WO2005069408A1

WO2005069408A1 - 電池パック

Info

Publication number: WO2005069408A1
Application number: PCT/JP2005/000540
Authority: WO
Inventors: Katsumi Kozu; Toshihiko Ichinose; So Kuranaka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2005-07-28
Also published as: US20080233475A1; EP1727223A1; US7846577B2; EP1727223A4

Abstract

複数の二次電池（２）をそれぞれセンターフレーム（７）、底側フレーム（８）、端子側フレーム（６）によって隣り合う間に所定間隔を設けて並列配置した状態に保持し、前記複数の二次電池（２）を直列接続して端子側フレーム（６）に回路基板（３）を取り付けることによりこれら複数の二次電池（２）と回路基板（３）とを一体化し、回路基板（３）に樹脂モールドを施すことで、二次電池の温度上昇を抑える通気口から水や塵埃が浸入した場合でも電気回路部分に障害が生じない電池パックを提供する。また、前記端子側フレーム（６）に保持された複数の二次電池（２）の封口板に形成された正極及び負極の端子に接続板（９）を接合して前記複数の二次電池（２）を直列接続し、各接続板（９）に形成された接続突起を接続穴に挿入して回路基板（３）を取り付けることにより複数の二次電池（２）と回路基板（３）とを一体化する構成とすると、複数の二次電池をそれぞれ回路基板に接続する配線接続を容易に構成することができる。

Description

明細書

電池パック

技術分野

[0001] 本発明は、電動ドリルなどの電動工具の電池電源として好適な電池パックに関するものである。

背景技術

[0002] 電動工具のハイパワー化に伴ってその電池電源として構成された電池パックは大きな放電電力が出力できるものが要求される。この要求を満たすために多数の二次電池をパックケース内に収めた電池パックが用いられている。しかし、電動工具は手持ち操作されるものであるため、電池パックはより小型でより軽量なものが求められている。一般的には電池としてニッケルカドミウム蓄電池あるいはニッケル一水素蓄電池が用いられて、るが、重量エネルギー密度や体積エネルギー密度の点で充分に満足できるものではなぐ多数の二次電池を必要とするため電池パックが大きく重くなるため電動工具の操作性が低下する課題や、多数の電池が密集配置されるため電池の放熱性に課題を有して、た。

[0003] 前記ニッケルカドミウム蓄電池やニッケル一水素蓄電池に比して重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度が優れた二次電池としてリチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池が知られており、これを用いて電池パックを構成すると、同一出力電力における電池パックの小型軽量ィ匕を促進することが可能である。中でも扁平角形のリチウムイオン二次電池を用いると、円筒形の電池を用いた場合よりスペース効率に優れた電池パックの構成が可能となる。

[0004] しかし、リチウムイオン二次電池のような非水電解液を用いる二次電池は、過充電や過放電により劣化や発熱を生じやすいので、電池保護回路ゃ充放電制御回路を設ける必要があり、これらの回路を構成した回路基板を二次電池と共にパックケース内に収容して電池パックが構成される。このような二次電池と回路基板とをパックケース内に収容した電池パックは多数の提案がなされており、例えば、特許文献 1に示す電池パックなどが知られて、る。特許文献 1 :特開 2001—313015号公報

[0005] ところが、電動工具の電池電源のように比較的大きな電力が要求される電池パックの場合では多数の二次電池が用いられるため、各二次電池を回路基板に接続するための配線構造が複雑になる課題があった。また、電動工具は塵埃や水が飛散するような環境下で使用されることが多いため、回路基板などの電気回路部分に防水、防湿、防塵するための構造が必要となる力それによつて二次電池の放熱性が損なわれたり、電池パックが大型化しな、ように構成することが要求されて、る。

[0006] そこで本発明が目的とするところは、複数の二次電池と回路基板とを簡易に接続する構造を設けて一体ィ匕すると共に電気回路部分の防水、防湿、防塵の構造を設けた電池パックを提供することにある。

発明の開示

[0007] 上記目的を達成するために本発明にかかる電池パックは、電池缶内に極板群及び電解液を収容して開口端を封口板によって封口し、前記封口板に極端子が設けられてなる複数の扁平角形の二次電池と、各二次電池の動作状態を管理する電池管理回路を構成した回路基板とをパックケース内に収容してなる電池パックであって、前記複数の二次電池をその封口板側を同一方向にしてフレームによって保持することにより複数の二次電池を一体ィ匕し、複数の二次電池の封口板側を保持するフレームに前記回路基板を取り付け、回路基板と各二次電池及び入出力端子との間を電気的接続した後、回路基板の所要面を榭脂被覆する榭脂モールドが施されてなるものである。

[0008] 上記構成によれば、複数の二次電池はフレームによって隣り合う間に所定間隔を設けて並列配置された状態に一体化され、二次電池の封口板側を保持するフレームに回路基板が取り付けられるので、複数の二次電池と回路基板とが一体化され、回路基板には榭脂モールドが施されるので、各二次電池の正負極端子や回路基板は隔離された状態となり、榭脂モールドによって被覆されるので、二次電池を冷却するために外部に通じる通風口等からパックケース内に塵埃や水分が浸入しても電気回路部分は防御される。

[0009] また、本発明にかかる電池パックは、電池缶内に極板群及び電解液を収容して開口端を封口板によって封口し、前記封口板に極端子が設けられてなる複数の二次電池と、各二次電池の動作状態を管理する電池管理回路を構成した回路基板とをパックケース内に収容してなる電池パックであって、前記複数の二次電池をその封口板側を同一方向にしてフレームによって保持し、各二次電池の極端子に接続板を接合して複数の二次電池を直列及び Z又は並列接続し、前記接続板に設けられた接続突起が接続穴に挿入されるように前記回路基板を取り付け、接続突起と回路基板とが接合されてなるものである。

[0010] 上記構成によれば、複数の二次電池はフレームによって一体ィ匕され、封口板側を保持するフレーム内に位置する封口板に形成された正極及び負極の極端子に接合して複数の二次電池を直列及び Z又は並列に接続する接続板に形成された接続突起に回路基板を接合すると、複数の二次電池と回路基板とが一体化され、各二次電池は回路基板に接続され、回路基板上に構成された電池管理回路は各二次電池の電圧を検出して充放電制御や電池保護等を行うことができる。この構成では複数の二次電池と回路基板との接続にリード配線が伴なわず、複数の二次電池と回路基板とを一体化する構造により電気的接続も実施できる。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]図 1は、実施形態に係る電池パックの外観構成を示す斜視図である。

[図 2]図 2は、同上電池パックの構成要素を示す分解斜視図である。

[図 3]図 3は、同上電池パックに適用した二次電池の構成を示す斜視図である。

[図 4]図 4は、二次電池を保持するセンターフレームの構成を示す斜視図である。

[図 5]図 5A—図 5Bは、端子側フレームの構成を示し、図 5Aは外面側を示す斜視図であり、図 5Bは内面側を示す斜視図である。

[図 6]図 6は、複数の二次電池と回路基板の接続構造を示す側面図である。

[図 7]図 7は、直列接続板の構成を示す斜視図である。

[図 8]図 8は、二次電池に対する空気流通構造を示す断面図である。

[図 9]図 9は、電動工具に対する装着構造を説明する側面図である。

[図 10]図 10は、充電器に対する装着構造を説明する側面図である。

発明を実施するために最良の形態 [0012] 以下、本発明の好ましい実施形態について、図 1一図 10を参照しながら説明する。図 1は、実施形態に係る電池パック 1を示すもので、図 9に示すように、電動工具 Aに装着して電動工具 Aの駆動電源となるように構成されている。また、電動工具 Aの使用により電池容量が減少したときには、電動工具 Aから取り外し、図 10に示すように、充電器 Bに装填することにより、充電することができる。電動工具 A又は充電器 Bへの装着は、パックケース 5の上方に設けられた装着部 20の両側面に形成された摺動溝 20aに電動工具 A又は充電器 Bに設けられた凸条部が嵌入するように電池パック 1を押し込むと、装着部 20の中央に保持されたコネクタケース 12に設けられた接続ブラグ 14が電動工具 A又は充電器 Bのソケットに挿入されて電気的接続がなされると共に電池パック 1は装着される。

[0013] この電池パック 1は、図 2に分解図示するように、パックケース 5内に 10個の二次電池 2と、この二次電池 2の充放電制御や電池保護制御などを行う電池管理回路を構成した回路基板 3とを収容し、二次電池 2の放熱を促す送風ファン 4を一体に組み込んで構成されている。

[0014] 前記二次電池 2は、扁平直方体の外形に形成されたリチウムイオン二次電池が適用されており、図 2に示すように、この二次電池 2の最大面積平坦面がパックケース 5の底面に対して垂直方向になり、所定間隔を隔てて互いに対向するようにして、 10個の二次電池 2が並列配置されている。このように 10個の二次電池 2を所定間隔を隔てて並列配置された状態に保持するために、図 4に示すように、二次電池 2の長手方向中央部分の断面積に対応する開口形状寸法の電池収容部（開口部） 17を 10箇所に形成したセンターフレーム 7により二次電池 2の中央部分が保持され、二次電池 2の両端がそれぞれ端子側フレーム 6、底側フレーム 8で保持されて、る。

[0015] 図 3に示すように、二次電池 2は、有底角筒に形成された電池缶 24内に、長尺に形成した正極板と負極板とをセパレータを介して卷回した卷回型極板群、もしくは複数の正極板と負極板とをセパレータを介して積層した積層型極板群を挿入し、電池缶 2 4の開口端に封口板 23を溶接して電池缶 24の開口端を封口し、電池缶 24内に電解液を注入して電池缶 24内が密閉される。前記封口板 23には正極板に接続した正極端子 21が封口板 23と電気的に絶縁して設けられ、封口板 23及び電池缶 24は二次電池 2の負極端子を構成する。

[0016] 二次電池 2は大電流の放電や過充電等の原因により温度上昇すると、熱膨張ゃ電解液の気化などによって電池缶 24に膨らみが生じ、それは電池缶 24の側面となる最大面積平坦面に顕著に現れる。電池缶 24内に収容された極板群は、それが卷回型であっても積層型であっても正極板と負極板とがセパレータを介して積層された状態に電池缶 24の両側の最大面積平坦面の間で挟圧され、セパレータに含浸された状態で存在する電解液中を移動するイオンが正極板と負極板との間で行き来することにより充放電反応がなされる。電池缶 24に膨らみが生じると、積層間の密着状態が損なわれ、積層間に隙間が発生すると、イオン移動度に不具合が生じ、充放電反応が充分になされな、状態となる恐れがある。

[0017] 図 4に示すように、センターフレーム 7は、 10個の二次電池 2をそれぞれ電池収納部 17に挿入すると、二次電池 2をその電池缶 24の略中央部分を周囲から囲んだ状態に保持するので、二次電池 2は膨らみが生じないように挟圧された状態となる。因みに、本実施形態に適用した二次電池 2の短手方向幅は 10mmであり、電池収容部 1 7の短手方向幅は 10. 4mmに形成されているので、み立て当初では二次電池 2 を電池収容部 17にスムーズに挿入でき、電池缶 24の膨らみは電池収容部 17の幅で規制されるため、電池缶 24の膨らみによる二次電池 2の性能低下は抑制される。

[0018] 10個の二次電池 2はそれぞれを同一方向にしてセンターフレーム 7の各電池収容部 17に挿入され、二次電池 2の底面側には電池缶 24の底部形状寸法に対応する形状寸法の底部収容凹部 18が並列形成された底側フレーム 8が装着される。二次電池 2の封口板 23側には、図 5Bに示すように、内側に二次電池 2の封口板 23側を収容する封口部収容凹部 19が形成され、その凹部底面には正極端子 21を貫通させる正極接続窓 25と、封口板 23の一部板面を覼かせた負極接続窓 26とが形成された端子側フレーム 6が装着される。この端子側フレーム 6の外側には、図 5Aに示すように、回路基板 3を収容する基板収容凹部 28と、 10個の二次電池 2を直列接続すると共に各二次電池 2を回路基板 3に接続する直列接続板 9、正極接続板 10、負極接続板 11を収容する接続板収容凹部 27とが形成されている。接続板収容凹部 27の底面には、前記正極接続窓 25と負極接続窓 26とが開口している。 [0019] 10個の二次電池 2を端子側フレーム 6、センターフレーム 7、底側フレーム 8で囲って互いに接合した後、図 6に示すように、端子側フレーム 6に形成された正極接続窓 25 と負極接続窓 26から、図 7に示す直列接続板 9を隣り合う二次電池 2にまたがって正極端子 21と封口板 23とに当接させ、正極接続部 41を正極端子 21に、負極接続部 4 2を封口板 23にそれぞれスポット溶接して 10個の二次電池 2を直列接続する。直列接続された正極側の接続端となる二次電池 2の正極端子 21には正極接続板 10が、直列接続された負極側の接続端となる二次電池 2の封口板 23には負極接続板 11がスポット溶接される。図 7は直列接続板 9の例を示すものであるが、直列接続板 9、正極接続板 10、負極接続板 11には、それぞれ回路基板 3に接続するための基板接続突起 29が形成されている。

[0020] 10個の二次電池 2に直列接続板 9、正極接続板 10、負極接続板 11がスポット溶接された端子側フレーム 6の基板収容凹部 28に回路基板 3を収納すると、直列接続板 9 、正極接続板 10及び負極接続板 11に形成された基板接続突起 29が回路基板 3に形成された接続穴に挿入されるので、各基板接続突起 29は回路基板 3に半田付けされる。この接続構造により、 10個の二次電池 2それぞれを回路基板 3に接続するためにリード配線することなく各二次電池 2は回路基板 3に接続され、回路基板 3において基板接続突起 29の間の電圧から各二次電池 2個々の電池電圧を測定することができ、回路基板 3に構成された電池保護回路は各二次電池 2個々の電池電圧から二次電池 2を過充電、過放電から保護する制御を実行し、充放電制御回路は電池電圧及び電池温度の測定に基づく充放電制御を実行する。

[0021] 基板収容凹部 28に収容された回路基板 3と、センターフレーム 7上に配置されるコネクタケース 12内に設けられる送風ファン 4及び接続プラグ 14との間にリード接続がなされた後、回路基板 3は榭脂モールドされる。榭脂モールドは、リード線の接続部分を含む電子部品の実装面に溶融した榭脂を流し込んで固化させることにより、回路基板 3の電気的絶縁性が強化されると同時に防湿 ·防水性を図ることができる。より好ましくは、基板収容凹部 28内を埋めるように溶融した榭脂を流し込んで固化させると、回路基板 3の全面が榭脂で包み込まれ、回路基板 3と端子側フレーム 6とが榭脂モ一ルドが施される。この榭脂モールドにより回路基板 3上に実装された電子部品の防湿対策が図られる他、ノックケース 5に形成された通気穴 13a, 13bなど力も浸入した水により電気的障害が発生することを防止することができる。

[0022] 上記のように二次電池 2及び回路基板 3がー体に組み合わされた後、図 2に示すように、 4面に保護板 16が配置され、センターフレーム 7上に配した送風ファン 4を囲ってコネクタケース 12を配した後、右ケース 5a及び左ケース 5bからなるパックケース 5を閉じて、図 1に示したような電池パック 1に完成される。

[0023] この電池パック 1は、図 9に示すように、電動工具 Aにスライド装着されると、コネクタケース 12内に設けられた接続プラグ 14が電動工具 Aに設けられた接続ソケットに接続され、電動工具 Aの始動スィッチの ON操作により電動工具 Aに駆動電力を供給する電力供給回路が閉じられる。電動工具 Aの駆動負荷が大きくなると二次電池 2からの放電量も増加するため温度上昇し、電池管理回路により所定温度が検出されると、電池管理回路は送風ファン 4が駆動されるように制御するので、二次電池 2は送風空気により冷却される。リチウムイオン二次電池における放電は発熱反応となるので、大電流放電により電動工具 Aが使用されると二次電池 2の温度上昇は激しぐ電池管理回路は送風により二次電池 2が 60°C以下の温度状態で使用されるように送風ファン 4を制御する。特に、真夏の炎天下のような高温環境では使用以前に二次電池 2 の温度が 40°Cを越える場合も想定でき、そのような環境下で電動工具 Aが使用されると温度上昇も大きくなるので、電池管理回路は二次電池 2の温度が高いときには電動工具 Aの使用の如何にかかわらず送風ファン 4を駆動して二次電池 2を冷却し、二次電池 2の温度が 60°Cを越えるような場合には電動工具 Aに対する電力供給を停止して送風ファン 4の駆動により二次電池 2の温度が低下するように制御する。

[0024] 送風ファン 4は、その回転によりパックケース 5内に外気を取り込む吸気ファンとして構成され、吸気した外気を二次電池 2に吹き付けて冷却する。電池パック 1を電動ェ具 Aに装着すると、コネクタケース 12は電動工具 Aの電池パック装着面に当接するので、コネクタケース 12の吸気口 32に対向する電動工具 Aの電池パック装着面には開口部が形成され、図 9に示すように、電動工具 Aの電池パック 1の装着部位の側面には前記開口部に通じる外気取り入れ口 aが形成される。

[0025] 図 8に白抜き矢印で示すように、送風ファン 4はパックケース 5内のセンターフレーム 7 上に配設されているので、送風ファン 4が駆動されると、吸気口 32から吸気された外気は所定間隔で並列配置された二次電池 2の対向間を通過し、パックケース 5の下に開口する下方通気穴 13aから排出される空気流路が形成されるので、電動工具 A を駆動する大きな放電電流により温度上昇する二次電池 2が冷却され、温度上昇が抑制される。また、センターフレーム 7上に設けられた整流板 15は、送風ファン 4から送風されてきた空気の流れを両側に流して送風ファン 4の直下にある二次電池 2だけでなく端方向にある二次電池 2にも送風空気を送ることができ、全ての二次電池 2が均等に冷却されるように作用する。この整流板 15に開口径及び開口位置を調整して開口部を形成することにより、整流板 15の下に位置する二次電池 2にも送風空気が当たるように調整することができ、各二次電池 2に対する空冷状態を均等化して電池温度が平均化されるように調整することができる。

[0026] 電池パック 1は、それが電動工具 Aに装着されたとき、図 9に示すように、電動工具 A の最下部と電池パック 1の底面とが同一高さ位置となる寸法に形成することにより、電動工具 Aを床面などに安定して立てることができる。図 8に示すように、ノックケース 5 の二次電池 2の長手方向断面は、下方の両側に下方窪み 31a及び上方の両側に上方窪み 3 lbが形成され、この下方及び上方の各窪み 3 la, 3 lbにそれぞれ下方通気穴 13a、上方通気穴 13bが形成されている。この下方及び上方の各窪み 3 la, 31b が形成されていることにより、電動工具 Aを立てた状態、即ち電動工具 Aの駆動が停止されて!/ヽる状態でも下方通気穴 13aは塞がれることはなぐ破線矢印で示すように、下方通気穴 13aから流入した外気が二次電池 2の間を通って上方通気穴 13bに抜ける空気の流れが形成される。特に、電動工具 Aを駆動した後では二次電池 2の温度が上昇しており、その熱によって上方通気穴 13bに流れる上昇気流が発生し、それに伴って下方通気穴 13aから外気が流入して二次電池 2の間を通って上方通気穴 13bに流れる空気の流れが形成され、温度上昇した二次電池 2は送風ファン 4が停止している状態でも冷却作用が促進され、速やかに二次電池 2の温度を低下させることがでさる。

[0027] 上記下方及び上方の各通気穴 13a, 13bは二次電池 2の冷却に効果的に作用する 1S 雨中など水滴が飛散するような環境で電動工具 Aが使用された場合や、水溜りのある床面に電動工具 Aが置かれたような場合に、下方及び上方の各通気穴 13a, 13bから水が浸入する恐れがある。図 8に示すように、パックケース 5内に水が浸入しても、各二次電池 2の封口板側は端子側フレーム 6に囲われ、回路基板 3は榭脂モ一ルド 30によって被覆されているので、通電部分に水が浸入することはなぐ過酷な環境下での使用が想定される電動工具 Aの電池パック 1としての安全性が確保される。

[0028] 電動工具 Aの駆動により電池容量が低下した場合には、電動工具 Aから電池パック 1 を取り外し、図 10に示すように、充電器 Bに装着することにより二次電池 2に対する充電がなされる。電池パック 1は充電器 Bに装着するときには、図示するように天地方向を逆にして充電器 Bに装着され、充電器 Bの電池パック 1の装着位置に設けられた通風口から充電器 B内の空気を吸気し、充電器 Bの排熱と同時に充電中の二次電池 2 を冷却する。充電器 Bの側にも排気ファンが設けられている場合には、送風ファン 4と合わせた送風を実施すると、より効果的な冷却がなされる。

[0029] 使用直後の電動工具 Aから取り外された電池パック 1では、二次電池 2の温度が充電に適した温度以上になっていることが予想でき、電池温度は電池管理回路で検出されると共にコネクタを通じて充電器 B側でも検出されるので、電池温度が 45°C以上である場合には充電は開始されず、電池温度が 45°C以下になるように送風による冷却が継続された後に充電が開始されるように制御される。

[0030] 以上説明した電池パック 1では、二次電池 2として扁平角形のものを適用している力円筒形に形成した二次電池を適用することも可能であり、上記実施形態に力かる構成と同様の効果が得られる。

産業上の利用可能性

[0031] 以上説明したとおり本発明によれば、複数の二次電池を隣り合う間に間隙を設けて並列配置させて空気流通による二次電池の冷却を促進させ、外気をパックケース内に取り込むための通気ロカ塵埃や水がパックケース内に浸入しても電気回路部分は榭脂モールドによって被覆されているため損傷を受け難い構造となることに加えて、複数の二次電池と回路基板とをブロック状に一体ィ匕する構造において、各二次電池と回路基板とを電気的接続するので、各二次電池と回路基板との間にリード配線をする必要がなぐ主要構成要素がブロック状に形成されるので、これをパックケース内に収容するだけで堅固な構造を簡易に構成することが可能となることから、過酷な環境下で使用されることも多い電動工具などの電池電源として好適な電池パックを実現することに適している。

Claims

請求の範囲

[1] 1.電池缶（24)内に極板群及び電解液を収容して開口端を封口板（23)によって封口し、前記封口板に極端子（21)が設けられてなる複数の二次電池（2)と、各二次電池の動作を制御管理する電池管理回路を構成した回路基板 (3)とをパックケース（5 )内に収容してなる電池パックであって、

前記複数の二次電池をその封口板側を同一方向にしてフレーム（6、 7、 8)によって保持することにより複数の二次電池を一体化し、複数の二次電池の封口板側を保持するフレーム (6)に前記回路基板を取り付け、回路基板と各二次電池及び入出力端子との間を電気的接続した後、回路基板の所要面を榭脂被覆する榭脂モールドが施されてなることを特徴とする電池パック。

[2] 2.電池缶（24)内に極板群及び電解液を収容して開口端を封口板（23)によって封口し、前記封口板に極端子（21)が設けられてなる複数の二次電池（2)と、各二次電池の動作を制御管理する電池管理回路を構成した回路基板 (3)とをパックケース (5)内に収容してなる電池パックであって、

前記複数の二次電池をその封口板側を同一方向にしてフレーム（6、 7、 8)によって保持し、各二次電池の極端子に接続板（9、 10、 11)を接合して複数の二次電池を直列及び Z又は並列接続し、前記接続板に設けられた接続突起 (29)が前記回路基板に設けられた接続穴に挿入されることで前記回路基板が取り付けられ、接続突起と回路基板とが接合されてなることを特徴とする電池パック。

[3] 3.二次電池（2)は、扁平角形に形成され、その最大面積平坦面が所定間隔を隔てて互いに対面するようにフレーム（6、 7、 8)によって保持されてなる請求の範囲第 1または第 2項に記載の電池パック。

[4] 4.榭脂モールドは、電気的導電部分を含む電子部品実装面を榭脂被覆する請求の範囲第 1項に記載の電池パック。

[5] 5.榭脂モールドは、封口板 (23)側フレーム (6)の回路基板 (3)を収容した凹部（28 )内に回路基板を被覆して榭脂を充填する請求の範囲第 1項に記載の電池パック。