JP5686816B2 - 複数のセルの構造高さが低減されたシステムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明の対象は、請求項１に記載のセル引出し導電部を接続するための方法、ならびに、請求項１０に記載の、第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とを介して互いに接続された第１セルと第２セルを備えたシステムである。

バッテリの容量を高めるために、種々のバッテリセルまたは例えば燃料電池セルのような別のセルが互いに直列または並列に接続される。このために、バッテリ、バッテリセル、燃料電池セル等として構成されたセルはセル引出し導電部を有する。セル引出し導電部は、セルの外側へと導かれ、別のセルと接続するために使用されるものである。引出し導電部は、例えば銅またはアルミニウムまたはこれらの合金からなる厚さ１ｃｍ未満の導体シートであることが多い。

セル引出し導電部を互いに接続するために、素材結合による接続が行われることが多い。この場合、第１のセルのセル引出し導電部と隣接する第２のセルのセル引出し導電部とが、超音波溶接装置を用いて互いに素材結合によって接続される。超音波溶接装置は、大抵は位置固定されているアンビルと、可動のソノトロードと、超音波溶接工程を実施しかつソノトロードの動きを制御するための制御装置とを有する。

超音波溶接装置ないし一般的には接続装置の形状に基づき、セル引出し導電部はセルから非常に長く突出しているか、または第１セルおよび第２セルからなるシステムの構造高さが高くなっている。なぜならアンビルは、第１セルおよび第２セルと単純に屈曲されたセル引出し導電部との間に動かされ、その後ようやく、第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とを互いに接続するためにソノトロードがアンビルへと動かされるからである。

アンビルがセルとセル引出し導電部との間に配置されない上述した第１の解決方法の場合には、セル引出し導電部の余分な材料が問題となり、この余分な材料は、構造高さを製品に適切な高さにするためにさらに処理しなければならない。アンビルがセルとセル引出し導電部との間に差し込まれる第２の解決方法においても同様のことが当てはまる。

少なくとも１つの第１セルおよび第２セルからなるこのようなシステムにおける構造高さは、とりわけバッテリのエネルギ密度を高めるためには非常に重要である。

本発明の課題は、上述した欠点を有さず、それぞれ１つのセル引出し導電部を備えた第１セルおよび第２セルからなるシステムの構造高さを低減することができる方法を提供することである。本発明のさらなる課題は、構造高さが低減されたシステムを提供することである。

これらの課題は、請求項１の特徴部分に記載の方法、ならびに、請求項１０の特徴部分に記載のシステムによって解決される。

有利には本発明の方法によって製造されたシステムであって、出力点にて突出する第１セル引出し導電部を備えた第１セルと、出力点にて突出する第２セル引出し導電部を備えた第２セルとからなるシステムにおいて、前記第１セル引出し導電部と前記第２セル引出し導電部は、上限と下限によって画定されているそれぞれの端部領域に沿って互いに接続されており、前記端部領域はそれぞれ、各セル引出し導電部のうち前記出力点とは反対の領域に設けられており、前記下限は前記上限よりも前記出力点に近い、システムは、前記第１セル引出し導電部および前記第２セル引出し導電部を少なくとも２回屈曲することによって、より低い構造高さを達成することができる。この場合屈曲部は、一方は出力点の領域に、他方は端部の下限の領域に位置している。

このためにまず第１セルおよび第２セルは、第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部が第１軸に沿って、または第１軸の方向に伸長するように、かつ互いに間隔を置いているように配置される。

その後、接続装置の第１コンポーネントが、有利には第１軸に対して垂直である第２軸の方向に向かって、第１セル引出し導電部に当接される。さらに接続装置の第２コンポーネントが第２セル引出し導電部に当接され、したがって第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部は、第２軸に沿って見た場合に第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間に位置決めされている。この場合前記当接は、第１セルおよび第２セルが接続装置へと動かされるようにして行うことも可能である。その後、第１コンポーネントによって第１セル引出し導電部が第２セル引出し導電部の方向に押圧される。つまり接続装置の第１コンポーネントは、後々に接続を形成するためだけに使用されるのではなく、第１セル引出し導電部を位置決めするための形状を形成する役割も有している。第１コンポーネントの押圧に加えて、第２コンポーネントを第１コンポーネントの移動方向と逆方向に動かすことによって、および／または、第１セルと第２セルとを第２コンポーネントの方向に動かすことによって、第２セル引出し導電部が第１セル引出し導電部の方向に押圧される。第１セルと第２セルとを第２コンポーネントの方向に動かす場合には、セル引出し導電部のうち、第２コンポーネントと第２セルの間で部分的に挟まれ、かつ、セルから突出する構成部材も同様に押圧される。第２コンポーネントによる能動的な押圧と、第２コンポーネントの方向への第１セルおよび第２セルの移動（または受動的な押圧でもある）とは、時間的に同時に行うことができる。

第１コンポーネントと第２コンポーネントは互いの方に向かって移動し、この際に第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とが互いに接するように動く。ここで第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部は、それぞれ出力点の領域において屈曲される。ここでの屈曲は、若干カーブされた屈曲だけでなく、セル引出し導電部のうちセルの中に配置されている部分に対してセル引出し導電部の方向を変化させることであるとも理解することができる。

屈曲は、セル引出し導電部が各セルと押圧された各コンポーネントとの間で挟まれ、出力点を支点として行われる回転運動を強いられることによって実現することができる。したがってこのことから、第１コンポーネントおよび第２コンポーネントないし第１セルおよび第２セルは、第１セル引出し導電部ないし第２セル引出し導電部が出力点の領域で損傷することがないよう高速で動き過ぎないように注意すべきである。このことは有利には、平坦なセル引出し導電部を使用することによって阻止することができる。第１コンポーネントおよび第２コンポーネントが、第１セル引出し導電部および第２セル引出し導電部を互いの方に向かって動かした後、第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間で端部領域が互いに押し合わされる。この場合有利には、第１セル引出し導電部の端部と第２セル引出し導電部の端部とが、上限と下限の間の部分において表面接続される。この接続は有利には素材結合による接続であり、第１コンポーネントと第２コンポーネントとの間でこれらの端部にエネルギ（熱エネルギ、摩擦エネルギ）が印加され、これによって最終的に接続される、ないし素材結合によって接続される。

端部の形状と第１および第２コンポーネントの形状に基づき、接続される直前またはその最中に、それぞれの下限の領域においてもさらなる屈曲がおこなわれる。したがって第１セルおよび第２セルとセル引出し導電部とからなるシステムは、第１セル引出し導電部ならびに第２セル引出し導電部にて、それぞれ出力点の領域における屈曲部と、下限の領域における屈曲部とを有する。

上述したように接続装置、とりわけ接続装置の第１および第２コンポーネントは、一方では第１および第２セル引出し導電部の位置決めのため、つまり、セル引出し導電部を互いの方に向かって動かすために使用されると同時に、接続を形成するためにも使用される。これはとりわけ第１コンポーネントを可動に構成して、第２コンポーネントも同様に可動に構成することによって、および／または、第１セルと第２セルとを第２コンポーネントの方向へ可動にすることによって実施される。

このことを例を挙げて詳細に説明する。第１コンポーネントは、速度Ｖ_１でｙ方向に移動する。そして、一方では第２コンポーネントを速度Ｖ_１で−ｙ方向に移動させることができるか、または他方では、第１セルおよび第２セルを、０．５×Ｖ_１の速度で同様にｙ方向に移動させることができる。これによって両セルと第１コンポーネントとの間の相対速度はｙ方向に０．５Ｖ_１となり、両セルと第２コンポーネントとの間の相対速度は−ｙ方向に０．５Ｖ_１となる。第１軸と第２軸は異なる方向に延在しているので、第１コンポーネントと第２コンポーネントは、セル引出し導電部の方向に見て側方のコンポーネントによってセル引出し導電部へ向かって動かされ、第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部が接続されるまで、互いの方に向かって動かされた後押圧される。

したがってもはや、バッテリとセル引出し導電部との間にアンビルを配置する必要はなくなる。しかしながら第１セルおよび第２セルが同様に機能する。なぜなら第１セルおよび第２セルはセル引出し導電部を保持し、これによって出力点の領域においてセル引出し導電部を屈曲するための支点ないし回転点を規定するからである。

上述した方法によって、それぞれ１つの第１セル引出し導電部を備えた第１セルおよび第２セル引出し導電部を備えた第２セルからなる特に平坦なシステムを形成することができ、この際第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部はそれぞれ２つの屈曲部を有している。

さらなる実施例は従属請求項に記載されている。第１実施例においては第２軸は水平方向に延在している、ないしは水平成分を有する。このことは特に、バッテリを地面に配置することができ、例えばコンベアベルトによって動かすことができるか、または、第１コンポーネントと第２コンポーネントを有利には水平線に対して平行に互いの方に向かって移動させることができるという利点を有する。

別の１つの実施例においては接続は、上述したように素材結合による接続である。素材結合による接続は、例えばセル引出し導電部の溶接によって、または、セル引出し導電部の機械的な摩擦によって形成することができる。第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とが機械的な摩擦によって接続される方法は、超音波溶接である。この場合には接続装置は超音波溶接装置であり、第１コンポーネントはソノトロードを含み、第２コンポーネントはアンビルを含む。第１コンポーネントと第２コンポーネントの間に、それぞれの第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部の端部全体を位置決めすることができる。この際下限は、第１および第２コンポーネントの下側の縁部である。

別の１つの実施例においては、第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とを接続する前に、これらの間に屈曲補助装置が配置される。屈曲補助装置は出力点の領域における屈曲を改善し、端部の本来の接続の前に、この端部の領域において屈曲部を成形させるために使用される。これによって一方では屈曲の幾何形状が予め定められ、したがってその後の接続の際には、２つの端部はすでに互いに平行に配向されるようになる。屈曲補助装置は、例えばバー形状またはＴ字形形状として構成することができる。

別の１つの実施例においては、互いに接続された第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部の端部が、再度下限に沿って折り畳まれる。これによって構造高さをさらに低減することができる。

別の１つの実施例においては、第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とがさらにカバーによって覆われており、このカバーは一方では保護機能のため、他方では構造高さを付加的に低減する役割のために適当なものである。

以下、本発明を実施例に基づいてより詳細に説明する。

図１Ａ〜Ｉは、本発明の方法の１つの実施例のフローを例として概略的に示す図である。 図２は、２つ以上のセルからなるシステムの１つの実施例を示す図である。

図１Ａには、金属製の導体シートとして形成されたセル引出し導電部２を備えた第１セル１が図示されており、第１セル１はバッテリセルである。セル引出し導電部２は、出力点３において第１セル１から出ている。セル引出し導電部２のｘ方向に見た上端には、上限４０と下限４１によって画定されている端部４が位置している。この際下限４１の方が出力点３により近い。第１セル１と同様に、同じくバッテリセルである第２セル５が図示されている。第２セル５も同じく第２セル引出し導電部６を含み、第２セル引出し導電部６は出力点７において第２セル５から出ている。端部８は、端部４に対称の上限８０と下限８１とを有する。バッテリとして、例えば、アルミニウムおよび選択的にニッケルメッキされた銅からなるフラット引出し導電部（ＴＡＢＳ：Thermoactive component systems）を備えるアルミニウム複合シート（パウチセル）におけるフラットセルを使用することができる。一般的にリチウムイオン、ＮｉＣｄ、ＮｉＭＨ、鉛、ニッケル／亜鉛、亜鉛／空気、リチウム／空気、アルミニウムバッテリのようなバッテリを使用することができるだけでなく、スーパーキャパシタおよび燃料電池も使用することができる。

第１セル引出し導電部２と第２セル引出し導電部６は、ｘ軸に平行な第１軸に沿って伸長している。これに加えて第１セル引出し導電部２と第２セル引出し導電部６は、ｙ軸によって規定される第２軸に沿って互いに間隔を置いている。

第１セル引出し導電部２の左側には、接続装置１０の第１コンポーネント１１が配置されている。これと同様に第２セル引出し導電部６の右側には、接続装置の第２コンポーネント１２が配置されている。第１コンポーネント１１も第２コンポーネント１２も、ｙ方向の第２軸に沿って互いの方に向かって移動させることができる。この移動は、マイクロプロセッサ制御装置を使用する制御装置１３によって制御される。

図示した接続装置は、超音波溶接装置である。第１コンポーネント１１はソノトロード１１０を含み、ソノトロード１１０はｘ方向に見て第１コンポーネント１１の下縁に位置する。ｘ方向に見て同じ高さに、第２コンポーネント１２に割り当てられたアンビル１２０が配置されている。

ソノトロード１１０とアンビル１２０は、各セル引出し導電部２，６の端部の下限４１，８１よりもさらに下に位置決めされている。後続の図面に図示された押圧工程によって初めて、端部領域４ないし８はソノトロード１１０ないしアンビル１２０の領域に移動し、後続の成形後に互いに接続される。

図１Ｂでは、第１セル引出し導電部２と第２セル引出し導電部６との間に位置決め用の補助装置９が設けられている。位置決め用の補助装置はＴ字形に構成されており、ここでは第１セル１ないし第２セル５の上にバー９０ないし９０’が載置されており、中央バー９１がｘ方向に伸長している。さらに第１コンポーネント１１と第２コンポーネント１２が第１セル引出し導電部ないし第２セル引出し導電部に接近するよう動かされ、現在はそれぞれ接触している様子が明らかに見て取れる。

その後第１コンポーネント１１と第２コンポーネント１２は、ｙ方向に見てさらに互いの方に向かって動かされる。このことは図１Ｃに図示されている。第１コンポーネント１１をｙ方向に動かし、第２コンポーネント１２を−ｙ方向に動かすことによって、第１セル引出し導電部２ないし第２セル引出し導電部６はそれぞれの出力点の領域で屈曲される。この屈曲部は、第１セル引出し導電部２に関しては参照符号３０で、第２セル引出し導電部６に関しては参照符号７０で示している。

第１コンポーネントないし第２コンポーネントの下縁はｘ方向に持ち上げられることなくｙ方向に沿って動かされ、かつ、セル引出し導電部２，６は出力点の領域で屈曲されるだけで端部と出力点との間における自身の形状を維持することができるので、上記屈曲が実施できる。

屈曲の形状は、屈曲補助装置９によって補助される。屈曲補助装置９は、とりわけ、曲げられる屈曲部３０ないし７０の所期の幾何形状のために使用される。

図１Ｃに図示された状態に引き続き、第１コンポーネント１１と第２コンポーネント１２は、端部領域４と端部領域８が屈曲補助装置９の中央バーに当接するまで互いの方に向かって動かされる。このことは図１Ｄに図示されている。しかしながらここで注意すべきことに、端部４ないし端部８は、屈曲補助装置９を取り離すことができなくなるほど屈曲補助装置９に対して強く動かされるわけではない。

図１Ｅには、屈曲補助装置９が、例えば図平面に対して垂直に手前に引き出すことによって取り離された時点が図示されている。屈曲部３０ないし７０に加えて、端部４，８の下限にさらなる屈曲部４２ないし８２が設けられている様子が明らかに見て取れる。

その後、第１コンポーネント１１と第２コンポーネント１２は、第１セルおよび第２セル引出し導電部のそれぞれの端部が互いに当接するまで、さらに互いの方に向かって接近するよう動かされる。第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とが互いに当接するとすぐに、ソノトロード１１０にエネルギが印加され、機械的な摩擦に基づいて第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部とが素材結合によって接続される。

この方法ステップは、図１Ｆに図示されている。上に説明した方法によって製造されたシステム１００は、図１Ｇに図示されている。システム１００は、第１セル１および第２セル５と第１セル引出し導電部２および第２セル引出し導電部６とを含み、第１セル引出し導電部２は第１屈曲部３０と第２屈曲部４２を有する。第２セル引出し導電部６は第１屈曲部７０と第２屈曲部８２を有する。図１Ａ〜Ｅでは見ることができた端部４および８は、接続されて１つの共通の接続部４８となっている。

構造高さをさらに低減するために、図１Ｈに図示されるように接続部４８を、さらなる折り畳み４９によって屈曲することができる。折り畳み４９はこの場合、ｘ軸からｙ軸方向への時計回りの回転運動を表す。

構造高さを低減するための別の択一的手段は、カバー１０１によって達成することができる。カバー１０１は接続部４８を押圧し、したがって第１セル引出し導電部２と第２セル引出し導電部６の２つの出力点の間に位置する構造全体をさらに下へと押圧する。もちろん、図１Ｈおよび１Ｉに図示した特徴を共に組み合わせることができる。つまり、まず折り畳み４９を実施し、その後互いに接続されたセル引出し導電部をカバー１０１によって覆うことができる。

このように、図１Ａ〜Ｉに図示した方法によって特に平坦に互いに接続された導体シートないしセル引出し導電部を製造することが可能となる。

図２に基づき、システム１００を形成する１つ以上の第１セルおよび第２セルを互いに接続するのに適当な方法を説明する。システム１００に対して左隣のシステム１００’ないし右隣のシステム１００’’が図示されており、ここではシステム１００’およびシステム１００’’は完全には図示されていない。システム１００’は完全には図示されておらず、該システム１００’の第２セル引出し導電部６’を備える第２セルだけが図示されている。図１Ａ〜Ｉにて説明したような方法が適用された場合、第２セル引出し導電部６’は反時計回りに屈曲され、図示されていないシステム１００’の第１セルと接続されることとなる。これと同様にシステム１００’’の第１セル１’’の第１セル引出し導電部２’’は、時計回りに屈曲されることとなる。第１セル１と第２セル５’との間の接続は、第１セル引出し導電部２ないし第２セル引出し導電部６’とは別個に形成された、図平面において図示のセル引出し導電部２ないし６’の後方に位置するセル引出し導電部によって行われる。同様のことが、第２セル５と第１セル１’’との間の接続にも当てはまる。

本発明の方法および本発明のシステムないしこれらの実施例によれば、個々のセルのどの極を互いに接続するかに応じて、複数のセルを互いに直列にも並列にも接続することができる。２つのセルを有するシステムの場合には、それぞれ並列に接続されたセルのブロックを互いに直列に接続することができる。これによって電圧源のための計算規則に基づいて望みの容量または電圧を実施できる。

システムにおいて互いに直列および／または並列に接続されるセルの数は、２と百ないし千の間とすることができる。例えば数千個の並列に接続されたセルを備えるシステムは、とりわけ定置用途のために重要である。

１、１’’ 第１セル
２、２’’ 第１セル引出し導電部
３ 出力点
４ 端部
５、５’’ 第２セル
６、６’’ 第２セル引出し導電部
７ 出力点
８ 端部
９ 屈曲補助装置
１０ 接続装置
１１ 第１コンポーネント
１２ 第２コンポーネント
１３ 制御装置
３０、７０、４２、８２ 屈曲部
４０、８０ 上限
４１、８１ 下限
９０、９０’、９０’’ バー
１００、１００’、１００’’ システム
１１０ ソノトロード
１２０ アンビル

Claims (9)

1. 出力点（３）にて突出する第１セル引出し導電部（２）を有する第１セル（１）と、出力点（７）にて突出する第２セル引出し導電部（６）を有する第２セル（５）と、を備えるシステム（１００）を製造する方法において、
   前記第１セル引出し導電部と前記第２セル引出し導電部は、上限（４０；８０）と下限（４１；８１）とを有するそれぞれ１つの端部（４；８）を有しており、
   前記両端部（４；８）はそれぞれ、各セル引出し導電部のうち前記出力点とは反対の領域に設けられており、前記下限（４１；８１）は前記上限（４０；８０）よりも前記出力点に近く、
   ａ）前記第１セルおよび前記第２セルを、前記第１セル引出し導電部と第２セル引出し導電部が第１軸（ｘ）の方向に延在するように、かつ互いに間隔を置いているように配置し、
   ｂ）接続装置（１０）の、第２軸（ｙ）の方向に可動の第１コンポーネント（１１）を、前記第１セル引出し導電部（２）に当接させ、前記接続装置の第２コンポーネント（１２）を、前記第２セル引出し導電部（６）に当接させ、これによって前記第１セル引出し導電部と前記第２セル引出し導電部は、前記第２軸に沿って見た場合に前記第１コンポーネントと前記第２コンポーネントとの間に位置決めされ、
   ｃ）前記第１コンポーネント（１１）によって前記第１セル引出し導電部（２）を前記第２セル引出し導電部（６）の方向に押圧し、前記第２コンポーネント（１２）を動かすことによって、および／または、前記第１セルと前記第２セルとを前記第２コンポーネントの方向に動かすことによって、前記第２セル引出し導電部（６）を前記第１セル引出し導電部（２）の方向に押圧し、この際に前記第１セル引出し導電部と前記第２セル引出し導電部とは、前記出力点（３；７）の領域で前記第２軸（ｙ）の方向に屈曲され、
   ｄ）前記第１コンポーネント（１１）および前記第２コンポーネント（１２）によって前記両端部（４；８）を互いに押し合わせ、前記両端部にエネルギを印加することによって接続（４８）を形成し、前記両端部が接続される際に、前記第１セル引出し導電部と前記第２セル引出し導電部とは、それぞれの前記下限（４１；８１）の領域で前記第１軸（ｘ）の方向に屈曲（４２；８２）され、前記第１軸（ｘ）の方向と、前記第２軸（ｙ）の方向とは互いに垂直をなす、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第２軸（ｙ）は水平成分を有している、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記接続（４８）は、素材結合による接続である、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記接続装置（１０）は超音波溶接装置であり、前記第１コンポーネント（１１）はソノトロード（１１０）を含み、前記第２コンポーネント（１２）はアンビル（１２０）を含む、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記第１セル引出し導電部と前記第２セル引出し導電部とを接続する前に、該第１セル引出し導電部と該第２セル引出し導電部との間に屈曲補助装置（９）を配置する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記屈曲補助装置は、バー形状（９０，９０’）またはＴ字形（９１）に構成されている、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記第１セル引出し導電部の端部と前記第２セル引出し導電部の端部とを接続した後、これらの端部を前記下限に沿って折り畳む（４９）、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の方法。
8. 互いに接続された前記第１セル引出し導電部（２）と前記第２セル引出し導電部（６）とを、カバー（１０１）によって覆う、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の方法。
9. 前記第１セルおよび前記第２セルはそれぞれ１つのバッテリセルまたはバッテリである、および／または、前記第１セル引出し導電部および前記第２セル引出し導電部は金属製の導体シートである、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の方法。

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