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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-02-09
(45)【発行日】2022-02-18
(54)【発明の名称】電気機械サーキットブレーカおよびバッテリハウジング
(51)【国際特許分類】
H01H 37/52 20060101AFI20220210BHJP
H02H 7/18 20060101ALI20220210BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20220210BHJP
H02H 9/02 20060101ALI20220210BHJP
H02H 5/04 20060101ALI20220210BHJP
H01M 50/572 20210101ALI20220210BHJP
H01M 50/20 20210101ALI20220210BHJP
【ＦＩ】
H01H37/52 B
H02H7/18
H02J7/00 S
H02H9/02 B
H02H5/04 120
H02H5/04 170
H01M50/572
H01M50/20
【請求項の数】
55
(21)【出願番号】P 2018532046
(86)(22)【出願日】2016-12-15
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2019-03-28
(86)【国際出願番号】 US2016066985
(87)【国際公開番号】W WO2017106535
(87)【国際公開日】2017-06-22
【審査請求日】2019-12-10
(31)【優先権主張番号】62/269,420
(32)【優先日】2015-12-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】62/331,756
(32)【優先日】2016-05-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】505441524
【氏名又は名称】ボーンズ、インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100113608
【弁理士】
【氏名又は名称】平川 明
(74)【代理人】
【識別番号】100138357
【弁理士】
【氏名又は名称】矢澤 広伸
(72)【発明者】
【氏名】ボーンズ，ゴードン リー
(72)【発明者】
【氏名】メイヤー，ラース エリック グナー
(72)【発明者】
【氏名】ゲリングス，アール ロバート
(72)【発明者】
【氏名】ケーシー，ケリー シー．
(72)【発明者】
【氏名】多田 淳
【審査官】関 信之
(56)【参考文献】
【文献】米国特許第０４８６２１３２（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００４－１３４１１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０４３８００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０１５１５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３１９３４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－３３７２２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２８５４５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５２２８４７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｈ ３７／５２
Ｈ０２Ｈ ７／１８
Ｈ０１Ｍ ５０／５７２
Ｈ０１Ｍ ５０／２０
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｈ０２Ｈ ９／０２
Ｈ０２Ｈ ５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の端子と、第２の端子と、
第３の端子と、
前記第１の端子と前記第２および第３の端子との間に配置された熱作動スイッチと
を備え、前記スイッチが、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続されている、正常動作状態を有し、前記スイッチが、前記第１の端子が前記第２の端子と前記第３の端子の両方に電気的に接続されている、故障状態を有し、したがって故障状態では、電流の大部分が前記第１の端子と前記第３の端子との間を流れ、電流のごく一部が前記第１の端子と前記第２の端子との間を流れる、故障状態に応答する電気ブレーカ。
【請求項2】
前記第１の端子と前記第２の端子との間に正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器をさらに備える、請求項１に記載のブレーカ。
【請求項3】
前記熱作動スイッチが、前記ＰＴＣ抵抗器と接触するバイメタルスイッチング素子を備える、請求項２に記載のブレーカ。
【請求項4】
前記バイメタルスイッチング素子が半球状である、請求項３に記載のブレーカ。
【請求項5】
前記熱作動スイッチが、前記第１の端子および前記バイメタルスイッチング素子に電気的に接続された可動アームを備える、請求項３～４のいずれか１項に記載のブレーカ。
【請求項6】
前記可動アームが、前記スイッチが前記正常動作状態にあるときは前記第２の端子に電気的に接続されている、請求項５に記載のブレーカ。
【請求項7】
前記バイメタルスイッチング素子が、前記スイッチが前記正常動作状態から前記故障状態に移行するにつれて形状が反転する、請求項６に記載のブレーカ。
【請求項8】
前記バイメタルスイッチング素子の反転が、前記可動アームを枢動または湾曲させて、前記第３の端子に電気的に接続させる、請求項７に記載のブレーカ。
【請求項9】
前記スイッチが、前記熱作動スイッチの温度が第１の閾値温度よりも上昇すると、前記正常動作状態から前記故障状態に移行するように構成されている、請求項１～８のいずれか１項に記載のブレーカ。
【請求項10】
前記スイッチが、前記熱作動スイッチの温度が前記第１の閾値温度より低い第２の閾値温度よりも低下すると、前記故障状態から前記正常動作状態に復帰するように構成されている、請求項９に記載のブレーカ。
【請求項11】
前記第１の閾値温度が６５℃～８５℃の範囲内にある、請求項９～１０のいずれか１項に記載のブレーカ。
【請求項12】
前記第１の閾値温度が７０℃～８０℃の範囲内にある、請求項１１に記載のブレーカ。
【請求項13】
前記第２の閾値温度が３０℃～６０℃の範囲内にある、請求項１０～１２のいずれか１項に記載のブレーカ。
【請求項14】
前記第２の閾値温度が４０℃～５５℃の範囲内にある、請求項１３に記載のブレーカ。
【請求項15】
前記スイッチが、前記正常動作状態から前記故障状態に移行した後に、自動的には前記正常動作状態に戻らないように構成されている、請求項１～１４のいずれか１項に記載のブレーカ。
【請求項16】
前記ＰＴＣ抵抗器が、前記第１の端子と前記第２の端子との間に配置されている、請求項２～９のいずれか１項に記載のブレーカ。
【請求項17】
前記ＰＴＣ抵抗器がセラミックＰＴＣ抵抗器を備える、請求項２～９のいずれか１項に記載のブレーカ。
【請求項18】
バッテリ用の互いに直列に接続された複数のセルであって、前記複数のセルの各セルが、第１のバッテリセル端子および第２のバッテリセル端子を有する複数のセルと、前記複数のセルのうちの選択されたセルの前記第１のバッテリセル端子に接続された電気ブレーカであって、
第１の端子と、
第２の端子と、
第３の端子と、
前記第１の端子と前記第２および第３の端子との間に配置されたスイッチと
を備え、前記スイッチが、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続されている、正常動作状態を有し、前記スイッチが、前記第１の端子が前記第２の端子と前記第３の端子の両方に電気的に接続されている、故障状態を有する電気ブレーカと、
故障状態では、電流の大部分が前記第１の端子と前記第３の端子との間を流れて、前記選択されたセルを迂回して分流を提供し、電流のごく一部が前記第１の端子と前記第２の端子との間を流れるように、前記第３の端子を前記選択されたセルの前記第２のバッテリセル端子と電気的に接続する、バイパス回路と
を備える、デバイス。
【請求項19】
前記第１の端子と前記第２の端子との間に正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器をさらに備える、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項20】
前記スイッチが熱作動スイッチを備える、請求項１８または１９に記載のデバイス。
【請求項21】
前記熱作動スイッチがバイメタルスイッチング素子を備える、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項22】
前記スイッチが、前記熱作動スイッチの温度が第１の閾値温度よりも上昇すると、前記正常動作状態から前記故障状態に移行するように構成されている、請求項１８～２１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項23】
前記スイッチが、前記熱作動スイッチの温度が前記第１の閾値温度より低い第２の閾値温度よりも低下すると、前記故障状態から前記正常動作状態に復帰するように構成されている、請求項２２に記載のデバイス。
【請求項24】
前記第１の閾値温度が６５℃～８５℃の範囲内にある、請求項２２～２３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項25】
前記第１の閾値温度が７０℃～８０℃の範囲内にある、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項26】
前記第２の閾値温度が３０℃～６０℃の範囲内にある、請求項２３～２５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項27】
前記第２の閾値温度が４０℃～５５℃の範囲内にある、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項28】
前記スイッチが、前記正常動作状態から前記故障状態に移行した後に、前記正常動作状態に戻ることができないように構成されている、請求項１８～２７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項29】
バッテリ用の１つまたは複数のセルを収容するサイズおよび形状のバッテリハウジングをさらに備え、前記電気ブレーカが前記バッテリハウジングと一体化されている、請求項１８～２８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項30】
バッテリ用のセルを収容するサイズおよび形状の１つまたは複数の空洞を画定するハウジング本体と、前記ハウジング本体と結合されたブレーカであって、スイッチを備えるブレーカと、
前記ハウジング本体の第１の端部にあり、前記スイッチに電気的に接続された第１の電気導体であって、前記セルの第１の電極に電気的に接続するように構成された第１の電気導体と、
前記ハウジング本体の第２の端部にある第２の電気導体であって、前記セルの第２の電極に電気的に接続して、前記第１の電気導体と前記第２の電気導体との間に第１の電気経路を画定するように構成された第２の電気導体と、
前記ハウジング本体と結合されたバイパス導体であって、前記スイッチおよび前記第２の電気導体に電気的に接続して、前記スイッチと前記第２の電気導体との間に第２の電気経路を画定するバイパス導体と
を備え、
前記スイッチが、電流が前記第１および第２の電気導体の間の前記第１の電気経路に沿って流れる、正常動作状態を有し、前記スイッチが、前記電流の少なくとも大部分が前記セルをバイパスし、前記スイッチと前記第２の電気導体との間の前記第２の経路に沿って流れる、故障状態を有し、
前記故障状態では、前記電流のごく一部が前記第１の経路に沿って流れる、
バッテリハウジング。
【請求項31】
前記ブレーカが、第１の端子と、
第２の端子と、
第３の端子と
を備え、前記スイッチが、前記第１の端子と前記第２および第３の端子との間に配置された熱作動スイッチを備え、前記スイッチが、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続されている、正常動作状態を有し、前記スイッチが、前記第１の端子が前記第２の端子と前記第３の端子の両方に電気的に接続されている、故障状態を有し、したがって故障状態では、前記電流の大部分が前記第１の端子と前記第３の端子との間を流れ、前記電流のごく一部が前記第１の端子と前記第２の端子との間を流れる、請求項３０に記載のバッテリハウジング。
【請求項32】
前記第１の端子と前記第２の端子との間に正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器をさらに備える、請求項３１に記載のバッテリハウジング。
【請求項33】
前記熱作動スイッチが、前記ＰＴＣ抵抗器と接触するバイメタルスイッチング素子を備える、請求項３２に記載のバッテリハウジング。
【請求項34】
前記ブレーカが、前記ハウジング本体の前記第１の端部に配置されている、請求項３０～３３のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項35】
前記バイパス導体が、前記ハウジング本体の壁に沿って前記第１の端部から前記第２の端部に延びる、請求項３０～３４のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項36】
前記１つまたは複数の空洞が、前記セルがツールレス接続によって前記バッテリハウジングに電気的かつ機械的に接続するような寸法である、請求項３０～３５のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項37】
前記１つまたは複数の空洞が、前記セルを前記バッテリハウジングに機械的かつ電気的に接続するスナップフィット接続で、前記セルを収容するサイズおよび形状である、請求項３６に記載のバッテリハウジング。
【請求項38】
前記セルであって、前記１つまたは複数の空洞内に配置されたセルをさらに備える、請求項３０～３７のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項39】
前記１つまたは複数の空洞が、第２のセルを収容するサイズおよび形状であり、前記バッテリハウジングが、前記ハウジング本体と結合された第２のブレーカであって、第２のスイッチを備える第２のブレーカと、
前記ハウジング本体の前記第２の端部にあり、前記第２のスイッチに電気的に接続された第３の電気導体であって、前記第２のセルの第１の電極に電気的に接続するように構成された第３の電気導体と、
前記ハウジング本体の前記第１の端部にある第４の電気導体であって、前記第２のセルの第２の電極に電気的に接続して、前記第３の電気導体と前記第４の電気導体との間に第３の電気経路を画定するように構成された第４の電気導体と、
前記ハウジング本体と結合された第２のバイパス導体であって、前記第２のスイッチおよび前記第４の電気導体に電気的に接続して、前記第２のスイッチと前記第４の電気導体との間に第４の電気経路を画定する第２のバイパス導体と
をさらに備える、請求項３０～３８のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項40】
外部部品との電気的連絡を提供するように構成された第１のモジュラバッテリ端子であって、前記ハウジング本体の第１の壁の外面上に配置された第１のモジュラバッテリ端子と、前記モジュラバッテリ端子を前記スイッチに電気的に接続する第３の電気導体とをさらに備える、請求項３０～３９のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項41】
第２の外部部品との電気的連絡を提供するように構成された第２のモジュラバッテリ端子であって、前記ハウジング本体の第２の壁の第２の外面上に配置された第２のモジュラバッテリ端子をさらに備える、請求項４０に記載のバッテリハウジング。
【請求項42】
前記バッテリハウジングと電気的に連絡するバッテリ監視システムであって、前記スイッチが前記故障状態にあるかどうかを判定するように構成されたバッテリ監視システムをさらに備える、請求項３１～４１のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項43】
互いに電気的に接続された複数のバッテリハウジングであって、前記複数のバッテリハウジングの各バッテリハウジングが、請求項３０～４２のいずれか１項に記載のバッテリハウジングを備える複数のバッテリハウジングを備える、バッテリパック。
【請求項44】
前記複数のバッテリハウジングが直列に接続されている、請求項４３に記載のバッテリパック。
【請求項45】
前記複数のバッテリハウジングが並列に接続されている、請求項４３に記載のバッテリパック。
【請求項46】
前記複数のバッテリハウジングと電気的に連絡する昇降圧コンバータであって、前記バッテリパックの出力電圧を調節するように構成された昇降圧コンバータをさらに備える、請求項４３～４５のいずれか１項に記載のバッテリパック。
【請求項47】
バッテリ用のセルを収容するように構成されたバッテリハウジングであって、前記バッテリハウジングと一体化された３端子ブレーカであって、正常動作状態および故障状態を有する３端子ブレーカと、
前記ブレーカが前記正常動作状態にあるときに前記セルを通る主電流経路と、
前記ブレーカが前記故障状態にあるときに前記セルをバイパスするように構成されたバイパス電流経路と
を備え、
前記故障状態では、前記電流のごく一部が前記主電流経路に沿って流れ、前記電流の大部分が前記バイパス電流経路に沿って流れる、
バッテリハウジング。
【請求項48】
前記セルであって、前記バッテリハウジングの空洞内に配置されたセルをさらに備える、請求項４７に記載のバッテリハウジング。
【請求項49】
外部部品との電気的連絡を提供するように構成された第１のモジュラバッテリ端子であって、前記バッテリハウジングの第１の壁の外面上に配置された第１のモジュラバッテリ端子をさらに備える、請求項４７または４８に記載のバッテリハウジング。
【請求項50】
第２の外部部品との電気的連絡を提供するように構成された第２のモジュラバッテリ端子であって、前記ハウジング本体の第２の壁の第２の外面上に配置された第２のモジュラバッテリ端子をさらに備える、請求項４９に記載のバッテリハウジング。
【請求項51】
前記バッテリハウジングが、ツールレス接続によって前記セルに機械的かつ電気的に接続するサイズおよび形状である、請求項４７～５０のいずれか１項に記載のバッテリハウジング。
【請求項52】
前記ツールレス接続がスナップフィット接続を含む、請求項５１に記載のバッテリハウジング。
【請求項53】
バッテリ用のセルを収容するように構成されたバッテリハウジングであって、前記バッテリハウジングと一体化されたブレーカであって、正常動作状態および故障状態を有するブレーカと、
前記セルの対応する第１および第２の端子に電気的に接続するように構成された第１および第２のセル接点と、
前記第１および第２のセル接点の間で前記セルを収容するサイズおよび形状の空洞と
を備え、
前記第１および第２のセル接点および前記空洞が、前記セルがツールレス接続によって前記バッテリハウジングに電気的かつ機械的に接続するような寸法であり、
前記ブレーカが前記正常動作状態にあるときに前記セルを通る主電流経路と、前記セルが前記故障状態にあるときに前記セルをバイパスするように構成されたバイパス電流経路とをさらに備え、
前記ブレーカが前記第１のセル接点と電気的に接続されており、
前記故障状態では、前記電流の大部分が前記バイパス電流経路に沿って流れ、前記電流のごく一部が前記主電流経路に沿って流れる、
バッテリハウジング。
【請求項54】
前記ツールレス接続がスナップフィット接続を含む、請求項５３に記載のバッテリハウジング。
【請求項55】
バッテリ用の複数のセルを収容するように構成されたバッテリハウジングであって、前記複数のセルを収容するサイズおよび形状の空洞と、
前記バッテリハウジング上の複数のセル接点であって、各セル接点が、前記複数のセルのうちの対応するセルの対応する端子に電気的に接続するように構成された複数のセル接点と、
前記バッテリハウジングと一体化された複数のブレーカであって、前記複数のブレーカの各ブレーカが正常動作状態および故障状態を有する複数のブレーカと
を備え、
前記複数のブレーカの各ブレーカが、前記複数のセル接点の対応するセル接点に電気的に接続されており、
前記故障状態では、前記電流の大部分が前記複数のセルのうちの対応するセルをバイパスし、前記電流のごく一部が前記対応するセルを流れる、
バッテリハウジング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願への相互参照）
本出願は、全体として、またあらゆる目的のために、その開示の全体が参照により本明細書に援用される、米国仮特許出願第６２／２６９４２０号明細書および米国仮特許出願第６２／３３１７５６号明細書の優先権を主張する。
本出願は、全体として、またあらゆる目的のために、その開示の全体が参照により本明細書に援用される、米国仮特許出願第６２／２６９４２０号明細書および米国仮特許出願第６２／３３１７５６号明細書の優先権を主張する。
【0002】
本分野は一般に、電気機械サーキットブレーカに関し、詳細には、３端子ブレーカおよびこうした３端子ブレーカを組み込む電気システムに関する。本分野はまた、電気機械サーキットブレーカを一体化させることができるバッテリハウジングに関する。
【背景技術】
【0003】
様々なタイプの電気デバイスでは、１つもしくは複数のセルを備えてもよいバッテリなどの回路素子、または他の構成要素は、より大きな電気デバイスの動作もしくは信頼性に悪影響を及ぼす故障を起こす場合がある。たとえば、回路素子は過熱状態になることがあり、かつ／または過度の電流が回路素子を通過する過電流故障を起こす場合がある。こうした過温度および／または過電流故障は、デバイスの機能性、信頼性、耐用年数、および／または安全性を低下させる場合がある。したがって、回路素子（バッテリなど）が動作中に過温度および／または過電流故障を起こすときに、より大きな電気デバイスを保護する装置が、依然として引き続き必要とされている。
【発明の概要】
【0004】
一実施形態では、故障状態に応答する電気ブレーカを開示する。ブレーカは、第１の端子、第２の端子、および第３の端子を含むことができる。ブレーカはまた、第１の端子と第２および第３の端子との間に配置された熱作動スイッチを含むことができる。スイッチは、第１の端子が第２の端子に電気的に接続されている、正常動作状態を有することができる。スイッチは、第１の端子が第２の端子と第３の端子の両方に電気的に接続されている、故障状態を有することができ、したがって故障状態では、電流の大部分が第１の端子と第３の端子との間を流れ、電流のごく一部が第１の端子と第２の端子との間を流れる。
【0005】
いくつかの実施形態では、ブレーカは、第１の端子と第２の端子との間に正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含むことができる。熱作動スイッチは、ＰＴＣ抵抗器と接触するバイメタルスイッチング素子を備えることができる。バイメタルスイッチング素子は、半球状とすることができる。熱作動スイッチは、第１の端子およびバイメタルスイッチング素子に電気的に接続された可動アームを備えることができる。可動アームは、スイッチが正常動作状態にあるときは、第２の端子に電気的に接続することができる。バイメタルスイッチング素子は、スイッチが正常動作状態から故障状態に移行するにつれて、形状が反転することができる。バイメタルスイッチング素子の反転は、可動アームを枢動または湾曲させて、第３の端子に電気的に接続させることができる。スイッチは、熱作動スイッチの温度が第１の閾値温度よりも上昇すると、正常動作状態から故障状態に移行するように構成することができる。スイッチは、熱作動スイッチの温度が第１の閾値温度より低い第２の閾値温度よりも低下すると、故障状態から正常動作状態に復帰するように構成することができる。第１の閾値温度は、６５℃～８５℃の範囲内とすることができる。第１の閾値温度は、７０℃～８０℃の範囲内とすることができる。第２の閾値温度は、３０℃～６０℃の範囲内とすることができる。第２の閾値温度は、４０℃～５５℃の範囲内とすることができる。スイッチは、正常動作状態から故障状態に移行した後に、自動的には正常動作状態に戻らないように構成することができる。ＰＴＣ抵抗器は、第１の端子と第２の端子との間に配置することができる。ＰＴＣ抵抗器は、セラミックＰＴＣ抵抗器を備えることがで
きる。
きる。
【0006】
別の実施形態では、デバイスを開示する。デバイスは、互いに直列に接続された複数のバッテリセルであって、複数のバッテリセルの各バッテリセルが第１のバッテリセル端子および第２のバッテリセル端子を有する複数のバッテリセルを含むことができる。デバイスは、複数のバッテリセルのうちの選択されたバッテリセルの第１のバッテリセル端子に接続された電気ブレーカを含むことができる。電気ブレーカは、第１の端子、第２の端子、および第３の端子を含むことができる。ブレーカは、第１の端子と第２および第３の端子との間に配置されたスイッチ（たとえば、熱作動スイッチ）を含むことができる。スイッチは、第１の端子が第２の端子に電気的に接続されている、正常動作状態を有することができる。スイッチは、第１の端子が第２の端子と第３の端子の両方に電気的に接続されている、故障状態を有することができる。デバイスは、故障状態では、電流の大部分が第１の端子と第３の端子との間を流れて、選択されたバッテリセルを迂回して分流を提供し、電流のごく一部が第１の端子と第２の端子との間を流れるように、第３の端子を選択されたバッテリセルの第２のバッテリセル端子と電気的に接続する、バイパス回路を含むことができる。
【0007】
いくつかの実施形態では、デバイスは、第１の端子と第２の端子との間に正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含むことができる。熱作動スイッチは、バイメタルスイッチング素子を含むことができる。スイッチは、熱作動スイッチの温度が第１の閾値温度よりも上昇すると、正常動作状態から故障状態に移行するように構成することができる。スイッチは、熱作動スイッチの温度が第１の閾値温度より低い第２の閾値温度よりも低下すると、故障状態から正常動作状態に復帰するように構成することができる。第１の閾値温度は、６５℃～８５℃の範囲内とすることができる。第１の閾値温度は、７０℃～８０℃の範囲内とすることができる。第２の閾値温度は、３０℃～６０℃の範囲内とすることができる。第２の閾値温度は、４０℃～５５℃の範囲内とすることができる。スイッチは、正常動作状態から故障状態に移行した後に、正常動作状態に戻ることができないように構成することができる。
【0008】
一実施形態では、バッテリハウジングを開示する。バッテリハウジングは、バッテリ用のセルを収容するサイズおよび形状の空洞を画定するハウジング本体を備えることができる。バッテリハウジングは、ハウジング本体と結合されたブレーカであって、スイッチを備えるブレーカを含むことができる。バッテリハウジングは、ハウジング本体の第１の端部にあり、スイッチに電気的に接続された第１の電気導体であって、セルの第１の電極に電気的に接続するように構成された第１の電気導体を備えることができる。バッテリハウジングは、ハウジング本体の第２の端部にある第２の電気導体であって、セルの第２の電極に電気的に接続して、第１の電気導体と第２の電気導体との間に第１の電気経路を画定するように構成された第２の電気導体を備えることができる。バッテリハウジングは、ハウジング本体と結合されたバイパス導体であって、スイッチおよび第２の電気導体に電気的に接続して、スイッチと第２の電気導体との間に第２の電気経路を画定するバイパス導体を含むことができる。
【0009】
別の実施形態では、バッテリ用のセルを収容するように構成されたバッテリハウジングを開示する。バッテリハウジングは、バッテリハウジングと一体化された３端子ブレーカであって、正常動作状態および故障状態を有する３端子ブレーカを含むことができる。バッテリハウジングは、ブレーカが正常動作状態にあるときにセルを通る主電流経路を含むことができる。バッテリハウジングは、サーキットブレーカが故障状態にあるときにセルをバイパスするように構成されたバイパス電流経路を含むことができる。
【0010】
別の実施形態では、バッテリ用のセルを収容するように構成されたバッテリハウジング
を開示する。バッテリハウジングは、バッテリハウジングと一体化されたブレーカであって、正常動作状態および故障状態を有するブレーカを含むことができる。第１および第２のセル接点であって、ブレーカが第１のセル接点と電気的に接続されている第１および第２のセル接点が、セルの対応する第１および第２の端子に電気的に接続するように構成できる。空洞が、第１および第２のセル接点の間でセルを収容するサイズおよび形状とすることができる。第１および第２のセル接点および空洞は、セルがツールレス接続によってバッテリハウジングに電気的かつ機械的に接続するような寸法とすることができる。
を開示する。バッテリハウジングは、バッテリハウジングと一体化されたブレーカであって、正常動作状態および故障状態を有するブレーカを含むことができる。第１および第２のセル接点であって、ブレーカが第１のセル接点と電気的に接続されている第１および第２のセル接点が、セルの対応する第１および第２の端子に電気的に接続するように構成できる。空洞が、第１および第２のセル接点の間でセルを収容するサイズおよび形状とすることができる。第１および第２のセル接点および空洞は、セルがツールレス接続によってバッテリハウジングに電気的かつ機械的に接続するような寸法とすることができる。
【0011】
別の実施形態では、バッテリ用の複数のセルを収容するように構成されたバッテリハウジングを開示する。バッテリハウジングは、複数のセルを収容するサイズおよび形状の空洞を含むことができる。バッテリハウジングは、バッテリハウジング上の複数のセル接点であって、各セル接点が複数のセルのうちの対応するセルの対応する端子に電気的に接続するように構成された複数のセル接点を含むことができる。複数のブレーカであって、複数のブレーカの各ブレーカが正常動作状態および故障状態を有する複数のブレーカが、バッテリハウジングと一体化できる。複数のブレーカの各ブレーカは、複数のセル接点の対応するセル接点に電気的に接続することができる。
【0012】
これらの実施形態は全て、本明細書に開示する本発明の範囲内にあることを意図するものである。これらのおよび他の実施形態は、添付図面を参照する以下の好ましい実施態様の詳細な説明から当業者には容易に明らかになり、本発明はここで開示するいかなる特定の好ましい実施形態にも限定されるものではない。
【0013】
以下の図面を参照して、これから本発明の特定の実施態様を説明するが、これらは一例として挙げるものであり、これらには限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1A】一実施形態による、電気システムの正常動作状態における概略回路図である。
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【図4】様々な実施形態による、例示的なスイッチが正常動作状態から故障状態にトリップする電流および温度を示すグラフである。
【0021】
【図5】様々な実施形態による、例示的な正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器の温度と抵抗との間の関係を示す概略グラフである。
【0022】
【図6A】別の実施形態による、電気システムの正常動作状態における概略回路図である。
【0023】
【0024】
【図7】さらに別の実施形態による、システムの性能をシミュレートするために使用することができる電気システムの概略回路図である。
【0025】
【図8A】一実施形態による、サーキットブレーカを組み込むバッテリハウジングの概略上面、正面、および右側斜視図である。
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【図11A】バッテリ端子および第１のセル接点に沿って断面を取った、バッテリハウジングおよびバッテリセルの概略上面、背面、および右側斜視断面図である。
【0032】
【図11B】第２のセル接点に沿って断面を取った、バッテリハウジングおよびバッテリセルの概略上面、背面、および右側斜視断面図である。
【0033】
【図12】様々な実施形態による、互いに接続されたモジュラ・バッテリ・ハウジングの列の背面および右側斜視図である。
【0034】
【図13A】様々な実施形態による、直列に接続されたバッテリハウジングの列の概略回路図である。
【0035】
【図13B】様々な実施形態による、２つのバッテリハウジングが並列に接続されているバッテリハウジングの概略回路図である。
【0036】
【図14】互いに直列にかつ昇降圧コンバータと接続されたセルの列を備えるバッテリパックの概略系統図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
Ｉ．３端子ブレーカの実施例
本明細書に開示する様々な実施形態は、電気デバイスを過熱および／または過度の電流から保護するための電気機械３端子ブレーカに関する。電気デバイスおよび電気システムは、システム全体の性能または信頼性に悪影響を及ぼすことがある故障状態（たとえば、過温度および／または過電流故障）になることがある多数の回路素子を有してもよい。たとえば、多くのデバイスは、電気システムに電力を供給するのを、複数のバッテリまたはバッテリセル（直列接続、並列接続、またはこれらの組合せを問わない）に頼っている。バッテリは充電式のことが多く、これにより、ユーザが、新しいバッテリを購入する代わりに、放電後にバッテリを繰り返し使用することが可能になる。たとえば、モバイル電子
デバイス（スマートフォン、タブレット・コンピューティング・デバイス、ラップトップコンピュータなど）は、数動作時間にわたる高性能コンピューティングのために電子デバイスに電力を供給する、高エネルギ容量充電式バッテリ（たとえば、リチウムイオンバッテリ）を利用する。電動自転車、電気車両、およびハイブリッド車両もまた、長い走行距離で車両を動作させるのに十分な電力を供給するのを、高エネルギ容量バッテリに頼っている。太陽光発電システムは、太陽電池によって発生するエネルギを蓄えるためにバッテリを使用することが多い。多数のタイプの電気システムおよび電気デバイス用の信頼性が高く長持ちするバッテリが引き続き必要とされていることを、当業者なら理解するであろう。
本明細書に開示する様々な実施形態は、電気デバイスを過熱および／または過度の電流から保護するための電気機械３端子ブレーカに関する。電気デバイスおよび電気システムは、システム全体の性能または信頼性に悪影響を及ぼすことがある故障状態（たとえば、過温度および／または過電流故障）になることがある多数の回路素子を有してもよい。たとえば、多くのデバイスは、電気システムに電力を供給するのを、複数のバッテリまたはバッテリセル（直列接続、並列接続、またはこれらの組合せを問わない）に頼っている。バッテリは充電式のことが多く、これにより、ユーザが、新しいバッテリを購入する代わりに、放電後にバッテリを繰り返し使用することが可能になる。たとえば、モバイル電子
デバイス（スマートフォン、タブレット・コンピューティング・デバイス、ラップトップコンピュータなど）は、数動作時間にわたる高性能コンピューティングのために電子デバイスに電力を供給する、高エネルギ容量充電式バッテリ（たとえば、リチウムイオンバッテリ）を利用する。電動自転車、電気車両、およびハイブリッド車両もまた、長い走行距離で車両を動作させるのに十分な電力を供給するのを、高エネルギ容量バッテリに頼っている。太陽光発電システムは、太陽電池によって発生するエネルギを蓄えるためにバッテリを使用することが多い。多数のタイプの電気システムおよび電気デバイス用の信頼性が高く長持ちするバッテリが引き続き必要とされていることを、当業者なら理解するであろう。
【0038】
こうしたバッテリ駆動システムの１つの問題は、１つもしくは複数のバッテリセルが、電気システム全体の性能、信頼性、および／もしくは安全性に悪影響を及ぼすことがある、過度の温度（過温度故障状態）および／または過度の電流（過電流故障状態）を受ける場合があることである。たとえば、リチウムイオンバッテリ（たとえば、リチウムポリマーまたは他のタイプのリチウムイオンバッテリ）を利用するシステムでは、セルが十分に高温になる場合に、セルが熱暴走を起こし、それにより、溶液中のリチウムを固体に変え、セル内のリチウム層を短絡させることがある。こうした状況では、バッテリは短絡状態になることがあり、過度の電流をセル内に流して、セルの温度をさらにいっそう上昇させることがある。場合によっては、過度の温度が、過熱したセルを劣化させることがあり、またはより大きな電気システムの動作を阻害することがある。
【0039】
いくつかのタイプの電気機械サーキットブレーカは、バイメタルスイッチを正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器とたとえば並列に接続することによって、過温度および／または過電流故障状態に対処することができる。ＰＴＣ抵抗器とは、従来の抵抗体とは対照的に、温度の上昇と共に抵抗が増加する抵抗器である。ブレーカによっては、過度の電流が特定の回路素子、たとえばバッテリを流れる場合に、バイメタルスイッチおよびＰＴＣ抵抗器の温度が上昇するものもある。閾値温度において、バイメタルスイッチは反転位置にトリップして、スイッチを開いてもよい。したがって、こうしたブレーカの故障状態では、開いたスイッチが、回路素子を通る電流の流れを停止または著しく減少させて、故障状態の回路素子を救済してもよい。しかし、構成によっては、回路全体を通る電流の流れを停止または著しく減少させることが望ましくない場合があるものもある。たとえば、回路素子が他の回路素子と直列である場合には、現在の技術水準のブレーカのスイッチを開くことは、他の回路素子を通る電流の流れを停止または著しく減少させる場合がある。
【0040】
システム内の他の回路素子との接続性を維持しながら、回路素子内の過温度および／または過電流故障の影響に対処するために、本明細書に開示する実施形態は、正常動作状態中には電流を回路素子に流すが、故障状態中には問題がある回路素子を迂回して電流の大部分（または全て）をバイパスまたは分流する、３端子ブレーカを提供する。たとえば、ブレーカは、より大きな電気システムの対応する端子に接続することができる、第１の端子、第２の端子、および第３の端子を含むことができる。ブレーカはまた、第１の端子と第２および第３の端子との間に配置された熱作動機械スイッチを含むことができる。スイッチは、第１の端子が第２の端子に電気的に接続されている、正常動作状態を有することができる。スイッチは、第１の端子が、抵抗器を介して第２の端子に、および直接的に第３の端子に電気的に接続されている、故障状態を有することができる。いくつかの実施形態では、スイッチは、これに限定するものではないが、半球状のバイメタルディスクなどのバイメタル素子を備えることができ、これが作動して、スイッチを正常状態から故障状態に移行させることができ、逆の場合も同様である。いくつかの実施形態では、第１の端子と第２および第３の端子のうちの一方との間に、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を設けることができる。
【0041】
図１Ａは、一実施形態による、電気システム１の正常動作状態における概略回路図である。電気システム１は、負荷Ｌ、および直列に接続された複数のバッテリセル２ａ～２ｅを含むことができる。本明細書に開示する全ての図面の場合と同様に、一連のバッテリセルの極性が、図１Ａに示す極性と逆でもよいことが理解されよう。セル２ａ～２ｅは、負荷Ｌに十分な電力を供給する任意の適当なタイプのバッテリセルを備えることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、バッテリセル２ａ～２ｅは、リチウムイオン・バッテリ・セルまたはリチウム・ポリマー・バッテリ・セルを備えることができる。負荷Ｌは、モバイルデバイス（スマートフォン、タブレット・コンピューティング・デバイス、ラップトップコンピュータなど）の構成要素、車両（ハイブリッドもしくは電気車両など）の構成要素、電気エネルギ貯蔵システムまたは他の適当な電気もしくは電子システムの構成要素などの、任意の適当なタイプの電気負荷を備えることができる。いくつかの実施形態では、バッテリセル２ａ～２ｅは、太陽光発電および蓄電システム内へのエネルギ貯蔵に使用してもよい。図１Ａに示す実施形態では、バッテリセル２ａ～２ｅは直列に接続されているが、他の構成では、セルは並列に接続することもでき、またはこれらの組合せとすることもできることを理解されたい。さらに、図１Ａには５つのバッテリセル２ａ～２ｅを示してあるが、任意の適当な数のセルを使用してもよいことを理解されたい。
【0042】
図１Ａでは、電気ブレーカ３が、回路を故障状態から保護するためにバッテリセル２ｃに接続されている。ブレーカ３は、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器５と接続されたスイッチ４を備えることができる。図１Ａの実施形態では、たとえば、スイッチ４はＰＴＣ抵抗器と並列に接続されているが、他の実施形態では、ＰＴＣ抵抗器は他の構成で接続してもよい。例示する実施形態では、スイッチ４は熱作動機械スイッチ、特にバイメタル素子である。本明細書で説明するように、ＰＴＣ抵抗器５は、温度の上昇と共に増加する抵抗を有する抵抗素子を備えることができる。ＰＴＣ抵抗器５は、セラミックＰＴＣ抵抗器またはポリマーＰＴＣ抵抗器を含め、任意の適当なタイプのＰＴＣ抵抗器とすることができる。ブレーカ３は、故障状態からの回路の保護を提供するものとして示してあるが、各セル２ａ～２ｅ（またはこれらの任意の組合せ）は、故障保護を提供するためにそれ自体のブレーカに接続してもよいことを理解されたい。図１Ａに関連して以下に説明するように、たとえば、バイパス回路６が、セル２ｃを迂回して経路設定されて、故障状態においてセル２ｃから離れるように電流の全てまたは大部分を分流させることができる。
【0043】
図１Ａに示すシステム１は、スイッチ４が、入力端子と考えることができる第１の端子Ｔ１を、第１のまたは主出力端子と考えることができる第２の端子Ｔ２と電気的に接続している、正常動作状態で示してある。図１Ａに示すように、第１の端子Ｔ１は、スイッチ４と隣接するバッテリセル２ｄとの間に配置されている。第２の端子Ｔ２は、スイッチ４と故障状態から保護すべきセル２ｃとの間に配置されている。例示する実施形態では、ＰＴＣ抵抗器５は、第１の端子Ｔ１を第２の端子Ｔ２と電気的に接続するスイッチ４と並列である。電気システム１の正常動作中、各セル２ａ～２ｅが電圧Ｖをシステムに供給する場合には、直列に接続されたセル２ａ～２ｅは、５＊Ｖの電圧を負荷Ｌに共同で供給する。
【0044】
バッテリセル２ａ～２ｅは、第１の電流Ｉ１を負荷Ｌに供給することができる。ブレーカ３の内部では、ＰＴＣ抵抗器５がスイッチ４と並列なので、第２の電流Ｉ２がスイッチ４を流れることができ、第３の電流Ｉ３がＰＴＣ抵抗器５を流れることができ、ここで、Ｉ１＝Ｉ２＋Ｉ３である。システム１の正常動作中、スイッチ４の抵抗ＲＳは、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣよりも著しく小さくてもよい。たとえば、正常動作状態中、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣは１～２０オームの範囲内でもよく、スイッチ４の抵抗ＲＳは１～１０ミリオームの範囲内でもよい。したがって、スイッチ４の相対的に低い抵抗ＲＳは、電流の大部分を、ＰＴＣ抵抗器５を通過することなくスイッチ４に流す。いくつかの実施形態では、たとえば、正常動作中、スイッチ４を流れ、ＰＴＣ抵抗器をバイパスする第
２の電流Ｉ２は、ＰＴＣ抵抗器５を流れる第３の電流Ｉ３の１００倍以上、１０００倍以上、または１００００倍以上でもよい。したがって、有利なことに、スイッチ４の相対的に低い抵抗ＲＳは、正常動作状態中により大きな電気システム１の電気的性能を低下させることはできない。
２の電流Ｉ２は、ＰＴＣ抵抗器５を流れる第３の電流Ｉ３の１００倍以上、１０００倍以上、または１００００倍以上でもよい。したがって、有利なことに、スイッチ４の相対的に低い抵抗ＲＳは、正常動作状態中により大きな電気システム１の電気的性能を低下させることはできない。
【0045】
図１Ｂは、図１Ａに示すシステム１の故障状態における概略回路図である。特に断りのない限り、図１Ｂに示す参照符号は、図１Ａに示したものと同じ構成要素を表す。上記で説明したように、故障状態では、セル２ｃは過度の温度および／または電流を受ける場合がある。温度および／またはセル２ｃを通過する電流が、所定の温度および／または電流を超える場合、スイッチ４は、図１Ａに示す正常状態から図１Ｂに示す故障状態に移行することができる。たとえば、図２Ａ～図３Ｂに関連して以下に説明するように、故障状態では、スイッチ４は第２の端子Ｔ２から第３の端子Ｔ３に移動することができる。図１Ｂに示すように、第３の端子Ｔ３は、セル２ｃをバイパスするバイパス回路６への電気的接続を提供することができる。したがって、故障状態では、スイッチ４は、（過温度および／または過電流故障を起こす）セル２ｃをバイパスして、第１の端子Ｔ１とセル２ｃに隣接するセル２ｂとの間の電気的接続を提供することができる。故障状態では、電流の大部分は、セル２ｃの温度および／またはセル２ｃを通る電流のさらなる増加を防止するように、過温度および／または過電流故障中のセル２ｃをバイパスする。
【0046】
図２Ａは、一実施形態による、図１Ａ～図１Ｂの実施形態で使用することができる電気ブレーカ３の正常動作状態における概略側断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示すブレーカ３の概略回路図である。図３Ａは、図２Ａの電気ブレーカ３の故障状態における概略側断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示すブレーカ３の概略回路図である。図２Ａおよび図３Ａに示すように、ブレーカ３は、第１の端子Ｔ１、第２の端子Ｔ２、および第３の端子Ｔ３が結合されたハウジング１０を備える電気機械デバイスを備えることができる。ハウジング１０は、第２の端子Ｔ２に、また１つまたは複数のインタコネクト１３を介してＰＴＣ抵抗器５に電気的に接続された、第１の導電線１２を備えることができる。ハウジングはまた、第３の端子Ｔ３に電気的に接続された、ハウジング１０の上面に沿った第２の導電線１４を備えることができる。
【0047】
スイッチ４は、可動（たとえば、枢動可能または湾曲可能な）導電性アーム８、およびスイッチング素子７を備えることができる。枢動可能なアーム８は、第１の端子Ｔ１に、また接触によってスイッチング素子７に、電気的に接続することができる。たとえば、図２Ａに示す正常状態では、枢動可能なアーム８は、スイッチング素子７の中央部分に電気的に接触することができる。たとえば、図２Ａでは、枢動可能なアーム８は、枢動可能なアーム８の末端部の接点１５が、第１の導電線１２および第２の端子Ｔ２に接触し、電気的に接続されている、正常状態で示してある。図３Ａでは、枢動可能なアーム８は、別の接点１６が、第２の導電線１４および第３の端子Ｔ３に接触し、電気的に接続されている、故障状態で示してある。故障状態では、枢動可能なアーム８はまた、スイッチング素子７の対向する端部で、スイッチング素子７に電気的に接触することができる。
【0048】
枢動可能なアーム８は、スイッチング素子７およびＰＴＣ抵抗器５と係合することによって、正常状態から故障状態に移行することができる。たとえば、スイッチング素子７は、温度変化に応じて変形する、電気機械または熱機械スイッチング素子、特に半球状のバイメタル素子を備えることができる。正常動作中、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、第１の電流Ｉ１は、枢動可能なアーム８に沿って流れることができる。電流Ｉ２の大部分は、ＰＴＣ抵抗器５を通過することなく、第２の端子Ｔ２、第１の導電線１２、および枢動可能なアーム８を通過する。しかし、小さいトリクル電流Ｉ３（破線で図示）が、第２の端子Ｔ２および第１の導電線１２から、ＰＴＣ抵抗器５およびスイッチング素子７を経て、枢動可能なアーム８まで通る。上記で説明したように、正常動作中、ＰＴＣ抵抗器５を
バイパスする電流Ｉ２は、ＰＴＣ抵抗器５を通るトリクル電流Ｉ３よりもはるかに大きくてもよい。
バイパスする電流Ｉ２は、ＰＴＣ抵抗器５を通るトリクル電流Ｉ３よりもはるかに大きくてもよい。
【0049】
温度および／またはブレーカ３を通る電流が所定の値を超える場合には、ブレーカ３は、図２Ａ～図２Ｂに示す正常動作状態から、図３Ａ～図３Ｂに示す故障状態に移行することができる。たとえば、スイッチング素子７の温度が、製造工程において選択および調整することができる特定の温度閾値を超える場合には、スイッチング素子７は、図２Ａの下向き湾曲形状から、図３Ａの上向き湾曲形状に切り替わることができる。過度の電流が、ＰＴＣ抵抗器５およびＰＴＣ抵抗器５に接触するスイッチング素子７の温度の対応する上昇を引き起こすので、ＰＴＣ抵抗器５もまた、スイッチング素子７の温度を上昇させることができる。スイッチング素子７が、図３Ａに示す上向き湾曲形状に変形すると、枢動可能なアーム８の末端部の接点１６は、第２の導電線１４および第３の端子Ｔ３に（または、図示しない他の実施形態では、第３の端子Ｔ３に直接的に）接触し、電気的に接続する。スイッチング素子７は、正常状態では下向き湾曲し、故障状態では上向き湾曲するものとして示してあるが、他の構成では、ブレーカはまた、スイッチング素子７が、正常動作状態中に上向き湾曲形状であり、故障状態中に下向き湾曲形状であるように構成してもよいことを理解されたい。
【0050】
したがって、故障状態では、第１の電流Ｉ１は、枢動可能なアーム８に沿って第１の端子Ｔ１まで通る。ＰＴＣ抵抗器５の温度がセル２ｃの温度と共に上昇するにつれて（図１Ｂ）、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣはそれに対応して増加する。温度の上昇に伴うＰＴＣ抵抗器５の増加する抵抗ＲＰＴＣによって、電流Ｉ２の大部分は、第２の導電線１４および第３の端子Ｔ３から枢動可能なアーム８まで通る。第２の電流Ｉ２は、図１Ｂに示すバイパス回路６に沿って通過することにより、セル２ｃをバイパスする。しかし、小さいトリクル電流Ｉ３は依然として、第１の導電線１２および第２の端子Ｔ２から、ＰＴＣ抵抗器５およびスイッチング素子７を経て（たとえば、スイッチング素子７の端部で）、枢動可能なアーム８および第１の端子Ｔ１まで通る。図５に関して以下でさらに詳細に説明するように、ＰＴＣ抵抗器５によって発生する熱が、最初の故障状態後に高温を維持して、スイッチ４がチャタリングを起こす、すなわち、故障モードと正常動作モードとの間で繰り返し切り替わるのを防止するので、トリクル電流Ｉ３は、極めて重要なデバイス機能性を可能にするために、セル２ｃから少量の電流を供給することができる。ＰＴＣ抵抗器５を通るトリクル電流Ｉ３が、正常状態および故障状態下で異なる大きさを有することができること、またＩ３の大きさが、故障状態の出現中に変わることができることを、当業者なら理解するであろう。
【0051】
図４は、様々な実施形態による、例示的なスイッチ４が正常動作状態から故障状態にトリップする電流および温度を示すグラフである。具体的には、図４は、カリフォルニア州リバーサイドのＢｏｕｒｎｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＫｏｍａｔｓｕｌｉｔｅ（商標）のＫＣＡシリーズＡタイプブレーカに使用される、半球状のバイメタルスイッチの電流対温度のプロットである。具体的には、図４は、シリーズＡタイプブレーカの４つの異なるバージョンについて電流対温度をプロットする。図４では、線は、特定のブレーカが故障状態にトリップする温度と電流との組合せを表す。したがって、各線より下の領域は正常状態を示し、線以上の領域は故障状態を示す。図４に示すように、スイッチ４は、（低電流でも）比較的高い温度で、かつ／または（低温でも）比較的高い電流で、正常動作状態から故障状態にトリップすることができる。たとえば、スイッチ４が、デザインに応じて、６５℃～８５℃の範囲内、より具体的には７０℃～８０℃の範囲内の所定の温度に達すると、スイッチ４は、正常動作状態から故障状態にトリップすることができる。
【0052】
ＰＴＣ抵抗器５を使用することは、いくつかの実施形態で様々な利点をもたらすことができる。本明細書で説明するように、ＰＴＣ抵抗器５は、最初の故障状態後に上昇した温
度を維持することにより、ブレーカ３が高い率で正常状態と故障状態との間でチャタリングを起こさないようにスイッチ４およびブレーカ３が安定的に動作することを可能にすることができる。さらに、ＰＴＣ抵抗器５の温度の低下は、ある状況下では、ブレーカ３を故障状態から正常動作状態にリセットするのに役立つことができる。
度を維持することにより、ブレーカ３が高い率で正常状態と故障状態との間でチャタリングを起こさないようにスイッチ４およびブレーカ３が安定的に動作することを可能にすることができる。さらに、ＰＴＣ抵抗器５の温度の低下は、ある状況下では、ブレーカ３を故障状態から正常動作状態にリセットするのに役立つことができる。
【0053】
図５は、様々な実施形態による、例示的なＰＴＣ抵抗器の温度と抵抗との間の関係を示す概略グラフである。たとえば、図５に示すように、所定の故障温度Ｔｆより低い温度では、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣは比較的低レベルとすることができる（しかし、スイッチ４の抵抗ＲＳよりも高くすることができる）。ＰＴＣ抵抗器５の温度が所定の故障温度Ｔｆに達すると、抵抗ＲＰＴＣは温度の上昇と共に著しく増加することができる。図１Ａ～図３Ｂのブレーカ３では、ＰＴＣ抵抗器５の温度の上昇が、ＰＴＣ抵抗器５に接触するスイッチング素子７の温度をさらに上昇させることができる。したがって、ＰＴＣ抵抗器５の温度の上昇は、スイッチング素子７を変形させて、図３Ａ～図３Ｂに示す故障状態にトリップさせるのを促進することができ、またはこれに役立つことができる。
【0054】
それに対応して高いＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣは、ＰＴＣ抵抗器５を通るトリクル電流Ｉ３を維持しながら、電流の大部分を枢動可能なアーム８に沿って通過させることができる。バイパスされるセル２ｃの温度が低下する場合（たとえば、バイパスされるセル２ｃを通過する電流の減少によって）、ＰＴＣ抵抗器５は、ヒステリシスによって、また故障を引き起こすより高い温度と共にＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣが増加することによって、依然として高い抵抗ＲＰＴＣを有してもよく、したがって、それ自体の熱を発生させて、ＰＴＣ素子がない場合よりも長くスイッチング素子（たとえば、バイメタル素子）を故障状態に維持する。すなわち、ＰＴＣ抵抗器５の温度が著しく低下するとしても、ＰＴＣ抵抗器５は、温度がリセット温度Ｔｒよりも低下するまで、故障状態によって引き起こされた高い抵抗ＲＰＴＣレベルを維持する。
【0055】
有利なことに、図５に示すヒステリシスは、ブレーカ３がチャタリングモードで動作するのを防止することができる。チャタリングモードでは、図５に示すヒステリシスがなく、（わずかにでも）温度が低下するにつれて、バイメタルスイッチング素子７の温度は低下し、時期尚早に切り替わって正常動作状態に戻ることになる。動作状態の電流の増加は、スイッチング素子７の温度を、故障温度Ｔｆを超えて再び上昇させることになり、ブレーカは、正常動作状態から故障状態に、そしてまた戻るように、繰り返し切り替わる可能性がある。こうしたチャタリングモードは望ましくなく、より大きな電気システム１の不安定性につながることがある。
【0056】
したがって、図５に示すヒステリシスにより、ＰＴＣ抵抗器５が、高い抵抗およびそれに対応して比較的高い温度を維持することが可能になり、これにより、温度がリセット温度Ｔｒに低下するまで、スイッチング素子７を故障状態に維持することができる。その上、ＰＴＣ抵抗器を通る小さいトリクル電流Ｉ３は、チャタリングを防止するように温度を十分に高く維持するのに役立ってもよい。ブレーカ３の温度がリセット温度Ｔｒよりも低下すると、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗は、低下して正常動作状態の抵抗ＲＰＴＣに戻ることができる。様々な実施形態では、故障温度Ｔｆは、６５℃～８５℃の範囲内、より具体的には７０℃～８０℃の範囲内とすることができる。様々な実施形態では、リセット温度Ｔｒは、３０℃～６０℃の範囲内、より具体的には４０℃～５５℃の範囲内とすることができる。
【0057】
したがって、図１Ａ～図３Ｂのブレーカ３は、有利なことに、スイッチ４と（たとえば並列に）接続されたＰＴＣ抵抗器５を利用して、安定した動作状態および故障状態を維持することができる。図１Ａ～図３Ｂのブレーカ３は、有利なことにいくつかの構成ではリセット可能とすることができ、したがってブレーカ３は、故障状態が収まる場合に（たと
えば、電流および／または温度の十分な減少によって）、正常動作状態に復帰することができる。さらに、本明細書で説明するように、ブレーカ３は、チャタリングなしに、安定して故障状態に移行し、正常動作状態に戻ることができる。
えば、電流および／または温度の十分な減少によって）、正常動作状態に復帰することができる。さらに、本明細書で説明するように、ブレーカ３は、チャタリングなしに、安定して故障状態に移行し、正常動作状態に戻ることができる。
【0058】
図６Ａは、別の実施形態による、電気システム１の正常動作状態における概略回路図である。図６Ｂは、図６Ａに示すシステム１の故障状態における概略回路図である。特に断りのない限り、図６Ａ～図６Ｂの構成要素は、図１Ａ～図３Ｂに関連して図示および説明したものと同じまたは概して同様の特徴を表す。たとえば、図１Ａ～図１Ｂの実施形態と同様に、特定のバッテリセル２ｃを迂回して電流をバイパスするために、ブレーカ３を設けることができる。しかし、図１Ａ～図３Ｂの実施形態とは異なり、図６Ａ～図６Ｂの実施形態では、ブレーカ３はリセット不可でもよい。したがって、図６Ａ～図６Ｂの実施形態では、スイッチ４が正常動作状態から故障状態にトリップすると、スイッチ４は自動的にはリセットして正常動作状態に戻らない。したがって、ブレーカ３は、故障状態を起こすセル２ｃを迂回して電流を分流させるリセット不可スイッチとして機能してもよい。バッテリ管理システムが、バイパスされるセル２ｃの両端の電圧降下を検出することができ、ユーザに、セル２ｃが適切に動作しておらず、回路から分流されたというアラートをトリガすることができる。ユーザは、セル２ｃを交換または修理することによって、アラートに応答することができ、ブレーカ３を手動でリセットまたは交換することができる。
【0059】
図６Ａ～図６Ｂの実施形態では、ブレーカ３は、図１Ａ～図３Ｂに示すＰＴＣ抵抗器５などのＰＴＣ抵抗器を含むことはできない。こうした構成では、スイッチ４は、ブレーカ３の温度が上昇するにつれて変形する（たとえば、反転する）、バイメタルスイッチング素子（スイッチング素子７と同様）を含んでもよい。ブレーカが故障状態に達すると、スイッチ４は、トリップして第３の端子Ｔ３に接続し、セル２ｃをバイパスすることができる。リセット不可のブレーカ３では、スイッチング素子は、温度の低下がスイッチング素子を正常動作状態に戻さないような形状とすることができる。
【0060】
さらに他の構成では、リセット不可のブレーカ３は、図１Ａ～図３Ｂに示したものと同様のＰＴＣ抵抗器を含んでもよいが、スイッチ４（および関連するスイッチング素子）の形状は、故障状態にトリップした後にスイッチ４が正常状態に戻るのを防止するように選択してもよい。こうした構成では、ＰＴＣ抵抗器は、故障状態をトリガするようにバイメタルスイッチング素子をより迅速に加熱するように働くことができる。上記で説明したように、ＰＴＣ抵抗器はまた、重大なデバイス機能性を可能にするように、小さいトリクル電流をセル２ｃに流してもよい。
【0061】
したがって、様々な実施形態では、ブレーカ３はリセット可能でもよく、したがってスイッチ４は、安定してチャタリングなく、正常動作状態と故障状態との間を行ったり来たり移行することができる。いくつかの実施形態では、ブレーカ３はリセット不可でもよく、したがってスイッチ４は、故障状態にトリップした後に自動的には元の正常動作状態には移行しない。
【0062】
図７は、さらに別の実施形態による、電気システム１の概略回路図である。いくつかの構成では、図７に示すシステム１を使用して、図１Ａ～図６Ｂに開示した実施形態を利用するシステムの性能をモデル化することができる。他の構成では、システム１は、物理的に実装されて（たとえば、別個の電気部品および／または集積回路／デバイス技術を使用して）、本明細書に述べるような３端子ブレーカとして効果的に働くことができる。特に断りのない限り、図７の構成要素は、図１Ａ～図６Ｂに関連して図示および説明したものと同じまたは概して同様の特徴を表す。たとえば、システム１は、直列に接続された複数のバッテリセルＢＴ１、ＢＴ２、およびＢＴ３を含むことができる。ブレーカ３は、故障状態から保護すべき特定のセルＢＴ２に電気的に接続することができる。図１Ａ～図３Ｂ
の実施形態と同様に、ブレーカ３は、ＰＴＣ抵抗器５に接続されたスイッチ４を備えることができる。図７では、スイッチ４はＰＴＣ抵抗器５と並列でもよいが、他の実施形態では、ＰＴＣ抵抗器５は他の場所に設置してもよい。スイッチ４および／またはＰＴＣ抵抗器５の温度が上昇するにつれて、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣはそれに対応して増加する。さらに、温度および／または電流が所定の閾値を超えると、スイッチ４および／またはＰＴＣ抵抗器５の温度の上昇が、スイッチ４を開くことができる。
の実施形態と同様に、ブレーカ３は、ＰＴＣ抵抗器５に接続されたスイッチ４を備えることができる。図７では、スイッチ４はＰＴＣ抵抗器５と並列でもよいが、他の実施形態では、ＰＴＣ抵抗器５は他の場所に設置してもよい。スイッチ４および／またはＰＴＣ抵抗器５の温度が上昇するにつれて、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣはそれに対応して増加する。さらに、温度および／または電流が所定の閾値を超えると、スイッチ４および／またはＰＴＣ抵抗器５の温度の上昇が、スイッチ４を開くことができる。
【0063】
しかし、図１Ａ～図３Ｂの実施形態とは異なり、図７の実施形態では、スイッチ４は第３の端子Ｔ３に直接接触することはできない。対照的に、セル２ｃをバイパスするバイパス回路６は、正常動作状態中にノーマルオープンのリレー２０を備えてもよい。故障状態中、スイッチ４が故障状態にトリップすると、検知回路３０（これはまた、電流検知抵抗器、磁流抵抗器、および／または温度検知サーミスタを備えることができる）が、ブレーカ３の両端の電圧降下を検出することができる。検知回路３０は、リレー２０に信号を送信して、リレー２０を閉じ、保護されるセル２ｃを迂回して電流を分流させることができる。したがって、図７の実施形態では、スイッチ４を第３の端子Ｔ３に直接接続させる代わりに、検知回路３０が、ブレーカ３の両端の電圧降下に基づいて故障状態を検出することができ、スイッチ４が開いたままの間、リレー２０を第３の端子Ｔ３に接続させることができる。
【0064】
（実施例）
図７に示すシステム１のための自動試験を開発し、これは、専用の試験台、および２．５Ａｈの３つの３．６Ｖｄｃリチウムイオンセル（ＢＴ１、ＢＴ２、およびＢＴ３に対応）用の外部ホルダを利用する。試験台は、ケルビンモードで接続された３つの抵抗温度検出器（ＲＴＤ）温度センサ、外部ホルダ内の個々のバッテリセルＢＴ１、ＢＴ２、ＢＴ３、外部負荷、およびねじ式端子台を介して接続されるブレーカ３を含むことができる。この実施例による試験に使用したブレーカ３は、カリフォルニア州リバーサイドのＢｏｕｒｎｓ， Ｉｎｃ．によって製造されたＫｏｍａｔｓｕｌｉｔｅ（商標）のモデルＮＲ８２ＣＢＯである。ＲＴＤの測定のために、端子台を使用して外部抵抗測定器をケルビン方式で接続してもよく、またＲＴＤのシールドの接地のために、３つの他のねじ端子を使用することができる。
図７に示すシステム１のための自動試験を開発し、これは、専用の試験台、および２．５Ａｈの３つの３．６Ｖｄｃリチウムイオンセル（ＢＴ１、ＢＴ２、およびＢＴ３に対応）用の外部ホルダを利用する。試験台は、ケルビンモードで接続された３つの抵抗温度検出器（ＲＴＤ）温度センサ、外部ホルダ内の個々のバッテリセルＢＴ１、ＢＴ２、ＢＴ３、外部負荷、およびねじ式端子台を介して接続されるブレーカ３を含むことができる。この実施例による試験に使用したブレーカ３は、カリフォルニア州リバーサイドのＢｏｕｒｎｓ， Ｉｎｃ．によって製造されたＫｏｍａｔｓｕｌｉｔｅ（商標）のモデルＮＲ８２ＣＢＯである。ＲＴＤの測定のために、端子台を使用して外部抵抗測定器をケルビン方式で接続してもよく、またＲＴＤのシールドの接地のために、３つの他のねじ端子を使用することができる。
【0065】
試験は、高電流のノーマルオープンのリレー２０をブレーカ３に追加するように実行することができ、したがってブレーカ３は、単極双投（ＳＰＤＴ）切替動作を有するかのように働く。ブレーカ３の両端の電圧降下を監視する。本実施例による試験手順では、ブレーカ３の両端の０．６５Ｖｄｃ以上の電圧がリレー２０を閉じて、トリップして開くブレーカであることを示した。ブレーカ３の両端の０．５Ｖｄｃ以下の電圧がリレー２０を開いて、リセットブレーカであることを示した。この動作により、リレー２０およびブレーカの接点が、ＳＰＤＴスイッチをエミュレートすることが可能になる。ブレーカ３が閉じているまたはトリップしていないとき、３つのセルＢＴ１～ＢＴ３は直列に接続され、所望通りに負荷がかけられてもよい。全てのセルＢＴ１～ＢＴ３の両端には、軽い２４０オームの台上負荷を設置することができる。外付け負荷（たとえば、１０Ａまで）もまた、セルの両端に接続することができる。ブレーカ３は、一連の３つのセル中の第２または中央のセルＢＴ２を保護するために適用することができる。過電流および／または過熱故障によってブレーカ３が開くと、次いで第２のセルＢＴ２は、一連の３つのセル中からバイパスされ、開いたブレーカを越えて短絡状態になって、ＰＴＣ抵抗器５を加熱するエネルギを供給する。この動作は、第２のセルＢＴ２が、ブレーカ３を開状態に維持するのに十分なほどＰＴＣ抵抗器５を温かく保つ電荷を有する限り、ブレーカ３を開いたままにしておく。保護されたセルの電圧が、ブレーカ３をリセットさせるのに十分なほどブレーカのＰＴＣ抵抗器５が冷えるレベルまで低下すると、次いでブレーカ３はリセットし、外部リレー２０は開く。この動作は、保護されたセルＢＴ２を再び一連の３つのセルに戻す。本
試験手順を実行して、ブレーカ３がトリップして開いた後、保護されたセルＢＴ２が放電しすぎてこれを続けられなくなるまでに、セルＢＴ２がどれくらいの間ブレーカ３を開いたままにしておくことができるのかを判定することができる。
試験手順を実行して、ブレーカ３がトリップして開いた後、保護されたセルＢＴ２が放電しすぎてこれを続けられなくなるまでに、セルＢＴ２がどれくらいの間ブレーカ３を開いたままにしておくことができるのかを判定することができる。
【0066】
試験手順を行うために、ソフトウェアも実行した。ソフトウェアは、コンピュータのユーザインタフェースでプログラムすることができ、図７のシステム１を自動的に試験するように構成されている。ブレーカ３がトリップする場合には、ソフトウェアは、トリップしたブレーカの時間、各セルＢＴ１～ＢＴ３の電圧、ブレーカ３の両端の電圧、接続されたセルＢＴ１およびＢＴ３の両端の総電圧、ＰＴＣ抵抗器５を通る電流、保護されたセルＢＴ２およびブレーカ３の温度、他のセルＢＴ１およびＢＴ３の温度、ならびに／または他の適当なデータを、繰り返し記録する。プログラムは、たとえば、（１）ＢＴ１～ＢＴ３のいずれかの電圧が１．１０Ｖｄｃ未満に低下する、（２）ブレーカ３が閉状態にリセットする（たとえば、０．２Ｖｄｃ未満のブレーカ電圧で示されるように）、（３）３つのセルＢＴ１～ＢＴ３のいずれかの温度が８５℃を超える、または（４）ブレーカ電流が５ｍＡ未満である（たとえば、故障したブレーカ３によって）、および／あるいは他の任意の適当な所定の条件など、条件の任意の組合せが満たされると、終了することができる。
【0067】
試験台およびシステム１を使用して、バッテリセルＢＴ１～ＢＴ３を充電することもできる。セルＢＴ１～ＢＴ３は、３つの独立した充電電源を使用して同時に個別に充電することができ、または、３つのバッテリセルＢＴ１～ＢＴ３の列全体は、単一のセルの充電電圧の３倍を用いる単一の充電電源で一度に充電することができる。この構成では、３つの全てのセルＢＴ１～ＢＴ３は、４．１０Ｖｄｃの最大電圧で定電流（たとえば、最大１Ａに制限される）を印加することによって、最初に個別に充電される。特定のセルの両端の電圧が４．１０Ｖｄｃに達し、充電電流が１００ｍＡに低下すると、充電は完了したとみなされ、終了する。
【0068】
いくつかの構成では、試験台およびシステム１を使用して、０．４Ｃ充電レートでの１２．３Ｖｄｃ／１Ａの電源による３つのセルＢＴ１～ＢＴ３の充電を試験することができる。たとえば、システム１が、ブレーカ３がリセットしたためにソフトウェアが終了または中断したことを検出した場合、またＢＴ２の電圧が正の場合には、ソフトウェアは３つのセルＢＴ１～ＢＴ３の充電を開始することができる。充電は、３つのセルＢＴ１～ＢＴ３の両端の１２．３Ｖｄｃの最大電圧で１Ａの電流で行うことができる。したがって、システム１は、バッテリ管理システムとして働くことができ、各セルＢＴ１～ＢＴ３の電圧、３つの全てのセルの合成電圧、アンペアでの電流、および各セルＢＴ１～ＢＴ３の温度を測定することができる。充電動作は、以下の条件、すなわち、（１）セルＢＴ１～ＢＴ３うちのいずれか１つの電圧が４．０９９Ｖｄｃを超える、（２）電流が１００ｍＡ未満に低下する、かつ／またはセルＢＴ１～ＢＴ３のいずれかの温度が５０℃を超える、の任意の組合せが生じると、終了することができる。
【0069】
本明細書に開示する実施形態は、バッテリを利用する電気システムおよび電気デバイスに関するが、本明細書に開示するブレーカ３は、他の任意の適当なタイプの回路素子と共に使用することができることを理解されたい。たとえば、本明細書に開示するブレーカ３は、過温度および／または過電流故障状態の影響を受けやすいどのような回路素子にも使用してよい。さらに、本明細書に開示するブレーカ３はまた、直流（ＤＣ）および交流（ＡＣ）の両方の用途を含む非バッテリ電力システムに使用してもよい。
【0070】
ＩＩ．バッテリハウジングの実施例
いくつかのシステムでは、バッテリセルは、金属リボンまたは他のタイプの電気インタコネクトを使用して、互いに接続されている。リボンまたは他のインタコネクトは、セル
の正端子および負端子にスポット溶接、はんだ付け、またはその他の方法で接合してもよい。たとえば、円筒形リチウムイオンセル（電動自転車に使用されるものなど）は通常、リボンインタコネクトを使用して、直列または並列に互いにスポット溶接されている。溶接接合、はんだ接合、または他のタイプの金属接合方法を利用する接続部を有するセルを交換するためには、ユーザは接合を破壊し、バッテリセルを交換し、所望の金属接合方法を用いて接続部を新しいバッテリセルに再接合する。しかし、溶接やはんだ付けなどの金属接合方法は、接合を形成するために必要以上の時間、機器、および／または専門技術を要することがある。その上、２つのバッテリセル間の金属接合が十分な電気的接続性を提供する場合でも、インタコネクトおよび接合部が適切に収容されないこと、またはコンパクトにパッケージ化されないことがある。たとえば、いくつかの構成では、インタコネクトおよび／もしくは接合部は、適切なパッケージングが提供されない場合に絡まることがあり、かつ／またはひらひらすることがある。様々な実施形態では、図１Ａ～図７に関して本明細書に開示したブレーカ３もまた、適当な金属接合方法を用いて、インタコネクトおよび／またはバッテリと溶接、はんだ付け、またはその他の方法で接合してもよい。しかし、上記で説明したように、こうした金属接合方法は時間と費用がかかる場合があり、また特殊専門技術を要する場合がある。本明細書に開示するバッテリハウジングは、図１Ａ～図７に関連して上記で述べたブレーカ３のいずれかと組み合わせて使用することができる。
いくつかのシステムでは、バッテリセルは、金属リボンまたは他のタイプの電気インタコネクトを使用して、互いに接続されている。リボンまたは他のインタコネクトは、セル
の正端子および負端子にスポット溶接、はんだ付け、またはその他の方法で接合してもよい。たとえば、円筒形リチウムイオンセル（電動自転車に使用されるものなど）は通常、リボンインタコネクトを使用して、直列または並列に互いにスポット溶接されている。溶接接合、はんだ接合、または他のタイプの金属接合方法を利用する接続部を有するセルを交換するためには、ユーザは接合を破壊し、バッテリセルを交換し、所望の金属接合方法を用いて接続部を新しいバッテリセルに再接合する。しかし、溶接やはんだ付けなどの金属接合方法は、接合を形成するために必要以上の時間、機器、および／または専門技術を要することがある。その上、２つのバッテリセル間の金属接合が十分な電気的接続性を提供する場合でも、インタコネクトおよび接合部が適切に収容されないこと、またはコンパクトにパッケージ化されないことがある。たとえば、いくつかの構成では、インタコネクトおよび／もしくは接合部は、適切なパッケージングが提供されない場合に絡まることがあり、かつ／またはひらひらすることがある。様々な実施形態では、図１Ａ～図７に関して本明細書に開示したブレーカ３もまた、適当な金属接合方法を用いて、インタコネクトおよび／またはバッテリと溶接、はんだ付け、またはその他の方法で接合してもよい。しかし、上記で説明したように、こうした金属接合方法は時間と費用がかかる場合があり、また特殊専門技術を要する場合がある。本明細書に開示するバッテリハウジングは、図１Ａ～図７に関連して上記で述べたブレーカ３のいずれかと組み合わせて使用することができる。
【0071】
したがって、本明細書に開示する様々な実施形態は、図１Ａ～図７に関連して上記で開示した機能および／または形状を有するサーキットブレーカを組み込む、モジュラ・バッテリ・ハウジングを利用する。バッテリハウジングは、１つまたは複数のバッテリセルを収容するサイズおよび形状の空洞を画定するハウジング本体を備えることができる。スイッチを有するブレーカ（図１Ａ～図７に関して開示したブレーカ３と同様または同じでもよい）は、ハウジング本体に結合してもよく、またはこれと一体化してもよい。第１の電気導体が、ハウジング本体の第１の端部に配置でき、スイッチに電気的に接続できる。第１の電気導体は、バッテリの第１のバッテリセル端子に電気的に接続するように構成することができる。第２の電気導体が、ハウジング本体の第２の端部に配置できる。第２の電気導体は、バッテリセルの第２のバッテリセル端子に電気的に接続して、第１の電気導体と第２の電気導体との間に第１の電気経路を画定するように構成することができる。バイパス導体もまた、ハウジング本体と結合することができる。バイパス導体は、スイッチおよび第２の電気導体に電気的に接続して、スイッチと第２の電気導体との間に第２の電気経路を画定することができる。
【0072】
正常状態では、ブレーカは、全ての電流が、第１および第２の電気導体の間の、バッテリセルを通る第１の電気経路に沿って流れるように構成してもよい。故障状態（過温度および／または過電流状態など）では、ブレーカは、電流の大部分（または全て）が、バッテリセルをバイパスし、スイッチと第２の電気導体との間の第２の経路に沿って流れるように構成してもよい。いくつかの実施形態では、電流のごく一部は、故障状態においてバッテリセルを流れる。有利なことに、本明細書に開示するバッテリハウジングにより、ユーザが、溶接やはんだ付けなどの金属接合方法を一切行うことなく、単にバッテリハウジングの空洞の内部にバッテリセルをカチッとはめることが可能になることができる。その上、バッテリハウジングは、１つまたは複数のバッテリセルにコンパクトな構造的支持を提供し、複数のバッテリハウジングが互いに接続して任意の数のバッテリセルを直列または並列に設けてもよいモジュラ構造を提供する。ハウジング本体は絶縁壁を備えてもよく、これは、ハウジングの構成要素が互いに短絡するのを防止するように、セルの絶縁被覆ハウジング、セル接点、モジュラバッテリ端子、および導電性セグメントなどの導電性構成要素を、機械的かつ電気的に分離することができる。ハウジング本体は絶縁スペーサ要素を代替的または追加的に備えてもよく、これは、ハウジングの構成要素が互いに短絡するのを防止するように、セルの絶縁被覆ハウジング、セル接点、リード、および導電性セ
グメントなどの導電性構成要素を、機械的かつ電気的に分離する空隙を設ける。
グメントなどの導電性構成要素を、機械的かつ電気的に分離する空隙を設ける。
【0073】
図８Ａは、一実施形態による、バッテリハウジング１００の概略上面、正面、および右側斜視図である。図８Ｂは、図８Ａに示すバッテリハウジング１００の概略底面、正面、および左側斜視図である。バッテリハウジング１００は、１つまたは複数の壁１１０を有し、１つまたは複数のバッテリセル（図９Ａ～図９Ｂ参照）を収容するサイズおよび形状の空洞１０２を画定する、ハウジング本体１０１を備えることができる。ハウジング本体１０１の壁１１０は、セルを収容するための容器を画定する働きをし、また、壁１１０に結合されたまたはこれと共に形成された導電体を電気的に分離する働きをする、絶縁材料を含むことができる。たとえば、壁１１０の絶縁材料には、プラスチックまたはポリマー材料、セラミック材料などが含まれてもよい。
【0074】
ハウジング本体１０１は、第１の端部１１１（たとえば、上部）、および第１の端部１１１に対向する第２の端部１１２（たとえば、下部）を備えることができる。第１の壁１１０ａおよび第２の壁１１０ｂが、第１および第２の端部１１１，１１２の間に延びることができ、図に示すｙ軸に沿って、バッテリセルの幅を収容するのに十分な距離だけ、互いに離間することができる。第３の壁１１０ｃおよび第４の壁１１０ｄが、それぞれ第１および第２の端部１１１，１１２に配置でき、図に示すｚ軸に沿って、バッテリセルの長さを収容するのに十分な距離だけ、互いに離間することができる。図８Ａ～図８Ｂに示すように、第３および第４の壁１１０ｃ，１１０ｄのそれぞれは、バッテリセルの端子を露出させてもよい開口１１７を備えてもよい。空洞１０２は、第１、第２、第３、および第４の壁１１０ａ～１１０ｄによって画定してもよい。例示する実施形態では、空洞１０２へは、ハウジング１００の両端部（たとえば、左右端部）でｚ－ｙ平面内に画定される開口を介してアクセスすることができる。他の実施形態では、完全に密閉されたハウジングを形成するように、ｚ－ｙ平面内に形成された追加の壁があってもよい。こうした実施形態では、空洞１０２へは、１つもしくは複数のバッテリセルを挿入するとき、かつ／または取り出すときに開閉してもよい、１つもしくは複数のドアを設けることにより、かつ／あるいは第１および第２の壁１１０ａ，１１０ｂの開口を通って、アクセスしてもよい。
【0075】
図８Ａ～図８Ｂに示す空洞１０２は、２つの円筒形のリチウム・イオン・バッテリ・セルなどの、２つのバッテリセルを収容するサイズおよび形状であるが、空洞１０２は、他のタイプ、サイズ、形状、または数のバッテリセルを収容する形状でもよいことを理解されたい。たとえば、その代わりに、空洞１０２は、１つバッテリセルのみを収容するサイズでもよく、または、３つのバッテリセル、４つのバッテリセル、５つのバッテリセル、６つのバッテリセル、７つのバッテリセル、８つのバッテリセル、もしくは９つ以上のバッテリセルを収容するサイズでもよい。さらに、図８Ａ～図８Ｂに示す空洞１０２は、細長い円筒形バッテリセルを収容する形状として示してあるが、他の構成では、空洞１０２は、長方形、正方形、もしくは多角形の断面を有するバッテリセル、またはコイン輪郭を有するバッテリセル（たとえば、バッテリセルの高さもしくは長さが、幅もしくは直径よりも小さい）を収容するサイズおよび形状でもよい。
【0076】
有利なことに、ハウジング本体１０１および空洞１０２は、バッテリセルをハウジング１１０に接続するためにツールを一切必要とすることなく、たとえば、ツールレス接続によって、バッテリセルがハウジング本体１０１にカチッとはまることができるようなサイズおよび形状とすることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、バッテリセルのバッテリセル端子に接続するセル接点は、バッテリセルが接点間にカチッとはまることができるように、バッテリセルの長さよりも短い距離だけ離間することができる（たとえば、バッテリセルは接点間に押し込むことができ、接点を互いに離れるように撓ませることができる）。他の実施形態では、ハウジング本体１０１の（ｚ軸に沿った）長さおよび／または（ｙ軸に沿った）幅は、それぞれバッテリセルの長さおよび幅寸法よりもわずかに
小さくなるように選択してもよい。ハウジング本体１０１は、ユーザがわずかに大きめのバッテリセル（または複数のバッテリセル）を空洞１０２に押し込んで、１つまたは複数のバッテリセルを収容するようにハウジング本体１０１を撓ませることができるように、十分にコンプライアンス性があってもよい。１つまたは複数のバッテリセルがハウジング１００に入ると、ハウジング本体１０１は緩和して、１つまたは複数のバッテリセルを空洞１０２内に固定する。こうしたスナップフィット接続により、比較的簡単なバッテリセルの取付または交換工程が可能になり、この場合、１つまたは複数のバッテリセルは、スナップフィット接続によってハウジング１００に機械的かつ電気的に接続される。本明細書ではスナップフィット接続について述べるが、セルとハウジングとの間の他のツールレス接続を用いてもよいことを理解されたい。その上、いくつかの実施形態では、セルは、任意の適当な金属接合方法または材料を用いて、セル接点１０５ａ～１０５ｃに接続してもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、セル接点１０５ａ～１０５ｄは、はんだ、溶接、導電性エポキシ樹脂などを用いて、セルに接続することができる。こうした金属接合接続は、接続の抵抗を低減させるため、かつ／またはバッテリハウジングの信頼性を向上させるために用いてもよい。
小さくなるように選択してもよい。ハウジング本体１０１は、ユーザがわずかに大きめのバッテリセル（または複数のバッテリセル）を空洞１０２に押し込んで、１つまたは複数のバッテリセルを収容するようにハウジング本体１０１を撓ませることができるように、十分にコンプライアンス性があってもよい。１つまたは複数のバッテリセルがハウジング１００に入ると、ハウジング本体１０１は緩和して、１つまたは複数のバッテリセルを空洞１０２内に固定する。こうしたスナップフィット接続により、比較的簡単なバッテリセルの取付または交換工程が可能になり、この場合、１つまたは複数のバッテリセルは、スナップフィット接続によってハウジング１００に機械的かつ電気的に接続される。本明細書ではスナップフィット接続について述べるが、セルとハウジングとの間の他のツールレス接続を用いてもよいことを理解されたい。その上、いくつかの実施形態では、セルは、任意の適当な金属接合方法または材料を用いて、セル接点１０５ａ～１０５ｃに接続してもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、セル接点１０５ａ～１０５ｄは、はんだ、溶接、導電性エポキシ樹脂などを用いて、セルに接続することができる。こうした金属接合接続は、接続の抵抗を低減させるため、かつ／またはバッテリハウジングの信頼性を向上させるために用いてもよい。
【0077】
バッテリハウジング１００はまた、モジュール接続された別のバッテリハウジング、電気負荷などの外部部品と、それぞれが電気的に連絡するように構成された、第１のモジュラバッテリ端子１０４ａおよび第２のモジュラバッテリ端子１０４ｂを含むことができる。ハウジング１００はまた、図９Ａ～図１２に関連して詳細に説明するように、電流を様々な電気経路に沿って方向付けるように構成された、複数の電気導体を含むことができる。たとえば、ハウジング１００は、第１の導電性セグメント１０７ａ、第２の導電性セグメント１０７ｂ、第３の導電性セグメント１０７ｃ、第４の導電性セグメント１０７ｄ、第５の導電性セグメント１０７ｅ、および第６の導電性セグメント１０７ｆを備えることができる。第１のセル接点１０５ａが、第１のセルの第１のバッテリセル端子に接触するように構成でき、第２のセル接点１０５ｂが、第２のセルの第２のバッテリセル端子に接触するように構成できる。同様に、第３のセル接点１０５ｃが、第１のセルの第２のバッテリセル端子に接触するように構成でき、第４のセル接点１０５ｄが、第２のセルの第１のバッテリセル端子に接触するように構成できる。ハウジング１００はまた、第１のバイパス導体１０６ａおよび第２のバイパス導体１０６ｂを含むことができる。加えて、第１のブレーカ３ａが、第１の導電性セグメント１０７ａ、第２の導電性セグメント１０７ｂ、および第１のバイパス導体１０６ａに接続できる。第２のブレーカ３ｂが、第３の導電性セグメント１０７ｃ、第４の導電性セグメント１０７ｄ、および第２のバイパス導体１０６ｂに接続できる。
【0078】
本明細書で説明するように、バッテリハウジング１００（単一または複数のセルを収容してもよい）および導体は、ハウジング１００およびハウジング１００内に配置された１つまたは複数のセルを通る電流の流れのための様々な電気経路を画定することができる。バッテリハウジング１００は、バッテリハウジング１００と一体化された３端子ブレーカ（たとえば、ブレーカ３ａ，３ｂ）を含むことができる。図１Ａ～図７に関連して上記で説明したように、ブレーカ３ａ，３ｂは、正常動作状態および故障状態を有することができる。ブレーカ３ａ，３ｂは、１つもしくは複数のセルが過温度および／または過電流状態にさらされると、故障状態に入ることができる。バッテリハウジング１００は、ブレーカが正常動作状態にあるときにセルを通る主電流経路を画定することができる。バッテリハウジング１００は、サーキットブレーカが故障状態にあるときにセルをバイパスするように構成されたバイパス電流経路を画定することができる。たとえば、正常動作状態では、ブレーカ３ａ，３ｂの第１の端子Ｔ１は、第２の端子Ｔ２に接続することができ、したがって電流は、Ｔ１をＴ２に接続しているスイッチを流れ、また主電流経路に沿ってセルを流れる。故障状態では、第１の端子Ｔ１は、ブレーカ３ａ，３ｂの第３の端子Ｔ３に接続されるように移動することができる。故障状態では、電流のごく一部（たとえば、小さ
いトリクル電流）は、主電流経路に沿って流れることができ、電流の大部分は、バイパス電流経路に沿って流れることができる。いくつかの構成では、ブレーカ３ａ，３ｂ内にＰＴＣ抵抗器が設けられる。上記で説明したように、ブレーカ３ａ，３ｂは、セルが故障状態にあるときに第２の端子Ｔ２から第３の端子Ｔ３に移動することができる、バイメタルスイッチを備えることができる。ブレーカ３ａ，３ｂは、バッテリハウジング内の任意の適当な位置に配置されて、故障状態（たとえば、過温度および／または過電流状態）を検出し、故障状態にあるときに電流にセルをバイパスさせることができる。
いトリクル電流）は、主電流経路に沿って流れることができ、電流の大部分は、バイパス電流経路に沿って流れることができる。いくつかの構成では、ブレーカ３ａ，３ｂ内にＰＴＣ抵抗器が設けられる。上記で説明したように、ブレーカ３ａ，３ｂは、セルが故障状態にあるときに第２の端子Ｔ２から第３の端子Ｔ３に移動することができる、バイメタルスイッチを備えることができる。ブレーカ３ａ，３ｂは、バッテリハウジング内の任意の適当な位置に配置されて、故障状態（たとえば、過温度および／または過電流状態）を検出し、故障状態にあるときに電流にセルをバイパスさせることができる。
【0079】
本明細書に例示する電気導体は、別個の導電性セグメントまたは接点に相当するものとして述べてもよいが、代わりに、導電性セグメントまたは接点をより少ない導電性セグメントから形成してもよい（たとえば、導体は連続的でもよい）ことを理解されたい。たとえば、第１の導電性セグメント１０７ａは、モジュラバッテリ端子１０４ａと別体であるものとして示してあるが、他の実施形態では、モジュラバッテリ端子１０４ａは、介在セグメントなしにブレーカ３ａに直接接続してもよく、または、モジュラバッテリ端子１０４ａは、連続的な導電体を介してブレーカ３ａに接続してもよい。同様に、第２の導電性セグメント１０７ｂは、第１のセル接点１０５ａと別体であるものとして示してはあるが、ブレーカ３ａは、介在セグメントなしにセル接点１０５ａと直接接続してもよいこと、または、セル接点１０５ａは、ブレーカ３ａとセルとの間に連続的な導電体を備えてもよいことを理解されたい。同様に、ブレーカ３ｂは、介在セグメント１０７ｃおよび１０７ｄなしにセル接点を介してセルに直接接続してもよい。そして、バイパス導体１０６ａ，１０６ｂは、介在セグメントなしに（または連続的な導電体を介して）、ブレーカ３ａ，３ｂからセル接点１０５ａ，１０５ｂに直接接続してもよい。様々なタイプの電気ルーティング構成が、本明細書に開示する実施形態での使用に適してもよいことを、当業者なら理解するであろう。
【0080】
電気導体（たとえば、導電性セグメント１０７ａ～１０７ｆ、セル接点１０５ａ～１０５ｄ、モジュラバッテリ端子１０４ａ～１０４ｂ、バイパス導体１０６ａ，１０６ｂ）は、ハウジング本体１０１に結合することができ、またはこれと共に形成することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ハウジング本体１０１は、射出成形、３次元（３Ｄ）印刷などの適当な方法を用いて形成することができる。導体を収容するサイズおよび形状の凹部に導体を接続することができ、または、所望の導体の周りにハウジング本体１０１を成形することができる。いくつかの実施形態では、接着剤を使用して、ハウジング本体１０１に導体を接続してもよい。他の実施形態では、バッテリハウジング１００全体（たとえば、絶縁ハウジング本体１０１および導体を含む）は、絶縁構造および導電性構造を単一のモノリシック体に同時に画定可能な３Ｄ印刷方法を用いて製造してもよい。
【0081】
加えて、図８Ａ～図８Ｂに示すように、第１のコネクタ１３５ａが、第２のセル接点１０５ｂに結合でき、またはこれと共に形成できる。第２のコネクタ１３５ｂが、第３のセル接点１０５ｃに結合でき、またはこれと共に形成できる。第１および第２のコネクタ１３５ａ，１３５ｂは、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）に電気的に接続するように構成された導電性タブまたはラグを備えることができる。たとえば、いくつかの実施形態では、第２および第３のセル接点１０５ｂ，１０５ｃは、バッテリセルの負端子を、それぞれ第１および第２のコネクタ１３５ａ，１３５ｂと電気的に接続することができる。ＢＭＳ（図１３Ａ～図１３Ｂ参照）は、各バッテリセルの電圧を監視することができ、セルの電圧が許容できないレベルに上昇または低下した場合に、ユーザに通知することができる（たとえば、アラームもしくは他のインジケータで）。たとえば、いくつかの実施形態では、ＢＭＳは、１つまたは複数のバッテリセルが、たとえばスイッチが故障状態にあることによってバイパスされたかどうかを判定することができる。こうした通知は、バッテリセルを交換すべきであることをユーザに警告することができる。
【0082】
図９Ａは、第１のセル１１４ａおよび第２のセル１１４ｂがハウジング１００内に配置されている、図８Ａ～図８Ｂに示すバッテリハウジング１００の概略上面、正面、および右側斜視図である。図９Ｂは、図９Ａのバッテリハウジング１００およびセル１１４ａ，１１４ｂの概略底面、正面、および左側斜視図である。図１０Ａは、図９Ａ～図９Ｂに示すバッテリハウジング１００およびセル１１４ａ，１１４ｂの概略頂面図である。図１０Ｂは、図９Ａ～図１０Ａに示すバッテリハウジング１００およびセル１１４ａ，１１４ｂの概略底面図である。図１１Ａは、モジュラバッテリ端子１０４ａ，１０４ｂおよび第１のセル接点１０５ａを通るように断面を取った、バッテリハウジング１００およびセル１１４ａ，１１４ｂの概略上面、背面、および右側斜視断面図である。図１１Ｂは、第２のセル接点１０５ｂを通るように断面を取った、バッテリハウジング１００およびセル１１４ａ，１１４ｂの概略上面、背面、および右側斜視断面図である。
【0083】
図９Ａ～図１１Ｂに示す第１および第２のセル１１４ａ，１１４ｂは、円筒形バッテリセル（たとえば、リチウム・イオン・バッテリ・セル）であるが、上記で説明したように、バッテリセルは、任意の適当な形状または輪郭、および任意の適当なタイプのバッテリセルを備えることができる。さらに、上記で説明したように、２つのセル１１４ａ，１１４ｂが示してあるが、より多くのまたはより少ないバッテリセルをハウジング１００内に配置してもよい。たとえば、いくつかの実施形態では、バッテリハウジング１００は、単一のセルを収容するサイズおよび形状とすることができる。１つまたは複数のセルを有する複数のハウジングを、モジュラ構成で互いに接続することができる。図９Ａ～図９Ｂの構成では、各セル１１４ａ，１１４ｂは、第１のバッテリセル端子１１３ａ（たとえば、正端子）および第２のバッテリセル端子１１３ｂ（たとえば、負端子）を備える。セル１１４ａ，１１４ｂは、第１のセル１１４ａの第１のバッテリセル端子１１３ａが、第１の端部１１１またはその近傍にあり、第１のセル１１４ａの第２のバッテリセル端子１１３ｂが、第２の端部１１２またはその近傍に配置されるように、ハウジング１０１内に配置してもよい。第２のセル１１４ｂの第１のバッテリセル端子１１３ａは、第１のセル１１４ａの第２のバッテリセル端子１１３ｂに隣接して、第２の端部１１２またはその近傍に配置してもよい。第２のセル１１４ｂの第２のバッテリセル端子１１３ｂは、第１のセル１１４ａの第１のバッテリセル端子１１３ａに隣接して、第１の端部１１１またはその近傍に配置してもよい。
【0084】
図９Ａ～図９Ｂは、バッテリハウジング１００によって画定される様々な電気経路Ｐ１～Ｐ７を示す。例示する実施形態では、経路Ｐ１～Ｐ７の矢形は、電子流の方向を示し（第１のバッテリセル端子１１３ａが正端子と仮定）、これは、当業者なら理解するであろうが、電流の従来定義の方向と反対である。したがって、ここで挙げる実施例の電流の流れを想像するために、全ての矢先の方向を逆にすることができる。他の実施形態では、電子は、ハウジング１００に対するセル１１４ａ，１１４ｂの極性に応じて、図に示す方向と反対に流れてもよい。
【0085】
第１の経路Ｐ１（図９Ａおよび図１０Ａ）が、第１のモジュラバッテリ端子１０４ａと、本開示を通して開示するものと同様のスイッチを備えてもよいブレーカ３ａとの間に画定できる。第１のモジュラバッテリ端子１０４ａは、別のバッテリハウジングや電気負荷などの外部部品との電気的連絡を提供するように構成することができる。第１のモジュラバッテリ端子１０４ａは、ハウジング本体１０１の外面上に配置することができ、たとえば、第１の壁１１０ａの外面上に配置することができる。しかし、他の実施形態では、第１のモジュラバッテリ端子１０４ａは、ハウジング１００の他の面上に配置してもよく、他の形状および輪郭を備えてもよい。たとえば、他の実施形態では、モジュラバッテリ端子１０４ａは、外部部品への電気的接続を容易にするために、ハウジング本体１０１から外側に延びてもよい。電流は、第１の導電性セグメント１０７ａに沿って、第１のモジュラバッテリ端子１０４ａと第１のブレーカ３ａとの間を流れることができる。上記で説明
したように、いくつかの実施形態では、第１のセグメント１０７ａは、モジュラバッテリ端子１０４ａおよびブレーカ３ａに接合された別部品の導電体とすることができる。他の実施形態では、第１の経路Ｐ１は、連続部品の導電体に沿って、モジュラバッテリ端子１０４ａとブレーカ３ａとの間に画定される。
したように、いくつかの実施形態では、第１のセグメント１０７ａは、モジュラバッテリ端子１０４ａおよびブレーカ３ａに接合された別部品の導電体とすることができる。他の実施形態では、第１の経路Ｐ１は、連続部品の導電体に沿って、モジュラバッテリ端子１０４ａとブレーカ３ａとの間に画定される。
【0086】
第１のセグメント１０７ａの一方の端部は、図１Ａ～図３Ｂおよび図６Ａ～図７に関連して説明および図示した第１の端子Ｔ１などの、ブレーカ３ａの第１の端子に電気的に接続することができる。たとえば、セグメント１０７ａは、第１の端子Ｔ１に溶接もしくははんだ付けすることができ、または、他の方法で電気的に接続することができる。第２の導電性セグメント１０７ｂは、ブレーカ３ａおよび第１のセル接点１０５ａに電気的に接続することができる。たとえば、第２のセグメント１０７ｂの一方の端部は、ブレーカ３の第２の端子Ｔ２に電気的に接続することができ、第２のセグメント１０７ｂの他方の端部は、第１のセル接点１０５ａに電気的に接続することができる。上記で説明したように、いくつかの実施形態では、第２のセグメント１０７ｂは、ブレーカ３ａおよびセル接点１０５ａとは別部品の導電体を備えることができる。他の実施形態では、ブレーカ３ａの第２の端子Ｔ２および第１のセル接点１０５ａは、連続部品の導電体を備えることができる。一例として、図１１Ａに示すように、第２のセグメント１０７ｂは、第１のセル接点１０５ａの開口を通って延びるように湾曲して、第２のセグメント１０７ａをセル接点１０５ａに固定し、第１のセル１１４ａの第１の端子１１３ａへの電気的接続性を提供することができる。第１のバイパス導体１０６ａは、ブレーカ３ａの第３の端子Ｔ３、および第３の導電性セグメント１０７ｃに接続された第３のセル接点１０５ｃに電気的に接続することができる（図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、および図１０Ｂ参照）。たとえば、第１のバイパス導体１０６ａは、ブレーカ３ａの第３の端子Ｔ３に接続して、セル１１４ａを迂回してバイパス路を設けることができる。バイパス導体１０６ａは、ハウジング本体１０１に接着することができ、またはこれと共に形成することができる。
【0087】
図１Ａ～図７に関連して上記で説明したように、ブレーカ３ａは、正常状態および故障状態を有するスイッチを備えることができる。正常状態では、図１Ａ～図７に関連して上記で説明したように、ブレーカ３ａの第１の端子Ｔ１は、第２の端子Ｔ２に接続してもよい（図１０Ａ参照）。こうした構成では、動作電流および／または温度は正常範囲内にあり、電流は、第１のセル１１４ａを通る第２の電気経路Ｐ２に沿って流される。たとえば、正常状態では、電子は、経路Ｐ２に沿って、ブレーカ３ａから（図９Ａ）、第２のセグメント１０７ｂおよび第１のセル接点１０５ａに沿って、第１のバッテリセル端子１１３ａを通って、セル１１４ａに、また、第２のバッテリセル端子１１３ｂを通って（図９Ｂ）、ハウジング１００の第２の端部１１２にあるセル接点１０５ｃおよび第３の導電性セグメント１０７ｃに、流れてもよい。
【0088】
第３のセル接点１０５ｃは、第１のセル１１４ａの第２の端子１１３ｂから第３の導電性セグメント１０７ｃに、電子を輸送する働きをする。有利なことに、第１のセル接点１０５ａおよび第３のセル接点１０５ｃのそれぞれは、溶接やはんだ付けなどの金属接合作業を用いることなく、バッテリセルのそれぞれの端子１１３ａ，１１３ｂに接触するようなサイズでもよい。その代わりに、上記で説明したように、セル接点１０５ａ，１０５ｃとセル１１４ａとの間の電気的接触は、セル接点１０５ａとセル接点１０５ｃとの間にセル１１４ａが押し込まれる、スナップフィット接続によって提供してもよい。セル接点１０５ａ，１０５ｃは円盤状の導電体として示してあるが、他の実施形態では、セル接点１０５ａ，１０５ｃは、細長い部品の導電体を備えることができることを理解されたい。その上、セル１１４ａは、簡単なスナップフィット接続によって、ハウジング１００に機械的かつ電気的に接続してもよいが、いくつかの実施形態では、ユーザは、特に充電式バッテリについて、追加的または代替的に接合手順（溶接やはんだ付けなど）を行って、端子１１３ａ，１１３ｂをセル接点１０５ａ，１０５ｃに接続してもよい。
【0089】
したがって、より大きなシステムの正常動作中、電流は、第２の経路Ｐ２に沿って、すなわちセル１１４ａを通って流れる（図に示す矢印と反対方向に）。しかし、上記で説明したように、場合によっては、セル１１４ａが過熱状態になることがあり、または過度の電流がセル１１４ａを流れることがある。図１Ａ～図７に関連して上記で説明したように、温度および／またはセル１１４ａを流れる電流が、様々な所定の値を超える場合には、ブレーカ３ａは故障状態に入ってもよく、この場合、ブレーカ内のスイッチ５は、ブレーカ３ａの第１の端子Ｔ１を第３の端子Ｔ３と接続するように移動する。こうした故障状態では、電流のごく一部は依然として、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間を、また第２の経路Ｐ２に沿って、セル１１４ａを流れてもよい。しかし、電流の大部分（もしくは全て）は、ブレーカ３ａの第３の端子Ｔ３と第３のセル接点１０５ｃとの間に延びる第３の経路Ｐ３に沿って、セル１１４ａを迂回して分流またはバイパスされる。セル１１４ａを迂回して電流の大部分または全てを分流することは、セル１１４ａが損傷するのを防止することができ、セル１１４ａの寿命を延ばすことができる。その上、故障状態では、第２のセル１１４ｂおよびより大きな電気システムへの電流の流れを阻害することなく、セル１１４ａをバイパスすることができる。有利なことに、図９Ａ～図９Ｂに示す構成は、正常動作では、セル１１４ａに出入りするより短い電気経路Ｐ２を、また故障状態では、バイパス導体１０６ａを通るより長いバイパス経路Ｐ３を利用することができる。より長いバイパス経路Ｐ３は、セル１１４ａを通る経路Ｐ２よりも高い抵抗を有してもよい。正常動作中に提供される比較的低い抵抗は、発熱のための電力の損失を有益に減少させることができる。
【0090】
図１０Ｂに示すように、第１のバイパス導体１０６ａは、第３のセル接点１０５ｃに接触することができ、これは、第１のバイパス導体１０６ａと第３の導電性セグメント１０７ｃとの間の電気的連絡を提供する。第３の導電性セグメント１０７ｃは、第２および第３の経路Ｐ２，Ｐ３の合流点と第２のブレーカ３ｂとの間に第４の電気経路Ｐ４を画定することができる。たとえば、正常状態では、電流は、セル１１４ａを通る第２の経路Ｐ２に沿って、また第４の経路Ｐ４および第３のセグメント１０７ｃに沿って、第２のブレーカ３ｂに流れることができる。故障状態では、電流の大部分または全て（図１ＢのＩ２）は、第３の経路Ｐ３および第１のバイパス導体１０６ａに沿って、第３のセル接点１０５ｃおよび第３のセグメント１０７ｃに流れることができ、電流のごく一部（図１ＢのＩ３）は、第２の経路Ｐ２に沿って、第３のセル接点１０５ｃおよび第３のセグメント１０７ｃに流れることができる。合成電流（図１ＢのＩ１）は、第３のセグメント１０７ｃおよび第４の経路Ｐ４に沿って、ブレーカ３ｂに流れることができる。
【0091】
第１のブレーカ３ａと同様に、第２のブレーカ３ｂは、正常動作状態および故障状態を有する。正常状態では、第３のセグメント１０７ｃはブレーカ３ｂの第１の端子Ｔ１に接続されており、端子Ｔ１はさらに、ブレーカ３ｂの第２の端子Ｔ２に接続されている。ブレーカ３ｂの第２の端子Ｔ２は、第４の導電性セグメント１０７ｄ、第４のセル接点１０５ｄ、および第２のセル１１４ｂの第１のバッテリセル端子１１３ａと接続することができる（図１０Ｂ参照）。したがって、正常状態では、電流は、ブレーカ３ｂを通って、第４のセル接点１０５ｄと第２のセル接点１０５ｂとの間の、第２のセル１１４ｂを通る第５の経路Ｐ５に沿って流れる（図９Ｂ参照）。
【0092】
故障状態（過温度および／または過電流故障など）では、ブレーカ３ｂのスイッチは、第１の端子Ｔ１を第３の端子Ｔ３と接続するように移動することができ、第３の端子Ｔ３は、第２のバイパス導体１０６ｂの第１の端部と接続することができる。第１のブレーカ３ａと同様に、第２のセル１１４ｂが故障状態にある場合、電流の大部分は、第６の電気経路Ｐ６に沿ってバイパス導体１０６ｂを流れ、電流のごく一部は、第５の電気経路Ｐ５に沿ってセル１１４ｂを流れる。先に述べたように、図中の矢先は電子流の方向を示し（
１１３ａは正、１１３ｂは負と仮定）、したがって電流は、図に示す矢先と反対方向に流れる。
１１３ａは正、１１３ｂは負と仮定）、したがって電流は、図に示す矢先と反対方向に流れる。
【0093】
図９Ａ、図１０Ａ、および図１１Ｂに示すように、第２のバイパス導体１０６ｂの第２の端部は、第５の電気セグメント１０７ｅに接続することができる。加えて、第２のセル接点１０５ｂは、第５の電気セグメント１０７ｅに接続することができる。第５および／または第６の経路Ｐ５，Ｐ６に沿って流れる電流は、第５のセグメント１０７ｅおよび第６のセグメント１０７ｆを通る第７の電気経路Ｐ７に沿って、第２のモジュラバッテリ端子１０４ｂに流れることができる。第２のモジュラバッテリ端子１０４ｂは、ハウジング１００の外面上に、たとえば、第２の壁１１０ｂの外面上に形成することができる。第２のモジュラバッテリ端子１０４ｂは、別のバッテリハウジングや電気負荷などの別の外部部品との電気的連絡を提供するように構成することができる。図１１Ａ～図１１Ｂに示すように、チャネル１１６が、ハウジングの壁１１０の一部に沿って画定でき、第６のセグメント１０７ｆを収容するサイズおよび形状とすることができる。
【0094】
図１２は、様々な実施形態による、互いに接続されたバッテリハウジング１００Ａ～１００Ｄの列１２０を備えるバッテリパックの背面右側斜視図である。有利なことに、図９Ａ～図１１Ｂに示すバッテリハウジング１００は、多数のバッテリハウジングを互いに電気的かつ機械的に接続することができる、モジュラプラットフォームを提供することができる。モジュラ構成で互いに接続された多数のバッテリハウジングを使用することにより、自動推進用途（自動車、スクータ、または自転車などの電気車両用のセル）、コンピューティング用途（ラップトップコンピュータ、モバイルスマートフォン、タブレットなど）、医療用具などの、高出力用途のための高電圧電源の使用が有益に可能になることができる。その上、１つまたは複数のブレーカ３を各ハウジング１００Ａ～１００Ｄに組み込むことによって、故障状態によって１つまたは複数のバッテリセルがバイパスされる場合でも、バッテリパックはデバイス動作のために電流を供給し続けることができ、ユーザは、単にバッテリハウジングからバッテリセルを取り出し、交換バッテリセルをカチッとはめ込むことにより、電気負荷への電流の供給を阻害することなく、不良バッテリセルを交換することができる。
【0095】
図１２に示すように、第１のハウジング１００Ａの第１のモジュラバッテリ接点１０４ａは、第２のハウジング１００Ｂの第２のモジュラバッテリ接点１０４ｂに電気的に接続することができ、第２のハウジング１００Ｂの第１のモジュラバッテリ接点１０４ａは、第３のハウジング１００Ｃの第２のモジュラバッテリ接点１０４ｂに電気的に接続することができ、第３のハウジング１００Ｃの第１のモジュラバッテリ接点１０４ａは、第４のハウジング１００Ｄの第２のモジュラバッテリ接点１０４ａに電気的に接続することができる。隣接するハウジングのそれぞれの第１および第２のモジュラバッテリ接点１０４ａ，１０４ｂの間の接続は、金属接合方法を用いることなく行うことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、隣接するハウジングのモジュラバッテリ接点１０４ａ，１０４ｂは互いにカチッとはまって、隣接するハウジング間の電気的および機械的接続を提供することができる。いくつかの実施形態では、隣接するバッテリハウジングのモジュラバッテリ接点１０４ａ，１０４ｂは、摺動接続で噛み合って、隣接するハウジング間の電気的および機械的接続を提供することができる。いくつかの実施形態では、ユーザは、隣接するハウジングのモジュラバッテリ接点１０４ａ，１０４ｂを互いに溶接またははんだ付けすることを選んでもよい。様々な実施形態では、各ハウジング１００Ａ～１００Ｄのハウジング本体１０１は、隣接するバッテリハウジング間の機械的係合を提供する様々な機械的ロック機構を備えることができる。図１２には４つのハウジング１００Ａ～１００Ｄが示してあるが、任意の適当な数のバッテリハウジングを互いに接続することができることを理解されたい。列１２０が組み立てられると、最も外側の電気モジュラバッテリ接点（たとえば、図１２のハウジング１００Ａの第２のモジュラバッテリ接点１０４ｂ、および
ハウジング１００Ｄの第１のモジュラバッテリ接点１０４ａ）は、所望の電気負荷（たとえば、モータ）に電気的に接続して、そこに電力を供給することができる。
ハウジング１００Ｄの第１のモジュラバッテリ接点１０４ａ）は、所望の電気負荷（たとえば、モータ）に電気的に接続して、そこに電力を供給することができる。
【0096】
図１３Ａは、様々な実施形態による、直列に接続されたバッテリハウジング１００Ａ～１００Ｃの列１２０を備えるバッテリパックの概略回路図である。特に断りのない限り、図１３Ａに示す参照符号は、図１Ａ～図１２に示したものと同じまたは同様の構成要素を表す。本明細書で説明するように、複数のバッテリハウジング１００Ａ～１００Ｃは互いに直列に接続することができる。ハウジング１００Ａ～１００Ｃを互いに直列に接続することは、有利なことに、電気負荷への供給に利用できる電気エネルギの総量を増加させることができる。たとえば、図１３Ａには、３つのハウジング１００Ａ～１００Ｃが示してあり、各ハウジング１００Ａ～１００Ｃは２つのセル１１４ａ，１１４ｂを備える。各セル１１４ａ，１１４ｂがＶの電圧を有する場合には、図に示すように直列に接続された６つのバッテリセルの列１２０は、６Ｖの電圧を供給する。ハウジングのモジュール性により、高い所要電力の用途のために多数のバッテリを使用することが可能になる。バッテリセルのうちの１つが故障した場合には、関連するブレーカ３ａ，３ｂは、有利なことに、故障したバッテリセルを迂回して電流の大部分を経路設定して、より大きなシステムに電力を供給することができる。ハウジング１００Ａ～１００Ｃのスナップフィット接続により、ユーザが故障したバッテリセルを簡単に取り出し、交換することが可能になる。その上、図１３Ａに示すように、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、バッテリセルの選択された端子（たとえば、負端子）と電気的に結合された、それぞれの第１および第２のコネクタ１３５ａ，１３５ｂに接続することができる。本明細書で説明するように、ＢＭＳは、各バッテリセルの電圧を監視することができ、特定のセルの電圧が望ましくないレベルに上昇または低下した場合、ユーザに警告することができる。たとえば、いくつかの実施形態では、ＢＭＳは、１つまたは複数のバッテリセルが、たとえばスイッチが故障状態にあることによってバイパスされたかどうかを判定することができる。
【0097】
図１３Ｂは、様々な実施形態による、互いに並列に接続されたバッテリハウジング１００Ａ～１００Ｂの群１２２を備えるバッテリパックの概略回路図である。特に断りのない限り、図１３Ｂに示す参照符号は、図１Ａ～図１２に示したものと同じまたは同様の構成要素を表す。図１３Ａの実施形態とは異なり、図１３Ｂでは、２つのバッテリハウジング１００Ａおよび１００Ｂは並列に接続されている。第１のハウジング１００Ａのバッテリセルのうちの１つが故障した場合には（たとえば、セル１１４ａ）、ブレーカ３ａは、セル１１４ａをバイパスして、第２のセル１１４ｂおよびより大きな電気システムに電流を供給することができる。加えて、図１３Ａと同様に、ＢＭＳは、上記で説明したように、それぞれの第１および第２のコネクタ１３５ａ，１３５ｂに電気的に接続して、各バッテリセルの電圧を監視することができる。
【0098】
図１３Ｂに示す構成の１つの課題は、１つのセルが故障し、ブレーカによってバイパスされる場合には、その結果得られる構成が、２つのセルと並列の１つのセルを含むことになることである。結果として生じる２つの列の両端の電圧の不平衡は、依然として動作可能なセルを損傷し、かつ／またはより大きな電気システムの性能を低下させる場合がある。いくつかの実施形態では、こうした電圧不平衡には、ダイオード（たとえば、ショットキ型ダイオード）を各並列の列に設けて、セルを通る逆バイアスを防止することによって対処してもよい。いくつかの実施形態では、潜在的な電圧不平衡には、ダイオードと同様に働くことができるトランジスタ（たとえば、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）を各列に設けて、セルを通る逆バイアスを防止または減少させることによって対処してもよい。
【0099】
図１４は、互いに直列にかつ昇降圧コンバータ１３０と接続されたセル１１４ａ～１１４ｅの列１２０を備えるバッテリパックの概略系統図である。セル１１４ａ～１１４ｅは、本明細書に開示するバッテリハウジング１００のいずれかと結合することができ、また
は、他の任意の適当な方法で、互いに接続することができる。昇降圧コンバータ１３０は、列１２０の出力電圧を許容可能な電圧範囲内に維持するＤＣ－ＤＣ変換構造を備えることができる。たとえば、セル１１４ａ～１１４ｅのうちの１つが、ブレーカによって列からバイパスされる場合には、列１２０の総電圧は、バイパスされるセルによって供給される電圧に等しい量だけ低下することになる。昇降圧コンバータ１３０は、有利なことに、列１２０の出力を所望の電圧範囲内に維持することができる。たとえば、図１４に示すように、各セル１１４ａ～１１４ｅが３．６Ｖの電圧を供給する場合には、列１２０は通常、合計１８Ｖを供給することになる。セルのうちの１つがバイパスされる場合には、供給電圧は合計１４．４Ｖに低下することになる。昇降圧コンバータ１３０は、１つまたは複数のセルがバイパスされる場合でも、列１２０の合計出力を１８Ｖに維持することができる。
は、他の任意の適当な方法で、互いに接続することができる。昇降圧コンバータ１３０は、列１２０の出力電圧を許容可能な電圧範囲内に維持するＤＣ－ＤＣ変換構造を備えることができる。たとえば、セル１１４ａ～１１４ｅのうちの１つが、ブレーカによって列からバイパスされる場合には、列１２０の総電圧は、バイパスされるセルによって供給される電圧に等しい量だけ低下することになる。昇降圧コンバータ１３０は、有利なことに、列１２０の出力を所望の電圧範囲内に維持することができる。たとえば、図１４に示すように、各セル１１４ａ～１１４ｅが３．６Ｖの電圧を供給する場合には、列１２０は通常、合計１８Ｖを供給することになる。セルのうちの１つがバイパスされる場合には、供給電圧は合計１４．４Ｖに低下することになる。昇降圧コンバータ１３０は、１つまたは複数のセルがバイパスされる場合でも、列１２０の合計出力を１８Ｖに維持することができる。
【0100】
本明細書で説明するように、故障状態によって１つまたは複数のセルがブレーカによってバイパスされるとき、バイパスされるセルは、他のセルおよび電気負荷に供給される電流を遮断しない。過電流および／または過温度故障状態が収まると、図１Ａ～図７に関連して上記で説明したように、ブレーカはリセットして、正常動作状態に復帰することができる。その上、ユーザは、バイパスされ損傷を受けたセルを簡単に取り出し、新しいセルとハウジングとの電気的および機械的接続を提供する簡単なスナップフィット接続を用いて、新しいセルと交換することができる。様々な実施形態では、使用中にセルがバイパスされたかどうかを判定する電気バッテリ監視システムを設けることができる。バッテリ監視システムは、ユーザに信号を送信して、１つまたは複数のセルを交換すべきであることをユーザに警告することができる。バッテリ監視システムまたはバッテリ管理システム（ＢＭＳ）の使用を容易にするために、各セル間の回路内の点へのＢＭＳの接続を容易にする端子または接点をモジュラ・バッテリ・ハウジングに組み込むことができる。バッテリまたはバッテリパック用のハウジングに一体化して、過温度および／または過電流故障状態を自動的に監視することができる、本明細書に開示するブレーカを使用することは、バッテリセル自体の内部よりもハウジングレベルにブレーカを設けるためのコストを有益に削減することができる。セルごとのブレーカをなくすことは、ブレーカを省略するのと比べて、システムの安全性を高めながら、システムの全体的なコストを削減することができる。その上、本明細書に開示するブレーカを利用することはまた、液体冷却システムなどのコストのかかる熱管理システムの必要性を低減することもできる。いくつかの実施形態では、特に低温環境において、バッテリの性能を向上させるために、１つまたは複数の加熱素子、たとえばＰＰＴＣ素子をハウジングに組み込んでもよい。
【0101】
ある特定の実施形態および実施例との関連で本発明を開示したが、本発明が、具体的に開示した実施形態を超えて、本発明の他の代替的な実施形態および／または使用、ならびに明らかな変更形態およびこれらと同等のものに及ぶことを、当業者なら理解するであろう。加えて、本発明のいくつかの変形形態を詳細に図示および説明したが、本発明の範囲内にある他の変更形態が、本開示に基づいて当業者には容易に明らかになるであろう。実施形態の特定の特徴および態様の様々な組合せまたは副組合せを行ってもよく、依然として本発明の範囲内にあることも企図される。ここで開示した発明の種々の形態を形成するために、ここで開示した実施形態の様々な特徴および態様を、互いに組み合わせ、または置き換えることができることを理解されたい。したがって、本明細書に開示した本発明の範囲は、上記で述べた特定の開示実施形態によって限定されるべきではなく、次の特許請求の範囲を公正に読むことによってのみ決定されるべきであることが意図される。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】