JP2013521612A - 統合フレーム・バッテリ・セル - Google Patents
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Abstract
ポータブル電源の電極ゼリーロール及び電解質のための電解質格納構造が記載される。電解質格納構造は、硬質フレームに結合され、硬質フレームを部分的に取り囲む金属箔スリーブのような金属箔を備える。硬質フレームは、電極ゼリーロールの端を圧壊事象から保護できる。金属箔は、短絡を防ぐために、金属箔を電極ゼリーロールから絶縁できるプラスチックに被覆されうる。さらに、プラスチックは接着剤及びシール剤として機能しうる。例えば、金属箔はプラスチックの溶解を伴う熱接着法を用いて硬質フレームに結合されうる。硬質フレームはポータブル電源に関連するコネクタ・パッド及び安全回路のためのプラットフォームを提供できる。コネクタ・パッド及び安全回路はモジュール・コンポーネントとして組み立てられてもよく、これにより組み立て工程を単純化できる。格納構造は軽量な金属箔ポーチのようなポーチ・セル・バッテリ設計に関連する特徴を提供するが、で、ポーチ・セル・バッテリ設計に従来関連していた硬いケーシングに囲うことなくポータブル計算デバイスで利用されうる。
Description
記載される実施形態は一般にポータブル計算デバイスのためのバッテリに関する。具体的に、本実施形態はポータブル計算デバイスのためのバッテリ・パッケージ設計に関する。
ポータブル計算デバイスの設計は複雑なトレード・オフを伴いうる。設計段階で考慮されうるいくつかの要因は、外観的な魅力、重さ、製造可能性、耐久性、温度適合性及び消費電力である。これらの設計要因の1つへの有益な貢献の基礎として選ばれたコンポーネントは、1つ以上の他の設計要因に不都合な影響を有しうる。
典型的に、ある種類のバッテリであるポータブル電源は、ポータブル計算デバイスの設計に関する重要なコンポーネントである。ポータブル電源は、ポータブル計算デバイスが壁コンセントのような固定電源の近くにない場合に、ポータブル計算デバイスのための動作電力を提供する。ポータブル電源を選択する要因は、エネルギー密度、フォーム・ファクタ及び耐久性でありうる。
エネルギー密度は、ポータブル電源がポータブル計算デバイスへ供給可能な、所与の体積あたり、又は所与の質量あたりのエネルギー量を指しうる。フォーム・ファクタは、ポータブル電源を含むパッケージの形状を指しうる。例えば、薄いポータブル計算デバイスは、ポータブル電源のための全体のフォーム・ファクタも薄いものを必要とする。耐久性は、バッテリ・セルに関連する任意の有害な要素の格納に関しうる。例えば、ポータブル電源はしばしば、他の電気コンポーネントへの損傷を防ぐために格納される必要のある液状又はゲル状の電解質を含む。パッケージは、通常の動作状況下において、これらの有害な要素を格納するのに十分な耐久性を有する必要がある。
バッテリのようなポータブル・パワー・デバイスのためのエネルギー密度は、採用されるバッテリ・セルの種類、及びその関連するパッケージによって影響されうる。パッケージ設計は、多くの点でエネルギー密度に影響を与えうる。第一に、質量あたりのエネルギー密度はパッケージの質量が増えるに従って減少するだろう。パッケージは、さらなるエネルギーを提供することなくシステムに質量を追加するので、質量あたりのエネルギー密度を減少させる。パッケージ質量の設計は耐久性の検討によって制限されうる。
第二に、体積あたりのエネルギー密度は充填効率によって影響され、充填効率はパッケージ設計のための望ましいフォーム・ファクタによって制限されうる。非効率にパッケージングされたバッテリ・セルは、効率的にパッケージングされたバッテリ・セルよりも体積あたりのエネルギー密度が低くなりうる。体積あたりのエネルギー効率が減少するにつれてポータブル・パワー・デバイスによって占められる体積が増え、これはポータブル計算デバイスの利用に対して望ましくないことでありうる。
ポータブル計算デバイスにおいて、一般に、所望の機能及び性能レベルを維持したままで、各コンポーネントの重さ及び体積を最小化することが望ましい。従って、耐久性があり、軽量で、効率的にパッケージングされ、少なくともポータブル計算デバイスにおいて使用可能なバッテリのためのハウジング・アセンブリを提供することが有益でありうる。また、上記の条件を満たし、デバイスの動作サイクル中に満足に機能するバッテリの組み立て方法を提供することも有益でありうる。
本明細書は、ポータブル計算用途で使用されるエンクロージャのためのシステム、方法及び装置に関する様々な実施形態を記載する。
1つの側面において、ポータブル電源及びその製造方法が記載される。ポータブル電源はラップトップ・コンピュータ、ネットブック・コンピュータ、スマートフォン及びポータブル・メディア・プレイヤのようなポータブル・パワー・デバイスにおいて用いうるが、これらに限定されない。ポータブル電源は、リチウムイオンポリマー・バッテリ・セルのようなバッテリ・セル内の電極及び関連する電解質を囲うための格納構造を含みうる。格納構造は電解質又はポータブル電源の動作中に発生する気体の漏れを防ぐことができる。
格納構造は硬質フレームと、硬質フレームに接着された金属箔とを含み、金属箔は硬質フレームの一部と、電極アセンブリと、電解質とを囲う。硬質フレームは、電極を損傷させうる圧壊事象から、電極ゼリーロールの端のような電極を保護できる。短絡を防ぐために、金属箔は、バッテリ・セルの電極から金属箔を絶縁できるプラスチックによって被覆されうる。さらに、プラスチックは接着剤及びシール剤として機能しうる。例えば、金属箔を硬質フレームに接着するために、及びバッテリ・セルに関連する液状及びゲル状の電解質を格納するための気密シールを形成するために、熱接着法によってプラスチックが溶解されうる。
硬質フレームに電気コネクタ・パッド及び安全回路が結合されうる。電気コネクタ・パッドは、ポータブル電源から電力を引き出すか、ポータブル電源に電力を加えることを可能にしうる。安全回路は電気コネクタ・パッドと、電極アセンブリの陰極及び陽極とに電気的に結合されうる。特定の実施形態において、安全回路及び電気コネクタ・パッドは、硬質フレームの統合コンポーネントであってもよいし、組み立て中に硬質フレームに結合されるモジュール・コンポーネントとして提供されてもよい。このように安全回路及び電気コネクタ・パッドを提供することで、組み立て工程を単純化できる。
別の実施形態において、硬質フレームは、ポータブル電源の組み立て中に電解質を格納構造に加えることを可能にする注入ポートを備えうる。注入ポートは、電解質を軸方向に注入することを可能にするように、電極ゼリーロールが巻かれた軸にアライメントされうる。このように電解質を注入することで、電解質が横断方向に注入された場合と比べて、電極ゼリーロールへの電解質のより速い同化を可能にしうる。
本発明の他の側面及び利点は、例として本発明の原理を説明し、添付図面とともに行われる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
実施形態は、同じ参照番号が同じ構成要素を示している添付図面とともに、以下の詳細な説明によって容易に理解されるであろう。
添付図面で説明される代表的な実施形態が詳細に参照されるであろう。実施形態を1つの好適な実施形態へ制限することを以下の記載が意図していないことが理解されるべきである。対照的に、添付の特許請求の範囲によって規定されるような、本実施形態の精神及び範囲に含まれうる変形、変更及び均等物に及ぶことが意図される。
以下は、バッテリのようなポータブル電源のためのハウジング・アセンブリに関する。ポータブル電源は、ラップトップ・コンピュータ、ネットブック・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、スマートフォン、ポータブル・メディア・プレイヤなどのようなポータブル計算デバイスに適しうるが、これらに制限されない。特に、ハウジング・アセンブリはポーチ型バッテリ・セルのポーチに統合された硬質フレームを備える。硬質フレームの一部は、バッテリに関連する液状電解質のための格納を提供できる。硬質フレームは電気インタフェース、安全回路及び電圧調整回路を含みうる。
硬質フレームを含む「ポーチ・セル」型バッテリの総括的な記載が図1に関して記載される。図1に、金属ポーチ、電極ゼリーロール及びフレームを含む組み立て前のコンポーネントが示される。図2に、組み立て後のコンポーネントが示される。統合フレームを有するポーチ・セルを形成する代替の実施形態が図3、図4A及び図4Bに関して記載される。図5に、デバイス・ケース内に分散された複数の電源を含むポータブル計算デバイスが示される。硬質フレームを有するポーチ・セル・バッテリの組み立て方法が図6に関して記載される。しかしながら、本発明がこれらの限定された実施形態を超えるので、図面に関して本明細書で与えられる詳細な説明が説明を目的としていることを当業者は容易に理解できるであろう。
図1は組み立て前のポータブル電源100のコンポーネントの斜視図を示す。組み立て後の斜視図は図2に示される。ポータブル電源は金属ポーチ104又は金属スリーブ、(しばしば「ベア・セル」と表される)電極ゼリーロール・アセンブリ102及びフレーム124と、接続回路を含む基板114とを備えうる。電極ゼリーロール102は、陽極材料の層、陰極材料の層、及び陰極層と陽極層との間の分離材料のような複数の層を有するシートを備えうる。シートは電極ゼリーロールを形成するように巻かれるか、たたまれうる。1つの実施形態において、陽極材料はリチウムを含みうる。リチウム陰極材料は、多孔質炭素のような適切な陽極材料と一緒にリチウムイオン型バッテリを形成するために使用されうる。
特定の実施形態において、電極ゼリーロール102とともに液状又はゲル状の電解質が用いられうる。リチウムイオン・バッテリは液状又はゲル状の電解質を用いたバッテリ・システムの一例である。別の実施形態において、電極ゼリーロール102とともに高分子電解質のような乾燥電解質が用いられうる。乾燥リチウム高分子バッテリは、乾燥電解質を採用したバッテリ・システムの一例である。特定の実施形態において、高分子電解質のような乾燥電解質と組み合わせて液状又はゲル状の電解質が用いられうる。例えば、リチウムイオン高分子バッテリは、高分子電解質を液状又はゲル状の電解質と組み合わせて使用する。室温以下の状況のような低温においてバッテリ・システムの伝導率を向上するために液状又はゲル状の電解質が加えられうる。
電極ゼリーロール102は電極タブ108を備えうる。電極タブは正極タブ及び負極タブを含みうる。電極タブは、106のような絶縁体によって覆われうる。絶縁体106は、2つの電極タブにわたって短絡が発生することを防ぐために用いられうる。例えば、各電極タブ108のむきだしの部分に金属ポーチ104が接触した際に短絡が発生しうる。
金属ポーチ104は、アルミニウム箔のような金属箔から形成されうる。金属箔は、プラスチック・ラミネート層のようなラミネート層によって被覆されうる。ラミネート層はヒートシール目的のために用いられうる。例えば、1つの実施形態において、金属ポーチ104は、長方形の金属箔シートをラミネート層によって被覆することから始めることにより形成されうる。長方形の金属箔シートの反対側にある端部同士が重ね合わされ、合わせて圧迫されうる。その後、重なった縁に沿って熱を加えてラミネート層を溶解し、重なった2つの縁を接合して金属スリーブを形成できる。
さらに、プラスチック・ラミネート層は金属箔を電極ゼリーロール102から絶縁できる。金属箔ポーチ104の金属が電極ゼリーロール102と接触すると電気的短絡を生じうる。絶縁体として機能するプラスチック・ラミネート層は金属箔ポーチ104の金属が電極ゼリーロール102と接触し、短絡回路が発生することを防ぐことができる。
別の例において、ラミネートで被覆された金属箔の2枚のシートが利用されうる。1つの金属箔のシートは、他方の金属箔のシートの上部に重ねられうる。その後、2枚のシートの反対側にある辺を合わせて圧迫し、縁の近くをヒートシールして、やはり金属スリーブを形成できる。
ラミネート層が金属スリーブの内表面に位置するようにシートが接合されうる。内表面は、組み立て後の電極ゼリーロール102に対向し、接触しうる。ラミネート層はポリプロピレン又はポリエチレンのようなポリマー・プラスチックでありうるが、これらに限定されない。
次に、金属ポーチ104のようなポーチを形成するために、金属スリーブの1つの縁が合わせて圧迫され、その後、金属スリーブの一端をシールするために、合わせて圧迫された縁に沿って加熱されうる。特定の実施形態において、金属箔層は約80〜120ミクロンの厚さでありうる。他の実施形態において、金属箔層は140ミクロンの厚さでありうる。耐久性及び耐損傷性を高めるために、箔層の厚さが増やされうる。
さらに他の実施形態において、ポーチを形成するために金属スリーブの端をシールするためといった、様々なコンポーネントを合わせて接着するために、液状接着剤のような他の接着剤が適用されうる。この実施形態においては、ヒートシールが用いられなくてもよいし、ヒートシールが液状接着剤と組み合わせて用いられてもよい。液状接着剤が乾燥した場合にシールが形成されうる。他の実施形態において、シールの形成を含む1つ以上のコンポーネントを合わせる接着のために、ヒートシールと、テープや液状接着剤の使用のような他の接着方式との少なくとも1つの組み合わせが用いられうるが、これらに限定されない。
電極ゼリーロール102の電極タブ108は、基板114上の電気コンタクトに溶接されうる。基板114は安全回路112及び電気コネクタ・パッド110のような様々な電気コンポーネントのための回路基板を提供できる。基板は、プラスチックのような材料やプリント回路基板(PCB)に有益な他の適切な材料から構成されうる。
基板114は以下に説明するように、モジュール・コンポーネントとして準備されてもよいし、硬質フレーム124の統合コンポーネントであってもよい。基板114が硬質フレームへの統合又はモジュール・コンポーネントとして準備される場合に、硬質フレーム124とは別にこの回路を組み立てるよりも、硬質フレーム124が組み立て工程のためのより安定したプラットフォームを提供しうるので、組み立て工程が単純化されうる。さらに、硬質フレーム124に基板114を固定することにより、製造中に回路が何かに絡まった結果として生じる切断のような、回路が単に電極ゼリーロール102に「ぶら下がっている」場合に起こりうる切断を防げる。
電気コンタクトは、電極ゼリーロールと安全回路112とを接続できる。安全回路112は、電極タブ108における電極ゼリーロール102の状態に応じて、電極ゼリーロール102からの電流を遮断するように構成されうる。例えば、安全回路はバッテリが所定の電圧を超えて充電された場合又は所定の電圧以下まで放電した場合に、バッテリを停止するように構成されうる。特定の実施形態において、安全回路112は、過電流状態及び/又は過充電状態に応じて回路をオープンする熱遮断のような要素を含みうる。
特定の実施形態において、安全回路112は電流レベル及び電圧レベルのような電極ゼリーロールの状態を検出するための1つ以上のセンサを含みうる。この情報は、電極ゼリーロール102の充電残量を判定するために用いられうる。加えて、ポータブル電源に関連しうる他の安全特性は、(1)シャットダウン・セパレータのような温度超過状態に応答する回路又はデバイス、及び(2)安全弁又は通気口のような内圧状態に反応する回路又はデバイスを含むが、これらに限定されない。
安全回路112は電極タブ108とコネクタ・パッド110との間に配置されうる。コネクタ・パッド110は、組み立て後にポータブル・パワー・デバイスから電力を引き出すことを可能にする外部インタフェースを提供する。基板114はまた、(不図示の)電力調整回路を含みうる。1つの実施形態において、電力調整回路はポータブル・パワー・デバイスからの電圧出力の変更を可能にしうる。例えば、(組み立て後の)電極ゼリーロール102による電圧出力はその充電状態に従って変わりうる。電力調整回路は、ポータブル電源から電力を受け取る電気コンポーネントにより必要とされる電圧要件に合致するように、電圧を増減できる。いくつかの実施形態において、図5に関して説明されるように、ポータブル計算デバイスは複数の電源を備えてもよく、電力調整回路は1つ以上の電源の充電状態に基づいて出力電圧を調節するように構成されうる。
ポータブル電源はフレーム124を含みうる。フレームはポリプロピレンのようなプラスチック材料で構成されうる。フレーム材料は、金属ポーチ104のプラスチック・ラミネートとのヒートシールによる接着を形成できるように選択されうる。組み立てられたポータブル電源100(図2参照)に構造的な剛性を提供するために、フレーム124は金属箔ポーチ104よりも高い剛性を有しうる。さらなる剛性は、ロールの曲がり又はねじれの結果として生じうる電極ゼリーロール102への損傷を防ぎうる。
さらに、電極ゼリーロール102の縁は、電極ゼリーロール102の縁が押しつぶされることによって生じる損傷を受けやすい。例えば、ポータブル電源が組み立てられる間、圧壊事象が起こりうる。硬質フレームは、電極ゼリーロールの縁を押しつぶしから保護できる。
説明を目的とし、フレーム124は側面119a及び119b、前面119c及び背面119d、上面121a及び底面121bを有するように記載されうる。図1では、フレームは上下逆さに示される。特定の実施形態において、フレーム124は横断部材122と一緒になって長方形になりうる。フレームは電極ゼリーロール102を囲えるようなサイズ、すなわち電極ゼリーロールがフレーム124の3つの辺と横断部材122とによって提供されたスペース125内に収まるようなサイズにされうる。基板114は横断部材122と前面部材123との間に収まるようなサイズにされうる。部材122と123とは空洞を形成するために、上面121a側の固体面によって接続されうる。上面側の固体面は開口118を含みうる。開口は基板114上のコネクタ・パッド110へのアクセスを可能にするように構成される。
1つの実施形態において、基板114はフレーム124の統合コンポーネントとして準備されうる。コネクタ・パッド110及び安全回路112はフレーム124の製造中にフレーム124に組み込まれうる。よって、いくつかの例で、基板114はフレーム124から分離した部品として組み立てられなくてもよい。
フレーム124は2つの取り付け穴116a、116bの周りの構造のような付加的な構造を備えうる。ポータブル計算デバイスに関連するフレーム又はケースのような別の構造にポータブル電源を結合できるように、取り付け穴116a又は116bを通じてねじ又は何らかの他のタイプの固定具が挿入されうる。他の実施形態において、1つ以上の取り付け穴がフレーム124のさまざまな位置に配置されてもよく、図1に示される位置の2つの取り付け穴に限定されない。さらに他の実施形態において、フレームは取り付け穴を含まなくてもよく、ポータブル電源を別の構造に固定するための固定具とともに用いられうる突起又は他の構造を含んでよい。
ポータブル電源を組み立てるために、電極タブ108は基板114上のコンタクトに電気的に結合されうる。その後、コネクタ・パッド110が開口118に囲まれつつ、部材122と123との間のスペースに基板114が収まるように、電極ゼリーロール・アセンブリ102及び基板114がフレーム124内に配置されうる。コネクタ・パッド110はフレームの上部121aを通じてアクセス可能である。電極アセンブリ102及び基板114は、フレーム124に配置される前に引っくり返されるように示される。基板114及び電極アセンブリ102は逆向きで組み立てられてもよいので、この動作は必須ではなく、説明目的のためだけに示される。
いくつかの実施形態において、フレーム124は、電極ゼリーロール102が据えられうる突起を含みうる。突起はスペース125の辺の周り全体に広がってもよいし、角の近くにだけ配置されてもよい。また、各辺の中点に位置し、スペース125へ広がる小さいタブのように、突起は各辺の一部にのみに広がりうる。やはり、これらのタブはフレーム124に電極ゼリーロール102が配置された場合に電極ゼリーロール102を支持できる。
基板114及び/又は電極タブ108の一部はフレーム124に接着されうる。例えば、フレーム124に基板114を接着するために、エポキシ樹脂のような液状接着剤が使用されうる。電極タブとフレーム124との間に、電解質の漏れ及び/又は気体の通気を防ぐために、電極タブ108及び/又は電極タブを囲む絶縁体をフレームに接着することが望ましいかもしれない。
コネクタ・パッド及び安全回路112がフレーム124の統合コンポーネントである実施形態において、フレームと、フレーム内に配置された関連回路とに電極タブ108を結合するため、フレーム124は2つのコンタクト・ポイントを備えうる。例えば、電気的コンタクト・ポイントは、電極ゼリーロール102がフレームによって囲まれる場合に電極ゼリーロール102に対向する部材122の側面、すなわち背面119aに対向している側面に配置されうる。電極タブ108は、図1に示される方向に対して約90度に曲がった端部を含みうる。端部は部材122の表面上のコンタクトに溶接されうる。
別の実施形態において、部材122は、電極ゼリーロールに対向する側面に2つのスロットを備えてもよく、2つのスロットを通じて電極タブ108が挿入されうる。電極タブ108はこれらのスロットに溶接されうる。さらに別の実施形態において、電極タブ108のためのコンタクト・ポイントは、部材122と123との間のトラフ領域のような他の位置に配置されうる。
別の実施形態において、トラフ領域によって囲まれた取り付け穴116aと116bのそれぞれの周りに小さな面が示される。トラフ領域によって囲まれた小さな面ではなく、トラフ領域が排除され、面が底面121bと平行になるように部材122と123との間に面が広がってもよい。電極タブ108のための電気的コンタクト・ポイントはこの面に配置されうる。
電極ゼリーロール102がフレーム124に結合された後、金属ポーチ104はフレーム124及び電極ゼリーロール102をスライドされうる。電極ゼリーロール102に関連する液状又はゲル状の電解質のための格納構造を形成するために、金属ポーチ104はフレーム124に接着されうる。フレーム124と金属ポーチ104との間の接着は電極ゼリーロールのような電極に関連する電解質及び気体の漏れを防ぐ障壁として機能しうる。
1つの実施形態において、開口端の近くの金属ポーチ104の内表面は、横断部材の近くのフレーム124、すなわち側面119bと横断部材122との交点の近くの側面119bの外側部分に接着されうる。やはり、接着はヒートシール手法を用いて形成されうる。前述したように、金属箔とフレーム124との間に漏れ止めの接着が形成されうるように、金属ポーチ104の内表面は、フレーム124の材料と相性のよいプラスチック・ラミネート層を含みうる。
熱接着は、金属ポーチ104の金属箔に何らかのタイプの加熱素子を用いて熱を加えることによって生成されうる。加熱素子からの熱は金属箔を通じて伝導され、金属箔をフレーム124に接着するために下部のラミネート層を溶解できる。熱接着は部材122の上縁及び下縁に沿って広がり、この上縁及び下縁を接続している線に沿うフレーム124の側面、すなわち角の周りに広がりうる。部材122の厚さは、フレーム124と金属ポーチ104との間に適切な漏れ止めの接着を形成するように、部材122の縁に沿って十分に大きな表面積を有するように選択されうる。
一般に、熱接着のような接着は、フレームと、フレームの形状に一致する金属ポート104との間に生成されうるが、角を有するフレームの周りだけに接着を形成することに限定されない。例えば、フレームが丸みを帯びた角のような、より曲線的な面を含む場合に、金属ポーチとフレームとの間に接着が形成されうる。別の実施形態において、フレーム124は段差を含んでもよく、金属ポーチ104は段差にわたって漏れ止めのシールを形成するようにフレームに接着されうる。
金属ポーチ104は、フレーム124と金属ポーチ104との間のずれを防ぐために、フレーム124の側面119a、119bに沿うか、背面119aの外側部分に沿うか、各辺の上面121aの端及び底面121bの縁に沿うなどのような他の位置においてフレーム124に熱接着されうる。この例において、接着は、金属ポーチ104及びフレーム124によって形成される格納構造からの漏れを防ぐために必須でなくてもよい。よって、一部の接着領域では、金属ポーチ104は漏れを防ぐようにフレーム124に接着されてもよく、他の領域では、金属ポーチは、フレームが剛性を増し、金属ポーチ104への支持を提供できるようにフレーム124に接着されうる。
金属ポーチ104をフレーム124に接着した後、液状又はゲル状の電解質が加えられうる。1つの実施形態において、部材122は、電解質を加えるための注入ポート120を含みうる。注入ポート120は、部材122にあらかじめ接着されたゴム片でありうる。電解質を格納する針が注入ポートのゴム片を通じて挿入され、その後、金属ポーチ104及びフレーム124を備える格納構造へ電解質が注入されうる。針が取り除かれた場合に、ゴムは電解質をシールするように縮まる。この実施形態において、電解質は電極ゼリーロール102が巻かれた軸の方向に注入されうる。
電極ゼリーロールが巻かれた軸の方向に電解質を注入することにより、軸に対して横に電解質が注入された場合と比較して、ゼリーロールへの電解質のより速い同化を可能にしうる。電解質のより速い同化はポータブル電源の組み立てに関連する製造時間を短縮できる。短縮された製造時間は生産スループットを増加させ、製造コストを減らせる。
電極ゼリーロール102内への電解質の拡散を可能にする十分な期間の後、余分な気体が格納構造から排出されうる。例えば、1つの実施形態において、ポータブル電源が真空に配置され、中空針を通じて格納構造から真空へと気体を逃がすように、中空針が注入ポート120に配置されうる。次に、針が取り除かれ、必要ならば注入ポートがさらにシールされうる。例えば、エポキシ樹脂又は何らかの他のシール材が注入ポートに配置されうる。
他の実施形態において、電極ゼリーロール102を囲む格納構造に電解質が加えられた後、例えば角において、又は背面の縁(金属ポーチ104の非開口端)に沿って金属ポーチに切り込みを入れることで余分な気体が排出されうる。例示の切り込み線117が図に示される。金属ポーチの閉口端は、切断を容易にするために、フレーム124の背面119a側を超えて延びうる。切断された後、金属ポーチは、ポーチを再シールするために切断の位置でヒートシールされうる。例えば、切断された縁が合わさるように圧迫され、ヒートシールされうる。余分な材料はたたまれ、必要ならばフレーム124の背面119a側へ(例えばテープで)場合によっては接着されうる。
いくつかの実施形態において、注入ポート120の代わりに切り込みを用いうる。例えば、金属ポーチ104がフレーム124に結合された後、金属ポーチ104に穴が開けられ、穴を通じて電解質が注入され、その後、ポーチが再シールされうる。別の実施形態において、金属ポーチ104はフレーム124の上を滑るスリーブとして形成されうる。スリーブの一端がフレーム124に接着され(スリーブの他の部分もこの時点でフレームに接着されてもよく)、その後、フレーム124の背面119a側の近くの金属スリーブの他方の開口端を通じて電解質が加えられうる。次に、金属スリーブの開口がシールされ、電解質が上述のように拡散されうる。さらに他の実施形態において、金属ポーチを用いるのではなく、電極ゼリーロール102、基板114及びフレーム124はアルミニウム箔シートのような金属箔に配置されうる。上述の方法により、金属シートの縁がたたまれ、自身に接着され、電解質のための格納構造を形成するためにフレーム124に接着されうる。
特定の実施形態において、金属ポーチ104は、フレーム124、基板114及び電極ゼリーロール102の周りに配置され、これらの要素が最初に全体的に囲われる。金属ポーチ104は、背面119aに沿って、側面119b、119dに沿って、前面119c側に沿って、縁122に沿って及び/又は開口を囲む上面の開口118の周りのような様々な配置でフレーム124に接着されうるが、それらに限らない。コネクタ・パッド110は初めに金属ポーチ104によって覆われ、その後、コネクタ・パッド110を覆う金属ポーチ104の一部がコネクタ・パッドを露出するように取り除かれうる。また、金属ポーチ104の一部が取り除かれ、又は必要ならば取り付け穴116a及び116bを露出するように金属ポーチに穴が開けられうる。上述したように、電解質を加え、金属ポーチ104及びフレーム124の組み合わせによって形成された格納構造から気体を排出するために、金属ポーチが切断され、その後に再シールされうる。
図2は、1つの実施形態として図1に関して記載されたコンポーネントの組み立て後のポータブル電源100の斜視図を示す。ポータブル電源100は長さ134、幅130及び高さ132から成る。これらの寸法は変更されうる。例えば、バッテリの高さ132は3〜6mmの間でありうるが、それよりも厚さを増減することも可能である。電極ゼリーロールの厚さはポータブル電源100の厚さ132に依存して変更されうる。よって、ポータブル電源100の選択された厚さに依存して、金属ポーチ104及びフレーム124によって囲われたゼリーロール電極に、より多い又はより少ない巻き数が関連しうる。ポータブル電源100の長さ134及び幅130と同様に、厚さ132は、ポータブル電源が利用されるポータブル計算デバイスの空間要件を満たすように選択されうる。
1つの実施形態において、バッテリ寸法の変更の場合にも変化しないように、共通の寸法を有するコネクタ・パッド110が使用されうる。例えば、同一サイズのコネクタ・パッドは、3mm厚のバッテリ又は6mm厚のバッテリと使用されてもよく、ポータブル電源の長さ130及び幅134が変更された場合に使用されてもよい。フレーム124は、コネクタ・パッド110の近くに小さなくぼみ又は突起を含みうる。これらの突起又はくぼみは、他の電気インタフェースにコネクタ・パッドをアライメントするために使用されうる。アライメント・ピン126(突起)が図に示めされる。
コネクタ・パッド110は図2に示される表面127上の配置に限定されない。例えば、コネクタ・パッド110は、面127に沿った他の位置に配置されうる。別の例では、コネクタ・パッド110は部材123の前面に配置されうる。フレームは、バッテリ100の外側部分の任意の部分にコネクタ・パッドを配置できるように構成されうる。
特定の実施形態において、バッテリ100は2つ以上のコネクタ・パッドのような複数のコネクタ・パッドを備えうる。複数のコネクタ・パッドは、複数のバッテリが結合されることを可能しうる。例えば、2つのバッテリは横に並んで結合されてもよいし、2つのバッテリは上下に重ねられてもよい。結合された2つのバッテリは、必ずしも同一の寸法である必要はない。異なる寸法のバッテリの結合を可能にすることによって、ポータブル計算デバイス内の利用可能な空間のよりよい利用が可能になりうる。
図3は電極と関連する電解質とを囲うための未組み立ての格納構造の正面図である。電極及び電解質は図1及び図2に関して記載された電極ゼリーロールでありうる。電極の形状は略長方形でありうる。格納構造はフレーム155及び金属ポーチを含む。硬質フレーム155は横断部材156と、開口118を有するトラフ160とを備えうる。開口は図1、図2に関して記載されたように電気コネクタ・パッドのために使用されうる。
図1及び図2のフレーム124と比較して、フレーム155は複数のフランジ150と、より幅広い横断部材156とを備える。フランジ150はフレーム155の最大の厚さよりも薄くてもよい。例えば、フレーム155の最大の厚さは、3〜6mm厚のような電極ゼリーロール・アセンブリの高さとほぼ同じでありうるが、一方でフランジの厚さは、1mm厚などのように薄い。横断部材はフランジと同じ厚さを有しうる。フランジの幅は変わりうり、フレームのすべての辺に関して一定の幅である必要はない。
フランジ150は、金属箔ポーチ104をフレーム155に結合しうる増加された接着領域を提供できる。上述したように、金属箔ポーチ104は電極アセンブリ及びそれに関連する電解質のための格納構造を形成するためにフレーム155に熱接着されうる。金属箔ポーチ104は横断部材156の上面及び底面でフレームに接着されうる。金属ポーチは、フランジの上面、フランジの底面又はそれらの組み合わせでフレーム155に接着されうる。いくつかの実施形態において、基板がトラフ160に挿入され、フレーム155に接着されうる。金属ポーチ104はまた、基板が挿入された後に、基板の底面に接着されうる。
図4Aと図4Bは様々な実施形態のための電極及び関連する電解質を囲うための未組み立ての格納構造の正面図である。図4Aにおいて、フレーム165はトレイ172を含まないことを除いてフレーム155と同様の形状である。ゼリーロール電極及びその関連する電解質のような電極は、トレイに配置され、前述したように安全回路のような回路に結合されうる。その後、金属箔シート170のような金属シートが、電解質のための格納構造を形成するためのフランジの表面のようなフレームに接着されうる。必要ならば、金属シートではなく、前述の金属ポーチが採用されうる。
図4Bにおいて、フレーム175は、今回はトレイ172が複数の開口を含むことを除いてフレーム165と同様である。トレイ部172はさらなる強度剛性を格納構造に追加するために使用されうる。開口はフレームの重さを低減するために利用されうる。一般に、寸法の異なる1つ以上の横断部材がトレイ領域に追加されてもよく、トレイは図に示すような開口パターンが形成される必要はない。
電極アセンブリはトレイ172内に配置されうる。1つの実施形態において、金属シート174はトレイ172内に電極を配置する前に、開口が覆われるようにフレーム175にすでに接着されうる。トレイ172内に電極アセンブリが配置された後、金属シート170は電極を覆うようにフレーム175に接着されうる。本工程の間、上述したように、電解質が追加され、拡散と、格納構造からの排出とが可能にされうる。
図5はポータブル計算デバイス200のための電源分散配置のブロック図である。ポータブル計算デバイスはラップトップ・コンピュータ、ネットブック・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、スマートフォンなどでありうるが、これらに限定されない。ポータブル計算デバイスはディスプレイ、オーディオ・デバイス及びオーディオ・インタフェースのような出力デバイス、ボタン及びタッチ・スクリーン検出器のような入力デバイス並びにプロセッサ、メモリ及び記憶デバイスのような内部デバイスを備えうる。内部デバイスはデバイス・コンポーネント208として示される。これらのデバイスはポータブル・デバイス・ケーシング210に結合されうる。
ポータブル計算デバイス200は図1から図4Bに関してすでに記載されたポータブル電源のうちの1つ以上を利用できる。図5において、バッテリ202、204及び206の3つのポータブル電源が示される。ポータブル電源は示されるように同じサイズであってもよいし、相異なるサイズであってもよい。バッテリ202、204、206のそれぞれは相異なる厚さを有しうる。例えば、バッテリ202は3mm厚であり、一方でバッテリ206は6mm厚でありうる。
バッテリは異なる位置に示されるが、互いに結合もされうる。前述したように、バッテリを結合するためにコネクタ・パッドが使用されうる。特定の実施形態において、バッテリは積み重ねられた配置で結合されうる。積み重ねられたバッテリは積み重ねられた場合に完全に重なっている必要はない。例えば、バッテリ202と206は図5に示すように垂直方向に互いに重ねられうる。さらに、バッテリは辺と辺とで結合されてもよく、端と端とで結合されてもよく、辺と端とで結合されてもよい。例えば、バッテリ206と202とは、”T”の配置を形成するように端と辺との配置で結合されうる。結合される際に、バッテリは電力調整回路を利用できる。電力調整回路はその電流充電レベル、他のバッテリにどのように結合されているか、他のバッテリの充電レベル、及び関連するデバイス・コンポーネントの要件に依存して、各バッテリの電圧を調整できる。
デバイス・コンポーネント208についての典型的な電圧要件は、3.3ボルト、5ボルト、12ボルト及びCPU電圧でありうる。単一のリチウムイオンポリマー・バッテリについての典型的な電圧出力は約3.7ボルトである。充電電圧は約4.2〜4.3ボルトである。204、206、208のような本明細書で説明されたバッテリは直列にも接続されうる。直列配置において、接続されたバッテリの出力電圧は直列な各バッテリの電圧によって増加する。例えば、5ボルトの出力電圧を提供するためにバッテリのうちの2つが直列に接続されうる。別の例のように、12ボルトの出力電圧を提供するためにバッテリのうちの4つが直列に接続されうる。
特定の実施形態において、202、204、205、206のようなリチウムイオンポリマー・バッテリのうちの2つ以上が7〜15ボルトの間の公称出力電圧を提供するために直列に接続されうるが、これに限定されない。さらに、202、204、205、206のような各バッテリは並列又は直列に接続された複数のバッテリ・セルを含みうる。例えば、バッテリ202は直列に接続された2つのバッテリ・セルを含みうる。さらに、202、204、205、206のような各バッテリによる公称電圧出力はバッテリごとに変わりうる。また、前述のように、バッテリを直列に接続するのではなく、特定のデバイスの電圧要件を満たすために必要に応じて各バッテリの電圧が増減されうる。
特定の実施形態において、バッテリ202、204、205、206は電力制御214に接続されうる。電力制御214は中央基板に配置されてもよいし、又はメイン・ロジック・ボード212のような他の基板の一部であってもよい。電力制御214は充電ロジックのようなロジック、電圧レギュレータのような電圧変換回路及びキャパシタを含みうる。電圧レギュレータはバッテリによって入力された電圧をデバイス・コンポーネント208によって要求された電圧へと変換できる。特定の実施形態において、それらはバッテリ内に組み込まれてもよいし、バッテリから分離されてもよい。キャパシタは、一定の電圧を保つために必要な余剰電力を蓄え、供給するために使用されうる。
いくつかの実施形態において、ある時点で202のようなバッテリのうちの1つが、204、205又は206のような他のバッテリのうちの1つ以上と直列に接続され、別の時点で1つのバッテリ202が独立し、他のバッテリに接続されずに動作できるように、電力制御214は各バッテリの出力電圧を動的に変化し、及び/又はバッテリが互いにどのように接続されるかを動的に変化するように構成されうる。電力制御214におけるロジックは、バッテリ間のこれらの接続を動的に形成及び切断するように構成されうる。
さらに、特定の実施形態において、バッテリが自身の出力電圧を変更するための回路を含む場合に、電力制御214はその出力電圧を変更することをバッテリに命令するように構成されうる。例えば、電力制御214はバッテリ202に自身の出力電圧を3.5ボルトから5ボルトに変更することを命令するように構成されうる。他の実施形態において、出力電圧を変更するために使用される回路は電力制御214に関連しうる。よって、電力制御214はバッテリ入力から第1電圧で電力を受け、それを第2電圧に変更し、その後に特定のデバイスに電力を送るように構成されうる。
電力制御214は、1つのバッテリ又はバッテリの組み合わせから異なる時刻においてデバイスに電力を送るルーティング回路も含みうる。例えば、第1時刻に、第1デバイス・コンポーネントが202のような第1バッテリから電力を受けとれ、第2時刻に、第1デバイス・コンポーネントが204のような第2バッテリから電力を受け取れる。さらに他の実施形態において、所定のバッテリが、所定のデバイスだけへ電力を供給するように専有されうる。例えば、バッテリ202はディスプレイのみへ電力を供給するように専有されてもよく、一方でバッテリ204、205、206は他のデバイス・コンポーネントへ電力を供給するように専有されてもよい。
別の実施形態において、相異なるバッテリがデバイスの所定のグループのための電圧要件の供給するために専有されうる。例えば、バッテリ202は3.3ボルトを必要とするデバイスに電力を供給するために専有されてもよく、バッテリ204は5ボルトを必要とするデバイスに電力を供給するために専有されてもよく、バッテリ205はCPU電圧を提供するために専有されてもよく、バッテリ206は12ボルトを必要とするデバイスに供給するために専有されてもよい。バッテリは、バッテリが電力を供給するコンポーネント(群)の要求に合うサイズでありうる。よって、各バッテリの充電容量はバッテリごとに変わりうる。
図6はポータブル電源を生成する方法400のフロー・チャートである。402において、リチウムイオンポリマー・バッテリのためのゼリーロール・アセンブリのような電極アセンブリを部分的に囲うように構成された硬質フレームが準備される。404において、ゼリーロール電極アセンブリは、安全回路に関連する電気コンタクト・タブに結合される。ゼリーロール電極アセンブリの陰極要素及び陽極要素はこれらの電気コンタクト・タブに取り付けられうる。電気コンタクト・タブは硬質フレームに統合されてもよく、フレームに結合されるように設計された安全回路を含む基板に関連してもよい。
406において、ゼリーロール電極を囲う半硬質格納構造が形成されうる。半硬質格納構造は硬質フレームに接着された金属箔を備えうる。フレームは金属箔と比較して硬質である。金属箔は、金属箔にヒートシールされうるラミネート層を含みうる。特定の実施形態において、金属箔は、フレーム及びゼリーロール電極の上をスライドされる金属ポーチ又は金属スリーブとして準備されうる。
408において、液状又はゲル状の電解質が半硬質格納構造に加えられ、ゼリーロール電極全体に拡散することが可能にされうる。1つの実施形態において、フレームは半硬質格納構造内部へのアクセスをもたらす注入ポートを備えうる。注入ポートは、格納構造内に電解質が注入されることを可能にするように構成されうる。注入の方向は電極ゼリーロールの回転軸にアライメントされうる。
410において、半硬質格納構造は何らかの方法で通気孔がつけられうる。例えば、半硬質格納構造の金属箔に切り込みが入れられうる。別の例として、注入ポートを通じて、必要な隙間が挿入されうる。412において、半硬質格納構造から排出するために低圧状況が適用されうる。例えば、デバイスは真空状況下に配置されうる。1つの実施形態において、硬質フレームは、半硬質格納器からの気体の排出を可能にするバルブ又はインタフェースを含みうる。
414において、低圧状況が適用された後、半硬質格納構造を再シールする必要があってもよい。例えば、格納構造に通気孔をつけるために金属箔に切り込みを入れた場合に、切り込みが再シールされうる。別の例として、デバイスを永久的にシールするために、エポキシ又は何らかの他のシール剤によって注入ポート又はバルブが覆われうる。
本発明の利点は数多くある。相異なる側面、実施形態又は実装は以下の利点のうちの1つ以上を生じうる。本発明は、バッテリのようなポータブル電源に使用される電極及び関連する電解質のための格納構造を提供する。格納構造は硬質フレームに結合された金属箔ポーチを含みうる。本発明の1つの利点は、格納構造が電極ゼリーロールのような電極の好ましくない曲げを防げることである。この特徴は、外側の堅いケーシング内に格納構造を囲うような余分なパッケージングを行わずに、格納構造を含むポータブル電源を利用可能にできうる。本発明の数々の特徴及び利点は明細書から明らかであり、それ故、添付の特許請求の範囲によって、本発明のこのような特徴及び利点のすべてをカバーすることが意図される。さらに、当業者にとって、多数の変形及び変更が容易に思いつくので、本発明は説明及び記載されたような厳密な構造及び動作に限定されるべきでない。従って、すべての適切な変形及び均等物は本発明の範囲内に入るように再分類されてもよい。
Claims (17)
- ポータブル電源であって、
陰極及び陽極を含む電極アセンブリと、
電解質と、
前記電極及び前記電解質を囲うための格納構造であって、前記電解質又は前記ポータブル電源の動作中に発生する気体の漏れを防ぐように構成された格納構造とを備え、
前記格納構造は、
硬質フレームと、
前記硬質フレームの一部、前記電極アセンブリ及び前記電解質を囲い、前記硬質フレームに接着された金属箔と、
前記ポータブル電源から電力を引き出すための、前記硬質フレームに結合された電気コネクタ・パッドと、
前記硬質フレームに結合され、前記電気コネクタ・パッド並びに前記電極アセンブリの前記陰極及び前記陽極に電気的に結合された安全回路とを備えることを特徴とするポータブル電源。 - 前記金属箔上にラミネート層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のポータブル電源。
- 前記硬質フレームに前記金属箔を接着するために、前記ポータブル電源の組み立て中に前記ラミネート層が加熱されることを特徴とする請求項2に記載のポータブル電源。
- 前記金属箔はアルミニウムであり、約80から150ミクロンの間の厚さであることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載のポータブル電源。
- 前記硬質フレームは長方形であることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のポータブル電源。
- 前記長方形の硬質フレームは角を含み、前記金属箔は前記角の周りで前記長方形状の硬質フレームに接着されることを特徴とする請求項5に記載のポータブル電源。
- 前記硬質フレームの前記角の周りでの前記接着は、前記格納構造から前記電解質又は前記気体が漏れることを防ぐことを特徴とする請求項6に記載のポータブル電源。
- 前記長方形状の硬質フレームは、組み立て中に前記格納構造内に前記電解質を加えるための注入ポートをさらに備えることを特徴とする請求項5乃至7の何れか1項に記載のポータブル電源。
- 前記安全回路及び前記電気コネクタ・パッドは前記長方形状の硬質フレームに統合されていることを特徴とする請求項5乃至8の何れか1項に記載のポータブル電源。
- 前記安全回路及び前記電気コネクタ・パッドは、組み立て中に前記長方形状の硬質フレームに接着される基板に統合されていることを特徴とする請求項5乃至8の何れか1項に記載のポータブル電源。
- ポータブル計算デバイスであって、
ディスプレイと、
プロセッサと、
メモリと、
前記ディスプレイ、前記プロセッサ及び前記メモリに電力を提供するための2つ以上のポータブル電源とを備え、
前記2つ以上のポータブル電源のそれぞれは、
陰極及び陽極を含む電極アセンブリと、
電解質と、
前記ポータブル電源の電圧出力レベルを変更するための電力調整回路と、
前記電極及び前記電解質を囲うための格納構造であって、前記電解質又は前記ポータブル電源の動作中に発生する気体の漏れを防ぐように構成された格納構造とを備え、
前記格納構造は、
硬質フレームと、
前記硬質フレームの一部、前記電極アセンブリ及び前記電解質を囲い、前記硬質フレームに接着された金属箔と、
前記ポータブル電源から電力を引き出すための、前記硬質フレームに結合された電気コネクタ・パッドと、
前記硬質フレームに結合され、前記電気コネクタ・パッド並びに前記電極アセンブリの前記陰極及び前記陽極に電気的に結合された安全回路と、
前記2つ以上のポータブル電源から分離した電力制御回路であって、前記2つ以上のポータブル電源のそれぞれに対して、前記電力調整回路を使用して自身の電圧出力レベルを変更することを命令するように構成された電力制御回路とを備えることを特徴とするポータブル計算デバイス。 - 前記電力制御回路は、前記2つ以上のポータブル電源が並列モード、直列モード又は独立モードで動作することを可能にするようにさらに構成されることを特徴とする請求項11に記載のポータブル計算デバイス。
- 前記電力制御回路は、前記2つ以上のポータブル電源を並列動作モード、直列動作モード及び独立動作モードの間で切り替えるようにさらに構成されることを特徴とする請求項12に記載のポータブル計算デバイス。
- 前記電極アセンブリ及び前記電解質は、リチウムイオンポリマー・バッテリ・セルを形成することを特徴とする請求項12に記載のポータブル計算デバイス。
- バッテリ・アセンブリを形成するための方法であって、
ゼリーロール電極アセンブリを部分的に囲うように構成された硬質フレームを準備する工程と、
前記ゼリーロール電極アセンブリを前記硬質フレームに接合する工程とを有し、
前記接合する工程は、前記ゼリーロール電極アセンブリに関連する電極タブを安全回路に関連する電気コンタクトに溶接する工程と、前記ゼリーロール電極アセンブリのための格納構造であって、前記ゼリーロール電極アセンブリに関連する電解質又はポータブル電源の動作中に発生する気体の漏れを防ぐように構成された格納構造を形成するために金属箔を前記硬質フレームに接着する工程と、前記格納構造に前記電解質を加える工程と、前記格納構造から余分な気体を排出する工程とを含むことを特徴とする方法。 - 前記安全回路、前記電気コンタクト及び電気コネクタ・パッドを備える基板であって、前記コネクタ・パッドが前記ポータブル電源から電力を引き出すためのものである基板を準備する工程と、前記硬質フレームに前記基板を接合する工程とをさらに有することを特徴とする請求項15に記載の方法。
- 前記硬質フレームは、前記安全回路、前記電気コンタクト、前記硬質フレーム内に一体形成された電気コネクタ・パッド及び注入ポートを含み、前記電解質は前記注入ポートを通じて前記格納構造に加えられ、前記金属箔は金属ポーチ又は金属スリーブとして準備され、前記硬質フレームに前記金属箔を接着するためにヒートシールが用いられ、金属箔はラミネート層を含み、前記金属箔と前記硬質フレームとの間の前記接着を形成するために前記ヒートシール中に前記ラミネート層が溶解し、前記電極ゼリーロール・アセンブリ及び前記電解質はリチウムイオンポリマー・バッテリ・セルのコンポーネントであることを特徴とする請求項15に記載の方法。
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