JP6097637B2 - Secondary battery pack having a protection circuit - Google Patents
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Description
本発明は、保護回路を有する二次電池パックに関し、特に、大電流による急速充電を容易とするようにインピーダンスが低減された二次電池パックに関する。 The present invention relates to a secondary battery pack having a protection circuit, and more particularly, to a secondary battery pack with reduced impedance so as to facilitate rapid charging with a large current.
二次電池パックは、内蔵された二次電池の正負極に接続された外部出力端子を介して、外部機器との間で充放電が可能な状態で提供される。また、過充電、過放電、過大電流、異常な温度上昇等の異常状態から二次電池を保護するために、異常状態が発生したときには充放電を停止する制御を行う保護回路を有する。保護回路は、外部出力端子と二次電池との間に介在させた充放電制御スイッチを有し、そのオン・オフを制御するように構成される。すなわち、保護回路は、過充電、過放電等が検出されたときに、充放電制御スイッチをオフにして充放電路を遮断する制御を行う。 The secondary battery pack is provided in a state in which charge and discharge are possible with an external device via an external output terminal connected to the positive and negative electrodes of the built-in secondary battery. In addition, in order to protect the secondary battery from abnormal states such as overcharge, overdischarge, excessive current, and abnormal temperature rise, a protection circuit that performs control to stop charging and discharging when an abnormal state occurs is provided. The protection circuit includes a charge / discharge control switch interposed between the external output terminal and the secondary battery, and is configured to control on / off thereof. That is, the protection circuit performs control to turn off the charge / discharge control switch and shut off the charge / discharge path when overcharge, overdischarge, or the like is detected.
図6は、そのような保護回路を有する二次電池パックの従来例を示す。この電池パックは、二次電池1と、保護回路2から構成される。二次電池1の正極セル端子3及び負極セル端子4と、外部出力端子である正極出力端子5及び負極出力端子6の間に保護回路2が挿入されている。負極セル端子4と負極出力端子6とを結ぶ負極側の充放電路中には、温度保護素子7と、保護回路2の一部である充放電制御スイッチ8が挿入されている。温度保護素子7は、二次電池1の発熱による昇温に応じた抵抗値の変化により、充放電路を流れる電流を制限し、あるいは遮断するために用いられる。
FIG. 6 shows a conventional example of a secondary battery pack having such a protection circuit. This battery pack includes a
充放電制御スイッチ8は、MOSFETからなる放電制御FET9a、及び充電制御FET10aを直列に接続して構成されている。放電制御FET9aは、ドレイン・ソース間に存在する寄生ダイオード9bが、正極出力端子5から二次電池1の方向に流れる充電電流に対して順方向となるように接続されている。充電制御FET10aは、寄生ダイオード10bが、放電電流に対して順方向となるように接続されている。
The charge / discharge control switch 8 is configured by connecting a discharge control FET 9a made of a MOSFET and a
保護回路2は、電圧監視部を構成する保護IC11を備え、その電源端子VDDに、二次電池1から、抵抗R1を介して電源電圧が供給される。基準電位端子VSSは、充放電制御スイッチ8の二次電池1の側に接続されている。また、過電流検出端子V−は、抵抗R2を介して、充放電制御スイッチ8の負極出力端子6の側に接続されている。
The
放電制御FET9aおよび充電制御FET10aのそれぞれのゲートには、保護IC11からの制御信号DOおよびCOがそれぞれ供給される。通常の充電および放電動作では、制御信号DOおよびCOがハイレベルとされ、放電制御FET9aおよび充電制御FET10aがON状態に制御される。
Control signals DO and CO from the
保護IC11は、基準電位端子VSSと過電流検出端子V−の間の電圧を検出し、検出された電圧から、等価的に充放電路に流れる電流を検出する。すなわち、放電制御FET9aおよび充電制御FET10aのオン抵抗によって生じる電圧降下に基づいて等価的に電流を検出する。規定値以上の電流(すなわち、過電流)が流れた場合に、放電制御FET9aまたは充電制御FET10aをオフさせて電流を遮断する。
The
以上のような構成の二次電池パックに対して、二次電池の急速充電を容易とする改良が望まれている。特に、携帯電話などの高機能化に伴って、リチウム二次電池にはより高容量が求められているため、従来と同程度の電流値による充電では、充電に要する時間が実用的な範囲を超えて長くなる。これを克服するためには、より大きな電流値での充電を可能として、充電に要する時間を短縮化しなければならない。大電流での充電を可能とするためには、二次電池パックのインピーダンスを低減することが必要である。二次電池パックのインピーダンス低減のために低抵抗化を図る対象としては、保護回路2、温度保護素子7、及び配線材が考えられる。
An improvement that facilitates quick charging of the secondary battery is desired for the secondary battery pack having the above-described configuration. In particular, as the functionality of mobile phones and the like increases, lithium secondary batteries are required to have a higher capacity. Be longer than that. In order to overcome this, it is necessary to reduce the time required for charging by enabling charging with a larger current value. In order to enable charging with a large current, it is necessary to reduce the impedance of the secondary battery pack. As a target for reducing the resistance in order to reduce the impedance of the secondary battery pack, the
例えば保護回路2の抵抗を低減するためには、充放電制御スイッチ8のオン抵抗を低減する必要がある。そのために、FET9a、10aからなるスイッチ回路を2組、並列に接続して用いる構成が考えられた。但し、保護回路2では充放電制御スイッチ8のオン抵抗によって生じる電圧降下に基づいて過電流を検出するので、オン抵抗の低減により過大電流の検出レベルが高くなること、また、コスト、実装面積の増大を考慮すると、並列接続するスイッチ回路は2組が限度である。また、温度保護素子7としては、従来、PTC素子が用いられていたが、PTC素子の抵抗値は約0.005Ωであるため、PTC素子に代えて、バイメタルとPTC素子を組み合わせて構成されたブレーカー(約2.5mΩ)を用いることで、低抵抗化が図られている。
For example, in order to reduce the resistance of the
ブレーカーは、上下方向で対向する一対のリード端子間に、PTC素子及びバイメタルを重畳し介在させて構成される。温度に応じたバイメタルの変形により、リード端子間の導通は、リード端子どうしが直接接触した極めて低抵抗の導通状態と、PTC素子を介した高抵抗の実質的な遮断状態の間で切り替わる。ブレーカーを用いることにより、抵抗値の温度依存性がなく、温度によって抵抗値が変動するPTC素子と比べて低抵抗を実現できる。大電流で充電する急速充電においては、セルの発熱が大きくなるため、発熱による抵抗増大がないブレーカーは、低抵抗化に有利な素子である。 The breaker is configured by superposing a PTC element and a bimetal between a pair of lead terminals opposed in the vertical direction. Due to the deformation of the bimetal according to the temperature, the conduction between the lead terminals is switched between a very low resistance conduction state in which the lead terminals are in direct contact and a high resistance substantial interruption state via the PTC element. By using a breaker, the resistance value does not depend on temperature, and a low resistance can be realized as compared with a PTC element whose resistance value varies depending on the temperature. In rapid charging in which charging is performed with a large current, the heat generation of the cell increases, and therefore a breaker that does not increase resistance due to heat generation is an element that is advantageous for reducing resistance.
更に、二次電池1、保護回路2、及び温度保護素子7間を接続する配線材の低抵抗化を図る改良技術が、例えば特許文献1に開示されている。すなわち、配線材として、溶接層と基層とがクラッドされた2層構造のクラッド材を用いる。溶接層は、抵抗溶接の容易さを確保するための層であり、Ni、Ni合金またはFe合金からなる。基層は低抵抗層であり、Cu又は耐熱Cu合金からなる。電池の電極と電池パックの外部端子間にこの配線材を用い、抵抗溶接により溶接層が電極へ固着接続される。これにより、純ニッケルを使用した従来のリード材料に比べて、電気抵抗を約半分に低減することができる、とされている。
Furthermore, for example,
上述の従来例のように、2組のFETを並列接続し、温度保護素子としてブレーカーを用い、あるいは特許文献1のように、溶接層とCu又は耐熱Cu合金からなる基層のクラッド構造により配線材を低抵抗化することにより、二次電池パックのインピーダンス低減に相応の効果が得られる。しかし、そのようにしてインピーダンスを低減させた二次電池パックで大電流を流した場合、次のような問題を解決する必要があることが判った。
As in the above-mentioned conventional example, two sets of FETs are connected in parallel, and a breaker is used as a temperature protection element, or as in
すなわち、二次電池パックとセット機器の間での充放電は、セット機器の接点と二次電池パックの外部出力端子の当接を介して行われる。充放電に伴う外部出力端子は、その接触抵抗が1点あたり概ね20mΩと大きい。そのため、特に急速充電のような大電流が流れる用途の機器においては、接点部分での発熱を効果的に放熱することが、重要な課題となる。これについて、図7に示す二次電池パックの要部断面図を参照して説明する。同図は、二次電池1に対する保護回路2の装着部分の構造を概念的に示すものである。なお、図7において、図6に示した要素と同じ要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
That is, charging / discharging between the secondary battery pack and the set device is performed through contact between the contact of the set device and the external output terminal of the secondary battery pack. The external output terminal associated with charging / discharging has a large contact resistance of about 20 mΩ per point. For this reason, it is an important issue to effectively dissipate the heat generated at the contact portion, particularly in a device that uses a large current such as rapid charging. This will be described with reference to a cross-sectional view of the main part of the secondary battery pack shown in FIG. FIG. 1 conceptually shows the structure of a portion where the
二次電池1では、外装缶12の内部に素電池を構成する要素が内蔵され、外装缶12の上部は上部絶縁板13により封止されている。素電池から延在する正極リードタブ14及び負極リードタブ15が、上部絶縁板13を貫通している。正極リードタブ14の上端は外装缶12に溶接され、外装缶12の周縁部上面の正極セル端子3と導通している。負極リードタブ15の上端は、内部リード16を介して絶縁体17の上面の負極セル端子4と導通している。外装缶12の上部にはキャップフレーム18が装着されて、保護回路2(図5参照)を実装した保護回路基板19を覆っている。
In the
保護回路基板19の下面には、正極基板端子20及び負極基板端子21が設けられている。正極基板端子20は、第1タブ22により正極セル端子3と接続され、負極基板端子21は、第2、第3タブ23、24により温度保護素子7と接続されている。温度保護素子7と負極セル端子4の間は、第4タブ25により接続されている。第1タブ22は180度の角度で屈曲され、上側の屈曲片が正極基板端子20に、下側の屈曲片が正極セル端子3に溶接されている。同様に、第2タブ23も180度の角度で屈曲され、上側の屈曲片が負極基板端子21に、下側の屈曲片が第3タブ24に溶接されている。Wは溶接ポイントを示す。なお、図示は省略したが、第3タブ24の下部には絶縁テープが付設されて、外装缶12との導通が防止されている。キャップフレーム18の上端面には、保護回路基板19に取り付けられた外部出力端子26(図5の正、負極出力端子5、6を含む)が露出している。
A
この二次電池パックをセット機器に装着するときには、機器側の接点27と外部出力端子26を接触させる。充放電の際に大電流が流れると、外部出力端子26と接点27の接触部分での発熱が過大になり易い。二次電池パックのインピーダンスを低減しても、この発熱による影響を抑制することなしには、大電流を流す使用に供することが困難である。
When the secondary battery pack is attached to the set device, the device-
この問題を解決するための従来の対策の一例を、図8に示す。(a)は正面図、(b)は背面図である。図8に示す二次電池パックでは、図7に示した保護回路基板19に相当する要素が、保護回路基板19aとコネクタ19bから構成される。すなわち、保護回路基板19aから外部出力端子(図7の参照番号26)の部分を含むコネクタ19bが、フレキシブル基板28を用いて分離されている。これにより、コネクタ19bの裏面に、金属製の放熱プレート29を貼付して、放熱性を向上させている。この放熱プレート29を用いることにより、外部出力端子での発熱による温度上昇は抑制されるが、フレキシブル基板28の配線によりインピーダンスが増大する。また、部品点数が増加してコストの上昇を招く。
An example of a conventional measure for solving this problem is shown in FIG. (A) is a front view, (b) is a rear view. In the secondary battery pack shown in FIG. 8, the elements corresponding to the
一方、温度保護素子7でも、大電流を流したときに発熱の問題が発生する。すなわち、図7の構成において、正、負極セル端子3、4、第1、第2基板端子20、22、及び第1〜第4タブ22〜25には、従来、導電性及び耐腐食性等を考慮してNiが用いられている。しかし、温度保護素子7に大電流が流れたときに、自己発熱が多大な量となるが、Ni配線の熱伝導率は十分に大きくないため、Ni配線からは十分に放熱されず、十分な電流を流せない状態で溶断してしまう恐れがあった。
On the other hand, the
以上のことを考慮して、本発明は、部品点数の増加を伴うことなく、外部出力端子での発熱を放熱させる効率を向上させて通電に伴う温度上昇を抑制し、大電流による急速充電を容易とした二次電池パックを提供することを目的とする。 In consideration of the above, the present invention improves the efficiency of radiating the heat generated at the external output terminal without increasing the number of parts, suppresses the temperature rise due to energization, and performs rapid charging with a large current. An object is to provide an easy secondary battery pack.
また、本発明は、保護回路基板及び二次電池と温度保護素子との間の配線材を通じて、温度保護素子からの発熱が効果的に放熱されるように構成された二次電池パックを提供することを目的とする。 The present invention also provides a secondary battery pack configured so that heat generated from the temperature protection element is effectively radiated through the protection circuit board and the wiring material between the secondary battery and the temperature protection element. For the purpose.
本発明の二次電池パックは、正極及び負極のセル端子を有する二次電池と、前記二次電池に対する外部からの充放電を行うための一対の外部出力端子と、前記セル端子と前記外部出力端子の間の充放電路中に挿入された保護回路と、前記セル端子と前記保護回路の間に挿入された温度保護素子と、前記保護回路が実装され、前記外部出力端子が配置されてその背面側に第1及び第2基板端子が設けられた保護回路基板とを備える。前記保護回路は、前記充放電路に直列に挿入された充放電制御スイッチと、前記充放電路を流れる電流を検出する電流検出部を有し、前記電流検出部の検出出力に基づき前記充放電制御スイッチのオン・オフを制御するように構成され、前記第1基板端子は前記セル端子の一方と接続され、前記第2基板端子は前記温度保護素子を介して前記セル端子の他方と接続されている。 The secondary battery pack of the present invention includes a secondary battery having positive and negative cell terminals, a pair of external output terminals for external charge / discharge of the secondary battery, the cell terminals and the external output. A protection circuit inserted in the charge / discharge path between the terminals, a temperature protection element inserted between the cell terminal and the protection circuit, the protection circuit is mounted, and the external output terminal is arranged And a protection circuit board provided with first and second board terminals on the back side. The protection circuit includes a charge / discharge control switch inserted in series in the charge / discharge path, and a current detection unit that detects a current flowing through the charge / discharge path, and the charge / discharge is based on a detection output of the current detection unit. The first substrate terminal is connected to one of the cell terminals, and the second substrate terminal is connected to the other of the cell terminals via the temperature protection element. ing.
上記課題を解決するために、本発明の二次電池パックは、前記第1及び第2基板端子の少なくとも一方は、厚さが0.6mm〜1.0mmの範囲のCuまたはCu合金からなるCu系金属部材により構成され、前記外部出力端子の平面領域の少なくとも一部に対応する領域に配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, in the secondary battery pack of the present invention, at least one of the first and second substrate terminals has a thickness of Cu or Cu alloy having a thickness in the range of 0.6 mm to 1.0 mm. It is comprised by the system metal member, and is arrange | positioned in the area | region corresponding to at least one part of the planar area | region of the said external output terminal.
上記構成の二次電池パックによれば、Cu系金属部材により形成された第1基板端子が外部出力端子の平面領域に対応させて配置されていることにより、外部出力端子での発熱が第1基板端子から効果的に放熱される。これにより、部品点数の増加を伴うことなく、外部出力端子での発熱を放熱させる効率を向上させて通電に伴う温度上昇を抑制して、大電流による急速充電を容易にすることができる。また、第1基板端子の厚さを0.6mm〜1.0mmの範囲に設定することにより、配線材との抵抗溶接に際して、第1基板端子を保護回路基板へ接合しているはんだ層の溶解を回避可能である。 According to the secondary battery pack having the above configuration, the first substrate terminal formed of the Cu-based metal member is arranged corresponding to the planar area of the external output terminal, so that the heat generation at the external output terminal is the first. Heat is effectively radiated from the board terminals. Thus, without increasing the number of parts, the efficiency of dissipating heat generated at the external output terminal can be improved to suppress the temperature rise caused by energization, and quick charging with a large current can be facilitated. In addition, by setting the thickness of the first substrate terminal in the range of 0.6 mm to 1.0 mm, dissolution of the solder layer that joins the first substrate terminal to the protective circuit substrate at the time of resistance welding to the wiring material Can be avoided.
本発明の二次電池パックは、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。 The secondary battery pack of the present invention can take the following aspects based on the above configuration.
すなわち、前記Cu系金属部材は、Snメッキが施されている。それにより、酸化され易いCu系金属の酸化を防止することができる。 That is, the Cu-based metal member is Sn plated. Thereby, the oxidation of the Cu-based metal that is easily oxidized can be prevented.
また、前記Cu系金属部材は、69.3nΩm未満の電気抵抗率を有する。好ましくは、前記Cu系金属部材は、1.68〜63.9nΩmの範囲の電気抵抗率を有する。それにより、十分な放熱効果を得るとともに、シリーズ溶接の適用が容易となる。 Further, the Cu-based metal member has an electrical resistivity of less than 69.3 nΩm. Preferably, the Cu-based metal member has an electrical resistivity in the range of 1.68 to 63.9 nΩm. Thereby, a sufficient heat dissipation effect is obtained, and application of series welding is facilitated.
また、前記第2基板端子と前記温度保護素子の間、及び前記温度保護素子と前記セル端子の間を接続する配線材として、CuまたはCu合金からなるCu系金属の層とNi層とからなるCu−Niクラッド材が用いられている。それにより、温度保護素子の通電による発熱を効果的に放熱することができる。 Further, as a wiring material for connecting between the second substrate terminal and the temperature protection element, and between the temperature protection element and the cell terminal, a Cu-based metal layer made of Cu or Cu alloy and a Ni layer are used. A Cu-Ni clad material is used. Thereby, heat generated by energization of the temperature protection element can be effectively radiated.
また、前記Cu−Niクラッド材は、前記セル端子及び前記基板端子に対して前記Cu系金属層側を当接させて抵抗溶接により接合されている。この構成により、良好な放熱性とシリーズ溶接への適合性を兼ねることができる。 The Cu-Ni clad material is joined by resistance welding with the Cu-based metal layer side in contact with the cell terminal and the substrate terminal. With this configuration, both good heat dissipation and suitability for series welding can be achieved.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<実施の形態>
本発明の一実施の形態における二次電池パックについて、図1を参照して説明する。図1は、二次電池1に対する保護回路基板19の装着部分の構造を概念的に示す要部断面図である。この保護回路基板19の装着部分の構造は、基本的には図7に示した従来例と同様である。従って、図7に示した要素と同じ要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。また、二次電池パックの回路構成は、図6に示した従来例と同様である。
<Embodiment>
A secondary battery pack according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a main part sectional view conceptually showing the structure of the mounting portion of the
本実施の形態における二次電池パックの第1の特徴は、図7に示した従来例におけるNiを用いた正極基板端子20に代えて、CuまたはCu合金からなるCu系金属ブロックにより構成され、放熱部材として機能する正極基板端子30を用いたことである。正極基板端子30は、外部出力端子26の平面領域に対応する位置に配置され、半田(図示せず)により保護回路基板19に接合されている。
The first feature of the secondary battery pack in the present embodiment is constituted by a Cu-based metal block made of Cu or Cu alloy instead of the positive
正極基板端子30が、外部出力端子26の平面領域に対応させて配置されていることにより、外部出力端子26の接点部での発熱が、正極基板端子30のCu系金属ブロックに効率的に伝達され、Cu系金属ブロックから効率的に放熱される。これにより、部品点数の増加を伴うことなく、放熱効率を向上させて、通電に伴う外部出力端子26での昇温を実用上十分に抑制することが可能である。
Since the
図1の構成では、正極基板端子30の大きさは、外部出力端子26の全てを含む領域に亘っているが、放熱効果を確保するためには、正極基板端子30は、その平面領域が、外部出力端子26の平面領域の少なくとも一部に対応するように配置されればよい。但し、正極基板端子30は、通常、外部出力端子26のうちの正極出力端子に対応させて設けられるが、本実施の形態の効果を十分に得るためには、負極出力端子も含む範囲に亘って設けられることが好ましい。
In the configuration of FIG. 1, the size of the positive
なお、本実施の形態は、正極基板端子30を通して放熱効果を得る構成に限られるわけではない。すなわち、図1のように、正極基板端子30が外部出力端子26の平面領域に対応させて配置された構成に限られるわけではない。これに代えて、外部出力端子26の平面領域に対応させて負極基板端子31を配置して、負極基板端子31を介して放熱する構成であっても、相応の効果を得ることが可能である。
In addition, this Embodiment is not necessarily restricted to the structure which acquires the heat dissipation effect through the positive
Cu系金属ブロックの厚さは、0.6mm〜1.0mmの範囲に設定される。この厚さの範囲は、正極基板端子30に対して第1タブ32を抵抗溶接する際に、Cu系金属ブロックの固定用のはんだが、抵抗溶接の発熱により溶解することを回避するための設定である。また、正極基板端子30のCu系金属ブロックには、酸化防止のためのSnメッキが施されている。正極基板端子30と正極セル端子3の間を接続する第1タブ32としては、CuまたはCu合金からなるCu系金属の層とNi層とからなるCu−Niクラッド材が用いられる。
The thickness of the Cu-based metal block is set in the range of 0.6 mm to 1.0 mm. This thickness range is set to prevent the solder for fixing the Cu-based metal block from melting due to heat generated by resistance welding when the
本実施の形態の第2の特徴は、負極基板端子31と温度保護素子7の間を接続する第2、第3タブ33、34、更に、温度保護素子7と負極セル端子4の間を接続する第4タブ35が、第1タブ32と同様のCu−Niクラッド材により形成されていることである。なお、負極基板端子31は、正極基板端子30と同様のCu系金属ブロックにより形成されている。
The second feature of the present embodiment is that the second and
以上のように、配線材であるタブとしてCu−Niクラッド材を用いれば、Cu系金属層が低抵抗であることにより、従来のNi配線材と比べて、配線抵抗を低減させて急速充電を容易にすることができる。また、Cu系金属層のみでタブを形成した場合と比べて、後述のように、配線材の溶接に伴う問題の発生を回避することが可能である。 As described above, when a Cu-Ni clad material is used as a tab that is a wiring material, the Cu-based metal layer has a low resistance. Can be easily. Moreover, compared with the case where a tab is formed only with a Cu-based metal layer, it is possible to avoid the occurrence of problems associated with the welding of wiring materials, as will be described later.
上記構成において、正極基板端子30及び正極セル端子3に対する第1タブ32の接合、負極基板端子31及び第3タブ34に対する第2タブ33の接合、更に、負極セル端子4に対する第4タブ35の接合は、抵抗溶接によって行う。抵抗溶接は、作業が簡単で、溶接装置も簡素であるため、製造コストの低減に有利だからである。また、図1に溶接ポイントWで示すように、抵抗溶接としてはシリーズ溶接を採用する。これに伴い、本実施の形態においては、正、負極基板端子30、32、及び第1〜第4タブ32〜35の材質を、後述のようにシリーズ溶接に好適であるように選択する。
In the above configuration, the
抵抗溶接により二次電池1の上端部へ保護回路基板19を装着する工程は、例えば、図2A〜図2C(工程の一部を示す)に示すように行う。図2Aは、保護回路基板19を、図1の状態から上下反転させた状態を示す平面図である。図2Bは、二次電池1の平面図である。図2Cは、二次電池1と保護回路基板19が相互に接続された状態を示す平面図である。
The process of attaching the
先ず、図2Aに示すように、温度保護素子7に第3タブ34及び第4タブ35を接続し、更に、第2タブ33の一端部を第3タブ34の一端部に溶接する。次に、上下反転した状態の保護回路基板19の上端面(図1における下端面に相当)と、温度保護素子7を整列させて配置し、第2タブ33の他端部を負極基板端子31上に配置して溶接する。また、第1タブ32の一端部を正極基板端子30上に配置して溶接する。図2Bに示すように、二次電池1の上端面には、正極セル端子3及び負極セル端子4が配置されている。
First, as shown in FIG. 2A, the
この二次電池1の上端面と保護回路基板19の上端面を、図2Cに示すように整列させて、第1タブ32の他端部を正極セル端子3上に配置し、第4タブ35を負極セル端子4上に配置して、各々溶接する。次に、第1タブ32及び第2タブ33を、中央部で180度屈曲させる(一点鎖線で示すように)ことにより、図1に示したように、保護回路基板19が外装缶12の上部に装着された状態とする。その後、図示しないが、キャップフレーム18と外装缶12との間の空間に一体成形樹脂を注入することによりキャップフレーム18と外装缶12を一体化し、二次電池1が完成する。
The upper end surface of the
上述のとおり、本実施の形態によれば、良好な放熱効率を得るために、正極基板端子30をCu系金属ブロックにより構成する。また、その厚さを0.6mm〜1.0mmの範囲に設定する。このように構成する理由について、以下に説明する。
As described above, according to the present embodiment, the positive
従来のNiを用いた正極基板端子20と比べて、Cu系金属を用いた正極基板端子30は、導電率、熱伝導率が高くなる。すなわち、Niの熱伝導率(300K)は90.9W/(m・K)であるのに対して、例えば黄銅(C2680、Cu−Pb−Fe−Zn合金)の熱伝導率は117w/(m・K)である。従って、Niを用いた場合と比べて十分に高い放熱効果を得ることができる。
Compared to the conventional positive
この放熱効果について実証するために、大電流を流したときの第1タブ32の表面温度の変化を測定した。測定は、本実施の形態の実施例、及び従来例について行い、実施例及び従来例の正極基板端子及び第1タブを、次のとおりに設定した。
[従来例]
正極基板端子20:Niブロック(厚さ0.4mm)
第1タブ22:Ni材(厚さ0.1mm)
[実施例]
正極基板端子30:Cu系金属ブロック(純Cuを使用:厚さ0.4mm)
第1タブ32:Cu−Niクラッド材(厚さ0.1mm)
常温25℃下で正極基板端子を通して3Aの電流を流し、通電時間に対するタブの表面温度の変化を測定した結果を図3に示す。図3に示されるとおり、タブ材表面の到達温度は、各々下記のとおりである。
In order to verify this heat dissipation effect, the change in the surface temperature of the
[Conventional example]
Positive electrode substrate terminal 20: Ni block (thickness 0.4 mm)
First tab 22: Ni material (thickness 0.1 mm)
[Example]
Positive electrode substrate terminal 30: Cu-based metal block (uses pure Cu: thickness 0.4mm)
1st tab 32: Cu-Ni clad material (thickness 0.1 mm)
FIG. 3 shows the results of measuring the change in the surface temperature of the tub with respect to the energization time when a current of 3A was passed through the positive electrode substrate terminal at room temperature of 25 ° C. As shown in FIG. 3, the temperatures reached on the surface of the tab material are as follows.
従来例:45.5℃(Δ20.5℃)
実施例:37.5℃(Δ12.5℃)
このように、実施例の構成によれば、約8℃の温度抑制が可能であり、したがって、Cu系金属ブロックを用いることにより、接点部付近の温度上昇を抑制する効果が大きいことが判る。
Conventional example: 45.5 ° C (Δ20.5 ° C)
Example: 37.5 ° C. (Δ12.5 ° C.)
Thus, according to the configuration of the example, it is possible to suppress the temperature of about 8 ° C. Therefore, it can be seen that the use of the Cu-based metal block has a great effect of suppressing the temperature rise near the contact portion.
但し、高い導電率のため、第1タブ32を接合する際の抵抗溶接に大きなエネルギーが必要であり、発熱が大きくなる。そのため、正極基板端子30を保護回路基板19に固定している半田が溶ける問題が発生する。この問題を解決するためには、Cu系金属ブロックの厚さを、十分に厚くすることが有効であることが判った。
However, because of the high conductivity, a large amount of energy is required for resistance welding when the
実用的には、従来のNiを用いた正極基板端子20の場合の0.4mm以下に対して、本実施の形態では、Cu系金属ブロックの厚さを0.6mm〜1.0mmに設定する。これにより、抵抗溶接を適切に行い、しかもCu系金属ブロックを固定している半田の発熱による溶解を回避することが可能であることを確認した。また、Cu系金属ブロックの厚さが1.0mm以下であれば、半田実装部品の高さを電池パック内部に格納可能な範囲内に収めることが可能である。
In practice, the thickness of the Cu-based metal block is set to 0.6 mm to 1.0 mm in the present embodiment, compared to 0.4 mm or less in the case of the positive
正極基板端子30を構成するCu系金属ブロックとしては、導電率、熱伝導率が、放熱及び抵抗溶接に適切な範囲にあるどのようなCu及びCu合金であっても用いることができる。通常のCu系金属であれば、熱伝導率は、望ましい放電効果を得ることが可能な範囲にある。
As the Cu-based metal block constituting the positive
一方、導電率については、以下に説明するとおり、抵抗溶接の観点から、適切な範囲の材質を用いることが望ましい。一般的な抵抗溶接としては、2種類の方法、すなわち、シリーズ溶接とダイレクト溶接がある。上記構成の二次電池パックの場合、正、負極セル端子3、4、及び正、負極基板端子30、31に対する第1、第2、第4タブ32、33、35の溶接には、シリーズ溶接を用いる。
On the other hand, as described below, it is desirable to use a material in an appropriate range from the viewpoint of resistance welding as described below. As general resistance welding, there are two kinds of methods, that is, series welding and direct welding. In the case of the secondary battery pack having the above configuration, the first, second, and
正極基板端子30に対する第1タブ32の接合を例として、抵抗溶接の様子を図4に示す。正極基板端子30は、はんだ36により保護回路基板19に接合されている。この抵抗溶接は、一対の溶接棒37を用いたシリーズ溶接により行う。この構成の場合、ダイレクト溶接は不適切だからである。すなわち、ダイレクト溶接の場合は、正極基板端子30の下面と第1タブ32の上面に対して、対向する方向に電極棒37を押し当てて通電する必要があるが、図4に示されるとおり、正極基板端子30の下面に電極棒37を押し当てることはできない。
The state of resistance welding is shown in FIG. 4 by taking the joining of the
シリーズ溶接に際しては、図4に矢印で示すように、正極基板端子30を流れる有効電流Ieにより、正極基板端子30と第1タブ32の間に溶接ポイントWが形成される。溶接ポイントWが形成されるべき箇所では、適度な発熱が必要である。正極基板端子30の導電率が高すぎると、そのために必要な溶接エネルギーが過大になる。その結果、第1タブ32に対する溶接棒37の当接点での発熱も大きくなり、溶接棒37の食付き(貼り付き)が発生する。
At the time of series welding, a welding point W is formed between the positive
正極基板端子30としては、導電率100%の純銅を用いた場合でも溶接は可能である。従って、69.3nΩm未満の電気抵抗率を有するCu系金属を用いて、Niを用いた電極と比べて急速充電のための低抵抗化を図ることができる。また、シリーズ溶接の適用および放熱効果を考慮すると、電気抵抗率が1.68〜63.9nΩmの範囲内のCu系金属を用いることが好ましい。1.68nΩmは純銅の電気抵抗率、63.9nΩmは黄銅の電気抵抗率に相当する。さらに、シリーズ溶接に際して、溶接棒の食付きが障害となって量産に不都合となることを回避するためには、電気抵抗率は、63.9nΩm程度であることが望ましい。導電率を適当に下げることにより、溶接エネルギーが少なくても溶接可能であり、溶接棒の食付きも容易に回避可能となる。
The positive
好適なCu系金属ブロックの例として、下記のような合金を挙げることができる。
(1)黄銅(C2680、Cu−Pb−Fe−Zn合金)
導電率:約27%、熱伝導率:117w/m・k
(2)青銅系の合金(MF202、Cu−Sn−Ni−P合金)
導電率:約32%、熱伝導率:155w/m・k
従来例のNiブロックは、純Ni:99.9%以上、導電率:約22%、熱伝導率:90.9w/m・kであるのに比べると、これらの材料は、溶接性を確保しつつ、熱伝導もよく、コスト低減可能であることが判る。
Examples of suitable Cu-based metal blocks include the following alloys.
(1) Brass (C2680, Cu—Pb—Fe—Zn alloy)
Electrical conductivity: about 27%, thermal conductivity: 117 w / m · k
(2) Bronze alloy (MF202, Cu—Sn—Ni—P alloy)
Conductivity: about 32%, thermal conductivity: 155 w / m · k
Compared to the Ni block of the conventional example, which is pure Ni: 99.9% or more, conductivity: about 22%, and thermal conductivity: 90.9 w / m · k, these materials ensure weldability. However, it can be seen that the heat conduction is good and the cost can be reduced.
また、Cu系金属ブロックは酸化され易いので、酸化防止のためのメッキを施すことが望ましく、メッキ材としてSnメッキとNiメッキを検討した。その結果、Niメッキは融点が高く、シリーズ溶接手法を用いる場合の抵抗溶接程度のエネルギーでは、溶接ポイントWにおけるNi層を飛散させることができないので、融点の低いSnメッキが最適であることが判った。 Further, since the Cu-based metal block is easily oxidized, it is desirable to perform plating for preventing oxidation, and Sn plating and Ni plating were examined as plating materials. As a result, Ni plating has a high melting point, and it is understood that Sn plating with a low melting point is optimal because the Ni layer at the welding point W cannot be scattered with the energy of resistance welding when using the series welding method. It was.
上述のとおり、第1〜第4タブ32〜35としては、Cu−Niクラッド材を用いることにより低抵抗として、大電流に適合させる。Cu−Niクラッド材としては、例えば、Cu層(あるいはCu合金層)とNi層の厚さの比率Cu:Ni=3:1程度で、クラッド材全体の厚さt=0.1mm程度のものを用いることにより、良好な特性を得ることができる。
As described above, the first to
Cu−Niクラッド材のタブは、正、負極セル端子3、4、及び正、負極基板端子30、31に対して、Cu系金属の層を当接させて抵抗溶接されている。その理由は、以下に説明するように、溶接工程でのCu材の焼けの発生等を回避するためである。
The tabs of the Cu—Ni clad material are resistance welded with the Cu-based metal layer in contact with the positive and negative
すなわち、シリーズ溶接においては、図4に矢印で示した正極基板端子30を流れる有効電流Ieだけでなく、溶接に寄与しない無効電流Inが第1タブ32のCu−Niクラッド材を流れる。正極基板端子30にNi層を当接させた場合は、電極棒37がCu層に当接し、無効電流Inは大きなものとなるため、電極棒37とCu層の間での発熱によりCu層に焼けが発生したり、不要溶接部が形成されて、Cu層が電極棒37に付着して剥離する事態が発生する。これに対して、Cu系金属の層を正極基板端子30に当接させ、従って電極棒37がNi層に当接する配置とすることにより、表層の無効電流Inが抑制されて、電極棒37の接合を低減させることが可能となる。
That is, in series welding, not only the effective current Ie flowing through the positive
次に、本実施の形態の第2の特徴による効果について説明する。第2の特徴によれば、負極基板端子31と温度保護素子7の間を接続する第2タブ33及び第3タブ34、更に、温度保護素子7と負極セル端子4の間を接続する第4タブ35が、Cu−Niクラッド材により形成される。これにより、温度保護素子7の発熱を効果的に放熱することができる。
Next, effects of the second feature of the present embodiment will be described. According to the second feature, the
この効果を実証するための実験の結果について、図5を参照して説明する。図5において、横軸は温度保護素子7として用いられたブレーカーを流れる電流、縦軸は、各電流値の場合の最高到達温度である。実験は、配線材としてCu−Niクラッド材を用いた場合と、従来のNiを用いた場合とについて行った。各場合について、ブレーカー、タブ、及び保護回路2中のFET9a、10a(図6参照)における温度を測定した。図5から、Cu−Niクラッド材の配線材を用いた場合は、Niの配線材を用いた場合と比べて各部における昇温が低減されていることが判る。
The result of the experiment for demonstrating this effect is demonstrated with reference to FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the current flowing through the breaker used as the
本発明の二次電池パックは、部品点数の増加を伴うことなく、外部出力端子での発熱を放熱させる効率を向上させて通電に伴う温度上昇を抑制し、大電流による急速充電が容易であるため、携帯電話のような急速充電可能であることを要求される機器に用いる電池パックとして有用である。 The secondary battery pack of the present invention improves the efficiency of dissipating heat generated at the external output terminal without increasing the number of parts, suppresses the temperature rise caused by energization, and facilitates rapid charging with a large current. Therefore, it is useful as a battery pack used for a device such as a mobile phone that is required to be rapidly rechargeable.
1 二次電池
2 保護回路
3 正極セル端子
4 負極セル端子
5 正極出力端子
6 負極出力端子
7 温度保護素子
8 充放電制御スイッチ
9a 放電制御FET
9b 寄生ダイオード
10a 充電制御FET
10b 寄生ダイオード
11 保護IC
12 外装缶
13 上部絶縁板
14 正極リードタブ
15 負極リードタブ
16 内部リード
17 絶縁体
18 キャップフレーム
19 保護回路基板
20、30 正極基板端子
21、31 負極基板端子
22〜25 第1〜第4タブ
26 外部出力端子
27 機器側の接点
28 フレキシブル基板
29 放熱プレート
32〜35 第1〜第4タブ
36 はんだ
37 溶接棒
W 溶接ポイント
DESCRIPTION OF
9b
10b
12 Outer can 13
Claims (6)
前記二次電池に対する外部からの充放電を行うための一対の外部出力端子と、
前記セル端子と前記外部出力端子の間の充放電路中に挿入された保護回路と、
前記セル端子と前記保護回路の間に挿入された温度保護素子と、
前記保護回路が実装され、前記外部出力端子が配置されてその背面側に第1及び第2基板端子が設けられた保護回路基板とを備え、
前記保護回路は、前記充放電路に直列に挿入された充放電制御スイッチと、前記充放電路を流れる電流を検出する電流検出部を有し、前記電流検出部の検出出力に基づき前記充放電制御スイッチのオン・オフを制御するように構成され、
前記第1基板端子は前記セル端子の一方と接続され、前記第2基板端子は前記温度保護素子を介して前記セル端子の他方と接続されている二次電池パックにおいて、
前記第1及び第2基板端子の少なくとも一方は、厚さが0.6mm〜1.0mmの範囲のCuまたはCu合金からなるCu系金属部材により構成され、前記外部出力端子の平面領域の少なくとも一部に対応する領域に配置されていることを特徴とする二次電池パック。 A secondary battery having positive and negative cell terminals;
A pair of external output terminals for charging and discharging from the outside to the secondary battery;
A protection circuit inserted in a charge / discharge path between the cell terminal and the external output terminal;
A temperature protection element inserted between the cell terminal and the protection circuit;
A protection circuit board on which the protection circuit is mounted, the external output terminal is disposed, and first and second board terminals are provided on the back side of the protection circuit board;
The protection circuit includes a charge / discharge control switch inserted in series in the charge / discharge path, and a current detection unit that detects a current flowing through the charge / discharge path, and the charge / discharge is based on a detection output of the current detection unit. Configured to control the on / off of the control switch,
In the secondary battery pack, wherein the first substrate terminal is connected to one of the cell terminals, and the second substrate terminal is connected to the other of the cell terminals via the temperature protection element,
At least one of the first and second substrate terminals is made of a Cu-based metal member made of Cu or Cu alloy having a thickness in the range of 0.6 mm to 1.0 mm, and at least one of the planar regions of the external output terminals. A secondary battery pack, which is disposed in a region corresponding to the portion.
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