JP4573616B2 - キャパシタモジュールの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、１対の端子を備える電気二重層キャパシタを単位体に所要数の電気二重層キャパシタから構成されるキャパシタモジュールの製造方法に関する。

近年、各種の蓄電装置として、急速充電が可能で充放電サイクル寿命が長い、電気二重層キャパシタが注目される。特許文献１においては、電気二重層キャパシタおよびその製造方法が開示される。
特開２００３−１２４０７９

電気二重層キャパシタは、耐電圧が低いので、電気自動車の駆動電源などに適用する場合、所要数の電気二重層キャパシタから所定容量のキャパシタモジュール（蓄電装置）に構成される。キャパシタモジュールは、充放電のロスを抑えるため、内部抵抗の最小化が必須であり、所定数の電気二重層キャパシタを所定の配線状態に接続するための部材相互の接合にTIG(Tungsten Inert Gas)溶接が用いられる。

TIG溶接の場合、被溶接物（所定数の電気二重層キャパシタを所定の配線状態に接続するための部材相互）がアルミニウムの薄板であり、溶接棒の溶込みを確認しながらの熟練作業が要求され、溶接に伴う高熱から電気二重層キャパシタを保護する冷却が必要であり、キャパシタモジュールの１台あたりの製造（生産）に要する時間が長く掛かってしまう。そのため、TIG溶接に代わる効率的な接続工法の確立が要望されるのである。

この発明は、このような要望を実現するためのキャパシタモジュールおよびその製造方法の提供を目的とする。

第１の発明は、１対の端子を備える電気二重層キャパシタを単位体に所要数の電気二重層キャパシタを所定の配列状態に集合する一方、これらの配列方向に隣接する複数の電気二重層キャパシタを１組ずつ並列に接続すると共に各組間を直列に接続することにより構成されるキャパシタモジュールの製造方法において、各電気二重層キャパシタの端子を高純度のアルミニウムから板状に形成する工程、各組間の接続部材を高純度のアルミニウムから板状に形成する工程、１組ずつ並列に接続すべき複数の電気二重層キャパシタの同極同士の端子と各組間を直列に接続すべく介装される接続部材との重なり合う部分を板厚方向からスポット溶接機により所定の溶接条件の下に接合する工程、を備え、前記スポット溶接機については、１対の開閉可能なアーム、これらの各先端部に配置される１対の電極チップ、を備え、１対のアームは、各アームの先端部に突設される芯部、前記電極チップを芯部に嵌合する穴を介して各アームの先端部に装着することによって穴の奥部に形成される室、この室を経由する冷却液の循環路、を備えること特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係るキャパシタモジュールの製造方法において、前記スポット溶接機は、溶接部に直径3.5mmのナゲットを形成するべく溶接条件が設定されることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に係るキャパシタモジュールの製造方法において、前記スポット溶接機は、溶接条件の加圧力が0.6kNに設定されることを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明に係るキャパシタモジュールの製造方法において、前記スポット溶接機は、１対のアームがＸ型の交点を中心に開閉可能に構成され、これらアームを開閉する駆動手段、を備え、１対のアームは、各先端側を互いの接近方向にくの字形に曲げて先端へ幅狭く形成されることを特徴とする。

第１の発明においては、スポット溶接により、熟練を要することなく、所要数の電気二重層キャパシタを所定の配線状態に接続する部材相互の接合が簡単かつ容易に行える。スポット溶接は、被溶接物への大電流の供給時間が短く、TIG溶接のようなアーク溶接と異なり、溶接時の発熱から電気二重層キャパシタを保護するための冷却も不要となる。被溶接物は、高純度（例えば、99.99％）のアルミニウムが使用される。高純度のアルミニウムは、溶接抵抗が小さいが、所定の溶接条件の下にスポット溶接を行うことにより、部材相互の接合に良好な溶接状態が得られるのである。その結果、電気二重層キャパシタの端子および各組間の接続部材に高純度のアルミニウムを使用する高性能のキャパシタモジュールについて、１台あたりの製造（生産）に要する時間を大幅に短縮することができる。

第２の発明においては、直径3.5mmのナゲットを形成すべく設定される溶接条件の下にスポット溶接を２点ずつ行うことにより、接続抵抗のTIG溶接と同程度の最小化が得られる。

第３の発明においては、高純度のアルミニウム（被溶接物）の変形を抑えつつ、部材相互の接合に良好な溶接状態が得られる。

第４の発明においては、１対の開閉可能なアームは、Ｘ型の先端側を互いの接近方向にくの字形に曲げて先端へ幅狭く形成され、各先端の電極チップも短く設定されるので、所定の配列状態に集合する電気二重層キャパシタの各組間の狭い隙間の範囲でのスポット溶接に必要なアームのストローク（開閉動作）を確保しやすくなる。

図１は、この実施形態に係るキャパシタモジュール１０の部分的な斜視図である。所定容量のキャパシタモジュール１０を構成するため、所定数の電気二重層キャパシタ１１が所定の配列状態に集合される。所定数の電気二重層キャパシタ１１は、１列のみでなく、複数の列に並べられ、各列において、隣り合う２つの電気二重層キャパシタ１１が１組ずつ並列に接続され、各組間が直列に接続される。各列は直並列に接続され、全体として所定容量の蓄電装置（キャパシタモジュール）に組成される。

電気二重層キャパシタ１１については、正極体と負極体とこれらの間に介在するセパレータとから組成される積層体と、正極体および負極体のそれぞれに接続される１対の端子１２と、これら端子１２の一部が外部へ突き出る収納状態に積層体を電解液と共に密封する容器と、から構成される。正極体および負極体は、集電極と分極性電極とから組成される。集電極は矩形状に作られ、その矩形平面の一辺に片側へ寄せて帯状のリードが一体に成形される。容器の内部において、１対の端子１２に極性の対応するリードが接合されるのである。

図１において、１２ａ，１２ｂは電気二重層キャパシタ１１の外部に突き出る１対の端子（電極）であり、１３は各組間を直列に接続する部材であり、これらは高純度（99.99％）のアルミニウムから板状に作成される。端子１２ａ，１２ｂの先端部にフランジ１５が形成され、接続部材１３の両端部にフランジ１４が形成される。１組の同極の端子１２どうしのフランジ１５および接続部材１３の一端のフランジ１４が重ね合わされ、これらを板厚方向からスポット溶接することにより、これら３枚重ねのフランジ１５、１５，１４が接合される。接続部材１３の他端のフランジ１４は、隣りの１組の同極の端子１２どうしのフランジ１５と共に重ね合わされ、これらを板厚方向からスポット溶接することにより、これら３枚重ねのフランジ１４，１５，１５が接合される。各組間の接続部材１３は、両端部のフランジ１４の一方１４ａに１組の正極の端子１２ａどうしのフランジ１５が接合され、両端部のフランジ１４のもう一方１４ｂに隣りの１組の負極の端子１２ｂどうしのフランジ１５が接合される。

図２は、キャパシタモジュール１０の製造過程において、端子１２のフランジ１５および接続部材１３のフランジ１４を接合する処理に使用されるスポット溶接機の一部（アーム機構）を表すものであり、１対のアーム２１，２２は、Ｘ型の交点２３（ピン）を介して開閉可能に構成される。アーム２１，２２の先端側Ｂは、アーム２１，２２の基端側Ａから分離可能に形成され、先端側Ｂの後端部２４が基端側Ａの前端部２６に嵌め付けられる。アーム２１，２２の先端側Ｂについては、後端部２４から先端部２５へ至る途中から互いの接近方向にくの字形に曲げられ、先端へアーム２１，２２の幅が狭くなるように形成される。先端部２６は、アーム２１，２２の幅が最小となり、各先端部２６に１対の電極チップ２８が配置される。

電極チップ２８は、図４のように長さが既製品の寸法よりも短く設定される。アーム２１，２２の先端部２５に電極チップ２８を装着するための芯部２９（図３、参照）が突設され、芯部２９に隙間なく嵌合する穴３０が電極チップ２８に設けられる。芯部２９についても、長さが既製品の寸法よりも短く設定される。電極チップ２９の装着状態において、穴の奥部に室３１（図１、参照）が形成され、室３１を経由する冷却液の循環路がアーム２２に備えられる。３３は冷却液の循環路の一部であり、図示しない循環路の一部を介して冷却液の供給源に接続される。

図１において、３４は１対のアーム２１，２２を開閉する駆動手段としてのシリンダであり、被溶接物が高純度のアルミニウムのため、電極チップ２８間の加圧力が0.6kNに設定される。３５は溶接変圧器の二次導線である。スポット溶接機は、スイッチ３６をONすると、所定の溶接条件に基づいて、シリンダ３４の作動によって電極チップ２８間の被溶接物を加圧しながら、溶接変圧器の二次導線に発生する大電流（溶接電流）を電極チップ２８に供給するようになっている。

このようなアーム機構により、所定の配列状態に集合する電気二重層キャパシタ１１の各組間の狭い隙間ｄの範囲でのスポット溶接に必要なアーム２１，２２のストローク（開閉動作）を確保しやすくなる。また、シリンダ３４のストロークも短くなり、電極チップ２８間の加圧力が小さく設定されるのと相まってシリンダ３４が小型化が図れるのである。

キャパシタモジュール１０の製造過程においては、電気二重層キャパシタ１１の端子１２を高純度のアルミニウムから板状に形成する工程（電気二重層キャパシタ１１の製造工程中に処理される）、各組間の接続部材１３を高純度のアルミニウムから板状に形成する工程、接続部材１３の両端部にフランジを形成する工程、端子１２の先端部にフランジ１５を形成する工程（電気二重層キャパシタ１１の製造工程中に処理される）、所定数の電気二重層キャパシタ１１を所定の配列状態に集合する工程、端子１２のフランジ１５および接続部材１３のフランジ１４が重なり合う部分を板厚方向からスポット溶接機により所定の溶接条件の下に接合する工程、が設定される。

所定の溶接条件は、板厚0.6mmの端子１２を２枚と板厚0.8mmの接続部材１３を１枚との３枚重ねフランジ１５，１５，１４をこれらの板厚方向からスポット溶接により接合する場合、溶接電流は19000Ａ，通電時間は６cyc（１cysは、20ms），加圧力は0.6kNに設定される。

図５は、スポット溶接の試験結果の一部を表示したものであり、溶接条件は、TRY1〜TRY3が例示される。確認事項(1)「溶接による接続抵抗」については、３例とも0.07mΩ以下であり、合格であるが、TRY1の場合、確認事項(2)「ナゲット径」が直径2.5mmと小さく、車両への搭載を想定すると、車体振動により剥離の可能性が高く、失格である。TRY3の場合、確認事項(4)「ガンチップの溶着」について、１点目の溶接により被溶接物との溶着が電極チップの両方に見られ、後処理の煩わしく、採用しがたい。TRY2の場合、確認事項(4)「ガンチップの溶着」が２点目の溶接により電極チップの一方に見られるものの、確認事項(2)「ナゲット径」は直径3.5mmであり、合格であると認められる。確認事項(3)「発生温度」については、３例とも電気二重層キャパシタ１１への熱的な影響が懸念される温度（70℃）以上よりも遙かに発生温度が低く問題ない。

このように溶接条件を確立することにより、被溶接物が高純度（99.99％）のアルミニウム板の場合においても、スポット溶接により、良好な接合状態が得ることが可能となる。スポット溶接は、スイッチ操作のみで簡単かつ容易に作業しえるので、熟練を要することなく、所要数の電気二重層キャパシタ１１を所定の配線状態に接続する部材相互の接合を能率よく進められるのである。スポット溶接においては、TIG溶接のようなアーク溶接と異なり、溶接棒の溶入りを確認する必要もなく、溶接による発熱から電気二重層キャパシタ１１を保護するための冷却も不要となる。その結果、電気二重層キャパシタ１１の端子１２および各組間の接続部材１３に高純度のアルミニウムを使用する高性能のキャパシタモジュール１０について、１台あたりの製造（生産）に要する時間を大幅に短縮することができる。

キャパシタモジュールの構成に説明する一部の斜視図である。 スポット溶接機のアーム機構を説明する正面図である。 アームの一部（先端側）を説明する正面図である。 電極チップの正面図およびその左側面図である。 スポット溶接の試験結果の一部を示す表である。

符号の説明

１０ キャパシタモジュール
１１ 電気二重層キャパシタ
１２ 端子
１３ 接続部材
１４，１５ フランジ
２１，２２ アーム
２３ ピン
２５ アーム先端部
２８ 電極チップ
２９ 芯部

Claims (4)

1. １対の端子を備える電気二重層キャパシタを単位体に所要数の電気二重層キャパシタを所定の配列状態に集合する一方、これらの配列方向に隣接する複数の電気二重層キャパシタを１組ずつ並列に接続すると共に各組間を直列に接続することにより構成されるキャパシタモジュールの製造方法において、各電気二重層キャパシタの端子を高純度のアルミニウムから板状に形成する工程、各組間の接続部材を高純度のアルミニウムから板状に形成する工程、１組ずつ並列に接続すべき複数の電気二重層キャパシタの同極同士の端子と各組間を直列に接続すべく介装される接続部材との重なり合う部分を板厚方向からスポット溶接機により所定の溶接条件の下に接合する工程、を備え、前記スポット溶接機については、１対の開閉可能なアーム、これらの各先端部に配置される１対の電極チップ、を備え、１対のアームは、各アームの先端部に突設される芯部、前記電極チップを芯部に嵌合する穴を介して各アームの先端部に装着することによって穴の奥部に形成される室、この室を経由する冷却液の循環路、を備えること特徴とするキャパシタモジュールの製造方法。
2. 前記スポット溶接機は、溶接部に直径3.5mmのナゲットを形成するべく溶接条件が設定されることを特徴とする請求項１の記載に係るキャパシタモジュールの製造方法。
3. 前記スポット溶接機は、溶接条件の加圧力が0.6kNに設定されることを特徴とする請求項１の記載に係るキャパシタモジュールの製造方法。
4. 前記スポット溶接機は、１対のアームがＸ型の交点を中心に開閉可能に構成され、これらアームを開閉する駆動手段、を備え、１対のアームは、各先端側を互いの接近方向にくの字形に曲げて先端へ幅狭く形成されることを特徴とする請求項１の記載に係るキャパシタモジュールの製造方法。