JP4496997B2

JP4496997B2 - 二次電池の実装構造

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Publication number: JP4496997B2
Application number: JP2005072417A
Authority: JP
Inventors: 和彦中根
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2006260777A

Description

例えばリチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池を実際に装置する際の二次電池の実装構造に関する。

従来から二次電池として鉛蓄電池が一般的に使用されているが、近年、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもち小型化が可能な、リチウムイオン電池が広く使用されてきている。図５にリチウムイオン電池の一形態であるラミネート型リチウムイオン電池の構造を示す。ラミネート型リチウムイオン電池としてのリチウムセル１は、例えばコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ_２）などの正極材料２と例えばグラファイト（炭素）などの負極材料３との間に、絶縁のためセパレータ４を挿入し、これらを何層かに積層した積層構造体５とした後、この積層構造体５を電解液と共に上下からアルミラミネート６，６で封止した構造になっている。正極材料２及び負極材料３には、それぞれ正極電極２ａと負極電極３ａが形成されており、アルミラミネート６，６の貼り合わせ部分から外部へ突出している。なお、電極の取り出し方，形状，材質についてや、ラミネート電池全体の大きさなどは特に制限されず、種々のものがある。

このような構造を有するリチウムセル１は、蓄電媒体として非常に高い電力密度をもつものの、高温時に可燃性ガスを発生する材料を使用しているため、電池に何らかの異常が発生した際に発煙，発火につながるリスクがある。リチウムセル１内部に発生する可燃性の内部ガスとしては、例えば、電解液の蒸発ガス（ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート）や、セパレータ４から発生するＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６などであり、リチウムセル１の高温時には、電池内部にこれらの内部ガスが発生してアルミラミネート６，６の膨張を引き起こす。この際、特許文献１に開示されるような、内部ガスの噴出方向を特定する噴出部としての防爆弁が設けられたものでは、電池内の圧力が所定値以上に上昇した場合に、この防爆弁から電池内の内部ガスを電池外へ放出して、ガス抜きすることにより爆発を防いでいる。

このように、リチウムセル１は、高温時に可燃性の内部ガスが発生し、最悪ケースとして発煙、発火に至る虞があった。そこで、この安全上の問題を解決する方策として、通常、電池の発煙，発火を防ぐための保護回路（例えば特許文献２）が、その電池パック内などに装置されている。特許文献１では、可燃性ガス等を検出した際に、二次電池への充電を禁止することにより、電池の発煙，発火を防いでいる。一般的に、当該保護回路は、リチウムセル１を電池パック内に実際に装置する際には、複数個のリチウムセル１を上下に重ねて形成された電池スタックの最上部に搭載される。
特開平１１−２８３５９９号公報特開平８−２２２２７８号公報

しかし、前記保護回路を設けても、何らかの原因でリチウムセル１内部で可燃性の内部ガスが発生し、外部へ噴出した場合には、発煙，発火のリスクが避けられないという不安感を払拭するには至っていなかった。リチウムセル１から内部ガスが噴出し、その上部に載置された保護回路に到達してしまうと、保護回路のショートによるスパーク現象などで可燃性の内部ガスに引火する虞がある。また、高温の内部ガスが保護回路に悪影響を及ぼすことにより、過電圧・過充電保護が機能しなくなり、リチウムセル１の発煙，発火を招く虞がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、二次電池から内容物が噴出した場合でも二次電池の保護機能を確保し、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の実装構造を提供することを目的とする。

本発明における請求項１の二次電池の実装構造では、充放電可能な二次電池と、前記二次電池を保護する制御部と、前記二次電池と前記制御部とを隔離する隔離手段と、前記二次電池から噴出した内容物を集める回収部を備え、前記回収部内に壁体を設け、前記壁体の表面上に前記内容物が結露して液状になるように、前記壁体は前記二次電池の外郭を形成する外郭部材に熱的に接続されている。

このようにすると、隔離手段により制御部が二次電池から隔離されるため、二次電池から噴出した内容物に対して制御部への到達を阻止することができる。すなわち、可燃性の内容物と制御部の相互影響が断たれるため、制御部からの引火を防ぐと共に、二次電池の異常時でも制御部による二次電池の保護を継続することができる。また、二次電池から噴出した内容物を回収部に集めることができるため、二次電池周囲への流出を防ぐことができる。そして壁体及び回収部の壁面を形成する外郭部材に、可燃性物質を含む内部ガスが次第に結露していき、回収部内で可燃性ガス濃度が低下することとなる。

本発明における請求項２の二次電池の実装構造では、前記隔離手段は、前記二次電池を収容する電池室と前記制御部を収容する制御室とが形成された外郭部材である。

このようにすると、外郭部材に電池室と制御室を設けることにより、二次電池と制御部とが別々の部屋に完全に隔離された状態で収容されるため、電池室内で二次電池から内容物が噴出しても、当該内容物が制御室に収容された制御部に到達することがない。すなわち、可燃性の内容物と制御部の相互影響が断たれるため、制御部からの引火を防ぐと共に、二次電池の異常時でも制御部による二次電池の保護を継続することができる。

本発明における請求項３の二次電池の実装構造では、前記回収部が、前記内容物の噴出方向を特定する噴出部近傍に対向して設けられている。

このようにすると、内容物が噴出部から噴出する勢いを利用して、そのまま回収部に進入させて、噴出直後の内容物を速やかに集めることができる。

本発明の請求項１によると、二次電池から内容物が噴出した場合でも二次電池の保護機能を確保し、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の実装構造を提供することができる。また、二次電池から噴出した内容物に対して二次電池周囲への流出を防ぎ、周囲への影響を最小限に抑えることができる。

本発明の請求項２によると、二次電池と制御部を完全に隔離することができ、二次電池から内容物が噴出した場合でも確実に二次電池の保護機能を確保し、二次電池の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の実装構造を提供することができる。

本発明の請求項３によると、噴出直後の内容物を速やかに回収し、二次電池周囲への流出を防ぎ、周囲への影響を最小限に抑えることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における二次電池の実装構造の好ましい実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。

図１は、充放電可能な二次電池としてのリチウムセル１を電子機器などに装置する場合の概略構成を示すブロック図である。同図において、二次電池パックとしての電池パック10には、リチウムセル１が保護回路11と共に組み込まれている。保護回路11は、例えば電流ヒューズや、温度ヒューズや、過電圧保護などを備えたものであり、過電流，過電圧，温度異常時にリチウムセル１へ供給される充電電力を遮断し保護する。電池パック10の前段には、リチウムセル１に充電電力を注入して充電する充電器12が接続されている。充電器12は、安定化した充電電力を生成する安定化電源13と、当該充電電力を用いてリチウムセル１を充電する充電回路14とから構成される。充電回路14は、充電電圧又は充電電流を一定にしてリチウムセル１をリニア充電する定電圧・定電流回路や、充電電流をパルス状に供給してリチウムセル１をパルス充電するパルス充電回路などからなり、これらは電池の性能や寿命などにより適宜決定される。

図２は電池パック10の内部構成を示す斜視図であり、図３，４は電池パック10の構成を示す縦・横各方向から見た要部断面図である。電池パック10は、主に、その外郭を形成する外郭部材としてのケーシング20内に、複数のリチウムセル１が積層接続されてなる電池スタック26と、保護回路11の回路部品が実装されたプリント基板31とを収容して構成される。ケーシング20は、例えばアルミ材など放熱性に優れた部材を箱状に成形してなり、その内部空間は略中央に形成された隔離手段としての仕切板21により電池室22と基板室23とに仕切られている。電池室22には電池スタック26が収容される一方、基板室23にはプリント基板31が別々に収容される。

電池スタック26は複数のリチウムセル１を上下に段積みした構成となっており、各リチウムセル１間にアルミ板等の放熱性に優れた層間部材28が挿入されている。電池スタック26は、その中心部に熱が篭り易く、その中心部に位置するリチウムセル１は他のものに比べ高温になりやすい。放熱性に優れた層間部材28を各リチウムセル１間に設けることにより各リチウムセル１の熱が速やかに放熱されるため、電池スタック26の中心部に熱が篭らず、リチウムセル１の温度上昇を抑制することができる。電池スタック26を構成するリチウムセル１は、その表面にある程度の圧力をかけた方が電極と電解液の接触が良好となり寿命が延びる傾向があるため、電池スタック26は、上下から放熱板30，30により挟み込まれ、放熱板30，30がケーシング20に圧接することにより、電池スタック26に適当な圧力がかけられた状態で固定され、電池室22内に収容されている。また、放熱板30，30は、充放電時に発生する電池スタック26の熱をケーシング20に伝達して放熱させ、各リチウムセル１の温度上昇を抑制する。なお、本実施例のリチウムセル１には、正極電極２ａ及び負極電極３ａが設けられた反対側の端部に防爆弁27が設けられている。リチウムセル１ひいては電池スタック26の正極電極２ａ及び負極電極３ａは、仕切板21を貫通する接続ケーブル33によりプリント基板31に実装された保護回路11と電気的に接続されている。

電池室22には、電池スタック26の防爆弁27近傍に回収部としてのガス蓄積部25が設けられている。ガス蓄積部25は、リチウムセル１の過充電時などに防爆弁27から噴出した内容物としての内部ガス、すなわち発煙，発火に直結する電解液の蒸発ガス，揮発性有機ガスなどの内部ガスに含まれる可燃性物質を一箇所に集めるために設けられている。ガス蓄積部25の一壁面となり防爆弁27と対向する電池室22の壁面には、排出孔としてのガス抜き孔32が開口形成されている。また、ガス蓄積部25には、例えばアルミなど熱伝導性の良い部材からなるＬ字形の壁体24，24が、仕切板21とそれに対向する電池室22の壁面にそれぞれ取り付けられている。壁体24，24は、電池室22の両側壁から内側へ互い違いに突出し、防爆弁27に対向する位置となる電池室22の短手方向中程で一定距離を隔てて重なり合うように位置している。この２つの壁体24，24により、防爆弁27が設けられた電池スタック26の一端からガス抜き孔32が形成された電池室22の壁面に向けて蛇行する流路29が形成される。

基板室23内に収容されたプリント基板31は、例えばネジ螺着などによりケーシング20に固定されている。このプリント基板31には、保護回路11を構成する例えばＭＯＳＦＥＴなどの発熱部品35が実装されており、発熱部品35がケーシング20の長手方向となる基板室23の側壁を形成するヒートシンク36に熱的に接続されている。ヒートシンク36は、図中では厚みのある扁平板状部材で形成されているが、複数のフィンなどを並設して放熱能力を高めてもよい。電池スタック26の充放電時には、この発熱部品35が発熱するため、ヒートシンク36により当該熱を放熱するようにしている。ヒートシンク36と直行し、ケーシング20の短手方向となる基板室23の壁面には、メインコネクタ41と警報用コネクタ40を露出させるための開口部が形成されている。メインコネクタ41は、プリント基板31に例えば半田付けなどで実装されることにより保護回路11と電気的接続されており、メインコネクタ41に図示しない充電器12が接続されることにより、電池スタック26を充電するための充電電力を電池パック10へ供給可能となる。警報用コネクタ40は、例えば過電圧・過充電保護による充電電力遮断時などに出力される警報信号を、保護回路11から外部へ取り出すために設けられている。

次に、電池パック10の過電圧・過充電時における作用について説明する。

充電器12から電池パック10へ過電圧が印加されるとリチウムセル１内部の電解液分解が加速され、熱が発生してリチウムセル１の温度上昇が始まる。それと同時に、リチウムセル１内部に電解液の蒸発ガスが発生してアルミラミネート６，６の膨張を引き起こす。さらに温度上昇が進み電解液の熱分解が発生すると、例えばＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６などの揮発性有機ガスが発生する。このとき、リチウムセル１内の圧力が所定値以上に上昇すると、防爆弁27からリチウムセル１内の前記電解液の蒸発ガスや揮発性有機ガスなどの内部ガスが噴出する。防爆弁27がないものや、防爆弁27が詰まっているなどの異常がある場合は、リチウムセル１のアルミラミネート６，６の封止が破れ、そこから内部ガスが噴出する。電池スタック26を覆うケーシング20の内部空間は、仕切板21により電池室22と基板室23とに仕切られ、両者が気密状態に隔離されているため、電池スタック26が収容された電池室22から基板室23へ内部ガスが流入することがなく、プリント基板31に実装された保護回路11からの着火や、保護回路11への悪影響を防止することができる。すなわち、可燃性の内部ガスと保護回路11の相互影響が断たれるため、保護回路11からの引火を防ぐと共に、リチウムセル１の異常時でも保護回路11によるリチウムセル１の過充電・過電圧等の保護を継続することができる。このように、電池スタック26をケーシング20に形成された電池室22に収容することにより、保護回路11の異常などによりリチウムセル１のどの部分から内部ガスが噴出しても、まずリチウムセル１を覆うケーシング20により内部ガスが電池室22ひいてはケーシング20内に留められ、基板室23や電池パック10外部へ漏れ出すことがない。

リチウムセル１から噴出した内部ガスは、防爆弁27近傍に設けられたガス蓄積部25により一箇所に集められる。まず、防爆弁27から噴出した内部ガスは、防爆弁27に対向して設けられたガス蓄積部25の壁体24に衝突する。壁体24は、ケーシング20と熱的に接続され、内部ガスに比べ著しく温度が低い状態になっているため、壁体24表面上に内部ガスが結露し、液状になる。本実施例では、ガス蓄積部25の壁体24が、内部ガスの噴出方向に位置するように、防爆弁27に対向，近接して設けられている。そのため、内部ガスの防爆弁27から噴出する勢いを利用して、そのまま流路29に進入させ、噴出直後の内部ガスを速やかに回収することができる。その後、内部ガスは流路29を流れるが、流路29はその表面積が大きくなるよう蛇行しているため、流路29を流れていく間に、壁体24，24及びガス蓄積部25の壁面を形成するケーシング20に、可燃性物質を含む内部ガスが次第に結露していき、ガス蓄積部25内で可燃性ガス濃度が低下することとなる。そして、流路29を流れる内部ガスは、最終的にガス抜き孔32からケーシング20外部へ排出される。当該排出ガスは可燃性ガス濃度が十分に低いものであるため、電池パック10の周囲に影響を及ぼすことがなく、ケーシング20の内部圧力が異常上昇することもない。なお、ガス蓄積部25に蓄積された液状の内部ガスは、後ほどガス蓄積部25から取り出され適当な処理が施される。流路29をガス抜き孔32方向へ向けて傾斜させて形成しておくと、液化した内部ガスの粘度が低ければガス抜き孔32付近に簡単に集めることができる。この場合、ガス抜き孔32を下方若しくは底面に設けて、ガス抜き孔32から排液するようにしてもよい。

以上のように本実施例の二次電池の実装構造では、充放電可能な二次電池としてのリチウムセル１（電池スタック26）と、リチウムセル１を保護する制御部としての保護回路11と、リチウムセル１と保護回路11とを隔離する隔離手段としての仕切板21と、リチウムセル１から噴出した内容物としての内部ガスを集める回収部としてのガス蓄積部25を備え、ガス蓄積部25内に壁体24，24を設け、壁体24，24の表面上に内部ガスが結露して液状になるように、壁体24，24はリチウムセル１の外郭を形成する外郭部材としてのケーシング20に熱的に接続されている。

このようにすると、仕切板21により保護回路11がリチウムセル１から隔離されるため、リチウムセル１から噴出した内容物としての内部ガスに対して保護回路11への到達を阻止することができる。すなわち、可燃性の内部ガスと保護回路11の相互影響が断たれるため、保護回路11からの引火を防ぐと共に、リチウムセル１の異常時でも保護回路11によるリチウムセル１の保護を継続することができる。以上より、リチウムセル１から内部ガスが噴出した場合でもリチウムセル１の保護機能を確保し、リチウムセル１の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の実装構造を提供することができる。さらにリチウムセル１から噴出した内部ガスをガス蓄積部25に集めることができるため、リチウムセル１周囲への流出を防ぐことができる。従って、リチウムセル１から噴出した内部ガスに対してリチウムセル１周囲への流出を防ぎ、周囲への影響を最小限に抑えることができる。そして壁体24，24及びガス蓄積部25の壁面を形成するケーシング20に、可燃性物質を含む内部ガスが次第に結露していき、回収部内で可燃性ガス濃度が低下することとなる。

また本実施例の二次電池の実装構造では、前記隔離手段は、リチウムセル１を収容する電池室22と保護回路11を収容する制御室としての基板室23とが形成された外郭部材としてのケーシング20である。

このようにすると、ケーシング20に電池室22と基板室23を設けることにより、リチウムセル１と保護回路11とが別々の部屋に完全に隔離された状態で収容されるため、電池室22内でリチウムセル１から内部ガスが噴出しても、当該内部ガスが基板室23に収容された保護回路11に到達することがない。すなわち、可燃性の内部ガスと保護回路11の相互影響が断たれるため、保護回路11からの引火を防ぐと共に、リチウムセル１の異常時でも保護回路11によるリチウムセル１の保護を継続することができる。以上より、リチウムセル１と保護回路11を完全に隔離することができ、リチウムセル１から内部ガスが噴出した場合でも確実にリチウムセル１の保護機能を確保し、リチウムセル１の発煙，発火を未然に防ぐことが可能な二次電池の実装構造を提供することができる。

また本実施例の二次電池の実装構造では、ガス蓄積部25が、内部ガスの噴出方向を特定する噴出部としての防爆弁27近傍に対向して設けられている。

このようにすると、内部ガスが防爆弁27から噴出する勢いを利用して、そのままガス蓄積部25に進入させて、噴出直後の内部ガスを速やかに集めることができる。従って、噴出直後の内部ガスを速やかに回収し、リチウムセル１周囲への流出を防ぎ、周囲への影響を最小限に抑えることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。本発明が適用可能な二次電池は、リチウムイオン電池に限らず、過電圧・過充電時などに内部ガスなどの内容物を噴出するものであれば、どのようなものでもよい。また、保護回路11をリチウムセル１から隔離可能であればケーシング20に収容しなくてもよい。さらに、ガス蓄積部25での結露量を増加させるために、流路29に複数のフィンを並設して冷却性能を向上させるよう構成してもよく、冷却ファンによる空冷や水冷など種々のものが考えられる。

本発明の第１実施例における二次電池の実装構造の構成を示すブロック図である。同上、二次電池の実装構造の構成を示す斜視図である。同上、二次電池の実装構造の構成を示す要部横断面図である。同上、二次電池の実装構造の構成を示す要部横縦面図である。ラミネート型リチウムイオン電池の内部構成を示す分解斜視図である。

１リチウムセル（二次電池）
11 保護回路（制御部）
20 ケーシング（外郭部材）
21 仕切板（隔離手段）
22 電池室
23 基板室（制御室）
25 ガス蓄積部（回収部）
24 壁体
27 防爆弁（噴出部）

Claims

充放電可能な二次電池と、前記二次電池を保護する制御部と、前記二次電池と前記制御部とを隔離する隔離手段と、前記二次電池から噴出した内容物を集める回収部を備え、前記回収部内に壁体を設け、前記壁体の表面上に前記内容物が結露して液状になるように、前記壁体は前記二次電池の外郭を形成する外郭部材に熱的に接続されることを特徴とする二次電池の実装構造。
前記隔離手段は、前記二次電池を収容する電池室と前記制御部を収容する制御室とが形成された前記外郭部材であることを特徴とする請求項１記載の二次電池の実装構造。
前記回収部が、前記内容物の噴出方向を特定する噴出部近傍に対向して設けられたことを特徴とする請求項１記載の二次電池の実装構造。