JPWO2019065168A1 - Power supply - Google Patents
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Abstract
電池セルと制御素子の温度バランスを最適範囲に保持して、電池セルの温度上昇による電気特性の低下と、制御素子の温度上昇による動作不良とを解消する。電源装置は、電池集合体(40)の電池セル(1)の保護回路を実現する制御素子(82)を実装する回路基板(80)を基板ホルダー(81)に固定して、基板ホルダー(81)の底プレート(81A)を回路基板(80)と電池集合体(40)との間に配置しており、回路基板(80)の表面には制御素子(82)が固定されて、ポッティング樹脂(7)が密着しており、回路基板(80)の裏面と底プレート(81A)との間には断熱層(83)を設けている。The temperature balance between the battery cell and the control element is maintained in the optimum range, and the deterioration of the electrical characteristics due to the temperature rise of the battery cell and the malfunction due to the temperature rise of the control element are eliminated. In the power supply device, the circuit board (80) on which the control element (82) that realizes the protection circuit of the battery cell (1) of the battery assembly (40) is mounted is fixed to the board holder (81), and the board holder (81) is fixed. ) Is arranged between the circuit board (80) and the battery assembly (40), and the control element (82) is fixed to the surface of the circuit board (80) to form a potting resin. (7) is in close contact with each other, and a heat insulating layer (83) is provided between the back surface of the circuit board (80) and the bottom plate (81A).
Description
本発明は、電池セルと電子回路とを内蔵する電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device incorporating a battery cell and an electronic circuit.
大出力で大容量の電源装置は、多数の電池セルを直列に接続して出力電圧を高く、また並列に接続して出力電流を大きくしている。この種の電源装置は、電池セルに保護回路を接続し、保護回路で充放電の電流をコントロールして、電池セルの劣化や安全性を確保している。電池セルの保護回路は、回路基板に実装する制御素子で実現される。回路基板には、電池セルの電流を制御するために、FETやトランジスタ等の半導体スイッチング素子が電流をコントロールするパワー素子として実装される。パワー素子は大電流をコントロールするので、大電流が流れて電力損失が大きくなって発熱する。ジュール熱が電流の二乗に比例して大きくなるからである。一方、電池セルも電流のジュール熱で発熱するので、電池セルとパワー素子の両方が発熱する。電池セルの発熱による温度上昇は、電池セルの電気特性を低下し、また安全性を低下させる。パワー素子の発熱は、パワー素子が故障する原因となる。パワー素子と電池セルの熱エネルギーを効率よく放熱して異常な温度上昇を防止するために、従来の電源装置は、電池セルと回路基板とをポッティング樹脂に埋設してポッティング樹脂に熱伝導して放熱している。(特許文献1参照) In a high-output, large-capacity power supply device, a large number of battery cells are connected in series to increase the output voltage, and are connected in parallel to increase the output current. In this type of power supply device, a protection circuit is connected to the battery cell, and the charge / discharge current is controlled by the protection circuit to ensure deterioration and safety of the battery cell. The battery cell protection circuit is realized by a control element mounted on a circuit board. In order to control the current of the battery cell, a semiconductor switching element such as a FET or a transistor is mounted on the circuit board as a power element for controlling the current. Since the power element controls a large current, a large current flows, the power loss becomes large, and heat is generated. This is because the Joule heat increases in proportion to the square of the current. On the other hand, since the battery cell also generates heat due to the Joule heat of the electric current, both the battery cell and the power element generate heat. The temperature rise due to the heat generated by the battery cell lowers the electrical characteristics of the battery cell and also lowers the safety. The heat generated by the power element causes the power element to fail. In order to efficiently dissipate the heat energy of the power element and the battery cell and prevent an abnormal temperature rise, the conventional power supply device embeds the battery cell and the circuit board in the potting resin and conducts heat to the potting resin. It dissipates heat. (See Patent Document 1)
電池セルと回路基板の両方をポッティング樹脂に埋設する電源装置は、回路基板に実装するパワー素子と電池セルの熱エネルギーが伝導されて両方を放熱する。この電源装置は、パワー素子と電池セルの両方の熱エネルギーをポッティング樹脂に伝導して放熱できる特徴がある。しかしながら、この電源装置は、パワー素子と電池セルの両方を理想的な温度帯域に保持できない欠点がある。パワー素子と電池セルの理想的な温度帯域が異なるからである。さらに困ったことに、パワー素子と電池セルは両方が一緒に発熱するので、パワー素子と電池セルの温度上昇が同時になる。それは、両方が流れる電流の二乗に比例してジュール熱で発熱し、しかもパワー素子は電池セルに直列に接続されて、パワー素子の電流が増加するときに電池セルの電流も増加するからである。さらに、両方が同時に発熱するタイミングで、パワー素子の温度上昇は電池セルよりも大きくなる。パワー素子の電流密度が電池セルよりも大きく、パワー素子が電池セルよりも小さい領域で発熱するからである。したがって、パワー素子と電池セルとがポッティング樹脂で密着されて両方が同じタイミングで発熱すると、高温のパワー素子の熱エネルギーが、電池セルを温度上昇させて電池セルに温度障害を与える弊害が発生する。 In the power supply device in which both the battery cell and the circuit board are embedded in the potting resin, the thermal energy of the power element mounted on the circuit board and the battery cell is conducted to dissipate heat. This power supply device is characterized in that the heat energy of both the power element and the battery cell can be conducted to the potting resin to dissipate heat. However, this power supply has a drawback that both the power element and the battery cell cannot be maintained in the ideal temperature band. This is because the ideal temperature bands of the power element and the battery cell are different. To make matters worse, both the power element and the battery cell generate heat together, so that the temperature of the power element and the battery cell rises at the same time. This is because the heat generated by Joule heat is proportional to the square of the current flowing through both, and the power element is connected in series with the battery cell, and the current of the battery cell increases as the current of the power element increases. .. Further, the temperature rise of the power element becomes larger than that of the battery cell at the timing when both generate heat at the same time. This is because the current density of the power element is larger than that of the battery cell, and the power element generates heat in a region smaller than that of the battery cell. Therefore, when the power element and the battery cell are brought into close contact with each other with the potting resin and both generate heat at the same timing, the thermal energy of the high-temperature power element raises the temperature of the battery cell and causes a temperature hindrance to the battery cell. ..
本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の目的の一は、互いに直列に接続されて比例して電流値が増加する、電池セルと制御素子の温度バランスを最適範囲に保持して、電池セルと制御素子の両方の温度上昇による弊害を防止して、電池セルの温度上昇による電気特性の低下と、制御素子の温度上昇による動作不良とを解消して、厳しい使用環境においても高い安全性を実現する電源装置を提供することにある。 The present invention has been developed for the purpose of solving the above drawbacks. One of the objects of the present invention is to maintain the temperature balance between the battery cell and the control element in the optimum range, in which the current value increases proportionally by being connected in series with each other, and the temperature rises of both the battery cell and the control element. To provide a power supply device that realizes high safety even in a harsh usage environment by preventing harmful effects and eliminating the deterioration of electrical characteristics due to the temperature rise of the battery cell and the malfunction due to the temperature rise of the control element. is there.
本発明の第1の側面に係る電源装置は、複数の電池セルを備える電池集合体と、前記電池集合体の電池セルの保護回路を実現する制御素子を実装してなる回路基板と、前記回路基板を固定して、底プレートを回路基板と電池集合体との間に配置してなる基板ホルダーとを備え、前記回路基板は、前記基板ホルダーの底プレートと対向する面の反対側にある表面に制御素子を固定して、表面にはポッティング樹脂が密着しており、さらに、回路基板の裏面と底プレートとの間には断熱層を設けている。 The power supply device according to the first aspect of the present invention includes a battery assembly including a plurality of battery cells, a circuit board on which a control element for realizing a protection circuit for the battery cells of the battery assembly is mounted, and the circuit. A substrate holder for fixing a substrate and arranging a bottom plate between the circuit board and a battery assembly is provided, and the circuit board is a surface opposite to a surface of the substrate holder facing the bottom plate. The control element is fixed to the surface, the potting resin is in close contact with the front surface, and a heat insulating layer is provided between the back surface of the circuit board and the bottom plate.
以上の電源装置は、互いに直列に接続されて比例して電流値が増加する、電池セルと制御素子の温度バランスを最適範囲に保持できる。したがって、電池セルと制御素子の両方の温度上昇による弊害を防止して、電池セルの温度上昇による電気特性の低下と、制御素子の温度上昇による動作不良とを解消して、厳しい使用環境においても高い安全性を実現できる特徴がある。それは、以上の電源装置が、回路基板を基板ホルダーに固定して、回路基板と電池集合体との間に基板ホルダーの底プレートを配置し、さらに回路基板は、表面に制御素子を固定してポッティング樹脂が密着し、回路基板の裏面と底プレートとの間には断熱層を設けて制御素子を実装する回路基板を電池セルから熱遮断しているからである。 The above power supply devices can maintain the temperature balance between the battery cell and the control element in the optimum range, which are connected in series with each other and the current value increases proportionally. Therefore, it is possible to prevent the harmful effects caused by the temperature rise of both the battery cell and the control element, eliminate the deterioration of the electrical characteristics due to the temperature rise of the battery cell and the malfunction due to the temperature rise of the control element, and even in a harsh usage environment. It has the feature of being able to achieve high safety. That is, the above power supply device fixes the circuit board to the board holder, arranges the bottom plate of the board holder between the circuit board and the battery assembly, and further fixes the control element on the surface of the circuit board. This is because the potting resin is in close contact with the circuit board, and a heat insulating layer is provided between the back surface of the circuit board and the bottom plate to heat-shield the circuit board on which the control element is mounted from the battery cell.
電池セルの電流をコントロールする制御素子は、電池セルと直列に接続されるので、電池セルの電流が増加するに従って電流値が増加する。電池セルと制御素子は電流の二乗に比例してジュール熱で発熱するので、電池セルが発熱するタイミングにおいて制御素子も同時に発熱する。したがって、電池セルと制御素子は両方が一緒に温度上昇する。制御素子は電池セルよりも小さいので、局部的に発熱して温度上昇が電池セルよりも高くなる。したがって、制御素子を実装する回路基板を、制御素子の実装部分の温度が局部的に高くなる。図2の矢印Aは、電池セル1に回路基板80が密着されると、発熱した制御素子82の熱エネルギーが電池セル1に伝導される状態を示している。この図に示すように、回路基板80に実装する制御素子82が発熱すると、回路基板80が局部的に温度上昇し、温度上昇した回路基板80が付近に配置している特定の電池セル1を加熱する。制御素子の温度は電池セルよりも高く、また電池セルと制御素子とは一緒に発熱するので、温度上昇した電池セルが、さらに高温の制御素子で加熱されて、電池温度が異常に高くなる。この状態は、特定の電池温度を高くして電気特性を著しく低下させることに加えて、各々の電池セルの温度差を拡大して、電気特性をアンバランスとする。電気特性のアンバランスは、特定の電池セルを急激に劣化させる原因となる。電源装置は全ての電池セルを並列に接続することなく、電池セルを直列接続して出力電圧を高くしている。直列接続している電源装置は、何れかの電池セルの電気特性が全体の電気特性を低下させる。このことから、多数の電池セルを内蔵する電源装置は、電池セルの温度上昇を少なくすることに加えて、各々の電池セルの温度差をいかに小さくできるかが、電気特性の低下、すなわち寿命を特定する大切なパラメーターとなる。
Since the control element that controls the current of the battery cell is connected in series with the battery cell, the current value increases as the current of the battery cell increases. Since the battery cell and the control element generate heat with Joule heat in proportion to the square of the current, the control element also generates heat at the same time when the battery cell generates heat. Therefore, both the battery cell and the control element rise in temperature together. Since the control element is smaller than the battery cell, it generates heat locally and the temperature rise is higher than that of the battery cell. Therefore, in the circuit board on which the control element is mounted, the temperature of the mounting portion of the control element becomes locally high. The arrow A in FIG. 2 indicates a state in which the heat energy of the heat-generating
図2に示す電源装置は、回路基板80を基板ホルダー81に固定して、その表面に制御素子82を配置してポッティング樹脂7を密着し、回路基板80の裏面には基板ホルダー81の底プレート81Aとの間に断熱層83を設けて、回路基板80と制御素子82との間に断熱層83を配置する。この構造の電源装置は、回路基板の表面に固定されて発熱する制御素子の熱エネルギーをポッティング樹脂に伝導し、制御素子の熱エネルギーを放熱して回路基板の表面に分散する。ポッティング樹脂は、制御素子の熱エネルギーを効率よく分散して放熱する。したがって、制御素子の温度上昇が制限されて、回路基板の温度むらが少なくなる。温度むらの少ない回路基板は、裏面と底プレートとの間に断熱層を設けている。回路基板と底プレートとの間に配置される断熱層は、回路基板と制御素子との間にあって、回路基板から電池集合体への熱伝導を遮断する。したがって、電池セルに流れる電流が増加して電池セルがジュール熱で温度上昇する状態において、電池セルよりもさらに高温に発熱した制御素子で加熱されることがない。制御素子の温度上昇は電池セルよりも高くなるが、制御素子の耐熱温度は電池セルよりも高いので、ポッティング樹脂で放熱することで好ましい設定範囲に保持される。また、温度上昇する電池セルは、さらに高温の制御素子で加熱されることなく、好ましい設定範囲に保持される。
In the power supply device shown in FIG. 2, the
また、第2の側面に係る電源装置によれば、上記構成に加えて、前記断熱層を空気層とすることができる。 Further, according to the power supply device according to the second side surface, in addition to the above configuration, the heat insulating layer can be an air layer.
さらに、第3の側面に係る電源装置によれば、上記構成に加えて、前記空気層を外部に開放してなる空気の換気層とすることができる。 Further, according to the power supply device according to the third aspect, in addition to the above configuration, the air layer can be an air ventilation layer that is open to the outside.
さらに、第4の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記基板ホルダーは、底プレートの周囲に周壁を設けて、前記回路基板を前記周壁の内側に配置し、前記周壁と前記回路基板の外周との境界を、ポッティング樹脂の流入を阻止する閉塞隙間とすることができる。 Further, according to the power supply device according to the fourth side surface, in addition to any of the above configurations, the substrate holder is provided with a peripheral wall around the bottom plate, and the circuit board is arranged inside the peripheral wall. The boundary between the peripheral wall and the outer periphery of the circuit board can be a closed gap that prevents the inflow of the potting resin.
さらに、第5の側面に係る電源装置によれば、上記構成に加えて、前記周壁と前記回路基板との間に、前記ポッティング樹脂の流入を阻止するパッキンを配置することができる。 Further, according to the power supply device according to the fifth aspect, in addition to the above configuration, a packing for blocking the inflow of the potting resin can be arranged between the peripheral wall and the circuit board.
さらに、第6の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記回路基板の表面に熱伝導層を設け、前記熱伝導層を介して前記回路基板を前記ポッティング樹脂に密着させることができる。 Further, according to the power supply device according to the sixth side surface, in addition to any of the above configurations, a heat conductive layer is provided on the surface of the circuit board, and the circuit board is made into the potting resin via the heat conductive layer. Can be brought into close contact.
さらに、第7の側面に係る電源装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記回路基板と前記底プレートを水平姿勢に配置して、前記回路基板の上面に前記ポッティング樹脂を密着して、該回路基板の下面に前記断熱層を配置し、前記電池集合体を前記底プレートの下方に配置することができる。 Further, according to the power supply device according to the seventh side surface, in addition to any of the above configurations, the circuit board and the bottom plate are arranged in a horizontal posture, and the potting resin is brought into close contact with the upper surface of the circuit board. The heat insulating layer can be arranged on the lower surface of the circuit board, and the battery assembly can be arranged below the bottom plate.
さらにまた、第8の側面に係る電源装置によれば、上記構成に加えて、前記底プレートと前記電池集合体との間に断熱空気層を設けることができる。 Furthermore, according to the power supply device according to the eighth side surface, in addition to the above configuration, an adiabatic air layer can be provided between the bottom plate and the battery assembly.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための構成を例示するものであって、本発明は以下のものに特定されない。また、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiments shown below exemplify a configuration for embodying the technical idea of the present invention, and the present invention is not specified as the following. Moreover, the member shown in the claims is never specified as the member of the embodiment. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the constituent members described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention to the specific ones unless otherwise specified. It is just an example of explanation. The size and positional relationship of the members shown in each drawing may be exaggerated to clarify the explanation. Further, in the following description, members having the same or the same quality are shown with the same name and reference numeral, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Further, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are composed of the same member and the plurality of elements are combined with one member, or conversely, the function of one member is performed by the plurality of members. It can also be shared and realized. In addition, the contents described in some examples and embodiments can be used in other embodiments and embodiments.
以下に示す電源装置は、主として、モータのみで走行する電気自動車や電動カートなどの電動車両の駆動用電源に適用する例を説明する。なお本発明の電源装置を、エンジンとモータの両方で走行するハイブリッド車に使用したり、電動車両以外の大出力が要求される用途、例えば家庭用、工場用の蓄電装置等に使用してもよい。
(実施形態1)An example in which the power supply device shown below is mainly applied to a power source for driving an electric vehicle such as an electric vehicle or an electric cart that runs only by a motor will be described. Even if the power supply device of the present invention is used in a hybrid vehicle that runs on both an engine and a motor, or in an application other than an electric vehicle that requires a large output, for example, a power storage device for home or factory use. Good.
(Embodiment 1)
図1の断面図と図2の拡大断面図に示す電源装置100は、電池集合体40の上に回路基板80を配置している。電池集合体40は、図3に示すように、複数の二次電池セル1を電池ホルダ44で定位置に配置している。図の電池集合体40は、二次電池セル1を水平姿勢で平行に配置して、多段多列に配列している。
(回路基板80)In the
(Circuit board 80)
回路基板80は、電池集合体40の二次電池セル1の保護回路を実現する制御素子82を実装している。保護回路は二次電池セル1の電圧、残容量、温度、電流等を検出して電流を制御して、二次電池セル1の過充電や過放電を防止し、さらに二次電池セル1の異常な状態における電流を制御して二次電池セル1の劣化や電気特性の低下を防止する。二次電池セル1の電流をコントロールする保護回路は、二次電池セル1と直列に接続されて電流をコントロールする制御素子82を備える。制御素子82はFETやトランジスタ等の半導体素子である。これ等の制御素子82は、電流の二乗と等価抵抗の積に比例するジュール熱で発熱する。制御素子82は二次電池セル1と直列に接続されて二次電池セル1の電流をコントロールするので、二次電池セル1の電流が増加する制御素子82の電流も増加する。二次電池セル1も電流の二乗と内部抵抗の積に比例するジュール熱で発熱するので、制御素子82と二次電池セル1は同じタイミングで発熱し、また発熱エネルギーも同じように増加する。このため、例えば電流が2倍に増加すると、二次電池セル1と制御素子82の発熱エネルギーは4倍となる。二次電池セル1と制御素子82は同じ割合で発熱量が増加するが、制御素子82の温度上昇は二次電池セル1よりも大きくなる。それは、制御素子82の発熱領域が二次電池セル1に比較して極めて狭い領域となるからである。
(基板ホルダー81)The
(Board holder 81)
回路基板80は、基板ホルダー81を介して電池集合体40の定位置に配置されている。基板ホルダー81は、回路基板80を定位置に配置することに加えて、高温に加熱される制御素子82の熱エネルギーを効率よく拡散し、さらに放熱しながら、制御素子82から二次電池セル1への熱伝導を遮断して、制御素子82と二次電池セル1の両方の温度バランスを最適化し、二次電池セル1と制御素子82の両方を最適な温度領域に保持する。このことを実現するために、基板ホルダー81は、回路基板80の裏面と底プレート81Aとの間には断熱層83を設けて、回路基板80の上面にはポッティング樹脂7を注入している。
(断熱層83)The
(Insulation layer 83)
図2の基板ホルダー81は、回路基板裏面の断熱層83を空気層とする。空気層は軽くて優れた断熱特性を実現する。さらに、図2の断熱層83は、外部に開放された空気の換気層83Aとして、空気層の断熱特性をより向上している。換気層83Aは、基板ホルダー81の周壁81Bの上下に貫通穴を設けて開口部81a、81bとしている。この換気層83Aは、下部の開口部81aから外気が流入し、内部で加温して軽くなった空気が上部の開口部81bから外部に排出されて、内部の空気を換気して内部空気の温度上昇を少なくする。断熱層83は、空気層に代わって、無数の繊維を立体的に集合している断熱材やプラスチックや無機材の発泡体からなる断熱材も使用できる。断熱層83に断熱材を充填する基板ホルダー81は、上面に注入されるポッティング樹脂7が断熱層83に流入するのを防止できるので、ポッティング樹脂7の注入を簡単にできる特徴がある。さらに、図1と図2に示す電源装置100は、基板ホルダー81の底プレート81Aと電池集合体40との間にも断熱空気層84を設けて、制御素子82から二次電池セル1への熱伝導を遮断している。
(ポッティング樹脂7)In the
(Potting resin 7)
基板ホルダー81は、回路基板80の上にポッティング樹脂7を注入して、回路基板80の表面と制御素子82をポッティング樹脂7に密着する。回路基板80の上面にポッティング樹脂7を注入するために、基板ホルダー81は周壁81Bを回路基板80の表面から上に突出する高さとしている。さらに、回路基板80の上に注入される未硬化で液状のポッティング樹脂7が回路基板80の裏面に流入しないように、基板ホルダー81は底プレート81Aの周囲に周壁81Bを設けて、回路基板80を周壁81Bの内側に配置している。周壁81Bと回路基板80の外周との境界は、ポッティング樹脂7の流入を阻止する閉塞隙間81Cとして、回路基板80の外周縁と周壁内面との間に隙間ができない形状としている。図2の基板ホルダー81は、周壁81Bの内面と回路基板80の外周縁との間にパッキン85を配置して、ポッティング樹脂7が回路基板80の裏面に流入するのを防止している。
The
ポッティング樹脂7は、回路基板80の表面と制御素子82の全体あるいは下部を埋設して、回路基板80の表面と制御素子82に密着されて、制御素子82の熱エネルギーを回路基板80の表面に分散し、さらに外部に放熱する。図2の断面図に示すポッティング樹脂7は、制御素子82の全体をポッティング樹脂7に埋設して、制御素子82の全面をポッティング樹脂7に密着するように、周壁81Bを高くしてポッティング樹脂7を厚く充填している。ポッティング樹脂7に埋設される制御素子82は、熱エネルギーを全面からポッティング樹脂7に伝導する。ポッティング樹脂7は、伝導される熱エネルギーを回路基板80の表面に分散し、さらに、表面から放熱して制御素子82の熱エネルギーを放熱する。さらに、図2の断面図に示す回路基板80は、制御素子82の熱エネルギーをより効率よく表面に分散できるように、表面に熱伝導層86を設けて、熱伝導層86をポッティング樹脂7に密着している。熱伝導層86はポッティング樹脂7よりも熱伝導率の優れた金属層で、制御素子82の熱エネルギーを極めて効率よく回路基板80の表面に分散する。この回路基板80は、ポッティング樹脂7と回路基板80の表面との間に熱伝導特性に優れた熱伝導層86を設けているので、制御素子82の熱エネルギーを熱伝導層86で分散し、分散された熱エネルギーをさらにポッティング樹脂7で分散して放熱する。
The
図2の電源装置100は、回路基板80と底プレート81Aを水平姿勢に配置して、回路基板80の上にポッティング樹脂7に密着して、下面に断熱層83を配置し、さらに、電池集合体40を底プレート81Aの下方に配置している。電源装置100は、発熱する制御素子82の熱エネルギーをポッティング樹脂7に伝導して放熱する。加熱されたポッティング樹脂7は、熱エネルギーを分散して表面から放熱する。熱エネルギーを放熱するポッティング樹脂7は、輻射熱で放熱し、また表面に接触する空気を加温して放熱する。ポッティング樹脂7の表面で加温された空気は、軽くなって上昇する。ポッティング樹脂7で加温された空気は、上昇するので下方に配置している二次電池セル1を加温しない。したがって、回路基板80と底プレート81Aとを電池集合体40の上に配置する構造は、発熱した制御素子82が空気を介して二次電池セル1を加温することがなく、制御素子82の発熱による二次電池セル1の温度上昇を最も小さくできる特徴がある。電池集合体40の上方に配置される回路基板80は、温度上昇した二次電池セル1で温度上昇した空気で加温されるが、二次電池セル1の温度上昇は制御素子82よりも小さく、しかも制御素子82の温度上昇が二次電池セル1よりも高くなるので、発熱した二次電池セル1による制御素子82の加温は弊害とならない。
(電池集合体40)In the
(Battery assembly 40)
電池集合体40は、複数の二次電池セル1を電池ホルダ44で定位置に配置している。図1〜図3に示す電池集合体40は、一対の電池ユニット40Aを対向位置(図において左右)に配置して連結している。電池ユニット40Aは複数の二次電池セル1を平行姿勢に並べて、両端を同一平面に配置して、両端の端部電極13にリード板45を接続している。電池集合体40は、対向位置に配置する一対の電池ユニット40Aを二次電池セル1の軸方向に並べて配置すると共に、一対の電池ユニット40Aの間に絶縁スペース6を設けている。各々の電池ユニット40Aは、図2の拡大断面図に示すように、絶縁スペース6の対向位置に端部電極13を配置している。
(二次電池セル1)In the
(Secondary battery cell 1)
二次電池セル1は、設定圧力で開弁する排出弁の排出口(図視せず)を端面に設けている。二次電池セル1は両端に端部電極13を設けている。この二次電池セル1は、アルミニウム等の金属製外装缶の開口部を封口板で気密に密閉して、封口板に凸部電極を設けて第1の端部電極13Aとし、外装缶の底面を第2の端部電極13Bとしている。排出弁の排出口は、凸部電極側に設けられ、あるいは外装缶の底面に設けられる。
The
二次電池セル1は、円筒形電池のリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は、大きさや重量に対する容量が大きく、電源装置100のトータル容量を大きくできる。ただし、本発明の電源装置は、二次電池セルをリチウムイオン電池には特定しない。二次電池セルには、充電できる他の二次電池が使用できる。また、図の電源装置100は、二次電池セル1を円筒形電池とするが、二次電池セルには角形電池も使用できる。各々の二次電池セル1は、その両端の端部電極13にリード板45を溶接して、隣接する二次電池セル1を直列又は並列に接続している。
(電池ホルダ44)The
(Battery holder 44)
二次電池セル1は、図3に示すように、電池ホルダ44で定位置に配置している。電池ホルダ44はプラスチック等の絶縁材を成形して制作される。図の電池ホルダ44は、すべての二次電池セル1を平行な姿勢で定位置に配置している。電池ホルダ44で定位置に配置される二次電池セル1は、その両端にリード板45を溶接するので、各々の端部に溶接されるリード板45を同一面に位置するように、各々の二次電池セル1をその両端部がほぼ同一面に位置するように、電池ホルダ44に配置している。
As shown in FIG. 3, the
電池ホルダ44は、二次電池セル1を挿入して定位置に配置する挿入部44Aを設けている。図の電源装置100は、二次電池セル1を円筒形電池とするので、挿入部44Aを円柱状としている。電池ホルダ44は、プラスチックを筒状に成形して内側に挿入部44Aを設けている。挿入部44Aは、電池端部を露出させる開口部44Bを両端に設けている。開口部44Bは、挿入部44Aに挿入される二次電池セル1の端部を挿入部44Aから外部に露出させる。開口部44Bに露出される二次電池セル1の端面は、端部電極13となってここにリード板45が溶接して固定される。
The
図1に示すように、一対の電池ユニット40Aの間に絶縁スペース6を設けて、絶縁スペース6の両側に二次電池セル1の端面を配置する電池集合体40は、排出弁の排出口が絶縁スペース6に配置される。排出弁が開弁すると、排出口から排出される高温の噴出ガスが対向する電池ユニット40Aの端面に向かって噴射される。対向位置にある二次電池セル1の対向面に噴射される高温の噴出ガスは、二次電池セル1の熱暴走を誘発する原因となる。図1の電源装置100は、絶縁スペース6の中間に耐熱シート64を配置している。
(耐熱シート64)As shown in FIG. 1, in the
(Heat-resistant sheet 64)
耐熱シート64は、排出弁から排出される噴出ガスで溶融されない耐熱温度の絶縁シートで、たとえば難燃処理した耐熱紙である。ただ、耐熱シート64には、耐熱紙に代わって噴出ガスで溶融されない無機繊維をシート状に集合した紙や不織布、あるいは、無機材を薄いシート状に結合した無機シート等も使用できる。これ等の耐熱シート64は薄くできるので、耐熱シート64が絶縁スペース6の実質容積を減少することなく絶縁スペース6を広くして噴出ガスをスムーズに排出できる特徴がある。絶縁性の耐熱シート64は、両面に配置される二次電池セル1の端面やリード板45を絶縁状態に配置できる。ただ、耐熱シートは必ずしも絶縁材とする必要はない。それは、耐熱シートの表面に絶縁シートを積層して表面を絶縁できるからである。ただし、耐熱シートを絶縁材としてその表面に絶縁材を積層する構造は、耐熱シートによる絶縁性をさらに向上できる。
The heat-
耐熱シート64は、二次電池セル1の端面と平行な姿勢で配置される。図の電源装置100は、絶縁スペース6の中間に耐熱シート64を配置して、耐熱シート64の両面には噴出ガスの排気チャンバー63を設けている。絶縁スペース6の中間に耐熱シート63を配置するために、電源装置100は、図1〜図4に示すように、耐熱シート64の両側に絶縁スペース6の外周部に沿う形状の閉塞カバー61を配置し、この閉塞カバー61を耐熱シート64と電池ユニット40Aとの間に介在させている。図の閉塞カバー61は、絶縁スペース6の外周部に沿う形状の外周枠部62を有している。電源装置100は、この形状の閉塞カバー61を電池ユニット40の対向面40aと耐熱シート64との間に配置することで、耐熱シート64を電池ユニット40の対向面40aから離間する状態で配置して、耐熱シート64と電池ユニット40の対向面40aとの間であって外周枠部62の内側に排気チャンバー63を設けている。
The heat-
このように、耐熱シート64の両面に排気チャンバー63を設けている絶縁スペース6は、噴出ガスをスムーズに抵抗なく排気チャンバー63に排出できる。また、この構造の絶縁スペース6は、噴出ガスを排気チャンバー63で拡散して耐熱シート64に吹き付けるので、噴出ガスによる耐熱シート64の熱損傷を少なくして、対向位置にある二次電池セル1の熱暴走の誘発をより効果的に阻止できる。さらに耐熱シート64に要求される強度と耐熱特性を低下して、耐熱シート64のコストを低減できる。さらにまた、耐熱シート64の表面に吹き付けられる噴出ガスを排気チャンバー63で両側に分散させるので、噴出ガスを少ない排気抵抗でスムーズに絶縁スペース6に排出できる特徴も実現する。このことは、内圧が異常に上昇した二次電池セル1の圧力を速やかに低下して、内圧上昇による外装缶の破裂などの弊害を有効に防止できる。
In this way, the insulating
さらに、耐熱シート64は、排出される噴出ガスで変形する可撓性シートとしている。この耐熱シート64は、噴射される噴出ガスの圧力で変形して、噴出ガスが排出される一方の排気チャンバー63の容積を増加できるので、排出弁の排出口から排気チャンバー63により少ない抵抗で噴出ガスをスムーズに排出して、二次電池セル1の内圧上昇による破壊を効果的に防止してより高い安全性を確保できる特徴がある。
(閉塞カバー61)Further, the heat-
(Occlusion cover 61)
耐熱シート64の両側に配置されて、耐熱シート64と電池ユニット40Aとの間に配置される閉塞カバー61は、図1〜図4に示すように、絶縁スペース6の外周部を閉塞する外周枠部62を有しており、この外周枠部62の内側に排気チャンバー63を設けて、排気チャンバー63に排出弁の排出口を露出させている。外周枠部62は、絶縁スペース6の外周縁部に沿って伸びる形状で、電池ユニット40Aの端面に隙間なく密着して、絶縁スペース6に排気チャンバー63を形成している。この構造の閉塞カバー61は、外周枠部62の内側に大容積の排気チャンバー63を設けて、ここに噴出ガスを噴射できるので、噴出ガスをスムーズに排出できる特徴がある。それは、大容積の排気チャンバー63は、排出弁の排出口から噴射される噴出ガスによる内圧上昇が緩慢で排気抵抗の上昇勾配を緩やかにできるからである。
As shown in FIGS. 1 to 4, the closing covers 61 arranged on both sides of the heat-
閉塞カバー61は、排出弁から排出される噴出ガスで溶融する独立気泡を有する絶縁材の発泡体で成形される。噴出ガスで溶融される閉塞カバー61の溶融温度は、たとえば100℃以上であって500℃以下、好ましくは200℃以上であって400℃以下とする。溶融温度の低い閉塞カバー61は、噴出ガスで速やかに溶融して噴出ガスを絶縁スペース6の外部に排出し、溶融温度の高い閉塞カバー61は、使用状態において確実に絶縁スペース6を閉塞できる。閉塞カバー61の溶融温度が低すぎると、電池温度で溶融し、あるいは変形し、また高すぎると噴出ガスで速やかに溶融できなくなる。したがって、閉塞カバー61の溶融温度は、噴出ガスでは速やかに溶融し、かつ噴出ガスが噴射されない状態では変形したり溶融しない温度特性を考慮して、先述の範囲に設定される。
The
噴出ガスで溶融する閉塞カバー61は、開弁した排出弁から噴射される高温の噴出ガスで溶融される。溶融された閉塞カバー61は絶縁スペース6を外部に開放して、流入される噴出ガスを図2の矢印Bで示すように、絶縁スペース6から排出する。絶縁材の閉塞カバー61は、電池ユニット40Aの端部電極13側に密着して、絶縁スペース6を閉塞できる。とくに、端部電極13側には金属板のリード板45を配置しているので、絶縁材の閉塞カバー61はリード板45に密着して、リード板45を短絡することなく絶縁スペース6を閉塞できる。さらに、独立気泡を有する発泡体の閉塞カバー61は、単位体積に対する重量が小さく、密度が低くできるので、高温の噴出ガスで速やかに溶融されて、噴出ガスを絶縁スペース6から速やかに外部に排出できる特徴がある。さらに発泡体の閉塞カバー61は、成形時の発泡倍率をコントロールしてより低比重化できるので、噴出ガスによる溶融時間を極めて短縮することができる。
The
閉塞カバー61は、ゴム状弾性体の発泡体で成形している。ゴム状弾性体の閉塞カバー61は、たとえば合成ゴム発泡体や軟質のプラスチック発泡体で成形される。合成ゴム発泡体はプロピレンゴムが使用できる。軟質のプラスチック発泡体には、たとえば軟質ウレタン発泡体が使用できる。ゴム状弾性体の閉塞カバー61は、一対の電池ユニット40Aの間に配置し、両側の電池ユニット40Aで押圧し、圧縮される状態に弾性変形させることで、電池ユニット40Aの対向面40aに密着する。とくに、絶縁スペース6との対向面40aにリード板45を固定している電池ユニット40Aは、リード板45によって対向面40aに凹凸や隙間ができるが、弾性変形して密着する閉塞カバー61は、凹凸を吸収し、隙間を閉塞できる特徴がある。さらに、独立気泡を有する発泡体からなるゴム状弾性体の閉塞カバー61は、無数の気泡でより柔軟化されて変形できる自由度が大きくなり、凹凸のある電池ユニット40Aの対向面40aに隙間なく密着できる特徴がある。さらに、ゴム状弾性体の発泡体からなる閉塞カバー61は、弾性変形して電池ユニット40Aの対向面40aに密着する状態で、電池ユニット40Aの対向面40aの押圧力を小さくできる。したがって、電池ユニット40Aの対向面40aに密着しながら、電池ユニット40Aに無理な応力を作用させることなく、絶縁スペース6を確実に閉塞できる特徴がある。
The
ただ、本発明の電源装置は、閉塞カバー61を必ずしもゴム状弾性体で成形する必要はない。それは、閉塞カバー61と電池ユニット40Aの対向面40aとの間に弾性変形するパッキンを配置し、あるいはシール材を塗布して、閉塞カバー61を電池ユニット40Aの対向面40aに隙間なく密着することができるからである。
However, in the power supply device of the present invention, the
図1の電源装置100は、図2〜図4に示すように、閉塞カバー61の外周枠部62の表面と耐熱シート64の表面とに絶縁シート65を積層している。絶縁シート65はプラスチック製で、耐熱シート64の両面に閉塞カバー61を配置して、耐熱シート64と両側の閉塞カバー61とを一体構造に連結して、絶縁スペース6に配設される板状の絶縁スペーサ60としている。絶縁スペーサ60は、一対の電池ユニット40Aに間に挟む状態で配置されて、閉塞カバー61と耐熱シート64とを絶縁スペース6の定位置に配置する。したがって、この構造は組み立て工程を簡単にして能率よく多量生産して、耐熱シート64と閉塞カバー61とを正確な位置に配置できる特徴がある。
In the
図1及び図2の電源装置100は、閉塞カバー61に外周枠部62を設けて、外周枠部62の内側に排気チャンバー63を設けているが、閉塞カバー61はこの形状に特定するものでない。たとえば、図示しないが、閉塞カバーは、二次電池セルの排出弁の排出口との対向面に凹部を設けた板状の発泡体に成形し、あるいは、絶縁スペースに隙間なく配設されて、排気チャンバーを設けない板状に成形して排出弁の排出口を塞ぐこともできる。これ等の形状の閉塞カバー61は、発泡体の発泡倍率を高くして閉塞カバー内部の空隙率を高くし、また溶融温度を低くして高温の噴出ガスによる溶融時間を短縮して、絶縁スペースに噴射される噴出ガスを速やかに外部に排出する。
In the
本発明の電源装置は、内蔵する電池の熱暴走の誘発を防止して高い安全性が要求される用途に便利に使用される。 The power supply device of the present invention is conveniently used in applications where high safety is required by preventing the induction of thermal runaway of the built-in battery.
100…電源装置
1…二次電池セル
6…絶縁スペース
7…ポッティング樹脂
13…端部電極
13A…第1の端部電極
13B…第2の端部電極
40…電池集合体
40A…電池ユニット
40a…対向面
44…電池ホルダ
44A…挿入部
44B…開口部
45…リード板
60…絶縁スペーサ
61…閉塞カバー
62…外周枠部
63…排気チャンバー
64…耐熱シート
65…絶縁シート
80…回路基板
81…基板ホルダー
81A…底プレート
81B…周壁
81C…閉塞隙間
81a…開口部
81b…開口部
82…制御素子
83…断熱層
83A…換気層
84…断熱空気層
85…パッキン
86…熱伝導層
100 ...
Claims (8)
前記電池集合体の電池セルの保護回路を実現する制御素子を実装してなる回路基板と、
前記回路基板を固定して、底プレートを回路基板と電池集合体との間に配置してなる基板ホルダーとを備え、
前記回路基板は、前記基板ホルダーの底プレートと対向する面の反対側にある表面に制御素子を固定しており、
前記回路基板は、表面にはポッティング樹脂が密着されて、
前記回路基板の裏面と前記底プレートとの間に断熱層が設けられてなることを特徴とする電源装置。A battery assembly with multiple battery cells and
A circuit board on which a control element that realizes a protection circuit for a battery cell of the battery assembly is mounted, and
A board holder for fixing the circuit board and arranging the bottom plate between the circuit board and the battery assembly is provided.
The circuit board has a control element fixed to a surface opposite to the surface of the substrate holder facing the bottom plate.
A potting resin is adhered to the surface of the circuit board.
A power supply device characterized in that a heat insulating layer is provided between the back surface of the circuit board and the bottom plate.
前記断熱層が空気層であることを特徴とする電源装置。The power supply device according to claim 1.
A power supply device characterized in that the heat insulating layer is an air layer.
前記空気層が、外部に開放された空気の換気層であることを特徴とする電源装置。The power supply device according to claim 2.
A power supply device characterized in that the air layer is a ventilation layer of air open to the outside.
前記基板ホルダーが底プレートの周囲に周壁を備え、
前記回路基板が前記周壁の内側に配置され、
前記周壁と前記回路基板の外周との境界が、前記ポッティング樹脂の流入を阻止する閉塞隙間としてなることを特徴とする電源装置。The power supply device according to any one of claims 1 to 3.
The substrate holder has a peripheral wall around the bottom plate.
The circuit board is arranged inside the peripheral wall,
A power supply device characterized in that the boundary between the peripheral wall and the outer periphery of the circuit board serves as a closing gap that prevents the inflow of the potting resin.
前記周壁と前記回路基板との間に、前記ポッティング樹脂の流入を阻止するパッキンを配置してなることを特徴とする電源装置。The power supply device according to claim 4.
A power supply device characterized in that a packing for blocking the inflow of the potting resin is arranged between the peripheral wall and the circuit board.
前記回路基板が表面に熱伝導層を有し、前記熱伝導層を介して前記回路基板が前記ポッティング樹脂に密着されてなることを特徴とする電源装置。The power supply device according to any one of claims 1 to 5.
A power supply device characterized in that the circuit board has a heat conductive layer on its surface, and the circuit board is brought into close contact with the potting resin via the heat conductive layer.
前記回路基板と前記底プレートとが水平姿勢に配置され、
前記回路基板が、上面をポッティング樹脂に密着して、下面に前記断熱層を配置しており、
さらに、前記電池集合体が前記底プレートの下方に配置されてなることを特徴とする電源装置。The power supply device according to any one of claims 1 to 6.
The circuit board and the bottom plate are arranged in a horizontal position.
The circuit board has the upper surface in close contact with the potting resin, and the heat insulating layer is arranged on the lower surface.
Further, the power supply device is characterized in that the battery assembly is arranged below the bottom plate.
前記底プレートと前記電池集合体との間に断熱空気層を設けてなることを特徴とする電源装置。
The power supply device according to claim 7.
A power supply device characterized in that an insulated air layer is provided between the bottom plate and the battery assembly.
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