JP2006261009A

JP2006261009A - バッテリーパック

Info

Publication number: JP2006261009A
Application number: JP2005078836A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Kosugi; 伸一郎小杉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】一時的な冷却条件の悪化が起きたとしても二次電池の性能が劣化しないバッテリーパックを提供することである。
【解決手段】複数の二次電池を収納したバッテリーケース１２内部の二次電池１３間及びバッテリーケース１２内壁と二次電池１３との間の隙間にパラフィン１６を充填する。これにより、パラフィン１６が溶ける際の潜熱の吸収により、二次電池１３が劣化する温度以上に電池が加熱されるのを防止することができ、一時的な冷却条件の悪化が起きたとしても二次電池１３の性能が劣化しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノートパソコン等の携帯用電子機器に使用されるバッテリーパックに関する。

ノートパソコンなどの携帯用電子機器に使用されているバッテリーパックには、複数の二次電池が収納されている。二次電池としては、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池などが主に使用されているが、これらの電池は、６０℃を超えるような温度範囲で使用した場合には電池の性能劣化が大きくなる。そのため、温度上昇による電池の性能劣化を防止するための対策がとられている。

二次電池とバッテリーケースとの隙間を熱伝導率を高めた接着剤で埋め、温度上昇による電池の性能劣化を防止するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１４６１６１号公報

しかし、実際の電子機器の使用条件によってはバッテリーパックの部分の放熱が妨げられる場合もある。例えば、一時的に座布団などの上でノートパソコンを使用した場合には、底面におかれたバッテリーパックが高温になり、バッテリーの性能劣化の大きな原因となる。また、使用条件によって複数の二次電池のいくつかは冷却が悪くなり、温度が高くなってしまうこともある。バッテリーパックでは電池性能の一番劣化した二次電池によって性能が支配されてしまうので一部の二次電池の性能劣化によってもバッテリーパック全体の性能が劣化してしまう。

本発明の目的は、一時的な冷却条件の悪化が起きたとしても二次電池の性能が劣化しないバッテリーパックを提供することである。

本発明のバッテリーパックは、複数の二次電池を収納したバッテリーケースと、バッテリーケース内部の二次電池間及びバッテリーケース内壁と二次電池との間の隙間に充填されたパラフィンとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、バッテリーケース内部の二次電池間及びバッテリーケース内壁と二次電池との間の隙間にパラフィンを充填したので、パラフィンが溶ける際の潜熱の吸収により電池が劣化する温度以上に二次電池が加熱されるのを防止することができる。一時的な冷却条件の悪化が起きたとしても二次電池の性能が劣化しない。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるバッテリーパック１１の構成図である。バッテリーケース１２の内部には、複数の二次電池１３及び保護回路１４が納められ、バッテリーケース１２の端部には接続端子１５が設けられている。さらにバッテリーケース１２の内部の隙間はパラフィン１６で埋められている。すなわち、バッテリーケース１２の内部の二次電池１３間及びバッテリーケース１２の内壁と二次電池１３との間の隙間にはパラフィン１６が充填されている。

パラフィン１６の融点は３０℃〜８０℃の範囲のものが実用的である。パラフィン１６は溶融する際に約２０００［kJ/kg］ほどの潜熱を吸収する。大電流の放電もしくは充電により、二次電池１３の温度がパラフィン１６の融点以上に上がった場合、パラフィン１６が溶ける際の潜熱の吸収により二次電池１３が劣化する温度以上に二次電池１３が加熱されるのを防止する。

例えば、リチウムイオン電池であれば６０℃以上の温度では著しく性能が劣化する。リチウムイオン電池の場合、融点が５０℃程度のパラフィン１６をバッテリーケース１２内に充填するこになる。これにより、リチウムイオン電池が著しく性能劣化する６０℃を超えないようにすることができる。

二次電池１３の比熱は、二次電池１３の種類や構造によっても大きく異なるが、おおむね１［kJ/kgK］のオーダーである。この値はパラフィン１６の潜熱である約２００［kJ/kg］と比較して非常に小さく、わずかな量のパラフィン１６の利用でも潜熱吸収により温度上昇を防ぐ効果がある。

以下、さらに具体的に検証する。二次電池１３から発生する熱は、二次電池１３の内部抵抗をＲ、電流をＩとするとＩ²Ｒとなり、電流Ｉの二乗に比例して増大する。二次電池１３の電池容量をＢ(Ah)とし、この容量Ｂ(Ah)を時間Δｔにて放出しきるとすると、電流Ｉは（１）式で示される。

Ｉ＝Ｂ／Δｔ …（１）
電池容量Ｂ(Ah)の二次電池１３をΔｔ時間で放電したときの発熱量Ｑ［J］は、（２）式で示される。

Ｑ＝Δｔ×Ｉ²Ｒ=Δｔ×（Ｂ／Δｔ）ＩＲ＝ＢＩＲ …（２）
電池質量をGとし、質量Ｇあたりの発熱量ｑを求めると、（３）式で示される。

ｑ＝Ｑ／Ｇ＝（Ｂ／Ｇ）×ＩＲ …（３）
また、二次電池１３の比熱をCとすると、温度上昇ΔＴは、（４）式で示される。

ΔＴ＝Ｑ／（ＧＣ）＝（Ｂ／Ｇ）×ＩＲ／Ｃ …（４）
ここで、（Ｂ／Ｇ）の値は使用する二次電池１３によって一定値になる。例えば、リチウムイオン電池の場合は、一般的に（Ｂ／Ｇ）は１００［Wh/kg］（＝３６００００［J/kg］）前後の値になる。電池抵抗を５［mΩ］（３［Ah］程度のリチウムイオン電池に相当）と仮定し、電池の比熱を１［kJ/kgK］、電流Ｉを１０［A］とすると、質量あたりの発熱量ｑは（５）式で示され、温度上昇ΔＴは（６）式で示される。

ｑ＝360000×0.005×10=18 ［kJ/kg］
ΔＴ＝360000/1000×0.005×10=18 ［℃］
パラフィン１６の比熱が２００［kJ/kg］であるので、二次電池１３と同じ質量のパラフィン１６がバッテリーケース１２内に充填されていた場合には、１０［A］にて５回の連続充放電を行っても発熱量は5×2×18=180［kJ/kg］<200［kJ/kg］となる。この計算から完全に放熱ができない状態を想定しても少なくとも数回の連続充放電が可能になる。

以上の説明では、パラフィン１６をバッテリーケース１２内に充填したが、パラフィン１６に熱伝導性の高い物質を混入するようにしてもよい。パラフィン１６の熱伝導率は、固体及び液体ともに０．２［W/(mK)］程度である。

この熱伝導率の低さのため、一旦、溶融したパラフィン１６が再び固体になるには比較的長時間が必要である。そのため、パラフィン１６だけが隙間を埋めるようにバッテリーパック１１が設計された場合には、再び冷えて使用可能な状態になるにはしばらく待たなければならない。また、連続的な使用においては、数回は大電流にて高速で充放電が可能であったとしても、平均的には従来のものとあまり変らない状況になってしまう。

これを改善するために、パラフィン１６に熱伝導性の高い物質を混入させる。すなわち、熱伝導の良いアルミナ、窒化アルミ、ベリリア、マグネシア、酸化ケイ素、窒化珪素、ガラスのビーズ、あるいは陶器の粉末などを混ぜる。これにより、大幅に熱伝導率を向上させることができ、待ち時間を短縮することができる。例えば、アルミナビーズを容積で略同等の量を混ぜた場合には、発明者らの実験では、２０［W/mK］程度まで熱伝導率が向上し、パラフィン１６は大電流の充放電により溶融した後速やかに再び固化し、二次電池は再び使用可能な状態になる。待ち時間は熱伝導率に比例して短縮され、約１／１００程度までになる。

第１の実施の形態によれば、バッテリーケース内部の二次電池間及びバッテリーケース内壁と二次電池との間の隙間に、パラフィンまたは熱伝導性の高い物質を混入させたパラフィンを充填したので、パラフィンが溶ける際の潜熱の吸収により電池が劣化する温度以上に電池が加熱されるのを防止することができる。また、熱伝導性の高い物質を混入させたパラフィンを充填した場合には、再び使用可能な状態になるまでの待ち時間を短縮できる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わるバッテリーパック１１の構成図である。この第２の実施の形態は、バッテリーケース１２に収納される二次電池１３の内部に、電極１７とともにパラフィンケース１８を配置し、このパラフィンケース１８にパラフィン１６を充填するようにしたものである。

図２に示すように、バラフィン１６はパラフィンケース１８に収納され、二次電池１３の内部に納められている。パラフィンケース１８としては、例えば、食品の包装などに使用されているポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの高分子フィルムを使用する。このフィルム状のパラフィンケース１８にバラフィン１６を封入して整形し、平板状として二次電池１３の内部に電極１７とともに設置する。

二次電池１３の内部抵抗により発生した熱により、二次電池１３の温度がパラフィン１６の融点を超えるような場合には、パラフィン１６が溶融することによる潜熱の吸収による冷却効果により、二次電池１３をしばらくの間、パラフィン１６の融点程度の温度に保つことができる。

パラフィン１６の量は少量であっても、前述したように、１回から２回程度の充放電であれば十分発生した熱を吸収することができる。二次電池１３の実際の使用状態としては連続的に充放電が繰り返されることはなく、適当な休み時間が与えられるので、実用的には外部からの冷却を考慮しなくても十分な冷却効果を得ることができ、電池寿命を大幅に伸ばすことができる。

第２の実施の形態によれば、冷却効果のほかにパラフィン１６が二次電池内部に封入されるので、溶融したパラフィン１６が何らかの事故により外部に漏れてしまう危険性も回避できる。

本発明の第１の実施の形態に係わるバッテリーパックの構成図。本発明の第２の実施の形態に係わるバッテリーパックの構成図。

符号の説明

１１…バッテリーパック、１２…バッテリーケース、１３…二次電池、１４…保護回路、１５…接続端子、１６…パラフィン、１７…電極、１８…パラフィンケース

Claims

複数の二次電池を収納したバッテリーケースと、前記バッテリーケース内部の二次電池間及びバッテリーケース内壁と二次電池との間の隙間に充填されたパラフィンとを備えたことを特徴とするバッテリーパック。
複数の二次電池を収納したバッテリーケースと、前記二次電池の内部に電極とともに設置されたパラフィンケースと、前記パラフィンケースに充填されたパラフィンとを備えたことを特徴とするバッテリーパック。
前記パラフィンに熱伝導性の高い物質を混入したことを特徴とする請求項１または２記載のバッテリーパック。
前記パラフィンは、融点が３０℃から８０℃であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一記載のバッテリーパック。