TWI469414B - Battery - Google Patents

Description

電池組

本發明係關於由適用以二次電池施行多串聯多並聯連接的電池模組所構成電池組。

近年隨著電子機器，特別係諸如行動電話、筆記型個人電腦、攝影機等行動資訊機器的發達與普及，對小型、輕量、且高能量密度二次電池的需求已大幅成長，而正對更高性能化進行探討。此種二次電池特別以鋰離子二次電池備受矚目。

鋰離子二次電池係將正極(其係將由鋰鈷複合氧化物等正極活性物質粉末、導電性粉末、及黏結劑構成的正極活性物質層，形成於由鋁箔所構成正極集電體表面上)、與負極(其係將由碳系負極活性物質粉末及黏結劑所構成負極活性物質層，形成於由銅箔所構成負極集電體表面上)，隔著由多孔質合成樹脂薄膜構成的隔板進行重疊，並浸漬電解液而形成電池要素。

當啟動諸如電動汽車等的動力源係使用電池時，必須配合所需電容量，而將多數單位電池進行串聯、並聯連接。

圖6所示係習知電池組一例說明圖。

圖6所示之電池組係由7個單位電池構成的大容量鋰離子電池組。電池組1係於第一框體片3a與第二蓋體片3b內，在將具有4.0Ah左右容量的單位電池進行7串聯1並聯配置的組電池4中，安裝著保護電路基板7，且具備有與外部間的耦接連接器8。

再者，圖7所示係習知電池組另一例說明圖。圖7所示電池組係由習知14個單位電池構成的大容量鋰離子電池組。

該電池組係在第一框體片3a與第二框體片3b內，將具有1.0Ah左右容量的單位電池進行7串聯1並聯配置而形成組電池4a、4b，再將該組電池4a、4b進行並聯連接而形成7串聯2並聯配置，且安裝保護電路基板7，並具備有與外部間的耦接連接器8。

因為此種電池組的各個電池組中，由於安裝有當發生電池充放電時的異常情況下，用以保護電池的保護電路基板，因而會因保護電路基板所佔的體積而導致體積能量密度降低。例如參照專利文獻1。

再者，將單位電池進行串聯、並聯、串並聯連接的電池組製造，若單位電池個數較多，便會導致其製造、維護較為複雜。

所以，已知有取代將單位電池直接配置於電池組內，而改為設置複數個在框體內部收納複數個單位電池之電池模組的電池組。

當使用電池模組時，利用各種電池模組的組合，便可有效率地施行各種電氣輸出的電池組組裝。

於電池模組亦是如同電池組，在將單位電池進行串聯、並聯或串並聯連接的組電池中，設置保護電路基板。例如參照專利文獻2。

保護電路基板一般係使用各種半導體元件，使用配合電池模組的耐電壓、耐電流半導體元件。

例如於輸出24V的電池模組，為能承受該電壓，便有利用輸出電壓2倍的48V耐電壓元件構成保護電路之情況，但若將該模組2個串聯連接時，耐電壓的餘裕便會消失，當將3個串聯連接時，在此時點便會超過耐電壓，而在異常時便會有半導體元件遭破壞，導致保護機能無法發揮作用的可能性。因而，電池模組彼此間的電氣式連接便會有所限制。

亦有利用高耐電壓零件構成保護電路基板的方法，但會有零件的外形尺寸較大、或單價提高等問題，不管體積上、或價格上均不利。

[專利文獻1]日本專利特開2006-12805號公報

[專利文獻2]日本專利特開平11-341693號公報

本發明的課題在於提供：於將複數個已收納由複數個單位電池構成之組電池的電池模組，進行串聯、並聯、或串並聯連接的電池組中，使用共通電池模組的串聯連接、並聯連接自由度較高、組裝生產性較高、可靠度較大的電池組。

本發明的電池組係具有：複數個將複數個單位電池收容於框體中的電池模組、以及對複數個電池模組的充電放電進行統括控制之保護電路基板。

再者，上述電池組係電池模組內的正極側輸出入線或負極側輸出入線中至少任一者配置有電流保險絲。

上述電池組係電池模組內的各單位電池正極側或負極側其中任一者，連接著電池電壓檢測線，且上述電池電壓檢測線係從電池模組拉出並連接於上述保護電路基板。

再者，上述電池組中，上述電池電壓檢測線係連接於在絕緣板上形成電氣性獨立之複數個保險絲的晶片保險絲，並從電池模組中拉出。

上述電池組係上述單位電池分別由薄膜狀封裝材料所被覆。

上述電池組係各單位電池的正極活性物質含有鋰錳複合氧化物。

再者，本發明的上述電池組係上述電池模組收容於合成樹脂製框體、或金屬製框體中。

根據本發明，可提供利用多樣串聯連接、並聯連接，而使輸出電壓、輸出電流的設定自由度大、組裝生產性高、容積能量密度大的電池組。

其次，針對本發明實施形態參照圖式進行詳細說明。

圖1所示係本發明電池組的說明圖，係將框體其中一部分拆卸後的分解立體圖。

本發明的電池組1係在由第一框體片3a與第二蓋體片3b構成的框體內，收容著複數個電池模組5、及保護電路基板7。

各電池模組5所連接的電池模組輸出線9、與單位電池電壓檢測線11係連接於保護電路基板7。此外，保護電路基板7係連接於進行與電池組1間之電氣式連接的輸出入部13。

本例所示之電池組1係收容著4個電池模組5。藉由4個電池模組5相互連接，便可進行4串聯1並聯、2串聯2並聯、1串聯4並聯等連接，因而利用同一構造的電池模組，便可提供各種輸出電壓與輸出電流的電池組。

再者，於本發明電池組1的保護電路基板7，因為連接著電池模組輸出線9(其係連接於各電池模組5)、及單位電池電壓檢測線11，便可針對構成電池模組的各單位電池動作狀態進行個別監視，俾可防止過充電、過放電、過電流、溫度異常等狀況發生。

依此由於在電池組中設置保護電路基板7，因而已無需要就各單位電池或各電池模組5分別設置保護電路基板7。

再者，藉由在保護電路基板7中形成可選擇將電池模組任意進行串聯、並聯或串並聯連接的電路，因而可以藉由使用同一電池模組5與同一保護電路基板7，提供多樣輸出電壓與輸出電流的電池組。

圖2所示係設置在本發明電池組所收容電池模組內的鋰離子二次電池之單位電池一例說明圖，屬於立體圖。

鋰離子二次電池的單位電池21係利用薄膜狀封裝材料23進行密封，並將電池要素的正極所連接的正極片25、與負極所連接的負極片27，分別從薄膜狀封裝材料23的封口部取出於外部。

薄膜狀封裝材料較佳係使用在單位電池內面配置熱熔接性聚乙烯薄膜，並在外面配置強度較大的聚對苯二甲酸乙二酯、聚醯胺薄膜等，且內部配置鋁箔並積層的可撓性積層薄膜。

再者，正極係將鋰過渡金屬複合氧化物粒子、與碳黑等碳質導電性賦予材料、及黏結劑一起分散所形成的漿料，塗佈於由鋁箔構成的集電體上而進行製作。

鋰過渡金屬複合氧化物係可使用鋰錳複合氧化物。使用鋰錳複合氧化物時，相較於使用鋰鈷複合氧化物的電池，由於充電時的安全性較高，因此可使各個單位電池的保護電路簡單化。所以，可將電池模組小型化。

鋰錳複合氧化物係不只為僅含有鋰與錳的氧化物，亦可為含有其他元素的複合氧化物。

再者，負極係將摻雜(或無摻雜)鋰的石墨、無定形碳粉末、矽等，與黏結劑一起進行攪拌而獲得的漿料，塗佈於銅箔上便可製得。

本發明的電池組係可使用各種電容量的單位電池，例如電容量可達1Ah以上、且500Ah以下。

圖3所示係本發明電池組所收容之電池模組一實施態樣的說明圖，屬於分解立體圖。

電池模組5係在電池模組框體51a、51b內設有由複數單位電池21所構成組電池4。電池模組框體51a、51b係可使用諸如聚碳酸酯、ABS樹脂等合成樹脂、或諸如鋁、軟鋼、不銹鋼等金屬材料。電池模組框體51a、51b係利用螺絲52相互結合。

當構成框體的構件係使用合成樹脂材料時，便可防止當施加電壓的部分接觸到框體時所發生短路情況。另一方面，當需要放熱特性與框體強度的情況，較佳係使用金屬材料。

本例所示電池模組5係將7個單位電池21進行串聯連接而形成組電池4。單位電池的形狀、連接個數、電氣式連接方法，係可配合使用目的而適當變更。

本電池模組5係設有上述組電池4的正極側輸出入線54、上述組電池的負極側輸出入線55、以及為監視各單位電池的電壓而拉出的電池電壓檢測線60。

正極側輸出入線54係設有短路時保護用的電流保險絲57，而電池電壓檢測線60係連接於防止電壓檢測線短路用的晶片保險絲61。

再者，於框體係設有輸出入線外部耦接連接器59、與電池電壓檢測線輸出側連接器66，但並未安裝保護電路基板。

圖3所示例中，電壓檢測線用之晶片保險絲61係在絕緣性基板上設有因應電壓檢測線數的電氣性獨立之複數個保險絲62。

電壓檢測線用之晶片保險絲61係設有可同時連接複數個電路的連接器61a與61b，因此藉由其中一連接器61a連接著連接器63(其係設有線路耦接於電池電壓檢測線60的複數個電氣式接點)，另一連接器61b係連接著連接器65(其係線路耦接於輸出側電池電壓檢測線64)，以便進行與電池電壓檢測線輸出側連接器66間的連接，則可同時進行所有電池電壓檢測線的連接。

正極側輸出入線54的短路時保護用電流保險絲57，係依照電池或使用該電池的機器而異，就24V系統較佳係達30A以上，而由於使用於驅動系統而需要大電流時，較佳適用具100A以上之額定者，俾可確保安全性。

因為正極側輸出入線54與負極側輸出入線55係將組電池53與輸出入線外部耦接連接器59相連接，因而其所適用的線材亦是依照所需要電流量而適當選擇，較佳係達AWG#14號線(直徑1.628mm)以上的粗細。此外，電池電壓檢測線55較佳係達AWG#30號線(直徑0.2546mm)以上的粗細。

再者，以上的電氣連接係除線材之外，尚可利用由諸如銅、鋁等金屬板構成的匯流排(busbar)進行連接。

圖4所示係圖3所說明之電池電壓檢測線連接的更詳細說明圖，圖4A係與晶片保險絲間之連接部的說明立體圖，圖4B係晶片保險絲安裝狀態的說明側視圖，圖4C係晶片保險絲的俯視圖。

晶片保險絲61係具備有電氣性獨立的複數個保險絲62，並設有可對複數個保險絲62同時形成電氣式連接的連接器61a與61b。所以，藉由其中一連接器61a連接於連接器63(其係設有結合於電池電壓檢測線60的複數個電氣式接點)，另一連接器61b則連接於連接器65(其係連接於輸出側電池電壓檢測線64)，便可執行複數個電池電壓檢測線的線路耦接。

再者，輸出側電池電壓檢測線64係設有電池電壓檢測線輸出側連接器66，便可對電池組側所設置保護電路進行電池電壓供應。

藉由設置設有複數保險絲的晶片保險絲，便可同時進行所有電池電壓檢測線的連接。此外，藉由使用被施加電壓的部分未露出的連接器，便可形成高可靠度電氣式連接。

圖5所示係本發明電池模組的電氣配線一實施態樣說明圖。

圖5所示例中，將7個單位電池21進行串聯連接而構成組電池4。

將從位於組電池4積層體一端的單位電池正極所拉出正極側輸出入線54、從位於上述組電池積層體另一端的單位電池負極所拉出負極側輸出入線55進行連接，正極側輸出入線54則經由電流保險絲57連接於輸出入線外部耦接連接器59，並連接於電池保護基板。

另一方面，單位電池的各正極側分別連接於電池電壓檢測線60，並連接於晶片保險絲61中所設置相互電氣性獨立的7個保險絲62。

晶片保險絲61輸出側的輸出側電池電壓檢測線64，係連接於電池電壓檢測線輸出側連接器66，並經由連接器而連接於電池保護電路。

因為本電池模組係在電池模組側並無設置進行保護電池充放電用的保護電路，因而可配合所需電壓、電流，將複數個電池模組進行自由的串聯連接、並聯連接、或串並聯連接。

再者，構成組電池的電池串聯個數係可配合使用電池之機器所必要的電壓與電流而適當設定。使用電池之機器的電壓代表性係有如12V系統或24V系統，當鋰離子二次電池的情況，就12V系統較佳將3~4個串聯連接，就24V系統較佳將6~8個串聯連接。此外，藉由改變串聯連接個數，便可因應諸如36V、42V等各種電壓。

[實施例]

以下，例示實施例而針對本發明進行說明。

[實施例1]

鋰離子二次電池的正極製作係如下述而實施。

將鋰錳複合氧化物粉末、碳質導電性賦予材、及聚偏二氟乙烯(polyrinyl idene-fluoride)依90：5：5質量比，混合分散於N-甲基-2-吡咯酮(N-Methyl-2-Pyrrolidone，NMP)中並施行攪拌，而調製得正極活性物質層漿料。接著，將該漿料使用刮刀在厚20μm鋁箔的雙面上均勻塗佈而製得正極。

再者，負極係將無定形碳粉末、聚偏二氟乙烯依91：9質量比，混合分散於N-甲基-2-吡咯酮(NMP)中並施行攪拌，而調製得負極活性物質層漿料。接著，將該漿料使用刮刀在厚10μm銅箔的雙面上均勻塗佈而製得負極。

使雙面已塗佈正極活性物質層、負極活性物質層的正極板與負極板使隔著隔板並進行積層的電池要素，浸漬電解液，同時利用薄膜狀封裝材料施行密封而製得鋰離子二次電池的單位電池。單位電池的容量係4.0Ah。

將該二次電池7個串聯連接而形成組電池，並將其收容於電池模組框體內，同時將各單位電池所安裝的電池電壓檢測線，連接於具備7個電氣性獨立保險絲的晶片保險絲一端之連接器上，並將晶片保險絲另一端與外部連接用連接器相連接。

再者，將正極側輸出入線連接於電流保險絲一端，並將電流保險絲另一端與負極側輸出入線分別與外部連接用的連接器相連接。

將依此所製得電池模組的所需個數收納於電池組中，藉由連接於保護電路基板，便可製得電池組。

若舉一例，收納著由7個單位電池串聯連接之組電池的保護電路基板，在其所安裝之電池組係寬90mm×長210mm×厚70mm大小。若將其4個合起來則體積為5292cm³ 。

相對於此，依實施例所製得電池組，收容著未設有保護電路基板的電池模組4個，屬於寬200mm×長250mm×厚100mm大小，體積係5000cm³ 。

依此，在各電池模組未分別設置保護電路基板的情況下，藉由保護電路基板僅設置1個於收容著4個電池模組的電池組，便可減少電池組的體積，因而可提升體積能量密度。

再者，本發明電池組係在製作電池模組後，便將必要個數的電池模組連接器，連接於電池組內所設置保護電路基板而藉以進行製造，因而可減少組裝步驟數，故可提升電池組的生產性。

再者，電池模組係除將4個電池全部串聯連接的情況外，尚可使用2串聯2並聯等方式連接的電池模組，因而使用同一構造的電池模組，便可製造輸出電壓與輸出電流不同的電池組，俾可提高電池組的製造自由度。

再者，本發明的電池組係可適用於使用各種活性物質的二次電池，特別頗適用於將充電時安全性較高的鋰錳複合氧化物使用為正極活性物質的鋰離子電池。此外，可提供僅電池組使用保護電路基板，但電池模組並未使用保護電路基板的電池組。

[實施例2]

圖7所示係習知電池組一例的說明圖，將單位電池進行7串聯2並聯的組電池，且安裝有保護電路基板的電池組1，在由第一框體片3a與第二蓋體片3b構成的框體內，將7個單位電池串聯連接的組電池53，由2個進行並聯連接。此外，保護電路基板7係接觸於組電池而配置。

電池組1的大小係寬180mm×長210mm×厚70mm。該電池組4個連接的情況，合計體積係10584cm³ 。

另一方面，利用與上述電池組同樣個數的單位電池進行7串聯2並聯的組電池而構成之電池模組，而收納該電池模組4個的電池組係寬幅380mm×長250mm×厚100mm大小，體積為9500cm³ 。

本發明電池組係相較於使用同一個數的單位電池，並在各個電池組內設置保護電路基板，且輸出電壓與輸出電流均相等的電池組，本發明可提供體積較小者，因而可提供每單位體積的電容量較大之電池組。

(產業上之可利用性)

電池充放電的保護電路基板之配置屬於不可欠缺，由諸如鋰離子電池等容量較大的二次電池單位電池進行組合的組電池所構成之各個電池模組，因為係未設置電池充放電的保護電路基板，而僅在電池組中設置保護電路基板的電池組，因而可提供容積效率較高的電池組。

1．．．電池組

3a．．．第一框體片

3b．．．第二蓋體片

4、4a、4b、53．．．組電池

5．．．電池模組

7．．．保護電路基板

8．．．耦接連接器

9．．．電池模組輸出線

11．．．單位電池電壓檢測線

13．．．輸出入部

21．．．單位電池

23．．．封裝材料

25．．．正極片

27．．．負極片

51a、51b．．．電池模組框體

52．．．螺絲

54．．．正極側輸出入線

55．．．負極側輸出入線

57．．．電流保險絲

59．．．輸出入線外部耦接連接器

60．．．電池電壓檢測線

61．．．晶片保險絲

61a、61b、63、65．．．連接器

62．．．保險絲

64．．．輸出側電池電壓檢測線

66．．．電池電壓檢測線輸出側連接器

圖1為本發明電池組的說明圖，係將框體一部分拆卸後的分解立體圖。

圖2為設置在本發明電池組中所收容電池模組內的鋰離子二次電池之單位電池一例說明圖，屬於立體圖。

圖3為本發明電池組中所收容電池模組的實施態樣說明圖，屬於分解立體圖。

圖4為圖3所說明之電池電壓檢測線連接的更詳細說明圖，圖4A為與晶片保險絲間之連接部的說明立體圖，圖4B為晶片保險絲的安裝狀態說明側視圖，圖4C為晶片保險絲的俯視圖。

圖5為本發明電池模組的電氣配線一實施態樣說明圖。

圖6為習知電池組一例的說明圖。

圖7為習知電池組另一例的說明圖。

1．．．電池組

3a．．．第一框體片

3b．．．第二蓋體片

5．．．電池模組

7．．．保護電路基板

9．．．電池模組輸出線

11．．．單位電池電壓檢測線

13．．．輸出入部

Claims (5)

1. 一種電池組，其特徵在於，其具有複數個將複數個單位電池收容於容器中的電池模組、以及對複數個電池模組的充電放電進行統括控制之保護電路基板，在連接有連接於各單位電池之單位電池檢測線、與連接於各電池模組之電池模組輸出線的保護電路基板，連接有與電池組進行電氣式連接之輸出入部，上述單位電池的正極活性物質係鋰錳複合氧化物。
2. 如申請專利範圍第1項之電池組，其中，於電池模組內的正極側輸出入線或負極側輸出入線中至少任一者，配置有電流保險絲。
3. 如申請專利範圍第1或2項之電池組，其中，於電池模組內的各單位電池正極側或負極側其中任一者，連接有電池電壓檢測線，且上述電池電壓檢測線係從電池模組拉出並連接於上述保護電路基板。
4. 如申請專利範圍第3項之電池組，其中，上述電池電壓檢測線係連接於在絕緣板上形成有電氣性獨立之複數個保險絲的晶片保險絲，並從電池模組中拉出。
5. 如申請專利範圍第1項之電池組，其中，上述單位電池係由薄膜狀封裝材料所被覆。