JP5705374B2 - 電池搭載車両 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１により詳細に定義した種類の電池及び車両支持構造を備えた車両に関する。

技術の一般的な水準からみて、少なくとも部分的に電気的な駆動によって動く車両は、周知である。これらの車両は電池を必要とし、その電池は実際電動車両用電池と呼ばれ、車両の前進駆動のための電力を蓄積している。これらの電池は、例示をすれば車両の内部の貨物積載空間を狭くしないため、又は僅かにしか狭くしないために、車両の内部にあって、確実で、安定しており、且つできるだけ場所をとらずに格納されなければならない。

特許文献１：独国特許出願公開第１０ ２００７ ０６３ １９３Ａ１号によれば、過重な負荷に対する安全装置を備えている電池が周知である。典型的には、電池は、車両内の電動車両用電池として設置される以上は、高い蓄積密度を可能にする蓄積技術、例示すればリチウムイオン技術が実現されている。根本的には、その種の技術にあっては、課題が存在しており、それは、電池の短絡（ショート）又は過電流の際には、電池全体又は電池を構成する個々の電池セルの中で―その個々のセルから電池が典型的に構築されているわけであるが―負荷が過重になるという課題である。そのような過重を非常時に削減することができるように、電池と電池環境が損害を被る前に、典型的には予め考えられ、備えられているのは、損害の起きた場合には、開放する閉鎖要素が、電池を構成する個々の電池セルの領域に於いて、及び/又はこれらのセルを囲んでいる電池全体の電池筐体の領域に於いて、正しく配列されているということである。関係するドイツの公開文書によれば、例示として、電池を構成する一つのセルの筐体の領域におけるそのような過重安全装置が記述してある。この安全装置は、一つの破裂要素（バーストエレメント）からなっており、この要素は、例示すれば薄い膜として又は事前に決められた破断点を備えた筐体の一部として構成されている。この要素が、例示をすれば短絡によって電池を構成する個々の電池セルの内部で負荷が過重になると、過重安全装置が開放し、そして負荷の過重を解放する。この場合、比較的大きな、気体（ガス）の塊が発生し、その結果、電池を構成する個々の電池セルを囲む電池筐体が、技術の一般的な水準に従って、排気口を典型的には利用するが、排気口は、開口しているか又は破裂要素若しくはその類いのものを通じて閉鎖されているかいずれかの形で構成されている。さて、車両の中にそのような電池を設置する場合に重要なことは、電池の負荷の過重によって発生し得る比較的大きな気体の塊が、車両の内部空間に達することなく、安全に、車両から排出されることである。この車両の内部空間では、典型的には乗客が坐っており、気体を通じて場合によっては被害を受けることも有り得るかも知れないからだ。

それ故に、一般的に普通の構造にあって前提とされているのは、典型的には電池全体を囲んでいる電池筐体の領域に配置されている電池の排気口が、対応する導線要素を通じて、車両の外部環境と接続されているということである。これらの導線要素は、排気口と密に接続されなければならず、そして、車両の中に配置された場合には、負荷過重の場合に排出される気体が車両の内部空間の中に入って来ることが、確実に且つ安全に回避されるように配置される。従い、導線要素、導線誘導、同じく接続面の構築と密閉（パッキング）に関するコストは、比較的大きいものになる。

技術の一層一般的な水準によって、更に周知であるのは、電池を車両の支持構造の領域に配置することである。

特許文献２：米国特許出願公開第２０１０／０２１３７４１ Ａ１号においては、例示をすれば、電気・化学的な構成要素を、この場合は燃料セルを、車両の変速機部、つまり車両の支持構造の領域に配置することが記述されている。衝突した場合に電気・化学的な単位に不必要な負荷をかけないために、変速機部は対応する強化材を示しているが、その強化材は電気・化学的な単位の間に配置されていて、衝突した場合には、力が電気・化学的な構築要素を通って導かれないように配慮をする。これによって、安全性は高まり、そして電気・化学的な構築単位の偶発的な被害の危険は減少する。

特許文献３：仏国特許出願公開第２ ９４２ ７６４ Ａ１号によって更に周知であるのは、エネルギー蓄積装置、例示すれば電池も、車両の支持構造の領域に配置することであり、その領域には、空いた空間がなければならない。それによって、場所を節約しながら、対エネルギー蓄積のために対応する装置が車両の支持構造の中へと統合され、そして、他に広さを必要とする構築空間をとることを不要にする。

このように、これら両方の文書は、都度、燃料セルの統合について又は電池を車両の支持構造の既存の空洞空間の中へと統合することについて記述をしている。

独国特許出願公開第１０ ２００７ ０６３ １９３Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０２１３７４１ Ａ１号明細書 仏国特許出願公開第２ ９４２ ７６４ Ａ１号明細書

本発明の課題は、必要な構築空間を最小限にできる電池車両を提供することである。

本発明によれば、この課題は、請求項１に挙げられている特徴によって解決される。この発明に従った更に有利な構成は、これに従属した下位の請求項に明示される。

本発明による車両は、次のことが予め考えられている。それは、少なくとも電池の一つの通気口は、少なくとも中空部品として構成されているブラケットの内部空間と接続しており、そして、この内部空間を通じて直接に又は中空部品として構成されている更に他のブラケットを通じて、車両の外部環境と接続しているということである。典型的には専ら中空部品として構成されているブラケットは、しばしば丸い又は矩形の横断面を備えたパイプとして構成されているが、この発明によれば導線要素として、破損の場合に電池の通気口から出て来る気体を排出するために利用される。典型的には、ブラケットの中空部は、対応する大きな横断面を有し、その結果、電池の領域において破損が発生した場合に形成する比較的大きな気体の塊が、ブラケットを通じて問題なく排出することができる。中空部品として構成されるブラケットは、そのフロントエンドで、典型的には車両車体の外側の領域と接続しており、そして、車両の内部空間には接続していない。それ故、ブラケットは、車両の乗客を危険に晒すことなく、気体を外部の環境に排出することに理想的に適している。付加的な導線要素は、技術の水準からいっても必要はあるが、ここでは必ずしも必要ない。専ら一つの開口部が、ブラケットの領域で適切な場所に、又は場合によってはブラケットの一つから別のブラケットの中へと移る場所に、予め備えられなければならない。それ故、その構造は、構築空間の点で、必要な構成部分の点で、そして特に組み立て及び密閉（パッキング）コストの点で、その構築物に対して、技術の水準からいっても、予め決められている。

更に、この発明による車両の有利な構成においては、電池が支持構造の領域に配置されているということが予め考えられ、決められている。支持構造の領域での電池のそのような配置は、この発明により構築される車両にとっては理想的である。その理由は、これによって、導線要素が通気口と入口の間で支持構造の中空部へと入ることが最小限に押さえられ又は無くすることができるからである。

従い、この発明による車両の更に非常に有利な構成は、予め次の事が考えられていることである。即ち、電池は、少なくとも一つの通気口を備えた電池筐体を備えるということであり、この場合、少なくとも一つの通気口は、直接には少なくとも一つの開口部と、ブラケットのうちの少なくとも一つの中で一緒に働くということである。

従い、この発明による車両のこの特に有利な構造に於いては、電池の電池筐体の通気口が直接ブラケットと一緒に働くことによって、全体的な導線要素を廃棄することができる。ここにおいて、確実な接続、例示すれば、素材レベルでの接続又はポジティブ・ロック形式での接続が問題になり得るのであり、また密閉要素を通じて、一つの密閉する接続をつくることができる。従い、この構造においては、専ら唯一の密閉要素が、電池筐体とブラケットの間で必要となるか、或いは素材レベルでの接続の場合には、それを選択せずに済む。

更に加えて、この発明による車両の特別有利にして且つ有益な更なる構成において予め定められていることは、電池が電池筐体を備えているということである。この場合、電池筐体又は電池筐体の一部、特に電池筐体の底面プレートは、支持構造の構成部分として形成される。

この特に有利な更なる構成においては、電池筐体又は電池筐体の一部は、従い、電池筐体としての機能を引き受けるし、また同時に車両の支持構造における構成部分としての支持機能をも引き受ける。一方では電池筐体としての、他方では車両の支持構造の構成部分としての電池筐体の二重機能性を通じて、更に構築空間は節約される。その理由は、従来の支持構造の諸部分は、電池筐体又は電池筐体の一部により代替されることによって、放棄できるからである。

電池筐体の応用又は支持構造の構成部分としての電池筐体の部分の応用は、安定し且つ堅牢な支持構造を一方では可能にし、そして他方では、典型的には電池を構成する個々のプリズム式電池セル一つの又は複数のスタックの形で構成される電池の電気・化学的な構築を、従来の方法を使って―比較的柔軟に―実現可能にするのだ。それによって、電池の製造コストと電池の構築重量が節約されるのに対して、他方同時に、支持構造の高安定的な構成部分として専ら必要とされる電池筐体の一部分を少なくとも構成することができる。

更に、この非常に有益な更なる構成において予め考えられていることは、電池筐体は少なくとも強化要素を、特に電池の冷却装置の形で備えていることである。

電池筐体の中のそのような強化要素は、支持構造の構成部分としての電池筐体を充分に安定して且つ堅牢に構成するのに役立つことができ、このとき、全体の電池筐体を実現するのに不必要に難しくする必要がない。

電池の典型的な構築物は、例示すれば電動車両用電池としては、少なくとも部分的には電気的に駆動する車両に設置される以上、積極的な冷却を必要とする電池を構成する個々の電池セルが利用されることを予め考えられているのだ。この電池を構成する個々の電池セルは、例示をすれば、リチウムイオン技術においては、しばしばプリズム式電池を構成する個々の電池セルとして、スタックされて一つの又は幾つものセルスタックになり、そして電池と一体になっている。電池を構成する個々の電池セルの確実且つ一様な冷却を保証することができるためには、しばしば次のことが予め考えられている。即ち、よくプレートとして又はパイプの形で構成され、そしてセルスタックの一つの又は幾つもの面の上に配置される冷却装置は少なくとも、電池を構成する個々の電池セルの温度調整及び冷却のためにいつでも使える状態でそこにあるということである。この冷却装置は、特に金属のプレートとして、積極的に一つの冷却媒体が、例示すれば一つの冷房装置の冷却手段が流れ通っており、またそのように構成されているが、この冷却装置は典型的には非常に堅牢であり、そして冷却の機能性の他に、理想的にはまた強化要素の機能性をも電池筐体の中で引き受ける。この構造は、かくも非常に堅牢な電池筐体を作ることができ、その筐体は理想的に車両の支持構造の構成部分として適しており、更に冷却装置の強化要素の構成を通じて、構築空間及び分離した冷却装置又は分離した強化要素の重量を付加的に節約することができる。

更に、この発明による車両の非常に有利な更なる構成に於いては、予め次のことが考えられている。即ち、電池が電動車両用電池として電気的な駆動性能の蓄積に応じて、少なくとも部分的には電気的に駆動する車両の中で使われるということである。この電池は特に電動車両用電池としては、例示をすれば電動車両又は特にハイブリッド車両のために適している。その理由は、電池は、遥かに構築空間をとらず、車両のこれまでの支持構造の中に統合化されることができ、そしてそれ故に、非常に場所を節約する形で、燃料式モーターを備えた既存の駆動コンセプトとも統合化することができるからである。これによって、車両のハイブリッド化は簡単になり、且つ効率的に可能となる。

この発明の車両の一層有利な構成は、従属する請求項に明示されており、後述するように、図を参照しながらより詳細に記述している実装の例に依って明示される。

車両の支持構造の概略図。 設置された電池の断面図。 最初の状態（ａ）と次の状態（ｂ）における支持構造のブラケットのフロントエンドの端の例示的実装形態。 電池を図１に相当する車両の支持構造に統合した概略図。 車両の支持構造に電池を統合した図４を拡大した断面図。

図１の図中には、車両１又はそのような車両１の支持構造２が簡略化され、概略図で示されている。支持構造は、本質的には縦ブラケット３と横ブラケット４から成り立っている。更に、図１には、車両１の車輪５が示されている。部分的に描いた車両１の走行方向は、Ｆと示されており、その結果、車両１は、前進走行の際には、矢印Ｆの方向に走る。この場合、よりよい理解のためには、走行方向にある縦ブラケット３及び横ブラケット４は、車両のフロント（前面）から付番される。従い、車両１のいわゆるフロントエンドに縦ブラケット
３.１、車両１の中央部に縦ブラケット ３.２、そして車両のエンド領域に縦ブラケット
３.３が配置されている。横ブラケット ４は、丁度次のように付番されている。即ち、フロントエンドの横ブラケットが４.１、中央部のブラケットが４.２、そして走行方向で最も遠くの後ろに配置されている横ブラケットは、４.３と表示される。この場合、図１では、横ブラケット ４.３は、断面図として描かれている。

このとき、支持構造２の構造は、純粋に概略図として理解さるべきであり、当然のことながら、縦ブラケット ３及び横ブラケット ４の更に多くの又はまた更に少ないブラケットを、この種類の支持構造においては有することができる。図１に描かれた車両１の実装の例においては、電池６が、車両の後部の領域に配置されている。電池６は、図２の断面図において詳細が示されているが、電池筐体７を備えていて、この電池筐体は、ここに描かれている実装の例においては、床部分８及びフラップ部分９から成り立っている。電池筐体７においては、それ自体周知の方法で、更なる電池を構成する個々の電池セル１０が配置されている。ここに描かれている実装の例においては、電池を構成する個々の電池セル１０は、その都度プリズム式電池を構成する個々の電池セル１０として構成され、そしてスタックされて、セルスタック１１になっている。例示をすれば、電池を構成するシリンダー様の個々の電池セルを備えている次善の実装形態があれば、当然のことながら、まさしく考えるに値するものになる。電池を構成する個々の電池セル１０の集積は、ここに描かれたセルスタック９の実装の例では、概略図に従って示されている受け要素１２を通じて、電池筐体７において受容されており、そして、ここには描いていないが、例示をすれば電池管理システムのような適切な電気構造部分を自由に使うことができる。更に、電池を構成する個々の電池セル１０の積極的な冷却は、可能であるべきである。このことは、ここに描かれている実装の例においては、冷却装置１３について示されているが、この冷却装置は、冷却プレートの形で、セルスタック１１の面の上に配置されている。冷却装置１３は、それ自体周知の方法で、例示をすれば独自に電池６のために構築された冷却循環によって、且つ/又は車両１の空調設備によって、積極的に冷却することができる。また冷却のこの構造は、この発明にとっては、本質的な役割を果たすではなく、そして、この構造は、技術の一般的な水準からいって、周知のものであり、その結果、それ以上詳細には述べない。この積極的な冷却は、専ら冷却媒体の流入と排出のための二つの冷却導線１４を通じて示されている。

さて、電池を構成する個々の電池セル１０の各電池セルは、閉鎖要素１５を備えるが、この要素は、負荷の過重圧力に対する安全装置として構成されており、また例示をすれば破裂要素として実現することができる。閉鎖要素１５をばねを使った逆止弁又はその類いの形態を以て構成することも考えられる。電池を構成する一つの又は複数の個々の電池セル１０において、例示をすれば短絡（ショート）して又は計画されていない過電圧によって、負荷が発生すると、閉鎖要素１５が一定の圧力のときから開口し、その結果当該の電池を構成する個々の電池セル１０から出る気体を排出することができる。これが、ここでは、電池を構成する個々の電池セル１０のうちの一つを例にして示している。１６と付番された矢印で示している気体は、電池を構成する個々の電池セル１０から排出され、そして、電池筐体７の中の相当する負荷を調整する。電池筐体７は、通気口１７を備えているが、この通気口は開いていることも出来るし、又は同様に、ここには描かれていない閉鎖要素を通じて、電池を構成する個々の電池セル１０の閉鎖要素１５の方法で閉鎖することもできる。電池筐体７で負荷が発生すると、気体１６は通気口１７を通じて排出され、そして穴１８を通じて横ブラケット４．３の領域の中へと到達する。この場合、電池筐体７の床部分８は、横ブラケット４と接続しており、従い、この横ブラケット４に対して押されているので、その結果、開いた通気口１７にある電池筐体７の内部と横ブラケット４．３の内部１９の間に、密閉する接続が生まれる。それによって、気体１６は、電池筐体７から出て、中空部品として構成されている横ブラケット４．３の内部１９の中へと流れ込み、そして、この横ブラケットの中から、典型的にはその開いたフロントエンドのところで、図１が示すように、相応に排出される。

横ブラケット４．３の開いたフロントエンドは、典型的には、車両１の外部環境とのみ接続し、車両の内部空間とは接続しないので、発生している気体１６を電池６の中から外部環境へと、確実に且つ安全に排出することが保証されていて、このとき、車両１の乗客は気体１６に触れることがなく、これによってどんな場合であっても乗客が危険に晒されることはない。

図３においては、横ブラケット４のフロントエンドを、（ばねを使った）戻り要素として働くフラップ２０を通じて、相応に閉鎖することも可能である。このことは、規則的な稼働においては、―例示をすれば絶えず開いている通気口１７では―横ブラケット４．３の内部空間１９を通じては、どんな汚れた物質も電池筐体７の中へは侵入しないということを確実なものとしている。気体１６が排出した際には、フラップは、図３ｂに示すように、この場合はフラップの重力に反して開かれる。ここにおいて、重力に対してまさしく補完的に又は二者択一的に、一つのばねを予め考えることができる。当然のことながら、積極的に制御されるフラップ２０又は破裂要素としての皮膜を設置することも、考えることができるわけである。

図４では、図１に類似する他の実施形態が明示されている。

この場合、電池６は、詳しく後述する方法によって、支持構造２の中へと編入されて支持する構造部分を構成するが、この構成部分は、ここに描画されている実装例においては、横ブラケット４．２の部分として構成されている。このとき、この横ブラケットは、縦ブラケット３．２と一緒に、断面図の中に明示されている。電池６、又は電池筐体７は、再び一つの通気口１７を備えているが、この通気口は、図５においてのみ示されている。次に、電池６の領域において負荷が掛かって発生する気体１６は、横ブラケット４．２の部分を通じて導かれ、そして縦ブラケット３．２の一つに配置された開口部２１を通じて、この縦ブラケット３．２の内部の中へと達し、そしてここに描かれている矢印に従って、縦ブラケット３．２のフロントエンドを通じて車両１の外部環境へと達する。図４に描かれている構造は、横ブラケット４．２及び縦ブラケット３．２を通じて、発生する気体を導く可能性の他に、更に付加的に決定的な利点を備えているが、それは電池６又は電池筐体７の部分が支持構造２の構成部分であるということである。図５により一層明示されているように、電池６の電池筐体７は、例示をすれば底面プレート２２として設計されている床部分８と一緒に構成されているので、その結果電池筐体７は受け部２３を示しており、この受け部は、例示をすれば電池６の底面プレート２２と一緒に溶接することができる。これらの受け部２３は、ネジ２４によって取り外しできる形で、横ブラケット４．２の両方の部分と接続されている。このとき、底面プレート２２は、特に空洞空間構造として構成することができるが、その目的は、可能な限り軽い重量で、出来るだけ良く横ブラケット４．２の部分の諸力をその横ブラケットのもう一つの部分の中へと更に導くためである。更に、底面プレート２２は、これを支持する強化要素を示している。図５では、断面図で、冷却装置１３のふたつが、冷却プレートの形で電池セルスタック１１の間にあることを明示している。これらの冷却装置は、典型的には金属材料から構成されており、従って高い堅牢性を示しているので、これらの冷却装置は、理想的な方法によれば、強化要素を構成することができる。これらの冷却装置は、底面プレート２２の一方の側からその底面プレートの他方の側へと更に諸力を導くことができるが、このとき、そのために付加的な構築要素が必要となることはない。

図５には、例示をすれば継続的な開口部として電池６の底面プレート２２の中で構成されている通気口１７が示されている。通気口は、横ブラケット４．２の部分の内部空間２５と接続している。横ブラケット４．２は、そのために、ここでは描かれていない密閉要素を通じて、そのフロントエンドの領域か又は受け部２３の領域において、電池６の底面プレート２２に取り付けることができ、その結果気体は確実に且つ安全に通気口１７から出て、横ブラケット４．２の内部２５の中へと、外部環境に達することなく、流れ込む。次に、気体は、図４に既に描かれているように、縦ブラケット３．２を通じて車両１の外部環境へと達するが、このとき、車両の乗客をその内部空間において危険に晒すことはない。

Claims (8)

1. 電池（６）及び車両用支持構造（２）を備えた車両（１）であり、前記支持構造は中空部品として構成された複数のブラケット（３、４）を備え、前記電池（６）は少なくとも一つの通気口（１７）を備える車両（１）であって、
   前記電池（６）の前記少なくとも一つの通気口（１７）は、少なくとも一つの中空部品として構成された前記ブラケット（３、４）の内部空間（１９、２５）と接続し、直接又は中空部品として構成された他のブラケット（３、４）を介して、前記車両（１）の外部環境と接続していること、
   前記電池（６）が前記支持構造（２）の領域に配置されていること、および
   前記電池（６）が前記少なくとも一つの通気口（１７）を備えた電池筐体（７）を備え、前記少なくとも一つの通気口（１７）が、少なくとも一つの前記ブラケット（４．３、４．２）の開口部（１８）と直接連通していることを特徴とする車両（１）。
2. 前記少なくとも一つの通気口（１７）が、閉鎖要素を弁装置の形で、逆止要素の形で、又は破裂要素の形で備えることを特徴とする、請求項１に記載の車両（１）。
3. 前記電池（６）が複数の個別電池セル（１０）から構築され、各電池セルは、閉鎖要素（１５）を圧力解放弁又は破裂要素の形で備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の車両（１）。
4. 中空部品として構成された少なくとも一つの前記ブラケット（３、４）の車両（１）の外部環境との接続が、透過媒体を防ぐ閉鎖要素を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車両（１）。
5. 少なくとも一つの前記閉鎖要素（１５）が、圧力に応じて開口することを特徴とする、請求項２，３又は４に記載の車両（１）。
6. 電池（６）及び車両用支持構造（２）を備えた車両（１）であり、前記支持構造は中空部品として構成された複数のブラケット（３、４）を備え、前記電池（６）は少なくとも一つの通気口（１７）を備える車両（１）であって、
   前記電池（６）の前記少なくとも一つの通気口（１７）は、少なくとも一つの中空部品として構成された前記ブラケット（３、４）の内部空間（１９、２５）と接続し、直接又は中空部品として構成された他のブラケット（３、４）を介して、前記車両（１）の外部環境と接続していること、
   前記電池（６）が前記支持構造（２）の領域に配置されていること、
   前記電池（６）が電池筐体（７）を備え、前記電池筐体（７）又は前記電池筐体の一部（８、２２）は、前記支持構造（２）の部品として構成されていること、および
   前記電池（６）の前記少なくとも一つの通気口（１７）は、前記ブラケット（３、４）の内部空間（１９、２５）と直接連通していることを特徴とする車両（１）。
7. 前記電池筐体（７）が、前記電池（６）のための冷却装置（１３）を備えることを特徴とする、請求項６に記載の車両（１）。
8. 前記電池（６）が駆動用電池として電気的な駆動力の蓄積のために、少なくとも部分的に電気的に駆動される車両の中に備えられていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の車両（１）。
   

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