(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の二次電池を筐体内に収容してなる電池パックであって、少なくとも一部の前記二次電池の外表面にセラミックス層が形成されると共に、これら二次電池の間に放熱板が前記セラミックス層に接するように配設されてなることを特徴とする電池パック。
【請求項２】
放熱状態の悪い位置に配設された二次電池の外表面にセラミックス層が形成されてなる請求項１に記載の電池パック。
【請求項３】
外装体により被覆された二次電池の外表面にセラミックス層が形成されてなる請求項１又は２に記載の電池パック。
【請求項４】
筐体が金属によって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。
【請求項５】
凹凸形状が形成された外表面にセラミックス層が形成されてなる請求項１〜４いずれか一項に記載の電池パック。
【請求項６】
セラミックス層は、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＩｎ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｓｉの酸化物を少なくとも１種を含む混合物により形成されてなる請求項１〜５いずれか一項に記載の電池パック。
【請求項７】
セラミックス層は、５〜５０μｍの厚さに形成されてなる請求項１〜６いずれか一項に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱の放散を促進させるために熱線放射による放熱構造を設けて温度上昇を抑制すると共に、複数の二次電池の温度バランスを均等化する構造を備えた電池パックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
二次電池は充放電に伴って化学反応による反応熱やジュール熱が発生し、電気容量が大きくなるほどに発生する熱量が増加して電池温度が上昇する。発生する熱量は急速充電や高率放電などが行われたときに更に増加する。また、二次電池を電動工具や電動車両の駆動電源として使用したような場合にはモータの始動時に大きな放電電流が流れ、高率放電が繰り返されるので電池温度の上昇を加速する。
【０００３】
また、二次電池を比較的大きな電力要求に対応させるときには、複数の二次電池を直列及び／又は並列に接続して組電池や電池パックなどの形態に構成される。このとき複数の二次電池は密集状態に配設されるため、隣り合う二次電池間で互いに熱影響を及ぼし合い、他の二次電池に囲まれた中央部分に位置する二次電池は熱の放散が不充分になるため電池温度が上昇し、端に位置する二次電池と中央部分に位置する二次電池の温度が異なり、複数の二次電池の温度バランスが崩れた状態になるため電池特性が異った状態となり、複数の二次電池を使用した組電池や電池パックの性能が充分に発揮されない。
【０００４】
二次電池はその充電特性及び放電特性が電池温度の影響を受け、高温状態になると充電効率及び放電効率が変化し、充放電サイクル寿命を低下させる。従って、二次電池が温度上昇する状態にある場合や、複数の二次電池の温度バランスが崩れる状態にある場合には、二次電池の放熱を促進させる必要があり、二次電池に放熱板を接触させた放熱構造や、二次電池に冷却用の空気を流通させる冷却構造などが採用されている。
【０００５】
例えば、特開平９−３０６４４７号公報、特開２００１−２９７７４１号公報に開示された電池パックでは、複数列に並べられた複数の二次電池の間に、熱伝導性のよい材料によって形成された仕切板を各二次電池の円弧外面に沿うように配設し、中央部に配設された二次電池の熱が仕切板を通じて外部に放散されやすくして、複数の二次電池の温度バランスが均等化されるようにしている。また、特開２００１−７６６９６号公報に開示された電池パックでは、複数の二次電池によって囲まれた状態になる中央部分の二次電池を集熱部で囲み、集熱部で集熱した二次電池の熱をヒートパイプによって外部放出するように構成されている。また、特開平１０−２７００９５公報に開示された電池電源の冷却装置は、主として電動車両用の電池電源として構成されたもので、多数の二次電池を並列配置した一方側から空気流通させて空冷するとき、空気流通の下流側に位置する二次電池ほど空気に触れる面積が大きくなるようにして各二次電池の温度が均等になるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、伝熱板を介した熱伝導により放熱を促進した構造や、空冷状態が均等になるようにした構造においても、複数の二次電池の温度を均等にすることは困難であり、温度の均等化できるようにするには複雑な放熱構造を設けることになり、電池パックとしての体積が増加する問題点があった。また、空冷による放熱構造は空気流通させるための空間を形成する必要があり、電池パックとして大型化してしまうため、電動車両等のように大型の装置にしか適用できない問題点があった。
【０００７】
二次電池の放熱は、熱エネルギーの移動、即ち伝熱を促進することにある。伝熱は伝導、対流、放射の形態があり、前記放熱板を用いた放熱構造は熱の伝導を利用したものであり、前記冷却空気を流通させる冷却構造は熱の対流を利用したものである。伝導や対流を利用した熱の移動量は、発熱体即ち二次電池と、放熱板や空気である伝熱体との温度差の関数となる。これに対して放射の場合は、電磁波として熱が放射され、放射された熱はそれが当たる物体に吸収されたとき、熱の移動量は双方の温度の４乗の差の関数となるため、放射による伝熱は伝導や対流より有効な手段となる。
【０００８】
しかし、二次電池の温度は高温状態といえども通常使用では１００℃を越えるものでなく、熱吸収する物体との温度差が小さいため、熱放射によって温度上昇が抑制される状態は得られない。二次電池から熱放射が積極的になされる状態がないと、熱放射だけでは電池温度を低下させることはできない。
【０００９】
本願発明者は二次電池から熱放射を積極的に行わせる手段として、熱線を放射する熱線放射材料に着目し、特に高い温度でなくても遠赤外線を放射するセラミックス等の材料を二次電池の外表面に設けることにより、二次電池の熱エネルギーを遠赤外線の熱線放射により外部放出させ、温度上昇を抑制する効果が得られることを見出した。
【００１０】
本発明は、上記熱放射による温度上昇抑制の効果に着目したことに基づくもので、熱放射により二次電池の温度上昇を抑制すると共に、複数の二次電池の温度を均等化することを可能にした電池パックを提供することにある。
【００１１】
【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、複数の二次電池を筐体内に収容してなる電池パックであって、少なくとも一部の前記二次電池の外表面に、遠赤外線を放射するセラミックス層が形成されると共に、これら二次電池の間に放射板が前記セラミックス層に接するように配設されてなることを特徴とする。
【００１３】
上記構成において、少なくとも一部の二次電池の外表面にセラミックス層が形成されるので、二次電池からの放熱が促進され、二次電池からの熱放射が促進され、電池パックとしての温度上昇する最大要因となる二次電池の温度上昇が抑制され、電池パック全体の温度上昇抑制に効果的である。また、二次電池の間に樹脂で被覆された金属板によって形成された放熱板が配設され、これが筐体などの外部放熱可能な部位に接合されるので、放熱状態の悪い位置に配設された二次電池の熱も外部に放出することができ、複数の二次電池の温度を均等化するのに効果的である。金属製の放熱板に接する二次電池には、その外表面にセラミックス層が形成されており、遠赤外線放射による温度上昇抑制と共に放熱板との絶縁を図ることができる。
【００１４】
特に、放熱状態の悪い位置に配設された二次電池の外表面にセラミックス層を形成することにより、複数の二次電池の温度状態を均等化することができる。
【００１５】
また、二次電池の外表面にセラミックス層が形成されていることにより、セラミックス層により二次電池の外表面が絶縁され、筐体を金属によって形成することができる。金属は熱伝導性がよく筐体内部の温度を外部に効率よく放出することができる。
【００２０】
また、放熱面積を増加させるために凹凸形状が形成された外表面にセラミックス層を形成すると、セラミックス層による熱放射面積も増加するので、放熱効果を増加させることができる。
【００２２】
上記セラミックス層は、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＩｎ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｓｉの酸化物のうち少なくとも１種を含む混合物により形成されたものが好適で、遠赤外線を放射する作用と共に、断熱性、耐熱性を有して熱放射による温度上昇抑制の効果及び熱影響の遮断の効果を得ることができる。上記セラミックス材料は水に混合した状態でペースト状に形成されるので、所要部位に容易に塗着させることができ、乾燥によりセラミックス層に形成することができる。
【００２３】
また、セラミックス層は、５〜５０ミクロンの厚さに形成するのが好適で、その効果を低下させることなく、また徒に体積を増加させることなく熱放射による温度上昇抑制の効果を得ることができる。
【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】
本実施形態は、複数の二次電池を用いて構成された電池パックで、特に熱放射を促進させる構造を設けることにより温度上昇を抑制した電池パックについて示すものである。前記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、鉛蓄電池などの水溶液系二次電池や、リチウムイオン二次電池などの非水溶液系二次電池を主たる対象とする。
【００２６】
図１は、本発明に関する参考例としての電池パック１０の構成を示すもので、電動工具の電池電源として構成されたものである。円筒形のニッケル−水素蓄電池として構成された複数の二次電池１，１ａは、図２に示すように俵積み状態に並列配置され、各二次電池１，１ａはリード部材７によって直並列に接続されて電池ブロック５に構成されている。この電池ブロック５は、図１に示すように、パックケース（筐体）２内に収容され、リード部材７によって直並列接続された二次電池１，１ａの正負両端は外部接続端子４に接続され、嵌合部６によって工具本体に電池パック１０が装着されたとき、外部接続端子４は工具本体の接続部に電気的接続される。
【００２７】
上記のように複数の二次電池１，１ａを俵積みに配置したとき、複数の二次電池１に囲まれた中央部に位置する中央二次電池１ａは放熱が不充分な状態になるので、周囲の二次電池１に比して中央二次電池１ａは温度上昇する度合いが大きくなる。そこで、この中央二次電池１ａには、その外表面にセラミックス層３が形成される。このセラミックス層３は、金属素材に対する優れた接着性を有しているため、電池ケース２に強固に接着した状態が維持され、耐熱性及び断熱性、絶縁性を有すると共に、表面から遠赤外線を発生させる。
【００２８】
二次電池１，１ａは急速充電や高率放電がなされた場合に温度上昇し、その温度が過剰に上昇したとき、充電効率や放電効率が変化するだけでなく、充放電サイクル寿命を低下させ、劣化を促進させることになる。従って、電動工具や電動車両等のように高率放電が繰り返され、モータの始動時に大きな突入電流が流れる場合や、複数の二次電池１，１ａを用いて大きな放電電力を供給することができるように構成した場合には電池温度の上昇は激しくなるので、二次電池１，１ａの放熱構造を設ける必要がある。中央二次電池１ａはその外表面にセラミックス層３が形成されていることにより、発電要素から発生する熱によって温度上昇した熱はセラミックス層３から遠赤外線として放射されるので、中央二次電池１ａの発熱は遠赤外線の発生により熱放射され、中央二次電池１ａの温度上昇は抑制される。
【００２９】
上記構成により、周囲の二次電池１はパックケース２に対して伝熱するので温度上昇が抑えられ、中央二次電池１ａは遠赤外線の放射により放熱状態が改善されるので、複数の二次電池１，１ａの温度は均等化され、電池温度が異なることによる電池性能の低下や中央二次電池１ａの寿命低下を抑制することが可能となる。
【００３０】
上記セラミックス層３は、ガラス質のケイ酸ソーダを主成分として、結晶質のＳｉ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｓｎの酸化物や窒化物のうち少なくとも１種を副成分を混在させ、有機物を一切含まないセラミックス材料としたものを水に溶かしてペースト状に生成し、このペースト状のセラミックス材料を塗着又は侵漬又は噴霧により付着させ、乾燥によりセラミックス層３を５〜５０ミクロンの厚さに固着させたものである。セラミックス層３は金属や樹脂に対する接着性がよく、ペースト状のセラミックス材料は造膜性を有しているので均等厚さの膜状に中央二次電池１ａに付着する。
【００３１】
また、セラミックス層３はペースト状のセラミックス材料を任意部位に塗着させることができるので、各構成要素がパーツの状態においても、電池ブロック５や電池パック１０に組み立てる工程上においても、温度上昇を抑えたい構成要素やその部位に形成させることができる。例えば、二次電池１の放熱性の悪い内方側の周面にのみセラミックス層３を形成すると、内方側の放熱性を改善することができる。また、大きな放電電流が流れることにより温度上昇するリード部材７や外部接続端子４にセラミックス層３を形成すると、セラミックス層３からの遠赤外線放射により放熱性が得られるので、発熱を抑制することができる。このリード部材７が接続される面をリード部材７を含んで全面にセラミックス層３を形成すると、放熱性はより向上する。
【００３２】
また、パックケース２の外表面にセラミックス層３を形成すると、収容した二次電池１、１ａの温度上昇により加熱されて温度上昇したとき、セラミックス層３からの遠赤外線放射により放熱効果を向上させることができる。パックケース２の外表面に放熱用の凹凸形状を形成すると放熱効果が向上するが、その凹凸形成部位にセラミックス層３を形成しておくと、セラミックス層３の面積が増加して更なる放熱効果の向上を図ることができる。また、パックケース２は金属により形成し、その外表面と内表面とにセラミックス層３を形成すると、放熱性をより向上させることができる。即ち、内表面のセラミックス層３は二次電池１から放射される遠赤外線を吸収して金属部分に伝熱させ、金属部分の温度は外表面に形成されたセラミックス層３から外部放出することができる。
【００３３】
図３は、第１の実施の形態に係る電池パックの構成を示すもので、各二次電池１にセラミックス層３が形成されると共に、各二次電池１に接して金属板により形成された放熱板８が配設され、放熱板８の端部がパックケース２に接合するように構成される。これにより、各二次電池１の熱は放熱板８に伝熱してパックケース２から外部放出されると同時に、各二次電池１に形成されたセラミックス層３から放射された遠赤外線は放熱板８に吸収され、熱伝導性のよい金属部分からパックケース２に放熱される。このように金属性の放熱板８を二次電池１に接触させると、二次電池１にセラミックス層３が形成されていることにより絶縁性が得られ、二次電池１の間の短絡等は防止できる。また、放熱板８にセラミックス層３を形成すると、二次電池１にセラミックス層３が形成されない場合でも二次電池１間の絶縁性を得ることができる。
【００３４】
図４は、第２の実施形態に係る電池パックの構成を示すもので、ハイブリッド車など大きな駆動電力を要求する負荷に対応させるために構成されたもので、６個の二次電池２６それぞれの電槽を一体化した樹脂製の一体電槽２２内に６個の二次電池２６が構成され、一体電槽２２内で各二次電池２６を直列接続し、両短側面に設けられた外部接続端子２８により外部接続の用に供している。この集合型二次電池２１はその長側面３２を対向させて複数個を連結し、リブ３３によって連結間に形成される間隙に強制的に空気送給して冷却できるように構成されており、一体電槽２２の表面積を増加させて冷却効果を向上させるべく長側面３２には多数の突部３４が形成されている。
【００３５】
上記集合型二次電池２１において、一体電槽２２の外表面に前述のセラミックス層４を形成すると、空気流通による放熱に加えてセラミックス層４からの熱放射により放熱効果を向上させることができる。一体電槽２２に形成された突部３３は表面積を増加させているので、セラミックス層４の表面積も増加して熱放射面積の増加による放熱効果の向上につながる。遠赤外線放射による熱放射は遠赤外線を効率よく吸収する吸収体を存在させることが効果的であるため、連結する集合型二次電池２１の間に遠赤外線に対して吸収率のよい遠赤外線吸収板を介在させると、より効果的である。一体電槽２２の外表面から放射される遠赤外線を吸収する遠赤外線吸収板は温度上昇するが、両面を流れる空気により冷却される。連結された集合型二次電池２１は一体電槽２２の外表面から放射された遠赤外線が遠赤外線吸収板に吸収されるため、内部から発生する熱を遠赤外線に効率よく変換して放出することができるので、放熱効果が向上する。
【００３６】
図５は、第３の実施形態に係る電池パックの構成を示すもので、ニッケル−水素蓄電池として構成された角形の二次電池１１をパックケース１２内に複数個収容して構成されている。図示するように複数の二次電池１１を並列配置したとき、各二次電池１１のパックケース１２に臨む面はパックケース１２に対して放熱されるが、二次電池１１が互いに向かい合う面は互いの熱影響が及び、放熱性も低下するので温度上昇しやすくなる。そこで、各二次電池１１の相互に対向する面にセラミックス層１３を形成すると、熱放射による放熱が促進されて各二次電池１１の温度上昇を抑制することができる。また、セラミックス層１３は断熱性を有しているので、互いの熱影響により温度上昇することが抑制される。
【００３７】
また、図示するように複数の二次電池１１が向かい合う間に、セラミックス層１３の形成により遠赤外線を吸収する熱伝導板１４を配設し、これをパックケース１２に接合しておくと、各二次電池１１に形成したセラミックス層１３から放射された遠赤外線は熱伝導板１４に吸収されてパックケース１２に伝熱され、パックケース１２から外部に熱放射されて温度上昇の抑制により効果的である。
【００３８】
また、パックケース１２には、その外表面に凹凸形成した放熱部１５を形成しておくことにより放熱性の向上を図ることができる。また、放熱部１５や任意部位にセラミックス層１３を形成すると、セラミックス層１３からの遠赤外線放射により放熱が促進され、二次電池１１の放熱がより速やかになされる。
【００３９】
以上説明した参考例および各実施形態において、二次電池１、１ａ、１１の外表面にセラミックス層３、１３するとき、二次電池１、１ａ、１１の外表面を被覆する外装体の外表面にセラミックス層３、１３を形成することができる。二次電池１、１ａ、１１の外表面は二次電池１、１ａ、１１の一方極に構成されている場合が多いので、その絶縁のために樹脂フィルムや紙を用いた外装体が設けられる。また、外装体は品番、規格、注意書き等を表記するスペースであり、汎用の二次電池１、１ａ、１１には不可欠な構成要素である。
【００４０】
外装体にセラミックス層３、１３を形成した場合、二次電池１、１ａ、１１から発生する熱により外装体を介してセラミックス層３、１３が加熱される。セラミックス層３、１３は加熱量に応じた遠赤外線を放射するので、遠赤外線の放射に応じて外装体を介して二次電池１、１ａ、１１の温度上昇が抑制される。
【００４１】
図６は、外装体を設けた二次電池１の温度上昇抑制の効果を検証したグラフを示すものである。二次電池１（ＳＣサイズのニッケル−カドミウム蓄電池）の電池ケース上に外装体として紙筒を被せ、紙筒の外表面にセラミックス層３を形成した場合と、セラミックス層３を設けない場合とについて、電池ケースの表面温度と紙筒の表面温度とを測定したものである。グラフから分かるように、電池ケースの表面温度及び紙筒の表面温度共にセラミックス層３を形成した場合に方が低くなっており、セラミックス層３から遠赤外線が放射されることによる温度上昇抑制の効果が明らかである。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、複数の二次電池をパックケース内に収容して電池パックに構成したとき、二次電池をはじめとする発熱する構成要素の外表面にセラミックス層を形成することができ、セラミックス層から熱エネルギーが遠赤外線として放散されるので、発熱する構成要素の温度上昇を抑制することができる。また、複数の二次電池のうち放熱状態が悪い位置にある二次電池にセラミックス層を形成すると、その二次電池の放熱状態が改善されるので、複数の二次電池の温度状態を均等化することができ、電池性能のばらつきによる充放電特性の低下を抑制することができる。。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に関する参考例としての電池パックの構成を示す断面図。
【図２】  電池ブロックの構成を示す斜視図。
【図３】  第１の実施形態に係る放熱板を設けた電池パックの構成を示す断面図。
【図４】樹脂製電槽を用いた電池パックの構成を示す斜視図。
【図５】第２の実施形態に係る電池パックの構成を示す断面図。
【図６】  外装体を設けた二次電池の温度特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１、１１  二次電池
２、１２  パックケース
３、１３  セラミックス層
４  外部接続端子
７  リード部材
８  放熱板
【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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