JP4708138B2 - Battery integrated board - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、衛星構体における電力供給システムに適用されるバッテリー一体型基板に関するものである。 The present invention relates to a battery-integrated substrate applied to a power supply system in a satellite structure.
衛星構体における従来の電力供給システムでは、太陽電池で発電された電力を、衛星構体内の集約バッテリーに蓄電し、そこから電力が各機器に供給されている。また、太陽電池で発電された電圧は、集約バッテリーと各機器との間の電源ラインで生じる送電ロスを極力抑えるために、数十ボルトに昇圧して送電される。よって、衛星構体における従来の電力供給システムでは、昇圧装置や、複雑かつ長い配線が設けられている。 In a conventional power supply system in a satellite structure, power generated by a solar cell is stored in an aggregate battery in the satellite structure, and power is supplied from there to each device. In addition, the voltage generated by the solar cell is boosted to several tens of volts and transmitted in order to minimize power transmission loss that occurs in the power supply line between the aggregate battery and each device. Therefore, a conventional power supply system in a satellite structure is provided with a booster and complicated and long wiring.
従来の民生用太陽光発電装置では、太陽電池セルの裏面側に、蓄電器としての電気二重層コンデンサ及び制御部が備えられている。また、電気二重層コンデンサ及び制御部は、太陽電池セルと一体に設けられた外装ケース内部に収まるように配設される。太陽電池セルで発電された電力は、太陽電池セルと電気二重層コンデンサを一体に配設したことにより、複雑かつ長い配線なしに電気二重層コンデンサに蓄電されていた。 In a conventional consumer photovoltaic power generation device, an electric double layer capacitor and a control unit as a capacitor are provided on the back side of a solar battery cell. In addition, the electric double layer capacitor and the control unit are disposed so as to be accommodated in an outer case provided integrally with the solar battery cell. The electric power generated by the solar battery cell is stored in the electric double layer capacitor without complicated and long wiring by arranging the solar battery cell and the electric double layer capacitor integrally.
さらに、夜間照明装置が、上記民生用の太陽光発電装置の外装ケース内に発光ダイオードを配設して提供されている。発光ダイオードは電気二重層コンデンサ近傍に設置されているため、送電ロスはほとんどない。
さらに、特定の厚さ以下の薄型の電気二重層コンデンサを用いたことにより、省スペース化、軽量化、施工性に優れた太陽光発電装置及び夜間照明装置が提供されている(例えば、特許文献1参照)。
Further, a night illumination device is provided by arranging a light emitting diode in an exterior case of the consumer solar power generation device. Since the light emitting diode is installed in the vicinity of the electric double layer capacitor, there is almost no power transmission loss.
Furthermore, by using a thin electric double layer capacitor having a specific thickness or less, a solar power generation device and a night illumination device excellent in space saving, light weight, and workability are provided (for example, Patent Documents). 1).
衛星構体における従来の電力供給システムでは、送電ロスを極力抑えるために発電された電圧を数十ボルトに昇圧して送電しているので、3.7V仕様の民生用電子部品が使えない。また、昇圧した電圧で使用するために専用の部品が必要となり、コストアップや部品の調達が長納期になるなどの問題がある。さらに、昇圧装置や、複雑かつ長い配線を設ける必要があるため、広い設置スペースを確保しなければならない。
また、従来の電気二重層コンデンサを用いた太陽光発電装置では、容量が小さく、比較的大容量の電力を要する用途には使用に適さない。さらに、民生用に設計されたものであり、衛星構体にかかる衝撃に耐えうるだけの剛性が無い。
In the conventional power supply system in the satellite structure, the generated voltage is boosted to several tens of volts in order to suppress transmission loss as much as possible, so that 3.7V specification consumer electronic components cannot be used. In addition, dedicated parts are required to use the boosted voltage, and there are problems such as increased costs and longer delivery times for parts. Furthermore, since it is necessary to provide a booster and complicated and long wiring, a large installation space must be secured.
In addition, a conventional solar power generation apparatus using an electric double layer capacitor has a small capacity and is not suitable for use in applications that require a relatively large amount of power. Furthermore, it is designed for consumer use and does not have enough rigidity to withstand the impact on the satellite structure.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、蓄電器と電力送電先の各機器間の送電ロスをなくして3.7V仕様の民生用電子部品の使用を可能にし、かつ衛星構体にかかる衝撃に耐えうる剛性を確保しつつ設置スペースを低減した衛星構体における電力供給システムに適用されるバッテリー一体型基板を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, makes it possible to use a consumer electronic component of 3.7 V specifications by eliminating a power transmission loss between a power storage device and a power transmission destination device, and a satellite. It is an object of the present invention to provide a battery-integrated substrate that is applied to a power supply system in a satellite structure that has reduced installation space while ensuring rigidity that can withstand an impact on the structure.
この発明によるバッテリー一体型基板は、繊維強化複合材料で形成されて、上下面が開口した筒状の単位セル空間が規則的に配列されたグリッド構造で構成されるバッテリー収容体と、上記バッテリー収容体の上下に積層されて上記バッテリー収容体に一体に取り付けられ、上記単位セル空間の上下面の開口をそれぞれ塞口する第1の表皮および第2の表皮と、上記単位セル空間内に配設されるリチウムイオンバッテリーと、を備えている。 A battery-integrated substrate according to the present invention includes a battery container that is formed of a fiber-reinforced composite material and has a grid structure in which cylindrical unit cell spaces whose upper and lower surfaces are open are regularly arranged; A first skin and a second skin that are stacked on the top and bottom of the body and integrally attached to the battery housing, and respectively close the openings on the upper and lower surfaces of the unit cell space, and are disposed in the unit cell space. A lithium ion battery.
この発明によれば、軽量で剛性にすぐれた繊維強化複合材料で形成されるグリッド構造のバッテリー収容体の単位セル空間にリチウムイオンバッテリーが一体に取り付けられているので、高い剛性でかつ設置スペースを低減することができるバッテリー一体化基板を得ることができる。 According to the present invention, since the lithium ion battery is integrally attached to the unit cell space of the grid-structured battery container formed of a lightweight and rigid fiber-reinforced composite material, high rigidity and installation space can be reduced. A battery integrated substrate that can be reduced can be obtained.
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1はこの発明の実施の形態に係る衛星構体における電力供給システムに適用されるバッテリー一体型基板のバッテリー収容体の構造を説明するための斜視図、図2は図1におけるバッテリー収容体の構成を説明するための部分的な分解図、図3はこの発明の実施の形態に係るバッテリー一体型基板を上方から見た平面図、図4は図3において第1の表皮及び太陽電池セルユニットを考慮しない透視図、図5は図3のIV−IV矢視断面図である。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view for explaining the structure of a battery housing body of a battery-integrated substrate applied to a power supply system in a satellite structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a configuration of the battery housing body in FIG. FIG. 3 is a plan view of the battery-integrated substrate according to the embodiment of the present invention as viewed from above. FIG. 4 is a plan view of the first skin and solar cell unit in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along arrows IV-IV in FIG.
図1および図2において、バッテリー収容体1は、以下に説明する第1のCFRP群3a〜第3のCFRP群3cで構成される。
バッテリー収容体1を構成する材料には、軽量で剛性に優れた繊維強化複合材料の一つであるCFRP(炭素繊維強化プラスチック)が用いられている。CFRPは、エポキシ樹脂がマトリクス(母材)に用いられ、合成樹脂であるアクリル長繊維から作られるPAN系炭素繊維が強化材としてマトリクスに混合されている。
1 and 2, the
As a material constituting the
第1のCFRP群3aは、細長い矩形平板状に形成された複数の単位CFRP2aが配列されて形成される。複数の単位CFRP2aは、その矩形面を形成するそれぞれの長辺が平行になるように一定の間隔で、同一面上に配列されている。
The
また、第2のCFRP群3bは、以下に説明する複数の単位CFRP2bが配列されて形成される。単位CFRP2bは、単位CFRP2aをその矩形面の垂線を軸として−60度回転したものである。複数の単位CFRP2bは、その矩形面を形成するそれぞれの長辺が平行になるように一定の間隔で、同一面上に配列されている。ここで、第2のCFRP群3bの形成面は、第1のCFRP群3aの形成面と平行な位置関係にある。
The
また、第3のCFRP群3cは、以下に説明する複数の単位CFRP2cが配列されて形成される。単位CFRP2cは、単位CFRP2aをその矩形面の垂線を軸として60度回転したものである。複数の単位CFRP2cは、その矩形面を形成するそれぞれの長辺が平行になるように一定の間隔で、同一面上に配列されている。ここで、第3のCFRP群3cの形成面は、第1のCFRP群3aおよび第2のCFRP群3bの形成面と平行な位置関係にある。
The
バッテリー収容体1は、第1のCFRP群3a〜第3のCFRP群3cが順番に幾重にも積み重ねられて形成されている。即ち、バッテリー収容体1は、第1のCFRP群3a〜第3のCFRP群3cで仕切られて、上下面が開口された正六角形の筒状体の空間を規則的に配列してなるグリッド構造に構成されている。それぞれの正六角形の筒状体の空間を単位セル空間4と定義する。単位セル空間4の正六角形の大きさは、例えば直径100mmの円が正六角形に内接する大きさで形成されている。また、正六角形を形成する面に直交する方向の厚さは、1インチ(24.5mm)で形成されている。
The
CFRPを材料としたグリッド構造に構成されるバッテリー収容体1は、軽量で剛性に優れるという特徴があるが、単位セル空間4の外形を正六角形としたことで、他の形状よりもさらに高い剛性が得られる。
The
次に、バッテリー一体型基板20の構造について説明する。
図4および図5に示すように、バッテリー収容体1の複数の単位セル空間4の6つにリチウムイオンバッテリー5a〜5fがそれぞれ配設されている。リチウムイオンバッテリー5a〜5fは、エネルギー密度に優れ、出力電圧が3.5〜3.8Vのものが用いられる。この実施の形態では、1つのバッテリー当たり3.7Vの出力電圧で3.7Ahの性能のものが用いられている。
Next, the structure of the battery integrated
As shown in FIGS. 4 and 5,
リチウムイオンバッテリー5a〜5fは、直方体に形成されている。リチウムイオンバッテリー5a〜5fは、直方体の上下面における短辺のそれぞれが、単位セル空間4の開口面形状である正六角形の平行な2辺のそれぞれに同じ長さで接するように配設されている。
また、リチウムイオンバッテリー5a〜5fの制御回路部18が、リチウムイオンバッテリー5a〜5fが配設された後に単位セル空間4内に生じる筒状体空間10に配設されている。
The
Further, the
また、図3〜図5に示すように、矩形平板状に形成された第1の表皮7aおよび第2の表皮7bが、バッテリー収容体1の上下面の開口を塞口するようにして固定されている。即ち、バッテリー収容体1が第1の表皮7aおよび第2の表皮7bに挟まれてサンドイッチ構造に構成されている。第1の表皮7aおよび第2の表皮7bは高い放熱性が要求され、例えば強化繊維として熱伝導率に優れたピッチ形の炭素繊維を、マトリクスにはエポキシ樹脂を用いたCFRPで形成されている。
Also, as shown in FIGS. 3 to 5, the
さらに、第1の表皮7aの表面側には、複数の太陽電池セル6が一体に取り付けられている。太陽電池はSi系の太陽電池が用いられて、太陽電池セル6の1セル当たりの起電力は0.5Vである。太陽電池セルユニット8a〜8fがそれぞれ太陽電池セル6を8セル直列に接続して構成されている。太陽電池セルユニット8a〜8fにおいて、直列に接続した8つの太陽電池セル6の両端部15a,15bの間には太陽電池セル6の8セル分の起電力が生じている。
Furthermore, a plurality of
太陽電池セルユニット8a〜8fの両端部15a,15bから延びる一対の配線17の先端は、第1の表皮7aを貫通し、筒状体空間10内に位置している。配線17の先端には、接続部としての電力送出用コネクタ11が取り付けられている。また、端子部としての第1の端子12が、電力送出用コネクタ11に対応するようにリチウムイオンバッテリー5a〜5fの側面上部に取り付けられている。電力送出用コネクタ11に第1の端子12を嵌合することにより、太陽電池セルユニット8a〜8fとリチウムイオンバッテリー5a〜5fとの間は電気的に接続されて、太陽電池セルユニット8a〜8fで発電された電力がリチウムイオンバッテリー5a〜5fにそれぞれ蓄電されるようになっている。
The tips of the pair of
なお、リチウムイオンバッテリー5a〜5fのそれぞれは、第1の表皮7aを介して、太陽電池セルユニット8a〜8fの直近の単位セル空間4内に配設されている。したがって、太陽電池セルユニット8a〜8fおよびリチウムイオンバッテリー5a〜5f間を接続する配線17は複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、太陽電池セルユニット8a〜8fとリチウムイオンバッテリー5a〜5fとの間の送電ロスは著しく低減される。
Each of the
また、機器ユニット筐体19が、第2の表皮7bを挟んでバッテリー収容体1と相対するように第2の表皮7bに一体に取り付けられている。さらに、機器ユニット筐体19の内部には、機器13a〜13cが配設されている。
The
機器ユニット筐体19内部に配設される機器13a〜13cは、第2の表皮7bを介して単位セル空間4内に配設されているリチウムイオンバッテリー5a〜5cの直近にそれぞれ配設されている。
同様に3つの機器13d〜13fも第2の表皮7bを介して単位セル空間4内に配設されているリチウムイオンバッテリー5d〜5fの直近に配設されている。
The
Similarly, the three
また、一端が機器13a〜13fに接続される一対の配線9の他端側は、第2の表皮7bを貫通し、筒状体空間10内に位置している。さらに、配線9の他端側には、接続部としての電力供給用コネクタ16が取り付けられている。また、端子部としての第2の端子14が、電力供給用コネクタ16に対応するようにリチウムイオンバッテリー5a〜5fの側面下部に取り付けられている。電力供給用コネクタ16および第2の端子14を嵌合することにより、機器13a〜13fは、リチウムイオンバッテリー5a〜5fに電気的に接続されて、リチウムイオンバッテリー5a〜5fに蓄電された電力が機器13a〜13fに供給されるようになっている。
Further, the other end side of the pair of wirings 9 whose one ends are connected to the
リチウムイオンバッテリー5a〜5fから機器13a〜13fに電力を供給するための配線9は、複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、電力供給における送電ロスは著しく低減される。よって、リチウムイオンバッテリー5a〜5fの電圧以上に電圧を上げて送電を行う必要は無いので昇圧装置は不必要であり、リチウムイオンバッテリー5a〜5fの電圧3.7Vのまま各機器に送電することが可能である。このため、電気仕様が約3.7Vの安価な民生品用電子機器、電子部品の使用が可能となる。民生品用電子機器、電子部品は広く普及しているため、部品納期の短縮も期待できる。
The wiring 9 for supplying power from the
また、昇圧装置が不要であり、またバッテリー収容体1の単位セル空間4の内部にリチウムイオンバッテリー5a〜5f、電力送出用コネクタ11、電力供給用コネクタ16、第1の端子12および第2の端子14、制御回路部18等を配設することができるので、バッテリー一体型基板20が小型化され、その設置スペースを低減することができる。
Further, the booster is not required, and the
この実施の形態によれば、バッテリー一体型基板20のバッテリー収容体1は軽量で剛性に優れたCFRPを材料としたグリッド構造に構成されている。また、バッテリー収容体1の上下面の開口は、第1の表皮7aおよび第2の表皮7bによって塞口されて、サンドイッチ構造に構成されている。また、第1の表皮7aの表面側には、複数の太陽電池セル6が一体に取り付けられて、さらに太陽電池セルユニット8a〜8fが太陽電池セル6を6つ直列に接続して構成されている。
According to this embodiment, the
また、バッテリー収容体1の単位セル空間4に3.7V出力のリチウムイオンバッテリー5a〜5fが配設されている。さらにまた、太陽電池セルユニット8a〜8fは、第1の表皮7aを介して直近の単位セル空間4内に配設されているリチウムイオンバッテリー5a〜5fにそれぞれ電気的に接続されている。
したがって、太陽電池セルユニット8a〜8fおよびリチウムイオンバッテリー5a〜5f間を接続する配線17は複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、太陽電池セルユニット8a〜8fとリチウムイオンバッテリー5a〜5fとの間の送電ロスは著しく低減される。
Further, 3.7 V output
Accordingly, the
また、機器13a〜13fは第2の表皮7bを介して機器13a〜13fの直近の単位セル空間4内にそれぞれ配設されているリチウムイオンバッテリー5a〜5fに電気的に接続されており、機器13a〜13fにはリチウムイオンバッテリー5a〜5fから電力が供給されるようになっている。
したがって、リチウムイオンバッテリー5a〜5fから機器13a〜13fに電力を供給するための配線9は、複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、電力供給における送電ロスは著しく低減される。よって、リチウムイオンバッテリー5a〜5fの電圧以上に電圧を上げて送電を行う必要は無いので昇圧装置は必要としない。したがって、リチウムイオンバッテリー5a〜5fの電圧3.7Vのまま各機器に送電することが可能になる。このため、電気仕様が約3.7Vの安価な民生品用電子機器、電子部品の使用が可能となる。
The
Therefore, the wiring 9 for supplying power from the
また、バッテリー収容体1の単位セル空間4の内部にリチウムイオンバッテリー5a〜5f、接続部としての電力送出用コネクタ11および電力供給用コネクタ16、端子部としての第1の端子12および第2の端子14、制御回路部18等を配設することができるので、バッテリー一体型基板20が小型化され、その設置スペースを低減することができる。
Further, inside the
さらにまた、バッテリー一体型基板20のバッテリー収容体1は軽量で剛性に優れたCFRPで構成されたグリッド構造に構成されているので高い剛性が得られる。特にバッテリー収容体1のグリッド構造の単位セル空間4の外形を正六角形としたことで、他の外形形状をもつグリッド構造より一段と高い剛性が得られる。
Furthermore, since the
なお、上記実施の形態では、バッテリー収容体1の構成材料であるCFPRのマトリクスはエポキシ樹脂としたが、特にエポキシ樹脂に限定されるものではなく、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などを使用してもよい。また、強化材は、PAN系のものとしたが、PAN系に限定されるものではなく、石油ピッチなどで作られるピッチ系炭素繊維を使用してもよい。
さらにバッテリー収容体1を構成する材料は、CFRPの他、C/C(炭素繊維強化炭素複合材)などの他の繊維強化複合材料を使用してもよい。
In the above embodiment, the CFPR matrix that is a constituent material of the
Furthermore, the material which comprises the
また、バッテリー収容体1における単位セル空間4の外形は、正六角形としたが、正六角形に限定されるものではなく、バッテリー収容体1が用いられる環境において、剛性に耐えうるものであれば三角形や八角形など、他の形状でもよい。
また、第1の表皮7aおよび第2の表皮7bの構成材料には、ピッチ系の炭素繊維を用いたCFRPを用いたが、ピッチ系の炭素繊維に限定されるものではなく、軽量で熱伝導性に優れた金属材料や、他の複合材料を用いてもよい。
In addition, the outer shape of the
The constituent material of the
また、リチウムイオンバッテリー5a〜5fの形状は直方体としたが、直方体に限定されるものではなく、三角柱や他の形状でもよい。
また、リチウムイオンバッテリー5a〜5fを6つ配設するものとしたが、配設数は6つに限定されるものではなく、仕様に合わせて適宜設定すればよい。また、リチウムイオンバッテリー5a〜5fと接続される太陽電池セルユニット8a〜8fも6ユニットとしたが、リチウムイオンバッテリーの配設数に合わせて適宜設定すればよい。
Moreover, although the shape of the
Although six
また、リチウムイオンバッテリー5a〜5fの出力電圧は、3.5V〜3.8Vとしたが、出力電圧は3.5V〜3.8Vに限定されるものではなく、仕様に応じて他の出力電圧のリチウムイオンバッテリーを用いてもよい。
また、太陽電池セルユニット8a〜8fは8つの太陽電池セル6を直列に接続して構成されるものとしたが、直列に接続する太陽電池セル6の数は8つに限定されるものではなく、リチウムイオンバッテリーの出力電圧に応じて適宜設定すればよい。
Moreover, although the output voltage of the
Moreover, although the
1 バッテリー収容体、7a 第1の表皮、7b 第2の表皮、4 単位セル空間、5a〜5f リチウムイオンバッテリー、6 太陽電池セル、8a〜8f 太陽電池セルユニット、10 筒状体空間、13a〜13f 機器、11 電力送出用コネクタ(接続部)、16 電力供給用コネクタ(接続部)、12 第1の端子(端子部)、14 第2の端子(端子部)、18 制御回路部、20 バッテリー一体型基板。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記バッテリー収容体の上下に積層されて上記バッテリー収容体に一体に取り付けられ、上記単位セル空間の上下面の開口をそれぞれ塞口する第1の表皮および第2の表皮と、
上記単位セル空間内に配設されるリチウムイオンバッテリーと、
を備えていることを特徴とするバッテリー一体型基板。 A battery container made of a fiber reinforced composite material and having a grid structure in which cylindrical unit cell spaces whose upper and lower surfaces are open are regularly arranged;
A first skin layer and a second skin layer, which are laminated above and below the battery housing body and are integrally attached to the battery housing body, respectively closing the openings on the upper and lower surfaces of the unit cell space;
A lithium ion battery disposed in the unit cell space;
A battery-integrated substrate comprising:
所定数の上記太陽電池セルを直列に接続して構成された太陽電池セルユニットが、上記第1の表皮を介して、上記太陽電池セルユニットの直近の上記単位セル空間内に配設されている上記リチウムイオンバッテリーに電気的に接続されて、上記太陽電池セルユニットの電力が上記リチウムリチウムイオンバッテリーに蓄電されるようになっていることを特徴とする請求項1記載のバッテリー一体型基板。 A plurality of solar cells integrally attached to the surface of the first skin,
A solar cell unit configured by connecting a predetermined number of the solar cells in series is disposed in the unit cell space immediately adjacent to the solar cell unit via the first skin. 2. The battery-integrated substrate according to claim 1, wherein the battery-integrated substrate is electrically connected to the lithium ion battery so that electric power of the solar cell unit is stored in the lithium lithium ion battery.
上記機器は上記第2の表皮を介して上記機器の直近の上記単位セル空間内に配設されている上記リチウムイオンバッテリーに電気的に接続されて、上記機器には上記リチウムイオンバッテリーから電力が供給されるようになっていることを特徴とする請求項2記載のバッテリー一体型基板。 A device unit housing integrally attached to the second skin so as to face the battery housing with the second skin interposed therebetween, and a device disposed inside the device unit housing,
The device is electrically connected to the lithium ion battery disposed in the unit cell space nearest to the device via the second skin, and the device is powered by the lithium ion battery. The battery-integrated substrate according to claim 2, wherein the battery-integrated substrate is supplied.
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