(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧供給用の高電圧エネルギ貯蔵モジュール（１）であって、
‐ 少なくとも二つの貯蔵セル（２）と、
‐ 異なる貯蔵セル（２）の二つの極（４）間の少なくとも一つの導電接続部（６）とを有する高電圧エネルギ貯蔵モジュール（１）にして、
‐ 個々の導電接続部（６）が並べて配置された複数のボンディングワイヤ（１１）から構成されており、更に、それぞれのボンデイングワイヤ（１１）が、両方の極（４）に、溶着及び固定されている、高電圧エネルギ貯蔵モジュール（１）。
【請求項２】
前記貯蔵セル（２）の監視のための電子回路を実装した基板（３）を特徴とする、請求項１に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項３】
前記複数のボンディングワイヤ（１１）の少なくとも一本が、前記両方の極（４）間で前記基板（３）の表面にワイヤボンディングを用いて取り付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項４】
前記極（４）の一方を前記基板（３）と接続する少なくとも一つの補助ボンディングワイヤ（１２）であって、該極（４）の表面と前記基板（３）の表面にワイヤボンディングを用いて取り付けられていて、前記基板（３）上で終端している、少なくとも一つの補助ボンディングワイヤ（１２）を特徴とする、請求項２または３に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項５】
前記ボンディングワイヤ（１１）または前記補助ボンディングワイヤ（１２）の前記基板（３）との取付け地点（１３）で、温度センサ（１４）が前記基板（３）上に配置されていて、前記温度センサは、前記ボンディングワイヤ（１１）または補助ボンディングワイヤ（１２）を介して伝達される前記貯蔵セル（２）の温度を決定するように構成されることを特徴とする、請求項３または４に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項６】
前記貯蔵セル（２）の全ての極（４）が該高電圧エネルギ貯蔵モジュール（１）の一方の側を向けられていて、この側に前記基板（３）が載置されることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか一項に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項７】
更に、
‐ 前記基板（３）上に配置され、ケーブル（９）用の接続装置（１０）を具備した金属素子（８）と、
‐ 一つの貯蔵セル（２）の一つの極（４）と前記金属素子（８）間の導電端子接続部（７）と、を有しており、
‐ 前記端子接続部（７）が並べて配置された複数のボンディングワイヤ（１１）から構成され、それぞれのボンディングワイヤ（１１）が、前記極（４）にも、前記金属素子（８）にも、ワイヤボンディングを用いて取り付けられている、
請求項２〜６のいずれか一項に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項８】
前記金属素子（８）がアルミニウム板であること特徴とする請求項７に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項９】
‐ 前記各ボンディングワイヤ（１１）が、最大で１ｍｍの直径を有する円形断面を有するか、
‐ 前記各ボンディングワイヤ（１１）が、最大で３ｍｍの幅を有する帯状であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項１０】
‐ 前記各ボンディングワイヤ（１１）が、最大で５００μｍの直径を有する円形断面を有するか、
‐ 前記各ボンディングワイヤ（１１）が、最大で２ｍｍの幅を有する帯状であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項１１】
前記高電圧エネルギ貯蔵モジュール（１）が、自動車への電圧供給のための高電圧エネルギ貯蔵モジュールであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の高電圧エネルギ貯蔵モジュール。
【請求項１２】
高電圧エネルギ貯蔵モジュール（１）の製造方法であって、
‐ 少なくとも二つの貯蔵セル（２）を準備するステップ、および、
‐ 異なる貯蔵セル（２）の二つの極（４）間に少なくとも一つの導電接続部（６）を構成するステップを有し、
‐ 個々の導電接続部（６）のために、複数のボンディングワイヤ（１１）がいずれも両方の極（４）にワイヤボンディングされる、
方法。
【請求項１３】
ワイヤボンディングの際に、前記ボンディングワイヤ（１１）が、圧力、および／または超音波、および／または高められた温度を加えることにより、夫々の極（４）、金属素子（８）、または基板（３）と接合されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記高電圧エネルギ貯蔵モジュール（１）が、自動車への電圧供給のための高電圧エネルギ貯蔵モジュールであることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に広義の自動車（狭義の自動車、オートバイ、オート三輪等）への電圧供給用の高電圧エネルギ貯蔵モジュール、並びにこの高電圧エネルギ貯蔵モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧エネルギ貯蔵モジュールは、車両においては、車両を単独で駆動するために、または電動モータを介して車両の駆動を補うために導入される。その場合は、幾つかの高電圧エネルギ貯蔵モジュールを一つのバッテリへとまとめられるようになっている。個々の高電圧エネルギ貯蔵モジュールは、一列に並んだ複数の貯蔵セルを有している。個々の貯蔵セルの内部には、例えばリチウムイオン蓄電池として構成された電気化学素子が入っている。従来は、高電圧エネルギ貯蔵モジュールの内部の各貯蔵セルの個々の極が、ケーブルまたは剛直なセルバインダを利用して相互に接続されるようになっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、安価である上に自動化プロセスにおいて製造可能な高電圧エネルギ貯蔵モジュールを提示することにある。他にもこの高電圧エネルギ貯蔵モジュールは、優れた作動信頼性とローメンテナンスで機能するものとする。更に、この高電圧エネルギ貯蔵モジュールの適切な製造方法を提示することも、本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、２つの独立請求項の特徴構成により解決される。従属請求項はいずれも、本発明の有利な展開構成形態を対象としている。
【０００５】
すなわち本発明は、特に自動車への電圧供給用の、少なくとも二つの貯蔵セルと、異なる貯蔵セルの二つの極間の少なくとも一つの導電接続部とを有している、高電圧エネルギ貯蔵モジュールにより解決される。これらの貯蔵セルの内部には、好適にはリチウムイオン蓄電池として構成される電気化学素子が入っている。それぞれの貯蔵セルは、これらの電気化学素子が内部に配置されている、封止式のケースを有していることが好ましい。それぞれの貯蔵セルの上側には、二つの極が構成されている。これらの極は、接続端子とも呼ばれる。異なる貯蔵セルの極は、導電接続部を利用して互いに並列または直列に接続されている。本発明においては、個々の接続部が、並べて配置された複数のボンディングワイヤから成ることが企図されている。その際にそれぞれのボンディングワイヤは、ワイヤボンディングを利用して両方の極に取り付けられている。ワイヤボンディングは、接点の表面、例えば貯蔵セルの極にワイヤを接合する方法である。ワイヤボンディングは微細溶接とも呼ばれる。そこでは、溶加材もロウ付け金属も一切不要である。接合部を作製するために、ボンディングワイヤの一部が溶融される。これは例えばボンディングワイヤに超音波振動を加えることにより行われる。
【０００６】
ワイヤボンディングされたボンディングワイヤを個々の極間の電気接続部として使用することにより、高電圧エネルギ貯蔵モジュールを自動化生産プロセスにおいて製造することが可能となる。それにより高電圧エネルギ貯蔵モジュールに要するコストが低減される。それと同時に、ボンディングワイヤは比較的軽量であるために、重量も節減することができる。例えば２００Ａオーダの主電流は、これらのボンディングワイヤを通り流れることになる。したがって、二つの極間を接続するために相当数のボンディンワイヤを使用することによって、全体として相応に大きな導体断面積を使用に供することができる。個々のボンディングワイヤは比較的細身で可撓性を示すために、貯蔵セル間のある程度の長さの膨張を補償可能な、例えば振盪等の負荷に対して不感な、フレキシブルな接続部が生じることになる。
【０００７】
高電圧エネルギ貯蔵モジュールは、貯蔵セルの監視用の電子回路を実装した基板（ボード）を有していることが好ましい。ＣＰＵが含まれていると好適であるこの電子回路を利用して、個々の貯蔵セルのセル電圧および／または温度を監視することができる。基板は、各貯蔵セルの上に被せられていることが好ましい。基板の形状を相応に構成することによって、個々の貯蔵セルの相互間の心出しおよび／または位置固定のためにも、この基板を同時に利用することができる。それにより、追加構成部品を節減することができる。
【０００８】
基板上の電子回路により個々の貯蔵セルの温度および／またはセル電圧を監視できるようにするためには、基板に測定電流を伝送するための電気接続部が取り廻されなければならない。このため、両極間のボンディングワイヤの内の少なくとも一本が、ワイヤボンディングを利用して基板表面に取り付けられているようにすることが好ましい。それにより当該ボンディングワイヤは、一つの極から基板に取り廻され、更に基板から次の極へと取り廻されることになる。特にこのボンディングワイヤは、基板上で途切れているのではなく、むしろワイヤボンディングだけによって結合されている。
【０００９】
ボンディングワイヤの両極間のこのような結合方式の代案として、またはそれに更に追加して、一本の補助ボンディングワイヤが備えられていると好ましい。この補助ボンディングワイヤは、一方の端部により極のところに、他方の端部により基板表面に取り付けられる。この極のところへの取付けも基板表面への取付けも、再びワイヤボンディングを利用して行われるようになっている。
【００１０】
ボンディングワイヤまたは補助ボンディングワイヤが基板に導電接続されている地点は、取付け地点と呼ばれる。基板上のこの取付け地点の近傍に、温度センサが配置されていることが好ましい。この温度センサは、ボンディングワイヤまたは補助ボンディングワイヤを通り伝達される貯蔵セルの温度を決定するように構成されている。貯蔵セルの正しい温度を算定するためには、基板上の電子回路に相応の計算モデルが組み込まれることが好ましい。この計算モデルを利用して、温度測定値と貯蔵セルのところの実温度との間の位相ずれに配慮することができる。
【００１１】
基板は比較的薄肉に構成されており、かつ１０乃至１００μｍの範囲内の銅層がこれに含まれていると好適である。したがって、高電圧エネルギ貯蔵モジュール全体の電気結合のために、基板上に何らかの金属素子が配置されるようにすることが好ましい。この金属素子は、アルミニウム板であると好適である。この金属素子の上には、ケーブル用の接続装置が備えられている。この接続装置は、ケーブルシューを締結できるように構成されていると好適である。更にその上に、極の内の一つとこの金属素子との間には、導電端子接続部が備えられている。この端子接続部もまた、並べて配置された複数のボンディングワイヤから成っている。これらのボンディングワイヤはいずれも、ワイヤボンディングを利用して極にも金属素子にも取り付けられている。
【００１２】
ボンディングワイヤは、ワイヤボンディングが可能であるとともに、必要とされる形状に難なく撓むことができるように、寸法決定されている。そのためには、ボンディングワイヤに、最大で１ｍｍ、好適には最大で７５０μｍ、非常に好適には最大で５００μｍの直径を有する円形断面を持たせるようにすることが好ましい。あるいはその代わりにボンディングワイヤは帯状に構成されて、好適には最大で３ｍｍ、非常に好適には最大で２ｍｍの幅を有している。ボンディングワイヤは、好適には銅または金から、非常に好適にはアルミニウムから製造されるようになっている。
【００１３】
本発明には、更にその上に、（ｉ）少なくとも二つの貯蔵セルを準備するステップ、および（ｉｉ）異なる貯蔵セルの二つの極間に少なくとも一つの導電接続部を構成するステップから成る、高電圧エネルギ貯蔵モジュールの製造方法も包摂される。個々の接続部のために、それぞれ複数のボンディングワイヤが使用される。これらのボンディングワイヤはいずれも、両方の極にワイヤボンディングされている。
【００１４】
本発明にしたがった高電圧エネルギ貯蔵モジュールの従属クレームおよび有利な構成形態は、本発明にしたがった方法にも相応に有利に適用されることになる。
【００１５】
特に、ワイヤボンディングの際には、圧力、および／または超音波、および／または一段と上昇された温度を加えることにより、ボンディングワイヤは、それぞれの極、金属素子、または基板に接合されるようになっている。補助ボンディングワイヤもまた、これに準じて極および基板に接合されるようになっている。
【００１６】
好ましいことにも、ワイヤボンディングのために、例えば溶加材またはロウ付け金属等の付加材料は一切使用されないようになっている。純数に超音波および／または圧力および／または温度を加えることだけにより、ボンディングワイヤは溶融されて、導電接続部が作製される。
本発明のその他の細部、特徴および長所は、以下の説明および図面から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明にしたがった、第１の実施例に係る高電圧エネルギ貯蔵モジュールを示す図である。
【図２】本発明にしたがった、第１の実施例に係る高電圧エネルギ貯蔵モジュールの貯蔵セルを示す図である。
【図３】本発明にしたがった、第１の実施例に係る高電圧エネルギ貯蔵モジュールの第１の細部を示す図である。
【図４】本発明にしたがった、第１の実施例に係る高電圧エネルギ貯蔵モジュールの第２の細部を示す図である。
【図５】本発明にしたがった、第２の実施例に係る高電圧エネルギ貯蔵モジュールを示す図である。
【図６】本発明にしたがった、第２の実施例に係る高電圧エネルギ貯蔵モジュールの細部を示す図である。
【図７】両実施例の高電圧エネルギ貯蔵モジュールのための製造ステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では図１から４に基づき高電圧エネルギ貯蔵モジュール１の第１の実施例について説明する。図５および６には、高電圧エネルギ貯蔵モジュール１の第２の実施例が示される。図７には、両実施例の高電圧エネルギ貯蔵モジュール１の製造方法の各ステップが示される。全ての実施例において、同一構成部品並びに同等の機能を有する構成部品には同じ符号が付されている。
【００１９】
図１によると、高電圧エネルギモジュール１は複数の貯蔵セル２を有している。図２には、これらの貯蔵セル２の内の一つが詳細に示される。貯蔵セル２は角柱状に構成されて、高電圧エネルギ貯蔵モジュール１の内部に一列に並べて配置されている。貯蔵セル２はいずれも、極４を二つずつ有している。それぞれの貯蔵セル２は、全ての極４が同じ側を指し示すように一列に並んでいる。高電圧エネルギ貯蔵モジュール１のこちら側には、基板３が被せられている。
【００２０】
この基板３は、第１の実施例においては複数のラグ５を有している。異なる貯蔵セル２の隣接した二つの極４の間には、ラグ５が一つずつ突出している。基板３は、これにより各貯蔵セル２の相互間の位置決めおよび位置固定が行われるように構成されている。
【００２１】
異なる貯蔵セル２の隣接した二つの極４の間には、接続部６が一つずつ配置されている。接続部６は導電性であり、異なる貯蔵セル２を相互に直列回路または並列回路に接続している。
【００２２】
高電圧エネルギ貯蔵モジュール１全体を、更にもう一つの高電圧貯蔵モジュール１または車両の高電圧電源と接続するために、ケーブル９が備えられている。このケーブル９を基板３と接続するために、基板３上には金属素子８が位置している。この金属素子８の上に、例えばケーブル９のケーブルシューを締結するための接続装置１０が構成されている。この金属素子８は、端子接続部７を利用して極４の内の一つに接続されている。
【００２３】
図３には、図１から切り取られた第１の細部が示される。接続部６は、並べて配置された複数のボンディングワイヤ１１から成っている。これらのボンディングワイヤ１１は、特に互いに対して平行に配置されるとともに、互いから離間されている。ボンディングワイヤ１１は、上下に積み重ねて配置されたものであってもかまわない。ボンディングワイヤ１１はいずれも、一つの極４から基板３を中継して隣接する極４へと取り廻されている。ボンディングワイヤ１１は全て、両方の極４の表面および基板３の表面に、ワイヤボンディングを利用して取り付けられて、接触されている。図示の例においては接続部６のために１１本のボンディングワイヤが選択されている。ボンディングワイヤ１１の本数は、個々のボンディングワイヤ１１の断面積および最大電流に応じて選定されるようになっている。
【００２４】
図３には更に端子接続部７が示されている。この端子接続部７もまた、１１本のボンディングワイヤ１１から成っている。これらのボンディングワイヤ１１は、並べて、特に互いに平行に、配置されている。ボンディングワイヤはいずれも、ワイヤボンディングを利用して、金属素子８および極４に接合されている。
【００２５】
図４には、図１から切り取られた第２の細部が示される。接続部６の個々のボンディングワイヤ１１が基板３に接続されている地点は、取付け地点１３と呼ばれる。基板３上のこの取付け地点１３の近傍には温度センサ１４が位置している。ボンディングワイヤ１１により、極４の温度、ひいては貯蔵セル２の温度は、基板３へと伝導される。この温度センサ１４を用いることで、基板３上の当該温度を検出することができる。この温度センサ１４と貯蔵セル２との間に位相ずれや温度損失が万一生じたとしても、これらは相応の計算モデルにより補償されることになる。そのために温度センサ１４は、基板３上のＣＰＵ１５に接続されている。このＣＰＵ１５と温度センサ１４は、一般には電子回路を象徴するものであり、これを利用して、個々の貯蔵セル２を監視できるようになっている。例えばこのＣＰＵ１５を用いて、取付け地点１３を介して、個々のセル２内のセル電圧も測定することができる。
【００２６】
図５および６には、高電圧エネルギ貯蔵モジュール１の第２の実施例が示される。第１の実施例とは異なり、この第２の実施例においては、接続部６のボンディングワイヤ１１が、一つの極４から隣接する極４に直接取り廻されている。そこでは、両方の極４間の取付け地点１３が省略されている。それにより、それぞれの極４を互いにより近接させて配置することができる。それぞれの貯蔵セル２のところには、測定電流のための補助ボンディングワイヤ１２が一本ずつ備えられているが、これらは一方の端部により極４のところに、他方の端部により基板表面に取り付けられている。補助ボンディングワイヤ１２の取付けもまた、ワイヤボンディングを利用して行われる。特に貯蔵セル２当たり、または極４当たり、少なくとも一本の補助ボンディングワイヤ１２が使用されるようになっている。基板３上の補助ボンディングワイヤ１２の結合地点もまた、取付け地点１３を形成しており、これを介して例えば温度および／またはセル電圧を測定できるようになっている。
【００２７】
図７には、両実施例の高電圧エネルギ貯蔵モジュール１の製造ステップＳ１からＳ４が示される。そこには、二つの隣接する極４間のボンディングワイヤ１１のワイヤボンディングの例が示されている。
【００２８】
図７には、ステップＳ１において、ボンディングワイヤ１１が毛管１６に通して取り廻されていることが示される。最初に極4の上側でボンディングワイヤ１１の端部の位置決めが行われる。続いてステップＳ２に示されるように、ワイヤボンディング１１の表面および／または毛管１６の表面に超音波振動１８が加えられる。それと同時に結合力１７が加えられることによって、ボンディングワイヤ１１は極４と接合される。その後、ステップＳ３に示されるように、毛管１６は隣接する極４まで案内される。毛管１６のこの運動により、ボンディングワイヤ１１は同時に正規の形状に湾曲されるようになっている。ステップＳ３に示されるように、結合力１７および超音波振動１８が再び加えられることによって、ボンディングワイヤ１１は次の極４とも接合される。最後にステップＳ４に示されるように、毛管１６の相応の運動が行われることによって、ボンディングワイヤ１１は切断される。
【００２９】
第１の実施例にしたがった接続部６を構成する場合は、ステップＳ２とＳ３の間に、基板３の上側で、毛管１６およびボンディングワイヤ１１の位置決めが行われることになる。その際には基板３の上側で、超音波振動１８もまた結合力も加えられることになる。しかしながらボンディングワイヤ１７は、基板３と接合された直後に切断されるのではなく、むしろステップＳ４に示されるように、ボンディングワイヤ１１と次の極４間の接合が更に行われるようになっている。それにより第１の実施例においては、連続したボンディングワイヤ１１が一つの極４から基板３を中継して次の極４へと取り廻されることになる。したがって、高さが例えば２００Ａである主電流を、この基板３に通して流す必要はない。
【符号の説明】
【００３０】
１  高電圧エネルギ貯蔵モジュール
２  貯蔵セル
３  基板
４  極
５  ラグ
６  接続部
７  端子接続部
８  金属素子
９  ケーブル
１０  接続装置
１１  ボンディングワイヤ
１２  補助ボンディングワイヤ
１３  取付け地点
１４  温度センサ
１５  ＣＰＵ
１６  毛管
１７  結合力
１８  超音波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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