JP4373109B2

JP4373109B2 - 積層型電池パック

Info

Publication number: JP4373109B2
Application number: JP2003060723A
Authority: JP
Inventors: 雅博水田; 宜章前川; 治美丹羽
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004273221A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の扁平角形の二次電池を積み重ねて構成された電池パックに関し、特に、二次電池に膨らみが生じたときの対策を講じた積層型電池パックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電子機器の電源として適用される電池パックは、機器の種類に応じて多様な形態に構成されている。ノートパソコンやＰＤＡなどのように薄型化することによって携帯性の向上が図られる機器に適用される電池パックは、機器の薄型化を損なうことがないように扁平な形状に形成される。一方、ビデオカメラのように操作性が重視される機器に適用される電池パックは、機器の形態に対応するブロック状に形成されている。また、電池パックは、機器が要求する動作電力に対応できるよう複数の電池を直列及び／又は並列に電気的接続して構成される。
【０００３】
電池パックとして複数の電池を一体に組み合わせるとき、円筒形の電池では隣接する間に空間が生じるため体積増加が避けられず、電池パックの体積エネルギー密度が低下する。体積エネルギー密度を向上させる有効な複数電池の組み合わせは、扁平角形をその長側面で積み重ねた積層型の電池パックで、比較的大きな動作電力に対応できる電池パックを小型に構成することができ、ビデオカメラの電池電源などとして有効なものが得られる。
【０００４】
前記積層型電池パックを構成する上で避けられないのが二次電池の膨らみによる積層状態の崩れである。二次電池は過充電や外部短絡等による発熱や、充放電の繰り返しによって極板の膨張やガスの発生により外装ケースに膨らみが生じる。扁平角形電池においては外装ケースの膨らみは、面積が大きい長側面が両側に円弧状に膨らむ状態となり、個々の二次電池の膨らみが小さい状態でも複数の二次電池を長側面で積み重ねらた積層型電池パックでは、各二次電池の膨らみが加算されるため積層高さが増加し、短側面で複数の二次電池を直列及び／又は並列に電気的接続しているリード板に二次電池間を引き離すような力が加わるため、リード板と端子との溶接接合部分に溶接外れが発生する恐れがある。
【０００５】
上記積層型電池パックにおける課題を解決するために、二次電池の長側面の周縁部に緩衝材を配置して積み重ねる複数の二次電池の積層間に間隙を設け、二次電池の膨らみを間隙によって吸収する構造が知られている（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−１６２４２２号公報（第２〜３頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
二次電池は過充電や外部短絡等が生じたとき、温度上昇して熱暴走に至る恐れがある。これを防止するため、リチウムイオン二次電池等のエネルギー密度が高い二次電池を用いた電池パックでは、過充電や過放電、過電流の状態を検出して充放電回路を遮断する電池保護回路が設けられる。また、電池パックを構成する１又は複数の二次電池個々には、短絡電流等の過大電流が流れたときや、二次電池が温度上昇したときに、二次電池の充放電回路を遮断する感熱素子を二次電池と直列に接続するのが有効な手段となる。前記感熱素子の一例としてＰＴＣ素子が多く用いられており、短絡電流等の過大電流が流れたときには自己発熱して、その温度が所定値を越えたとき急激に抵抗値を増大させるので、過大電流が制限され、二次電池が過大電流により温度上昇するのを抑えることができる。また、過充電や高温環境等の原因により二次電池に温度上昇が生じたときには、その温度に感応して所定温度を越えると急激に抵抗値を増大させるので、充放電回路は遮断状態となって二次電池が温度上昇に伴う熱暴走に至ることを抑えることができる。
【０００８】
上記ＰＴＣ素子をはじめとする感熱素子は、二次電池の温度を迅速且つ確実に検出できるように二次電池に密着させ、二次電池に熱結合した状態に配設する必要がある。また、感熱素子は複数の二次電池個々にその正極又は負極の端子と直列に接続する必要がある。従って、複数の扁平角形の二次電池をその長側面で積み重ね、複数の二次電池を直列及び／又は並列に電気的接続して積層型電池パックに構成するときには、正極又は負極の端子が形成された二次電池の短側面に前記感熱素子を配置し、感熱素子の一方電極を正極又は負極の端子に接続し、他方電極に複数の二次電池を直列及び／又は並列接続するためのリード板を接続することになる。
【０００９】
このように感熱素子を設けて構成した電池パックの二次電池に膨らみが生じると、複数の二次電池を積み重ねた状態に変形が生じるため、各二次電池を接続するリード板に引っ張り方向の力が及び、二次電池に熱結合した状態に配設されている感熱素子が二次電池から離れ、電池温度の検出能力が低下し、温度上昇を抑える機能が正常に働かず、二次電池が熱暴走に至る状態を阻止できなくなる恐れがあった。
【００１０】
本発明が目的とするところは、複数の扁平角形の二次電池をその長側面で積み重ねて電池パックに構成したとき、二次電池の膨らみにより二次電池が熱暴走に至ることを防止する機能が停止しないように構成した積層型電池パックを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、角形扁平形状に形成された複数の二次電池をその長側面で積み重ねると共に直列及び／又は並列に電気的接続してパックケース内に収容した積層型電池パックであって、複数の二次電池それぞれに感熱素子が正極端子又は負極端子と直列に電気的接続すると共に短側面に密着させて熱結合した状態に配設され、積み重ねられた複数の二次電池がその短側面で直列及び／又は並列に電気的接続する複数のリード板により所定の積層高さに結束され、二次電池に膨らみが生じて積層高さが所定値以上に増加したとき前記リード板による電気的接続状態が破断する接続破断構造が設けられてなることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、各二次電池にはそれぞれ感熱素子が熱結合した状態に配置されているので、二次電池の短絡や高温状態は速やかに感熱素子によって検出され、感熱素子の充放電回路を遮断する機能により二次電池が熱暴走に至ることが防止される。二次電池は充放電の繰り返しによる経年変化により、その長側面に膨らみが生じ、それがリード板により複数の二次電池を結束できる能力以上に進行したとき、複数の二次電池を積層した状態に変形が生じ、リード板に引っ張り方向の力を及ぼすので、リード板に接続された感熱素子を二次電池から引き離して熱結合状態を破壊する恐れがある。感熱素子の二次電池に対する熱結合状態が破壊されると、二次電池を短絡や高温状態から保護する機能が正常に働かず、二次電池は高温状態の進行により膨らみが増加するが、膨らみが極限状態にまで進行したとき、リード板に設けられた接続破断構造により充放電回路が遮断されるので、二次電池は熱暴走により破裂等の最悪の状態に陥ることが防止される。
【００１３】
上記接続破断構造は、リード板に所定値以上の引っ張り力が加わることによりリード板の接続部分が剥離するようにリード板に易剥離部を形成した構造、あるいは、リード板に所定値以上の引っ張り力が加わることによりリード板が断裂するようにリード板に易断裂部を形成した構造に構成するのが好適である。
【００１４】
また、リード板が接合される複数の二次電池の対向する短側面の一方面側に位置するリード板は全ての二次電池に接合され、他方面側に位置するリード板は感熱素子を介して二次電池に接合され、この他方面側に位置するリード板に積み重ねられた複数の二次電池の最上部を押さえる折り曲げ部が設けられ、この他方面側に位置するリード板に接続破断構造を設けることにより、二次電池の膨らみに伴ってリード板に加わる引っ張り方向の力は一方面側に位置するリード板に集中しやすくなり、二次電池の膨らみが極限状態に至ったとき、速やかに接続破断構造による回路遮断を作用させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１６】
図１は、実施形態に係る積層型電池パック１の外観形状を示すもので、ビデオカメラの電池電源として適用すべく構成されたものである。この積層型電池パック１は、図２に各構成要素に分解して示すように、６個の扁平角形のリチウムイオン二次電池（以下、二次電池）２をその長側面で積み重ねると共に、２直列３並列に電気的接続してビデオカメラが必要とする電力を供給できるように構成している。
【００１７】
図２において、二次電池２は、扁平な有底角筒状に形成されたアルミニウム製の電池缶２１内に発電要素を収容して、電池缶２１の開口端が封口板２２を溶接することにより封口されている。封口板２２には、それと絶縁して負極端子２３が設けられ、防爆弁２４と注液口２５が設けられている。また、二次電池２の正極端子となる電池缶２１の底面には、スポット溶接を容易にするために鉄製の薄板２６が接合されている。尚、以下の説明において、二次電池２の広い側面を長側面、封口板２２で封口された面及び電池缶２１の底面を短側面と呼称する。
【００１８】
６個の二次電池２を一体に組み合わせると共に直並列接続するときの絶縁性を確保するために、各二次電池２には、封口板２２にそれに形成された負極端子２３に対応する部位に開口部を設けた封口部絶縁紙１０が貼着される。また、並列接続される３個の二次電池２を重ね合わせた２組の並列ブロック間には、対向する一方の二次電池２の長側面に並列ブロック間を絶縁するブロック間絶縁紙１１が貼着され、最下に位置する二次電池２の長側面には回路基板３との間を絶縁する基板間絶縁紙１２が貼着される。この６個の二次電池２は、長側面の短側面側の端部に所定厚さの絶縁性のスペーサ１３（図３（ａ））を電池間に配し、２組の並列ブロックは封口板２２のある短側面を互いに逆向きとなるようにして積み重ねられる。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、積み重ねられた６個の二次電池２の一方の短側面には、上３個の二次電池２の負極端子２３と下３個の二次電池２の電池缶２１底面の薄板２６とにスポット溶接してトの字状に形成された中間リード板７が取り付けられる。また、図３（ｃ）に示すように、積み重ねられた６個の二次電池２のうち、上３個の二次電池２の他方の短側面には、電池缶２１の底面に接合された薄板２６に一方電極４ａをスポット溶接してそれぞれバイメタル（感熱素子）４が取り付けられ、バイメタル４の他方電極４ｂは電池缶２１底面と正極絶縁紙１４で絶縁して正極リード板５にスポット溶接される。また、下３個の二次電池２の一方の短側面には、負極端子２３に一方電極４ａをスポット溶接してそれぞれバイメタル４が取り付けられ、バイメタル４の他方電極４ｂは電池缶２１と負極絶縁紙１５で絶縁して負極リード板６にスポット溶接される。
【００２０】
このリード接続により、６個の二次電池２がバイメタル４を介して直並列接続された電池ブロック２０に構成される。尚、各バイメタル４は、熱伝導性の接着剤により二次電池２に密着し、二次電池２に熱結合した状態に配設される。
【００２１】
上記構成になる電池ブロック２０は、下ケース１９に設けられた外部接続端子８に接続して下ケース１９内に配設される回路基板３に接続される。回路基板３は、各二次電池２の電池電圧を検出して、電池電圧が過充電状態あるいは過放電状態になったとき、更には過大電流が検出されたとき、充放電回路を遮断して二次電池２を過充電、過放電、過電流から保護する公知の電池保護回路を基板上に構成したものである。
【００２２】
前記電池ブロック２０と回路基板３との間の接続は、図２及び図４に示すように、回路基板３の中間半田付けランド３ｃに一端が半田付けされた中間接続リード板３３の他端を中間リード板７の突出部位７ａにスポット溶接し、回路基板３の正極半田付けランド３ａに一端が半田付けされた正極接続リード板３１を正極リード板５にスポット溶接し、回路基板３の負極半田付けランド３ｂに一端が半田付けされた負極接続リード板３２を負極リード板６にスポット溶接することにより、図５に示す回路が形成される。
【００２３】
図４に示すように、正極リード板５の電池ブロック２０より上方に延出する延出部位５ａは正極リード絶縁紙１４と共に最上部の二次電池２の長側面上に折り曲げられ、固定テープ１６により位置固定される。上記正極接続リード板３１と正極リード板５との間のスポット溶接は、正極リード板５が上方に引っ張られる力が加わったとき、溶接箇所が剥離する易剥離部（接続破断構造）９に構成できるように、溶接強度が調整される。
【００２４】
上記のように下ケース１９上に接続された電池ブロック２０には上ケース１８が被せられ、上ケース１８と下ケース１９とが周縁部で超音波接合されることにより、図１に示した積層型電池パック１に形成される。
【００２５】
図５において、上記構成になる積層型電池パック１の外部接続端子８に設けられた正極（＋）−負極（−）間が何らかの原因によって短絡したとき、回路基板３上に構成された電池保護回路３６の過電流検出機能により検出され、半導体スイッチ１７はＯＦＦに制御されるので、短絡による過大電流により二次電池２が温度上昇して熱暴走に至ることが防止される。また、各二次電池２には直列にバイメタル４が接続されているので、各二次電池２個々に生じた短絡に対応することができる。即ち、バイメタル４は短絡による過大電流によって温度上昇し、接点を形成する金属板に変形が生じて接点を開放するので、短絡電流は遮断されて二次電池２を短絡から保護することができる。このバイメタル４による電流遮断の機能は、前記電池保護回路３６の過電流遮断の動作が正常に機能しなかった場合にも作動するので、短絡に対する二重の保護機能が形成される。
【００２６】
また、充電器等の異常により過充電状態となったとき、電池保護回路３６による過充電検出機能により半導体スイッチ１７がＯＦＦ制御されるので、過充電により二次電池２が温度上昇して熱暴走に至ることが防止される。また、電池保護回路３６は、その過放電検出機能により過放電状態が検出されたとき半導体スイッチ１７をＯＦＦ制御するので、過放電により二次電池２が劣化することが防止される。
【００２７】
上記電池保護回路３６による過充電検出機能が正常に動作しなかった場合や、積層型電池パック１が高温環境に曝されたとき、二次電池２は温度上昇するが、各二次電池２に熱結合させてバイメタル４が配設されているので、二次電池２の温度は速やかにバイメタル４に伝熱する。バイメタル４は温度が設定値を越えたとき接点を開放するので、二次電池２の電流回路は遮断され、過充電状態の継続により二次電池２が熱暴走に至ることが防止される。また、高温に曝された状態で積層型電池パック１が使用され、温度上昇が進行する状態に至ることが防止される。
【００２８】
二次電池２は充放電の繰り返しにより極板が膨張し、ガスが発生する経年変化により電池缶２１に膨らみが生じる。電池缶２１の膨らみは大きな面積にある長側面に生じるが、膨らみ量が小さい状態では、各二次電池２の積み重ね間にスペーサ１３が配設されていることによる間隙に膨らみが吸収されるので、複数の二次電池２の積み重ね高さが増加することはない。しかし、電池缶２１の膨らみが進行して間隙の幅を越えるような状態となったとき、二次電池２の積み重ね高さを増加させる力が作用する。
【００２９】
電池ブロック２０に一方の短側面は、中間リード板７によって６個の二次電池２が接合されているので、６個の二次電池２が一方の短側面で結束された状態になり、二次電池２の積み重ね高さの増加は抑止される。しかし、バイメタル４が配設されている他方の短側面は、上下３個ずつの二次電池２がバイメタル４を介して正極リード板５と負極リード板６とにそれぞれ接続された状態にあるので、６個の二次電池２を結束する作用に乏しく、電池缶２１の膨らみ量が大きくなって積み重ね高さを増加させるように作用すると、最上部に位置する二次電池２の長側面上に折り曲げ固定されている正極リード板５には上方に引き上げられる力が作用し、正極リード板５に他方電極４ｂで接合されているバイメタル４が二次電池２から離れる状態になる。バイメタル４が二次電池２から離れた状態になると、二次電池２との熱結合状態が低下するので、二次電池２が温度上昇した状態を迅速且つ確実に検出することができなくなり、過充電や高温状態で回路遮断する動作が正常に機能しない状態に陥りやすく、温度上昇の進行により二次電池２の膨らみが増加する恐れがある。
【００３０】
二次電池２の膨らみが極限状態にまで進行したとき、二次電池２の積み重ね高さが増加して正極リード板５に引っ張り方向の力が作用するので、正極リード板５とそれに接合された正極接続リード３１との接合箇所である易剥離部９に剥離方向の力が及び、易剥離部９で剥離が生じると、積層型電池パック１の正極回路が遮断され、積層型電池パック１は使用不可の状態となる。この状態では各二次電池２はサイクル寿命に達した状態、もしくは異常使用がなされた状態と考えられるので、積層型電池パック１の使用不可とするのが妥当である。
【００３１】
以上説明した実施形態の構成では、感熱素子としてバイメタル４を使用した例を示したが、感熱素子はＰＴＣ素子や温度ヒューズを適用することもできる。但し、温度ヒューズは非復帰型の電流遮断素子なので、二次電池２の温度上昇により温度ヒューズが溶断すると、その時点で積層型電池パック１としての動作は停止される。
【００３２】
また、上記構成において接続破断構造は、易剥離部９として構成しているが、図６に示すように、正極リード板５の所定部位に引っ張り方向の力により破断する易断裂部２７に形成することもできる。図６（ａ）に示す易断裂部２７ａは、所定部位に打刻や切削により薄肉部分を形成し、正極リード板５に所定値以上の引っ張り方向の力が作用したとき、易断裂部２７ａから正極リード板５が断裂するように構成したものである。また、図６（ｂ）に示す易断裂部２７ｂは、開口部３４や切欠部３５により正極板５の所定部位の幅を縮小させたもので、正極リード板５に所定値以上の引っ張り方向の力が作用したとき、易断裂部２７ｂから正極リード板５が破断するように構成したものである。例えば、スペーサ１３の厚みが１ｍｍのとき、二次電池２のそれぞれが１．５ｍｍ厚みを増した場合に、正極リード板５の前記易断裂部が切断されるように当該箇所の幅を決める等が可能である。また、当該箇所を１５ニュートン以上の引張力が掛かると切断されるとする等の方法も採り得る。尚、前記易断裂部２７ａ，２７ｂを形成した場合には、正極リード板５と正極接続リード板３１との間のスポット溶接は、接合強度が高い状態になされる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明によれば、複数の二次電池にはそれぞれ感熱素子が熱結合した状態に配置されているので、二次電池の短絡や高温状態は速やかに感熱素子によって検出され、感熱素子の充放電回路を遮断する機能により二次電池が熱暴走に至ることが防止される。二次電池は充放電の繰り返しによる経年変化により、その長側面に膨らみが生じ、それがリード板により複数の二次電池を結束できる能力以上に進行したとき、複数の二次電池を積層した状態に変形が生じ、リード板に引っ張り方向の力を及ぼすので、リード板に接続された感熱素子を二次電池から引き離して熱結合状態を破壊する恐れがある。感熱素子の二次電池に対する熱結合状態が破壊されると、二次電池を短絡や高温状態から保護する機能が正常に働かず、二次電池は高温状態の進行により膨らみが増加するが、膨らみが極限状態にまで進行したとき、リード板に設けられた接続破断構造により充放電回路が遮断されるので、二次電池は熱暴走により破裂等の最悪の状態に陥ることが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る積層型電池パックの外観を示す斜視図。
【図２】同上電池パックの各構成要素を示す分解斜視図。
【図３】電池ブロックの構成を示す（ａ）は一方短側面の側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は他方短側面の側面図。
【図４】電池ブロックを下ケース上に配置した接続状態を示す（ａ）（ｃ）（ｄ）は側面図、（ｂ）は平面図。
【図５】積層型電池パックの構成を示す回路図。
【図６】接続破断構造の変形例を示す側面図。
【符号の説明】
１積層型電池パック
２二次電池
３回路基板
４バイメタル（感熱素子）
５正極リード板
６負極リード板
７中間リード板
８外部接続端子
９易剥離部（接続破断構造）
１８上ケース
１９下ケース
２７ａ，２７ｂ易断裂部（接続破断構造）
３１正極接続リード板
３２負極接続リード板
３３中間接続リード板

Claims

扁平角形形状に形成された複数の二次電池をその長側面で積み重ねると共に直列及び／又は並列に電気的接続してパックケース内に収容した積層型電池パックであって、
複数の二次電池それぞれに感熱素子が正極端子又は負極端子と直列に電気的接続すると共に短側面に密着させて熱結合した状態に配設され、積み重ねられた複数の二次電池がその短側面で直列及び／又は並列に電気的接続する複数のリード板により所定の積み重ね高さに結束され、二次電池に膨らみが生じて積み重ね高さが所定値以上に増加したとき前記リード板による電気的接続状態が破断する接続破断構造が設けられてなることを特徴とする積層型電池パック。
接続破断構造は、リード板に所定値以上の引っ張り力が加わることによりリード板の接続部分が剥離するように、リード板に易剥離部が形成されてなる請求項１に記載の積層型電池パック。
接続破断構造は、リード板に所定値以上の引っ張り力が加わることによりリード板が断裂するように、リード板に易断裂部が形成されてなる請求項１に記載の積層型電池パック。
リード板が接合される複数の二次電池の対向する短側面の一方面側に位置するリード板は全ての二次電池に接合され、他方面側に位置するリード板は感熱素子を介して二次電池に接合され、この他方面側に位置するリード板に積み重ねられた複数の二次電池の最上部を押さえる折り曲げ部が設けられ、この他方面側に位置するリード板に接続破断構造が設けられてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の積層型電池パック。