JP2013020966A - バッテリ用モジュラーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ用モジュラーシステムの経済的実現可能性の向上及び安全性の向上を図る。
【解決手段】自動車のバッテリ２用、とりわけメインバッテリ用のモジュラーシステム１であって、バッテリハウジング３と、さらに少なくとも１つのバッテリモジュール６とを含むモジュラーシステムに関して、バッテリセルの個数がｎである少なくとも１つの第１のバッテリモジュール４と、バッテリセルの個数がより多いｎ＋ｘであるか又はその個数がより少ないｎ−ｘである少なくとも１つの別のバッテリモジュール６との双方をバッテリハウジングに配置し、少なくとも１つの第１のバッテリモジュール４をバッテリハウジング内に空間を埋めるように配置することができるか、１つの別のバッテリモジュール６をモジュラーシステムの少なくとも１つの補填要素７と共にバッテリハウジング内に空間を埋めるように配置するのいずれかである。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車のバッテリ用、とりわけメインバッテリ用のモジュラーシステムに関する。本発明はさらに、このモジュラーシステムにより構成されたバッテリにも関する。

バッテリは電気エネルギー貯蔵機構であり、数々の用途及び多くの技術分野で使用されている。このような中で、特にバッテリがハイブリッド車両及び電動車両に使用されることから、バッテリに対する需要及びバッテリに課される要件は高まり続けている。バッテリは通常、電気エネルギーを貯蔵したり負荷に電気を供給したりするための複数のバッテリセルを有する。これらのバッテリセルは概して同じサイズと形を有しており、バッテリモジュール内に並べて置くことができる。従って、バッテリハウジング内に配置された複数のかかるバッテリモジュールが、バッテリの不可欠な構成要素である。その際、バッテリセルは並列にも直列にも接続することができ、バッテリは必要に応じて電子制御回路により拡張される。静力学上及び安全工学上の理由から、特に自動車用バッテリの場合には、バッテリハウジングがバッテリの個々のバッテリモジュールによって完全に埋められるのが好ましい。他方で、かかるバッテリを実現するための要件又は概念は様々である。その際、バッテリモジュールのバッテリセルの数に特に注意を払うべきであり、その数は必要に応じて個々のバッテリセルが直列に接続されるか並列に接続されるかに合わせて調整される。従って、例えば、バッテリモジュールのバッテリセルが互いに並列に接続される場合、奇数のバッテリセルより偶数のバッテリセルの方が好適である。他方で、バッテリセルをさらに１つ加えてバッテリセルの数を増加させると、すなわち全体として奇数のバッテリセルとなると、バッテリのパワーが増大する。このパワーの増大は特定の要件で必要とされる。このようにバッテリセルを増加させる結果、特に、サイズの異なるさまざまなバッテリモジュールが存在することになる。バッテリモジュールのサイズが異なると、バッテリハウジングのサイズをそれに適合させることにもなる。その際、特に先述の安全工学上の理由から、バッテリモジュールは、好ましくはバッテリハウジング内に空間を埋めるように配置されることが確実となるよう考慮しなくてはならない。従って、バッテリモジュールのサイズが異なると、それに対応してバッテリハウジングのサイズも異なるものとなる。しかしながら、バッテリハウジングのサイズが異なると、第一に生産コストが高くなるため、及び第二に、特に車両で使用する場合に、それに対応してバッテリの周囲のものを適合させることになるため、不経済である。

本発明は、冒頭部で述べたタイプのバッテリについて、改良された実施形態又は少なくとも代替となる実施形態を特定するという問題に関する。このような実施形態には、特に、経済的実現可能性の向上及び安全性の向上という特徴がある。

上述の問題は、本発明によれば、独立請求項の主題をもって解決される。従属請求項は有利な実施形態に関する。

本発明は、バッテリ、とりわけメインバッテリを構成するためのモジュラーシステムを特定するという一般的概念に基づく。このモジュラーシステムによれば、異なるバッテリモジュールを、常に同じサイズのバッテリハウジング内に空間を埋めるように配置することができ、ここでバッテリモジュールにより埋まらない空間は、少なくとも１つの補填要素によって埋められる。これにより、特に、単一のサイズのバッテリハウジングのみを生産すればよいことから、経済的実現可能性が高くなる。同時に、バッテリハウジングが標準化されるため、とりわけ自動車の収容部を適合させることが不要となる。かかるバッテリ用の本発明に係るモジュラーシステムは、バッテリハウジングと、バッテリハウジング内に配置することができ且つバッテリセルの個数がｎである第１のバッテリモジュールと、バッテリセルの個数がより多いｎ＋ｘであるかその個数がより少ないｎ−ｘである別のバッテリモジュールと、少なくとも１つの補填要素とを含む。従ってｎ個のバッテリセルを有する第１のバッテリモジュールは、特に、バッテリセルの個数がより多いｎ＋ｘである別のバッテリモジュールより小さい一方、第１のバッテリモジュールは、バッテリセルの個数がより少ないｎ−ｘである別のバッテリモジュールより大きい。その場合、第１のバッテリモジュールと第２のバッテリモジュールとは、特に、異なるサイズ及び／又は形を有する。その際、バッテリモジュールのサイズの違いは、それぞれのバッテリモジュール内に配置されるバッテリセルの個数が異なることによってもたらされる。ここでバッテリセルは、同一の形に具体化されるのが好ましい。しかしながら、バッテリモジュールのサイズ及び／又は形が異なる要因としては他にも、例えば、バッテリセルが異なる形で具体化されていること及び／又はバッテリモジュール内でのバッテリセルの配置が異なることなども考えられる。そのため、バッテリはバッテリハウジングを有し、その中に１つ又は複数の第１のバッテリモジュールが空間を埋めるように配置される。すなわちバッテリハウジング内のこれらのバッテリモジュール用の空き空間を、前記バッテリモジュールが完全に埋める。或いは、かかるバッテリハウジング内に、１つ又は複数の別のバッテリモジュールを、少なくとも１つの補填要素と共に空間を埋めるように配置することもできる。この場合には、バッテリハウジング内の別のバッテリモジュール用の空き空間は、別のバッテリモジュールによっては完全には埋められない。ここでは空間を埋める配置は、少なくとも１つの補填要素を配置することにより実現され、この補填要素がバッテリハウジングの残りの空き空間を埋める。バッテリハウジング内に残る空き空間は、自動車での使用に伴い力が作用する場合に特に、危険を生むため、空間を埋めるように配置することによって安全性が確実に向上する。本バッテリ用モジュラーシステムによればまた、特に、異なるバッテリモジュール、すなわち１つ又は複数の第１のバッテリモジュールと、１つ又は複数の別のバッテリモジュールとを、構造的に同一のバッテリハウジング内に配置することも可能となる。従って、第１のバッテリモジュール又は別のバッテリモジュールを含むバッテリは同じサイズ及び／又は形を有し、それにより、特に、かかるバッテリの周囲のものを均一の設計とすることが可能となる。前記均一の設計により、バッテリ生産の経済的実現可能性の向上に加え、関連する周囲のものの生産コストの低減、すなわち、特に、自動車の生産コストが低減する。

本発明の概念において、一実施形態は、バッテリセルのサイズを有する少なくとも１つの補填要素を含む。このことは、バッテリの全てのバッテリセルが同じサイズを有するときに特に有利である。結果的に、バッテリハウジング内の残りの空き空間は、実質的に１つ又は複数のバッテリセルのサイズとなる。ここで前記残りの空き空間は前記１つの／複数の補填要素によって以下のように埋められる。すなわち、別のバッテリモジュールがその１つの／複数の補填要素と共にバッテリハウジング内に空間を埋めるように配置されるように埋められる。これに加えて又は代えて、かかる補填要素はバッテリセルと同じ形を有し、補填要素の形及びサイズの双方がバッテリセルのサイズ及び形と一致するのが好ましい。その結果、一つのタイプの補填要素のみ、すなわち同じサイズ及び形を有する補填要素のみを生産すればよいため、特に経済的実現可能性が向上する。しかしながら、補填要素が任意の所望の形及びサイズ、とりわけ互いに相対して配置される複数のバッテリセルの形及び／又はサイズを有する実施形態もまた考えられる。

別の実施形態において、補填要素は、空洞、とりわけ充填可能な空洞を有するように具体化される。前記空洞は、条件又は要件に応じて少なくとも部分的に充填することができる。その場合、空洞は例えば気体、とりわけ空気で充填される。それに代えて又は加えて、空洞は液体、とりわけ水で充填することもできる。固体もまた空洞内に配置することができる。空洞内に気体及び／又は液体及び／又は固体の混合物が配置される実施形態もまた考えられる。

好ましい一実施形態において、少なくとも１つの補填要素は緩衝要素又は変形要素として具体化される。従って補填要素は、特に、バッテリ又はバッテリモジュール及びバッテリセルを外部からの力の作用から保護する働き、すなわちとりわけ、特に車両で使用される場合に、衝突によって生じる力から保護する働きをする。このような目的ために、補填要素は、特に、変形要素として具体化される。すなわち補填要素が変形することによって前記バッテリが確実に保護される。

それに代えて又は加えて、さらに好ましい実施形態において、特にバッテリの保護を強化するため、補填要素は弾性を呈するように具体化される。すなわち変形要素として具体化される補填要素は、変形を引き起こす力の作用の後に元の状態に戻り、特に、元の形及び／又はサイズを再びとる。それに代えて又は加えて、補填要素はばね装置を有する。その場合、ばね装置は補填要素とバッテリハウジングとの間に配置されるのが好ましく、その結果として、特に、補填要素とバッテリハウジングとの間の衝撃が防止されるか少なくとも低減される。それに代えて又は加えて、このばね装置又は別のばね装置を、補填要素と１つの／複数の隣接するバッテリモジュールとの間に配置することもできる。これによってもまた補填要素と隣接するバッテリモジュールとの間の衝突が防止されるか少なくとも低減される。この場合、補填要素は、弾性を呈する実施形態及び／又はばね装置により、バッテリハウジングに対抗するかバッテリモジュールに対抗するプレストレスを付与されると好ましい。

本発明に従う解決法の有利な一発展形態において、個々のバッテリモジュールはバッテリハウジング内に並列に配置される。従って、特に第１のバッテリモジュール及び／又は別のバッテリモジュールが同じ形及び／又はサイズを有する場合、バッテリモジュールの対応する側面が互いに平行に延在し、好ましくは互いに相対して配置される。その際、バッテリモジュールは細長い平行六面体形を有するのが好ましく、ここで、各バッテリモジュールの長い側面が互いに平行に配置され且つ隣接し合うバッテリモジュールの長い側面が互いに相対して配置されるのが好ましい。さらに特に好ましい実施形態において、バッテリハウジングもまた平行六面体形を有し、それによりバッテリモジュール及び、該当する場合には、補填要素を、特に簡単に取り付けることが可能となる。

さらに好ましい実施形態において、第１のバッテリモジュールは１３個のバッテリセルを有する一方、別のバッテリモジュールは１２個のバッテリセルを有し、これらのバッテリセルは、各々が同じ形及びサイズを有する。その結果、特に、１つ又は複数の第１のバッテリモジュールをバッテリハウジング内に空間を埋めるように配置することができる。従って、バッテリが第１のバッテリモジュールのみを有する場合、それらバッテリモジュールは、追加的な補填要素なしに、バッテリハウジング内に空間を埋めるように配置される。これと対照的に、１つの／複数の別のバッテリモジュールの空間を埋める配置に対しては、バッテリハウジング内に少なくとも１つの補填要素が提供されることになる。ここで従来の実施においては、車両、とりわけハイブリッド車両又は電動車両でバッテリ、とりわけメインバッテリを使用する場合に、１２個又は１３個のバッテリセルを有するバッテリモジュールが使用される。

バッテリの個々のバッテリセルは、任意の望ましい方法で互いに電気的に接続することができることは言うまでもない。しかしながら、バッテリモジュールのバッテリセルは、並列または直列で接続されると都合が良い。その際、異なるバッテリモジュールのバッテリセルは異なる電気回路を有することができる。すなわち１つ又は複数のバッテリモジュールを並列に接続すると同時に、１つの／複数の別のバッテリモジュールを直列に接続することができる。さらに、あるバッテリモジュールの１つ又は複数のバッテリセルを、必要に応じて１つ又は複数の別のバッテリモジュールの１つ又は複数のバッテリセルに電気的に接続することもできる。

バッテリ用のモジュラーシステムのみならず、モジュラーシステムにより構成され且つ少なくとも１つの別のバッテリモジュール及び少なくとも１つの補填要素を有するバッテリもまた、本発明の範囲に含まれることも注記されなければならない。さらに、バッテリはまた、本発明の範囲から逸脱することなく他の構成要素も有し得ることが注記されなければならない。バッテリの他の構成要素の例として、ここでは電子回路、とりわけ電子制御回路に注目すべきである。

本発明の別の重要な特徴及び利点が、独立請求項、図面、及び図面を参照しての関連する図の説明から明らかになる。

上述した特徴及び以下で説明する特徴は、それぞれ示される組み合わせにおいてのみならず、他の組み合わせ又は単独でも、本発明の範囲から逸脱することなく用いることができることは言うまでもない。

本発明の好ましい例示的実施形態が図面に例示され及び以下で詳細に説明される。ここで同一の参照符号は、同一の又は同様の又は機能的に同一の構造部品を指す。

これらの図において、各図は概略的に以下を示す。

モジュラーシステムの平面図を示す。 モジュラーシステムにより構成されるバッテリの一実施形態の平面図を示す。 モジュラーシステムにより構成されるバッテリの別の実施形態の平面図を示す。

図１において、バッテリ２用のモジュラーシステム１は、バッテリハウジング３と、バッテリセル５の個数がｎである第１のバッテリモジュール４とを含み、ここで図示される第１のバッテリモジュール４は、バッテリセル５の個数が
ｎ＝１３
である。さらに、モジュラーシステム１は、バッテリセル５の個数がより多いｎ＋１であるか又はその個数がより少ないｎ−１である少なくとも１つの別のバッテリモジュール６を含み、ここで図示される別のバッテリモジュール６は、バッテリセル５の個数が
ｎ＝１３−１＝１２
である。さらに、モジュラーシステム１は少なくとも１つの補填要素７を有し、これは変形要素として具体化される。バッテリモジュール４、６のバッテリセル５はさらに、同じ平行六面体形及び同じサイズを有する。バッテリセル５は、バッテリモジュール４、６内でＲにより指示される方向に沿って互いに相対して配置される。バッテリセル５は、隣接するバッテリセル５の（それぞれ同じサイズの）側面同士が互いに接触するように配置される。その結果、バッテリモジュール４、６はそれぞれ細長い平行六面体形を呈する。従ってバッテリモジュール４、６は各々、長い側面８と短い側面９とを有する。個々のバッテリセル５のサイズ及び形が同じであるため、別のバッテリ要素６の方が、前記方向Ｒに向かって１つのバッテリセル５の寸法分だけ、長い側面８に沿って短くなる。補填要素７はかかるバッテリセル５と同じサイズ及び形を有する。バッテリハウジング３は平行六面体様に具体化され、側壁１０’、１０”によって空き空間１１を取り囲む。その際、図１〜図３に示されるバッテリハウジング３の場合には、２つの対向する側壁１０’が他の２つの対向する側壁１０”よりも長い。さらに、バッテリハウジング３の短い方の側面１０”は、バッテリモジュール４、６の一方の短い側面９の８倍の長さを有する。さらに、バッテリモジュール４、６と補填要素７とバッテリハウジング３の空き空間１１とは、図面の平面に対して垂直に向く方向に沿って同じ寸法を有する。従ってバッテリモジュール４、６と補填要素７とバッテリハウジング３の空き空間１１とは、特に、同じ深さを有する。

本発明によれば、バッテリモジュール４、６及び補填要素７をバッテリハウジング３内に配置することができる。その場合、図２は、モジュラーシステム１を用いて構成されたバッテリ２の可能な実施形態の一つを示す。この場合、並列に配置された８個の第１のバッテリモジュール４がバッテリハウジング３の空き空間１１の全体を埋める。そのため、第１のバッテリモジュール４の長い側面８がバッテリハウジング３の長い側壁１０’と平行に配置され、その結果、第１のバッテリモジュール４の短い側面９がバッテリハウジング３の短い側壁１０”と平行に配置される。さらに、隣接し合う第１のバッテリモジュール４の対向する長い側面８が互いに接触すると同時に、第１のバッテリモジュール４の短い側面９がバッテリハウジング３の短い側壁１０”に接触する。従って第１のバッテリモジュール４がバッテリハウジング３内に空間を埋めるように配置される。

図３は、モジュラーシステム１により構成されたバッテリ２の別の実施形態を示す。図２に示されるバッテリ２とは対照的に、図３のバッテリ２は別のバッテリモジュール６のみ、より正確には８個の別のバッテリモジュール６のみを有する。この場合、別のバッテリモジュール６は同様に並列に配置され、別のバッテリモジュール６の長い側面８がバッテリハウジング３の長い側壁１０’と平行に配置され、隣接する第１のバッテリモジュール４の対向する長い側面８と接触する。さらに、全ての別のバッテリモジュール６の隣接する短い側面９がバッテリハウジング３の短い壁１０”の一方に相対して配置される。そのためバッテリハウジング３の反対側の短い側壁１０”に沿って残りの空き空間１２が生じ、この残りの空き空間１２は、方向Ｒと垂直に互いに並んで配置された８個のバッテリセル５の寸法を有する。従って、対応して並んだ８個の隣接する補填要素７を残りの空き空間１２に配置すると、バッテリハウジング３の空き空間１１が完全に埋まる。そのため、８個の別のバッテリモジュール６と８個の補填要素７とが、バッテリハウジング３内に空間を埋めるように配置される。

従って本発明に従うモジュラーシステム１により、少なくとも１つの第１のバッテリモジュール４を含むバッテリと、少なくとも１つの別のバッテリモジュール６及び少なくとも１つの補填要素７を含むバッテリとの双方を構成することが、特に同一のバッテリハウジング３を用いて可能となる。

１ モジュラーシステム
２ バッテリ
３ バッテリハウジング
４ 第１のバッテリモジュール
５ バッテリセル
６ 別のバッテリモジュール
７ 補填要素
８ 長い側面
９ 短い側面
１０’ 長い側壁
１０” 短い側壁
１１ 空き空間

Claims (10)

1. 自動車のバッテリ（２）用、とりわけメインバッテリ用のモジュラーシステム（１）であって、
   バッテリハウジング（３）と、
   前記バッテリハウジング（３）に配置することができ且つバッテリセル（５）の個数がｎである少なくとも１つの第１のバッテリモジュール（４）と、
   同様に前記バッテリハウジング（３）に配置することができ且つバッテリセル（５）の個数がより多いｎ＋ｘであるか又はその個数がより少ないｎ−ｘである少なくとも１つの別のバッテリモジュール（６）と、
   少なくとも１つの補填要素（７）とを組合わせ要素とするものにおいて、
   ここで、１つ又は複数の第１のバッテリモジュール（４）を前記バッテリハウジング（３）に空間を埋めるように配置することができるか又は、
   １つ又は複数の別のバッテリモジュール（６）を少なくとも１つの補填要素（７）と共に前記バッテリハウジング（３）に空間を埋めるように配置することができる、モジュラーシステム（１）。
2. 前記補填要素（７）がバッテリセル（５）のサイズ及び形を有することを特徴とする、請求項１に記載のモジュラーシステム。
3. 前記補填要素（７）が、空洞、とりわけ充填可能な空洞を有し、前記空洞が、とりわけ、気体及び／又は液体及び／又は固体で少なくとも部分的に充填されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のモジュラーシステム。
4. 前記補填要素（７）が緩衝要素又は変形要素として具体化されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のモジュラーシステム。
5. 前記補填要素（７）が弾性を呈するように具体化され及び／又は少なくとも１つのばね装置を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のモジュラーシステム。
6. 前記個々のバッテリモジュール（４、６）が前記バッテリハウジング（３）内に互いに平行に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のモジュラーシステム。
7. 前記第１のバッテリモジュール（４）が１３個のバッテリセル（５）を有する一方、前記別のバッテリモジュール（６）が１２個のバッテリセル（５）を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のモジュラーシステム。
8. 前記第１のバッテリモジュール（４）の前記バッテリセル（５）又は前記別のバッテリモジュール（６）の前記バッテリセル（５）が、互いに電気的に並列に又は直列に接続されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のモジュラーシステム。
9. 前記バッテリモジュール（４、６）の少なくとも一方の前記バッテリセル（５）が同じ形及び／又はサイズを有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のモジュラーシステム。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のモジュラーシステム（１）により構成されたバッテリ（２）であって、少なくとも１つの別のバッテリモジュールと少なくとも１つの補填要素（７）とを含む、バッテリ（２）。

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