JP2005209369A

JP2005209369A - 電池パック

Info

Publication number: JP2005209369A
Application number: JP2004011656A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Takatsu; 克巳高津; Toshihiko Ichise; 俊彦市瀬; Satoshi Kuranaka; 聡倉中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】複数の二次電池を不使用状態においても冷却できる通気穴を備えた電池パックを提供する。
【解決手段】複数の二次電池２は所定間隔を隔てて並列配置してパックケース５内に収容される。パックケース５の上下両側に形成された窪み３１ａ，３１ｂに上下の通気穴１３ａ，１３ｂが形成されている。通気穴１３ａ，１３ｂを通じた自然対流により二次電池２の間隔内を流れる空気の流れが形成されるため、二次電池２は不使用状態でも冷却される。また、通気穴１３ａ，１３ｂは窪み３１ａ，３１ｂに形成されているので、どのように置かれても通気穴１３ａ，１３ｂが塞がれることがない。
【選択図】図１

Description

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。

大きな放電電流が要求される機器の電池電源においては、多数の単電池を一体化してケース内に収容することになるため、多数の単電池を均等温度に冷却する冷却構造が必須条件となる。例えば、扁平角形の二次電池をその最大面積平坦面を対面させ、電池間に間隙を設けて並列配置し、間隙内に送風することにより各二次電池が均等に冷却されるようにした組電池が知られている（特許文献１参照）。
特開平０８−２１２９８６号公報（第３〜５頁、図１）

上記従来技術のように複数の二次電池を一体化した電池電源装置では、複数の二次電池を一体化した状態に保持するために、ケース内に収容するか、枠体により周囲を囲う必要がある。放電又は充電の状態では送風がなされるため二次電池は冷却されるが、不使用状態では二次電池の冷却がなされない。放電又は充電の後では二次電池は温度が高い状態にあり、二次電池の劣化を進行させることになる。

本発明が目的とするところは、不使用状態でもケース内に空気流通して二次電池の放熱を可能とした電池パックを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、複数の二次電池をパックケース内に収容してなる電池パックであって、前記パックケースは複数の二次電池を並列配置した状態に収容し、二次電池が並列配置された方向の上下に各二次電池に空気流通する通気穴が形成され、前記通気穴の形成部位はパックケースの上下平坦面より内側寄りとなるように形成されてなることを特徴とする。

上記構成によれば、パックケースの上下に通気穴が形成されているので、自然対流による空気の流れにより二次電池の熱を外部に放散することができる。また、前記通気穴はパックケースの上下平坦面より内側寄りに形成されるので、平坦面を床面に接地させて電池パックが置かれた状態でも通気穴は塞がれることがなく、常にパックケース内に空気流通する状態が得られる。

上記構成において、二次電池は扁平角形に形成され、その最大面積平坦面がパックケースの上下方向となり、所定間隔を隔てて互いに対面するように並列配置することにより、扁平角形二次電池の最大面積平坦面に通気がなされる。

また、上下の通気穴は、それをつなぐ経路上に各二次電池が位置するように形成することにより、二次電池を通過する空気の流れを形成することができる。

また、通気穴は、二次電池が並列配置された方向の両側に形成することにより、二次電池に対する空気流通が広範囲になされる。

また、通気穴に対して電気回路部分を隔離する隔離構造を設けることにより、通気穴からパックケース内に水や湿気が浸入した場合でも電気回路部分に障害が発生することが防止できる。

本発明によれば、不使用状態においても自然対流による空気の流れが形成されるので、二次電池の熱を外部に放散することができる。

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に設けられた接続プラグ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。

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。

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で保持されている。

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巻回した巻回型極板群、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２４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。

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、熱膨張や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、それが巻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い状態となる恐れがある。

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１７の短手方向幅は１０．４ｍｍに形成されているので、組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。

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５（ｂ）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の一部板面を覗かせた負極接続窓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５（ａ）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。

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４２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。

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。

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は樹脂モールドされる。樹脂モールドは、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樹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樹脂を流し込んで固化させると、回路基板３の全面が樹脂で包み込まれ、回路基板３と端子側フレーム６とが樹脂モールドが施される。この樹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、パックケース５に形成された通気穴１３ａ，１３ｂなどから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。

上記のように二次電池２及び回路基板３が一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。

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の始動スイッチの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の温度上昇は激しく、電池管理回路は送風により二次電池２が６０℃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℃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℃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。

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を電動工具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。

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。

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、パックケース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３１ｂが形成され、この下方及び上方の各窪み３１ａ，３１ｂ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３１ａ，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いる状態でも下方通気穴１３ａは塞がれることはなく、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きる。

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が、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は樹脂モールド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く、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。

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。

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℃以上である場合には充電は開始されず、電池温度が４５℃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。

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が、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、本構成により同様の効果が得られる。

本発明に係る電池パックは、複数の二次電池は隣り合う間に間隙を設けて並列配置され、使用中においては送風ファンからの送風空気を二次電池の配列間に流通させて冷却し、不使用状態にあっても自然対流により二次電池が冷却されるので、大電流放電により使用された後の電池温度が高い状態でパックケース内に密閉されて二次電池に劣化が進行することが防止でき、電動工具などの電池電源として好適な電池パックを提供することができる。

実施形態に係る電池パックの外観構成を示す斜視図。同上電池パックの構成要素を示す分解斜視図。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。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。端子側フレームの構成を（ａ）外面側と、（ｂ）内面側とで示す斜視図。複数の二次電池と回路基板の接続構造を示す側面図。直列接続板の構成を示す斜視図。二次電池に対する空気流通構造を示す断面図。電動工具に対する装着構造を説明する側面図。充電器に対する装着構造を説明する側面図。

符号の説明

１電池パック
２二次電池
３回路基板
４送風ファン
５パックケース
６端子側フレーム
７センターフレーム
８底側フレーム
１３ａ下方通気穴
１３ｂ上方通気穴
３１ａ下方窪み
３１ｂ上方窪み

Claims

複数の二次電池をパックケース内に収容してなる電池パックであって、
前記パックケースは複数の二次電池を並列配置した状態に収容し、二次電池が並列配置された方向の上下に各二次電池に空気流通する通気穴が形成され、前記通気穴の形成部位はパックケースの上下平坦面より内側寄りとなるように形成されてなることを特徴とする電池パック。
二次電池は扁平角形に形成され、その最大面積平坦面がパックケースの上下方向となり、所定間隔を隔てて互いに対面するように並列配置されてなる請求項１に記載の電池パック。
上下の通気穴は、前記上下の通気穴をつなぐ経路上に各二次電池が位置するように形成されてなる請求項１又は２に記載の電池パック。
通気穴は、二次電池が並列配置された方向の両側に形成されてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の電池パック。
通気穴に対して電気回路部分を隔離する隔離構造が設けられてなる請求項１〜４いずれか一項に記載の電池パック。