JP2020523768A - バッテリパック装置、バッテリパック、及び、レーザ溶接プロセス - Google Patents

バッテリパック装置、バッテリパック、及び、レーザ溶接プロセス Download PDF

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Abstract

【課題】【解決手段】本発明は、１つのセル極を有するバッテリセルと集電体とを備えるバッテリパック装置であって、セル極は、結合領域において、集電体と材料結合的に接続されており、セル極の壁厚と集電体の厚さとの比が最大２．０であり、集電体が銅から形成されている、バッテリパック装置に関する。【選択図】図１

Description

可搬型器具の運転のために設けられているバッテリパックは、通常、可能な限りコンパクトに、かつ軽量化するように設計される。この理由から、そのようなバッテリパックにおけるバッテリセルのセル極の壁厚は非常に薄く、ふつう１０分の数ミリメートルの範囲である。バッテリセルを電気接点と接続できるようにするために、バッテリセルのセル極が集電体と材料結合的に接続される。このようなバッテリパックにおけるセル極の壁厚と集電体の厚さとの一般的な比は約１の範囲である。
バッテリパック内部での熱の発生を減じるために、非常に小さい抵抗を有する集電体が選択されることが好ましい。例えば抵抗溶接プロセスによりセル極と接続されるＮｉまたは銅合金からなる集電体が知られている。銅は、その抵抗が小さいことから集電体のために特に適した材料である。しかし上記のバッテリパックで銅は用いられない。なぜなら、０．１ｍｍを超える厚さを有する銅からなる集電体をそのように薄いセル極と接続するのに抵抗溶接プロセスが適していないからである。
本発明は、セル極を有する少なくとも１つのバッテリセルと集電体とを備えるバッテリパック装置であって、セル極は、結合領域において集電体と材料結合的に接続されており、セル極の壁厚と集電体の厚さとの比が最大２．０であり、集電体が銅から形成されている、バッテリパック装置に関する。本発明によるバッテリパック装置を用いてバッテリパックを運転した場合、有利にも、熱の発生をはるかに少なくすることが達成され、このことがバッテリパック装置の寿命を長くする。これに加えて、引き出し可能な最大出力が有利にも高められる。さらに本発明は、上記のバッテリパック装置を備えるバッテリパック、特に手持ち式工作機械バッテリパックに関する。
バッテリパックは、好ましくはハウジングを有し、機械的インターフェイスを介してハウジングを外部消費体（Verbraucher）または充電器具と解除可能に接続することができる。外部消費体は、特に可搬型器具として形成されていてもよい。殊に、外部消費体は、例えば芝刈機またはヘッジトリマなどの園芸器具として、例えばアングルグラインダ、ドライバ、穿孔機、ハンマードリル等々の手持ち式工作機械として、あるいは、例えばレーザ距離測定器具などの測定ツールとして形成されている。機械的インターフェイスを介して、バッテリパックを消費体と力結合的および／または形状結合的に接続可能である。有利にも、機械的インターフェイスは少なくとも１つの操作要素を備え、この操作要素を介してバッテリパックと消費体との接続を解除可能である。さらに、バッテリパックは、少なくとも１つのバッテリセルと電気的インターフェイスとを備え、この電気的インターフェイスを介して少なくとも１つのバッテリセルを消費体と電気的に接続可能である。バッテリセルは、一方のセル極が一端に、そして他方のセル極が向かい側の端に位置する構造を有するガルバニセルとして形成されていてもよい。セル極は、殊に導電性金属から、例示的に深絞り鋼から形成されている。特にバッテリセルは一端に正のセル極を有し、向かい側の端に負のセル極を有する。バッテリセルは、好ましくはＮｉＣｄバッテリセルまたはＮｉＭｈバッテリセル、特に好ましくはリチウムベースのバッテリセルとして形成されている。バッテリパックのバッテリ電圧は、通常、個々のバッテリセルの電圧の倍数であり、バッテリセルの回路（並列または直列）から生じる。したがって、３．６Ｖの電圧の一般的なバッテリセルでは、例示的なバッテリ電圧は３．６Ｖ、７．２Ｖ、１０．８Ｖ、１４．４Ｖ、１８Ｖ、３６Ｖ、５４Ｖ、１０８Ｖ等々である。
バッテリセルは、少なくとも実質的に円筒状の円形セルとして形成されていることが好ましい。その際、セル極は円筒形の両端に配置されている。電気的インターフェイスは、エネルギーを伝送するように形成されている、特に少なくとも２つの電気接点要素を備える。これに代えて、またはこれに加えて、電気的インターフェイスは、誘導充電のための２次充電コイル要素を有していてもよい。これに加えて、電気的インターフェイスは、さらなる接点要素を有していてもよく、この接点要素は、殊に電子機器を介して検知される付加的情報を消費体に伝送するように形成されている。これは例えば、バッテリパックの充電状態、バッテリパック内部の温度、コーディング、またはバッテリパックの残り容量であり得る。電子機器がバッテリパックの充電過程および／または放電過程を閉ループ制御または開ループ制御することが考えられる。電子機器は、例えば回路基板、計算ユニット、トランジスタ、コンデンサ、および／または記憶装置を有してもよい。これに加えて、例えばバッテリパック内部の温度を検知するために、電子機器が１つまたは複数のセンサ要素を有してもよい。これに代えて、またはこれに加えて、電子機器が、例えばコーディング抵抗器などのコーディング要素を有していてもよい。
集電体は、特に、セル極への電気的接続を形成するように形成されている。殊に、集電体は、電気接点要素の１つと電気的に接続されている。これに代えて、またはこれに加えて、集電体が少なくとも２つのバッテリセルを互いに電気的に接続するセルコネクタとして形成されることが考えられる。集電体は、特に少なくとも０．１ｍｍの厚さ、好ましくは少なくとも０．２ｍｍの厚さ、特に好ましくは少なくとも０．３ｍｍの厚さを有する。集電体は、特に銅板から成形されている。集電体は、殊に銅の割合が少なくとも９８％の銅材料から形成されている。集電体は、銅の割合が少なくとも９９．５％の電解銅から形成されていることが好ましい。特に、集電体が形成される材料は、銅含有合金ではない。集電体は、特に単一部品型に形成されている。
さらに、セル極の壁厚と集電体の厚さとの比が最大１．５、殊に最大１．０、好ましくは最大０．８に形成されていることが提案される。セル極の壁厚が一定であることを出発点として、比を小さくすることによってバッテリパック装置の熱の発生および性能がさらに改善される。集電体の厚さは、特に、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲、好ましくは０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲、好ましくは０．３ｍｍの範囲である。
さらに、結合領域が、唯一の始点と唯一の終点とを有する少なくとも１つの溶接継ぎ目、特に唯一の溶接継ぎ目を有することが提案される。殊に結合領域は、特に横方向に少なくとも１つの溶接継ぎ目によって規定される。溶接継ぎ目を介して、セル極と集電体との間に材料結合的な接続が形成される。溶接継ぎ目は、特にレーザ溶接プロセスにより作成される。特にバッテリセルの両セル極は、レーザ溶接プロセスによりそれぞれ１つの集電体と材料結合的に接続されている。しかし、バッテリセルの一方のセル極のみがレーザ溶接プロセスにより、かつ他方のセル極が別の方法で集電体と接続されていることも考えられる。別のプロセスも同様に、材料結合的な接続、または力結合的な接続および／または形状結合的な接続により実現されてもよい。特に、溶接継ぎ目の始点が終点とは異なる。
これに加えて、溶接継ぎ目がその長さの少なくとも９０％、特にその長さにわたって、実質的に均等な幅を有することが提案される。これに関連して、溶接継ぎ目の幅とは、特にレーザのレーザ光が入射する集電体の表面上の溶接継ぎ目の幅と解されるべきである。それによって、有利にも特に良好な接続を形成することができる。実質的に均等な幅とは、特に、溶接継ぎ目の長さに沿う、最大５０％、殊に最大２５％、好ましくは最大１５％の幅の変化と解されるべきである。表面上の溶接継ぎ目の幅に代えて、溶接継ぎ目の幅が、集電体とセル極との間の境界面における、レーザ溶接プロセスにより互いに材料結合的に接続される領域であることも考えられる。
さらに、溶接継ぎ目が相互に、および／またはさらなる溶接継ぎ目と接触および／または交差しないことが提案される。それによって、有利にも、セル極が損傷されないことを確保することができる。特に、溶接継ぎ目が相互に、および／またはさらなる溶接継ぎ目と互いに実質的に平行であるか、あるいは相互に、または互いに同一曲率で、特に同心的に延びる領域において、接触しない。
さらに、溶接継ぎ目が、その４倍の幅より少ない、好ましくはその２倍の幅より少ない、特にその幅より少ない、殊にその半分の幅より少ない分だけ溶接継ぎ目が相互に、またはさらなる溶接継ぎ目から離間されていることが提案される。それによって、有利にも、セル極が損傷されないことを確保することができる。
これに加えて、結合領域が、セル極の端面の少なくとも４０％、特に少なくとも６０％、殊に少なくとも８０％を占めることが提案される。それによって、有利にもセル極と集電体との接続を改善することができる。規定された領域は、有利にも、レーザのレーザ光が入射する集電体の表面上に配置されている。
これに代えて、またはこれに加えて、少なくとも１つの溶接継ぎ目は、結合領域の少なくとも２０％、特に３５％、殊に５０％に及ぶことが提案される。それによって、有利にもセル極と集電体との間の接続をさらに改善することができる。
さらに、溶接継ぎ目が実質的に螺旋状、波形状、メアンダ状、または実質的に直線状であることが提案される。
これに加えて、本発明は、バッテリセルを、銅から形成されている集電体と接続するためのレーザ溶接プロセスに関する。溶接継ぎ目が、バッテリセルおよび集電体を含むバッテリパック装置とレーザ光との互いの直線状および／または曲線状の相対運動によって形成されることが提案される。このような運動によって、有利にもバッテリセルと集電体との間の効果的な接続を実現することができる。
相対運動は、特に光学系を用いたレーザ光の偏光によって、および／またはレーザに相対するバッテリパック装置の運動によって行われる。
これに加えて、相対運動が、付加的に変調、特に周期的に変調されることが考えられる。直線状および／または曲線状の相対運動の付加的変調によって、照射される領域の幅がレーザ光の直径を超えて拡大され、このことがレーザ溶接プロセス中のより良好な熱分布と、より広い幅の溶接継ぎ目をもたらす。変調は、レーザの光学系を介して行われることが好ましい。円運動の形態の回転運動が直線相対運動へ変調されることが好ましく、このことは直線相対運動を中心とした螺旋運動をもたらす。
さらに、相対運動が５０〜２０００Ｈｚの範囲、特に１００〜４００Ｈｚの範囲の周波数で変調され、特に回転変調されることが提案される。変調の振幅は、溶接継ぎ目の幅の１０％から溶接継ぎ目の幅の４００％である。それによって、有利にもレーザ励起による集電体またはバッテリセルの局所的な過熱が発生しないことを確保することができる。回転変調に代えて、例えば振幅変調または周波数変調して形成されてもよい線形変調または正弦波状の変調も考えられる。
さらに、溶接継ぎ目の始点と溶接継ぎ目の終点との間でレーザの出力を変化させ、特に低下させることが提案される。それによって、有利にもレーザ溶接工程中の材料の加熱が溶接継ぎ目の作成に妨害的な影響を及ぼさないことを確保することができる。
特に、溶接継ぎ目の作成中にレーザの出力を少なくとも５％、殊に少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２０％低下させる。レーザ出力の低下は、比例的に、過比例的に、および／または段階的に行うことができる。
これに代えて、またはこれに加えて、溶接速度は、良好な溶接継ぎ目がレーザの最大出力の１０％まで、特に２０％まで、殊に３０％までの変化で作成されるように選択されることが提案される。それによって、有利にも特に安定したプロセスを実現することができる。これに加えて、溶接速度が０．１ｍ／ｓ〜３．０ｍ／ｓの範囲であることが提案される。
他の利点は、以下の図面の説明から明らかになる。図面、明細書、および請求項は、多数の特徴の組み合わせを含む。当業者は、これらの特徴を合目的的に個別に考察し、有意義に組み合わせるべく統合する。
バッテリパックの斜視図である。 バッテリパックの別の斜視図である。 溶接継ぎ目の上面図である。 図３ａによる溶接継ぎ目の断面図である。 バッテリパックの代替的実施形態の斜視図である。 本発明によるレーザ溶接プロセスのフローチャートである。 プロセスパラメータを含むグラフである。
図１において、バッテリパック１０が斜視図で示されている。バッテリパック１０は、例示的に手持ち式工作機械バッテリパックとして形成されており、バッテリパック１０により手持ち式工作機械にエネルギーを供給できるように、手持ち式工作機械（図示せず）と電気的および機械的に接続可能に形成されている。バッテリパックは、複数部材で構成されるハウジング１２を有している。ハウジング１２は、その下側に基体１４を有し、基体の上側にインターフェイスハウジング部材１６と、基体の側面には２つの向かい合う側壁１８を有している。ハウジング部材１４、１６、１８は、ねじ結合２０により互いに接続されている。バッテリパック１０の前側には充電状態表示器２２が配置されており、この充電状態表示器を介してバッテリパック１０の充電状態を表示可能である。充電状態表示器２２は、ハウジング１２に、特に基体１４に組み込まれている。ハウジング１２、特にインターフェイスハウジング部材１６は、機械的インターフェイス２４と電気的インターフェイス２６とを備えている。機械的インターフェイス２４と電気的インターフェイス２６とは、それぞれ対応する機械的および電気的インターフェイスを有する手持ち式工作機械または充電器具（図示せず）にバッテリパック１０を着脱可能に取り付けるように、かつ電気的に接続するように形成されている。
バッテリパック１０は、例示的にスライドインバッテリパック（Schiebeakkupack）として形成されている。バッテリパック１０を取り付ける場合、バッテリパック１０の対応するガイド要素２８を収容するための手持ち式工作機械または充電器具の、例えばガイド溝およびガイドリブなどの収容手段をこれらのガイド要素と係合させる。その際、バッテリパック１０が収容手段に沿ってスライドイン方向２５に挿入され、バッテリパック１０の機械的インターフェイス２４が手持ち式工作機械の対応する機械的インターフェイスまたは充電器具の対応するインターフェイスに差し込まれる。バッテリパック１０を手持ち式工作機械または充電器具とロックするために、機械的インターフェイス２４はロック要素３０を有している。ロック要素３０は、ばね付勢された係止要素として形成されており、係止要素は、バッテリパックのハウジング１２に旋回可能に支承されている。ロックは、バッテリパック１０をスライドイン方向２５に沿って差し込むことによって行われ、その際、ロック要素３０は、スライドイン運動の終わりにアンダーカット位置に係止する。ロックを解除するために、機械的インターフェイス２４は、ロック要素３０と可動に連結されている操作要素３２を有する。操作要素３２の操作によって、ロック要素３０がバッテリパック１０のハウジング１２の内部へ移動し、バッテリパック１０と手持ち式工作機械もしくは充電器具とのロックが解除される。
図２において、バッテリパック１０は、インターフェイスハウジング部材１６なしで、かつ側壁１８なしで示されている。ハウジング１２の基体１４はセルホルダ領域を有する。セルホルダ領域に少なくとも１つのバッテリセル３４が収容され、この実施形態において、バッテリパック１０は、例示的に並列または直列に接続された１０個のバッテリセル３４を有している。これに代えて、バッテリセル３４が、バッテリセル３４を絶縁するための、例えば厚紙スリーブを用いて互いに接続されていることも考えられる。バッテリセル３４は円筒状に形成されており、その端面３３に電気セル極３５を有している。
バッテリセル３４の相互の接続は、セルコネクタとして形成された集電体３６により実現される。バッテリセル３４は、それぞれ１つの結合領域１０４を介して集電体３６と材料結合的に接続されている。集電体３６と材料結合的に接続されたバッテリセル３４は、本発明によるバッテリパック装置１００をなす。結合領域１０４には、レーザ溶接プロセスで作成されるそれぞれ唯一の溶接継ぎ目１０２が配置されている。集電体３６は、バッテリセル３４を相互に電気的に接続するために並列回路および／または直列回路で形成されている。図示される実施形態では、それぞれ２つまたは４つのバッテリセル３４が集電体３６を介して互いに接続されている。さらに、個々のバッテリセル３４は、基体１４のセルホルダ領域に機械的に固定するために互いに離間して収容されていることが見て取れる。セルホルダ領域は、ハウジング１２にバッテリセル３４を固定する他に、バッテリセル３４を冷却するためにも用いられ、熱伝導性の材料、例えばアルミニウム、または良好に熱伝導するプラスチックから形成される。さらに、セルホルダ領域はスリーブ状の絶縁壁部を有しており、それにより個々のバッテリセル３４が分離され、個々のバッテリセル３４の相互の電気的絶縁を保証することができる。その場合、隣り合うバッテリセル３４間、およびバッテリセル３４とセルホルダ領域との間の熱伝達抵抗（Waermeuebergangswiderstand）が可能な限り小さく、それによりバッテリセル３４によって生成される損失熱を良好に外へ排出し、バッテリパック１０の内部の過熱を阻止することができる。
セルホルダ領域の上方に、特に基体１４とインターフェイスハウジング部材１６との間の領域に電子機器３８が配置されている。電子機器３８は回路基板４０を備えている。電子機器３８は充電状態表示器２２と接続されている。回路基板４０上には、バッテリパック１０を充電および放電するために設けられている電気接点要素４２と、例えばバッテリパック１０の充電状態または温度などの状態情報を手持ち式工作機械または充電器具に伝送するように形成されているさらなる接点要素４４とが配置されている。電気接点要素４２とさらなる接点要素４４とは電気的インターフェイス２６に割り当てられている。電気接点要素４２は、電子機器３８およびバッテリセル３４と接続されている。電気接点要素４２とバッテリセル３４との電気的接続は、はんだ付け箇所として形成された接点箇所４６を介して行われ、これらのはんだ付け箇所において、バッテリセル３４が集電体３６を介して、ワイヤとして形成された電気的接続要素４８とはんだ付けされている。これに代えて、集電体３６を電気的接続要素４８と溶接することも考えられる。はんだ付け箇所４６は電子機器３８とバッテリセル３４との間に配置されている。
図３ａにおいて、図２からの溶接継ぎ目１０２が上面図で示されている。溶接継ぎ目１０２は、集電体３６の表面上に螺旋状に延在する。結合領域１０４は、溶接継ぎ目１０２によって、特に溶接継ぎ目１０２の外輪郭によって規定される。溶接継ぎ目１０２は、レーザ溶接プロセスが開始される唯一の始点１０６と、レーザ溶接プロセスが終了される唯一の終点１０８とを具備する。その際、始点１０６は、結合領域１０４の中心１１０に対して終点１０８より小さい距離を有する。特に、始点１０６は、螺旋状の溶接継ぎ目１０２の内側に位置する領域に配置され、終点１０８は、螺旋状の溶接継ぎ目１０２の外側に位置する領域に配置されている。溶接継ぎ目１０２の幅１１２は、その長さにわたって実質的に均等に形成されている。特に、溶接継ぎ目の幅１１２は、始点１０６と終点１０８との間で２５％未満、例えば約２０％拡大する。螺旋状の溶接継ぎ目１０２は、例えば３つの螺旋巻きを有するが、それより多いか、またはそれより少ない螺旋状の巻きも考えられる。螺旋巻きは、実質的に平行曲線状に延び、かつ互いに離間させてある。螺旋巻き間の間隔１１４は、溶接継ぎ目１０２の約２倍の幅１１２である。溶接継ぎ目１０２の幅１１２は、結合領域１０４の中心と溶接継ぎ目１０２の終点１０８との間の距離の実質的に１０％に相当する。始点１０６は、結合領域１０４の中心１１０と溶接継ぎ目１０２の終点１０８との間の距離の実質的に約４０％の分だけ中心１１０から離隔されている。それによって有利にも、溶接継ぎ目１０２は、面積に関して、結合領域１０４の２０％を超える領域を占める。さらに、結合領域１０４は、面積に関して、セル極３５の端面３３の４０％を超える領域を占める。
図３ｂにおいて、図３ａにプロットされた平面Ａに沿う横断面が示される。集電体３６の厚さ１１６は、セル極３５の壁厚１１８に実質的に相当する。特に、集電体３６の厚さ１１６とセル極３５の壁厚とは、それぞれ実質的に０．３ｍｍである。それによりセル極３５の壁厚１１８と集電体３６の厚さ１１６との比は実質的に１．０である。集電体３６は、銅の割合が９９．５％の電解銅から形成されており、セル極は、特殊鋼または深絞り鋼から形成されている。それに加えて、図３ｂには溶接継ぎ目１０２の６つの異なった箇所の横断面が示されている。集電体３６およびセル極３５がレーザ光によって局所的に加熱され、それにより溶接継ぎ目１０２をなす溶融物が形成される。良好な溶接継ぎ目１０２の特徴は、集電体３６とセル極３５との間の境界面１２０の領域において、集電体３６の溶融した材料がセル極の溶融した材料と結合することである。集電体３６とセル極３５とがレーザ溶接プロセスによって材料結合的に互いに接続されている溶接継ぎ目１０２の領域は、クロスハッチングで示されている。通常、バッテリセル３４の故障につながるセル極３５の破損は強制的に回避されなければならない。中心１１０から最も遠い溶接継ぎ目１０２の横断面は、例示的に集電体材料の高廃棄（Auswurf）を有するが、このことも同様に回避されるべきである。
図４において、バッテリパック装置１００を有するバッテリパック１０が、溶接継ぎ目１０２の代替的実施形態により例示的に示されている。
溶接継ぎ目１０２ａは、例示的に直線状に形成されている。特に結合領域１０４ａには、互いに平行に延びる４つの直線状の溶接継ぎ目１０２ａが配置されており、これらの溶接継ぎ目１０２ａは、特に互いに離間して形成されている。始点１０６ａと終点１０８ａとは、例示的に同じ高さに形成されているが、始点１０６ａと終点１０８ａとが同じ高さに位置しないことも考えられる。図示されるように、溶接継ぎ目１０２ａは同じ長さを有し得るが、長さの相違も考えられる。
溶接継ぎ目１０２ｂは、例示的に波形状に形成されている。波形の振幅および／または周期は一定または可変に形成することができる。
溶接継ぎ目１０２ｃは、例示的に閉じた丸い円から形成されている。特に、結合領域１０４ｃにおいて、それぞれ異なる半径を有する３つの同心的な円形の溶接継ぎ目１０２ｃが配置されている。
溶接継ぎ目１０２ｄは、例示的に卵形に、特に楕円形に形成されている。特に、結合領域１０４ｄには、互いに離間した３つの溶接継ぎ目１０２ｄが配置されている。溶接継ぎ目１０２ｅは、閉じていない、特にｃ字形の、例示的に円として形成された卵形から形成されている。結合領域１０４ｅには３つの溶接継ぎ目１０２ｅが配置されており、これらの溶接継ぎ目の開口部が異なった方向を向いている。
溶接継ぎ目１０２ｆは円弧状に形成されている。特に、少なくとも３つの溶接継ぎ目１０２ｆが途切れた円を形成する。結合領域１０４ｆにおいて、異なった直径を有する２つの途切れた円形が示される。
溶接継ぎ目１０２ｇは、卵形に形成されている。特に、結合領域１０４ｇに配置された溶接継ぎ目は途切れた螺旋形を形成する。
結合領域１０４ｈには唯一の溶接継ぎ目１０２ｈが配置されている。溶接継ぎ目の始点１０６ｈと終点１０８ｈとは、結合領域１０４ｈの外の領域に配置されている。溶接継ぎ目１０２ｈは、結合領域１０４ｈの中心の方向に螺旋状に、かつ再び中心から外へ延在する。
結合領域１０４ｉにおいて、円形の溶接継ぎ目１０２ｉが螺旋状に配置されている。
図２〜図４において、溶接継ぎ目１０２ａ〜１０２ｉは、接触および／または交差しないことが見て取れる。
図５において、バッテリセル３４を、銅から形成された集電体３６と接続するためのレーザ溶接プロセスがフローチャートを用いて示される。第１ステップ２００において、集電体３６は、バッテリセル３４のセル極３５の端面３３に位置決めされる。さらなるステップ２０２において、レーザの光学系および／またはバッテリパック装置１００の位置は、レーザの焦点が、作成されるべき溶接継ぎ目１０２の始点１０６の領域に位置するように調整される。
さらなるステップ２０４においてレーザがオンにされ、集電体３６の表面にレーザが照射される。照射は、集電体３６の表面に対して垂直に行うことができる。殊に、表面は、垂直の配置から、ある程度の、例えば２０％の偏差の範囲の角度で照射される。特に、レーザは、数百ワットまたは２、３キロワットの出力の赤外線レーザとして形成されている。精密に構造化するために、集電体３６の表面におけるレーザ光の直径に相当するレーザのスポット径は、特に１００μｍ未満の大きさである。
ステップ２０６において、レーザ光およびバッテリパック装置１００は、螺旋状の溶接継ぎ目１０２（図３ａを参照）が生じるように相対して動かされる。互いの相対運動は、特に０．１ｍ／ｓ〜０．３ｍ／ｓの範囲の実質的に一定の溶接速度で行われる。相対運動は、溶接継ぎ目１０２の始点１０６から溶接継ぎ目の終点１０８まで行われる。相対運動は、特に曲線運動により行われる。溶接継ぎ目の作成時、溶接継ぎ目１０２は溶接速度に応じて長くなる。
ステップ２０６に代えて、またはこれに加えて、並行するステップ２０８において、溶接継ぎ目１０２の幅が拡大されるように、相対運動が付加的に変調される。それによって有利にも、集電体３６もしくはセル極３５の特に均等な加熱を保証することができる。特に相対運動の変調は溶接速度に影響を及ぼさない。変調は、殊に数百Ｈｚの周波数により円運動として形成されていてもよい。特に、円形の変調の半径は、レーザのスポット径の３倍の直径より小さく、好ましくは２倍の直径より小さく、殊に直径より小さい。
ステップ２０６、２０８と並行するさらなるステップ２１０において、相対運動中にレーザの出力が定常的に下げられる。バッテリパック装置１００の照射継続時間が増すにつれて材料が熱せられ、その場合、溶接継ぎ目において溶接欠陥を高い確率で発生させる高さの出力が熱せられない状態と比較してはるかに低下する。有利にも、レーザ出力の低下によって、溶接欠陥の発生なしに溶接継ぎ目の実質的に均等な幅が保証される。
図６では、グラフにおいて、プロセスパラメータであるレーザ出力と溶接速度とが互いにプロットされている。曲線２２０は、集電体３６をセル極３５と材料結合的に接続する良好な溶接継ぎ目１０２を作成することができる最小のプロセスパラメータを示す。曲線２２０の下方の領域２２２には、小さすぎるレーザ出力にもとづいて、または高すぎる溶接速度にもとづいて、集電体３６とバッテリセル３４との間の境界面１２０における溶接継ぎ目１０２が、境界面１２０の領域に材料結合的な接続を生成するために十分には熱せられないプロセスパラメータが配置されている。曲線２２４は、良好な溶接継ぎ目１０２が作成可能な最大のプロセスパラメータを示す。曲線２２４の上方の領域２２６において、バッテリパック装置１００の加熱は、集電体の材料が高い確率で除去され、亀裂および／または細孔が発生するほど高い。さらに、セル極３５に亀裂および／または細孔が発生するか、あるいはレーザ励起がバッテリセル３４に入り込み、それによりバッテリセル３４が損傷するということも起こり得る。
２つの曲線２２０、２２４間の領域２２８において、良好な溶接継ぎ目１０２を作成することができるプロセスパラメータの組み合わせが配置されている。良好な溶接継ぎ目１０２を作成するために、最小レーザ出力と最大レーザ出力との間の距離が、例示的に領域２３０において最大である溶接速度が選択されることが好ましい。領域２３０における溶接速度では、溶接継ぎ目１０２が欠陥を有することなしに、または材料結合的な接続が生じることなしに、レーザ出力を最大レーザ出力の２０％を超えて変化させることができる。特に、領域２３０において、実質的に重大な欠陥が発生しない良好な溶接継ぎ目が作成される。この文脈において、重大な欠陥とは、特に、バッテリパック装置の機能性が低下するか、または長期的に保証されない欠陥と解されるべきである。この領域２３０における溶接速度の選択によって、有利にも、レーザ出力が変動した場合でも良好な溶接継ぎ目１０２が作成される特に一定のレーザ溶接プロセスを実現することができる。
１０ バッテリパック
１２ ハウジング
１４ 基体
１６ インターフェイスハウジング部材
１８ 側壁
２０ ねじ結合
２２ 充電状態表示器
２４ 機械的インターフェイス
２６ 電気的インターフェイス
２８ ガイド要素
３０ ロック要素
３３ 端面
３４ バッテリセル
３５ セル極
３６ 集電体
３８ 電子機器
４２ 電気接点要素
４４ 電気接点要素
４６ はんだ付け箇所
４８ 電気的接続要素
１００ バッテリパック装置
１０２ 溶接継ぎ目
１０２ａ 溶接継ぎ目
１０４ 結合領域
１０６ 始点
１０８ 終点
１１０ 中心
１１２ 幅
１１６ 集電体の厚さ
１１８ 壁厚
１２０ 境界面
２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０ ステップ
２２０、２２４ 曲線
２２２ 下方の領域
２２６ 上方の領域
２２８ 間の領域
２３０ 領域

Claims (16)

  1. 少なくとも１つのセル極（３５）を有する少なくとも１つのバッテリセル（３４）と集電体（３６）とを備えるバッテリパック装置であって、前記セル極（３５）は、結合領域（１０４）において前記集電体（３６）と材料結合的に接続されており、前記セル極（３５）の壁厚（１１８）と前記集電体（３６）の厚さとの比が最大２．０であり、前記集電体（３６）が銅から形成されている、バッテリパック装置。
  2. 前記セル極（３５）の前記壁厚（１１８）と前記集電体（３６）の前記厚さ（１１６）との比が最大１．５、殊に最大１．０、好ましくは最大０．８に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリパック装置。
  3. 前記結合領域（１０４）は、少なくとも１つの溶接継ぎ目（１０２）、特に唯一の始点（１０６）と唯一の終点（１０８）とを有する唯一の溶接継ぎ目（１０２）を具備することを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリパック装置。
  4. 前記溶接継ぎ目は、その長さの、特にその全長の少なくとも９０％にわたって均等な幅（１１２）を有することを特徴とする、請求項３に記載のバッテリパック装置。
  5. 前記溶接継ぎ目（１０２）および／またはさらなる溶接継ぎ目は接触および／または交差しないことを特徴とする、請求項３または４に記載のバッテリパック装置。
  6. 前記溶接継ぎ目（１０２）は、その４倍の幅（１１２）より少ない、殊にその２倍の幅（１１２）より少ない、殊にその幅（１１２）より少ない、殊にその半分の幅（１１２）より少ない分だけ相互に、またはさらなる溶接継ぎ目から離間されていることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載のバッテリパック装置。
  7. 前記結合領域（１０４）は、前記セル極（３５）の端面（３３）の少なくとも４０％、特に６０％、殊に８０％を占めることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか１項に記載のバッテリパック装置。
  8. 前記少なくとも１つの溶接継ぎ目（１０２）は、前記結合領域（１０４）の少なくとも２０％、特に少なくとも３５％、殊に少なくとも５０％に及ぶことを特徴とする、請求項７に記載のバッテリパック装置。
  9. 前記溶接継ぎ目（１０２）は螺旋状であることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか１項に記載のバッテリパック装置。
  10. 前記溶接継ぎ目（１０２ａ）は、直線状であることを特徴とする、請求項３〜９のいずれか１項に記載のバッテリパック装置。
  11. バッテリパック、特に手持ち式工作機械バッテリパックであって、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のバッテリパック装置（１００）を備える、バッテリパック。
  12. バッテリセル（３４）を銅から形成されている集電体（３６）と接続するためのレーザ溶接プロセスにおいて、前記バッテリセル（３５）と前記集電体（３６）とを備えるバッテリパック装置（１００）とレーザ光との互いの直線状および／または曲線状の相対運動によって溶接継ぎ目（１０２）が形成されることを特徴とする、レーザ溶接プロセス。
  13. 前記相対運動は、５０〜２０００Ｈｚの範囲、特に１００〜４００Ｈｚの範囲の周波数で変調され、特に回転変調されることを特徴とする、請求項１２に記載のレーザ溶接プロセス。
  14. 前記溶接継ぎ目（１０２）の始点（１０６）と前記溶接継ぎ目（１０２）の終点（１０８）との間でレーザの出力を変化させ、特に低下させることを特徴とする、請求項１２または１３に記載のレーザ溶接プロセス。
  15. 溶接速度は、レーザの最大出力の１０％まで、特に２０％まで、殊に３０％までの変化により良好な溶接継ぎ目（１０２）を作成するように選択されていることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の、特に請求項１２の前提部に記載のレーザ溶接プロセス。
  16. 前記溶接速度は、０．１ｍ／ｓ〜３．０ｍ／ｓの範囲であることを特徴とする、請求項１５に記載のレーザ溶接プロセス。
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