JP5269905B2 - 長円形電気化学二重層コンデンサ - Google Patents
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Description
従来の巻回コンデンサ構造は、2枚の電極と2枚のセパレータとが交互に積み重ねられた態様で、1本の軸線の周りに巻回されて、一つのロールケーキ状の円筒を形成している。このような従来のコンデンサにおいては、巻回に先立って、二つの電極のそれぞれは、電極の一部がセパレータおよび他方の電極を超えて軸線とは直角の方向に延出するように配置される。したがって、二つの電極のそれぞれが、巻回されていない積重ね部分を超えて反対方向に延出する。両電極とセパレータとが巻回されると、延出されている電極部分が、円筒の両端を通じてこのコンデンサを電気回路に接続する手段を提供する。いくつかの従来の構造においては、各電極の延出部分が一体に束ねられて電気端子を提供する。延出部分はまた、例えばエンドキャップ上に位置するリード線またはハードウェア端子に溶接または蝋付けされる。別の従来の態様では、束ねられた電極が用いられ、ハードウェア端子に取り付けられる延出されたタブを各電極が有している。これらの従来のコンデンサは、機能的であっても、空間効率的ではない。さらにこれらの従来のコンデンサは、低価格構造にするのが容易でなく、または高いパワー密度が要求される用途に必要な電気的損失が低い構造を備えていない。
本発明は、従来の構成を上回る、例えば、高エネルギー密度、効率的なパッキング、および優れた熱管理法を提供することができる、変形的巻回構造を有する電気化学二重層コンデンサを提供するものである。
例えば巻回コンデンサ100、ハードウェア端子130および電解質を含む本発明の電気化学二重層コンデンサは、容器310内にパッケージすることができる。図4Aおよび図4Bに示されているように、容器は、電極、タブ部分と容器との間の電気的短絡を防止するために、1個または複数の電気絶縁体330を備えることができる。密閉された環境を提供しかつ電解質の漏洩を防止するために、随意的にシール350が用いられる。もし用いられる場合のシールは、例えば金属クリンプ・シール、Oリング・シール、レーザー溶接および/またはガス・タングステン・アーク溶接、エポキシまたはポリマー・シール、またはそれらの組合せ等の何れかの適当なシール法を含む。もし、巻回コンデンサ構造体のタブ部分にねじ付き端子が取り付けられる場合には、図4Aに示されているように、端子をエンドキャップ320に固定するために、例えばナットを用いることができる。内部部品に損傷を与える可能性がある過剰な熱を発生させることなく、エンドキャップを容器に固定するために、適当な溶接法を用いてエッジ溶接部340を形成する。
本発明はまた、少なくとも二次元的アレイに構成された複数の電気化学二重層コンデンサを備えた装置を提供するものであり、その場合、複数の電気化学二重層コンデンサのそれぞれが長円形の専有面積を有し、複数の電気化学二重層コンデンサのそれぞれが密閉された動作環境を有し、かつ少なくとも二次元的アレイが、複数の電気化学二重層コンデンサの間に複数の導電路を備えている。複数のコンデンサからなる列またはアレイは、HEV等の用途に対し高電圧出力を供給するのに有用である。ここで説明されているマルチ・コンデンサ装置の種々の構成はまた、パッケージング効率および熱管理において従来のコンデンサ・システムを上回る優れた性能を提供する。本発明は、種々の態様において、複数の電気化学二重層コンデンサを備えた装置を提供し、その場合に、複数のコンデンサのそれぞれが一つまたは複数のコンデンサ・セルを備え、各コンデンサは密閉された動作環境を有する。一つの態様において、複数のコンデンサの一つまたは複数は長円形の形状を有し、かつここで説明されている、変形的巻回構造から形成されている。一つの具体的態様においては、複数のコンデンサの全てが長円形形状を有し、かつここで説明されている変形的巻回構造から形成されている。
個々のコンデンサ・セルおよび複数のコンデンサ・セルからなるアレイのパッキング効率は、HEV等の用途において重要になり得る。図5Aに示されているように、四角形のセルの理想的な配列は、100%の効率をもってパックすることが可能である。しかしながら、四角形のセルは、巻回構造の低コストの利点を備えておらず、かつパッケージされたコンデンサのレベルにおける密集したパッキングでは、内側にパックされたセルから発生する熱を、例えば空気流またはその他の手段で除去するための、個々のコンデンサ・セル間に空間を設けることが不可能である。一方、図5Cに示されているような、円形のセル構造は、空気または他の冷却流体を通過させて、コンデンサ・セルの内部から発生する熱を除去する通路としての空間を個々のコンデンサ・セル間に備えることが可能であるが、正方形または長方形のセルの隙間のないパッキングと比較した場合に、パッキング効率が79%に低下する。もし図5Cに示されている円形のコンデンサ・セルを、図5Dに示されているように千鳥状に配置すると、パッキング効率が83%に上昇する。
本発明の長円形の変形巻回コンデンサは、種々の態様において、複数の個々のコンデンサ・セルからなるアレイを提供することもできる。その場合に、このアレイの少なくとも一方の表面、例えばアレイを構成する個々のコンデンサ・セルのハードウェア端子側とは反対側の表面は平坦である。一つの態様において、複数の個々のコンデンサ・セルは、アレイの反対側が平坦となるように、ハードウェア端子を同一方向に向けて配置される。別の態様においては、個々のコンデンサ・セルからなる平坦な表面を有するアレイは、ヒートシンクとして作用するトレー420またはその他の容器内に配置される。図7および図8は、トレー内に配置されたコンデンサ・セルからなるアレイを示す。図8には、コンデンサ・セルのトレーが平面図および断面図で示されている。例えばフィン等の一般的なヒートシンク構造がトレーの側面に随意的に取り付けられて、多セル・モジュールに対して冷却面を提供する。別の態様においては、個々のコンデンサ・セルとヒートシンク・トレーとの間の熱伝導度を改善するために、熱伝導性の熱放散パッドおよび/または熱伝導性グリ−ス等が用いられる。種々の態様において、このような熱放散パッドは、1個または複数のコンデンサ・セルの平らな底面またはコンデンサ・セルの容器とトレーとの間に配置される。もし変形的巻回コンデンサの構成に上述のようなマンドレルが用いられている場合には、コンデンサ・セルから熱を効率的に放散させるために、上記マンドレルは、ヒートシンク・トレー、熱放散パッド、またはその他の手段に対して熱的に接続することができる。
本発明の長円形マルチ・コンデンサ装置のモジュラー構造は、種々の態様において、隣接するコンデンサ・セルに悪影響を与えることなしに、個々のコンデンサ・セルの単純化された電気的接続および絶縁および/または交換を容易にしている。一つの態様において、個々のコンデンサ・セルを直列回路に接続するためにバス形式のインターフェースが用いられる。種々の態様において、全ての電気的接続が共通表面上で行なわれる態様での個々のセルの配列は、個々のコンデンサ・セルの単純化された隔離、取外し、および/または交換を容易にしている。同様に、上述のようなバス・バー・インターフェースは、隣接するコンデンサ・セルを妨げることなしに、1個または複数の個々のコンデンサ・セルの取外しを可能にしている。一つの態様において、個々のセルは、装置の残りのセルを動作状態におきながら、隔離されまたは取り外すことができる。
15,25 電極の指状片
30 非導電性層
100 長円形コンデンサ
120 タブ部分
125 凹部
130 ハードウェア端子
310 容器
320 エンドキャップ
330 電気絶縁体
360 ポート
410 通路
Claims (6)
- a)第1の縦軸、或る厚さを有する第1の本体、および該第1の本体から、前記第1の第1の縦軸とほぼ平行な第1の方向に延出する複数の第1の指状片を有する第1の電極、
b)前記第1の縦軸とほぼ平行な第2の縦軸、或る厚さを有する第2の本体、および該第2の本体から前記第1の方向に延出する複数の第2の指状片を有する第2の電極、ならびに、
c)前記第1および第2の本体の少なくとも一部間に分布された電解質、
を備えた電気化学二重層コンデンサであって、
前記第1および第2の本体は、互いに重ね合わされた態様で配置され、かつ前記第1および第2の本体が電気的に直接接触しないように、少なくとも1層の非導電性層によって隔離されており、
前記互いに重ね合わされた第1および第2の本体は、前記縦軸の周りにほぼ渦巻き状に巻回されており、
前記第1または第2の指状片の少なくとも一部分は、前記第1または第2の本体の少なくとも一方の厚さよりも厚い厚さを有しており、そして
前記複数の第1の指状片は、第1の所定の三次元的パターンを画成する第1のタブ部分を形成し、かつ前記複数の第2の指状片は、第2の所定の三次元的パターンを画成する、前記第1のタブ部分から離間した第2のタブ部分を形成していることを特徴とする、電気化学二重層コンデンサ。 - 前記第1または第2の指状片の少なくとも一部分が、該第1または第2の指状片を形成するシート状材料を折り畳むことにより、前記第1または第2の本体の少なくとも一方の厚さよりも厚くされていることを特徴とする請求項1記載の電気化学二重層コンデンサ。
- 前記第1の縦軸にほぼ垂直な平面内の前記互いに重ね合わされた第1および第2の本体のコンデンサ断面がほぼ長円形であることを特徴とする請求項1または2記載の電気化学二重層コンデンサ。
- 前記第1または第2の所定の三次元的パターンのうちの少なくとも一方が凹部を備え、該凹部内に端子の少なくとも一部分が実質的に配置され、かつ前記第1または第2のタブ部分と電気的に導通されていることを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の電気化学二重層コンデンサ。
- 前記複数の第1の指状片の一部分のそれぞれが電気的に接触されており、および/または前記複数の第2の指状片の一部分のそれぞれが電気的に接触されていることを特徴とする請求項1から4いずれか1項記記載の電気化学二重層コンデンサ。
- 電気化学二重層コンデンサの製造方法であって、
a)イ)第1の縦軸、第1の本体、および該第1の本体から、前記第1の縦軸とほぼ平行な第1の方向に延出する複数の第1の指状片を有する第1の電極、
ロ)前記第1の縦軸とほぼ平行な第2の縦軸、第2の本体、および該第2の本体から前記第1の方向に延出する複数の第2の指状片を有する第2の電極、および
ハ)少なくとも1層の非導電性層、
を提供し、ここで、前記第1または第2の指状片の少なくとも一部分は、前記第1または第2の本体の少なくとも一方の厚さよりも厚い厚さを有しており、次いで、
b)前記第1および第2の本体を、前記少なくとも1層の非導電性層によって隔離されて互いに重ね合わされた態様でかつ前記第1および第2の本体が電気的に直接接触しないように位置決めし、次いで、
c)前記第1および第2の本体を、前記複数の第1の指状片が第1のタブ部分を形成しかつ前記複数の第2の指状片が前記第1のタブ部分から離間した第2のタブ部分を形成する態様で、前記縦軸の周りに渦巻き状に巻回する、
各ステップを含むことを特徴とする、電気化学二重層コンデンサの製造方法。
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