞれ嵌合する突出形状であり、上ケース３の位置決めができるように設けられている。ガイド３３および３４は、例えば、上ケース３と接する仕切り部材２の上側壁を利用して形成される。ガイド３３および３４の凸形状を上ケース３へ当てることで、ケースと仕切り部材２とのガタつきを防止している。

上述したように、仕切り部材２には、上ケース３だけでなく、下ケース４の位置決め機構も設けられている。したがって、仕切り部材２には、ケースの位置決め機構が設けられている。仕切り部材２によってケース内側が支えられる構造とされており、電池パック１の強度を高めている。すなわち、仕切り部材２が上ケース３と下ケース４の固定により、ケース間に押さえつけられるような凸形状などの位置決め機構をケースとの接触部に備えることで、電池パック１の強度を向上している。

以上説明したように、この発明の一実施形態による電池パック１によれば、異極となる電池セル５の間（電池セル５ｂと電池セル５ｃとの間）に絶縁部材２３を配しているため、電池セル５間での短絡を防止することができる。仕切り部材２の一部として絶縁部材２３が設けられているため、絶縁部品を追加する必要がない。

仕切り部材２の内壁と凸部２１により、積層状態に嵌挿された電池セル５ａ〜５ｄのそれぞれの周縁部をガタつきなく支えるため、絶縁のテープ等を使用することなく、個々の電池セル５を浮かせた状態で積層することができ、構造体での強度を強くすることができる。

角形セルにて発生する膨れの逃げ構造として、仕切り部材２に電池セル５の膨らみに対応するための開口部２４〜２７などの開口部を設け、絶縁部材２３を中央部に向かって薄く形成していることにより、電池セル５が膨張した場合でも電池パック１の外観が変形することを防止できる。仕切り部材２は、電池セル５が膨張しても圧迫されないため、電池パック１の安全性、信頼性が向上する。また、絶縁部材２３により、仕切り部材２の強度が高くなる。

仕切り部材２によって電池セル５、タブ、回路基板９およびケース等の電池パック１の主要な部品の位置決めを行う構成であるため、各部品間の位置精度に優れ、組み立て性が良好である。加えて、構造体での強度が向上する。仕切り部材２と上ケース３および下ケース４とをガタつきなくパッキングすることができ、落下等の衝撃強度、すなわち外的負荷に対する強度が向上する。

この発明は、上述したこの発明の実施形態に限定されるものでは無く、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、上述した一実施形態では、角形の電池セル５をリチウムイオン電池としたが、これに限らず積層平面を有するリチウムポリマー電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム（ニッカド）電池、リチウム金属電池等を適用することもできる。

また、電池パック１に収容される電池セル５を４個（電池セル５ａ〜５ｄ）としたが、電池セル５の個数に合わせて、仕切り部材２を構成すれば、１個以上であれば、２個、３個、６個などの構成とすることができる。また、上述した実施形態での電池パック１に４個以内の電池セル５を組み込むこともできる。また、電池セル５の接続は、２Ｐ２Ｓ（２個を並列、２個を直列）としたが、これに限らず、全て直列としたり全て並列としたり、３個を並列、１個を直列としたり、１個を並列、３個を直列としたりなど、他の組み合わせとしても良い。また、電池セル５は、縦積みでだけなく、横積みや縦積みと横積みの組み合わせ、複数積み重ねるなどの構成としても良い。

上述した電池パック１では、仕切り部材２の側壁に電池セル５の膨らみに対応するための開口を設けたが、開口を設けずに、電池セル５の側面との接触面を絶縁部材２３と同様に、中央部に向かって薄く構成しても良い。

この発明の一実施形態による電池パックの一例の構成を示す略線図である。 仕切り部材を拡大した略線図である。 電池セルを収容した仕切り部材の断面を示す略線図である。 タブの位置決めを説明するための略線図である。

符号の説明

１・・・電池パック、２・・・仕切り部材、３・・・上ケース、４・・・下ケース、５ａ〜５ｄ・・・電池セル、６・・・正極タブ、７・・・負極タブ、８・・・中間タブ、９・・・回路基板、１１ａ〜１１ｄ・・・保護素子、２１・・・凸部、２２・・・突起、２８，２９，３３，３４・・・ガイド、２３・・・絶縁部材、２４，２５，２６，２７・・・開口部、３２・・・凹部

Claims (5)

1. ケース内に複数個の角形の電池セルを収容する電池パックにおいて、
   複数個の角形の電池セルを、電池セル間に隙間を設けて積層した状態で支える箱型の仕切り部材を有し、
   上記仕切り部材は、
   上記電池セルの厚みに応じて設けられ、上記電池セルを周縁部で支える凸部と、
   上記凸部に設けられ、上記電池セルを挟持する突起と、を有しており、
   上記仕切り部材の、上記電池セルの側面との接触面に側壁をほとんど除去した開口が設けられており、
   少なくとも電気的に並列に接続される電池セル間を絶縁する絶縁部材が上記仕切り部材に設けられていることを特徴とする電池パック。
2. 請求項１において、
   上記絶縁部材の、上記電池セルの側面との接触面が中央部に向かって薄くされていることを特徴とする電池パック。
3. 請求項１において、
   上記仕切り部材に上記電池セルの電気的な接続に用いるタブの位置決め機構が設けられていることを特徴とする電池パック。
4. 請求項１において、
   さらに、保護回路を備えた回路基板を有し、上記仕切り部材に上記回路基板の位置決め機構が設けられていることを特徴とする電池パック。
5. 請求項１において、
   上記仕切り部材に上記ケースの位置決め機構が設けられており、上記仕切り部材が上記ケースの内側を支える構造とされていることを特徴とする電池パック。

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