(57)【要約】二次電池と、半導体スイッチ素子を備えた分流回路とが並列に接続された電池システムにおいて、前記半導体スイッチ素子は、二次電池の電池外装体の表面、もしくはバスバーに放熱するように取り付けられている。この構成によって、分流回路に備えられる半導体スイッチ素子の放熱性能を向上させることができる。
2012098843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、半導体スイッチ素子を備えた分流回路とが並列に接続された電池システムであって、前記半導体スイッチ素子は、前記二次電池の電池外装体の表面もしくはバスバーに放熱するように配置されている電池システム。
【請求項２】
前記半導体スイッチ素子は熱拡散部材を介して前記電池外装体の表面もしくは前記バスバーと接している請求項１の電池システム。
【請求項３】
前記半導体スイッチ素子は回路基板に取り付けられており、前記半導体スイッチ素子が前記電池外装体の表面に放熱するように、前記回路基板が前記二次電池に取り付けられている請求項１または請求項２の電池システム。
【請求項４】
前記電池外装体の面に電極端子が備えられており、前記半導体スイッチ素子は前記電極端子が備えられた面の表面に放熱するように配置されている請求項１〜３のいずれかの電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池と、半導体スイッチ素子を備えた分流回路とが並列に接続された電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池と、半導体スイッチ素子を備えた分流回路とが並列に接続された電池システムが知られている。このような電池システムでは、余剰な充電電流を分流回路に流して二次電池が過度に充電されるのを抑制することや、所望以上に充電された二次電池を分流回路に放電して二次電池の電圧を低下させることなどができる。また、下記の特許文献１に記載のように、二次電池を複数個接続して組電池をとした構成では、各二次電池の充電ばらつきを抑制することができる。【０００３】
上記の電池システムでは、分流回路に抵抗器を備えることで、抵抗器からの発熱を利用して二次電池を加熱する構成も考えられる。一方、分流回路の半導体スイッチ素子の発熱はそれほど大きくないので、従来、半導体スイッチ素子に小型のヒートシンクを取り付けて、半導体スイッチ素子で発生する熱を放熱していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２３８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、分流回路の性能向上の観点から、半導体スイッチ素子の放熱性能の更なる向上が求められている。その対策として、半導体スイッチ素子に取り付けるヒートシンクを大型化したのみでは、電池システムの大型化やコストの上昇を招く。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、電池システムの大型化やコストの上昇等を回避しながら、分流回路に備えられる半導体スイッチ素子の放熱性能を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願の第１の発明は、二次電池と、半導体スイッチ素子を備えた分流回路とが並列に接続された電池システムであって、前記半導体スイッチ素子は、二次電池の電池外装体の表面もしくはバスバーに放熱するように配置されていることを特徴としている。
半導体スイッチ素子に大型のヒートシンクを取り付けて、半導体スイッチ素子の放熱性能を向上させようとすると、電池システムのサイズが大きくなり、かつ、部品コストが増大する。上記の本出願の第１の発明によれば、二次電池の電池外装体またはバスバーを半導体スイッチ素子のヒートシンクとして利用することで、電池システムの大型化および部品コストの増大を回避しながら、半導体スイッチ素子の放熱性能を向上させることができる。なお、ここでバスバーとは、異なる電池の端子どうしを接続する金属部材のことである。【０００７】
本出願の第２の発明は、前記半導体スイッチ素子は熱拡散部材を介して前記電池外装体の表面もしくはバスバーと接していることを特徴としている。
上記の本出願の第２の発明によれば、半導体スイッチ素子で発生した熱を拡散させて電池外装体の表面もしくはバスバーに放熱することができ、電池外装体の表面もしくはバスバーの一部が局所的に加熱されるのを防ぐことができる。【０００８】
本出願の第３の発明は、前記半導体スイッチ素子は回路基板に取り付けられており、前記半導体スイッチ素子が前記電池外装体の表面に放熱するように、前記回路基板が二次電池に取り付けられていることを特徴としている。
上記の本出願の第３の発明によれば、分流回路の回路基板を二次電池に取り付ける作業と、半導体スイッチ素子の放熱のための設置作業とを同時に行うことができ、作業が容易となる。【０００９】
本出願の第４の発明は、前記電池外装体の面に端子が備えられており、前記半導体スイッチ素子は前記電極端子が備えられた面の表面に放熱するように配置されていることを特徴としている。
上記の本出願の第４の発明によれば、端子が備えられた電池外装体の面と、電池外装体の内部に収納された発電要素との間には隙間が存在しており、その隙間の存在によって、半導体スイッチ素子からの放熱が発電要素に伝わるのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、二次電池の電池外装体またはバスバーを半導体スイッチ素子のヒートシンクとして利用することで、電池システムの大型化および部品コストの増大を回避しながら、半導体スイッチ素子の放熱性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態にかかる電池の外観斜視図
【図２】本発明の実施の形態にかかる電池の内部を示す斜視図
【図３】本発明の実施の形態にかかる要部断面図
【図４】本発明の実施の形態にかかる要部断面図
【図５】本発明の実施の形態にかかる電池の内部を示す正面図
【図６】本発明の実施の形態にかかる回路構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態の電池システムを図面に基づいて説明する。本実施形態の電池システムでは、二次電池として非水電解液二次電池を例示して説明する。
【第一の実施形態】
【００１３】
図１および図５に示すように、本実施形態の二次電池ＲＢは、缶体１および蓋部２を含む電池外装体ＢＣを有している。蓋部２は長方形の板材にて形成され、蓋部２には正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとが備えられている。直方体の缶体1の開口部に蓋部２を被せて溶接することで電池外装体ＢＣが形成される。
缶体１は扁平形状の直方体であり、電池外装体ＢＣは略直方体形状を有している。なお、図２は、完成した二次電池ＲＢの内部の構成を図示している。また、図５では、缶体１を１点鎖線で示し、後述の発電要素３を２点鎖線で示している。
【００１４】
電池外装体ＢＣの内部には、図２および図５において２点鎖線で示す発電要素３と集電体４，６が収納されている。集電体４，６は、発電要素３と正負極の端子とを電気的に接続するための部材である。集電体４と集電体６とは何れも導電体であり、正極の集電体４はアルミニウムで形成され、負極の集電体６は銅で形成されている。
【００１５】
発電要素３は、正極活物質が塗布された正極板と負極活物質が塗布された負極板との間に、セパレータを介して巻回することで形成される。発電要素３では、正極活物質が塗布されていない未塗工部３ａが側方に延出し、負極活物質の未塗工部３ｂがそれと反対側の側方に延出している。
発電要素３は、発電要素３の巻回軸が蓋部２の長手方向と平行となるように収納されている。図５に示すように、正極板の未塗工部３ａと集電体４の接続部４ａとが重なって溶接されており、負極板の未塗工部３ｂと集電体６の接続部６ａとが重なって溶接されている。
【００１６】
蓋部２に取り付けられている正極端子ＰＴは正極の集電体４と電気的に接続され、負極端子ＮＴは負極の集電体６と電気的に接続されている。正極端子ＰＴと正極の集電体４との接続構造と、負極端子ＮＴと集電体６との接続構造とは、略同一形状のものが対称に配置されたものである。
【００１７】
正極端子ＰＴは、図１および図３に示すように、端子ボルト５，中空リベット８および金属板９で構成される。図３に示すように、端子ボルト５と集電体４とは、中空リベット８と金属板９とを介して電気的に接続されている。端子ボルト５、中空リベット８および金属板９の何れも金属で形成されている。
金属板９は、端子ボルト５のねじ部５ｂを貫通させる貫通孔と、中空リベット８の軸部を貫通させる貫通孔とを有している。金属板９は、絶縁性のシール部材である上部パッキン１０で保持されており、上部パッキン１０は、蓋部２の上面に取り付けられている枠体１１で保持されている。上部パッキン１０は、中空リベット８を貫通させる貫通孔と、蓋部２を貫通する中空リベット８の周囲の空間に延出している。
【００１８】
電池外装体ＢＣの内側では、蓋部２と集電体４との間に、絶縁性のシール部材である下部パッキン１２が配置されている。中空リベット８は、金属板９，上部パッキン１０，下部パッキン１２及び集電体４を挟み込む状態でかしめられている。中空リベット８と蓋部２との間は、上部パッキン１０および下部パッキン１２によって絶縁性と気密性が確保されている。
【００１９】
負極端子ＮＴも正極端子ＰＴと同様の構成であり、端子ボルト１３，金属板１４および中空リベット１５などの導電性部材が備えられると共に、上部パッキン１６および下部パッキン１７などの絶縁性のシール部材が備えられている。中空リベット１５は、金属板１４，上部パッキン１６，下部パッキン１７及び集電体６を挟み込む状態でかしめられている。また、上部パッキン１６の周囲を枠体１８にて囲んでいる点も正極側と同様である。
【００２０】
本実施の形態の電池システムには、図６（ａ）に示すように、二次電池ＲＢの電圧を検出する電圧検出回路２０と、二次電池ＲＢに対して並列に接続される分流回路ＳＣとが備えられている。分流回路ＳＣでは、抵抗器２１と半導体スイッチ素子２２とが直列に接続されている。本実施形態では、抵抗器２１としてシート状のヒータを使用しており、半導体スイッチ素子２２としてＭＯＳＦＥＴを使用している。
【００２１】
電圧検出回路２０は、二次電池ＲＢの電圧が設定電圧に達していないときは、Ｌレベルの信号を半導体スイッチ素子２２に出力し、半導体スイッチ素子２２はオフ状態を維持する。一方、二次電池ＲＢの電圧が設定電圧を超えると、電圧検出回路２０は、半導体スイッチ素子２２にＨレベルの信号を出力し、半導体スイッチ素子２２をオン状態にする。半導体スイッチ素子２２がオン状態に切り換わることで、充電電流が分流回路ＳＣへ流れる。
設定電圧を適切に設定しておくことで、二次電池ＲＢの過充電を防止することができる。
【００２２】
上記の二次電池ＲＢの過充電を防止すること以外に、分流回路ＳＣを設けることで二次電池ＲＢを加熱して充放電性能を向上させることができる。二次電池ＲＢの温度が設定温度より低いときは、半導体スイッチ素子２２をオン状態に切り換えることで、充電電流の一部を抵抗器２１に流すように設定する。抵抗器２１は二次電池ＲＢの表面に備えられたヒータであり、ヒータに電流が流れることで二次電池ＲＢを加熱することができる。一般的に、低温では二次電池の充放電性能は低下するが、分流回路ＳＣの抵抗器２１を用いて二次電池ＲＢを加熱することで低温環境下での充放電性能が向上する。
【００２３】
図６（ｂ）は、二次電池ＲＢおよび分流回路ＳＣを備えた電池システムの複数が直列に接続された組電池を示す。このような組電池では、二次電池ＲＢごとに分流回路ＳＣに充電電流を流すか否か判断することができるので、充電電圧のばらつきを抑制することができる。
【００２４】
上記電圧検出回路２０および分流回路ＳＣの半導体スイッチ素子２２は、図１および図４に示すように、回路基板２５上に配置されている。分流回路ＳＣのシート状の抵抗器２１は、二次電池ＲＢの缶体１の表面に貼り付けられている。
回路基板２５は、正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとの間に架け渡される状態で取り付け固定されており、より具体的には、回路基板２５の両端部が正極の金属板９および負極の金属板１４にネジで固定されている。回路基板２５の正極接続用端子２５ａおよび負極接続用端子２５ｂのそれぞれは、固定ネジ２６，２７によって、正極端子ＰＴおよび負極端子ＮＴと電気的に接続されている。
【００２５】
分流回路ＳＣの抵抗器２１は、回路基板２５とコネクタを介して接続されている。分流回路ＳＣの半導体スイッチ素子２２は、回路基板２５と蓋部２との間の空間に配置されている。
半導体スイッチ素子２２は所定の規格で構成されており、半導体スイッチ素子２２の各端子が回路基板２５上の配線に接続されている。半導体スイッチ素子の放熱面は、熱伝導性の良好な熱拡散部材２８を挟んだ状態で蓋部２に対して押圧されており、半導体スイッチ素子の放熱面の熱が電池外装体ＢＣの表面に放熱されるように取り付けられている。半導体スイッチ素子２２の放熱面と電池外装体ＢＣの表面との間に熱拡散部材２８を備えることで、半導体スイッチ素子２２の放熱面の熱を拡散させて電池外装体ＢＣの表面に放熱することができ、電池外装体ＢＣの一部が局所的に熱くなるのを防ぐことができる。なお、熱拡散部材２８は絶縁性の樹脂シートなどが好ましい。
【００２６】
半導体スイッチ素子２２の熱を電池外装体ＢＣに放熱するように、半導体スイッチ素子２２を配置する方法は以下のとおりである。半導体スイッチ素子２２の放熱面に熱拡散部材２８を貼り付けて、半導体スイッチ素子２２を回路基板２５に取り付ける。半導体スイッチ素子２２の放熱面が蓋部２に対向するように回路基板２５を配置して、固定ネジ２６，２７によって金属板９，１４に固定する。固定ネジ２６、２７で固定することで半導体スイッチ素子２２が蓋部２に押圧されるように、回路基板２５の取付高さ及び熱拡散部材２８の厚さが設定されている。この取り付けの方法では、回路基板２５を二次電池ＲＢに取り付けるのと同時に、半導体スイッチ素子２２の放熱面が熱拡散部材２８を介して蓋部２に接するように配置することができ、作業が容易である。
【００２７】
以上のように、半導体スイッチ素子２２の放熱面が熱拡散部材２８を介して蓋部２に押圧されることで、半導体スイッチ素子２２で発生した熱を電池外装体ＢＣに効率良く放熱することができる。
【００２８】
図２および図５に示すように、半導体スイッチ素子２２は正極端子ＰＴおよび負極端子ＮＴが備えられた蓋部２に接するように配置されている。蓋部２の内側には下部パッキン１２、１７が備えられており、下部パッキン１２，１７のスペースを確保するために蓋部２と発電要素３との間には隙間が存在する。半導体スイッチ素子２２と接する面を正極端子ＰＴおよび負極端子ＮＴが備えられた蓋部２に設定した構成では、蓋部２と発電要素３との間に隙間が存在することよって、半導体スイッチ素子２２からの放熱が発電要素３に直接伝わって発電要素３が過剰に加熱されるのを防ぐことができる。すなわち、発電要素３への熱伝導を防ぐという観点で、缶体１および蓋部２を含めた電池外装体ＢＣの、端子の備えられた面に半導体スイッチ素子２２が放熱することが好ましい。
【００２９】
本実施形態では、電池外装体ＢＣに正極端子ＰＴおよび負極端子ＮＴが備えられており、回路基板２５は正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとの間を架け渡される状態で配置されている。さらに具体的には、半導体スイッチ素子２２は回路基板２５に取り付けられており、半導体スイッチ素子２２が電池外装体ＢＣに対向するように、回路基板２５が正極端子ＰＴと負極端子ＮＴとの間に配置されている。半導体スイッチ素子２２を含む回路基板２５を本実施形態のように配置することで、電池システムをよりコンパクトにすることができる。
【第二の実施形態】
【００３０】
第一の実施形態では、半導体スイッチ素子２２は電池外装体ＢＣの表面に放熱する構成を示したが、異なる二次電池の端子どうしを接続するバスバーに放熱する構成でも良い。
本実施形態においてバスバーは端子ボルト５または１３に取り付けられ、半導体スイッチ素子２２の放熱面はバスバーに接するように配置される。バスバーと半導体スイッチ素子２２とは直接接してもよいし、熱拡散部材を介して間接的に接してもよい。
第一の実施形態のように電池外装体ＢＣに放熱する構成と、第二の実施形態のようにバスバーに放熱する構成とを比較した場合、電池外装体ＢＣの表面積がバスバーの表面積よりかなり大きいため、電池外装体ＢＣに放電する構成のほうが放熱の効率が高い。しかしながら、第二の実施形態のようにバスバーに放熱する構成でも十分に本発明の効果を得ることができる。
【その他の実施形態】
【００３１】
第一の実施形態では、半導体スイッチ素子２２としてＭＯＳＦＥＴを使用した構成を示したが、バイポーラトランジスタなどの各種の半導体スイッチ素子を使用することができる。
【００３２】
第一の実施形態では、分流回路ＳＣに抵抗器２１を備える構成を示したが、抵抗器２１（ヒータ）を備えない構成であっても本発明の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３３】
ＢＣ         電池外装体
ＰＴ         正極端子
ＮＴ         負極端子
ＳＣ         分流回路
２１         抵抗器
２２         半導体スイッチ素子
２５         回路基板
２５ａ     正極接続用端子
２５ｂ     負極接続用端子
２６，２７  固定ネジ
２８    熱拡散部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2012098843.tif 000009
2012098843.tif 000010
2012098843.tif 000011
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