JP2010087318A - Capacitor module and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、キャパシタモジュールおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a capacitor module and a manufacturing method thereof.
電気二重層キャパシタに代表されるキャパシタは、大きな静電容量を有しており、無停電電源(UPS)等に採用されている。しかし、大規模なUPSには、静電容量が大きな電気二重層キャパシタといえども一本では、蓄積できる電荷が少なく、複数の電気二重層キャパシタを直列および/または並列に接続してモジュール化して使用されている。 A capacitor typified by an electric double layer capacitor has a large capacitance and is employed in an uninterruptible power supply (UPS) and the like. However, even a large-scale UPS has an electric double layer capacitor with a large electrostatic capacity, and one electric charge has a small charge, and a plurality of electric double layer capacitors are connected in series and / or in parallel to form a module. in use.
このような大きな静電容量を有する電気二重層キャパシタの構成としては、集電体の両面に分極性電極層を形成した平板状の電極シートを正極シートおよび負極シートとして、これらをセパレータを介して巻回または交互に積層してキャパシタ素子を形成し、このキャパシタ素子をアルミニウム等からなる外装ケースに収納して、開口端部を封口部材によって封止した構成からなる電気二重層キャパシタが知られている。 As a configuration of such an electric double layer capacitor having a large capacitance, a plate-like electrode sheet in which polarizable electrode layers are formed on both sides of a current collector is used as a positive electrode sheet and a negative electrode sheet, and these are interposed via a separator. There is known an electric double layer capacitor having a configuration in which a capacitor element is formed by winding or alternately stacking, and the capacitor element is housed in an outer case made of aluminum or the like, and an opening end is sealed by a sealing member. Yes.
このような電気二重層キャパシタをモジュール化する技術については、特許文献1および特許文献2が知られている。
Patent Document 1 and
現在、複数のキャパシタの外部端子同士を接続するブスバーは、外部端子に形成したネジ穴にネジ止めすることにより固定されている。このネジ止めによる固定では、ネジによる機械的な接触により、外部端子とブスバーとの導通が図られている。一方、電気二重層キャパシタは一本あたりの耐電圧は2.3V〜数V程度と耐電圧が低い。このため、外部端子とブスバーとの接触部位における接触抵抗の影響が大きなものとなる。 Currently, the bus bar for connecting the external terminals of a plurality of capacitors is fixed by screwing into a screw hole formed in the external terminal. In this fixing by screwing, electrical connection between the external terminal and the bus bar is achieved by mechanical contact with a screw. On the other hand, the electric double layer capacitor has a low withstand voltage of about 2.3 V to several V per capacitor. For this reason, the influence of the contact resistance at the contact portion between the external terminal and the bus bar becomes large.
そこで、外部端子とブスバーの接触抵抗を低減することがキャパシタモジュールの蓄積電荷を向上させるための重要な要素となる。 Thus, reducing the contact resistance between the external terminal and the bus bar is an important factor for improving the stored charge of the capacitor module.
このような観点からは、ブスバーを外部端子に超音波溶接によって接合することで、高さ寸法の低減と接触抵抗の低減を、図ることが期待される。 From this point of view, it is expected that the bus bar is joined to the external terminal by ultrasonic welding to reduce the height dimension and the contact resistance.
ところが、キャパシタの外部端子と他の外部端子と結合する場合に単純に超音波溶接する場合に以下のような問題点が発生する。 However, the following problems occur when ultrasonic welding is simply performed when the external terminal of the capacitor is connected to another external terminal.
超音波溶接によって、外部端子にブスバーを溶接しようとする場合には、外部端子の上にブスバーを搭載し、超音波溶接のためのホーンを当接させて超音波溶接を行うことになるが、この超音波振動のエネルギーが逃げて、適切な接合ができない場合がある。 When trying to weld a bus bar to an external terminal by ultrasonic welding, a bus bar is mounted on the external terminal and a horn for ultrasonic welding is contacted to perform ultrasonic welding. The energy of this ultrasonic vibration may escape and proper bonding may not be possible.
これは、キャパシタの構造として、外装ケースの開口部に封口部材を挿入して加締める構成を採用しているため、外装ケースと内面と封口部材の間には僅かながらも隙間が存在し、超音波溶接のホーンから加えられる横方向の振動に対しては、封口部材が外装ケースに内部で横方向に振動してしまい、超音波振動のエネルギーが封口部材の外部端子とブスバーに充分に伝わらないためと考えられる。 This is because the structure of the capacitor employs a structure in which a sealing member is inserted into the opening of the outer case and crimped, so there is a slight gap between the outer case, the inner surface, and the sealing member. For lateral vibration applied from the sonic welding horn, the sealing member vibrates laterally inside the exterior case, and the energy of ultrasonic vibration is not sufficiently transmitted to the external terminal and bus bar of the sealing member. This is probably because of this.
また、超音波溶接時の振動ストレスが、キャパシタ素子に伝わることで、キャパシタの内部抵抗の増加等の電気的特性への悪影響を及ぼす場合もあった。 In addition, vibration stress during ultrasonic welding may be transmitted to the capacitor element, thereby adversely affecting electrical characteristics such as an increase in internal resistance of the capacitor.
そこで、この発明は、外部端子とブスバーとを超音波溶接で接合することで接触抵抗を低下させるとともに、キャパシタモジュール全体としての高さ寸法を低下させるキャパシタモジュールおよびその製造方法を提供することにある。 Accordingly, the present invention is to provide a capacitor module that reduces the contact resistance by joining the external terminal and the bus bar by ultrasonic welding, and also reduces the height of the entire capacitor module, and a method for manufacturing the same. .
前記の課題を解決すべく、本発明の第一の規定にあるキャパシタモジュールは、キャパシタ素子を外装ケースに収納し、外装ケースの開口部に外部端子が埋設された封口部材を挿入して、封口してなるキャパシタと、複数のキャパシタの外部端子同士を電気的に接続してなるブスバーより構成されるキャパシタモジュールにおいて、前記封口部材は、前記開口部に挿入される前に前記外部端子にブスバーの一端が溶接されており、前記封口部材を前記外装ケースの開口部に挿入して封口した後に他のキャパシタの他のブスバーと前記ブスバーとを他端同士で接合することにより構成される。 In order to solve the above-mentioned problem, a capacitor module according to the first provision of the present invention includes a capacitor element housed in an outer case, and a sealing member in which an external terminal is embedded in an opening of the outer case. A capacitor module comprising a capacitor and a bus bar formed by electrically connecting external terminals of a plurality of capacitors, the sealing member is connected to the external terminal before being inserted into the opening. One end is welded, and after the sealing member is inserted into the opening of the exterior case and sealed, another bus bar of the other capacitor and the bus bar are joined at the other end.
前記のブスバーは平板状の部材であり、キャパシタの封口部材と平行に接続されることを特徴とする。 The bus bar is a flat plate-like member and is connected in parallel with the sealing member of the capacitor.
本発明の第二の規定にある製造方法は、キャパシタ素子を前記外装ケースに収納し、外装ケースの開口部に外部端子が埋設された封口部材を挿入して、封口してなるキャパシタと、複数のキャパシタの外部端子同士を電気的に接続してなるブスバーより構成されるキャパシタモジュールを製造する方法において、前記外部端子の外部側に予めブスバーの一端を溶接した封口部材によってキャパシタの封口を行い、これらのキャパシタの外部端子に溶接されたブスバーの他端同士を接合することでキャパシタバンクを構成する。 The manufacturing method according to the second prescription of the present invention includes a capacitor in which a capacitor element is housed in the outer case, and a sealing member in which an external terminal is embedded in the opening of the outer case is inserted and sealed. In the method of manufacturing a capacitor module comprising a bus bar formed by electrically connecting external terminals of the capacitor, the capacitor is sealed by a sealing member in which one end of the bus bar is welded to the outside of the external terminal in advance. A capacitor bank is configured by joining the other ends of the bus bars welded to the external terminals of these capacitors.
本発明に示されるように、キャパシタ素子を外装ケースに収納し、外装ケースの開口部に外部端子が埋設された封口部材を挿入して、封口してなるキャパシタと、複数のキャパシタの外部端子同士を電気的に接続してなるブスバーより構成されるキャパシタモジュールにおいて、前記封口部材は、前記開口部に挿入される前に前記外部端子に一端が溶接されて他端が開放されているブスバーと一体形成され、前記封口部材を前記開口部に挿入した後に他のキャパシタの他のブスバーと前記ブスバーとを他端同士で接合することにより、接触抵抗を低下させるとともに、超音波溶接の際の機械的ストレスをキャパシタの内部に伝達することが無い。 As shown in the present invention, a capacitor element is housed in an exterior case, a sealing member in which an external terminal is embedded in an opening of the exterior case is inserted, and the sealed capacitor and the external terminals of a plurality of capacitors are connected to each other In the capacitor module constituted by a bus bar that is electrically connected, the sealing member is integrated with the bus bar that is welded at one end to the external terminal and opened at the other end before being inserted into the opening. After the sealing member is formed and inserted into the opening, another bus bar of the other capacitor and the bus bar are joined at the other ends, thereby reducing the contact resistance and mechanically performing ultrasonic welding. Stress is not transmitted to the inside of the capacitor.
また、ブスバーを平板状の部材とし、キャパシタの封口部材と平行に接続すれば、キャパシタモジュールの高さ寸法を低減させることができるという有意効果をもたらすものである。 Further, if the bus bar is formed as a flat plate member and connected in parallel with the sealing member of the capacitor, a significant effect that the height dimension of the capacitor module can be reduced is brought about.
電気二重層キャパシタの構造の概略としては図3に示すように、正極シート11と負極シート12をセパレータ13を介して交互に積層したキャパシタ素子1を、金属製の外装ケース3に収納し、外装ケースの開口端部を封口部材2にて封止した構造となっている。
As an outline of the structure of the electric double layer capacitor, as shown in FIG. 3, the capacitor element 1 in which the positive electrode sheets 11 and the
以下では、この発明の電気二重層キャパシタの製造方法について順次説明する。 Below, the manufacturing method of the electric double layer capacitor of this invention is demonstrated one by one.
正極シート11及び負極シート12は、図2に示すように、集電体13の両側に活性炭を主成分とする分極性電極層14,14を形成した平板状の電極シートである。なお、キャパシタ素子の最外部に配置される電極は内側となる面にのみ分極性電極層14を形成したものであっても良い。
As shown in FIG. 2, the positive electrode sheet 11 and the
正極シート11及び負極シート12は、活性炭と、導電性助剤としてのカーボンブラックと、バインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン粉末とを湿式、または乾式で混練して混練物を得、この混練物を集電体13に塗布して、乾燥することにより混練物を固化して集電体13上に分極性電極層14,14を形成したものである。さらに、圧延ロールにて分極性電極層14,14を所定厚さとなるようにプレスしても良い。
The positive electrode sheet 11 and the
上記のような工程以外にも、混練物をシート状に形成して乾燥し、このシートを集電体に導電性接着剤によって貼り付けて分極性電極を作製してもよい。この場合、シートの状態で圧延ロールにて所定厚さにしても良く、シートを集電体に貼り付けた後に圧延ロールにて所定厚さとしてもよい。 In addition to the above steps, the kneaded product may be formed into a sheet and dried, and this sheet may be attached to a current collector with a conductive adhesive to produce a polarizable electrode. In this case, the thickness may be set to a predetermined thickness with a rolling roll in the state of the sheet, or the thickness may be set to a predetermined thickness with the rolling roll after the sheet is attached to the current collector.
集電体13は金属より、金属箔、メッシュ等を用いることができるが、電解液に対する耐腐食性や、集電体自体の導電性、さらには集電体の機械的強度の観点から、40μm程度の厚さのアルミニウム箔を好適に用いることができる。なお、アルミニウム箔を用いる場合には、その表面をエッチング処理により微細な凹凸を形成しておくと良い。表面に微細な凹凸があると、混練物を集電体に塗布した際、あるいは集電体に導電性接着剤を塗布した際の塗れ性がよくなり、分極性電極層との密着強度が強いものとなる。
The
また、集電体13には、予め外部引出用のタブ15が接続されている。このタブ15は集電体13の一辺部から集電体13の一部を突出させたものである。なお、タブ15は集電体13とは別の部材をコールドウェルト法、超音波溶接法等によって集電体に接続したものであっても良い。
Further, a
これらの正極シート11、負極シート12は図3に示すようにセパレータ16を間に介在させて複数の正極シート11と負極シート12とが交互に積層され、積層体を形成する。セパレータ16としては、ポリプロピレン不織布などを用いることができる。この際、正極のタブ同士、負極のタブ同士が重なりあうように積層する。
As shown in FIG. 3, the positive electrode sheet 11 and the
また、これらの積層体の外周には巻き止めテープ17が周回されて、積層体がほぐれないように固定される。
Moreover, the
次にキャパシタ素子から導出したタブと封口部材2の外部端子21とを電気的に接合する。封口部材2は硬質樹脂からなり、上面の外周部に弾性ゴムが配置されるとともに、金属製の外部端子21,21が貫通するように埋設されたものである。
Next, the tab derived from the capacitor element and the
この封口部材は、キャパシタの外部側となる外部端子の先端に、予めブスバーが超音波溶接されているものである。ブスバーとしては、厚さ0.2mm〜0.5mm程度のアルミニウム平角線を用いることができる。 In this sealing member, a bus bar is ultrasonically welded in advance to the tip of an external terminal which is the outside of the capacitor. As the bus bar, an aluminum flat wire having a thickness of about 0.2 mm to 0.5 mm can be used.
そして、封口部材の外部端子の他方の端面にキャパシタ素子1から引き出したタブ15と接続する。タブ15と外部端子21の接続方法は特に限定はないが、複数のタブを重ね合わせて、接続リードの一端部を取り付け、この接続リードの他端部を外部端子の内部側端部に接続する方法を採ることができる。
Then, the other end face of the external terminal of the sealing member is connected to the
そして、封口部材2と接続したキャパシタ素子1を外装ケース3中に収納する。外装ケース3は角柱状のもので、一方の端部が開口している。外装ケース3の材質としてはアルミニウムやアルミニウム合金を用いることができる。なお、側面には封口部材の位置決めを行うための横溝が、開口端部近傍に形成されている。さらに外装ケースに機械的強度を強いものとするために、内部側より外部側に突出するようなリブを設けておいても良い。
Then, the capacitor element 1 connected to the sealing
そして、図1(a)に示すように、外装ケース3にキャパシタ素子1を収納する。その後に、図1(b)に示すように外装ケース18の中に電解液4を注入し、電解液をキャパシタ素子1に含浸させる。なお、図1中ではキャパシタ素子1のタブを省略して描いている。
Then, as shown in FIG. 1A, the capacitor element 1 is accommodated in the
ここで用いられる電解液は、第4級アンモニウムイオン等のカチオンと、BF4 −,PF6 −,ClO4 −,CF3SO3 −などのアニオンからなる溶質と、プロピレンカーボネート、1−ブチレンカーボネート、スルホラン、アセトニトリル、γ−ブチロラクトン、ジメチルホルムアミドなどの非プロトン性溶媒からなる有機電解液が好適である。そして、図1(d)に示すように、外装ケースの開口端部を封口部材にて封口することにより電気二重層キャパシタを完成する。 The electrolytic solution used here is a solute composed of a cation such as a quaternary ammonium ion, an anion such as BF 4 − , PF 6 − , ClO 4 − or CF 3 SO 3 — , propylene carbonate, 1-butylene carbonate. An organic electrolytic solution composed of an aprotic solvent such as sulfolane, acetonitrile, γ-butyrolactone, dimethylformamide and the like is preferable. And as shown in FIG.1 (d), an electric double layer capacitor is completed by sealing the opening edge part of an exterior case with a sealing member.
この封口は、外装ケースの開口端部のカーリング加工を行って、開口端部の封口が行われる。外装ケースの開口端部のカーリングを行うことにより、封口部材は外装ケースに側面に形成された横溝とカーリング部の先端に挟持されるようになり、位置決めがなされる。また、カーリング加工において、外装ケースの開口端部を封口部材の弾性ゴムの層に食い込ませることにより、弾性部材と開口端部が密着し、電気二重層キャパシタの気密を得ている。 This sealing is performed by curling the opening end portion of the exterior case to seal the opening end portion. By curling the opening end of the outer case, the sealing member is sandwiched between the lateral groove formed on the side surface of the outer case and the tip of the curling portion, and positioning is performed. Further, in the curling process, the opening end portion of the outer case is bitten into the elastic rubber layer of the sealing member so that the elastic member and the opening end portion are in close contact with each other, thereby obtaining the airtightness of the electric double layer capacitor.
次に、図5に本発明に係る封口部材2と外部端子21についてその断面図を示す。ここで、外部端子21は、封口部材2が外装ケース3を封口しない状態で封口部材2を貫通する。貫通した外部端子21の上端部に平坦なブスバー22が超音波溶接で連結される。
Next, FIG. 5 shows a sectional view of the sealing
さらに、図6のように両極の外部端子21の上端部に平坦なブスバー22が超音波溶接されると、封口部材2は、外装ケース3を封口する。
Furthermore, when the
次に、各ブスバー22同士を連結するために、ブスバー22の折り曲げ加工と連結について図7示す。折り曲げ位置24は、外装ケース3よりもブスバー22の突出が長くなる程度の位置で折り曲げられる。その折り曲げ方向は、封口部材2に対して離間する方向であって、2つの外部端子21を結ぶ線に対して垂直に折り曲げられる。
Next, in order to connect the bus bars 22 to each other, FIG. The
ブスバー22は、両極の外部端子21に超音波溶接されるブスバー22は共にその端部が折り曲げられるが、いずれも、外装ケース3の中心に対して外側の端部が折り曲げられる。このため、同一封口部材2の外部端子21に連結されるブスバー22は、完全に離間する。一方、隣接するキャパシタのブスバー22は互いに連結するように構成される。ブスバー22同士の連結は超音波溶接でなされる。このブスバー22同士の連結は、外部端子21から離れるため、超音波溶接時の振動ストレスが、キャパシタ素子に伝わることで、キャパシタの内部抵抗の増加等の電気的特性への悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。
Both ends of the bus bars 22 that are ultrasonically welded to the
このカーリングの際には、予め溶接したブスバーがカーリング加工治具を当接させるのに障害となる場合には、一度ブスバーを折り曲げて、開口端部側よりカーリング加工治具を当接させることができる。 During curling, if the pre-welded bus bar is an obstacle to contacting the curling jig, the bus bar is bent once and the curling jig is brought into contact with the opening end side. it can.
引き続きモジュール化なされる。すなわち、キャパシタ同士が連結される。 It will continue to be modularized. That is, the capacitors are connected to each other.
以上のように完成したキャパシタは外部端子にブスバーが接続された状態となっているため、ブスバー同士を接合することで、キャパシタモジュールを完成する。 Since the capacitor completed as described above is in a state where the bus bar is connected to the external terminal, the capacitor module is completed by joining the bus bars.
なお、以上の工程によってキャパシタモジュールが得られるが、上記のキャパシタモジュールはブスバーの超音波溶接によってのみ接合された構造であるため、外部より機械的ストレスが加わった場合に、超音波溶接部が剥離してしまうおそれがある。そこで、図8,9に示すように、キャパシタの外形寸法に合致する複数に凹部を有する下型44と、キャパシタの外部端子導出面の肩部を固定する二つの上型40,42を用い、これらの上型40,42と下型44をネジ46固定すること等により、キャパシタモジュールの補強を図ることができる。
Although the capacitor module is obtained by the above process, the above capacitor module is a structure that is joined only by the ultrasonic welding of the bus bar. Therefore, when mechanical stress is applied from the outside, the ultrasonic weld is peeled off. There is a risk of it. Therefore, as shown in FIGS. 8 and 9, a
キャパシタモジュールの補強は、上記の他にも筐体にキャパシタモジュールを収納して樹脂埋めする方法等、種々の手段を選択することができる。 In addition to the above, the capacitor module can be reinforced by various means such as a method of housing the capacitor module in a housing and filling it with resin.
1 キャパシタ素子
2 封口部材
3 外装ケース
4 電解液
11 正極シート
12 負極シート
13 集電体
14 分極性電極層
15 タブ
16 セパレータ
17 巻き止めテープ
18 外装ケース
21 外部端子
22 ブスバー
40,42 上型
44 下型
46 ネジ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
複数のキャパシタの外部端子同士を電気的に接続してなるブスバーより構成されるキャパシタモジュールにおいて、
前記封口部材は、前記開口部に挿入される前に前記外部端子にブスバーの一端が溶接されており、
前記封口部材を前記外装ケースの開口部に挿入して封口した後に他のキャパシタの他のブスバーと前記ブスバーとを他端同士で接合することにより構成されるキャパシタモジュール。 The capacitor element is housed in a bottomed cylindrical outer case, a sealing member in which an external terminal is embedded in the opening of the outer case is inserted, and the capacitor is sealed,
In a capacitor module composed of bus bars formed by electrically connecting external terminals of a plurality of capacitors,
One end of the bus bar is welded to the external terminal before the sealing member is inserted into the opening,
A capacitor module configured by inserting the sealing member into the opening of the exterior case and sealing the joint, and then joining another bus bar of the other capacitor and the bus bar at the other ends.
複数のキャパシタの外部端子同士を電気的に接続してなるブスバーより構成されるキャパシタモジュールを製造する方法において、
前記外部端子の外部側に予めブスバーの一端を溶接した封口部材によってキャパシタの封口を行い、
これらのキャパシタの外部端子に溶接されたブスバーの他端同士を接合することでキャパシタバンクを構成するキャパシタバンクの製造方法。 Capacitor element is housed in the outer case, a sealing member in which an external terminal is embedded in the opening of the outer case is inserted, and the capacitor is sealed,
In a method of manufacturing a capacitor module composed of bus bars formed by electrically connecting external terminals of a plurality of capacitors,
Capacitor sealing is performed by a sealing member in which one end of a bus bar is welded to the outside of the external terminal in advance,
A method of manufacturing a capacitor bank, which comprises a capacitor bank by joining the other ends of bus bars welded to external terminals of these capacitors.
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