JP4480403B2 - バッテリパック - Google Patents

Description

本発明は、一般的にバッテリパックに関し、より具体的には、電気化学電池を収納するためのバッテリパックに関する。

電気化学電池を収納するバッテリパックは、様々な携帯型電子装置と共に広く使用されている。バッテリパックは、様々な理由で利用されており、それらの理由としては、以下に限定されるものではないが、各電池によって供給される電圧と装置の電力要件とに応じてパックの一部として電池のための直列又は並列接続を形成し、それによって個々の電池を受け入れるための適切な電池対電池接点を装置に設ける必要性をなくすという容易性及び効率性が含まれる。

バッテリパックは、一般的に、１つ又はそれ以上の構成要素部分を互いに接合することによって作られる。そのようなパック構成要素は、電池収容部分、１つ又はそれ以上の末端キャップ、及び電池と装置の間を電気的に接続するための１つ又はそれ以上の端子を含むことができる。これらの構成要素は、製造工程のある時点で互いに溶接するか、接着剤で互いに接合させるか、又は互いにスナップ式に留めることができる。更に、いくつかのパックは、外部粘着ラベルを含むことができ、このラベルは、そのパックに関する望ましい情報を伝えるための表面を提供すると共に、単一密着ユニット内に電池及び様々な構造的パック構成要素を一緒に保持する働きをすることができる。そのようなパックは、例えば、１９９８年４月２８日に付与された米国特許第５７４４２６０号、１９９０年１０月２３日に付与された米国特許第４９６５１４８号、及び２００１年４月１７日に付与された米国特許第６２１８０４２号に開示されている。

これらのパックは、いくつかの欠点を有する。構造的パック構成要素を互いに接合する必要があるということは、ラベル貼付及び他の処理中にパックが分解する可能性を増大させる。更に、構造的パック構成要素の数は、製造及び組立工程を複雑にする。
従って、構成要素部品の数を最小にし、同時に十分な構造的一体性を維持してパック内の適切な電池対電池接点を保護し、密着ユニットをもたらすパックに対する必要性が存在する。

米国特許第５７４４２６０号 米国特許第４９６５１４８号 米国特許第６２１８０４２号 米国特許出願第０９／０３３８３０号 国際特許出願番号ＷＯ０２／３９７４１

従って、本発明の態様は、バッテリパックフレームを含むバッテリパックを提供することである。バッテリパックフレームは、単一の一体部品である。フレームは、第１及び第２の末端キャップ部分と第１及び第２の背骨部分とを含む。背骨部分の一方は、自由端を有し、開口部を形成するために背骨が曲がることを可能にする。背骨を曲げることによって形成される開口部は、電池アセンブリをフレーム内に挿入することを可能にすることができ、電池アセンブリは、少なくとも２つの電池と、電池間に直列又は並列接続のいずれかを形成する電池対電池接続部とを含む。曲がる背骨は、フレーム全長の少なくとも５０パーセントの長さを有することができ、それによってフレームに対して付加的な支持を与える一方、フレーム内への電池アセンブリの挿入を依然として考慮する。

パックは、装置接点への直接的な電気接続をもたらすための外部電池接点の使用を可能にし、パックが個別の外部端子を含む必要性を取り除く。本発明のバッテリパックの一実施形態では、パックは、リチュウム非水成電池の化学的性質を用いた２つの１．５ボルト標準サイズＡＡ円筒形電池を含む。この実施形態では、電池は、３．０ボルトの電池アセンブリを作るために、単純なニッケルタブにより直列に接続される。１つの電池のタブのない正端子と２番目の電池のタブのない負端子とは、末端キャップ部分の１つ又はそれ以上の開口部を通じてアクセス可能であり、かつ装置端子と直接電気的に接触し、それによって３．０ボルト電池が並列に接続される場合に必要とされる複雑な付加的なタブを不要にする。
本発明は、添付図面を参照することにより更に理解及び評価されるであろう。

本発明により構成されたバッテリパックフレームの実施形態を図１から図４に示す。バッテリパックフレーム１０は、第１の末端キャップ部分１２、第２の末端キャップ部分１４、第１の背骨部分１６、及び第２の背骨部分１８を含む。フレーム１０は、電池収容区域内で２つの平行な列に配列された少なくとも２つの円筒形電気化学電池を収納かつ配置するように設計される。電池収容区域は、２つの末端キャップ部分１２及び１４の間に延びる。バッテリパックのフレーム１０に準備される電池の本数は重要ではなく、所定の用途に対して余分な電池が不要である場合は、フレームは、全装備数よりも少ない本数の電池を含むことができることを評価すべきである。本発明によるバッテリパックは、フレーム１０、電池、及び全ての任意的な関連ラベルを含む。

バッテリパックフレーム１０は、単一の可撓性部品を形成するために熱可塑性樹脂で成形することができる。第１の背骨部分１６は、第１の末端キャップ部分１２と第２の末端キャップ部分１４との間に延びる長さを有する。第１の背骨部分１６は、第１の末端キャップ部分１２に結合された第１の端部２０と、第２の末端キャップ部分１４に結合された第２の端部２２とを有する。第１の背骨部分１６は、バッテリ給電式装置のバッテリパック区画の１つ又はそれ以上の表面と協働する１つ又はそれ以上の外部表面を形成する。第１の背骨部分１６は、装置のパック区画に設けられたバッテリパックガイドを収容するために、高さの異なる２つの部分１６Ａ及び１６Ｂを任意的に含む。これらのガイドの形状及び構成は、装置毎に変えることができ、従って、第１の背骨部分１６の対応する構成も相応に変えることが必要であることが認められるであろう。第１の背骨部分の形状のそのような変化は、本発明の範囲から逸脱しない。更に、第１の背骨部分１６の幅は重要ではなく、バッテリパックの特定の要件、特定の装置のパック区画構成、及び材料の使用を最小にする関連努力に応じて変わるであろう。

第２の背骨部分１８は、第１の末端キャップ部分１２に結合された第１の端部２４と、自由端である第２の端部２６とを有する。自由な第２の端部２６は、第２の背骨部分１８が撓んで第１の背骨部分１６に対して近づいたり離れたりすることにより、開口部を作り出すことを可能にする。開口部は、任意的に、第２の末端キャップ部分１４をフレーム１０の内側から外側に向けて曲げることによっても作り出すことができる。一実施形態では、２つの電池は、フレーム１０内への挿入の前に電池アセンブリを形成するためにタブによって結合され、背骨部分１８を曲げることによって生じた開口部は、この電池アセンブリを収容してフレーム内への挿入を可能にする。任意的に、個別の電池は、背骨部分１８を曲げることにより又は第２の末端キャップ部分１４を曲げることにより作られた開口部を通じて、又は、フレームで利用可能な他の開口部を通じて、フレーム１０内に挿入することができる。

第２の背骨部分１８は、バッテリパックフレーム１０に対する支持構造を提供する。これは、いくつかの実施形態では、第２の背骨部分１８の長さがフレーム全長の少なくとも５０パーセントの大きさである時、又は、第２の背骨部分１８の長さがフレーム全長の少なくとも７５パーセントの大きさである時に達成することができる。第２の背骨部分１８の長さは、図４に示すような寸法Ａである。この寸法Ａは、第１の末端キャップ部分１２の外部表面２８と自由端２６の表面３０との間の距離である。フレーム１０の長さは、図４に示すような寸法Ｂである。この寸法Ｂは、第１の末端キャップ部分１２の外部表面２８と第２の末端キャップ部分１４の外部表面３２との間の距離である。

本発明の実施形態では、直列に接続された２つの電池から成る電池アセンブリがフレーム１０内に挿入される。この実施形態では、第１の末端キャップ部分１２の内部（図２）は、電池収容区域のうちの少なくとも１つの区域内にスロット３４を含むことができる。スロット３４は、外部電池端子突起（一般的に正端子）を収容し、バッテリパックに対する電力及び性能要件の結果必要とされるであろう電池対電池タブ装着のためのガイドとしても機能する。直列に接続された電池アセンブリを作るために、タブは、１つの円筒形電池の正の外部電池端子突起と第２の円筒形電池の負の外部電池端子とに溶接することができ、次に、電池アセンブリは、フレームの電池収容区域内に挿入され、溶接された正の端子突起は、フレーム１０の末端キャップ部分１２のスロット３４内に置かれる。電池のタブ装着部が位置する末端キャップ部分１２は、スロット構造によって形成された開口部３６を任意的に含む。開口部３６は、フレーム１０の外部への通気経路を形成すると共に、フレーム１０の製造中に成形型からフレームを分離させるための離型点も提供する。

第２の末端キャップ部分１４（図３）は、バッテリパックの端子を形成する電池端子を露出させ、それによって装置端子に対する電気接点をもたらすための端子開口部３８Ａ及び３８Ｂを含む。本発明のバッテリパックでは、装置端子に接触させるためにパックに接合されるか又はそれ以外の方法で追加されるべき個別のパック端子は何もない。そうではなく、パック内に収納された電池の端子がバッテリパックの端子を形成し、装置端子と直接接触するようになる。いくつかの実施形態では、直列接続された電池の一方の電池のタブのない正端子突起は、第２の末端キャップ部分１４の開口部３８Ａを通じて露出するように置かれ、他方の電池のタブのない負端子は、開口部３８Ｂを通じて露出するように置かれる。いくつかの実施形態では、開口部３８Ａの周囲の少なくとも一部分は、正の電池端子突起を露出させる中央に置かれた開口部を有する安定用支持構造体４０で補強される。支持構造体４０は、任意的に隙間４２を含むことができる。隙間４２は、フレーム１０の製造中のフレーム１０の外部への通気経路を形成すると共に、成形型からフレームを分離させるための離型点も提供する。

一実施形態では、フレームは、熱可塑性樹脂で射出成形される。適切な熱可塑性樹脂としては、米国フロリダ州メイトランド所在のエンテック・エンジニアード・レジンズから入手可能な「Ｐｏｌｙｌａｃ ＡＢＳ ＰＡ−７１７Ｃ」及び「Ｐｏｌｙｌａｃ ＡＢＳ ＰＡ−７４７」、及びゼネラル・エレクトリック・プラスチックスから入手可能な「Ｃｙｃｏｌａｃ ＭＧ４７」のようなＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン、及びスチレン）が含まれる。
いくつかの実施形態では、利用される熱可塑性樹脂は、少なくとも１つのポリオレフィンと、少なくとも１つの芳香族官能基を備えた反復単位を有する少なくとも１つの芳香族ポリマーとを含む材料の混合物とすることができる。この混合物は、３０重量パーセントよりも多くのポリオレフィンを含むことができ、又は、少なくとも４０重量パーセントのポリオレフィンを含有することができる。

ポリオレフィンは、エチレン、プロピレン、１−ブテン、１−ペンテン、１−ヘキセン、１−ヘプテン、１−オクテン、１−デセン、１−オクタデセン、３−メチル−１−ブテン、３−メチル−１−ペンテン、４−メチル−１−ペンテン、４−メチル−１−ヘキセン、５−メチル−１−ヘキセン、５−メチル−１−ヘプテン、ビニルシクロヘキサン、及びビニルナフタレンといったモノマーの１つ又はその組合せに基づくポリマーとすることができる。いくつかの実施形態では、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びポリプロピレン−エチレンコポリマーが有利とすることができる。
この混合物は、遷移電子顕微鏡検査法（ＴＥＭ）の助けで観察することができるように、ポリオレフィンのマトリックス中に芳香族ポリマーの個別の相を含む。

芳香族ポリマーは、１つ又はそれ以上の種類の芳香族官能基を含有する反復単位を有するポリマーである。本発明における使用に適する芳香族ポリマーの例としては、２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル及び２，３，６−トリメチル−１，４−フェニレンエーテルのようなモノマーを有するポリ（フェニレンオキシド）と、アラミドと、ポリ（エーテルエーテルケトン）、ポリ（エーテルケトン）、ポリ（エーテルケトンケトン）、及びポリ（アリルエーテルケトン）のようなポリケトンと、ポリエーテルスルホン及びポリアリルスルホンのようなポリスルホンと、アタクチックポリスチレン及びシンジオタチックポリスチレンのようなポリスチレンと、ポリベンズイミダゾールと、ポリイミドと、ポリベンズオキサジノンと、ポリベンゾチアゾールと、ポリベンズオキサゾールと、ポリベンズイミダゾールと、ポリアリレートと、ポリアミド−イミドと、ポリエーテルイミドと、ポリフェニレンスルフィドと、ポリフェニルと、ポリキノリンと、ポリキノクサリンとが含まれる。ポリ（フェニレンオキシド）を使用してもよい。

本発明の熱可塑性材料は、任意的に融和剤を含むことができる。融和剤は、密封部材の射出成形後及び密封部材とそれが使用される電池との使用寿命を通して、ポリオレフィン中に分散された芳香族ポリマーの大きさ、形状、及び分布を維持するためにポリオレフィン及び芳香族ポリマーの相を互いに結合する材料である。ブロックコポリマーは、使用することができる融和剤の例である。ブロックの１つの端部は、ポリオレフィン中に溶解可能であり、ブロックの別の端部は、芳香族ポリマー中に溶解可能である。

本発明の実施形態では、ポリオレフィンは、ポリプロピレンであり、芳香族ポリマーは、２００１年１２月２０日出願の米国特許出願第０９／０３３８３０号、及び、２００２年１２月１２日出願の対応する国際特許出願番号ＷＯ０２／３９７４１に説明されているようなポリフェニレンオキシドである。１つのそのようなポリフェニレンオキシド／ポリプロピレン配合物は、ゼネラル・エレクトリック・プラスチックスから入手可能な「Ｎｏｒｙｌ ＰＰＸ ７１１０」である。

バッテリパックフレーム１０が成形された状態で、フレーム内に電池を挿入することができる。フレーム内への挿入に先立つ電池の準備は、電池を個々に収縮包装すること、電池を一緒にしてタブを付けること、パック内又はパック上の望ましい位置にバッテリパック外部接点を設けるために必要な全ての付加的なタブを設けること、及び当業技術で公知の適切な接着剤を用いて電池を互いに接合することを含むことができる。電池が望み通りに準備された状態で、電池をフレーム内に挿入するのに十分な開口部を作り出すために背骨部分１８の自由端２６をフレーム内部に向けて又はそれから離れる方向へ曲げることにより、電池をバッテリパックフレーム１０内に挿入することができる。背骨部分１８の自由端２６を曲げることの代替として又はそれに加えて、電池をフレーム内に挿入するための開口部を作り出すために、第２の末端キャップ部分１４をフレーム内部から離れる方向に曲げることができる。図５は、フレーム１０内に挿入された２つの円筒形電池を示す。１つの電池の正の突起４４は、第２の末端キャップ部分１４の開口部３８Ａを通じて露出され、２番目の電池の負の接点４６は、第２の末端キャップ部分１４の開口部３８Ｂを通じて露出される。フレーム１０は、本発明の範囲から逸脱することなく、相互接続されていない個別の電池と共に、及び、直列又は並列に接続された電池と共に利用することができることを当業者は認めるであろう。
任意的に、パックの一体性は、露出した電池表面の外側及びフレームの露出した表面の周りに粘着ラベルを付加することにより改善することができる。図６は、当業技術で公知の粘着ラベル４８を含む本発明のバッテリパックを示す。ラベルはまた、バッテリパック及びその使用法に関する情報を伝えるために利用可能な表面を提供する。

本発明によるバッテリパックのフレームの斜視図である。 図１のバッテリパックフレームの一端の斜視図である。 図１のバッテリパックフレームの反対端の斜視図である。 図１のバッテリパックフレームの側面図である。 フレーム内に２つの円筒形電池が挿入された図１のバッテリパックフレームの斜視図である。 ラベルを付した図５のバッテリパックフレームの斜視図である。

符号の説明

４４ 正の突起
４６ 負の接点

Claims (16)

1. 複数の電気化学電池とバッテリ収容フレーム（１０）とを備えるバッテリパックであって、
   前記電池は外部電池接点端子を備え、
   前記フレームは、第１の末端キャップ部分（１２）と、第２の末端キャップ部分（１４）と、第１の背骨部分（１６）と、第２の背骨部分（１８）とを備え、
   前記フレームは単一の一体部品であり、前記第１の背骨部分（１６）は、前記第１の末端キャップ部分（１２）に結合された第１の端部（２０）と前記第２の末端キャップ部分（１４）に結合された第２の端部（２２）とを有し、前記第１の背骨部分（１６）は２つの部分（１６Ａ，１６Ｂ）を備え、該２つの部分（１６Ａ，１６Ｂ）は互いに異なる外部表面の高さを有することを特徴とするバッテリパック。
2. 前記第２の背骨部分（１８）は、前記第１の末端キャップ部分（１２）に結合された第１の端部（２４）と自由な第２の端部（２６）とを有することを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
3. 前記第２の末端キャップ部分（１４）は、電池端子の少なくとも１つをパックの外部に露出させる少なくとも１つの開口部（３８Ａ，３８Ｂ）を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリパック。
4. 前記第１の末端キャップ部分（１２）は、電池端子の少なくとも１つをパックの外部に露出させる少なくとも１つの開口部（３８Ａ，３８Ｂ）を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリパック。
5. 前記第２の背骨部分（１８）は、前記フレーム（１０）の全長の少なくとも半分の長さである前記第１及び第２の端部（２０，２２）間の長さを有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のバッテリパック。
6. 前記電池は円筒形電池であり、
   前記電池の少なくとも２つは直列に接続される、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリパック。
7. 前記電池は、標準サイズのＡＡ電池であることを特徴とする請求項６に記載のバッテリパック。
8. 前記電池は、アノード活材料としての金属リチウムとカソード活材料としての黄鉄鉱とを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリパック。
9. 前記フレーム（１０）は射出成形された熱可塑性材料を含み、
   該熱可塑性材料は、
   ３０重量パーセントよりも多くの熱可塑性材料を含むポリオレフィンマトリックスと、
   少なくとも１つの芳香族官能基を含む反復単位を有する芳香族ポリマーと、
   の混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリパック。
10. 前記ポリオレフィンは、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びポリプロピレン−エチレンコポリマーから成る群から選択される少なくとも１つのポリマーであることを特徴とする請求項９に記載のバッテリパック。
11. 前記芳香族ポリマーは、ポリ（フェニレンオキシド）、アラミド、ポリケトン、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリベンズオキサジノン、ポリベンゾチアゾール、ポリベンズオキサゾール、ポリベンズイミダゾール、ポリアリレート、ポリアミド−イミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニル、ポリキノリン、及びポリキノクサリンから成る群から選択される少なくとも１つのポリマーであることを特徴とする請求項９又は１０に記載のバッテリパック。
12. 第１及び第２の背骨部分（１６，１８）と第１及び第２の末端キャップ部分（１２，１４）とを含む一体型バッテリパックフレーム（１０）を準備する段階であって、前記第１の背骨部分（１６）の第１の端部は前記第１の末端キャップ部分（１２）に結合され、前記第１の背骨部分（１６）の第２の端部（２２）は前記第２の末端キャップ部分（１４）に結合され、前記第１の背骨部分（１６）は２つの部分（１６Ａ，１６Ｂ）を備え、該２つの部分は互いに異なる外部表面の高さを有し、前記第２の背骨部分（１８）の端部が自由である、前記段階と、
    少なくとも２つの電気化学電池を準備する段階と、
    前記電池を前記フレーム内に挿入する段階と、
    を含むことを特徴とする、バッテリパックを組み立てる方法。
13. 前記電池を前記フレーム（１０）内に挿入する前に該電池間の接続を作り出す段階と、
    前記電池を前記フレーム（１０）内に挿入するのに十分な開口部を作り出すために前記自由端を曲げる段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記接続は、１つの電池の正端子及び別の電池の負端子にニッケルタブを溶接することによって作り出されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記電池を前記フレーム（１０）内に挿入する前に前記電池に収縮包装を施す段階を更に含むことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記フレーム（１０）の外部表面の各部分と前記電池の露出した外部表面の各部分とに粘着ラベルを付加する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の方法。

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