JP6513101B2 - 電気化学セルの導体の電気的接触のためのコネクタ - Google Patents

Description

本発明は、電気化学セルの導体の電気的接触のためのコネクタ、並びに電気化学セルの導体、および少なくとも２つの電気化学セルの導体間の電気的接続装置を備えたバッテリーに関している。

電気化学的蓄積器、例えば電気自動車用などの特にバッテリーから、より大きな電力を提供するためには、多数のセルを、より大きなバッテリーモジュールに統合する必要があることは公知である。十分に高い出力電圧を得るために、バッテリーモジュールのバッテリーセルは、電気的に直列に接続され、そのために交互に、スタック状に配置された隣接するバッテリーセルのアノード導体とカソード導体が相互に接続されている。十分に高い出力電流を得るために、バッテリーモジュールのバッテリーセルは、電気的に並列に接続されており、そのために、上下にスタック状に配置された隣接するバッテリーセルのアノード導体とカソード導体がそれぞれ相互に接続されている。特殊な利用に対しては、バッテリーセルの直列接続と並列接続が通常は相互に組み合わされる。ここでは接触箇所の接触抵抗が重要である。なぜならそれによって接続の電力損失が定まるからである。

現在のバッテリーブロックは、大抵の場合、コアとして交互に積層されたアノード薄膜およびカソード薄膜のスタックを有し、それぞれ分離薄膜によって相互に分離された、リチウムベースのパウチセル形態のフラットセルからなっている。この薄膜スタックは、ケーシング薄膜に収容され、これは周囲にシーリングシームを有している。平坦なカソード導体と平坦なアノード導体は、フラットセルのシーリングシームから引き出され、これらのフラットセル上下間の電気的な接続のために用いられる。

バッテリーセルの導体の相互接続のために、クランプネジを有するクランプ接続装置が公知である。しかしながらクランプネジによって発生する導体の負荷に基づいて、導体に対するそのようなクランプ接続装置は、非常に限られた条件にしか適していない。

さらに、溶接、ネジ、リベット、または場合によって接着による導体の接続も可能である。溶接は、温度の導入が生じるという欠点がある。このことは、セルが損傷しないようにするためにも回避すべきである。ネジ締めは取り付けコストの増加を引き起こす。リベットも結果的に増加する取り付けコストを伴う。接着は、プラスチックの絶縁作用に基づき、限られた条件にしか適さないが、但し特殊な接着剤によれば可能になる。ネジ接続を除いてこれらの接合方法は、反復的取り外しの不可能な接続技術とみなされる。

独国特許出願公開第１０２００８０４９８５２号明細書（ＤＥ１０２００８０４９８５２Ａ１）からは、バッテリーセル、特にパウチセルの導体の電気的接続のための装置が公知であり、ここでは、第１の接触要素が第１の案内装置と第２の案内装置とを備えており、第１の案内装置は第１の導体に当接し、第２の案内装置は、第２の導体に当接する。さらに第２の接触要素は第１の保持装置と第２の保持装置とを備え、第１の保持装置は、第１の案内装置と第１の導体とを取り囲み、第２の保持装置は第２の案内装置と第２の導体とを取り囲む。案内装置が導体に当接することによって、案内装置と導体との間の電気的接触が生じる。保持装置は、案内装置と導体とが圧着されるように案内装置と導体を取り囲んでいる。

それ故本発明の課題は、少ない電力損失のもとで簡単かつ確実な取り付けを可能にする、電気化学セルの導体の電気的接触のためのコネクタを提供することにある。

本発明のさらなる課題は、少ない電力損失のもとで簡単かつ確実な取り付けが可能であるように、電気化学セルの導体を構成すること、並びに少ない電力損失のもとで簡単かつ確実に接続できる、少なくとも２つのセルを有する電気化学的蓄積器を提供することにある。

前記課題は、独立請求項の特徴部分によって解決される。本発明の好ましい実施形態および利点は、さらなる請求項、説明および図面から明らかとなる。

本発明は、相対向する２つの平面を有しているベース要素が設けられた電気化学セルの導体の電気的接触のためのコネクタから出発している。この場合、２つの平面の少なくとも一方に、接触方向において前記平面に対して横方向に延在する１つ以上の接触要素が配置されている。

本発明による電気化学セルの導体の電気的接触のためのコネクタは、ベース要素を有しており、このベース要素は、矩形状に構成されてもよく、さらに２つの平面の少なくとも一方に、少なくとも１つの平面から突出する接触要素を有し、この接触要素は、接触のために予め穿孔された導体板に圧入され得る。この場合接触要素の数は、導体のサイズとコネクタ−導体接続部の所期の接触抵抗とに依存して可変である。電気的接続部は、大電流に対する耐性があると有利である。なぜなら特に自動車のバッテリーモジュールに使用する場合には、大きなピーク電流が発生し得るからである。従って、低い接触抵抗とそれに伴う僅かな電力損失が電気化学セルの電気的接続において求められる。このことは、並列接続された接触要素の数の増加によって助長される。

本発明によるコネクタの解決手段の特別な利点は、形成された形状結合や素材結合に基づく小さな電気的接触抵抗と同時に、結合の良好な機械的強度にある。後続の接触の際に圧入圧力が高められ、再び相応の形状結合および素材結合が達成可能であることによって、同時に、この接触は、再度の解離と再度の結合も可能になる。それにより接触の修復性が与えられる。

特に好ましくは、接触要素は、圧入方向に相応する接触方向において、その断面が縮小する。例えば接触要素は、円錐状に延在し得る。接触方向における断面の縮小により、電気化学セルの導体の対応する開口部内への圧入過程は良好に示される。なぜなら接触要素の直径が、開口部の直径に達するまで接触要素が容易に開口部内に挿入され得るからである。圧入圧力のさらなる増加と場合によりそれに起因する接触要素の塑性変形とにより、そのようなコネクタと導体との間の確実な接続が達成され得る。この形状結合的で場合により可及的に素材結合的な接続により、そのように低い接触抵抗を達成することができる。

テーパー状の断面を有する構成手段によれば、接触要素が円錐に、特に円錐台の形状に構成され、その広幅側断面は、各平面に面している。このようにして接触要素は、導体の円形の開口部に確実に圧入できるようになる。

別の実施形態では、接触要素は、角錐台の形状に構成されて、該角錐台の広幅側断面は、前記各平面に面するように構成され得る。このように構成された接触要素も、特に丸みを帯びた若しくは角張った形状の開口部内に確実に圧入可能となる。代替的に接触要素は、円形、三角形または多角形の輪郭も有し得る。

しかしながらさらなる実施形態では、接触要素が円柱状に実施され、対応する導体の面取り孔部に圧入されることも可能である。そのような接続も、接触要素のフィッティングが圧入に適するように選択された場合に、確実かつ低い接触抵抗で実施され得る。

この場合はまた、コネクタの接触要素が、取り違えられることなく導体に接続され得るように構成および／または配置されていてもよい。このためにコネクタの接触要素は、例えば断面および／または配置構成がコネクタ上の他の領域の断面および／または配置構成と異なっている領域を有し得る。

好ましくは、コネクタは、熱伝導性媒体に熱結合可能であってもよい。各電気化学セル、例えばバッテリーセルは、電流供給においても電流受け入れにおいても、電池モジュール全体の温度上昇につながる可能性のある熱を発生する。セルおよび／またはセルから統合されたモジュールの損傷を回避するために、一方では損失熱が確実に放出されるべきであり、他方では低い外気温の場合でも電池モジュールの温度調整を可能にすべきである。それ故、コネクタが熱伝導性媒体に接続可能であることは好ましい。このことは、例えば相応の冷却要素若しくは冷却管路をコネクタのベース要素に取り付けることによって行うことが可能である。

好ましくは、接触要素は、１つ以上の平面で規則的に離間した行および列のマトリックス状に配置されている。そのため電気化学セルの導体内への接触要素の圧入の際に、コネクタと導体の安定した永続的な結合を得るための良好な機械的強度値を達成することが可能になる。

好ましくはコネクタが高熱伝導性の金属から形成されていてもよい。

本発明のさらなる態様によれば、ベース体を備えた電気化学セルの導体が提案されており、前記ベース体は、部分的に前記セル内へ突入し、かつ部分的に前記セルから突出するように設けられており、前記突出領域は、開口部を有しており、該開口部は、前述したコネクタの対応する接触要素を収容するように構成されている。

好ましくは、この場合開口部の少なくとも一部は、丸い形状を有し得る。そのような形状は、低い接触抵抗のもとで確実かつ永続的な接触を保証するために、円錐台状の接触要素の圧入に対して良好に適している。

さらなる実施形態では、開口部の少なくとも一部は、角張って構成されていてもよい。この形状も、低い接触抵抗のもとで確実かつ永続的な接触を保証するために、角錐台状の接触要素の圧入に対して良好に適している。

本発明のさらなる態様によれば、少なくとも２つの電気化学セルの導体間の電気的接続装置を備えた電気化学的蓄積器が提案されており、この場合ベース要素は相対向する２つの平面を備えている。ここでは前記２つの平面の少なくとも一方に、１つ以上の接触要素が配置されており、該接触要素の断面は、接触方向において前記平面の少なくとも一方に対して横方向にテーパー状になっており、さらに前記接触要素の断面は、接触方向における電気的接触のために、導体に対する横方向でそのために前記導体に配置されている対応する開口部内に圧入可能かまたは圧入されている。

電気化学的蓄積器として、バッテリーや蓄電池が使用可能である。また燃料電池も考えられる。

電気的接続装置の本発明による解決手段の特別な利点は、形成された形状結合や素材結合に基づく小さな電気的接触抵抗と同時に、結合の良好な機械的強度にある。好ましくはこの接触は、後続の接触の際に圧入圧力が高められ、それによって再び相応の形状結合及び素材結合が達成可能であることによって再度の解離と再度の接続も可能である。

好ましい実施形態では、ベース要素の相対向する２つの平面に、１つ以上の接触要素が配置されてもよい。それにより接続装置は、介在するコネクタを両側で導体内へ圧入することによって、隣接する２つの電気化学セルの導体の接触を置き換えることができる。

好ましくは、導体の開口部は、前記開口部内への接触要素の圧入の際にそれに対応する前記接触要素の最大横寸法よりも小さい横寸法を有している。このようにして、接触要素が、導体の開口部内へ相応の圧入圧力での圧入の際に接点に近づき、圧入圧力の増加のもとで素材結合による接触が生じ得ることが保証される。

また好ましくは、ベース要素は、損失熱を電気化学的蓄積器から放出するために設けられている熱伝導性媒体に熱伝導的に接続されている。例えばコネクタは熱伝導管路に結合可能であってもよいし、かつ／または少なくとも部分的に熱伝導性のペーストに埋め込まれていてもよい。それにより、電気化学セル内の化学的プロセス並びに接触部の接触抵抗によって生じた損失熱が良好に放出され得る。その上さらに電気化学的蓄積器は、低温の際に、例えば車両の冷間時始動の際に、熱供給によって適切な動作温度まで設定することが可能である。

さらなる利点は、以下の図面に基づく説明から明らかとなる。図面には本発明の実施形態が示されている。これらの図面、説明、特許請求の範囲には多くの特徴の組み合わせが含まれる。当業者であるならば、これらの特徴を便宜的に個別に観察し、有意なさらなる組み合わせに統合し得る。

ベース要素の平面の一方に接触要素が配置されている本発明の一実施形態による電気化学セルの導体の電気的接触のためのコネクタの斜視図 ベース要素の２つの平面に接触要素が配置されている本発明のさらなる実施形態による電気化学セルの導体の電気的接触のためのコネクタの斜視図 本発明の一実施形態による電気化学セルの導体の斜視図 本発明の一実施形態による、圧入されたコネクタを有する電気化学セルの導体の斜視図 本発明の一実施形態による電気的接続装置を有する複数の電気化学セルからなるバッテリーモジュールの斜視図

これらの図面においては、同一若しくは同種の構成要素には同一符号が付されている。これらの図面は例示にすぎず、限定的に理解されるべきではない。

図１には、本発明の一実施形態による、電気化学セル、特にバッテリーセルの導体の電気的接触のためのコネクタ１０の斜視図が示されている。ここではコネクタ１０のベース要素１６の１つの平面１８に、多数の接触要素１２が配置されている。これらの接触要素１２は、接触方向１００において、平面１８，２０に対して横方向に延在している。接触要素１２は、図示の実施形態では角錐台の形状で構成されており、その広幅側断面は、平面１８に面している。しかしながら代替的に接触要素１２は、円錐状に延在するかまたは円錐台の形状で構成されていてもよい。接触要素１２は、コネクタ１０と導体５２との間で接点の数をより多く形成するために、１つ以上の平面１８，２０でマトリックス状に配置されている。接触要素１２が圧入される導体の開口部（図示せず）は、この場合良好な方法で、開口部内への接触要素１２の圧入の際にそれに対応する接触要素１２の最大横寸法１４よりも小さい横寸法を有している。

コネクタ１０は、熱伝導性媒体と熱結合可能であり、このことは例えばネジ山を介して相応の冷却要素若しくは冷却管路を、コネクタ１０のベース要素１６に取り付けることによって行うことが可能である。

図２には、さらに本発明のさらなる実施形態によるコネクタ１０の斜視図が示されており、ここでは、コネクタ１０のベース要素１６の両方の平面１８，２０に、接触要素１２が配置されており、それらは接触方向１００において平面１８，２０に対して横方向に延在している。これらの接触要素１２は、図１に示されているのと同様に実施される。ベース要素１６の両方の平面１８，２０への配置構成により、電気化学セルの並列接続の場合には２つのアノード導体を接続し、電気化学セル５０，６０の直列接続の場合には、アノード導体をカソード導体に接続することによって、相互に隣接して配置された２つの電気化学セルをコネクタ１０で接続することが可能になる。

図３には、本発明の一実施形態による電気化学セル（図示せず）の導体５２の斜視図が示されている。この導体５２は、ベース体５５を備えており、該ベース体は、１つの領域５１によってセル内へ突入し、かつ、１つの領域５３によってセルから突出するように設けられており、この場合導体５２のセル内へ突入する部分は当該セル内でアノード薄膜若しくはカソード薄膜に接続している。前記突出領域５３は、開口部５４を有しており、該開口部は、コネクタ１０（図１，図２）の対応する接触要素１２を収容するように構成されている。この開口部５４は、丸い形状を有しており、従って例えば導体薄板内の単純な孔部によって実現されていてもよい。それにより開口部５４は、例えば丸い円錐状に延在する円錐台状または角錐台状の接触要素１２を収容可能である。代替的に開口部５４は、例えばピラミッド状の接触要素１２を収容するために角張って構成されていてもよい。コネクタ１０（図１，図２）の接触要素１２が圧入される導体５２の開口部５４は、この場合良好な方法で、開口部５４内への接触要素１２の圧入の際にそれに対応する接触要素１２の最大横寸法１４よりも小さい横寸法５８を有している。

図４には、本発明の一実施形態による圧入されたコネクタ１０を備えた電気化学セル（図示せず）の導体５２の斜視図が示されている。このコネクタ１０は、図４において下から導体５２の突出領域５３において接触要素１２が開口部５４内へ挿入され、ピラミッド状に構成された接触要素１２が導体５２の開口部５４内に当接するまで圧入される。さらに高められた圧入圧力により、接触要素１２と導体５２との形状結合や素材結合を達成することが可能である。そのためコネクタ１０と導体５２との間で固定的でかつ永続的な接触が実現される。導体５２の開口部５４は、それに対して開口部５４内への接触要素１２の圧入の際にそれに対応する接触要素１２の最大横寸法１４（図１，図２）よりも小さい横寸法５８を有している。

図５には、複数のセル５０，６０，７０，８０，９０からなるモジュール３００の形態の電気化学的蓄積器の斜視図が認められ、これは本発明の一実施形態によるセル５０，６０，７０，８０，９０の電気的接触のための接続装置２００に接続されている。このモジュール３００は、この場合例えばリチウムベースのバッテリーに頻繁に使用されるようないわゆるパウチセルの構成の複数のスタック状に相互に隣接して配置されたセル５０，６０，７０，８０，９０からなっている。

電気的接続装置２００は、図１および図２で説明したように、コネクタ１０と共に示されている。例えば２つの電気化学セル５０および６０の導体５２と６２の間には、図２で説明したようなコネクタ１０との接触部が示されている。この場合コネクタ１０は、そのベース要素１６の両平面に接触要素１２を有しており、それらは接触方向１００における電気的接触のために、導体５２，６２に対して横方向で、それのために当該導体５２，６２内に配置されている相応の開口部５４内へ圧入されている。

同様に、さらなる隣接セル６０，７０，８０および９０の導体７２，８２，６６，７６，８６，９６の間の接続装置２００が示されており、それによりモジュール３００は、隣接するセル５０，６０，７０，８０，９０の相互に接触する導体６６と７６並びに導体７２と８２、８６と９６がそれぞれアノード導体とカソード導体を表す場合には、直列に接続されている。個々のセル５０，６０，７０，８０，９０の個別電圧の総和としてのモジュール３００の総電圧は、そのようなセル５０，６０，７０，８０，９０の相互接続の場合、導体５６と９２の間で取り出し可能である。

好ましい実施形態では、コネクタ１０のベース要素１６は、バッテリーセルおよび／または接続装置２００内で発生した熱を放出するために、またはセル５０，６０，７０，８０，９０を所望の適切な動作温度に設定するために、熱伝導性媒体に熱伝導的に接続してもよい。

１０ コネクタ装置（コネクタ）
１２ 接触要素
１４ 横寸法
１６ ベース要素
１８ 平面
２０ 平面
５０ 電気化学セル
５１ 突入領域
５２ 導体
５３ 突出領域
５４ 開口部
５５ ベース体
５６ 導体
５８ 横寸法
６０ 電気化学セル
６２ 導体
６６ 導体
７０ 電気化学セル
７２ 導体
７６ 導体
８０ 電気化学セル
８２ 導体
８６ 導体
９０ 電気化学セル
９２ 導体
９６ 導体
１００ 接触方向
２００ 接続装置
３００ 電気化学的蓄積器

Claims (13)

1. 電気化学セル（５０，６０，７０，８０，９０）の導体（５２，６２，７２，８２，９２，５６，６６，７６，８６，９６）の電気的接触のためのコネクタ（１０）であって、
   相対向する２つの平面（１８，２０）を有するベース要素（１６）が設けられており、
   前記２つの平面（１８，２０）の少なくとも一方に、前記平面（１８，２０）に対して垂直な接触方向（１００）に延在する少なくとも３つの接触要素（１２）が等間隔に配置されていることを特徴とする、
   コネクタ（１０）。
2. 前記接触要素（１２）は、前記接触方向（１００）においてその断面が縮小している、
   請求項１記載のコネクタ。
3. 前記接触要素（１２）の少なくとも１つは、円錐台の形状に構成されており、前記円錐台の広幅側断面は、前記各平面（１８，２０）に面している、
   請求項１または２記載のコネクタ。
4. 前記接触要素（１２）の少なくとも１つは、角錐台の形状に構成されており、前記角錐台の広幅側断面は、前記各平面（１８，２０）に面している、
   請求項１から３いずれか１項記載のコネクタ。
5. 前記接触要素（１２）は、マトリックス状に、等間隔の行列として、前記平面（１８，２０）の一方または両方に配置されている、
   請求項１から４いずれか１項記載のコネクタ。
6. ベース体（５５）を備えた電気化学セル（５０，６０，７０，８０，９０）の導体（５２，６２，７２，８２，９２，５６，６６，７６，８６，９６）であって、
   前記ベース体は、
   １つの領域（５１）によって部分的に前記電気化学セル（５０，６０，７０，８０，９０）内へ突入し、かつ、１つの領域（５３）によって部分的に前記電気化学セル（５０，６０，７０，８０，９０）から突出するように設けられており、
   突出領域（５３）は、開口部（５４）を有しており、前記開口部（５４）は、請求項１から５いずれか１項記載のコネクタ（１０）の対応する接触要素（１２）を収容するように構成されていることを特徴とする、
   導体（５２，６２，７２，８２，９２，５６，６６，７６，８６，９６）。
7. 前記開口部（５４）の少なくとも１つは、丸い断面を有している、
   請求項６記載の導体。
8. 前記開口部（５４）の少なくとも１つは、角張った断面を備えるように構成されている、
   請求項６または７記載の導体。
9. 前記開口部（５４）は、マトリックス状に、等間隔の行列として配置されている、
   請求項６から８いずれか１項記載の導体。
10. 少なくとも２つの蓄積器セル（５０，６０，７０，８０，９０）の導体（５２，６２，７２，８２，９２，５６，６６，７６，８６，９６）間の電気的接続装置（２００）を備えた電気化学的蓄積器（３００）であって、
    前記電気的接続装置（２００）は、相対向する２つの平面（１８，２０）を有するベース要素（１６）を備えており、
    前記２つの平面（１８，２０）の少なくとも一方に、少なくとも３つの接触要素（１２）が等間隔に配置されており、前記接触要素の断面は、前記平面（１８，２０）の少なくとも一方に対して垂直な接触方向（１００）においてテーパー状になっており、さらに前記接触要素の断面は、電気的な接触のために、前記導体（５２，６２，７２，８２，９２，５６，６６，７６，８６，９６）に対して垂直な前記接触方向（１００）に、そのために前記導体（５２，６２，７２，８２，９２，５６，６６，７６，８６，９６）に配置されている対応する開口部（５４）内に圧入可能かまたは圧入されていることを特徴とする、
    電気化学的蓄積器（３００）。
11. 前記ベース要素（１６）の前記相対向する２つの平面（１８，２０）に、１つ以上の接触要素（１２）が配置されている、
    請求項１０記載の電気化学的蓄積器。
12. 前記導体（５２，６２，７２，８２，９２，５６，６６，７６，８６，９６）の前記開口部（５４）は、前記開口部（５４）内への前記接触要素（１２）の圧入の際にそれに対応する前記接触要素（１２）の最大横寸法（１４）よりも小さい横寸法（５８）を有している、
    請求項１０または１１記載の電気化学的蓄積器。
13. 前記ベース要素（１６）は、熱伝導性媒体に熱伝導的に接続されている、
    請求項１０から１２いずれか１項記載の電気化学的蓄積器。

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