(57)【要約】  電気機械式回路遮断器が開示されている。一部の実施形態では、遮断器は、電池管理回路を簡素化するため、かつ／又は電池管理システムに冗長性を提供するために、電池管理システムに統合することができる。一部の実施形態では、遮断器は、電池セルのホットスワップ中に電池管理システムへの損傷を低減するために提供することができる。遮断器は、種々の実施形態において、自動自己復帰型であってもよく、又は自動自己復帰型でなくてもよい。【選択図】図１５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は複数の電池セルの障害状態に応答する電気遮断器であって、
電池管理システムに電気的に接続するように構成された第１の端子と、
第１の放電抵抗器に電気的に接続するように構成された第２の端子と、
第３の端子と、
前記第３の端子に電気的に接続された第２の放電抵抗器であって、前記第２の放電抵抗器が、前記１又は複数の電池セルのうちの電池セルの第１の電極に電気的に接続するように構成され、前記第３の端子が、前記第１の端子と前記第２の放電抵抗器との間に配置されている、第２の放電抵抗器と、
前記第１の端子と前記第２及び第３の端子との間に配置された熱作動スイッチと、を備え、
前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続された第１の動作状態を有し、前記スイッチは、前記第１の端子が前記第３の端子に電気的に接続された第２の状態を有する、
遮断器。
【請求項２】
前記第１の放電抵抗器を更に備え、前記第１の放電抵抗器が、前記第２の端子に電気的に接続されている、請求項１に記載の遮断器。
【請求項３】
前記第１及び第２の放電抵抗器のうちの少なくとも一方が、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含む、請求項１または２に記載の遮断器。
【請求項４】
前記熱作動スイッチが、バイメタルスイッチング要素を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項５】
前記バイメタルスイッチング要素が、ドーム型である、請求項４に記載の遮断器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の遮断器を備える電気デバイスであって、前記第１の端子と電気的に通信する前記電池管理システムを更に含む、デバイス。
【請求項７】
前記電気遮断器と並列に配置された第２の電気遮断器を更に備え、前記第２の電気遮断器が、前記電池セルの第２の電極と電気的に通信するように構成された第１の端子と、前記電池セルの前記第１の電極と電気的に通信するように構成された第２の端子とを有する、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の遮断器の前記第２の端子と電気的に通信する第３の放電抵抗器を更に備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の遮断器が、前記電池セルと熱的に結合されている、請求項７または８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記電池管理システムが非作動状態又は誤動作状態にあるとき、前記電池セルの障害状態では、電流が前記第２の電気遮断器を通過して前記電気遮断器を迂回する、請求項７から９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記電池管理システムと電気的に通信するゲートを有するトランジスタと、前記電池セルの第２の電極及び前記電気遮断器の前記第１の端子のうちの一方と電気的に通信するソースと、前記電池セルの前記第２の電極及び前記電気遮断器の前記第１の端子のうちの他方と電気的に通信するドレインと、を更に備える、請求項６から１０のいずれか一項に記
載のデバイス。
【請求項１２】
前記電池セルを更に備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
電気遮断器であって、
電池セルの第１の電極に電気的に接続するように構成された第１の端子と、
電池管理システムに電気的に接続するように構成された第２の端子と、
前記第１の端子と前記第２の端子との間に配置された熱作動スイッチと、
前記スイッチと並列に配置され、前記電池管理システムに電気的に接続するように構成された抵抗器と、を備え、
前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子から切断された第１の動作状態と、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続された第２の動作状態とを有し、
前記電気遮断器と前記電池セルとの間の電気的接続が行われる接続段階の間、前記スイッチが、前記第１の動作状態にあり、第１の電流が、前記抵抗器を通過して前記電池管理システムに流れ、
動作段階の間、前記スイッチが、前記第２の動作状態にあり、第２の電流が、前記スイッチを通過して前記電池管理システムに流れ、前記第１の電流が、前記第２の電流よりも大きい、
遮断器。
【請求項１４】
前記スイッチが、自動自己復帰型ではない、請求項１３に記載の遮断器。
【請求項１５】
前記スイッチが、手動自己復帰型である、請求項１４に記載の遮断器。
【請求項１６】
前記スイッチが、バイメタル要素を含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項１７】
請求項１３から１６のいずれか一項に記載の遮断器を備える電気デバイスであって、前記第２の端子及び前記抵抗器に電気的に接続された前記電池管理システムを更に含む、電気デバイス。
【請求項１８】
前記第１の端子及び前記電池管理システムに電気的に接続された前記電池セルを更に含む、請求項１７に記載の電気デバイス。
【請求項１９】
電気遮断器であって、
第１のピンに電気的に接続された第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及び第３の端子との間にある熱作動スイッチと、
前記第３の端子に電気的に接続され、前記スイッチと熱的に結合された抵抗器と、
を含む電気遮断器と、
前記抵抗器及び前記第３の端子に電気的に接続されたトランジスタと、を備え、
前記トランジスタが第１の状態にあるとき、前記トランジスタと前記遮断器との間に電流が流れず、前記第１の端子が、前記第３の端子に電気的に接続されており、
前記トランジスタが第２の状態にあるとき、前記トランジスタと前記抵抗器との間に電流が流れ、前記スイッチは、前記抵抗器の温度が所定の閾値を超えた場合、前記第３の端子から切断して前記第２の端子に接続するように構成されている、
ヒューズ。
【請求項２０】
前記トランジスタが、ｎチャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）を含み、前記ＭＯＳＦＥＴのドレインが、前記抵抗器及び前記第３の端子に接続されている、請求項１９に記載のヒューズ。
【請求項２１】
前記スイッチが、バイメタル要素を含む、請求項１９から２０のいずれか一項に記載のヒューズ。
【請求項２２】
前記スイッチが、自動自己復帰型ではない、請求項１９から２１のいずれか一項に記載のヒューズ。
【請求項２３】
前記スイッチが、手動自己復帰型である、請求項２２に記載のヒューズ。
【請求項２４】
負荷に電気的に接続するように構成された出力端子を更に備える、請求項１９から２３のいずれか一項に記載のヒューズ。
【請求項２５】
障害状態に応答する電気遮断器であって、
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及び第３の端子との間に配置された熱作動スイッチと、
前記スイッチと並列であり、かつ前記第２の端子と電気的に通信する抵抗器と、
前記スイッチと並列であり、かつ前記抵抗器と直列であるサイリスタと、を備える、
遮断器。
【請求項２６】
前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続された正常動作状態を有し、前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子及び前記第３の端子の両方に電気的に接続された障害状態を有し、その結果、障害状態では、前記電流の大部分が、前記第１の端子と前記第３の端子との間に流れ、前記電流の少数が、前記第１の端子と前記第２の端子との間に流れる、請求項２５に記載の遮断器。
【請求項２７】
前記スイッチが、バイメタル要素を含む、請求項２５または２６に記載の遮断器。
【請求項２８】
前記抵抗器が、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含む、請求項２５から２７のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項２９】
障害状態に応答する電気遮断器であって、
第１の端子と、
第２の端子と、
電気部品を迂回するための電気バイパス経路に接続するように構成された第３の端子と、
バネ及び前記バネに機械的に接続された熱作動スイッチであって、前記熱作動スイッチが、前記第１の端子と前記第２及び第３の端子との間に配置され、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た正常動作状態を有し、前記スイッチは、前記第１の端子が前記第３の端子に電気的に接続された障害状態を有し、その結果、障害状態では、前記電流の少なくとも大部分が、前記第１の端子と前記第３の端子との間に流れる、バネ及び前記バネに機械的に接続された熱作動スイッチと、を備え、
前記スイッチは、前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行した後、前記スイッチが前記正常動作状態に自動的に戻らないように構成されている、
遮断器。
【請求項３０】
前記障害状態の間、前記バネは、前記スイッチが自動的に前記第２の端子に再接続され
るのを防止するように付勢される、請求項２９に記載の遮断器。
【請求項３１】
前記正常動作状態の間、前記バネが圧縮され、前記バネは、前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行する際に解放される、請求項２９または３０に記載の遮断器。
【請求項３２】
前記障害状態では、前記第１の端子が、前記第２の端子に電気的に接続され、前記電流の少なくとも少数が、前記第１の端子と前記第２の端子との間に流れる、請求項２９または３０に記載の遮断器。
【請求項３３】
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）抵抗器を更に備える、請求項２９から３２のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項３４】
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）抵抗器が存在しない、請求項２９から３３のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項３５】
前記熱作動スイッチが、バイメタルスイッチング要素を含む、請求項２９から３４のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項３６】
前記バイメタルスイッチング要素が、ドーム型である、請求項３４に記載の遮断器。
【請求項３７】
前記熱作動スイッチが、前記第１の端子及び前記バイメタルスイッチング要素に電気的に接続された可動アームを含む、請求項３５または３６に記載の遮断器。
【請求項３８】
前記可動アームは、前記スイッチが前記正常動作状態にある場合、前記第２の端子に電気的に接続されている、請求項３７に記載の遮断器。
【請求項３９】
前記バイメタルスイッチング要素は、前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行するのに伴って、形状が反転する、請求項３５から３８のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項４０】
前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行した後、前記スイッチは、手動自己復帰型で前記正常動作状態に戻すことができる、請求項２９から３９のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項４１】
前記電気部品が、１又は複数の電池セルを含む、請求項２９から４０のいずれか一項に記載の遮断器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年６月２２日に出願された米国特許仮出願第６２／６８８，８９３号の優先権を主張し、その内容全体は、その全体及び全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１６年１２月１４日に出願された米国特許出願第１５／３７９，０７０号、２０１６年１２月１４日に出願された米国特許出願第１５／３７９，１９３号、及び２０１６年１２月１５日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０６６９８５号に関連しており、これらの各々は、米国特許仮出願第６２／２６９，４２０号及び第６２／３３１，７５６号に対する優先権を主張し、これらの各々の開示は、その全体及び全ての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野は、概して、回路遮断器、及びそのような回路遮断器を組み込んだ電気システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
種々多様な電気デバイスにおいて、１又は複数のセルを含み得る電池などの回路要素、又は他の構成要素に障害が発生し、より大きな電気デバイスの動作又は信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、回路要素は、過熱状態になる可能性があり、かつ／又は、過剰な電流が回路要素を通過する過電流障害が発生する可能性がある。このような過温度障害及び／又は過電流障害は、デバイスの機能性、信頼性、寿命、及び／又は安全性を低下させる可能性がある。したがって、動作中、回路要素（電池など）に過温度障害及び／又は過電流障害が発生した場合により大きな電気デバイスを保護する装置が継続して必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
一実施形態では、１又は複数の電池セルの障害状態に応答する電気遮断器が開示されている。遮断器は、電池管理システムに電気的に接続するように構成された第１の端子と、第１の放電抵抗器に電気的に接続するように構成された第２の端子と、第３の端子とを含むことができる。第２の放電抵抗器は、第３の端子に電気的に接続され、第２の放電抵抗器は、１又は複数の電池セルのうちの電池セルの第１の電極に電気的に接続するように構成され、第３の端子は、第１の端子と第２の放電抵抗器との間に配置することができる。熱作動スイッチは、第１の端子と第２及び第３の端子との間に配置することができる。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た第１の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３の端子に電気的に接続された第２の状態を有することができる。
【０００５】
別の実施形態では、電気遮断器が開示されている。遮断器は、電池セルの第１の電極に電気的に接続するように構成された第１の端子と、電池管理システムに電気的に接続するように構成された第２の端子と、第１の端子と第２の端子との間に配置された熱作動スイッチとを含むことができる。抵抗器は、スイッチと並列に配置され、電池管理システムに電気的に接続するように構成することができる。スイッチは、第１の端子が第２の端子から切断された第１の動作状態と、第１の端子が第２の端子に電気的に接続された第２の動作状態とを有することができる。電気遮断器と電池セルとの間の電気的接続が行われ得る接続段階の間、スイッチは、第１の動作状態にすることができ、第１の電流が抵抗器を通過して電池管理システムに流れることができる。動作段階の間、スイッチは、第２の動作状態にすることができ、第２の電流がスイッチを通過して電池管理システムに流れることができ、第１の電流は第２の電流よりも大きい。
【０００６】
別の実施形態では、ヒューズが開示されている。ヒューズは、第１のピンに電気的に接続された第１の端子と、第２の端子と、第３の端子と、第１の端子と第２及び第３の端子との間の熱作動スイッチと、第３の端子に電気的に接続され、スイッチと熱的に結合された抵抗器とを含む電気遮断器を含むことができる。トランジスタは、抵抗器及び第３の端子に電気的に接続することができる。トランジスタが第１の状態にあるとき、トランジスタと遮断器との間に電流が流れず、第１の端子が、第３の端子に電気的に接続されている。トランジスタが第２の状態にあるとき、トランジスタと抵抗器との間に電流が流れ、スイッチは、抵抗器の温度が所定の閾値を超えた場合、第３の端子から切断して第２の端子に接続するように構成されている。
【０００７】
別の実施形態では、障害状態に応答する電気遮断器が開示されている。遮断器は、第１の端子と、第２の端子と、第３の端子と、第１の端子と第２及び第３の端子との間に配置された熱作動スイッチとを含むことができる。抵抗器は、スイッチと並列に、第２の端子と電気的に通信するように設けることができる。サイリスタは、スイッチと並列に、抵抗器と直列に設けることができる。
【０００８】
別の実施形態では、障害状態に応答する電気遮断器が開示されている。遮断器は、第１の端子と、第２の端子と、電気部品を迂回するための電気バイパス経路に接続するように構成された第３の端子とを含むことができる。遮断器は、第１の端子と第２及び第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、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し、スイッチは、第１の端子が第３の端子に電気的に接続されている障害状態を有し、その結果、障害状態では、電流の少なくとも大部分が、第１の端子と第３の端子との間に流れる。また、スイッチは、スイッチが正常動作状態から障害状態に移行した後、スイッチが自動的に正常動作状態に戻らないように構成することができる。
【０００９】
これらの実施形態の全ては、本明細書に開示された本発明の範囲内であることが意図されている。これらの実施形態及び他の実施形態は、添付の図を参照した好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、当業者には容易に明らかになるが、本発明は、開示された任意の特定の好ましい実施形態（複数可）に限定されるものではない。
【００１０】
本発明の具体的な実装形態を、以下の図面を参照して説明する。これらは例示のために提供されるものであり、限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａは、一実施形態による、正常動作状態における電気システムの概略回路図である。図１Ｂは、図１Ａに示すシステムの障害状態における概略回路図である。
【図２】図２Ａは、一実施形態による、図１Ａ〜図１Ｂの実施形態において正常動作状態で使用される電気遮断器の概略側面断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す遮断器の概略回路図である。
【図３】図３Ａは、図２Ａの電気遮断器の障害状態における概略側面断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示す遮断器の概略回路図である。
【図４】図４は、種々の実施形態による、例示的なスイッチが正常動作状態から障害状態にトリップする電流及び温度を示すグラフである。
【図５】図５は、種々の実施形態による、例示的な正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器の温度と抵抗との関係を示す概略グラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、別の実施形態による、正常動作状態における電気システムの概略回路図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示すシステムの障害状態における概略回路図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、種々の実施形態による、正常動作状態における非自己復帰型遮断器の概略回路図であり、図６Ａ〜図６Ｂの実施形態と組み合わせて使用することができる。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃの非自己復帰型遮断器の障害状態における概略回路図である。
【図７】図７は、更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。
【図８】図８Ａは、一実施形態による、回路遮断器を組み込んだ電池ハウジングの上面、正面、右方向の概略斜視図である。図８Ｂは、図８Ａに示した電池ハウジングの底面、背面、左方向の概略斜視図である。
【図９】図９Ａは、図８Ａ〜図８Ｂに示した電池ハウジングの上面、正面、右方向の概略斜視図であり、第１及び第２の電池セルがハウジング内に配置されている。図９Ｂは、図９Ａの電池ハウジング及び電池セルの底面、背面、左方向の概略斜視図である。
【図１０】図１０Ａは、図９Ａ〜図９Ｂに示した電池ハウジング及び電池セルの概略上面図である。図１０Ｂは、図９Ａ〜図９Ｂ及び図１０Ａに示した電池ハウジング及び電池セルの概略底面図である。
【図１１】図１１Ａは、電池ハウジング及び電池セルの上面、背面、右方向の概略断面図であり、当該断面は、電池端子及び第１のセル接点に沿っている。図１１Ｂは、電池ハウジング及び電池セルの上面、背面、右方向の概略断面図であり、当該断面は第２のセル接点に沿っている。
【図１２】図１２は、種々の実施形態による、一緒に接続されたモジュール式電池ハウジングのストリングの右後方斜視図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、種々の実施形態による、直列に接続された電池ハウジングのストリングの概略回路図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、種々の実施形態による、２つの電池ハウジングが並列に接続された電池ハウジングの概略回路図である。
【図１４】図１４は、互いに直列に接続されたセルとバックブーストコンバータを含む電池パックの概略システム図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、種々の実施形態による電気デバイスを示す概略システム図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、別の実施形態による電気デバイスを示す概略システム図である。
【図１６】図１６は、種々の実施形態による、電池セルのホットスワップ中の過電流状態を管理するための遮断器を組み込んだ電気デバイスの概略システム図である。
【図１７】図１７は、本明細書に開示された遮断器の種々の実施形態を組み込むことができるヒューズデバイスの概略システム図である。
【図１８】図１８Ａは、種々の実施形態による、正常動作状態で示された、抵抗器と直列のサイリスタを組み込んだ遮断器の概略回路図である。図１８Ｂは、図１８Ａの遮断器の障害状態を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ｉ．３端子遮断器の実施例
本明細書に開示される種々の実施形態は、過熱及び／又は過剰な電流から電気デバイスを保護するための電気機械式３端子遮断器に関する。電気デバイス及び電気システムは、障害状態（例えば、過温度障害及び／又は過電流障害）が発生し得る多数の回路要素を有する場合があり、当該障害は、システム全体の性能又は信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、多くのデバイスは、電気システムに電力を供給するために、（直列に接続されているか、並列に接続されているか、又はそれらの組み合わせであるかにかかわらず）複数の電池又は電池セルに依存している。電池は、新しい電池を購入するのではなく、放電後の電池を再利用できる充電式のものが多い。例えば、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、数時間の動作にわたる高性能コンピューティングを実現するために、高エネルギー容量の二次電池（例えば、リチウムイオン電池）を利用して電子デバイスに電力を供給している。また、電動自転車及び電気自動車、ハイブリッド車も、長時間の走行距離での運転に十分な電力を供給するために、高エネルギー容量の電池に依存している。太陽光発電システムでは、太陽電池で発電したエネルギーを蓄えるために電池を使用することが多い。当業者には、多種多様な電気システム及びデバイスのための、信頼性が高く長持ちする電池に対する継続的な需要があることが理解されている。
【００１３】
このような電池駆動システムの１つの問題点は、１又は複数の電池セルで過剰な温度（過温度障害状態）及び／又は過剰な電流（過電流障害状態）が生じ、電気システム全体の性能、信頼性、及び／又は安全性に悪影響を及ぼす可能性があることである。例えば、リチウムイオン電池（例えば、リチウムポリマー又は他の種類のリチウムイオン電池）を利用するシステムでは、セルが十分に高温になり、溶液中のリチウムが固体に変換され、セル内のリチウム層がショートする場合、セルが熱暴走を起こす可能性がある。このような状態になると、電池が回路短絡してセルに過剰な電流が流れ、セルの温度が更に上昇してしまう可能性がある。場合によっては、過剰な温度は、過熱したセルを劣化させたり、より大きな電気システムの動作を中断させたりする原因となる。
【００１４】
一部の種類の電気機械式回路遮断器は、例えば、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を有するバイメタルスイッチを並列に接続することによって、過温度障害及び／又は過電流障害状態に対処することができる。ＰＴＣ抵抗器とは、従来の抵抗材料とは異なり、温度が上がるにつれ抵抗が上昇する抵抗器である。一部の遮断器では、特定の回路要素、例えば電池に過剰な電流が流れる場合、バイメタルスイッチ及びＰＴＣ抵抗器の温度が上昇する。閾値温度では、バイメタルスイッチが反転位置にトリップしてスイッチを開放することができる。したがって、このような遮断器の障害状態では、開放スイッチにより、回路要素を通る電流の流れを停止させるか、又は大幅に減少させ、障害状態の回路要素を緩和することができる。しかしながら、一部の配置では、回路全体を通る電流の流れを停止させるか、又は大幅に減少させることが、望ましくない場合がある。例えば、回路要素が他の回路要素と直列に配置されている場合、既存の状態の遮断器のスイッチを開放させると、他の回路要素を通る電流の流れが停止するか、又は大幅に減少する場合がある。
【００１５】
システム内の他の回路要素との接続を維持しながら回路要素における過温度障害及び／又は過電流障害の影響に対処するために、本明細書に開示された実施形態では、正常動作状態の間は回路要素を流れる電流を許容するが、障害状態の間は問題のある回路要素の周りの電流の大部分（又は全て）をバイパス又はシャントする３端子遮断器が提供されている。例えば、遮断器は、より大きな電気システムの対応する端子に接続できる第１の端子、第２の端子、及び第３の端子を含むことができる。遮断器はまた、第１の端子と第２及び第３の端子との間に配置された熱作動機械的スイッチを含むことができる。スイッチは、第１の端子と第２の端子とが電気的に接続された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、かつ直接第３の端子に電気的に接続されている障害状態を有することができる。一部の実施形態では、スイッチは、ドーム型バイメタルディスクなどのバイメタル要素を含むことができる。これを作動して、正常状態から障害状態にスイッチを移行させることができ、又はその逆に移行させることができる。一部の実施形態では、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器は、第１の端子と第２の及び第３の端子のうちの１つとの間に設けることができる。
【００１６】
図１Ａは、一実施形態による、正常動作状態における電気システム１の概略回路図である。電気システム１は、負荷Ｌと、直列に接続された複数の電池セル２ａ〜２ｅとを含むことができる。一連の電池セルの極性は、本明細書に開示されている全ての図の場合と同
様に、図１Ａに示されているのとは逆であってもよいことが理解されるであろう。例えば、一部の実施形態では、電池セル２ａ〜２ｅは、負荷Ｌに十分な電力を供給する任意の適切な種類の電池セルを含むことができる。電池セル２ａ〜２ｅは、例えば、リチウムイオン電池セル又はリチウムポリマー電池セルを含むことができる。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（ハイブリッド車両又は電気自動車など）の構成要素、電気エネルギー貯蔵システムの構成要素、又は他の任意の適切な電気又は電子システムなど、任意の適切な種類の電気負荷を含むことができる。一部の実施形態では、電池セル２ａ〜２ｅは、太陽光発電及び蓄電システムにおけるエネルギー貯蔵のために使用されてもよい。図１Ａに示す実施形態では、電池セル２ａ〜２ｅは直列に接続されているが、他の配置では、電池セルは並列に接続されてもよく、それらの組み合わせであってもよいことが理解されるべきである。更に、図１Ａでは、５つの電池セル２ａ〜２ｅが図示されているが、任意の適切な数のセルが使用されてもよいことが理解されるべきである。
【００１７】
図１Ａにおいて、電池セル２ｃには、障害状態から回路を保護するための電気遮断器３が接続されている。遮断器３は、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器５に接続されたスイッチ４を含むことができる。図１Ａの実施形態では、例えば、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、他の構成で接続されてもよい。図示された実施形態では、スイッチ４は、熱作動機械的スイッチ、特にバイメタル要素である。本明細書で説明したように、ＰＴＣ抵抗器５は、温度が高くなるほど抵抗が増加する抵抗要素を含むことができる。ＰＴＣ抵抗器５は、セラミックＰＴＣ抵抗器又は高分子ＰＴＣ抵抗器を含む、任意の適切な種類のＰＴＣ抵抗器とすることができる。遮断器３は、障害状態からの回路の保護を提供するものとして示されているが、各セル２ａ〜２ｅ（又はその任意の組み合わせ）は、障害保護を提供するためにそれ自身の遮断器に接続されてもよいことが理解されるべきである。図１Ａに関連して以下に説明するように、例えば、バイパス回路６をセル２ｃの周囲に配線して、障害状態において電流の全部又は大部分をセル２ｃから迂回させることができる。
【００１８】
図１Ａに示すシステム１は、正常動作状態で示されており、スイッチ４は、入力端子とみなすことができる第１の端子Ｔ１と、第１の出力端子又は一次出力端子とみなすことができる第２の端子Ｔ２とを電気的に接続している。図１Ａに示すように、第１の端子Ｔ１は、スイッチ４と隣接する電池セル２ｄとの間に配置されている。第２の端子Ｔ２は、スイッチ４と障害状態からの保護対象セル２ｃとの間に配置されている。図示された実施形態では、ＰＴＣ抵抗器５は、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２とを電気的に接続するスイッチ４と並列に配置されている。電気システム１の正常動作の間、各セル２ａ〜２ｅがシステムに電圧Ｖを供給する場合、直列に接続されたセル２ａ〜２ｅは、集合的に５＊Ｖの電圧を負荷Ｌに供給する。
【００１９】
電池セル２ａ〜２ｅは、負荷Ｌに第１の電流Ｉ１を供給することができる。遮断器３内では、ＰＴＣ抵抗器５がスイッチ４と並列に設けられているため、スイッチ４を介して第２の電流Ｉ２が流れ、ＰＴＣ抵抗器５を介して第３の電流Ｉ３が流れることができ、Ｉ１＝Ｉ２＋Ｉ３となる。また、システム１の正常動作の間、スイッチ４の抵抗Ｒｓは、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣよりも大幅に小さくてもよい。例えば、正常動作状態では、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣは１Ω〜２０Ωの範囲であってもよく、スイッチ４の抵抗Ｒｓは１ｍΩ〜１０ｍΩの範囲であってもよい。したがって、スイッチ４の抵抗Ｒｓが比較的低いため、電流の大部分がＰＴＣ抵抗器５を通過せずにスイッチ４を流れることになる。一部の実施形態では、例えば、正常動作中に、スイッチ４を通って流れてＰＴＣ抵抗器を迂回する第２の電流Ｉ２は、ＰＴＣ抵抗器５を通って流れる第３の電流Ｉ３の１００倍より多く、１，０００倍より多く、又は１０，０００倍より多くてもよい。したがって、有利には、スイッチ４の比較的低い抵抗Ｒｓは、正常動作状態の間、より大きな電気シス
テム１の電気的性能を低下させない可能性がある。
【００２０】
図１Ｂは、図１Ａに示すシステム１の障害状態における概略回路図である。別段明記しない限り、図１Ｂに示す参照数字は、図１Ａに示す参照数字と同じ構成要素を表している。上述したように、障害状態では、セル２ｃは、過剰な温度及び／又は電流が発生する可能性がある。セル２ｃを通過する温度及び／又は電流が所定の温度及び／又は電流を超えると、スイッチ４は、図１Ａに示す正常状態から図１Ｂに示す障害状態に移行することができる。例えば、図２Ａ〜図３Ｂに関連して以下に説明するように、障害状態では、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を迂回するバイパス回路６への電気的接続を提供することができる。このように、障害状態では、スイッチ４は、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ために、（過温度障害及び／又は過電流障害が発生する）セル２ｃを迂回することができる。障害状態では、電流の大部分は、セル２ｃの温度及び／又はセル２ｃを通って流れる電流の更なる上昇を防ぐために、過温度障害及び／又は過電流障害が発生しているセル２ｃを迂回する。
【００２１】
図２Ａは、一実施形態による、図１Ａ〜図１Ｂの実施形態において正常動作状態で使用可能な電気遮断器３の概略側面断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す遮断器３の概略回路図である。図３Ａは、図２Ａの電気遮断器３の障害状態における概略側面断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示す遮断器３の概略回路図である。図２Ａ及び図３Ａに示すように、遮断器３は、第１の端子Ｔ１、第２の端子Ｔ２及び第３の端子Ｔ３が結合されるハウジング１０を含む電気機械式デバイスを含むことができる。ハウジング１０は、１又は複数の相互接続部１３を介して、第２の端子Ｔ２及びＰＴＣ抵抗器５に電気的に接続された第１の導電線１２を含むことができる。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を含むことができる。
【００２２】
スイッチ４は、可動（例えば、枢動可能又は屈曲可能な）導電性アーム８と、スイッチング要素７とを含むことができる。枢動可能なアーム８は、第１の端子Ｔ１とスイッチング要素７とを接触させて電気的に接続することができる。例えば、図２Ａに示す正常状態では、枢動可能なアーム８は、スイッチング要素７の中央部分に電気的に接触することができる。例えば、図２Ａでは、枢動可能なアーム８が正常状態で示されており、枢動可能なアーム８の遠位端部分の接点１５は、第１の導電線１２及び第２の端子Ｔ２に接触し、電気的に接続されている。図３Ａでは、枢動可能なアーム８が障害状態で示されており、別の接点１６が、第２の導電線１４及び第３の端子Ｔ３に接触し、電気的に接続されている。障害状態では、枢動可能なアーム８はまた、スイッチング要素７の対向する端部部分でスイッチング要素７に電気的に接触することができる。
【００２３】
枢動可能なアーム８は、スイッチング要素７とＰＴＣ抵抗器５との係合により、正常状態から障害状態へと移行することができる。例えば、スイッチング要素７は、電気機械式スイッチング要素又は熱機械式スイッチング要素、特に温度変化に応じて形状が変化するドーム型のバイメタル要素を含むことができる。正常動作の間、図２Ａ及び図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、枢動可能なアーム８を通過する。しかし、小さなトリクル電流Ｉ３（破線で示す）は、第２の端子Ｔ２及び第１の導電線１２から、ＰＴＣ抵抗器５及びスイッチング要素７を介して枢動可能なアーム８へ通過する。上述したように、正常動作の間、ＰＴＣ抵抗器５を迂回する電流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。
【００２４】
遮断器３を流れる温度及び／又は電流が所定値を超えると、遮断器３は、図２Ａ〜図２
Ｂに示す正常動作状態から図３Ａ〜図３Ｂに示す障害状態に移行する。例えば、スイッチング要素７の温度が、製造プロセスで選択及び調整可能な特定の温度閾値を超える場合、スイッチング要素７は、図２Ａの下向きに湾曲した形状から図３Ａの上向きに湾曲した形状に切り替わることができる。過剰な電流は、ＰＴＣ抵抗器５及びＰＴＣ抵抗器５に接触するスイッチング要素７の対応する温度上昇を引き起こすので、ＰＴＣ抵抗器５はまた、スイッチング要素７の温度を上昇させることができる。スイッチング要素７が図３Ａに示す上方に湾曲した形状に変化すると、枢動可能なアーム８の遠位端部分の接点１６が接触し、第２の導電線１４及び第３の端子Ｔ３に電気的に接続する（又は他の実施形態では第３の端子Ｔ３に直接、電気的に接続する。図示せず）。スイッチング要素７は、正常状態では下向きに湾曲し、障害状態では上向きに湾曲しているように示されているが、他の配置では、遮断器はまた、スイッチング要素７が正常動作状態では上向きに湾曲した形状にあり、障害状態では下向きに湾曲した形状にあるように構成されてもよいことを理解すべきである。
【００２５】
このように、障害状態では、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に流れる。セル２ｃの温度（図１Ｂ）に応じてＰＴＣ抵抗器５の温度が上昇すると、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣもそれに対応して上昇する。温度上昇に伴うＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣの増加により、電流Ｉ２の大部分は、第２の導電線１４及び第３の端子Ｔ３から枢動可能なアーム８へと流れる。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を迂回する。しかしながら、小さなトリクル電流Ｉ３は、依然として、第１の導電線１２及び第２の端子Ｔ２から、ＰＴＣ抵抗器５及びスイッチング要素７（例えば、スイッチング要素７の端部部分）を経て、枢動可能なアーム８及び第１の端子Ｔ１へと流れる。図５に関して以下で更に詳細に説明するように、トリクル電流Ｉ３は、セル２ｃから少量の電流を供給して、本質的なデバイス機能を可能にし得るものである。これは、ＰＴＣ抵抗器５によって生成された熱が、スイッチ４がチャタリングすること、すなわち、障害モードと正常動作モードとの間で繰り返し切り替わることを防ぐために、初期障害状態の後に高温を維持するためである。当業者は、ＰＴＣ抵抗器５を通るトリクル電流Ｉ３が、正常状態と障害状態の下で異なる大きさを有し得ること、及び障害状態の出現中にＩ３の大きさが変化し得ることを理解するであろう。
【００２６】
図４は、種々の実施形態による、例示的なスイッチ４が正常動作状態から障害状態にトリップする電流及び温度を示すグラフである。特に、図４は、市販のＫｏｍａｔｓｕｌｉｔｅ（商標）ＫＣＡシリーズＡ型遮断器（Ｂｏｕｒｎｓ，Ｉｎｃ．、カリフォルニア州リバーサイド）で使用されるドーム型バイメタルスイッチの電流対温度のプロットである。特に、図４は、シリーズＡ型遮断器の４つの異なるバージョンの電流対温度をプロットしている。図４において、線は、特定の遮断器が障害状態にトリップする温度と電流の組み合わせを表している。このように、各線より下の領域は正常状態を示し、各線より上の領域は障害状態を示している。図４に示すように、スイッチ４は、比較的高温（低電流であっても）及び／又は比較的大電流（低温であっても）では、正常動作状態から障害状態にトリップすることができる。例えば、スイッチ４が６５℃〜８５℃の範囲、より具体的には７０℃〜８０℃の範囲の所定の温度に達したときに、スイッチ４は、設計に応じて、正常動作状態から障害状態にトリップすることができる。
【００２７】
ＰＴＣ抵抗器５を使用することは、一部の実施形態において種々の利点を提供することができる。本明細書で説明したように、ＰＴＣ抵抗器５は、初期障害状態の後に昇温状態を維持することにより、正常状態と障害状態との間で遮断器３が高速でチャタリングすることがないように、スイッチ４と遮断器３とを安定して動作させることができる。更に、ＰＴＣ抵抗器５の温度を低下させることで、状況によっては、遮断器３を障害状態から正常動作状態にリセットすることを補助することができる。
【００２８】
図５は、種々の実施形態による、例示的なＰＴＣ抵抗器の温度と抵抗との関係を示す概略グラフである。例えば、図５に示すように、所定の障害温度Ｔｆ以下の温度では、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣは、比較的低いレベル（ただし、スイッチ４の抵抗ＲＳよりも高いレベル）であり得る。ＰＴＣ抵抗器５の温度が所定の障害温度Ｔｆに達すると、温度の上昇に伴って抵抗ＲＰＴＣは大きく上昇し得る。図１Ａ〜図３Ｂの遮断器３では、ＰＴＣ抵抗器５の温度が上昇することにより、ＰＴＣ抵抗器５に接触するスイッチング要素７の温度を更に上昇させることができる。このように、ＰＴＣ抵抗器５の温度の上昇は、スイッチング要素７の形状を変化させ、図３Ａ〜図３Ｂに示す障害状態にトリップさせることを加速させるか、又は他の場合には補助することができる。
【００２９】
ＰＴＣ抵抗器５の対応する高抵抗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。迂回されたセル２ｃの温度が（例えば、迂回されたセル２ｃを通過する電流が減少したために）低下した場合、ヒステリシスと、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣが、障害の原因となるより高い温度に伴って増加するという事実とにより、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣは、依然として高い抵抗ＲＰＴＣを有してもよく、これにより、ＰＴＣ要素が存在しない場合よりも長くスイッチング要素（例えば、バイメタル要素）を障害状態に維持するために、自己発熱する。すなわち、ＰＴＣ抵抗器５の温度が大幅に低下しても、リセット温度Ｔｒ以下に低下するまでは、ＰＴＣ抵抗器５は、障害状態に起因する高抵抗ＲＰＴＣレベルを維持する。
【００３０】
有利には、図５に示すヒステリシスにより、遮断器３がチャタリングモードで動作することを防止することができる。チャタリングモードでは、図５に示すようなヒステリシスがなければ、温度が（少しでも）低下すると、バイメタルスイッチング要素７の温度が低下し、早期に正常動作状態に切り替わってしまう。動作状態の電流が増加すると、スイッチング要素７の温度が再び障害温度Ｔｆを超えて上昇し、遮断器が正常動作状態から障害状態に切り替わって再び戻ることを繰り返す可能性がある。このような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可能性がある。
【００３１】
したがって、図５に示すヒステリシスにより、ＰＴＣ抵抗器５は、高い抵抗を維持し、それに対応する比較的高い温度を維持することができ、これにより、温度がリセット温度Ｔｒに低下するまで、スイッチング要素７を障害状態に維持することができる。更に、ＰＴＣ抵抗器を介した小さなトリクル電流Ｉ３は、チャタリングを防止するために温度を十分に高く保つのに役立つことができる。遮断器３の温度がリセット温度Ｔｒ以下に低下すると、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗は、正常動作状態の抵抗ＲＰＴＣに戻ることができる。種々の実施形態では、障害温度Ｔｆは、６５℃〜８５℃の範囲内、より具体的には７０℃〜８０℃の範囲内であり得る。種々の実施形態では、リセット温度Ｔｒは、３０℃〜６０℃の範囲、より具体的には４０℃〜５５℃の範囲であり得る。
【００３２】
このように、図１Ａ〜図３Ｂの遮断器３は、有利には、安定した動作状態及び障害状態を維持するために、スイッチ４に接続されたＰＴＣ抵抗器５を（例えば、並列に）採用することができる。図１Ａ〜図３Ｂの遮断器３は、有利には、一部の配置において、（例えば、電流及び／又は温度の十分な減少によって）障害状態が治まった場合に遮断器３が正常動作状態に戻ることができるように、自己復帰型であり得る。更に、本明細書で説明したように、遮断器３は、チャタリングすることなく、安定して障害状態に移行し、正常動作状態に復帰することができる。
【００３３】
図６Ａは、別の実施形態による、正常動作状態における電気システム１の概略回路図である。図６Ｂは、図６Ａに示すシステム１の障害状態における概略回路図である。別段明記しない限り、図６Ａ〜図６Ｂの構成要素は、図１Ａ〜図３Ｂに関連して示され、説明さ
れたものと同じ又は概して類似した特徴を表す。例えば、図１Ａ〜図１Ｂの実施形態と同様に、特定の電池セル２ｃの周囲に電流を迂回するための遮断器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、遮断器３は非自己復帰型であってもよい。このように、図６Ａ〜図６Ｂの実施形態では、一旦スイッチ４が正常動作状態から障害状態にトリップすると、スイッチ４は自動的に正常動作状態に戻ってリセットされることはない。したがって、遮断器３は、障害状態が発生するセル２ｃの周囲に電流を迂回させる非自己復帰型スイッチとして機能してもよい。電池管理システムは、迂回されたセル２ｃを横切る電圧の低下を検出することができ、セル２ｃが適切に動作しておらず、回路からシャントアウトされたことをユーザに警告することができる。ユーザは、セル２ｃを交換又は固定することで警告に対応することができ、手動で遮断器３をリセット又は交換することができる。
【００３４】
図６Ａ〜図６Ｂの実施形態では、遮断器３は、図１Ａ〜図３Ｂに示すＰＴＣ抵抗器５などのＰＴＣ抵抗器を含まなくてもよい。このような配置では、スイッチ４は、遮断器３の温度が上昇するにつれて形状が変化する（例えば、反転する）バイメタルスイッチング要素（スイッチング要素７と同様）を含んでもよい。遮断器が障害状態に達すると、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を迂回することができる。また、非自己復帰型遮断器３において、スイッチング要素は、温度の低下によってスイッチング要素が正常動作状態に復帰しないような形状とすることができる。
【００３５】
更に他の配置では、非自己復帰型遮断器３は、図１Ａ〜図３Ｂに示すものと同様のＰＴＣ抵抗器を含んでもよいが、スイッチ４（及び関連するスイッチング要素）の形状は、スイッチ４が障害状態にトリップした後に正常状態に戻ることを防止するように選択されてもよい。このような配置では、ＰＴＣ抵抗器は、障害状態をトリガするようにバイメタルスイッチング要素をより急速に加熱するように機能することができる。上述したように、ＰＴＣ抵抗器はまた、重要なデバイス機能を可能にするために、セル２ｃを介して小さなトリクル電流を流すことを可能にしてもよい。
【００３６】
このように、種々の実施形態では、遮断器３は、スイッチ４が、チャタリングのない安定した方法で、正常動作状態と障害状態との間を行ったり来たりすることができるような自己復帰型であってもよい。一部の実施形態では、遮断器３は、障害状態にトリップした後、スイッチ４が自動的に正常動作状態に戻らないような非自己復帰型であってもよい。
【００３７】
図６Ｃは、正常動作状態における非自己復帰型遮断器３の概略回路図であり、種々の実施形態による、図６Ａ〜図６Ｂの実施形態と組み合わせて使用することができる。図６Ｄは、図６Ｃの非自己復帰型遮断器３の障害状態における概略回路図である。図６Ｃ〜図６Ｄは、遮断器３が、自動自己復帰型でない方法、例えば、非自己復帰型の方法、又はユーザによる手動自己復帰型の方法で作製され得る一例を示している。例えば、図６Ｃに示す正常動作状態では、スイッチ４は、第１の端子Ｔ１を第２の端子Ｔ２に電気的に接続することができる。種々の実施形態では、スイッチ４は、上述したように、バイメタル要素を含むことができる。他の実施形態では、スイッチ４は、他の種類のスイッチを含むことができる。図６Ｃに示すように、Ｔ２又はＴ３のいずれかに接続するスイッチ４の端部には、機械的なバネ５５を機械的に接続することができる。図６Ｃの正常動作構成において、バネ５５は、正常動作状態の間、バネ５５に機械的なポテンシャルエネルギーが蓄積されるような圧縮状態にあり得る。
【００３８】
上述したように、（ドーム型要素などのバイメタルスイッチング要素を含み得る）スイッチ４の温度が閾値を超える場合、図６Ｄに示すような障害状態において、第１の端子Ｔ１を第２の端子Ｔ３に接続するようにスイッチ４を逆転又は反転させることができる。図示していないが、スイッチ４に対する加熱効果を高めるために、図６Ｃの経路に沿って追
加の抵抗器を設けてもよい。スイッチ４が図６Ｃに示す第３の端子Ｔ３に移動すると、バネ５５は、弛緩構成又は拡張構成に移行してもよく、バネ５５は、スイッチを第２の端子Ｔ２に戻す傾向の力に抵抗する。このように、バネ５５は、スイッチ４のヒステリシス特性により、スイッチ４が第２の端子Ｔ２に戻るのを防止することができ、その結果、スイッチ４は、自動自己復帰型ではない。一部の実施形態では、遮断器３は、非自己復帰型とすることができ、遮断器は、一回限りの使用ヒューズを含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、遮断器３は手動自己復帰型とすることができ、その場合、ユーザは、例えば、図６Ｃに示す構成にバネ４４を再圧縮するボタンを押すことによって、第２の端子Ｔ２に接続するためのスイッチ４を手動でリセットすることができる。
【００３９】
図７は、更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。一部の配置では、図７に示すシステム１は、図１Ａ〜図６Ｂに開示された実施形態を利用したシステムの性能をモデル化するために使用することができる。他の配置では、システム１は、本明細書に記載されているように、実質的に３端子遮断器として機能するように物理的に（例えば、ディスクリート電気部品及び／又は集積回路／デバイス技術を使用して）実施することができる。別段明記しない限り、図７の構成要素は、図１Ａ〜図６Ｂに関連して示され、説明されたものと同じ又は概して類似した特徴を表す。例えば、システム１は、直列に接続された複数の電池セルＢＴ１、ＢＴ２、ＢＴ３を含むことができる。遮断器３は、障害状態からの保護対象である特定のセル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、遮断器３は、ＰＴＣ抵抗器５に接続されたスイッチ４を含むことができる。図７では、スイッチ４はＰＴＣ抵抗器５と並列に配置されてもよいが、他の実施形態では、ＰＴＣ抵抗器５は他の場所に配置されてもよい。スイッチ４及び／又はＰＴＣ抵抗器５の温度が上昇すると、ＰＴＣ抵抗器５の抵抗ＲＰＴＣもそれに対応して上昇する。更に、スイッチ４及び／又はＰＴＣ抵抗器５の温度の上昇により、温度及び／又は電流が所定の閾値を超えたときにスイッチ４を開放することができる。
【００４０】
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が第３の端子Ｔ３に直接接触していない場合がある。これに対し、セル２ｃを迂回するバイパス回路６は、正常動作状態では常開状態にあるリレー２０を含んでもよい。障害状態の間、感知回路３０（これはまた、電流感知抵抗器、磁気電流抵抗器、及び／又は温度感知サーミスタを含み得る）は、スイッチ４が障害状態にトリップしたときに、遮断器３を横切る電圧降下を検出することができる。感知回路３０は、リレー２０に信号を送ってリレー２０を閉鎖し、保護セル２ｃの周囲に電流を流すことができる。このように、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、感知回路３０は、遮断器３を横切る電圧降下に基づいて障害状態を検出し、スイッチ４が開放されている間、リレー２０を第３の端子Ｔ３に接続させることができる。
【００４１】
実施例
図７に示すシステム１の自動試験は、専用の試験ボードと外部ホルダを用いて、３個の３．６Ｖｄｃリチウムイオンセル（ＢＴ１、ＢＴ２、ＢＴ３に対応）を２．５Ａｈで試験するものである。試験ボードは、ケルビンモードで接続された３つの抵抗温度検出器（ＲＴＤ）温度センサと、外部ホルダ内の個々の電池セルＢＴ１、ＢＴ２、ＢＴ３と、外部負荷と、ネジ式端子台を介して接続される遮断器３とを含むことができる。本実施例の試験で使用した遮断器３は、Ｋｏｍａｔｓｕｌｉｔｅ（商標）モデルＮＲ８２ＣＢＯ（Ｂｏｕｒｎｓ，Ｉｎｃ．製、カリフォルニア州リバーサイド）である。端子台は、ＲＴＤを測定するためのケルビン方式の外部抵抗測定器を接続するために使用することもでき、他の３つのネジ端子は、ＲＴＤのシールドの接地に使用されてもよい。
【００４２】
本試験は、遮断器３に大電流常開リレー２０を追加して、遮断器３が単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチング動作を有するかの如く機能するように実施することができる。遮断器３
の電圧降下が監視されている。例示的な試験手順では、遮断器３を横切る０．６５Ｖｄｃ以上の電圧がリレー２０を閉鎖させ、遮断器がトリップして開放されたことを示す。遮断器３を横切る０．５Ｖｄｃ以下の電圧により、リレー２０が開放状態となり、遮断器がリセットされたことを示す。当該動作により、リレー２０と遮断器の接点は、ＳＰＤＴスイッチをエミュレートすることができる。遮断器３が閉鎖されているとき、又はトリップしていないときには、３つのセルＢＴ１〜ＢＴ３が直列に接続されており、任意に負荷をかけてもよい。ボード上の２４０Ωの軽負荷は、全てのセルＢＴ１〜ＢＴ３にまたがって配置することができる。また、外部に取り付けられた負荷（例えば、１０Ａまで）は、セルをまたいで接続することができる。遮断器３は、３個のセルが連続している第２のセルＢＴ２又は中央セルＢＴ２を保護するために適用することができる。過電流障害及び／又は過熱障害のために遮断器３が開放されると、第２のセルＢＴ２は、一連の３つのセルから迂回され、開放された遮断器を横切って短絡状態となり、ＰＴＣ抵抗器５を加熱するためのエネルギーを供給する。第２のセルＢＴ２がＰＴＣ抵抗器５を暖めて遮断器３を開放状態に維持するための電荷を有している限り、当該動作によって遮断器３が開放状態に維持される。保護セル電圧が、遮断器のＰＴＣ抵抗器５が遮断器３をリセットできる程度に冷却されるレベルまで低下すると、遮断器３がリセットされ、外部リレー２０が開放される。当該動作は、保護セルＢＴ２を再び一連の３つのセルに戻す。試験手順を実施して、遮断器３が開放された状態でトリップした後、保護セルＢＴ２が放電しすぎてそれを継続できなくなる前に、保護セルＢＴ２が遮断器３を開放し続け得る時間を決定できる。
【００４３】
また、ソフトウェアは、試験手順を実施するために実施されている。ソフトウェアは、コンピュータ上のユーザインタフェースでプログラムされ、図７のシステム１を自動的に試験するように構成することができる。遮断器３がトリップした場合、ソフトウェアは、トリップした遮断器の時間、各セルＢＴ１〜ＢＴ３の電圧、遮断器３を横切る電圧、接続されたセルＢＴ１及びＢＴ３を横切る合計電圧、ＰＴＣ抵抗器５を通る電流、保護セルＢＴ２及び遮断器３の温度、他のセルＢＴ１及びＢＴ３の温度、並びに／又は他の適切なデータを繰り返し記録する。プログラムは、（１）ＢＴ１〜ＢＴ３のいずれかの電圧が１．１０Ｖｄｃ未満に低下する、（２）遮断器３が閉鎖状態にリセットされる（例えば、０．２Ｖｄｃ未満の遮断器電圧で示される）、（３）ＢＴ１〜ＢＴ３の３つのセルのいずれかの温度が８５℃を超える、若しくは（４）遮断器電流が５ｍＡ未満である（例えば、遮断器３の障害による）、かつ／又はその他の適切な所定の条件の任意の組み合わせが満たされたときに、終了することができる。
【００４４】
また、試験ボード及びシステム１は、電池セルＢＴ１〜ＢＴ３を充電するために使用することができる。セルＢＴ１〜ＢＴ３は、３つの独立した充電源を用いて個別に同時に充電することができ、又は、３つの電池セルＢＴ１〜ＢＴ３のストリング全体を、単一セルの３倍の充電電圧を用いて単一の充電源を用いて一度に充電することができる。本配置では、３つのセルＢＴ１〜ＢＴ３全てが、４．１０Ｖｄｃの最大電圧で定電流（例えば、最大１Ａに制限される）を印加することにより、個別に初期充電される。特定のセルの電圧が４．１０Ｖｄｃに達し、充電電流が１００ｍＡに低下すると、充電が完了したとみなされ、終了する。
【００４５】
一部の配置では、試験ボード及びシステム１を使用して、１２．３Ｖｄｃ／１Ａのソースを用いて、０．４Ｃの充電レートで３つのセルＢＴ１〜ＢＴ３の充電を試験することができる。例えば、遮断器３がリセットされたためにソフトウェアが終了したこと、又は中断されたことをシステム１が検出した場合、かつＢＴ２の電圧が正である場合、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。３つのセルＢＴ１〜ＢＴ３にわたって最大電圧１２．３Ｖｄｃで１Ａの電流を流して充電することができる。したがって、システム１は、電池管理システムとして機能することができ、各セルＢＴ１〜ＢＴ３の電圧、３つのセル全ての合計電圧、アンペア単位の電流、及び各セルＢＴ１〜
ＢＴ３の温度を測定することができる。充電動作は、（１）セルＢＴ１〜ＢＴ３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／又はセルＢＴ１〜ＢＴ３のいずれかの温度が５０℃を超えている、の条件の任意の組み合わせが発生したときに、終了することができる。
【００４６】
本明細書に開示された実施形態は、電池を利用する電気システム及びデバイスに関するものであってもよいが、本明細書に開示された遮断器３は、任意の他の適切な種類の回路要素で使用することができることを理解すべきである。例えば、本明細書に開示された遮断器３は、過温度障害及び／又は過電流障害状態の影響を受けやすい任意の回路要素に使用されてもよい。更に、本明細書に開示された遮断器３は、直流（ＤＣ）及び交流（ＡＣ）の両方のアプリケーションを含む非電池電源システムに使用されてもよい。
【００４７】
ＩＩ．電池ハウジングの実施例
一部のシステムでは、電池セルは、金属リボン又は他の種類の電気的相互接続部を使用して一緒に接続されている。リボン又は他の相互接続部は、セルの正端子及び負端子にスポット溶接、はんだ付け、又はその他の方法で接合してもよい。例えば、（電動自転車で使用されるような）円筒形のリチウムイオンセルは、典型的には、リボン相互接続部を使用して直列又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、又は他の種類の金属接合プロセスを利用した接続でセルを置き換えるために、ユーザは、接合部を壊し、電池セルを交換し、所望の金属接合プロセスを利用して、新しい電池セルへの接続を再接合する。しかし、溶接、はんだ付け等の金属接合プロセスでは、接合部を形成するために過剰な時間、設備、及び／又は専門知識を必要とする場合がある。更に、２つの電池セル間の金属接合部が十分な電気的接続を提供する場合であっても、相互接続部及び接合部が十分に収容されていないか、又はコンパクトに包装されていない場合がある。例えば、一部の配置では、適切な包装が提供されていない場合、相互接続部及び／又は接合部は、絡み合い、かつ／又は揺動する可能性がある。種々の実施形態では、図１Ａ〜図７に関して本明細書に開示された遮断器３はまた、適切な金属接合プロセスを用いて、溶接、はんだ付け、又は他の方法で相互接続部及び／又は電池と接合されてもよい。しかし、上述したように、このような金属接合プロセスは、時間とコストを要し、専門的な知識が必要となる場合がある。本明細書に開示された電池ハウジングは、図１Ａ〜図７に関連して上述したいずれかの遮断器３と組み合わせて使用することができる。
【００４８】
このように、本明細書に開示された種々の実施形態は、図１Ａ〜図７に関連して上で開示された機能及び／又は形態を有する回路遮断器を組み込んだモジュール式電池ハウジングを利用するものである。電池ハウジングは、１又は複数の電池セルを受容するためのサイズ及び形状のキャビティを画定するハウジング本体を含むことができる。スイッチを有する遮断器（図１Ａ〜図７に関して開示された遮断器３と類似又は同一であってもよい）は、ハウジング本体と結合又は統合されてもよい。第１の導電体は、ハウジング本体の第１の端部部分に配置され、スイッチに電気的に接続することができる。第１の導電体は、電池の第１の電池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の導電体は、ハウジング本体の第２の端部部分に配置することができる。第２の導電体は、電池セルの第２の電池セル端子に電気的に接続して、第１の導電体と第２の導電体との間に第１の電気経路を画定するように構成することができる。また、バイパス導体をハウジング本体に結合することもできる。バイパス導体は、スイッチと第２の導電体とに電気的に接続して、スイッチと第２の導電体との間に第２の電気経路を画定することができる。
【００４９】
正常状態では、遮断器は、全ての電流が、第１の導電体と第２の導電体との間の電池セルを通る第１の電気経路に沿って流れるように構成されてもよい。障害状態（過温度状態及び／又は過電流状態など）では、遮断器は、電流の大部分（又は全て）が電池セルを迂回し、スイッチと第２の導電体との間の第２の経路に沿って流れるように構成されてもよ
い。一部の実施形態では、障害状態では、少数の電流が電池セルを流れる。有利には、本明細書に開示された電池ハウジングは、溶接、はんだ付けなどの金属接合プロセスを行うことなく、ユーザが電池セルを電池ハウジングのキャビティ内に単にスナップさせることを可能にし得る。更に、電池ハウジングは、１又は複数の電池セルのためのコンパクトな構造的支持体を提供し、かつ、複数の電池ハウジングを互いに接続して任意の数の電池セルを直列又は並列に提供し得るモジュール式構造を提供する。ハウジング本体は、ハウジングの構成要素が互いに短絡するのを防ぐために、セルの絶縁体被覆ハウジング、セル接点、モジュール式電池端子、及び導電性セグメントなどの導電性構成要素を機械的及び電気的に分離することができる絶縁壁を含んでもよい。ハウジング本体は、ハウジングの構成要素が互いに短絡するのを防ぐために、セルの絶縁体被覆ハウジング、セル接点、リード、及び導電性セグメントなどの導電性構成要素を機械的及び電気的に分離するためのエアギャップを提供する絶縁性スペーサ要素を代替的又は追加的に含んでもよい。
【００５０】
図８Ａは、一実施形態による電池ハウジング１００の上面、正面、右方向の概略斜視図である。図８Ｂは、図８Ａに示す電池ハウジング１００の底面、正面、左方向の概略斜視図である。電池ハウジング１００は、ハウジング本体１０１を含むことができ、ハウジング本体１０１は、１又は複数の壁１１０を有し、１又は複数の電池セル（図９Ａ〜図９Ｂを参照）を受容するようなサイズ及び形状のキャビティ１０２を画定する。ハウジング本体１０１の壁１１０は、絶縁材料を含むことができ、絶縁材料は、セルを受容するためのレセプタクルを画定し、壁１１０に結合されているか、又は壁１１０と形成されている導電性材料を電気的に分離するのに役立つ。例えば、壁１１０の絶縁材料は、プラスチック又はポリマー材料、セラミック材料等を含んでもよい。
【００５１】
ハウジング本体１０１は、第１の端部１１１（例えば、上側）と、第１の端部１１１に対向する第２の端部１１２（例えば、下側）を含むことができる。第１の壁１１０ａ及び第２の壁１１０ｂは、第１の端部１１１と第２の端部１１２との間に延在することができ、電池セルの幅を受容するのに十分な距離だけ、図示されたｙ軸に沿って互いに離間することができる。第３の壁１１０ｃ及び第４の壁１１０ｄは、それぞれの第１の端部１１１及び第２の端部１１２に配置することができ、電池セルの長さを受容するのに十分な距離だけ、図示されたｚ軸に沿って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の壁１１０ｃ及び第４の壁１１０ｄの各々は、電池セルの端子が露出し得る開口部１１７を含んでもよい。キャビティ１０２は、第１、第２、第３、及び第４の壁１１０ａ〜１１０ｄによって画定されてもよい。図示された実施形態では、キャビティ１０２は、ハウジング１００の両端（例えば、左端及び右端）のｚ−ｙ平面内に画定された開口によっ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。そのような実施形態では、キャビティ１０２は、電池セル（単数）又は電池セル（複数）を挿入及び／若しくは取り外すときに開閉可能な１又は複数のドアを提供することによってアクセスされてもよく、かつ／又は第１の壁１１０ａ及び第２の壁１１０ｂの開口部を介してアクセスされてもよい。
【００５２】
図８Ａ〜図８Ｂに図示されたキャビティ１０２は、２つの円筒形リチウムイオン電池セルなどの２つの電池セルを受容するようなサイズ及び形状を有しているが、キャビティ１０２は、他の種類、サイズ、形状又は数の電池セルを受容するように形状を有してもよいことが理解されるべきである。例えば、キャビティ１０２は、代わりに、１個の電池セルのみを受容するサイズであってもよく、３個の電池セル、４個の電池セル、５個の電池セル、６個の電池セル、７個の電池セル、８個の電池セル、又は８個を超える電池セルを受容するサイズであってもよい。更に、図８Ａ〜図８Ｂに示すキャビティ１０２は、細長い円筒形の電池セルを受容するように形成されているように示されているが、他の配置では、キャビティ１０２は、長方形、正方形、又は多角形の断面を有する電池セルを受容する
ように、又はコインプロファイル（例えば、電池セルの高さ又は長さが幅又は直径よりも小さい）を有する電池セルを受容するようなサイズ及び形状を有してもよい。
【００５３】
有利には、ハウジング本体１０１及びキャビティ１０２は、電池セルをハウジング１１０に接続するための工具を必要とせずに、例えば工具レス接続によって、電池セルをハウジング本体１０１にスナップさせることができるようなサイズ及び形状とすることができる。例えば、一部の実施形態では、電池セルの電池セル端子に接続するセル接点は、電池セルが接点の間でスナップすることができるように（例えば、電池セルが接点の間で付勢され、接点を互いに離れて偏向させることができるように）、電池セルの長さよりも短い距離だけ離間することができる。他の実施形態では、ハウジング本体１０１の（ｚ軸に沿った）長さ及び／又は（ｙ軸に沿った）幅は、電池セルのそれぞれの長さ及び幅の寸法よりもわずかに小さくなるように選択されてもよい。ハウジング本体１０１は、ユーザがわずかに大きい電池セル（又は複数の電池セル）をキャビティ１０２内に付勢することができ、ハウジング本体１０１が電池セル（単数）又は電池セル（複数）を屈曲させて受容するために十分に適合していてもよい。電池セル（単数）又は電池セル（複数）がハウジング１００内に入ると、ハウジング本体１０１は、電池セル（単数）又は電池セル（複数）をキャビティ１０２内に固定するために弛緩させることができる。このようなスナップフィット接続は、比較的簡単な電池セルの設置又は交換プロセスを可能にする。この場合、電池セル（単数）又は電池セル（複数）は、スナップフィット接続によってハウジング１００に機械的及び電気的に接続される。スナップフィット接続が本明細書に記載されているが、セルとハウジングとの間の他の工具レス接続が使用されてもよいことが理解されるべきである。更に、一部の実施形態では、セルは、任意の適切な金属接合プロセス又は材料を使用して、セル接点１０５ａ〜１０５ｃに接続されてもよい。例えば、一部の実施形態では、セル接点１０５ａ〜１０５ｄは、はんだ、溶接、導電性エポキシなどを用いてセルに接続することができる。このような金属接合接続部は、接続部の抵抗を低減し、及び／又は電池ハウジングの信頼性を向上させるために使用することができる。
【００５４】
電池ハウジング１００はまた、第１のモジュール式電池端子１０４ａ及び第２のモジュール式電池端子１０４ｂを含むことができ、それぞれが、別のモジュール式に接続された電池ハウジング、電気負荷などの外部構成要素と電気的に通信するように構成されている。ハウジング１００はまた、図９Ａ〜図１２に関連して詳細に説明したように、種々の電気経路に沿って電流を導くように構成された複数の導電体を含むことができる。例えば、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、及び第６の導電性セグメント１０７ｆを含むことができる。第１のセル接点１０５ａは、第１のセルの第１の電池セル端子に接触するように構成し、第２のセル接点１０５ｂは、第２のセルの第２の電池セル端子に接触するように構成することができる。同様に、第３のセル接点１０５ｃは、第１のセルの第２の電池セル端子に接触するように構成し、第４のセル接点１０５ｄは、第２のセルの第１の電池セル端子に接触するように構成することができる。ハウジング１００はまた、第１のバイパス導体１０６ａ及び第２のバイパス導体１０６ｂを含むことができる。また、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１のバイパス導体１０６ａに第１の遮断器３ａを接続することができる。第２の遮断器３ｂは、第３の導電性セグメント１０７ｃ、第４の導電性セグメント１０７ｄ、及び第２のバイパス導体１０６ｂに接続することができる。
【００５５】
本明細書で説明したように、（単一セル又は複数セルを受容し得る）電池ハウジング１００及び導電体は、ハウジング１００及びハウジング１００内に配置された１又は複数のセル（複数可）を通る電流の流れのための種々の電気経路を画定することができる。電池ハウジング１００は、電池ハウジング１００と統合された３端子遮断器（例えば、遮断器
３ａ、３ｂ）を含むことができる。図１Ａ〜図７に関連して上述したように、遮断器３ａ、３ｂは、正常動作状態及び障害状態を有することができる。遮断器３ａ、３ｂは、セル（複数可）が過温度状態及び／又は過電流状態に供されたときに、障害状態に入ることができる。電池ハウジング１００は、遮断器が正常動作状態にあるときに、セルを通る一次電流経路を画定することができる。電池ハウジング１００は、回路遮断器が障害状態にあるときに、セルを迂回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。例えば、正常動作状態では、遮断器３ａ、３ｂの第１の端子Ｔ１は、電流がＴ１をＴ２に接続するスイッチを介して、一次電流経路に沿ってセルを介して流れるように、第２の端子Ｔ２に接続することができる。障害状態では、第１の端子Ｔ１は、遮断器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。障害状態では、少数の電流（例えば、小さなトリクル電流）が一次電流経路に沿って流れることができ、大部分の電流がバイパス電流経路に沿って流れることができる。一部の配置では、遮断器３ａ、３ｂにＰＴＣ抵抗器が設けられている。上述したように、遮断器３ａ、３ｂは、セルが障害状態にあるときに第２の端子Ｔ２から第３の端子Ｔ３に移動可能なバイメタルスイッチを含むことができる。遮断器３ａ、３ｂは、障害状態（例えば、過温度状態及び／又は過電流状態）を検出し、障害状態にあるときにセルを迂回するように電流を流すために、電池ハウジング内の任意の適切な場所に位置決めすることができる。
【００５６】
本明細書に例示される導電体は、別個の導電性セグメント又は接点に対応するものとして記載されてもよいが、導電性セグメント又は接点は、代わりに、より少ない導電性セグメントから形成されてもよい（例えば、導電体は連続していてもよい）ことが理解されるべきである。例えば、第１の導電性セグメント１０７ａは、モジュール式電池端子１０４ａとは別個のものとして図示されているが、他の実施形態では、モジュール式電池端子１０４ａは、セグメントを介在させることなく遮断器３ａに直接接続されてもよく、又は、モジュール式電池端子１０４ａは、連続した導電性材料を介して遮断器３ａに接続されてもよい。同様に、第２の導電性セグメント１０７ｂは、第１のセル接点１０５ａとは別個のものとして図示されているが、遮断器３ａは、セグメントを介在させることなくセル接点１０５ａと直接接続されていてもよく、又は、セル接点１０５ａは、遮断器３ａとセルとの間に連続した導電性材料を含んでもよいことが理解されるべきである。同様に、遮断器３ｂは、セグメント１０７ｃ、１０７ｄを介在させることなく、セル接触を介してセルに直接接続されてもよい。そして、バイパス導体１０６ａ、１０６ｂは、セグメントを介在させることなく（又は連続した導電性材料を介して）、遮断器３ａ、３ｂからセル接点１０５ａ、１０５ｂに直接接続されてもよい。当業者であれば、種々多様な電気的ルーティング配置が、本明細書に開示された実施形態での使用に適している可能性があることを理解するであろう。
【００５７】
導電体（例えば、導電性セグメント１０７ａ〜１０７ｆ、セル接点１０５ａ〜１０５ｄ、モジュール式電池端子１０４ａ〜１０４ｂ、バイパス導体１０６ａ、１０６ｂ）は、ハウジング本体１０１に結合されるか、又はハウジング本体１０１と一緒に形成することができる。例えば、一部の実施形態では、ハウジング本体１０１は、射出成形、三次元（３Ｄ）印刷などの適切なプロセスを用いて形成することができる。導体は、導体を受容するためのサイズ及び形状の凹部に接続することができ、又は、ハウジング本体１０１は、所望の導体の周りに成形することができる。一部の実施形態では、接着剤が導体をハウジング本体１０１に接続するために使用されてもよい。他の実施形態では、（例えば、絶縁ハウジング本体１０１及び導電体を含む）電池ハウジング１００全体は、単一のモノリシック本体の中に絶縁構造及び導電構造を同時に画定することができる３Ｄ印刷プロセスを使用して製造されてもよい。
【００５８】
更に、図８Ａ〜図８Ｂに示すように、第１のコネクタ１３５ａは、第２のセル接点１０５ｂに結合されるか、又は第２のセル接点１０５ｂと一緒に形成することができる。第２
のコネクタ１３５ｂは、第３のセル接点１０５ｃに結合されるか、又は第３のセル接点１０５ｃと一緒に形成することができる。第１のコネクタ１３５ａ及び第２のコネクタ１３５ｂは、電池管理システム（ＢＭＳ）に電気的に接続するように構成された導電性のタブ又はラグを含むことができる。例えば、一部の実施形態では、第２のセル接点１０５ｂ及び第３のセル接点１０５ｃは、それぞれ第１のコネクタ１３５ａ及び第２のコネクタ１３５ｂと電池セルの負の端子を電気的に接続することができる。ＢＭＳ（図１３Ａ〜図１３Ｂ参照）は、各電池セルの電圧を監視することができ、セルの電圧が非許容レベルまで上昇又は低下した場合には、ユーザに（例えば、アラーム又は他のインジケータを用いて）通知することができる。例えば、一部の実施形態では、ＢＭＳは、例えば、スイッチが障害状態にあるために、１又は複数の電池セルが迂回されたかどうかを判断することができる。このような通知は、電池セルを交換する必要があることをユーザに警告することができる。
【００５９】
図９Ａは、図８Ａ〜図８Ｂに示す電池ハウジング１００の上面、正面、右方向の概略斜視図であり、第１のセル１１４ａ及び第２のセル１１４ｂが電池ハウジング１００内に配置されている。図９Ｂは、図９Ａの電池ハウジング１００及びセル１１４ａ、１１４ｂの底面、正面、左方向の概略斜視図である。図１０Ａは、図９Ａ〜図９Ｂに示す電池ハウジング１００及びセル１１４ａ、１１４ｂの概略上面図である。図１０Ｂは、図９Ａ〜図１０Ａに示す電池ハウジング１００及びセル１１４ａ、１１４ｂの概略底面図である。図１１Ａは、電池ハウジング１００及びセル１１４ａ、１１４ｂの上面、背面、右方向の概略断面図であり、当該断面は、モジュール式電池端子１０４ａ、１０４ｂ及び第１のセル接点１０５ａに沿っている。図１１Ｂは、電池ハウジング１００及びセル１１４ａ、１１４ｂの上面、背面、右方向の概略断面図であり、当該断面は、第２のセル接点１０５ｂに沿っている。
【００６０】
図９Ａ〜図１１Ｂに示す第１及び第２のセル１１４ａ、１１４ｂは、円筒形の電池セル（例えば、リチウムイオン電池セル）であるが、上述したように、電池セルは、任意の適切な形状又はプロファイル、及び任意の適切な種類の電池セルを含むことができる。更に、上述したように、２つのセル１１４ａ、１１４ｂが示されているが、ハウジング１００内には、より多くの又はより少ない電池セルが配置されてもよい。例えば、一部の実施形態では、電池ハウジング１００は、単一セルを受容するためのサイズ及び形状を有することができる。１又は複数のセルを有する複数のハウジングは、モジュール式配置で一緒に接続することができる。図９Ａ〜図９Ｂの配置では、各セル１１４ａ、１１４ｂは、第１の電池セル端子１１３ａ（例えば、正の端子）と第２の電池セル端子１１３ｂ（例えば、負の端子）とを含む。セル１１４ａ、１１４ｂは、第１のセル１１４ａの第１の電池セル端子１１３ａが第１の端部１１１に配置されるか、又はその近傍に配置され、第１のセル１１４ａの第２の電池セル端子１１３ｂが第２の端部１１２に配置されるか、又はその近傍に配置されるように、ハウジング１０１内に配置されてもよい。また、第２のセル１１４ｂの第１の電池セル端子１１３ａは、第１のセル１１４ａの第２の電池セル端子１１３ｂに隣接する第２の端部１１２に配置されてもよく、又はその近傍に配置されてもよい。第２のセル１１４ｂの第２の電池セル端子１１３ｂは、第１のセル１１４ａの第１の電池セル端子１１３ａに隣接する第１の端部１１１に配置されてもよく、又はその近傍に配置されてもよい。
【００６１】
図９Ａ〜図９Ｂは、電池ハウジング１００によって画定される種々の電気経路Ｐ１〜Ｐ７を示す。図示された実施形態では、経路Ｐ１〜Ｐ７の矢印は、（第１の電池セル端子１１３ａが正の端子であると仮定して）電子の流れの方向を示している。これは、当業者であれば理解するものであるが、従来の電流の定義の方向とは逆である。このように、提供される実施例における電流の流れを想定するために、全ての矢印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、図示された方向とは逆方向に流れてもよい。
【００６２】
第１のモジュール式電池端子１０４ａと遮断器３ａとの間に第１の経路Ｐ１（図９Ａ及び１０Ａ）を画定することができ、当該経路Ｐ１は、本開示全体に開示されるものと同様のスイッチを含んでもよい。第１のモジュール式電池端子１０４ａは、別の電池ハウジング、電気負荷などの外部構成要素との電気的通信を提供するように構成することができる。なお、第１のモジュール式電池端子１０４ａは、ハウジング本体１０１の外面に配置することができ、例えば、第１の壁１１０ａの外面に配置することができる。しかしながら、他の実施形態では、第１のモジュール式電池端子１０４ａは、ハウジング１００の他の表面に配置されてもよく、他の形状及びプロファイルを含んでもよい。例えば、他の実施形態では、モジュール式電池端子１０４ａは、外部構成要素との電気的接続を容易にするために、ハウジング本体１０１から外方に延在してもよい。電流は、第１の導電性セグメント１０７ａに沿って、第１のモジュール式電池端子１０４ａと第１の遮断器３ａとの間に流れることができる。上述したように、一部の実施形態では、第１のセグメント１０７ａは、モジュール式電池端子１０４ａ及び遮断器３ａに接合される導電性材料の別個の個片であってもよい。他の実施形態では、第１の経路Ｐ１は、導電性材料の連続個片に沿って、モジュール式電池端子１０４ａと遮断器３ａとの間に画定される。
【００６３】
第１のセグメント１０７ａの一端は、図１Ａ〜図３Ｂ及び図６Ａ〜図７に関連して説明及び図示された第１の端子Ｔ１などの遮断器３ａの第１の端子に電気的に接続することができる。例えば、セグメント１０７ａは、第１の端子Ｔ１に溶接又ははんだ付けするか、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、遮断器３ａと第１のセル接点１０５ａとを電気的に接続することができる。例えば、第２のセグメント１０７ｂの一端は遮断器３の第２の端子Ｔ２に電気的に接続し、第２のセグメント１０７ｂの他端は第１のセル接点１０５ａに電気的に接続することができる。上述したように、一部の実施形態では、第２のセグメント１０７ｂは、遮断器３ａ及びセル接点１０５ａとは別個の導電性材料個片を含むことができる。他の実施形態では、遮断器３ａの第２の端子Ｔ２と第１のセル接点１０５ａは、導電性材料の連続個片を含むことができる。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の開口を通って延在して第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に電気的接続を提供するように屈曲させることができる。第１のバイパス導体１０６ａは、遮断器３ａの第３の端子Ｔ３と、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とに電気的に接続することができる（図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂ参照）。例えば、第１のバイパス導体１０６ａを遮断器３ａの第３の端子Ｔ３に接続して、セル１１４ａの周囲にバイパス経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に固着又は形成することができる。
【００６４】
図１Ａ〜図７に関連して上述したように、遮断器３ａは、正常状態及び障害状態を有するスイッチを含むことができる。なお、正常状態では、図１Ａ〜図７に関連して上述したように、遮断器３ａの第１の端子Ｔ１は、第２の端子Ｔ２（図１０Ａ参照）に接続されてもよい。このような配置では、動作電流及び／又は温度が正常範囲内にある場合、電流は、第１のセル１１４ａを介して第２の電気経路Ｐ２に沿って流れることが許容される。例えば、正常状態では、電子は、遮断器３ａ（図９Ａ）から第２のセグメント１０７ｂ及び第１のセル接点１０５ａに沿って、経路Ｐ２に沿って流れ、第１の電池セル端子１１３ａを通ってセル１１４ａに入り、第２の電池セル端子１１３ｂ（図９Ｂ）を通ってセル接点１０５ｃとハウジング１００の第２の端部１１２にある第３の導電性セグメント１０７ｃに入ってもよい。
【００６５】
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に電子を搬送するのに役立つ場合がある。有利には、第１のセル接点１０５ａ及び第３のセル接点１０５ｃの各々は、溶接、はんだ付け等の金属接合操作を使用せずに、電池セルの各端子１１３ａ、１１３ｂに接触するようなサイズであってもよい。代わりに、上述したように、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との間でセル１１４ａが付勢されるスナップフィット接続によって提供されてもよい。セル接点１０５ａ、１０５ｃは、導電性材料の円盤状の個片として図示されているが、他の実施形態では、セル接点１０５ａ、１０５ｃは、導電性材料の細長い個片を含み得ることが理解されるべきである。更に、セル１１４ａは、単純なスナップフィット接続によってハウジング１００に機械的及び電気的に接続されてもよいが、一部の実施形態では、ユーザは、特に二次電池の場合には、端子１１３ａ、１１３ｂをセル接点１０５ａ、１０５ｃに接続するための接合手順（溶接、はんだ付けなど）を追加的に又は代替的に行ってもよい。
【００６６】
このように、より大きなシステムの正常動作の間、電流は、第２の経路Ｐ２に沿って（図示された矢印とは逆方向に）、すなわちセル１１４ａを通って流れる。しかし、上述したように、一部の例では、セル１１４ａが過熱されてもよく、セル１１４ａに過大な電流が流れてもよい。図１Ａ〜図７に関連して上述したように、セル１１４ａの温度及び／又はセル１１４ａを流れる電流が種々の所定値を超える場合、遮断器３ａが障害状態に入る可能性があり、この場合、遮断器内のスイッチ５が移動して遮断器３ａの第１の端子Ｔ１を第３の端子Ｔ３に接続する。このような障害状態では、少数の電流が依然として、第１の端子Ｔ１と第２の端子Ｔ２との間を流れ、第２の経路Ｐ２に沿ってセル１１４ａを通って流れる可能性がある。しかしながら、電流の大部分（又は全部）は、遮断器３ａの第３の端子Ｔ３と第３のセル接点１０５ｃとの間に延在する第３の経路Ｐ３に沿って、セル１１４ａの周囲にシャントされるか、又は迂回される。セル１１４ａの周囲の電流の大部分又は全てをシャントすることで、セル１１４ａの損傷を防ぐことができ、セル１１４ａの寿命を延ばすことができる。更に、障害状態では、第２のセル１１４ｂ及びより大きな電気システムへの電流の流れを途絶させることなく、セル１１４ａを迂回させることができる。有利には、図９Ａ〜図９Ｂに示す配置は、正常動作ではセル１１４ａとの間のより短い電気経路Ｐ２を利用し、障害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よりも高い抵抗器性を有してもよい。正常動作の間に提供される比較的低い抵抗は、発熱による電力損失を有益に低減することができる。
【００６７】
図１０Ｂに示すように、第１のバイパス導体１０６ａは、第１のバイパス導体１０６ａと第３の導電性セグメント１０７ｃとの間の電気的通信を提供する第３のセル接点１０５ｃに接触することができる。第３の導電性セグメント１０７ｃは、第２の経路Ｐ２及び第３の経路Ｐ３と第２の遮断器３ｂとの接合部の間に第４の電気経路Ｐ４を画定することができる。例えば、正常状態では、電流は、セル１１４ａを通って第２の経路Ｐ２に沿って、第４の経路Ｐ４及び第３のセグメント１０７ｃに沿って第２の遮断器３ｂに流れることができる。障害状態では、電流（図１ＢのＩ２）の大部分又は全部が、第３の経路Ｐ３及び第１のバイパス導体１０６ａに沿って第３のセル接点１０５ｃ及び第３のセグメント１０７ｃに流れ、電流（図１ＢのＩ３）の少数が、第２の経路Ｐ２に沿って第３のセル接点１０５ｃ及び第３のセグメント１０７ｃに流れることができる。結合電流（図１ＢのＩ１）は、第３のセグメント１０７ｃ及び第４の経路Ｐ４に沿って遮断器３ｂに流れることができる。
【００６８】
第２の遮断器３ｂは、第１の遮断器３ａと同様に、正常動作状態及び障害状態を有している。正常状態では、第３のセグメント１０７ｃは、遮断器３ｂの第１の端子Ｔ１に接続され、次に、遮断器３ｂの第２の端子Ｔ２に接続される。遮断器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、及び第２のセル１１４ｂ
の第１の電池セル端子１１３ａと接続することができる（図１０Ｂ参照）。このように、正常状態では、電流は、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に沿って遮断器３ｂを流れる（図９Ｂ参照）。
【００６９】
障害状態（例えば、過温度障害及び／又は過電流障害）では、遮断器３ｂのスイッチは、第１の端子Ｔ１を第２のバイパス導体１０６ｂの第１の端部に接続し得る第３の端子Ｔ３に接続するように移動することができる。第１の遮断器３ａと同様に、第２のセル１１４ｂが障害状態にある場合には、電流の大部分が第６の電気経路Ｐ６に沿ってバイパス導体１０６ｂを通過し、電流の少数が第５の電気経路Ｐ５に沿ってセル１１４ｂを通過する。前述したように、図面の矢印は、電流が図示された矢印とは逆の方向に流れるように、（１１３ａが正、１１３ｂが負であると仮定して）電子の流れの方向を示している。
【００７０】
図９Ａ、図１０Ａ、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。また、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の経路Ｐ５及び／又は第６の経路Ｐ６に沿って流れる電流は、第５のセグメント１０７ｅ及び第６のセグメント１０７ｆを通って、第７の電気経路Ｐ７に沿って第２のモジュール式電池端子１０４ｂに流れることができる。第２のモジュール式電池端子１０４ｂは、ハウジング１００の外面、例えば、第２の壁１１０ｂの外面に形成することができる。第２のモジュール式電池端子１０４ｂは、別の電池ハウジング又は電気負荷などの別の外部構成要素との電気的通信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は、ハウジング壁１１０の一部に沿って画定することができ、第６のセグメント１０７ｆを受容するようにサイズ及び形状を決定することができる。
【００７１】
図１２は、種々の実施形態による、互いに接続された電池ハウジング１００Ａ〜１００Ｄのストリング１２０を含む電池パックの右後方斜視図である。有利には、図９Ａ〜図１１Ｂに示す電池ハウジング１００は、多数の電池ハウジングを電気的及び機械的に一緒に接続することができるモジュール式プラットフォームを提供することができる。モジュール式配置で一緒に接続された多数の電池ハウジングの使用により、自動車用途（自動車、スクーター又は自転車などの電気自動車用のセル）、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）、医療デバイスなどの高電力用途のための高電圧電源の使用が有益に可能となる。更に、各ハウジング１００Ａ〜１００Ｄに１又は複数の遮断器３を組み込むことにより、電池パックは、障害状態により１又は複数の電池セルが迂回されても、デバイス動作のための電流を供給し続けることができ、ユーザは、電気負荷への電流の供給を中断することなく、電池セルを電池ハウジングから取り外して、交換用の電池セルをスナップインするだけで、欠陥のある電池セルを交換することができる。
【００７２】
図１２に示すように、第１のハウジング１００Ａの第１のモジュール式電池接点１０４ａは、第２のハウジング１００Ｂの第２のモジュール式電池接点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のモジュール式電池接点１０４ａは、第３のハウジング１００Ｃの第２のモジュール式電池接点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のモジュール式電池接点１０４ａは、第４のハウジング１００Ｄの第２のモジュール式電池接点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のモジュール式電池接点１０４ａ及び第２のモジュール式電池接点１０４ｂの間の接続は、金属接合プロセスを使用せずに行うことができる。例えば、一部の実施形態では、隣接するハウジングのモジュール式電池接点１０４ａ、１０４ｂは、隣接するハウジング間の電気的及び機械的接続を提供するために一緒にスナップすることができる。一部の実施形態では、隣接する電池ハウジングのモジュール式電池接点１０４ａ、１０４ｂは、隣接する電池ハウジング間の電気的及び機械的接続
を提供するために、摺動接続で噛み合うことができる。一部の実施形態では、ユーザは、隣接するハウジングのモジュール式電池接点１０４ａ、１０４ｂを一緒に溶接又ははんだ付けすることを選択してもよい。種々の実施形態では、各ハウジング１００Ａ〜１００Ｄのハウジング本体１０１は、隣接する電池ハウジング間の機械的な係合を提供するために、種々の機械的な係止機構を含むことができる。図１２には、４つのハウジング１００Ａ〜１００Ｄが図示されているが、任意の適切な数の電池ハウジングが互いに接続され得ることが理解されるべきである。ストリング１２０が組み立てられたとき、最も外側の電気的モジュール式電池接点（例えば、図１２のハウジング１００Ａの第２のモジュール式電池接点１０４ｂ及びハウジング１００Ｄの第１のモジュール式電池接点１０４ａ）は、所望の電気的負荷（例えば、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。
【００７３】
図１３Ａは、種々の実施形態による、直列に接続された電池ハウジング１００Ａ〜１００Ｃのストリング１２０を含む電池パックの概略回路図である。別段明記しない限り、図１３Ａに示す参照数字は、図１Ａ〜図１２に示すものと同じ又は類似の構成要素を表す。本明細書で説明したように、複数の電池ハウジング１００Ａ〜１００Ｃは、直列に一緒に接続することができる。ハウジング１００Ａ〜１００Ｃを一緒に直列に接続すると、有利には、電気負荷に供給するために利用可能な電気エネルギーの総量を増加させることができる。例えば、図１３Ａには、３つのハウジング１００Ａ〜１００Ｃが示されており、各ハウジング１００Ａ〜１００Ｃは、２つのセル１１４ａ、１１４ｂを含む。各セル１１４ａ、１１４ｂがＶの電圧を有する場合、図示のように直列に接続された６つの電池セルのストリング１２０は、６Ｖの電圧を供給する。ハウジングのモジュール化により、高出力が要求されるアプリケーションに多数の電池を使用することが可能となる。電池セルのうちの１つに障害が発生した場合、関連する遮断器３ａ、３ｂは、より大きなシステムに電力を供給するために、障害が発生した電池セルの周りの電流の大部分を有利にルーティングすることができる。ハウジング１００Ａ〜１００Ｃのスナップフィット接続により、障害が発生した電池セルを容易に取り外して交換することができる。更に、図１３Ａに示すように、電池管理システム（ＢＭＳ）は、電池セルの選択された端子（例えば、負の端子）と電気的に結合されたそれぞれの第１のコネクタ１３５ａ及び第２のコネクタ１３５ｂに接続することができる。本明細書で説明したように、ＢＭＳは、各電池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まで上昇又は下降した場合、ユーザに警告を発することができる。例えば、一部の実施形態では、ＢＭＳは、例えば、スイッチが障害状態にあるために、１又は複数の電池セルが迂回されたかどうかを判断することができる。
【００７４】
図１３Ｂは、種々の実施形態による、並列に接続された電池ハウジング１００Ａ〜１００Ｂのグループ１２２を含む電池パックの概略回路図である。別段明記しない限り、図１３Ｂに示す参照数字は、図１Ａ〜図１２に示すものと同じ又は類似の構成要素を表す。図１３Ａの実施形態とは異なり、図１３Ｂでは、２つの電池ハウジング１００Ａ、１００Ｂが並列に接続されている。第１のハウジング１００Ａからの電池セルの１つに障害が発生した場合（例えば、セル１１４ａ）、遮断器３ａは、セル１１４ａを迂回して、第２のセル１１４ｂ及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。更に、図１３Ａと同様に、ＢＭＳは、上述したように、各電池セルの電圧を監視するために、それぞれの第１のコネクタ１３５ａ及び第２のコネクタ１３５ｂに電気的に接続することができる。
【００７５】
図１３Ｂに示す配置の１つの課題は、１つのセルに障害が発生して遮断器によって迂回される場合、結果として生じる配置は、２つのセルと並行して１つのセルを含むことになるということである。結果として生じる２つのストリング間の電圧の不均衡は、動作を継続するセルを損傷する可能性があり、及び／又は、より大きな電気システムの性能を低下させる可能性がある。一部の実施形態では、そのような電圧不均衡は、セルを介した逆バ
イアスを防止するためのダイオード（例えば、ショットキー型ダイオード）を各並列ストリングに提供することによって対処されてもよい。一部の実施形態では、ポテンシャル電圧の不均衡は、各ストリング内にトランジスタ（例えば、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ）を提供することによって対処されてもよく、このトランジスタは、セルを介した逆バイアスを防止又は低減するためにダイオードと同様に機能することができる。
【００７６】
図１４は、互いに直列に接続されたセル１１４ａ〜１１４ｅのストリング１２０とバックブーストコンバータ１３０とを含む電池パックの概略システム図である。セル１１４ａ〜１１４ｅは、本明細書に開示された電池ハウジング１００のいずれかと結合することができ、又は他の適切な方法で一緒に結合することができる。バックブーストコンバータ１３０は、ストリング１２０の出力電圧を許容電圧範囲内に維持するＤＣ−ＤＣ変換構造を含むことができる。例えば、セル１１４ａ〜１１４ｅのうちの１つが遮断器によってストリングから迂回される場合、ストリング１２０の全体の電圧は、迂回されたセルによって供給される電圧に等しい量だけ低下する。バックブーストコンバータ１３０は、有利には、ストリング１２０の出力を所望の電圧範囲内に維持することができる。例えば、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、ストリング１２０は通常、合計１８Ｖを供給することになる。セルの１つが迂回されている場合、供給電圧は合計１４．４Ｖまで低下する。バックブーストコンバータ１３０は、１又は複数のセルが迂回されていても、ストリング１２０の総出力を１８Ｖに維持することができる。
【００７７】
本明細書で説明したように、１又は複数のセルが障害状態のために遮断器によって迂回されても、迂回されたセルは、他のセル及び電気負荷に供給される電流を遮断しない。過電流障害状態及び／又は過温度障害状態が治まると、図１Ａ〜図７に関連して上述したように、遮断器はリセットされ、正常動作状態に戻ることができる。更に、ユーザは、ハウジングと新しいセルの電気的及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使用して、迂回され、損傷したセルを容易に取り外し、新しいセルと交換することができる。種々の実施形態では、使用中にセルが迂回されるかどうかを決定する電気的電池監視システムを提供することができる。電池監視システムは、１又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ための信号をユーザに送信することができる。電池監視システム又は電池管理システム（ＢＭＳ）の使用を容易にするために、端子又は接点をモジュール式電池ハウジングに組み込むことができ、モジュール式電池ハウジングは、各セル間の回路内の点へのＢＭＳの接続を容易にする。本明細書に開示された遮断器の使用は、過温度障害状態及び／又は過電流障害状態を自動的に監視するために、電池又は電池パックのハウジングに組み込むことができ、電池セル自体内ではなく、ハウジングレベルで遮断器を提供するためのコストを有益に削減することができる。各セルの遮断器をなくすことで、システム全体のコストを削減しつつ、遮断器を省略する場合に比べてシステムの安全性を高めることができる。更に、本明細書に開示された遮断器を利用することで、液冷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。一部の実施形態では、電池の性能を向上させるために、特に寒冷環境下での電池の性能を向上させるために、１又は複数の加熱要素、例えばＰＰＴＣ要素がハウジングに組み込まれてもよい。
【００７８】
ＩＩＩ．追加の回路遮断器の実施例
本明細書に開示される追加の実施形態は、例えば、電池セル監視回路を含む種々多様な電気回路に統合することができる回路遮断器に関する。上述したように、本明細書に開示された実施形態は、電気自動車、電動自転車、又は任意の他の適切なシステムなどのシステムのための大容量及び／又は高電圧電池パックのための過電流保護及び／又は過温度保護を提供するのに有用であり得る。一部の実施形態では、回路遮断器は、上記に開示されたスイッチと同様のスイッチを含むことができる。一部の実施形態では、遮断器は、上述
の３端子スイッチと同様の３端子スイッチを含むことができる。他の実施形態では、遮断器は、２端子スイッチを含むことができる。種々の実施形態では、遮断器は、遮断器を第１の状態（例えば、正常動作状態）から第２の状態（例えば、障害状態）に移行させ、又はその逆に移行させるのを補助するように構成された正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含むことができる。
【００７９】
Ａ．セルバランシングのための回路遮断器
本明細書に開示される種々の実施形態は、複数のセル（例えば、直列又は並列に提供される）を有する電池パックの容量を改善するためのセルバランシングに使用することができる。例えば、電池パック内の異なる電池セルは、それぞれ異なる充電状態（ＳＯＣ）を有する場合があり、これは、電池パックの容量と寿命に悪影響を与える可能性がある。したがって、一部の実施形態では、最小のＳＯＣを有するセルは、電池パック内の他のセルを充電及び／又は動作させる能力を制限する場合がある。一部の回路は、アクティブバランシング技術を採用しており、この場合、集積回路チップは、高いＳＯＣを有するセルから低いＳＯＣを有する他のセルに電気エネルギーを伝達するように構成することができる。例えば、種々の実装形態では、電池管理システム（ＢＭＳ）は、ＳＯＣが低いセルに印加される電圧を調整することができる、１又は複数の直流−直流（ＤＣ−ＤＣ）コンバータを含む集積回路を含むことができる。本明細書に開示された種々の実施形態は、有益には、ＢＭＳの設計を簡素化し、及び／又はＢＭＳに障害が発生した場合又は非作動状態にある場合に、バックアップ保護（例えば、冗長性）を提供することができる。
【００８０】
図１５Ａは、種々の実施形態による電気デバイス２００を示す概略システム図である。デバイス２００は、電池管理システム２４０と電気的に通信する複数の電池セル２０２ａ、２０２ｂを含むことができる。図１５Ａでは、２つのセル２０２ａ、２０２ｂのみが示されているが、任意の適切な数の電池セルが電気回路２００に使用されてもよいことが理解されるべきである。本明細書で説明したように、電池管理システム２４０は、電池パック内のセルのアクティブバランシングのために構成することができる。デバイス２００はまた、電池管理システム２４０によって制御され得る（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、又はｎチャネルＭＯＳＦＥＴなどのＭＯＳＦＥＴを含み得る）トランジスタ２４１を含む。トランジスタ２４１は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などを含む、任意の適切な種類のトランジスタを含むことができる。図１５Ａは、電池管理システム２４０がセル２０２ａの障害状態（例えば、セル２０２ａが他のセルと比較して過充電されている可能性があること）を検出したバランシング構成のデバイス２００を図示している。図１５Ａにおいて、電池管理システム２４０は、障害状態を検出すると、電池パック内の別のセル（例えば、セル２０２ｂ）にエネルギーを伝達するように、トランジスタ２４１をオン位置に配置することができる。電池パックは、セル２０２ａを迂回した後に充電を継続することができる。オフ位置では、電流はトランジスタ２４１を通過することはない。その結果、電流は、正常動作状態で電池セル２０２ａを通過する。
【００８１】
障害状態では、電流はバイパス経路Ｐ０に沿ってトランジスタ２４１を介して伝達され得る。一部の実施形態では、バイパス経路Ｐ０に沿った電流の量は、例えば、バイパス経路Ｐ０に沿った電流が他のセルで過電流状態又は過温度状態を引き起こす場合、又はトランジスタ２４１及び／又は電池管理システム２４０が損傷又は他の方法で非作動になる場合、所望よりも高くなってもよい。したがって、図１５Ａの実施形態では、遮断器２０３は、トランジスタ２４１と直列に（例えば、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴトランジスタのドレインと直列に）接続することができる。遮断器２０３は、スイッチ２０４を含むことができる。スイッチ２０４は、本明細書に開示されたスイッチ４のいずれかを含むことができる。例えば、一部の実施形態では、スイッチ２０４は、本明細書に記載されているようなバイメタル要素（例えば、ドーム型バイメタル要素）などの熱作動機械的スイッチを含む
ことができる。他の実施形態では、他の種類のスイッチが適していてもよい。上記のように、スイッチ２０４は、第１の端子Ｔ１と、第２の端子Ｔ２と、第３の端子Ｔ３とを含むことができる。更に、種々の実施形態では、スイッチ２０４は、自己復帰型とすることができる。他の実施形態では、スイッチ２０４は自己復帰型でなくてもよく、手動自己復帰型であってもよい。
【００８２】
また、図１５Ａに示すように、第１の放電抵抗器２０５ａ及び第２の放電抵抗器２０５ｂを並列に設けることができる。第１の状態では、図１５Ａに示すように、第１の端子Ｔ１は、第２の端子Ｔ２に接続することができる。図１５Ａに示す第１の状態では、トランジスタ２４１がオン状態に置かれると、電流は、端子Ｔ１及びＴ２を通って第１の経路Ｐ１に沿って、第２の放電抵抗器２０５ｂを通って、電池パックの別のセル（例えば、セル２０２ｂ）に流れてもよい。第１の経路Ｐ１に沿って流れる電流が特定の電流閾値及び／又は温度閾値を超える場合、スイッチ２０４（例えば、バイメタルドーム型スイッチング要素）は、第１の端子Ｔ１を第３の端子Ｔ３に電気的に接続するように逆転してもよい。第２の状態（例えば、障害状態）では、電流は、第１の放電抵抗器２０５ａを通って、電池パック内の別のセル（例えば、セル２０２ｂ）に第２の経路Ｐ２に沿って流れることができる。
【００８３】
第１の放電抵抗器２０５ａ及び第２の放電抵抗器２０５ｂは、任意の適切な種類の抵抗器を含むことができる。一部の実施形態では、例えば、一方又は両方の放電抵抗器２０５ａ、２０５ｂは、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含むことができる。種々の実施形態では、抵抗器２０５ａ、２０５ｂの一方又は両方は、ユーザが経路Ｐ１、Ｐ２のいずれかに対して所望の抵抗を選択できるように、可変抵抗器を含むことができる。一部の実施形態では、抵抗器２０５ａ、２０５ｂの一方はＰＴＣ抵抗器を含むことができ、他方の抵抗器２０５ｂはＰＴＣ抵抗器ではなくてもよい。又は、これらは逆であってもよい。このような実施形態では、第１の経路Ｐ１に沿って第２の抵抗器２０５ｂを通過する電流の量が過剰である場合、スイッチ２０４は、第１の抵抗器２０５ａ（例えば、ＰＴＣ抵抗器）を通過する電流を伝達するように切り替えることができる。このような実施形態では、第１の抵抗器２０５ａ（この例では、ＰＴＣ抵抗器）を通る電流の突入は、第１の抵抗器２０５ａの温度を上昇させ、それに応じてその抵抗を上昇させ、それにより、第２の経路Ｐ２に沿った電流を減少させることができる。第１の抵抗器２０５ａの抵抗は、第２の抵抗器２０５ｂの抵抗と同じであってもよく、異なってもよい（例えば、第２の抵抗器２０５ｂの抵抗よりも高い）。
【００８４】
有益には、図１５Ａの実施形態は、過剰な電流がバイパス経路Ｐ０及びトランジスタ２４１を通過する場合に、遮断器２０３が後続の電池セル（例えば、セル２０２ｂ）に通過する電流を更に減少させる受動的なバックアップ回路を提供するような、冗長性又はバックアップ回路を提供することができる。図１５Ａにはセル２０２ａ、２０２ｂが示されているが、電池パックの各セルは、それ自身の関連するバイパス経路を有することができる。更に、図１５Ａのトランジスタ２４１は、セル２０２ａが迂回されるときに発生し得る比較的大きな電流の突入に対応するために、大きな電流容量を有するように選択されてもよい。図１５Ａの実施形態は、有利には、デバイス２００のユーザが、より小さいトランジスタ２４１、例えば、より低い量の電流を扱う可能性のあるトランジスタを使用することを可能にし得る。このように、図１５Ａの実施形態は、電池管理回路を簡素化し、トランジスタ２４１のサイズを小さくし、トランジスタ２４１及び／又は電池管理システム２４０が損傷又は非作動の場合にバランシング保護を提供するような、冗長な過電流保護を提供することができる。
【００８５】
図１５Ｂは、別の実施形態による電気デバイス２００を示す概略システム図である。別段明記しない限り、図１５Ｂの構成要素は、図１５Ａと同じ番号の構成要素と同じであっ
てもよく、概して類似してもよい。例えば、図１５Ａと同様に、デバイス２００は、電池管理システム２４０と、電池管理システム２４０と通信するトランジスタ２４１（上述したように、任意の適切な種類のトランジスタを含むことができる）と、電池セル２０２ａと、トランジスタ２４１と電気的に通信する遮断器２０３とを含むことができる。図１５Ｂの遮断器２０３は、図１５Ａの遮断器２０３と概して類似した方法で動作してもよい。
【００８６】
しかし、図１５Ａの実施形態とは異なり、図１５Ｂの実施形態では、追加の遮断器２４３が、電池セル２０２ａと並列に設けられ、電池セル２０２ａと遮断器２０３との間に電気的に配置されてもよい。例えば、一部の配置では、電池管理システム２４０及び／又はトランジスタ２４１は誤動作するか、又は他の場合には非作動となる場合がある。このような場合、トランジスタ２４１が遮断器２０３への電流を遮断した場合などに、遮断器２０３が経路Ｐ１、Ｐ２を通る電流を規制しない場合がある。有益には、遮断器２４３は、電池管理システム２４０及び／又はトランジスタ２４１が誤動作した場合に、更なる水準の冗長性として機能してもよい。
【００８７】
一部の実施形態では、遮断器２４３は、スイッチ２４２を含むことができ、このスイッチ２４２は、電気作動機械的スイッチ又は熱作動機械的スイッチ（例えば、ドーム型バイメタル要素などのバイメタル要素）と、スイッチ２４２と直列に配置された第３の放電抵抗器２０５ｃとを含むことができる。種々の実施形態では、スイッチ２４２は、セル２０２と熱的に接続することができる。遮断器２４３は、セル２０２ａが温度閾値を超えた場合に受動的なセルバランシングを提供するように、セル２０２ａに熱的に結合又は接合することができる。なお、スイッチ２４２は、正常動作状態ではスイッチ２４２が開放されているような常開スイッチであってもよい。スイッチ２４２は、図１５Ｂでは、閉鎖状態の障害状態で図示されている。更に、種々の実施形態では、スイッチ２４２は、自己復帰型とすることができる。他の実施形態では、スイッチ２４２は自己復帰型でなくてもよく、手動自己復帰型であってもよい。第３の放電抵抗器２０５ｃは、ＰＴＣ抵抗器を含む任意の適切な種類の抵抗器を含むことができる。有益には、第３の放電抵抗器２０５ｃは、スイッチ２４２が閉鎖されているとき、例えば第１の端子Ｔ１が第２の端子Ｔ２に接続されているときに、遮断器２４３を通過する電流を制限することができる。種々の実施形態では、第３の放電抵抗器２０５ｃは、ユーザが検討中のアプリケーションのために負荷の値を選択することができるように、可変抵抗器を含むことができる。
【００８８】
スイッチ２４２は、第１の端子Ｔ１及び第２の端子Ｔ２を含むことができる。電池パック（及び／又は電池セル２０２ａの障害状態の間の電池管理システム２４０）の正常動作状態の間、トランジスタ２４１は、（遮断器２０３への電流の通過を遮断するように）オフであってもよく、スイッチ２４２は、電池セル２０２ａを電流が通過できるように、開放されていてもよい。電池管理システム２４０が過電流状態又は過温度状態を検出した場合、電池管理システム２４０は、トランジスタ２４１をオンに切り替えることができ、図１５Ａに関連して上述したように遮断器２０３を動作させることができる。しかし、電池管理システム２４０及び／又はトランジスタ２４１が誤動作した場合（トランジスタ２４１を電流が通過しないような場合）、セル２０２ａの過電流状態によりスイッチ２４２の温度が上昇し、第１の端子Ｔ１が第２の端子Ｔ２に電気的に接続されるように、スイッチ２４２が開放状態から図１５Ｂに示す閉鎖状態に逆転する場合がある。電流Ｉは、図１５Ｂに図示されているように、Ｔ１及びＴ２を通り、第３の放電抵抗器２０５ｃを通り、別のセル（図示せず）に至る経路Ｐ３に沿って通過してもよい。したがって、図１５Ｂに示す遮断器２４３は、電池管理システム２４０及び／又はトランジスタ２４１に障害が発生した場合であっても、障害状態においてセル２０２ａの周囲に別個の冗長バイパス経路を提供することができる。有利には、図１５Ｂの遮断器２４３は、冗長回路保護を提供するために、電池管理システム２４０及びトランジスタ２４１とは独立して動作することができる。
【００８９】
Ｂ．電池セルホットスワップ用回路遮断器
本明細書に開示された種々の実施形態は、電池セルがホットスワップされているとき、例えば、デバイスの動作中に（例えば、デバイスをシャットダウンすることなく）電池セルを交換するときに、過電流状態及び／又は過温度状態を管理するためにも使用することができる。図１６は、種々の実施形態による、電池セル３０２のホットスワップ中の過電流状態を管理するための遮断器３０３を組み込んだ電気デバイス３００の概略システム図である。別段明記しない限り、図１６の構成要素は、図１５Ａ〜図１５Ｂの参照数字を相対的に１００ずつ増分された参照数字を有する、図１５Ａ〜図１５Ｂの同じ番号の構成要素と同じであってもよく、概して類似してもよい。
【００９０】
例えば、電気デバイス３００は、電気自動車、電動自転車、電動工具などの電気システムに電力を供給するために、複数の電池セルを直列に配置して構成された電池パックを含むことができる。図１６には、１つのセル３０２のみが示されているが、上述したように、任意の適切な数の電池セルを提供することができる。電池管理システム３４０は、電池パックのセルの充電状態を管理するように構成することができる。更に、セルバランシング回路３４４は、セル３０２の充電を均衡させるために、電池管理システム３４０に接続することができる。
【００９１】
種々の態様において、電池セル３０２は、システムがオン又は作動している間、デバイス３００に電気的に接続されてもよい。例えば、デバイス３００の製造中に（例えば、デバイスの接続段階中に）、電池セル３００をデバイス内に挿入し、デバイス構成要素を作動させてもよい。製造中又は組立中にデバイスが作動すると、電池管理システム３４０及びバランシング回路３４４につながる配線に沿って、初期電流Ｉ０の突発的な突入が生じる場合がある。同様に、セル３０２がデバイス３００の動作中に交換又はスワップされた場合、同様に、バランシング回路３４４及び電池管理システム３４０に電流Ｉ０が突入する可能性がある。このような電流の突入は、バランシング回路３４４、電池管理システム３４０、及び／又はデバイス３００の他の構成要素を損傷させる可能性がある。
【００９２】
したがって、図１６の実施形態では、遮断器３０３は、電池セル３０２のホットスワップ中に発生し得る電流の初期突入から保護するために提供することができる。遮断器３０３は、セル３０２と電池管理システム３４０及びバランシング回路３４４との間の電気経路に沿って、抵抗器３０５と並列に常開スイッチ３０４を含むことができる。上述の実施形態と同様に、スイッチ３０４は、熱作動機械的スイッチ又は電気作動機械的スイッチ、例えば、要素の温度が所定の閾値を超えたときに位置を逆転させることができるドーム型バイメタル要素などのバイメタル要素を含むことができる。抵抗器３０５は、任意の適切な種類の抵抗器を含むことができる。一部の実施形態では、抵抗器３０５は、ＰＴＣ抵抗器を含まなくてもよい。他の実施形態では、抵抗器３０５は、ＰＴＣ抵抗器を含んでもよい。
【００９３】
図１６の実施形態では、スイッチ３０４は、図１６に示すように、初期に開放構成にある。製造中又は使用中に（例えば、セルの接続段階に）セル３０２がデバイス３００にホットスワップされると、図１６に示すように、電流Ｉ０の突入が抵抗器３０５を通過する場合がある。スイッチ３０４（例えば、熱作動スイッチ）は、電流Ｉ０が抵抗器３０５を通過すると、抵抗器３０５の温度が上昇するように、抵抗器３０５に熱的に接続されてもよい（例えば、抵抗器３０５に包装されていてもよく、及び／又は抵抗器３０５と接触してもよい）。したがって、電池管理システム３４０及び／又はバランシング回路３４４に通過する電流を低下させるため、電流Ｉ０の初期突入は、抵抗器３０５によって大幅に低減され、電流Ｉ０の初期突入の間、電池管理システム３４０及びバランシング回路３４４への損傷を緩和又は防止することができる。
【００９４】
スイッチ３０４及び／若しくは抵抗器３０５の温度（並びに／又は抵抗器３０５を通る電流）が所定の閾値を超えると、スイッチ３０４は、第１の端子Ｔ１が第２の端子Ｔ２に電気的に接続され、それによって、（例えば、動作構成中）抵抗器３０５を迂回するような閉鎖接続に切り替えることができる。抵抗器３０５は、比較的短い期間（例えば、ミリ秒のオーダー）であり得る突入電流の期間中、バランシング回路３４４及び／又は電池管理システム３４０を損傷しないレベルまで電流Ｉ０の突入を低減するのに十分な抵抗特性を有するように選択することができる。したがって、スイッチ３０４が第１及び第２の端子Ｔ１、Ｔ２を接続するために閉鎖位置に移動するとき、回路を通過する電流は、バランシング回路３４４及び／又は電池管理システム３４０によって収容され得るレベルであってもよい。（例えば、抵抗器３０５が突入電流Ｉ０を十分に減少させた後の）より低い電流は、閉鎖されたスイッチ３０４を通過して、電池管理システム３４０及び／又はバランシング回路３４４に入ることができる。
【００９５】
一部の実施形態では、スイッチ３０４は、スイッチ３０４が閉鎖構成に移行した後、図１６に示す開放構成に自動的に戻らないように構成されるような非自己復帰型であってもよい。例えば、一部の電気システム（電気自動車又は電気通信システムの電池など）では、抵抗器３０５が電池管理システム３４０に提供される電流を減少させるか、又は遮断するので、スイッチ３０４が再び開放されないようにすることが好ましい場合がある。そのような実施形態では、例えば、抵抗器３０５は、ＰＴＣ抵抗器を含まなくてもよい。一部の実施形態では、スイッチ３０４は手動自己復帰型であってもよい。例えば、セル３０２を交換する前に、ボタン及び／又は機械的リンケージをデバイス３００上に設けることができ、その結果、ユーザが手動でスイッチ３０４を例えば開放位置にリセットすることができる。まだ他の実施形態では、抵抗器３０５は、ＰＴＣ抵抗器を含むことができ、これにより、スイッチ３０４を一部のアプリケーションに対して自動自己復帰型にすることができる。
【００９６】
したがって、図１６に開示された実施形態は、セル３０２がホットスワップされたときに、バランシング回路３４４及び／又は電池管理システム３４０の損傷を防止するために有益に使用することができる。一部の実施形態では、スイッチ３０４は、非自己復帰型であってもよく、遮断器３０３のＰＴＣ抵抗器３０５を含まなくてもよい。そのような実施形態はまた、製造者が突入電流を処理するための解決策を手動設計する必要性を省略するために、デバイス３００の製造プロセスを簡素化することができる。
【００９７】
Ｃ．遮断器の追加の実施例
図１７〜図１８Ｂは、遮断器又はヒューズの追加の実施例を示す図である。図１７は、本明細書に開示された遮断器の種々の実施形態を組み込むことができるヒューズデバイス４００の概略システム図である。別段明記しない限り、図１７の構成要素は、図１６の参照数字を相対的に１００だけ増分された参照数字を有する、図１６の同じ番号の構成要素と同じであってもよく、概して類似してもよい。ヒューズデバイス４００は、電池パック及び／又は電池管理システムなどの過電流及び／又は過温度保護のための外部デバイスに電気的に接続するように構成された第１及び第２のＩ／Ｏピンｐ１及びｐ２を含むことができる。ヒューズデバイス４００は、第２のピンｐ２とトランジスタ４４１との間に、並列に配置された抵抗器ＲとコンデンサＣと電気的に通信するトランジスタ４４１を含むことができる。トランジスタ４４１は、任意の適切な種類のトランジスタ、例えば、図１７に示すようなｎチャネルＭＯＳＦＥＴトランジスタ、又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）などを含むことができる。また、トランジスタ４４１のゲートＧの動作を制御するゲートドライバ回路４４８を設けることができる。より大きな電気システムの正常動作の間、トランジスタ４４１は、ヒューズデバイス４００を介して電流が流れないように、例えばゲートドライバ
回路４４８によって、オフ位置に配置されてもよい。
【００９８】
ヒューズデバイス４００はまた、遮断器４０３を含むことができる。遮断器４０３は、スイッチ４０４を含むことができ、これは、本明細書に記載されたスイッチと同様の電気作動機械的スイッチ又は熱作動機械的スイッチであってもよい。上述したように、例えば、スイッチ４０４は、ドーム型バイメタル要素などのバイメタル要素を含むことができる。スイッチ４０４は、一部の実施形態では、第１の端子Ｔ１、第２の端子Ｔ２、及び第３の端子Ｔ３を有する３端子スイッチを含むことができる。他の実施形態では、スイッチ４０４は、２端子スイッチを含むことができる。種々の実施形態において、出力端子Ｔｏｕｔは、デバイスの正常動作中に負荷Ｌに電気的に接続するために設けることができる。図示された実施形態では、スイッチ４０４は、より大きな電気デバイスの正常動作中（例えば、トランジスタ４４１がオフのとき）にＴ１がＴ３に電気的に接続された常閉スイッチを含むことができる。また、遮断器４０３は、第３の端子Ｔ３に直列に接続された抵抗器４０５を含むことができる。一部の実施形態では、抵抗器４０５は、ＰＴＣ抵抗器を含まなくてもよい。他の実施形態では、抵抗器４０５は、ＰＴＣ抵抗器を含んでもよい。図示された実施形態では、第３の端子Ｔ３は、遮断器４０３の抵抗器４０５及びトランジスタ４４１のドレインＤに電気的に接続することができる。正常動作の間、電流Ｉｎは、第１の端子Ｔ１と第３の端子Ｔ３との間を通過することができ、出力端子Ｔｏｕｔを介して負荷Ｌに接続することができる。
【００９９】
トランジスタ４４１は、ヒューズ４００に接続された外部の電気デバイス、例えば電池管理システム（図示せず）によってオンにすることができる。トランジスタ４４１が例えば電池管理システムによってオンにされると、より大きな外部電気デバイスの一部を迂回するために、電流がヒューズデバイス４００を通って流れることができ、その結果、電流は、トランジスタ４４１、抵抗器４０５、及び閉鎖スイッチ４０４を通って流れる。抵抗器４０５の温度が所定の閾値を超えると、スイッチ４０４は端子Ｔ２に移動し、例えば開放構成又は障害構成となる。このような配置では、ヒューズ４００は、開放されたままとすることができ、非自己復帰型（又は、例えばボタンを介した手動自己復帰型）であってもよい。しかしながら、他の配置では、ヒューズ４００は、自動自己復帰型又は手動自己復帰型であってもよい。そのような実施形態では、ヒューズ４００は、より大きな電気デバイスが、トリップしたときにシャットダウンするか、又は動作電力を減少させることができ、例えば、電源又は電池は、トリップ時に迂回されてもよい。
【０１００】
図１８Ａは、種々の実施形態による、正常動作状態で示された抵抗器５０５と直列のサイリスタ５５６を組み込んだ遮断器５０３の概略回路図である。図１８Ｂは、図１８Ａの遮断器５０３の障害状態を示す回路図である。別段明記しない限り、図１８Ａ〜図１８Ｂの構成要素は、参照数字が５００で始まる図１〜図１７に図示された構成要素と類似してもよい。上述したように、スイッチ５０４は、バイメタルスイッチング要素、例えば、一部の実施形態ではドーム型スイッチング要素を含むことができる。抵抗器５０５は、任意の適切な種類の抵抗器を含むことができる。一部の実施形態では、抵抗器５０５は、ＰＴＣ抵抗器を含むことができる。他の実施形態では、抵抗器５０５は、ＰＴＣ抵抗器を含まなくてもよい。
【０１０１】
サイリスタ５５６は、例えば、ＴＩＳＰ（登録商標）サイリスタサージプロテクタ（Ｂｏｕｒｎｓ，Ｉｎｃ．製、カリフォルニア州リバーサイド）を含む、任意の適切なサイリスタサージ保護デバイスとすることができる。図１８Ａに示すサイリスタ５５６（例えば、正常動作状態）は、サイリスタ５５６を横切る電圧が所定の電圧閾値未満であるときに開放状態になるように構成することができる。したがって、図１８Ａでは、正常状態では、第１の端子Ｔ１は第２の端子Ｔ２に接続することができ、電流Ｉ１は、スイッチ５０４と端子Ｔ１、Ｔ２を通過することができる。図１８Ａでは、サイリスタ５５６は開放状態
にあるため、サイリスタ５５６又は抵抗器５０５を電流が通過することはない。遮断器５０３が接続されている電池セルが過充電になった場合、サイリスタ５５６は、（例えば、所定の閾値を超える電圧に基づいて）過充電を検出して、サイリスタ５５６と抵抗器５０５とを電流が通過する閉鎖状態に移行することができる。
【０１０２】
電流が抵抗器５０５及び／又はスイッチ５０４の温度を十分に高温に上昇させる場合、スイッチ５０４は、図１８Ｂに示すように、第１の端子Ｔ１を第３の端子Ｔ３に接続するように逆転又は反転させることができる。図１８Ｂでは、電流Ｉ１は、第１及び第３の端子Ｔ１、Ｔ３を介してスイッチ５０４に沿った第２の電流Ｉ２の経路と、サイリスタ５５６及び抵抗器５０５を介した第３の電流Ｉ３の経路とに分割することができる。一部の実施形態では、上述したように、電流の大部分は第２の電流Ｉ２の経路に沿って通過することができ、電流の少数は第３の電流Ｉ３の経路に沿って通過することができる。遮断器５０３は、上述したように、抵抗器５０５の温度が別の閾値以下に低下した場合に、スイッチ５０４が第１の端子Ｔ１を第２の端子Ｔ２に接続するために正常動作状態に戻るように、自己復帰型遮断器を含むことができる。
【０１０３】
種々の実施形態では、２端子の常閉遮断器（これは、ＰＴＣ抵抗器を含んでもよく、含まなくてもよい）は、その２つの端子のうちの１つをセルの端子又は電極のうちの１つと物理的及び電気的に接触させた状態で使用することができ、他方の遮断器端子は、熱監視のためにＢＭＳラインに接続されたライン又はワイヤに接続することができる。このような構成では、特定のセルの温度が遮断器のトリップ温度を超える場合、当該セルのＢＭＳ熱監視ラインでは開放回路が発生し、当該セルが接続された遮断器のトリップ温度を超えたと解釈するようにＢＭＳをプログラムすることができる。遮断器は、開放されているときには冷却され、閉鎖されているときには加熱されるように、間欠的に開閉するように構成されてもよい。有益には、本実施形態では、遮断器は、より高価で潜在的に大きい熱監視デバイス、例えば、ＰＴＣの代わりになるか、又は代替することができる。
【０１０４】
本発明は、特定の実施形態及び実施例の文脈で開示されてきたが、本発明は、具体的に開示された実施形態を超えて、本発明の他の代替的な実施形態及び／又は用途、並びにそれらの明白な修正例及び同等物にまで及ぶことが、当業者によって理解されるであろう。更に、本発明の一部の変形例が示され、詳細に記載されているが、本発明の範囲内にある他の修正例は、本開示に基づいて当該技術分野の当業者には容易に明らかになるであろう。また、実施形態の特定の特徴及び態様の種々の組み合わせ又はサブ組み合わせがなされてもよく、それでも本発明の範囲内に収まることが企図される。開示された実施形態の種々の特徴及び態様は、開示された本発明の種々の態様を形成するために、互いに結合され、又は置換され得ることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示された本発明の範囲は、上述した特定の開示された実施形態によって限定されるべきではなく、後続の特許請求の範囲を公正に読みとる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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
2021522668.tif 000021
【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年4月22日(2020.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は複数の電池セルの障害状態に応答する電気遮断器であって、
電池管理システムに電気的に接続するように構成された第１の端子と、
第１の放電抵抗器に電気的に接続するように構成された第２の端子と、
第３の端子と、
前記第３の端子に電気的に接続された第２の放電抵抗器であって、前記第２の放電抵抗器が、前記１又は複数の電池セルのうちの電池セルの第１の電極に電気的に接続するように構成され、前記第３の端子が、前記第１の端子と前記第２の放電抵抗器との間に配置されている、第２の放電抵抗器と、
前記第１の端子と前記第２及び第３の端子との間に配置された熱作動スイッチと、を備え、
前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続された第１の動作状態を有し、前記スイッチは、前記第１の端子が前記第３の端子に電気的に接続された第２の状態を有する、
遮断器。
【請求項２】
前記第１の放電抵抗器を更に備え、前記第１の放電抵抗器が、前記第２の端子に電気的に接続されている、請求項１に記載の遮断器。
【請求項３】
前記第１及び第２の放電抵抗器のうちの少なくとも一方が、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含む、請求項１または２に記載の遮断器。
【請求項４】
前記熱作動スイッチが、バイメタルスイッチング要素を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項５】
前記バイメタルスイッチング要素が、ドーム型である、請求項４に記載の遮断器。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の遮断器を備える電気デバイスであって、前記第１の端子と電気的に通信する前記電池管理システムを更に含む、デバイス。
【請求項７】
前記電気遮断器と並列に配置された第２の電気遮断器を更に備え、前記第２の電気遮断
器が、前記電池セルの第２の電極と電気的に通信するように構成された第１の端子と、前記電池セルの前記第１の電極と電気的に通信するように構成された第２の端子とを有する、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第２の遮断器の前記第２の端子と電気的に通信する第３の放電抵抗器を更に備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第２の遮断器が、前記電池セルと熱的に結合されている、請求項７または８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記電池管理システムが非作動状態又は誤動作状態にあるとき、前記電池セルの障害状態では、電流が前記第２の電気遮断器を通過して前記電気遮断器を迂回する、請求項７から９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記電池管理システムと電気的に通信するゲートを有するトランジスタと、前記電池セルの第２の電極及び前記電気遮断器の前記第１の端子のうちの一方と電気的に通信するソースと、前記電池セルの前記第２の電極及び前記電気遮断器の前記第１の端子のうちの他方と電気的に通信するドレインと、を更に備える、請求項６から１０のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記電池セルを更に備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
電気遮断器であって、
電池セルの第１の電極に電気的に接続するように構成された第１の端子と、
電池管理システムに電気的に接続するように構成された第２の端子と、
前記第１の端子と前記第２の端子との間に配置された熱作動スイッチと、
前記スイッチと並列に配置され、前記電池管理システムに電気的に接続するように構成された抵抗器と、を備え、
前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子から切断された電気的な開放状態における第１の動作状態と、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続された第２の動作状態とを有し、
前記電気遮断器と前記電池セルとの間の電気的接続が行われる接続段階の間、前記スイッチが、前記第１の動作状態にあり、第１の電流が、前記抵抗器を通過して前記電池管理システムに流れ、
動作段階の間、前記スイッチが、前記第２の動作状態にあり、第２の電流が、前記スイッチを通過して前記電池管理システムに流れ、前記第１の電流が、前記第２の電流よりも大きい、
遮断器。
【請求項１４】
前記スイッチが、自動自己復帰型ではない、請求項１３に記載の遮断器。
【請求項１５】
前記スイッチが、手動自己復帰型である、請求項１４に記載の遮断器。
【請求項１６】
前記スイッチが、バイメタル要素を含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項１７】
請求項１３から１６のいずれか一項に記載の遮断器を備える電気デバイスであって、前記第２の端子及び前記抵抗器に電気的に接続された前記電池管理システムを更に含む、電気デバイス。
【請求項１８】
前記第１の端子及び前記電池管理システムに電気的に接続された前記電池セルを更に含む、請求項１７に記載の電気デバイス。
【請求項１９】
電気遮断器であって、
第１のピンに電気的に接続された第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及び第３の端子との間にある熱作動スイッチと、
前記第３の端子に電気的に接続され、前記スイッチと熱的に結合された抵抗器と、
を含む電気遮断器と、
前記抵抗器及び前記第３の端子に電気的に接続されたトランジスタと、を備え、
前記トランジスタが第１の状態にあるとき、前記トランジスタと前記遮断器との間に電流が流れず、前記第１の端子が、前記第３の端子に電気的に接続されており、
前記トランジスタが第２の状態にあるとき、前記トランジスタと前記抵抗器との間に電流が流れ、前記スイッチは、前記抵抗器の温度が所定の閾値を超えた場合、前記第３の端子から切断して前記第２の端子に接続するように構成されている、
ヒューズ。
【請求項２０】
前記トランジスタが、ｎチャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含み、前記ＭＯＳＦＥＴのドレインが、前記抵抗器及び前記第３の端子に接続されている、請求項１９に記載のヒューズ。
【請求項２１】
前記スイッチが、バイメタル要素を含む、請求項１９から２０のいずれか一項に記載のヒューズ。
【請求項２２】
前記スイッチが、自動自己復帰型ではない、請求項１９から２１のいずれか一項に記載のヒューズ。
【請求項２３】
前記スイッチが、手動自己復帰型である、請求項２２に記載のヒューズ。
【請求項２４】
負荷に電気的に接続するように構成された出力端子を更に備える、請求項１９から２３のいずれか一項に記載のヒューズ。
【請求項２５】
障害状態に応答する電気遮断器であって、
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及び第３の端子との間に配置された熱作動スイッチと、
前記スイッチと並列であり、かつ前記第２の端子と電気的に通信する抵抗器と、
前記スイッチと並列であり、かつ前記抵抗器と直列であるサイリスタと、を備える、
遮断器。
【請求項２６】
前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子に電気的に接続された正常動作状態を有し、前記スイッチは、前記第１の端子が前記第２の端子及び前記第３の端子の両方に電気的に接続された障害状態を有し、その結果、障害状態では、前記電流の大部分が、前記第１の端子と前記第３の端子との間に流れ、前記電流の少数が、前記第１の端子と前記第２の端子との間に流れる、請求項２５に記載の遮断器。
【請求項２７】
前記スイッチが、バイメタル要素を含む、請求項２５または２６に記載の遮断器。
【請求項２８】
前記抵抗器が、正温度係数（ＰＴＣ）抵抗器を含む、請求項２５から２７のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項２９】
障害状態に応答する電気遮断器であって、
第１の端子と、
第２の端子と、
電気部品を迂回するための電気バイパス経路に接続するように構成された第３の端子と、
バネと、
バイメタルスイッチング要素を含む熱作動スイッチであって、前記スイッチは前記バネに機械的に接続され、前記熱作動スイッチが、前記第１の端子と前記第２及び第３の端子との間に配置され、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るように、第２の端部が第２の端子に接続する正常動作状態を有し、前記スイッチは、前記第１の端子が前記第３の端子に電気的に接続されるように、前記第２の端部が第３の端子に接続する障害状態を有し、その結果、障害状態では、前記電流の少なくとも大部分が、前記第１の端子と前記第３の端子との間に流れる、熱作動スイッチと、を備え、
前記スイッチは、熱作動時に、前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行するように構成され、前記スイッチが前記正常動作状態に自動的に戻らないように、前記スイッチの移行が前記バネの機械的なポテンシャルエネルギーに変化を与えて前記バネが付勢される、
遮断器。
【請求項３０】
前記スイッチは前記第１の端子に接続された第１の端部と前記第１の端部の反対側にある第２の端部を有し、前記第２の端部は前記バネに機械的に接続されている、請求項２９に記載の遮断器。
【請求項３１】
前記正常動作状態の間、前記バネが圧縮され、前記バネは、前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行する際に解放される、請求項２９または３０に記載の遮断器。
【請求項３２】
前記障害状態では、前記第１の端子が、前記第２の端子に電気的に接続され、前記電流の少なくとも少数が、前記第１の端子と前記第２の端子との間に流れる、請求項２９または３０に記載の遮断器。
【請求項３３】
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）抵抗器を更に備える、請求項２９から３２のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項３４】
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）抵抗器が存在しない、請求項２９から３３のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項３５】
前記熱作動スイッチが、手動自己復帰型である、請求項２９から３４のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項３６】
前記バイメタルスイッチング要素が、ドーム型である、請求項２９に記載の遮断器。
【請求項３７】
前記熱作動スイッチが、前記第１の端子及び前記バイメタルスイッチング要素に電気的に接続された可動アームを含む、請求項２９または３６に記載の遮断器。
【請求項３８】
前記可動アームは、前記スイッチが前記正常動作状態にある場合、前記第２の端子に電気的に接続されている、請求項３７に記載の遮断器。
【請求項３９】
前記バイメタルスイッチング要素は、前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行するのに伴って、形状が反転する、請求項３５から３８のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項４０】
前記スイッチが前記正常動作状態から前記障害状態に移行した後、前記スイッチは、手動自己復帰型で前記正常動作状態に戻すことができる、請求項２９から３９のいずれか一項に記載の遮断器。
【請求項４１】
前記電気部品が、１又は複数の電池セルを含む、請求項２９から４０のいずれか一項に記載の遮断器。
【国際調査報告】
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