CN1969349A - 具有整体的中心终端的超级电容器盖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电能存储元件，其包括线圈绕组和至少一个接头(100，200)，该接头包括与多个所述线圈接触的板(100)，其中，该接头的板具有设有终端(200)的表面，其中该终端的形状基本上为旋转体形状，其中该板(100)还形成一系列凸台(120，125)，其以隆起的方式沿着与包含终端(200)的表面相对的该板的表面延伸。本发明的特征在于，该终端(200)具有至少一个内部凹部(210)，并且其特征还在于，至少一个凸台(120)贯穿进入所述凹部(210)。

Description

具有整体的中心终端的超级电容器盖
本发明涉及用于电能存储元件(电池，电容器，例如电化学形式的电容器)，特别是用于超级电容器的电气连接和外部壳体装置。
电能存储元件，特别是超级电容器呈现为数个材料层的绕组(winding)，它从绕组的每一末端伸出。该存储元件带有一个被称为集电器(collector)的铝片，其可使电流向外流出。这个集电器应该电连接到电器连接终端，其是总的超级电容器壳体的一部分，处在它的盖中或在它的壳体中。
已知利用焊接将集电器焊接在该终端的接头(connector)上，可以通过激光焊接在该接头上做出的凸台(bosses)的底部上。
但是，超级电容器在这种集电器的多个部分上产生强大的充电或放电电流。该集电器因为较薄所以较软，使得为了限制产生的电气连接阻抗和在该集电器的多个部分和该接头之间的边界上产生热，必需将最多的(表面)部分与该终端或该盖或该壳体相连接。
为了性能的缘故，也是为了应用简单和成本的原因，该终端理想上是与该集电器电连接的盖或壳体的形成为整体的部分，而不是通过其他处理步骤附加在该盖或壳体上。
在现有解决方案(商业产品)中，该终端不是盖的一部分。
另外，在相同部分(盖，壳体)上难以做到使收集电流的中心终端尽可能宽和尽可能地使凸台中的焊接达到绕组中心的圈。
实际上，中心终端应该尽可能在表面上(足够的截面积，用于收集电流和使电流流过)，并且它因此会占据盖中心的一定的表面积，这可能限制接近该凸台和防止激光发射达到中心的圈。
由于这个理由，在现有技术中，该终端经常被分开处理，并被加在盖或壳体的底部上。这样可照顾到二个方面。
但为了达到全部所要求的功能，需要对它们进行连续地(subsequently)连接。从电气观点来看这种连接产生对超级电容器的性质有害的附加的串联电阻、处理步骤和由此增加的成本，还会带来附加的机械脆性。
利用激光焊接附加在盖或壳体上的终端使两个部件之间的连接有脆性，建议将两个锥状体(cone)互相压紧，用于连接到终端，但由于两个互相压紧部件之间的接触面的表面接触电阻，这种压紧增大了热量产生。此外，部件的安装应该是完美的，这会产生显著的机加成本。
本发明的目的是促进接头与电能存储元件绕组的最内圈部分的接触，同时以基本上为圆形的轮廓(contour)为中心终端提供充足的空间，特别是以与接头相同的材料制成中心终端。
这个目的可以根据本发明通过电能存储元件而达到，该电能存储元件包括多圈形成的绕组，和至少一个接头，该接头包括与多个这些圈接触的板，该接头板具备设成基本上轴对称形状的终端的表面。该板还形成一系列凸台，其以隆起(raising)的方式沿着与承载(bear)终端的表面相对的板的表面延伸，其特征在于，该终端具有至少一个内部凹部，并且其特征还于至少一个凸台贯穿进入这个凹部中。
本明的其他特征、目的和优点将通过阅读以下结合附图的详细说明中而变得清楚，其中：
图1为根据本发明的第一实施例的接头的透视图；
图2为该同一个接头的俯视图；
图3为该同一个接头的透视和下侧视图；
图4示出将该接头焊接在存储绕组上的第一方法；
图5为焊接该接头的该第一方法的俯视图；
图6示出焊接该接头第二方法；
图7示出将这种接头连接在超级电容器壳体元件上的方法的侧视图；
图8为根据本发明的第二实施例的接头的俯视图；
图9为该同一个接头的侧视图；
图10为根据本发明的第三实施例的接头的俯视图；
图11为根据本发明的第四实施例的接头的俯视图；
图12为该同一个接头的侧视图；
图13为根据本发明的第五实施例的接头的俯视图。
图1的接头为单件(one-piece)的部件，由铝制成，包括用于覆盖和与超级电容器绕组的圈接触的板100，以及在该板的中心部分隆起的、可形成超级电容器的外部连接终端的上部十字头200两者。
盖板是轮廓基本上与要被覆盖的绕组轮廓相匹配的圆盘。在这里该轮廓被设置成具有槽110，其用于接纳用于密封超级电容器的垫圈。
这块板具有一系列变形或凸台120、125，这些凸台隆起并在板100的下表面上，即，与外部连接终端200隆起的表面相对的表面上形成隆起部(relief)。
相对于终端200的高度，这些凸台具有相对小的高度，但为了径向跨过该绕组的大多数圈，大部分凸台具有足够的延伸。
为了与最大量的这些部分接触，每一个凸台120、125横向延伸至这些部分，即，每次都沿着接头的半径。
一些凸台120在相关半径的大部分长度上延伸。最大半径延伸的这些凸台120数量为4个，并且围绕着终端200相对于彼此以90°进行布置。由于这些长的凸台120的电气功能包括收集与绕组的圈接触时可提供的最大量电流，所以在后面它们将被指定为“主要凸台”。
以后称为“互补凸台”125的4个其他凸台125，虽然它们也是径向的，但它们在横跨板100的外围边缘区域上的延伸受到限制，以便只从该外围边缘区域上的绕组收集电流。
通过包括只在外围边缘上收集电流的这个功能，这些互补凸台125对集电器中的电通量进行平衡(balance)，以使集电器的效率更好并减少其总的电阻。
为了最好地分配线圈中的电流并由此平衡产生热的区域，要有利地选择互补凸台125和主要凸台120之间的长度比。
对于强大的平均电流的应用(例如在桥接岔路(hybrid)或电输送中的循环应用)可以焊接互补凸台125，而对于弱的平均电流的应用(例如在浮动应用或不间断的供电中)可不焊接互补凸台125。
为了增加带线圈的焊接部分，包括该接头的盖可以包括每90°角的数个主要凸台120和互补凸台125。
这里所述的终端200属于这种终端族，其具有基本轴对称的形状，即，外轮廓至少部分内切(inscribe)于圆上。
应当指出，限定(delimitation)圆在终端的高度上可以是恒定的，或者朝着终端的基座(base)增大，其根据后述的布置给出后一种形状，即，其至少部分地是截头圆锥形(frustro conical)。
基本上轴对称的形状适于接纳通常与这种终端有关的夹紧套管(clamping collar)类型的接线片(lug)。
利用基本轴对称的形状，还可能得到适于与平面接线片协同工作的上表面，例如通过外围夹紧连接其本身。
即使只是部分的，轴对称形状也是有利的，因为它非常适于承受用于连接“拧入”式接线片的外螺纹。
为了将平的接线片紧固在集电器的盖板表面上，还可以在其上拧入螺母。
这种终端200还可以有内攻丝螺纹(inner tapped thread)，用于安装或拧入突出的接头。
这里所示的终端200设有彼此成90°分布的4个凹部210，并且其每一个在该终端200的整个高度上延伸。
结果，当从上面看时，终端200具有带垂直分支220的十字形状。
如果凹部210由冲压挤压(stamping extrusion)方法制造，则当从上面看时，每一个凹部210具有曲线形状的，即，如圆弧那样的底壁215。
更具体地说，每一个凹部底壁215被配置成截锥体(frustrum)，使凹部从底部向顶部变宽。相反，由两个凹部限定的每一个分支从顶部向底部向下延伸(run)时(从其末端向其基座)变宽。
每一个主要凸台120将延伸至与相应凹部210的底壁相接触。
主要凸台120本身具有倾斜的侧壁122，这在终端200的内端可看出。这些侧壁在盖制造过程中形成空隙(clearance)表面。
结果，每一个主要凸台的内端壁将直接位于相关凹部210的底壁215的延伸部分上。
互补凸台125或多或少明显地以一定距离与终端200的外围分开。
最靠近互补凸台125的终端的壁，即，终端200的分支220的末端225的壁本身是截头圆锥形的。
利用凹部210，具有大半径的终端可以与朝向盖中心的长凸台同时制成。
这些布置还允许将盖延伸焊接在最里面的绕组上。
这种焊接可在与绕组的圈相接触的凸台120、125的底壁上进行。在可能的焊接方法中，利用激光照射在凸台底部上的焊接可给出最好的结果。
这样，利用这里所描述的盖，可以将凸台焊接在绕组上，以及焊接在集电器的最中心部分上，即，实际上在限定该终端的圆形轮廓的内侧。
通常，激光束300(图4)的前端是点状的，但同时沿着其行进区段具有一定的宽度。
为了使激光束300的前端可以穿入终端的凹部中，而激光束不会在其行进区段上间断，凹部210的截头圆锥形内壁215要充分地倾斜，以便接收整个激光束300。
可选地，设置凹部210，使其轮廓215足够宽，以便在其最宽部分，即，在终端200的上限处(图5)包容激光束300。
另一个实施例(图6)包括稍微倾斜的激光束300，使其圆锥形状只能在其前端310处接近终端200。
尽管终端200截短(truncation)，接触表面仍保持足够地令人满意，以365mm2大小的表面积(对于基座直径为18mm，顶部直径为17mm，高度为20mm和2/3截短的初始终端)允许大约900A的标称直流电流通过而不会过度发热。
作为比较，等价的实心的截头圆锥形终端的接触表面为1,100mm2，即，在铝型材料中的标称直流电流为2,750A(2.5A/mm2)，而不会过度发热。
只具有包括由相同材料块制成的板、凸台和终端的单个部件，并提供内部和外部两种连接功能的事实可使装配简单并降低整个元件的成本。
本盖在其外围利用密封垫片密封，在该密封垫片上包住(fold)壳体400的边缘410(图7)。如前所述，这个集电器具有突出的边缘110，用于在封闭操作过程中，锁住该垫片。
这个盖可以包括能用于封闭元件的任何其他类型的边缘(卷曲的，焊接的等)。
该接头具在这种封闭操作后，使电解液通过的两个偏心孔130，从而在封闭壳体(壳体或管+盖)后，使电解液可注入到超级电容器的绕组中。然后利用任何已知的装置，密封堵塞两个孔130。
该接头在其内表面上还设有槽140的网络(network)，槽140形成绕组和接头之间电解液流动的空间，以帮助注入。
在图8的可选项中，提出了基本上为轴对称形状，更具体地说为外部截头圆锥形的中心终端200，而其基本上为圆形轮廓的基座是凹形的，从而使主要的凸台120可以尽可能靠近地穿透到终端内侧的圈的中心。
在该可选项中，为了达到凸台120的末端，激光照射有利地以一个角度进行(图9)。
有利地是，凹部210的内壁具有椭圆形状的与盖板平行的截面(section)。通过这种椭圆形状，使得每一个凹部210的侧壁将横向更靠近凸台120，从而使其边缘以基本平行的方式非常靠近这里。
结果，该终端200形成分支220，每一个分支在向外延伸时都会变宽。
这样，当将终端看作是与盖板100平行的截面时，该终端具有被称为“十字头(cross patee)”(在徽章中)的十字形状的平面截面，该终端的分支220在离开中心一定距离处变宽和弯曲，以便在其末端225形成宽的尖角边缘216和215。
换句话说，每一个分支具有互相分开的两个相对的侧前端216和217，而分支的末端保持内接于圆上。
这种形状给予终端200宽的外围部分，其由每一个分支220的加宽的末端形成，同时在轴对称形状中也允许每一个凸台120显著地穿透。
该终端200也是截头圆锥形的，只在该终端高度的一半，即，邻近盖板160的一半上设有凹部210。
在这个实施例中，终端也是具有盖板的单件，作为单个铝部件。
利用设在终端200中的凹部210还可以获得外围表面和大表面区域的部分。
在图10所示的可选项中，除了通过集电器的盖板100以外，终端200包括彼此不连接的四个分支220，而不是其中心部分为实心。
带有上部触点的接线片和终端200之间的接触表面肯定被减小了，但在这个可选项中仍保持足够大。
利用中心230处的凹部，凸台120可以在一起靠得更近，甚至更靠近中心，或者当跨过板100时是连续的。
另外，对于该可选项，可以在板100的真正中心(true centre)处插入注入口130。
分支220还具有截头圆锥形状的末端表面，以便通过具有外围夹紧的接线片促进连接。
同样在这种情况下，分支220的宽度沿着分支从终端的内侧到外侧增加，当以与板平行的截面观察时，具有基本上是直线的分支边缘。
为了保证连接，最好在分支220的中心插入中心隔板，以便在外围夹紧的作用下加强整个结构。
为了得到空间、节约材料和制造简单，分支220的数目可以不同，例如为3个(以120°分开)。分支数目还可为X，其中X大于4，其间隔为(360/X°)。
也可能使分支不规则地隔开，即使在线圈中电流流动趋向于“不均匀”并因此使元件在热产生和老化方面失去平衡。
在图11和12的可选项中，提出环形的终端200，即，其形状为带有管状盖的同心圆筒，该圆筒在其基座处具有凹部，以使凸台通过以达到该圆筒的内部。
圆筒的半径足够大，用于提供足够大的外围接触表面，并且同时在中心留有空间，使凸台可以达到最中心的圈。
在该终端200内，在板100的中心处设有注入孔130。
在图13的可选项中，好处在于外部圈比中心的圈流出更多电流。
现在，对于相关的圈，通过垂直于这个圈的激光照射的焊接提供凸台/圈接触表面，其不论圈在外部或在内部都是相同的。
这里希望应用这种焊接，其反而产生对于外部圈比对于内部圈更大的接触表面。
提供这种结果的装置要形成圆锥形的凸台底部，即，在集电器的外部具有更宽的下接触表面，以便使该集电器的更多的表面与集电器外侧相接触。
然而，为了利用一次激光发射，增大在外部圈的焊接表面，可采用向外与该圈相切的一个螺旋形凸台120。更一般地说，达到一个凸台，其方向逐渐偏离径向方向。这样，激光束从外侧越接近，集电器的焊接部分越大，这是因为凸台和圈之间的交叉更加相切。
在相当不同的一种方法中，将提到具有分支的终端，该终端分支的数目可以为2(隔开180°)或者甚至是矩形平行六面体形状的终端400(图14和图15)。该平行方面体在主要类型的凸台之间延伸。
这种终端例如包括拧在电流收集杆上或直接焊接在该杆上的口410。
为了使凸台接近中心的圈，同时保持终端与盖成为一体，一种不同的方法是使该终端在位于凸台之间的区域内偏心(图16和17中的终端500)。
这种结构的缺点是，在相关的存储元件中，电流流动不平衡。为了使集电器中的电流流动均匀，又不为焊接所有圈付出代价，最好添加相同类型的和在直径上与第一个终端相对的第二个偏心终端，或者甚至是几个其他的偏心终端。

Claims (15)

1、一种电能存储元件，其包括多个圈的绕组，以及至少一个基本上与该绕组的母线垂直的接头(100，200)，其包括与多个这些圈接触的板(100)，表面设有基本上为轴对称形状的终端(200)的接头板，该板(100)还形成一系列凸台(120，125)，其在与承载该终端(200)的表面相对的板的表面上以隆起的方式延伸，其特征在于，该终端(200)具有至少一个内部凹部(210)，并且其特征还在于，至少一个凸台(120)贯穿进入这个凹部(210)中。
2、如权利要求1所述的元件，其特征在于，它包括超级电容器。
3、如权利要求1或2所述的元件，其特征在于，该终端(200)具有至少部分地内接于截锥体上的外部形状。
4、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，它包括至少一个基本上为截头锥体形凹部，向着终端(200)的自由末端张开的底部表面(215)。
5、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，该终端(200)在每一对凹部(210)之间形成分支(220)，并且其特征还在于，每一个分支(220)末端具有朝着该终端的基座变宽的截头锥体形表面(225)。
6、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，该终端(200)设有至少一个只在该终端(200)的高度的一部分上延伸的凹部(210)。
7、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，该终端(200)形成以两个凹部(210)为边缘的至少一个分支(220)，其当向该终端(200)的外围方向上延伸时宽度扩展。
8、如权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，它具有在其高度的至少一部分上彼此之间没有任何联系(230)的一系列分支(220)。
9、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，该终端具有分支(220)，其当朝着该终端外围的其末端延伸时宽度扩展，每一个分支在其末端形成彼此相对延伸的两个前端(216，217)。
10、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，它包括至少一系列凹部(210)，当以平行于盖板(100)的截面考虑时，每一个凹部(210)具有卵形截面。
11、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，它具有管状部分形状的终端(200)。
12、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，它具有至少一个曲线形的凸台(120)，使得当该凸台朝着盖板的外侧延伸时，这个凸台沿着因逐渐偏离径向方向而改变的方向延伸。
13、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，盖板(100)具有与承载该终端(200)的表面相对的表面，该表面设有适于电解液在这个表面上流动的通道(140)。
14、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，该盖板具有至少一个用于装入电解液的口(130)。
15、如上述权利要求中任何一项所述的元件，其特征在于，它具有几个凸台(125)，其中一些凸台(125)的长度小于盖板(100)的半径，并且只在盖板(100)的外围区域内侧延伸。
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