(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電が可能な複数の電池セルが電気的に接続されている電池パックであって、２種類以上の電池群を含んでおり、前記電池群は、それぞれ、容量及び大きさが同一の２つ以上の電池セルで構成されており、
前記電池セルは、一側に電極端子が突出している板状電池セルであり、容量ないし大きさが互いに異なる複数の前記電池セルが、電極端子側の端部を揃えて一列に平面配列されており、電池セルの電極端子側に配置された回路基板によって前記電極端子が互いに電気的に接続されており、前記回路基板によって、容量ないし大きさが互いに異なる複数の電池セルが並列に接続されてバンクを形成し、前記バンク同士が直列に接続されており、並列に接続された前記電池セルの各々が互いに異なる前記電池群に属していることを特徴とする、電池パック。
【請求項２】
前記電池セルは、いずれも、同一の電極活物質及び電解質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
前記電池セルは、いずれも、同一のエネルギー密度を有し、大きさに応じて容量が異なることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
【請求項４】
前記電池パックは、３種類の電池群を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
【請求項５】
前記バンクを形成している複数の電池セルは、互いに隣接して配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
【請求項６】
前記バンクを形成している複数の電池セルは、並列接続によって電圧バランスが取れることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
【請求項７】
前記電池セルはリチウム二次電池であることを特徴とする、請求項１に記載の電池パック。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の電池パックを電源として含むデバイス。
【請求項９】
前記デバイスは、ノートパソコン、ネットブック、タブレットＰＣ、またはスマートパッドであることを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力大容量の電池パックに係り、より詳細には、充放電が可能な電池セルが電気的に接続されている電池パックであって、容量ないし大きさが互いに異なる２種類以上の電池群を含んでおり、前記電池群は、それぞれ、容量ないし大きさが同一の２つ以上の電池セルで構成されており、それぞれの電池群内の２つ以上の電池セルは直列接続され、電池群相互間の電池セルは並列接続されていることを特徴とする電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル機器に対する技術開発及び需要の増加に伴い、エネルギー源としての二次電池の需要もまた急増している。
【０００３】
二次電池は、それが使用される外部機器の種類によって、単一電池の形態で使用されたり、または複数の単位電池を電気的に接続した電池パックの形態で使用されたりする。例えば、携帯電話のような小型デバイスは、１個の電池の出力と容量で所定時間作動が可能である一方、ノートパソコン、携帯用ＤＶＤ（ｐｏｒｔａｂｌｅ  ＤＶＤ）、小型ＰＣ、電気自動車、ハイブリッド電気自動車などのような中型または大型デバイスは、出力及び容量の問題のため、複数の電池を内蔵した電池パックの使用が要求される。
【０００４】
二次電池の中でもリチウム二次電池は、高い出力特性及び大きな容量により多く使用されている。
【０００５】
このようなリチウム二次電池には各種可燃性物質が内蔵されているので、過充電、過電流、その他の物理的外部衝撃などによって発熱、爆発などの危険性があるため、安全性において大きな短所を有している。したがって、リチウム二次電池には、過充電、過電流などの異常な状態を効果的に制御することができる安全素子として、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）素子、保護回路モジュール（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｍｏｄｕｌｅ：ＰＣＭ）などが電池セルに接続された状態で搭載されている。
【０００６】
上述したように、小型モバイル機器には、デバイス１台当たり一つ、または二つ又は三つ四つの電池セルが使用される一方、自動車などのような中大型デバイスには、高出力大容量の必要性によって、複数の電池セルを電気的に接続した中大型電池モジュールが使用される。電池モジュールの大きさ及び重量は、当該中大型デバイスなどの収容空間及び出力などに直接的な関連性があるので、製造メーカーは可能な限り小型かつ軽量の電池モジュールを製造しようと努力している。
【０００７】
一般に、複数の単位電池が直列または並列に接続された状態でカートリッジに内蔵され、このようなカートリッジを電気的に複数接続することで電池パックが作製される。
【０００８】
図１には、従来技術の高出力／大容量の電池パックにおいて単位電池の直列方式の接続が模式的に示されている。
【０００９】
図１を参照すると、単位電池１０は、内部に正極、負極、分離膜及び電解質が内蔵された状態でケースにより封止されており、それの上下部にそれぞれ正極タブ２０と負極タブ３０が突出している。１番目の単位電池１０において正極タブ２０が上向きに位置しているとき、隣接する２２番目の単位電池１１は、正極タブ２１が下向きに位置するように配置される。これら単位電池１０，１１は、互いに反対の電極が隣接した状態で電極リード４０によって電気的に接続されている。３番目の単位電池１２もまた、そのような方式で配置された状態で２番目の単位電池１１と直列に接続される。上記のような直列方式で接続された複数の単位電池からなる第１電池群に隣接して、図１には図示していないが、同一の方式で接続された複数の単位電池からなる第２電池群が、図１の第１電池群に隣接して並列に接続されている。
【００１０】
このように、複数の電池群が並列方式で接続された状態で、各電池群の１番目の単位電池１０の正極タブ２０が正極外部端子５０に接続され、最後の単位電池１５の負極タブ３５が負極外部端子６０に接続された状態でハウジング７０に内蔵される。図１の単位電池１０は、長軸方向に電極タブ２０，３０が形成されているが、場合によっては、短縮方向に電極タブが対向して形成された構造も開発されている。
【００１１】
しかし、単位電池１０，１１，１２，１３，１４，１５が電気的に接続された電池パックにおいて、同一の複数の単位電池１０，１１，１２，１３，１４，１５は、同一の大きさ又は容量を有するものと構成されて電池パックが形成されるため、電池パックが適用されるデバイスのデザインを考慮して軽量で薄く製造するためには、電池パックの容量を減少させるか、またはより大きい大きさにデバイスのデザインを変更しなければならないという問題がある。また、このようなデザイン変更過程で電気的接続方式が複雑になり、それによって、所望の条件を満たす電池パックの作製が難しくなるという問題もある。
【００１２】
したがって、複数の単位電池を接続して高出力、大容量の電池パックを製造するに当たって、電池パックの容量を維持しながらも、電池パックが適用されるデバイスの形状に応じて適用可能な電池パックに対する必要性が高い実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記のような従来技術の問題点及び過去から要請されてきた技術的課題を解決することを目的とする。
【００１４】
本出願の発明者らは、鋭意研究と様々な実験を重ねた結果、後述するように、様々な容量ないし大きさを有する電池セルを使用し、特定の方式で電気的接続して電池パックを構成することによって、電池パックのデザインに応じて多様に構成することができる電池パックを開発するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するための本発明に係る電池パックは、充放電が可能な電池セルが電気的に接続されている電池パックであって、容量ないし大きさが互いに異なる２種類以上の電池群を含んでおり、前記電池群は、それぞれ、容量ないし大きさが同一の２つ以上の電池セルで構成されており、それぞれの電池群内の２つ以上の電池セルは直列接続され、電池群相互間の電池セルは並列接続されている構成となっている。
【００１６】
したがって、本発明に係る電池パックは、電池パックが適用されるデバイスのデザイン形状に対応するように電池セルを組み合わせて電池パックの構造を形成することによって、高容量を提供しながらも、デバイスの様々な形状に合わせて柔軟に適用することができる。さらに、電池セルの電気的接続を、上記で定義したような特定の条件を満たす方式で構成することで、様々な電池セルを使用して電池パックを構成するときの電圧バランス問題などを根本的に解決することができる。
【００１７】
一つの好ましい例において、同一の電池群内の電池セルと電池群相互間の電池セルは、同一の電気化学的特性を有する電池セルからなる電池パック構造であってもよい。
【００１８】
更に他の好ましい例において、電池群相互間の電池セルは、同一のエネルギー密度を有し、大きさに応じて容量が異なる電池セルからなる電池パック構造であってもよい。
【００１９】
上記のような電池セルの構成は、様々な電池セルに基づいた電池パックを作製しながらも、電池セル自体の製造が容易であるので、結果的に電池パックの作製コストの増加を最小化することができる。
【００２０】
本発明の電池パックにおいて、電池群は、上述したように、容量ないし大きさが互いに異なる２種類以上で構成されており、例えば、容量ないし大きさが互いに異なる３種類の電池群を含む構造であってもよい。
【００２１】
一つの電池群を構成する電池セルの位置は、特に制限されないが、好ましくは、容量ないし大きさが互いに異なる電池セルが相互隣接して配列されてバンク（ｂａｎｋ）を形成している構造であってもよい。すなわち、異なる電池群に属する電池セルが互いに隣接するように配列された構造が好ましい。このような配列構造は、容量ないし大きさが互いに異なる電池セルの並列接続を容易にし、それによって、電池パックの全般的な電気配線を簡素化するという効果がある。
【００２２】
このように、電池群相互間の電池セルが並列接続されている構造により、電池パックの容量増加と共に、電圧バランスを取ることができる。これは、後述する実験内容でも確認することができる。
【００２３】
本発明とは異なり、電池群相互間の電池セルが直列接続されている構造、またはそれぞれの電池群内の２つ以上の電池セルが並列接続されている構造は、様々な電池セルで電池パックを構成する際に、容量が異なる電池セル相互間の電圧バランスを達成しにくいか、または電気配線が非常に複雑になるという問題を解決しにくいことが確認された。
【００２４】
上述したように、本発明に係る電池パックは、様々な容量ないし大きさの電池セルを使用して構成されることによって、電池パックが適用されるデバイスのデザインに応じて容易な装着を可能にする。特に、デバイスの全般的な厚さが薄い場合により好ましいので、全ての電池セルが平面配列されている構造であり得る。
【００２５】
一つの好ましい例において、前記電池群は、電池セルの容量の大きさに対応する電流量で充電される構造であってもよい。
【００２６】
より好ましくは、前記充電は、ＣＣ−ＣＶ充電方式で進行してもよい。
【００２７】
前記電池セルの構造は、特に制限されるものではなく、例えば、一側または両側に電極端子が突出している板状電池セルからなる構造であってもよい。
【００２８】
電池セルの電気的接続は、部材を用いて達成することができ、好ましくは、前記電池セルの一側または両側に配置された回路基板によって電極端子が電気的に接続されている構造であってもよい。
【００２９】
具体的に、前記電池セルは、一側に電極端子が突出している板状電池セルであり、電池セルの電池端子側に配置された回路基板によって電気的に接続されている構造であってもよい。
【００３０】
回路基板による電気的接続は、基板の回路によって電気的接続がなされるので、全体的に非常に簡素な構造を有し、特に、電池パックが適用されるデバイスの仕様に応じて、電池パックが全体的に非常に薄い構造を有する必要があるときに特に好ましい。
【００３１】
電池セルもまた、非常に多様な種類を使用することができ、好ましくは、リチウム二次電池であってもよいが、これらに限定されないことは勿論である。
【００３２】
本発明はまた、前記電池パックを電源として含んでいるデバイスを提供する。
【００３３】
本発明に係る電池パックを使用することができるデバイスの好ましい例には、ノートパソコン、ネットブック、タブレットＰＣ、スマートパッドなどのようなモバイルデバイスを挙げることができる。
【００３４】
このようなモバイルデバイスは、一回の充電で長時間使用が可能であり、軽薄短小のデザインが要求される最近の傾向を考慮するとき、大きさに比べて容量が大きく、厚さが薄い構造の電池パックが要求される。しかし、このような要件を同時に満たすための電池パックが装着されるモバイルデバイスの内部空間は、従来とは異なり、一定の大きさ、例えば、規格化された直六面体の形状を有することが難しい実情である。すなわち、厚さが薄いモバイルデバイスは、これを構成する部品の装着位置などのため、電池パックを装着できる空間が非常に制限的であり、規格化が難しい面がある。一方、本発明に係る電池パックは、様々な大きさないし容量を有する電池群により、電池セルの配置に柔軟性が非常に高いので、このような問題を一挙に解決することができる。
【００３５】
上記のようなデバイスないし装置は、当業界において公知であるので、本明細書ではそれについての詳細な説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術に係る６個の単位電池が内蔵された状態でのカートリッジの斜視図である。
【図２】本発明の一つの実施例に係る電池群が配列されている状態を示す模式図である。
【図３】本発明の一つの実施例に係る２つ以上の電池セルが直列に構成された電池群が、並列に接続された状態を示す回路図である。
【図４】本発明の一つの実施例に係る電圧バランスを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下では、本発明の実施例に係る図面を参照して説明するが、これは、本発明のより容易な理解のためのものであり、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
【００３８】
まず、図２には、本発明の一つの実施例に係る単位電池が配列されている電池群を示す模式図が示されている。
【００３９】
図２を参照すると、電池パック３００は、容量が異なる３種類の電池群５７４１６０Ｌ１，４７４１６０Ｌ１，６１４４３９Ｌ１で構成されている。電池群５７４１６０Ｌ１は、同一の大きさ及び容量を有する２個の電池セル１０１ａ，１０１ｂからなり、電池群４７４１６０Ｌ１は、同一の大きさ及び容量を有する２個の電池セル１０２ａ，１０２ｂからなり、電池群６１４４３９Ｌ１は、同一の大きさ及び容量を有する２個の電池セル１０３ａ，１０３ｂからなっている。
【００４０】
それぞれの電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂは、同一の電気化学的特性、すなわち、同一の電極活物質、電解液などを含んでおり、大きさに応じて容量が決定される電池セルである。また、電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂは、正極及び負極端子がそれぞれ上部から突出した板状構造となっている。互いに異なる電池群に属する電池セル１０１ａ，１０２ａ，１０３ａが互いに隣接して左側に位置し、同様に、電池セル１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂが互いに隣接して右側に位置し、これらは、電池パック３００の中心を基準として対称構造を形成しながら全体的に板状配列されている。
【００４１】
したがって、図２に示すように、電池セル１０３ａ，１０３ｂの下端部は、電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの下端よりも全体的に湾入した形態を有し、このような構造により、電池パック３００が適用されるデバイスの内部構造に応じて設計の柔軟性を発揮することができる。
【００４２】
場合によっては、図２の構造とは異なり、電池セル１０３ａ，１０３ｂが電池パック３００の両側に配列された構造や、電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの間に選択的に配列される構造も可能である。
【００４３】
互いに容量が異なり、互いに隣接している左側の電池セル１０１ａ，１０２ａ，１０３ａと右側の電池セル１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂは、それぞれ並列接続されてバンクを形成する。また、これらバンクは直列接続をなす。
【００４４】
このような電気的接続は、電池セル１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂの電極端子側に位置する回路基板２００によって達成される。
【００４５】
例えば、電池群４７４１６０Ｌ１における電池セル１０２ａの正極端子（＋）は、回路基板２００を経由して電池群５７４１６０Ｌ１における電池セル１０１ａの正極端子（＋）と接続されており、電池セル１０２ａの負極端子（−）は、回路基板２００を経由して電池セル１０１ａの負極端子（−）に接続されている。このような接続は電池群６１４４３９Ｌ１にも適用されて、電池群５７４１６０Ｌ１，４７４１６０Ｌ１，６１４４３９Ｌ１相互間は並列接続されている。
【００４６】
図３には、各々が互いに異なる電池群に属している複数の電池セルが並列に接続されてバンクを形成し、バンク同士が直列に接続されている状態を示す、本発明の一つの実施例に係る回路図が模式的に示されており、図４には、本発明の一つの実施例に係る電圧バランスを示すグラフが示されている。
【００４７】
これらの図面を参照すると、複数の電池セル（１０１ａ，１０２ａ，１０３ａ；図２参照）が互いに並列に接続されて１つの並列グループ（ＶＢａｎｋ１）を形成する一方で、別の複数の電池セル（１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂ）が互いに並列に接続されてもう１つの並列グループ（ＶＢａｎｋ１）を形成している。これらの並列グループ（ＶＢａｎｋ１、Ｖｂａｎｋ２）が互いに直列に接続されて複数の電池群Ａ，Ｂ，Ｃを形成する。各電池群での電池セルの数は、特に限定されるものではなく、また、電池パックに内蔵される電池群の数もまた、特に制限されるものではない。
【００４８】
前記電池群相互間の容量ないし大きさが異なる電池セルは、互いに並列接続されているので、最初の印加電流ｉの値に充電が進行する間、電池群は、内蔵された電池セルの容量ないし大きさに対応する電流値ｉａ，ｉｂ，ｉｃを流しながら、ＣＣ−ＣＶ充電方式により充電されることによって、電池群間に電圧バランスが自然に達成され得る。
【００４９】
ここで、相互間の容量ないし大きさが異なる電池セルからなるそれぞれの電池群の充電電流量に対する実験値を、下記の表１に示す。
【００５０】
【表１】
0006270162.tif 000002
【００５１】
上記表１からわかるように、容量ないし大きさが大きい電池セルからなる電池群が、さらに大きい電流値が印加されることを確認することができる。すなわち、大きい容量の電池群５７４１６０Ｌ１にはさらに大きい電流値ｉｃが印加され、小さい容量の電池群６１４４３９Ｌ１には最も小さい電流値ｉａが印加されることによって、電池パック全体の電圧バランスが取れる。
【００５２】
具体的に、本発明の一つの実施例に係る電圧自動バランス測定結果を示すグラフに対する実験データを、下記の表２に示す。
【００５３】
【表２】
0006270162.tif 000003
【００５４】
上記表２からわかるように、それぞれの電池群５７４１６０Ｌ１，４７４１６０Ｌ１，６１４４３９Ｌ１に該当する大きさの電流を一定の電流値で最初充電し、徐々に減少させる充電方式（ＣＣ−ＣＶ）で進行され、並列接続されたそれぞれの電池群５７４１６０Ｌ１，４７４１６０Ｌ１，６１４４３９Ｌ１の容量ないし大きさに対応して充電電流が印加される。したがって、それぞれの並列グループ（ＶＢａｎｋ１，Ｖｂａｎｋ２）の電圧バランスが維持され、電池のＲＳＯＣ（Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を通じて電池がフル充電された状態を確認することができる。
【００５５】
充電方式（ＣＣ−ＣＶ）については、当業者にとって公知の技術であるので、これについての詳細な説明は省略する。
【００５６】
以上、本発明の実施例に係る図面を参照して説明したが、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、上記内容に基づいて本発明の範疇内で様々な応用及び変形を行うことが可能であろう。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上で説明したように、本発明に係る電池パックは、デバイスのデザイン形状に対応するように電池セルを組み合わせて電池パックのデザインを構成することによって、高容量の性能を維持しながらも、電圧バランス、電気配線などの問題を解決することができる特徴を有する。
【符号の説明】
【００５８】
１０１ａ，１０１ｂ  電池セル
１０２ａ，１０２ｂ  電池セル
１０３ａ，１０３ｂ  電池セル
２００  回路基板
３００  電池パック
５７４１６０Ｌ１，４７４１６０Ｌ１，６１４４３９Ｌ１  電池群
【図１】
0006270162.tif 000004
【図２】
0006270162.tif 000005
【図３】
0006270162.tif 000006
【図４】
0006270162.tif 000007