JP5137427B2

JP5137427B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP5137427B2
Application number: JP2007060291A
Authority: JP
Inventors: 勝美鈴鹿
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008226544A

Description

本発明は、円筒型電池を複数直列及び／又は並列に接続した電池パックに関し、特にノートパソコン等の携帯用機器に使用される電池パックに関する。

ノート型パソコンや携帯電話等の携帯型電気機器の電源として、複数の電池セルを電気接続して高出力化した電池パック（パック電池）あるいは組電池が使用されている。近年の高出力化の要求及び電池パックの小型化の要求に応えるため、電池パック内には電池セルを高密度に充填される。一方で、電池パックを装着した電気機器が衝撃を受けると、電池セルにも衝撃が伝わり、悪影響を及ぼす虞がある。

具体的に、ノート型パソコンのバッテリーパックとして使用される電池パックの例を考える。図１の平面図に示すように、バッテリーパックＢＰはノート型パソコンＰＣの背面に装着されることが多い。バッテリーパックＢＰを、円筒型の電池セル１０を複数直列及び／又は並列に接続した電池パックを使用する場合は、バッテリーパックＢＰ内の電池セル１０の配置は、図２の断面図に示すように同一平面上に最密構造で配置されることになる。各円筒型電池セル１０は、上下左右から十字状に支持されている。この状態で、ノート型パソコンＰＣを落下させてしまうと、電池セル１０に伝わる衝撃力は逃げ場がないため、円筒型の外装缶の外部を変形させることに費やされる。特に図１に示すように、ノート型パソコンＰＣのバッテリーパックＢＰは背面から突出させるようにして装着する形式のものが多く、バッテリーパックＢＰの隅部から落下してしまうと、衝撃力の多くがバッテリーパックＢＰ内部の電池セル１０に伝わることになる。加えて、円筒型電池セル１０は図２に示すように周囲の４カ所の点で線状に支持されるのみであるため、極めて狭い領域に応力が集中することになる。この結果、外装缶が変形し、外装缶内部に収納された電極やセパレータ等が押し潰され、内部ショート等の異常を発生させる虞がある。さらにバッテリーパックＢＰの内部では各電池セル１０が密着状態に配置されているため、電池セルの一部でも異常が発生して高温になると、周囲の正常な電池セルを高温に加熱して悪影響を与え、電池セルの発熱を誘発し、これが拡散して熱暴走に至る虞があった。
特許３８３７３６６号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、電池セルに衝撃力が加えられた場合に電池セルに印加される負荷を軽減して安全性を高めた電池パックを提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の電池パックは、複数の電池セルを直列及び／又は並列に接続した電池パックであって、複数の円筒型電池セルと、互いに略平行に離間された第１の壁面と第２の壁面とで挟まれた内部に、円筒型電池セルを、第１及び第２の壁面に沿って相互に略平行に配置させ、隣接する電池セル同士で円筒側面を当接させた状態で収納するケースとを備え、各電池セルは第１の壁面又は第２の壁面のいずれか一方に当接すると共に、他方とは離間されて緩衝層を形成しており、かつ隣接する電池セルは、互いに異なる壁面に当接し、異なる壁面との間で緩衝層を形成するように配置されている。このような配置により、電池セルに衝撃等の応力が与えられたとしても、応力が緩衝層で吸収されて、電池セルが保護される。

また、第１の壁面又は第２の壁面の、電池セルと当接する位置の少なくとも一部が切除されており、該切除領域が、外力により変形又は破損可能なシート材で閉塞された構成とする。これにより、電池セルに衝撃等の応力が加えられると、電池セルが切除領域に向かって押し上げられ、さらにシート材を変形又は破損することで応力のエネルギーを消費でき、電池セルに対する破損が抑制される。

またシート材は、電池パックの外面に貼付されるラベルとすることもできる。これにより、シート材をラベルと兼用させて製造コストや製造工数を増すことなく、電池パックの安全性を高めることができる。

さらに電池セルをケース内で所定の姿勢に保持するためのスペーサを備えることもできる。スペーサで各電池セルを支持して、適切に位置決めできる。

さらにまた、電池セルの配置は、一の円筒型電池セルとその左右に隣接する円筒型電池セルとが、各々円筒状側面で当接する当接部同士を通る面上に、前記一の電池セルの円筒の中心軸が位置しないようオフセットさせることができる。あるいは、複数の円筒型電池セルと、互いに略平行に離間された第１の壁面と第２の壁面とで挟まれた内部に、円筒型電池セルを、第１及び第２の壁面に沿って相互に略平行に配置させ、隣接する電池セル同士で円筒側面を当接させた状態で収納するケースとを備え、第一の円筒型電池セルの円筒の中心軸と第１の壁面との距離が、前記一の円筒型電池セルと隣接する第二の円筒型電池セルの、円筒の中心軸と第１の壁面との距離と異なり、かつ第二の円筒型電池セルと隣接し第一の円筒型電池セルと異なる第三の円筒型電池セルの、円筒の中心軸と第１の壁面との距離と略等しくなるよう、各電池セルを配置している。このような配置により、電池セルに衝撃等の応力が与えられたとしても、左右の電池セルとの当接部分で垂直に加えられる力が分散されるため、衝撃により電池セルの破損させようとする応力を減衰させることができる。

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電池パックを例示するものであって、本発明は電池パックを以下のものに特定しない。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。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。
（実施の形態１）

図３に、実施の形態１に係る電池パック１００の、ケース２０の上壁面２１を外した状態の外観斜視図を示す。電池パックは、各種携帯型電気機器のバッテリとして利用でき、ここでは図１に示すようなノート型パソコンＰＣ用のバッテリに適用した電池パックを一例として示す。この図に示す電池パック１００は、複数の電池セル１０を長手方向に直列に接続して電池セル列を構成すると共に、ケース２０内に複数の電池セル列を平行に並べている。また電池セル１０同士の端面を正極と負極とを、リードを介して接続する電極連結面とし、さらに平行する電極セル列同士で、電極連結面を同一面に一致させて、一のリードが電池セル列を跨ぐように挿入される。図３の例では、３本の電池セル１０を直線状に直列に連結して電池セル列とし、さらに３列の電池セル列を、各電池セル１０を並列に連結して、計９本の電池セル１０で電池パックを構成している。また一のリードで８本の電池セル１０の電極を連結している。
（電池セル１０）

電池セル１０は、円筒型の外装缶に被覆された略矩形の角形電池が利用される。このような電池セルには、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池、ニッカド電池等の二次電池が利用できる。また一次電池としてもよい。電池セル１０の電極端子１２は、直列又は並列に結線される。さらに電池パック１００の端部で制御回路（図示せず）に接続され、制御回路によって各電池セル１０の電圧、電流、温度等を測定し、電池容量及び必要充放電量等を決定して、充放電等の制御が行われる。

電池セル１０は、外装缶の内圧が異常に上昇したときに開弁して外装缶内部のガスを外部に放出するための安全弁を備えている。安全弁は、電池セル１０の正極側に設けられる。ただ、負極側に安全弁を設ける構成としても良い。さらに電池セル列の間には、必要に応じて絶縁及び断熱性を図るために板状のセパレータを介在させることもできる（図示せず）。セパレータは耐熱性、断熱性に優れた部材で構成され、好ましくは軽量で安価な樹脂により形成される。例えば熱伝導率の小さい（望ましくは０．５Ｗ／ｍ以下）、ポリプロピレン、ポリウレタン等の合成樹脂が利用できる。

ケース２０は、図３の例では上下に２分割するケースを使用し、内部に電池セル１０を必要な数だけ収納できる空間を設けている。ケース２０は耐衝撃性と絶縁性に優れた材質で構成でき、例えばプラスチック等の樹脂が利用できる。

電池セル１０は、隣接する電池セル１０との間で円筒の中心軸をオフセットさせて、ほぼ平行にケース２０内に配置される。図４に、ケース２０内の電池セル１０の配列を示した断面図を示す。このケース２０は、第１の壁面（図４において上壁面２１）と第２の壁面（図４において下壁面２２）で閉塞し、この間の空間に電池セル１０を平行に並べている。第１の壁面と第２の壁面との間隔は、電池セル１０の端面の円筒形の外形よりも大きく設計する。さらに各電池セル１０は、一方の壁面に一律に接するように並べず、一つおきに一方の壁面とのみ接するように配置している。この配置であれば、必然的に各電池セル１０は、上下のいずれか一方の壁面とのみ接し、他方の壁面と離間して空間を形成する。この空間が緩衝層ＫＳとして働く。

この利点を、従来例の図２と本実施の形態に係る図４とで対比しながら説明する。まず図２（ａ）に示す従来の電池パックのように、ケース２０内の上下壁面２１、２２と接するように電池セル１０を配置する構成では、電池パックの外形を最小にできる反面、電池セル１０の上下左右がと右折されて固定されているため応力の逃げ場がなく、衝撃により電池セル１０が破損する虞があった。具体的には、電池パックを落下させるなど、意図せぬ衝撃が電池セル１０に加わると、電池セル１０同士の当接部分ＢＴに垂直に応力が加わるため、図２（ｄ）に矢印で示すように左右の両方向から電池セル１０が押圧される形となって外装缶にダイレクトに応力が作用し、電池セル１０の外装缶が変形されることになる。外装缶が変形すると、外装缶の内部に充填された電極やセパレータが押圧されて破損し、内部短絡等を生じる虞がある。

これに対し、図４（ａ）に示す構成では、電池セル１０同士の当接部分ＢＴが円筒の中心軸に対してオフセットしている。このため、衝撃が加わっても、図４（ｂ）に示すように当接部分ＢＴに垂直に作用する外力が分散され弱められる。加えて、電池セル１０Ａ、１０Ｃは内向きに移動すると共に、電池セル１０Ｂは上向きに移動し、電池セル１０Ｂと上壁面２１との当接部分ＷＴを押圧して変形させる。この結果、外力のエネルギーは電池セル１０の移動と上壁面２１の変形に費やされて、電池セル１０の外装缶を変形させる力を抑制でき、電池セルを保護できる。特に、ケース２０の変形や破損は、ユーザに対して電池パックが破損していることを容易に認識させ、使用を中止するよう促す効果が得られる。逆に電池パックを落下させて電池パック内部で電池セルが変形あるいは破損したとしても、この異常は外部から目視できないため、ユーザは電池パックのケース等、視認できる部材が破損していない限り破損を認識できず、そのまま使用を継続して内部ショートや発熱などの問題を誘発する虞がある。このため、落下などの衝撃で電池セルよりもケース側を変形又は破損させる方が、結果的により安全に電池パックを使用することができる。

上記のように上壁面２１の、少なくとも電池セル１０Ｂと当接する部分ＷＴは、変形しやすい材質で構成することが望ましい。例えばプラスチック等の樹脂製とすることで、外力によって比較的容易に変形できる。また、ケース全体をこのような部材で一体に形成することで製造コストを安価に実現できる。

また外力の加わる方向によっては、緩衝層ＫＳに電池セル１０が移動することもある。この場合も、緩衝層ＫＳへの電池セル１０の移動で応力を吸収できるので、電池セルの破損が回避又は低減され、また電池セルの破損に先立ちケース側を破損させてユーザにパック電池の破損を認識させる効果が得られる。このように、応力の逃げ場を意図的に作ることで、外装缶の変形を防止して電池セルの破損による問題の発生を未然に防止できる。

図４（ａ）に示すように、電池セル１０の円筒中心軸のオフセット量ＯＳに相当する空間すなわち緩衝層ＫＳが形成される。緩衝層ＫＳの大きさは、使用する電池セル１０の外装缶の材質や強度、電池セル１０の配置態様や本数、出力等に応じて設定される。例えば１ｍｍ〜２ｍｍの緩衝層ＫＳを設けることで、十分な保護効果が得られる。

また上記のようなオフセット配置を実現するために、ケース２０内部には各電池セル１０をオフセット配置するためのスペーサ２４が配置される。スペーサ２４は、電池セル１０を各々オフセット姿勢に保持できれば足り、必ずしも電池セル１０の長手方向に沿って全面に設ける必要はなく、部分的に設けることもできる。スペーサ２４も断熱性及び絶縁性を備える部材で構成する。またスペーサ２４を、外力で容易に変形する弾性部材で構成してもよい。

さらに、スペーサを使用することなく電池セルを保持する構成も採用できる。例えば、図４の例においてケース２０の側面が電池セル１０Ａ、１０Ｃの端面に接するように、ケースのサイズを規定すれば、ケースの内壁のみで電池セル１０Ａ〜Ｃをオフセット状態に保持できる。

以上のように、電池セルよりも破損し易い部材を設けることで、電池セルの破損の虞を低減して、電池パックをユーザにおいて安全に使用することができる。

なお、壁面又は壁面と電池セルとの当接部分ＷＴを弾性変形可能な部材で構成することにより、衝撃時に一時的に弾性変形させて応力を吸収又は緩和し、その後元の状態に復帰させることでケース自体も保護でき、より信頼性高く継続して電池パックを使用可能としてもよい。
（実施の形態２）

また、ケース自体を変形させる構成の他、予めケースに切除領域ＳＲを設けておき、切除領域ＳＲを閉塞する別の部材を変形させることでも、同様の効果を得ることができる。このような電池パックを実施の形態２として、図５の断面図に示す。図５（ａ）に示す電池パックは、図において中央に配置した電池セル１０Ｂの上面と上壁面２１との当接部分ＷＴで、上壁面２１を開口させた切除領域ＳＲを設けている。さらに切除領域ＳＲには、外力により変形又は破損可能なシート材３０が被覆されて開口が閉塞される。シート材３０は、紙製のシールやプラスチックなどで構成でき、これらをケース２０表面に接着する。特に、電池パックの表面に貼付するラベルを、シート材３０に兼用することで、追加の部材や接着工程を要することなく製造コストを安価にできる。

この構成においても上記と同様に、外力が加わると図５（ｂ）に示すように電池セル１０同士の当接部分ＢＴの応力が分散されて、電池セル１０Ａ、１０Ｃが内向きに、電池セル１０Ｂが上向きに移動する。この結果、シート材３０が変形し、あるいは破損することで応力が吸収、緩和され、電池セルを保護できる。またシート材３０をラベル等とすることで弾性を持たせ、応力印加時に弾性変形させてシート材３０の破損を防止することにより、電池パックの耐衝撃性を高めることもできる。ラベルは紙製、樹脂製ラベルが使用でき、特に樹脂製ラベルは弾性を備えるため好ましい。

本発明の電池パックは、ノートパソコンやＰＤＡ等、携帯型電気機器のバッテリーとして好適に適用できる。

ノート型パソコンの背面にバッテリーパックを装着した状態を示す平面図である。従来のバッテリーパック内の電池セルの配置例を示す断面図である。実施の形態１に係る電池パックを示す外観斜視図である。図３のケース内に配置された電池セルを示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る電池パックのケース内に配置された電池セルを示す断面図である。

符号の説明

１００…電池パック
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…電池セル
２０…ケース
２１…上壁面
２２…下壁面
２４…スペーサ
３０…シート材
ＰＣ…ノート型パソコン
ＢＰ…バッテリーパック
ＫＳ…緩衝層
ＢＴ…電池セル同士の当接部分
ＷＴ…電池セルと壁面との当接部分
ＳＲ…切除領域
ＯＳ…オフセット量

Claims

複数の電池セルを直列及び／又は並列に接続した電池パックであって、
複数の円筒型電池セルと、
互いに略平行に離間された第１の壁面と第２の壁面とで挟まれた内部に、前記円筒型電池セルを、前記第１及び第２の壁面に沿って相互に略平行に配置させ、隣接する電池セル同士で円筒側面を当接させた状態で収納するケースと、
を備え、
各電池セルは前記第１の壁面又は第２の壁面のいずれか一方に当接すると共に、他方とは離間されて緩衝層を形成しており、かつ隣接する電池セルは、互いに異なる壁面に当接し、異なる壁面との間で緩衝層を形成するように配置されてなり、
前記第１の壁面又は第２の壁面の、電池セルと当接する位置の少なくとも一部が、切除されてなり、
該切除領域が、外力により変形又は破損可能なシート材で閉塞されてなることを特徴とする電池パック。
請求項１に記載の電池パックであって、
前記シート材が、電池パックの外面に貼付されるラベルであることを特徴とする電池パック。
請求項１又は２に記載の電池パックであって、さらに、
前記電池セルを前記ケース内で所定の姿勢に保持するためのスペーサを備えてなることを特徴とする電池パック。