JP2019525441A - モジュール式電力貯蔵及び供給システム - Google Patents

Abstract

モジュール式の電力貯蔵及び供給システムであって、複数のパウチ電池を保持する複数の積み重ねられたフレーム部材を有し、各フレーム部材は、パウチ電池の電池タブ端子に当接する一対の圧接部材を有し、圧接部材と電池タブ端子は接触表面積がほぼ等しく、複数のフレーム部材は間隙によって離されており、システムは圧接部材と電池タブ端子の組み合わせに圧力を加える圧縮機構を有する。

Description

本発明は、概して電力貯蔵及び供給システム又は設備の分野に関し、より具体的には電力を貯蔵及び供給するためにバッテリを利用するそのようなシステム又は設備に関する。更に詳細には、本発明は、モジュールの配列において配置された複数のバッテリ又は電池を利用するそのようなシステム又は設備に関する。

今日の世界では、人々は電化製品から電動工具、コンピュータ、ラジオ、携帯電話、更には溶接機及び他の高出力工具や機器まですべてに電力を供給するために電気に大きく依存する。また今日の世界では、人々はこれまで以上にそれらを携帯することが多くなり、ＡＣコンセントや電気が利用できない遠隔地で電源装置を必要とする。例えば、溶接は遠隔地では大きな問題となる可能性があり、通常は発電機を駆動するガソリン又はディーゼルエンジンと、作業をするための電気変換電子機器の溶接機を必要とする。この設備は一般に大きく、高価で、重く、そのため扱いにくい。電力網へアクセスできない遠隔地では、電動工具や電気器具を作動させることが困難になり得る。他の電源装置は、一般に大きく、嵩張り、重く、又は低いアンペア数の電力しか供給しない。本発明は、どのような使用場所にも容易に運ばれることができるように、比較的小さく、可搬性がありそして拡張性があるものである。効率的な熱及び電子設計により、溶接、エンジンの始動、重機の作動、及びその他の多くの用途に必要な高いアンペア数の電力を供給することができる。

既存の装置は大電流機能を提供することができない。本発明は、高エネルギー電池のための大電流の電気相互接続と、電池本体の加圧収容と、熱管理と、汎用機能のためにバッテリ管理及びその他の用途の特定の電力部品と一体化された高強度パッケージングとを提供するモジュール式の電池−フレーム構成要素の構造を組み込む。システムの大電流出力は、携帯作業能力を現在電力線電源又は発電機接続に委ねられている多くの用途へ拡大する。本発明の重要な特徴は、高い電力密度構造と、比較的大きな表面積を含む大電流電池相互接続システムと、それぞれの電池の電池タブ端子に当接して高い接触圧力で維持される、フレームが取り付けられる電池端子接触部材と、高電力及び高エネルギー密度の複数の角型パウチ電池に必要な一体化電池収容システムと、頑丈で耐衝撃性の電池−フレーム及び組み立てられたバッテリ筺体と、電池本体及び電気的接触部からフレーム及び外気へ熱を伝達する電池間の熱伝導板及びパッドを備えた熱効率の高い積み重ねられたフレーム構造とを含む。

本発明は、高出力電気システムに必要とされる重要な構造及び機能、すなわち特定のそれぞれの電池構造と、大電流の電池電気相互接続システムと、管理された電池の加圧収容と、耐衝撃性電池アセンブリ筐体と、電池レベルでの熱管理と、電池の安全性と長寿命のためのバッテリ管理集積回路と、負荷制御部品について一体化された筐体と、特定用途向け機能のための電源コネクタ及び制御パネルと、異なる用途及び負荷へ容易に適応できるモジュール式の構成要素設計と、並列又は直列構成で任意の数の電池の相互接続を提供する積み重ねた電池−フレーム設計とを規定して実行する。

本発明の組み合わされた特徴は、離れた場所での電力作動能力を、現在電力線電源又は発電機接続に委ねられている用途に拡大する高電流の携帯型電源装置をもたらす。この小型の電源装置は、ＡＣ又はＤＣの道具、電化製品、及び機器の作動、バッテリ駆動の道具及び電子装置の充電、大型の道具及び機器への電力供給、トラック及び軍装備品のジャンプスタート、非常用電源又は無停電電源の提供、送電線網を利用しない小屋又はキャンプへの電力供給、過酷な使用の溶接修理の実施にさえ、利用できる電力を供給することができる。その装置は、ＡＣコンセント、車両のシガーソケット、発電機、ソーラーパネル、又は風力発電機のいずれの電力でも充電されることができる。その装置は、軽量の携帯電源パッケージで、必要とされるどのような場所であっても使用可能な電力を供給する。したがって、本発明の主要な目的は、比較的小型で携帯可能である拡張可能な装置で高電力の電気出力を提供することができる、改良されたモジュール式の電力貯蔵及び供給システムを提供することである。

本発明は、その実施形態において、概して、大電流の電力を貯蔵して大電流の機器又は他の装置に供給するように構成されたモジュール式の充電式電力貯蔵及び供給システム、設備又は装置を含む。このシステムは複数の個別のバッテリ又は電池を含み、各電池は相互接続可能で積み重ね可能なフレーム部材と結合している。各電池は、電池の一端から延びる一対の概ね長方形の電池タブ端子を有し、電池及び電池タブ端子は実質的に平行な面に配置され、それらの電池タブ端子は異なる面にある。フレーム部材は実質的に長方形であり、電池を収容して保持するために比較的広い開放された内部を備える。各フレーム部材は表面に配置された凹部を含み、その凹部は電池タブ圧接部材を収容するように構成され、積み重ねられた配列の隣接するフレーム部材間に電池タブ端子が配置されて、それぞれの電池タブ端子が一対の電池タブ圧接部材間に挟まれるようにされる。フレームに取り付けられるそれぞれの電池タブ圧接部材は、電池タブ端子と等しいかそれより大きい接触表面積となる寸法にされる。フレーム部材の積み重ねられた配列を圧縮するために圧縮機構が備えられ、システムの設計は、圧縮力が電池タブ圧接触部及び電池タブ端子の組み合わせのそれぞれを通して直接加えられるようにされる。

本発明の実施形態の拡大斜視図であり、明確性のためにいくつかの重複する要素は示されていない。 フレーム相互接続ブロック及び電池タブ圧接部材の一実施形態の拡大平面図である。 隣接する一対のフレーム相互接続ブロック及び電池タブ圧接部材を示す拡大側面図である。 本発明の一実施形態の平面図であり、特定の内部構成要素が見えるようにして示されている。 外部の放熱フィンを示す本発明の一実施形態の斜視図である。

通常は、本発明はその実施形態において、概して、大電流の電力を貯蔵して大電流の機器又は他の装置に供給するように構成されたモジュール式の充電式電力貯蔵及び供給システム、設備又は装置を含む。このシステムは、例えばパウチ型リチウム電池のような複数の個別のバッテリ又は電池を含み、各電池は相互接続可能で積み重ね可能なフレーム部材と結合している。各電池は、電池の一端から延びる一対の概ね長方形の電池タブ端子を有し、電池及び電池タブ端子は実質的に平行な面に配置され、それらの電池タブ端子は異なる面にある。フレーム部材は実質的に長方形であり、パウチ電池を収容して保持するために比較的広い開放された内部を備える。各フレーム部材は表面に配置された凹部を含み、その凹部は電池タブ圧接部材を収容するように構成され、積み重ねられた配列の隣接するフレーム部材間に電池タブ端子が配置されて、それぞれの電池タブ端子が一対の電池タブ圧接部材間に挟まれるようにされる。フレームに取り付けられるそれぞれの電池タブ圧接部材は、電池タブ端子とほぼ等しい接触表面積となる寸法にされる。フレーム部材の積み重ねられた配列を圧縮するために圧縮機構が備えられ、システムの設計は、圧縮力が電池タブ圧接触部及び電池タブ端子の組み合わせのそれぞれを通して直接加えられるようにされる。

本明細書での使用では、用語「バッテリ」又は「電池」は、同じ種類の要素を指すために言い換え可能で用いられ得る。用語「パウチバッテリ」又は「パウチ電池」は、軟質又は硬質の概して薄い長方形の本体と、本体の一端から延びる一対の電池タブ端子とを有する特定の種類のバッテリ又は電池を指す。端子は、通常は薄くて長方形であり、平行な平面に配置されるが、同一平面に配置されない。用語「システム」は、システム、機器、装置及び同様のものを含むものとして使用される。「上」（top）、「底」、「上」(up)、「下」、「水平」、「垂直」、「前」、「後」などの方向を示す用語は、図に示された状態での方向を指すものとして使用され、使用時での本発明の実際の向きとは無関係であることを理解されたい。

説明のために図を参照し、要素に試験参照番号に対応する参照番号を付して、本発明を詳細に説明する。これらの図は例示及び説明を意図しており、本発明の可能な実施形態及び／又は範囲を限定することを意図していない。

モジュール式の電力貯蔵及び供給システムは、概して複数の積み重ね可能で相互接続可能なフレーム部材２０を含み、フレーム部材２０は概して長方形であり、横方向の寸法に対して小さな高さ寸法を有する。限定でなく、例示のみを目的としたフレーム部材２０の代表的な例としては、垂直方向の高さが約０．５インチ、水平方向の長さが約１３インチ、水平方向の幅が約８．５インチである。フレーム部材２０は、比較的大きな開放された内部が形成されるようにしてその周囲に沿って配置された薄い構造要素、すなわちレール部材を含む。フレーム部材２０は、４辺での単一部材、フレーム相互接続ブロック４に結合される３辺での単体部材、又は図示されるような２つのサイドフレームレール５とエンドフレームレール６とフレーム相互接続ブロック４の組み合わせを含むアセンブリとして与えられ得る。フレーム部材２０は、非導電性の電気絶縁材料で構成されているので、隣接するフレーム部材を通る電流の通路及び隣接するフレーム部材間の電流の通路は、フレーム部材２０内又はフレーム部材２０の外側に隣接して配置された導電性部材、例えば、高電流ワイヤ、ケーブル、電線管、バスバーなどによって与えられる。

図１〜図３に示される実施形態に見られるように、サイドフレームレール５、エンドフレームレール６及びフレーム相互接続ブロック４のそれぞれの端部は、好ましくは、係合する切り欠き構造と、直線的な配列を確実にするための係合するフレームの位置合わせ用ピン８及び位置合わせ用孔１２とを備える。フレーム部材２０はそれぞれ、フレーム部材２０の開放された内部に、角型電池とも呼ばれる概して長方形で厚さの薄いパウチ電池１を収容するように構成され、それによってバッテリサブユニットを作る。パウチ電池１の一端から延びる一対の電池タブ端子２は、一方は正極で一方は負極であり、電池タブ端子２は概ね長方形であり、上面及び底面による表面積が縁部の表面積よりも大きくなるようにして（少なくとも３倍程度）薄くなっている。２つの電池タブ端子２は、平行な面にあるが同一平面にはなく、一方の電池タブ端子２が他方の電池タブ端子２よりも上方に位置する。限定でなく、例示のみを目的とした代表的な電池タブ端子２の寸法は、水平方向に約２インチ×１インチ、垂直方向の厚さは約０.１インチである。

フレーム相互接続ブロック４は、パウチ電池１の電池タブ端子２を収容して保持するように構成されている。フレーム相互接続ブロック４は一対の凹部接点領域１０を含み、一方がフレーム相互接続ブロック４の上面において切り取られ、他方が下面において切り取られる。凹部接点領域１０は、水平及び垂直位置において、パウチ電池１の一対の電池端子タブ２の水平及び垂直位置に対応する。好ましくは、凹部接点領域１０の厚さ／奥行は、パウチ電池１がフレーム部材２０内に配置された状態で、電池端子タブ２が水平方向においてフレーム相互接続ブロック４の凹部接点領域１０の全体に延び、垂直方向において少なくとも部分的に凹部接点領域１０内に収容されるようにして選択され、フレーム相互接続ブロック４の本体がパウチ電池１の電池端子タブ２の間に配置される。

フレーム部材２０とパウチ電池１によるモジュールが配列されて組み立てられた時に、パウチ電池１の電池タブ端子２に当接するようにして、導電性の概ね長方形の電池タブ圧接部材３が各凹部接点領域１０内に配置される。各圧接部材３の水平方向の寸法は、電池タブ端子２の水平方向の寸法とほぼ等しくされて、圧接部材３と電池タブ端子２での接点のための表面積がほぼ等しくなっている。モジュール式システムが組み立てられた時に、隣接するフレーム相互接続ブロック４の凹部接点領域１０は、上面及び下面において前後に交互に並ぶ。図３に最もよく示されているように、上側のフレーム相互接続ブロック４Ａと下側のフレーム相互接続ブロック４Ｂの隣接する組み合わせに対して、上側のフレーム相互接続ブロック４Ａの下面の凹部接点領域３Ａは、下側のフレーム相互接続ブロック４Ｂの上面の凹部接点領域３Ｂと向かい合って組み合わされる。凹部接点領域１０Ａ、１０Ｂの組み合わせは、上側の圧接部材３Ａと下側の圧接部材３Ｂとの間に配置された電池タブ端子２を収容する空洞を形成し、電池タブ端子２は垂直方向において空洞内に少なくとも部分的に配置される。

このようにして、後側に配置された下側の凹部接点領域１０Ａに対して前側に配置された上側のフレーム相互接続ブロック４Ａの上面の凹部接点領域１０Ｃは、下側の圧接部材３Ｃを収容し、フレーム相互接続ブロック４Ａの上側に取り付けられるフレーム相互接続ブロック４の前側に配置された下側の凹部接点領域１０（図示せず）に対応する。同様に、前側に配置された下側の凹部接点領域１０Ｄは、フレーム相互接続ブロック４Ａの下側に取り付けられるフレーム相互接続ブロック４の前側に配置された上側の凹部接点領域１０（図示せず）に対応する。

組み合わされた上側の圧接部材３Ａ、下側の圧接部材３Ｂ及び電池タブ端子２の垂直方向の厚さ寸法は、凹型接点領域１０Ａ、１０Ｂの組み合わせによって形成される空洞の全体での垂直方向寸法よりも大きく、そのためフレーム相互接続ブロック４Ａ、４Ｂが垂直方向に積み重ねられた時、フレーム相互接続部材４Ａの下面とフレーム相互接続ブロック４Ｂの上面との間には小さな間隙が存在する。凹部接点領域１０Ａ、１０Ｂの垂直方向寸法は、一方が他方よりも深くなるようにして異なっていてもよく、更に圧接部材３Ａ、３Ｂの一方又は両方の外面が、フレーム相互接続ブロック４Ａ、４Ｂの表面と同一平面となってもよい。

モジュール式システムは、それぞれの圧接部材３と電池タブ端子２の組み合わせに直接的な圧力を加えるために、フレーム部材２０の組み立てられた積み重ねでのフレーム相互接続部材４に垂直方向の圧力を与えるように構成された圧縮機構、装置又はアセンブリを備える。圧縮機構は、例えば締付け機構などの、アセンブリに圧力を加えることができるいずれの適切な機構も含むことができるが、図示の好ましい圧縮機構は、それぞれのフレーム相互接続ブロック４及び好ましくはフレーム部材２０の他の位置に配置された、垂直方向に整列されたジャッキねじ孔９に挿入された複数の圧縮ジャッキねじ１３を含む。フレーム部材２０が垂直方向に組み立てられると、圧縮ジャッキねじ１３が最大の圧迫まで締め付けられ、それによって圧接部材３に対してフレーム相互接続ブロック４を押し付け、したがって電池タブ端子２に対して圧接部材３を押し付ける。隣接するフレーム相互接続ブロック４間に存在する間隙は、圧縮機構からのすべての垂直方向の圧力が、圧接部材３を介して電池タブ端子２に及び電池タブ端子２を通って伝えられることを確実にする。

電気接続部２１は、各フレーム相互接続ブロック４について、一方の圧接部材３から他方の圧接部材３に電流を送る。電気接続部２１は、内部に配置されても外部に配置されてもよく、例えば、ワイヤ、ケーブル若しくは棒状の導体、バスバー又は同様のものを含んでもよい。電気接続部２１の組成、サイズ及び伝送特性は、電流供給を最大にしながら抵抗又はいずれかの他の電流損失因子を最小にするようにして選択される。

圧接部材３及び電池タブ端子２に対する最大圧力と、圧接部材３と電池タブ端子２の間で等しくされた表面の接触領域との組み合わせは、抵抗損失を最小にし、アセンブリを通る電流伝達を最大にする。この構造により、３００アンペア以上の大電力を供給することができる。

モジュール式アセンブリは、アセンブリから電力を受け取る機器又は他の装置との接続のために、アセンブリから延びるバッテリ端子接点７を更に含む。バッテリ端子接点７はタブ部材として示されているが、例えばピグテール型コネクタのような、端子接点７のための代替の構成又は構造が用いられてもよい。システムは充電式であるので、パウチ電池１を充電するために外部で発電された電力を受け取るための負荷制御／充電接続ポート１７が備えられる。

図示のように、それぞれのパウチ電池１の電池タブ端子２は直列（負極から正極）に接続されているが、それに代えて電気接続部２１の経路を変えることによって、電池タブ端子２が並列（正極から正極、負極から負極）に接続されるようにモジュール式アセンブリを構成することもできる。

必要とされる電力に応じて、任意の数のフレーム部材２０及びパウチ電池１を用いることができる。組み立てられたフレーム部材２０は、上下の圧縮板、取っ手、ストラップマウント、ホイールマウント又は他の構成要素を含むことができる頑丈でしっかりとしたハウジング２２内に配置される。最も好ましくは、バッテリ効率を高めて熱の悪影響を減少させるために、電池間の熱伝導板及び／又はパッド１５が隣接するパウチ電池１の間に配置されて、パウチ電池１からフレーム部材２０及び／又は周囲に熱を伝達する。熱伝導板及び／又はパッド１５は、熱放出を増加させるために外部に突出するフィン部材１５Ａを備えてもよい。

記載されるモジュール式電力貯蔵及び供給システムは、負荷制御システム、電力変換（ＤＣ−ＡＣ）システム、作動制御器、ＵＳＢポート、ファン、バッテリ管理システム、及び／又はバッテリシステムに共通の他の既知のシステム並びに付属品を更に含んでもよい。

上記のいくつかの要素については代替物及び均等物が当業者に明らかであり、したがって本発明の真の範囲及び定義は、特許請求の範囲に記載の通りであることが意図される。

１ パウチ電池
２ 電池タブ端子
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 電池タブ圧接部材
４、４Ａ、４Ｂ フレーム相互接続ブロック
５ サイドフレームレール
６ エンドフレームレール
７ バッテリ端子接点
８ 位置合わせ用ピン
９ ジャッキねじ孔、圧縮孔
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 凹部接点領域
１２ 位置合わせ用孔
１３ 圧縮ジャッキねじ
１５ 熱伝導板及び／又はパッド
１５Ａ フィン部材
１７ 負荷制御／充電接続ポート
２０ フレーム部材
２１ 電気接続部
２２ ハウジング

Claims (9)

1. 複数のパウチ電池（１）と、相互接続された複数のフレーム部材（２０）と、圧縮機構とを含むモジュール式の電力貯蔵及び供給システムであって、
   それぞれの前記パウチ電池（１）は一対の電池タブ端子（２）を含み、該電池タブ端子のそれぞれが一対の接触面領域を有し、
   それぞれの前記フレーム部材（２０）は前記パウチ電池（１）の１つを保持するように構成され、それぞれの前記フレーム部材（２０）は一対の圧接部材（３）を含み、該圧接部材のそれぞれが接触面領域を有し、前記一対の圧接部材（３）は前記一対の電池タブ端子（２）と接触して配置され、前記圧接部材の接触面領域の寸法は、前記電池タブ端子の接触面領域とほぼ等しく、前記フレーム部材（２０）は、隣接する前記フレーム部材（２０）間に間隙が存在するようにして相互接続され、
   前記圧縮機構は、前記圧接部材（３）及び前記電池タブ端子（２）を通じて相互接続された前記フレーム部材（２０）に圧力を加える、
   システム。
2. それぞれの前記フレーム部材（２０）は、凹部接点領域（１０）を含むフレーム相互接続ブロック（４）を含み、前記圧接部材（３）は、前記凹部接点領域（１０）に配置される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記フレーム相互接続ブロック（４）は、前記一対の電池タブ端子（２）の間に配置される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記圧縮機構は、前記フレーム部材（２０）に配置された複数の整列した圧縮孔（９）内に配置された１つ又は複数の圧縮ジャッキねじ（１３）を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 複数のパウチ電池（１）と、垂直方向に積み重ねて接続された複数のフレーム部材（２０）と、圧縮機構とを含むモジュール式の電力貯蔵及び供給システムであって、
   それぞれの前記パウチ電池（１）は、端部と、一対の電池タブ端子（２）とを含み、該電池タブ端子のそれぞれが一対の水平方向の接触面領域を有し、複数の前記電池タブ端子（２）は、前記端子から延びて平行であるが異なる平面に配置され、前記電池タブ端子（２）の水平方向の寸法は、垂直方向の寸法よりも大きく、
   それぞれの前記フレーム部材（２０）は前記パウチ電池（１）の１つを保持するように構成され、それぞれの前記フレーム部材（２０）は、一対の圧接部材（３）を有するフレーム相互接続ブロック（４）を含み、それぞれの前記圧接部材は水平方向の接触面領域を有し、前記圧接部材（３）の水平方向の寸法は垂直方向の寸法よりも大きく、前記フレーム相互接続ブロック（４）が前記一対の電池タブ端子（２）の間に配置されるようにして、前記一対の圧接部材（３）が前記一対の電池タブ端子（２）と接触して配置され、前記圧接部材（３）の水平方向の寸法は、前記電池タブ端子（２）の水平方向の寸法とほぼ等しく、前記フレーム部材（２０）は、隣接する前記フレーム部材（２０）間に水平方向の間隙が存在するようにして相互接続され、
   前記圧縮機構は、前記圧接部材（３）と前記電池タブ端子（２）の組み合わせを圧縮するようにして、前記フレーム相互接続ブロック（４）に垂直方向の圧力を加える、
   システム。
6. 前記フレーム相互接続ブロック（４）が凹部接点領域（１０）を含み、前記圧接部材（３）が前記凹部接点領域（１０）内に配置される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記圧縮機構は、前記フレーム相互接続ブロック（４）に配置された複数の整列した圧縮孔（９）内に配置された１つ又は複数の圧縮ジャッキねじ（１３）を含む、請求項５に記載のシステム。
8. 複数のパウチ電池（１）と、相互接続された複数のフレーム部材（２０）と、圧縮機構とを含むモジュール式の電力貯蔵及び供給システムであって、
   それぞれの前記パウチ電池（１）は一対の電池タブ端子（２）を含み、該電池タブ端子のそれぞれが一対の表面の接触領域を有し、
   それぞれの前記フレーム部材（２０）は前記パウチ電池（１）の１つを保持するように構成され、それぞれの前記フレーム部材（２０）は、一対の凹部接点領域（１０）内に保持された一対の圧接部材（３）を含み、該圧接部材（３）のそれぞれが接触面領域を有して前記電池タブ端子（２）の１つと接触して配置され、前記圧接部材の接触面領域の寸法は、前記電池タブ端子の接触面領域とほぼ等しく、
   前記フレーム部材（２０）に関して、前記電池タブ端子（２）と前記圧接部材（３）とを合わせた厚さは、隣接する前記フレーム部材（２０）の間に間隙が存在するようにされ、
   前記圧縮機構は、前記圧接部材（３）と前記電池タブ端子（２）のそれぞれの組み合わせを圧縮するようにして、前記フレーム部材（２０）に圧力を加える、
   システム。
9. 前記圧縮機構は、前記フレーム部材（２０）に配置された複数の整列した圧縮孔（９）内に配置された１つ又は複数の圧縮ジャッキねじ（１３）を含む、請求項８に記載のシステム。

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