JP4020925B2

JP4020925B2 - 蓄電システム及びその組立方法

Info

Publication number: JP4020925B2
Application number: JP2005293520A
Authority: JP
Inventors: 政彦篠塚; 徹中島; 敦清水
Original assignee: 株式会社パワーシステム
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2025-10-06
Also published as: JP2007103773A

Description

本発明は、蓄電システム、特に複数のキャパシタセルを容器に収容した蓄電システムとその組立方法に関する。

複数のキャパシタセルを容器に内蔵した蓄電システム（電気二重層キャパシタ）が、例えば特許文献１，非特許文献１で提案されている。これらの文献では、複数の大容量のキャパシタを直列接続して蓄電システムを構成する際の課題として、各キャパシタセルの負担電圧を均等化することが指摘されているとともに、直列接続された個々のキャパシタセルに電圧監視制御装置としての並列モニタを接続し、各キャパシタセルの耐電圧の範囲内で最大の充電ができるようにした技術が開示されている（ＥＣａＳＳ：登録商標）。この技術は、高性能な電気二重層キャパシタとその能力を最大限に発揮させる電気回路によって構成されており、ナノゲート・カーボンの開発をはじめとした独自のキャパシタ技術と充電電流を効率的に制御する技術などを組み込んだ電子回路との組み合わせによって、これまでにない革新的な蓄電システムを提供し得るものである。
特開２０００−７８７６５号公報岡村迪夫、電気二重層キャパシタと蓄電システム（第２版）、日刊工業新聞社

具体的に、並列モニタは、図１５に示すように、各キャパシタセル１５１について、コンパレータ３０１がキャパシタセル充電電圧と基準電圧Ｖｒｅｆと比較して監視しており、キャパシタセル１５１の充電電圧が所定の設定値を超えるとトランジスタ３０２をオンして充電電流をバイパスする。この動作によって、キャパシタセル１５１の充電電圧は設定値に保たれ、直列に接続された他のキャパシタセルが満充電に達してから後の放電に至る間での間、定電圧の緩和充電モードを形成するものである。このように構成された並列モニタを備えた蓄電システムは、すべてのキャパシタセルの電圧を上限で揃えて充放電させる（初期化する）ことにより、キャパシタの電圧配分が個々の容量のばらつきや充電開始電圧のばらつきに起因する問題を解消した。

ところが、このような並列モニタを備えた蓄電システムでは、各キャパシタセルから導出されている集電極を対応する並列モニタの電気接続部に接続しなければならない。このとき留意すべきことが集電極、電気接続部、及びこれらを電気的に接続する導電材料である。具体的に説明すると、キャパシタセルの集電極は、キャパシタ内に収容される電解液との相性を考慮してアルミニウムが使用される。一方、並列モニタは通常プリント基板上に構成されており、各回路素子の間を接続する配線やキャパシタセルが接続される電気接続部は銅製のトレース（配線パターン）によって構成されている。ところが、アルミニウムと銅は溶接できない。そのため、集電極から電気接続部の間に機械電気的な接続手段（例えば、かしめ、ボルト・ナット）を使用せざるを得ず、それが生産効率の低下を招いていた。

また、キャパシタセルのパッケージには通常ラミネートフィルムが使用されており、このラミネートフィルムから引き出された一対の集電極を隣接する別のキャパシタセルの集電極と電気的に接続しなければならない。ところが、溶接によって集電極同士を接続する場合、ラミネートフィルムの変形し易さによって集電極の位置決めが容易にできず、そのために溶接の熱によってラミネートフィルムを損傷するおそれがある。特に、特許文献２に開示されているレーザ溶接装置はアルミニウムの溶接に適しており、このような溶接技術を採用するためにも、溶接に先立って集電極をいかに精度良く位置決めするかが大きな課題となっている。
ＷＯ２００３／０３４５５４号公報

本発明は、これらの問題を解消し、生産性及び安全性に優れた蓄電システム及びその組立方法を提供するものである。具体的に、本発明の第１の形態は、フィルムパッケージから一対の板状集電極を導出させた複数のキャパシタセルを並列に整列し、各キャパシタセルの板状集電極を隣接する別のキャパシタセルの板状集電極と接続することにより上記複数のキャパシタセルを直列に接続する蓄電システムの組立方法であって、複数のキャパシタセルを並列に整列して、各キャパシタセルの板状集電極を隣接する別のキャパシタセルの板状集電極と背中合わせに配置し、上記背中合わせに配置された板状集電極の配置に対応する複数の開口部をそれぞれ有する一組の下段と上段の整列プレートを用意し、上記一組の整列プレートの各開口部に上記背中合わせに配置された各対の板状集電極を挿通し、上記一組の整列プレートの一方を他方に対して移動させて上記背中合わせに配置された各対の板状集電極を挟持して重ね合わせた状態で保持し、上記重ね合わされて保持された上記各対の板状集電極を溶接することを特徴とする。
また、本発明の第２の形態は、上記一組の整列プレートの開口部に対応する開口部を有する一組のカッタープレートを用意し、上記一組のカッタープレートの各開口部に上記重ね合わされた各対の板状集電極を挿通し、上記一組のカッタープレートの一方を他方に対して上記板状集電極の板厚方向に移動して各対の板状集電極を移動させて剪断し、上記剪断されて上記背中合わせに配置された各対の板状集電極を、重ね合わされて保持された状態で溶接することを特徴とする。

本発明の第１の形態によれば、重ね合わされて保持された状態で２つの板状集電極が溶接されるので、このようにして位置決めされた板状集電極の目的箇所に溶接を正確に行うことができる。また、本発明の第２の形態によれば、剪断された板状集電極は隙間無く接合しているので、これらを別の電極に容易に接続することができる。

添付図面を参照して本発明に係るキャパシタ蓄電システムの実施形態を説明する。なお、以下の説明では、図面に表されたシステム又はその構成部品の位置を基準とする特定の方向を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」およびそれらの用語を含む他の用語）を使用するが、それは図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、発明の技術的範囲を解釈するために利用されるべきものではない。

図１は、本発明に係るキャパシタ蓄電システム（以下、「蓄電システム」という。）１０を示す。図示するように、蓄電システム１０は、例えば自動車に搭載されるバッテリに類似した略箱型ハウジング１１を有する。

ハウジング１１は、下部構造の容器１００と上部構造の蓋１２０で構成されている。容器１００は、電気絶縁材料を成型して形成されており、上部に四角形の開口部を有する箱型容器からなる。容器１００の大きさと形状、特に水平長手方向と水平幅方向の長さは、容器１００の中に収容するキャパシタセル（後に説明する。）の数に応じて異なる。蓋１２０は、容器１００と同様に、電気絶縁材料を成型して形成されており、複数のボルト１２１によって、容器１００に着脱自在としてある。また、蓋１２０は、長手方向両側に一対の主端子１２２を備えており、これら主端子１２２の間で、容器内の複数のキャパシタセルが直列に接続されている。さらに、蓋１２０の一部には、制御端子１８４が配置されており、これらが後に説明する内部の電子回路と電気的に接続されている。

容器１００の内部には、図２に示すように、蓋１２０と一体的に連結された蓄電ユニット１２が収容されている。図３に示すように、蓄電ユニット１２は、概略、フレーム１４０と、セル集合体１５０と、電気回路部１８０からなる。フレーム１４０は、長方形の底板１４１と、底板１４１の短辺に沿って配置される一対のエンドフレーム（短辺フレーム）１４２と、底板１４１の長辺に沿って配置される一対のサイドプレート（長辺フレーム）１４３を有し、これらエンドプレート１４２とサイドプレート１４３が複数のねじ１４４で相互に連結されている。底板１４１は、エンドプレート１４２又はサイドプレート１４３若しくはそれらの両方に適当な連結具（例えば、ねじ）によって連結してもよいし、それらに連結せずに独立させてもよい。エンドプレート１４２は、サイドプレート１４３との連結部分又はその近傍部分を上方に伸ばして伸張部１４５が形成されている。伸張部１４５の上部は内方に折り曲げて水平方向に向けられており、この水平部１４６に蓋固定用ねじ孔１４７が形成されている。したがって、図２に示すように、蓋１２０の四隅近傍に形成された貫通孔に挿入したねじ１４９をねじ孔１４７に螺合することで、蓋１２０とフレーム１４０が連結される。

図４に示すように、セル集合体１５０は、複数のキャパシタセル１５１を並べて構成されている。実施の形態では、セル集合体１５０は、１２個のキャパシタセル１５１を重ねて構成されているが、その数は限定的ではない。図５に示すように、外観上、各キャパシタセル１５１は、略四角形の袋状容器を構成するパッケージ１５２を有する。パッケージ１５２は、少なくとも最内層と最外層が電気的に絶縁性の材料からなるフィルムで構成された積層型の可撓性シートからなり、上部のフィルム接合部から２つの端子板である正極集電極１５３と負極集電極１５４が突出させてある。

図面から省略されているが、パッケージ１５２の内部には、両面に炭素を主体とする分極性電極を有する複数の集電極が、セパレータを介して重ね合わせた積層体が電解液と共に収容されている。また、複数の集電極の正極端子と負極端子がそれぞれ正極集電極１５３と負極集電極１５４に接続されている。

図４に戻り、複数のキャパシタセル１５１は、これら複数のキャパシタセル１５１を直列に接続するために、キャパシタセル１５１の正極集電極１５３と負極集電極１５４がこれに隣接する別のキャパシタセル１５１の正極集電極１５３と負極集電極１５４にそれぞれ対向するように配置される。このような配置の中で正極集電極１５３と負極集電極１５４を確実に接続するために、実施の形態では、これら集電極１５３，１５４に特有の形状が与えられている。

再び図５を参照して具体的に説明すると、正極集電極１５３と負極集電極１５４はそれぞれ、パッケージ１５２から導出された部分を第１の折曲部１５５で反対方向（積層方向の反対方向）にほぼ直角に折り曲げて水平部１５６を形成し、そして、この水平部１５６を再び第２の折曲部１５７で上方に向けて折り曲げて垂直部１５８が設けてあり、この垂直部１５８が集電極連結部１６０としてある。このように構成された複数のキャパシタセル１５１は、図４に示すように、隣接するキャパシタセル１５１の正極集電極１５３と負極集電極１５４の集電極連結部１６０を背中合わせに整列し、両者の接合部が溶接されて一体化される。

集電極１５３，１５４の整列及び成形には専用の治具が使用される。具体的に図７〜図１１を参照して説明すると、集電極整列成形治具２００は、一組の整列プレート（下段整列プレート２０１と上段整列プレート２０２）を有する。図８に示すように、下段整列プレート２０１は、背中合わせに配置された集電極１５３，１５４の整列位置に対応する複数の開口部２０３を有する。実施形態において、開口部２０３は、キャパシタセル１５１の整列方向（キャパシタセルの厚み方向）とこれに直交する方向の縁部によって囲まれた四角形の窓として形成されており、その直交方向の寸法は集電極１５３，１５４の長手方向の長さよりも大きくしてある。一方、上段整列プレート２０２は、下段整列プレート２０１の複数の開口部２０３と同様の配置と寸法を有する複数の開口部２０４と、開口部２０４を形成している整列方向一端側の縁部から下方に伸びる垂直部２０５と該垂直部２０５の下端から整列方向他端側に向けて整列プレート２０２と平行に伸びる水平部２０６からなる略Ｌ字状の突片２０７を有する。突片２０７の大きさと形状は、下段整列プレート２０１の開口部よりも小さく、下段整列プレート２０１の上に上段整列プレート２０２を重ねた状態で、上段整列プレート２０２の突片２０７が下段整列プレート２０１の開口部２０３に収まるようにしてある。

集電極整列成形治具２００はさらに、図９に示す一組の成形用切断プレート（下段カッタープレート２１０と上段カッタープレート２１１）を有する。下段カッタープレート２１０と上段カッタープレート２１１はそれぞれ、背中合わせに配置された集電極１５３，１５４の整列位置に対応する複数の開口部２１２，２１３を有する。開口部２１２，２１３の大きさと形状は、そこに背中合わせに配置された集電極１５３，１５４を挿通できるように決められている。

集電極整列成形治具２００を用いた集電極１５３，１５４の整列及び成形を説明すると、まず、整列された複数のキャパシタセル１５１の上に、下段整列プレート２０１と上段整列プレート２０２を配置する。このとき、下段整列プレート２０１の各開口部２０３の内側に上段整列プレート２０２の対応する突片２０７を位置させる。また、背中合わせに配置された各対の集電極１５３，１５４を開口部２０３，２０４に挿通する。そして、この状態から下段整列プレート２０１に対して上段整列プレート２０２を移動させ、図８に示すように、突片２０７の先端と、これに対向する下段整列プレート開口部の壁２０８の間に集電極１５３，１５４を挟持する。次に、集電極１５３，１５４を溶接２１４で連結し、両者を位置決めする。このとき使用する溶接は、上述した特許文献２に記載されたレーザ装置を用いて行うのが好ましい。また、溶接時、集電極１５３，１５４の端部には僅かな隙間（例えば、０．１ｍｍ程度の隙間）が存在し得る。しかし、集電極１５３，１５４はプレート２０１，２０２で位置決めされているので、溶接が精度良く行われ、溶接の熱でラミネートフィルムが損傷することはない。

次に、図９に示すように、上段整列プレート２０２の上に下段カッタープレート２１０と上段カッタープレート２１１を配置するとともにこれらカッタープレート２１０，２１１の開口部２１２，２１３に対応する対の集電極１５３，１５４を挿入する。そして、下段カッタープレート２１０と上段カッタープレート２１１を整列方向逆方向に移動し、下段カッタープレート２１０と上段カッタープレート２１１の境界位置で、背中合わせの対の集電極１５３，１５４を板厚方向から剪断する（図１０、図１１参照）。剪断された集電極１５３，１５４では、剪断面において、剪断方向に関して上流側のプレートの剪断縁が下流側プレートに食い込み、集電極１５３，１５４間に隙間ができないだけでなく、集電極１５３，１５４同士が隙間なく接合される。その後、これら集電極１５３，１５４は、重ね合わされて保持された状態で溶接されて一体化される。

このようにして接合された各対の集電極１５３，１５４には、図６Ｂに示すように、接続端子が取り付けられる。接続端子の一例を図６Ａに示す。図示するように、接続端子１６１は、一枚の導電性金属からなる板１６２を折り曲げて略Ｖ字形状に形成されており、対向する一対の端子保持片１６３，１６４を備えている。また、一方の端子保持片１６３を伸ばしてケーブル接続部（ケーブル端子かしめ部）１６５が形成されている。そして、端子保持片１６３，１６４はそれぞれ、外面から内面に向かって、つまり他方の端子保持片に向かって複数の突起１６６が打ち出されている。なお、これらの突起１６６は、図示するように略Ｖ字状に折り曲げた状態で、一方の端子保持片１６３の突起１６６と他方の端子保持片１６４の突起１６６が対向しないように配置することが好ましい。このように構成された接続端子１６１は、対向する端子保持片１６３，１６４の間に接合された集電極１５３，１５４を位置させた後、これら端子保持片１６３，１６４を対向方向に曲げて集電極１５３，１５４を押圧挟持する。その結果、端子保持片１６３，１６４の対向内面に形成されている突起部が集電極１５３，１５４に食い込む。このようにして集電極１５３，１５４に連結された接続端子１６１は、配線ケーブル１６６の一端に固定されたケーブル端子１７４がケーブル接続部１６５にかしめられて連結される。具体的に、図１２に示すように、ケーブル端子１７４は、先端接続部が略Ｃ形状に形成されているので、この略Ｃ形状先端接続部にケーブル接続部１６５に差し込んだ状態で該ケーブル端子１７４の略Ｃ形状先端接続部をかしめることによって容易にケーブル接続部１６５と接続できる。

このような接続端子１６１を用いた端子連結構造は、正極集電極１５３と負極集電極１５４に導電性に優れた銅やアルミニウム板を使用した場合に特に有効である。その理由は、銅やアルミニウムは時間の経過と共に物理的寸法が変化するコールドフロー（クリープ）を生じ易いが、このような突起部を備えた接続端子１６１を用いることにより、長期間に亘って安定的に２つの集電極連結部１６０を保持できるからである。

以上のようにして整列されたセル集合体１５０は、図３に示すように、適当な整列装置（図示せず）を用いて底板１４１上に整列したうえで、連結具１６１で正極と負極の集電極１５３，１５４を連結する前に又は連結した後、セル集合体１５０の周囲にエンドフレーム１４２とサイドフレーム１４３を組み付け、フレーム１４１に固定される。このとき、対向する一対のエンドフレーム１４２の一方の内側には図示しないばねが配置され、エンドフレーム１４２とサイドフレーム１４３を組み立てた状態で、整列（水平方向に積層）された各キャパシタセル１５１は、その厚み方向（整列方向）から均等に圧力が加えられる。

このようにしてフレーム１４０とそれに一体化されたセル集合体１５０は、図３に示すように、ケーブル１６８を介して電気回路部１８０と電気的に接続される。具体的に、電気回路部１８０は配線基板１８１を有する。配線基板１８１は、複数のねじ（図示せず）によって、蓋１２０の下面に該下面と所定の間隔をあけて固定されている。配線基板１８１の上には、並列モニタ（制御回路）１８３を構成する複数の回路素子が配置されており、上述のようにしてキャパシタセル集電極に一端が接続されたケーブル１６６の他端が、対応する接続部１８５に電気的に接続される。また、セル集合体１５０の両端に配置されている２つのキャパシタセル１５１のうち一方と他方のそれぞれの正極集電極１５３と負極集電極１５４に接続されているケーブルの他端が、蓋１２０に固定された一対の主端子１２２（図１、２参照）に接続される。

なお、図３に示すように、配線基板１８１とセル集合体１５０との間には、キャパシタセル１５１の連結具１６１と配線基板１８１上の電気回路が接触するのを防止するために、電気絶縁材料からなるシート１８７を設けることが好ましい。

上述した実施形態では、接合された対の集電極１５３，１５４はケーブル１６６を介して配線基板に接続したが、図１２に示す配線構造を使用することもできる。図示する配線構造２２０は、絶縁材料からなる基板２２１を有する。絶縁基板２２１は、絶縁材料のフィルムであることが好ましい。絶縁基板２２１の上面には、複数のトレース配線又は導体２２２が設けてある。各導体２２２は、その一端に接続端子２２３を一体的に有し、その他端にめっき部２２４を有する。実施形態において、導体２２２は、集電極１５３，１５４と同一材料であるアルミニウムで形成されている。一方、めっき部２２４は、電気回路部１８０において集電極１５３，１５４が電気的に接続される電極又はトレース配線と同一の材料である銅又はニッケルを導体２２２にめっきして形成されている。

このような配線構造２２０は、図１３に示すように、接続端子２２３が対応する接続端子１６１と溶接等によって接続される。また、図示するように絶縁基板２２１を折り返し、電気回路部１８０の配線基板１８１に設けた対応の電極１８５にめっき部２２４がはんだ等で接合される。このとき、めっき部２２４は、配線基板１８１上の電極１８５を構成している材料と溶接し易い材料で形成されているので、確実に目的の場所に接続できる。

なお、配線構造は図１２に示す形態に限るものでなく図１４に示すように、一定の間隔をあけて等間隔にめっき部２２４を有する配線構造２２０も利用できる。

本発明に係る蓄電システムの斜視図。容器を除いた蓄電システムの斜視図。容器と蓋を除いた蓄電システムの斜視図。セル集合体の斜視図。キャパシタセルの斜視図。接続端子の斜視図。キャパシタセルと接続端子の接続を説明する図。集電極整列成形治具の整列プレートを示す斜視図。整列プレートの使用方法を説明する断面図。カッタープレートの使用方法を説明する断面図。カッタープレートの使用方法を説明する断面図。カッタープレートの使用方法を説明する断面図。配線構造の斜視図。図１２の配線構造を用いた配線状態を示す斜視図。他の配線構造の斜視図。並列モニタの部分回路図。

符号の説明

１０：蓄電システム、１１：ハウジング、１２：蓄電ユニット、１００：容器、１２０：蓋、１２２：主端子、１４０：フレーム、１４１：底板、１４２：エンドフレーム、１４３：サイドフレーム、１５０：セル集合体、１５１：キャパシタセル、１５２：パッケージ、１５３：正極集電極、１５４：負極集電極、１６１：接続端子、１６５：ケーブル接続部、１６８：ケーブル、１８０：電気回路部、１８１：配線基板、１８３：並列モニタ、１８４：制御端子、２００：集電極整列治具、２０１：下段整列プレート、２０２：上段整列プレート、２０３：開口部、２０４：開口部、２０５：垂直部、２０６：水平部、２０７：突片、２０８：壁、２１０：下段カッタープレート（切断プレート）、２１１：上段カッタープレート（切断プレート）、２１２：開口部、２１３：開口部、２１４：レーザビーム、２２０：配線構造、２１２：絶縁基板、２２２：導体、２２３：接続端子、２２４：めっき部。

Claims

フィルムパッケージから一対の板状集電極を導出させた複数のキャパシタセルを並列に整列し、各キャパシタセルの板状集電極を隣接する別のキャパシタセルの板状集電極と接続することにより上記複数のキャパシタセルを直列に接続する蓄電システムの組立方法であって、
複数のキャパシタセルを並列に整列して、各キャパシタセルの板状集電極を隣接する別のキャパシタセルの板状集電極と背中合わせに配置し、
上記背中合わせに配置された板状集電極の配置に対応する複数の開口部をそれぞれ有する一組の下段と上段の整列プレートを用意し、
上記一組の整列プレートの各開口部に上記背中合わせに配置された各対の板状集電極を挿通し、
上記一組の整列プレートの一方を他方に対して移動させて上記背中合わせに配置された各対の板状集電極を挟持して重ね合わせた状態で保持し、
上記重ね合わされて保持された上記各対の板状集電極を溶接することを特徴とする蓄電システムの組立方法。
上記一組の整列プレートの開口部に対応する開口部を有する一組のカッタープレートを用意し、
上記一組のカッタープレートの各開口部に上記重ね合わされた各対の板状集電極を挿通し、
上記一組のカッタープレートの一方を他方に対して上記板状集電極の板厚方向に移動して各対の板状集電極を剪断し、
上記剪断されて上記背中合わせに配置された各対の板状集電極を、重ね合わされて保持された状態で溶接することを特徴とする請求項１に記載の蓄電システムの組立方法。