特表 2025-501685 非接触型の交換可能なバッテリーシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-23

(54)【発明の名称】非接触型の交換可能なバッテリーシステム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20250116BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20250116BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20250116BHJP

   B60L 53/80 20190101ALI20250116BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 301D

H02J50/12

H02J50/80

H02J7/00 P

B60L53/80

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024533782

(86)(22)【出願日】2022-12-07

(85)【翻訳文提出日】2024-07-26

(86)【国際出願番号】 US2022052189

(87)【国際公開番号】W WO2023107587

(87)【国際公開日】2023-06-15

(31)【優先権主張番号】63/265,084

(32)【優先日】2021-12-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ

２．ＺＩＧＢＥＥ

(71)【出願人】

【識別番号】514287443

【氏名又は名称】インダクトイーブイ インク．

(74)【代理人】

【識別番号】100104411

【弁理士】

【氏名又は名称】矢口 太郎

(72)【発明者】

【氏名】ダガ、アンドリュー ダブリュー．

(72)【発明者】

【氏名】マクマホン、フランシス ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】ウォード、マシュー エル．

【テーマコード（参考）】

5G503

5H125

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA02

5G503BB01

5G503CA08

5G503DA07

5G503DA08

5G503EA05

5G503FA06

5G503GB03

5G503GB08

5G503GD03

5G503GD04

5G503GD06

5H125AA12

5H125AC13

5H125BC08

5H125BC18

5H125BC26

5H125CC01

5H125EE27

5H125EE29

5H125FF04

(57)【要約】

【要約】
非接触型バッテリーシステム（図１）は、密閉可能なケース（１０２）と、前記密閉可能なケース内に配置されたバッテリーユニット（１０１）と、前記バッテリーユニットに接続され、前記密閉可能なケース内に配置された少なくとも１つのワイヤレス電力伝送カプラー（１０３、１０５）とを含む。前記バッテリーユニットは、所定数のバッテリーセルバンクにおいて直列に接続されたバッテリーセルの配列（２０９）を含み、設定された電圧および電流を供給するものである。前記ワイヤレス電力伝送カプラーは、前記密閉可能なケースの少なくとも１つの面に対して配置され、前記バッテリーユニットによる充電、放電、および通信のための磁気誘導信号送信を可能にするものである。バッテリー管理コントローラ（２１６）が前記非接触型バッテリーシステムおよび電動機器と双方向に通信して充電を制御する。配布システムが、少なくとも１つの管理ユニットの制御下で、消耗した非接触型バッテリーシステムを保管、充電、または交換するように適合された複数のデポへの前記非接触型バッテリーシステムの配布を管理する。

【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非接触型バッテリーシステムであって、
密閉可能なケースと
前記密閉可能なケース内に配置されたバッテリーユニットであって、所定数のバッテリーセルバンクにおいて直列に接続されたバッテリーセルの配列を有し、設定された電圧および電流を供給するものである、バッテリーユニットと、
少なくとも１つのワイヤレス電力伝送カプラーであって、前記バッテリーユニットに接続され、前記密閉可能なケース内に配置されているものであり、前記少なくとも１つのワイヤレス電力伝送カプラーは、前記密閉可能なケースの少なくとも１つの面に対して配置され、前記バッテリーユニットによる充電、放電、および通信のための磁気誘導信号送信を可能にするものである、前記少なくとも１つのワイヤレス電力伝送カプラーと
を有する非接触型バッテリーシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のバッテリーシステムにおいて、さらに、前記バッテリーセルを直列または並列の少なくとも一方の方法で選択的に接続するスイッチングマトリックスを有するものである、バッテリーシステム。

【請求項3】

請求項２に記載のバッテリーシステムにおいて、さらに、前記バッテリーユニットの出力電圧レベルを前記設定された電圧に調整するＤＣ／ＤＣコンバータを有するものである、バッテリーシステム。

【請求項4】

請求項１に記載のバッテリーシステムにおいて、各バッテリーセルは、化学電池、容量電池、燃料電池、または化学電池、容量電池、および燃料電池のうちの少なくとも２つのハイブリッドアレイを有するものである、バッテリーシステム。

【請求項5】

請求項１に記載のバッテリーシステムにおいて、さらに、前記密閉可能なケース内に誘導通信リンクインターフェースを有するものであり、前記誘導通信リンクインターフェースは前記バッテリーユニットと放電ステーションおよび充電ステーションの少なくとも１つとの間の無線通信を可能にするものである、バッテリーシステム。

【請求項6】

請求項１に記載のバッテリーシステムにおいて、さらに、前記密閉可能なケース内に通信コントローラを有するものであり、前記通信コントローラは、暗号化キーを用いた認証なしでの前記バッテリーユニットへの通信アクセスを阻止するものである、バッテリーシステム。

【請求項7】

バッテリー管理コントローラであって、
請求項１に記載の複数の非接触型バッテリーシステムを保持するための複数のスロットを有するラックであって、各スロットは、当該各スロットに設けられた非接触型バッテリーシステムの少なくとも１つのアンテナと双方向に通信する送受信アンテナを有する誘導通信インターフェースを有するものである、前記ラックと、
各スロットの前記誘導通信インターフェースおよび電動機器と双方向に通信して前記電動機器の充電を制御するバッテリー管理システムと
を有する、バッテリー管理コントローラ。

【請求項8】

請求項７に記載のバッテリー管理コントローラにおいて、前記バッテリー管理システムは、少なくとも１つの前記非接触型バッテリーシステムの問い合わせメッセージングを開始するものであり、前記問い合わせメッセージングは、ＩＤ要求、認証チャレンジ、または健全性、ステータス、および能力要求のうちの少なくとも１つを有するものである、バッテリー管理コントローラ。

【請求項9】

請求項８に記載のバッテリー管理コントローラにおいて、問い合わせを受けた非接触型バッテリーシステムは、格納されている値および計算された値のうちの少なくとも１つを提供し、または、前記問い合わせを受けた非接触型バッテリーシステムのバッテリーセルの健全性、ステータス、および能力を判定するための組み込みテストを開始することにより、問い合わせメッセージに応答するものである、バッテリー管理コントローラ。

【請求項10】

請求項７に記載のバッテリー管理コントローラにおいて、前記バッテリー管理システムは、少なくとも１つの前記非接触バッテリーシステムに要求された電力の一部を送達するように指示することにより、前記電動機器からの電力要求に応答するものである、バッテリー管理コントローラ。

【請求項11】

請求項１０に記載のバッテリー管理コントローラにおいて、前記バッテリー管理システムは、前記要求された電力が利用可能なときに前記電動機器に応答を提供するものであり、前記応答は、少なくとも１つの前記非接触型バッテリーシステムの充電状態、実行時間の推定値、または電力容量の推定値のうちの少なくとも１つを含むものである、バッテリー管理コントローラ。

【請求項12】

請求項１０に記載のバッテリー管理コントローラにおいて、前記バッテリー管理システムは、前記要求された電力を供給するよう前記バッテリーセルの充電状態に基づき少なくとも１つの前記非接触型バッテリーシステムのバッテリーセルの接続を再構成するもことにより、前記電力要求に応答するものである、バッテリー管理コントローラ。

【請求項13】

請求項１２に記載のバッテリー管理コントローラにおいて、少なくとも１つの非接触型バッテリーシステムは、前記バッテリーセルの接続を再構成し、ＤＣ／ＤＣ変換を提供することによって、または調整可能なリアクタンスを提供することによって、電圧低下を補償するものである、バッテリー管理コントローラ。

【請求項14】

請求項１に記載の複数の非接触型バッテリーシステムを配布する非接触型バッテリー配布システムであって、
消耗した非接触型バッテリーシステムを保管、充電、または充電された非接触型バッテリーシステムと交換することの少なくとも１つに適合された複数のデポと、
前記複数のデポに関連付けられた少なくとも１つの管理ユニットであって、前記複数の非接触型バッテリーシステムの倉庫保管、輸送管理、および出荷のための物流管理および制御機能を提供するものである、管理ユニットと
を有し、
前記少なくとも１つの管理ユニットは、バッテリーモデルおよびシリアル番号、バッテリー充電状態、電力貯蔵および供給能力定格、利用可能な冷却設定、電圧および電流能力、経過年数、または推定耐用年数の少なくとも１つを含む非接触型バッテリーシステム情報を格納し分析するものであり、
前記少なくとも１つの管理ユニットは、各充電器の待機時間、使用率、使用中インジケータ、充電電力レベル、物理的サイズ、電力源、または冷却配置のうち少なくとも１つを含む充電器情報を格納するものである、
非接触型バッテリー配布システム。

【請求項15】

請求項１４に記載の非接触型バッテリー配布システムにおいて、前記少なくとも１つの管理ユニットは、機械学習技術を用いて、配布のための非接触型バッテリーシステムを事前配置すること、非接触型バッテリーシステムの配布を最適化すること、傾向分析を提供すること、在庫切れの予測若しくは警告を提供すること、在庫切れリダイレクト修正を提供すること、電気および輸送の価格を裁定すること、配達レベルを契約すること、または利用可能な充電リソースに基づいて充電時間に対する部分充電を評価することのうちの少なくとも１つを行うプログラム可能なエキスパートシステムを有するものである、非接触型バッテリー配布システム。

【請求項16】

請求項１４に記載の非接触型バッテリー配布システムにおいて、前記少なくとも１つの管理ユニットは、顧客が移動経路に沿って非接触型バッテリーシステムを予約し、またはデポで非接触型バッテリーシステムの利用可能な在庫を確認することを可能にするものである、非接触型バッテリー配布システム。

【請求項17】

請求項１４に記載の非接触型バッテリー配布システムにおいて、さらに、データネットワークを有するものであり、前記少なくとも１つの管理ユニットは、前記データネットワークを介して前記非接触型バッテリーシステムの暗号化、認証、またはアクセス制御のうちの少なくとも１つに対するソースおよび変更制御を提供するものである、非接触型バッテリー配布システム。

【請求項18】

請求項１７に記載の非接触型バッテリー配布システムにおいて、前記少なくとも１つの管理ユニットは前記データネットワークを介して前記非接触型バッテリーシステムからテレメトリデータおよび警告データを収集するものである、非接触型バッテリー配布システム。

【請求項19】

請求項１８に記載の非接触型バッテリー配布システムにおいて、前記少なくとも１つの管理ユニットは非接触型バッテリーシステムの診断データを収集し、前記警告データを収集、表示、および格納するものである、非接触型バッテリー配布システム。

【請求項20】

請求項１４に記載の非接触型バッテリー配布システムにおいて、前記少なくとも１つの管理ユニットは、電気料金に応じた非接触型バッテリーシステムの充電、輸送、または在庫の再配置のうちの少なくとも１つの動作の分析に基づいて電力分配を制御するものである、非接触型バッテリー配布システム。

【請求項21】

請求項１４に記載の非接触型バッテリー配布システムにおいて、さらに、
非接触型バッテリーシステムの場所の追跡、非接触型バッテリーシステムのユーザ予約、および非接触型バッテリーシステムを事前配置するための各デポでの非接触型バッテリーシステムの需要予測を行う在庫サーバを有するものである、非接触型バッテリー配布システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この開示は、充電および放電のために非接触の磁気誘導結合を用いる交換可能なバッテリーパックの構造、使用、配布、およびサービスについて記載するものである。

【背景技術】

【0002】

交換可能なバッテリーの概念は、１８００年にアレッサンドロ・ボルタが電堆を発明して以来存在している。

【0003】

独自仕様でない取り換え可能なバッテリーに対する消費者のニーズは、体積サイズ、電圧、および端子（接点）の標準化につながった。これらの規格には、例えば、米国規格協会（ＡＮＳＩ）規格Ｃ１８．１Ｍ、「水性電解液を用いた携帯型一次電池およびバッテリーに関する国家規格」が含まれる。

【0004】

磁気共鳴誘導によるワイヤレス電力伝送は１９世紀に導入されたが、電導性チャネルを形成する大気の能力を誤解しために商業的には失敗した。磁気インダクタンスのための平コイルの使用については、１８９４年１月９日に発行された米国特許第５１２，３４０号「電磁石用コイル」に詳述されている。

【0005】

１９８２年のＳＦ書籍「フライデー」でロバートＡ．ハインラインが書いたように、「問題は、エネルギーの不足ではなく、エネルギーの輸送にあった。エネルギーは、太陽光、風、渓流、あらゆる場所の温度勾配、石炭、化石石油、放射性鉱石、緑の植物など、いたるところにある。特に深海や宇宙空間では、人間の理解を超えた膨大な量のエネルギーを自由に取り入れることができる。「エネルギー不足」や「エネルギー節約」について語る者たちは単に状況を理解していなかったのである。空は「スープの雨が降っており」、必要なのはそれを運ぶバケツだった」。携帯可能なエネルギー貯蔵についてのハインラインの架空のイメージは「シップストーン」と呼ばれていた。

【0006】

リチウムイオン（Ｌｉ－ｉｏｎ）バッテリーは（様々な構成および化学において）エネルギー貯蔵におけるその価値が認められ、そのバッテリーの発明者等は２０１９年のノーベル化学賞を受賞している。しかしながら、リチウムイオンバッテリーを含むバッテリーの使用は、それらの架空のものとは異なり、大規模な電力供給の用途において依然として問題が残っている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0007】

次に、諸概念の選択を簡略化した形で紹介するために様々な例を説明するが、それらは下記の詳細な説明でさらに説明されている。概要は、特許請求される主題の主要な若しくは本質的な特徴を特定することを意図したものではなく、特許請求される主題の範囲を限定するのに用いることを意図したものでもない。

【0008】

非接触型バッテリーシステムは、密閉可能なケースと、前記密閉可能なケース内に配置されたバッテリーユニットと、前記バッテリーユニットに接続され、前記密閉可能なケース内に配置された少なくとも１つのワイヤレス電力伝送カプラーとを含む。前記バッテリーユニットは、所定数のバッテリーセルバンクにおいて直列に接続されたバッテリーセルの配列を含み、設定された電圧および電流を供給するものである。前記ワイヤレス電力伝送カプラーは、前記密閉可能なケースの少なくとも１つの面に対して配置され、前記バッテリーユニットによる充電、放電、および通信のための磁気誘導信号送信を可能にするものである。バッテリー管理コントローラが、前記非接触型バッテリーシステムおよび電動機器と双方向に通信して充電を制御するものである。配布システムが、少なくとも１つの管理ユニットの制御下で、消耗した非接触型バッテリーシステムを保管、充電、または交換するように適合された複数のデポへの前記非接触型バッテリーシステムの配布を管理する。

【0009】

方法が前記装置によって実行されてもよく、さらに前記方法のさらなる特徴が前記装置の機能性から生じる。また、各態様およびその実装について提供されている説明は、他の態様およびそれらに対応した実装にも同様に適用される。様々な構成は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実施することができる。また、前述の例のいずれか１つを、他の前述の例のいずれか１若しくはそれ以上と組み合わせて、本開示の範囲内で新たな構成を作成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【0010】

本明細書に記載される主題の上記およびその他の有益な特徴ならびに利点は、添付の図面と関連した以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【図1】図１は、サンプル構成における非接触型バッテリーユニットの例を示す。

【図2】図２は、サンプル構成における密閉された非接触型バッテリーユニットの内部機能サブシステムと放電ステーションを示す。

【図3】図３は、充電クレードル内の非接触型バッテリーユニットのサンプル構成を示す。

【図4】図４は、サンプル構成における非接触型バッテリーユニットの例示的な水平クラスタ配置を示す。

【図5】図５は、サンプル構成における非接触型バッテリーユニットの例示的な垂直クラスタ配置を示す。

【図6a】図６ａは、サンプル構成における非接触型バッテリーユニットの車両への適用を示す。

【図6b】図６ｂは、サンプル構成における非接触型バッテリーユニットを用いて建設車両の燃料補給を行うサンプル構成を示す。

【図7】図７は、ハンドリング用に構成された非接触型バッテリーユニットのサンプル構成を示す。

【図8】図８は、サンプル構成における使用モデルに対するバッテリー寿命の例をグラフ化して示す。

【図9】図９は、単純な双方向電力を供給するための機能ブロックを示す。

【図10】図１０は、例示的構成に従って方法を実行し、処理機能を実装するための回路を示すブロック図である。

【図11A】図１１Ａは、単一電圧の非接触型交換式バッテリーパックのサブシステム図を示す。

【図11B】図１１Ｂは、単一電圧のデュアル非接触型交換式バッテリーパックのサブシステム図を示す。

【図11C】図１１Ｃは、電圧を選択可能なデュアル非接触型交換式バッテリーパックのサブシステム図を示す。

【図11D】図１１Ｄは、動的に選択可能な非接触型交換式バッテリーパックのシステム図を示す。

【図12】図１２は、非接触型交換式バッテリー設置の制御構造を示す。

【図13】図１３は、サンプル構成における非接触型交換式電力システムの主要なサブシステム間の情報のフローを示す。

【図14】図１４は、非接触型交換式バッテリーユニットのための配送システムにおける、輸送、製造、倉庫保管、事前配置、保管、充電、交換、および補充のための例示的な配布ネットワークを示す。

【図15】図１５は、バッテリー交換ネットワークにある物理的資産および情報資産を監視および制御するための例示的なネットワークの例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

電動車両の充電に用いるためのサンプル構成を図１～図１５に関して説明するが、当業者であれば、本明細書で提供される教示を他の非車両の共鳴磁気誘導ワイヤレス電力伝送システムにも用い得ることを理解するであろう。このような構成は本開示の範囲内であることが意図される。

【0012】

本明細書に記載の非接触型交換可能（交換式）バッテリーユニットは、磁気誘導結合を用いて、システム要素の充電、放電、およびシステム要素間の通信を実行し、頑丈な防塵防水の容器に恒久的に密閉される非接触型バッテリーユニットを可能にする。

【0013】

物理的な接触がなければ、電圧および電流に触れることができないため、バッテリーは本質的に安全である。また、導電性材料がないということは接触摩耗がなくなることを意味する。非接触型交換可能バッテリーのケースは、ワイヤレス共振カプラー間のスタンドオフ距離を提供する。また、前記バッテリーモジュールはシステムの非接触性により固有のガルバニック絶縁の利点もある。

【0014】

回路ブレーカー、遮断器、またはヒューズをバッテリーユニットのハウジング内に組み込むことができるが、ワイヤレス電力伝送を使用すると、導電性雰囲気中または淡水若しくは海水中の用途でも取り扱い時のショートや接地障害を防止することができる。

【0015】

バッテリーユニットの密閉態様は、水やほこりの浸入を防ぎ、濡れた環境やほこりの多い環境、爆発性雰囲気の環境でもバッテリーの使用を可能にする。密閉態様はまた、物理的および電子的な内部（ケースへの）侵入検知システムの配備を可能にする。前記侵入検知は、セカンドライフバッテリー市場でのバッテリーユニットの価値を高めようとする、不適切なバッテリー交換の試みや、使用状況および充電記録を含む電子機器への攻撃を検出するために用いることができる。

【0016】

近い将来、前記密閉された非接触型バッテリーユニットおよび充電ステーションについて大規模（数キロワット時（ｋＷｈ））な車両および地上拠点への展開が予見されている。一方、電子機器が小型化し続けるにつれて、ほとんどまたは全ての交換可能なバッテリー用途に密閉された非接触型バッテリーユニットを含めることが可能になる。

【0017】

図１
図１は、サンプル構成における密閉された非接触型バッテリーユニット１０１の例を示す。頑丈な密閉ケース１０２はバッテリーユニット１０１の内部構成要素を保護する。密閉ケース１０２の材料は、非導電性材料（例えば、グラスファイバー、ケブラー（登録商標）複合材）または金属であってよい。ケースが金属製の場合、ワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ）カップリング１０３および１０５と周囲のガードバンド１０４および１０６を覆う領域は非導電性でなければならない。図１では、追加の２つのワイヤレス電力伝送カプラーがバッテリーユニット１０１の他方側に示されていないことに留意されたい。バッテリーユニット１０１が供給することを意図する電圧、電流、または電力に応じて、ＷＰＴカップリング１０３の数は１からｎ×ｍまで変えることができ、ここで、ｎは密閉ケース１０２の平坦な側面の数であり、ｍは平坦な側面あたりのカプラー設置数である（利用可能な平坦な側面の面積とカプラー面積の比に基づく）。バッテリーユニット１０１の形状は、追加の平坦な側面ごとに変えることができ、追加のＷＰＴカプラーの設置を可能にする。また、バッテリーユニット１０１のサイズは用途に応じて変えてもよく、また、したがって、各平坦な面の利用可能な領域に追加のカプラーを設置することもできる。また、磁気誘導カプラーのサイズおよびカプラー表面積を変えて、バッテリーユニット１０１あたり所望の数のカプラーが得られるようにしてもよい。

【0018】

各カプラーは、バッテリーケースの非導電性充電面部分の下に保護された関連回路（例えば、フィルタ、整流器、電圧コンバータ、電圧レギュレータ）を備えた１若しくはそれ以上の平コイルアセンブリを含む。カプラーは再充電時の充電と電力供給時の放電のために交互に使用できる点で双方向性がある。

【0019】

図１に示すように、保持要素１０７がバッテリーユニット１０１の密閉ケース１０２の各横方向に含まれている。保持要素１０７は、交換（挿入および取り外し）を支援するとともに、使用中または充電中の横方向の振動を最小限に抑えるためにバッテリーユニット１０１をしっかりと保持する役割を果たす。図１に示す例は、ソケットレセプタクルのスロットに合う縁部取付スライドとして示されているが、その他の動力付きまたは動力なしの機械要素（例えば、スライド、レール、ローラー、リニアボールおよびローラーベアリング（再循環型および非再循環型のいずれか）、ラックアンドピノン、ローラーベアリングプレート、ねじ付きおよびねじなしロッドなど）、およびケースフレームへの配置（またはケースフレームへの統合）は、バッテリーユニットの交換を容易にし、バッテリーユニット１０１を十分に振動が減衰された状態で保持することを想定している。

【0020】

ロック保持要素１０８がバッテリーユニット１０１の後端に含まれていてもよい。ロック保持要素１０８は使用および充電のためにバッテリーユニット１０１を所定の位置に固定する。また、ロック保持要素１０８は不注意または悪意によるバッテリーユニット１０１の取り外しを抑止する役割も果たす。この例では、修正されたロックロッドアセンブリとして示されているが、保持機能およびロック機能を提供または可能にする他の機械的、磁気油圧式、電磁気的、および電気機械的な保持要素が有効にされまたは作動される構造も実現可能である。

【0021】

環境制御要素１０９がバッテリーユニット１０１の後端に示されている。環境制御要素１０９は、使用時または充電時に利用可能な外部冷却要素および／または加熱要素に対して、バッテリーユニット１０１の内部冷却要素および／または内部加熱要素用のコネクションレス型インターフェースを提供する。追加の熱伝導面を、ケース上の他の要素（例えば、ＷＰＴカプラーの充電面など）が占めていない位置であればどこにでも配置できることに留意されたい。

【0022】

この構成において、バッテリーユニット１０１と（不図示の）充電または放電クレードルとの間の誘導二重通信を送受信するための磁気ループアンテナは、ワイヤレス電力伝送（ＷＰＴ）カプラー１０３および１０５と非導電性表面領域を共有する。また、異なるアンテナ配置が望ましい場合、専用の非導電性表面が用いられてもよい。

【0023】

図２
図２は、（図１のバッテリーユニット１０１を含み得る）密閉された非接触型バッテリーユニット２０１の内部機能サブシステムと、放電ステーション２０２を示す。バッテリーユニット２０１は放電ステーション２０２に近接した所定の位置に挿入され、または保持される。バッテリーユニットカプラー２０６と放電ステーションカプラー２０４との間の隙間２０５は、ケースの厚さ、またはケースの厚さと放電ステーションカバーの組み合わせによって調整することができる。スタンドオフまたはバッテリーユニット２０１の保持要素１０７を用いてカップリング２０４とカップリング２０６間に追加の空隙２０５を設けてもよい。

【0024】

放電ステーション２０２は磁気共振インダクタンスを用いてバッテリーユニット２０１に接続する。磁気放電信号に加えて、誘導結合通信システム信号が存在する可能性もある。

【0025】

電力接続２１２は、放電ステーションカップリング２０４によって生成された電気を伝達し、また、電力管理システム２０３によって調整される。放電カップリング２０４は、１若しくはそれ以上の平コイル電磁石と、その関連回路（例えば、フィルタ、整流器、電圧コンバーターレギュレータなど）で構成されている。

【0026】

放電ステーション２０２と電力供給ステーション（例えば、車両、充電クレードル、電力貯蔵デポ、または企業や住宅の据付場所など）との間の二重通信リンクインターフェース２１４は、放電ステーション２０２への誘導通信リンク２１５を介してバッテリーユニット２０１との間でデジタル情報を伝達する。

【0027】

環境制御接続２１３は、放電ステーション２０２に所望の冷却媒体または加熱媒体を供給する。バッテリーユニット１０１は密閉されているため、バッテリーユニット２０１の放射表面領域２１１は伝導または対流熱伝達を介して供給される加熱または冷却と相互作用することができる。バッテリーユニット２０１の内部には内部の冷却資源（例えば、空気、液体冷却剤、相変化物質など）を管理し分配する役割を果たす環境制御システム２１０がある。環境制御システム２１０は、バッテリーアレイ２０９および搭載電子機器２０７および２０８全体にわたって加熱または冷却を提供する。バッテリーアレイ２０９は異なるセルからなり、それぞれのセルが、電力管理システム２０８、バッテリー管理システム２０７、および環境制御システム２１０に接続されている。前記異なるセルは、化学電池、容量電池（例えば、ウルトラキャパシタ）、可逆燃料電池、またはそれらの混合物であり、ハイブリッドアレイを形成する。

【0028】

バッテリーユニット通信コントローラ２１６は、ファイアウォールセキュリティを備えたゲートウェイルータであり、放電ステーション２０２の通信コントローラ２１７によって提供される適切なキーなしでのバッテリーユニット２０１の内部ネットワークへのアクセスを防止する。バッテリーユニット通信コントローラ２１６はまた、バッテリーユニット２０１の内部構成を外部のプロービングから隠す役割も果たす。外部に利用可能な情報（例えば、電子シリアル番号、充電状態、品質スコア、使用ログ情報の要約または公に利用可能な部分など）は、バッテリーユニット通信コントローラ２１６にローカルに保持される。

【0029】

放電ステーション通信コントローラ２１７は、全ての外部ネットワークと内部ＷＰＴ対応通信ネットワーク間のブリッジルータである。一構成において、すべてのネットワーク接続に安全なインターネット通信プロトコル（例えば、トランスポート層セキュリティなど）が必要とされる。インターネット仮想プライベートネットワーク「トンネル」内では、放電ステーション２０２とバッテリーユニット２０１の両方にアクセスするのに、データ暗号化を用いた追加の認証およびアクセス制御を必要としてもよい。

【0030】

図２に示すように、電力管理システム２０８は、機械的に強化されたハードウェアセキュリティモジュール（ＨＳＭ）２１８と、ログ記録のための安全なメモリ２１９とを含む。安全な暗号化された不揮発性メモリ２１９は、バッテリーユニット２０１に組み込まれた全てのセンサの安全な永久記録を記録するために用いられる。これらのセンサには、時間、温度、電圧、電流、圧力、および加速度が含まれる。電力管理システム２０８はまた、ＨＳＭ２１８によって保持される暗号化鍵ボールトへのアクセスを制限する役割も果たす。

【0031】

電力管理システム２０８は、全ての通信セッション、物理的な侵入、およびソフトウェアアクセス／攻撃の試みを記録することができる。電力管理サブシステム２０８は、バッテリーユニット２０１の内部の暗号化された安全なネットワークのみにインターフェースする（不図示の）通信プロセッサを含む。電力制御サブシステム２０８通信リンクを介して、前記バッテリーユニット２０１の内部へ、および前記バッテリーユニット通信制御装置２１６を介して外部ソースとの間の両方で転送される全てのデータは、内部（電力管理システム２０８へ）ファイアウォールによってスクリーニングされる。

【0032】

バッテリーユニット２０１は恒久的に密閉されることを意図しているため、バッテリーユニット２０１の内部のメンテナンスは困難となることが意図される。交換イベントが記録されるという点でメーカーレベルのメンテナンス（例えば、バッテリーアレイ２０９の故障したバッテリーセルの交換など）に対する準備がなされている。

【0033】

鍵ボールトに埋め込まれた暗号化鍵を用いることで、非接触型バッテリーユニットのメーカーレベルのメンテナンスのログ記録が可能になる。鍵を用いると、信頼できる施設がメンテナンスを行ったことが保証される。対称鍵と非対称（公開鍵）ストレージの両方がＨＳＭ２１８に保持されてよい。

【0034】

電力管理システム２０８は、外部ソフトウェア若しくは物理的攻撃、またはバッテリーユニット２０１の内部システム障害などの壊滅的な障害が発生した場合にシャットダウン前にセンサデータを記録できるようにサイズ設定されたバッテリーバックアップを有する。

【0035】

図３
図３は、充電クレードル内の非接触型バッテリーユニット２０１のサンプル構成を示す。交換可能な密閉された非接触型バッテリーユニット２０１の利点の１つは、用途に応じて、オフサイトで、または電気自動車の外で充電できることである。前記オフサイトの場所では電力と冷却にアクセスすることができ、最適な制御可能な充電条件が可能になる。

【0036】

この例における充電ステーション３０１は、充電ポイント２０２を天候から遮蔽し分離する周囲の筐体３０２を含む。充電ステーション３０１にはそれぞれの充電ポイント２０２に電力接続２１２と環境制御（例：冷却剤）接続２１３が備えられている。この例では、バッテリーユニット２０１にワイヤレスで接続する４つの充電ポイント２０２が使用される。各充電ポイント２０２は充電電圧を最適化するように独立して制御可能である。図３の充電ステーション構成において、磁気結合二重通信２１５を実行するために、外部通信リンクインターフェース２１４は１つの充電ポイント２０２でのみ必要である。冗長性のために追加の通信リンクが提供されてもよく、または様々なセクションを制御するために内部接続が提供されてもよい。

【0037】

有線電力接続２１２、ワイヤレス電力接続２１４、および無線通信リンク２１５は双方向であるため、充電ステーション３０１は、図２に示す放電ステーション２０２として動作可能に用いることができる。

【0038】

バッテリーユニット２０１は、異なる者が所有する可能性のある任意の充電ステーションで充電できるため、バッテリーユニットのＨＳＭ２１８によって提供される暗号化サービスは、データの機密性、通信の整合性、支払いの否認防止、所有者の識別、充電ステーション３０１およびバッテリーユニット２０１の認証に用いることができる。

【0039】

バッテリーユニット２０１は、車両に搭載された状態でも、その他の車両外の場所でも充電することができる。一構成において、充電器は冷却および電力需要を減らすために低電圧を用いてゆっくりと充電する。

【0040】

高電力での短時間充電の場合、充電ステーション３０１は、どのような構成であっても、電力と冷却を供給することができる。その電力および冷却需要は、誘導通信システムを介して充電ステーション３０１に提供されるこれまでの耐用期間の充電履歴から生成されてもよい。

【0041】

車両から取り外されて充電ステーション３０１に設置される場合、冷却液への完全または部分的な浸漬は、ケース温度（したがって内部バッテリー温度）を調節するのに用いることができるが、ワイヤレス電力伝送システムでアース接地が必要なアーキテクチャや密閉されたバッテリーケースの一部が液体との接地接点として機能するアーキテクチャでは、アース接地への電気的接続として用いることもできる。恒久的に密閉されたケースは、ほこりや水の侵入を防ぎ、ＮＥＭＡ６またはＩＰ６７の要件を満たす（またはそれを超える）。

【0042】

車両以外の主な用途に対しても、（例えば、現地での充電、またはオフサイトで充電のために取り外すなど）同じ充電シナリオが適用される。

【0043】

図４
図４は、サンプル構成における交換可能な密閉された非接触型バッテリーユニット４０１の例示的な水平スタックを示す。バッテリーユニット４０２、４０３、および４０４は、独立して交換可能であり、一般的に、交換中に電力レベルを維持するためにｎ＋１アレイに配置される。一方、前記ユニットが機能していない間に全てのバッテリーが交換されるシナリオもある。図４の例では、放電ステーションは底部トレイ４０５と一体化されているが、当該底部トレイ４０５はまた、バッテリーユニット４０２、４０３、および４０４を所定の位置に保持して（不図示の）底部カップリングユニットの位置合わせを保証する役割も果たす。水平配置において、側面に取り付けられたカップリング４１２（図４の視点では１つしか見えていないことに留意されたい）が、アクティブになり、各バッテリーユニット４０２、４０３、および４０４の電力負荷または容量が均等になるように電力を分配してもよい。振動または横方向の負荷（車両の動き、地震など）を伴う展開では、水平アレイ４０１に垂直支持部４０６が装備されてもよい。これらの垂直支持部４０６はまた、バッテリーユニット４０１の追加の列を支持し安定させるのに用いることもできる。追加の列が下側の列と接続し、整列した下から上への連結配置を介して電力および通信を供給する（または供給を受ける）ことができる。ロックおよび保持構成要素４０７は、各バッテリーユニット４０２、４０３、および４０４をトレイ４０５上の所定の位置に保持する。

【0044】

図４に示す構成において、共通の環境制御インターフェース４１１がバッテリーユニット４０２、４０３、および４０４に必要とされる加熱または冷却を供給する一方、単一の通信インターフェース４１０が外部通信のための接続を提供する。単一の電力接続４０９が上記使用例に応じて電力を供給または送達するのに用いられる。必要に応じて、（それぞれ冷却、帯域幅、または負荷のためなど）追加の環境、通信、および電力インターフェースを配置可能である。共通環境交換構成要素４０８は、個々のバッテリーユニット４０２、４０３、および４０４の交換を可能にするための独立した接続を可能にする。いくつかの配置では、バッテリーユニット４０２、４０３、および４０４への個々の冷却または加熱接続も用いられる。

【0045】

図５
図５は、サンプル構成における例示的な垂直バッテリーユニットアレイ５０１を示す。図５に示す垂直バッテリーユニットアレイ５０１は、独立して交換可能な密閉された非接触型バッテリーユニット５０２、５０３、および５０４が相互接続されて積み重ねられたクラスタの例である。バッテリーユニットアレイ５０１は、電力５１３、通信５１５、および環境制御５１４のために外部接続へのリンクを提供する底部トレイ５０５に載置されている。機械的支持システム５１１がバッテリーユニット５０２、５０３、および５０４を所定の位置に適切な配向で保持し、一方、機械的保持およびロックシステム５１２が交換を容易にし、動きに対する追加の機械的支持を提供する。環境交換システム５１０は、各バッテリーユニット５０２、５０３、および５０４とインターフェースし、各バッテリーユニット５０２、５０３、または５０４の個別の交換および外部環境接続５１４を可能にする。

【0046】

（バッテリーケース内部）の最下部のバッテリーユニット５０３および５０４の上部と底部にある（不図示の）ワイヤレスカップリングアセンブリは、通信および電力伝送を可能にする。最上部のバッテリーユニット５０２は、その底部に取り付けられた（不図示の）ワイヤレスカップリングアセンブリを通信および電力伝送のために用い、その上部のワイヤレスカップリングアセンブリ５０９はこの例の設置では使用されず、電源供給されない。

【0047】

右側面に取り付けられたワイヤレスカップリングアセンブリ５０６、５０７、および５０８は、必要に応じて、左側面に取り付けられた（不図示の）ワイヤレスカップリングアセンブリと同様に、他の垂直スタックへの相互接続に利用可能である。相互接続されていないワイヤレスカップリングアセンブリは全て電力供給されないままとなる。

【0048】

図６ａ
図６ａは、電動建設車両６０１における、独立して交換可能な密閉された非接触型バッテリーユニット群の車両への適用を示す。建設車両６０１は化学的／電気的ハイブリッドであってよい。図示のように、車両（例えば、ダンプトラック）６０１にはバッテリーユニットソケットアレイ６０２が設置され、バッテリーユニット２０１の積み下ろしのための容易なアクセスを可能にする。この図示の例では、バッテリーユニットの挿入のために８つの個別のソケット６０３が利用可能である。１若しくはそれ以上のＷＰＴカップリングアセンブリをソケットアレイ６０２の各平坦な側に構築することができる。車両ソケットおよびバッテリーユニットの一側のアセンブリが一致しない場合、車両６０１の他のバッテリーユニットまたはワイヤレス伝送カプラーと幾何学的に位置合わせされたカップリングのみがワイヤレス電力伝送に有効になる。

【0049】

図６ｂ
図６ｂは、サンプル構成の非接触型バッテリーユニットを用いて、例えば図６ａの例示的なダンプトラック６０１などの建設車両の燃料補給を行うサンプル構成を示す。図示のように、交換用バッテリーユニット６０４は、電力およびデータの通信のためにバッテリーユニット６０４の平らな側に取り付けられた１若しくはそれ以上のカップリングアセンブリ６０５を有する。環境インターフェース６０６が交換用バッテリーユニット６０４の両端（ワイヤレスカップリングアセンブリが占有していないところ）に取り付けられている。

【0050】

バッテリーユニットソケットアレイ６０２は、バッテリーユニットソケットへの簡単なアクセスを可能にする。この例では、バッテリーユニットソケットアレイ６０２は二次アクセス６０７を備えている。６０８で交換用バッテリーユニット６０４を挿入することにより、以前に取り付けられ、消耗していると推定されるバッテリーユニットが、二次アクセス６０７を介して６０９でバッテリーソケットから押し出されれる。この例における前記環境インターフェースは、周囲の空気冷却またはバッテリーユニットソケットアレイ６０２のハッチの接続に依存する。

【0051】

図７
図７は、ハンドリング用に構成された非接触型バッテリーユニットのサンプル構成を示す。図７は、密閉された非接触型バッテリーユニット１０１のカスタマイズの可能性を示す。この例では、バッテリーユニット１０１は、バッテリーユニット１０１の本体にビア７０１および７０２を備えており、これにより、軽量に変更された従来のハンドリング装置（例えば、フォークリフトなど）による運搬および設置が可能になる。バッテリーユニットの質量中心を通るビア７０１および７０２の平行管状構造により、傾いたり転がったりすることなくソケットに挿入するための位置決めが可能になる。

【0052】

一度設置されると、バッテリーユニットを通るビアも再利用でき、追加の伝導冷却を提供し、設置されている他の環境制御インターフェース１０９を補強する。

【0053】

図８
図８は、サンプル構成における使用モデルに対するバッテリー寿命の例をグラフ化して示す。バッテリー品質モデルの具体例を図８に示す。ｘ軸８０３は時間を表し、ｙ軸８０１は詳細な多変量バッテリー品質モデルとの相関関係から決定されたバッテリー品質８０２を示す。バッテリーの品質を決定する変数をグラフ形式で表すため、簡略化された線形バッテリー寿命モデルが示されている。特定の設計の交換可能な密閉されたバッテリーユニットが価値を失う値を示す品質閾値８１１が示されている。その他の閾値があってもよく、例えば、バッテリーの品質が車両ベースの用途に適さなくなる場合などである。図示の例は全て時間経過に対し線形の関係を示しているが、より正確なモデルでは、時間経過に伴う容量変動への影響をより良く一致させるために、時間経過に対し異なる線形セグメント（すなわち、傾きの変化）を含むことができる。

【0054】

バッテリー品質を推定する最も単純な例は、充電され保管されているバッテリーユニットの場合について示されている。ここで、保管施設の温度が品質の主な決定要因であり、より低温の施設では、より高温で保管されたバッテリーユニットの品質推定値８０５よりも高い品質推定値８０４が得られる。

【0055】

通常の動作プロファイル（急速充電（過電圧）や深放電のない通常の定期的な充電）の簡略化されたモデルの場合、推定値８０６は充電状態８０％から充電状態２０％への放電サイクルの結果、高い品質を示し、一方で推定値８０７は充電状態９０％から充電状態１０％への放電サイクルによる相対的影響を示す。

【0056】

壊滅的な事象が品質モデル８１０に与える影響を示す。このモデルでは、事象（例えば、内部短絡、内部開回路、内部冷却剤の減圧、高加速（衝撃）など）によってバッテリーユニットが損傷し、品質が即座に低下するまで、バッテリーの品質は時間経過とともに直線的に低下する。

【0057】

急速充電および／または深刻な消耗の影響を示す品質モデルをモデル８０８および８０９で示す。モデル８０８を生じるバッテリーユニットは、定期的に深く（例えば、現在の充電容量の２％未満まで）駆動され、その後、一晩充電される。モデル８０９を生じるバッテリーユニットは、定期的に深く例えば、現在の充電容量の２％未満まで）駆動され、その後、急速充電器を用いて充電される。相対的な品質レベルは、バッテリーアレイに対する深刻な消耗と急速充電の影響の両方を示す。

【0058】

バッテリーの熱管理
バッテリーユニット１０１は、密閉された外部ケース１０２に結合された内部熱管理システムを支持する。密閉された外部ケース１０２は、当該密閉されたバッテリーケース１０２を貫通することなく、冷却または加熱を供給する車両６０１または充電ステーション３０１の要素と接触することができる。バッテリーユニット１０１はまた、内部バッテリーアレイを予熱する内部電気加熱システムを有していてもよい。

【0059】

センサと履歴
バッテリーユニット１０１の密閉された恒久的性質は、バッテリー使用の履歴プロファイルを生成するのに使用される電圧、電流、温度、および運動加速度計のための恒久的な内部センサの配置を可能にする。温度、電圧レベル、電流レベル、および３軸加速度に関する情報を個々のセルレベルまで生成し、保持することができる。この履歴プロファイルにより、バッテリーユニット１０１の将来の機能に関する予測が可能になる。これらの予測により、中古車の走行距離（オドメーターの読み取り値）と同様に、バッテリーの二次市場に対する評価を策定することができる。

【0060】

ワイヤレス接続を有する恒久的に密閉された非接触型バッテリーユニット１０１は、バッテリーアレイおよび密閉された区画に恒久的に組み込まれた計測機器（電圧、電流、内部および外部温度、加速度）を有することによって、保管、充電および放電事象の耐用期間にわたる履歴を保持する。

【0061】

バッテリーユニット１０１ごとに過去の使用プロファイル（充電、放電、電圧、温度、保管、加速度）を作成してもよい。乱暴な取り扱いを検知する加速荷重も考えられる。この耐用期間プロファイルにより、バッテリーユニットの品質測定を定式化することができる。また、（中古車の走行距離計と同様の）品質に関する「一目でわかる」単一の数値の作成も含む、全履歴が利用可能になる。

【0062】

バッテリーユニットのセンサによって取得され、バッテリーバックコントローラによって保存された記録情報を用いて、一度充電された、未使用の、保存されていない、未放電のバッテリーモデルとの相関関係を作成することができる。完璧な充電履歴を有する（例えば、新しく製造され、すぐに使用できる状態の）バッテリーは、１Ｄａｇａ（ダガ、注：新しい測定単位）の相関関係がある。バッテリーユニットが時間経過に伴い反復使用されるにつれ、価値は減少し、ユーザ／所有者にバッテリー寿命の推定値と、２次および３次ライフ市場への価値が提供される。例えば、定格が６００ミリダガス（ｍｄ）のバッテリーは、フリート使用施設から（グリッド増強などの）２次ライフ用途に移される。車両使用における６００ｍｄ（または０．６００Ｄ）の閾値は一例であり、市場の要望、所有者の好み、規制要件によって変わり得る。

【0063】

明らかなように、バッテリーを損傷させる過充電、過熱、急速放電は前記モデルからの逸脱としてより低いＤａｇａスコアで考慮される。衝撃を測定する加速度計もＤａｇａスコアに寄与するであろう。ケースメント侵入検出も前記バッテリーユニットコントローラに対するサイバー攻撃の検出と同様にＤａｇａスコアの計算に貢献する。

【0064】

価値のある項目として、Ｄａｇａスコアはバッテリーユニット１０１内の安全なストレージに保管され、充電クレードルで充電するときにネットワーク（例えば、インターネットに接続されたサーバベースなどの）ストレージにアップロードすることができる。

【0065】

バッテリーユニットのセンサデータをアップロードできるため、使用プロファイルまたは使用プロファイルの更新は、推定やラボテストによるのではなく、配備されたバッテリーユニットの集団からのデータを集約することによって生成できる可能性がある。特定の再充電式バッテリー化学組成（例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄまたはＮｉ－Ｃａｄ）、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）、アルカリ（主に亜鉛（Ｚｎ）と二酸化マンガン（ＭｎＯ２）ベース）、ならびにリチウムイオン、リチウム硫黄、およびリチウムポリマー（例えば、リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト酸化物（ＮＭＣ）、リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム（ＮＣＡ）、リチウムリン酸鉄（ＬＦＰ）、およびリチウムチタン酸塩（ＬＴＯ）など）））、固体バッテリー、バッテリーアナログ（ウルトラキャパシタ、可逆燃料電池）の各々に対し、また、２以上の技術または化学組成が用いられるハイブリッドエネルギー貯蔵システムの各々に対し、異なる品質モデル対使用法が存在しうることに留意されたい。

【0066】

Ｄａｇａ品質メトリックはまた、バッテリーユニットの負荷試験の代わりにバッテリーユニットの健全性のスナップショットを生成するのに用いることもできる。

【0067】

通信と制御
磁気誘導通信（例えば、「静的および動的共鳴誘導ワイヤレス充電で使用するための近距離全二重データリンク"と題する米国特許第１０，１３５，４９６号および２０１９年９月１３日に出願された同じく「静的および動的共振誘導ワイヤレス充電で使用するための近距離全二重データリンク」と題する米国特許出願第１６／５７０，８０１号に詳述されている）は、バッテリーの状態、充電の状態、過去の充電、放電データを交換し、また、充電信号のクローズドループ制御を可能にする、安全で高度な通信を可能にする。これらの特許文献の説明は参照により本明細書に組み込まれる。

【0068】

短距離送受信機（例えば、ＲＦＩＤ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｚｉｇｂｅｅなど）をバッテリーユニットに追加することで、代替または補足的な通信手段を使用することも、特定の配置構成において、または顧客や規制上の要件を満たすために有用である。同理由で、バッテリーユニット１０１または放電クレードル２０２に追加すれば、セルラー無線などの長距離通信手段を用いることもできる。

【0069】

双方向使用
バッテリーのワイヤレス充電ユニットは双方向使用が可能で、バッテリーの充電と放電の両方をサポートする。ワイヤレス充電システムは、１若しくはそれ以上のワイヤレスカプラーで構成され、放電のために再利用することができる。任意選択的に、個別のワイヤレス誘導カップリングを用いて、それぞれ予想される電力伝送速度用にサイズ設定された状態で充電および放電を行ってもよい。

【0070】

図９
図９は、サンプル構成における双方向ワイヤレス電力伝送システムによる電力フロースルーおよび変換の例示的な高レベル機能図を示す。特定の構成要素は、本質的に双方向かつ対称的に動作し（例えば、オープンコア型変圧器としても知られている共振誘導回路など）、共有することができるが、順方向（充電）および逆方向（放電）の電力伝送経路は、分岐された単信回線アーキテクチャに依存することとなり、順方向（充電）および逆方向（放電）の使用シナリオごとに、電力伝送経路をアクティブ化し完了するための、スイッチ９０９、（不図示の）制御ロジック、および（不図示の）通信リンクが必要になる。

【0071】

順方向では、電力は名目上、電力系統９０１から供給される。電力は系統連系（ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）に応じて、単相交流（ＡＣ）、直流（ＤＣ）、または多相交流であってよい。電力系統９０１は高電圧送電線からの電圧を下げるのに必要な任意の変圧器を含む。この例では、力率が約１（単位）に調整されるように十分な静電容量が存在する単相ＡＣが電力系統９０１によって送達される。

【0072】

ＡＣ電力はＡＣ／ＤＣ９０２コンバータによってＤＣに変換されてもよい。この機能は、アクティブ（スイッチベース）またはパッシブ（ダイオードベース）整流器によって実現することができる。

【0073】

ＤＣ／ＡＣコンバータ９０３は入力ＤＣ電力を受け取り、それを高周波ＡＣ（この構成では名目上８５ｋＨｚ）正弦波信号に変換する。ＤＣ／ＡＣコンバータ９０３によるＤＣ／ＡＣ変換動作はインバータを用いて実行することができる。

【0074】

ＡＣ電力信号は、上記カップリング、一次コイルおよび二次コイルを有する共振空芯変圧器９０４に渡されてもよい。前記ＡＣ電力は一次側で磁束に変換され、二次側と誘導結合される。二次コイルは受けた磁束をＡＣ電力信号に変換する。

【0075】

前記ＡＣ電力信号はＡＣ／ＤＣコンバータ９０５に渡される。ＡＣ／ＤＣ変換機能は、アクティブ（スイッチベース）またはパッシブ（ダイオードベース）整流器によって実現することができる。

【0076】

結果として得られるＤＣ信号はエネルギー貯蔵デバイス９０６を充電するのに用いられ、名目上、再充電可能な化学電池であるが、コンデンサバンク、可逆燃料電池、固体バッテリー、または前述のハイブリッドの組み合わせのうちの１若しくはそれ以上とすることもできる。また、前記ＤＣ信号は電気機器に直接的に電力供給するのに使用することもできる。

【0077】

双方向であるため、エネルギー貯蔵デバイス９０６は貯蔵された電力を直流として逆伝送経路に出力することができる。前記ＤＣ電力はＤＣ／ＡＣインバータ９０７によって必要なＡＣ電力信号に変換される。

【0078】

このＡＣ電力信号は共振誘導回路９０４に入力される。この逆経路のシナリオでは、コイルの動作は順経路と逆になる。前記ＡＣ電力は、二次コイルと誘導結合されたオープンコア型変圧器９０４の一次コイルで磁束に変換される。二次コイルは受けた磁束をＡＣ電力信号に変換する。得られたＡＣ電力は、ＡＣ／ＡＣコンバータ９０８によって周波数が調整される。一構成において、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣコンバータがＡＣ／ＡＣコンバータ９０８として用いられ、ＡＣ／ＡＣ周波数調整操作はＡＣ／ＤＣ整流器を用いて実行され、その後、インバータ回路によって必要な周波数でＤＣからＡＣに変換される。この例における電力系統９０１は、ＡＣ電力を所望の電圧に変換するために必要な変圧器と、必要に応じて系統から供給される電力と接続するためのＡＣ／ＤＣ変換とを含む。

【0079】

図１０
図１０は、例示的構成に従って方法を実行し、処理機能を実装するための回路を示すブロック図である。例えば、図１０の処理回路を用いて、前記通信コントローラの暗号化処理機能、前記熱および電力管理機能、前記侵入検知機能、ならびに前記過去の使用プロファイルおよび品質モデルの管理を実装してもよい。種々の構成において全ての構成要素を用いる必要はない。

【0080】

図１０は、処理ユニット１００２と、メモリ１００４と、取り外し可能なストレージ１００６と、取り外し不可能なストレージ１００８とを含むことができるコンピュータ１０００の形態のコンピューティングデバイスの一例を示す。例示のコンピューティングデバイスはコンピュータ１０００として図示され説明されているが、前記コンピューティングデバイスは異なる構成において異なる形態になっていてもよい。例えば、コンピューティングデバイスは、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、または図１０に関して図示され説明されているものと同じまたは類似の要素を含むその他のコンピューティングデバイスであってもよい。スマートフォン、タブレット、およびスマートウォッチなどのデバイスは、一般的に総称してモバイルデバイスまたはユーザ装置といわれる。さらに、様々なデータストレージ要素がコンピュータ１０００の一部として示されているが、前記ストレージはまた、インターネットやサーバベースのストレージなど、ネットワーク経由でアクセス可能なクラウドベースのストレージを含んでもよい。

【0081】

メモリ１００４は、揮発性メモリ１０１０、および不揮発性メモリ１０１２を含み得る。コンピュータ１０００はまた、揮発性メモリ１０１０および不揮発性メモリ１０１２、取り外し可能なストレージ１００６および取り外し不可能なストレージ１００８などの様々なコンピュータ可読媒体を含んでもよく、またはそのようなものを含むコンピューティング環境にアクセス可能であってもよい。コンピュータのストレージは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、若しくはその他のメモリ技術、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、若しくはその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ、若しくはその他の磁気ストレージデバイス、またはコンピュータ可読命令を格納可能なその他の媒体を含む。

【0082】

コンピュータ１０００は、さらに、入力インターフェース１０１４、出力インターフェース１０１６、および通信インターフェース１０１８を含むコンピューティング環境を含んでもよく、またはそのようなものを含むコンピュータ環境にアクセスすることができる。出力インターフェース１０１６は、タッチスクリーンなどの表示デバイスを含んでもよく、それは入力デバイスとしても機能し得る。入力インターフェース１０１４は、タッチスクリーン、タッチパッド、マウス、キーボード、カメラ、１若しくはそれ以上のデバイス固有のボタン、コンピュータ１０００に統合されているか、またはコンピュータ１０００への有線または無線データ接続を介して結合されている１若しくはそれ以上のセンサ、およびその他の入力デバイスの１若しくはそれ以上を含んでもよい。

【0083】

コンピュータ１０００は、通信インターフェース１０１８を用いて１若しくはそれ以上のリモートコンピュータに接続し、ネットワーク環境で動作することもできる。前記リモートコンピュータは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、ピアデバイス、またはその他の一般的なネットワークスイッチなどを含んでもよい。通信インターフェース１０１８を介してアクセスされる前記通信接続は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、セルラー、Ｗｉ－Ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、Ｚｉｇｂｅｅ、またはその他のネットワークを含んでもよい。一構成において、コンピュータ１０００の様々な構成要素はシステムバス１０２０に接続される。

【0084】

コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ可読命令は、プログラム１０２２など、コンピュータ１０００の処理ユニット１００２によって実行可能である。いくつかの構成におけるプログラム１０２２は、処理ユニット１００２によって実行されると、本明細書に含まれる構成のいずれかに従って動作を実行するソフトウェアを有する。ストレージデバイスなどの非一時的コンピュータ可読媒体を含む物品の例としては、ハードドライブ、ＣＤ－ＲＯＭ、およびＲＡＭがある。コンピュータ可読媒体およびストレージデバイスという用語は、搬送波が一過性であると考えられる程度の搬送波は含まない。ストレージは、ストレージエリアネットワーク（ＳＡＮ）などのネットワークストレージも含むことができる。コンピュータプログラム１０２２を用いて、処理ユニット１００２に本明細書に記載の１若しくはそれ以上の方法または機能を実行させることができる。

【0085】

さらに、本開示の工程のいずれかまたは全てを参照して上述した処理および動作を容易にする１若しくはそれ以上のコンピュータ実行可能命令を含むソフトウェアは、本明細書に記載の１若しくはそれ以上のバッテリーユニットまたは放電ユニットにインストールされ、それらとともに販売され得ることを理解されたい。代替的に、前記ソフトウェアは、例えばソフトウェア作成者が所有するサーバから、またはソフトウェア作成者が所有していないが使用するサーバからなど、物理媒体または配布システムを通じてソフトウェアを取得することを含め、本開示に合う方法で取得され、１若しくはそれ以上のバッテリーユニットまたは放電ユニットにロードされてもよい。例えば、前記ソフトウェアはインターネット経由で配布するためにサーバに格納されてもよい。

【0086】

また、当業者であれば、本開示は、その適用において、上記説明に記載された、または図面に示された構成の詳細および構成要素の配置に限定されるものではないことを理解するであろう。本明細書の諸構成は、他の構成も可能であり、様々な方法で実施または実行することができる。また、本明細書で用いられている表現および用語は説明を目的とするものであり、限定的なものとみなされるべきではないことが理解されよう。本明細書における「含む」、「有する」、若しくは「備える」、およびそれらの変形は、その後に列挙される項目およびそれらの均等物、ならびに追加の項目を包含することを意味する。

【0087】

例示した構成において用いられている例示的なデバイス、システム、および方法の構成要素は、少なくとも部分的に、デジタル電子回路、アナログ電子回路、若しくはコンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせで実装され得る。これらの構成要素はまた、例えば、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、または複数のコンピュータなどのデータ処理装置によって実行されるか、あるいは前記動作を制御するために、情報キャリアまたは機械可読ストレージデバイスに有形に具体化されたコンピュータプログラム、プログラムコード、またはコンピュータ命令などのコンピュータプログラム製品として実装され得る。

【0088】

コンピュータプログラムは、コンパイル言語やインタープリタ言語を含む任意の形式のプログラミング言語で記述することができ、また、それは、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、若しくはコンピューティング環境での使用に適したその他のユニットとしてなど、任意の形式で配備され得る。コンピュータプログラムは、１台のコンピュータで、または、１つの拠点で、若しくは複数の拠点に分散され通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータで実行されるように配備され得る。また、本明細書に記載のシステムおよび方法を実現するための機能プログラム、コード、およびコードセグメントは、本開示に係る技術分野の熟練したプログラマには本開示の範囲内であると容易に解釈され得る。例示的な構成に関連付けられた方法の諸工程は、（例えば、入力データに対して動作し、出力を生成することにより）機能を実行するためのコンピュータプログラム、コード、または命令を実行する１若しくはそれ以上のプログラム可能なプロセッサによって実行されてもよい。方法の諸工程はまた、例えばＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）やＡＳＩＣなどの専用ロジック回路によって実行されてもよく、また装置が、そのような回路として実装されてもよい。

【0089】

本明細書に開示の構成に関連して説明される種々の例示的な論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはその他のプログラマブルロジックデバイス、個別のゲート若しくはトランジスタロジック、個別のハードウェア構成要素、あるいは本明細書に記載された機能を実行するように設計されたそれらの任意の組み合わせにより実装または実行されてよい。汎用プロセッサはマイクロプロセッサとすることができるが、代替的に、当該プロセッサは、従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシンであってもよい。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと組み合わせた１若しくはそれ以上のマイクロプロセッサ、またはその他の同様の構成として実装することもできる。

【0090】

コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは、例えば、汎用マイクロプロセッサと専用マイクロプロセッサの両方、および任意の種類のデジタルコンピュータの若しくはそれ以上のプロセッサを含む。一般的に、プロセッサは読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、またはその両方から命令およびデータを受け取る。コンピュータの前記要素は、命令を実行するプロセッサと、命令およびデータを格納する１若しくはそれ以上のメモリデバイスである。一般的に、コンピュータはまた、磁気ディスク、光磁気ディスク、または光ディスクなど、データを格納する１若しくはそれ以上の大容量ストレージデバイスからデータを受け取り若しくはデータを転送し、またはその両方を含む、あるいはそのように動作可能に結合されることとなる。コンピュータプログラム命令およびデータを具体化するのに適した情報キャリアは、あらゆる形式の不揮発性メモリを含み、これには、例えば、電気的にプログラム可能な読み取り専用メモリまたはＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能なＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリデバイス、およびデータストレージディスク（例えば、磁気ディスク、内部ハードディスク、またはリムーバブルディスク、磁気光ディスク、コンパクトディスクＲＯＭ（ＣＤ－ＲＯＭ）、またはデジタル多用途ディスクＲＯＭ（ＤＶＤ－ＲＯＭ）など）などの半導体メモリデバイスが含まれる。プロセッサおよびメモリは、専用ロジック回路によって補完され、または専用ロジック回路に組み込まれてよい。

【0091】

当業者であれば、情報および信号を様々な異なる技術および技法のいずれかを用いて示し得ることを理解する。例えば、上記の説明全体で参照され得るデータ、命令、指示（ｃｏｍｍａｎｄ）、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場若しくは磁性粒子、光場若しくは光粒子、またはそれらの任意の組み合わせによって表される場合がある。

【0092】

当業者であれば、さらに、本明細書に開示の構成に関連して説明される種々の例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズム工程が、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両方の組み合わせとして実装できることを理解できるであろう。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、種々の例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、および工程を、その機能の観点から一般的に上記で説明してきた。このような機能がハードウェアとして実装されるかソフトウェアとして実装されるかは、特定の用途およびシステム全体に課せられる設計上の制約による。熟練した技術者は特定の用途ごとに上述した機能を様々な方法で実装し得るが、そのような実装の決定は、本開示の範囲から逸脱するものと解釈されるべきではない。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、または当技術分野で知られているその他の形式の記憶媒体に格納され得る。サンプルの記憶媒体がプロセッサに結合され、それにより当該プロセッサが記憶媒体から情報を読み取ったり記憶媒体に情報を書き込んだりすることができる。代替的に、記録媒体はプロセッサに一体化されてもよい。すなわち、プロセッサと記憶媒体は集積回路内に存在してもよく、または個別の構成要素として実装されてもよい。

【0093】

本明細書において、「機械可読媒体」とは、命令およびデータを一時的または恒久的に格納可能なデバイスを意味し、これらに限定されないが、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、バッファメモリ、フラッシュメモリ、光媒体、磁気媒体、キャッシュメモリ、その他の種類のストレージ（例えば、ＥＥＰＲＯＭなど）、およびそれらの適切な組み合わせを含んでよい。「機械可読媒体」という用語には、プロセッサ命令を格納可能な単一の媒体または複数の媒体（例えば、集中型若しくは分散型データベース、または関連するキャッシュおよびサーバなど）が含まれるものとする。また、「機械可読媒体」という用語は、１若しくはそれ以上のプロセッサによって実行される命令を格納可能な任意の媒体、または複数の媒体の組み合わせも含まれるものとし、その命令が１若しくはそれ以上のプロセッサによって実行されると、１若しくはそれ以上のプロセッサが本明細書に記載の方法論の１若しくはそれ以上を実行するようになっている。したがって、「機械可読媒体」とは、単一のストレージ装置若しくはデバイスだけでなく、複数のストレージ装置若しくはデバイスを含む「クラウドベース」のストレージシステムまたはストレージネットワークもいう。本明細書で使用される「機械可読媒体」という用語は、信号そのものは含まない。

【0094】

代替構成
外部冷却／加熱供給
電力負荷、充電負荷、外部周囲温度、および／またはバッテリーの化学的性質に応じて、外部供給からの強制空気または液体冷却剤を使用するために、非接触型バッテリーユニットに環境カプラーを追加する必要がある場合がある。密閉ケースが伝導および対流手段による冷却のために接触面を提供し、一方で、バッテリーパックへの限定的なアクセスを可能にする接続ポートが必要とされてもよい。この設置タイプではバッテリーユニットの交換が複雑になるが、バッテリーユニットの内部冷却システムの分離は密閉されたバッテリーユニットの残りの部分へのアクセスを制限する。温度センサネットワークを備えた環境制御電子機器は、空気または液体バルブ接続ポートを介して冷却剤の出入りを可能にするように設計された非接触型バッテリーユニットに圧力センサを追加することで補完される。

【0095】

一部の配置では、加熱された強制空気または液体冷却剤の使用による非接触型バッテリーユニットの外部加熱が同様に装備され、監視される。

【0096】

燃料電池の使用
本明細書で説明する非接触型交換式バッテリーユニット１０１は、化学電池の代わりに燃料電池と共に用いることができる。オフボード燃料補給は、潜在的に危険な燃料や酸化剤について同様の保管および安全な補給を提供する。非接触な設計は同様に電気的接触をなくす。燃料および酸化剤の投入は必然的に密閉ケースを損なうこととなるが、補給のために開けられる。補充施設を使用拠点から離れたところに設置できるため、車両で用いられる際の運転手や乗客の保護が、または車両以外で用いられる際の近くにいる人々の保護が強化される。

【0097】

供給電圧
図１１
図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、および図１１Ｄは全て、種々のオプションを備えた非接触型バッテリーパックの高レベル構造を示す。

【0098】

図１１Ａは、非接触型バッテリーケース１１０１、バッテリーペイロード１１０２、ＷＰＴ誘導コイルアセンブリ１１０３、バッテリーパックコントローラ１１０４、誘導受信アンテナ１１０５、および誘導送信アンテナ１１０６を用いた最も単純な設計を示す。非接触型バッテリーケース１１０１は、内部の電子機器およびバッテリーを電気的に絶縁し保護する役割を果たす。この例において、バッテリーペイロード１１０２は、設定された電圧および電流能力を送達するように所定数の並列バンクに直列にセルを配置したものである。

【0099】

図１１Ｂは、第２のＷＰＴ誘導電力伝送コイル１１０８を通じて電流容量を共有できる非接触型交換式バッテリーの例を示す。この設計にはまた、第２の送信アンテナ１１０７と第２の受信アンテナ１１０９も含まれている。

【0100】

図１１Ｃは、送信アンテナ１１０６および１１０７と受信アンテナ１１０５および１１０９をそれぞれ備えた２つのコイルアセンブリ１１０３および１１０８を有する非接触型バッテリーパックの例を示す。この例では、バッテリーセルが直列に配線されてバンク１１１０、１１１１、１１１２、および１１１３が生成され、そして、それはスイッチングマトリックス回路１１１４を用いて直列または並列に結合され得る。

【0101】

図１１Ｄは、単一の誘導コイルアセンブリ１１０３を有する非接触型バッテリーパックの例を示し、当該単一の誘導コイルアセンブリ１１０３は、誘導受信アンテナ１１０５と送信アンテナ１１０６の１つのセットによる電力伝送に用いられる。バッテリーセルはバンク１１１０、１１１１、１１１２、および１１１３において直列に接続されており、当該バンクはスイッチマトリックス１１１４を用いて組み合わせることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１１５は、切り替えられたバッテリーバンクからの出力電圧レベルを調整することができる。

【0102】

バッテリーパック管理システム（ＢＰＭＳ）
図１２
図１２は、サービス対象の車両、建物、またはその他の電動機器のバッテリー管理システム１２０３と通信するバッテリーパック管理システム（ＢＰＭＳ）１２０２の制御下にある非接触型交換式バッテリーパックの設置１２０１の高レベルの図を示す。図１２の例では、設置１２０１は、５つの非接触型交換式バッテリーパック１２０４、１２０５、１２０６、および１２０８用のスロット（放電クレードル）を保持するバッテリーパックラックを有する。各スロットは電気バスと冷却接続を有するが、簡潔性のためにそれらは示されていない。各スロットには、非接触型交換式バッテリーパックの対応するアンテナと通信する誘導通信送受信アンテナが装備されている。誘導通信インターフェース１２０９を用いて、ＢＰＭＳ１２０２は、（存在する場合）各非接触型交換式バッテリーパック１２０４、１２０５、１２０６、１２０７、および１２０８と双方向に通信することができる。この例では、バッテリーパックスロット１２０７が空であるため、非アクティブな通信インターフェース１２１０が存在する。

【0103】

この例の構成では、ＢＰＭＳ１２０２は有線リンクを介してバッテリー管理システム１２０３と双方向に通信して充電操作を制御するが、無線リンクを用いることもできる。

【0104】

構成情報フロー
図１３
図１３は、非接触型交換式電力システムの主要なサブシステム間の情報のフローを示す。一部の構成において、これらの情報のフローは、コード付きまたはワイヤレスの充電システムのための既存の標準化されたメッセージング（例えば、ＩＳＯ１５１１８、ＳＡＥＪ２８４７など）に適合またはそれから拡張され得る。

【0105】

複数の非接触型交換式バッテリーパックの制御および調整には、従来のバッテリー管理システム（ＢＭＳ）１３０１に大幅な機能追加が必要となる。図１３の構成では、これらの追加機能および能力がバッテリーパック管理システム（ＢＰＭＳ）１３０２に集約され、当該バッテリーパック管理システム（ＢＰＭＳ）１３０２が車両のＢＭＳ１３０１と非接触型交換式バッテリー（ＣＳＢ）パックアレイ１３０３間の情報のフローを橋渡しすることが示されている。

【0106】

図１３の構成では、ＣＳＢアレイ１３０３は第１のＣＳＢ１３０４と第２のＣＳＢ１３０５とを含む。ＣＳＢアレイ１３０３は、意図される電力および持続時間を送達するのに十分なバッテリーパックを含むことができ、また、予期しない電力需要に対応したり、交換中（ホットスワップ）に電力レベルを維持したり、バックアップとしての、追加の予備ＣＳＢを含んでもよい。ＣＳＢアレイ１３０３のいくつかのスロットは空のままであってよい。

【0107】

定期的なバックグラウンドタスク１３０６として、ＣＳＢがアレイ１３０３に追加されるとき、または指示（コマンド）を受けて、ＢＰＭＳ１３０２は問い合わせメッセージング１３０６を開始し交換する。問いわせ中１３０６、ＢＰＭＳ１３０２は、第２のＣＳＢ１３０５への照会１３０７と第１のＣＳＢ１３０４への第２の照会１３０８を開始する。第１の照会１３０７は、第２の照会１３０８と同様であってもよく、ＩＤ要求、認証チャレンジ、および健全性、ステータス、および機能要求を含むことができる。これらの照会要求は、任意の順序で任意のときに起きてよい。警告（ＣＳＢ１３０４および１３０５またはＣＳＢアレイ１３０３がＢＰＭＳ１３０２要求なしでステータスを更新する場合）、ハートビート、および時間同期メッセージは示さていない。

【0108】

問い合わせを受けたＣＳＢ１３０４または１３０５は、１３１２で格納された値、計算された値（例えば、暗号化チャレンジ応答など）を用いて応答してもよく、または組み込みテストを開始して、ＣＳＢアレイ１３０３の第１のＣＳＢ１３０４および第２のＣＳＢ１３０５のバッテリーセルの健全性およびパフォーマンス能力を判定してもよい。応答１３１０および１３１１は任意の順序で起きてよい。

【0109】

ＢＭＳ１３０１が１３１３で電力（すなわち、電圧と電流）レベルの送達を要求すると、その情報はＢＰＭＳ１３０２に渡され、ＢＰＭＳ１３０２は１３１４および１３１５でＣＳＢアレイ１３０３にある個々のＣＳＢ１３０４および１３０５に指示を出して、指示された電力レベルのそれらの部分を送達するように構成（または再構成）する。電力レベルが設定されると、各ＣＳＢ１３０４および１３０５は１３１６および１３１７で応答することとなる。ＢＰＭＳ１３０２は、全ての応答１３１６および１３１７を収集し、電力が利用可能になったときに元の電力要求１３１３に対する応答１３１８を用いてＢＭＳ１３０１に信号を送る。応答１３１８はまた、充電状態（ＳｏＣ）、実行時間の推定値、または電力容量（例えば、キロワット／時）の推定値を含んでもよい。

【0110】

サポートされる例示的なシナリオ
シナリオ１：初期化、容量、使用、およびドレイン補償
例示的なシナリオにおいて、１つのＣＳＢが１００個のリチウムイオンセルを含み、セルあたり２０００ミリアンペア時である。リチウムイオンセルは、セルあたり４．２ボルトからカットオフ時の３．０ボルトまでの範囲になり得る。この例では１０個のＣＳＢが装備されている。

【0111】

バッテリーパック管理コントローラ（ＢＰＭＣ）は、１００ボルト、１０アンペアの要求を受ける。ＢＰＭＳの制御下で、個々のＣＳＢスイッチマトリックス（例えば、図１１Ｃおよび図１１Ｄのスイッチマトリックス１１１４など）は、ＣＳＢ内の直列および並列セルバンクの直列／並列関係を再構成することができる。この例では、ＢＰＭＳは個々のＣＳＢをポーリングして、構成内の充電状態（ＳｏＣ）を検出する。バッテリーセルの経過年数と温度も考慮される。

【0112】

セルあたり３．５ボルトのＳｏＣを用い、そのＣＳＢは出力電圧１０．５ボルト用に３個のバンクに３３個の並列バンクを有するように配置される。各並列セルバンクは６アンペア時を供給することができる。１０アンペアでは、各バンクは３０３ミリアンペアを供給しなければならない。各ＣＳＢのＤＣ／ＤＣコンバータを用いて出力電圧を１０ボルトに平準化してもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータの効率は８０％と想定されるため、予想される電流消費量は１２Ａ、すなわちバンクあたり３６３ミリアンペアと予想される。

【0113】

共振時の１：１オープンコア型変圧器の効率は９５％と想定され、必要な電流は１２．６アンペアに増加する。この効率はインバータと整流段を含む。１０個の独立したＣＳＢが電流を供給するため、各ＣＳＢからは１．２６Ａを供給する必要があることとなる。各ＣＳＢがそれぞれ３つのセルの３３バンクを有する場合、バンクごとに３８２ミリアンペアが必要になることとなる。この計算を用いると、ＢＰＭＣは５時間の電力が利用可能であると報告することができる。

【0114】

動作が継続するにつれ、各セルから供給される電圧は低下する。ＤＣ／ＤＣ変換はそのＣＳＢ出力を１０ボルトに戻すように調整されることとなる。

【0115】

代替的に、２０１７年９月５日に発行された共同所有の米国特許第９，７５４，７１７号に記載されているように、ＷＰＴシステムは、リアクタンスジェネレータを用いて必要な電圧調整を提供して、生成された磁気波の振幅を、したがって出力電力を調整することができる。
シナリオ２：バッテリーパックの故障。

【0116】

バッテリーパックが故障した場合、直ちに交換する必要がある。マルチパック環境では、追加の残りのパックが低電流ではあるものの任意選択的に均一な電圧（Ｖｏｕｔ）を提供してもよい。例えば、３パックのシステムにおいて１つのパックに重大な故障が生じたとする。１つの選択では、残りの２つのパックがＶｏｕｔを供給し続け、それぞれの誘導リンクを介して負荷に総電流の２／３を供給する。故障したバッテリーパックは、無効化された誘導電力リンクによって電気的に絶縁される。

【0117】

代替的に、電流レベルと電圧レベルの両方を維持する必要がある場合、残りのバッテリーパックはバッテリーパック間の通信を用いて出力をブーストし、出力を調整して総出力電力を維持することができる。ここで、熱による損傷や（例えば、過剰な電流の引き込みや熱の影響による）バッテリー寿命の消耗などの副作用を防ぐために、追加の制限が存在してもよい。これらの制限に従うための閾値およびルールがバッテリーパック管理コントローラ（ＢＰＭＣ）１３０２によって保持される。

【0118】

シナリオ３：１つのバッテリーパック内のバッテリーセルの故障
このシナリオでは、バッテリーパック内の故障したバッテリーセルが正常に分離されることとし、さもなくばシナリオ２が適用される。この場合、バッテリーパックのＤＣ／ＤＣコンバータは、同じ電圧を誘導コイルに送り続けるように再構成され、それにより、バッテリーパックが、（マルチパックシステム内の）その同等のパックまたは必要な電力負荷に合わせて電力を供給し続けることができる。

【0119】

その後、バッテリーパックはデポで交換することができる。それは修理または廃止されてもよい。代替的に、バッテリーパックの定格を下げ、再充電し、低容量または低電圧用途向けに提供することができる。そのディレーティングには、充電電圧、充電電流、またはその両方に制限を設けた、より遅い再充電速度が含まれ得る。

【0120】

シナリオ４：中期容量低下
バッテリーパックの経年劣化に伴い、容量は減少するが、その容量は、動作温度における完全充電から閾値（完全充電レベルと閾値レベルは共にバッテリーの化学的性質によって変わる）までの放電電圧降下によって測定することができる。バッテリーパックの充電および放電履歴（それは、バッテリーセルの温度、充電電圧、放電電流、およびバッテリーパックおよび各セルの製造以来の経過年数などのパラメータを有する過去の全ての充電および放電事象を含む）は既知であり、管理センターでの充電セッション中に受け取った以前のアップロードから集約された情報として各バッテリーパックの永続メモリに格納される。

【0121】

充電セッションごとに、経年劣化したバッテリーパックのＤａｇａスコアが閾値と比較される。Ｄａｇａスコアが第１の閾値を下回る場合、そのバッテリーパックの定格を下げ、低容量または低電圧用途向けに提供することができる。そのディレーティングは再充電率の上限を含んでもよい。Ｄａｇａスコアが第２の閾値を下回る場合、そのバッテリーパックは安全上の理由から廃止される。

【0122】

ディレーティング閾値に達するまで、そのバッテリーパックは、バッテリーセルの再構成、ＤＣ／ＤＣ変換、および／または調整可能なリアクタンスを含む内部機構を用いて、セル電圧の低下を補正する。

【0123】

シナリオ５：バッテリーの充電切れ
通常の使用では、セルの電子蓄えが枯渇するにつれて、バッテリーセルの出力電圧が低下することとなる。例えば、例示的なリチウムバッテリーセルの出力電圧は、バッテリーパック管理コントローラ（ＢＰＭＣ）１３０２によってオフラインになる前に、完全に充電された状態の最大の電圧４．２ボルトから底の３．０ボルトまで低下する。非接触型交換式バッテリーパックを用いて、使用期間中、またはセルあたり３．０ボルトの電圧安全底に達する前に、出力電圧を安定した３．５ボルトに制御することができる。

【0124】

フルフィルメントのための物流チェーン
図１４
図１４は、非接触型交換式バッテリーユニットの配送システムにおける、輸送、製造、倉庫保管、事前配置、保管、充電、交換、および補充のための例示的な配布ネットワークを示す。生産１４０１により、新しい非接触型交換式バッテリーパックを市場に投入することができる。生産１４０１はまた、既存の非接触型交換式バッテリーパックを改修および修理して、市場に戻すことを含んでもよい。充電されていないバッテリーパックは、充電設備１４０２に出荷されてもよく、その場合、それらは充電された状態または未充電の状態で倉庫１４０３に保管され、あるいは充電されていない状態で充電機能付き倉庫１４０４に移動されてバッテリーパックを使用できるように準備されてもよい。生産１４０１は単一の施設または複数の施設であってよい。

【0125】

充電設備１４０２は、非接触型交換式バッテリーパックの充電を可能にする。充電設備１４０２は、生産拠点、倉庫内、輸送デポ内、または電力が安価かつ／または豊富な拠点に配置することができる。代替的に、充電設備１４０２は、十分な電力が利用可能であり、電気料金と輸送料金の総計が低くなる場所に配置されてもよい。特定の発電（風力発電所、水力発電など）に関連する充電設備１４０２は、バッテリーパックに電気負荷元をラベル付けすることができる。

【0126】

倉庫保管１４０３を用いて、充電された、未充電の、または部分的に充電されたバッテリーパックを保管することができる。充電設備１４０４を有する電力倉庫を用いて、充電レベルを監視し、定期的にまたはリリース直前に一杯に充電することで、バッテリーパックを配備可能な状態に保つことができる。

【0127】

配布ネットワーク１４０５内の地理的に離れている拠点間での新品および再生品のバッテリーパックの輸送は、配送ネットワーク１４０６を介して行われる。配布ネットワーク１４０５および配送ネットワーク１４０６は、サービスネットワーク１４０８の使用中セグメント１４０７と共存し、当該使用中セグメント１４０７を供給する。サービスネットワーク１４０８は、充電、保管、テスト、および積載機能のためのデポを含む。使用中セグメント１４０７は、車両、工場、病院、オフグリッド施設、およびその他のバッテリー駆動施設に現在設置されているバッテリーパックを含む。

【0128】

フルデポ１４０９では、バッテリーパックを保管し、充電し、また、ハンドリング設備を用いて消耗したパックを新しいパックと交換することができる。いくつかの場合、フルデポはロボットハンドリング設備を用いて完全に自動化されてもよい。各フルデポ１４０９には、有線／無線ネットワーク相互接続を備えた管理ユニット（ＭＵ）が期待される。フルデポ１４０９はどこにでも設置できるが、十分な電力が利用できる交通結節点の近くに設置することが望ましい。

【0129】

交換デポ１４０５は、消耗したバッテリーパックの交換ポイントとして機能する。倉庫保管ならびに積み込および積み下ろし設備は交換デポ１４０５で利用可能である。交換デポ１４０５は、充電されたバッテリーパックの輸送（例えば、はしけ、鉄道、または道路経由）と、消耗したバッテリーパックのバックホーリングによって、ローカル倉庫の補充を行う。

【0130】

再充電ステーション１４０７は、消耗したバッテリーパックを取り外して交換することなく、バッテリーパックをその場で再充電可能にする。充電ステーションはフルデポ１４０９と同じ場所に設置されてもよい。専用のモバイル若しくはポータブル充電クレードルにより非接触充電が可能になる。

【0131】

配布、計画、再充電のためのシステム
管理ユニット（ＭＵ）は、専用の資産管理システム（ＡＳＭ）、例えば、（シリアル番号資産の追跡だけでなく、ＣＳＢの現在の場所および使用状況、また、充電状態、およびバッテリーパックの健全性などを含む）非接触型交換式バッテリー（ＣＳＢ）システムの多元的態様に合わせてカスタマイズされたＩＢＭＭａｘｉｍｏ企業管理システムをベースに、セキュリティ、マルチパーティアクセス制御、冗長データベース、および地理情報システム（ＧＩＳ）が追加されているものなどである。

【0132】

前記ＭＵは、処理およびストレージの需要に合わせてサイズ調整された汎用の高可用性コンピューティングプラットフォームをベースに、ホスト型（クラウドベース）システムとして、またはオンプレミスのハードウェアおよびソフトウェアシステムとして提供され得る。前記ＭＵは、非接触型交換式バッテリーパックの個別（またはグループ）の倉庫保管、輸送管理、および過去、現在、および計画されている場所への出荷のための物流管理および制御機能を提供するのに用いることができる。前記ＭＵは、バッテリーパックのモデル番号およびシリアル番号、現在の充電状態、電力貯蔵および供給能力の定格、使用可能な冷却設定、電圧および電流の能力、使用年数、推定耐用年数などのバッテリーパック情報を格納および分析するためのプラットフォームを提供する。

【0133】

前記ＭＵはまた、待機時間、使用率、使用中インジケータ、充電電力レベル、物理的サイズ、および冷却配置などの充電器情報を含む。ＭＵはまた、充電器ごとに電力源を含んでもよく、例えば、顧客が全ての電力を再生可能または「カーボンニュートラル」な電源から取得することを希望する場合、バッテリーパックはそのように充電され、ＭＵと内部メモリの両方にラベル付けされる。

【0134】

前記ＭＵは、倉庫またはデポレベルで配置することができ、あるいは管理センター内の地域、国内、または大陸エリアに供するように配備されてもよい。ＭＵは、分散クラスタで、または階層式に構成して、広範囲の地理的サービスエリアまたは使用頻度の高いサービスエリアをカバーすることができる。

【0135】

前記ＭＵまたはＭＵクラスタは、さらに、機械学習技術を用いるプログラム可能なエキスパートシステムを含んでもよい。エキスパートシステムは、事前配置、バッテリーパック配布の最適化、日次、月次、季節、または年次の傾向、在庫切れの予測、在庫切れの警告、在庫切れのリダイレクト修正、電気料金と輸送裁定、契約された配送レベル、利用可能な充電リソース（例えば、デポまたは地理的エリア内の充電クレードルの数、倉庫にある部分的に充電されたユニットの可用性、到着時間予測による出荷可能なユニットなど）に基づく充電時間に対する部分充電の評価に用いられてもよい。

【0136】

バッテリーサービスの顧客は、ＭＵに接続して在庫を確認し、意図されるルート沿いのバッテリーパックの予約を行うことができる。ＭＵが提供するこのサービスは完全自動運転車両でも利用することができる。

【0137】

指定された管理ユニットがデータネットワークを介して、暗号化、認証、およびアクセス制御のためのソースおよび変更管理を提供する。前記指定されたＭＵは、その監視下にあるバッテリーパックからのテレメトリおよび警告データを、通信機能を備えた充電クレードル、放電クレードル、再充電ステーションから、または長距離通信機能（例えば、商用セルラー無線ネットワーク経由など）が備わっている場合はバッテリーパック自体から、収集する。

【0138】

前記ＭＵはまた、バッテリーパック診断の制御アクセスポイントであり、バッテリーパックまたは充電クレードルの警告の収集、表示、および記録を実行する。前記ＭＵを用いて、会計ロジック、輸送コスト、および価格設定コストを追加して電力分配を制御してもよい。電気料金、輸送コスト、バッテリーパックの在庫、（契約サービスレベルおよび予約を含む）傾向データを用いて、前記ＭＵは、バッテリー在庫の充電、輸送、再配置の動作を制御および分析して地域または地方の電気料金を活用する。

【0139】

図１５
図１５は、バッテリー交換ネットワーク内の物理的資産および情報資産を監視および制御する例示的なネットワークを示す。具体的には、図１５は、非接触型交換式バッテリー関連（例えば、バッテリーユニット、充電器など）の物理資産、バッテリー関連データ、およびバッテリー生成テレメトリデータの指示ならびに制御のための階層アーキテクチャを用いた充電および交換ネットワークを示す。

【0140】

図１５に示すように、管理センター１５０１は、例示の目的で異なるハードウェアプラットフォーム上に実装されたＭＵソフトウェアを含む。実際のＭＵデータストレージおよびソフトウェアは、分散クラウドネットワークまたは冗長コンピューティングハードウェアシステム上で実行することができる。管理センター１５０１は、各所有者または各生産センターにより実装されてもよく、また、それは、単一拠点での稼働として実装されても、複数の冗長拠点に分散して実装されてもよい。

【0141】

管理センター１５０１では、スタッフ１５０２がコンソール１５０３を介して情報の流れを管理する。この構成では、全ての情報の格納がデータベース１５０４によって行われる。この非接触型交換式バッテリーパック用データベース１５０４は、ユーザ、所有者、現在または最後に知られている地理的位置、現在または最後に知られている充電状態、バッテリーパックの健全性、および暗号化キーに関する区分された情報を含む。請求は、管理センター１５０１によって行われてもよく、または在庫を管理する管理センター１５０１に迅速に報告してローカルで行われてもよい。データベース１５０４はまた、全ての充電器、発電施設、および倉庫管理デポの地理的位置、ならびに一般的な地理マッピング情報および輸送ネットワーク情報を含む。この構成では、管理センター１５０１は安全な内部ローカル・エリア・データ・ネットワーク１５０５を用いて、ユーザ、バッテリーパック、および所有者の情報を保護する。

【0142】

テレメトリサーバ１５０６は、データベース１５０４に格納されているバッテリーパックの使用状況および健全性に関する情報を処理する。使用状況および健全性に関する情報は、バッテリーパック上およびバッテリーパック内のセンサによって生成され、通常はバッテリーパックの充電時にテレメトリとして報告され、データ接続がバッテリーパックの充電器／充電クレードルを通じて実行される。各充電器の位置、状態、使用状況、および暗号化ＩＤも、テレメトリサーバ１５０６を介してデータベース１５０４にアップロードされる。

【0143】

セキュリティサーバ１５０７は、管理センター１５０１の制御下にある各バッテリーパックおよびバッテリー充電器を保護および認証するために必要な暗号化キーを生成し維持する。

【0144】

在庫サーバ１５０８は、管理センター１５０１の管理下にある使用中および倉庫保管中の全てのバッテリーパックを追跡するだけでなく、ユーザによる予約や需要の予測も可能にする。この予測は、個々のユーザ向けにバッテリーユニットを事前配置するのに用いることができるだけでなく、バッテリーパックの観点とユーザまたはユーザグループの観点から、季節的な、カレンダーでの、または時間帯でのバッテリーユニットの交換および使用状況に基づく傾向を判定することもできる。在庫サーバ１５０８は地理情報サーバ（ＧＩＳ）を含み、当該地理情報サーバ（ＧＩＳ）は、データベース１５０４に地理空間データとして格納されているように在庫に関連する地理データを、格納、視覚化、分析、解釈するのに用いられる。

【0145】

この例では、有線データリンク１５０９が、パケットデータネットワーク１５１０（例えば、インターネットなど）を用い、暗号化された仮想プライベートネットワーク（ＶＰＮ）を介して管理センター１５０１と他の全ての拠点間のデータ相互接続を提供する。

【0146】

接続された拠点１５１４は、ローカルセキュアＬＡＮ１５１５を含んでもよい。接続された拠点１５１４は、名目上、ローカル在庫サーバ１５１６を収容することとなり、また、ローカルの照会およびデータ入力のためのオペレータ端末１５１７と、ローカル（格納および転送）テレメトリサーバ１５１８とを含んでもよい。

【0147】

パケットデータネットワーク１５１０から（およびセキュリティのためにＶＰＮトンネリングを用いて）、有線データリンク１５１１を用いて、広域無線地上通信ネットワーク１５１２（例えば、セルラーネットワークなど）にアクセスしてもよい。

【0148】

また、パブリック・データ・スイッチング・ネットワークまたはプライベート・データ・スイッチング・ネットワーク（例えば、インターネットなど）１５１０へのデータ相互接続１５１３を用いて、接続されたＭＵ拠点１５１４は、デポ、倉庫、修理施設、または交換拠点に備えられてもよい。これらの接続されたＭＵ拠点１５１４では、ローカル在庫サーバ１５１６およびローカルテレメトリサーバ１５１８の両方が、ローカル有線接続１５１３上の安全な（ＶＰＮ）データチャネルを介して管理センター１５０１と情報を交換してもよい。安全なローカルネットワーク１５１５を用いるオペレータ端末１５１７の作業者は、内部リソースおよび外部管理センター１５０１の両方と通信してもよい。安全なローカルエリアネットワーク１５１５はまた、必要に応じて、ローカルの関連する充電器または保管施設へのデータアクセスを提供するのに用いられてもよい。

【0149】

遠隔拠点１５１９を十分な有線データ機能がない施設に設置することができる。このような環境では、長距離無線接続１５２０（例えば、ポイントツーポイントのマイクロ波や公衆（またはプライベート）セルラーデータネットワークなどの無線システム）が、安全な内部ネットワーク１５２１を介して、ローカル管理システム１５２２と（この例では）在庫およびテレメトリの統合されたサーバ１５２３への接続とを提供する。ローカル無線ＬＡＮ１５２４は、安全なローカルネットワーク１５２１と、遠隔拠点１５１９の貯蔵庫に保持されている（不図示の）取り外されたバッテリーパックとの間のローカル接続を提供する。

【0150】

このような遠隔拠点１５１９の一例としては、充電電力が利用できない（または不十分な、または高価な）交換専用デポがあり、そのため、その場所には充電クレードルが備えられていない。

【0151】

バッテリーパックの供給準備の整った在庫、倉庫保管されている消耗したバッテリーパック、および再充電された若しくは新品のバッテリーパックの遠隔拠点１５１９への到着時間に関する在庫情報が、ローカル在庫サーバ１５２２によって管理される。

【0152】

安全な無線ローカルエリアネットワーク１５２５が、ローカルの在庫若しくはステータス情報を要求するモバイルデバイス１５３５への接続に用いられてもよい。

【0153】

さらに、無線リモート管理端末１５２６が、安全な有線接続１５２８および無線メッセージング１５３０を介して、また、衛星地上局１５２７および軌道衛星１５２９を介して、管理センター１５０１に接続してもよい。許可レベルに応じて、これらのリモート管理端末１５２６は、再充電サービスを要求したり、許可された拠点の在庫レベルを要求したり、バッテリーパックを予約および事前供給したりしてもよい。

【0154】

また、リモート管理端末１５２６を用いて、管理センターのデータベース１５０４およびＧＩＳ機能を介してネットワーク内の任意のバッテリーパックまたは充電器の場所を判定してもよい。

【0155】

大陸または地球規模の衛星ディッシュネットワーク１５２７と通信するルート上の端末およびモバイル端末をサポートするために、セキュリティ保護された有線接続１５２８が提供される。衛星群１５２９を備えた大陸または地球規模の衛星ディッシュネットワーク１５２７との有線データリンク接続１５２８を用いると、無線メッセージング１５３０を用いて、トラックのモバイルデータ端末１５３１、衛星アップリンクモバイル１５３２、データタブレット１５３３、および衛星ラジオ搭載コンピュータ１５３４などを含む様々なデバイスに接続することができる。有線管理端末１５２６と同様に、これらのデバイスは（権限レベルに応じて）サービスおよびバッテリーパックのステータスを要求することができる。

【0156】

結論
当業者であれば、本明細書に含まれる開示は車両への電力供給に関するものであるが、これは多くの可能な用途のうちの１つにすぎず、車両以外の用途を含むその他の構成も可能であることを理解するであろう。例えば、当業者であれば、歯ブラシ、携帯電話、その他のデバイスの充電に使用されるもの（例えば、ＰｏｗｅｒＭａｔ（登録商標））などのコンシューマ向けポータブル電子機器の充電器など、車両以外の誘導充電用途にバッテリーを提供する多くの用途があることを理解するであろう。大容量でありながら携帯性があり、非接触型で交換可能なバッテリーパックは、例えば鉄道で、重要な電力サービスを提供するために自然災害や人為的災害に見舞われた地域に移動させることができる。したがって、これらおよびその他のそのような用途は、以下の特許請求の範囲内に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【手続補正書】

【提出日】2024-10-24

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0006】

リチウムイオン（Ｌｉ－ｉｏｎ）バッテリーは（様々な構成および化学において）エネルギー貯蔵におけるその価値が認められ、そのバッテリーの発明者等は２０１９年のノーベル化学賞を受賞している。しかしながら、リチウムイオンバッテリーを含むバッテリーの使用は、それらの架空のものとは異なり、大規模な電力供給の用途において依然として問題が残っている。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 国際公開第２０２１／０８７３３２号
（特許文献２） 米国特許第５，３４９，６６８号明細書
（特許文献３） 米国特許出願公開第２０１７／０１７０６７１号明細書
（特許文献４） 米国特許出願公開第２０２１／００９１４３６号明細書
（特許文献５） 米国特許出願公開第２０２１／０３１６６３３号明細書
（特許文献６） 国際公開第２０２０／０８９９３５号

【国際調査報告】