JP5512446B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、電池パックに関し、特に、複数の素電池間における熱連鎖を防止するための構造に関する。

電池パックは、電動工具、電動アシスト自転車、電動バイク、ハイブリッド電気自動車、さらには電気自動車など、広い用途で用いられている。
図６に示すように、従来技術に係る電池パックは、それぞれが円筒形の外観形状を有する複数の素電池９２１を備え、これらが樹脂材料などからなる電池ホルダ９２２に収納され、リード板９２３で電気的接続がなされている。そして、このように構成されたコアパックが、ケース９１０に収納され、ケース９１０の開口が蓋９１１で閉じられ、さらに蓋９１１の上に基板ホルダ９１２が載置されて電池パックが構成されている。

また、図７に示すように、別の従来技術に係る電池パックでは、Ｘ軸方向に７本の素電池９７１が配列され、当該配列された素電池９７１の組が、Ｚ軸方向に４段配されている。そして、Ｚ軸方向において、素電池９７１の組同士の間に、３つの電池ホルダ９７２が介挿されている。素電池９７１は、電池ホルダ９７２が介挿された状態で、リード板９７３を以って電気的な接合が図られ、ケース９５０内に収納されている。そして、ケース９５０の開口が蓋９５１で閉じられ、その上に基板ホルダ９５２が載置されて電池パックが構成されている。

上記においては、電池ホルダ９２２，９７２が、素電池９２１の位置決めを行う役割と、外部から衝撃力が加わった場合の素電池９２１，９７１を保護する役割を担っていた。
ところで、電池パックにおける複数の素電池の内、一本の素電池について、アブユースや外部からの作用などにより以上発熱を生じた場合に、その影響がパッケージ内の複数の素電池に波及してしまうという、所謂、熱連鎖の問題がある。

これに対して、上記従来技術に係る電池パックでは、隣接する素電池間に、樹脂材料などからなる電池ホルダ９２２，９７２を介挿させており、その厚みを厚くして、素電池９２１，９７１の外周面同士の間隔を拡げることにより、熱連鎖を防止することも考えられる。

特開２００７−６６７７３号公報 特開２００５−３１７４５５号公報

しかしながら、上記のように熱連鎖を防止するために電池ホルダの厚みを厚くし、隣接する素電池間の間隔を拡げることは、電池パックにおけるエネルギ密度の低下という問題を招くことになる。近年では、電池パックに対しては、より高いエネルギ密度が求められており、熱連鎖の防止のために電池ホルダの厚みを厚くすることは、このような要望に反する。

本発明は、このような問題の解決を図るべくなされたものであって、熱連鎖を効果的に防止できるとともに、高いエネルギ密度を有する電池パックを提供することを目的とする。

そこで、本発明に係る電池パックは、次のような構成を採用することとした。
本発明に係る電池パックは、複数の円筒形素電池を有し、複数の円筒形素電池は、外周面同士が互いに当接する状態あるいは１．０［ｍｍ］以下の隙間を以って近接する状態で配置されている。そして、複数の円筒形電池における外周面同士の間の領域の全部を埋めて、当該外周面と密着する状態でポッティング樹脂部が充填形成されている、ことを特徴とする。

本発明に係る電池パックでは、複数の円筒形素電池について、外周面同士が互いに当接する状態あるいは１．０［ｍｍ］以下の隙間を以って近接する状態で配置されているので、高いエネルギ密度を有する。
また、本発明に係る電池パックでは、複数の円筒形素電池における外周面同士の間の領域には、当該外周面と密着する状態でポッティング樹脂部が充填形成されている。このため、上記従来技術に係る電池パックで、隣接する円筒形素電池間に電池ホルダを介挿させる場合に比べて、ポッティング樹脂部を充填形成する本発明に係る電池パックの場合には、円筒形素電池の外周面とポッティング樹脂部との密着性が高く、間に空気層が残り難い。よって、円筒形素電池で発生した熱が効率よくポッティング樹脂部へと伝達される。

また、一般に使用されているポッティング樹脂は、上記従来技術で使用されている電池ホルダの樹脂よりも、熱伝導性が高い。このため、本発明に係る電池パックでは、円筒形素電池から伝達された熱が、ポッティング樹脂部の全体に分散され、熱連鎖の効果的な防止が図られる。
従って、本発明に係る電池パックは、熱連鎖を効果的に防止できるとともに、高いエネルギ密度を有する。

さらに、本発明に係る電池パックでは、ポッティング樹脂部の充填形成により、複数の円筒形素電池における均熱性の向上が図られ、サイクル特性に起因する円筒形素電池間でのサイクル特性インバランスを抑制することができる。よって、本発明に係る電池パックでは、内蔵する複数の円筒形素電池におけるサイクル特性の向上も図られる。
本発明に係る電池パックでは、一例として、次のようなバリエーションを採用することができる。

本発明に係る電池パックでは、上記構成において、ポッティング樹脂部が、複数の円筒形素電池の各外周面の１０［％］以上の領域を被覆している、という構成を採用することができる。このように、ポッティング樹脂部が複数の円筒形素電池の各外周面の１０［％］以上の領域を被覆するという構成を採用する場合には、素電池で発生した熱を、特に高い効率を以ってポッティング樹脂部へと伝達可能であり、熱連鎖の防止を図り、円筒形素電池におけるサイクル特性の向上を図るという、両観点から効果を奏することができる。なお、ポッティング樹脂部が複数の円筒形素電池の各外周面の３０［％］以上の領域を被覆するという構成を採用すれば、さらに高い効果を奏する。

本発明に係る電池パックでは、上記構成において、複数の円筒形素電池が、これらを端面側から見るとき、俵積み状となるように配置されている、という構成を採用することができる。このように、複数の円筒形素電池を俵積み状となるように配置することにより、無駄なスペースを排することができ、さらに高いエネルギ効率を実現することができる。
本発明に係る電池パックでは、上記構成において、複数の円筒形素電池が、外周面同士が互いに当接する状態で配置されている、という構成を採用することができる。このように、隣接する円筒形素電池の外周面同士を当接することにすれば、隙間をあけて配置する場合に比べて、さらに高いエネルギ効率を実現することができる。

本発明に係る電池パックでは、上記構成において、ポッティング樹脂部が、シリコーン系またはエポキシ系またはウレタン系のポッティング樹脂材料から構成されている、という構成を採用することができる。このような材料を用い形成されたポッティング樹脂部を用いることにより、高い熱伝導性が実現でき、素電池から伝達された熱を高い効率で分散させることができる。ポッティング樹脂部の熱伝導率については、例えば、０．３［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上とすることが、熱の分散という観点から望ましい。

本発明に係る電池パックでは、複数の円筒形素電池の種類については、特に限定がないが、リチウム二次電池である場合には、特に有用である。例えば、リチウム二次電池においては、ニッケル水素二次電池やニッケル−カドミウム二次電池などといった他の種類の電池に比べて、熱連鎖の防止という問題が重要だからである。また、リチウム二次電池は、温度依存性が高く、サイクル特性の向上という観点からも、本発明の構成を採用することが有用である。

実施の形態に係る電池パック１の外観構成を示す模式斜視図である。 電池パック１の内部構成を示す模式展開斜視図である。 電池パック１における電池群２１の構成を示す模式平面図である。 確認実験を行ったサンプルの構成を示す模式平面図である。 確認実験を行ったサンプルの構成を示す模式平面図である。 従来技術に係る電池パックの内部構成を示す模式展開斜視図である。 従来技術に係る電池パックの内部構成を示す模式展開斜視図である。

以下では、本発明を実施するための形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下で示す具体例は、本発明の構成およびその構成から奏される作用・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、発明の本質とする構成部分以外について、以下の具体例に何ら限定を受けるものではない。
１．電池パック１の構成
本実施の形態に係る電池パック１の外観構成について、図１および図２を用い説明する。

図１に示すように、電池パック１は、ケース１０と蓋１１との組み合わせを以って構成された外装体と、蓋１１に対してＺ軸方向上に載置された基板ホルダ１２とにより外観が構成されている。
蓋１１の外縁部分からは、８つのリード板２２〜２９の各一部が延出され、基板ホルダ１２の上部で内側に向けてＬ字状に曲折加工されている。

図２に示すように、ケース１０と蓋１１とにより構成される収納部には、コアパック２０が収納されている。
コアパック２０は、素電池群２１と、それらを電気的に接続する８つのリード板２２〜２９とを有し構成されている。
電池パック１においては、各リード板２２〜２９のＺ軸方向上側の先端部分の一部が、蓋１１の外縁に設けられた孔を挿通して延出されるようになっている（図１を参照）。

２．素電池群２１の構成
電池パック１に含まれる素電池群２１の構成について、図３を用い説明する。図３は、素電池群２１を図２におけるＹ軸方向の手前側から見た模式図である。
図３に示すように、本実施の形態に係る電池パック１の素電池群２１は、２８本の素電池２１１〜２３８を備える。素電池２１１〜２３８の各々は、円筒形の外観形状を有し、例えば、リチウム二次電池である。

２８本の素電池２１１〜２３８は、所謂、俵積み状態で密集して配置されており、互いの外周面同士が当接された状態となっている。また、素電池２１１〜２３８の外周面同士の間の隙間部分には、ポッティング樹脂部２３９が充填形成されている。ポッティング樹脂部２３９は、例えば、シリコーン系またはエポキシ系またはウレタン系のポッティング樹脂を隙間に充填することにより形成されている。

なお、ポッティング樹脂部２３９については、実際には次のようにして形成することができる。
（ｉ）例えば、作業台上にケース１０に相当するジグを構成し、これに素電池２１１〜２３８を取り付けて、俵積み状に固定する。
（ｉｉ）次に、素電池２１１〜２３８の外周面同士の間の隙間部分に、ポッティング樹脂部２３９を構成するための材料を含むポッティング液を注入する。

（ｉｉｉ）ポッティング液を硬化させることにより、ポッティング樹脂部２３９が形成できる。
３．優位性
本実施の形態に係る電池パック１では、２８本の素電池（円筒形リチウム二次電池）２１１〜２３８について、外周面同士が互いに当接する状態で配置され、その状態でケース１０に内部に収納されているので、素電池２１１〜２３８の互いの間での無駄なスペースがなく、高いエネルギ密度を有する。

また、本実施の形態に係る電池パック１では、２８本の素電池２１１〜２３８における外周面同士の間の領域には、当該外周面と密着する状態でポッティング樹脂部２３９が充填形成されている。このため、上記従来技術に係る電池パックで、隣接する円筒形素電池間に電池ホルダを介挿させる場合に比べて、ポッティング樹脂部２３９を充填形成する電池パック１では、素電池２１１〜２３８の外周面とポッティング樹脂部２３９との密着性が高く、間に空気層が残り難い。よって、アブユースやアクシデントなどに起因して、素電池２１１〜２３８の一部で発生した熱が効率よくポッティング樹脂部２３９へと伝達される。

また、一般に使用されているポッティング樹脂は、上記従来技術で使用されている電池ホルダの樹脂よりも、熱伝導性が高い。このため、電池パック１では、素電池２１１〜２３８から伝達された熱が、ポッティング樹脂部２３９の広い範囲に分散され、素電池２１１〜２３８間での熱連鎖を効果的に防止できる。
以上より、本実施の形態に係る電池パック１は、熱連鎖を効果的に防止できるとともに、高いエネルギ密度を有する。

さらに、本実施の形態に係る電池パック１では、素電池２１１〜２３８の外周面同士の間へのポッティング樹脂部２３９の充填形成により、素電池２１１〜２３８における均熱性の向上が図られ、サイクル特性に起因する素電池２１１〜２３８間でのサイクル特性インバランスを抑制することができる。よって、電池パック１では、内蔵する素電池２１１〜２３８におけるサイクル特性の向上も図られる。

特に、本実施の形態に係る電池パック１では、素電池２１１〜２３８のそれぞれにリチウム二次電池を採用しており、リチウム二次電池が温度依存性が高いことを考慮するとき、特に効果的である。
４．確認実験
以下では、効果を確認するために行った実験の結果について、説明する。

（１）素電池間の間隔および介挿部材と熱連鎖の発生
素電池間の間隔および介挿部材と熱連鎖の発生との関係について、８種類のサンプルを作製し、確認試験を行った。
（ｉ）サンプルＮｏ．１；図４（ａ）に示すように、９本の素電池を格子状に配置し、間には部材を介挿させなかった。即ち、素電池間には空気層が介挿されていることになる。そして、素電池間の間隔を１．０［ｍｍ］とした。

（ｉｉ）サンプルＮｏ．２；素電池の配置、および素電池間に空気層が介挿される点は、サンプルＮｏ．１と同じである。相違点は、素電池間の間隔を１．５［ｍｍ］とした点である。
（ｉｉｉ）サンプルＮｏ．３；図４（ｂ）に示すように、５本の素電池をちどり状に配置し、間には従来技術に係る電池パックで用いられているのと同様の、樹脂性の電池ホルダを介挿させた。電池ホルダは、例えば、ポリカーボネートから構成されている。また、素電池間の間隔を１．０［ｍｍ］とした。

（ｉｖ）サンプルＮｏ．４；素電池の配置、および素電池間に樹脂製の電池ホルダが介挿される点は、サンプルＮｏ．３と同じである。相違点は、素電池間の間隔を１．５［ｍｍ］とした点である。
（ｖ）サンプルＮｏ．５；図４（ｃ）に示すように、９本の素電池を格子状に配置し、間にはポッティング樹脂を硬化させたポッティング樹脂部を介挿させた。そして、図４（ｃ）とは少し異なるが、隣接する素電池の外周面同士を当接（間隔を０［ｍｍ］）させた。

（ｖｉ）サンプルＮｏ．６；素電池の配置、および素電池間にポッティング樹脂部が介挿される点は、サンプルＮｏ．５と同じである。相違点は、素電池間の間隔を０．５［ｍｍ］とした点である。
（ｖｉｉ）サンプルＮｏ．７；素電池の配置、および素電池間にポッティング樹脂部が介挿される点は、サンプルＮｏ．５，６と同じである。相違点は、素電池間の間隔を１．０［ｍｍ］とした点である。

（ｖｉｉｉ）サンプルＮｏ．８；素電池の配置、および素電池間にポッティング樹脂部が介挿される点は、サンプルＮｏ．５，６，７と同じである。相違点は、素電池間の間隔を１．５［ｍｍ］とした点である。
試験は、各サンプルＮｏ．１〜８について、＃１セル（素電池）に対して、熱暴走を発生させて燃焼させたときの、他の素電池に類焼があったか否かを確認するものとした。なお、Ｎｏ．５，６のサンプルについては、＃１セル（素電池）で燃焼しなかったので、＃２セル（素電池）を熱暴走させることにより燃焼させた。結果を、表１に示す。

表１に示すように、Ｎｏ．１およびＮｏ．３のサンプルでは、全セルが類焼した。その他のサンプルでは、類焼は認められなかった。これより、熱連鎖の防止という観点からは、セル間に空気層が介在する場合、および樹脂製の電池ホルダを介挿させる場合、素電池間の間隔を少なくとも１．５［ｍｍ］確保する必要があることが分かる。

一方、ポッティング樹脂部を介挿させたＮｏ．５からＮｏ．８のサンプルでは、何れにおいても、類焼は発生しなかった。よって、ポッティング樹脂部を介挿させる場合には、隣接する素電池の外周面同士を当接させることができる。そして、エネルギ効率の向上という観点も加えて考えるとき、素電池間の間隔を１．０［ｍｍ］以下とすることで、従来よりも、エネルギ効率を高くできるとともに、熱連鎖の防止を図ることができる。

（２）素電池の配置形態とポッティング樹脂部の形成領域
素電池の配置形態とポッティング樹脂部の形成領域について、４種類のサンプルを作製し、確認試験を行った。
（ｉ）サンプルＮｏ．１１；図５（ａ）に示すように、９本の素電池を格子状に配置し、これらをケースに収納した後、ケース内全体にポッティング樹脂部を充填形成した。

（ｉｉ）サンプルＮｏ．１２；図５（ｂ）に示すように、９本の素電池を、所謂、俵積み状に配置し、これらをケースに収納した後、ケース内全体にポッティング樹脂部を充填形成した。
（ｉｉｉ）サンプルＮｏ．１３；図５（ｃ）に示すように、９本の素電池を、所謂、俵積み状（ちどり状）に配置し、これらをケースに収納した後、隣接する素電池の外周面同士の間にだけポッティング樹脂部を充填形成した。

（ｉｖ）サンプルＮｏ．１４；図５（ｄ）に示すように、９本の素電池を、所謂、俵積み状に配置し、これらをケースに収納せず（コアパックの状態で）、隣接する素電池の外周面同士の間にだけポッティング樹脂部を充填形成した。
試験は、各サンプルＮｏ．１１〜１４について、＃１セル（素電池）で熱暴走させることにより燃焼させたときの、他の素電池に類焼があったか否かを確認するものとした。なお、Ｎｏ．１１のサンプルについては、＃１セルで燃焼しなかったので、＃２セル（素電池）で熱暴走を発生させることにより燃焼させた。結果を、表２に示す。

表２に示すように、Ｎｏ．１３のサンプルを除き、類焼はなかった。また、Ｎｏ．１３のサンプルでは、結果的に類焼が認められたものの、酸素供給状態でケースが燃焼したことで全セルが類焼したものであり、熱連鎖に起因するものはないと考えられる。

よって、本実験結果より、素電池を格子状に配置した場合、およびちどり状に配置した場合の双方で、熱連鎖に起因する類焼は発生せず、また、ポッティング樹脂部の充填形成の領域についても、類焼には大きく影響を与えなかった。
以上より、エネルギ効率の向上と熱連鎖の防止との両観点から、複数の素電池を俵積み状（ちどり状）に配置するとともに、少なくとも隣接する素電池の外周面同士の間の隙間部分にポッティング樹脂部を充填形成すればよいことが確認できた。

５．その他の事項
上記実施の形態は、本発明の構成及び作用・効果を分かりやすく説明するために採用した一例であって、本発明は、その本質的部分を除き、上記実施の形態に何ら限定を受けるものではない。例えば、図２および図３に示すように、上記実施の形態では、２８本の素電池を備える構成を採用したが、素電池の本数は、これに限定されず、２７本以下であっても、逆に、２９本以上であってもよい。

また、上記実施の形態では、隣接する素電池の外周面同士が当接するようにしているが、必ずしも当接させる必要はなく、エネルギ効率の観点から許容される範囲で、１．０［ｍｍ］以下の隙間をあける構成とすることもできる。このようにしても、従来技術に係る電池パックよりも、高いエネルギ効率の実現が可能である。
また、上記では、ポッティング樹脂部２３９の形成について、ケース１０に収納する前にポッティング樹脂部２３９を充填形成しておく形態を一例として採用したが、本発明では、これに限定を受けず、種々の形成方法を使用することができる。例えば、複数の素電池をリード板で接合し、これをケース内に収納した後に、ポッティング液を注入して硬化させるということでもポッティング樹脂部の形成が可能である。

本発明は、電動工具、電動アシスト自転車、電動バイク、ハイブリッド電気自動車、さらには電気自動車など、広い用途で用いることができ、高い安全性と高いエネルギ効率とを両立し得る電池パックを実現するのに有用である。

１．電池パック
１０．ケース
１１．蓋
１２．基板ホルダ
２０．コアパック
２１．素電池群
２２〜２９．リード板
２１１〜２３８．素電池
２３９．ポッティング樹脂部

Claims (7)

1. 複数の円筒形素電池を有する電池パックであって、
   前記複数の円筒形素電池は、外周面同士が互いに当接する状態あるいは１．０ｍｍ以下の隙間を以って近接する状態で配置されており、
   前記複数の円筒形電池における外周面同士の間の領域の全部を埋めて、当該外周面と密着する状態でポッティング樹脂部が充填形成されている
   ことを特徴とする電池パック。
2. 前記ポッティング樹脂部は、前記複数の円筒形素電池の各外周面の１０％以上の領域を被覆している
   ことを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記複数の円筒形素電池は、これらを端面側から見るとき、俵積み状となるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電池パック。
4. 前記複数の円筒形素電池は、外周面同士が互いに当接する状態で配置されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の電池パック。
5. 前記ポッティング樹脂部は、シリコーン系またはエポキシ系またはウレタン系のポッティング樹脂材料から構成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の電池パック。
6. 前記ポッティング樹脂部は、０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の電池パック。
7. 前記円筒形素電池は、リチウム二次電池である
   ことを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の電池パック。
   

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