(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気装置に給電するモジュラ・バッテリ・パックであって：
その中に配置された少なくとも１つのバッテリ・セルを有するバッテリ・セル・カートリッジ；
回路カートリッジ；および
前記バッテリ・セル・カートリッジを収納する第１ポケットと、前記回路カートリッジを収納する第２ポケットと、前記モジュラ・バッテリ・パックを前記電気装置とインタフェースするハウジング回路とを有するハウジング；
によって構成されることを特徴とするモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項２】
前記バッテリ・セル・カートリッジが：
前記少なくとも１つのバッテリ・セルを保持するケーシング；および
前記ケーシング上に配置され、前記バッテリ・セル・カートリッジを前記ハウジングの前記第１ポケット内に掛止する掛止部品；
によって構成されることを特徴とする請求項１記載のモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項３】
前記バッテリ・セル・カートリッジが前記少なくとも１つのバッテリ・セルに接続される保護回路によって構成されることを特徴とする請求項２記載のモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項４】
前記回路カートリッジが脱着可能な回路カートリッジであり、前記バッテリ・セル・カートリッジを前記ハウジング回路とインタフェースするバッテリ回路によって構成されることを特徴とする請求項１記載のモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項５】
前記バッテリ回路が、バッテリ情報を格納する電子メモリ手段によって構成されることを特徴とする請求項４記載のモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項６】
前記少なくとも１つのバッテリ・セルが充電状態を有し、前記バッテリ回路が前記充電状態を測定することを特徴とする請求項４記載のモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項７】
電気装置に給電するモジュラ・バッテリ・パックであって：
第１ポケット，第２ポケットおよび前記モジュラ・バッテリ・パックを前記電気装置にインタフェースするハウジング回路を有し、前記第１ポケット内に掛止部品が配置されるハウジング；
バッテリ・セル・カートリッジ，その中に配置される少なくとも１つのバッテリ・セル，前記少なくとも１つのバッテリ・セルを保持するケーシングおよび前記第１ポケット内に配置される掛止部品に対応して前記ケーシング上に配置される掛止部品であって、前記バッテリ・セル・カートリッジを前記第１ポケット内に掛止する掛止部品；および
前記バッテリ・セル・カートリッジを前記ハウジング回路とインタフェースするバッテリ回路を有する回路カートリッジ；
によって構成されることを特徴とするモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項８】
前記バッテリ・セル・カートリッジが前記少なくとも１つのバッテリ・セルに接続される保護回路によって構成されることを特徴とする請求項７記載のモジュラ・バッテリ・パック。
【請求項９】
前記バッテリ回路がバッテリ情報を格納する電子メモリ手段によって構成されることを特徴とする請求項７記載のモジュラ・バッテリ・パック。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般にバッテリ・パックに関し、特に電気および電子回路要素を有するバッテリ・パックに関する。
発明の背景
携帯用の機器において、数多くの電気および電子装置が製造される。たとえば、セルラ電話などの多くの装置は、市場で広く受け入れられた。実際に、ビジネス用だけでなく個人用の多くの作業がセルラ電話，携帯コンピュータ，パーソナル・デジタル・アシスタント（電子手帳）および同様の装置により実行される。この携帯性により提供される便利さのために、ビジネスが行われるスピードが大幅に速くなった。たとえば、ビジネス旅行者は、移動中に会議の呼出に応じ、連絡を受けてそれに応答し、データベース検索を行うことができる。これらは、以前はオフィスからしかできなかった機能である。
ある装置の携帯性を可能にするために、適切で同様の携帯性を有する電源を開発しなければならない。通常、この必要性を満足するために、バッテリおよびバッテリ・パックが用いられる。適切なバッテリ設計を選択する際に判断すべき主な２つの要因は、どのくらいの量の電力を、どのくらいの長さの間供給しなければならないかということである。これらの要因により、最終的なエネルギ源の寸法と、用いられる電気化学システムの種類とが決定される。ある装置については、バッテリ・パックの寸法が重要であり、装置そのものの寸法および重量と釣り合うものであることが多い。従って、バッテリ・システムの寸法を小さくするための努力が当産業においてなされる。この目的を達成するために、設計者はシステム・アプローチを採用する。
一般に、バッテリまたはバッテリ・パックの寸法を小さくするために、携帯システムにおいて考慮される要素は３つある。第１は、装置の電力需要を削減することである。これは、一部は、その回路構成の効率を上げることにより達成される。第２の要素は、バッテリおよびバッテリ・パックを作成するために用いられる電気化学システムのエネルギ密度を上げ、従来のシステムに比べてはるかにエネルギ密度の高い新しいシステムを開発することである。最新の例としては、ニッケル・カドミウム，リチウム・イオンなど、従来のシステムよりはるかに容量の大きな新しいシステムが開発されつつある。第３の要素は、バッテリ電力の使用を最適化することである。これは、「スマート・バッテリ」技術として知られるようになった。
「スマート・バッテリ」という用語は、一般に、蓄積されたエネルギのより効率的な利用を容易にするある種の電子回路構成を有するバッテリ・パックを指す。たとえば、装置の電荷状態すなわち「燃料ゲージ」を提供する多くの回路が開発された。たとえば、携帯コンピュータのユーザは、動作効率のために動作速度を犠牲にしてコンピュータを設定することができる。様々な条件下で確実な動作を行うためには、リチウム・イオンなどのよりエネルギ密度の高い電気化学システムを選択する場合は、回路構成が必要になることがある。応力のかかる電気的事象からバッテリ・セルを遮蔽し、性能を改善し強化する回路が開発されてきた。バッテリ・パックに電子部品を追加すると、バッテリ・パックのコストが上がることが予想される。しかし、これらの回路が動作と安全性の面において価値を付加するという観点から、多くの需要がある。
それでも、バッテリ・パックの追加コストを低減する要請は存在する。可能であれば、適切なバッテリ電子部を提供してなおかつ、消費者に対するスマート・バッテリ・パックのコストを下げることは市場にとって有利なことである。しかし、これを達成するためには、より安価な構成部品を捜すだけでは充分ではない。根本的な視点の変換が必要である。
電子回路を有するバッテリ・パックを製造する際には、回路はバッテリ・パックの一体部として形成される。回路は、各バッテリ・パックの内部に恒久的に配置される。しかし、パック内のバッテリ・セルの寿命は有限であり、比較的短い。通常、再充電可能バッテリ・セルは、通常の使用状態で約２年もつ。バッテリ・セルが使用できなくなると、バッテリ・パック全体が回路も含めて廃棄される。しかし、電子回路はバッテリ・セルよりもはるかに寿命が長い。さらに、多くのユーザは２つ以上のバッテリ・パックを購入する。これは同じ回路構成を２回買うことになる。従って、電子バッテリ回路を再利用可能にし、共有することができて、それにより回路構成を再購入する必要性をなくする手段によりバッテリ・パックの価格を下げることが必要である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によるモジュラ・バッテリ・パック構成部品の分解組立等角図である。
第２図は、構成部品を組み立てた状態の本発明によるモジュラ・バッテリ・パックの切断側面図である。
第３図は、本発明によるモジュラ・バッテリ・パックと共に用いるバッテリ・セル・カートリッジの底面図である。
第４図は、本発明によるバッテリ・パック・システムの等角図である。
第５図は、本発明によるモジュラ・バッテリ・パックの電気回路のブロック図である。
好適な実施例の詳細説明
明細書は、新規な本発明の特徴を特定する請求の範囲で終わるが、本発明は以下の説明と  図面とを参酌することにより、さらに理解頂けるものと思う。なお図面においては、同様の参照番号が使用される。
第１図は、本発明によるモジュラ・バッテリ・パック10の構成部品の斜視図を示す。バッテリ・セル・カートリッジ12,回路カートリッジ14およびハウジング16が図示される。バッテリ・セル・カートリッジはケーシング18によって構成され、その中に配置された少なくとも１つのバッテリ・セルを有する。バッテリ・セルが、たとえばリチウム・イオンなどのある種の電気化学システムを採用する場合は、バッテリ・セル・カートリッジには性能を考慮して保護回路が含まれるべきである。保護回路は、バッテリ・セルまたはセルに与えられる電気的応力を抑制する。ニッケル・カドミウムおよびニッケル金属水化物などの従来のシステムは、このような保護回路を必要としない。つまり、性能低下に敏感でないこのようなシステムについては、バッテリ・セル・カートリッジはバッテリ・セルでよい。ハウジング16は、第１ポケット20,第２ポケットまたは受入スロット22などの回路カートリッジを収納する手段22および少なくとも２つのバッテリ接触（コンタクト）24を有する。回路カートリッジ14は、バッテリ・セル・カートリッジをハウジング16内のハウジング回路とインタフェースするバッテリ回路によって構成される。
一般に、バッテリ・セル・カートリッジ12は、ハウジング16の第１ポケット20内に挿入可能である。好ましくは、片持ち梁型ラッチ26および位置決めタブ27などの掛止部品を備える。これらの部品はバッテリ・セル・カートリッジのケーシング上に形成され、第１ポケット内の梁材28とスロット29などの部品にそれぞれ対応する。これらの部品により、バッテリ・セル・カートリッジをハウジング内に掛止することができる。あるいは、バッテリ・セル・カートリッジをハウジングと摺動可能に係止してもよい。バッテリ・セル・カートリッジは、少なくとも２つのバッテリ・セル・コンタクト30（想像線で図示）を有し、これらは接触バネ32などの、ハウジングの第１ポケット内の端子に対応する。バッテリ・セル・カートリッジが第１ポケット内に掛止されると、バッテリ・セル・コンタクト30が接触バネ32と係止して、それによりハウジングとバッテリ・セル・カートリッジとを電気的に相互接続する。好ましくは、アクセス・ポート34（想像線で図示）が備えられ、これは第１ポケット内に位置する温度検知素子35に対応する。温度検知素子35はバッテリ・セルまたはセルの再充電中に用いられ、通常はサーミスタである。バッテリを再充電するためにサーミスタを用いることは、一般的に行われる。
回路カートリッジ14は、回路接触36などの１組のコネクタによって構成され、これらはハウジング16の第２ポケット内の接触または端子に対応する。回路カートリッジは、バッテリ回路を含む。他の分野で用いられる回路カートリッジの例として、携帯コンピュータ市場では極めてポピュラーになったパーソナル・コンピュータ・メモリ・カード国際協会（PCMCIA:Personal Computer Memory Card International Association）の仕様に準拠するものがある。本明細書に説明される回路カートリッジは、この形態をとる。一般に、カートリッジに含まれるバッテリ回路は様々な機能を実行し、その多くは周知のものである。例としては、充電状態測定または燃料ゲージ回路，充電コントローラ回路，レギュレータ回路および安全回路がある。EEPROMなどの電子メモリ手段を同様にバッテリ情報格納のために具備してもよく、これは現在当技術では、ますます一般的になりつつある。本発明のある実施例においては、回路カートリッジは、回路カートリッジをハウジングから取り出しやすくするフィンガ・グリップ38を備える。
ハウジング，バッテリ・セル・カートリッジおよび回路カートリッジがどのようにして共働するかは、第２図を詳しく見ると分かる。第２図は、第１図に示されるような本発明による、構成部品が組み立てられたモジュラ・バッテリ・パックの切断側面図を示す。電気装置40は、モジュラ・バッテリ・パックを収納して図示される。この電気装置は、たとえば、セルラ電話，携帯コンピュータまたはパーソナル・デジタル・アシスタントなどである。モジュラ・バッテリ・パックは、電子装置に嵌合あるいは摺動して挿入される。モジュラ・バッテリ上のバッテリ接触24が対応する装置接触42と係止すると、電気的接触が得られる。電力はこの相互接続部を通じて送られ、他の電気相互接続部が、電力接続部に加えて作られるのが普通である。たとえば、ある接続部により、装置はモジュラ・バッテリ内の電子メモリ手段にアクセスすることができる。また、他の接続部は、充電状態情報を受け取るために装置が用いる。
この図から、バッテリ・セル・カートリッジ12がハウジング16内に嵌合する様子が分かる。片持ち梁型ラッチ26および位置決めタブ27は、ハウジングの第１ポケット20内の梁材28および少なくとも２つのスロット29とそれぞれ対応する。一般に、ケーシングは片持ち梁型ラッチが弾性を持つようにするためにプラスティックで作成することが好ましい。バッテリ構成部品と共に用いる掛止システムは数多くある。しかし、簡単にするために、好適な掛止手段はポケット内の対応スロット29に嵌合する、バッテリ・セル・カートリッジ・ケーシングの背後から延在する１対の位置決めタブ27によって構成される。バッテリ・セル・カートリッジの前端には、ケーシングの底から離れて上方に延在する片持ち梁型ラッチ26がある。片持ち梁型ラッチは、バッテリ・セル・カートリッジがポケット20内に押し込まれると、梁材28により曲がる。バッテリ・セル・カートリッジがポケット内に完全に収まると、片持ち梁型ラッチが下になり、梁材の下を通って、バッテリ・セル・カートリッジをポケット内に掛止する。バッテリ・セル・カートリッジを取り出すには、片持ち梁型ラッチをケーシング方向に曲げる。
バッテリ・セル・カートリッジが適所に掛止されると、接触バネ32などの第１組の端子が、バッテリ・セル・カートリッジ上のバッテリ・セル・コンタクト30に支えられて、電気接触ができる。接触バネ32は、ハウジング回路44に電気的に接続され、ハウジング回路44は接触ブロック46に電気的に接続され、ブロックはバッテリ接触24を支持する。ハウジング回路は、モジュラ・バッテリ・パックを電気装置40とインタフェースする。ある実施例においては、回路カートリッジ14が、バッテリ・セル・カートリッジをハウジング回路にインタフェースする。バッテリ・セルまたはセル48から電流がハウジングに入ると、回路カートリッジに進む。回路カートリッジに含まれる回路は、前述のように、多数の機能のうち任意のものを実行する。ある条件下では、回路カートリッジは電流の流れを一斉に阻止する。回路カートリッジは、第２ポケットまたは受入スロット22内の回路受入接触50に対応する１組の回路接触36により、ハウジング回路とインタフェースする。
別の実施例においては、ハウジングは、回路カートリッジではなくバッテリ・セル・カートリッジのみを収納するよう設計される。従って、受入スロット22は存在しない。回路カートリッジの回路は、ハウジング回路44に内蔵されることもある。これにより、モジュラ・バッテリ・システムの融通性が多少損なわれるが、同時に簡素化される。このような実施例においては、ハウジング回路は単に、第１ポケット20内の第１組の端子を接触ブロック46に、チャージャまたは充電制御回路を用いて、接続する１組の導体とすることもできる。温度検知素子35は、接触ブロックに直接接続されることになる。あるいは、ハウジング回路をチャージャ制御回路，安全回路または周知のバッテリ回路を組み合わせて構成してもよい。どの回路構成を具備することが適切であるかは、設計上の選択となる。
上記に論じた実施例は、バッテリ・セル・カートリッジ12を備える。バッテリ・セル・カートリッジの構造を充分理解するために、第３図は本発明のある実施例によるバッテリ・カートリッジの底面図を示す。第３図を参照して、ケーシング18およびカバー52を有するバッテリ・セル・カートリッジ12が図示される。ケーシングは、片持ち梁型ラッチ26および位置決めタブ27を備える、バッテリ・セル・カートリッジをハウジングに掛止する構造によって構成される。ケーシングは、片持ち梁型ラッチが曲がるようにプラスティックで作成されることが好ましい。
カバーは、ケーシングと同じ材料で形成されてもよいが、バッテリ・セルまたはセル48（この図では、カバーの切断部を通じて見える）に粘着可能な薄いプラスティック材料であることが好ましい。こうすることで、バッテリ・セル・カートリッジを薄く保つことができ、ケーシングにカバーを超音波融着する一般的プロセスが省かれる。カバーは、開口部が貫通して形成され、バッテリ・セル・コンタクト30を形成して、アクセス・ポート34に温度検知素子を収納する。接触は、接触が短絡する危険を小さくするために、互いに近づけて配置すべきではない。接触は、少なくとも１インチの間隔をおくことが好ましく、さらに好ましくは、約３インチ離す。
回路構成をハウジング内に内蔵することにより回路カートリッジを省くことができることを論じた第１図および第２図を参照して上記に説明された如く、第４図に示されるようにバッテリ・セル・カートリッジを省略することも同様に可能である。第４図を参照して、本発明のある実施例によるバッテリ・パック・システム60の等角図を示す。前記と同様に、電気回路によって構成される回路カートリッジ14が具備される。しかし、ここではバッテリ回路構成のすべてが回路カートリッジ内に置かれる。
この実施例においては、ハウジング62はバッテリ・セルまたはセルによって構成される。ハウジング内に置かれる唯一の他の電気構成部品は、電気装置および回路カートリッジに電流および信号を伝える導体である。いずれもがチャージャから被給電装置へと向かう、バッテリ・セルを通る電流の制御および測定の作業全体は、回路カートリッジ内の回路構成に負わされる。
この種のシステムにおいては、チャージャは単に、電力出力と制御信号入力とを有する電源であればよい。バッテリ・パック・システムが、たとえばチャージャ接触集合64などにより、このようなチャージャに接続されると、回路カートリッジはチャージャに帰還信号を送付することにより充電を制御する。これにより、単純で安価なチャージャが可能になり、さらに消費者は経済的な利便を受ける。多くのチャージャは、種々の充電様式を提供するよう設計されるので、消費者は自分が１種類のバッテリ・パックしか用いなくても、これらの様式すべてに対して費用を負担することを強いられる。ここで、本発明は充電様式を回路カートリッジにより制御する方法を示す。たとえば、第２番目の種類のバッテリを購入した場合など、別の種類の様式が必要になったら、適切な様式を有する別の回路カートリッジをそのために購入すればよい。
回路カートリッジを受け入れるために、ハウジングは第１図のような受入スロットか、あるいはレール66などの回路カートリッジを収納する手段によって構成される。たとえば、回路カートリッジがハウジングの裏側にはまる掛止システムとするなど、他の構造が企図される。スライド・レールの実施例においては、回路カートリッジ上の回路接触36がハウジング上の回路受入接触50と接触するまで、回路カートリッジをハウジングの裏側に滑り込ませる。レールは、バッテリ・パックをセルラ電話などの装置に付着させる場合を含めて、多くの用途で用いられる。一般に、レールはハウジングの裏側から延在する第１壁部と、第１壁部の頂部からハウジングの中心に向かって直角に延在する第２壁部とによって構成される。これが梁材となり、回路カートリッジの一部分をその下に保持する。レール66は、少なくとも２つの対向するスライド・レール68,70から形成されるので、回路カートリッジがしっかりと保持される。
モジュラ・バッテリ・パックが電気的に機能する様子を示すために、第５図は、本発明によるモジュラ・バッテリ・パックの電気回路のブロック図を示す。ここでは、前述された要素は同じ参照番号を有する電気的な等価物として図示される。第５図を参照して、バッテリ・セル・カートリッジ12,回路カートリッジ14およびハウジング16の電気的等価物が示される。モジュラ・バッテリ・パックに加えて、電気装置40およびチャージャ72も図示される。バッテリ・セル・カートリッジは、少なくとも１つのバッテリ・セル48によって構成される。バッテリ・セルがリチウム・イオン型である場合は、保護回路74も性能を考慮して具備される。保護回路は、制御回路76およびスイッチ78によって構成され、検知抵抗80などの電流検知手段も含まれることがある。保護回路は、バッテリ・セルの両端の電圧を検知し、電圧が所定の上限電圧閾値を超えるか、あるいは所定の下限電圧閾値より下がるとスイッチ78を開く。さらに、制御回路はバッテリ・セルまたはセルを通る電流レベルが所定の電流閾値レベルを超えると、スイッチを開く。
回路カートリッジは、多数の周知の機能のうち任意の機能を実行するバッテリ回路82によって構成される。このようなバッテリ回路機能の例には、バッテリ・セルまたはセルの充電状態の測定，セルを通る電圧および／または電流の規制および充電制御の実行がある。これらすべての機能のための回路は、現在数多くの変形において生産される。実際には、このようなバッテリ回路のためのバッテリ電子部品を製造する産業がある。回路カートリッジは、バッテリ情報を格納する電子メモリ手段84をも提供することがある。格納される情報の種類の例には、いくつかを挙げると、サイクル，最終再充電時，使用される電気化学システムの種類，最大電圧レベル，最大電流レベル，最大温度レベルなどがある。このようなメモリ装置を有して販売されるバッテリ製品は数多くあり、バッテリの規格情報を発行する会社もあるが、市場を統一するものは今のところない。
種々の構成部品間の電気的相互接続は、ワイヤあるいはさらに好ましくは可撓性回路板などの標準的導体を用いて行われる。可撓性回路板は、バッテリ・パックを含む多くの用途において用いられ、コストに対する影響を最小限に抑えながら組立を容易にする。バッテリ回路の回路と、回路カートリッジおよびハウジング回路との間の電気的接続は、バッテリ・セル・コンタクト30と接触バネ32を係止することにより行われる。回路カートリッジのバッテリ回路とハウジング回路との間の電気的相互接続は、回路接触36と回路受入接触50を係止することにより行われる。最後に、モジュラ・バッテリ・パックと電気装置およびチャージャとの間の電気的接続は、バッテリ接触および装置接触42により行われる。少なくとも１つの実施例においては、第２図に示される接触ブロックが、装置40についてもチャージャ72についても別々の接触を支持する。
前述のように、モジュラ・バッテリ・パックは３つの構成部品として図示されるが、バッテリ・セル・カートリッジ12または回路カートリッジ14をハウジング16に組み込んでも、本発明の必要なモジュラ化を図ることができることが理解頂けよう。本発明の目的は、新規のバッテリ回路を提供することではなく、既存のバッテリ・パックおよび将来きたるべきバッテリ・パックの機能をモジュラ化することである。この方法で、消費者は必要な回路構成を再利用できることにより、経済的な利便を受ける。バッテリ・セル・カートリッジのバッテリ・セルまたはセルがその寿命に到達した場合、モジュラ・バッテリ・パックのその部分のみを交換すればよい。消費者は、バッテリ・セルが使えなくなったという理由だけで、新しいバッテリ回路構成のコストを負担する必要はない。さらに、ユーザが２つ以上のバッテリ・セル・カートリッジを所有する場合も、通常は一度に１つしか使わないので、バッテリ・パックをモジュラ化することにより、この場合も１組のバッテリ回路しか必要ではない。かくして、モジュラ・バッテリ・パックを購入する初期のコストは高くなるが、新しいバッテリ・セルの交換コストは、通常に販売されるよりもはるかに安くなる。
本発明の好適な実施例が図示および説明されたが、本発明はそれに制限されないことは明らかである。本発明の精神および範囲から逸脱せずに、数多くの改良，変更，変形，置換および等価物が当業者には可能であろう。
【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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