(57)【要約】  本発明は６０Ｖ直流電圧を上回る出力電圧を出力するバッテリシステムに関する。本発明によれば、ａ）可逆的遮断線路を介した直列接続のためにそれぞれ少なくとも１つのコンタクトを有し、それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有する少なくとも２つの電圧源と、ｂ）前記少なくとも２つの電圧源が配置されたバッテリケーシングと、ｃ）少なくとも１つの可逆的遮断線路とが設けられており、前記可逆的遮断線路により、前記バッテリケーシングが閉鎖されている場合に前記少なくとも２つの電圧源の直列回路が形成され、前記バッテリケーシングが開放される際に前記少なくとも２つの電圧源の直列回路が可逆的に遮断される。さらに、本発明は、こうしたバッテリシステムを備えた負荷に関する。
2012520540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
６０Ｖ直流電圧を上回る出力電圧を出力するバッテリシステムにおいて、
当該のバッテリシステムは、
ａ）可逆的遮断線路を介した直列接続のためにそれぞれ少なくとも１つのコンタクトを有し、それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有する少なくとも２つの電圧源と、
ｂ）前記少なくとも２つの電圧源が配置されたバッテリケーシングと、
ｃ）少なくとも１つの可逆的遮断線路と
を有し、
前記可逆的遮断線路は、前記バッテリケーシングが閉鎖されている場合に前記少なくとも２つの電圧源の直列回路を形成し、前記バッテリケーシングが開放される際に前記少なくとも２つの電圧源の直列回路を可逆的に遮断するように構成されている
ことを特徴とするバッテリシステム。
【請求項２】
それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有する前記少なくとも２つの電圧源のうち、少なくとも１つの電圧源は同一のタイプの複数のセルを有しており、該複数のセルは直列に接続されている、請求項１記載のバッテリシステム。
【請求項３】
当該のバッテリシステムは、それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有する３つ以上の電圧源を有しており、該３つ以上の電圧源は、機能の点で、各電圧源が複数の可逆的遮断線路によって直列に接続されるように配置されている、請求項１または２記載のバッテリシステム。
【請求項４】
前記複数の電圧源が前記バッテリケーシングの少なくとも２つのレベルに配置されており、少なくとも１つのレベルは２つ以上の電圧源を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のバッテリシステム。
【請求項５】
前記少なくとも２つのレベルの各電圧源は少なくとも１つの可逆的遮断線路を介して直列に接続されており、或るレベルから別のレベルへ通じる少なくとも１つの可逆的遮断線路は、或るレベル内の各電圧源を接続する可逆的遮断線路と同時に、可逆的に遮断されるように構成されている、請求項４記載のバッテリシステム。
【請求項６】
前記バッテリケーシングは、機能の点で、内部に物体が進入できる程度まで開放される前に、前記少なくとも２つの電圧源の直列回路が前記少なくとも１つの可逆的遮断線路によって可逆的に遮断されるように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のバッテリシステム。
【請求項７】
前記バッテリケーシングは、開放可能な蓋部を有し、少なくとも２つの部分から成っており、前記蓋部には、該蓋部が開放される際に前記少なくとも２つの電圧源の直列回路が可逆的に遮断されるように、前記少なくとも１つの可逆的遮断線路が接続されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のバッテリシステム。
【請求項８】
前記少なくとも１つの可逆的遮断線路は、差し込みコネクタ、圧着コネクタ、ねじ込みコネクタとして構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のバッテリシステム。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項記載のバッテリシステムを含むことを特徴とする負荷。
【請求項１０】
当該の負荷は車両である、請求項９記載の負荷。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
種々の電圧を有するモジュールへの接続は相応の規格に定められている。ＩＳＯ６４６９規格では、直流電圧０Ｖから６０Ｖまで、または、１５Ｈｚから１５０Ｈｚの周波数の交流電圧０Ｖから２５Ｖまでに対するクラスＡと、直流電圧６０Ｖから１５００Ｖまで、または、１５Ｈｚから１５０Ｈｚの周波数の交流電圧２５Ｖから１０００Ｖまでに対するクラスＢとが区別されている。クラスＢに相当する電圧の生じるモジュールについては、直接接触および絶縁部の欠陥に対する特別の保護措置を講じなければならない。しかし、クラスＡについては、電圧のかかる部分に接触保護措置を講じる必要は特にない。
【０００２】
例えば、ハイブリッド自動車または電気自動車などで使用されるバッテリシステムは、６０Ｖより大きい出力電圧を有することが多いので、上述の規格においてはクラスＢに相当する。
【０００３】
この大きさの電圧を達成するために、当該のバッテリシステムは、複数の電圧源、例えば、複数のバッテリセル（ＮｉＣｄまたはＮｉＭＨまたはＬｉイオンまたはＬｉポリマー）あるいは複数のコンデンサ（スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタなど）の直列回路として利用される。
【０００４】
こうしたバッテリシステムは、複数の電圧源に加え、バッテリの監視などを行う制御装置も有する。当該の制御装置を交換したりメンテナンスしたりするために、バッテリシステムは場合によって開放されなければならない。
【０００５】
個々のバッテリセルはふつう部分充電された状態で配置されるし、バッテリセルの製造場所とバッテリシステムの製造場所とは必ずしも一致しないので、バッテリシステムを電圧のかからない状態で組み立てることはできない。このため、バッテリシステムの製造の際には、電圧に対する保護のための高いコストが必要となる。
【０００６】
本発明の課題は、こうした従来技術の１つまたは複数の欠点を回避あるいは克服できるようにすることである。
【０００７】
発明の開示
この課題は、６０Ｖ直流電圧を上回る出力電圧を出力するバッテリシステムにおいて、当該のバッテリシステムが、ａ）可逆的遮断線路を介した直列接続のためにそれぞれ少なくとも１つのコンタクトを有し、それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有する少なくとも２つの電圧源と、ｂ）前記少なくとも２つの電圧源が配置されたバッテリケーシングと、ｃ）少なくとも１つの可逆的遮断線路とを有し、前記可逆的遮断線路は、前記バッテリケーシングが閉鎖されている場合に前記少なくとも２つの電圧源の直列回路が形成され、前記バッテリケーシングが開放される際に前記少なくとも２つの電圧源の直列回路が可逆的に遮断されるように構成されていることにより、解決される。
【０００８】
本発明の解決手段の着想の基礎は、バッテリシステムのケーシングが例えばメンテナンス作業のために開放される際に、電圧源の直列回路が可逆的に（場合により機械的に）遮断され、かつ、製造過程においてはバッテリシステムが閉鎖されてから当該の直列回路が利用可能となるように、電圧源の直列回路を構成することにある。
【０００９】
これにより、メンテナンス要員および取り付け要員用の特別な保護服や絶縁ツールなどを用意する必要がなくなる。さらに、高電圧との接触による怪我の危険が著しく低減される。
【００１０】
本発明のバッテリシステムは、６０Ｖを上回る直流電圧の出力電圧を有する。また、本発明のバッテリシステムは、基本的に６０Ｖを上回る直流電圧でのエネルギ供給を必要とするあらゆるタイプの電気的負荷への給電のために利用可能である。
【００１１】
バッテリシステムの所望の出力電圧を達成するには、当該のバッテリシステムは、駆動時に直列に接続される複数の電圧源を含む。本発明のバッテリシステムは少なくとも２つの電圧源を含み、これらの電圧源は、それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有し、かつ、少なくとも１つの電気課線路による相互の直列接続のためにそれぞれ少なくとも１つのコンタクトを有する。１つの電圧源は、１つまたは複数のバッテリセル、または、１つまたは複数のコンデンサ、例えばスーパーキャパシタおよび／またはウルトラキャパシタを含む。バッテリセルとは、電気化学的プロセスによってエネルギを蓄積できる電気化学的エネルギ蓄積器であって、特に、次のようなタイプのアキュムレータセルおよびバッテリセルであると理解されたい。すなわち、有利には、アルカリ燃料電池セルＡＦＣ、ポリマー電解質燃料電池セルＰＥＭＦＣ、ダイレクトメタノール燃料電池セルＤＭＦＣ、リン酸燃料電池セルＰＡＦＣ、エナメルカーボネート燃料電池セルＭＣＦＣ、および／または、固体酸化物燃料電池セルＳＯＦＣなどのタイプの燃料電池である。他の有利な電気化学的エネルギ蓄積器としては、Ｐｂ電池（鉛電池）、ＮｉＣｄ電池（ニッケルカドミウム電池）、ＮｉＨ２電池（ニッケル水素電池）、ＮｉＭＨ電池（ニッケル金属水素化物電池）、Ｌｉイオン電池（リチウムイオン電池）、ＬｉＰｏ電池（リチウムポリマー電池）、ＬｉＦｅ電池（リチウム金属電池）、ＬｉＭｎ電池（リチウムマンガン電池）、ＬｉＦｅＰＯ４電池（リチウム鉄フォスフェート電池）、ＬｉＴｉ電池（リチウムチタネート電池）、ＲＡＭ電池（リチャージャブルアルカリマンガン電池）、ＮｉＦｅ電池（ニッケル鉄電池）、Ｎａ／ＮｉＣｌ電池（ナトリウムニッケルクロライド高温バッテリ）、ＳＣｉＢ（スーパーチャージイオンバッテリ）、銀亜鉛電池、シリコーン電池、バナジウムレドックス電池、および／または、亜鉛臭素電池などのタイプのアキュムレータも挙げられる。
【００１２】
電圧源として、６０Ｖよりも小さい出力電圧を有する電圧源が用いられる。この場合、１つの電圧源が１つまたは複数のバッテリセルを含んでいてよい。１つの電圧源が複数のバッテリセルを含む場合、バッテリシステムの駆動時、各バッテリセルは直列に接続される。特に有利には、１つの電圧源は同一のタイプの２つ以上のバッテリセルを含む。
【００１３】
本発明のバッテリシステムは、それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有する３つ以上の電圧セルを含むことができる。この場合、バッテリシステム内の各電圧源は、機能の点で、可逆的遮断線路によって直列に接続可能なように、配置される。個々の電圧源が完全に充電された状態で６０Ｖの１／ｎより小さい電圧を形成するのであれば、バッテリケーシングが開放されたとき、ｎ個までの電圧源の直列回路が残っていてかまわない。したがって、個々の電圧源のあいだの接続のすべてが遮断されてもよいし、選択された一部の接続のみが遮断されてもよい。
【００１４】
本発明のバッテリシステムは、少なくとも２つの電圧源が配置されたバッテリケーシングを有する。有利には、当該のバッテリケーシングは、バッテリシステムのすべての電圧源を包囲し、閉鎖状態ではこれらすべての電圧源を外界に対して絶縁している。バッテリシステムの各電圧源はバッテリケーシング内で位置決めされており、バッテリケーシングが閉鎖されているときには、直列に接続されている。当該のバッテリケーシングは、外部からアクセス可能でありかつ所定の電気的負荷に接続可能な複数のコンタクトを有しており、これにより、バッテリシステムの出力電圧の電気エネルギを所定の電気的負荷へ供給できる。特に、本発明のバッテリシステムのバッテリケーシングは、ケーシング内部へ物体（例えばねじ回し）が進入できる程度にケーシングが開放される前に、複数の電圧源の直列回路が少なくとも１つの電気線路を介して可逆的に遮断されるように構成されている。このために、バッテリケーシングは、機能の点であるいは直接または間接に機械的に電気線路に接触する開放可能部分および／または取り外し可能部分を有しており、当該部分が開放されたり取り外されたりする前に、電圧源の直列回路が可逆的に遮断される。バッテリケーシングは複数の部材から成り、開放可能な蓋部を有する。特に、バッテリケーシングの開放可能な蓋部には、少なくとも１つの電気線路と蓋部とを接続するための手段が設けられている。当該の蓋部、特に、蓋部と電気線路とを接続する手段は、蓋部が開放されるときに電圧源の直列回路が少なくとも１つの電気線路を介して可逆的に遮断されるように構成されている。
【００１５】
バッテリケーシングにおいて、複数の電圧源を１つまたは複数のレベルに配置することもできる。特に、複数の電圧源はバッテリケーシングの少なくとも２つのレベルに配置され、少なくとも１つのレベルに２つ以上の電圧源が存在する。
【００１６】
バッテリケーシングは、複数の電圧源に加え、例えばバッテリの監視などを行う制御装置やその他の装置を含んでいてもよい。
【００１７】
本発明のバッテリシステムは、少なくとも１つの電気線路を有する。この電気線路は、機能の点で、バッテリケーシングが閉鎖されているときに、可逆的に遮断可能な接続によって少なくとも２つの電圧源の直列回路を形成し、バッテリケーシングが開放されると、少なくとも２つの電圧源の直列回路の接続を可逆的に遮断するように構成されている。電圧源がバッテリケーシング内の２つのレベルに配置されており、少なくとも１つのレベルに２つ以上の電圧源が存在する場合、各電圧源は少なくとも１つの可逆的遮断線路を介して直列に接続され、さらに、２つのレベルのあいだの接続と、蓋部に近いレベル（上層）の各電圧源の接続とが、少なくとも１つの遮断可能線路によって接続されている。これらの電気的接続は、特にバッテリケーシングが開放されたときに接続が強制的に遮断されることにより、可逆的に遮断可能である。
【００１８】
このことは、例えば、可逆的遮断線路が差し込みコネクタとして構成され、当該の差し込みコネクタの少なくとも一部がバッテリシステムのケーシング部に機能の点で接続され、バッテリケーシングが開放されたときに当該の差し込みコネクタが分離されることによって、達成することができる。可逆的遮断線路が差し込みコネクタとして構成される場合、例えば、雄コンタクトまたは刀状コンタクトが電圧源（６０Ｖより小さい直列回路の端子）に取り付けられており、ケーシングの閉鎖によって雌コンタクトに差し込まれるか、あるいは、雌コンタクトが電圧源に取り付けられており、刀状コンタクトがケーシングの開放時に運動する部材へ接続されている。有利には、差し込みコネクタの一部はバッテリケーシングの開放可能および／または取り外し可能な蓋部に接続されている。
【００１９】
可逆的遮断線路は圧着コネクタとしても構成することができる。当該のコネクタは、例えば、ケーシング半部の固定取り付け（例えばねじ止め）により、電圧源の極／コンタクトに圧着され、ケーシングが開放されたときに、電圧源の極／コンタクトのねじ止めが緩められて取り外されるものを云う。
【００２０】
可逆的遮断線路はねじ込みコネクタとして構成することもできる。例えば、電圧源の極／コンタクトをボルトとして構成し、バッテリケーシングが、
ｉ）電気的接続部材と、
ｉｉ）ナットと、
ｉｉｉ）ナットが回転するための、絶縁された（場合によっては封止された）支承部材と
を含むように構成される。
【００２１】
有利には、本発明のバッテリシステムは、差し込みコネクタまたは圧着コネクタまたはねじ込みコネクタとして構成された少なくとも１つの可逆的遮断線路を有している。
【００２２】
本発明は、さらに、本発明のバッテリシステムを含む電気的負荷にも関する。ここで、電気的負荷とバッテリシステムとは一体のユニットを形成しておらず、バッテリシステムが電気的負荷に電気エネルギを供給できるよう、機能の点で接触接続されている。特に、ここでの電気的負荷は車両である。"車両"とは、６０Ｖを上回る出力電圧を出力する電気化学的エネルギ蓄積器を有していれば、どのようなタイプの駆動機構によって駆動されるものであってもよい。特に有利には、"車両"とは、ハイブリッド自動車ＨＥＶ、プラグインハイブリッド自動車ＰＨＥＶ、電気自動車ＥＶ、燃料電池自動車など、電気エネルギの供給のために電気化学的エネルギ蓄積器を使用しているすべての自動車を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施例のバッテリシステムでケーシングが閉鎖されている状態を示す図である。電圧源の２つの外部極（外部コンタクト）のあいだには、ケーシングの外で利用される６０Ｖを上回る電圧がかかっている。
【図２】本発明の第１の実施例のバッテリシステムでケーシングが部分的に開放された状態を示す図である。ケーシング内部にはアクセスできないが、直列回路は既に分離されて電圧は小さくなっている。
【図３】本発明の第１の実施例のバッテリシステムでケーシングが完全に開放された状態を示す図である。電圧は６０Ｖより小さくなっており、ケーシング内部に安全にアクセスできる。
【図４】本発明の第２の実施例の２層のバッテリシステムにおいて、ケーシングが閉鎖されている場合に、２つの層が上層の最左方コンタクトと下層の最左方コンタクトとによって接続されており、高電圧が上層の最右方コンタクトと下層の最右方コンタクトとのあいだで取り出される様子を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例の２層のバッテリシステムにおいて、ケーシングが部分的に開放され、上層での接続と上層から下層への接続とが分離される様子を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例の２層のバッテリシステムにおいて、ケーシングが完全に開放され、上層での接続と上層から下層への接続とに加え、下層での接続まで分離され、下層へもアクセス可能となっている様子を示す図である。
【図７】圧着コネクタとしての可逆的遮断線路を示す図である。
【図８】ねじ込みコネクタとしての可逆的遮断線路を示す図である
【００２４】
本発明で選択されている実施例の説明
図１には、本発明のバッテリシステムの第１の実施例の概略図が示されている。バッテリシステムは、少なくとも２つの部分、すなわち、複数の電圧源３を収容したケーシング下部２とケーシング蓋部１とから成るバッテリケーシングを有している。バッテリシステムが閉鎖されている場合、ケーシング蓋部１は電気的に絶縁されているかそれ自体には電気が導通しておらず、ケーシング下部２の上に載置されているだけである。ケーシング下部２内には３つの電圧源２が配置されており、各電圧源３はそれぞれ６つのバッテリセル４を有している。各バッテリセル４の出力電圧は、完全充電状態において、１０Ｖより小さい。１つの電圧源の６つのバッテリセル４は相互に直列に接続されており、３つの電圧源３は２つの可逆的遮断線路５を介して相互に直列に接続されている。ここで、２つの可逆的遮断線路５は差し込みコネクタ（バッテリセル側が差し込みコネクタの雄部材となっている）として構成されており、ケーシング蓋部１に固定されている。
【００２５】
図２には、ケーシング蓋部１がケーシング下部２の上方に少し持ち上げられ、ケーシング蓋部１に固定された差し込みコネクタが上方へ動き、雄部材が雌部材から外れることによって、可逆的遮断線路５が遮断される様子が示されている。ここでは、各電圧源の直列回路が遮断され、それぞれ６０Ｖより小さい出力電圧を有する個別の３つの電圧源３となる。この場合、ケーシング蓋部１は、バッテリケーシングの内部へ物体が進入できないうちに可逆的遮断線路５が遮断されるように、構成される。このために、ケーシング蓋部１は、例えば、自身の側縁をめぐる下垂体７を有し、可逆的遮断線路５が遮断された後にはじめてケーシング内へのアクセスが可能となるように構成されている。
【００２６】
図３には、可逆的遮断線路５が既に遮断され、ケーシングが完全に開放されて、ケーシング内部へのアクセスが可能となった状態が示されている。このときには、ケーシング下部２内には、６０Ｖを上回る電圧に接触しうる部分は存在しない。こうして、バッテリシステムに対して危険なくメンテナンスを行うことができる。
【００２７】
図４には、本発明のバッテリシステムの第２の実施例の概略図が示されている。ここでは、複数の電圧源３が２つのレベルに配置されている。以下では、図４−図６に即して、主に図１−図３の実施例との相違点を説明する。バッテリケーシングの閉鎖状態では、全電圧源３が直列に接続されている。可逆的遮断線路５はケーシング蓋部１とケーシング中底部８とに固定されている。図５に示されているように、ケーシング蓋部１が少し持ち上げられると、上層の各電圧源を接続する可逆的遮断線路５、および、上層から下層への可逆的遮断線路９は分離されるが、下層の各電圧源を接続する可逆的遮断線路５は接続されたままである。図６に示されているように、ケーシング中底部８が持ち上げられると、下層の各電圧源を接続する可逆的遮断線路５まで遮断され、６０Ｖを上回る電圧に接触しうる部分が存在しなくなる。こうして、バッテリシステムに対して危険なくメンテナンスを行うことができる。
【００２８】
図７には、可逆的遮断線路を圧着コネクタとして構成した実施例が示されている。電気的接続部材１０は、圧着部材１１，１２，１４，１５から成る圧着ねじによって、直列に接続すべき複数の電圧源の極あるいはコンタクト１３に押し付けられ、電気的に接続される。圧着部材１１，１２，１４，１５から成る圧着ねじが緩められると、電気的接続部材１０と各電圧源の極あるいはコンタクト１３との接触が解消され、電気的接続が可逆的に遮断される。
【００２９】
図８には、可逆的遮断線路をねじ込みコネクタとして構成した実施例が示されている。この場合、直列に接続すべき複数の電圧源の極あるいはコンタクト２０がボルトとして構成されている。電気的接続部材２１は極のボルト２０に接触し、ナット２２に固定される。ナット２２は支承部材２３によってケーシングの外部から回転可能に取り付けられる。ナット２２の引き外しによって可逆的遮断線路が遮断され、ナット２２の挿入によって電気的接続が再び形成される。
【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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【図６】
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【図７】
2012520540.tif 000009
【図８】
2012520540.tif 000010
【国際調査報告】
2012520540.tif 000011
2012520540.tif 000012
2012520540.tif 000013
2012520540.tif 000014