JP6451650B2

JP6451650B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP6451650B2
Application number: JP2015557589A
Authority: JP
Inventors: 由知西原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2034-11-18
Also published as: US20160372796A1; CN105745772A; US10003107B2; JPWO2015107583A1; CN105745772B; WO2015107583A1

Description

本発明は、電極端子を有する複数の電池セルと、電極端子に電気的に接続されるフレキシブルプリント基板とを備えた電源装置に関する。

複数の電池セルを備えた電源装置では、過充電や過放電等の電池セルの異常な状態を回避するために、各二次電池セルの電圧や温度等を常時監視する検出回路を備えている。また、検出された電圧は、組電池の充電率（State of charge:ＳＯＣ）を正確に見積もるためにも利用されている。特に、リチウムイオン電池は、広範囲のＳＯＣにわたって使用できるため、過放電領域や過充電領域と、常用領域とが近接しており、他の種類の電池より厳格な電圧管理が必要である。

一方で、複数の電池セルを集合化して電池ブロックを形成することで、電源装置が占有する空間を低減する構成が知られている。この種の電源装置では、さらに、検出回路が実装されるリジッド基板や、検出回路と電池セルの電極端子を接続する配線をモジュール化した配線モジュールを備えることもできる。配線は、モジュール化に適しているフレキシブルプリント基板が利用されることもある（特許文献１）。フレキシブルプリント基板は、配線を結束しながら、配線材を容易に変形されることができ、組立性のよい配線モジュールを提供することができる。

フレキシブルプリント基板は、導電部となる導電箔と、柔軟性のある絶縁性フィルムとで構成される。導電箔として銅箔、絶縁性フィルムとしてポリイミド等を使った構成が知られている。

特許文献１の電源装置は、複数の電池セルと、検出回路が実装されるリジッド基板と、検出回路と電池セルとを接続する配線材を内蔵するフレキシブルプリント基板とを備えている。フレキシブルプリント基板は、一端に接続部材が設けられており、接続部材を介して、電池セルの電極端子あるいは、電極端子同士を接続するバスバーに接続される。また、フレキシブルプリント基板は、リジッド基板に、直接ハンダ付けされる。

特開２０１２−２８１８６号公報

特許文献１のように、電池セルの電極端子とフレキシブルプリント基板を電気的に接続するためには、接続部材が必要となる。また、組立工程では、フレキシブルプリント基板がハンダ付けされた状態のリジッド基板を電池ブロックに固定する工程がある。フレキシブルプリント基板の先端には、接続部材が設けられているため、リジッド基板を電池ブロックに固定する工程において、フレキシブルプリント基板とリジッド基板を接続しているハンダ部分に荷重がかかった状態でリジッド基板を取り扱うことになる。そのため、特許文献１の電源装置は、フレキシブルプリント基板とリジッド基板との接続部分に負荷が集中し、フレキシブルプリント基板の導電箔が剥離したり、導電箔が断線したりするおそれがあった。

本発明は、斯かる状況を鑑みてなされたものであり、その主な目的は、フレキシブルプリント基板の導電箔にかかる負荷を低減し、導電箔の剥離や断線を防止する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源装置は、電極端子を有する複数の電池セルと、複数の電池セルの状態を検出する検出回路が実装されるリジッド基板と、電極端子及び検出回路を電気的に接続するフレキシブルプリント基板と、フレキシブルプリント基板の先端に設けられ、複数の電池セルとフレキシブルプリント基板とを電気的に接続する接続部材と、を備えている。フレキシブルプリント基板は、リジッド基板に固定される複数の固定部を有し、複数の固定部は、リジッド基板に一端が固定され、電極端子と検出回路を電気的に接続する複数の導電箔を有する信号ライン接続部と、リジッド基板に一端が固定され、電極端子から絶縁される複数の固定用金属箔を有する補強部と、を含んでいる。信号ライン接続部は、リジッド基板と重なる接続領域を有している。本発明のある態様の電源装置は、さらに、接続領域内の複数の導電箔の延在方向に対して垂直方向に延びる補強パッドを備えている。

本発明によれば、リジッド基板とフレキシブルプリント基板とを電気的に接続する信号ライン接続部だけでなく、フレキシブルプリント基板を保持する補強部を備えることで、フレキシブルプリント基板の自重による負荷が、配線材となる導電箔に集中することを防止することができる。

本発明の実施形態における電池ブロックの斜視図である。本発明の実施形態における電池ブロックの上面図である。本発明の実施形態における角形電池の断面図である。本発明の実施形態における電源装置の分解斜視図である。本発明の実施形態におけるフレキシブルプリント基板の構成を説明するための上面図である。図５のフレキシブルプリント基板の拡大図である。図６においてフレキシブルプリント基板をリジッド基板にハンダ付けする前の状態を説明するための図である。本発明の他の実施形態におけるフレキシブルプリント基板の構成を説明するための上面図である。本発明の実施形態におけるフレキシブルプリント基板及びリジッド基板の位置関係を説明するための図である。本発明の実施形態における補強パッドの構成を説明するための上面図である。本発明の実施形態における検出回路の回路図である。

図１、図２に示すように、本発明の実施形態における電源装置は、複数の電池セル１を積層して構成される電池ブロック２を有している。複数の電池セル１は、扁平な直方体形状の外装缶１１を有する角形電池である。複数の電池セル１は、上面に正負の電極端子１３を有しており、電極端子１３が電池ブロック２の一面に並ぶように配置される。電池ブロック２を構成する複数の電池セル１は、隣接する電池セル１の電極端子１３が近接するように積層され、一対の端子列２Ａを形成する。図４に示すように、隣接する電池セル１は、互いに電極端子１３がバスバー１７で接続され、直列接続または並列接続される。

電池ブロック２は、直列に接続される電池セル１の数に応じて、出力電圧が決まり、並列に接続される電池セル１の数に応じて、容量が決まる。例えば、４Ｖの電圧と５Ａｈの容量を持つリチウムイオン電池を電池セル１とした場合、１０個の電池セルを直列に接続すると４０Ｖの出力電圧の電池ブロックが形成され、１０個の電池セルを並列に接続すると５０Ａｈの容量の電池ブロックが形成される。電池ブロック２は、要求される電源装置の性能に応じて、適宜、電池セル１を直列に接続したり、並列に接続したりすることができる。また、電池ブロック２同士を直列に接続したり、並列に接続したりすることもできる。

なお、電池セル１は、円筒状の外装缶を有する円筒型電池や、絶縁性フィルムで形成される外装缶を有するパウチ電池とすることもできる。また、電池の種類としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等、さまざまな電池を利用することができる。いずれの電池セルを採用した場合であっても、本願発明の実施形態では、複数の端子列２Ａが形成されるように複数の電池セル１を集合化し、電池ブロック２が構成される。以下の説明では、扁平な直方体形状の外装缶を有するリチウムイオン電池を採用した場合の実施形態について詳述する。

図３に示すように、電池セル１は、一面を開口した直方体形状の外装缶１１と、外装缶１１の開口を閉塞する封口体１２と、封口体１２に固定される電極体１４と、外装缶１１内に注液される電解液とで構成される。外装缶１１は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属で形成される。金属製の外装缶１１を有する電池セル１は、外装缶１１の強度を高めたり、外装缶を冷却することで電池の温度上昇を抑制したりすることができる。金属製の外装缶１１を有する電池セル１は、外装缶１１に電位が生じるため、隣接する電池セル１同士を絶縁する必要がある。

図１に示すように、電池ブロック２は、絶縁性のスペーサ１５を有しており、隣接する電池セル１の間にスペーサ１５が介在する。具体的には、電池セル１とスペーサ１５とを交互に積層して電池ブロック２を形成する。なお、図示はしないが、スペーサ１５に、電池セル１を冷却するための風路を設けることもできる。

図４に示すように、電池ブロック２は、電池セル１の積層方向における両端部に一対のエンドプレート３を備えている。一対のエンドプレート３は、互いに連結具４を介して固定されており、電池セル１を集合化している。電池セル１として角形電池を使用した場合、扁平な直方体形状という外形上の理由から電池セル１は、積層方向に膨張しやすくなる。角形電池を電池セル１として採用した電源装置では、エンドプレート３及び連結具４は、電池セル１を集合化するという目的のほかに、電池セル１の膨張を抑制するという目的も有している。

電池セル１の電極端子１３が並ぶ電池ブロック２の上面に、リジッド基板９が配置される。リジッド基板９は、電池ブロック２の上に直接配置することもできるし、リジッド基板９と電池セル１の間に樹脂プレート５を介在させることもできる。図４の電源装置では、電池ブロック２の上面に配線モジュールアッセンブリが配置される。配線モジュールアッセンブリは、電池セル１の電極端子を接続するためのバスバー１７と、このバスバー１７を保持する絶縁性の樹脂プレート５と、樹脂プレート５に固定されるリジッド基板９とで構成される。リジッド基板９には、配線部材として、フレキシブルプリント基板７が接続されている。

図５に示すように、リジッド基板９は、平面視において、長方形に形成される硬質の回路基板である。リジッド基板９は、基材となる絶縁性樹脂層に、所定のパターンをなす導電層をプリントして回路が実装される。絶縁性樹脂層としては、例えば、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂等が使用できる。導電層は、銅等の金属材料で形成される。なお、導電層は、絶縁性樹脂の表面だけでなく絶縁性樹脂層の内部に設けることもできる。この種のリジッド基板としては、例えば、絶縁樹脂層と導電層を複数層有する多層基板が例示される。多層基板は、複雑なパターンとなる回路を実装する場合などにおいて、リジッド基板の寸法増大を抑制することができる。

リジッド基板９には、電池セル１の状態を検出する検出回路９０が実装される。具体的には、リジッド基板９上に、ＩＣなどの半導体素子や、抵抗、コンデンサなどの受動素子からなる電子部品が搭載され、電子部品とリジッド基板９の導電層によって検出回路９０が構成される。図１１は、検出回路９０の回路図を例示している。検出回路９０は、電池セルの端子間に接続される電圧検出線を介して端子間電圧を検出する電圧検出回路９２と、電池セル１の充電率や電池セルの電圧を均等化する放電回路９１とが含まれる。放電回路９１は、電圧検出線をバイパスするように設けられており、放電抵抗９１Ａとスイッチ９１Ｂとで構成される。スイッチ９１Ｂがオン作動された際に、対応する電池セル１から放電抵抗９１Ａへ電流が流れ、対応する電池セルを放電させる。電池セル１の充電率にばらつきが生じた際、放電回路９１は、充電率が均一になるように、充電率が高い状態の電池セル１を強制放電させる。

特にリチウムイオン電池の場合、過充電状態、過放電状態となることで著しく電池性能が劣化するため、検出回路９０は、高い精度で電池セル１の状態を検出する必要がある。そのため、電池セル１の電極端子１３から検出回路９０までの配線抵抗を極力小さくすることが求められる。本願発明の実施形態では、電池ブロック２にリジッド基板９を近接して配置することで、配線を短くすることができ、配線抵抗によるロスを小さくするようになっている。特に、図５に例示するように、電池ブロック２に形成される一対の端子列２Ａの間にリジッド基板９を配置する構成とすることが好ましい。

なお、ここで言う「端子列２Ａの間」とは、上下方向については問わないものとする。リジッド基板９を電池ブロック２に近接させると、電池ブロック２とリジッド基板９とが接触して短絡するおそれがある。そのため、電池ブロック２とリジッド基板９の絶縁距離を確保したり、電池ブロック２とリジッド基板９との間に、樹脂プレート５を介在させたりする構成が好ましいが、これらの構成を採用した場合、リジッド基板９が電池セル１の電極端子１３よりも、上方へ位置する構成となることがあり得る。そのような構成であっても、電池ブロック２を上方から見た平面視において、リジッド基板９を端子列２Ａの間に配置することで、配線を短くすることができる。

また、リジッド基板９は、必ずしも電池ブロック２の上面に配置される必要はない。電池ブロック２は、電池ブロック２を構成する電池セル１の構造によっては、上面に電極端子が位置しないこともある。例えば、円筒形電池のように電池セルの両端に電極端子が形成されるような電池セルを採用した場合、電池ブロックの対向する二面に電極端子が位置することになる。このような構成の場合には、リジッド基板は、電極端子が位置する二面に隣接する面に配置される。この構成によると、リジッド基板と電池ブロックの各電極端子とを接続する配線部材の長さを短くすることができ、配線ロスを低減することができる。

図５乃至９に示すように、フレキシブルプリント基板７は、箔材で形成される導電箔７１と、導電箔７１を覆う絶縁性フィルム７２とで構成される。フレキシブルプリント基板７は、箔状に形成されているため、フレキシブル性を有している。絶縁性フィルム７２としては、ポリイミド等の絶縁性樹脂材が使用される。フレキシブルプリント基板７をハンダ付けしない場合など、耐熱性の要求が低い場合には、ポリエステルやポリエチレンナフタレート等を使用することもできる。また、絶縁性樹脂材を複数種類使用する構成もあり、例えば、ポリイミド層と銅層の間にエポキシ層を設ける構成とすることもできる。この構成では、エポキシ層がポリイミド層と銅層とを接着する役目を担っている。また、フレキシブルプリント基板７の可撓性を向上させるために、導電箔７１として銅張積層板（Copper clad laminates）を用いることもできる。銅張積層板は、弾性が優れているほか、耐熱性に優れ、熱膨張性が低いという特徴がある。

フレキシブルプリント基板７の導電箔７１は、リジッド基板９に実装される検出回路９０と、電池セル１とを電気的に接続する。本発明の実施形態では、隣接する電池セル１の電極端子１３は、バスバー１７を介して接続されており、フレキシブルプリント基板７の導電箔７１は、バスバー１７に接続される。導電箔７１の先端には、バスバー１７と接続するために複数のタブ７３が設けられている。タブ７３は、対応するバスバー１７の上面に配置された状態で溶接される。また、導電箔７１は、リジッド基板９の導電層にハンダ付けされる。この構成により、各々の電池セル１の電極端子１３の電位が、リジッド基板９に実装されている検出回路９０へ入力できるようになっている。

上述の通り、フレキシブルプリント基板７は、リジッド基板であるリジッド基板９にハンダ付けにより固定されるが、作業性の問題からリジッド基板９は、フレキシブルプリント基板７が固定された状態で、樹脂プレート５あるいは電池ブロック２の上に配置される。そのため、リジッド基板９を配置する際、フレキシブルプリント基板７の自由端側が垂れ下がり、取扱性が低下する問題がある。また、フレキシブルプリント基板７の先端には、タブ７３が設けられているため、比較的大きな荷重が、フレキシブルプリント基板７とリジッド基板９の固定部分にかかる。従って、フレキシブルプリント基板を備える電源装置において、フレキシブルプリント基板とリジッド基板の固定構造が重要となる。

なお、上記実施形態では、フレキシブルプリント基板７の先端に設けられたタブ７３とバスバー１７とを溶接する構成となっているが、フレキシブルプリント基板７の先端にバスバー１７を直接設ける構成とすることもできる。バスバー１７は、電極端子１３との接続を行う必要があるため、タブよりも大きく、重い。フレキシブルプリント基板７の先端にバスバー１７を直接設ける構成では、フレキシブルプリント基板とリジッド基板の固定構造がさらに重要となる。

次に、本発明の実施形態におけるフレキシブルプリント基板とリジッド基板の固定構造について詳述する。図５及び図９に示すように、フレキシブルプリント基板７は、リジッド基板９に重なるように配置され、一端がリジッド基板９に固定される固定部８を複数有している。固定部８としては、フレキシブルプリント基板７の導電箔７１とリジッド基板９の導電層が接続される信号ライン接続部８１と、フレキシブルプリント基板７を保持する目的でリジッド基板９に固定される補強部８２とがある。本発明の実施形態では、それぞれの固定部８は、ハンダＳを介して、リジッド基板９に固定される。ハンダで溶接する場合、金属同士の接続となる。

フレキシブルプリント基板７は、上述の通り、配線材として、導電箔７１を有している。導電箔７１は、配線材であるため、リジッド基板９の配線パターンの都合上、一か所にまとめられるほうが、リジッド基板９の寸法を小さくすることができる。本発明の実施形態では、信号ライン接続部８１に、導電箔７１が位置しており、導電箔７１がリジッド基板９にハンダ付けされることで、信号ライン接続部８１が固定される。この構成により、導電箔７１は、検出回路９０と電池セル１の電気的な接続を行うと共に、フレキシブルプリント基板７とリジッド基板９との機械的な固定を行うことができる。一方、信号ライン接続部８１以外の固定部８、すなわち補強部８２には、導電箔７１は位置していないため、導電箔７１を補強部８２の固定に利用することはできない。

図５乃至７に示すように、本発明の実施形態では、フレキシブルプリント基板７は、導電箔７１に加えて、金属製の箔材として、固定用金属箔７４を有している。固定用金属箔７４は、補強部８２に位置しており、電池セル１の電極端子１３や、導電箔７１からは絶縁されている。固定用金属箔７４は、補強部８２をリジッド基板９に固定するために用いられ、電気回路としての役割（配線材としての役割）は有していない。

なお、本発明の実施形態では、生産効率を高めるために、クリーム状のハンダＳを塗布し、レーザーを照射することで、ハンダＳを融解させて溶接する工法を採用されているが、この場合、各々の固定部８の固定に用いられるハンダＳの量は、同一であることがより好ましい。加えて、ハンダＳが乗る箔材の面積も等しくなるように設計することが好ましい。ハンダの量が異なると、固定の強度にバラツキが生じるおそれがあるが、以上の構成を採用することで、ハンダの量を比較的均一にしやすくなる。

図８に示すように、本発明の実施形態における信号ライン接続部８１は、リジッド基板９の上面に位置している。信号ライン接続部８１が、リジッド基板９の上面に固定されることで、リジッド基板９とフレキシブルプリント基板７とが上下方向において重なる接続領域が形成される。接続領域において、リジッド基板９は、フレキシブルプリント基板７と電池ブロック２の間に位置する構成となり、リジッド基板９がフレキシブルプリント基板７の接続側端部近傍を支持することができる。そのため、この構成によると、フレキシブルプリント基板７の自重は、リジッド基板９から剥離する方向に力がかからず、導電箔７１の断線やフレキシブルプリント基板７の剥離等を防止することができる。また、接続領域を広くすることで、フレキシブルプリント基板７の垂れ下がりを抑制することもできる。

さらに、接続領域内にフレキシブルプリント基板７とリジッド基板９との固定強度を高めるための補強パッド８３を備えることもできる。補強パッド８３は、外観が長方形の固定部材であり、一端がリジッド基板９に固定され、他端が接続領域内のフレキシブルプリント基板７に固定される。補強パッド８３は、接続領域内の導電箔７１の延在方向に対して垂直方向に延びており、導電箔７１にかかる負荷を低減できるようになっている。

図６、図７に示すように、本発明の実施形態において、補強パッド８３は、固定用金属箔７４とハンダＳとで構成されている。信号ライン接続部８１は、導電箔７１に加えて、固定用金属箔７４も有している。信号ライン接続部８１の固定用金属箔７４は、リジッド基板９の導電層に、ハンダ付けされる。補強パッド８３として用いられる固定用金属箔７４及びハンダＳは、接続領域内の導電箔７１の延在方向に対して、垂直方向に延在するように構成することが好ましい。この構成によると、フレキシブルプリント基板７の剥離方向の力に対して、効果的に作用し、フレキシブルプリント基板７の剥離を防止することができる。

また、リジッド基板９は、固定用金属箔７４がハンダ付けされるための導電層として、固定用金属箔７４が接続される疑似端子を有することが好ましい。疑似端子は、検出回路９０や、リジッド基板９に実装されているその他の回路とは導通されておらず、電気回路としての役割は有していないが、ハンダＳや固定用金属箔７４を介して、フレキシブルプリント基板７を固定するために設けられる。

また、信号ライン接続部８１とリジッド基板９との固定位置は、さまざまな構成をとり得る。図５では、リジッド基板９の端部に信号ライン接続部８１を設ける構成を例示しているが、信号ライン接続部８１は、リジッド基板９の長辺の中央部分に設けることもできる。具体的には、図８に例示する別の実施形態では、リジッド基板９の長辺に沿って、二つの補強部８２と信号ライン接続部８１が設けられる。この構成によると、リジッド基板９の長辺に沿って並設される複数の補強部８２の間に、信号ライン接続部８１が位置しているため、リジッド基板９の両端に位置する補強部８２がフレキシブルプリント基板７の自重を支え、信号ライン接続部８１に負荷が集中することを防止することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１電池セル、１１外装缶、１２封口体、１３電極端子、１４電極体、１５スペーサ、１７バスバー、２電池ブロック、２Ａ端子列、３エンドプレート、４連結具、５樹脂プレート、７フレキシブルプリント基板、７１導電箔、７２絶縁性フィルム、７３タブ、７４固定用金属箔、８固定部、８１信号ライン接続部、８２補強部、８３補強パッド、９リジッド基板、９０検出回路、９１放電回路、９１Ａ放電抵抗、９１Ｂスイッチ、９２電圧検出回路、Ｓハンダ

Claims

電極端子を有する複数の電池セルと、
前記複数の電池セルの状態を検出する検出回路が実装されるリジッド基板と、
前記電極端子及び前記検出回路を電気的に接続するフレキシブルプリント基板と、
前記フレキシブルプリント基板の先端に設けられ、前記複数の電池セルと前記フレキシブルプリント基板とを電気的に接続する接続部材と、を備え、
前記フレキシブルプリント基板は、前記リジッド基板に固定される複数の固定部を有し、
前記複数の固定部は、
前記リジッド基板に一端が固定され、前記電極端子と前記検出回路を電気的に接続する複数の導電箔を有する信号ライン接続部と、
前記リジッド基板に一端が固定され、前記電極端子から絶縁される固定用金属箔を有する補強部と、を含み、
前記信号ライン接続部は、前記リジッド基板と重なる接続領域を有し、
さらに、前記接続領域内において前記複数の導電箔が延在する延在方向に対して垂直方向に延びる補強パッドを備えることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
さらに、前記複数の電池セルを含む直方体形状の電池ブロックを備え、
前記リジッド基板は、前記電池ブロックの一面に対向して配置されることを特徴とする電源装置。
請求項２に記載の電源装置であって、
前記接続領域において、前記リジッド基板は、前記フレキシブルプリント基板と前記複数の電池セルの間に位置することを特徴とする電源装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置であって、
前記複数の導電箔及び前記固定用金属箔は、ハンダを介して、前記リジッド基板に固定されることを特徴とする電源装置。
請求項４に記載の電源装置であって、
前記固定用金属箔は、さらに前記信号ライン接続部にも設けられ、
前記補強パッドは、前記信号ライン接続部の固定用金属箔に溶接されるハンダで構成されることを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電源装置であって、
前記リジッド基板は、平面視において長方形形状に形成され、
前記複数の固定部は、前記リジッド基板の長辺に沿って並設されることを特徴とする電源装置。
請求項６に記載の電源装置であって、
前記補強部は、複数の補強部を含み、
前記リジッド基板の長辺に沿って並設される前記複数の補強部の間に、前記信号ライン接続部が配置されることを特徴とする電源装置。
請求項６または請求項７に記載の電源装置であって、
前記複数の電池セルは、複数の端子列を形成するように積層して配置され、
前記リジッド基板は、前記リジッド基板の長辺が前記複数の端子列の配列方向に沿うように前記複数の端子列の間に配置されることを特徴とする電源装置。
請求項６または請求項７に記載の電源装置であって、
さらに、前記複数の電池セルの電極端子同士を電気的に接続する複数のバスバーを備え、
前記接続部材は、前記バスバーに溶接される複数のタブであることを特徴とする電源装置。