JP7158786B2 - バッテリーセルモジュール、バッテリーセルモジュールを製造するための位置決め装置、およびバッテリーセルモジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電気エネルギーを貯蔵するバッテリーセルモジュール、特に例えば、電気スクーター、電気自動車、電気トラック、電気商用車両、等の電動車両に使用されるバッテリーセルモジュール、ならびに電気貯蔵システムに関する。このバッテリーセルモジュールには、長くて、特に円筒形の複数のバッテリーセルが備えられ、これらはコンタクトシートおよびコンタクトシートコネクタを介して、電気的にかつ機械的に固く相互接続されている。本発明はさらに、バッテリーセルモジュールを製造するための位置決め装置およびバッテリーセルモジュールの製造方法に関する。

バッテリーセルモジュールの問題点の１つに、モジュールが作動中に、特に高負荷の下で強く加熱され、その結果膨張するというものがある。温度に依存した容積変化、特にバッテリーセルの外周に対する容積変化は、個々のバッテリーセルを互いに直接接触させて隣接配置させることができないことを意味する。結果生じる圧力によって、セル、特にセルコネクター、またはモジュールの全部が損傷するかもしれないという虞がある。したがって、バッテリーセルモジュールを製造する際には、個々のバッテリーセルに想定される熱膨張に基づいて、バッテリーセル間の間隔を確保する必要がある。同時に、一方では性能要件およびエネルギー蓄積能力への高まる需要、他方では電動車両に利用することのできる限られたスペースによって、出来るだけ数多くのセルを小さな空間に詰め込む必要性が生じる。車両分野における別の一定の開発目標としては、材料と重量を抑えることで、コストを下げ、エネルギー効率を高めるというものがある。

米国特許第７，３３２，２４３号明細書には、容器を用いて互いに定められた相対位置に保持された複数の円筒状バッテリーセルを備えたバッテリーセルモジュールが、記載されている。この目的のため当該容器は、各バッテリーセル用に、隔離された区画を有する。これらにおいて、バッテリーセルは直立姿勢で互いに隔離されると同時に、互いに相補的に配置される。したがって当該容器はセルホルダーとして機能する一方で、他方では、個々のバッテリーセルを個別に保持することによって、セルを一定の距離に保つセパレーターとして機能する。

米国特許第８，５１９，７１５号明細書には、バッテリーセルブロックを製造するためのシステムが開示されている。把持装置が示されており、これを用いて複数のバッテリーセルを持ち上げ、ラインごとに移動させることができる。この把持装置は、磁石または吸引装置を用いて円筒状セルの上面に係合する。この把持装置は、セルをラインごとにバッテリーセル容器の中に配置させる目的のために使用されている。同様の装置は欧州特許出願公開第１６８９００９号明細書、米国特許出願公開第２００９／０２９７８９２号明細書、または米国特許第２０１１／０２２３７７６号明細書で公知となっている。

この場合の欠点としては、バッテリーモジュールを製造するため、特に溶接プロセスでバッテリーセルを位置決めさせるために、またバッテリーセルを互いに空間的に分離させるために、容器の形態を有する別の構成が必要とされる点にある。

したがって本発明の目的は、従来技術の欠点を克服することであって、特にコンパクトで材料を抑えた設計を用いて、熱膨張によるストレスを回避することができる程度に、電動車両に使用されるバッテリーセルモジュールを改善する点にある。

本発明によれば、この問題は、独立請求項に係る特徴によって解決される。さらに有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、長手軸が互いに平行となるように整列した、複数の長く特に円筒状のバッテリーセルを備えることのできる電動車両用のバッテリーセルモジュールが提供されることが想定され、バッテリーセルは、第１列目のバッテリーセルが第２列目のバッテリーセルと平行に延びるようにして配置され、何れの場合も２つのバッテリーセルを互いにペアとなって対向するように配置させることが可能となり、何れの場合にも、向かい合うそれぞれのバッテリーセルを、少なくとも１つのコンタクトシートを用いて、互いに電気的にかつ機械的に強固に接続させることが可能となり、また前記複数のバッテリーセルは何れも、前記複数のバッテリーセルの円筒形状の外表面が物理的に接触せず、また前記複数のバッテリーセルの間にはそれぞれ、熱的に誘発されると予想される前記複数のバッテリーセルの周囲方向の膨張のために形成された隙間が設けられる、ように互いが位置決めされる。さらに、隣り合うコンタクトシートは、何れも少なくとも１つのコンタクトシートコネクタを使用して、それぞれ互いに電気的にかつ機械的に強固に接続することができ、この少なくとも１つのコンタクトシートコネクタによりそれぞれ互いに接続されたバッテリーセルが、それぞれ少なくとも１つのコンタクトシートにより、互いに離間したまま保たれるようにすることができる。さらに、この少なくとも１つのコンタクトシートコネクタにより相互接続されたバッテリーセルのペアはそれぞれ、この少なくとも１つのコンタクトシートコネクタにより互いに離間させて保持することができる。長いバッテリーセルは、長手方向の広がりに対して、長手軸に垂直な平面に小さな広がりを有する。円筒状バッテリーセルの長手軸はその回転軸に対応する。バッテリーセルのペアはコンタクトシートを介して互いに連結されるが、これはバッテリーセルペアの両方のバッテリーセルに直接取付けられる。対して、隣り合うバッテリーセルは、コンタクトシートを介しては互いに直接接続されない。隣り合うバッテリーセルは、第１バッテリーセルペアのコンタクトシート、第２バッテリーセルペアのコンタクトシート、およびそれぞれのコンタクトシートを接続するコンタクトシートコネクタ、を介して互いに間接的に接続されている。相互接続されたコンタクトシートおよびコンタクトシートコネクタは、溶接されているか一体となっているかにかかわらず、総じてセルコネクタと呼ばれる場合がある。セルコネクタまたはコネクタを用いることで、バッテリーセルモジュールに、相対的なセルの位置を決める追加のセルホルダーが必要とされなくなる。一以上のセルコネクタを使用することで、さらには、個々のセルのスペースを確保し、またはセルをお互い所定の距離に保つための追加手段が不要となる。

例えば、バッテリーセルモジュールは、様々な数の平行セルを有することができるように、水平方向にスケールさせることができる。したがって、最大となる数を特定することなく、対向する少なくとも２つまたはこれらの倍数のセルを、共に溶接することができる。少数のセルが並列で設けられる場合、例えば２，４，６，８個の小さなバッテリーシステム（電動ツール、ロボット、E-バイク）を例えば構築することができる。例えば１０，１２，１４，１６個の中くらいの数の並列セルがあれば、スクーター用、２輪車用、または小型車両用のバッテリーシステムを構築することができる。例えば１８，２０，２２，２４，２６個またはそれ以上の多数の並列セルがあれば、自動車用途、貯蔵システム用およびボート用のシステムを構築することができる。数個のバッテリーセルモジュールを相互接続することで、特に好ましくは１３個のバッテリーセルモジュールを有するいわゆるマクロモジュールを形成することができる。このモジュールシステムによれば、例えば電気スクーター、電気自動車、または貯蔵バッテリーなどの様々な用途について、適切なモジュールサイズを提供することができる。さらに複数のマクロモジュールを、例えば８，１６，２４，３２または４０個のマクロモジュールを有する業界特有の総合システムに使用されるバッテリーシステムに、統合することができる。このスケール可能なモジュールの概念は、電力の範囲と容量を、それぞれの用途に合わせて個々に適応させることができることを意味する。

バッテリーセル（２）の長手軸Ｘ同士の間の距離は、バッテリーセルが外表面に接触せず、隣り合い対向するバッテリーセルの間に自由空間が形成されるように選択することができる。セルを接続するコンタクトシートは、好ましくはセルのコンタクト面に対して寸法決めされるか溶接され、コンタクトシートが、接続されるセルの２つの長手軸からそれぞれのセルの外周までの距離を乗り越え、さらに作動中に予想される熱膨張のために維持されるセルギャップを橋渡しするようになっている。加えて、コンタクトシートをコンタクト面に取り付ける際にバッテリーセルの（複数の）長手軸の正確な位置から逸脱した場合の、製造上の公差、またはモジュール製造の際にセルの互いの位置決めにおける変位を補うための製造上の公差を、好ましくは提供することができる。さらに、セルの耐用年数に渡って予想されるセルの膨張を、セル間に提供される自由スペースの距離寸法に考慮することができる。

この距離は、バッテリーセルの長手軸に垂直な平面におけるバッテリーセルの外寸法同士の距離から測定される。距離はセルを互いに位置決めし、コンタクトシートまたはコンタクトシートコネクタを介して共に強固に溶接することにより、調節することができる。

さらに隣り合うバッテリーセルペアを互い違いにし、第１列および第２列のバッテリーセルをジグザク状にして平行にすることができる。好ましくは、個々のバッテリーセルペア同士の互い違いは、第１バッテリーセルペアのバッテリーセルの１つの外周が、隣り合う第２バッテリーセルペアのセル同士の間の自由スペースに突出し、この自由スペースに突出するバッテリーセルの長手軸が、第２バッテリーセルペアの長手軸間の中点の位置にあるようにして選択される。このためこのセルは、隣り合うバッテリーセルペアのセル間の中心に置かれる。この配置の利点はバッテリーセルペア間の横方向の距離が最小限になり、同時に直接隣り合う全てのバッテリーセル間に熱膨張用の隙間を確保することができる点にある。このジグザク形状は隣り合うコンタクトシートコネクタの向きが反対向きとなり、あるコンタクトコネクタの一つおいて隣りのコンタクトコネクタの向きが、その向きに対応するように設計されている。

さらにこのジグザグ形状は、隣り合うバッテリーセルの全ての長手軸が互いに同じ距離を有するように選択することができる。これは隣り合う３つのバッテリーセルの長手軸が何れも正三角形を形成することを意味する。

さらに、バッテリーセルは、長手軸に沿って互いの間隔をあけて、その上側と底側に、コンタクト面を備えることができ、コンタクトシートを用いて接続されたバッテリーセルのコンタクトシートのうち少なくとも１つが、両方の上側および／または両方の底側において、接続されたバッテリーセルのそれぞれのコンタクト面に固定、特に溶接により固定される。とりわけ、超音波溶接、レーザー溶接、タングステン不活性ガス（ティグ）溶接が好適な溶接法である。円筒形状のバッテリーセルは好ましくは、長手軸の周りで回転対称性を有する円筒体を有しており、またその上側と下側にそれぞれ、セルに接触させるためのコンタクト面を有しており、正極端子と負極端子をバッテリーセルの上側と下側に設ける事が可能である。

さらに、この少なくとも１つのコンタクトシートコネクタを、これにより接続され互いに隣り合うコンタクトシートと、一体的に形成することができる。コンタクトシートコネクタは、バッテリーセルペアの互いの配置に適合した形状を有することができる。バッテリーセルペアが互い違いになっていない場合、コンタクトシートコネクタは長方形の形状を有することができる。バッテリーセルが互い違いになっている場合、コンタクトシートコネクタは好ましくはひし形の外形を有することができる。この変化可能に適合可能な外形の利点としては、これによりコンタクトシートの側面に隣り合うコンタクトシートコネクタの端面が平坦になる事が確実になる点がある。

さらに少なくとも１つのコンタクトシートに、２つのコンタクト部と、これらコンタクト部を連結する１つの中央ウェブと、を設けることができ、これらコンタクト部はその各末端が丸みを帯びている。さらにコンタクト部を中央ウェブから段状状に曲げることで、隆起したどのようなバッテリーセルの端部でも乗り越えることができる。これによりコンタクト部を同じ面に好ましくは整列して配置することができる。好ましくは、コンタクト部は、バッテリーセルのコンタクト面に対して面が平行に整列している。

コンタクトシートコネクタはコンタクトシートと共に、一体型のシートとして形成することができる。場合によってはコンタクトシートおよびコンタクトシートコネクタを別々に形成した後に溶接することでユニットを形成するか、または他の方法で電気的にかつ機械的に接続することができる。この目的のために、コンタクトシートコネクタに少なくとも２つの対向する端面を設けることができ、これら端面が何れも接続されたコンタクトシートの側面に接続される。一体的なシートまたはコンタクトシート、ならびにコンタクトシートコネクタは、別個に所望の形状に打ち出すことができる。

さらに本発明によれば、複数の位置決め要素を保持するキャリア要素を備えた、電動車両用のバッテリーセルモジュールを製造するための位置決め装置を提供することを意図しており、この位置決め要素のうち少なくとも１つが、キャリア要素から反対を向く少なくとも１つのバッテリーセル受けと、少なくとも１つの位置決めアームとを有することができ、この位置決めアームはその側面をバッテリーセル受けから背けてキャリア要素に接続され、この少なくとも１つのバッテリーセル受けは、長く特に円筒形状のバッテリーセルの外周部を受け入れるか、および／またはこれを固定するように設計されている。

位置決め装置は、溶接のため複数のバッテリーセルを位置決めすることでバッテリーセルモジュールを形成し、バッテリーセルが当該装置により互いに間隔の空いた溶接位置に置かれるようになるという利点を特に有している。バッテリーセルを周囲から把持することにより、バッテリーセルを位置決め装置で保持しながら、セルの上と底の両方に溶接作業を行うことができる。

キャリア要素は、複数の位置決め要素を保持するように構成された当接面を備えることができる。キャリア要素には、各位置決め要素に対して関連する貫通開口部を設けることができる。貫通孔が何れもバッテリーセル受けに開口することで、それぞれのセルを吸引または固定するための真空をそこに生じさせることができる。バッテリーセルホルダーは、さらに少なくとも１つの真空グリッパーを備えることができる。キャリア要素は、位置決め要素から背く側に真空だめを備えることができ、この真空だめに向かってそれぞれの貫通開口部が開口している。真空だめは溝状の凹部とすることができる。真空だめは閉鎖要素を用いて閉鎖することができ、この閉鎖要素はキャリアシートの裏に固定することができる。この目的のために閉鎖要素に貫通孔を設けることができ、これら貫通孔はキャリア要素の対応する止まり穴に通じている。閉鎖要素とキャリア要素の間に真空だめを取り囲む環状封止部を設ける事が可能で、これは真空だめを流体密に封止する。閉鎖要素は真空接続部を有することができる。真空接続部は真空だめに通じる貫通孔とすることができる。さらに閉鎖要素にロボット取付部を提供することができ、これにより位置決め装置を工業ロボットで把持させることができる。

真空を用いてセルを固定する代わりに、バッテリーセルホルダーに何れも、少なくとも１つの磁石もしくは電磁石を設け、これを用いてバッテリーセルを周囲から把持することが考えられる。

例えば、バッテリーセルホルダーを位置決めアームと一体的に形成することができる。バッテリーセルホルダーには好ましくは開口部を囲う吸引要素が設けられ、これらはバッテリーホルダーと把持されているバッテリーセルとの間に流体密な接続を形成するように設計されている。バッテリーセル受けは、バッテリーセルの外周部に相補的な形状、特に凹形状の形状を有することができる。バッテリーセル受けは何れも、バッテリーセル受けの下端または上端に停止部を備えることができる。停止部はバッテリーセル受けに受け入れられたバッテリーセルを共通の高さに調節するように機能する。停止部はバッテリーセル受けを上端または下端に制限する突出リップとして設計することができる。

周囲から把持する代わりに、バッテリーセルホルダーに各々設けられた２つの把持トングの間にセルを挟むことで、セルを各々保持することを考えることができ、これらはセルを上から下に長手方向に挟み込む。把持トングのうち少なくとも１つを水平方向または垂直方向に調節可能とすることで、バッテリーセルをまずピックアップしてから把持トングの間に固定させることができる。セルは把持具の間に固定され、把持具がセルの末端領域だけを把持することで、コンタクトシートとコンタクトシートコネクタを設置して溶接するために十分なスペースができるようになっている。

この場合、複数の位置決め要素をキャリア要素の上で互いに距離を置くようにして並べて配置させることができ、隣り合う位置決め要素の位置決めアームの長さを異ならせることで、各バッテリーセル受けをキャリア要素から様々な距離を置いて離して配向させることができる。位置決め要素のスペーシングまたは位置決めアームの長さの差は、位置決め要素により受け入れられたバッテリーセルがこれらの外縁に接触せず、さらにこれらの外縁同士の間に所定の自由空間ｄが設けられるようにして、好ましくは選択される。キャリア要素上の位置決め要素のスペーシングは、特に位置決めアームの長さの差よりも因子√３だけ大きくすることができる。

さらに複数の位置決め要素のバッテリーセル受けは、固定されたバッテリーセルの長手軸を互いに平行にして整列可能とし、バッテリーセルは、バッテリーセルの外表面を互いに接触させずに配列可能であって、隣り合うバッテリーセルの間にそれぞれ自由スペースが形成できるようにして、互いに配置させることができる。

さらに、位置決め要素は、キャリア要素の貫通開口部を、バッテリーセル受けに通じる開口部に接続する少なくとも１つの真空ラインを備えることができる。キャリア要素のコンタクト面と位置決め要素のコンタクト部との間には、真空ラインを流体密に封止するための封止要素を設けることができる。好ましくは、各位置決め要素に対して２つの真空ラインを設けることができる。真空ラインは好ましくは何れも真空だめに通じており、この真空だめはキャリア要素の後側の位置決め要素に背いて向く側に設けられる。

さらに本発明によれば、電動車両用のバッテリーセルモジュールを製造する方法が提供され、当該方法には、
・第１位置決め装置を用いて、少なくとも２つのバッテリーセルを隣り合わせにかつ距離を置いて収容するステップと、
・第２位置決め装置を用いて、少なくとも２つのバッテリーセルを隣り合わせにかつ距離を置いて収容するステップと、
・前記第１位置決め装置によって受け入れられたバッテリーセルが、前記第２位置決め装置によって受け入れられたバッテリーセルに対して、距離が置かれ対向する位置に移動するようにして、前記第１位置決め装置および前記第２位置決め装置を動かすステップと、
・前記第１位置決め装置によって受け入れられた第１バッテリーセルをそれぞれ、前記第１バッテリーセルに対向し、前記第２位置決め装置によって受け入れられている、それぞれの第２バッテリーセルに、何れも少なくとも１つのコンタクトシートを用いて溶接することで、バッテリーセルペアをそれぞれ形成するステップであって、隣り合う少なくとも２つのコンタクトシートが、前記コンタクトシートを接続するコンタクトシートコネクタと一体的に形成されているステップと、が備えられている。

上記実施形態の１つに従って２つの位置決め装置が使用され、両方の位置決め装置の位置決めアームが互いに相補的になり、対向する位置決めアームの長さの差が、隣り合う位置決めアームと同じ長さの差となるように設計することができる。このため、これら位置決め装置を互いに対向させる場合、位置決め要素の長い方と短い方を互いに対向させることができる。

バッテリーセルのピックアップには機械的な把持具を用いた把持と、真空により作動するする装置を用いた把持が含まれる。位置決め装置の移動は、旋回装置を用いて、あるいはロボットを用いて実現することができる。溶接としては、バッテリーセルの上部および／または底部での溶接が含まれる場合がある。何れの場合にも、受け入れられたバッテリーセルはまず、上側または下側が溶接され、その後位置決め装置が約１８０°旋回して、残りの側が続けて溶接されることが想定される。

さらに、第１位置決め装置および第２位置決め装置にそれぞれ収容されているバッテリーセルも、バッテリーセルペアについてそれぞれ対向する各バッテリーセルも、外表面が接触しておらず、隣り合うバッテリーセルの間にそれぞれ自由スペースが形成されるようになっている。好ましくは、対向するバッテリーセルの間に形成される隙間は、隣り合うバッテリーセルの間の隙間に対応する。好ましくは、コンタクトシートとコンタクトシートコネクタはそれぞれ強固に溶接されており、溶接前にバッテリーセル同士の間に存在していた自由スペースが、溶接後の自由スペースに対応するようになっている。したがってこれらの隙間は、溶接前には位置決め装置によって、また溶接後にはコンタクトシートまたはコンタクトシートコネクタによって、創出される。

特に、少なくとも１つのコンタクトシートを用いてバッテリーセルをそれぞれ溶接することでバッテリーセルペアをそれぞれ形成することには、前記少なくとも１つのコンタクトシートを、前記第１バッテリーセルおよび前記第２バッテリーセルのバッテリーセル上側にそれぞれ溶接し、および／または、前記少なくとも１つのコンタクトシートを、前記第１バッテリーセルおよび前記第２バッテリーセルのバッテリーセル底側にそれぞれ溶接することが含まれる場合がある。

一体的に連結されたコンタクトシートとコンタクトシートコネクタのシートは、把持装置を用いて把持され、その後の溶接プロセスのために並んで位置決めされたバッテリーセルの上に整列させることができる。把持装置はシート面に係合する真空グリッパーとすることができる。場合によっては、把持装置はシートを横から把持する機械的な把持具とすることができる。

本発明のさらなる特徴、利点および特性は、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明に認めることができ、下記の通りである。

コンタクトシートとコンタクトシートコネクタを介して互いに接続された円筒状バッテリーセルを有するバッテリーセルモジュールの上側の斜視図である。 コンタクトシートとコンタクトシートコネクタを介して互いに接続された円筒状バッテリーセルを有するバッテリーセルモジュールの底側の斜視図である。 間隔が空けられたバッテリーセルを有するバッテリーセルモジュールの上面図である。 コンタクトシートとコンタクトシートコネクタとから構成される一体型のセルコネクタに関する斜視図である。 位置決めアームとバッテリーセル受けを有する位置決め装置の斜視図である。 位置決め装置およびバッテリーセル受けの上面図である。 隣り合うバッテリーセル受けおよび真空グリッパーを有する位置決め装置の正面図である。 キャリア要素に配置された位置決め要素と真空だめを備える位置決め装置の後面斜視図である。 閉鎖要素が設置された位置決め装置の背面図である。 隣り合う位置決めアームが何れも対向する位置決めアームと同じ長さの差を有するように配置された２つの位置決め装置の配置を表す上面図である。 位置決め装置に受け入れられたマイクロモジュールの正面図である。 位置決め装置に受け入れられたマイクロモジュールの背面図である。

図１および図２にはそれぞれ、ジグザグ状に２つ並んで配置された複数の伸長円筒状のバッテリーセルを有するバッテリーセルモジュール１００が図示されている。このジグザグ形状は、隣り合うバッテリーセルペア１２の各々が、互いに相補的になっており、バッテリーセルペア１２ごとに方向が変化するように延びている。この場合、各バッテリーセルペア１２のバッテリーセル２の１つは、バッテリーセルペア１２が別の２つのバッテリーセルペア１２の間に配置されるか、またはバッテリーセルモジュール１００の外側に配置されるかに応じて、隣り合うバッテリーセルペア１２の１つ又は２つの自由スペースに突出する。この場合、これらの自由スペースに突出するバッテリーセル２はそれぞれ、隣り合うバッテリーセルペア１２に含まれるそれぞれのバッテリーセル２の長手軸Ｘ同士の間における中間点の位置に配置される。この複数のバッテリーセル２の長手軸Ｘはそれぞれ、互いに平行に整列している。第１列目のバッテリーセル２はそれぞれ、第２列目のバッテリーセル２に対向し、これら対向するバッテリーセル２が各々バッテリーセルペア１２を形成するようになっている。バッテリーセルペア１２はコンタクトシート３を介して互いに接続されており、このコンタクトシート３はバッテリーセル２のそれぞれのコンタクト面１８に溶接される。コンタクトシート３はコンタクトシートコネクタ６を介して互いに接続されており、ひし形の形状を用いて、またコンタクトシート３から角度を付けて突出させることで、ジグザグ形状の方向が定められる。バッテリーセル２の円筒表面８は接触しておらず、何れの場合にもバッテリーセル２同士の間に自由スペースが設けられ、これは熱的に誘発されると予想されるバッテリーセル２の周囲方向の膨張を考慮して設計されており、このようにしてバッテリーセル２は、それぞれ互いに位置決めされる。自由スペース１０の寸法決めについて、作動中に予想される熱膨張を考慮しないといけない一方で、他方では、耐用年数に係るバッテリーセル２の膨張と、さらに溶接プロセスの際のセル２の互いの位置決めに関する許容差を考慮する必要がある。

図１はバッテリーセルモジュール１００の上側１４を表しており、バッテリーセル２の正極端子がそれぞれ、上側１４に向かって整列している。これは何れの場合においてもバッテリーセル２の外縁とコンタクト面１８との間に環状溝が形成されているという事から認めることができる。バッテリーセルモジュール１００はしたがって並列に接続されている。図２はバッテリーセルモジュール１００の下側１６を表しており、ここにバッテリーセルの負極が、それぞれのコンタクトシート３とコンタクトシートコネクタ６を介して、ジグザグ形状に接続されている。負極はコンタクト面１８が平坦で正極のような環状溝が設けられていないという事により認識することができる。

バッテリーセル２が互いに間隔を空けて配置される事、またバッテリーセルモジュール１００の上部と底部に溶接されたコンタクトシート３およびコンタクトシート３に強固に接続されたコンタクトシートコネクタ６を介して、バッテリーセル２が強固に機械接続される事は、バッテリーセル２がコンタクトシート３とコンタクトシートコネクタ６を介して接続される一方で、バッテリーセル２がこれらにより互いに間隔を空けて保持されることを意味するが、この間隔は作動中におけるバッテリーセル２の熱膨張のために必要である。バッテリーセル２はしたがって互いが強固に接続され、互いに接続されたセル２の相対的な動きが防止されるようになっている。

図３はバッテリーセルモジュール１００の上面図を表し、バッテリーセルペア１２が何れもコンタクトシート３（コンタクトシートコネクタ６は説明のため図示せず）を介して互いに接続されている。特に、全てのバッテリーセル２同士の間に隙間１０が形成されることで、バッテリーセル２の外表面８が接触しないようになっている様子が認められる。バッテリーセル２が互いにジグザクになる配置は、隣り合うそれぞれのバッテリーセル２の自由空間１０が何れも同じ寸法を有し、または隣り合い対向するバッテリーセル２の外表面同士の距離がそれぞれ実質的に同じになるようにして、選択される。何れの場合においても、バッテリーセルペア１２のうち一方のバッテリーセル２が、隣り合う１又は２のバッテリーセルペア１２の、１つ又は２つの自由空間１０に突出し、これらバッテリーセル２の長手軸Ｘは何れも、隣り合うバッテリーセルペア１２の一方または両方のバッテリーセル２の長手軸Ｘの間の中間地点の位置にある。

図４には、複数のコンタクトシート３とこれに対応する数を有するコンタクトシートコネクタ６を有するシートもしくはセルコネクタの一体型の実施形態が示されている。このシートは斜めに延在する複数のコンタクトシートコネクタ６により、上記の通りジグザグ形状の外形状を有する。コンタクトシート３には何れも、中央ウェブ２２と２つのコンタクト部２０が設けられ、コンタクト部２０は、バッテリーセル２のコンタクト面１８に溶接されることを目的としたものである。円筒状のバッテリーセル２およびこれらのコンタクト面に適応するため、コンタクト部２０には何れも円形状の末端部が設けられている。中央ウェブ２２は、２つのコンタクト部２０を連結し、接続されるバッテリーセル２に広がり、さらに提供される間隙１０を橋渡しするように寸法決めされる。図示の実施形態において、コンタクト部２０は中央ウェブ２２から曲げられた形状にある。これはコンタクト領域１８がバッテリーセル２の外縁より上に凹む場合に特に必要である。

図５～１２には、キャリアシート２４を有する位置決め装置２００が図示されており、図示の実施形態において、キャリアシート２４に接して１１個の位置決め要素２６が何れも互いに平行に配置されている。しかし、キャリアシート２４上の位置決め要素２６の数は、所望の方法で増減させることができる。位置決め要素２６にはそれぞれ位置決めアーム３０が設けられ、これはキャリアシート２４に対して取付けられるか、またはこれと一体的に形成される。各位置決め要素２６のキャリアシート２４から離れた端部に、バッテリーセル受け２８が設けられる。図示の各実施形態において、バッテリーセル受け２８には何れも、バッテリーセル２をピックアップして保持し、またはその後、溶接されたバッテリーセルモジュール１００を降ろすための、２つの真空グリッパーを備えることができる。場合によっては、バッテリーセル受け２８に、バッテリーセル２を保持する他の手段や、永久磁石もしくは電磁石を設けることを考えることもできる。バッテリーセル２を周囲から把持するために、バッテリーセル受け２８にはそれぞれ凹状の当接面が設けられる。コンタクト面は、把持されるバッテリーセル２の少なくとも半分にわたって長手軸方向に延在する。バッテリーセル受け２８のコンタクト面は最大で、把持されるバッテリーセル２の外周の半分まで延在する。この凹状の形状は特に、バッテリーセル２を、他方の把持されたバッテリーセル２から正確に距離を置きかつ正確に平行となるように、それぞれのバッテリーセル受け２８の中に整列させるために機能する。したがって、バッテリーセル２が意図せず中心からずれて把持された場合や、バッテリーセル受け２８に対し平行とならない場合には、バッテリーセル受け２８の凹形状により、バッテリーセル２が確実に真空グリッパーまたは磁石の方向に引張される。ピックアップされたバッテリーセル２はしたがって、バッテリーセル受け２８の中心に位置決めされる。各バッテリーセル受け２８の下端部に停止部品が設けられ、図示の実施形態では突出リップ２９の形状をしている。この停止部品は、把持されたバッテリーセル２が、各バッテリーセル受け２８の長手方向の中心に置かれるように機能する。把持されたバッテリーセル２は互いに横方向に整列し、上記の通り平行に配列されるが、これらはそれぞれのバッテリーセル受け２８において異なる距離を有するか、またはリップ２９から異なる高さで保持されることもあり得る。セル２をある高さに保持するためには、受け入れられたバッテリーセル２を素早く解放することで、重力によりコンタクト面に沿ってそれぞれの停止部品に滑り落とすことができる。ここにおいて解放とは緩めることを意味し、つまり少なくとも真空グリッパーまたは電磁石による把持を解くことを意味する。場合によっては、把持された状態にあるバッテリーセル２は、シート等の形状を有する押下装置を用いて、停止部品２９に向かって押し下げられる。

真空グリッパーは、図５～７に図示の通り、バッテリーセル受け２８のコンタクト面の各々に、真空ラインに通じる開口部３８が設けられるようにして設計されており、この真空ラインは位置決めアーム３０の中に設けることができる。これら真空ライン３６はキャリアシート側の貫通孔４０へと通じているが、これらは図８に図示されており、キャリアシート２４の後ろ側の真空だめへと通じており、ここを介して位置決め要素に必要な真空を提供することができる。真空だめ４４は、位置決め要素２６の横方向の広がりと、それぞれのバッテリーセル受け２８の中に収容される各バッテリーセル２の長手方向における真空グリッパーの配置に合わせて、キャリアシート２４の後部側まで延在している。真空だめ４４を流体密封に閉鎖するために、真空だめを環状に囲う環状封止部４６が設けられる。図９は真空だめ４４を閉鎖する閉鎖要素４８を表しており、これはキャリアシート２４における対応したねじ穴４２の中の貫通孔５０を介して、キャリアシート２４に取付けることができる。閉鎖要素４８にはさらに、真空だめ４４に通じる貫通孔の形態をとる真空ポート５２が備えられている。真空だめを真空ポート５２から真空引きすることができ、ここからバッテリーセル受け２８の中に配置された真空グリッパーを作動させることができる。さらに、閉鎖要素はレセプタクル５４を有し、ここから位置決め要素２６、キャリアシート２４および閉鎖要素４８を備えたユニットを、操作モジュールを用いて把持し固定することができる。

図５および図６にはさらに、隣り合う位置決めアーム３０にそれぞれ長さの差ΔＬｙがあることが示されており、これは位置決めアームの長さの差Ｌ_２－Ｌ_１から生じる。
さらに、位置決め要素２６は何れも、互いに横方向の距離ΔＬｘを有する。全てのバッテリーセル２同士にそれぞれ同じ自由スペースｄが設けられ、バッテリーセル２が何れも同じセル径Ｚを有する場合、位置決め要素２６同士の横方向の距離ΔＬｘは、位置決めアームの長さの差ΔＬｙよりも√３倍だけ大きい。これは隣り合うバッテリーセル間の距離ｄが同じで、何れの場合においてもセル径Ｚが同じであって、これらの長手軸Ｘが、内角αが全て６０°の正三角形を形成するという事実により生じるものである。これにより位置決め要素３０の横方向の距離ΔＬｘが

となり、位置決めアーム３０の長さの差ΔＬｙについては、

となり、角度が６０°の場合には因子は：

となる。

図１０はバッテリーセルモジュール１００を製造するために必要な、２つの位置決め装置２００の互いの配置例を表す。この場合、第１位置決め装置２００を第２位置決め装置２００に対向させて配置させ、位置決め要素２６が互いを向くように配置させことができる。位置決め装置２００はさらに互いが相補的になるように構成されており、第２位置決め装置２００における長さＬ１の位置決め要素２６が、第１位置決め装置２００における長さＬ２の位置決め要素２６にそれぞれ対向し、また第２位置決め装置２００における長さＬ２の位置決め要素２６が、第１位置決め装置２００における長さＬ１の位置決め要素２６にそれぞれ対向するようになっている。このため、第１位置決め装置２００または第２位置決め装置２００のキャリアシート２４上で互いに隣り合って配置された位置決め要素２６が、それぞれ対向する第１位置決め装置２００および第２位置決め装置２００の位置決め要素２６と、同じ長さの差ΔＬｙを有する。第１位置決め装置２００における長さＬ１の位置決め要素の数は、第２位置決め装置２００における長さＬ２の位置決め要素の数に対応しており、逆もまた同様である。

バッテリーセルモジュール１００を生産するため、各位置決め装置１００は、複数のバッテリーセル２を、そのバッテリーセル受け２８から受け入れる。円筒伸長型のバッテリーセル２は周囲が把持され、バッテリーセル２の円筒外面がバッテリーセル受け２８の凹状コンタクト面に寄りかかり、バッテリーセル２の長手軸Ｘが互いに平行となるように整列するようになっている。好ましくは、受け入れられたセル２の全ての正極を上向きに配向させかつ全ての負極を下向きに配向させることができ、或いは逆もまた同様である。バッテリーセル２をピックアップするために、位置決め装置２００を、操作モジュールを用いて、直線状に動かすか、または複数の軸で回旋させることができる。バッテリーセル２がそれぞれ位置決め装置２００により把持されると、互いが対向するように配置され、これにより両方の位置決め装置２００のバッテリーセル２が同じ高さに位置し、セル２の全ての軸Ｘが互いに平行となる。さらに、把持されたすべてのバッテリーセル２の正極と負極が好ましくはそれぞれ、同じ方向を向く。位置決め装置２００は互いに対向するように配置され、対向する各バッテリーセル２の間の自由スペースｄが残り、かつバッテリーセル２の外面が接触しないようになっている。したがって、位置決め装置が間隔を空けた最終的な位置に移動すると、２つのバッテリーセル受けの間の距離は２Ｚ＋ｄとなる。ここで間隔を空けた最終的な位置とは、受け入れられたバッテリーセル２がセルコネクタを介して互いに溶接される距離を表す。その後、バッテリーセル２は停止部またはリップ２９を介した高さに中心決めされる。セルのこの相対的な位置は、溶接された状態における所望の位置に対応する事になる。コンタクトシート３とコンタクトシートコネクタ６と、からなる好ましくは一体型のシートはその後、対向して配置されたバッテリーセル２の上に設置され、各バッテリーセル２の各コンタクト面１８がコンタクト部２０に割り当てられるように配置される。場合によっては、個々のコンタクトシート３およびコンタクトシートコネクタ６を使用することができる。コンタクト部２０はその後、関連付けされたコンタクト面１８に溶接される。

図１１および図１２は、位置決め装置２００により保持されたバッテリーセルモジュール１００の一例を表しており、ここでバッテリーセル２が、溶接されたコンタクトシート３およびコンタクトシートコネクタ６により、機械的に固くかつ電気的に、それぞれ互いに接続されており、隣り合い対向するセル２の間の全てに、何れも自由スペースｄが形成され、個々のセル２が互いに接触しないようになっている。説明の目的のため、図示の位置決め要素２６のうち１つが占有されない状態にある。モジュール１００を置くため、これは操作モジュールを用いて把持され、位置決め装置１００から目標位置まで移動し、そこで真空グリッパーに空気を供給するか、または電磁石の電圧を遮断することによって、そこに置かれる。

前述の明細書、図面、および特許請求の範囲に開示された特徴は、様々な実施形態における本発明の実現のために、個別におよび任意の組み合わせの両方で重要であり得る。

１００ バッテリーセルモジュール
２００ 位置決め装置
２ バッテリーセル
３ コンタクトシート
４ 階段曲げ部
６ コンタクトシートコネクタ
８ バッテリーセル表面
１０ 自由空間
１２ バッテリーセルペア
１４ バッテリーセル上端
１６ バッテリーセル底端
１８ コンタクト面
１９ 円形端部
２０ コンタクト部ｓ
２２ 中央ウェブ
２４ キャリア要素
２６ 位置決め要素
２８ バッテリーセル受け
２９ リップ
３０ 位置決めアーム
３４ 外周部
３６ 真空ライン
３８ 開口部
４０ 貫通孔
４２ 穴
４４ 真空だめ
４６ 封止部
４８ 閉鎖要素
５０ 孔
５２ 真空ポート
５４ ロボットレセプタクル
Ｘ 長手軸
Ｌ１ 第１位置決め要素の長さ
Ｌ２ 第２位置決め要素の長さ
ΔＬｘ 位置決めアームの横方向の距離
ΔＬｙ 位置決めアームの長さの差

Claims (14)

1. 長手軸（Ｘ）が互いに平行に配置された長く円筒形状の複数のバッテリーセル（２）を有する電動車両用のバッテリーセルモジュール（１００）であって、
   前記複数のバッテリーセル（２）は、第１列目のバッテリーセル（２）が第２列目のバッテリーセル（２）に対して平行に延び、２つのバッテリーセル（２）が何れも互いに対向してペアとなるようにしてそれぞれ配置されており、前記複数のバッテリーセル（２）は何れも、前記複数のバッテリーセル（２）の円筒形状の外表面（８）が物理的に接触せず、また前記複数のバッテリーセル（２）の間にはそれぞれ、熱的に誘発されると予想される前記複数のバッテリーセル（２）の周囲方向の膨張のために形成された隙間（１０）が設けられる、ように互いが位置決めされ、
   対向するそれぞれのバッテリーセル（２）が何れも、少なくとも１つのコンタクトシート（３）を用いて互いに電気的に接続されかつ機械的に固定されることで前記少なくとも１つのコンタクトシート（３）によりそれぞれ互いに接続された前記バッテリーセル（２）は、それぞれの前記少なくとも１つのコンタクトシート（３）により互いに間隔を空けて保持され、
   隣り合うコンタクトシート（３）が何れも、少なくとも１つのコンタクトシートコネクタ（６）を用いて互いに電気的に接続されかつ機械的に固定されることで前記少なくとも１つのコンタクトシートコネクタ（６）によりそれぞれ互いに接続された前記バッテリーセルのペア（１２）が、それぞれの前記少なくとも１つのコンタクトシートコネクタ（６）により互いに間隔を空けて保持される、
   ことを特徴とするバッテリーセルモジュール（１００）。
2. 隣り合うバッテリーセルのペア（１２）が互い違いになり、第１列目のバッテリーセル（２）と第２列目のバッテリーセル（２）が、ジグザグ形状で平行になるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーセルモジュール（１００）。
3. 隣り合うそれぞれのバッテリーセル（２）の全ての長手軸が互いに同じ距離だけ離れるように前記ジグザグ形状が選択されることを特徴とする請求項２に記載のバッテリーセルモジュール（１００）。
4. 前記バッテリーセル（２）は、長手軸（Ｘ）に沿って互いに間隔があけられて、それぞれの上側（１４）と底側（１６）に、コンタクト面（１８）が設けられ、
   前記コンタクトシート（３）を用いて接続された前記バッテリーセル（２）の、前記少なくとも１つのコンタクトシート（３）が、前記上側（１４）の両方および／または前記底側（１６）の両方において、接続された前記バッテリーセル（２）のそれぞれの前記コンタクト面（１８）に固定されることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のバッテリーセルモジュール（１００）。
5. 前記少なくとも１つのコンタクトシートコネクタ（６）は、互いに隣り合って接続された前記コンタクトシート（３）と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載のバッテリーセルモジュール（１００）。
6. 前記少なくとも１つのコンタクトシート（３）に２つのコンタクト部（２０）と、前記コンタクト部（２０）を接続する１つの中央ウェブ（２２）と、が設けられ、前記コンタクト部（２０）が各末端で丸みを帯びていることを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載のバッテリーセルモジュール（１００）。
7. 複数の位置決め要素（２６）を保持するキャリア要素（２４）であって、前記位置決め要素（２６）の少なくとも１つに、前記キャリア要素（２４）から反対側を向く少なくとも１つのバッテリーセル受け（２８）が設けられる、キャリア要素（２４）と、
   前記キャリア要素（２４）に接続される少なくとも１つの位置決めアーム（３０）であって、前記少なくとも１つの位置決めアーム（３０）は前記バッテリーセル受け（２８）から背く側が接続される、位置決めアーム（３０）と、
   を備え、前記少なくとも１つのバッテリーセル受け（２８）は、長く円筒形状のバッテリーセル（２）の外周部（３４）を受け入れるか、および／またはこれを固定するように設計されていることを特徴とする、請求項１～６の何れか一項に記載の電動車両用のバッテリーセルモジュール（１００）を製造するための位置決め装置（２００）。
8. 前記複数の位置決め要素（２６）が前記キャリア要素（２４）上で間隔を空けて並べられ、隣り合う位置決め要素（２６）の前記位置決めアーム（３０）に長さの差（ΔＬ）があり、前記バッテリーセル受け（２８）が前記キャリア要素（２４）から様々な距離をあけて配向されていることを特徴とする請求項７に記載の位置決め装置（２００）。
9. 前記複数の位置決め要素（２６）のバッテリーセル受け（２８）は、
   固定されたバッテリーセル（２）の長手軸（Ｘ）が互いに平行となって、前記バッテリーセル（２）が、外表面（８）を互いに接触させずに配列可能となり、隣り合うバッテリーセル（２）の間にそれぞれ自由スペース（１０）が形成可能なように、互いに配置されることを特徴とする請求項７または８に記載の位置決め装置（２００）。
10. 前記バッテリーセル受け（２８）は真空グリッパーと電磁石グリッパーの少なくとも何れか一方を備えていることを特徴とする請求項７～９の何れか一項に記載の位置決め装置（２００）。
11. 請求項７～１０の何れか一項に記載の位置決め装置（２００）を少なくとも２つ用いて電動車両用のバッテリーセルモジュール（１００）を製造する方法であって、
    ・少なくとも２つの前記位置決め装置（２００）のうち第１位置決め装置を用いて、少なくとも２つのバッテリーセル（２）を隣り合わせにかつ距離を置いて収容するステップと、
    ・少なくとも２つの前記位置決め装置（２００）のうち第２位置決め装置を用いて、少なくとも２つのバッテリーセル（２）を隣り合わせにかつ距離を置いて収容するステップと、
    ・前記第１位置決め装置によって受け入れられた前記少なくとも２つのバッテリーセル（２）が、前記第２位置決め装置によって受け入れられた前記少なくとも２つのバッテリーセル（２）に対して、距離が置かれ対向する位置に移動するようにして、前記第１位置決め装置および前記第２位置決め装置を互いに動かすステップと、
    ・前記第１位置決め装置によって受け入れられた少なくとも２つのバッテリーセル（２）である第１バッテリーセルをそれぞれ、前記第１バッテリーセルに対向し、前記第２位置決め装置によって受け入れられている少なくとも２つのバッテリーセル（２）である第２バッテリーセルにそれぞれ、何れも少なくとも１つのコンタクトシート（３）を用いて溶接することで、バッテリーセルのペア（１２）をそれぞれ形成するステップであって、隣り合う少なくとも２つのコンタクトシートが、前記コンタクトシート（３）を接続するコンタクトシートコネクタ（６）と一体的に形成されているステップと、
    を含むことを特徴とする電動車両用のバッテリーセルモジュール（１００）を製造する方法。
12. 請求項７～１０の何れか一項に記載の位置決め装置（２００）を２つ使用し、両方の位置決め装置（２００）の前記位置決めアーム（３０）が互いに相補的に形成され、対向する位置決めアーム（３０）の長さの差（ΔＬ）が、隣り合う位置決めアームと同じ長さの差となるようになっていることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１位置決め装置および前記第２位置決め装置にそれぞれ受け入れられたバッテリーセル（２）も、バッテリーセルのペア（１２）についてそれぞれ対向するバッテリーセル（２）も、何れも外表面（８）で接触せず、隣り合うバッテリーセル（２）の間に自由スペース（１０）がそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
14. 少なくとも１つのコンタクトシート（３）をそれぞれ用いて各バッテリーセル（２）を溶接することでバッテリーセルのペア（１２）をそれぞれ形成するステップに、
    ・前記少なくとも１つのコンタクトシート（３）を、前記第１バッテリーセルおよび前記第２バッテリーセルのバッテリーセル上側（１４）にそれぞれ溶接し、および／または、前記少なくとも１つのコンタクトシート（３）を、前記第１バッテリーセルおよび前記第２バッテリーセルのバッテリーセル底側（１６）にそれぞれ溶接すること、
    が含まれることを特徴とする請求項１１～１３の何れか一項に記載の方法。

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