JP2014519412A - 電気を貯蔵するためのアセンブリの摩擦撹拌接合のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、各エネルギー貯蔵アセンブリ（１０）が密閉ハウジングを含む、２つのエネルギー貯蔵アセンブリを接続するための方法であって、ハウジングの各々の端部表面と接触するように大きさを形成したコネクタストリップ（３０）を、並んで配置された２つのハウジングの端部表面（２４）上に位置付けし、ストリップをハウジングの各々に摩擦撹拌接合する方法に関する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気エネルギー貯蔵アセンブリの技術分野に関する。

本発明において、「電気エネルギー貯蔵アセンブリ」は、コンデンサ（すなわち、電極と絶縁体とを含む受動システム）、または超コンデンサ（すなわち、少なくとも２つの電極と、電解質と、少なくとも１つの隔離板とを含む受動システム）、または、例えばリチウム電池タイプの電池（すなわち、アノード、カソードおよび、アノードとカソードとの間の電解質溶液を含むシステム）のいずれかを意味する。

前記エネルギー貯蔵アセンブリは、いくつかの用途に特有の仕様を満足させることができるエネルギー貯蔵モジュールに関連することがほとんどである。

最先端技術では、複数のエネルギー貯蔵アセンブリを含み、各エネルギー貯蔵アセンブリが筒状ハウジングに収容されているエネルギー貯蔵モジュールが知られている。筒状ハウジングは、モジュール内に並んで配置され、コネクタストリップによって、互いに直列に電気的に接続される。

各コネクタストリップは、シリンダの実質的に平面の端壁のうちの１つと、隣接したシリンダの対応する端壁との上に配置される。

最先端技術では、コネクタストリップは、例えば仏国特許第２９１５６２６号明細書に記載されるようなＬＡＳＥＲ溶接法によって各ハウジング上に溶接される。

ＬＡＳＥＲ溶接は、高度に局所化された融点を、溶接すべき２つの材料内に生成する透過溶接である。次いで、溶融材料は互いに混じり合い、アセンブリは、溶融物の高度に局所化された性質を考慮して、ほとんど即座に再び凝固する。しかしながら、溶接部の形成は、複数のパラメータ、特にレーザの焦点、レーザのパワーなどの微調整に依存する。

しかしながら、電解質がハウジング内に配置され、注入穴部が再度塞がれた後、エネルギー貯蔵アセンブリのハウジングがコネクタストリップに接続される。したがって、ハウジングの密閉を維持することが最も重要であり、さもなければ、不純物が貯蔵アセンブリの電解質に追加され、実質的に、その寿命を減らし、電解質の廃棄まで導き得る。

異なるパラメータは、溶接すべき区域の溶融に影響を与えるため、ＬＡＳＥＲ溶接法は、ほとんど繰り返すことができず、ビームが強力すぎる、または集中しすぎる場合、溶融工程中に蓋部の貫通を導き得ることが確認されている。

したがって、信頼性のある溶接工程を得るためには、比較的厚い、および／もしくは特別設計の貯蔵アセンブリ用のハウジングを設けることが必要であり、それによって、ＬＡＳＥＲパラメータのいかなるわずかな乱れもハウジングの密閉を悪くするのを防ぎ、および／または、ストリップを貯蔵アセンブリのハウジング上に溶接するために使用される異なるＬＡＳＥＲパラメータは、高精度の手段を使用して監視されなければならず、このように、無視できない製造コストの増加が生じる。

本発明の一目的は、エネルギー貯蔵モジュールを製造するための単純で低コストであるにも係わらず、エネルギー貯蔵アセンブリの各々の密閉を維持することができる方法を提案することである。

この目的のために、２つのエネルギー貯蔵アセンブリを接続するための方法であって、各エネルギー貯蔵アセンブリが密閉ハウジングを含み、
− 並んで配置された２つのハウジングの端部表面上に、コネクタストリップをハウジングの各々の端部表面と接触するように大きさを形成して位置付けし、
− ストリップをハウジングの各々の上に摩擦撹拌接合する
方法を提案する。

本発明において、「端部表面」は、ストリップに対向して位置するための上部または下部ハウジング表面を意味する。長手軸を有するハウジング（例えば筒状ハウジング）については、端部表面は例えば、ハウジングの長手軸に垂直な表面である。

各貯蔵アセンブリは、少なくとも２つの電極および１つの電解質を含むことが好ましい。アセンブリは、同一、同じ形状および同じタイプ（超コンデンサ、電池など）、または異なる形状および／もしくはタイプのいずれかであってもよい。

前記方法は、大きな利点がある。摩擦撹拌接合は、ツールが、溶接すべき部品上を非常に急速に回転駆動する溶接技術である。ツールは、材料をペースト状になるまで加熱しながら材料へ入り込む。撹拌を伴って加熱することにより、溶接すべき部品の構成材料を溶接することができる。溶接はペースト状態で行い、ツールは、それが接触する材料を加熱するのみである。

したがって、本方法は、ツール自体がハウジングの中を通過しなければ、溶接後に電解質を材料汚染するリスクがないため、非常に制御しやすい。したがって、本方法での制御は、行い易いツールの動きを確認することになる。蓋部の厚さをＬＡＳＥＲ溶接に必要な程度まで増大させることも必要ではない。

溶接はペースト状態で行うため、ハウジングの密閉を悪くもし得る高温割れのリスクがないことも留意されるであろう。

したがって、本発明による方法により、各貯蔵アセンブリの密閉を維持しながら、単純で低コストの方法で、エネルギー貯蔵アセンブリを互いに接続することができる。

本発明の方法はまた、多くの他の利点を有する。

特に本発明の方法により、サイクル時間のいかなる大幅な増加も必要とせずに、異なるエネルギー貯蔵アセンブリ間で、電気伝導を増加させることができる。

本発明の方法を用いると、溶接ビードは、撹拌接合ツールの大きさに相当し、撹拌接合ツールの大きさは、ＬＡＳＥＲ溶接（ビームの大きさに大いに関連するパワー）の先行技術の場合と異なり、ツールパワーの制約によって制限されないことが有利にはわかる。したがって、ツールの大きさ、ひいては、ストリップと各ハウジングとの間の電気伝導を増加させることにより、しかしながら溶接すべき区域上に溶接ツールを数回通過させる必要なく、ビードまたは溶接点の大きさを増大させ、それによって、短い製造時間を維持することができる。

同じ理由（ビード幅）により、貯蔵アセンブリの上部からストリップの方への熱伝導が改善される。したがって、熱の排出は、本発明の方法によって最適化される。

さらに、ストリップは、より単純な形状のもので、より経済的であってもよい。ストリップを空洞にして、先行技術で実行されたように厚さを局所的に減らし、ＬＡＳＥＲ溶接を容易にすることは、有利には必要ない。中空になっていないストリップを使用することによっても、モジュールの導電マットと接触するストリップの表面を最大化することができ、これによっても確実に、熱をモジュールの外部の方へより良好に排出する。

最後に、本発明の方法は、先行技術の場合よりもハウジングの材料を加熱の度合いを低くして行う。したがって、ＬＡＳＥＲ溶接と比較して、ハウジング内部の電解質、または実際のエネルギー貯蔵素子を損傷させるリスクを低減する。

本発明の方法はまた、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含んでもよい。
− 溶接ステップ中に、回転して動くことができる装置を、ハウジングおよび／またはストリップと接触させて配置することができ、ハウジングおよび／またはストリップの材料へ入り込むように、所定軸に沿って装置を移動させる。軸は、一般にハウジングの端部表面の法線に相当する。ハウジングが筒状素子である場合、所定軸は一般に、筒状素子の対称軸に相当する。
− 各ハウジングは、筒状素子と、筒状素子をその端部で閉じる少なくとも１つの蓋部とを含んでもよい。ハウジングは特に、２つの蓋部を含んでもよく、各々は、筒状素子の一端部に位置付ける。ストリップは、蓋部上に溶接することが好ましい。この場合、蓋部の一表面は、アセンブリの端部表面を形成する。
− ストリップおよびハウジングは、長さが少なくとも１ｃｍの距離にわたって溶接することができ、これにより、アセンブリの電気伝導を増加させることができる。しかしながら、蓋部上へストリップを点溶接することもできる。
− 端部表面は、端部表面上のストリップのための、１つまたは複数の突起部形成位置付け手段を含んでもよい。突起部は、例えばセンタリングピンによって形成してもよく、次いで、ストリップは、少なくとも１つの合わせオリフィス（ｍａｔｉｎｇ ｏｒｉｆｉｃｅ）を含んでもよい。突起部はまた、ストリップの輪郭を画定するための１つまたは複数のピンによって形成してもよい。
− ハウジングおよびストリップは、所定軸に垂直な接触表面、特に端部表面の上で重ね合わることができ、その結果、溶接はストリップの中を通過し、ハウジングに達する。
− ストリップおよびハウジングは、所定軸を含む接触表面上で接触してもよく、その結果、ストリップおよびハウジングを縁部対縁部で溶接する。この場合、ツールは、ハウジング材料とストリップ材料とへ同時に入り込んでもよい。ハウジングが、ストリップのための突起部形成位置付け手段を含む場合、本実施形態が一般に適用される。
− ストリップは、導体材料、特に銅で作ってもよい。
− ハウジングは、少なくとも部分的に金属材料、特にアルミニウムで作ってもよい。
− ハウジングの端部表面は第１の材料で、ストリップは第１の材料と異なる第２の材料で作ることができる。本発明の方法を用いて、異なる材料のストリップおよびハウジングを有することが、有利には可能である。材料がペースト状態にある時に溶接を行うため、本方法では、困難なく、異なる特性を有する２つの異なる材料を互いに溶接することができる。最先端技術では、特に２つの異なる材料のそれぞれの溶融温度がかなりかけ離れている場合、（ＬＡＳＥＲ溶接技術を使用して）それらを互いに溶接することが難しい。剛性および軽量というその特性のためにハウジングを製造することが薦められるアルミニウムを、優れた電導特性を有し、ストリップを製造するために有利に使用することができる銅と、溶接することが所望される場合、これは特に問題である。かけ離れた溶融温度は、２つの材料について、得るべき信頼性、耐久性のある溶接を可能にしない収縮差を顕著に含む、多くの技術的な問題を生む場合がある。本方法は、組み立てるべき異なる部品の構成材料（例えば、ストリップとして銅、ハウジングとしてアルミニウム）の選択を限定するであろういかなる制約も加えないため、本発明の方法によって、この選択を最適化することができる。同様に、本発明の方法は、有利な機械的特性を有するが、ＬＡＳＥＲ溶接法を使用して溶接することが困難なアルミニウム合金（例えば、６０００シリーズタイプ）を溶接するために使用することができる。

本発明のさらなる主題は、少なくとも２つのエネルギー貯蔵アセンブリのモジュールであって、各エネルギー貯蔵アセンブリが、密閉ハウジングを含み、アセンブリは、上記方法に従ってコネクタストリップによって対で接続する、モジュールである。

ハウジング上のストリップの溶接ビードは、端部表面の面の全ての方向に３ｍｍより大きく、特に５ｍｍより大きい。

本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の記述からさらに明白になる。その記述は、単なる例示であり、限定するものではなく、添付図面に関連して読まれる。

本発明の一実施形態によるモジュールのエネルギー貯蔵アセンブリの半径方向の断面図である。 第１の実施形態による２つのエネルギー貯蔵アセンブリを含むモジュールの上面図である。 本発明の一実施形態による方法を実施することができる摩擦撹拌装置の半径方向の断面図である。 貯蔵アセンブリのインターフェースと、一旦溶接されたコネクタストリップのインターフェースとの詳細な断面図である。 貯蔵アセンブリのインターフェースと、一旦溶接されたコネクタストリップのインターフェースとの詳細な断面図である。 本発明の実施形態の変形例によるモジュールの斜視図である。 本発明の実施形態の変形例によるモジュールの斜視図である。 本発明の実施形態の変形例によるモジュールの斜視図である。

ここで、本発明の一実施形態による２つのアセンブリ、特に超コンデンサを接続するための方法について、より詳細に説明する。

図１に関して、本発明の方法を実施する超コンデンサの実施形態の一例を示す。

超コンデンサ１０は、記述した実施形態において、筒状側壁１６Ａおよび底部１６Ｂを含む筐体１６であるハウジング１４内に位置付けされた巻線１２と、筐体１６に蓋をして閉じる蓋部１８とを含む。ハウジングはまた、わかりやすくするために図には示していないが、液体電解質を収容する。

筐体１６および蓋部１８は、それらの全周にわたって接着し、確実に超コンデンサを密閉している。筐体１６および蓋部は、一般にアルミニウムで作る。それらはまた、短絡を回避するために、それらを互いに接続する接着剤の連続したビードによって互いに電気的に絶縁する。

巻線１２は、重なり合う２つの箔電極２０、２１および絶縁隔離板２２を含むユニットから形成し、隔離板を、２つの箔電極２０、２１の間に挿入する。

各箔電極は、コレクタと、顕著には活性炭を含む活性材料から形成され、かつ、コレクタの２つの対向表面に配置された電極とを含む。電極の各々のコレクタはそれぞれ、筐体１６と蓋部１８とに接続し、したがって、筐体および蓋部はそれぞれ、エネルギー貯蔵アセンブリの正端子および負端子を形成する。

蓋部１８は、上部表面２４と、筐体１６の輪郭に続く筒状の逆さエッジ（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｔｕｒｎｅｄ−ｏｖｅｒ ｅｄｇｅ）２６とを含む。蓋部の上部表面２４および筐体の底部１６Ｂは、ハウジングの端部表面を形成する。蓋部はまた、残りの蓋部の中にセンタリングピンと呼ばれる中央突起部２８を含む。

上述のように、エネルギー貯蔵アセンブリは、直列に組み立て、特定用途専用のモジュールを形成することが多い。異なるアセンブリを直列に組み立てるためには、まず１つのアセンブリの筐体１６を少なくとも１つの隣接したアセンブリに接続し、次に蓋部１８を別の隣接したアセンブリに接続することが一般に必要である。モジュールの端子に接続されたアセンブリは、１つの隣接したアセンブリに接続するのみである。

図２は、図１に示したような２つの貯蔵アセンブリを含むモジュールの上面図を示す。

これらの２つのアセンブリの蓋部１８は、蓋部の各々の上部表面２４上に配置されたコネクタストリップ３０を介して組み立てることが理解され得る。コネクタストリップ３０は、平坦であり、かつ細長い形状のものである。そして、コネクタストリップ３０は、その長手方向のその端部の各々の近傍に、蓋部１４におけるストリップのセンタリングピン２８の寸法と合う寸法のオリフィス３２を含む。ストリップの長さは、貯蔵アセンブリの直径より明らかに大きい。特に、その長さはアセンブリの直径の１〜３倍である。２つのオリフィス３２の間の空間はまた、アセンブリの直径より大きい。

図から見てわかるように、ストリップは固体であるが中空を含むこともできるであろう。そして、その形状は一定ではない。

ここで、ストリップを蓋部上に接続するための方法について説明する。

第１のステップでは、特にオリフィス３２の各々をエネルギー貯蔵アセンブリ１０の蓋部１８のセンタリングピン２８上に位置付けすることにより、ストリップ３０を蓋部上に位置付けする。センタリングピン２８は、本質的にストリップと同じ厚さのものであるように大きさを形成する。

ストリップは、適所に配置すると、ＦＳＷ（摩擦撹拌接合）によって蓋部の各々の上に溶接される。

この溶接について、以下に述べるような摩擦撹拌装置を使用する。摩擦撹拌接合のこのステップについては、まず使用する装置を述べた後に説明する。

装置は、回転軸Ａ−Ａに沿って延在する筒形状の本体５０を含む。本体５０の構成材料は、例えば鋼、または溶接すべき部品の構成材料より大きい硬度の任意の種類の材料である。

装置はまた、本体５０の軸方向の端部のうちの１つまで延在するヘッド部５１を含む。ヘッド部は、扁平な円錐形の先端部５２と、本体５０の回転軸Ａ−Ａ’に実質的に垂直な平面上に延在する周囲ショルダ部５４とを含む。

装置の本体５０およびヘッド部５１は、本体５０の回転軸Ａ−Ａ’に相当する回転軸の周りを回転駆動されることができるようになされている。溶接動作中に、装置のヘッド部は材料へ入り込み、材料をペースト状になるまで加熱する。撹拌を伴って加熱することにより、溶接すべき部分の構成材料、ここではストリップ３０および蓋部１８を溶接することができる。冷却後、仕上げ溶接を行う。

本発明の装置によって、溶接はペースト状態で行われるため、部品の加熱を低減する。これは、貯蔵アセンブリの劣化のリスクを低減する。

装置のヘッド部の扁平な円錐形により、材料を捕捉することができ、それによってチップ形成を制限する。またこの扁平な円錐形により、加熱した材料をショルダ部に方向付けて、装置が前方に移動する際に、装置のヘッド部によって形成した穴部を再度塞ぐことができる。

装置はまた、装置の本体５０およびヘッド部５１を回転駆動するためのモータ（図示せず）を含む。例えばモータは、装置の本体およびヘッド部を５００〜５０００ｒｐｍ、好ましくは１０００ｒｐｍの速度で回転させることができる。

したがって、この溶接ステップ中に、装置５０を動作させ、ツールの回転軸Ａ−Ａ’がアセンブリの対称軸と１つになるように、アセンブリ上に配置する。まず装置５０は、そのヘッド部５１が蓋部のセンタリングピン２８と、オリフィス３２の近傍のストリップ３０との両方を覆うように、位置付けされる。

図４Ａに示すように、２つの部品（ストリップ３０およびセンタリングピン２８）は面一に存在し、装置５０は軸Ａ−Ａ’に沿って移動するため、ほとんど同時に２つの部品へ入る。その回転運動のために、装置５０は、局所的に材料をペースト状にし、ストリップの材料とセンタリングピンの材料とを混合する。次いで、センタリングピン２８およびストリップ３０を、溶接ビード６０によって縁部対縁部で溶接する。

装置５０が２つの部品へ入ると、センタリングピン２８の輪郭に沿って移動するように装置を方向付け、その後、装置を引き抜く。これらのステップを行ったら、材料は冷め、溶接が形成される。ビード６０は、ツールのヘッド部の幅、すなわち３〜５ｍｍの幅を有し、その経路は図２の点線によって示す。

次に、ストリップと蓋部の溶接を強化するために、装置５０をストリップ３０の周囲上に位置付けする。ストリップの材料を加熱した後、装置のヘッド部がストリップの中を通過するように、ヘッド部を、それがまた入る蓋部の上部表面２４に達するまで押し下げる。蓋部とストリップの材料はまた、図４Ｂからわかるように、装置５０の動きによって混ぜ合わされ、蓋部に重ね合わされたストリップの部分において、ストリップの周囲に沿って装置５０を移動させる。図２の点線によって示した溶接ビード６２はまた、連続的で、長さが数センチメートルであってもよい。

ストリップ３０の一方の貯蔵アセンブリ１０上への溶接を完了すると、もう一方のアセンブリで動作を繰り返す。

本発明の方法は、材料を過熱せずに溶接することができるため、最も有利である。したがって、ハウジング内部に位置する電解質を損傷させるリスクがない。

さらに、これにより、ＬＡＳＥＲ溶接を用いる時よりも大きい大きさの溶接ビードを得ることができ、これはモジュールの電気抵抗を低減するのに有利である。

本発明は、記述した実施形態に限定されないことに留意されたい。

例えば、エネルギー貯蔵アセンブリは、必ずしも上記のようなものでなくてよい。エネルギー貯蔵アセンブリは、平行六面体で非筒状であってもよく、および／または、開管の各端部に位置付けされた２つの蓋部を含んでもよい。蓋部はまた、平面端部表面を有し、図５Ａ〜図５Ｃの変形例で示したような、いかなるセンタリングピンも含まなくてもよい。他のセンタリング手段が、任意選択でストリップの外側輪郭に続く突起部などのセンタリングピンに置き換わってもよい。

コネクタストリップはまた、示した記述と異なってもよい。コネクタストリップは、図５Ａ〜図５Ｃの変形例に示したようなオリフィスを有していなくてもよい。コネクタストリップはまた、２つの筐体を互いに接続しても、または１つの筐体を蓋部に接続してもよい。

同様に、本方法は先の記述に限定されない。ストリップは、上記２つの溶接ビードのうちの１つを含むだけでもよい。ストリップはまた、記述した点以外の点で蓋部に溶接してもよい。例えば、（図５Ａに示すような）溶接スポット７０を使用して、（図５Ｂに示すような）蓋部の半径の約２分の１と等しい半径の円を形成する円形連続溶接ビード８０を使用して、または、（図５Ｃに示すような）Ｖ字形で、アセンブリの蓋部の端部表面上に規則的に分布された複数のビード８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、８０Ｄを使用して、ストリップを溶接することができるであろう。図５Ａ〜図５Ｃに示した変形例では、溶接ビードはストリップの中を通過して、貯蔵アセンブリの蓋部に達するため、図４Ｂに示したビードに類似していることに留意されたい。

さらに、記述した構造と異なる構造を有する溶接装置を使用して、本発明の方法を実施することを想定することができるであろう。

最後に、３つ以上のエネルギー貯蔵アセンブリを含むモジュールは、明らかに本発明の定義内にある。アセンブリはまた、電池および／もしくはコンデンサであってもよく、または、異なるタイプのもの（例えば、アセンブリの一方が電池であり、他方が超コンデンサである）であってもよい。

Claims (11)

1. 各エネルギー貯蔵アセンブリ（１０）が密閉ハウジング（１４）を含む、２つのエネルギー貯蔵アセンブリを接続するための方法であって、
   − 並んで配置された２つのハウジングの２つの端部表面（２４）上に、コネクタストリップ（３０）を前記ハウジングの各々の前記端部表面と接触するように大きさを形成して位置付けし、
   − 摩擦撹拌接合を使用して、前記ストリップを前記ハウジングの各々に溶接する、
   方法。
2. 前記溶接ステップ中に、回転して動くことができる装置（５０）を、前記ハウジング（１４）および／または前記ストリップ（３０）と接触させて配置し、前記装置が前記ハウジングおよび／または前記ストリップの材料へ入り込むように、特に前記端部表面（２４）の法線に相当する所定軸に沿って前記装置を移動させる、請求項１に記載の方法。
3. 各ハウジング（１４）が、筒状素子（１６）と、その端部で前記筒状素子を閉じる少なくとも１つの蓋部（１８）とを含み、前記ストリップ（３０）を前記蓋部上に溶接することが好ましい、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ストリップ（３０）および前記ハウジング（１４）を、長さが少なくとも１ｃｍの距離にわたって溶接する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記端部表面（２４）が、前記ストリップ（３０）を前記端部表面上に位置付けするための、１つまたは複数の突起部（２８）形成手段を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記センタリング手段がセンタリングピン（２８）から形成され、前記ストリップが、前記ストリップを前記ピン（２８）上に位置付けすることができる少なくとも１つの合わせオリフィス（３２）を含む、請求項５に記載の方法。
7. 溶接が前記ストリップ（３０）の中を通過し、前記ハウジング（１４）に達するように、前記ハウジング（１４）および前記ストリップ（３０）を、前記所定軸に垂直な接触表面上で重ね合わせる、請求項２〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ストリップ（３０）および前記ハウジング（１４）が縁部対縁部で溶接されるように、前記ストリップおよび前記ハウジングを、前記所定軸を含む接触表面上で接触させる、請求項２〜６のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ハウジング（１４）の前記端部表面を第１の材料で作り、前記ストリップを前記第１の材料と異なる第２の材料で作る、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 少なくとも２つのエネルギー貯蔵アセンブリ（１０）のモジュールであって、各エネルギー貯蔵アセンブリ（１０）が密閉ハウジング（１４）を含み、前記アセンブリが、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法に従って、コネクタストリップ（３０）によって対で接続される、モジュール。
11. 少なくとも１つの溶接ビード（６０、６２）の寸法が、前記端部表面（２４）の前記面の全ての方向に３ｍｍより大きく、特に５ｍｍより大きい、請求項１０に記載のモジュール。

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