(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材料で形成されて、上下面が開口した筒状の単位セル空間が規則的に配列されたグリッド構造で構成されるバッテリー収容体と、
上記バッテリー収容体の上下に積層されて上記バッテリー収容体に一体に取り付けられ、上記単位セル空間の上下面の開口をそれぞれ塞口する第１の表皮および第２の表皮と、
上記単位セル空間内に配設されるリチウムイオンバッテリーと、
を備えていることを特徴とするバッテリー一体型基板。
【請求項２】
上記第１の表皮の表面に一体に取り付けられた複数の太陽電池セルを備え、
所定数の上記太陽電池セルを直列に接続して構成された太陽電池セルユニットが、上記第１の表皮を介して、上記太陽電池セルユニットの直近の上記単位セル空間内に配設されている上記リチウムイオンバッテリーに電気的に接続されて、上記太陽電池セルユニットの電力が上記リチウムリチウムイオンバッテリーに蓄電されるようになっていることを特徴とする請求項１記載のバッテリー一体型基板。
【請求項３】
上記第２の表皮を挟んで上記バッテリー収容体と相対するように上記第２の表皮に一体に取り付けられた機器ユニット筐体および上記機器ユニット筐体の内部に配設された機器を備え、
上記機器は上記第２の表皮を介して上記機器の直近の上記単位セル空間内に配設されている上記リチウムイオンバッテリーに電気的に接続されて、上記機器には上記リチウムイオンバッテリーから電力が供給されるようになっていることを特徴とする請求項２記載のバッテリー一体型基板。
【請求項４】
上記リチウムイオンバッテリーの出力電圧が３．５ボルト〜３．８ボルトであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のバッテリー一体型基板。
【請求項５】
上記単位セル空間の外形が正六角形であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のバッテリー一体型基板。
【請求項６】
上記太陽電池セルユニットおよび上記機器とリチウムイオンバッテリーとの間を電気的に接続するための接続部および端子部と、上記リチウムイオンバッテリーの制御回路部が、上記リチウムイオンバッテリーが配設された後に上記単位セル空間内に生じる筒状体空間に配設されることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載のバッテリー一体型基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、衛星構体における電力供給システムに適用されるバッテリー一体型基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
衛星構体における従来の電力供給システムでは、太陽電池で発電された電力を、衛星構体内の集約バッテリーに蓄電し、そこから電力が各機器に供給されている。また、太陽電池で発電された電圧は、集約バッテリーと各機器との間の電源ラインで生じる送電ロスを極力抑えるために、数十ボルトに昇圧して送電される。よって、衛星構体における従来の電力供給システムでは、昇圧装置や、複雑かつ長い配線が設けられている。
【０００３】
従来の民生用太陽光発電装置では、太陽電池セルの裏面側に、蓄電器としての電気二重層コンデンサ及び制御部が備えられている。また、電気二重層コンデンサ及び制御部は、太陽電池セルと一体に設けられた外装ケース内部に収まるように配設される。太陽電池セルで発電された電力は、太陽電池セルと電気二重層コンデンサを一体に配設したことにより、複雑かつ長い配線なしに電気二重層コンデンサに蓄電されていた。
【０００４】
さらに、夜間照明装置が、上記民生用の太陽光発電装置の外装ケース内に発光ダイオードを配設して提供されている。発光ダイオードは電気二重層コンデンサ近傍に設置されているため、送電ロスはほとんどない。
さらに、特定の厚さ以下の薄型の電気二重層コンデンサを用いたことにより、省スペース化、軽量化、施工性に優れた太陽光発電装置及び夜間照明装置が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１５１７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
衛星構体における従来の電力供給システムでは、送電ロスを極力抑えるために発電された電圧を数十ボルトに昇圧して送電しているので、３．７Ｖ仕様の民生用電子部品が使えない。また、昇圧した電圧で使用するために専用の部品が必要となり、コストアップや部品の調達が長納期になるなどの問題がある。さらに、昇圧装置や、複雑かつ長い配線を設ける必要があるため、広い設置スペースを確保しなければならない。
また、従来の電気二重層コンデンサを用いた太陽光発電装置では、容量が小さく、比較的大容量の電力を要する用途には使用に適さない。さらに、民生用に設計されたものであり、衛星構体にかかる衝撃に耐えうるだけの剛性が無い。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、蓄電器と電力送電先の各機器間の送電ロスをなくして３．７Ｖ仕様の民生用電子部品の使用を可能にし、かつ衛星構体にかかる衝撃に耐えうる剛性を確保しつつ設置スペースを低減した衛星構体における電力供給システムに適用されるバッテリー一体型基板を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によるバッテリー一体型基板は、繊維強化複合材料で形成されて、上下面が開口した筒状の単位セル空間が規則的に配列されたグリッド構造で構成されるバッテリー収容体と、上記バッテリー収容体の上下に積層されて上記バッテリー収容体に一体に取り付けられ、上記単位セル空間の上下面の開口をそれぞれ塞口する第１の表皮および第２の表皮と、上記単位セル空間内に配設されるリチウムイオンバッテリーと、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、軽量で剛性にすぐれた繊維強化複合材料で形成されるグリッド構造のバッテリー収容体の単位セル空間にリチウムイオンバッテリーが一体に取り付けられているので、高い剛性でかつ設置スペースを低減することができるバッテリー一体化基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１はこの発明の実施の形態に係る衛星構体における電力供給システムに適用されるバッテリー一体型基板のバッテリー収容体の構造を説明するための斜視図、図２は図１におけるバッテリー収容体の構成を説明するための部分的な分解図、図３はこの発明の実施の形態に係るバッテリー一体型基板を上方から見た平面図、図４は図３において第１の表皮及び太陽電池セルユニットを考慮しない透視図、図５は図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【００１１】
図１および図２において、バッテリー収容体１は、以下に説明する第１のＣＦＲＰ群３ａ〜第３のＣＦＲＰ群３ｃで構成される。
バッテリー収容体１を構成する材料には、軽量で剛性に優れた繊維強化複合材料の一つであるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）が用いられている。ＣＦＲＰは、エポキシ樹脂がマトリクス（母材）に用いられ、合成樹脂であるアクリル長繊維から作られるＰＡＮ系炭素繊維が強化材としてマトリクスに混合されている。
【００１２】
第１のＣＦＲＰ群３ａは、細長い矩形平板状に形成された複数の単位ＣＦＲＰ２ａが配列されて形成される。複数の単位ＣＦＲＰ２ａは、その矩形面を形成するそれぞれの長辺が平行になるように一定の間隔で、同一面上に配列されている。
【００１３】
また、第２のＣＦＲＰ群３ｂは、以下に説明する複数の単位ＣＦＲＰ２ｂが配列されて形成される。単位ＣＦＲＰ２ｂは、単位ＣＦＲＰ２ａをその矩形面の垂線を軸として−６０度回転したものである。複数の単位ＣＦＲＰ２ｂは、その矩形面を形成するそれぞれの長辺が平行になるように一定の間隔で、同一面上に配列されている。ここで、第２のＣＦＲＰ群３ｂの形成面は、第１のＣＦＲＰ群３ａの形成面と平行な位置関係にある。
【００１４】
また、第３のＣＦＲＰ群３ｃは、以下に説明する複数の単位ＣＦＲＰ２ｃが配列されて形成される。単位ＣＦＲＰ２ｃは、単位ＣＦＲＰ２ａをその矩形面の垂線を軸として６０度回転したものである。複数の単位ＣＦＲＰ２ｃは、その矩形面を形成するそれぞれの長辺が平行になるように一定の間隔で、同一面上に配列されている。ここで、第３のＣＦＲＰ群３ｃの形成面は、第１のＣＦＲＰ群３ａおよび第２のＣＦＲＰ群３ｂの形成面と平行な位置関係にある。
【００１５】
バッテリー収容体１は、第１のＣＦＲＰ群３ａ〜第３のＣＦＲＰ群３ｃが順番に幾重にも積み重ねられて形成されている。即ち、バッテリー収容体１は、第１のＣＦＲＰ群３ａ〜第３のＣＦＲＰ群３ｃで仕切られて、上下面が開口された正六角形の筒状体の空間を規則的に配列してなるグリッド構造に構成されている。それぞれの正六角形の筒状体の空間を単位セル空間４と定義する。単位セル空間４の正六角形の大きさは、例えば直径１００ｍｍの円が正六角形に内接する大きさで形成されている。また、正六角形を形成する面に直交する方向の厚さは、１インチ（２４．５ｍｍ）で形成されている。
【００１６】
ＣＦＲＰを材料としたグリッド構造に構成されるバッテリー収容体１は、軽量で剛性に優れるという特徴があるが、単位セル空間４の外形を正六角形としたことで、他の形状よりもさらに高い剛性が得られる。
【００１７】
次に、バッテリー一体型基板２０の構造について説明する。
図４および図５に示すように、バッテリー収容体１の複数の単位セル空間４の６つにリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆがそれぞれ配設されている。リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆは、エネルギー密度に優れ、出力電圧が３．５〜３．８Ｖのものが用いられる。この実施の形態では、１つのバッテリー当たり３．７Ｖの出力電圧で３．７Ａｈの性能のものが用いられている。
【００１８】
リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆは、直方体に形成されている。リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆは、直方体の上下面における短辺のそれぞれが、単位セル空間４の開口面形状である正六角形の平行な２辺のそれぞれに同じ長さで接するように配設されている。
また、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの制御回路部１８が、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆが配設された後に単位セル空間４内に生じる筒状体空間１０に配設されている。
【００１９】
また、図３〜図５に示すように、矩形平板状に形成された第１の表皮７ａおよび第２の表皮７ｂが、バッテリー収容体１の上下面の開口を塞口するようにして固定されている。即ち、バッテリー収容体１が第１の表皮７ａおよび第２の表皮７ｂに挟まれてサンドイッチ構造に構成されている。第１の表皮７ａおよび第２の表皮７ｂは高い放熱性が要求され、例えば強化繊維として熱伝導率に優れたピッチ形の炭素繊維を、マトリクスにはエポキシ樹脂を用いたＣＦＲＰで形成されている。
【００２０】
さらに、第１の表皮７ａの表面側には、複数の太陽電池セル６が一体に取り付けられている。太陽電池はＳｉ系の太陽電池が用いられて、太陽電池セル６の１セル当たりの起電力は０．５Ｖである。太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆがそれぞれ太陽電池セル６を８セル直列に接続して構成されている。太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆにおいて、直列に接続した８つの太陽電池セル６の両端部１５ａ，１５ｂの間には太陽電池セル６の８セル分の起電力が生じている。
【００２１】
太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆの両端部１５ａ，１５ｂから延びる一対の配線１７の先端は、第１の表皮７ａを貫通し、筒状体空間１０内に位置している。配線１７の先端には、接続部としての電力送出用コネクタ１１が取り付けられている。また、端子部としての第１の端子１２が、電力送出用コネクタ１１に対応するようにリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの側面上部に取り付けられている。電力送出用コネクタ１１に第１の端子１２を嵌合することにより、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆとリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆとの間は電気的に接続されて、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆで発電された電力がリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆにそれぞれ蓄電されるようになっている。
【００２２】
なお、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆのそれぞれは、第１の表皮７ａを介して、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆの直近の単位セル空間４内に配設されている。したがって、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆおよびリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆ間を接続する配線１７は複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆとリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆとの間の送電ロスは著しく低減される。
【００２３】
また、機器ユニット筐体１９が、第２の表皮７ｂを挟んでバッテリー収容体１と相対するように第２の表皮７ｂに一体に取り付けられている。さらに、機器ユニット筐体１９の内部には、機器１３ａ〜１３ｃが配設されている。
【００２４】
機器ユニット筐体１９内部に配設される機器１３ａ〜１３ｃは、第２の表皮７ｂを介して単位セル空間４内に配設されているリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｃの直近にそれぞれ配設されている。
同様に３つの機器１３ｄ〜１３ｆも第２の表皮７ｂを介して単位セル空間４内に配設されているリチウムイオンバッテリー５ｄ〜５ｆの直近に配設されている。
【００２５】
また、一端が機器１３ａ〜１３ｆに接続される一対の配線９の他端側は、第２の表皮７ｂを貫通し、筒状体空間１０内に位置している。さらに、配線９の他端側には、接続部としての電力供給用コネクタ１６が取り付けられている。また、端子部としての第２の端子１４が、電力供給用コネクタ１６に対応するようにリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの側面下部に取り付けられている。電力供給用コネクタ１６および第２の端子１４を嵌合することにより、機器１３ａ〜１３ｆは、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆに電気的に接続されて、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆに蓄電された電力が機器１３ａ〜１３ｆに供給されるようになっている。
【００２６】
リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆから機器１３ａ〜１３ｆに電力を供給するための配線９は、複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、電力供給における送電ロスは著しく低減される。よって、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの電圧以上に電圧を上げて送電を行う必要は無いので昇圧装置は不必要であり、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの電圧３．７Ｖのまま各機器に送電することが可能である。このため、電気仕様が約３．７Ｖの安価な民生品用電子機器、電子部品の使用が可能となる。民生品用電子機器、電子部品は広く普及しているため、部品納期の短縮も期待できる。
【００２７】
また、昇圧装置が不要であり、またバッテリー収容体１の単位セル空間４の内部にリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆ、電力送出用コネクタ１１、電力供給用コネクタ１６、第１の端子１２および第２の端子１４、制御回路部１８等を配設することができるので、バッテリー一体型基板２０が小型化され、その設置スペースを低減することができる。
【００２８】
この実施の形態によれば、バッテリー一体型基板２０のバッテリー収容体１は軽量で剛性に優れたＣＦＲＰを材料としたグリッド構造に構成されている。また、バッテリー収容体１の上下面の開口は、第１の表皮７ａおよび第２の表皮７ｂによって塞口されて、サンドイッチ構造に構成されている。また、第１の表皮７ａの表面側には、複数の太陽電池セル６が一体に取り付けられて、さらに太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆが太陽電池セル６を６つ直列に接続して構成されている。
【００２９】
また、バッテリー収容体１の単位セル空間４に３．７Ｖ出力のリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆが配設されている。さらにまた、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆは、第１の表皮７ａを介して直近の単位セル空間４内に配設されているリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆにそれぞれ電気的に接続されている。
したがって、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆおよびリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆ間を接続する配線１７は複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆとリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆとの間の送電ロスは著しく低減される。
【００３０】
また、機器１３ａ〜１３ｆは第２の表皮７ｂを介して機器１３ａ〜１３ｆの直近の単位セル空間４内にそれぞれ配設されているリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆに電気的に接続されており、機器１３ａ〜１３ｆにはリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆから電力が供給されるようになっている。
したがって、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆから機器１３ａ〜１３ｆに電力を供給するための配線９は、複雑かつ長い配線を用いる必要はなく、電力供給における送電ロスは著しく低減される。よって、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの電圧以上に電圧を上げて送電を行う必要は無いので昇圧装置は必要としない。したがって、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの電圧３．７Ｖのまま各機器に送電することが可能になる。このため、電気仕様が約３．７Ｖの安価な民生品用電子機器、電子部品の使用が可能となる。
【００３１】
また、バッテリー収容体１の単位セル空間４の内部にリチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆ、接続部としての電力送出用コネクタ１１および電力供給用コネクタ１６、端子部としての第１の端子１２および第２の端子１４、制御回路部１８等を配設することができるので、バッテリー一体型基板２０が小型化され、その設置スペースを低減することができる。
【００３２】
さらにまた、バッテリー一体型基板２０のバッテリー収容体１は軽量で剛性に優れたＣＦＲＰで構成されたグリッド構造に構成されているので高い剛性が得られる。特にバッテリー収容体１のグリッド構造の単位セル空間４の外形を正六角形としたことで、他の外形形状をもつグリッド構造より一段と高い剛性が得られる。
【００３３】
なお、上記実施の形態では、バッテリー収容体１の構成材料であるＣＦＰＲのマトリクスはエポキシ樹脂としたが、特にエポキシ樹脂に限定されるものではなく、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などを使用してもよい。また、強化材は、ＰＡＮ系のものとしたが、ＰＡＮ系に限定されるものではなく、石油ピッチなどで作られるピッチ系炭素繊維を使用してもよい。
さらにバッテリー収容体１を構成する材料は、ＣＦＲＰの他、Ｃ／Ｃ（炭素繊維強化炭素複合材）などの他の繊維強化複合材料を使用してもよい。
【００３４】
また、バッテリー収容体１における単位セル空間４の外形は、正六角形としたが、正六角形に限定されるものではなく、バッテリー収容体１が用いられる環境において、剛性に耐えうるものであれば三角形や八角形など、他の形状でもよい。
また、第１の表皮７ａおよび第２の表皮７ｂの構成材料には、ピッチ系の炭素繊維を用いたＣＦＲＰを用いたが、ピッチ系の炭素繊維に限定されるものではなく、軽量で熱伝導性に優れた金属材料や、他の複合材料を用いてもよい。
【００３５】
また、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの形状は直方体としたが、直方体に限定されるものではなく、三角柱や他の形状でもよい。
また、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆを６つ配設するものとしたが、配設数は６つに限定されるものではなく、仕様に合わせて適宜設定すればよい。また、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆと接続される太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆも６ユニットとしたが、リチウムイオンバッテリーの配設数に合わせて適宜設定すればよい。
【００３６】
また、リチウムイオンバッテリー５ａ〜５ｆの出力電圧は、３．５Ｖ〜３．８Ｖとしたが、出力電圧は３．５Ｖ〜３．８Ｖに限定されるものではなく、仕様に応じて他の出力電圧のリチウムイオンバッテリーを用いてもよい。
また、太陽電池セルユニット８ａ〜８ｆは８つの太陽電池セル６を直列に接続して構成されるものとしたが、直列に接続する太陽電池セル６の数は８つに限定されるものではなく、リチウムイオンバッテリーの出力電圧に応じて適宜設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態に係る衛星構体における電力供給システムに適用されるバッテリー一体型基板のバッテリー収容体の構造を説明するための斜視図である。
【図２】図１におけるバッテリー収容体の構成を説明するための部分的な分解図である。
【図３】この発明の実施の形態に係るバッテリー一体型基板を上方から見た平面図である。
【図４】図３において第１の表皮及び太陽電池セルユニットを考慮しない透視図である。
【図５】図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  バッテリー収容体、７ａ  第１の表皮、７ｂ  第２の表皮、４  単位セル空間、５ａ〜５ｆ  リチウムイオンバッテリー、６  太陽電池セル、８ａ〜８ｆ  太陽電池セルユニット、１０  筒状体空間、１３ａ〜１３ｆ  機器、１１  電力送出用コネクタ（接続部）、１６  電力供給用コネクタ（接続部）、１２  第１の端子（端子部）、１４  第２の端子（端子部）、１８  制御回路部、２０  バッテリー一体型基板。
【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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