JP6955018B2 - バッテリシステム - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前文の特徴を有するバッテリシステムに関する。この種のバッテリシステムは、たとえば出願人に由来する特許文献１（独国特許出願公開第１０２０１４１１４０１９（Ａ１）号明細書）から知られている。

前に知られているバッテリシステムにおいては、ハウジングとその中に含まれているセルブロックとの締めつけ固定は、硬化する充填材料によって達成される。充填材料は、セルブロックとハウジングの間に配置された圧縮袋内に含まれている。圧縮袋には、過圧が供給されるので、セルブロックがハウジングの内部でしっかりと締めつけられる。次に充填材料が硬化して、締めつけを強化する。

さらなる開発の枠内において、特に航空産業の側からバッテリシステムに特別な要請が課されることが、明らかにされている。航空機内で使用するために、バッテリシステムはその重量とその強度に関して最適化されるべきであり、その場合にうまくゆけば性能も向上する。

独国特許出願公開第１０２０１４１１４０１９（Ａ１）号明細書

したがって本発明の課題は、小さい重量と高い強度及び性能を特徴とする、前に知られているバッテリシステムの展開を示すことである。本発明の課題は、さらに、この種のバッテリシステムを有する乗物、特に航空機を提供することである。

本発明によれば、この課題は、バッテリシステムに関しては請求項１の対象によって、そして乗物に関しては請求項１１の対象によって解決される。

すなわち本発明は、気密に閉鎖されたハウジングとセルブロックとを有し、その場合にセルブロックが、接触プレートによって電気的かつ機械的に接続された複数のバッテリセルから形成されている、特に航空機用の、バッテリシステムを提供するという、考えに基づいている。ハウジングは、ハウジングの内部に負圧を発生させるために負圧ポンプと接続可能であり、あるいは接続されている。ハウジングの内部を負圧が支配し、その場合にハウジングの少なくとも１つのハウジング側壁がフレキシブルであって、それによってハウジング側壁はハウジングの内部に作用する負圧によってセルブロックと締めつけ固定される。

好ましくは本発明において、ハウジングとバッテリシステムのセルブロックとの間の締めつけ固定は、負圧によってもたらされ、その負圧は特にハウジングの内部に永続的に作用する。したがってハウジングは、比較的薄い材厚で形成することができ、それにもかかわらず充分に安定的である。同時に、ハウジングの材厚が小さいことによって、バッテリシステムの重量が削減される。ハウジングがセルブロックと締めつけ固定されることによって、セルブロックからハウジングへの良好な熱伝達が得られる。それがバッテリセルの冷却を改良し、そのようにしてバッテリシステムの性能と寿命を増大させる。

一般的に、特に航空の領域内で、具体的には飛翔装置のボードに、バッテリシステムを使用することに関して、バッテリシステムができる限り小さい質量かつ／又はできる限り小さい体積において、できる限り高いエネルギ単位を有していると、効果的である。したがって特に、バッテリシステムの、エネルギ貯蔵機能をもたないコンポーネントの質量が大幅に削減される。バッテリシステム全体の質量に対するエネルギを貯蔵する質量、すなわちバッテリシステムのすべてのバッテリセルの質量の合計の比率は、できる限り大きくされる。本発明に係る構造によって、バッテリセルの質量の合計とバッテリシステム全体（特にハウジングを含めて）との間の特に良好な比率が達成される。特に少なくとも０．８５、特に０．８５と０．９５の間、特に０．９と０．９５の間の比率が得られる。言い換えると、バッテリシステムの内部のバッテリセルの質量の合計は、バッテリシステムの全質量の少なくとも８５％、特に８５％と９５％の間、特に９０％と９５％の間を占める。

バッテリシステムの全体積に対するバッテリシステムのすべてのバッテリセルの累積される体積の比率についても、同様なことが言える。本発明においては、負圧締めつけ固定及びそれに伴ってハウジングの材厚削減が可能であることによって、バッテリシステムの全体積が削減される。したがってバッテリシステムの全体積に対するバッテリシステムのすべてのバッテリセルの累積された堆積の、少なくとも０．７５、特に０．７５と０．９５の間、特に０．８と０．９の間の体積比が得られる。言い換えると、バッテリシステムの内部でバッテリセルはまとめて、バッテリシステムの全体積の少なくとも７５％、特に７５％と９５％の間、特に８０％と９０％の間を占める。

ハウジングの内部に選択的に配置される、負圧ポンプを制御するための圧力センサによって、好ましくは、ハウジングの内部の負圧を制御することが、可能である。特に、ハウジングの内部の負圧があらかじめ定められたしきい値より下に下がった場合に、負圧ポンプを周期的に作動させることができる。このようにして安全監視を実装することができる。特に圧力センサは制御ユニットと接続することができ、その制御ユニットは、圧力センサの測定値があらかじめ定められた安全領域の外部にある場合に制御信号が出力されるように、適合されている。

さらに、安全監視の枠内で、圧力損失の時間的な監視を行うことができる。ハウジングの内部の負圧があらかじめ定められた時間窓の内部で目標値に達しない場合、あるいは負圧ポンプの必要な作動の時間的間隔が小さくなった場合に、制御ユニットによって種々の措置、たとえばアラーム信号の出力及び／又はバッテリシステムの遮断、を導入することができる。

セルブロックは、好ましくはバッテリ監視システム用の回路基板を有しており、その回路基板がバッテリセルの側方に沿って配置されており、かつ接触プレートと電気的に接続されている。安全監視は、バッテリ監視システムの一部とすることができる。特に制御ユニットは、バッテリ監視システムと接続することができる。制御ユニット自体は、特に上位に配置されたユニットであって、その場合にバッテリ監視システムは制御ユニットの一部を形成することができる。この場合において制御ユニットは、好ましくは、バッテリ監視システムがバッテリセルの安全上重要なエラーを検出した場合に制御信号が受信されるように、適合されている。具体的には、バッテリ監視システムがバッテリセルの安全上重要なエラーを検出した場合に、バッテリ監視システムが制御信号を制御装置へ送信することができる。

制御ユニットは、好ましくはマスター／スレイブ−バスシステム内に統合されている。マスター／スレイブ−バスシステムを介して複数のバッテリシステムを互いに接続し、かつ個々に駆動することができる。具体的には、バッテリシステムは、マスター／スレイブ−バスシステムの一部としてスレイブを形成する。すなわち複数のバッテリシステムをバスシステム内へスレイブとして組み込むことができる。上位に配置されているバス制御がマスターを形成し、そのマスターが個々のスレイブ、すなわちバッテリシステムを個別に駆動することができる。電子的なスレイブコンポーネントは、好ましくは下位ユニットとしてそれぞれバッテリシステムのバッテリ監視システムもしくはバッテリマネージメントシステム（ＢＭＳ）内へ埋め込まれている。電子的なスレイブコンポーネントは、特にバッテリ監視システムの回路基板上に配置することができる。

好ましい実施形態において、セルブロックは電気的に絶縁する、熱伝導性の絶縁被覆によって包囲されており、その場合にハウジング側壁が絶縁被覆に直接添接する。ハウジングは、好ましくは負圧ポンプのための接続端を有しており、それがハウジングの内部へ連通している。絶縁被覆は、その柔軟性に基づいてハウジング側壁のための平坦な添接面を形成する。すなわちハウジング側壁が絶縁被覆に隙間なく添接し、かつ絶縁被覆がセルブロックに隙間なく添接することが、保証されている。これが、良好な締めつけ固定と良好な熱伝達接触をもたらすので、特にセルブロックから外部への熱の搬出が改良される。

小さい重量と良好な熱伝達を達成するために、好ましくは、少なくとも１つのハウジング側壁、特にハウジング全体が、アルミニウムシートから形成されている。ハウジング側壁の、特にハウジング全体の、材厚は、好ましい実施形態において最大で２ｍｍ、特に最大で１．５ｍｍ、特に最大で１．２ｍｍ、特に最大で１ｍｍである。具体的には、ハウジングは、上述した材厚を有するアルミニウムシートから形成することができる。

負圧締めつけ固定によって達成される、セルブロックからハウジングへの良好な熱伝達が、好ましくは、バッテリシステムを効率的にパッシブ冷却することを可能にする。そのために特に、ハウジング側壁の外側に少なくとも１つの、特にパッシブな、冷却部材を配置することができる。すなわち選択的な、アクティブな冷却システムは、重量を削減するように設計することができ、あるいは、場合によっては完全に省くことができる。それがバッテリシステムの重量を削減して、セルブロックの性能を損なうことなしに、エネルギ効率を改良する。

好ましくは、負圧ポンプはセルブロックと電気的に接続可能であり、あるいは接続されている。特に負圧ポンプは、バッテリセルによって電気エネルギを供給可能であり、あるいは供給される。したがって自給自足のシステムが形成され、そのシステムは少なくとも最初に駆動開始した後は、外部のエネルギ供給なしで済む。

特に、ハウジングの内部に負圧を発生させるために、負圧ポンプは、バッテリシステムの駆動を開始する際に一度外部から作動させることができる。次に負圧ポンプの電流供給は、好ましくはセルブロックのみによって行われる。したがって外部のエネルギ供給は、不要である。

本発明は、さらに、上述したバッテリシステムを有する乗物、特に少なくとも部分的に電化された航空機に関する。

以下、添付の図面を参照しながら、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

本発明に係るバッテリシステムを一部破断して示す斜視図である。 図１に基づくバッテリシステムを示す斜視図である。 図１に基づくバッテリシステムの絶縁カバーを有するセルブロックを示す斜視図である。 図１に基づくバッテリシステムのセルブロックを示す斜視図である。 図１に基づくバッテリシステムの回路基板を示す斜視図である。

ここに記述されるバッテリシステムは、好ましくは唯一の、セルブロック２０を有しており、そのセルブロックは複数のバッテリセル２１から形成されている。バッテリセル２１は、変位された列において好ましくは小さいパッキング密度で互いに添接して配置されている。バッテリセル２１として、特に、好ましくはタイプ１８６５０／２１７０の、リチウム−イオン−ラウンドセルが使用される。セルブロック２０は、４８ボルト又は６０ボルトの電圧を有することができる。電気的出力は、２．１ｋＷｈと３．３ｋＷｈの間である。バッテリシステムは、好ましくは２００ｘ２００ｍｍの底面を有している。

バッテリセル２１は、電気的及び機械的に接触プレート２２によって接続されている（図４）。接触プレート２２は、バッテリ極を越えて延びており、かつそのバッテリ極と、好ましくはレーザー溶接によって、溶接されている。接触プレート２２は、それぞれ２列のバッテリセル２１を結合する。

セルブロック２０の側方に沿って回路基板２３が配置されている。回路基板２３は、バッテリ監視システムと複数のクランプ接点２３ａを有しており、それらが接触プレート２２と電気的に接続されている。クランプ接点２３ａは、各列のバッテリセル２１が個々に監視できるように、配置されている。回路基板２３は、図５に詳細に示されている。

セルブロック２０は、絶縁被覆２４によって被覆されている。絶縁被覆２４は、電気的に絶縁し、かつ熱伝導する材料から形成されている。特に、絶縁被覆２４は、フレキシブルな箔によって形成されており、その箔がセルブロック２０に密に添接することができる。絶縁被覆２４は、セルブロック２０と、セルブロック２０の前側に配置された接続モジュール２５とを包囲している。接続モジュール２５は、バッテリシステムを外部のコンポーネントと接続するために、実質的に電気及び場合によっては空気圧もしくは油圧の接続端を支持している。

図３においてよくわかるように、セルブロック２０の前側の接続モジュール２５内に、負圧ポンプ３３の接続端用のアクセス開口部２５ａが配置されている。アクセス開口部２５ａは、絶縁被覆の内部に連通している。負圧ポンプ３３は、好ましくは電気的にセルブロック２０と接続可能であって、特にセルブロック２０の定格電圧（４８Ｖと６０Ｖ）で駆動可能である。負圧ポンプ３３は、回路基板２３、特にバッテリ監視システムもしくはバッテリマネージメントシステム（ＢＭＳ）と接続されている。

バッテリシステムのハウジング１０は、好ましくは１ｍｍの材厚を有するアルミニウムシートから形成されている。ハウジング１０は、２つのハウジング前壁１２を有しており、それらが接続モジュール２５を覆っている。ハウジング１０の端面はハウジング側壁１１によって形成されており、そのハウジング側壁がハウジング前壁１２と気密に溶接されている。ハウジング側壁１１が、セルブロック２０を包囲している。好ましくはハウジング側壁１１は、セルブロック２０の絶縁被覆２４に直接添接している。

図１及び図２において良好に認識されるように、上方のハウジング側壁１１は、固定孔１１ｂを備えた２つの張り出し１１ａを有している。それによってバッテリシステムは容易に乗物内に、特に航空機ウィング内に取り付けることができる。

ハウジング側壁１１、特に上方及び／又は下方のハウジング側壁１１は、図１及び図２に示すように、冷却部材４０を搭載することができる。冷却部材４０は、アルミニウム波板構造によって形成することができる。冷却部材４０は、ハウジング側壁１１上に熱伝導するように固定されている。

ハウジング１０は、少なくとも１つの接続端３０を有しており、その接続端がハウジング１０内へ延びて、負圧ポンプ３３もしくは真空ポンプと接続可能であり、もしくは接続されている。接続端３０は、特にハウジング前壁１２内に配置されている。負圧ポンプ３３と接続することによって、ハウジング１０の内部の負圧を調節することができる。負圧によって、フレキシブルな絶縁被覆２４が変形されて、セルブロック２０に密着する。ここに示される実施例において、ハウジング前壁１２内に３つの接続端３０が設けられている。

一般的に、少なくとも１つの接続端３０が逆止め弁を有することができるので、負圧ポンプ３３の遮断後にハウジング１０の内部の負圧が維持される。さらに安全の視点からは、ハウジング１０がさらに過圧弁３２を有していると、効果的である。ハウジング１０内であらかじめ定められた圧力を上回った場合に外側へ向かって開放する、この種の過圧弁３２は、図１及び図２に示されている。図３及び図４においては、接続モジュール２５が過圧弁３２を収容するためのしかるべき透孔３２ａを有していることが、認識される。

ハウジング側壁１１、特に上方及び／又は下方のハウジング側壁１１は、材料選択（アルミニウム）と薄い材厚（１ｍｍ）とによってある程度の柔軟性を有しており、負圧によって同様に変形される。それによってハウジング側壁１１は、セルブロック２０を密に包囲する絶縁被覆２４に密着する。したがってハウジング１０は、セルブロック２０と締めつけ固定される。

ハウジング前壁１２は、さらに、バッテリシステムを外部のコンポーネントと電気的に接続するための電気接続端３１を支持している。電気接続端３１は、特にマスター／スレイブ−バスシステムと接続するための、データ線を有することができる。電気接続端３１は、取り付ける際に確実に外部のコンポーネントへの正しい電気的結合を形成するために、好ましくは中心を外れ、かつ高さ変位して配置されている。好ましくはバッテリシステムは、２つの異なる極の電気接続端３１を有しており、それらが対向するハウジング前壁１２に配置されている。たとえば、前方のハウジング前壁１２にプラス極接続端を、後方のハウジング前壁１２にはマイナス極接続端を配置することができる。それによって電気的接続端の間の高い保護間隔が形成され、その保護間隔は電流強さが大きいので、実用的である。さらにこのようにして、極性逆転保護が高められる。

電気接続端３１に、少なくとも間接的に負圧ポンプ３３を接続することができ、その負圧ポンプはハウジング１０の内部の負圧を維持するために設けられている。したがって負圧ポンプ３３は、バッテリシステム自体によって必要な駆動電圧を供給されるので、システム全体が自給自足である。

さらに、負圧ポンプ３３は、自己調整で作動される。そのためにバッテリシステムが圧力センサを有しており、その圧力センサはハウジング１０内に配置されている。適切な制御ユニットと接続されている圧力センサによって、ハウジング１０の内部の負圧が連続的に監視される。負圧があらかじめ定められた目標領域を逸脱し、もしくはあらかじめ定められた目標値を下回った場合に、制御ユニットが負圧ポンプ３３へ制御信号を送信するので、負圧ポンプ３３が作動される。その後、負圧があらかじめ定められた目標値に再び達した場合に、制御ユニットは負圧ポンプ３３を停止させるために他の制御信号を送信する。

圧力センサによって、さらに、完全監視を実装することができる。たとえば制御ユニットが、負圧が充分に長く維持できないこと、もしくは負圧が頻繁に、あるいは急激にあらかじめ定められた目標領域を逸脱することを、認識した場合には、ハウジング１０の非気密性が推定される。その場合に制御ユニットは制御指令を送信し、その制御指令はたとえばアラーム信号の出力及び／又はバッテリシステムの遮断を開始させる。さらに制御信号は、第２のバッテリシステムを作動させることができ、それは乗物内、特に航空機内にバックアップモジュールとして設けることができる。第２のバッテリシステムは、好ましくはマスター／スレイブ−バスシステムに組み込まれている。

制御ユニットは、バッテリ監視システムのデータにも基づいて、特に安全上重要な事象に関して、しかるべき制御信号を出力することができる。すなわちたとえば、バッテリ監視システムのデータに基づいて、個々のバッテリセル２１が充分に充電できず、したがってセル不具合が推定されることが認識された場合に、アラーム信号の出力及び／又はバッテリシステムの遮断を開始させることができる。

ハウジング１０内にセルブロック２０を取り付けるために、セルブロック２０はまず上、下及び側方をフレキシブルな絶縁被覆２４によって包囲される。絶縁被覆２４は、好ましくは電気的に導通しないが、熱伝導のよい材料から形成されている。絶縁被覆２４は、特に箔によって形成することができる。絶縁被覆２４の材厚もしくは箔厚は、好ましくは約０．１ｍｍと約０．５ｍｍの間、特に約０．３ｍｍである。好ましくは絶縁被覆２４は、少なくとも片側に接着層を有し、もしくは片側が接着するように形成されている。

セルブロック２０を絶縁被覆２４によって包囲することは、好ましくは、絶縁被覆２４の接着する側が被覆されたセルブロック２０の外側面を形成するようにして、行われる。絶縁被覆２４のセルブロック２０を向いた側は、好ましくは貼り付かない。

次に、被覆されたセルブロック２０の回りにハウジング側壁１１とハウジング前壁１２がつけられて、圧力を受けて一方で絶縁被覆２４と接着され、他方では接合圧を維持しながら互いに流体密に溶接される。したがってハウジング１０とセルブロック２０は、互いに堅固に結合されている。

次のステップにおいて、このように完成されたバッテリシステムに負圧ポンプ３３が接続されて、ハウジング１０が排気され、もしくはハウジング１０内に負圧が構築される。したがってハウジング１０がセルブロック２０と堅固に締めつけ固定される。このようにしてセルブロック２０はハウジング１０内に、ハウジング１０に作用する加速力（これは特にバッテリシステムを航空機内で使用する場合に著しいものになる）が直接セルブロック２０へ伝達されるように、堅固に埋め込まれる。したがってセルブロック２０は、ハウジングの加速又は減速に追従する。したがってセルブロック２０の質量の加速によってハウジング１０へ加わる力とそれに伴うハウジング１０の変形は、著しく軽減される。

１０ ハウジング
１１ ハウジング側壁
１１ａ 張り出し
１１ｂ 固定孔
１２ ハウジング前壁
２０ セルブロック
２１ バッテリセル
２２ 接触プレート
２３ 回路基板
２３ａ クランプ接点
２４ 絶縁被覆
２５ 接続モジュール
２５ａ アクセス開口部
３０ 負圧ポンプ用の接続端
３１ 電気接続端
３２ 過圧弁
３２ａ 透孔
３３ 負圧ポンプ
４０ 冷却部材

Claims (11)

1. 気密に閉鎖されたハウジング（１０）とセルブロック（２０）とを有し、前記セルブロックが、接触プレート（２２）によって電気的及び機械的に接続された複数のバッテリセル（２１）から形成されている、バッテリシステムであって、ハウジング（１０）が、ハウジング（１０）内に負圧を発生させるための負圧ポンプ（３３）と接続可能であり、かつハウジング（１０）の内部を負圧が支配し、かつハウジング（１０）の少なくとも１つのハウジング側壁（１１）がフレキシブルであり、それによりハウジング（１０）の内部に作用する負圧によってハウジング側壁（１１）がセルブロック（２０）と締めつけ固定される、ものにおいて、
   ハウジング（１０）の内部に、負圧ポンプ（３３）を制御するための圧力センサが配置されており、前記圧力センサが制御ユニットと接続されており、前記制御ユニットは、圧力センサの測定値があらかじめ定められた安全領域の外部にある場合に制御信号が出力されるように、適合されている、ことを特徴とするバッテリシステム。
2. セルブロック（２０）が、バッテリ監視システム用の回路基板（２３）を有しており、前記回路基板がバッテリセル（２１）の側方に沿って配置されており、かつ接触プレート（２２）と電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステム。
3. セルブロック（２０）が、電気的に絶縁する、熱伝導する絶縁被覆（２４）によって包囲されており、ハウジング側壁（１１）が絶縁被覆（２４）に直接添接している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリシステム。
4. ハウジング（１０）が、負圧ポンプ（３３）用の少なくとも１つの接続端（３０）を有しており、前記接続端がハウジング（１０）の内部へ連通している、ことを特徴とする請求項３に記載のバッテリシステム。
5. 少なくとも１つのハウジング側壁（１１）が、アルミニウムシートから形成されている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
6. 少なくとも１つのハウジング側壁（１１）が、最大で２ｍｍの材厚を有している、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
7. ハウジング側壁（１１）の外側（１１ａ）に、少なくとも１つの冷却部材（４０）が配置されている、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
8. 負圧ポンプ（３３）が電気的にセルブロック（２０）と接続可能又は接続されており、かつバッテリセル（２１）によって電気エネルギを供給可能又は供給される、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
9. 前記制御ユニットがバッテリ監視システムと接続され、前記制御ユニットは、前記バッテリ監視システムがバッテリセルの安全上危機的なエラーを検出した場合に制御信号が出力されるように、適合されている、ことを特徴とする請求項８に記載のバッテリシステム。
10. 前記制御ユニットが、回路基板（２３）のマスター／スレイブ−バスシステム内に統合されている、ことを特徴とする請求項８又は９に記載のバッテリシステム。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載のバッテリシステムを有する乗物。

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