JP2023544852A - フォークリフト用リチウムイオン電池 - Google Patents

Abstract

フォークリフト車に電力を供給するように構成された、再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリであって、該電池アセンブリが、アセンブリに一体化された複数のバッテリモジュールを含み、各一体化されたバッテリモジュールは、各モジュールの正極端子と負極端子の間の所定の全体的な電位を合成して生成するように、複数のバッテリセルがグループ化され、および直列および並列の両方で相互接続された状態で、モジュールケーシング内に該セルを含み、および各モジュールは、プリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）が、該モジュール内の各バッテリセルの第一の端部に隣接して配置され、およびワイヤ結合により、各バッテリセルと電気的に結合されている状態で、ＰＣＢＡ内の二つの導体をバスバーとして利用し、およびＰＣＢＡは、一体化されたモジュールの管理制御のためのプロセッサ（バッテリ管理システムまたはＢＭＳ）も有している、再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。

Description

先願に対する優先権の主張
本出願は、２０２０年１０月８日に出願された米国仮特許出願第６３／０８９，１００号および２０２０年１１月１３日に出願された米国特許仮出願第６３／１１３，２９２号の出願日の利益を主張するものである。この言及により、米国仮特許出願第６３／０８９，１００号および同第６３／１１３，２９２号の請求項および図面を含む開示全体が全体として記載されているかのように該本開示に組み込まれているものとする。

１．分野
本開示は、バッテリ駆動式産業用車両およびそれらの再充電可能な電池ならびに関連する制御システムおよびそれらの用途の態様に関する。より具体的には、該開示は、最も直接的には、クラスＩ、ＩＩまたはＩＩＩのフォークリフトに用いる再充電可能なバッテリシステムに関するものであるが、他のクラスのバッテリ駆動式産業用車両に関連する適用を見出すこともできる。

２．関連技術の説明
本開示の具体的な分野を概説する前に、再充電可能なリチウムイオン電池に関する背景情報を全体的に考察することが有益である可能性がある。再充電可能なリチウムイオン電池は１９７０年代に開発され、それらの利益や潜在的な産業用途の多くは、その時でさえ、良く理解されていた。当初、商業利用は遅かったが、１９９０年代には、かなり幅広く普及した。それらは基本的には、バッテリセルの正極として用いられる、介在されるリチウム化合物の種類によって特徴付けられる。リチウム金属酸化物が最もうまく行っており、リチウムコバルト酸化物（ＬＣＯまたはＬｉＣｏＯ_２）が、産業界での用途として最もポピュラーであるが、その使用については、特に熱暴走に関して欠点がないわけではない。開発の過程を通して、ニッケル、マンガンおよびアルミニウム等の追加的な金属を用いたリチウム正極製法のドーピングによって、かなりの改善が実現されている。さまざまな技術革新は、コアシェル粒子正極、改善された陰極、および固体リチウムポリマー電解質の利用も含み、さらに他の技術革新は、より小さな正極粒子サイズ、増加した電極表面積、およびバッテリ容量全般におけるその他の改善をもたらした。

今日、最もポピュラーなリチウムイオンバッテリはＬＣＯタイプであり、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＮＣＡまたはＬｉＮｉＣｏＡｌＯ_２）およびリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣまたはＬｉＮｉＭｎＣｏＯ_２）が特にポピュラーである。他の代替的な正極組成物は、リチウムマンガン酸化物（ＬＭＯ）およびリチウムマンガンニッケル酸化物（ＬＭＮＯ）等の他のリチウム金属酸化物を含んであり、また、他のリチウムイオン化学組成を、特定の需要に対して考慮することができる。リチウム金属リン酸塩は、改善されたサイクルカウント、保存可能期間および安全性に対して、長い間、理論的に利用可能であった別の異なるリチウムイオン製法であるが、他の性能トレードオフは、製造会社の間では、ＬＣＯと比べて、ほとんどポピュラーにならなかった。リチウム金属リン酸塩の一つの具体的なタイプとして、リチウムイオンリン酸塩（ＬＦＰまたはＬｉＦｅＰＯ_４）バッテリは、一般的にＬＦＰの幅広い用途と比較検討されてきた、ＮＣＡバッテリ、ＮＭＣバッテリおよび他のＬＣＯバッテリと比較したさまざまな長所や短所を伴って、長い間、再充電可能なリチウムイオン電池の利用可能なタイプとして知られている。

他の分野におけるリチウムイオン電池の成功した実施の具体的な実例として、テスラ社は、そのモデルＳという電気自動車用のＮＣＡバッテリの利用を実用化した。それらのＮＣＡバッテリは、その高いエネルギ密度により、概してうまく機能するが、約１５０℃という熱暴走温度によって比較的低い熱安定性を有する傾向が有る。テスラのバッテリ製造方法は、アーク放電および過熱のリスクを最小限にしながら、必要なエネルギ密度を可能にする方法で、数百のより小さなバッテリセルを、より大きなアセンブリ内で安全に相互接続することによって、ベネフィットとリスクをバランスさせるのに役に立つ。該より大きなアセンブリ内では、数百のより小さなバッテリセルがグループ毎に接続され、各グループは、隣接するバスバーへのワイヤ結合によって接続された多数のセルの並列構成を含む。そして、それらのグループの該バスバーは、電気自動車の出力要求を満たすかなり大きなアセンブリを製造するために、直列で結合される。該方法は、各セルの各端子を該アセンブリ全体に永続的に接続するが、はんだ付け、抵抗スポット溶接またはレーザ溶接という従来の方法を用いるのとは違って、テスラ社は、超音波振動溶接を用いており、また、該ワイヤ結合は、期待した電流が流れることを可能にする低抵抗ワイヤで行われる。各ワイヤ結合は、長さが約１センチメートルしかなく、一方の端部はバッテリ端末に結合され、他方の端部は、アルミニウムバスバー導体に結合され、これらも同様に、他のバスバーを有する回路に電気的に接続される。短絡等の過電流の場合、各ワイヤ結合は、過度の過熱を防ぐように切断するヒューズとして作用することができる。

ＬＦＰバッテリは、ＮＣＡバッテリやＮＭＣバッテリよりも低いエネルギ密度を有する傾向が有るが（すなわち、ＬＦＰバッテリは、より少ない単位質量当たりのエネルギを有する）、長い間、より大きな熱安定性を有することが知られていた。ＬＦＰバッテリの場合の熱暴走は、典型的には、約２７０℃まで起きないが、このことは安全性を向上させ、および壊滅的な不具合の可能性を低下させる。また、ＬＦＰバッテリは、短絡状態または過充電状態下でより安定し、および高温で容易に分解しないであろう。他の論拠のある利点として、ＬＦＰバッテリは、より大きな出力密度と（すなわち、それらは、単位容積当たりでより高い出力レベルのソースとなることができる）、鉛蓄電池と比較して、大幅に延びたサイクル寿命とを有する傾向もある。一般的な鉛蓄電池は、２０％の蓄積電荷の低下の状態で、３００サイクルという平均寿命を有するが、ＬＦＰバッテリは、同じ２０％の蓄積電荷の低下の状態で、２０００サイクルを超えて存続することができる。

一方で、本発明の分野においては、一般的なリチウムイオン電池の長期間の使用可能性にもかかわらず、典型的には、クラスＩ、ＩＩおよびＩＩＩのフォークリフトは、依然として鉛蓄電池によって電力が供給されている。一つの理由は、多くのフォークリフト、特にクラスＩおよびＩＩのフォークリフトは、安全な利用のためにかなりの平衡錘を必要とするということである。フォークリフトの鉛蓄電池は、一般的に、千ポンド以上の重さがあるが、多くのフォークリフトは、負荷がかかっている間、安定性を維持するように、鉛蓄電池の追加的な重量を平衡錘として利用するように設計されている。しかし、該バッテリのそれらの巨大な重量は、特に、該バッテリを取出し、交換しおよび別様に取り扱うという状況下において、多くの課題も呈している。作業者は、該重く特別な巻き上げ機の近傍で何かを安全に持ち上げることはできず、また、バッテリ交換機器が必要であるが、このことも同様に、背部損傷等の危険性は言うまでもなく、より多くの費用および床面積を伴う。

鉛蓄電池は、重さ関連のリスク以上に、硫酸の腐食性のため、該電池を用いて作業する作業者の眼、肺、皮膚および衣服に対する損傷のリスクも呈する。それに加えて、一般的に、バッテリの再充電中に、酸素と爆発的に結合する可能性があり、および周囲のコンポーネントの腐食の加速を引き起こす水素ガスが放出される。その結果として、鉛蓄電池に関して、特別の安全なプロトコルが必要であり、およびフォークリフトおよびそれらの充電ステーションの周囲での水素ガスおよび硫酸ガスの適切な換気を確保するように、特別な注意が必要である。

さらに、フォークリフトの鉛蓄電池は、時間、スペースおよび在庫に関しても費用がかかる。フォークリフトの鉛蓄電池は、８～９時間の再充電を必要とする前に、一般的に、約六時間だけ連続的に使用することができる。さらに、該鉛蓄電池は、メンテナンスという長い時間も必要とする可能性があり、およびリチウムイオン技術と比較した場合、かなり短い寿命を有する。また、該鉛蓄電池は、充電およびメンテナンスのための倉庫における広大な面積という貢献を要する傾向もあり、および各フォークリフトは、一般的に、工場が行う２４時間稼働のために二つの予備の電池を必要とする。

上述した多くのことおよびその他の理由の結果として、他者は、長い間、フォークリフト用のリチウムイオン電池の利用を別法として考えてきたが、結果として生じる何らかの試みは不十分であり、および特徴的に非常に重いフォークリフトの鉛蓄電池の課題の多くは、依然としてフォークリフト関連業界を悩ませている。

そのため、再充電可能なＬＦＰおよび他のリチウムイオン電池技術に関する周知の特徴および長期の使用可能性にもかかわらず、該フォークリフト業界においては、バッテリ技術向上に対するかなりの、長年にわたる切実な未解決の要望が有る。

発明の概要
本発明の該技術革新は、一つには、従来、このようなフォークリフトが該鉛蓄電池に対して使用されるように適合されているフォークリフトの鉛蓄電池と置換可能であるフォークリフト用の再充電可能なリチウムイオン電池を可能にすることによって、従来の電動フォークリフトの安全で信頼性のある動作をさまざまな方法で改善する。本発明の多くの実施形態は、フォークリフト用のバッテリサイズであるが、多数のバッテリモジュールを備える、再充電可能なバッテリアセンブリを含む。

該アセンブリ全体は、従来のフォークリフト用鉛蓄電池と同じ方法で取り外して再充電することができ、または、該アセンブリが該フォークリフト内に残ったままで該アセンブリ全体を充電するという好適な方法で再充電することができる。さらに、本出願人のアプローチの他の革新的な態様により、該より大きなアセンブリは、リチウムイオン充電器によって再充電することができるが、従来の鉛蓄電池充電器によって再充電されるように、容易に互換もできる。

該より大きなバッテリアセンブリの好適な実施形態は、対称的構成のモジュールとともに、フォークリフト用バッテリのサイズのハウジングを含む。好ましくは、該ハウジングは、該モジュールの電気的接続およびデータ接続が該バッテリ内で行われる状態で、該アセンブリ内に垂直方向に取付けられた八つのバッテリモジュールを収容する。該アセンブリは、本用途の電圧および電流の要件に基づいて、連続動作のために最小限の数のバッテリモジュールを必要とする。

各バッテリモジュールは、一体化したバッテリ管理システム（battery management system：ＢＭＳ）を有している。該ＢＭＳは、セルの電圧、電流および温度を含むように健全性を監視する。該システムは、充電の状態を監視し、電圧差を補償し、および該バッテリセルが正しくバランスが取られており、および作動温度制限内にある場合およびその場合にのみ、該バッテリアセンブリが作動可能な状態のままであることを確実にする。さらに、該システムは、トラックおよび充電器を上げるための履歴および情報を、物理的なCAN busを介して保持しおよびやり取りすることができる。

好適な実施形態のバッテリモジュールは、より高い電圧、より高い容量および／またはより高い電流容量を実現するために、直列接続および並列接続を組合せて接続される。各バッテリモジュールは、それ自体の内部バッテリ管理システムを自立して含んでいる。しかし、好ましくは、二次コントローラによって、例えば、モータコントローラ、バッテリ充電器および監視プロセッサにより、例えば、バッテリ動作システム監視部（Battery Operating System Supervisor：ＢＯＳＳ）モジュールによって、ある程度の冗長的なモニタリングおよび制御があるであろう。

各モジュールにおいて、個々のバッテリセルは、ワイヤ結合バッテリ製造というテスラ社の方法と同等のアプローチを用いて接続される。しかし、テスラ社との重要な違いは、前述したように、ＮＣＡまたは他のＬＣＯバッテリ技術ではなく、ＬＦＰバッテリ技術の利用を含む。電気絶縁性接着剤が、上部のプラスチックバッテリトレーとプリント回路基板との間に使用される。さらに、同じ接着剤は、該バッテリセルと、該上部および底部のプラスチックバッテリトレーとの間に使用される。熱管理のために、熱ギャップフィラーが、該バッテリセルの該底部と、モジュールエンクロージャとの間に適用される。

バッテリ電源によって電力が供給されるように構成された電動フォークリフト車が開示されている。該フォークリフト車は、バッテリアセンブリコンパートメントと、電力を該フォークリフトに供給するように構成され、および該バッテリアセンブリコンパートメント内に配置されたバッテリアセンブリとを有している。該バッテリアセンブリは、各モジュールが、該より大きなバッテリアセンブリに一体化されるように、該バッテリアセンブリコンパートメント内に操作可能に取付けるようなサイズで形成されたアセンブリハウジングと、該アセンブリハウジングの内部に配置された複数のバッテリモジュールとを有している。該複数の一体化されたバッテリモジュールの各々は、モジュールケーシングと、該モジュールケーシングの外部からアクセスできるように配置された正極端子および負極端子と、該モジュールケーシング内に配置され、および該正極端子と負極端子の間に、合成電位を生成するように該正極端子および負極端子と相互接続された複数のバッテリセルと、該複数のバッテリセルの各々の第一の端部に隣接して該モジュールケーシング内に配置された（一つ以上の基板であってもよい）プリント回路基板アセンブリ（printed circuit board assembly：ＰＣＢＡ）とを有している。該ＰＣＢＡには、該複数のバッテリセルの各々と電気的に結合された一体コレクタプレートが設けられている。また、各一体化されたモジュールの該ＰＣＢＡは、該モジュールの動作の態様を制御するためのプロセッサも含み、該プロセッサは、好ましくは、該複数のバッテリセルのリアルタイム動作情報を得るように構成されたバッテリ管理システム（ＢＭＳ）として具体化される。

該複数のバッテリセルの各々の場合、第一の熱伝導性ギャップフィラーは、該バッテリセルの該第一の端部に接触するように、および該コレクタプレートに接触するように配置され、該第一の熱伝導性ギャップフィラーは、該コレクタプレートと該バッテリセルとの間で熱を伝達するように構成され、および第二の熱伝導性ギャップフィラーは、該バッテリセルの第二の端部に接触するように、および該モジュールケーシングに接触するように配置され、該第二の熱伝導性ギャップフィラーは、該バッテリセルと該モジュールケーシングとの間で熱を伝達するように構成されている。

本開示の好適な実施形態によれば、該複数のバッテリモジュールの各々の場合、該対応するＰＣＢＡは、該コレクタプレート上に配置された複数のサーミスタを有し、それらのサーミスタは、該ＢＭＳ（または、代替的なプロセッサ）に電気的に結合され、一方、該ＢＭＳは、該サーミスタに近接している個々のバッテリセル（または、代替的な実施形態においては、複数のセル）内のおおよその温度を判断するように適合されている。該複数のバッテリモジュールの各々の場合、該複数のサーミスタの各々は、該第一の熱伝導性ギャップフィラーのうちの一つに接触するように、該コレクタプレート上に配置され、および各サーミスタは、該複数のバッテリセルのうちの一つに接触している該第一の熱伝導性ギャップフィラーの温度を測定するように構成されている。各ＢＭＳは、好ましくは、各個別のサーミスタからの信号を利用して、該サーミスタに近接している該バッテリセルのおおよそのまたは推定される内部バッテリ温度を判断するようにプログラムされる。より具体的には、該おおよそのまたは推定される温度は、該バッテリセル、そのケーシングおよび該熱伝導性フィラー材料の熱特性をモデル化するアルゴリズムを用いて、サーミスタ信号に基づいて判断される。

また、該再充電可能なバッテリアセンブリは、該セルから熱が伝導される該バッテリモジュールおよび周囲の構造物をよぎって空気を移動させることにより、該複数のバッテリモジュールを冷却するように構成された複数の冷却ファンも有している。さらに、該ＢＭＳプロセッサ、または、バッテリ動作システム監視部（ＢＯＳＳ）モジュール等の別のプロセッサは、温度概算値を用いて、各バッテリモジュールに対応する推定されるバッテリ温度をモニタするように適応され、また、該プロセッサは、一つのバッテリモジュールに対する該推定されるバッテリ温度のうちの一つが、閾値温度を超えているという判断に応じて、該冷却ファンを作動させるようにプログラムされる。いくつかの実施形態において、該閾値温度は、該ＢＯＳＳモジュールにプログラムされた所定の閾値温度である。いくつかの実施形態において、該閾値温度は、周囲温度に関連して該ＢＯＳＳモジュールによって決定される。

本開示のいくつかの好適な実施形態によれば、該モジュールケーシングは、ベースおよびカバーを含み、該ベースは、該第二の熱伝導性ギャップフィラーと接触するように配置され、また、該ベースは、アルミニウムから成る。いくつかの実施形態によれば、該車両はフォークリフト車である。該複数のバッテリモジュールの各々に対して、該複数のバッテリセルの各々は、リチウムイオンバッテリセルである。該第一および第二の熱伝導性ギャップフィラーの各々は、好ましくは、シリコーンベースの熱伝導性材料から成るが、当業者は、他の種類の熱伝導性材料を同様に判断することができるであろう。

当業者には、本願明細書に記載されている上記実施形態に優る多くの他の代用物、変更例および代替的な実施形態が理解されるであろうし、また、読者は、本発明が、開示されている実施形態だけではなく、それらの他の代替物、変更例および代替的な実施形態も包含することを理解すべきである。

開示されているバッテリアセンブリの好適な実施形態の斜視図である。該実施形態の高さＨ、幅Ｗおよび奥行きＤは、例示目的で図示されている 矢印が、その平衡錘と、その付加の重量と、該フォークリフトの前輪に形成された対向する支点の力と比較して結果として生じる重心との間の関係を概念的に示す、開放可能なバッテリコンパートメント内での従来のフォークリフト用鉛蓄電池のその包含を示す、クラスＩＩのフォークリフトの側面を従来技術を代表する構成で示す図である。 図２の該従来のフォークリフト用鉛蓄電池がなく、代わりに、この開示による再充電可能なバッテリアセンブリを組み込んだクラスＩＩのスタンディングフォークリフトの側面を示す図である。 図１の該バッテリアセンブリの主エンクロージャの内側および外側のサブアセンブリの分解図である。 図４Ａの該主内側サブアセンブリおよび外側サブアセンブリの組立斜視図である。 図１の該バッテリアセンブリの分解図である。 図５に図示されているバッテリモジュールの斜視図である。 図６Ａの該バッテリモジュールの分解図である。 その外側カバーおよびエンクロージャがない状態の、図６Ａの該バッテリモジュールの斜視図である。 図７Ａに図示された該バッテリモジュールの分解図である。 図７Ｂに図示された該バッテリモジュールのプリント回路基板アセンブリの平面図である。 図８Ａの該プリント回路基板アセンブリの底面図である。 代替的な実施形態によるプリント回路基板アセンブリの平面図である。 図８Ｃの該プリント回路基板アセンブリの底面図である。 バッテリモジュール内の個々のバッテリセルの切開図である。 八つのバッテリモジュールが並列に接続されている概略図である。 該バッテリモジュールが直列・並列構成で接続されている代替的な実施形態の実施例の概略図である。 この開示の実施形態による、バッテリモジュールとアセンブリバスバーを電気的に接続し、およびアセンブリバスバーからバッテリモジュールを切り離す方法のフローチャートである。 この開示の実施形態による、バッテリセルを充電する前に、バッテリセルを加熱する方法のフローチャートである。 この開示の実施形態による、バッテリセルを冷却する方法のフローチャートである。 ＮＭＣバッテリの充電曲線およびＬＦＰバッテリセルの充電曲線のグラフである。 バッテリセルの開回路電圧および動的パラメータの特性評価を判断するのに用いられる等価回路モデルを示す図である。 この開示の実施形態による、バッテリセルの充電曲線の推定状態のグラフである。 バッテリセルバンクのアクティブバランシングを説明するブロック図である。

以下の説明は、現時点で好適な実施形態に関し、および本発明に対する限定を記述するものとして解釈すべきではないが、その代わり、本発明の広範な範囲は、ここに添付されている可能性があるか、または、後に追加されるか、または、この出願または関連出願において補正される可能性のある特許請求の範囲を参照して考慮すべきである。別段の指示のない限り、それらの記述に用いられている用語は、一般に、当業者によって理解されるであろう意味と同じ意味を有していることを理解すべきである。また、用いられている用語は、一般的に、関連技術の文脈の中で理解されるであろう元々の意味を有していることが意図され、および文脈上明確に他の意味に解釈すべき場合を除いて、および文脈上明確に他の意味に解釈すべき場合に限って、該用語は、一般的に、等価物を概念的に包含する公式のまたは最良の定義に制限すべきではないことも理解すべきである。

これらの記述の目的のために、本明細書または特定のクレームのいずれかにおける特定の文脈において別様に明確にされている場合を除いて、多少の言い回しの簡略化も普遍的に理解すべきである。「または」という用語の使用は、代替物を指すものと理解すべきであるが、それは一般的に、明示的に該代替物のみを指す場合を除いて、または、該代替物が本質的に相互に排他的でない限り、「および／または」を意味するものとする。値を参照する場合、「約」という用語は、およその値、すなわち、一般的に、該値に該値の半分を加えるかまたは引いたと読取ることができる値を示すのに用いることができる。「一つの（“Ａ”または“ａｎ”）」等は、明確に別段の指示がない限り、一つ以上を意味するものとする。このような「一つ以上の」という意味は、「有している」、「備えている」または「含んでいる」等の非制限語句に関連して参照する場合にとりわけ意図されている。同様に、「別の」という対象は、少なくとも第二の対象またはそれ以上を意味するものとする。

好適な実施形態
以下の説明は、主に好適な実施形態に関し、同時に、多少の代替的な実施形態も折に触れて参照することもできるが、他の多くの代替的な実施形態も、本発明の範囲に含まれるであろうことを理解すべきである。当業者は、これらの実施形態において開示されている技術は、さまざまな実施形態の実施において良好に機能する技術を代表するものと考えられ、したがって、それらの実施のための好適なモードを構成するものと見なすことができることを正しく認識すべきである。しかし、該本開示を考慮すると、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、同等の機能または結果を依然として得ながら、該開示されている実施形態に対して多くの変更を行えることも正しく認識すべきである。

主ハウジングおよびバッテリモジュールインタフェース構造
図１には、主カバー１０１と外側フレーム１０２とを含む該主エンクロージャ（「ハウジング」）１００を示す、バッテリモジュールアセンブリ１０の斜視図が示されている。ハウジング１００は、好ましくは、強度、安定性を与え、およびフォークリフトの動作にとって十分な平衡錘特性も可能にするのに適した鋼鉄または他の材料で構成されている。バッテリアセンブリ１０は、図５に示すように、垂直方向に配置された八つのバッテリモジュール（「モジュール」）３００を有している。ハウジング１００内に取付けた場合、各モジュール３００は、該主カバー１０１によって密閉される。ケーブルトレー１０４が、主カバー１０１と、（図４Ａに示す）内側フレーム１０３との間に挿入されており、このことは、ケーブルトレー１０４が、該主カバー１０１の下の主電力ケーブルのための応力解放をもたらすことを可能にする。該主カバー１０１は、ねじ４００によってハウジング１００に固定される。モジュール３００からの電力は、該主電力ケーブルアセンブリ３０２によって伝送される。

典型的なリフトトラック
図２は、それによって該開示されている再充電可能なバッテリアセンブリ１０を組み込むことができ、具体化することができ、または使用することができる従来のリフトトラックデザインを代表するものである、従来のクラスＩＩの電動フォークリフト１３０の側面図を示す。該開示されている再充電可能なバッテリアセンブリ１０は、クラスＩおよびクラスＩＩＩを含む他のクラスのリフトトラックにも組み込むことができることを理解すべきである。図示されている特定のモデルのフォークリフト１３０は、長さ３８．３８インチ（すなわち、該フォークリフト上に取付けた場合の横寸法）x幅２０．７５インチ（すなわち、前方から後方までの奥行き）x高さ３１インチであり、および最小限の重量要件を満たすバッテリを指定している、Ｃｒｏｗｎ ＲＭ６０００シリーズ フォークリフトに最も良く似ている。クラスＩＩのフォークリフトとして、フォークリフト１３０は、荷１５０を持ち上げ、運搬しまたは移動させる目的のために、該荷１５０をその上で支持するように適合されているフォークまたは他の荷重支持部材１３２を上昇させおよび下降させるための昇降アセンブリ１３１を有する移動トラックである。

荷重支持部材１３２は、従来、一般的にフォークリフト１３０の該前輪１４２によって形成される支点の前方に延びるカンチレバー方式で荷１５０を支持するように設計されているが、より重い荷は、フォークリフト１３０を転倒させる危険性がある。したがって、このようなフォークリフト１３０の安全な動作に対しては、負荷がかかったときの該転倒の危険性を最小限にすることが基本であり、また、クラスＩＩのリフトトラックとしてのその分類と一致して、フォークリフト１３０によって運搬される荷１５０の全範囲の重量（矢印１５１で示すＦ_Ｌ）は、平衡錘力（矢印１２１によって示すＦ_Ｃ）によって正しく平衡させなければならない。換言すると、転倒を伴わない荷１５０の安全な持ち上げおよび操縦方法の場合、該荷１５０の主に該重量（矢印１５１で示すＦ_Ｌ）によって生成される前方転倒トルクは、特に製造会社が指定するフォークリフト１３０の積載容量の範囲の最大重量における負荷の場合、フォークリフト１３０の平衡錘力１２１（Ｆ_Ｃ）によって主に生成される対向するトルクによって超えられなければならない。

従来技術において、このようなフォークリフト１３０は、一般に、該平衡錘力（Ｆ_Ｃ）の大部分として、大きな鉛蓄電池１６０を含み、およびフォークリフトは、一般に、それに応じてデザインされている。このようなフォークリフトの該デザインは、一般に、特定の長さ（すなわち、奥行き「Ｄ」）、高さ「Ｈ」および幅から成るバッテリコンパートメント１２２内で、該フォークリフト用電池１６０の該重量を安全に支持するための構造を含む。図２および図３に示すこれらの寸法特徴に関して、該幅寸法は、図２および図３に直角であることを理解すべきである。

バッテリコンパートメント１２２は、一般に、鉛蓄電池１６０のためのスペースをその中に部分的にまたは完全に含みおよび画定する、取外し可能なまたは開放可能なパネル等によって部分的に画定されている。図示されているフォークリフト１３０の場合、例えば、バッテリコンパートメント１２２は、シートアセンブリ１３５および部分側部パネル１３６によって部分的に画定されている。シートアセンブリ１３５は、通常、バッテリ１６０の上部を覆って位置している。パネル１３６または他の構造物は、バッテリコンパートメント１２２を包囲しおよび画定するのに役に立つように設けられ、およびパネル１３６は、該バッテリコンパートメント１２２へのより完全なアクセスを可能にするために、例えば、中にあるバッテリ１６０をチェックするかまたは交換する目的等のために、取外し可能か、または開放可能のいずれかになっている。また、フォークリフト１３０は、該フォークリフトの電気回路を主電力ケーブルアセンブリ３０２を介して、バッテリ１６０の対応する端子に取外し可能に接続するための正および負の導電体も有している。

フォークリフト１３０は、該フォークリフトの前輪と、下にある床９０との間に形成される支点（矢印９１で示すＦ_Ｆ）を利用する。該支点９１の前方の荷１５０の負荷力（Ｆ_Ｌ）によって生成されるモーメントが、該フォークリフトの平衡錘の反対のモーメント（Ｆ_Ｃ）を超えた場合、フォークリフト１３０は、該荷１５０に向かって前方へ転倒して、結果として危険な状況を生じることになる。重心１６１の位置は、該フォークリフトに荷重がかかっているかいないかに一部依存する。荷１５０を運搬中に、該フォーク１３２が上昇された場合、該重心１６１は、該フォークリフトの該前方および上方に向かって必然的にシフトする。

再充電可能なバッテリアセンブリ
図３は、図２に示すのと同じであるが、図２の該従来のフォークリフトの鉛蓄電池１６０の代わりに、該バッテリコンパートメント１２２内に操作可能に取付けられた、本発明の教示による好適な再充電可能なバッテリアセンブリ１０を有する典型的なクラスＩＩの電動フォークリフト１３０を示す。従来の鉛蓄電池１６０とは対照的に、再充電可能なバッテリアセンブリ１０は、複数の分離可能なバッテリモジュール３００（図示の実施形態においては八つ）を含み、各モジュールは、その中に多数のリチウムイオンバッテリセル７１０を含む。最も好ましくは、それらの多数のバッテリセル７１０は、リン酸鉄リチウム（ＬＦＰ）タイプのバッテリセルから成る。いくつかの実施形態において、バッテリアセンブリ１０は、従来の鉛蓄電池１６０の特徴である、短い使用期間およびかなり長い充電期間とは対照的に、充電するために約６０分を要する前に、約十時間の操作可能な充電を保持することができる。また、それらのリチウムイオンの化学的性質により、各モジュール３００は、従来の鉛蓄電池１６０と同じ多くの充電サイクルの約６回サイクル動作させることができる。再充電可能なバッテリアセンブリ１０は、バッテリアセンブリ１０の該バッテリセル７１０を再充電するために、外部電源２００と電気的に結合することができる。いくつかの実施形態において、外部電源２００は、再充電可能なバッテリアセンブリ１０用の充電ステーションである。

特にＬＦＰの化学的性質の場合、一時間またはそれ以下の充電回数に対応する充電速度は、多くの場合、該セルの推奨される作動限界の範囲内である。従来の鉛蓄電池１６０と比較した、再充電可能なバッテリアセンブリ１０のより長い実行回数は、作業現場の効率も改善する。鉛蓄電池１６０の場合、再充電のために、大きな面積が割り当てられている。８時間のシフト作業が終了した後、鉛蓄電池１６０は、再充電のために取り外され、そして、別の充電済みの鉛蓄電池１６０が挿入される。このシステムを再充電可能なバッテリアセンブリ１０と置換えると、作業環境において、時間と貴重なスペースを節約することができる。

再充電可能なバッテリアセンブリ１０の別の重要な利点は、ＬＦＰバッテリにおける、鉛蓄電池１６０よりも低い等価直列抵抗（equivalent series resistance：ＥＳＲ）である。鉛蓄電池１６０は、より高いＥＳＲを有する結果として性能が低下する。多くの場合、これらのバッテリ１６０が放電する際には、「電圧の垂下」が起きて、荷重がかかっている場合または加速時に、該フォークリフト車の鈍重な動作が引き起こされる。ほとんどの場合、このことは、シフト当たりで約６時間発生し、追加的なシフト当たりの再充電が必要になり、それにより、該バッテリの寿命が低下する。ＬＦＰバッテリは、電圧垂下のリスクを著しく低減しながら、シフト中の持続したパフォーマンスの向上をもたらす。

バッテリアセンブリ１０の該高さ「Ｈ」、奥行き「Ｄ」および幅は、フォークリフト１３０に使用することが意図された該従来のフォークリフト用バッテリ１６０の場合のものと実質的に同じであり、該従来の鉛蓄電池１６０と概ね同等になるようなサイズで形成され、重さとなり、および別様に適合される。したがって、バッテリアセンブリ１０は、「フォークリフト用のバッテリサイズである」と説明することができる。そのフォークリフト用のバッテリサイズであるという特徴により、図示されているようなフォークリフト１３０の場合、バッテリアセンブリ１０は、従来の電池１６０と同じバッテリコンパートメント１２２内に安全に取付けることができる。

したがって、図３に示す該クラスＩＩの電動フォークリフト１３０上での使用の場合、リチウムイオンバッテリアセンブリ１０は、従来の鉛蓄電池１６０の代替としての使用のために、Ｃｒｏｗｎ ＲＭ６０００フォークリフトのバッテリコンパートメント１２２内に取付けるように適合されている。より具体的には、該ＲＭ６０００の場合、リチウムイオンバッテリアセンブリ１０は、最小限の重量要件を満たす、長さ３８．３８インチ（すなわち、該フォークリフト上に取付けた場合の該横寸法）ｘ幅２０．７５インチ（すなわち、前方から後方までの奥行き）ｘ高さ３１インチという寸法に概ね適合し、およびバッテリアセンブリ１０は、好ましくは、該製造会社が指定する最小バッテリ重量要件を超える５０ポンドの余裕を有する、２６００ポンドの最小重量を有している。当業者は、本願明細書に開示されている概念を、サイズおよびバッテリコンパートメントの寸法が変わるさまざまなフォークリフトを用いて実施することができることを正しく認識するであろう。

当業者は、フォークリフトの異なるメーカーおよびモデルの場合の寸法、適合、形状および重量が、フォークリフトの任意の特定のメーカーおよびモデルとともに用いられるように意図されている代替的な実施形態に対してさまざまな寸法を要求することを理解するであろう。クラスＩ‐ＩＩＩのフォークリフトバッテリのすべての範囲のサイズが、代替的な実施形態を対象としている。クラスＩ‐ＩＩＩの電動フォークリフトに対する最小バッテリ重量要件の範囲は、これもまた代替的な実施形態の対象である約１，５００から４，０００ポンドである。

本発明の多くの態様は、他の種類の再充電可能なバッテリセル７１０によって正しく認識することができるが、好適な実施形態は、該リチウムイオンタイプのうちの一つのバッテリセル７１０を用いる。最も好ましくは、該バッテリアセンブリ１０の各モジュール３００は、数百の該ＬＦＰタイプの内蔵型バッテリセル７１０を組み込んでいる。すべてのリチウムイオンバッテリタイプは熱暴走を経験する可能性が有るが、好適な実施形態のＬＦＰバッテリセルは、典型的には約１５０℃という熱暴走温度を有するリチウムイオンバッテリセルとして定着しているＮＣＡバッテリまたは他のＬＣＯセルの該熱暴走温度よりもかなり高い、２７０℃という非常に高い熱暴走温度を有している。好適な実施形態はＬＦＰバッテリを用いているが、本発明のいくつかの態様は、他の種類の再充電可能なリチウムイオンバッテリセルの使用を通して正しく認識できることを理解すべきである。例えば、該再充電可能なリチウムイオンバッテリアセンブリ１０のいくつかの態様の場合の代替的な化合物は、限定するものではないが、リチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ_２）、リチウムマンガン酸化物（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３）、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物（ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ_２）およびリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＬｉＮｉＭｎＣｏＯ_２）を含むことが意図されている。

好適な実施形態の該バッテリモジュール３００の各々の中においては、複数の内蔵型バッテリセル７１０（好適な実施形態においては、モジュール３００ごとに、３７２個のバッテリセル７１０がある）が、ワイヤ結合法を用いて、直列と並列を組合せて接続されている。該ワイヤ結合法は、バスバーの代わりに、ワイヤ結合を用いてバッテリセル７１０を接続している。該ワイヤ結合は、超音波摩擦溶接によって実現される。バッテリセル７１０をワイヤ結合によって相互接続することにより、該ワイヤ結合は、ヒューズとして作用している間の短絡を防ぐことができる。該ワイヤ結合は、著しい過熱を伴うことなく、予想した電流が流れることを可能にし、および個々のセルの過電流を防ぐために、該ワイヤ結合が破断することを可能にするアルミニウムニッケル合金ワイヤで形成されている。さらに、電界効果トランジスタ（「ＦＥＴ」）または他の形態の従来のヒューズが、バッテリモジュールの内部に配置されている。通電容量が超えられた場合、該ヒューズが開いて、該過電流が該ワイヤ結合も溶断するのを防ぐであろう。このデザインの代替的な実施形態は、バッテリセルを並列に接続してもよい。さらに、バッテリを接続する代替的な方法は、従来のはんだ付けやスポット溶接を含むことができるであろう。

図４Ａを参照すると、ハウジング１００サブアセンブリの分解図が示されている。ハウジング１００サブアセンブリは、矢印４１０で示されているように、外側フレーム１０２内に挿入されている内側フレーム１０３で構成されている。外側フレーム１０２は、重いゲージ鋼で構成された二枚のサイドパネル１０２ａおよび底部パネル１０２ｂから成る。サイドパネル１０２ａおよび底部パネル１０２ｂは、フォークリフト１３０に荷が積載されたときに、該バッテリアセンブリ１０が平衡錘として作用できるように、バッテリアセンブリ１０の全重量を著しく増加させるように設計されている。プッシュリベット４０２を用いることによって取付けられたコーナーラバーマウント４０４とベースラバーマウント４０５は、該外側フレーム１０２と内側フレーム１０３との間の振動荷重および衝撃荷重を分離する。組立て済みのハウジングアセンブリ１００が図４Ｂに示されている。

図５を参照すると、バッテリアセンブリ１０の分解図が示されている。再充電可能なバッテリアセンブリ１０の好適な実施形態は、より大きなハウジング１００内に取付けられた八つのバッテリモジュール３００を有している。バッテリアセンブリ１０は、好ましくは、ハウジング１００内に二つずつおよび垂直方向に向けられて配列された二つのモジュール３００から成る四つのセットを収容している。代替的な実施形態は、異なる配置または異なる量のバッテリモジュールを該ハウジング１００内に有していてもよい。モジュール３００は、該主ハウジング１００に挿入することができ、および該ハウジングから取り外すことができる。主カバー１０１は、バッテリアセンブリ１０を収容するために、ハウジング１００に結合される。図５に図示されているように、いくつかの実施形態においては、主カバー１０１をハウジング１００に結合するために、ねじ４００が使用される。しかし、当業者は、本開示の該範囲から逸脱することなく、他の結合方法を用いることができることを理解するであろう。

ブラケット４０２は、モジュール３００の各ペアの上方角部に配置されて固定され、および通常の動作条件下での該モジュール３００の左右の動きを防ぐ。ブラケット４０２は、内側フレーム１０３の正面および裏面の穴４１１を介してねじ４０１によって固定することができる。主ジャンクションブロック３０４を支持する主支持ブラケット４０３は、四つのねじによって、該主内側フレーム１０３の各側面に取付けられる。各モジュール３００（総数１６個）に対して、二つのバッテリケーブル３０５が該主ジャンクションブロック３０４に接続される。ジャンクションブロック３０４は、（図１０および図１１に示すように）バッテリモジュール３００を電気的に接続するアセンブリ正極バスバー９０１およびアセンブリ接地バスバー９０２を備えている。具体的には、各バッテリモジュールは、正極バス端子３１１および負極バス端子３１０を備え、およびバッテリケーブル３０５は、各モジュール３００の該端子３１０、３１１をバスバー９０１、９０２に電気的に接続する。以下でさらに詳細に述べるように、いくつかの実施形態において、モジュール３００は、各正極バス端子３１１が正極バスバー９０１に接続され、および各負極端子３１０が接地バスバー９０２に接続されるように、並列に接続される（図１０Ａ）。いくつかの実施形態において、モジュール３００は、直列・並列構成（図１０Ｂ）で接続されている。主電力ワイヤアセンブリ３０２は、モジュール３００に電気的に結合され、およびフォークリフト１３０の電力入力ポートとインタフェースを取るように構成されている。それに応じて、主電力ワイヤ３０２は、該モジュール３００によって蓄えられているバッテリ電力を該フォークリフトの該入力ポートに送出して、該フォークリフトの動作を起動するように構成されている。

ハウジング１００の該主カバー１０１の下には、ファンアセンブリ１０５ａおよび１０５ｂと、該バッテリアセンブリ１０を制御するためのトップレベルの監視プロセッサ（または、いくつかの実施形態においては、プロセッサの群）の好適な実施形態を示すバッテリ動作システム監視部（Battery Operating System Supervisor：ＢＯＳＳ）モジュール６００とが示されている。該ＢＯＳＳモジュール６００は、好ましくは、他の機能をプログラミングするのに加えて、該主電力ケーブルアセンブリ３０２が作動的に接続される、該より大きなバッテリアセンブリ１０の該正極端子と負極端子の間の所望の全体電位を実現するために、さまざまなバッテリセルモジュール３００を調整するようにプログラムされて接続される。

好ましくは、直流（ＤＣ）ブラシレスファン１０６は、モジュール３００を通過する空気を移動させることによって該モジュール３００を冷却するのに用いられる。主カバー１０１の直ぐ下に図示されている第一のファン１０６ａは、第一および第二のモジュール３００の上に位置している。図には見えないが、ファンマウント１０５ａ上のファン１０６ａに隣接して配設されている第二のファンは、第三および第四のモジュール３００の上に配設されている。第三のファン１０６ｂは、第五のおよび第六のモジュール３００の上に配置されている。第四のファン１０６ｃは、第七のおよび第八のモジュール３００の上に配置されている。該主カバー１０１上の通気口４０４は、該バッテリモジュールアセンブリ１０の該内部の空気の出入りを可能にする。該ファンマウント１０５ａ，１０５ｂは、該主カバー１０１と該内側フレーム１０３との間に載っている。モジュールの冷却を実行する目的のために、本発明者によって、異なる数のファンも意図されている。

ＢＯＳＳ６００は、ファン１０６を制御するように構成されている。ＢＯＳＳ６００は、該モジュール３００の各々の（以下でさらに詳細に述べる）温度センサ８１２からの温度示度を取得して、各モジュール３００のバッテリセル７１０の温度を推定するように構成されている。いくつかの実施形態において、温度センサ８１２はサーミスタである。ＢＯＳＳ６００は、該推定されたバッテリ温度が閾値温度を超えているという判断に応じて、ファン１０６を作動させてモジュール３００を冷却するように構成されている。

ボタンパッド３０１は、該バッテリモジュールアセンブリ１０に対する診断を表示するように構成されおよび適合されている。ユーザは、ディスプレイ３０７をスリープモードから「起こす」ためにボタンパッド３０１を押下することができる。診断には、コードプッシュボタンを利用することができる。該バッテリアセンブリ１０の現在の状態を示すステータスバー２２２がある。フォールトバー２２３が赤で点灯した場合、このことは、少なくとも一つのモジュール３００に関して故障が発生したことを示す。発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いて緑色で点灯し、モジュール３００のバッテリ充電レベルを示す五つのバー２２４がある。該五つのバー２２４は、点灯しているＬＥＤの数に基づいて、０％から１００％の充電の約２０％きざみで充電状態を示す。例えば、一つのバーは、バッテリアセンブリ１０のモジュール３００の該充電が非常に低い（約２０％）ことを示し、また、五つのバーは、バッテリアセンブリ１０のモジュール３００が十分に充電されている（１００％）ことを示す。充電の状態は、電流センサを用いて、作動している各バッテリモジュール３００の電流出力を測定したときに、少なくとも部分的に判断される。バッテリアセンブリ１０の全体的な充電の状態は、現在作動しているバッテリモジュール３００のすべての平均電流出力を反映し、および以下でより詳細に述べる。ディスプレイ３０７は、一つ以上のバッテリモジュール３００がフォールト状態に遭っている場合に点灯されるフォールトインジケータも有している。現在、フォールト状態にある一つ以上のバッテリモジュールは、それらの一つ以上のバッテリモジュールがもはや作動しないだけではなく、電力も生成しないように遮断することができる。現在、作動していないどのバッテリモジュール３００も、バッテリアセンブリ１０の充電の全体的な状態を判断するのに用いられない。

バッテリモジュールおよびバッテリセルネットワークの好適な構造
図６Ａは、モジュール３００の隔離した図を示す。各モジュール３００の上面には、６ピン信号コネクタ４７０と、正極バス端子３１１と、負極バス端子３１０とが取付けられて、アクセス可能になっている。モジュール３００を包囲して、モジュール３００の内部を外部から密封するために、保護エンクロージャベース３２０と、カバー３２１と、エンドキャップ３２３とが一緒に結合されている。カバー３２１は、好ましくは、プラスチックで構成されるが、エンクロージャベース３２０は、それらのバッテリセルから、該バッテリセル７１０によって生成された熱を奪うのを補助するように、ヒートシンクとして作用できるように、同時に、該ベース３２０が、中に吸収した熱を、該ベース３２０を取り囲む外気とさらに交換できるようになっている、比較的大きな表面積を有するように、アルミニウム（または、他の熱伝導性材料）で構成される。該ベース３２０と該周囲の外気との熱交換は、一つ以上の冷却ファン１０６によって、さらに可能になっている。

図６Ｂは、該バッテリモジュール３００サブアセンブリの分解図を示す。モジュール３００は、エンクロージャベース３２０およびカバー３２１によって保護されているセルアレイ３２２を備えている。エンドキャップ３２３は、四つのねじ４２０によって該セルアレイ３２２に取付けられる。エンクロージャベース３２０とカバー３２１は、エンドキャップ３２３の内部に嵌るように上縁部に沿って、ロケータタブ３３０によって位置決めされる。接着剤７２８は、該エンクロージャベース３２０の内縁に必要な場合に塗布される。好適な実施形態において、該接着剤は、アクリル系接着剤であるが、他の種類の接着剤または封止剤の利用も意図されている。封止剤７２７は、カバー３２１と、エンドキャップ３２３と、エンクロージャベース３２０との間の境界を密封する目的で、エンクロージャベース３２０と、カバー３２１と、該エンドキャップ３２３とを包囲するのに必要な場合に塗布される。好適な実施形態において、該封止剤は、シリコーンベースの封止剤とすることができるが、同様の特性を有する他の封止剤の使用も意図されている。図９に図示されているように、該セルアレイ３２２と該エンクロージャベース３２０との間に必要な場合に、熱伝導性ギャップフィラー７２６ａが施される。以下でより詳細に述べるように、ギャップ充填材料７２６ａは、該バッテリセルから該エンクロージャ３２０へ熱を伝達できるようになっており、そのため、該熱は該モジュール３００から放散することができる。これらの化合物の各々は、好ましくは、電気絶縁性である。

図７Ａは、該カバー３２１と、エンクロージャベース３２０と、エンドキャップ３２３とがない状態の該バッテリモジュール３００の斜視図を示す。図示されているように、各バッテリモジュール３００は、二つのプリント回路基板（ＰＣＢ）コレクタプレート３５１ａ，３５１ｂを含むプリント回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）７２２と、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）７００とを含む。該二つのコレクタプレート３５１ａおよび３５１ｂは、該ＰＣＢＡ７２２と一体化されているバスバーとして作用する多数の銅層を含んでいるため、「コレクタ」プレートと称される。ＰＣＢ構造に精通している者には理解されるように、該ＰＣＢＡ７２２は、十個の銅層を含んでもよいが、該層の数（例えば、一つの好適な実施形態においては、六つの層）は、バスバーとしての作用専用であり、一方、その他の層は、シグナリング等専用である。しかし、所望の電圧を実現するための選択のレイアウトに依存して、該コレクタプレートの単一の層が、異なる電圧において多数のバスバーを含むであろうことを正しく認識すべきである。例えば、各セルは、約３．２ボルトの電圧を有するが、該回路は、単一のモジュールに対して、合計で３６ボルトの電圧を供給するために、好ましくは、１２のセルのバンクを直列に組合せ、また、該回路は、単一のモジュールに対して、合計で４８ボルトの電圧を供給するために、好ましくは、１６のセルのバンクを直列に組合せる。さらに、該電圧レベルの各々の場合、該銅層のうちの一つの一部は、該電圧においてバスバーとして作用するように配置される。したがって、単一のモジュールまたはバッテリセルサブアセンブリにおいては、全体の所望電圧を実現するために、通常、ゼロボルト（または、接地）および３．２ボルトのバスバーとして作用する該銅層の部分間にワイヤ結合されている多数のリチウムイオンバッテリセルから成る一つのバンクがあり、３．２ボルトおよび６．４ボルトのバスバーとして作用するように構成されて接続されている該銅層の部分間にワイヤ結合されている同数のセルから成る別のバンクがある等々となるであろう。

図示されているＰＣＢＡ７２２は、三つの独立した部材を含んでいるが、当業者は、いくつかの実施形態において、ＰＣＢＡ７２２は、大きなコレクタプレートとＢＭＳとを含む単一の部材であることを理解するであろう。

図７Ｂは、図７Ａに示す該バッテリモジュール３００の分解図を示す。各バッテリセル７１０は、ＰＣＢＡ７２２にワイヤ結合されている。バッテリセル７１０とＰＣＢＡ７２２との間には、上部プラスチックバッテリトレー７２０ａおよび接着剤７２１が配設されている。該バッテリセルアレイ３２２の下には、底部プラスチックバッテリトレー７２０ｂが配置されている。プラスチックバッテリトレー７２０ａ，７２０ｂは、該バッテリセル７１０の上部におよび下に直接配置されている。接着剤７２１は、図９に示すように、バッテリトレー７２０ａ，７２０ｂとＰＣＢＡ７２２との間に使用されている。該接着剤７２１は、電気絶縁体でもある。当業者は、該接着剤７２１の塗布は「必要に応じて」であることを理解すべきである。モジュール３００の取付け部材４５０は、ねじ４６０によってセルアレイ３２２の上端部に固定される。

図８Ａは、ＰＣＢＡ７２２の平面図を示す。前述したように、ＰＣＢＡ７２２は、二つのＰＣＢコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂと、ＢＭＳ７００とを備えている。各バッテリセル７１０は、該ＰＣＢ７２２にワイヤ結合されている。各バッテリセル７１０に対して該ＰＣＢコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂ上には、パッド８０４ａ，８０４ｂおよび８０４ｃに結合された三つのワイヤ７２５ａ，７２５ｂ，７２５ｃ（図９に示す）がある。二つの該ワイヤ７２５ａ，７２５ｂは、該個々のセルの該負極端子用であり、および負極パッド８０４ａ，８０４ｂに結合され、また、一つの該ワイヤ７２５ｃは、該個別のセル用の正極であり、および正極パッド８０４ｃに結合されている。二つの負極ワイヤの目的は冗長用である。追加的な正極パッド８０４ｄが、冗長用の正極ワイヤが組み込まれる実施形態のために設けられている。当業者は、いくつかの実施形態においては、該ＰＣＢコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂが正極パッド８０４ｄを組み込んでいないことを正しく認識するであろう。

図１６においてさらに詳細に述べるように、該バッテリセル７１０は、バッテリバンク７１１と呼ばれるバッテリセルから成る群に分けることができる。ＢＭＳ７００は、バッテリバンク７１１の電圧、温度、および充電の状態を監視することができる。代替的な実施形態は、バッテリセル７１０の該構成または数の変形例を含んでもよい。

各コレクタプレート３５１ａ，３５１ｂは、ＰＣＢＡ７２２の底部側に隣接している該バッテリセル７１０に、それを介してＰＣＢＡ７２２の上部側からアクセスできる複数の開口部８０２，８０３を有している。図示されているように、コレクタプレート３５１ａ，３５１ｂは、大きな開口部８０２と、小さな開口部８０３を備えている。各大きな開口部８０２は、二つの該バッテリセル７１０に結合されて該バッテリセルにアクセスできるようになっており、一方、各小さな開口部８０３は、一つのバッテリセル７１０に結合されて該バッテリセルにアクセスできるようになっている。各バッテリセル７１０に結合された該ワイヤ７２５ａ，７２５ｂ，７２５ｃは、該セル７１０の関連する開口部８０２，８０３を通って、関連する結合パッド８０４ａ，８０４ｂおよび８０４ｃにおいて、コレクタプレート３５１ａ，３５１ｂに結合されている。大きな開口部８０２は、それぞれ、二つのバッテリセル７１０に結合されているため、各大きな開口部８０２に結合された結合パッド８０４ａ～８０４ｄから成る二つのセットがある。小さな開口部８０３は、それぞれ一つのバッテリセル７１０に結合されているため、各小さな開口部８０３に結合された結合パッド８０４ａ～８０４ｄから成る一つのセットがある。

好適な実施形態において、結合パッド８０４ａ～８０４ｄは、電気めっきされた金から成り、また、ワイヤ７２５ａ，７２５ｂ，７２５ｃは、アルミニウムニッケル合金で結合パッド８０４ａ～８０４ｄに結合されている。前述したように、エンクロージャ３２０と、カバー３２１と、エンドキャップ３２３は、組み立てられたときに一緒に密封される。エンクロージャ３２０、カバー３２１およびエンドキャップ３２３の該シーリングは、水分がモジュール３００に入るのを防止する。適切なシーリングがない場合、望ましくない水分がモジュール３００に入る可能性が有り、および該電気めっきされた金パッド８０４ａ～８０４ｄと、アルミニウムで結合されたワイヤ７２５ａ，７２５ｂ，７２５ｃとの間に電解腐食が発生する可能性がある。

図８Ｂは、ＰＣＢＡ７２２の底部側面図、すなわち、図８Ａに示す図の反対側の側面を示す。周囲温度が低い場合、特に０℃～５℃以下の温度のときに、リチウムイオンバッテリセル７１０を充電しようとすると、リチウムイオンバッテリセル７１０へのダメージが発生する可能性があることが見られている。再充電中、特に、該周囲温度が低いときの該リチウムイオンバッテリセル７１０へのこのようなダメージを防ぐために、開示されている実施形態は、各リチウムイオンバッテリセル７１０に近接してコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂ上に取付けられた抵抗加熱素子８１０を含む。該開示されている実施形態に組み込むことができる抵抗加熱素子の一つの実例は、１２０６厚膜ピックアンドプレース表面実装抵抗器であるが、他の適当な抵抗器を用いてもよい。各バッテリセル７１０には、少なくとも一つの関連する抵抗加熱素子８１０が結合されている。該図示されている実施形態等のいくつかの実施形態においては、各バッテリセル７１０に結合された二つの加熱素子８１０がある可能性がある。図８Ｂに示すように、各大きな開口部８０２の近傍でコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂに表面実装された四つの抵抗加熱素子８１０と、各小さな開口部８０３の近傍でコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂに表面実装された二つの加熱素子８１０とがある。前述したように、各大きな開口部８０２は、二つのバッテリセル７１０に結合され、および各小さな開口部８０３は、一つのバッテリセル７１０に結合されている。それに応じて、各バッテリセル７１０は、該バッテリセル７１０の関連する開口部８０２，８０３の二つの加熱素子８１０に近接して配置されている。

該バッテリモジュール３００が本質的にクローズドシステムであると仮定すると、該抵抗加熱素子８１０からの熱は、各リチウムイオンバッテリセル５０６の該温度を、所定の閾値温度よりも高く上昇させるために、該バッテリモジュールシステム１００を介して放射することができる。好ましくは、抵抗加熱素子８１０は、各リチウムイオンバッテリセル７１０の周縁に近接して配置されている。以下でより詳細に述べるように、各バッテリセル７１０のための（図９に示すような）外側ケーシング７１６は、好ましくは、金属で構成され、およびより好ましくは、ニッケルめっきした炭素鋼で構成されるため、各リチウムイオンバッテリセル７１０のケースは、熱伝導性であり、および好ましくは、再充電する前に、各リチウムイオンバッテリセル７１０の該温度をより迅速に上昇させるための効率の良い熱伝導体である。

該抵抗加熱素子８１０に加えて、いくつかの実施形態は、該リチウムイオンバッテリセル５０６を該所定の閾値温度まで加熱するのに必要な時間を減らすような熱伝導性材料も利用してもよい。例えば、抵抗加熱素子８１０から該バッテリセル７１０を直接的に加熱するのを補助するために、（図９に示す）少量の該熱伝導性ギャップ充填材料７２６ｂまたは熱接着剤を、各該抵抗加熱素子８１０の上および／または下に配置してもよい。少量の該熱伝導性ギャップ充填材料７２６ｂをこのようにして配置することは、サーミスタ８１２によるリチウムイオンバッテリセル７１０の該温度の正確な測定を妨げる可能性が有る局所的な熱効果を低減するのにさらに役に立つ。該抵抗加熱素子８１０から該リチウムイオンバッテリセル５０６を直接的に加熱するための他の代替例は、サーマルグリース、または、記載されているような用途のための該熱伝導性ギャップ充填材料７２６ｂの湾曲したバージョンであるシート材料を含む。

抵抗加熱素子８１０によって生成された該熱の良好な循環を援助するために、いくつかの実施形態は、バッテリモジュール３００の該内部に配置された一つ以上のファンを含んでもよい。一つ以上のファンの追加は、各リチウムイオンバッテリセル７１０の該温度をより迅速に上昇させるように、抵抗加熱素子８１０によって生成された該熱の対流を発生させる。好ましくは、該一つ以上のファンは、加熱された空気を循環させるための最も効果的な位置に取付けられる。各ファンは、好ましくは、直径が約４０ミリメートル（ｍｍ）である。しかし、４０ｍｍよりも小さいファン、ならびに直径が６０ｍｍ，８０ｍｍ，１２０ｍｍさらには１４０ｍｍであるこれらのファン等のより大きなファンを含む他のサイズのファンが意図されている。一つ以上のファンの利用は、バッテリモジュール３００の該内部での該空気、ひいては熱、循環を最適化することができ、その結果、より少ない抵抗加熱素子８１０を要する可能性が有り、および／またはより小さな抵抗加熱素子８１０を使用することができる。

バッテリセル７１０の近傍で温度を測定するために、複数の温度センサ８１２がコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂ上に取付けられている。温度センサ８１２は、この明細書全体を通してサーミスタと呼んでいるが、当業者は、サーミスタ以外に、他の種類の温度センサを用いることができることを正しく認識するであろう。サーミスタ８１２は、ＢＭＳ７００とサーミスタ８１２が一緒に温度測定を行うように構成されるように、ＢＭＳ７００に電気的に接続されている。サーミスタ８１２はＢＭＳ７００とともに該バッテリモジュール３００の内部の温度読取りを行い、その結果、サーミスタ８１２からの感知された温度読取値がＢＭＳ７００に伝えられる。サーミスタ８１２は、リチウムイオンバッテリセル７１０に近接して配置されている。

図８Ｃおよび図８Ｄは、それぞれ、ＰＣＢＡ７２２の代替的な実施形態である、ＰＣＢＡ１７２２の平面図および底面図を示す。当業者は、モジュール３００が、ＰＣＢＡ７２２またはＰＣＢＡ１７２２のいずれかを組み込むことができることを理解するであろう。

図８Ｃを参照すると、ＰＣＢＡ１７２２の平面図が図示されている。ＰＣＢＡ１７２２は、コレクタプレート３５１ａ，３５１ｂと実質的に同じであるコレクタプレート１３５１と、ＢＭＳ７００と実質的に同じであるＢＭＳ１７００とを備えている。ＢＭＳ７００とコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂが三つの独立した部材になっているＰＣＢＡ７２２とは違って、ＢＭＳ１７００とコレクタプレート３５１は、単一の部材として一体化されている。コレクタプレート１３５１は、大きな開口部８０２と実質的に同じである大きな開口部１８０２と、符号８０３と実質的に同じである小さな開口部１８０３とを備えている。開口部８０２，８０３と同様に、大きな開口部１８０２は、二つのバッテリセル７１０に結合されて、該バッテリセルにアクセスできるようになっており、および小さな開口部１８０３は、一つのバッテリセル７１０に結合されて、該バッテリセルにアクセスできるようになっている。コレクタプレート１３５１は、結合パッド８０４ａ～８０４ｃと実質的に同じであるワイヤ結合パッド１８０４ａ～１８０４ｃを備えている。負極結合パッド１８０４ａ，１８０４ｂは、セル７１０の関連する負極ワイヤ７２５ａ，７２５ｂと結合されるように構成され、および正極結合パッド１８０４ｃは、該セル７１０の正極ワイヤ７２５ｃと結合されるように構成されている。各バッテリセル７１０に対して四つの結合位置８０４ａ～８０４ｄを備えているコレクタプレート３５１ａ，３５１ａとは違って、コレクタプレート１３５１は、各バッテリセル７１０に対して三つの結合位置１８０４ａ～１８０４ｃを備えている。

図８Ｄは、ＰＣＢＡ１７２２の底面図を示す。ＰＣＢＡ１７２２は、ヒータ８１０と実質的に同じである複数の抵抗加熱素子１８１０を備えている。六つの加熱素子１８１０が、各大きな開口部１８０２に近接しており、また、三つの加熱素子１８０が、各小さな開口部１８０３に近接している。したがって、この実施形態において、当業者は、各バッテリセル７１０が、三つの加熱素子１８１０に近接していることを理解するであろう。さらに、コレクタプレート１３５１は、サーミスタ８１２と実質的に同じである複数のサーミスタ１８１２を含む。各サーミスタは、バッテリセル７１０に近接している。

該図面は、各バッテリセル７１０が、二つまたは三つの加熱素子８１０，１８１０に結合されていることを示しているが、当業者は、この開示の他の実施形態に従って、各バッテリセル７１０を、おおよそ二つまたは三つの加熱素子８１０，１８１０に結合することができることを正しく認識するであろう。

図９は、モジュール３００内の定位置における単一のバッテリセル７１０の断面図を示す。前述したように、バッテリセル７１０とその他のコンポーネントは、保護エンクロージャ３２０およびカバー３２１によって包囲されている。バッテリセル７１０の上には、プラスチックバッテリトレー７２０ａがある。バッテリセル７１０の該上部と上部のバッテリトレー７２０ａとの間には、接着剤７２１ａが使用されている。同様に、該上部のバッテリトレー７２０ａとコレクタプレート３５１ｂとの間には、接着剤７２１ｂが塗布されている。好ましくは、これらの接着剤７２１ａ，７２１ｂの各々は、構造用接着剤である。さらに、好適な実施形態において、接着剤７２１ａ，７２１ｂは導電性ではない。各接着剤７２１ａ，７２１ｂは、ウレタンベースの接着剤、アクリル系接着剤、または、同様の機能をもたらす別の種類の接着剤であってもよい。バッテリセル７１０の該底部と、底部のバッテリトレー７２０ｂとの間には、接着剤７２１ｃが塗布されている。さらに、バッテリセル７１０の該底部と、エンクロージャ３２０との間には、熱伝導性ギャップ充填材料７２６ａが用いられている。該ギャップ充填材料７２６ａは、熱を該バッテリセルから該エンクロージャ３２０へ伝達できるようになっているため、該熱は、各バッテリセル７１０から伝達して放散させることができる。前述したように、好適な実施形態において、エンクロージャ３２０は、アルミニウムで形成され、この熱伝導性材料は、バッテリセル７１０からモジュール３００の外部へ熱を放散させる際に有効である。好適な実施形態において、ギャップ充填材料７２６ａ，７２６ｂは、シリコーンベースの材料である。具体的には、好適な実施形態において、ギャップフィラー材料７２６ａ，７２６ｂは、樹脂および硬化剤から成る二成分熱伝導性シリコーン系である、ＣｏｏｌＴｈｅｒｍ（登録商標）ＳＣ－１６００熱伝導性シリコーンギャップフィラーであり、および３．７ワット／メートルケルビンという値の熱伝導率を有する。ギャップフィラー材料７２６ａ，７２６ｂ、具体的には、ＣｏｏｌＴｈｅｒｍ（登録商標）ＳＣ－１６００は、図９に示すように、アプリケータガンまたはＸＹロボットディスペンサテーブルを用いて、バッテリセル７１０の該端部に塗布することができ、および室温で二十四時間で、または、１００℃で三十分で硬化させることができる。

前述したように、各バッテリセル７１０は、ＰＣＢコレクタプレート３５１ｂにワイヤ結合されている。図９は、正極ワイヤ７２５ｃと、二つの負極ワイヤ７２５ａ，７２５ｂが、開口部８０３を通して、ＰＣＢコレクタプレート３５１ｂの該上部にワイヤ結合されていることを示している。正極ワイヤ７２５ｃは、バッテリセル７１０の正極端子７１２に接続されている。正極端子７１２は、バッテリセル７１０の該上端部の中心部に配設されている。負極ワイヤ７２５ａ，７２５ｂは、バッテリセル７１０の負極端子７１４に接続されている。負極端子７１４は、バッテリセル７１０の該上端部の外側周囲隆起縁部に沿って配設されている。図９は、ＰＣＢコレクタプレート３５１ｂおよび開口部８０３と結合されたバッテリセル７１０を示しているが、当業者は、図９に開示されていることに従って、各バッテリセル７１０が、該結合されているＰＣＢコレクタプレート３５１ａ，３５１ｂおよび開口部８０２，８０３とともに組み付けられていることを理解するであろう。

バッテリセル７１０の該底部に配置されることに加えて、および前述したように、熱伝導性材料７２６ｂは、バッテリセル７１０とＰＣＢコレクタプレート３５１ｂとの間のバッテリセル７１０の上端部にも配置されている。具体的には、伝導性材料７２６ｂは、バッテリセル７１０の端部の該上部と、ＰＣＢコレクタプレート３５１ｂの加熱素子８１０を接触させるように配置されている。それに応じて、熱伝導性材料７２６ｂは、ＰＣＢコレクタプレート３５１ｂとバッテリセル７１０との間で熱を伝達するように構成されている。具体的には、熱伝導性材料７２６ｂは、加熱素子８１０によって生成された熱をバッテリセル７１０に効率的に伝達するように構成されている。

さらに、図９に図示されているように、開口部８０２，８０３の場合、サーミスタ８１２に近接して、熱伝導性材料７２６ｂが、バッテリセル７１０の該上部とサーミスタ８１２との間に配置されている。この構成の場合、バッテリセル７１０へのその近接に加えて、サーミスタ８１２は、熱伝導性材料７２６ｂを介した、セル７１０とのその熱接続により、セル７１０に関するより正確な温度の示度を得ることができる。

バッテリセル７１０は、熱伝導性材料で構成された外側ケーシング７１６を有している。外側ケーシング７１６は、バッテリセル７１０とギャップフィラー７２６ａ，７２６ｂとの間で熱を伝達するように構成されている。具体的には、外側ケーシング７１６は、バッテリセル７１０によって生成された熱を、エンクロージャ３２０に接触している下方のギャップフィラー７２６ａに伝達するように構成されている。したがって、ケーシング７１６の該熱伝導特性は、バッテリセル７１０によって生成された熱を、モジュール３００の外部へ伝達するのを援助する。さらに、外側ケーシング７１６は、加熱素子８１０によって生成された熱を、該バッテリセル７１０全体に伝達するように構成されている。したがって、以下でさらに詳細に述べるように、寒冷状況においては、ケーシング７１６の該熱伝導特性は、加熱素子８１０からバッテリセル７１０への熱の伝達を援助する。さらに、ケーシング７１６の熱伝導特性により、サーミスタ３１２は、バッテリ７１０に関するより正確な温度の示度を集めることができる。好適な実施形態において、ケーシング７１６は、金属材料、例えば、ニッケルめっきした炭素鋼等から成る。

図８Ａに戻って説明すると、ＢＭＳ７００は、セル電圧、電流および温度を含むように、該モジュール３００の状態を監視する。モジュール３００の該バッテリセル７１０は、ワイヤ結合を介して直列および並列に接続され、最終的には、一体化されたＢＭＳ７００に終端される。該ワイヤ結合は、テスラ社の超音波摩擦溶接法と同様の方法を用いて完了される。図示されている該開口部８０２，８０３は、該バッテリセル７１０を該ＰＣＢ７２２にワイヤ結合するのに用いられている。ワイヤ７２５ａ，７２５ｂ，７２５ｃは、ＰＣＢＡ７２２内の各開口部８０２，８０３を通って、該ＰＣＢ７２２および該バッテリセル７１０の両方に結合されている。この場合、該ＰＣＢＡ７２２は、該バッテリモジュール３００の該内部を通して該電流を直接的に伝達するのに用いられる。該ワイヤ結合７２５ａ，７２５ｂ，７２５ｃの利用は、一つのバッテリセル７１０が誤作動した場合に、他のセルが依然として該ＰＣＢＡ７２２に接続されているために、該バッテリモジュール３００全体が故障するのを防ぐ。

充電管理システムインテグレーション
図１０Ａは、八つのバッテリモジュール３００ａ～３００ｈが互いに並列におよびＢＯＳＳ６００と接続されている充電管理システムを示す概略図である。どの特定の時点においても、各バッテリモジュール３００ａ～３００ｈは、特に、該モジュールの電荷が、該フォークリフトに電力を供給する際の用途によって流出する際に、異なる充電の状態を有する可能性がある。該「充電の状態」は、該モジュール３００ａ～３００ｈが現在有する充電の割合として定義される。各モジュール３００ａ～３００ｈは、バッテリ容量または初期充電レベルの違いにより、異なる初期電圧になっていてもよい。

ＢＯＳＳ６００は、該モジュール３００ａ～３００ｈのためのバッテリ管理システムとして作用することが必要である。しかし、ＢＯＳＳ６００の該制御の場合、一つのモジュールにおける該電圧が他のモジュールの電圧を超えるこのような状況においては、より低い電圧のバッテリモジュールが、より高い電圧のモジュールから、接続部の、セル、バスバーおよび結合ワイヤの抵抗によってのみ制限されるであろう該より低い電圧のモジュールへ電流を引き込むであろう。電圧の大きな差は、より低い電圧を有する該バッテリモジュールへの大きな電流を引き起こすであろう。該モータへの該電流は、該バッテリアセンブリ１０からフォークリフト１３０へ流れるのではなく、バッテリモジュール３００間に電流が流れる際に低減されるため、これらの状況は望ましくない。大きな電流が長時間維持される場合、または、電圧の相違が、該結合ワイヤの能力を処理するよりも高い電流を生成するのに十分に大きい場合も、該バッテリから電流を急速に流すことにより、または、該結合ワイヤを開くことにより、バッテリの不具合につながる可能性がある。

前述したように、ジャンクションブロック３０４は、該モジュール３００ａ～３００ｈがそれらに接続される、アセンブリ正極バスバー９０１およびアセンブリ接地バスバー９０２を備えている。図１０Ａに示すように、いくつかの実施形態において、モジュール３００ａ～３００ｈは並列に接続され、モジュール３００ａ～３００ｈの負極端子３１０は、ケーブル３０５を介してバスバー９０２を接地するように接続され、また、モジュール３００ａ～３００ｈの正極端子３１１は、ケーブル３０５を介して正極バスバー９０１に接続されている。前述したように、ＢＯＳＳ６００は、該モジュール３００ａ～３００ｈに信号を送信することにより、どのバッテリモジュールが該バスバーに電気的に内部接続されているかを、およびどのモジュール３００ａ～３００ｈが切り離されているかを判断するために、バッテリモジュール３００ａ～３００ｈに許可を与える。そして、モジュール３００ａ～３００ｈは、マルチゲート電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）スイッチ９０３ａ～９０３ｄを用いて、モジュール３００ａ～３００ｈを正極バスバー９０１と接続し、およびモジュール３００ａ～３００ｈを正極バスバー９０１から切り離す。当業者は、ＭＯＳＦＥＴスイッチ９０３ａ～９０３ｄは、該モジュール３００ａ～３００ｈを正極バスバー９０１と接続し、および該モジュールを該正極バスバーから切り離すために記載されているが、本開示の他の実施形態においては、ＭＯＳＦＥＴスイッチタイプの代わりに、他の種類の電気的スイッチを用いることができることを理解するであろう。

ここでは、モジュール３００ｄは、単に実施例として以下の説明において用いられていること、および各モジュール３００ａ～３００ｈは、配線されて、同じ方法で用いられていることを理解すべきである。該ＢＯＳＳモジュール６００と、該モジュール３００ａ～３００ｈとの間の情報のやり取りは、ワイヤハーネス３０３によって実現される。（点線で示す）ワイヤハーネス３０３のアームは、それらそれぞれの６ピン電気コネクタ４７０を介して該バッテリモジュール３００ａ～３００ｈの各々に接続し、および車両のバス９２０を介してＢＯＳＳ６００に接続している。各６ピン電気コネクタ４７０のうちの五つのピンは、一つのスペアピンが現在は利用されていないが、後に用いられる可能性がある状態で「分離」されている。「ピン」という用語は、ここでは、ワイヤハーネス３０３におけるそれらそれぞれのピンに対応する該ワイヤを説明する場合にも用いられるものとする。該分離されたピンは、分離されたワイヤハーネス３０３の一部としてグループ化される。当業者は、「分離された」は、ガルバニック絶縁を指すことを理解するであろう。主電源から該分離されたワイヤハーネス３０３を隔離するために、変圧器およびディジタルアイソレータが用いられている。電気的短絡が該分離されたワイヤハーネス３０３で起きた場合、該システムの該回路の残りの部分に対するダメージのリスクはない。該分離されたワイヤハーネス３０３は、モジュール３００ｄに接続された上方の点線で示されている。分離されたワイヤハーネス３０３は、該車両のバス９２０にも接続されている。モジュール３００ｄが該ＢＯＳＳモジュール６００に接続された場合、プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗は、該ＢＯＳＳ６００が該モジュールを検出することを可能にする。一旦、検出されると、特定の周波数のパルストレインが該ＢＯＳＳ６００から該バッテリモジュール３００ｄへ伝送され、このことが、該モジュール３００ｄのためのＣＡＮアドレスを定義する。モジュール３００ｄとＢＯＳＳモジュール６００との間の情報のやり取りのための二つのピンがあり、具体的には、ＣＡＮ ＨＩピンと、ＣＡＮ ＬＯピンがある。そして、分離されたワイヤハーネス３０３上には、一つの接地ピンがある。一旦、アドレスおよび通信が確立されると、該ＢＯＳＳモジュール６００は、該バスバー９０１に接続するために、モジュール３００ｄに許可を与えることができる。

該ＢＯＳＳモジュール６００の重要性の実例は、フォークリフトの連続動作中に、および一つのモジュール３００ｄが故障したときに理解することができる。該故障が存続している間、モジュール３００ｄの該充電の状態は変わらないが、その他の該モジュールの充電状態は変わることになる。一旦、該故障がクリアされると、モジュール３００ｄは、始動準備ができるであろうが、充電の状態の違いによっては、そうすることができないであろう。該ＢＯＳＳは、該モジュールが、高い充電状態で該バスに係合することを可能にし、また、一旦、それらの充電の状態が、取り残されたモジュール３００ｄに対して再調整されると、該取り残されたモジュール３００ｄには、始動する許可が与えられるであろう。例えば、積荷を運搬し、および坂を上がるフォークリフトは、多くの電流を必要とするであろう。該ＢＯＳＳモジュール６００は、モジュール３００の該バスバーからの切断および該バスバーとの接続を制御しない。ＢＯＳＳモジュール６００は、該モジュール３００が接続および切断することができる状態に対してだけ、該モジュールに許可を与える。各モジュール３００ａ～３００ｈは、内部ＭＯＳＦＥＴスイッチ９０３ａ～９０３ｈを用いて、該モジュール３００ａ～３００ｈから該バスバー９０１、９０２への回路接続を迅速に開閉する。一旦、十分に充電されたモジュール３００ｄが接続されると、より低い充電状態にあるモジュール３００を切断することができる。例えば、モジュール３００ｆが６０％であり、およびその他のモジュール３００が８０％を超えている場合、モジュール３００ｆは切断され、該他の充電状態が約６０％まで低下すると、単に再接続することになる。

少なくともこれらの理由のため、ＢＯＳＳモジュール６００は、ネットワーク化されている限り、各モジュール３００ａ～３００ｈの該充電状態を監視するように設計され、およびある閾値を超えて変化するモジュール３００ａ～３００ｈに対して、切断するように許可を与えるであろう。このことは、該フォークリフトが、パフォーマンスを妨げることなく動作を続行することを可能にする。好適な実施形態においては、３６Ｖのバッテリモジュール３００ａ～３００ｈが使用されるが、代替的な実施形態は、該特定のリフトトラックの必要性により、さまざまな電圧を用いることができる。いくつかの実施形態において、モジュール３００ａ～３００ｈは、２４Ｖまたは４８Ｖのモジュールとすることができる。

図１０Ｂは、直列・並列構成で配列された、総数で八つのモジュール３００ａ～３００ｈを有する代替的な実施形態の概略図であり、四つのモジュール３００から成る二つの群が並列に配列され、およびそれらの並列の群は、個々のモジュールの電圧の二倍のシステム電圧を実現するように直列に配置されている。具体的には、モジュール３００ａ～３００ｄの正極端子３１１は、正極バスバー９０１に接続され、およびモジュール３００ｅ～３００ｈの負極端子は、接地バスバー９０２に接続されている。モジュール３００ａは、モジュール３００ｅと直列に接続され、モジュール３００ｂは、モジュール３００ｆと直列に接続され、モジュール３００ｃは、モジュール３００ｇと直列に接続され、そして、モジュール３００ｄは、モジュール３００ｈと直列に接続されている。当業者は、ＢＯＳＳ６００とＢＭＳ７００ａ～７００ｈが、該本開示の上述した図１０Ａに従って、バスバー９０１，９０２への各モジュール３００ａ～３００ｈの接続を制御することができることを理解するであろう。

バッテリモニタリングシステムアーキテクチャの他の代替的な実施形態は、本発明の範囲内で意図されている。一つの実施形態において、各バッテリモジュールは、一つのみのディジタルアイソレータと、マルチセルバッテリスタックモニタとを備えたスレーブＰＣボードを含んでいる。各モジュールは、マイクロコントローラと、ＣＡＮインタフェースと、ガルバニック絶縁変圧器とを有するマスターコントローラボードに対する独立したインタフェース接続を有する。該マスターコントローラボードは、該フォークリフトの主ＣＡＮバスにゲートウェイを提供するのに加えて、モジュールの温度、電圧および係合／解放を一元的に管理する。

別の代替的な実施形態において、各マルチセルバッテリスタックモニタ（multi-cell battery stack monitor：ＭＢＳＭ）は、各バッテリモジュール内のＰＣボード上にある。また、ＢＭＳ７００は、ＣＡＮトランシーバおよびガルバニック絶縁変圧器も含む。各モジュールは、該ＭＢＳＭ非絶縁シリアルインタフェースを介して情報をやり取りする。この構造は、バッテリモジュール間に接続される３または４導体ケーブルを必要とする。一つのマイクロコントローラだけが、該底部モニタ集積回路を介してすべての該バッテリモニタを制御する。また、このマイクロコントローラは、該フォークリフトの主ＣＡＮバスに対する該ゲートウェイとしても作用する。

別の実施形態は、該バッテリモジュールのいずれの中にも、モニタリングおよび制御回路を有していない。一つのＰＣボードは、各々が一つのバッテリモジュールに接続されている、（三つのモジュールに対して）三つのＭＢＳＭ集積回路を有している。該ＭＢＳＭデバイスは、非絶縁シリアルインタフェースを介して、情報をやり取りすることができる。一つのマイクロコントローラは、該シリアルインタフェースを介して、すべての該バッテリモニタを制御し、および該フォークリフトの主ＣＡＮバスに対する該ゲートウェイである。先行して開示した実施形態と同様に、ＣＡＮトランシーバおよびガルバニック絶縁変圧器は、該ＢＭＳを完全にする。

図１１は、モジュール３００ａ～３００ｈとバスバー９０１、９０２を電気的に接続するための、および該モジュールを該バスバーから切断するための方法１１００を示すフローチャートである。方法１１００は、ブロック１１０２において、バッテリセル７１０の作動情報を判断することによって始動することができる。具体的には、各ＢＭＳ７００ａ～７００ｈは、それらそれぞれのセルアレイ３２２ａ～３２２ｈのバッテリセル７１０の作動情報を判断することができる。作動情報は、例えば、電圧レベル、電流レベル、充電レベルのパーセントおよびバッテリセル温度を含む、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈおよびそれらそれぞれのバッテリセル７１０の動作に関連する何らかの情報を含むことができる。

方法１１００は、ブロック１０１４において、取得した作動情報が、所定の動作要件と一致するか否かを判断することによって続行することができる。該所定の動作要件は、他のモジュール３００ａ～３００ｈおよびバスバー９０１、９０２に電気的に接続されるために、モジュール３００ａ～３００ｈが適合し、それによってフォークリフト１３０を作動させるための電力を供給しなければならない閾値要件とすることができる。例えば、いくつかの実施形態において、ＢＭＳ７００ａ～７００ｈは、そのそれぞれのセルアレイ３２２ａ～３２２ｈの該取得した動作情報が、電圧レベル要件、充電レベルのパーセント要件、および／または温度要件に適合するか否かを判断することができる。該所定の動作要件は、フォークリフト１３０のバッテリセルタイプおよびパフォーマンス測定等のさまざまな要因に従って、フォークリフト１３０のオペレータにより、ＢＭＳ７００ａ～７００ｈおよび／またはＢＯＳＳ６００にプログラムすることができる。

いくつかの実施形態に従って、ブロック１１０４において、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈの該動作情報が所定の要件に適合するか否かを判断することは、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈのうちの一つの動作情報を、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈのうちの他のセルアレイと比較して、該比較した動作情報が、許容できる所定の範囲内にあるか否かを判断することを含む。例えば、前述したように、ＢＯＳＳ６００は、ＢＭＳ７００ａ～７００ｈと情報をやり取りして、一つのセルアレイ３２２ａ～３２２ｈが、他のセルアレイ３２２ａ～３２２ｈの該充電レベルの所定の範囲内の充電レベルを有しているか否かを判断することができる。この点を例示するために、充電レベルの該所定の範囲は、１０％に設定することができる。一つのセルアレイ３２２ａ～３２２ｈは、６５％の充電レベルにすることができ、該他のセルアレイ３２２ａ～３２２ｈは８０％にされる。ＢＯＳＳ６００は、６５％の充電レベルにある該セルアレイ３２２ａ～３２２ｈが、該他のセル３２２ａ～３２２ｈの該所定の１０％の充電範囲から外れており、従って、該所定の要件に適合していないことを判断するであろう。

ブロック１１０４における、該取得した動作情報が該所定の動作要件に適合しているという判断に応じて、該方法は、ブロック１１１２において、モジュール３００ａ～３００ｈをバスバー９０１，９０２に電気的に接続することによって続行することができる。具体的には、ＢＭＳ７００ａ～７００ｈは、ＭＯＳＦＥＴ９０３ａ～９０３ｈを閉じて、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈを、および実質的には、モジュール３００ａ～３００ｈの該正極端子３１１を正極バスバー９０１に電気的に接続することができる。ブロック１１１２の前で、ＭＯＳＦＥＴ９０３～９０３ｈが既に閉じられ、それによって、モジュール３００ａ～３００ｈが既にバスバー９０１，９０２に接続されている場合には、該ＭＯＳＦＥＴ９０３～９０３ｈは、ブロック１１１２において、閉じたままの状態にすることができる。いくつかの実施形態において、ブロック１１０４において、ＢＯＳＳ６００が、前述したように、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈの動作情報を他のセルアレイ３２２ａ～３２２ｈと比較している場合、ＢＯＳＳ６００は、ＢＭＳ７００ａ～７００ｈと情報をやり取りして、該実行した比較に基づいて、そのそれぞれのＭＯＳＦＥＴ９０３～９０３ｈを閉じることができる。

ブロック１１０４における、該取得した動作情報が該所定の動作情報に適合しないという判断に応じて、該方法は、モジュール３００ａ～３００ｈを切断することによって、ブロック１１０６を続行することができる。具体的には、ＢＭＳ７００ａ～７００ｈは、ＭＯＳＦＥＴ９０３ａ～９０３ｈを開いて、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈを、および実質的には、モジュール３００ａ～３００ｈの該正極端子３１１を正極バスバー９０１から電気的に切断することができる。ブロック１１０６の前で、ＭＯＳＦＥＴ９０３～９０３ｈが既に開かれており、ひいてはモジュール３００ａ～３００ｈが既にバスバー９０１、９０２から切断されている場合には、ブロック１１０６において、該ＭＯＳＦＥＴ９０３～９０３ｈは、開いたままの状態にすることができる。いくつかの実施形態において、ブロック１１０４において、ＢＯＳＳ６００が、前述したように、セルアレイ３２２ａ～３２２ｈの動作情報を他のセルアレイ３２２ａ～３２２ｈと比較している場合、ＢＯＳＳ６００は、ＢＭＳ７００ａ～７００ｈと情報をやり取りして、該実行した比較に基づいて、そのそれぞれのＭＯＳＦＥＴ９０３～９０３ｈを閉じることができる。

該方法は、該モジュール３００ａ～３００ｈがバスバー９０１、９０２から切断されている間に、動作情報を取得することによって、ブロック１１０６からブロック１１０８へ継続することができる。該動作情報の取得は、ブロック１１０２で説明した該取得と実質的に同じにすることができる。

該方法は、ブロック１１１０において、ブロック１１０８から継続することができ、該方法は、モジュール３００ａ～３００ｈがバスバー９０１、９０２から切断されているときに行われた該取得した動作情報が、該所定の動作要件に適合するか否かを判断することができる。ブロック１１１０において実行された該判断は、ブロック１１０４において実行された該判断と実質的に同じにすることができる。

ブロック１１１０における、該取得した動作要件が該所定の動作要件に適合するという判断に応じて、該方法は、前述したように、該切断されたモジュール３００ａ～３００ｈをバスバー９０１，９０２に接続することができるというブロック１１１２を継続することができる。ブロック１１１０における、該取得した動作要件が該所定の動作要件に適合しないという判断に応じて、該方法は、ブロック１１０８に戻って、該動作情報が該所定の動作要件に適合するまで、動作情報を取得することを続けることができる。

方法１１００のブロック１１０２～１１１２は、特定の順序で行われるものとして記載されているが、当業者は、ブロック１１０２～１１１２は、この開示の該範囲から逸脱することなく、さまざまな順序に従って実行することができることを理解するであろう。さらに、当業者は、この開示の該範囲から逸脱することなく、方法１１００にステップを追加することができ、または、該方法からステップを取り除くことができることを理解するであろう。

当業者は、方法１１００をバッテリアセンブリ１００を用いて実施することができるさまざまなシナリオを理解するであろう。例えば、方法１１００は、前述したように、モジュール３００ａ～３００ｈの充電レベルを比較するために、およびモジュール３００ａ～３００ｈを低い充電レベルで切断するために適用することができる。

また、方法１１００は、該バッテリセルが、特定の電圧レベル以下に放電されたときに起きるダメージからバッテリセル７１０を保護するように実施することもできる。好適な実施形態において、各バッテリセル７１０は、３．６５Ｖという十分に充電された電圧を有し、および２．５Ｖ以下へのバッテリセル７１０の放電は、バッテリセル７１０に対してダメージを引き起こす可能性がある。多数の安全要因を含むように、ＢＯＳＳ６００および／またはＢＭＳ７００ａ～７００ｆは、バッテリセル７１０が、２．５Ｖという望ましくない出力をわずかに超えている、２．７Ｖの出力を有している場合に、バッテリセル７１０が０％充電になっていることを認識するように設定される。さらに、ＢＯＳＳ６００および／またはＢＭＳ７００ａ～７００ｆは、該モジュール３００ａ～３００ｈの該バッテリセル７１０が７％充電になっていることを検出したことに応じて、モジュール３００ａ～３００ｈのＭＯＳＦＥＴスイッチ９０３ａ～９０３ｈを開いて、該モジュール３００ａ～３００ｈを該バスバー９０１，９０２から切断するように構成されている。したがって、該バッテリセル７１０は、該セル７１０を損傷させる時点までさらに放電されることが阻止される。

充電する前にバッテリセルを加熱する方法
図１２Ａは、該バッテリセル７１０の推定された温度が温度閾値以下である場合に、バッテリアセンブリ１０を電源２００を用いて再充電する前に、各バッテリモジュール３００の内部を加熱して、該関連するリチウムイオンバッテリセル７１０の該温度を上げるための方法１２００を示すフローチャートである。本願明細書に記載されているいくつかの実施形態において、該方法１２００は、そのそれぞれのバッテリモジュール３００の各ＢＭＳ７００によって実行することができる。しかし、他の実施形態では、方法１２００は、すべてのモジュール３００に対してＢＯＳＳ６００によって実行することができる。該温度閾値は、０℃と５℃の間に設定することができる。該方法は、ブロック１２０２で始めることができる。いくつかの実施形態において、該方法は、ブロック３００において、ＢＭＳ７００が、電源２００から入って来る電荷を検出し、外部電源２００による充電プログラムの開始を指摘することによって始めることができる。

該方法は、ブロック１２０４において、バッテリセル２１０の温度を判断することによって続行することができる。ＢＭＳ７００は、連続的に測定される、リチウムイオンバッテリセル７１０に近接するサーミスタ８１２からの温度測定値を用いて、該バッテリセル７１０の温度を判断する。別法として、該温度測定値は、断続的に測定してもよい。前述したように、熱伝導性材料７２６ｂは、各サーミスタ８１２を、対応するバッテリセル７１０に接続し、それによって、該セル７１０の該温度の示度と、ブロック１２０４において、セル温度がそれによって判断されるモデルとを改善する。ＢＭＳ７００は、バッテリセル７１０に近接して取り込まれたサーミスタ８１２から該温度の示度を取得して、計算モデルにおいて該温度の示度を用いて、バッテリセル７１０の該温度を推定するように構成されている。実際の温度の示度をバッテリセル７１０の内部から回収することは実際的ではなく、およびＢＭＳ７００は、バッテリセル７１０の該温度を推定するために、フィラー材料７２６ｂを介してバッテリセル７１０に接触しているサーミスタ３１２を用いて温度の示度を取得するため、ＢＭＳ７００によって判断されたバッテリセル７１０の該温度は、推定されたバッテリ温度と呼ぶことができる。バッテリセル７１０の該温度を推定する際、ＢＭＳ７００は、バッテリセル７１０の該温度に関連する多数の異なる因子を考慮する温度計算モデルを組み込んでもよい。

該方法は、ブロック１２０６において、ＢＭＳ７００によって、ブロック１２０４で推定された、該バッテリセル７１０の該推定された温度が、所定の閾値温度を超えているかまたは下回っているかを判断することによって継続することができる。該所定の閾値は、バッテリセル７１０の温度特性および充電特性により、ユーザによってプログラムされる閾値温度とすることができる。バッテリセル７１０は、凍結しているとき、または、凍結温度に近いときにダメージを受ける可能性がある。したがって、いくつかの実施形態においては、該閾値温度は、該バッテリセルが、凍結温度または凍結温度以下で充電されないことを確実にするために、０℃と５℃の間にすることができる。

ブロック１２０６における、該バッテリ温度が該閾値温度を超えているという判断に応じて、該方法は、ブロック１２１４において、バッテリセル７１０の充電プログラムを開始することによって継続することができる。充電プログラムの間、ＢＭＳ７００は、該外部電源２００から入って来る電荷をバッテリセル７１０へ向けてバッテリセル７１０を充電することができる。前述したように、バッテリセル７１０は、充電が、凍結温度以下または凍結温度近くで（０℃～５℃）行われる場合に、ダメージを受ける可能性がある。したがって、該バッテリ温度が、保護閾値を超えていると判断された場合、バッテリセル７１０は、セル７１０にダメージを与える恐れを伴うことなく充電することができる。

ブロック１２０６における、該バッテリ温度が該所定の閾値温度以下であるという判断に応じて、該方法は、ブロック１２０８において、加熱プログラムを開始することによって継続することができる。該加熱プログラムの間、ＢＭＳ７００は、電源からの電力を抵抗加熱素子８１０へ向けて、該バッテリモジュール３００および関連するバッテリセル７１０の内部温度を上昇させることができる。いくつかの実施形態において、ＢＭＳ７００は、外部電源２００から入って来る電力を該加熱素子８１０に向ける。いくつかの実施形態において、ＢＭＳ７００は、バッテリセル７１０からの電力を加熱素子８１０に向ける。

該方法は、ブロック１２１０において、該加熱プログラム中に、該バッテリセルの該温度を判断することによって継続することができる。該バッテリセルの該温度は、ブロック１２０４において説明したのと実質的に同じ手法を用いて判断することができる。

該方法は、ブロック１２１２において、該加熱プログラム中のバッテリセル７１０の該温度が、所定の閾値温度を超えているかまたは下回っているかを判断することによって継続することができる。ブロック１２１２において判断を行うための該手法は、ブロック１２０６において、該同じ判断を行うために実行される該手法と実質的に同じとすることができる。ブロック１２１２における、バッテリセル７１０の該温度が所定の閾値温度を超えているという判断に応じて、該方法は、ブロック１２１４において継続することができ、ＢＭＳ７００は、前述したように、該充電プログラムを開始することができる。該ＢＭＳ７００は、ブロック１２１４において、該充電プログラムを開始する前に、該加熱プログラムを停止する。ブロック１２１２における、バッテリセル７１０の該温度が該所定の閾値温度以下であるという判断に応じて、該方法は、ブロック１２１０に戻って継続することができ、ＢＭＳ７００は、バッテリセル７１０の該温度が、該所定の閾値を超えていると判断されるまで、該加熱プログラム中の該バッテリセル７１０の該温度を判断することを継続することができる。

方法１２００のブロック１２０２～１２１４は、特定の順序で行われるように記載されているが、当業者は、ブロック１２０２～１２１４を、この開示の該範囲から逸脱することなく、さまざまな順序で実行することができることを理解するであろう。さらに、当業者は、この開示の該範囲から逸脱することなく、ステップを、方法１２００に追加することができ、または、方法１２００から取り除くことができることを理解するであろう。

バッテリセルを冷却する方法
図１２Ｂは、バッテリセル７１０を冷却する方法１２５０を示すフローチャートである。方法１２５０は、ブロック１２５２において、バッテリセル７１０の温度を判断することによって開始することができる。バッテリセル７１０の該温度は、ブロック１２１０および１２０４において前述したのと実質的に同じ方法で、サーミスタ８１２からの温度の示度を用いて、ＢＭＳ７００によって判断することができる。ブロック１２５２において、セル７１０の該温度は、フォークリフト１３０が作動中で使用されており、およびバッテリセル７１０が、フォークリフト１３０の動作に電力を供給するのに使用されている間に判断することができる。

方法１２５０は、ブロック１２５４において、該セル７１０の該温度が閾値温度を超えているか否かを判断することによって継続することができる。ＢＭＳ７００は、バッテリセル７１０の該温度が、フォークリフト１３０またはバッテリアセンブリ１０のオペレータによって設定された所定の閾値温度とすることができる所望の作動温度を超えているか否かを判断することができる。例えば、いくつかの実施形態においては、バッテリセル７１０が、温度３５℃で、または３５℃を超えて作動することは望ましくないため、該所定の閾値温度は、３５℃に設定することができる。いくつかの実施形態において、各ＢＭＳ７００は、ブロック１２５２で判断された、バッテリセル７１０の該推定された温度をＢＯＳＳ６００へ送り、そして、ＢＯＳＳ６００は、各モジュール３００のバッテリセル７１０の該温度が該所定の閾値温度を超えているか否かを判断する。

いくつかの実施形態において、該閾値温度は、ＢＯＳＳ６００により、該周囲温度に関連して設定される。ＢＯＳＳ６００は、ＢＯＳＳ６００の温度センサを用いて、該周囲温度を測定するように構成されている。ＢＯＳＳ６００は、バッテリセル７１０の該閾値温度が、該測定した周囲温度を特定の範囲だけ超える任意の温度であるようにプログラムすることができる。例えば、ＢＯＳＳ６００は、該測定した周囲温度を５℃超える温度になるように、該閾値温度を設定するようにプログラムすることができる。この点を例示するために、ブロック１２５２において、バッテリセル７１０の温度が３０℃になると推定された場合、およびＢＯＳＳ６００が、該周囲温度が２５℃であることを測定した場合には、該バッテリセル７１０の温度が、該周囲温度よりも５℃高いため、ＢＯＳＳ６００は、ブロック１２５４において、該推定されたバッテリセル７１０の温度が該所定の閾値を超えていると判断することになる。いくつかの実施形態において、ＢＯＳＳ６００は、所定の閾値温度（すなわち、上述したような、３５℃という所定の閾値温度）または、該周囲温度に関連する閾値（すなわち、該測定した周囲温度よりも５℃高い温度）のいずれかを上回っている場合、該バッテリセル７１０の温度が該閾値を超えていると判断することができる。ブロック１２５４における、バッテリセル７１０の該温度が該閾値温度よりも低いという判断に応じて、方法１２５０は、ブロック１２５２に戻って、バッテリセル７１０の該温度を判断することを継続することができる。

ブロック１２５４における、バッテリセル７１０の該推定された温度が該閾値温度以上であるという判断に応じて、方法１２５０は、ブロック１２５６に戻って、冷却ファン１０６を作動させることによって継続することができる。いくつかの実施形態において、冷却ファン１０６の作動は、ＢＯＳＳ６００によって実行することができる。いくつかの実施形態において、ＢＯＳＳ６００は、それぞれのバッテリセル７１０が、該閾値を超えているか、または下回っているかに関する、該モジュール３００の各々の該ＢＭＳ７００からの情報を受取ることができる。他の実施形態では、上述したように、ＢＯＳＳ６００は、該判断された温度が該閾値を超えているか否かを判断することができる。ＢＯＳＳ６００は、ブロック１２５４で行われた該判断に従って、ファン１０６を作動させることができる。すべてよりも少ないモジュール３００が、該所定の温度を超えるバッテリセル７１０を有している場合、ＢＯＳＳ６００は、すべてのファン１０６を作動させることができ、または、すべてよりも少ない該ファン１０６を作動させることができる。すべてのモジュール３００が、該所定の温度を超えているバッテリセル７１０を有している場合、ＢＯＳＳ６００は、すべてのファン１０６を作動させることができる。ファン１０６を作動させた後、方法１２５０は、ブロック１２５８において、ファン１０６が作動されている間に、バッテリセル７１０の該温度を判断することによって継続することができる。バッテリセル７１０の該温度は、ブロック１２５８において、ブロック１２５２で判断されるのと実質的に同じ方法で判断することができる。

方法１２５０は、ブロック１２６０において、該バッテリセル７１０の該温度が依然として該閾値温度を超えているか否かを判断することによって継続することができる。ブロック１２６０における該判断は、ブロック１２５４において行われたのと実質的に同じ方法で実行することができる。ブロック１２６０における、バッテリセル７１０の該温度がもはや該閾値温度以上ではないという判断に応じて、方法１２５０は、ブロック１２６２において、ファン１０６の動作を停止させることによって継続することができる。該異なるＢＭＳ７００とのその情報のやり取りに従って、ステップ１２５６において該ファンを作動させるＢＯＳＳ６００と同様に、ＢＯＳＳ６００は、ＢＭＳ７００とのその情報のやり取りに従って、ファンの動作を停止させることができる。ブロック１２６０における、バッテリセル７１０の該温度が依然として該閾値温度を超えているという判断に応じて、該方法は、ファン１０６を作動させることを続行し、およびバッテリセル７１０の該温度が該閾値温度を下回っていると判断されるまで、ブロック１２５８において、バッテリセル７１０の該温度を判断することによって、ブロック１２５６を継続することができる。いくつかの実施形態において、ＢＯＳＳ６００は、３℃のヒステリシスを該閾値温度に組み込んで、バッテリセル７１０の温度が上下する際に、ファン１０６のサイクルを制限するように構成されている。

方法１２５０のブロック１２５２～１２６２は、特定の順序で行われるように記載されているが、当業者は、ブロック１２５２～１２６２を、この開示の該範囲から逸脱することなく、さまざまな順序で実行することができることを理解するであろう。さらに、当業者は、この開示の該範囲から逸脱することなく、方法１２５０にステップを追加することができ、または、該方法からステップを取り除くことができることを理解するであろう。

充電の状態
図１３を参照すると、単一のリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（ＮＭＣ）バッテリセルの充電曲線１３２０と、該バッテリアセンブリ１０に用いられる該開示されているＬＦＰバッテリセル７１０の該充電曲線１３１０を経時的に比較するグラフ表示が図示されている。該ＮＭＣバッテリセルの該充電曲線１３２０は、ここでは４．２ボルトで示すより高い電圧で水平になるまで、より長く増加している。対照的に、該ＬＦＰバッテリセルの充電曲線１３１０は、より早く水平になって、より長い間、一定の電圧のままでいる。該充電サイクルの終了時に、ＬＦＰバッテリセルの曲線１３１０は、３．６５ボルトに達する。

図１３の該グラフから明らかなように、ＮＭＣバッテリセルの該充電曲線１３２０は、その端末電圧まで実質的に安定した増加を呈している。対照的に、個々のＬＦＰバッテリセル７１０の該充電曲線１３１０は、最初は、比較的迅速に該曲線の平坦部分まで増加している。該充電曲線１３１０は、該充電サイクルのほとんどを通じて、比較的平坦のままである。

該リチウムイオンバッテリセル７１０の該充電状態（state of charge：「ＳＯＣ」）は、該ＢＭＳ７００によって継続的に監視される。図１３に見られる単純化したグラフと同様の充電曲線の状態について考察すると、リチウムイオンバッテリセル７１０は、電圧の変化が観察不可能な領域を有している。この領域は、図１３の矢印１３３０を見て分かるように、約５％の充電と８０％の充電の間において、該リチウムイオンバッテリセル７１０の場合のＳＯＣを評価する能力は、標準的な方法を用いると難しくなるということを示している。該本開示の該技術革新の場合、この領域における該充電状態は、等価回路セルモデルを用いて推定される。該セルモデルの出力は、二つの部分で構成される。第一の部分は、無負荷で平衡状態における該セルの静電圧をモデル化する開回路電圧（Open Circuit Voltage：「ＯＣＶ」）である。第二の部分は、該セルを通る電流の通路による、該セル電圧の動的分極である。

図１４を参照すると、図示されている従来技術は、バッテリセルがどのようにして特定の負荷状況に応答するかをシミュレートするのに用いられる「等価回路」モデル１４００である。該開回路電圧源（「ＯＣＶ」）１４０１は、無負荷で均衡状態にあるバッテリセルをモデル化している。該ＯＣＶ１４０１は、充電状態（「ＳＯＣ」）と温度（「Ｔ」）の静的関数である。ヒステリシス電圧１４０２は、その電流履歴に依存する、ＯＣＶからの該セルの平衡静止電圧の逸脱をモデル化している。理論的には、該セルが現在充電されている場合には、該ヒステリシス電圧は正であり、および該セルが現在放電されている場合には、負である。該ヒステリシス電圧１４０２は、セル電流の関数である動態を有し、およびその大きさは、ＳＯＣとセル電流の関数であってもよい。該ヒステリシス電圧は、該セル静止電圧がＯＣＶとどのように異なっていると予測されているかをモデル化しているため、該ヒステリシス電圧１４０２を無視すると、ＳＯＣの推定誤差を生じることになる。抵抗器１４０３は、該バッテリセルの等価直列抵抗をモデル化している。抵抗コンデンサ網のペア１４０４ａ，１４０４ｂ，１４０４ｃは、該バッテリセル７１０の拡散電位をモデル化し、ワールブルグインピーダンス（Warburg Impedance）を近似している。当業者は、ワールブルグインピーダンスが、電極内でのリチウムイオンの拡散をモデル化していることを知るべきである。電圧差１４０５は、記載されているような等価回路モデル１４００を用いて観察することができる。関連する数学とともに、該等価回路モデル１４００を用いて、バッテリセル７１０の入力／出力関係を説明するデータセットを生成することができる。そして、ＢＭＳ７００は、変化する負荷、温度および時間の条件の状況の間に目立つＳＯＣを報告するように補正することができる。

ＯＣＶ特性化および動的パラメータの推定のためのプロセスは、二つの独立したデータセットを利用する。該補正プロセスの間、リチウムイオンバッテリセルは、データを取得するために、セルサイクラ―でテストされる。セルサイクラ―は、充電、最大電圧および最小電圧等のバッテリ特性を測定する。該ＯＣＶデータは、周囲温度以上および以下での多数の温度設定点における電流、電圧および充電の測定値を含む。該動的パラメータ推定データは、動的な充電および放電データの追加を用いた、該ＯＣＶデータと同様に得られる電流、電圧および充電の測定値を含む。拡張カルマンフィルタ（Extended Kalman Filter：ＥＫＦ）は、該バッテリセルの該電流入力および電圧出力に基づいて、内部セル状態を推定するために、ＢＭＳ７００にプログラムされて補正される。当業者は、該ＥＫＦが、直接測定することができない変数を間接的に推定するのに用いられる数値的方法であることを知るべきである。該ＥＫＦは、該充電状態を判断するための唯一の貢献者ではないが、現開示の範囲内でのその貢献の重要性に留意すべきである。

図１５を参照すると、該ＯＣＶモデルの場合の充電状態曲線が図示されている。ＯＣＶ特性化は、測定した曲線１５００，１５０１の間にある真のＯＣＶ曲線１５０２を推定するために、符号１５００および１５０１で示す低Ｃレートの充電曲線または放電曲線を利用する。該測定した曲線１５００，１５０１は、前述したような該セルサイクラ―および方法を用いて取得した該データから生成される。当業者は、「Ｃレート」という用語が、該バッテリセル容量に対するバッテリセルの放電のレベルを指すことを知るであろう。

アクティブバランシング
図１６を参照すると、バッテリバンク７１１ａ～７１１ｄに対してアクティブバランシングを実施するためのストラテジーを説明するブロック図が図示されている。前述したように、モジュール３００の該複数のバッテリセル７１０は、別々のバッテリバンク７１１ａ～７１１ｄにおいて電気的に接続することができる。アクティブバランシングは、バッテリバンク７１１ａ～７１１ｄの間でエネルギを配分する回路を指す。アクティブバランス回路１６００は、図１６において矢印１６００で示す、該システムにおける、単一のバンク７１１ａ～７１１ｄから、残りのバンク７１１ａ～７１１ｄへのエネルギの純移転を可能にする。バンク７１１ａ～７１１ｄの該充電および／または電圧の状態１６０２が、設定可能な制限よりも高い場合、それぞれの回路１６００が作動される。該回路１６００は、補正された設定点において、該バンク７１１ａ～７１１ｄを放電し、それによって、バンク７１１ａ～７１１ｄに蓄積されたエネルギを、該システムの該残りのバンク７１１ａ～７１１ｄに伝達できるようにしている。各回路は、好ましくは、２アンペアという最大レートで特定のバンクを放電することが可能である。放電レートは、０アンペア～２アンペアの範囲で調整することができる。代替的な実施形態は、２アンペアより大きい最大放電レートを支持するための該容量を有していてもよい。一旦、バンク７１１ａ～７１１ｄの該充電および／または電圧の状態１６０２が、該補正された制限を下回ると、該回路１８００は、バンク７１１ａ～７１１ｄ間でのエネルギ伝達を無効にして中止することになる。

アクティブバランス回路１６０１ａ～１６０１ｄの数は、各バンク７１１ａ～７１１ｄが、他のバンク７１１ａ～７１１ｄから独立して作動する回路１６００を有するように、直列で接続されたバンク７１１ａ～７１１ｄの該数と等しい。例えば、直列で四つのバッテリバンク７１１ａ～７１１ｄを備えたモジュール３００は、四つのアクティブバランス回路１６０１ａ～１６０１ｄを有することになる。各回路１６０１ａ～１６０１ｄは、各それぞれのバンク７１１ａ～７１１ｄに対する管理を可能にするように独立して作動し、すなわち、図１６を見ると、例示を目的として、アクティブバランス回路１６０１ａがバッテリバンク７１１ａに結合され、同じ関係が、回路１６０１ｂ～１６０１ｄおよびそれぞれのバッテリバンク７１１ｂ～７１１ｄに対して適用可能であることは明らかである。各回路１６０１ｂ～１６０１ｄは、制御が失われた場合に、該回路を強制的に受動状態にする多数のフェイルセーフ機構を有している。各回路のピーク効率は７０％以上であることに留意すべきである。

他の代替例
本発明を上記で開示した実施形態に関して説明してきたが、この説明は、単に説明として記載されており、および本発明の限定として解釈されることを意図していない。例えば、クラスＩおよびＩＩのフォークリフトそれ自体に言及しているが、本発明のいくつかの態様は、他の種類のバッテリ式産業用トラックとの広範な用途を有している可能性があることを理解すべきである。実際に、上記の説明が多くのコンポーネント、および現在、意図されている他の実施形態を指していても、当業者は、明確に言及されていないか、または、ここで提案されていない多くの可能性のある代替例を正しく認識するであろう。上記で書かれている説明は、当業者が、現在、本発明の最良の態様であると考えられていることを実行しおよび利用することを可能にするはずであるが、当業者は、本願明細書において言及されている特定の実施形態、方法および実施例のさまざまな態様の多くの変形例、組合せおよび等価物の存在を理解しおよび正しく認識するであろう。

したがって、本願明細書における図面および詳細な説明は、網羅的ではなく、例示的と考えるべきである。該図面および詳細な説明は、本発明を、開示されている特定の形態および実施例に限定しない。逆に、本発明は、この発明の該趣旨および範囲から逸脱することなく、当業者には明らかな、多くのさらなる変更、変化、再構成、置換え、代替、デザイン選択および実施形態を含む。

したがって、あらゆる点において、図面および本願明細書における詳細な説明は、限定的にではなく例示的と見なすべきであり、および該本発明を、開示されている特定の形態および実施形態に限定することを意図していないことを理解すべきである。どのような場合でも、すべての実質的に等価なシステム、物品および方法は、本発明の該範囲内にあると見なすべきであり、および別段の指示のない限り、すべての構造的等価物または機能的等価物は、本願に開示されているシステムおよび方法の該趣旨および範囲内に留まることが見込まれる。

Claims (15)

1. 電力を車両に供給するように構成された再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリであって、前記再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリが、
   前記車両のバッテリコンパートメント内に操作可能に取付けるような寸法と形状で形成されたハウジングと、
   前記ハウジングの内部に配置された複数のバッテリセルサブアセンブリと、を備え、前記複数のバッテリセルサブアセンブリの各々は、
   サブアセンブリケーシングと、
   前記サブアセンブリケーシングの外部からの配線に接続されるように配置された正極端子および負極端子と、
   前記ケーシング内に配置され、および前記正極端子と負極端子との間に合成電位を生成するように前記正極端子および負極端子と相互接続された複数のリチウムイオンバッテリセルと、
   前記複数のバッテリセルの各々の第一の端部がプリント基板（ＰＣＢ）に隣接するように、前記ケーシング内の前記複数のバッテリセルに対してある方向性で配置された前記ＰＣＢと、を備え、前記ＰＣＢは、
   前記複数のバッテリセルの各々と電気的に結合されたコレクタプレートと、
   前記複数のバッテリセルに関するリアルタイム動作情報を得るように構成されたサブアセンブリプロセッサと、をさらに備え、
   前記複数のバッテリセルの各々に対して、
   第一の熱伝導性ギャップフィラーが、前記バッテリセルの前記第一の端部に接触するように、および前記コレクタプレートに接触するように配置され、該第一の熱伝導性ギャップフィラーは、前記コレクタプレートと前記バッテリセルとの間で熱を伝達するように構成され、および
   第二の熱伝導性ギャップフィラーが、前記バッテリセルの第二の端部に接触するように、および前記サブアセンブリケーシングに接触するように配置され、該第二の熱伝導性ギャップフィラーは、前記バッテリセルと前記サブアセンブリケーシングとの間で熱を伝達するように構成される、再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
2. 前記再充電可能な電池アセンブリは、電力を産業用フォークリフトに供給するように構成される、請求項１に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
3. 前記複数のバッテリセルサブアセンブリの各々に対して、
   前記ＰＣＢは、前記コレクタプレート上に配置され、および前記サブアセンブリプロセッサに電気的に接続された複数のサーミスタをさらに備え、および
   前記サブアセンブリプロセッサは、前記複数のサーミスタを用いて温度測定を行うように構成される、請求項１に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
4. 前記複数のバッテリセルサブアセンブリの各々に対して、
   前記複数のサーミスタの各々は、前記第一の熱伝導性ギャップフィラーのうちの一つに接触するように前記コレクタプレート上に配置され、および
   前記複数のサーミスタの各々に対して、前記サーミスタは、前記複数のバッテリセルのうちの一つに接触している前記第一の熱伝導性ギャップフィラーの温度を測定するように構成される、請求項３に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
5. 各サブアセンブリプロセッサは、前記複数のサーミスタからの温度測定値に基づいて、そのバッテリセルサブアセンブリ内の前記複数のバッテリセルに対して、推定されるバッテリ温度を判断するように構成され、
   前記再充電可能な電池アセンブリは、
   前記バッテリセルサブアセンブリを通過する空気を移動させることにより、前記複数のバッテリセルサブアセンブリを冷却するように構成された複数の冷却ファンと、
   各バッテリセルサブアセンブリの前記推定されるバッテリ温度を得るために、各サブアセンブリプロセッサと情報をやり取りするように、および
   バッテリセルサブアセンブリの前記推定されるバッテリ温度のうちの一つが閾値温度を超えているという判断に応じて前記冷却ファンを作動させるように構成された監視プロセッサと、をさらに備える、請求項３に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
6. 前記閾値温度は、前記監視プロセッサにプログラムされた所定の閾値温度である、請求項５に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
7. 前記閾値温度は、前記監視プロセッサにより、周囲温度と比較して決定される、請求項５に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
8. 前記サブアセンブリケーシングは、ベースおよびカバーを備え、
   前記ベースは、前記第二の熱伝導性ギャップフィラーと接触するように配置され、
   前記ベースはアルミニウムで構成される、請求項１に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
9. 前記複数のバッテリセルサブアセンブリの各々に対して、前記複数のバッテリセルの各々は、リン酸鉄リチウムバッテリセルである、請求項１に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
10. 前記第一および第二の熱伝導性ギャップフィラーの各々は、シリコーンベースの材料から成る、請求項１に記載の再充電可能なリチウムイオン電池アセンブリ。
11. バッテリ電源によって動力が供給されるように構成された電動フォークリフト車であって、
    バッテリアセンブリコンパートメントと、
    電力を前記電動フォークリフト車に供給するように構成され、および前記バッテリアセンブリコンパートメント内に配置されたバッテリアセンブリと、を備え、該バッテリアセンブリは、
    前記バッテリアセンブリコンパートメント内に操作可能に取付けるような寸法で形成されたアセンブリハウジングと、
    前記アセンブリハウジングの内部に配置された複数のバッテリセルサブアセンブリと、を含み、該複数のバッテリセルサブアセンブリの各々は、
    サブアセンブリケーシングと、
    前記サブアセンブリケーシングの外部からアクセス可能であるように配置された正極端子および負極端子と、
    前記サブアセンブリケーシング内に配置され、および前記正極端子と負極端子との間に合成電位を生成するように前記正極端子および負極端子に相互接続された複数のバッテリセルと、
    前記複数のバッテリセルの各々の第一の端部に隣接して前記サブアセンブリケーシング内に配置されたプリント基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）と、を含み、該ＰＣＢＡは、
    前記複数のバッテリセルの各々と電気的に結合されたコレクタプレートと、
    前記複数のバッテリセルのリアルタイム動作情報を得るように構成されたバッテリ管理システム（ＢＭＳ）と、を含み、
    前記複数のバッテリセルの各々に対して、
    第一の熱伝導性ギャップフィラーが、前記バッテリセルの前記第一の端部に接触するように、および前記コレクタプレートに接触するように配置され、該第一の熱伝導性ギャップフィラーは、該コレクタプレートと前記バッテリセルとの間で熱を伝達するように構成され、および
    第二の熱伝導性ギャップフィラーが、前記バッテリセルの第二の端部に接触するように、および前記サブアセンブリケーシングに接触するように配置され、該第二の熱伝導性ギャップフィラーは、該バッテリセルと該サブアセンブリケーシングとの間で熱を伝達するように構成される、電動フォークリフト車。
12. 前記複数のバッテリセルサブアセンブリの各々に対して、
    前記ＰＣＢＡは、前記コレクタプレート上に配置され、および前記ＢＭＳに電気的に接続された複数のサーミスタをさらに備え、および
    前記ＢＭＳは、前記複数のサーミスタを用いて温度測定を行うように構成される、請求項１１に記載の電動フォークリフト車。
13. 前記複数のバッテリセルサブアセンブリの各々に対して、
    前記複数のサーミスタの各々は、前記第一の熱伝導性ギャップフィラーのうちの一つに接触するように前記コレクタプレート上に配置され、および
    前記複数のサーミスタの各々に対して、該サーミスタは、前記複数のバッテリセルのうちの一つに接触している前記第一の熱伝導性ギャップフィラーの温度を測定するように構成される、請求項１２に記載の電動フォークリフト車。
14. 各ＢＭＳは、前記複数のサーミスタからの温度測定値に基づいて、そのバッテリセルサブアセンブリ内の前記複数のバッテリセルに対して、推定されるバッテリ温度を判断するように構成され、
    前記バッテリアセンブリは、前記バッテリセルサブアセンブリを通過する空気を移動させることにより、該複数のバッテリセルサブアセンブリを冷却するように構成された複数の冷却ファンと、
    各バッテリセルサブアセンブリの前記推定されるバッテリ温度を得るために、各ＢＭＳと情報をやり取りするように、および
    バッテリセルサブアセンブリの前記推定されるバッテリ温度のうちの一つが閾値温度を超えているという判断に応じて、前記冷却ファンを作動させるように、構成されたバッテリ動作システム監視部（ＢＯＳＳ）モジュールと、をさらに備える、請求項１２に記載の電動フォークリフト車。
15. 前記閾値温度は、複数の所定の閾値温度のうちの少なくとも一つであり、および周囲温度と比較して監視プロセッサによって判断される、請求項１４に記載の電動フォークリフト車。

Images