JP5339407B2

JP5339407B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP5339407B2
Application number: JP2008184535A
Authority: JP
Inventors: 正勝笠井
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-07-16
Also published as: WO2010008026A3; US20110115437A1; EP2312672A2; JP2010027261A; TWI469414B; CN102177600A; TW201014012A; US8487586B2; EP2312672B1; WO2010008026A2; EP2312672A4

Description

本発明は、二次電池による多直列多並列接続に適した電池モジュールで構成される電池パックに関するものである。

近年の電子機器、特に携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用情報機器の発達や普及に伴い、小型、軽量で、かつエネルギー密度が高い二次電池の需要が大きく伸張し、さらなる高性能化の検討がなされている。このような二次電池として特にリチウムイオン二次電池が注目されている。

リチウムイオン二次電池の一般的な構造は、リチウム−コバルト複合酸化物などの正極活物質粉末、導電性粉末、及びバインダからなる正極活物質層をアルミニウム箔からなる正極集電体表面に形成してなる正極と、炭素系の負極活物質粉末、及びバインダからなる負極活物質層を銅箔からなる負極集電体表面に形成してなる負極を、多孔質のフィルムからなるセパレータを介して重ね、電解液を含浸し発電素子としたものである。

小型化、軽量化のために、電解液を高分子電解質に替えたリチウムイオンポリマー電池が用いられ、また発電素子を収納する外装体としてアルミニウムなどの金属箔と高分子フィルムからなるラミネートフィルムが用いられている。

図３は、ラミネートフィルムを外装体に用いたリチウムイオン二次電池の一例を示す斜視図である。発電素子をラミネートフィルム１に収納してリチウムイオン二次電池が構成され、発電素子の正極に接続された正極タブ２と負極に接続された負極タブ３を、それぞれラミネートフィルム１より突出させて設けている。

現在、比較的容量の大きいリチウムイオン二次電池は、その利用される機器の特性から単電池で出荷されることは少なく、複数の電池を直列または並列に接続した組電池を有する電池パック形状にて出荷されることが多い。

容量の大きいリチウムイオン電池モジュールは、内部に貯蔵するエネルギーが大きいため、過充電、短絡などの異常状態から単電池を保護する保護回路基板を内蔵した構成であり、例えば特許文献１、２に記載されている。

特開平１１−３４１６９３号公報特開２００６−１２８０５号公報

図４は、従来の単電池７枚で構成される大容量リチウムイオン電池パックの構成図である。約４．０Ａｈ程度の容量を持つ単電池を７直列１並列に配置した組電池６に、保護回路基板７が取り付けられており、外部との接続コネクタが備えられている。図５は、従来の単電池１４枚で構成される大容量リチウムイオン電池パックの構成図である。約４．０Ａｈ程度の容量を持つ単電池を７直列１並列に配置した組電池１０、１１を７直列２並列に配置し、保護回路基板１２を取り付けたうえで、外部との接続コネクタが備えられている。これらの電池パックには保護回路基板が取り付けられているので、保護回路基板を実装する分、保護回路基板が取り付けられない電池モジュールと比較すると、体積的に不利になっている。

電池モジュール内に半導体を利用した保護回路基板を使用している場合、基板上の部品の耐電圧、耐電流値の制約がある。例えば、２４Ｖ系のモジュールにおいて、その電圧に耐えられる様、２倍の４８Ｖ耐圧の素子にて保護回路を構成した場合、このモジュールを直列に２つ繋いだ時点でマージンがなくなり、３つ直列に繋いだ場合はその時点で耐圧を超えてしまい、異常時にこの素子が破壊され保護機能が働かなくなる恐れがある。この為、電池モジュール同士での直列接続、並列接続を自由に行うことが困難であった。

初めから耐電圧の高い部品にて保護回路基板を構成する方法もあるが、部品の外形の制限や単価が高くなる等の問題があり、規模の小さな電池モジュールにおいては体積的にも価格的にも不利である。

電池モジュールを使用しない場合、１０直列３並列以上の比較的大きな構成の電池パックにおいては、単電池を組電池に組み立てる工程が非常に煩雑になり生産性が悪かった。

上記課題を解決するため、本発明では、半導体を使用した保護回路基板を含まない組電池単位でモジュール化し、複数のモジュールを有する電池パックで安全性を確保し運用することにより直列接続、並列接続の自由度を高め、その際の組み立て工数を削減するものである。

すなわち、本発明の技術的課題は、直列接続や並列接続の自由度が高く、組立生産性が高く、電池モジュールには保護回路基板を使用しない電池パックを提供することにある。

複数の単電池が接続されケースに収容された電池モジュール複数個と前記電池モジュールと別体であって前記複数個の電池モジュールの充電放電等を一括して制御する保護回路基板を有するリチウムイオン電池パックであって、前記単電池がマンガン系正極、負極、及び電解液を有する発電素子を金属箔と樹脂からなるラミネートフィルムに収容してなるリチウムイオン電池パックである。

また、前記正極側に電流ヒューズを設けた前記のリチウムイオン電池パックである。

前記電池モジュールが前記単電池同士を隣接させ、粘着剤で固定し、前記電池モジュールを複数個積層して並列または直列またはそれらの組み合わせで互いに接続される前記のリチウムイオン電池パックである。

本発明の電池パックは、前記電池モジュールが樹脂や金属ケースに収容されることを特徴とする。

本発明の電池パックは、前記単電池の容量が１Ａｈ以上、５００Ａｈ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、直列接続や並列接続の自由度が高く、組立生産性が高く、電池モジュールには保護回路基板を使用しない電池パックが得られる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明における電池モジュールの構成図である。約４．０Ａｈの容量を持つ単電池を７直列１並列の組電池１５にした構成の電池モジュールである。この形状や組電池１５の構成は、設計により適宜変更される。

本電池モジュールは、単電池を必要数直列に組み合わせた組電池１５、その組電池１５の最下層の正極から引き出された主電源線正極１７、最上層の負極から引き出された主電源線負極１６、各単電池の電圧を外部で監視するために引き出された電圧センス線１９、主出力線の正極側と各センス線に装着された短絡時保護用の電流ヒューズ１８、センス線用ヒューズ基板２０、それらを外力から保護する為の電池モジュール上ケース１３、電池モジュール下ケース１４、センス線外部接続コネクタ２１および主電源線外部接続コネクタ２２から構成されており、保護回路基板は取り付けられていない。

電池モジュール上ケース１３、電池モジュール下ケース１４は、外力が加わったときに該電池モジュール上、下ケースと中の組電池の電位を持った部分での短絡を防止するためＰＣ、ＡＥＳ等の樹脂が好ましいが、該電池モジュール上、下ケースの放熱性、強度を重視する場合、Ａｌ、ＳＵＳなどの金属も可能である。

電流ヒューズ１８は、使用される機器によって要求が変わるので特に指定はないが、通常の２４Ｖ系には３０Ａ以上、駆動系に使用される大電流が必要なものでは１００Ａ以上の定格を持つものを適用するのが安全性を確保するうえで好ましい。

主電源線正極１７および主電源線負極１６は、組電池１５と主電源線外部接続コネクタ２２を接続しており、これに適用される線材も必要な電流量によって適宜選択されるが、ＡＷＧ＃１４番線（直径１．６２８ｍｍ）以上の太さが好ましい。電圧センス線１９は、必要な電流量から勘案するとＡＷＧ＃３０番線（直径０．２５４６ｍｍ）以上の太さが好ましい。また、接続は電線だけでなく、銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属板のバスバーによる接続も可能である。

本電池モジュールは、複数個の二次電池を自由に直列接続、並列接続とすることが可能である。１モジュールでの使用を考慮すると、実装される組電池の直列数は、必要最低限であることが好ましい。実際に搭載される機器としては１２Ｖ系、もしくは２４Ｖ系が多い為それに合わせて最小単位とすることが効率的である。従って、１２Ｖ系では３〜４直列1並列、２４Ｖ系では６〜８直列１並列に設定することが特に好ましい。

図２は、複数電池モジュールでの電池パック構成図である。この電池パックに実装されるモジュール数は、要求される仕様により適宜選択される。

本電池パックは、１つ以上の電池モジュール２３、各電池モジュールの充電、放電等を制御する保護回路基板２４、それらを実装する為の電池パック上ケース２５、電池パック下ケース２６およびパック出力接続部２７により構成されている。４つの電池モジュール２３で構成される電池パックの場合、４直列１並列、２直列２並列、１直列４並列の３種類の接続が可能である。

保護回路基板２４にて各電池モジュールの保護機能を形成する為、各電池モジュール２３に保護機能を持たせる必要がない。この為、電池モジュール２３内の保護回路基板の制約を受けることなく直列及び並列接続を自由に行うことができる。

電池パック内における電池モジュール同士の直列接続、並列接続は、一度保護回路基板に繋ぎ、基板上で接続しても、電池モジュールに設けられているコネクタを介して電線で直接接続してもよい。

単電池容量は、１Ａｈ以上であることが、携帯機器の領域以外の、例えば積層型ラミネート電池に適用するためには好ましい。また単電池の容量が５００Ａｈを超える場合、安全性を確保するためには単電池に保護回路基板を設けるのがよく、単電池の容量は５００Ａｈ以下であるのが好ましい。

以下に本発明の実施例を詳述する。

二次電池の正極の製作は、スピネル構造を持つマンガン酸リチウム粉末、炭素質導電性付与材、およびポリフッ化ビニリデンを９０：５：５の重量比でＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）に混合分散、撹拌してスラリーとした。このスラリーを、ドクターブレードを用いて、正極板となる厚さ２０μｍのアルミニウム箔の両面に均一に塗布した。

負極の製作は、アモルファスカーボン粉末、ポリフッ化ビニリデンを９１：９の重量比でＮＭＰに混合分散、撹拌してスラリーとした。このスラリーを、ドクターブレードを用いて負極板となる厚さ１０μｍの銅箔の両面に塗布した。

スラリーを両面に塗布した正極板及び負極板を、セパレータを介して積層した電池素子と電解液をラミネートフィルムに収容し、二次電池を作製した。容量は、約４．０Ａｈであった。この二次電池を７直列１並列の組電池にし、ケースなどを取り付けて電池モジュールとした。

（実施例１）
図４は、７直列１並列の組電池を内蔵し、保護回路基板が取り付けられている電池パックで、幅９０ｍｍ×長さ２１０ｍｍ×厚さ７０ｍｍの大きさであった。これを４つ合わせた体積は５２９２ｃｍ³であった。図２に示す電池パックは、図１に示す電池モジュールが４つ実装されており、幅２００ｍｍ×長さ２５０ｍｍ×厚さ１００ｍｍの大きさであり、体積は５０００ｃｍ³であった。これより本発明の電池パックは、体積的に有利であることが確認できた。これは、４つの保護回路基板を１つにまとめたことにより体積を減らすことができたものである。

図２に示す電池パック内における電池モジュールは、４直列１並列に接続され、一度保護回路基板に繋ぎ、基板上で接続している。電池パックの組立は、電池モジュール単位で行うことにより、組立工数を従来の約３分の２に削減することができ、組立生産性が向上した。

この電池モジュールは、４直列１並列以外にも２直列２並列など、接続の自由度を高めることが可能であることが確認できた。本発明の電池パックは、過充電の安全性を考慮しマンガン系の正極を適用した電池モジュール単位で構成し、電池パックに保護回路基板を使用するので、電池モジュールには保護回路基板を使用しないで電池パックの製造が可能になった。

（実施例２）
図５は、単電池を７直列２並列の組電池にして保護回路基板を取り付けた電池パックで、幅１８０ｍｍ×長さ２１０ｍｍ×厚さ７０ｍｍの大きさであった。これを４つ合わせた体積は１０５８４ｃｍ³であった。一方、７直列２並列の組電池からなる電池モジュールが４つ実装された電池パックは、幅３８０ｍｍ×長さ２５０ｍｍ×厚さ１００ｍｍの大きさであり、体積は９５００ｃｍ³であった。これより本発明の電池パックは、体積的に有利であることが確認できた。

以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。

本発明における電池モジュールの構成図。複数電池モジュールでの電池パック構成図。ラミネートフィルムを外装体に用いたリチウムイオン二次電池の一例を示す斜視図。従来の単電池７枚で構成される大容量リチウムイオン電池パックの構成図。従来の単電池１４枚で構成される大容量リチウムイオン電池パックの構成図。

符号の説明

１ラミネートフィルム
２正極タブ
３負極タブ
４、８、２５電池パック上ケース
５、９、２６電池パック下ケース
６、１０、１１、１５組電池
７、１２、２４保護回路基板
１３電池モジュール上ケース
１４電池モジュール下ケース
１６主電源線負極
１７主電源線正極
１８電流ヒューズ
１９電圧センス線
２０センス線用ヒューズ基板
２１センス線外部接続コネクタ
２２主電源線外部接続コネクタ
２３電池モジュール
２７パック出力接続部

Claims

複数の単電池が接続されケースに収容された電池モジュール複数個と前記電池モジュールと別体であって前記複数個の電池モジュールの充電放電等を一括して制御する保護回路基板を有するリチウムイオン電池パックであって、前記単電池がマンガン系正極、負極、及び電解液を有する発電素子を金属箔と樹脂からなるラミネートフィルムに収容してなることを特徴とするリチウムイオン電池パック。
前記正極側に電流ヒューズを設けたことを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池パック
前記電池モジュールが前記単電池同士を隣接させ、粘着剤で固定し、前記電池モジュールを複数個積層して並列または直列またはそれらの組み合わせで互いに接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオン電池パック。
前記電池モジュールが樹脂や金属ケースに収容されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池パック。
前記単電池の容量が１Ａｈ以上、５００Ａｈ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウムイオン電池パック。
前記電池モジュールは、電池モジュール上ケース、電池モジュール下ケース、センス線外部接続コネクタ、主電源線外部接続コネクタを備えると共に、電池パックの出力接続部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のリチウムイオン電池パック。