JP5057720B2 - パック電池 - Google Patents

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Description

本発明は、多数の電池を内蔵して出力電圧を高してなるパック電池に関する。
パック電池は、直列に接続する個数で出力電圧を高くし、また並列に接続する電池の個数を多くして出力電流を大きくできる。このことから、大出力が要求される用途、たとえば電動自転車、電動工具、電動自動車等に使用されるパック電池は、複数の電池を並列に接続し、さらに、これを直列に接続して出力を大きくできる。この構造のパック電池は、多数の電池を内蔵するので、組み立てを容易にすることが大切である。このことを実現するパック電池として、独特の構造で電池をケースに収納するパック電池が開発されている。(特許文献1参照)
特開2001−43839号公報
この公報に記載されるパック電池は、図1に示すように、複数の電池91を多段に配置して、電池ホルダを一体的に成形しているエンドプレート95の間に配置している。エンドプレート95は、電池91の端部を挿入して連結する円筒部96からなる電池ホルダを一体的に成形して設けている。このパック電池は、一対のエンドプレート95の間に円筒型電池を配置する。円筒型電池は、端部をエンドプレート95の電池ホルダである円筒部96に挿入して、エンドプレート95に連結される。一対のエンドプレート95は、四隅部の突出部97で連結されて、円筒型電池を挟着する状態で保持する。このパック電池は、電池91の両端をエンドプレート95で挟着して電池のコアパックとし、このコアパックを外ケースに収納している。
この構造のパック電池は、大きな出力が要求される用途、たとえば電動工具や電動自転車等の電源に使用されるので、大電流で充放電される。このため、このパック電池は、各々の電池を能率よく冷却することが極めて大切である。ただ、この構造のパック電池は、一対のエンドプレートの間に複数の電池を多段に配置しているので、全ての電池を効率よく冷却できない欠点がある。とくに、中央部分に配置される電池の冷却が難しい欠点がある。中央部分に配置される電池は、周囲部分に配置される電池よりも放熱され難く、内部に熱がこもりやすいからである。
さらに、この構造のパック電池は、いずれかの電池が熱暴走すると、熱暴走が隣の電池に誘発される欠点がある。電池の熱暴走が誘発されるのは、熱暴走した電池が表示部から輻射熱を隣の電池に放射して加熱するからである。とくに、電池ホルダの円筒部に端部を案内している電池は、中間部を円筒部から外部に表出するので、複数の電池ホルダを平行に並べると、電池の表出部が対向する状態となる。この状態は、熱暴走した電池の輻射熱が直接に隣接する電池を加熱する状態となり、電池の熱暴走が隣の電池に誘発される。
本発明は、この欠点を解消することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、多数の電池を効率よく均一に冷却しながら、電池の熱暴走の誘発を効果的に防止して安全性を向上できるパック電池を提供することにある。
本発明のパック電池は、前述の目的を達成するために以下の構成を備える。
パック電池は、電池1を1列又は2列に並べて配列している電池の列ユニット11、51、71と、複数の列ユニット11、51、71の間に空気通路6、56、76を設けて電池の列ユニット11、51、71を複数列に並べて配列しているホルダーケース2、52、72とを備え、空気通路6、56、76に冷却風を送風して電池1を冷却する。パック電池は、列ユニット11、51、71を構成する電池1の間に、電池1の表面に接触する熱連鎖防止リブ7、57、77を設けている。さらに、パック電池は、空気通路6、56、76において、隣接する列ユニット11、51、71の中間に、列ユニット11、51、71の電池1が放射する輻射熱を遮断し、かつ各々の列ユニット11、51、71との間に分岐空気通路6A、56A、76Aを設けるように隔壁用リブ8、58、78を設けている。パック電池は、分岐空気通路6A、56A、76Aに送風される冷却風で電池1を冷却し、各々の電池1の熱を熱連鎖防止リブ7、57、77に伝導して隣接する電池1の過熱を防止し、電池1の輻射熱を隔壁用リブ8、58、78で遮断して、電池1の熱暴走が隣の列ユニット11、51、71の電池1に誘発するのを防止している。さらに、本発明のパック電池は、熱連鎖防止リブ37を、電池1の表面を被覆する領域が冷却風の送風方向で異なる形状としている。なお、本明細書において、電池の過熱とは、電池が異常な温度になるまで温度上昇することを意味するものとする。
本発明のパック電池は、熱連鎖防止リブ7、57、77と隔壁用リブ8、58、78とをプラスチック製とすることができる。さらに、本発明のパック電池は、熱連鎖防止リブ7、57、77と隔壁用リブ8、58、78とをプラスチック製のホルダーケース2、52、72に一体的に成形することができる。
本発明のパック電池は、ホルダーケース2が、電池1に接続されるリード板16を定位置にセットするエンドプレート3を一体的に成形して設けることができる。
本発明のパック電池は、分岐空気通路36Aの内幅を冷却風の送風方向で変化させることができる。
本発明のパック電池は、ホルダーケース2を、複数のホルダーユニット2Aに分割することができる。
本発明のパック電池は、多数の電池を効率よく均一に冷却しながら、電池の熱暴走の誘発を効果的に防止して安全性を向上できる。それは、本発明のパック電池が、電池を一列又は2列に並べている複数の列ユニットの間に空気通路を設けて電池を冷却し、さらに、列ユニットを構成する電池の間には、電池の表面に接触されて電池の熱が伝導される熱連鎖防止リブを設け、空気通路には、隣接する列ユニットの間に、列ユニットの電池から放射される輻射熱を遮断して、各々の列ユニットとの間に分岐空気通路を設けるように隔壁用リブを設けているからである。この構造のパック電池は、空気通路に送風する空気で電池を冷却するが、この空気通路に隔壁用リブを設けており、この隔壁用リブでもって、熱暴走した電池が隣の列の電池を過熱して熱暴走を誘発するのを防止する。さらに、隔壁用リブは、電池の熱暴走を防止するが、電池の冷却効率を低下することはない。それは、隔壁用リブが空気通路を分岐空気通路に分離して、各々の分岐空気通路に送風される空気で電池を冷却するからである。
さらに、本発明のパック電池は、列ユニットを構成する電池の間には熱連鎖防止リブを設けている。電池の間に設けている熱連鎖防止リブは、列ユニットを構成する電池を離して互いに直接に接触しない状態とする。この熱連鎖防止リブは、列ユニットを構成する電池の熱が直接に隣の電池に伝導することがなく、列ユニットを構成する電池の熱暴走の誘発も防止できる。
また、熱連鎖防止リブは、電池の表面に接触されて電池の熱が伝導される状態としている。この熱連鎖防止リブは、電池の熱を分散する作用がある。このため、いずれかの電池の温度が高くなると、高温になった電池の熱は熱連鎖防止リブに伝導され、この熱連鎖防止リブを介して隣の電池に伝導される。このため、電池の熱を分散して電池温度を均一にする作用もある。熱連鎖防止リブは、電池の熱を伝導させるが、電池が直接に接触するようには伝導されず、電池の熱はゆっくりと熱連鎖防止リブに伝導され、さらに熱連鎖防止リブの熱もゆっくりと隣の電池に伝導されて、電池の温度を均一にする。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池を例示するものであって、本発明はパック電池を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。
図2ないし図4に示すパック電池は、全体を3つの電池ブロック13に分割している。パック電池は、各々の電池ブロック13を連結して外装ケース(図示せず)に収納して組み立てられる。このパック電池は、連結する電池ブロック13の個数で出力電圧を調整できる。各々の電池ブロック13は、空気通路を連結する状態で外装ケースに収納される。
パック電池を構成する各々の電池ブロック13は、電池1を2列に並べて配列している電池の列ユニット11と、複数の列ユニット11の間に空気通路6を設けて列ユニット11を複数列に並べて配列しているホルダーケース2とを備える。このパック電池を構成する列ユニット11は、空気通路6に冷却風を送風して電池1を冷却する。
ホルダーケース2は、電池の列ユニット11を空気通路6ができる状態で定位置に保持する。このホルダーケース2は、絶縁材であるプラスチックを成形して製作される。図3に示すホルダーケース3は、一対のホルダーユニット2Aに分割している。一対のホルダーユニット2Aは、内側に電池1を配設する状態で互いに連結される。各ホルダーユニット2Aは、エンドプレート3の内側に、熱連鎖防止リブ7と隔壁用リブ8とを一体的に成形して設けている。さらに、ホルダーケース2は、エンドプレート3の内側に、電池1の端部を挿入して定位置に配置する保持部4を設けている。保持部4は、電池1の端面を挿入して定位置に配置する凹部としている。
図のホルダーケース2は、列ユニット11を、間に空気通路6を設けて4列に並べて収納するように保持部4を設けている。列ユニット11は、5個の電池1を2列にすなわち10個の電池1を2列に配列している。このホルダーケース2は、10個の電池1を2列に並べている列ユニット11を、4列に並べているので、全体で40個の電池1を定位置に収納する。
ホルダーケース2は、列ユニット11の間に空気通路6ができるように電池1の端部を保持部4に入れて配置する。空気通路6は、列ユニット11の電池1を冷却する空気の送風ダクトである。図のパック電池は、列ユニット11の電池1を4列に収納するので、3列の空気通路6を設けている。
各々の列ユニット11を構成する電池1の間には、電池1の表面に接触されて電池1の熱が伝導される熱連鎖防止リブ7を設けている。熱連鎖防止リブ7は、電池1の輻射熱を遮断して電池1の熱暴走の誘発を防止しながら、電池1の熱を分散させて電池1の温度差を小さくする。熱連鎖防止リブ7は、ホルダーケース2を整形するプラスチックでもってエンドプレート3に一体的に成形される。プラスチック製の熱連鎖防止リブ7は、電池1間の熱伝導を理想的な状態にできる。熱連鎖防止リブ7の熱伝導が良すぎると、電池1の熱暴走の誘発を阻止できなくなる。それは、熱暴走して過熱された電池1が、熱連鎖防止リブ7を介して隣の電池1を加熱するからである。また、反対に熱伝導が小さ過ぎる熱連鎖防止リブ7は、電池1の熱を伝導できなくなって、温度が高くなった電池1の熱を周囲に分散して電池1の温度差を小さくできなくない。プラスチック製の熱連鎖防止リブ7は、金属に比較して熱伝導が良くないので、電池1の熱暴走を有効に防止できる。また、空気等の断熱材に比較すると熱伝導が良く、電池1の熱を伝導し、これを分散して電池1の温度差を小さくできる。
図5の拡大断面図に示す熱連鎖防止リブ7は、半円筒状であって、列ユニット11の電池1の間に配設される。図の熱連鎖防止リブ7は、列ユニット11の間に設けた中間壁7Aの両面に半円筒形の湾曲溝7Bが平行に並んでできる形状に成形している。熱連鎖防止リブ7は、湾曲溝7Bが円筒形電池1の半周以上をカバーする形状として、ここに入れる電池1を定位置に保持できる。また、熱連鎖防止リブ7を弾性的に変形して、湾曲溝7Bの開口部から電池1を湾曲溝7Bにセットすることもできる。熱連鎖防止リブ7は、電池1を湾曲溝7Bに入れて定位置に保持し、さらに、電池1の全表面の約半分を空気通路6側に表出させる。
図5の熱連鎖防止リブ7は、一部を開口して、電池1の放熱性を向上している。熱連鎖防止リブ7の開口は、電池1の放熱性を向上させるが、大きすぎると電池1の熱暴走を有効に防止できなくなる。したがって、熱連鎖防止リブ7の開口は、電池1の放熱を改善しながら、熱暴走の誘発を防止できる程度に開口する。一部を開口する熱連鎖防止リブは、図6に示すように、開口面積を送風方向に向かって次第に大きくして、列ユニット31の電池1を均一に冷却する効果がある。それは、電池1を冷却する冷却風は、送風方向に向かって次第に温度が高くなるからである。図の熱連鎖防止リブ37は、中間壁37Aの両面に設ける半円筒形の湾曲溝37Bの開口面積を冷却風の送風方向に向かって次第に大きくしている。冷却風の送風方向に次第に大きくなる熱連鎖防止リブ37の開口は、電池1と冷却風との接触面積を大きくして、電池1の冷却効果が向上するので、温度が上昇した空気によっても冷却効果が低下しない。
さらに、図5に示すように、電池の列ユニット11の間に設けられる空気通路6には、隣接する列ユニット11の中間に、列ユニット11の電池1が放射する輻射熱を遮断し、かつ各々の列ユニット11との間に分岐空気通路6Aを設けるように隔壁用リブ8を設けている。この隔壁用リブ8も、プラスチックでもってエンドプレート3に一体的に成形して設けられる。隔壁用リブ8は、電池1との間に分岐空気通路6Aができるように、電池1との間に隙間ができるように配設される。隔壁用リブ8は、両側に配置される列ユニット11の電池1を均一に冷却するように、空気通路6の中央に送風方向と平行に配設される。図に示す空気通路6は、分岐空気通路6Aの内幅を冷却風の風上側と風下側とで等しくしている。ただ、空気通路は、分岐空気通路の内幅を冷却風の送風方向で変化させることもできる。図6に示す空気通路36は、冷却風の送風方向に向かって、分岐空気通路26Aの内幅を狭くしている。この図のホルダーケース32は、隔壁用リブ38を冷却風の送風方向に向かって厚くして、両側にできる分岐空気通路26Aの内幅を狭くしている。電池1を冷却する冷却風は、送風方向に向かって次第に温度が高くなる。図の空気通路36は、分岐空気通路36Aの内幅を狭くすることで、冷却風の流速が大きくなって冷却効果が向上するので、温度が上昇した空気によっても冷却効果が低下しない特長がある。
図3のパック電池は、一対のホルダーユニット2Aを対向して配設して、電池1を列ユニット11に並べ、さらに、複数の列ユニット11の電池1を空気通路6ができるように配置する。一対のホルダーユニット2Aは、エンドプレート3の対向する内側に熱連鎖防止リブ7と隔壁用リブ8とを一体的に成形して設けている。この構造は、一対のホルダーユニット2Aを対向するように連結して、熱連鎖防止リブ7と隔壁用リブ8の先端縁を互いに接触させる。いいかえると、熱連鎖防止リブ7と隔壁用リブ8の先端縁を接触させて、一対のエンドプレート3を定位置に配置し、エンドプレート3の間に、複数の電池1を配列し、また、列ユニット11の間に分岐空気通路6Aに分岐された空気通路6を設ける。
エンドプレート3の外側には、電池1を直列と並列に接続するリード板16が配設される。エンドプレート3の外側には、リード板16を定位置に配置する嵌着部17を設けている。嵌着部17はリード板16の外形に等しい凹部、あるはリード板16の外側に凸部を設けた形状である。リード板16は、エンドプレート3の嵌着部17にセットされて、電池1の電極端面にスポット溶接などの方法で連結される。エンドプレート3は、電池1の電極端面を外側に表出するための貫通孔を設けている。図2のリード板16は、列ユニット11の電池1を、2並5直、すなわち、2個の電池1を並列に接続して、5個の電池1を直列に接続している。したがって、ひとつの電池ブロック13においては、5直8並に電池1を接続しており、パック電池全体では、15直、8並に電池1を接続している。
図3のパック電池は、電池1を収納する3組の電池ブロック13を、空気通路6を直列に連結するように上下に連結している。3組の電池ブロック13を上下に連結する状態で、その側部に回路基板20を配置している。回路基板20はホルダーケース2の側部に固定される基板ホルダ21の内側に配置される。基板ホルダ21は、各々の電池ブロック13を固定して、上下の電池ブロック13を連結している。基板ホルダ21の内部に固定される回路基板20は、各々のリード板16に接続される。
回路基板20は、各々の電池電圧を検出して、電池1の充放電を制御する電圧検出回路を実装している。図のパック電池は、全ての電池電圧を別々に独立して電圧検出回路で検出する。電池1をリチウムイオン二次電池とするパック電池は、全ての電池電圧を検出して、充放電を理想的な状態で制御できる。図のパック電池は、8個の電池1を並列に接続しているので、並列接続している電池1は一緒に電圧が検出される。リチウムイオン二次電池は、満充電された状態と、完全に放電された状態を電圧で検出できる。複数の電池1を直列に接続しているパック電池は、全ての電池1を同じ電流で充放電させるが、全ての電池1が同じ状態で充放電されるとは限らない。全ての電池1が同じように劣化せず、また、製造工程においても全く同じ特性には製作されない。このため、直列に接続された複数の電池1は、実質的に満充電できる容量や内部抵抗等にばらつきがある。このような電池1を同じ電流で充放電すると、いずれかの電池1が先に満充電され、あるいは完全に放電される。
電圧検出回路で全ての電池電圧を検出しながら、充放電をコントロールするパック電池は、全ての電池1の過充電と過放電を防止しながら充放電する。電圧検出回路は、パック電池を充電しているときに、いずれかの電池電圧が最高電圧まで上昇すると充電電流を遮断する。また、放電しているときは、いずれかの電池1の電圧が最低電圧まで低下すると放電電流を遮断する。
電池1をニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池とするパック電池においても、全ての電池電圧を検出しながら充放電を制御して、全ての電池の過充電と過放電を防止しながら使用できる。したがって、本発明は、電池1をリチウムイオン二次電池に特定しない。
さらに、図のパック電池は、3組の電池ブロック13と基板ホルダ21を連結して電池1のコアパック10とし、これを外装ケース(図示せず)に収納している。外装ケースは、電池ブロック13の空気通路6に送風する開口部を設けている。この開口部にファン22が冷却風を強制送風する。開口部に送風される冷却風は、空気通路6に送風されて電池1を冷却する。
以上のパック電池は、列ユニット11の電池1を碁盤格子状に配列して、電池1の中心が正方形の角部に配置するように配置している。このパック電池は、隔壁用リブ8を平面状として、隔壁用リブ8の両側に設けられる分岐空気通路6Aにスムーズに冷却風を送風できる。ただ、本発明のパック電池は、列ユニットの電池を、必ずしもこの配列とする必要はない。
図7と図8に示すパック電池は、列ユニット51の電池1を互いに電池1の間にできる谷間に挿入する状態に配置している。図では、互いに隣接する電池1の中心が、正三角形の角部に位置するように配置している。したがって、ホルダーケース52は、列ユニット51の電池1を、中心が正三角形の角部に位置するように配列できる形状の熱連鎖防止リブ57を、エンドプレート53に一体成形して設けている。図の熱連鎖防止リブ57は、中間壁57Aが波形に連続する形状であって、中間壁57Aの両側には、電池1を保持する湾曲溝57Bを形成している。互いに隣接する列ユニット51は、一方の列ユニット51の電池1の谷間に、他方の列ユニット51の電池1が対向する姿勢として配置している。さらに、ホルダーケース52は、隣接する列ユニット51の間に、電池1との間に分岐空気通路56Aを設けるように隔壁用リブ58を設けている。隔壁用リブ58は、両側に配置される列ユニット51の電池1を均一に冷却するように、空気通路56の中央に位置するように配設される。したがって、図に示す隔壁用リブ58は、隣接する列ユニット51の電池1の表面に沿う波形形状としている。このパック電池は、列ユニット51の電池1を互いに接近できるので、列ユニット51の幅を狭くして、パック電池全体をコンパクトにできる特徴がある。
さらに、以上のパック電池は、電池1を2列に並べて列ユニット11としているが、本発明のパック電池は、図9と図10に示すように、電池1を1列に並べて列ユニット71とすることもできる。このパック電池は、熱連鎖防止リブ77の両面に、隣接する円筒形電池1の表面に接する湾曲溝77Bを設けている。この熱連鎖防止リブ77は、湾曲溝77Bを電池1の表面に接触させて、電池1の熱を伝導する状態としている。この図に示すパック電池は、各電池ブロック73が、5個の電池1を1列に並べてなる列ユニット71を、間に空気通路76ができるように8列に並べて、全体で40個の電池1をホルダーケース72に収納している。ホルダーケース72は、列ユニット71の電池1を8列に収納するので、7列の隔壁用リブ78を設けて、隣接する列ユニット71の間に分岐空気通路76Aを設けている。
以上のパック電池は、以下のようにして組み立てられる。
(1) 図3の分解斜視図に示すように、一対のホルダーユニット2Aの内側に電池1を配置して、ホルダーユニット2Aを連結し、エンドプレート3の外側にリード板16を配設して、このリード板16を各々の電池1の電極端面にスポット溶接して接続する。
(2) ホルダーケース2に電池1を収納する3組の電池ブロック13のリード板16を、基板ホルダ21に固定している回路基板20に連結し、リード板16を介して電池ブロック13と基板ホルダ21と回路基板20を連結する。
以上の工程で電池のコアパック10が組み立てられる。
(3) 電池のコアパック21を外装ケースに入れる。
従来のパック電池の分解斜視図である。 本発明の一実施例にかかるパック電池のコアパックの斜視図である。 図2に示すコアパックの分解斜視図である。 図2に示すコアパックの断面図である。 図4に示すコアパックの拡大断面図である。 本発明の実施例にかかるパック電池のコアパックの拡大断面図である。 本発明の他の実施例にかかるパック電池のコアパックの断面図である。 図7に示すコアパックの拡大断面図である。 本発明の他の実施例にかかるパック電池のコアパックの断面図である。 図9に示すコアパックの拡大断面図である。
符号の説明
1…電池
2…ホルダーケース 2A…ホルダーユニット
3…エンドプレート
4…保持部
6…空気通路 6A…分岐空気通路
7…熱連鎖防止リブ 7A…中間壁
7B…湾曲溝
8…隔壁用リブ
10…コアパック
11…列ユニット
13…電池ブロック
16…リード板
17…嵌着部
20…回路基板
21…基板ホルダ
22…ファン
31…列ユニット
32…ホルダーケース
36…空気通路 36A…分岐空気通路
37…熱連鎖防止リブ 37A…中間壁
37B…湾曲溝
38…隔壁用リブ
51…列ユニット
52…ホルダーケース
53…エンドプレート
56…空気通路 56A…分岐空気通路
57…熱連鎖防止リブ 57A…中間壁
57B…湾曲溝
58…隔壁用リブ
71…列ユニット
72…ホルダーケース
73…電池ブロック
76…空気通路 76A…分岐空気通路
77…熱連鎖防止リブ 77B…湾曲溝
78…隔壁用リブ
91…電池
95…エンドプレート
96…円筒部
97…突出部

Claims (6)

  1. 電池を1列又は2列に並べて配列している電池の列ユニットと、複数の列ユニットの間に空気通路を設けて電池の列ユニットを複数列に並べて配列しているホルダーケースとを備え、空気通路に冷却風を送風して電池を冷却するようにしてなるパック電池であって、
    列ユニットを構成する電池の間には、電池の表面に接触する熱連鎖防止リブを設けており、空気通路には、隣接する列ユニットの中間に、列ユニットの電池が放射する輻射熱を遮断し、かつ各々の列ユニットとの間に分岐空気通路を設けるように隔壁用リブを設けており、
    分岐空気通路に送風される冷却風で電池が冷却され、各々の電池の熱を熱連鎖防止リブに伝導して隣接する電池の過熱を防止し、電池の輻射熱を隔壁用リブで遮断して、電池の熱暴走が隣の列ユニットの電池に誘発するのを防止するようにしてなり、
    熱連鎖防止リブが電池の表面を被覆する領域が冷却風の送風方向で異なるパック電池。
  2. 熱連鎖防止リブと隔壁用リブとがプラスチック製である請求項1に記載されるパック電池。
  3. 熱連鎖防止リブと隔壁用リブとがプラスチック製のホルダーケースに一体的に成形されてなる請求項1に記載されるパック電池。
  4. ホルダーケースが、電池に接続されるリード板を定位置にセットするエンドプレートを一体的に成形して設けている請求項1に記載されるパック電池。
  5. 分岐空気通路の内幅が冷却風の送風方向で変化している請求項1に記載されるパック電池。
  6. ホルダーケースが複数のホルダーユニットに分割されてなる請求項1に記載されるパック電池。
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