JP4172719B2 - 電池パック - Google Patents

Description

この発明は、リチウムイオン二次電池の様な複数回の充放電が可能な二次電池と、その電池の充放電状態を制御するための手段とを一体に備えた電池パックに関する。

通常、リチウムイオン二次電池の様な充放電エネルギーの大きい二次電池にあっては、過充電あるいは過放電を行うと電池それ自体の劣化をもたらすため、電池の安全性および信頼性を増すためにも保護回路が一体に組み込まれた状態で提供されることが多い。

ところでこの種の二次電池は、子供や老人も取り扱うことが一般的であり、従来は保護回路自体を電気的にばかりでなく物理的にも保護するため、電池と保護回路とを一体に収納するケースを特別に設計し、その中に必要部材を収納した状態で提供することが必要であると考えられてきた。

なお、本発明に関連する出願としては、以下の特許文献１〜４を挙げることができる。

特開平０８−３２９９１３号公報 特開平０７−１３０３４２号公報 特開平０８−２４１７００号公報 特開平０９−０２７３０６号公報

ところで携帯用電子機器の小型化がすすむにつれ、それに使用する二次電池の小型化に対する要請が大きいが、上記ケースの存在が電池の小型化に対するネックとなっている。

本発明者らはかかる問題に鑑みて研究をおこなった結果、電子回路部品を電池本体上における１つの面上に密着して配設するとともに、その電子回路部分のみを包囲して保護することにより、電池パックとしての安全性および耐久性は十分に保証されることを知見した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであって、電池パックとしての安全性および耐久性を維持したまま、従来よりも小型化および軽量化が的確に図られる電池パックを提供することを目的とする。

本発明にかかる電池パック１０は、図１および図２にその全体的な構成を示す如く、部品取付面７２を外周面の一部に備えた電池本体１２と、その電池本体１２の部品取付面７２上に密着して配設され、電池本体１２に対する通電状態を規制可能とする電子回路３０と、その電子回路３０の外周を少なくとも含み、電池本体１２における外周の一部を限定して包囲する合成樹脂材からなる保護部材１６とを備え、保護部材１６で電池本体１２に電子回路３０を一体成形してあることを特徴とする。

電子回路３０の回路基板２６の幅が、部品取付面７２の幅よりも小さい形態を採ることができる。部品取付面７２は、電池本体１２の側面、もしくは電池本体１２の上端面１８又は下端面８６に設けることができる。

本発明は、電子回路３０を電池本体１２上の１つの面に配設するとともに、その電子回路３０の外周を少なくとも含んで、電池本体１２における外周の一部を限定して保護部材１６で包囲する様に構成したので、電子回路３０に対する保護を有効に図りながら、電池パック外形の小型化、薄型化および軽量化が的確に図られる。

以下本発明にかかる電池パックを角型のリチウムイオン二次電池に実施した一例に基づいて説明するがこれに限らず、各種形状あるいはタイプの二次電池に対しても略同様に実施できることは勿論である。

本発明にかかる電池パック１０は、図１および図２にその全体的な構成を示す如く、電池本体１２と、その電池本体１２に対する充放電状態を規制するための制御を行うための図５に例示する電子回路３０と、その電子回路３０の周囲を覆う合成樹脂材からなる保護部材１６とから構成される。

電池本体１２は、矩形筒状に形成されたリチウムイオン二次電池であり、その上端面１８におけるやや偏心した位置から円筒状の正極２０を突設するとともに、上端面１８の全面を正極２０の部分を残して絶縁板２２で覆うことにより、電池本体１２の外周におけるその他の面を正極２０から絶縁して負極２４を形成したものであって、以下においてその構成を詳述する電子回路３０を介して複数回の充放電を可能としている。

電子回路３０は、回路基板２６上に必要な電子回路部品２８を配設することによって図５の様に構成されるものであって、電池本体１２に対する通電路中に直列に介装されて通電時期を規制するスイッチング回路３２と、充放電時における過充電、過放電あるいは過電流状態を検出して電池本体１２の保護を図る保護制御回路３４と、充電時に於ける電池本体１２の端子電圧を設定値に維持する制御を行う充電制御回路３６と、充電電圧が異常に高い場合に入力を絶って前記した保護制御回路３４と充電制御回路３６を保護する給電制御回路３８と、電池本体１２の過熱状態を検知して溶断する温度ヒューズ４０とから構成される。

スイッチング回路３２は、保護制御回路３４によりオンオフ制御が行われる第１および第２スイッチング素子４２・４４と、充電制御回路３６および給電制御回路３８によりオンオフ制御が行われる第３および第４スイッチング素子４６・４８とから構成される。ここで第１〜第３スイッチング素子４２・４４・４６はＦＥＴが使用されるとともに、そのソースとドレイン端子を互いに直列に接続したあと、電池本体１２に対する負極２４側の充放電回路中に直列に介装することにより、電池本体１２に対する通電を直接的にオンオフ規制可能とする。

すなわち、第１スイッチング素子４２は放電時期の規制用であって、そのゲート端子を保護制御回路３４の放電制御端５０に接続するとともに、ソース・ドレイン間に充電方向にダイオード５４を接続することにより、そのスイッチング素子４２のオンオフに拘らず充電は行えるが、保護制御回路３４から放電オン信号が出力されたオン時にのみ放電が行える様にする。

これに対して第２スイッチング素子４４は、そのゲート端子を保護制御回路３４における充電制御端５２に接続するとともに、ソース・ドレイン間に放電方向にダイオード５６を接続することにより、そのスイッチング素子４４のオンオフに拘らず放電は行えるが、保護制御回路３４から充電オン信号が出力されてオン中に限定して充電が行えるようにしている。

なお上記した保護制御回路３４における制御内容は従来と略同様であって、放電時における電池本体１２の端子電圧が設定値を下回って低下することにより過放電が検出され、あるいは放電電流が設定値を超えることにより過電流が検出されると、第１スイッチング素子４２をオフして放電を強制的に停止する。逆に、電池本体１２の充電電圧が上限値を超えて上昇することによって過充電が検出され、あるいは充電電流が設定値を超えて過電流が検出されると、第２スイッチング素子４４をオフして充電を強制的に停止することにより、電池本体１２に対する電気的な保護を図っているが、その制御内容は限定されるものではない。

次に第３スイッチング素子４６は、ソース・ドレイン間に放電方向にダイオード５８を接続し、ゲート端子を抵抗６０を介してプラス側の電源ラインに接続するとともに、ゲートとソース端子間にＮＰＮ型トランジスタからなる第４スイッチング素子４８を備え、そのスイッチング素子４８のベース端に充電制御回路３６から出力される充電制御信号を印加する様にしている。かかる構成により、回路の外部から充電電圧が印加されるのと連動して抵抗６０を介したオン信号の印加が行われて第３スイッチング素子４６はオンされるが、充電制御回路３６からオフ信号が出力されると第４スイッチング素子４８をオンし、第３スイッチング素子４６のゲート・ソース間を短絡してオフさせることにより、第３スイッチング素子４６は第４スイッチング素子４８を介して間接的にオンオフ制御される。

ここで充電制御回路３６は、図６に例示するごとく、例えば４．０８［Ｖ］と４．１０［Ｖ］という様な比較的狭い範囲に第１の上限電圧ＶＵ１と下限電圧ＶＬ１とが設定され、その上限電圧ＶＵ１を超えると充電のオフ信号を出力し、下限電圧ＶＬ１を下回るとオフ信号を停止する実線で例示する様なオンオフ制御動作を行わせることにより、電池本体１２の端子電圧を略４．０９［Ｖ］に維持した状態でのパルス充電が行われる様にしている。一方、上記した保護制御回路３４にあっても、例えば前記した第１の上限電圧ＶＵ１よりも十分に高い４．２５［Ｖ］程度の第２の上限電圧ＶＵ２と、第１の下限電圧ＶＬ１よりやや低い４．０５［Ｖ］程度の第２の下限電圧ＶＬ２を設定することにより、充電制御回路３６の制御動作が不調となった場合にあっても、一点鎖線で例示する如く、保護制御回路３４により充電制御動作が行えるようにしている。

また、第４スイッチング素子４８のベース端とプラス極間に、電池本体１２の充電電圧より十分に高い例えば第３の上限電圧ＶＵ３である６．８［Ｖ］程度の閾値を有するツエナーダイオード４９を給電制御回路３８として接続することにより、充電装置を間違えて極端に高い充電電圧を電池パック１０に外部から印加した場合にあっても、ツエナーダイオード４９を直ちにオンして第４スイッチング素子４８をオンし、そのオン動作で第３スイッチング素子４６をオフして電池パック１０の入口側で通電を断ち、保護制御回路３４および充電制御回路３６が過電圧の印加により破損するのを未然に防止している。

更にまた電池本体１２と直列に温度ヒューズ４０が接続され、上記した全ての制御回路３４・３６・３８の動作が不調で電池本体１２が過充電あるいは過電流状態となった場合にあっても、電池本体１２が設定温度を超えて上昇すると温度ヒューズ４０が溶断し、電池本体１２に対する最終的な保護を図っている。

なお各所に接続されているコンデンサ６２は、例えば０．１［μＦ］程度の比較的大きいものが使用され、ノイズをバイパスして電子回路３０が誤動作するのを防止するものである。

また保護制御回路３４と充電制御回路３６はともに１チップの集積回路化されたものであるが、ＣＭＯＳ、ＮチャンネルＭＯＳあるいはＴＴＬといった様にその物理的あるいは電気的特性が異なるものを使用すれば、静電気や物理的ショックに起因して両制御回路３４・３６が同時に破損するのを防止することができる。

上記の様に構成された電子回路３０は、部品取付面７２に設定した電池本体１２における１つの側面の幅よりその幅がやや小さい細帯状の回路基板２６上に必要な電子回路部品２８を半田付けしたあと、絶縁性を有する両面接着テープ６４を介して対応する側面７２上に接着固定される。

ところで電子回路部品２８のうち、温度ヒューズ４０は電池本体１２の表面温度を直接検知する必要があるため、回路基板２６上にコ字状の切欠き６６を設け、その中に温度ヒューズ４０を嵌め込む。更に、回路基板２６の底面からの高さが小さい温度ヒューズ４０の様な第１の回路部品群６８と、高さが大きい集積回路チップの様な第２の回路部品群７０とを、図３に例示する如く回路基板２６の上下方向に分離して配置している。

一方、上記した電子回路３０を保護する第１の保護部材１６は、図３および図４に示す如く、電池本体１２に設定された部品取付面７２の全体を覆う大きさの第１面７４と、その第１面７４と直交して電子回路３０の長手方向両側を覆う第２面７６ａ・７６ｂとを備えることにより、第１の保護部材１６の第１面７４と第２面７６および電池本体１２の部品取付面７２で包囲される空間７８内に電子回路３０を収納する様に構成する。

更に、上記した電子回路基板２６上における電子部品群の厚みに対応させて第１面７４ａ・７４ｂに段差８０を設けることにより、電池パックとして構成した場合における長手方向への逆差しを防止している。一方第２面７６は、図２および図４に示す如く、部品取付面７２と左右方向に接する側面８２と連続する様に形成することにより、電池本体１２上に第１の保護部材１６を取り付けた際に、その第１の保護部材１６と電池本体１２間に段差が生じることなく、電池本体１２と同一平面状態で接合される様にしている。

本発明は基本的には、上記した如く電子回路部分のみを保護することで電池パックとしての最低限の保護は可能である。しかしながら本実施例にあっては更に、電池本体１２の上端面１８を覆う上板８４と、下端面８６を覆う下板８８とをその端縁で前記した第１の保護部材１６と結合したコ字形状に合成樹脂材で一体成形することにより、電子回路３０から伸びる電極９０のリード線９２部分の保護をも図るとともに、第１の保護部材１６の電池本体１２に対する取り付けをより強固なものとしている。

ここで下板８８は電池本体１２の下端面８６の全体を覆う薄板状であって、回路基板２６側から伸びるマイナス側電極９０ｂを電池本体１２の下端面８６との間で挟持して位置固定をするとともに、その中央部に設けた小径の開口９４を通じ、マイナス側電極９０ｂを電池パック１０の外部に露出可能としている。

更に上板８４は、回路基板２６の上縁側から伸びるプラス側電極９０ａのリード線９２部分が電池本体１２の負極２４と接触するのを防止しながら、リード線９２を電池本体１２の正極２０と接続し、更に電極９０ａを電池本体１２の略中央に位置固定可能とすることによって、上板８４の中央に設けた開口９６を通じ、プラス側電極９０ａを電池パック１０の外部に導出するようにしたものである。

かかる目的を達成するため、本実施例にあっては、電池本体１２の上端面１８側の絶縁板２２上に接着固定したＬ字形状の取付板９８と上板８４とで図３の様に上ケース１００を形成するとともに、その上ケース１００内に更にコ字形状の中板１０２を配設することにより、その中板１０２の上面に電極９０ａを載せて上板８４の下面間で挟持して端子台１０４とする一方、中板１０２の下面と取付板９８間に形成した中ケース１０６で電極９０ａに至るリード線９２部分を電池パック１０の外部から隔離して保護している。

上記の様に構成した電池パック１０は、電子機器内に組み込む場合にはそのまま使用可能である。しかしながら本発明にあっては更に、少なくとも上下の開口９４・９６の部分を残してその周面部分を従来と略同様な熱収縮チューブの様な図示しない第２の保護部材で包囲することにより、取り外しを一般の需要者に行わせた場合にあっても、第１の保護部材１６が不要に電池本体１２から取り外されることが可及的に防止される様にしている。

その他、電子回路部分が更に小型に設計できる場合にあっては、電池本体１２の側面に取りつけるのに代えて、上端面１８または下端面８６上に電子回路３０およびそれを保護する保護部材を配設することができる。その場合は、電池本体１２は円筒状のタイプでも実施できる。また、電子回路部品２８を回路基板２６を介して電池本体１２に取りつけるのに代えて、電池本体１２の周面上に直接取り付ける一方、回路基板２６の構成を上記した第１の保護部材１６と略同様なものとすることにより、第１の保護部材と回路基板とを兼用することもできる。

更に、上記のように１つの電池本体１２に対して１つの第１の保護部材１６を備えるのに代えて、複数の電池本体１２における部品取付面７２を横方向に並列して備えた状態で、その全体を１つの第１の保護部材１６で覆うことも可能である。

本発明にかかる電池パックの分解斜視図である。 電池パックの組み立て状態を示す斜視図である。 図２におけるＡ−Ａ線方向に沿って切断した一部拡大断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ線方向に沿って切断した拡大断面図である。 電子回路の構成を示すブロック図である。 電子回路の充電時における動作を説明する波形図である。

符号の説明

１０ 電池パック
１２ 電池本体
１６ 第１の保護部材
１８ 電池本体の上端面
２０ 電池本体の正極
２４ 電池本体の負極
２６ 回路基板
２８ 電子回路部品
３０ 電子回路
３２ スイッチング回路
３４ 保護制御回路
３６ 充電制御回路
３８ 給電制御回路
４０ 温度ヒューズ
４２ 第１スイッチング素子
４４ 第２スイッチング素子
４６ 第３スイッチング素子
４８ 第４スイッチング素子
６４ 両面接着テープ
６８ 第１回路部品群
７０ 第２回路部品群
７２ 部品取付面
７４ 第１保護部材の第１面
７６ 第１保護部材の第２面
８０ 第１保護部材の段差
８２ 電池本体の側面
８４ 第１保護部材の上板
８６ 電池本体の下端面
８８ 第１保護部材の下板
９０ 電極
９２ リード線
９８ 取付板

Claims (4)

1. 部品取付面を外周面の一部に備えた電池本体と、
   該電池本体の部品取付面上に密着して配設され、該電池本体に対する通電状態を規制可能とする電子回路と、
   該電子回路の外周を少なくとも含んで前記電池本体における外周の一部を限定して包囲する合成樹脂材からなる保護部材とを備え、
   前記保護部材で前記電池本体に前記電子回路を一体成形してある電池パック。
2. 前記電子回路の回路基板の幅が、前記部品取付面の幅よりも小さい請求項１記載の電池パック。
3. 前記部品取付面が前記電池本体の側面である請求項１記載の電池パック。
4. 前記部品取付面が前記電池本体の上端面又は下端面である請求項１記載の電池パック。

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