CN103561897A - 用于储电的组件的搅拌摩擦焊接的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将两个能量存储组件（10）连接在一起的方法，每个能量存储组件包括密封的金属外壳，其中：连接带（30）的尺寸被确定，以便与每个外壳的末端表面相接触，连接带被放置在并排布置的两个外壳的末端表面（24）上；并且连接带被搅拌摩擦焊接到每个外壳。

Description

用于储电的组件的搅拌摩擦焊接的设备和方法

技术领域

本发明涉及电能存储组件的技术领域。

背景技术

在本发明中，“电能存储组件”意思是电容器（即，包含电极和绝缘体的无源系统）或超级电容器（即，包含至少两个电极、电解质和至少一个分隔器的无源系统）或例如锂电池类型的电池（即，包含阳极、阴极和介于阳极和阴极之间的电解质溶液的系统）。

所述能量存储组件最常关联在允许满足特定于某些应用的规范的能量存储模块中。

在现有技术中，能量存储模块已知包含多个能量存储组件，每个能量存储组件被包含在一个圆柱体外壳中。多个圆柱体外壳并排置于模块中，并通过连接带串联地电连接在一起。

每个连接带被放置在圆柱体的基本平坦的多个端壁之一上并置于相邻圆柱体的相应端壁上。

在现有技术中，连接带通过在例如文档FR2915626中所描述的激光（LASER）焊接过程被焊接到每个外壳上。

激光焊接是透过性焊接，其在要焊接的两个材料中建立高度局部化的熔化点。熔化的材料随后混合在一起，并且鉴于该融化的高度局部化本质，组件再次几乎立即固化。但是，该焊接的形成依赖于多个参数（具体而言，激光的焦点、其功率等等）的精调调整。

但是，具有连接带的能量存储组件的外壳连接是在电解质已经被置于外壳中并且注入孔已经重新塞住之后被执行的。因此，最重要的是保持外壳的密封，否则杂质可能被添加到存储组件的电解质中并极大地减少其寿命，甚至导致其丢弃。

已经确认，激光焊接过程由于对将要焊接的区域的熔化具有影响的不同参数而很少是可重复的，并且如果光束太强或太聚焦，则会导致焊接过程中盖子的穿孔。

因此，为了获得可靠地焊接过程，需要为存储组件提供相对厚且/或具有特殊设计的外壳，从而防止激光参数的任意微小干扰使外壳的密封恶化，并且/或者用于将带焊接到存储组件的外壳上的不同激光参数必须使用高度精确的装置来监控，从而带来不可忽略的制造成本增长。

本发明的一个目的在于，提出一种制造能量存储模块的简单、低成本方法，该能量存储模块仍然允许保持每个能量存储组件的密封。

发明内容

出于此目的，提出一种用于连接两个能量存储组件的方法，每个能量存储组件包含密封的外壳，其中：

-在并排放置的两个外壳的两个末端表面上放置连接带，连接带的尺寸使得所述连接带与每个所述外壳的末端表面相接触；

-所述连接带被搅拌摩擦焊接到每个外壳。

在本发明中，“末端表面”意思是希望与连接带相对布置的上或下外壳表面。对于具有纵向轴的外壳（例如，圆柱体外壳），末端表面例如是垂直于外壳的纵向轴的表面。

每个存储组件优选地包含至少两个电极和电解质。组件可以是相同的，或者具有相同形状和相同类型（超级电容器、电池等等），或具有不同形状和/或不同类型。

所述方法具有极大优点。搅拌摩擦焊接是一种焊接技术，其中工具在要焊接的部件被非常快地旋转驱动。工具进入材料，将其加热到糊状。与搅拌相关联的加热允许被焊接的部件的构成材料的焊接。焊接在糊状状态下被执行，并且工具仅加热与其接触的材料。

因此，该方法非常易于控制，因为如果工具本身不穿过外壳，则不存在焊接后材料污染电解质的风险。因此，通过该方法的控制接近于核实工具的运动，这是易于执行的。不需要将盖子的厚度增大到激光焊接所需的程度。

由于焊接在糊状状态下执行，因此还将注意到，不存在热裂的风险，热裂也可能使外壳的密封恶化。

因此，根据本发明的方法允许以简单、低成本的方式将能量存储组件连接在一起，同时保持每个存储组件的密封。

本发明的方法还具有多个其他优点。

具体讲，其允许增大不同能量存储组件之间的电传导，而无需要求任意增大周期时间。

可有效地发现，与现有技术中针对激光焊接的情况（功率与光束的尺寸极大地相关）不同，利用本发明的方法，焊珠对应于搅拌焊接工具的尺寸，该尺寸不受工具功率的约束所限制。因此，可以通过增大工具的尺寸来增大焊珠或焊点的尺寸，因而增大连接带和每个外壳之间的电传导，而无需执行焊接工具在被焊接区域上的多次穿过，从而保持较短制造时间。

出于同样原因（焊珠宽度），从存储组件的上部朝向连接带的热传导被改善。因此热量耗散通过本发明的方法被优化。

另外，连接带可以更节省、具有更简单的形状。有效地，无需掏空连接带来获得局部厚度减小，如现有技术为了辅助激光焊接所执行的。无中空连接带的使用还允许连接带与模块的传导垫相接触的表面最大化，这还确保朝向模块外更好的热量耗散。

最后，本发明的方法通过将外壳的材料加热到远小于现有技术的程度而被执行。因此，与激光焊接相比，降低了损坏外壳内的电解质或实际能量存储元件的风险。

本发明的方法还包括以下特征中的一个或多个：

-在所述焊接步骤期间，旋转移动的设备被放置在与外壳和/或连接带相接触，并且所述设备沿着预定轴平移，以使其进入外壳和/或连接带的材料。该轴一般对应于外壳的末端表面的法线。如果外壳是管状元件，该预定轴则一般对应于该管状元件的对称轴；

-每个外壳可以包含管状元件和在管状元件的末端闭合该管状原件的至少一个盖子。具体讲，外壳可以包括两个盖子，每个盖子位于管状元件的一个末端。优选地。连接带被焊接到盖子上。在此情况下，盖子的一个表面形成组件的末端表面；

-连接带和外壳可以被焊接在长度为至少1厘米的距离上，这允许增大组件的电传导。但是，还可以执行连接带在盖子上的点焊；

-末端表面可以包含一个或多个隆起，其形成用于在其上定位连接带的装置。该隆起可以例如由中心针构成，然后连接带可以包括至少一个匹配的孔口；该隆起还可以由用于限定连接带的轮廓的一个或多个针构成；

-外壳和连接带可以在垂直于预定轴（具体讲，末端表面）的接触表面上重叠，以使得焊接穿过连接带以到达外壳；

-连接带和外壳可以在包含预定轴的接触表面上接触，以使得连接带和外壳被边对边焊接；在此情况下，工具可以同时进入外壳和连接带的材料。该实施例一般在外壳包含形成对于连接带的定位装置的隆起时被应用；

-连接带可以由传导材料构成，具体讲，铜；

-外壳可以至少部分由金属材料构成，具体讲，铝；

-外壳的末端表面可以由第一材料制成，连接带由不同于该第一材料的第二材料制成。利用本发明的方法，可以有效地使连接带和外壳具有不同材料。由于焊接在材料处于糊状状态下执行，因此利用该方法，可以易于将具有不同属性的不同材料焊接在一起。在现有技术中，难以（使用激光焊接技术）将两个不同材料焊接在一起，尤其如果它们各自的熔化温度相去甚远的话。如果希望焊接铝和铜，这尤其是个问题，铝由于其刚性和重量轻的属性被推荐用于制造外壳，铜具有极好的电传导属性并且能够有利于用于制造连接带。相去甚远的熔化温度可能带来多个明显的技术难点，包括收缩性的不同，这不允许获得两种材料的可靠、耐用的焊接。利用本发明的方法，可以优化对要组装的不同部件的构成材料的选择（例如，铜用于连接带，铝用于外壳），因为该方法不会添加将限制该选择的任何约束。

类似地，本发明的方法可以用于焊接铝合金（例如，6000系列类型），铝合金具有有利的机械属性，但是难以使用激光焊接方法来焊接。

本发明的另一主题在于至少两个能量存储组件的模块，每个能量存储组件包含密封的外壳，这些组件通过连接带被成对连接，其符合上述方法。

在外壳上连接带的焊珠在末端表面的平面的所有方向上大于3毫米，尤其大于5毫米。

附图说明

本发明的其他特性、目的和优点将从以下描述中变得更加明显，以下描述仅仅是示例性而非限制性的，并将结合附图来阅读，附图包括：

图1是根据本发明一个实施例的模块的能量存储组件的径向截面视图；

图2是根据第一实施例的包含两个能量存储组件的模块的俯视图；

图3是允许实现根据本发明的一个实施例的方法的搅拌摩擦设备的径向截面图示；

图4A和4B是已被焊接的连接带以及存储组件的接口的详细横截面视图；

图5A至5C是根据本发明的实施例的变体的模块的透视图。

具体实施方式

现在将更详细描述根据本发明的一个实施例用于连接两个组件（具体讲，超级电容器）的方法。

参考图1，示出针对其实现本发明的方法的超级电容器的实施例的示例。

超级电容器10包含置于外壳14（在所述实施例中，外壳14是包含圆柱体侧壁16A和底部16B的壳体16）中的绕阻12以及覆盖并闭合壳体16的盖子18。外壳还包含液体电解质，为了清楚，该液体电解质在图中没有示出。

壳体16和盖子18在它们的整个边缘上粘合，以确保超级电容器的密封。壳体16和盖子一般是铝制。它们还借助连续的粘合珠彼此电隔离，所述粘合珠将它们连接在一起以避免短路。

绕阻12由包含彼此重叠的两个箔电极20、21和绝缘分隔器22的单元构成，该分隔器被插入在两个箔电极20、21之间。

每个箔电极包含一集电极和一电极，该电极由明显包含活性炭并被沉积在集电极的两个相对表面上的有源材料构成。每个电极的集电极分别连接到壳体16和盖子18，该壳体和盖子因此分别构成能量存储组件的正端子和负端子。

盖子18包含上表面24和紧接壳体16的轮廓的圆柱体翻转边缘26。盖子的上表面24和壳体的底部16B构成外壳的末端表面。盖子还包含中间隆起28（以下称为中间针）。

如上所述，能量存储组件通常串联装配，以形成专用于特定应用的模块。为了串联装配不同的组件，一般需要首先将一个组件的壳体16连接到至少一个相邻的组件，再将盖子18连接到另一相邻的组件。被连接到模块的端子的多个组件仅仅连接到一个相邻的组件。

图2给出包含两个如图1所示的存储组件的模块的俯视图。

可以看出，这两个组件的盖子18经由被布置在每个盖子的上表面24上的连接带30来装配。连接带30是平的并具有狭长形状，并且在其纵向方向上的每个末端的附近包含孔口32，孔口32的尺寸与盖子18的连接带的中间针28的尺寸匹配。连接带的长度明显大于存储组件的直径。具体讲，其长度介于组件的直径的一倍到三倍之间。两个孔口32之间的间隔也大于组件的直径。

从图中可以看出，连接带是实心的，但是也可以包含中空，并且其形状不固定。

现在将描述用于将连接带连接到盖子上的方法。

在第一步骤，连接带30被放置在盖子上，具体而言，通过将每个孔口32放置在能量存储组件10的盖子18的中间针28上来进行。中间针28的尺寸被确定以使其根本上具有与连接带相同的厚度。

一旦连接带就位，则通过FSW（搅拌摩擦焊接）将其焊接到每个盖子上。

为了该焊接，使用诸如如下所述的搅拌摩擦设备。该搅拌摩擦焊接步骤将在首先描述所使用的设备之后进行解释。

该设备包括沿旋转轴A-A’延伸的具有圆柱体形状的主体50。主体50的构成材料例如是钢或硬度大于所焊接的部件的构成材料的任意类型的材料。

该设备还包括头端51，该头端51延伸到主体50的轴端之一。头端包含平锥形状的尖端52和在与主体50的旋转轴A-A’基本垂直的平面上延伸的外围肩部54。

设备的主体50和头端51被适配成使得它们能够围绕与主体50的旋转轴A-A’相对应的旋转轴被旋转驱动。在焊接操作期间，设备的头端进入材料，将其加热到糊状。与搅拌相关联的加热允许被焊接的部件（这里是连接带30和盖子18）的构成材料的焊接。冷却后，焊接完成。

借助本发明的设备，部件的加热由于焊接是在糊状状态下执行而被减小。这减小了存储组件恶化的风险。

设备头端的平锥形状使得材料被困住，从而限制碎片形成。该平锥形状还允许加热的材料流向与肩部相反的方向，以在其向前行进时重新插入由设备的头端所形成的孔。

该设备还包含用于在旋转中驱动设备的主体50和头端51的马达（未示出）。例如，该马达能够以介于500到5000转/分之间（优选1000转/分）的速率旋转设备的主体和头端。

因此，在该焊接步骤，设备50被设置在操作中并放置在组件上，以使得工具的旋转轴A-A’与组件的对称轴重合。首先，设备50被定位，以使其头端51在孔口32附近覆盖盖子的中间针28和连接带30两者。

如图4A所示齐平放置的两个部件（连接带30和中间针28），设备50沿轴A-A’平移，以使其几乎同时进入这两个部件。由于其旋转运动，其局部地将材料变成糊状并将连接带和中间针的材料混合。中间针28和连接带30随后借助焊珠60被边对边焊接。

一旦设备50已经进入两个部件，其被定向以使其沿中间针28的轮廓移动，随后设备被抽回。一旦这些步骤都已经执行过，材料冷却，并且焊接完成。焊珠60具有工具头端的宽度（即，3到5毫米宽），并且其路径由图2中的虚线示出。

接下来，为了再次强化连接带和盖子的焊接，设备50被放置在连接带30的外围。设备的头端被向下按，以使其在连接带的材料被加热之后穿过该连接带，直到其到达其进入的盖子的上表面24。盖子和连接带的材料也通过设备50的运动被混合（如图4B可以看出），并且设备50在其部件被重叠在盖子之上的状态下沿着连接带的外围移动。同样由图2中的虚线示出的焊珠62是连续的，并且其长度可以是几个厘米。

在完成连接带30到存储组件10的焊接之后，对于其他组件重复该操作。

本发明的方法是最有利的，因为其允许焊接在无需过度加热材料的情况下进行，并且因此不存在损坏置于外壳内的电解质的风险。

另外，其允许获得比利用激光焊接更大尺寸的焊珠，这有利于减小模块的电阻。

注意，本发明并不局限于所述实施例。

例如，能量存储组件不一定如上所述。其可以是平行六面体的而非圆柱体的，并且/或者可以包含位于开口管的每端的两个盖子。盖子还可以具有平坦的末端表面并且不包含任意中间针，如图5A到5C的变体所示。可选地，可以用其他中心装置来替代中间针，例如紧随连接带的外轮廓的隆起。

连接带也可以不同于所做描述。其可能不具有孔口，如图5A到5C的变体所示。其还可能将两个壳体连接在一起或一个壳体连接到盖子。

类似地，本方法不局限于在前描述。连接带可能仅包含上述两个焊珠中的一个。其还可能在不同于以上描述的点被焊接到盖子。例如，其可以使用焊点70（如图5A所示）来焊接，使用构成半径等于盖子的半径的大约一半的圆圈的圆形连续焊珠80（如图5B所示）来焊接，或使用多个珠子80A、80B、80C、80D（如图5C所示）来焊接，这些珠子80A、80B、80C、80D呈V字形，并均匀地分布在组件的盖子的末端表面。注意，在图5A至5C所示的变体中，焊珠穿过连接带到达存储组件的盖子，并因此类似于图4B所示的焊珠。

还可以设想使用具有不同于之前描述的配置的焊接设备来实现本发明的方法。

最后，包含多于两个能量存储组件的模块显然处于本发明的范围之内。所述组件还可以是电池和/或电容器，或者它们可以具有不同类型（例如，组件之一是电池，另一组件是超级电容器）。

Claims (11)

1.一种用于连接两个能量存储组件（10）的方法，每个能量存储组件包含密封的外壳（14），在该方法中：

-在并排放置的两个外壳的两个末端表面（24）上放置连接带（30），所述连接带的尺寸使得所述连接带与每个所述外壳的末端表面相接触；

-使用搅拌摩擦焊接，所述连接带被焊接到每个所述外壳。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述焊接步骤期间，旋转移动的设备（50）被放置在与所述外壳（14）和/或连接带（30）相接触，并且所述设备沿着特别对应于所述末端表面（24）的法线的预定轴平移，以使其进入所述外壳和/或连接带的材料。

3.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，每个外壳（14）包含管状元件（16）和在所述管状元件的末端闭合该管状原件的至少一个盖子（18），所述连接带（30）优选地被焊接到所述盖子上。

4.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，所述连接带（30）和所述外壳（14）被焊接在长度为至少1厘米的距离上。

5.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，所述末端表面（24）包含一个或多个隆起（28），其形成用于在其上定位连接带（30）的装置。

6.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，中心装置由中心针（28）构成，所述连接带包括至少一个匹配孔口（32），以允许其定位到中心针（28）上。

7.根据权利要求2到6中的任意一项所述的方法，其中，所述外壳（14）和所述连接带（30）在垂直于所述预定轴的接触表面上重叠，以使得焊接穿过所述连接带（30）以到达所述外壳（14）。

8.根据权利要求2到6中的任意一项所述的方法，其中，所述连接带（30）和所述外壳（14）在包含所述预定轴的接触表面上接触，以使得所述连接带和所述外壳被边对边焊接。

9.根据前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中，所述外壳（14）的末端表面由第一材料制成，所述连接带由不同于该第一材料的第二材料制成。

10.一种包含至少两个能量存储组件（10）的模块，每个能量存储组件（10）包含密封的外壳（14），所述组件通过符合根据前述权利要求1-9中的任意一项所述的方法的连接带（30）成对连接。

11.根据权利要求10所述的模块，其中，至少一个焊珠（60，62）的尺寸在所述末端表面（24）的平面的所有方向上大于3毫米，尤其大于5毫米。

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