JP4494713B2

JP4494713B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP4494713B2
Application number: JP2002339667A
Authority: JP
Inventors: 克巳高津; 浩一因幡; 猪一郎森; 幸一鳥山; 尚宏浜尾; 正渡辺
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: US20050164080A1; WO2003049213A1; JP2003234096A; TW200301023A; US7597994B2; TW569483B; CN1596482B; CN1596482A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型化、薄型化が進展する携帯電子機器の電池電源として対応させるべく、小型軽量化、薄型化を図った電池パックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機やモバイルコンピュータ等の携帯情報機器や携帯音響機器などは、その携帯性を向上させるべく小型軽量化、薄型化の要求が高まっている。それを実現する鍵をにぎっている電池電源装置であると言っても過言ではなく、特に、二次電池を用いた電池電源装置の軽量化、薄型化の要求が高い。
【０００３】
携帯機器の電池電源装置を構成する二次電池はニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウムイオン二次電池が用いられるが、中でもリチウムイオン二次電池は体積エネルギー密度、重量エネルギー密度が高く、携帯電子機器の電池電源として最適である。しかし、エネルギー密度が非常に高いことに加えて電解液に可燃性の有機溶媒を用いていることから、電池が何らかの異常状態に陥ったときの安全性を確保する必要がある。異常状態は電気的、機械的、熱的などの要因が考えられる。異常状態は、例えば、過充電や短絡、押しつぶし、過熱などであって、リチウムイオン二次電池では、短絡や過熱から電池を保護するＰＴＣ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＴｈｅｒｍａｌＣｏｅｆｆｃｉｅｎｎｔ）素子や、過充電や過放電等から電池を保護する電池保護回路などの保護機能、あるいは、異常内圧を外部に放出して電池の破裂を防止するガス排出弁などの安全機能が設けられている。安全機能は電池自体に設けられ、保護機能を構成する電池保護回路やＰＴＣは、電池とともにパックケース内に収容されて電池パックの形態に構成される（例えば、特許文献１）。
【０００４】
図８は、扁平角形のリチウムイオン二次電池を用いた電池パックの構成例を分解図として示すもので、上ケース５１と下ケース５２とからなるパックケース内に、扁平角形形状に形成されたリチウムイオン二次電池６０と、電池保護回路を構成した回路基板６１及びＰＴＣ６２とを収容し、下ケース５２の側面に配設された外部接続端子５４から充放電できるように構成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−０３５５４４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
携帯電子機器はその携帯性を高めるべく薄型化の追求は目覚しく、電源となる電池パックの薄型化への要求が高まっている。しかし、電池の薄型化は電池容量を犠牲にすることになり、電池構成上の限度もある。
【０００７】
電池自体の薄型化に限界があることから、電池パックとしての薄型化を図るためには、パックケースの薄型化を図ることになるが、樹脂成形製品であるケースには成形可能な最低厚さが０．２５ｍｍ程度であり、最低厚さでの樹脂成形は成形性の低下や表面性状の悪化など成形品質が維持できず、量産性を欠いてしまう。また、ケースの厚さが小さくなるほどケースの強度を低下させてしまい、電池、及び他の構成要素を保護する強度を得るには薄さの限度があった。
【０００８】
本発明が目的とするところは、樹脂成形では成形の限度となる厚さとなる面をフィルムに代えることによりパックケースの厚さを限界にまで薄くして薄型化を可能とした電池パックを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、平面状に配置された複数の二次電池が扁平形状の略直方体の外装ケースに収容され、前記二次電池に接続された外部接続用端子を外部露出させてなる電池パックであって、前記外装ケースは、上下ケースからなり、前記上下ケースは主面における任意範囲が合成樹脂からなるフィルム体に、他の部位がインサート形成により形成された樹脂成形体によって形成されていると共に、前記フィルム体には、前記二次電池を配列した隣り合う二次電池の側面間に生じる空隙を埋めるように充填用樹脂形成体が形成され、前記外部接続用端子は、前記樹脂成形体の形成部位から外部露出させてなることを特徴とする。
【００１０】
任意範囲は少なくとも二次電池と接する領域である。
【００１１】
上記構成によれば、二次電池を収容する外装ケースは、両面側の主面における任意範囲がフィルム体にて形成されるので、電池パックの厚さを電池とフィルム体との厚さにまで薄くすることができ、全体を樹脂成形体で形成した場合には不可能な厚さを実現することができ、薄型化の要求が高い携帯電子機器の電池電源として好適な電池パックが得られる。
【００１２】
また、従来の樹脂成形による外装ケースを用いた方法では、薄肉部分の成形性が悪いことから量産性の悪化をきたしたが、フィルム体を用いることで量産性を向上させることができる。さらに、従来の樹脂成形による外装ケースでは、主面部分は材料の成形性と機械的強度の両方を満たすことが必要であったが、フィルム体を用いることで機械的強度を重要視した材料選択が可能になる。
【００１３】
また、上述の任意範囲を除く領域及び側面は樹脂成形体にて構成され、樹脂成形体は、フィルム体との接合性、強度、成形性を考慮して材料選択が行われる。
【００１５】
上記の構成によっても、二次電池及び電池回路を収容する外装ケースは、上下両方の底面がフィルム体で形成されているので、電池パックの厚さを電池とフィルム体との厚さにまで薄くすることができ、全体を樹脂成形体で形成した場合には不可能な厚さを実現することができ、薄型化の要求が高い携帯電子機器の電池電源として好適な電池パックが得られる。
【００１６】
上記構成において、フィルム体の周縁部分は樹脂成形体にインサート成形することにより、フィルム体と樹脂成形体とが一体化され、薄くても機械的強度の高い外装ケースを形成することができる。
【００１７】
また、複数の二次電池を用いて電池パックを構成したとき、配列した隣り合う二次電池間に生じる空隙を埋めるように樹脂成形体をフィルム体に成形することにより、フィルム体の下に空間が形成されず、複数の二次電池とフィルム体に成形された樹脂成形体とが一体化された状態になり、二次電池の収納位置が規制され、電池パックとしての強度を大幅に高めることができる。
【００１８】
また、フィルム体は、その外面側となる面に硬質膜を接合した複合フィルムに形成することにより、フィルム体部位のキズ付きを抑制し、表面性状及び美観を向上させることができる。
【００１９】
また、フィルム体は、その内面側となる面に接着層を形成することにより、二次電池の平坦面に接着して位置固定することができると同時に、押し圧によるフィルムの変形を防ぐことができる。
【００２０】
また、フィルム体はガラス繊維、炭素繊維等を芯材として、これをエポキシ樹脂等で固めた強化プラスチックフィルムを適用することによって、外装ケースの強度を高めることができる。
【００２１】
また、外装ケースの任意側面にガス抜き孔を形成することによって、二次電池に設けられたガス排気口から異常内圧が放出されたとき、放出されたガスを外部に排出して外装ケースに膨らみが生じることがない。外装ケースの広い面がフィルム体で形成した場合には膨らみが生じやすいので、ガスを外部排出するガス抜き孔は重要な要件となる。
【００２２】
また、電池回路は回路基板を設けて構成され、前記回路基板は二次電池の短側面に配設して二次電池と回路基板とを一体化することにより、外装ケース内に二次電池及び回路基板を収納する作業が容易になる。
【００２３】
また、電池回路は回路基板を設けて構成され、前記回路基板は外装ケースに配設することにより、回路基板を外装ケースに固定して、回路基板が確実に保持され、回路基板に外部接続端子を形成して、この外部接続端子を外装ケースの側周面に形成された開口部から外部露出させることが容易となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２５】
図１は、第１の実施形態に係る電池パックの構成を示すもので、扁平角形のリチウムイオン二次電池（以下、二次電池）１と、この二次電池１を過充電や過放電等から保護する電池保護回路を構成した回路基板２などの電池回路構成部材とを、半殻体に形成した上ケース７及び下ケース８を接合した外装ケース１０内に収容して構成されている。この電池パックは、これを適用する携帯電子機器の薄型化の要求に対応させるために薄型化が図られている。
【００２６】
電池パックを薄型化するためには二次電池１の薄型化が有効であるが、所要の電池容量を得るには薄型化には限度がある。ここでは半殻体に形成された上ケース７及び下ケース８の底面をフィルム体によって形成することにより外装ケース１０の薄型化が図られている。
【００２７】
図２は、上ケース７及び下ケース８の断面図で、半殻体に形成された上ケース７の底面はフィルム体７ｂにより形成され、側周部は樹脂成形体７ａによって形成され、前記フィルム体７ｂは樹脂成形体７ａの樹脂成形時に樹脂成形体７ａに一体化され、全体として底面をフィルム体７ｂとする半殻体に形成される。下ケース８も同様に構成されており、底面はフィルム体８ｂにより形成され、側周部は樹脂成形体８ａによって形成され、前記フィルム体８ｂは樹脂成形体８ａの樹脂成形時に樹脂成形体８ａに一体化され、全体として底面をフィルム体８ｂとする半殻体に形成される。ここでは、上ケース７及び下ケース８ともに、それらの底面の全面をフィルム体７ｂ，８ｂで形成しているが、必ずしも下ケース８の底面全体に設ける必要はなく、二次電池１に対面する部位をフィルム体７ｂ，８ｂとし、底面の回路基板２の配設位置には樹脂成形により基板保持用のリブ等を形成することもできる。
【００２８】
上記フィルム体７ｂ，８ｂは、ＰＥＴフィルムが好適で、その厚さは５０μｍ以上であれば適用可能であるが、外装ケース１０としての強度確保あるいは樹脂成形時の熱的影響を考慮すると、１００〜３００μｍの厚さのものが好ましい。また、フィルム体７ｂ，８ｂとして、ＰＣ（ポリカーボネイト）やＰＭＭＡ（メタクリル樹脂）を適用することもできる。強度を向上させる場合には、ガラス繊維あるいは炭素繊維を芯材として、これをエポキシ樹脂等で固めた強化プラスチックフィルムを適用することもできる。
【００２９】
また、フィルム体７ｂ，８ｂは、ＰＥＴフィルムの外面側に硬質のカバーＰＥＴ層を形成した複合フィルムを適用することによって擦れキズの発生を抑制し、表面性状及び美観の向上を図ることができる。また、フィルム体７ｂ，８ｂの内面側に接着層を形成しておくことにより、二次電池１の平坦面に接着して二次電池１を位置固定すると共に、フィルム面に押し圧が加わったときに変形することがなく、フィルム外装であることの脆弱感を排除することができる。
【００３０】
また、樹脂成形体７ａ，８ａは、その成形材料としてＰＣあるいはＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＡ（ポリアミド）が好適であるが、これに限定されるものではない。
【００３１】
上記構成になる上ケース７及び下ケース８は、成形金型内にフィルム体７ｂ，８ｂを送り込んで樹脂成形体７ａ，８ａを樹脂成形することにより、フィルム体７ｂ，８ｂはそれぞれ樹脂成形体７ａ，８ａに一体化される。この上ケース７及び下ケース８を用いた電池パックは以下のように組み立てられる。
【００３２】
図１において、二次電池１の負極端子を構成する電池缶１ｂの底部に負極リード板５の一端を溶接し、二次電池１の正極端子１ａには正極リード板４の一端を溶接して、負極リード板５の他端は回路基板２の所定位置に半田付けされ、正極リード板４は絶縁紙６により電池缶１ｂとの間を絶縁し、正極リード板４の他端はＰＴＣ素子３の一方電極に、ＰＴＣ素子３の他方電極は回路基板２の所定位置に半田付けされる。この配線接続によって二次電池１と回路基板２とが一体化されるので、これを下ケース８内に収納する。回路基板２には外部接続端子１１が形成されており、二次電池１及び回路基板２を下ケース８に収納すると、外部接続端子１１が下ケース８の樹脂成形体８ａに形成されている端子窓８ｃから外部に覗くようになる。
【００３３】
図２に示すように、上ケース７及び下ケース８の側周部には樹脂成形体７ａ，８ａにより段差を形成して互いに嵌り合う嵌合部１２，１３が形成されている。上記のように下ケース８内に二次電池１と回路基板２とを収納した後、下ケース８上に上ケース７を被せて互いの嵌合部１２，１３が嵌り合うようにして上下方向から超音波振動を加えると、上ケース７と下ケース８とは超音波接合され、電池パックが完成する。尚、前記嵌合部１２，１３には、一方側に凸条部１２ａ、他方側に溝部１３ａが形成されており、嵌合時に凸条部１２ａが溝部１３ａに嵌り込み、超音波加振時に両者間で超音波接合されるようにすることにより、上ケース７及び下ケース８におけるフィルム体７ｂ，８ｂと樹脂成形体７ａ，８ａとの間の接合界面に与える影響を抑制している。なお、上ケース７と下ケース８の側周部となる樹脂成形体７ａ、８ａとに嵌合部１２、１３を設けて超音波振動により接合する構成に代えて、樹脂成形体７ａ、８ａとを側周部で爪嵌合を用いて接合する構成としてもよい。
【００３４】
上記電池パックは、二次電池１を短絡あるいは過充電、過放電等から保護する機能が設けられているが、それでも不測の事態により二次電池１内にガスが発生して電池内圧が異常上昇したときには、二次電池１に設けられた安全弁が作動してガスが二次電池1外に放出されるので二次電池１の破裂が防止される。二次電池１から放出されたガスは、外装ケース１０に形成された端子窓８ｃと外部出力端子１１との間の隙間をガス抜き孔として、ここから外部に排出されるので、外装ケース１０内にガスが充満して膨らみが生じることがない。外装ケースの広い面がフィルム体で形成した場合には膨らみが生じやすいが、ガスを外部排出することにより、膨らみによる変形は防止される。ガス抜き孔は、上ケース７と下ケース８の嵌合部１２，１３の凸条部１２ａ、溝部１３ａの一部に切り欠きを設けて形成することもできる。
【００３５】
以上説明した電池パックは、１個の二次電池１を用いた比較的低消費電力の携帯電子機器、例えば携帯電話機やデジタルカメラ等に対応させたものであるが、ノート型パソコンのように比較的大消費電力の携帯電子機器に対応させる場合には、複数の二次電池１を直列及び／又は並列に接続した電池パックに構成することができる。
【００３６】
図３は、複数の二次電池１を直並列に接続した第２の実施形態に係る電池パックの構成を示す断面図で、ここでは６個の扁平角形のリチウムイオン二次電池１を平面上に３×２に配列し、それらを直並列に電気的接続し、前述の電池パックと同様に電池回路と共に外装ケース２０内に収容した電池パックに構成している。
【００３７】
二次電池１の断面形状が、図示するように長円形である場合に、並列配置すると隣り合う二次電池１の間に空隙が発生する。その空隙部分に嵌り込むように、上ケース２１の樹脂成形時にフィルム体７ｂ上に充填用樹脂成形体７ｃが成形され、下ケース２２の樹脂成形時にフィルム体８ｂ上に充填用樹脂成形体８ｃが成形される。
【００３８】
上記構成により、複数の二次電池１を半殻体の底面をフィルム体７ｂ，８ｂで形成した外装ケース２０内に収容した場合に、フィルム体７ｂ，８ｂの面積が大きくなるが、フィルム体７ｂ，８ｂと二次電池１とが一体化されるため強度低下が抑制され、フィルム体７ｂ，８ｂの空隙上を覆う部分に押圧が加えられたときにも変形が生じない。このように広い面積を樹脂成形のみで、しかもフィルム体７ｂ，８ｂと同等の厚さに形成することは極めて困難であるが、本構成のようにフィルム体７ｂ，８ｂと樹脂成形体７ａ，８ａとを一体成形することにより外装ケース１０の薄型化が達成される。
【００３９】
図４は、第３の実施形態に係る電池パックの構成を示す断面図で、複数の円筒形二次電池４１を並列配置して、図示しない回路基板と共に外装ケース４０内に収納して電池パックに構成したものである。
【００４０】
図４において、二次電池４１が円筒形電池である場合にも隣り合う電池間の上下に空隙が発生するので、上ケース４２の樹脂成形時にフィルム体４２ｂに空隙に嵌まり込むように充填用樹脂成形体４２ｃを形成し、下ケースの樹脂成形時にフィルム体４３ｂに空隙に嵌まり込むように充填用樹脂成形体４３ｃを形成する。前記充填用樹脂成形体４２ｃ、４３ｃが形成されていることにより、フィルム体４２ｂ、４３ｂの面積が大きくなっても、二次電池４１とフィルム体４２ｂ、４３ｂとが一体化されるため強度低下が抑制される。また、空隙部分を被覆するフィルム体４２ｂ、４３ｂに押圧が加えられた場合にも変形が生じない。
【００４１】
図５は、第４の実施形態に係る電池パックの構成を示す断面図で、扁平形状の二次電池３１を図示しない回路基板と共に外装ケース３５内に収容して電池パックに形成したもので、外装ケース３５の形成方法に特徴を有するものである。
【００４２】
図６は、あらかじめ成形された樹脂成形体３３の内側に、扁平角型の二次電池３１と、この二次電池３１を過充電や過放電等から保護する電池保護回路や外部接続端子を形成した回路基板などの電池回路構成部材（図示しない）が配置された状態を示す。なお、樹脂成形体３３はあらかじめ、例えば４つの側周面に対応して４つの部分に分かれた構造となっており、内側に二次電池３１と電池回路部材を配置してから一体化される。また、樹脂成形体３３には、外部接続端子が外部に覗くように端子窓（図示しない）を設けている。この状態は、まず、二次電池３１と電池回路構成部材を一体化した後で、その側周部に樹脂モールドなどの方法で樹脂成形体３３を形成することによってもできる。こうして、樹脂成形体３３の内側に二次電池３１と電池回路構成部材とを配置した状態で、扁平な面の上下からフィルム体３２，３４を対向させ、樹脂成形体３３とフィルム体３２，３４を例えばレーザー溶接、超音波溶着などの方法を用いて一体化すると、図５に示す電池パックが完成する。レーザー溶接は、溶接部位を確実に溶接できるので溶接強度の管理が容易で、しかも溶接の痕跡がばらつきにくい。また、フィルム体３２，３４の二次電池３１に接する側の面に接着剤層を形成しておくと、二次電池３１とフィルム体３２，３４との一体化され、電池パックとしての強度をより高めることができる。
【００４３】
上記説明では、上下のフィルム体３２，３４の両方を最後に、樹脂成形体３３と一体化したが、どちらか一方のフィルム体、たとえばフィルム体３４に樹脂成形体３３を一体成形し、この樹脂成形体３３の内側に電池回路構成部材と二次電池３１を配置した状態で、他方のフィルム体３２を樹脂成形体３３に一体化して図５に示す電池パックを構成することもできる。
【００４４】
図７は、二次電池３１と電池回路構成部材（図示しない）を一体化し、扁平な面の上下からフィルム体３２，３４を対向させて配置した状態を示す。この状態で、側周部を樹脂モールドなどの方法で樹脂成形体３３を形成すると、フィルム体３２，３４と樹脂成形体３３とが一体化されて図５に示す電池パックが完成する。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明によれば、扁平形状に形成されたケースの底面がフィルム体によって形成されているので、外装ケースの薄型化が可能で、薄型の電池パックを構成することができ、携帯電子機器の薄型化の要求に応える電池パックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る電池パックの構成を示す分解斜視図。
【図２】同上構成における外装ケースの断面図。
【図３】第２の実施形態に係る電池パックの断面図。
【図４】第３の実施形態に係る電池パックの断面図。
【図５】第４の実施形態に係る電池パックの断面図。
【図６】第４の実施形態に係る電池パックの組立途中工程を示す断面図。
【図７】第４の実施形態に係る電池パックの別の組立途中工程を示す断面図。
【図８】従来技術に係る電池パックの構成を示す分解斜視図。
【符号の説明】
１，３１，４１二次電池
２回路基板
７，２１上ケース
７ａ，８ａ，３３樹脂成形体
７ｂ，８ｂ，３２，３４フィルム体
８，２２下ケース
１０，２０，３５外装ケース

Claims

平面状に配置された複数の二次電池が扁平形状の略直方体の外装ケースに収容され、前記二次電池に接続された外部接続用端子を外部露出させてなる電池パックであって、
前記外装ケースは、上下ケースからなり、前記上下ケースは主面における任意範囲が合成樹脂からなるフィルム体に、他の部位がインサート形成により形成された樹脂成形体によって形成されていると共に、
前記フィルム体には、前記二次電池を配列した隣り合う二次電池の側面間に生じる空隙を埋めるように充填用樹脂形成体が形成され、
前記外部接続用端子は、前記樹脂成形体の形成部位から外部露出している
ことを特徴とする電池パック。
前記フィルム体は、その外面側となる面に硬質膜を接合した複合フィルムに形成されてなる請求項１に記載の電池パック。
前記フィルム体は、その内面側となる面に接着層が形成されてなる請求項１または２のいずれか一項に記載の電池パック。
前記フィルム体が樹脂中に芯材を配した強化プラスチックフィルムである請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池パック。
前記外装ケースの樹脂成形体にガス抜き孔が形成されてなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池パック。
前記電池回路は回路基板を設けて構成され、前記回路基板は二次電池の短側面に配設されてなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池パック。
前記電池回路は回路基板を設けて構成され、前記回路基板は外装ケースに配設されてなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の電池パック。
回路基板に外部接続端子が形成され、前記外部接続端子を外装ケースの側周面に形成された開口部から外部露出させてなる請求項６又は７に記載の電池パック。