JP2014513858A - 自動車の給電バッテリを接続するためのシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリ（１０）通気装置を含む、自動車に給電バッテリ（１０）を接続するためのシステムに関し、この接続システムは、熱輸送流体循環用の少なくとも２つのダクト（２６、２７）とバッテリ（１０）とに接続するための開口部（２３）を含むことによって前記少なくとも２つのダクト（２６、２７）をバッテリの内部循環回路に連結するマルチ接続プレート（２２）を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、バッテリタイプのエネルギコンテナを電気自動車に接続するためのシステムに関する。これ以降、簡略化のために用語「バッテリ」を使用する。本発明はまた、このような接続システムによって自動車に取り付けられたバッテリを備える、このような自動車にも関する。最後に、本発明はまた、このようなバッテリ接続システムを含む自動車のバッテリ又はいずれのエネルギコンテナを交換するためのシステム及び方法、並びにこのようなシステムを用いたバッテリ交換ステーションにも関する。

電気自動車又はハイブリッド車等の特定の自動車は、電気駆動モータに給電するためのバッテリを備える。このようなバッテリと自動車との接続は、特に、電気的接続だけでなく、バッテリ（使用中の様々な段階において相当に温度上昇する傾向にある）の通気又は冷却のためのシステムの接続も提供する必要があるため複雑である。

更に、先行技術の有益な解決法によると、バッテリのエネルギレベルが新品の充電済みバッテリに対して低い場合に、このバッテリを交換することが提案されている。これは、熱機関駆動列を備える自動車のガソリンタンクを充填することができるサービスステーョンと同様のステーションで実施することができる。

特許文献１は、電気自動車の駆動モータに給電するための電気バッテリを交換するためのステーション、及びこのような交換を実行するための方法を開示している。ここに記載されている交換ステーションでは、ドライバは自分の自動車をプラットフォーム上に位置決めし、そして、電気バッテリを取り外して新しいバッテリを自動車に組み付けるための可動手段により、バッテリの交換を車両の下側から実行する。バッテリはケーシングを用いて車両に機械的に取り付けられる。しかしながら、この文献では、電気的接続がどのように実現されるのか、またバッテリの通気がどのように適用されるのか、については明示されていない。

バッテリ交換のこのような構想を実現するための困難の１つは、異なる様式で自動車に固定される様々なタイプのバッテリを備えることができる自動車が多数存在するという事実にある。したがって、これら様々なタイプのバッテリを取り外す及び交換するための自動装置を増やすこと、並びに手動の解決法を設置することは、バッテリのコスト及び重量に関して経済的に考案することができない。

よって、（技術的適性を殆ど必要としない）バッテリ交換ステーションの容易な配備を可能にするために、信頼性、堅牢性、柔軟性、及び汎用性の高いこれらのステーションの操作及びバッテリ交換方法を考案することが必要である。

より一般には、電気的接続及びバッテリ通気用システムの形成を可能とし、これによって、
充電段階を含む使用の全段階においてバッテリの十分な冷却を保証しつつ、エネルギを最適な様式で車両に送達することができるバッテリ接続システムを、自動車に設ける必要がある。更に、相当数のバッテリの据え付け及び取り外し操作に適合したバッテリ接続システムを提供することは有益である。

米国特許出願公開第２０１０／０１４５７１７号

したがって、本発明の目的は、容易に据え付け及び交換ができ、上述の目標を達成しつつ、自動車への取り付けのための構成中に最適な操作を可能とする、バッテリをモータに接続するための解決法を提供することである。

したがって、本発明は、バッテリ通気装置を備える、給電バッテリと自動車との間の接続システムに基づき、一方で冷媒循環用の少なくとも２つのダクトに接続し、他方でバッテリに接続して、これら少なくとも２つのダクトをバッテリの内部循環回路に連結する開口部を含むマルチ接続プレートを備えることを特徴とする。

給電バッテリと自動車との間の接続システムは、バッテリの後部に対して横断方向に実質的に整列された３つのダクトを備えてよく、これら３つのダクトは、冷媒の流入口として適した１つの中央低温ダクトと、冷媒の流出口として適した２つの側部高温ダクトとを含む。

冷媒循環用ダクトは、マルチ接続プレートの第１の上面に取り付けてよく、この第１の上面自体は自動車の床の下に取り付けられる。

バッテリは、マルチ接続プレートの開口部に対応するよう、かつ冷媒循環用ダクトとバッテリの内部循環回路との接続を可能にするよう配置される、密封器具で囲まれた開口部を備える上面を備えてよい。

給電バッテリと自動車との間の接続システムは、バッテリに連結された側部平坦面と、自動車の床に連結された側面とを備えてよく、上記面は固定要素による接続のために設けられる。

マルチ接続プレートは、自動車の後部座席乗客用に設けられた２列目の座席において自動車の後部に連結されてよい。

マルチ接続プレートは、マルチ接続プレートの上面の上側の、冷媒ダクトの位置決め及び冷却剤用ダクトの固定のための空間を画定する固定要素によって、自動車の床に取り付けてよい。

固定要素は、接続システムのばらつきを補償するために、自動車の床へ柔軟に接続することができる、弾性要素を備えてよい。

給電バッテリと自動車との間の接続システムは、バッテリの前部に向かって延在するソケットを備えてよく、このソケットは、自動車に取り付けられた対応する電気コネクタと相互作用する電気コネクタを備える。

このシステムは、実質的に垂直方向でのバッテリの接続／切断に適したものとすることができる。

本発明はまた、駆動手段に給電するためのバッテリを備える自動車にも関し、給電バッテリを接続するための上述のようなシステムを備えることを特徴とする。

自動車は、自動車の客室を冷却するための空調及び給電バッテリを冷却するための別個の空調を備えてよい。

給電バッテリを冷却するための空調は、給電バッテリの背後に配置してよく、冷媒ダクトによってマルチ接続プレートに連結されてよい。

本発明はまた、バッテリを自動車に据え付ける／から取り外すための方法にも関し、以下のステップ：
−持ち上げ装置によって、自動車に連結された下面に対して実質的に垂直方向に、バッテリを相対的に移動させるステップ；
−２つのコネクタ、即ち車両に連結されるソケットのコネクタと、自動車に連結された電気的接続の上部のコネクタとの間の電気的接続を接続／切断するステップ；
−バッテリと空調との間のインタフェースとして機能する、バッテリ上面と上述の接続システムのマルチ接続プレートとの間のバッテリ通気接続を接続／切断するステップ；及び、
−バッテリを自動車に固定するための固定要素を機械的に接続／切断するステップ
を含むことを特徴とする。

本発明のこれらの目的、特徴及び利点は、特定の実施形態に関する以下の記載において詳細に説明され、この記載は、以下に、添付の図面に関して非限定的な様式で行われる。

図１は、本発明のある実施形態による接続システムによってバッテリが車両に連結されている自動車の、概略側面断面図である。 図２は、本発明のある実施形態による、バッテリを自動車に接続するためのシステムの一部の上面展開図である。 図３は、本発明のある実施形態による、バッテリを自動車に接続するためのシステムの一部の上面図である。 図４は、本発明のある実施形態による、バッテリ内部の通気装置の概略図である。 図５は、本発明のある実施形態による、バッテリを自動車に接続するシステムの一部の、取り付け前の構成における概略断面図である。 図６は、本発明のある実施形態による、バッテリを自動車に接続するシステムの一部の、取り付け後の構成における概略断面図である。 図７は、本発明のある実施形態の変形例による、バッテリを自動車に接続するシステムの一部の、取り付け後の構成における概略断面図である。

図１は、自動車の床３の下側の中央に近い領域に取り外し可能に取り付けられた、自動車に取り付けられる構成のバッテリ１０を有する、自動車１を示す。自動車１は、電気的接続５によってバッテリ１０に連結された電気駆動手段４を備える。バッテリ１０を取り付けることができるよう、一方ではバッテリ冷却用の通気装置における接続、他方では自動車の駆動手段４に給電することができる電気的接続を特に備える、特定の接続システムを設ける。

この実施形態によると、バッテリ１０の通気装置は、バッテリ１０の外部にある空調２０を備え、この空調２０は特に、蒸発器と、冷媒２１の流れを生成するためのファンとを備え、この冷媒２１はこの実施形態では空気であり、バッテリ１０の内容積を通過することにより冷却機能を果たす。バッテリ接続システムにより、バッテリ内の部分と、自動車に取り付けられたバッテリ外の部分とを備える、バッテリ通気装置を形成することができる。この接続システムは、バッテリ１０と空調２０との間に配置されてインタフェースの役割を果たすマルチ接続プレート２２を備え、これは特に図２に示されており、実質的に同一平面上に配置されかつ実質的に自動車に対して横断方向に整列された３つの開口部２３を備え、これにより、空調２０からの３つのダクト２６、２７を受承してこれらの端部を同一平面上に位置決めし、バッテリ１０のケーシングの後部の上側平坦面１４に接続することができ、この上側平坦面１４は、固定された密封器具１５で囲まれた対応する開口部１３を備え、これにより、最終的に冷媒循環回路を閉鎖することができる。

この冷媒回路は、バッテリ冷却のための閉回路である。冷媒は、パイプ２４によって供給される冷却剤を用いて空調２０において冷却され、このパイプ２４は、車両の床３の下側の表面部分に沿って走り、続いてマルチ接続プレート２２の上面に取り付けられ、これにより、図３に示すように、最終的に接続２５において空調２０を再連結する。

バッテリ冷却用回路はまず、低温の冷媒を空調２０からバッテリ１０へ運ぶための低温ダクト２６を備える。この低温ダクト２６は、マルチ接続プレート２２の中央領域に取り付けられている。次に、冷却回路は２つの高温ダクト２７を備え、これら高温ダクト２７はマルチ接続プレート２２の側部領域に取り付けられ、バッテリ内を移動する間に加熱された冷媒を運び出して空調２０に戻し、例えば蒸発器内で再び冷却する。従ってこの通気システムは、閉回路内を循環し専用の空調２０によって冷却される特定の冷媒を備える、専用かつ自律性のシステムであり、この空調２０は車両の床３の下側後部に位置決めされ、車両の客室の冷却のために使用する空調からは分離されている。

図４は、バッテリの容積内の冷媒２１の流れをより正確に示す。この流れは、低温ダクト２６から、即ちバッテリ上面の中央開口部１３を通って、この内容積へと到達し、バッテリの全長にわたって、バッテリの中央領域を後部から前部へと流れる。この長手方向移動中にこの冷媒の一部は横方向へ逸れ、その後、バッテリの２つの側部部分において、側部高温ダクト２７に接続されるようになっている側部開口部１３を再連結するまで、後部へ向かって長手方向に戻る。したがって、これにより、バッテリ１０のエネルギ生成セル１９の周囲の様々な表面を可能な限り最良の様式で流れる、冷媒２１の流れが生成される。

マルチ接続プレート２２における断面を示す図５及び６に、自動車へのバッテリ１０の取り外し可能な接続をより正確に示す。

図５は、バッテリ１０が自動車から分離されている構成を示す。この配置は、図１に見られるように、後部乗客用に設けられた２列目の座席の高さにおいてマルチ接続プレート２２が取り付けられる、自動車の床３を示す。様々な低温ダクト２６及び高温ダクト２７は空調から出てこのプレートの上面に取り付けられ、従って、プレート２２と車両の床３との間の、固定要素３０によって範囲を画定される容積内に含まれる。これらのダクト２６、２７の延長部分２８は、マルチ接続プレート２２の範囲を超えて、このプレートの下側に実質的に垂直方向に延在する。

上述のように、マルチ接続プレート２２の上面及び車両の床３によって範囲を画定される容積は、上述のような冷却剤を供給するためのパイプ２４、図示していないブレーキ液を送達するためのパイプ等の要素を走らせて取り付けるために使用される。

バッテリ１０は、マルチ接続プレート２２と相互作用するのに適した上面１４を備え、この上面１４は、このプレート２２の開口部２３に対応する寸法及び間隔を有する開口部１３を備える。これら開口部１３の周囲に、密封器具１５が配置される。最後に、バッテリ１０のケーシングは、接続１４の上面の高さより低い高さにおいてバッテリの２つの側部の全長にわたって横方向に延在する、平坦な接続部分１６を備える。自動車の床３は、床の中央領域における表面の高さよりも低い位置に側面８を備え、これは、これら平坦な側部接続表面１６と相互作用するよう設計される。

図６は、自動車の床３の下側におけるバッテリ１０の取り付けの構成を示す。この構成では、ダクト２６、２７の延長部分２８はバッテリ１０の開口部１３に入り、これにより、冷媒２１の流れの良好な循環を保証する。更に、密封器具１５はマルチ接続プレート２２の平坦な底面を押圧し、接続の密封を保証する。

したがって、冷媒２１の流れは中央開口部１３を通して実質的に下向き垂直方向Ｅにバッテリに入ることができ、続いて２つの側部開口部１３を通して実質的に上向き垂直方向Ｓに再び出現することができることは明らかである。よって、冷媒はバッテリの様々なエネルギ生成セル１９の周囲を走り、これらを冷却する。自動車の側面８及びバッテリ１０の側面１６は、例えばネジ３１等のいずれの手段によって、互いに対して取り付けられる。

図７は、バネ等の弾性接続要素２９を用いてマルチ接続プレート２２が自動車の床３に柔軟に取り付けられ、これにより接続システムの様々な構成部品の幾何学的寸法のばらつきが吸収され、正確な接続が可能となる、変形実施形態を示す。ここで、バネは圧縮状態で中間接続プレート２２に対して作用し、その表面全体にわたるバッテリの上側平坦面１４との接触を保証する。

バッテリ１０を自動車に接続するためのシステムはまた、バッテリ１０と自動車１、特にその電気駆動手段４との間の電気的接続５を確立することもできる。この電気的接続５は例えば、２つの高圧ケーブル及び１つの低圧ケーブルを備えてよい。

図１に示す電気的接続の配置は、バッテリ１０に連結され剛性ソケット１１の形態をとる第１の部分上に静置され、この剛性ソケット１１は、金属、剛性の極めて高いプラスチック、又は金属とプラスチックの混合物を含むハイブリッド材料、特に金属製内部メッシュを含むプラスチックで作製され、バッテリ１０の前部の方向へと水平に延在する。このソケット１１は電気コネクタ１２を備える。そして、バッテリの電気的接続の配置は、自動車に連結されソケット１１と相互作用する第２の上部を備え、これは、ソケット１１の電気コネクタ１２と相互作用するよう設計された、自動車の電気的接続５の端部の電気コネクタ６を備える。この実施形態では、電気コネクタ６は、１つ又は複数の雄型ピン７を備える高圧コネクタであり、ソケット１１側の電気コネクタ１２は対応する雌型部分を備える。

上述の、自動車の下側のバッテリ１０の配置は、取り外し可能であり、バッテリを実質的に垂直方向に運かして迅速かつ自動的に交換できるよう設計されている。最後に、バッテリと自動車との間のこの接続システムはまた、以下の利点も有する：
−水、泥又は塵がバッテリを損傷するため、接続の密封を保証し、通気システムから冷媒が漏れるのを防止する；
−通気装置の複数のダクトの特定のロックを必要とせずに、アクセスしにくい領域において同時に接続を行うことができる；
−砂利（chip spreading）のような他のあらゆる衝撃に対する抵抗力を提供する；
−数時間から数ヶ月にまでなり得る、極めて不規則な据え付け／取り外し操作サイクルに適している；
−数千回単位の多数のバッテリ据え付け／取り外し操作に適している；
−数分程度の迅速なバッテリ据え付け又は取り外し操作が可能である；
−全ての車両に適しており、自動車及びシステム自体の様々な構成部品の幾何学的形状の分散、許容誤差を考慮する。

本発明はまた、バッテリを自動車に据え付ける／から取り外すための方法にも関し、以下の基本的なステップ：
−持ち上げ装置によって、自動車に連結された下面３に対して実質的に垂直方向にバッテリ１０を相対的に移動させるステップ；
−２つのコネクタ、即ち車両に連結されるソケット１１のコネクタ１２と、自動車に連結された電気的接続の上部のコネクタ６との間の電気的接続を接続／切断するステップ；
−バッテリと空調２０との間のインタフェースとして機能する、バッテリの上面１４とマルチ接続プレート２２との間の、バッテリ１０への通気接続１３；２６、２７を接続／切断するステップ；及び、
−バッテリ１０を自動車に固定するための固定要素３１を機械的に接続／切断するステップ
を含む。

本発明はまた、バッテリを交換するためのシステム及びこのようなシステムを用いる交換ステーションにも関し、この交換ステーションは、バッテリを持ち上げて任意に移動させるための装置、並びに上述の接続配置を介して電気的接続及び通気接続を行いつつ自動車上でバッテリの機械的取り付け及び取り外しを行うためのツールを備える。移動機能を備えず持ち上げ機能のみ、即ちバッテリの実質的に垂直方向への移動のみに制限された持ち上げシステムを設けることもできる。そして、移動機能を、据え付けるバッテリ又はバッテリを据え付けようとする車両のいずれかを移動させることができる別個の移動システムによって得ることができる。これに関して、自動車の下でバッテリを後にバッテリが置かれる位置と垂直に並べるための、水平方向の運動のために、コンベヤレールを設けてよい。バッテリの機械的取り付け及び取り外しは、自動的に、ロボット又は汎用ツールボックスタイプの装置を用いて、接続インタフェースと、取り付け及び取り外しツールの起動を実施するためのモータ駆動手段とを備えるいずれの接続手段によって実行することができる。

当然のことであるが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、多くの他の構造を想定することができることは明らかである。変形例として、バッテリ１０を自動車の下側の異なるハウジングに取り付けることができる。更に、通気装置は別の幾何学的形状を有することができる。空調は専用のものでなくてよく、例えば客室の温度制御のためにも使用される。同様に、冷媒はいずれの種類のものであってよく、バッテリ専用のものである必要はなく、自動車の他の構成部品と相互作用するよう使用することができる。更に、マルチ接続プレートは他の形状をとることができ、図示したような３つの接続とは異なる数の接続、少なくとも２つの接続を備えることができる。

最後に、自動車の下側に取り外し可能にバッテリを取り付ける場合に関する解決法を説明した。このバッテリは、バッテリが完全に放電した時にこれを交換することができるようにするために、複数据え付け及び取り外し操作のために設計されている。しかしながら、この解決法は、自動車内のハウジングに恒常的に存在するよう設計され、自動車上で直接充電が行われる、固定かつ取り外し不可能なバッテリにも適している。この解決法は、生産ラインにおいてバッテリの取り付けを容易にし、また、後の保守及び修理作業を容易にするという利点を有する。

Claims (14)

1. バッテリ（１０）通気装置を備える、給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システムであって、
   一方で冷媒循環用の少なくとも２つのダクト（２６、２７）に接続し、他方で前記バッテリ（１０）に接続して、前記少なくとも２つのダクト（２６、２７）を前記バッテリの内部循環回路に連結する開口部（２３）を含むマルチ接続プレート（２２）を備えることを特徴とする、給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
2. 前記バッテリの後部に対して横断方向に実質的に整列した３つのダクト（２６、２７）であって、冷媒の流入口として適した１つの中央低温ダクト（２６）と、前記冷媒の流出口として適した２つの側部高温ダクト（２７）とを含む３つのダクトを備えることを特徴とする、請求項１に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
3. 前記冷媒循環用ダクト（２６、２７）が前記マルチ接続プレート（２２）の第１の上面に取り付けられ、前記第１の上面自体が自動車の床（３）の下に取り付けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
4. バッテリ（１０）が、マルチ接続プレート（２２）の開口部（２３）に対応するよう、かつ冷媒循環用ダクト（２６、２７）とバッテリ（１０）の内部循環回路との接続を可能にするよう配置されて密封器具（１５）で囲まれた開口部（１３）を含む上面（１４）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
5. 前記バッテリに連結された側部平坦面（１６）と、前記自動車の床（３）に連結された側面（８）とを備えており、これらの面が固定要素（３１）による接続のために設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
6. マルチ接続プレート（２２）が、前記自動車の後部乗客用に設けられた２列目の座席において、前記自動車の後部に連結されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
7. マルチ接続プレート（２２）が、マルチ接続プレート（２２）の上面の上方の、冷媒ダクト（２６、２７）の位置決め及び冷却剤用ダクト（２４）の固定のための空間を画定する固定要素（３０）によって、前記自動車の床（３）に取り付けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
8. 固定要素（３０）が、前記接続システムのばらつきを補償するために前記自動車の床（３）に柔軟に接続することを可能にする弾性要素（２９）を備えていることを特徴とする、請求項７に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
9. バッテリ（１０）の前部に向かって延在するソケット（１１）であって、前記自動車に取り付けられた対応する電気コネクタ（６）と相互作用する電気コネクタ（１２）を含むソケット（１１）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
10. 実質的に垂直方向にバッテリ（１０）を接続／切断することに適していることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の給電バッテリ（１０）と自動車との間の接続システム。
11. 駆動手段（４）に給電するためのバッテリ（１０）を備える自動車であって、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の給電バッテリ（１０）を接続するためのシステムを備えることを特徴とする自動車。
12. 前記自動車の客室を冷却するための空調、及び給電バッテリ（１０）を冷却するための別個の空調（２０）を備えることを特徴とする、請求項１１に記載の自動車。
13. 給電バッテリ（１０）を冷却するための空調（２０）が、給電バッテリ（１０）の背後に配置されて、冷媒ダクト（２６、２７）によってマルチ接続プレート（２２）に連結されていることを特徴とする、請求項１２に記載の自動車。
14. バッテリ（１０）を自動車（１）に据え付ける／自動車（１）から取り外すための方法であって、
    −持ち上げ装置によって、前記自動車に連結された下面（３）に対してバッテリ（１０）を実質的に垂直方向に移動させるステップ、
    −２つのコネクタ（１２、６）、即ち前記自動車に連結されるソケット（１１）のコネクタ（１２）と、前記自動車に連結された電気的接続の上部のコネクタ（６）との間の電気的接続を接続／切断するステップ、
    −バッテリ（１０）と空調（２０）との間のインタフェースとして機能する、バッテリ上面（１４）と請求項１〜１０のいずれか１項に記載の接続システムのマルチ接続プレート（２２）との間のバッテリ（１０）への通気接続（１３；２６、２７）を接続／切断するステップ、並びに
    −バッテリ（１０）を前記自動車に固定するための固定要素（３１）を機械的に接続／切断するステップ
    を含むことを特徴とする方法。

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