JP4752180B2

JP4752180B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP4752180B2
Application number: JP2004011655A
Authority: JP
Inventors: 克巳高津; 俊彦市瀬; 聡倉中; 始小西
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2024-01-20
Also published as: JP2005209368A

Description

本発明は、電動ドリルなどの電動工具の電池電源として好適な電池パックに関するものである。

電動工具のハイパワー化に伴ってその電池電源として構成された電池パックは大きな放電電力が出力できるものが要求される。この要求を満たすために多数の単電池をパックケース内に収めた電池パックが用いられている。しかし、電動工具は手持ち操作されるものであるため、電池パックはより小型でより軽量なものが求められている。一般的には電池としてニッケル−カドミウム蓄電池あるいはニッケル−水素蓄電池が用いられているが、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度の点で充分に満足できるものではなく、多数の単電池を必要とするため電池パックが大きく重くなるため電動工具の操作性が低下する課題や、多数の電池が密集配置されるため電池の放熱性に課題を有していた。

前記ニッケル−カドミウム蓄電池やニッケル−水素蓄電池に比して重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度が優れた二次電池としてリチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池が知られており、これを用いて電池パックを構成すると、同一出力電力における電池パックの小型軽量化を促進することが可能である。中でも扁平角形のリチウムイオン二次電池を用いると、円筒形の電池を用いた場合よりスペース効率に優れた電池パックの構成が可能となる。

しかし、リチウムイオン二次電池のような非水電解液を用いる二次電池は水溶液系の二次電池に比して電解液の伝導度が低いため、大電流の放電を行うと放電反応による発熱が大きく、二次電池の放熱が充分になされるように配慮する必要がある。上記角形非水電解液二次電池の冷却を促進するために、並列配置した複数の二次電池の隣接間に梁状のスペーサを配し、複数の二次電池を並列方向から結束して一体化した電気自動車用の組電池が知られている（特許文献１参照）。この組電池では、並列配置した複数の二次電池の間にスペーサによる間隔を設けて結束しているので、間隔内に強制送風することにより二次電池が冷却される。
特開平０８−２１２９８６号公報（第３〜５頁、図１）

リチウムイオン二次電池のような非水電解液を用いる二次電池は、大電流の放電を行うと放電反応による発熱が大きく、発熱による熱膨張により極板群及び電解液を収容した電池缶に膨らみが発生し、電池缶による極板群の緊迫力が低下するため、正極板と負極板との間の電解液を介した接触に不良が発生しやすくなる。特に、扁平角形に形成された二次電池では、発熱に伴って電池缶の最大面積平坦面に大きな膨らみが発生しやすくなるため、電池缶を肉厚に形成して剛性を高める必要があるために、重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度に優れ、スペース効率のよい角形の非水電解液二次電池の特徴が損なわれてしまう問題がある。

上記従来技術に示した電気自動車用の組電池のように大型の二次電池であれば、剛性の高い電池缶を使用して二次電池を構成し、複数の二次電池の間にスペーサを配して両側から締め付ける結束を行うことにより、温度上昇に伴う二次電池の膨らみを抑制することはできるが、小型の二次電池を使用した電池パックでは電池缶の肉厚も薄く、結束構造を設けるために電池パックが大型化してしまう課題があった。

本発明が目的とするところは、扁平角形に形成された複数の二次電池の温度上昇に伴なう二次電池の膨らみを防止する構造を備えた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の本発明は、電池缶内に極板群及び電解液を収容して開口端を封口板によって封口し、前記封口板に極端子が設けられてなる複数の二次電池をパックケース内に収容してなる電池パックであって、前記二次電池の長手方向中央部分の断面積に対応する開口形状寸法の開口部を二次電池の数以上形成したセンターフレームに複数の二次電池を前記中央部分が前記開口部に収まるように装填することにより、前記中央部分を周囲から囲んだ状態に保持し、前記二次電池の両端がそれぞれ端子側フレーム、底側フレームで保持され、前記複数の二次電池がパックケース内に収容されてなることを特徴とする。

また、二次電池は、扁平角形に形成され、その最大面積平坦面が所定間隔を隔てて互いに対面するように並列配置するのが好ましい。

上記構成によれば、複数の二次電池はそれぞれフレームに形成された開口部に電池缶の略中央部分を挿入して並列配置され、前記開口部は電池間の略中央部分が挿入できる最小の断面形状寸法に形成されているので、電池缶の最大面積平坦面は両側から幅規制された状態となり、充放電に伴なう温度上昇により最大面積平坦面が外方に膨らむことが規制される。従って、電池缶の膨らみによって内部に収容された極板群の層間に接触不良が発生することがなく、温度上昇によって電池性能が低下することが抑制される。また、フレームによって複数の二次電池が並列配置された間に間隙が形成されるので、各二次電池の放熱性が向上し、温度上昇が抑えられる結果、膨らみの発生を抑制する効果も得られる。

上記構成において、フレームは、パックケースの機器への装着面又は接地面に対し、最大面積平坦面が略垂直方向となるように二次電池を保持するように構成することによって複数の二次電池の間に垂直方向の間隙が形成され、空気の流れが円滑になされ、強制送風した場合にも空気の流れが二次電池間に形成されるので、二次電池の放熱が効果的になされる。

また、並列配置する複数の二次電池を同一方向にしてフレームに装填することにより、複数の二次電池を直列及び／又は並列接続し、あるいは導電部位を遮蔽して防水、防湿構造を形成するのに有効となる。

本発明によれば、複数の二次電池はそれぞれ電池缶の最大面積平坦面を両側から幅規制する開口部に挿入してフレームに保持されるので、開口部に幅規制されて電池缶に膨らみが生じることが抑制され、温度上昇に伴なう電池缶の膨らみにより極板の層間に接触不良が発生することが防止される。また、複数の二次電池はフレームによる隣り合う間に間隙を形成して並列に配置されるので、間隙内に空気流通がなされて温度上昇が抑制される。

図１は、実施形態に係る電池パック１を示すもので、図９に示すように、電動工具Ａに装着して電動工具Ａの駆動電源となるように構成されている。また、電動工具Ａの使用により電池容量が減少したときには、電動工具Ａから取り外し、図１０に示すように、充電器Ｂに装填することにより、充電することができる。電動工具Ａ又は充電器Ｂへの装着は、パックケース５の上方に設けられた装着部２０の両側面に形成された摺動溝２０ａに電動工具Ａ又は充電器Ｂに設けられた凸条部が嵌入するように電池パック１を押し込むと、装着部２０の中央に保持されたコネクタケース１２に設けられた接続プラグ１４が電動工具Ａ又は充電器Ｂのソケットに挿入されて電気的接続がなされると共に電池パック１は装着される。

この電池パック１は、図２に分解図示するように、パックケース５内に１０個の二次電池２と、この二次電池２の充放電制御や電池保護制御などを行う電池管理回路を構成した回路基板３とを収容し、二次電池２の放熱を促す送風ファン４を一体に組み込んで構成されている。

前記二次電池２は、扁平直方体の外形に形成されたリチウムイオン二次電池が適用されており、図２に示すように、この二次電池２の最大面積平坦面がパックケース５の底面に対して垂直方向になり、所定間隔を隔てて互いに対向するようにして、１０個の二次電池２が並列配置されている。このように１０個の二次電池２を所定間隔を隔てて並列配置された状態に保持するために、図４に示すように、二次電池２の長手方向中央部分の断面積に対応する開口形状寸法の電池収容部（開口部）１７を１０箇所に形成したセンターフレーム７により二次電池２の中央部分が保持され、二次電池２の両端がそれぞれ端子側フレーム６、底側フレーム８で保持されている。

図３に示すように、二次電池２は、有底角筒に形成された電池缶２４内に、長尺に形成した正極板と負極板とをセパレータを介して巻回した巻回型極板群、もしくは複数の正極板と負極板とをセパレータを介して積層した積層型極板群を挿入し、電池缶２４の開口端に封口板２３を溶接して電池缶２４の開口端を封口し、電池缶２４内に電解液を注入して電池缶２４内が密閉される。前記封口板２３には正極板に接続した正極端子２１が封口板２３と電気的に絶縁して設けられ、封口板２３及び電池缶２４は二次電池２の負極端子を構成する。

二次電池２は大電流の放電や過充電等の原因により温度上昇すると、熱膨張や電解液の気化などによって電池缶２４に膨らみが生じ、それは電池缶２４の側面となる最大面積平坦面に顕著に現れる。電池缶２４内に収容された極板群は、それが巻回型であっても積層型であっても正極板と負極板とがセパレータを介して積層された状態に電池缶２４の両側の最大面積平坦面の間で挟圧され、セパレータに含浸された状態で存在する電解液中を移動するイオンが正極板と負極板との間で行き来することにより充放電反応がなされる。電池缶２４に膨らみが生じると、積層間の密着状態が損なわれ、積層間に隙間が発生すると、イオン移動度に不具合が生じ、充放電反応が充分になされない状態となる恐れがある。

図４に示すように、センターフレーム７は、１０個の二次電池２をそれぞれ電池収納部１７に挿入すると、二次電池２をその電池缶２４の略中央部分を周囲から囲んだ状態に保持するので、二次電池２は膨らみが生じないように挟圧された状態となる。因みに、本実施形態に適用した二次電池２の短手方向幅は１０ｍｍであり、電池収容部１７の短手方向幅は１０．４ｍｍに形成されているので、組み立て当初では二次電池２を電池収容部１７にスムーズに挿入でき、電池缶２４の膨らみは電池収容部１７の幅で規制されるため、電池缶２４の膨らみによる二次電池２の性能低下は抑制される。

１０個の二次電池２はそれぞれを同一方向にしてセンターフレーム７の各電池収容部１７に挿入され、二次電池２の底面側には電池缶２４の底部形状寸法に対応する形状寸法の底部収容凹部１８が並列形成された底側フレーム８が装着される。二次電池２の封口板２３側には、図５（ｂ）に示すように、内側に二次電池２の封口板２３側を収容する封口部収容凹部１９が形成され、その凹部底面には正極端子２１を貫通させる正極接続窓２５と、封口板２３の一部板面を覗かせた負極接続窓２６とが形成された端子側フレーム６が装着される。この端子側フレーム６の外側には、図５（ａ）に示すように、回路基板３を収容する基板収容凹部２８と、１０個の二次電池２を直列接続すると共に各二次電池２を回路基板３に接続する直列接続板９、正極接続板１０、負極接続板１１を収容する接続板収容凹部２７とが形成されている。接続板収容凹部２７の底面には、前記正極接続窓２５と負極接続窓２６とが開口している。

１０個の二次電池２を端子側フレーム６、センターフレーム７、底側フレーム８で囲って互いに接合した後、図６に示すように、端子側フレーム６に形成された正極接続窓２５と負極接続窓２６から、図７に示す直列接続板９を隣り合う二次電池２にまたがって正極端子２１と封口板２３とに当接させ、正極接続部４１を正極端子２１に、負極接続部４２を封口板２３にそれぞれスポット溶接して１０個の二次電池２を直列接続する。直列接続された正極側の接続端となる二次電池２の正極端子２１には正極接続板１０が、直列接続された負極側の接続端となる二次電池２の封口板２３には負極接続板１１がスポット溶接される。図７は直列接続板９の例を示すものであるが、直列接続板９、正極接続板１０、負極接続板１１には、それぞれ回路基板３に接続するための基板接続突起２９が形成されている。

１０個の二次電池２に直列接続板９、正極接続板１０、負極接続板１１がスポット溶接された端子側フレーム６の基板収容凹部２８に回路基板３を収納すると、直列接続板９、正極接続板１０及び負極接続板１１に形成された基板接続突起２９が回路基板３に形成された接続穴に挿入されるので、各基板接続突起２９は回路基板３に半田付けされる。この接続構造により、１０個の二次電池２それぞれを回路基板３に接続するためにリード配線することなく各二次電池２は回路基板３に接続され、回路基板３において基板接続突起２９の間の電圧から各二次電池２個々の電池電圧を測定することができ、回路基板３に構成された電池保護回路は各二次電池２個々の電池電圧から二次電池２を過充電、過放電から保護する制御を実行し、充放電制御回路は電池電圧及び電池温度の測定に基づく充放電制御を実行する。

基板収容凹部２８に収容された回路基板３と、センターフレーム７上に配置されるコネクタケース１２内に設けられる送風ファン４及び接続プラグ１４との間にリード接続がなされた後、回路基板３は樹脂モールドされる。樹脂モールドは、リード線の接続部分を含む電子部品の実装面に溶融した樹脂を流し込んで固化させることにより、回路基板３の電気的絶縁性が強化されると同時に防湿・防水性を図ることができる。より好ましくは、基板収容凹部２８内を埋めるように溶融した樹脂を流し込んで固化させると、回路基板３の全面が樹脂で包み込まれ、回路基板３と端子側フレーム６とが樹脂モールドが施される。この樹脂モールドにより回路基板３上に実装された電子部品の防湿対策が図られる他、パックケース５に形成された通気穴１３ａ，１３ｂなどから浸入した水により電気的障害が発生することを防止することができる。

上記のように二次電池２及び回路基板３が一体に組み合わされた後、図２に示すように、４面に保護板１６が配置され、センターフレーム７上に配した送風ファン４を囲ってコネクタケース１２を配した後、右ケース５ａ及び左ケース５ｂからなるパックケース５を閉じて、図１に示したような電池パック１に完成される。

この電池パック１は、図９に示すように、電動工具Ａにスライド装着されると、コネクタケース１２内に設けられた接続プラグ１４が電動工具Ａに設けられた接続ソケットに接続され、電動工具Ａの始動スイッチのＯＮ操作により電動工具Ａに駆動電力を供給する電力供給回路が閉じられる。電動工具Ａの駆動負荷が大きくなると二次電池２からの放電量も増加するため温度上昇し、電池管理回路により所定温度が検出されると、電池管理回路は送風ファン４が駆動されるように制御するので、二次電池２は送風空気により冷却される。リチウムイオン二次電池における放電は発熱反応となるので、大電流放電により電動工具Ａが使用されると二次電池２の温度上昇は激しく、電池管理回路は送風により二次電池２が６０℃以下の温度状態で使用されるように送風ファン４を制御する。特に、真夏の炎天下のような高温環境では使用以前に二次電池２の温度が４０℃を越える場合も想定でき、そのような環境下で電動工具Ａが使用されると温度上昇も大きくなるので、電池管理回路は二次電池２の温度が高いときには電動工具Ａの使用の如何にかかわらず送風ファン４を駆動して二次電池２を冷却し、二次電池２の温度が６０℃を越えるような場合には電動工具Ａに対する電力供給を停止して送風ファン４の駆動により二次電池２の温度が低下するように制御する。

送風ファン４は、その回転によりパックケース５内に外気を取り込む吸気ファンとして構成され、吸気した外気を二次電池２に吹き付けて冷却する。電池パック１を電動工具Ａに装着すると、コネクタケース１２は電動工具Ａの電池パック装着面に当接するので、コネクタケース１２の吸気口３２に対向する電動工具Ａの電池パック装着面には開口部が形成され、図９に示すように、電動工具Ａの電池パック１の装着部位の側面には前記開口部に通じる外気取り入れ口ａが形成される。

図８に白抜き矢印で示すように、送風ファン４はパックケース５内のセンターフレーム７上に配設されているので、送風ファン４が駆動されると、吸気口３２から吸気された外気は所定間隔で並列配置された二次電池２の対向間を通過し、パックケース５の下に開口する下方通気穴１３ａから排出される空気流路が形成されるので、電動工具Ａを駆動する大きな放電電流により温度上昇する二次電池２が冷却され、温度上昇が抑制される。また、センターフレーム７上に設けられた整流板１５は、送風ファン４から送風されてきた空気の流れを両側に流して送風ファン４の直下にある二次電池２だけでなく端方向にある二次電池２にも送風空気を送ることができ、全ての二次電池２が均等に冷却されるように作用する。この整流板１５に開口径及び開口位置を調整して開口部を形成することにより、整流板１５の下に位置する二次電池２にも送風空気が当たるように調整することができ、各二次電池２に対する空冷状態を均等化して電池温度が平均化されるように調整することができる。

電池パック１は、それが電動工具Ａに装着されたとき、図９に示すように、電動工具Ａの最下部と電池パック１の底面とが同一高さ位置となる寸法に形成することにより、電動工具Ａを床面などに安定して立てることができる。図８に示すように、パックケース５の二次電池２の長手方向断面は、下方の両側に下方窪み３１ａ及び上方の両側に上方窪み３１ｂが形成され、この下方及び上方の各窪み３１ａ，３１ｂにそれぞれ下方通気穴１３ａ、上方通気穴１３ｂが形成されている。この下方及び上方の各窪み３１ａ，３１ｂが形成されていることにより、電動工具Ａを立てた状態、即ち電動工具Ａの駆動が停止されている状態でも下方通気穴１３ａは塞がれることはなく、破線矢印で示すように、下方通気穴１３ａから流入した外気が二次電池２の間を通って上方通気穴１３ｂに抜ける空気の流れが形成される。特に、電動工具Ａを駆動した後では二次電池２の温度が上昇しており、その熱によって上方通気穴１３ｂに流れる上昇気流が発生し、それに伴って下方通気穴１３ａから外気が流入して二次電池２の間を通って上方通気穴１３ｂに流れる空気の流れが形成され、温度上昇した二次電池２は送風ファン４が停止している状態でも冷却作用が促進され、速やかに二次電池２の温度を低下させることができる。

上記下方及び上方の各通気穴１３ａ，１３ｂは二次電池２の冷却に効果的に作用するが、雨中など水滴が飛散するような環境で電動工具Ａが使用された場合や、水溜りのある床面に電動工具Ａが置かれたような場合に、下方及び上方の各通気穴１３ａ，１３ｂから水が浸入する恐れがある。図８に示すように、パックケース５内に水が浸入しても、各二次電池２の封口板側は端子側フレーム６に囲われ、回路基板３は樹脂モールド３０によって被覆されているので、通電部分に水が浸入することはなく、過酷な環境下での使用が想定される電動工具Ａの電池パック１としての安全性が確保される。

電動工具Ａの駆動により電池容量が低下した場合には、電動工具Ａから電池パック１を取り外し、図１０に示すように、充電器Ｂに装着することにより二次電池２に対する充電がなされる。電池パック１は充電器Ｂに装着するときには、図示するように天地方向を逆にして充電器Ｂに装着され、充電器Ｂの電池パック１の装着位置に設けられた通風口から充電器Ｂ内の空気を吸気し、充電器Ｂの排熱と同時に充電中の二次電池２を冷却する。充電器Ｂの側にも排気ファンが設けられている場合には、送風ファン４と合わせた送風を実施すると、より効果的な冷却がなされる。

使用直後の電動工具Ａから取り外された電池パック１では、二次電池２の温度が充電に適した温度以上になっていることが予想でき、電池温度は電池管理回路で検出されると共にコネクタを通じて充電器Ｂ側でも検出されるので、電池温度が４５℃以上である場合には充電は開始されず、電池温度が４５℃以下になるように送風による冷却が継続された後に充電が開始されるように制御される。

以上説明した電池パック１では、二次電池２として扁平角形のものを適用しているが、円筒形に形成した二次電池を適用することも可能であり、本構成により同様の効果が得られる。

本発明に係る電池パックは、複数の二次電池は隣り合う間に間隙を設けて並列配置されるので、二次電池の配列間に空気流通が円滑になされて温度上昇が抑制され、各二次電池はそれぞれフレームの開口部内に略中央部分が挿入されて幅規制されているので、温度上昇による膨らみが抑制されるので、大電流の放電を行う電池パックを構成するのに好適な構造が得られる。

実施形態に係る電池パックの外観構成を示す斜視図。同上電池パックの構成要素を示す分解斜視図。同上電池パックに適用した二次電池の構成を示す斜視図。二次電池を保持するセンターフレームの構成を示す斜視図。端子側フレームの構成を（ａ）外面側と、（ｂ）内面側とで示す斜視図。複数の二次電池と回路基板の接続構造を示す側面図。直列接続板の構成を示す斜視図。二次電池に対する空気流通構造を示す断面図。電動工具に対する装着構造を説明する側面図。充電器に対する装着構造を説明する側面図。

符号の説明

１電池パック
２二次電池
３回路基板
４送風ファン
５パックケース
６端子側フレーム
７センターフレーム
８底側フレーム

Claims

電池缶内に極板群及び電解液を収容して開口端を封口板によって封口し、前記封口板に極端子が設けられてなる複数の二次電池をパックケース内に収容してなる電池パックであって、
前記二次電池の長手方向中央部分の断面積に対応する開口形状寸法の開口部を二次電池の数以上形成したセンターフレームに、複数の二次電池を前記中央部分が前記開口部に収まるように装填することにより、前記中央部分を周囲から囲んだ状態に保持し、前記二次電池の両端がそれぞれ端子側フレーム、底側フレームで保持され、前記複数の二次電池がパックケース内に収容されてなることを特徴とする電池パック。
二次電池は、扁平角形に形成され、その最大面積平坦面が所定間隔を隔てて互いに対面するように並列配置された請求項１に記載の電池パック。
前記センターフレームは、パックケースの機器への装着面又は接地面に対し、最大面積平坦面が垂直方向となるように二次電池を保持するようにパックケース内に配設されてなる請求項２に記載の電池パック。
複数の二次電池を同一方向にして前記センターフレームに装填した請求項１〜３いずれか一項に記載の電池パック。