JP5377928B2 - パック電池 - Google Patents

Description

本発明は、パック電池に関し、特に内蔵される安全部品の特性変動を抑制するための技術に関する。

近年、携帯電話機などのモバイル機器の普及に伴って、電源としてのパック電池が多く用いられるようになっている。従来技術に係るパック電池の構成について、図６を用い説明する。図６では、パック電池の構成の内、コアパックの構成を示す展開斜視図である。
図６に示すように、コアパックには、素電池９１０と、これに取り付けられるＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子９５０および保護回路９４０などとから構成される。素電池９１０は、扁平角型形状の外観を有し、封口蓋９１０ａに負極端子９１０ｂが設けられている。ここで、素電池９１０においては、封口蓋９１０ａと負極端子９１０ｂとは絶縁されており、封口蓋９１０ａが正極端子となる。

ＰＴＣ素子９５０は、素子本体９５１と、Ｙ軸方向両側に延出された素子リード９５２、９５３とから構成されている。ＰＴＣ素子９５０は、素子リード９５２が素電池９１０の負極端子９１０ｂに接続されている。ＰＴＣ素子９５０のもう一方の素子リード９５３は、先端部分がＸ軸方向に曲折され、当該先端部分で保護回路９４０における基板９４４の導電ランドに接続されている。なお、素電池９１０の封口板９１０ａとＰＴＣ素子９５０の素子本体９５１および素子リード９５３との間には、互いの間の絶縁を図る目的で絶縁板９６０が介挿されている。

素電池９１０の封口板９１０ａには、接続リード９７０が接続され、接続リード９７０の先端部分がＸ軸方向に曲折され、当該先端部分で保護回路９４０の基板９４４の導電ランドに接続されている。
保護回路９４０は、Ｙ軸方向に細長い基板９４４と、基板９４４に実装された電子部品９４３および外部端子９４１、および外部端子９４１の一部を覆うカバー９４２などとから構成されている。

パック電池は、図６に示すコアパックと、コアパックに対してインサート成形により形成されるトップモールディングおよびボトムモールディングと、さらには素電池９１０の主面９１０ｃなどを覆う外装ラベルなどとにより構成される。
特開２００３−１７０２２号公報 特開２００３−２８２０３６号公報 特開２００３−３４６７４７号公報

しかしながら、従来のパック電池では、充電時に素電池９１０が膨れ、この膨れの影響により、素電池９１０の負極端子９１０ｂに接続されたＰＴＣ素子９５０の素子本体９５１に歪が生じ、素子特性が変動してしまう場合がある。素電池９１０の膨れとＰＴＣ素子９５０の特性変動との関係について、図７を用い説明する。図７では、図６に示すコアパックのＢ部分を示している。

図７に示すように、素電池９１０は、充電により外装缶の主面９１０ｃが紙面に垂直な方向に膨れる。充電時における素電池の膨れは、例えば、リチウムイオン二次電池の場合、充電により正極から負極に対してリチウムイオンが移動し、このイオン移動に伴い、正極におけるリチウムコバルト酸化物の結晶の膨張、および負極カーボンの膨張が生じ、電極体の体積膨張を生じることによるものである。

充電時における素電池９１０の膨れにより、封口蓋９１０ａは、二点鎖線で示すラインＬ３のように撓む。ここで、パック電池では、図７などでは図示を省略しているトップモールディングが、素電池９１０の封口蓋９１０ａ、ＰＴＣ素子９５０および保護回路９４０などを覆う状態で形成されており、封口蓋９１０ａの上記撓みに連動して、保護回路９４０における基板９４４もラインＬ４のように撓むことになる。

上記のように素電池９１０の封口蓋９１０ａおよび保護回路９４０の基板９４４がラインＬ３，Ｌ４のように撓むとき、その間のＣ部分も撓みが生じることになる。そして、従来のパック電池では、素電池９１０の負極端子９１０ｂと保護回路９４０の基板９４４との間に架設状態で配設されているＰＴＣ素子９５０の素子本体９５１に歪を生じ、素子特性が変化してしまうことがある。このようなＰＴＣ素子９５０などの安全素子の特性変動は、パック電池の制御（品質の安定）という観点から問題を有する。

なお、近年では、パック電池に対して小型化・軽量化が求められており、保護回路９４０の基板９４４の板厚などは一層薄くなる傾向にあり、上記のような問題は一層深刻なものとなってくることが考えられる。
本発明は、上記問題を解決しようとなされたものであって、小型化・軽量化を図りながら、充電時に素電池の膨れが生じた場合にも、安全素子の特性変動を抑えることができるパック電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、次のような構成を採用することとする。
本発明に係るパック電池は、素電池と安全素子と保護回路とを主な要素として構成されている。
素電池は、一端面に正負極の少なくとも一方の端子が形成されている。
安全素子は、素子本体とこれより延出された２つのリードとからなる。そして、２つのリードの内の一方が、素電池における素電池の一端面に形成された一方の端子に電気的に接続されている。

保護回路は、安全素子におけるもう一方のリードに対して電気的に接続されている。
安全素子および保護回路は、素電池の一端面に対し、この順に配されている。
本発明に係るパック電池では、少なくとも素子本体と素電池の一端面との間に、充電時における素電池の変形に起因する応力を緩衝する緩衝部材が介挿されている、ことを特徴とする。

なお、上記において、安全素子とは、ＰＴＣ素子の他に、ＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子などの感熱素子、さらには他の電池制御に用いられる種々の素子などを指している。
また、本発明に係るパック電池の緩衝部材は、上記従来技術に係るパック電池の絶縁板９６０とは異なり、上記応力に対する緩衝効果を有するものである。即ち、上記従来のパック電池の絶縁板９６０は、重量および容積の低減のため、薄いシート状のものが用いられており、上記応力に対する緩衝効果を有するものではない。これに対して、本発明に係るパック電池の緩衝部材は、上記応力を緩衝する機械的強度を有するものである。

上記のように、本発明に係るパック電池では、安全素子が、その素子本体に対し、緩衝部材が介挿された状態で素電池の一端面上に配されている。ここで、緩衝部材は、上記のように素子本体に対して付加されており、素電池の変形に伴う応力を緩衝するものである。即ち、本発明に係るパック電池では、図６に示す従来技術に係るパック電池のように、素電池の封口蓋と保護回路との間に無防備に安全素子を配するのではなく、素子本体と素電池の一端面との間に緩衝部材を介挿させ、これによって素電池の変形に伴う応力が素子本体に影響を及ぼすのを抑制している。

本発明に係るパック電池では、上記構成を採用することにより、充電により素電池が膨れ、封口蓋（一端面）が弓状に撓んだ場合にも、この撓みに起因して素子本体に掛る応力が、緩衝部材で緩衝されて素子本体に直接影響し難くなるので、安全素子の素子本体に生じる歪応力が低減される。よって、本発明に係るパック電池では、充電時の素電池の変形に起因して、安全素子の素子特性が変化することを抑制することができる。このような構成は、保護回路における基板の板厚が薄肉化される場合には、一層効果的となる。

従って、本発明に係るパック電池では、小型化・軽量化を図りながら、素電池の膨れが生じた場合にも、安全素子の特性変動を抑えることができ、高い品質安定性を有する。
上記本発明に係るパック電池では、次のようなバリエーションを採用することができる。
上記本発明に係るパック電池では、緩衝部材として、安全素子における素子本体の形状に相当する凹部を有する形態のもの（例えば、浅皿状ケースやチャネル状ケースなど）を採用することができ、この凹部が開口が素電池の一端面とは反対側を向くように配しておくことができる。この場合においては、安全素子の素子本体を緩衝部材の凹部内に収納しておく。なお、このような形状の緩衝部材では、凹部の周囲部分がリブとなり、このリブが曲げ応力に対する剛性の向上をことができる。

また、上記本発明に係るパック電池では、緩衝部材における凹部の開口が、安全素子の素子本体が凹部内に収納された状態で、蓋体によって塞がれている、という構成を採用することができる。このような構成を採用することによって、より確実な素子本体の保護を図ることができる。
また、上記本発明に係るパック電池では、素電池の一端面と、安全素子および保護回路とが、樹脂モールドにより被覆されている、という構成を採用することができる。

以下では、本発明を実施するための最良の形態について、一例を示して説明する。なお、以下の説明で用いる実施の形態は、本発明の構成および作用・効果を分かりやすく説明するために用いる一例であって、 本発明は、その本質的部分以外に何ら以下の形態に限定を受けるものではない。
［実施の形態１］
１．パック電池１の外観構成
実施の形態１に係るパック電池１の外観構成について、図１を用い説明する。

図１に示すように、パック電池１は、素電池１０を構成要素に含むコアパック５を備える。コアパック５は、Ｘ軸方向左側の端部がトップモールディング２０により被覆され、Ｘ軸方向右側の端部がボトムモールディング２１により被覆されている。パック電池１は、素電池１０の外周面が、外装ラベル３０により被覆されている。
トップモールディング２０には、３つの窓部２０ａが形成されており、それぞれの内方において外部端子４１が露出している。

トップモールディング２０は、低温成形法またはホットメルティング法と呼ばれる周知の方法を用い形成され、コアパック５およびトップモールディング２０に相当する空間を有する金型に、コアパック５を載置し、溶融した樹脂を注入して、トップモールディング２０をインサート成型している。
２．コアパック５の構成
コアパック５の構成について、図２を用い説明する。

図２に示すように、コアパック５が有する素電池１０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の長さおよび幅に比べて、Ｚ軸方向の高さが低い扁平角型形状の外観を有し、Ｘ軸方向左下側の封口蓋（封口板）１０ａには、負極端子１０ｂが凸設されている。ここで、封口蓋１０ａと負極端子１０ｂとは、電気的に絶縁されており、封口蓋１０ａが正極端子となる。
素電池１０における負極端子１０ｂには、安全素子５０の素子リード５２が接続されている。安全素子５０は、例えば、ＰＴＣ素子であって、ブロック状の素子本体５１と、その両端からＹ軸方向に延設された素子リード５２、５３とから構成されている。

安全素子５０は、素子ホルダー６０が介挿された状態で、素電池１０における封口蓋１０ａ上に配されている。素子ホルダー６０は、絶縁性を有する材料、例えば、樹脂材料から構成されており、安全素子５０における素子本体５１の形状に対応する凹部６０ａを有し、凹部６０ａのＺ軸両側を囲むようにリブ状の側壁６０ｂが形成されている。 安全素子５０の素子本体５１は、素子ホルダー６０の凹部６０ａ内に挿入され、その底側面に当接している。なお、素子ホルダー６０における側壁６０ｂは、相対的に高さの高い部分６０ｂ１と高さの低い部分６０ｂ２とからなる。

安全素子５０のもう一方の素子リード５３は、その先端部分がＸ軸方向手前側に曲折されてＬ字状となっており、当該先端部分で保護回路４０の基板４４に設けられた導電ランド（図示を省略。）に接続されている。
素電池１０の封口蓋１０ａには、Ｙ軸方向左奥の部分に接続リード７０が接続されている。接続リード７０は、先端部分がＸ軸方向に曲折されてＬ字状となっており、当該先端部分で保護回路４０の基板４４に設けられた導電ランド（図示を省略。）に接続されている。

保護回路４０は、基板４４上に、コネクターとしての外部端子４１とこれを被覆するカバー４２、さらには電子部品４３などが載置されている。保護回路４０における基板４４は、Ｙ−Ｚ方向における形状が、素電池１０の封口蓋１０ａの形状に対応しており、間に安全素子５０や接続リード７０、および素子ホルダー６０を挟んだ状態で、対向配置される。

３．パック電池１の優位性
上記のような構成を有するパック電池１が有する優位性について、図３を用い説明する。図３では、パック電池１の構成中、コアパック５の要部を示す側面図である。
パック電池１は、その使用において充電が実行された場合に、素電池１０における極板（図示を省略。）が膨れる。これに伴い、図３に示すように、コアパック５においては、素電池１０の主面１０ｃが紙面に垂直する方向に膨れることになる。

素電池１０の主面１０ｃが膨れる場合、封口蓋１０ａは、ラインＬ１のように撓むことになる。即ち、封口蓋１０ａは、相対的に剛性が弱いＹ軸方向の中央部分が、Ｘ軸下側に向けて弓状に撓む。このように封口蓋１０ａがラインＬ１のように撓む場合には、保護回路４０の基板４４についても、ラインＬ２のように撓む。これは、図３では図示を省略しているが、封口蓋１０ａから保護回路４０の基板４４までの間には、トップモールディング２０の樹脂部が入り込んでおり、この樹脂部が封口蓋１０ａの撓みによる応力を基板４４に伝達することになる。

ここで、上述のように、従来技術に係るパック電池では、素電池９１０の膨れによる封口蓋９１０ａの撓みが、安全素子であるＰＴＣ素子９５０の素子本体９５１に歪を生じさせ、これによってＰＴＣ素子９５０の素子特性の変動を生じることになっていた。具体的には、上記のように歪が生じたとき、ＰＴＣ素子９５０の動作温度（動作温度のトリップ時において、抵抗が大きくなる）において、歪んだ樹脂がＰＴＣ素子９５０のトリップ時の素子膨張を妨げるため、本来のＰＴＣ素子９５０の動作温度が本来の値に対して異なることがある。

これに対して、本実施の形態に係るパック電池１では、安全素子５０の素子本体５１が、素子ホルダー６０の凹部６０ａ（図２を参照。）内に収納されている。ここで、凹部６０ａの構造、および側壁６０ｂの構造等により、素子ホルダー６０の剛性および強度は高くなっている。このため、封口蓋１０ａの撓みに基づく応力は、直接安全素子５０の素子本体５１に掛らず、あるいは低減され、安全素子５０の素子特性が変動し難い。即ち、パック電池１では、充電時に素電池１０が膨れる場合にも、安全素子５０における素子特性の安定を図ることができ、高い品質安定性を有する。即ち、上述のような従来技術に係るパック電池のようなＰＴＣ素子の動作温度が本来の値と異なるという問題の発生を抑えることができる。

なお、本実施の形態に係るパック電池では、素子ホルダー６０が単なる平板状をしたものではなく、凹部６０ａの二側方をリブ状の側壁６０ｂ（部分６０ｂ１および部分６０ｂ２）で囲まれたチャネル状体（あるいは、上面が省略された箱状体）としているので、素子本体５１の面の曲げ応力に抗するための緩衝部材として、より効果的である。即ち、単なる平板とするよりも、図２のＸ軸方向に立設された側壁６０ｂを備えることで、Ｘ軸方向への曲げ応力に対する強度が高い。

［実施の形態２］
実施の形態２に係るパック電池２の構成について、図４を用い説明する。なお、図４では、上記実施の形態１に係るパック電池１との差異を説明するために、安全素子５０とその周辺要素だけを抜きだして描いている。図示しない部分については、上記実施の形態１に係るパック電池１と構成が共通である。

図４に示すように、本実施の形態に係るパック電池２は、コアパック６を有し、コアパック６は、安全素子５０が素子ホルダー６１と素子カバー６２との間に形成される空間内に収納されている。具体的には、素子ホルダー６１は、上記パック電池１における素子ホルダー６０と同様に、安全素子５０における素子本体５１に対応する形状の凹部６１ａを有し、凹部６１ａに対しＺ軸方向上下にリブ状の側壁６１ｂが形成されている。

安全素子５０の素子本体５１は、素子ホルダー６１の凹部６１ａ内に収納される。そして、本実施の形態に係るパック電池では、素子ホルダー６１の凹部６１ａ内に収納された状態の安全素子５０の素子本体５１に対し、素子カバー６２により覆われる構成を有する。
素子カバー６２は、安全素子５０の素子本体５１に当接する部分が溝状に凹んでおり（溝部６２ａ）、そのＺ軸方向上下がリブ状の側壁６２ｂで囲まれている。素子カバー６２は、Ｚ軸方向幅が素子ホルダー６１と略同一になっており、素子カバー６２の側壁６２ｂの端面が、素子ホルダー６１の側壁６１ｂの端面に当接する。

他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
本実施の形態に係るパック電池２では、安全素子５０の素子本体５１が、素子ホルダー６１と素子カバー６２とによりＺ軸方向の両側が覆われている。これによって、本実施の形態に係るパック電池２では、上記実施の形態１に係るパック電池１よりも、さらに安全素子５０の素子特性の変動を抑制することができる。即ち、素電池１０の膨れに起因して封口蓋１０ａが弓状に撓んだ場合において、安全素子５０の素子本体５１への応力は、封口蓋１０ａに対向する面に対してだけではなく、間に充填されているトップモールディング２０（図１を参照。）の樹脂部を通して、反対側の面に対しても回り込むように影響を及ぼすことが考えられる。

これに対して、本実施の形態に係るパック電池２では、素子カバー６２を設けているので、上記のような保護回路４０（図２を参照。）に対向する面への応力の影響を防ぐことができる。
従って、本実施の形態に係るパック電池２では、上記実施の形態１に係るパック電池１にも増して、充電時における素電池１０の膨れに起因する安全素子５０の素子特性の変動を効果的に抑制することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３に係るパック電池３の構成について、図５を用い説明する。なお、図５では、上記実施の形態１，２に係るパック電池１，２との差異を説明するために、安全素子５０とその周辺要素だけを抜きだして描いている。図示しない部分については、上記実施の形態１，２に係るパック電池１，２と構成が共通である。

図５に示すように、本実施の形態に係るパック電池３のコアパック７では、上記実施の形態１，２に係るパック電池１，２に対し、素子ホルダー６３の形状が異なる。具体的には、本実施の形態に係るコアパック７の素子ホルダー６３は、側壁６３ｂの上面が面一となっており、ＰＴＣ素子５０における素子本体５１は、両側壁６３ｂの間に形成される溝部分に収納されている。

なお、図５に示すように、ＰＴＣ素子５０の素子本体５１は、その上面（Ｘ軸方向左側の面）が、素子ホルダー６３における側壁６３ｂの上面よりも、やや封口蓋１０ａに近い側へと配されている。即ち、ＰＴＣ素子５０の素子本体５１と素子ホルダー６３とをＺ軸方向から見るときには、ＰＴＣ素子５０の素子本体５１は、素子ホルダー６３の側壁６３ｂにより全体が隠れる状態となっている。

本実施の形態に係るパック電池３では、素子ホルダー６３の側壁６３ｂを、その上面が面一となるように形成しているので、素子本体５１に対しその側方から加わる応力も、素子ホルダー６３により効果的に緩衝することができる。
［その他の事項］
上記実施の形態１〜３では、素電池１０の封口蓋１０ａ、安全素子５０および保護回路４０が低温樹脂成型によるモールディング（トップモールディング）２０により被覆された構成を採用したが、モールディングにより上記箇所が被覆された形態のパック電池でなくても、素子ホルダー６０，６１，６３の採用により、素子特性の変動を抑えるという効果を得ることはできる。即ち、素電池１０の封口蓋１０ａと安全素子５０等との間に樹脂部が介挿されず、空間である場合にあっても、素子リード５２，５３を介して応力が伝達されるが、素子ホルダー６０，６１，６３は少なくとも素子本体５１への圧力緩衝という役割を果たす。

また、上記実施の形態１〜３では、各々一つの素電池１０を内蔵するパック電池１，２，３を一例として用いたが、複数の素電池を内蔵するタイプのパック電池にも本発明に係る構成を適用することで、上記同様の効果を得ることができる。
また、上記実施の形態１〜３では、素子本体５１が収納される凹部６０ａ，６１ａを有するチャネル状の素子ホルダー６０，６１，６３を採用したが、単なる平板状の素子ホルダーとすることもできる。この場合には、上記素子ホルダー６０，６１，６３よりも機械的強度は少し低下するものの、従来技術に係るパック電池に比べて、素子特性の変動を抑えることができる。

また、上記実施の形態１〜３では、素電池１０として扁平角型形状の外観を有するリチウムイオン二次電池を採用したが、素電池の形状および種類はこれに限定を受けるものではない。例えば、形状については、円筒型やガム型、種類についてはニッケルカドミウム二次電池やニッケル水素二次電池などを採用することもできる。
また、上記実施の形態１〜３では、素子ホルダー６０，６１，６３や素子カバー６２として、絶縁性を有する樹脂材料からなるものを採用したが、構成材料はこれに限定されない。例えば、金属板の表面に絶縁処理を施したもの等を採用することもできる。

さらに、上記実施の形態１および実施の形態２では、安全素子５０の一例として、ＰＴＣ素子が採用されるとしたが、これ以外にも安全素子として安全素子とは、ＰＴＣ素子の他に、ＮＴＣ素子や温度ヒューズ素子などの感熱素子、さらには他の電池制御に用いられる種々の素子を採用することができる。

本発明は、モバイル機器の電源などとして、高い信頼性を有するパック電池を実現するのに有用である。

実施の形態１に係るパック電池１の外観を示す展開斜視図である。 パック電池１におけるコアパック５の構成を示す展開斜視図である。 パック電池１における要部を示す側面図である。 実施の形態２に係るパック電池２におけるコアパック６の要部を示す斜視図である。 実施の形態３に係るパック電池３におけるコアパック７の要部を示す斜視図である。 従来技術に係るパック電池のコアパックの構成を示す展開斜視図である。 従来技術に係るコアパックの要部を示す側面図である。

符号の説明

１，２，３．パック電池
５，６，７．コアパック
１０．素電池
２０．トップモールディング
２１．ボトムモールディング
３０．外装ラベル
４０．保護回路
４１．外部端子
４２．カバー
４３．電子部品
４４．基板本体
５０．安全素子
５１．素子本体
５２，５３．素子リード
６０，６１，６３．素子ホルダー
６２．素子カバー
７０．接続リード

Claims (3)

1. 一端面に正負極の少なくとも一方の端子が形成されてなる素電池と、
   素子本体とこれより延出された２つのリードとからなり、一方のリードが前記一方の端子に電気的に接続されている安全素子と、
   前記安全素子の他方のリードに対し電気的に接続されている保護回路とを有するパック電池であって、
   前記安全素子と前記保護回路とは、前記素電池の一端面上に、この順に配されており、
   少なくとも前記素子本体と前記一端面との間には、充電時における前記素電池の変形に起因する応力を緩衝する緩衝部材が介挿されており、
   前記緩衝部材は、上面が省略された箱状体とし、
   前記一端面と、前記安全素子および前記保護回路とは、樹脂モールドにより被覆されている
   ことを特徴とするパック電池。
2. 前記緩衝部材は、前記安全素子の素子本体の形状に相当する凹部を有しており、当該凹部開口が前記一端面とは反対側を向くように配されており、
   前記安全素子の素子本体は、前記緩衝部材の凹部内に収納されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のパック電池。
3. 前記緩衝部材における凹部開口は、前記安全素子の素子本体が前記凹部内に収納された状態で、蓋体によって塞がれている
   ことを特徴とする請求項２に記載のパック電池。

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