JP5658361B2 - バッテリセル結合子、バッテリセル結合子を製造する方法、バッテリ、バッテリシステム、及び、車両 - Google Patents
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Description
本発明は、バッテリセル端子間、特に複数のバッテリセルのバッテリセル端子間に、当該バッテリセルの電気的連結のために導電接続を形成する結合子であって、結合子は、それぞれ材料が異なる少なくとも２つの結合部を有し、少なくとも２つの結合部は、少なくとも１つの結合領域内で、互いに接触する表面によって互いに導電的に接続される、上記結合子に関する。
さらに、本発明は、本発明に係る結合子を製造する方法、及び、本発明に係る少なくとも１つの結合子を備えるバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ又はニッケルメタルハイドライドバッテリ、及び、複数のバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ又はニッケルメタルハイドライドバッテリと本発明に係る少なくとも１つの結合子とを備えるバッテリシステムに関する。本発明には、車両、特に、本発明に係る少なくとも１つのバッテリ又は本発明に係るバッテリシステムを有する電気的に駆動可能な車両が追加される。
１つ以上のガルバニバッテリセルを含むバッテリは、電気化学的なエネルギー貯蓄器又はエネルギー変換器として機能する。バッテリ又は各バッテリセルの放電時には、バッテリに蓄えられた化学的エネルギーが、電気化学的な酸化還元反応によって電気的エネルギーに変換される。この電気的エネルギーは、ユーザからの需要に応じて要求されうる。
特にハイブリッド車及び電気自動車においては、直列接続された電気化学的セルから成るリチウムイオンバッテリ又はニッケルメタルハイドライドバッテリが、所謂バッテリパック内で使用される。その際に通常では、バッテリ状態検出部を含むバッテリ管理システムが、安全監視、及び、可能な限り長い寿命の保証のために役立つ。
直列回路又は並列回路を形成するために、バッテリ又はバッテリセルの端子又は極を、互いにしっかりと結合することが公知である。このしっかりした結合を形成するために、特に、異なる金属素材の結合部を形成するために、多様な方法が知られている。例えば、異なる金属素材の分離不能な結合は、例えば、圧着クラッド法によって形成されうる。
独国特許出願公開第１０２００８０１８２０４号明細書では、冷間圧延クラッド法により形成される複合材料が公知である。この複合材料は、低合金鋼材料と、銅材料又はニッケル材料から成る中間層と、高合金鋼材料から成る層と、を含む。この種の複合材料は、高合金鋼の利用に基づく代替的な材料特性と組み合わせた低合金鋼の利用により、コストが比較的低いという利点を有する。
しかしながら、バッテリセルの端子又は極を結合するために、通常では個数が比較的多いことから、レーザ溶接のような溶接方法が適用される。その際の短所は、端子又はバッテリセル極は材料が異なっているため、即ち、通常では銅含有材料とアルミニウム含有材料とから成り、従って異なる融点を有するため、比較的高いコストを掛けなければ克服し得ない技術的問題が発生することである。
バッテリセル極又はバッテリセル端子の結合のために、銅含有材料とアルミニウム含有材料とを結合する際の更なる問題は、腐食感受性である。２つの異なる材料が、腐食を引き起こす電気化学的な電位を共に形成する。例えば車両の駆動のために利用されるバッテリ又はバッテリシステム上で、当該バッテリシステム内の様々な温度状況により、場合によっては凝縮水が生成し、この凝縮水が、銅含有材料とアルミニウム含有材料との間の結合箇所を濡らす際に、所謂電気化学的な局部電池として作用することによって、場合によっては腐食が増幅される。凝縮水によってイオンが転送され、固形物の物質によって電子が転送される。このような腐食過程においては、卑金属は溶解し、貴金属は変化しないままである。腐食によって、通常では、酸化物が堆積することにより、２つの物質間の境界抵抗が大きくなり、最悪の場合には、予定よりも早いバッテリの劣化、さらにはバッテリシステムの故障に繋がる。
本問題を解決するために、本発明に基づいて、特に複数のバッテリセルのバッテリセル端子間で、当該バッテリセルの電気的連結のために利用することが可能な、バッテリセル端子間に導電接続を形成する結合子が提供される。この結合子は、それぞれ材料が異なる少なくとも２つの結合部を有し、この少なくとも２つの結合部は、少なくとも１つの結合領域内で、互いに接触する表面によって互いに導電的に接続される。その際に、２つの結合部の結合は、当該２つの結合部の互いに接触する表面の粒子が、界面において混ざり合っているように実現される。即ち、表面の接触面上に形成された界面における２つの結合部の特別な結合処理によって、拡散が起こったということである。
その際に端子とは、バッテリセル本体内で電極と導電的に接続され、さらに、バッテリセル本体から突出した部分、所謂バッテリ極と導電的に接続されるバッテリセルの構成要素として理解される。
従って、界面において互いに接触する結合部の粒子が混ざり合うことによって、凝縮液が進入しうるであろう割目が存在しない。即ち、凝縮液による腐食のために、界面の外側領域又は縁端領域上の最小の作用面のみが提供される。従って、２つの表面の間の腐食が防止され、これにより、結合子の寿命が基本的に上がり、特に比較的古い結合子の境界抵抗が基本的に下げられ、機能信頼性がより長い期間に渡って保証される。
好適に、表面上での粒子は、結合部が結合領域内で複合材料を形成するように混ざり合っている。即ち、結合領域内では、結合子は、互いに結合された２つの物質から成る材料を有する。結合は、素材結合（Ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｓｓ）及び／又は形状結合（Ｆｏｒｍｓｃｈｌｕｓｓ）により実現される。
好適に、上記混ざり合いは、クラッド法によって生じる。即ち、上記混ざり合いは、卑金属を他の貴金属で覆う方法により起こされる。これにより、２つの物質の間の分離不能な結合が形成される。このことは、例えば、金属箔又は金属帯の圧着によって、さらに、溶接、特にレーザ溶接、超音波溶接、又は、摩擦溶接によっても実現されうる。本発明に基づいて、表面間の広域結合を実現しうる溶接方法は、全て利用することが可能である。代替的に、クラッディングは、半田付け、キャスト法（イオンめっき)、浸漬、爆着クラッド法によって、又は、例えば電気めっきのような電気的方法によって実現される。
特に好適な実施形態において、上記混ざり合いが冷間圧延クラッド法によって生じ、第１の結合部は銅材料から成り、第２の結合部はアルミニウム材料から成ることが構想される。冷間圧延クラッド法の場合、例えば圧着時の大きな圧力が作用して２つの層が互いに押圧され、その際に、圧力の大きさに応じて熱が発生し、この熱が、界面形成のための結合表面上の粒子の拡散を促進する。代替的に、上記の材料も熱間圧延クラッド処理に掛けられる。利用可能な銅材料として、青銅材料又は黄銅材料が使用されうる。代替的に使用可能な更なる別の材料は、ニッケル、鉄、コバルト、銀、又は、本発明に係る結合子において上記のアルミニウム材料若しくは銅材料と組み合わせられ、若しくは、本発明に基づき互いに組み合わせられる合金である。
特に、第１の結合部が、銅材料Ｅ−Ｃｕ５７又はＥ−Ｃｕ５８から成ることが構想される。
この場合には、第２の結合部は、好適にＡｌ６０６１又はＡｌ３００３ Ｈ１４で構成されるべきであろう。しかしながら、その際に、利用されるクラッド法に従って、他の銅材料又はアルミニウム材料の利用が排除されない。
本発明の更なる別の観点は、結合部が冷間圧延クラッド法によって互いに導電的に接続される、本発明に係る結合子の製造方法である。
さらに、本発明は、複数のバッテリセルと、本発明に係る少なくとも１つの結合子と、を備えるバッテリ、特に、リチウムイオンバッテリ又はニッケルメタルハイドライドバッテリであって、結合子は、バッテリの第１のバッテリセルの端子と、バッテリの第２のバッテリセルの端子と、を結合する、上記バッテリを含む。その際に端子とは、バッテリセルの外部で各マイナス極を形成する各陰極、又は、各プラス極を形成する各陽極として理解される。従って、本発明に係る結合子は、バッテリセル間の回路、特に直列回路の形成のために役立つ。その際に、通常では、バッテリセルの極、好適にマイナス極は、銅材料で実現され、プラス極は、アルミニウム材料で実現される。従って、本発明に係る結合子は、銅を含有する側で、第１のバッテリセルのマイナス極に結合され、及び、第２のバッテリセルのプラス極に結合される。その際の利点は、同種の基礎材料又は少なくとも同じ基礎材料を含む物質が結合され、このことが、異なる物質の結合よりも、技術的に容易に、コストを節約して実現されうることである。
本発明の更なる別の観点は、複数のバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ又はニッケルメタルハイドライドバッテリと、本発明に係る少なくとも１つの結合子と、を備えるバッテリシステムであって、結合子は、第１のバッテリの端子と第２のバッテリの端子とを結合する、上記バッテリシステムである。従って、本発明に係る結合子によって、複数のバッテリが、回路技術的に互いに結合される。更なる別の実施形態において、本発明に係る１つ以上の結合子は、互いに結合されたバッテリ内の個々のバッテリセルを互いに結合するために利用される。即ち、本発明に係る結合子は、バッテリのバッテリセルの結合のみならず、複数のバッテリの結合及び回路技術的な連結のためにも利用されうる。
本発明は、車両によって、特に、本発明に係る少なくとも１つのバッテリと、本発明に係る少なくとも１つのバッテリシステムと、を備える電気的に駆動可能な車両であって、バッテリが車両の駆動システムと接続される上記車両によって、完全なものとなる。
本発明の実施例が、図面及び以下の明細書の記載によってより詳細に解説される。
本発明に係る結合子を示す。
図１は、第１の結合部１１及び第２の結合部１２を有する本発明に係る結合子１を示している。２つの結合部１１、１２は、結合領域１６を画定する重ね合わせを形成する。結合領域１６内の２つの結合部１１、１２の結合は、第１の結合部１１の第１の表面１３を、第２の結合部１２の第２の表面１４上に着接（Ａｎｌａｇｅ）させることにより実現される。
結合領域１６内では、結合子１は複合材料として実現される。結合領域１６内の第１の表面１３上及び第２の表面１４上に存在する界面１７においては、表面１３、１４の粒子が、混ざり合って又は拡散（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）して存在する。このような混ざり合いは、既に解説したように、例えばクラッド法によって、特に圧延クラッド法によって起こしうる。即ち、界面１７においては、第１の結合部１１の物質又は第２の結合部１２の物質が存在するのではなく、第１の結合部１１の粒子及び第２の結合部１２の粒子が混ざり合った物質が存在する。これにより、２つの結合部１１、１２が互いに固定される。
各結合部１１、１２は、当該各結合部１１、１２の、結合領域１６に対向する端面上に、固定側面１５を有する。この固定側面１５上で、結合子１は、各バッテリセル又はバッテリの端子又は極に取り付けられ、従って、バッテリ端子間又はバッテリ極間の導電接続が形成される。
例えば冷間圧延クラッド法によって起こすことが可能な、表面１３、１４の粒子の混ざり合いによって、例えば、銅含有材料で実現可能な第１の結合部１１と、アルミニウム含有材料で実現可能な第２の結合部１２と、の個々の物質間の結合の高い導電性が得られる。表面１３、１４の間に割目は存在せず、従って、結合部１１、１２の縁端上の界面１７の外側に対する腐食のための作用面又は作用領域が削減される。従って、腐食により発生するバッテリシステム内の水が、結合部１１、１２の間に達し、そこで割目腐食を引き起こすことは不可能である。
界面１７の縁端には、当該界面１７上での腐食の防止のために、適切な絶縁を設けることが可能である。この種の絶縁によって、界面１７の縁端ゾーンが凝縮水で濡れることが防止され、従って、凝縮水は、第１の結合部１１の物質と第２の結合部１２の物質との結合を形成しえない。このような絶縁は、適切な被覆又は塗装の他、界面１７の縁端ゾーンを覆う収縮性チューブであってもよい。
本発明に係る結合子１は、第１の結合部１１が銅含有材料で製造され、第２の結合部１２がアルミニウム含有材料で製造されるように、形成されてもよい。その場合には好適に、結合子１における、コストか掛かる銅含有材料の割合を下げるために、第１の結合部１１は、第２の結合部１２よりも短く実現される。この目的のために、結合領域１６は、第１の結合部１１が結合されるバッテリセル端子又はバッテリセル極の近傍に配置されてもよい。特別な実現において、銅を含有する第１の結合部１１は、バッテリセル内でその端子と結合され、これにより、バッテリセルの外部に、個々のセルの組立のために、結合すべきバッテリセルへの各結合が実現されるという効果が得られる。実施すべき組立工程が簡素化されることの他に、基本的に同じ物質が結合される結合処理のみ実施されるという技術的な効果が得られる。なぜならば、この場合には、アルミニウムを含有する第２の結合部１２のみが、第２のバッテリセルのアルミニウム端子と結合されるからである。
Claims (17)
- バッテリセル端子間に、当該バッテリセルの電気的連結のために導電接続を形成する結合子であって、前記結合子は、それぞれ材料が異なる少なくとも２つの結合部を有し、前記少なくとも２つの結合部は、少なくとも１つの結合領域内で、互いに接触する表面によって互いに導電的に接続される、前記結合子において、
前記２つの結合部の互いに接触する前記表面の粒子は、界面において混ざり合っていることを特徴とする、導電接続を形成する結合子。 - 前記結合部が前記結合領域内で複合材料を形成するように、混ざり合っている、請求項１に記載の導電接続を形成する結合子。
- 前記混ざり合いは、クラッド法によって生じる、請求項１〜２のいずれか１項に記載の導電接続を形成する結合子。
- 前記混ざり合いは、冷間圧延クラッド法によって生じ、
第１の結合部は銅材料からなり、第２の結合部はアルミニウム材料からなる、請求項３に記載の導電接続を形成する結合子。 - 前記第１の結合部は、Ｅ−Ｃｕ５７又はＥ−Ｃｕ５８からなる、請求項４に記載の導電接続を形成する結合子。
- 前記第２の結合部は、Ａｌ６０６１又はＡｌ３００３ Ｈ１４からなる、請求項４又は５のいずれか１項に記載の導電接続を形成する結合子。
- 複数のバッテリセルのバッテリセル端子間に、当該バッテリセルの電気的連結のために導電接続を形成する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の導電接続を形成する結合子。
- 前記結合部における結合は、素材結合及び／又は形状結合により実現される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の導電接続を形成する結合子。
- 前記界面の縁端に、当該界面の腐食を防止するための収縮性チューブの形態による絶縁が設けられる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の導電接続を形成する結合子。
- 前記界面は、平坦である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の導電接続を形成する結合子。
- 前記結合部は、冷間圧延クラッド法によって互いに導電的に接続されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の結合子を製造する方法。
- 複数のバッテリセルを含むバッテリであって、
前記バッテリは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの結合子をさらに備え、
前記結合子は、前記バッテリの第１のバッテリセルの端子と、前記バッテリの第２のバッテリセルの端子と、を結合することを特徴とする、バッテリ。 - 前記バッテリは、リチウムイオンバッテリ又はニッケルメタルハイドライドバッテリである、請求項１２に記載のバッテリ。
- 複数のバッテリを含み、当該複数のバッテリのそれぞれは、複数のバッテリセルを有するバッテリシステムであって、
前記バッテリシステムは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの結合子をさらに備え、
結合子は、第１のバッテリの端子と第２のバッテリの端子と結合し、及び／又は、結合子は、第１のバッテリセルの端子と、第２のバッテリセルの端子と、を結合することを特徴とする、バッテリシステム。 - 前記バッテリは、リチウムイオンバッテリ又はニッケルメタルハイドライドバッテリである、請求項１４に記載のバッテリシステム。
- 車両であって、
前記車両は、請求項１２もしくは１３に記載の少なくとも１つのバッテリ、又は、請求項１４もしくは１５に記載のバッテリシステムを備え、
前記バッテリ又は前記バッテリシステムは、前記車両の駆動システムと接続されることを特徴とする、車両。 - 前記車両は、電気的に駆動可能な車両である、請求項１６に記載の車両。
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