JP4837278B2

JP4837278B2 - 電池パック

Info

Publication number: JP4837278B2
Application number: JP2004349449A
Authority: JP
Inventors: 晋志大田; 勝行白澤; 寿雄山下藤; 毅石丸; 兼人増本; 裕明 ▲今▼西
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: JP2006164531A

Description

本発明は、電池の一端に充放電保護回路を有する回路基板を配置し、この回路基板を収容した端部ケースを電池と一体結合してなる電池パックに関するものである。

電池と充放電保護回路を有する回路基板とを組み合わせて一体化した電池パックにおいては、コンパクトな構成であること、接続抵抗が小さくかつ接続部の信頼性が高いこと、製造工程の生産性が高いことなどが要請される。

従来の電池パックは、ケース内に電池と保護素子や回路基板を収容配置した構成とされている。具体例としては、端子窓を有するケース内に電池を収容し、電池とケースとの間に設けたスペースに保護素子や回路基板を配置し、電池と回路基板を接続するリード板を端子窓に対向する位置に配置して外部端子としたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、電池の一端面外周に凸条を形成して内側に凹部を設け、下部に電池一端面の凹部に嵌合する嵌着凸部を有する端子ホルダーを設け、端子ホルダーには保護素子を内蔵させるとともに上面に端子板を固定し、端子ホルダーを電池に粘着テープや熱収縮フィルムなどで連結し、その後端子板と電池ケースに引き出し用のリード板を溶着した後、ケースに収納し、あるいは熱収縮チューブ等で被覆して電池パックとしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、従来、回路基板をホルダーにて電池に仮保持した状態でリード板にて電池と回路基板を機械的及び電気的に連結していたのに対して、電池の封口板に連結凸部を設け、この連結凸部を回路基板に連結し、連結凸部にて電池と回路基板を機械的及び電気的に連結したものが知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、電池の一部又は全体をインサート成形することで、外部接続端子を外部に表出するとともに保護素子を内蔵固定した樹脂成形部を電池の一端部に一体成形したものも知られている（例えば、特許文献４参照）。
特許第３２４４４００号明細書特開２０００−２４３３６２号公報特開２００２−２９８８０９号公報特開２００４−９５３２９号公報

ところが、特許文献１の構成では、ケースと電池の間に保護素子や回路基板を配置するスペースを設けているので、ケースの外形が大きくなり、また回路基板や保護素子が動くと振動により故障する恐れがあるが、回路基板や保護素子を動かないように電池やケースに固定するのが困難で、高い信頼性を確保できないという問題があり、またリード板で接続しているので接続抵抗が大きくなるという問題がある。

また、特許文献２では、保護素子が端子ホルダーを介して電池に固定的に装着されているが、この電池とホルダーの組立体にリード板を溶着し、ケースに収納して電池パックを構成しており、外形が大きくなるとともに、接続抵抗が大きくなり、組立工数も多くなって高い生産性を確保するのが困難であるという問題がある。

また、特許文献３では、電池の封口板に連結凸部を有する特殊な封口板を用いて回路基板を固定することで、リード板を用いない接続構成にて接続抵抗を小さくでき、また組立工数を低減できる構成となっているが、これら回路基板及び電池をケース内に収納して電池パックとする構成であり、その分外形が大きくなるという問題がある。

また、特許文献４では、電池と保護素子及び出力端子をインサート成形することで、保護素子及び出力端子を樹脂成形部に固定しているので、部品点数を少なくかつコンパクトに構成できるが、インサート成形は設備コストがかかり、かつ高い寸法精度や生産性を確保するのが困難であるという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、コンパクトで、接続抵抗が小さく、信頼性が高く、生産性の高い電池パックを提供することにある。

本発明の電池パックは、電池と、充放電安全回路を有し電池の一端面上に配置される回路基板と、外部接続端子を装着された端部ケースとを備えた電池パックであって、回路基板を端部ケースの内部に収容配置し、端部ケースの両端部に頭部が係合して貫通するねじの先端部を電池の一端面の両端部にねじ込み固定したものである。

この構成によると、電池の一端に端部ケースを固着した構成であるため、コンパクトな構成とすることができ、また電池と端部ケース内の回路基板と外部接続端子との間の接続経路を短かくできて接続抵抗を小さくでき、またねじの先端部を電池の一端面にねじ込み固定するという簡単な工程で電池と端部ケースを一体的に結合固定できるので、高い信頼性と生産性を両立した電池パックを実現することができる。また、端部ケースと電池をねじで固定しているので、電池の一端面と平行な方向（ねじをせん断する方向）だけでなく、端部ケースを電池に対して離間させる方向（ねじを引張する方向）に対しても大きな耐力を持たせることができ、あらゆる方向の外力に対して高い固着強度を確保することができる。

また、電池は、電池ケースが一方の極性の電極端子であり、一端面に電池ケースと異なる極性の電極端子を有し、電池ケースの一端面に立ち上がり部を有する第１の接続ブラケットを固着し、端部ケースの一側壁の内側に第１の接続ブラケットの立ち上がり部に重なるとともに一部が回路基板に接続された接続板を配置し、端部ケースの一側壁の立ち上がり部に対向する部分に形成した作業開口を通して立ち上がり部と接続板を溶接した構成とすると、接続経路が短く接続抵抗を小さくすることができるとともに、作業性良く接続できて高い生産性を確保することができる。

また、電池は、電池ケースが一方の極性の電極端子であり、一端面に電池ケースと異なる極性の電極端子を有し、電池ケースの一端面の電極端子に安全保護素子の一端を接続し、安全保護素子の他端を回路基板に接続した構成とすると、温度ヒューズやＰＴＣなどの安全保護素子を電極端子の側部の空間を利用して電池の一端面に当接又は近接配置して電極端子と回路基板の間に介装することができ、電池の異常温度上昇時に電流を遮断することができ、コンパクトな構成にて安全性を向上することができる。

また、安全保護素子の他端と回路基板に、相互に重なり合う立ち上がり部を有する第２と第３の接続ブラケットを固着し、端部ケースに開口された作業孔を通して第２と第３の接続ブラケットの立ち上がり部を溶接すると、回路基板と安全保護素子を第２と第３の接続ブラケットを介することで端部ケースの作業孔を通した溶接にて生産性良く接続することができる。

また、端部ケースに装着された外部接続端子が、接続相手の接続端子を挿脱して接続・遮断するものであると、電池配置空間に電池パックを収納して設置するようにした携帯電子機器などにおいて、平面状の外部接続端子に相手方の電極端子を当接させるようにしたものに比して、電源供給の安定性が格段に向上し、振動や衝撃を受けるような環境下においても信頼性の高い電源供給を実現でき、かつこの種の外部接続端子であっても端部ケースに容易かつコンパクトに装着することができる。

本発明の電池パックによれば、電池の一端に端部ケースを固着した構成であるため、コンパクトな構成とすることができ、また電池と端部ケース内の回路基板と外部接続端子との間の接続経路を短かくできて接続抵抗を小さくでき、またねじの先端部を電池の一端面にねじ込み固定するという簡単な工程で電池と端部ケースを一体的に結合固定できるので、高い信頼性と生産性を両立した電池パックを実現することができる。

以下、本発明の電池パックの一実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。

図１において、１は横断面形状が扁平な長方形、若しくは隅丸長方形ないし長円形の角形の電池である。電池１はリチウムイオン電池から成り、電池ケース２の内部に発電要素としての極板群と電解液が収容されている。極板群は、帯状の正極板と負極板の間にセパレータを介装した状態で巻回することで多層に積層して構成されている。正極板はアルミニウム箔から成る芯材に正極合剤を塗着・乾燥して構成され、負極板は銅箔から成る芯材に負極合剤を塗着・乾燥して構成され、セパレータは微多孔性ポリプロピレンフィルムなどにて構成されている。

電池ケース２の一端面３の中央部には電極端子４が突出して配設されている。電極端子４は電池ケース２の一端面３を絶縁状態で密封貫通し、電池１の負極の電極端子を構成している。電池１の正極の電極端子は電池ケース２にて構成されている。

５は、電池ケース２の一端面３上に配置される回路基板であり、充放電安全回路が設けられている。６は、回路基板５を内部に収容した状態で電池ケース２の一端面３上に固定される端部ケースである。端部ケース６には、３つの外部接続端子７が内蔵された状態で装着されている。これら外部接続端子７は、接続相手の接続端子を挿脱して接続・遮断するものであり、端部ケース６の一端側に適当間隔おきにかつ一側角部の上面と側面にわたって開口された３つの接続窓８に臨むように配設されている。また、各外部接続端子７は一対の接続脚７ａが下方に突出形成され、回路基板５にはこれら接続脚７ａを挿入貫通させて半田付けする接続穴９が設けられている。３つの外部接続端子７の内、２つは正極と負極の外部接続端子、残りの１つは識別抵抗検出用の接続端子である。

電池パック１０は、主として以上の電池１と、回路基板５を収納配置した端部ケース６とを相互に一体固定することで構成されている。そのため、図１、図２に示すように、端部ケース６の両端部に、下端近傍に段部１１ａを有して上下方向に貫通する取付穴１１が設けられ、この取付穴１１に挿入したねじ１２の頭部１２ａを段部１１ａに係合させた状態でその先端部を電池ケース２の一端面３の両端部にねじ込むことで一体固定されている。

このねじ固定の詳細を、主として図２（ｂ）を参照して説明すると、電池ケース２はその一端面３を含めてアルミニウム又はアルミニウム合金にて構成され、かつ一端面３の肉厚は例えば０．８〜１．５ｍｍ程度と比較的厚くされており、この一端面３の両端部に、雌ねじを形成しながらねじ１２をねじ込むための、ねじ下穴としての円形凹部３ａがプレス成形にて形成されている。例えば、ねじ１２としてねじ外径が１．２ｍｍのメートル細めねじを用いる場合、ねじ山の高さが０．１３ｍｍ、ねじピッチが０．２５ｍｍであり、円形凹部３ａの内径を０．９ｍｍ、深さを１．４ｍｍとすることで、円形凹部３ａに対してねじ１２のねじ山が４山程度螺合し、一端面３がアルミニウムまたはアルミニウム合金の場合、ねじ１２の軸心方向に対して必要な固着強度が得られる。

なお、上記ねじ１２の具体例は一例であって、通常使用されるねじ１２としては、外径が１.０〜２.０ｍｍ、ねじピッチが０.２〜０.４ｍｍの細目系ねじが好適に用いられ、それに対応して円形凹部３ａは、その内径が０.６〜１.７ｍｍ、深さが０.８〜１.６ｍｍ程度に設定される。

次に、この電池パック１０における電気的な接続構成について説明する。正極の電池ケース２は、第１の接続ブラケット１３と接続板１４を介して回路基板５に接続されている。第１の接続ブラケット１３は電池の一端面に溶接にて固着され、一側に立ち上がり部１３ａを有している。この立ち上がり部１３ａは、図３（ａ）に示すように、端部ケース６の一側壁の内側に接して上方に延出する。接続板１４は、この第１の接続ブラケット１３の立ち上がり部１３ａの内側に重なるように回路基板５上に配設され、下端から下方に突出された接続脚１４ａが、回路基板５の一側に凹入形成された接続部１５に嵌合され、接続部１５の下面に形成された接続電極に半田付けされている。端部ケース６には、接続板１４を内側から支持する支持壁６ｂが設けられている。また、端部ケース６の一側壁の立ち上がり部１３ａに対向する部分に作業開口６ａが形成されている。この作業開口６ａを通して一対の溶接電極を第１の接続ブラケット１３の立ち上がり部１３ａに押し当ててそれらの間に溶接電流を流すことで立ち上がり部１３ａと接続板１４が相互に溶接され、電気的に接続される。

負極の電極端子４は、温度ヒューズやＰＴＣ素子などの安全保護素子１６を介して回路基板５に接続されている。詳細には、電極端子４に安全保護素子１６の一端の接続片１６ａが溶接にて接続され、安全保護素子１６の他端の接続片１６ｂに一側に立ち上がり部１７ａを有する第２の接続ブラケット１７が溶接にて固着され、図１及び図３（ｂ）に示すように、回路基板５に立ち上がり部１７ａの内面に重なり合う立ち上がり部１８ａを有する第３の接続ブラケット１８が溶接にて固着され、これら接続ブラケット１７、１８の立ち上がり部１７ａ、１８ａが、この立ち上がり部１７ａ、１８ａに対応位置して端部ケース６に幅方向に貫通して形成されている作業孔１９を通して溶接されている。こうして、負極の電極端子４が安全保護素子１６と接続ブラケット１７、１８を介して回路基板５に接続されている。

図１において、電池ケース２の一端面３と安全保護素子１６との間には、第１の絶縁板２０が配置され、その下面に設けられた粘着剤にて接着固定されている。第１の絶縁板２０には、中央部に電極端子４が挿通される貫通開口２１が形成され、安全保護素子１６の素子部に対応する位置には電池ケース２の一端面３に素子部を臨ませる伝熱用開口２２が形成され、他端の接続片１６ｂに対応する他端部上面にはこれを固定する粘着剤２３が設けられている。伝熱用開口２２には、図４（ｂ）に示すように、電池１の熱が効果的に素子部に伝達されるようにシリコン２４が充填されている。安全保護素子１６の上面には、第２の絶縁板２５が配置され、下面に設けられた粘着剤にて安全保護素子１６に接着され、安全保護素子１６と回路基板５の間の絶縁が確保されている。

次に、以上の構成の電池パック１０の組立工程を説明する。まず、図４（ａ）に示すように、電池１の一端面３上に第１の絶縁板２０を配置して接着する。次に、図４（ｂ）に示すように、第１の絶縁板２０の伝熱用開口２２にシリコン２４を充填し、他端の接続片１６ｂに第２の接続ブラケット１７を溶接した安全保護素子１６を第１の絶縁板２０上に配置し、一端の接続片１６ａを電極端子４に溶接する。また、電池１の一端面上の第１の絶縁板２０の側部に第１の接続ブラケット１３を溶接する。次に、図４（ｃ）に示すように、安全保護素子１６及び第１の接続ブラケット１３上にわたって第２の絶縁板２５を配置して接着する。

一方、図１に示すように、端部ケース６に対して外部接続端子７を接続窓８に臨む所定位置に装着し、接続板１４を一側壁における作業開口６ａ形成部位と支持壁６ｂとの間に挿入する。また、回路基板５上の所定位置に第３の接続ブラケット１８を溶接する。次いで、回路基板５を端部ケース６の下端開口から挿入配置し、接続穴９から突出した外部接続端子７の接続脚７ａの端部を接続穴９の周囲に形成された電極に半田付けし、接続部１５から突出した接続板１４の接続脚１４ａの端部を接続部１５の周囲に形成された電極に半田付けする。

次に、図５に示すように、回路基板５を収容配置した端部ケース６を、第１の接続ブラケット１３の立ち上がり部１３ａが接続板１４の外側に重なり合い、また第２の接続ブラケット１７の立ち上がり部１７ａが第３の接続ブラケット１８の立ち上がり部１８ａの外側に重なり合うように電池１の一端面３上に被せる。また、取付穴１１にねじ１２を挿入する。電池１の他端面１ｂには、電池パック１０を着脱する際に爪を引っ掛けるためのネイルフック２６を接着する。

次に、図６に示すように、端部ケース６の両端部の取付穴１１に、矢印ａのように、ドライバー（工具）を挿入してねじ１２の頭部１２ａに係合させ、押圧しながら回転することで、ねじ１２の先端部を電池１の一端面３に形成した円形凹部３ａの内周面に雌ねじを形成しつつねじ込み、このねじ１２を介して端部ケース６の両端部を電池１に一体固定する。また、矢印ｂのように、端部ケース６に形成されている作業孔１９の両側から溶接電極を挿入し、押圧して溶接電流を流して接続ブラケット１７、１８の立ち上がり部１７ａ、１８ａを溶接する（図３（ｂ）参照）。また、矢印ｃのように、端部ケース６の作業開口６ａから、一対の溶接電極を挿入して第１の接続ブラケット１３の立ち上がり部１３ａに当接させ、押圧して溶接電流を流して第１の接続ブラケット１３と接続板１４を溶接する（図３（ａ）参照）。

次に、図７に示すように、合成樹脂シートの裏面に粘着剤を塗着した外装ラベル２７を、電池１の周側面、端部ケース６の下部周囲及びネイルフック２６の周囲に巻き付けて接着する。また、外装ラベル２７の上縁からは、端部ケース６の上部に形成されている取付穴１１、作業孔１９、及び作業開口６ａに対応する位置に封止片２７ａ、２７ｂ、２７ｃが延出されており、これら封止片２７ａ、２７ｂ、２７ｃを端部ケース６の表面に沿って貼り付けることで取付穴１１、作業孔１９、及び作業開口６ａを隠蔽する。かくして、図８に示すように、電池パック１０が完成する。

以上の本実施形態の電池パック１０によれば、電池１の一端に端部ケース６をねじ１２のねじ込み固定によって一体固着した構成であり、電池１及び回路基板５の全体をケース内に収容したものでないため、コンパクトな構成とすることができる。また、電池１と端部ケース６内の回路基板５と外部接続端子７との間の接続経路を短かくできて接続抵抗を小さくできる。

また、ねじ１２の先端部を電池１の一端面３の円形凹部３ａにねじ込むという簡単な工程で電池１と端部ケース６を一体的に結合固定できるので、高い信頼性と生産性を両立した電池パック１０を実現することができる。また、端部ケース６と電池１の一端面３をねじ１２で固定しているので、電池１の一端面３と平行な方向（ねじ１２をせん断する方向）だけでなく、端部ケース６を電池１に対して離間させる方向（ねじ１２を引張する方向）に対してもねじ山の係合によって大きな耐力を持たせることができ、例えばリベットの先端を一端面３にスポット溶接した場合に引き剥がし方向の耐力が劣ってしまうのに比して、あらゆる方向の外力に対して高い強度を確保することができる。また、ねじ１２を電池１の一端面３に雌ねじを形成しながらねじ込んでいるので、ねじ１２を緩めて端部ケース６を取り外し、電池パック１０を一度分解すると、雌ねじが破損してしまうために再度組み立てることが不可能となり、再使用（リユース）による偽造を防止することができ、偽造によって安全性が欠如した電池パック１０が流通するのを防止できる。

また、電池１は、電池ケース２が正極の電極端子であり、一端面３に負極の電極端子４を有しているものであるため、電池ケース２の一端面３に第１の接続ブラケット１３を固着し、端部ケース６の一側壁の内側に一部が回路基板５に接続された接続板１４を配置し、端部ケース６に形成された作業開口６ａを通して第１の接続ブラケット１３の立ち上がり部１３ａと接続板１４を溶接することで、電池１の正極と回路基板５を電気的に作業性良く接続できて高い生産性を確保することができ、また接続経路が短く接続抵抗を小さくすることができる。

また、電池１の一端面３の電極端子４に安全保護素子１６の一端を接続し、安全保護素子１６の他端を回路基板５に接続しているので、温度ヒューズやＰＴＣなどの安全保護素子１６を電極端子４の側部の空間を利用して電池１の一端面３に当接又は近接配置して電極端子４と回路基板５の間に介装することができ、電池１の異常温度上昇時に電流を遮断することができ、コンパクトな構成にて安全性を向上することができる。

また、安全保護素子１６の他端と回路基板５に、相互に重なり合う立ち上がり部１７ａ、１８ａを有する第２と第３の接続ブラケット１７、１８を固着し、端部ケース６に開口された作業孔１９を通して接続ブラケット１７、１８の立ち上がり部１７ａ、１８ａを溶接しているので、回路基板５と安全保護素子１６を接続ブラケット１７、１８を介することで溶接にて生産性良く接続することができる。なお、安全保護素子１６を設けずに、電極端子４と回路基板５を接続ブラケットを介して接続するようにしても良い。

また、端部ケース６に装着された外部接続端子７は、接続相手の接続端子を挿脱して接続・遮断するものであるので、電池配置空間に電池パック１０を収納して設置するようにした携帯電子機器などにおいて、振動や衝撃を受けるような使用条件下においても信頼性の高い電源供給を実現でき、かつこの種の外部接続端子７であっても端部ケース６に容易かつコンパクトに装着することができる。

なお、上記実施形態では、ねじ１２は端部ケース６を電池１に一体固着する機能のみを奏しており、電池１の電池ケース２と回路基板５を電気的に接続する機能を奏しない例を示したが、ねじ１２の頭部１２ａを回路基板５の電極に接触させ、また必要に応じてレーザビーム照射等にて頭部１２ａの一部を溶着させて電気的接続も同時に行うようにしても良い。そうすると、第１の接続ブラケット１３と接続板１４を省略することができ、一層簡単な構成とすることができる。

本発明の電池パックは、電池の一端に端部ケースをねじにて固着した構成であるため、コンパクトな構成とすることができるとともに全ての方向の外力に対して高い耐力を有する状態で一体固着でき、また電池と端部ケース内の回路基板と外部接続端子との間の接続経路を短かくできて接続抵抗を小さくでき、またねじの先端部を電池の一端面にねじ込んで一体固定しているので簡単な工程で電池と端部ケースを一体的に結合固定でき、かくして高い信頼性と生産性を両立した電池パックを実現することができ、携帯電子機器用などの小型の電池パックに有用である。

本発明の一実施形態における電池パックの要部の分解斜視図。同実施形態の電池パックの要部構成を示し、（ａ）は図１のＡ矢方向から見た部分破断斜視図、（ｂ）は同部分の断面図。同実施形態の電池パックの要部構成を示し、（ａ）は図１のＢ−Ｂ矢視位置での断面図、（ｂ）は図１のＣ−Ｃ矢視位置での断面図。同実施形態の電池パックの組立工程を示す斜視図。同実施形態の電池パックの組立工程を示す斜視図。同実施形態の電池パックの組立工程を示す斜視図。同実施形態の電池パックの組立工程を示す斜視図。同実施形態の電池パックの完成状態の斜視図。

符号の説明

１電池
２電池ケース
３一端面
４電極端子
５回路基板
６端部ケース
６ａ作業開口
７外部接続端子
１0 電池パック
１２ねじ
１３第１の接続ブラケット
１３ａ立ち上がり部
１４接続板
１６安全保護素子
１７第２の接続ブラケット
１７ａ立ち上がり部
１８第３の接続ブラケット
１８ａ立ち上がり部
１９作業孔

Claims

電池と、充放電安全回路を有し電池の一端面上に配置される回路基板と、外部接続端子を装着された端部ケースとを備えた電池パックであって、回路基板を端部ケースの内部に収容配置し、端部ケースの両端部に頭部が係合して貫通するねじの先端部を電池の一端面の両端部にねじ込み固定したことを特徴とする電池パック。
電池は、電池ケースが一方の極性の電極端子であり、一端面に電池ケースと異なる極性の電極端子を有し、電池ケースの一端面に立ち上がり部を有する第１の接続ブラケットを固着し、端部ケースの一側壁の内側に第１の接続ブラケットの立ち上がり部に重なるとともに一部が回路基板に接続された接続板を配置し、端部ケースの一側壁の立ち上がり部に対向する部分に形成した作業開口を通して立ち上がり部と接続板を溶接したことを特徴とする請求項１記載の電池パック。
電池は、電池ケースが一方の極性の電極端子であり、一端面に電池ケースと異なる極性の電極端子を有し、電池のケースの一端面の電極端子に安全保護素子の一端を接続し、安全保護素子の他端を回路基板に接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の電池パック。
安全保護素子の他端と回路基板に、相互に重なり合う立ち上がり部を有する第２と第３の接続ブラケットを固着し、端部ケースに開口された作業孔を通して第２と第３の接続ブラケットの立ち上がり部を溶接したことを特徴とする請求項３記載の電池パック。
端部ケースに装着された外部接続端子は、接続相手の接続端子を挿脱して接続・遮断するものであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の電池パック。