Procedimiento de fabricación mediante soldadura por difusión de las conexiones eléctricas de un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica.

Procedimiento de realización de las conexiones eléctricas entre una bobina de almacenamiento de energía

(70), que posee unas secciones colectoras de corriente (71, 72) en cada uno de sus extremos y una pieza colectora de corriente (30, 40), formando la asociación de dichas piezas un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica (10) dispuesto en una cubierta (20), comprendiendo dicho conjunto de almacenamiento de energía eléctrica (10) por lo menos un elemento bobinado de almacenamiento de energía eléctrica (70) destinado a ser colocado en el interior de una cubierta (20''), debiendo dicha cubierta (20'') estar cerrada por lo menos por una tapa (30, 40), comprendiendo dicho elemento (70) y dicha tapa (30, 40), cada uno, un medio colector de corriente (71, 72, 34, 44), en el que la puesta en conexión eléctrica de las secciones colectoras (71, 72) de la bobina (70) y de las piezas colectoras de corriente (30, 40) se realiza mediante un procedimiento de soldadura por difusión a baja temperatura, siendo dicha temperatura inferior a 400ºC, estando el procedimiento caracterizado por que comprende por lo menos las etapas siguientes:

- una etapa (200) de aporte de galio sobre uno u otro de los medios colectores de corriente (71, 72, 34, 44);

- una etapa de ensamblaje (300) de los dos medios colectores de corriente (71, 72, 34, 44) separados por el depósito de galio, y

- una etapa de soldadura por difusión (400) realizada por la aplicación de una fuerza que genera en las materias a ensamblar una tensión inferior o igual a 10 Mpa, siendo el conjunto soldado durante un periodo inferior a 1 h, con vistas a realizar la unión eléctrica del conjunto de almacenamiento de energía eléctrica.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2007/001035.

Solicitante: Blue Solutions.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: Odet 29500 Ergué Gabéric FRANCIA.

Inventor/es: CAUMONT,OLIVIER, PAILLARD,PASCAL, SAINDRENAN,GUY.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > CONDENSADORES; CONDENSADORES, RECTIFICADORES, DETECTORES,... > Condensadores híbridos, es decir, condensadores... > H01G11/66 (Colector de corriente)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > CONDENSADORES; CONDENSADORES, RECTIFICADORES, DETECTORES,... > Condensadores híbridos, es decir, condensadores... > H01G11/74 (Terminales, p.ej.: extensiones de colectores de corriente)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > CONDENSADORES; CONDENSADORES, RECTIFICADORES, DETECTORES,... > Condensadores híbridos, es decir, condensadores... > H01G11/18 (contra sobrecargas térmicas, p. ej.: calefacción, refrigeración o ventilación)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > CONDENSADORES; CONDENSADORES, RECTIFICADORES, DETECTORES,... > Condensadores híbridos, es decir, condensadores... > H01G11/84 (Procesos para la fabricación de condensadores híbridos o EDL, o componentes de los mismosf)

PDF original: ES-2539429_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento de fabricación mediante soldadura por difusión de las conexiones eléctricas de un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica. 5

Campo de la invención La invención se refiere a los conjuntos de almacenamiento de energía eléctrica. Se aplica, en particular, pero no limitativamente, a los supercondensadores, condensadores y generadores o baterías. Más precisamente, la 10 presente invención se refiere a los procedimientos de realización de conexiones eléctricas de un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica.

Presentación de la técnica anterior Recientemente, se ha propuesto un número importante de conjuntos de almacenamiento de energía eléctrica, denominados de alta potencia, como, por ejemplo, los supercondensadores.

Sin embargo, los dispositivos conocidos no dan total satisfacción en cuanto a su conexión de potencia.

De manera convencional, un supercondensador comprende una bobina colocada en una cubierta que comprende un cuerpo principal cerrado en sus dos extremos por dos tapas que pueden estar provistas de un contacto de unión eléctrica. En la continuación de la descripción, se hablará indistintamente de bobina o de elemento bobinado de almacenamiento de energía para designar la misma pieza.

Para realizar la conexión eléctrica de este conjunto de almacenamiento de energía eléctrica, se puede utilizar una pieza de conexión eléctrica intermedia colocada entre la bobina y cada una de las tapas.

Algunos otros diseños utilizan directamente las tapas como piezas de conexión eléctrica con el colector de corriente formado por las secciones colectoras de corriente que sobresalen de la bobina por sus dos extremos.

Estas secciones colectoras de corriente, o la pieza de conexión eléctrica intermedia, están unidas gracias a un procedimiento de soldadura, por ejemplo una técnica de láser por transparencia, a un sistema de conexión exterior tal como los contactos de unión eléctrica, las tapas en sí mismas o cualquier otro colector de corriente.

Por otro lado y según la tecnología elegida, estos diseños utilizan también, en general, unos sistemas de conexión exteriores o unas piezas de conexión eléctrica intermedias en parte embutidas, para formar unas áreas de soldadura que presentan, por ejemplo, unas zonas más estrechas tales como protuberancias o cavidades, preferentemente hacia el interior del cuerpo principal de la cubierta.

Las secciones colectoras de corriente de la bobina están entonces conectadas eléctricamente por soldadura a nivel de las zonas adelgazadas.

Se puede citar también la utilización de sistemas de conexión exteriores o de piezas de conexión eléctrica intermedias que presentan unas caras internas planas y unas áreas de soldadura que se presentan en forma de 45 cavidades externas. En la continuación de la descripción, se hablará de piezas colectoras de corriente para designar indistintamente sistemas de conexión exteriores o piezas de conexión eléctrica intermedias.

Este procedimiento de realización de las conexiones eléctricas por soldadura de un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica cuyas piezas colectoras de corriente son de aluminio o de una aleación ligera, puede conducir a 50 exponer el conjunto durante la soldadura a altas temperaturas que tienen el riesgo de degradar térmicamente las bobinas.

Por otro lado, el hecho de que la soldadura esté necesariamente limitada a las zonas adelgazadas de soldadura limita la superficie de las zonas efectivamente soldadas entre las piezas colectoras de corriente y las secciones 55 colectoras de corriente de la bobina. Por consiguiente, la corriente no está uniformemente distribuida en la bobina debido a que todas las secciones colectoras de corriente no están conectadas completamente hacia la pieza colectora de corriente.

Esta característica favorece las concentraciones iónicas y electrónicas en algunas espiras de la bobina en 60 detrimento de otras que conducen entonces a un aumento de la resistencia en serie Rs del conjunto de almacenamiento de energía eléctrica.

Además, la mayor parte del calor emitido en funcionamiento en la bobina se evacua axialmente en los salientes colectores de corriente y después a través de las piezas colectoras de corriente externas por las zonas soldadas o 65 fuertemente en contacto.

Los intercambios térmicos hacia el exterior, parte importante del enfriamiento de la bobina, están entonces limitados por el contacto restringido entre la bobina y la tapa, lo cual favorece el calentamiento de esta última.

Por otro lado, este procedimiento de realización de las conexiones eléctricas de un conjunto de almacenamiento de energía es costoso y complejo.

En efecto, la técnica de soldadura láser por transparencia es difícil de llevar a cabo, ya que necesita un ajuste preciso entre las diferentes piezas a ensamblar, pudiendo un mal ajuste conducir a la multiplicación de los orificios a través de las piezas colectoras de corriente que genera, en primer lugar, una pérdida de estanqueidad de las piezas colectoras de corriente y, en segundo lugar, un mal rendimiento energético del conjunto de almacenamiento de energía eléctrica.

Además, la utilización del procedimiento de soldadura por láser es eficaz sólo con ciertas calidades de aluminio o de aleaciones de aluminio, tales como el aluminio Serie 1000 (aleaciones de aluminio que comprenden por lo menos el 99, 9% de aluminio) que no son idealmente adecuadas para la utilización en supercondensador. En efecto, estas calidades son puras y por lo tanto más dúctiles, lo cual les confiere una peor resistencia mecánica en caso de aumento de la presión de la cubierta, y por lo tanto de peores características de envejecimiento.

Para mejorar la resistencia de contacto entre el colector y los electrodos de un supercondensador, el documento US nº 6.565.701 propone utilizar unos colectores de corriente que comprenden un sustrato metálico conductor, en cuya superficie se aplica una capa no oxidada. Se facilita así la conducción eléctrica entre los colectores y los electrodos, y limita su envejecimiento en la superficie.

El documento US 2004/0264110 describe, por su parte, un componente eléctrico que comprende un colector de corriente, provisto de perforaciones, y unos electrodos, en el que los electrodos y el colector están separados por una capa intermedia con el fin de impedir el aumento de la resistencia de serie de los electrodos durante el funcionamiento del componente.

El documento DE 32 26 406 propone, por otro lado, un condensador formado por películas metalizadas, que comprende una tapa y unas capas metálicas de contacto soldadas sobre unas partes de contacto. Una etapa de depósito de partículas metálicas en las partes del contacto es necesaria antes de su soldadura.

El documento US-A-3.433.920 describe un aparato que permite soldar una pieza colectora de corriente a una bobina de almacenamiento de energía que posee unas secciones colectoras de corriente. El documento EP-A-0 123 382 describe un método de soldadura por difusión de superficie de aluminio que se ha recubierto previamente con galio. El documento divulga una presión comprendida entre 30 y 100 MPa a una temperatura superior a 150ºC para una duración superior a una hora, y preferentemente del orden de 70 a 80 horas.

La invención tiene en particular como objetivo paliar los inconvenientes de la técnica anterior.

Un objetivo de la presente invención es proponer un procedimiento de realización de las conexiones eléctricas de un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica que comprende unas piezas macizas, particularmente unas piezas de aluminio, mediante soldadura por difusión a baja temperatura.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de realización de las conexiones eléctricas entre una bobina de almacenamiento de energía (70) , que posee unas secciones colectoras de corriente (71, 72) en cada uno de sus extremos y una pieza colectora de corriente (30, 40) , formando la asociación de dichas piezas un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica (10) dispuesto en una cubierta (20) , comprendiendo dicho conjunto de almacenamiento de energía eléctrica (10) por lo menos un elemento bobinado de almacenamiento de energía eléctrica (70) destinado a ser colocado en el interior de una cubierta (20) , debiendo dicha cubierta (20) estar cerrada por lo menos por una tapa (30, 40) , comprendiendo dicho elemento (70) y dicha tapa (30, 40) , cada uno, un medio colector de corriente (71, 72, 34, 44) , en el que la puesta en conexión eléctrica de las secciones colectoras (71, 72) de la bobina (70) y de las piezas colectoras de corriente (30, 40) se realiza mediante un procedimiento de soldadura por difusión a baja temperatura, siendo dicha temperatura inferior a 400ºC, estando el procedimiento caracterizado por que comprende por lo menos las etapas siguientes:

- una etapa (200) de aporte de galio sobre uno u otro de los medios colectores de corriente (71, 72, 34, 44) ;

- una etapa de ensamblaje (300) de los dos medios colectores de corriente (71, 72, 34, 44) separados por el depósito de galio, y -una etapa de soldadura por difusión (400) realizada por la aplicación de una fuerza que genera en las materias a ensamblar una tensión inferior o igual a 10 Mpa, siendo el conjunto soldado durante un periodo inferior a 1 h, con vistas a realizar la unión eléctrica del conjunto de almacenamiento de energía eléctrica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que cada sección colectora de corriente (30, 40) está soldada directamente en una pieza colectora de corriente (30, 40) .

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la temperatura de utilización se selecciona entre 150 y 400ºC.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la soldadura por difusión se efectúa con un metal de aporte seleccionado de entre el grupo formado por los metales de bajo punto de fusión, que comprende el cadmio, el galio, el indio, el estaño, el talio, el plomo, el bismuto, y el zinc, y sus aleaciones.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por que el metal de aporte es el galio, o un compuesto que contiene galio.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la temperatura de soldadura en la interfaz entre las piezas a ensamblar se selecciona entre 150 y 250ºC.

7. Procedimiento de realización según una de las reivindicaciones anteriores, de las conexiones eléctricas de un conjunto de almacenamiento de energía eléctrica (10) , caracterizado por que se realiza un aporte de galio a la interfaz entre los medios colectores de corriente mediante uno, o la combinación de varios, de los métodos siguientes: depósito mecánico de galio líquido o sólido, depósito electroquímico, depósito químico en fase vapor (CVD) , depósito por centrifugación ("spin coating") , pulverización de partículas metálicas ("schoopage") , depósito por inmersión, depósito por pulverización catódica, chorro de nanopartículas, bombardeo electrónico, evaporación de plasma, evaporación térmica, evaporación con arco catódico, anódico o por láser, o interposición de un metal de aporte que contiene el galio.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que una etapa (200) de depósito de galio comprende por lo menos las subetapas siguientes:

- una etapa (220) de calentamiento de uno de los medios colectores de corriente (71, 72, 34, 44) , -una etapa de inicio (230) del depósito de galio;

- una etapa (240) de depósito y de extensión de una pepita de galio sobre la zona de inicio de dicho medio colector de corriente (71, 72, 34, 44) calentado a una temperatura dada;

- una etapa de enfriamiento de dicho medio colector de corriente (71, 72, 34, 44) .

9. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado por que el calentamiento de uno de los medios colectores de corriente se realiza mediante uno de los medios de calentamiento comprendidos en el grupo siguiente: calentamiento por inducción, por radiación, por convección, por conducción, por efecto Joule, por infrarrojos o por ultrasonidos.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado por que comprende además una etapa

(250) de eliminación del exceso de galio antes del enfriamiento del medio colector de corriente.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 10, caracterizado por que la etapa de inicio (20) se realiza contaminando uno de los medios colectores de corriente (71, 72, 34, 44) con una baja dosis de polvo de galio. 5

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios colectores de corriente (71, 72, 34, 44) son de aluminio o de una aleación ligera.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende, además, una

etapa de enfriamiento del conjunto de almacenamiento de energía eléctrica (10) durante la etapa de soldadura por difusión, con la excepción de la parte en curso de soldadura.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la cantidad de galio depositada es inferior a 1 mg/cm2. 15

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la cantidad de galio depositada está comprendida entre 0, 4 y 0, 6 mg/cm2.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el medio colector de corriente 20 de la tapa (30, 40) corresponde a la cara interna (34, 44) de esta última.

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el medio colector de corriente (71, 72) del elemento bobinado de almacenamiento de energía eléctrica (70) es una sección colectora de corriente (71, 72) en forma de espiral de este último.

18. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado por que comprende, además, una etapa de deformación de la sección colectora de corriente (71, 72) del elemento bobinado de almacenamiento de energía eléctrica (70) en forma de estrella.

19. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende, además, una etapa de aplanamiento de la sección colectora de corriente (71, 72) del elemento bobinado de almacenamiento de energía eléctrica (70) paralelamente a la cara interna (34, 44) de la tapa (30, 40) .

20. Procedimiento según la reivindicación 18, caracterizado por que comprende, además, previamente a la etapa de soldadura por difusión, una etapa de aglomeración ("Shoopage") de bolas de aluminio proyectadas sobre la sección colectora de corriente (71, 72) del elemento de almacenamiento de energía eléctrica (70) con un cierto ángulo con el fin de crear unas zonas de apoyo reforzadas con el segundo medio colector de corriente (34, 44) .

21. Conjunto de almacenamiento de energía eléctrica realizado mediante un procedimiento de acuerdo con una de 40 las reivindicaciones 1 a 20 anteriores.