(57)【要約】      （修正有）【課題】大量生産される汎用金属イオンバッテリーを使用して、必要な高電圧と大容量を有する集積してなるバッテリーモジュールであって、最小容積で必要な衝撃に耐え、十分に放熱可能で、バッテリー固定と結線、結束が得られ、自在に簡単にバッテリー単体の交換ができる、バッテリーモジュールを提供する。【解決手段】金属イオン電池パックのモジュール構造において、バッテリー２を収納する導電材料からなる片方が脱着可能な構造を有して、反対側が脱着操作を行うに利用するまわり止めなどの凹凸面を持ち、開放部に脱着固定のネジやフック機能を持ち、絶縁材料からなる開放部と接合するネジやフックが取り付く基盤１側に、バッテリーの２電極が固定と同時に接点接合機能を有したバッテリー取り付け構造を持ち、任意にバッテリーの取り換えが可能な構造で複数個のバッテリーを直列や並列結線を内装したバッテリーモジュール。【選択図】図１
2020092072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の通電接続点と複数のバッテリーを一体化する金属イオン電池パックのモジュール構造において、バッテリーを収納する導電材料からなる片方が脱着可能な構造を有して、反対側が脱着操作を行うに利用するまわり止めなどの凹凸面を持ち、開放部に脱着固定のネジやフック機能を持ち、絶縁材料からなる開放部と接合するネジやフックが取り付く基盤側に、バッテリーの2電極が固定と同時に接点接合機能を有したバッテリー取り付け構造を持ち、任意にバッテリーの取り換えが可能な構造を持ち、複数個のバッテリーを直列や並列結線を内装し、全体モジュールの保全のための温度センサーなどを付帯してなる個別バッテリー自在取り換え可能なモジュール。    
【請求項２】
同モジュール構造にあって、絶縁材料からなる基盤材料が片方面に平行にバッテリーケースが脱着可能で隣接取り付けし、構造体内に結線回路を有して少なくとも反対面または側面含む3面にはクッション機能と接着機能を持つモジュール固定を行い、脱着可能なバッテリーのモジュール構造。    
【請求項３】
同モジュール構造を持たない他のバッテリーモジュールにおいて、固有な出入力コネクタと脱着可能なケーシング、固有な電源制御ユニット、センサー制御回路など機能存続させて、バッテリーモジュール構造部を個別バッテリー取り換え自在のモジュール構造を持つ機能と交換してなる再生バッテリーパックモジュール。
【請求項４】
モジュールを構成する基盤材料とアルミケーシングキャップにあって、バッテリーの異常加熱、発火時の自己消火機能を持たせるために、使用樹脂には高温時に炭酸ガスなど消火ガスを発生して自己冷却する水酸化アルミニウムなど含有樹脂を使用し、ケーシング内にアルゴンガスやフッ素油など封入性の良好な不活性媒体を封入することで危険防止を施したモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
高エネルギー蓄電池を大容量利用する、移動が伴う電動自転車、電動工具、照明器具、掃除機、空調機器などバッテリーユニットのメンテナンスが容易に実施できるバッテリーパック構造に関する発明。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
実用新案登録第3123634：電動自転車用バッテリーカートリッジの修理再生
【０００３】
特許出願公開番号2014-197554：高効率操作ハイブリッド型電池パック
【背景技術】
【０００４】
直流電気の物理化学的な蓄電池は、より軽くて大容量化が進み、現在はリチウムイオンバッテリーが約0.4Wh/g、同ニッケルイオンが約0.3、同ニッケルカドミウムが約0.1、同マンガンが約0.05、鉛が約0.02と言われるまで、性能は10〜100倍進歩した。  
【０００５】
しかし、繰り返し充電・放電が可能な最も耐久性の良いのが鉛蓄電池で、性能の良いリチウムイオン電池などは、約500回以上で蓄電性能が著しく低下する。このためバッテリーは消耗品扱いの部材とみられ、大電流による瞬間充電が不可能な欠点を持つ。一方で、性能は大幅に進歩して、軽量大容量の蓄電池で走行する重量約1トンの乗用車は300km走行が可能となる蓄電池性能を持つに至り、約100kgの蓄電池に蓄えられる走行エネルギーは、石油燃料換算で30kgに相当、未来の最軽量高エネルギーの水素燃料電池の約3kgに相当する。
【０００６】
移動機器に使用するバッテリー性能は、関連して目的仕事を行う機能機器を伴う。例えばそれらを比較すると、何れもエネルギーの利用・貯蔵機器は、複雑で大きさと自重を持つ。石油燃焼エンジンでは約100kg以上、水素タンク・発電機器も同様に100kg以上の機器自重が伴う。すなわち、総合してリチウムイオンバッテリーは、特別な収納容器を持たず、直接的に出力機器を必要とせず高電圧の電力を出力できるため、利用価値が最大で急速普及に至った。
【０００７】
しかし、耐久性能はイオン交換原理から金属材料に負担が大きく、現在では消耗部材とされるのは避けられない。さらに、バッテリーは一様体の単体ではなく、ユニット構成する連結体からなるため、構成要素の1つのバッテリーが劣化すれば、全体機能がそぐわれる構造的な固有欠陥を持つ。
【０００８】
すなわち、バッテリーを形成する構造は、単一の機能を持つバッテリーを直列、並列接続することで目的の大容量、高電圧の構造体バッテリーとすることで、目的の大エネルギーを生み出す機能を作り出している。しかし、構成要素の個別バッテリーの劣化は必ずしも構造上から均一に電流が流れず、均一な劣化が生じない。しかし、取扱いを簡単にするため、個別バッテリーで取扱いせずに時には制御機器を伴った集合体バッテリーとして一体構成する単一体にして製造販売されている。本発明を必要とした環境は、連鎖接続構造の不均一で劣化するバッテリー個体を、継続的に不良個体が取り換えできるバッテリー集合体構造を可能にすることで、構成個体バッテリーを自在に取り換えることができる機能にある。
【０００９】
個別取り換え可能なバッテリーが可能となれば、構成部材が有効に使用できるため、資源の有効利用につながる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
個別バッテリーを連結・固定してなる従来のバッテリーモジュールは、ケーシング、コネクタ、制御基板とバッテリーを分離して、バッテリーの交換を容易にする機能に欠けているため、バッテリー交換には電源モジュール全体の交換または、バッテリー再生（交換）には接続ハンダや結束の解体が必要で、実際上バッテリー交換のコストＵＰから再生事業の普及の妨げとなっている。
【００１１】
一方、金属イオン電池は約500回の充電で機能ダウンが著しいと言われ、数年で交換（廃棄処分）が一般的である。しかし、コネクタからケーシング、制御基板など耐久性が少なくとも5〜10年ある機材が電池と同体構造から、廃棄される。さらに、個別体の集合構造となっている電池は、疲労する設置位置特性から、全電池の寿命全てを使うことが困難な一体、取り換え不能構造にある。
【００１２】
図1に示す本発明は、これらの基本となっているバッテリー間の結線を含めた構造が、解体、再生可能構造となっていないためと解釈して、省資源に有効な、個別取り換え自由な金属イオンバッテリーの新モジュールを提供する。  
【００１３】
大量生産される汎用金属イオンバッテリーを使用して、必要な高電圧と大容量を有する集積してなるバッテリーモジュールを、最小容積で必要な衝撃に耐え、十分に放熱可能で、バッテリー固定と結線、結束が得られ、自在に簡単にバッテリー単体の交換ができるバッテリーモジュールの発明が求められる。
【００１４】
これには、モジュール化の基本となる軽量な構造体であって、バッテリーの固定と結線、簡単に分解交換できる機能構造が求められる。
【００１５】
さらに、用途により電圧、電流の容量が異なるが、小さなものではＬＥＤ照明の電源から、電動工具の電源、パソコンなどの電子機器の電源、電動自転車の動力電源、自動車の走行動力電源に至るモジュール電源が求められる。これらのバッテリー集合体の電源は、故障個所の自己回避回路や不良バッテリーの取り換えなどメンテナンスを可能にする機能構造が求められる。
【００１６】
本発明は、図１に示す基盤部との接続部の基本構造からなる図2に示す直列配置、図3に示す並列配置の集積バッテリーによる、図4に示す直列配列結線図、図5に示す並列配列結線図のバッテリーモジュールの機能構造についての発明を記載する。
【問題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の基本は、図１に示す、従来バッテリー間の結線が、軽量構造物ではネジ構造の結束では信頼性が保てないことから、半田や金属結束などして、バッテリー間の固定は繊維状の柔軟性と摩擦力がある材料を用い、崩れない結束手段で永久固定していた。このバッテリーを、精密なカプセル内に個別収納して、一体でフレームに固定される基盤ネジ部材に固定、分解可能な機能をもって固定することで、寿命のバッテリーを解体交換することを可能にする。
【００１８】
図1に示すバッテリー固定機能構造は、必要な出力電圧・電流を生み出す図2に示す直列配置、図3に示す並列配置を可能にするばかりか、必要機能の図4の直列結線、図5の並列結線も可能にする。
【００１９】
さらに、従来のバッテリーパックの全て固定化したバッテリーモジュールも、必要固有部のみ残留して、発明モジュールに変更することが可能となる。
【００２０】
この発明実施により、モジュール内の個別バッテリー診断を行う場合、接続コネクタを開放して、コネクタに診断用のテスターを接続することにより、個別バッテリーの状態判別が可能となり、必要なバッテリーの取り換え診断とケーシングの開放で取り換えを必要とするバッテリーの交換が可能となる。
【００２１】
すなわち、競争社会で最も安価な汎用リチウムバッテリーを用いた、自動車の動力源モジュールにも適用可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
最も普及している約3.4〜3.7Ｖ約3000mmAh、φ18mm＊L68mm、約45ｇの円柱型バッテリーを用いた用途別モジュールへの適用が、経済的効果が最大である。  
【００２３】
例えば、電動自転車市場に適用する必要電圧電流は、約24 V 9Aで、図４と図5に示した7本直列の21本組バッテリーにより普及電動自転車のほとんどに適用できる。一方で工具などは15V6A対応など主流で4本直列8本組で、同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】個別バッテリーの脱着機構  図１は個別バッテリーと基盤接続に関して(1)絶縁体樹脂からなる共通基盤、リチウムイオンやニッケルイオンなど(2)金属イオンバッテリー、前部にネジと後部密封構造の外部コーナ摩擦力向上の凹凸を有するアルミやステンレスなど導電性の軽量金属材使用の(3)アルミケーシングキャップ、電池を固定し接触保持できる荷重を作り出すネジにより接点反力維持するコイルスプリング構造を持つ接点電極の(4)＋電極、同ネジ部接触部に接触通電する(5)−電極をそれぞれ示す。
【００２５】
【図２】個別バッテリーの直列配置の並列連結  図2は直列7連の並列3列の配置を示す(1)の共通基盤の平面配置例である。(6)は直列7連の結線配置、同(8)(9)は同じ直列7連の並列配置を示す。特徴は並列電源の選択による電流制御を容易とする回路。
【００２６】
【図３】個別バッテリーの並列配置の直列連結  図3は並列3連の直列7列配置を示す(1)の共通基盤の平面配置例である。(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)はそれぞれのモジュールで、特徴はモジュールの連結選択で電圧制御を容易にする回路。
【００２７】
【図４】直列配置の結線例  図4は直列配置の結線図例で、aは出入力コンセントを示し、ｂは電源基盤を示す。基盤は各バッテリーモジュールの接続と、バッテリー稼働状態を検出するｄ温度センサーやe加熱防止の接点スイッチなどの機能部品が接続されている。例えば個別バッテリーが3.4Ｖの7連では24Ｖの電源が得られるが許容出力電流が3000mmAhであれば、必要量の並列接続はi・j・kの3列で約9A電流値が得られる。すなわち、出力線ｇとｈにより生まれる動力は電動自転車の必要電源出力、最大約200 Whを作り出せる。一方で3列の電流選択なども可能で、必要な制御を行えば適正な動力源となる計21個の個別バッテリーｆによる電源ユニットができる。
【００２８】
【図５】並列配置の結線例  図5は並列配置の結線図例で、Aは出入力コンセントを示し、Bは電源基盤を示す。基盤には各３ケの並列接続の個別バッテリーを７連接続するモジュールG・H・J・K・L・N・Oと、温度センサーＭと加熱防止接点スイッチＩなど接続される。各モジュールの電圧情報に基づく電圧制御など電源基盤に装着することで、複雑な電源出力制御が可能となる電源を提供できる特徴を持つ。
【符号の説明】
【００２９】
Wh/g：バッテリー重量グラムあたりの出力ワット時
mmAh：ミリアンペア時
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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