JP7147052B2 - 電極リードをバスバーに密着させる加圧ジグ装置及びそれを含むバッテリーモジュール製造システム - Google Patents

電極リードをバスバーに密着させる加圧ジグ装置及びそれを含むバッテリーモジュール製造システム Download PDF

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Description

本発明は、電極リードをバスバーに密着させる加圧ジグ装置及びそれを含むバッテリーモジュール製造システムに関し、より詳しくは、複数のグループのバッテリーセル積層体の各々の電極リード集合体をバスバーに同時に密着させるのに用いられる加圧ジグ装置及びそれを含むバッテリーモジュール製造システムに関する。
本出願は、2018年12月21日出願の韓国特許出願第10-2018-0167940号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
従来のバッテリーモジュールの場合、積層されたバッテリーセル同士間の電気的接続のためにバスバーを適用し、この際、複数のバッテリーセルの各々から引き出された複数の電極リードを曲げてバスバーの上に位置させた後、溶接を行っていた。
バッテリーモジュールをこのように製造する場合、曲げられた電極リードをバスバーの上に位置させた状態で、ジグを用いて電極リードをバスバーに向かう方向へ加圧して電極リードをバスバーに密着させた後、電極リードにレーザーを出射して溶接を行った。
図1及び図2を参照すれば、複数のパウチ型バッテリーセルがバスバーによって電気的に接続した形態を有する従来のバッテリーモジュールが示されている。
このような従来のバッテリーモジュールは、図1に示したように、複数のパウチ型バッテリーセル1から引き出された各々の電極リード2をバスバー3のリードスリット4に挿入した後、図2に示したように、挿入された電極リード2を曲げてバスバー3に密着させて溶接することで製造される。
しかし、このような従来のバッテリーモジュールは、電極リード2をバスバー3のリードスリット4に挿入する工程及び電極リード2をバスバー3に溶接する工程の他にも電極リード2を曲げる工程がさらに要るため、製造工程が複雑になる。
また、バッテリーモジュールに適用されるパウチ型セルの場合には、セルの厚さが薄くなるほど電極リードの長さも短く製造されるが、このように電極リードの長さが短くなる場合、電極リードとバスバーとの接合面積も減少するようになって結合強度が低下し、これによる製品不良発生の恐れが大きくなる。
そこで、電極リードの曲げ工程が省略可能なバッテリーモジュール構造の開発が求められ、これより電極リードとバスバーとの接合構造に適した新しい溶接用加圧ジグの開発も求められる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、電極リードがバスバーとの結合のために曲げられていない状態でバスバーと溶接によって結合した形態を有するバッテリーモジュールの製造において、バスバーと電極リードとが相互に密着した状態で溶接が行われるように、電極リード集合体をバスバーに密着させることができるように構成された溶接用の加圧ジグ装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、加圧ジグ装置の加圧チップと電極リード集合体との接触位置及び加圧チップの形状を変更して電極リード集合体とバスバーとの溶接過程で生成される溶融池が加圧ジグ装置に粘着することを防止することを他の目的とする。
なお、本発明が解決しようとする課題は上述の課題に制限されず、言及されていないさらに他の課題は、下記する発明の説明から当業者に明確に理解されであろう。
上記の課題を達成するための本発明の一実施例によるバッテリーモジュール製造システムは、複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体、前記セル積層体を収容するモジュールケース、及び前記モジュールケースの一側開口部をカバーするバスバーフレーム、を含むバッテリーモジュールと、前記バスバーフレームが外部に露出するように前記バッテリーモジュールの一側に結合する固定フレームと、前記固定フレームの上に結合し、前記バスバーフレームに備えられるバスバーの両側部に前記バッテリーセルの電極リードが密着した状態で溶接が行われるように前記電極リードを加圧する少なくとも一つの加圧ジグ装置と、を含む。
前記加圧ジグ装置は、第1フレーム及び第2フレームを含み、前記第1フレーム及び第2フレームの各々は、長手方向の一端部に締結する回転軸を基準にして相互が相対的に回動可能に結合し得る。
前記第1フレームは、長手方向の他端部に備えられ、前記セル積層体を構成する第1単位セル積層体のリード集合体が前記バスバーの一側部に密着するように加圧する第1加圧チップを含み、前記第2フレームは、長手方向の他端部に備えられ、前記第1加圧チップと対向し、前記セル積層体を構成する第2単位セル積層体のリード集合体が前記バスバーの他側部に密着するように加圧する第2加圧チップを含み得る。
前記第1加圧チップ及び第2加圧チップは、各々対応する前記リード集合体を加圧し、前記バスバーの一側面及び他側面の高さ方向の中心部よりも下側に対応する位置で加圧を行い得る。
前記第1加圧チップ及び第2加圧チップは、前記リード集合体と対向する面の上部が面取りされた形状を有し得る。
前記加圧ジグ装置は、前記第1フレームと第2フレームとの間に連結され、前記第1フレームと第2フレームとが相互に近くなる方向へ力を加える弾性部材を含み得る。
前記加圧ジグ装置は、前記第1フレームと第2フレームとの間に固定され、前記電極リードが前記バスバーの上面よりも上部へ突出しないように前記電極リードを下方へ加圧するリード突出防止ユニットを含み得る。
前記リード突出防止ユニットは、相互に離隔して平行に延びる一対の横棒と、前記一対の横棒の各々の中心部を連結する隔壁と、を含み、前記横棒は、前記電極リードを下方へ加圧し得る。
なお、上記の課題を達成するための本発明の一実施例による加圧ジグ装置は、複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体を含むバッテリーモジュールの一側に設けられ、前記バッテリーモジュールに備えられたバスバーの両側面に電極リードが密着した状態で溶接が行われるように前記電極リードを加圧する溶接用の加圧ジグ装置であって、第1フレーム及び第2フレームを含み、前記第1フレームは、長手方向の一端部に備えられて前記セル積層体を構成する第1単位セル積層体のリード集合体が、前記バスバーの一側部に密着するように加圧する第1加圧チップを含み、前記第2フレームは、長手方向の一端部に備えられて前記第1加圧チップに対向し、前記セル積層体を構成する第2単位セル積層体のリード集合体が前記バスバーの他側部に密着するように加圧する第2加圧チップを含む。
本発明の一面によれば、電極リードが曲げられない状態でバスバーと溶接によって結合でき、これによって、バスバーの上部へ電極リードが露出しなくなり、電極リードとバスバーとの溶接部位の破損の恐れが減少する。
また、本発明の他面によれば、電極リード集合体とバスバーとの接合のための溶接過程で加圧ジグ装置の加圧チップに電極リード集合体の溶融池が粘着して加圧ジグ装置を汚染することを防止することができる。
従来のバッテリーモジュールの製造に際し、電極リードとバスバーとの結合工程を示す図である。 従来のバッテリーモジュールの製造に際し、電極リードとバスバーとの結合工程を示す図である。 本発明の一実施例によるバッテリーモジュール製造システムを示す斜視図である。 本発明の一実施例による加圧ジグ装置がリード集合体をバスバーに密着するように加圧している状態を示す図である。 本発明の一実施例による加圧ジグ装置を示す斜視図である。 本発明の一実施例による加圧ジグ装置の一面を示す平面図である。 本発明の一実施例による加圧ジグ装置に備えられた加圧チップとリード集合体、そしてバスバーとの位置関係及び加圧チップの形状を具体的に示す図である。 本発明の一実施例による加圧ジグ装置において、リード突出防止ユニットによってリード集合体がバスバーの上面よりも上部へ突出しないように加圧される様子を示す図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
先ず、図3を参照すれば、本発明の一実施例によるバッテリーモジュール製造システムは、バッテリーモジュール100、加圧ジグ装置200及び固定フレーム300を含むように具現され得る。
図3及び図4を参照すれば、前記バッテリーモジュール100は、セル積層体110、セル積層体110を収容するモジュールケース120及びモジュールケース120の一側の開口部をカバーするバスバーフレーム130を含む。
前記セル積層体110は、第1単位セル積層体110A及びそれに隣接して位置する第2単位セル積層体110Bを含む。本発明の図面においては、単位セル積層体が二つ示されているが、これによって単位セル積層体の個数が限定されず、単位セル積層体の個数は二つ以上であれば、その個数は制限されない。また、本発明の図面では、一つの単位セル積層体が三つのバッテリーセル111からなる場合のみを示しているが、これによって一つの単位セル積層体に含まれるバッテリーセル111の個数が制限されることではなく、一つの単位セル積層体には二つまたは四つ以上のバッテリーセルが含まれ得る。
前記単位セル積層体110A、110Bの各々は、複数のバッテリーセル111が相互に対向して積層されて形成され、積層されて一つの単位セル積層体をなす各々のバッテリーセル111は、電極リード111aを備える。
一つの単位セル積層体110A、110Bをなす各々のバッテリーセル111に備えられた電極リード111aは一つのグループをなし、集まって一つのリード集合体Tを形成する。
同じ単位セル積層体から引き出された電極リード111aが集まって形成されたリード集合体Tは、バスバーフレーム130に形成されたリードスリット(図示せず)またはリード貫通孔(図示せず)を通してバスバーフレーム130の上面(図3のX-Z平面と平行する面)に露出する。このように露出したリード集合体Tは、バスバーフレーム130の上面に固設されたバスバー131に密着する。
より具体的には、前記第1単位セル積層体110Aに備えられたリード集合体Tは、バスバー131の一側面に密着し、第2単位セル積層体110Bに備えられたリード集合体Tは、バスバー131の他側面に密着する。このようなリード集合体Tの密着は、加圧ジグ装置200の加圧によって行われ、リード集合体Tは、バスバー131に密着した状態で溶接されてバスバー131に接合される。
このように相互に隣接した単位セル積層体110A、110Bの各々のリード集合体Tが一つのバスバー131によって電気的に接続できる。
図3及び図4を参照すれば、前記加圧ジグ装置200は、バッテリーモジュール100の一側に配置されて相互に隣接する単位セル積層体110A、110Bの各々のリード集合体Tがバスバー131の一側面及び他側面に各々密着するようにリード集合体Tを加圧する装置である。図4~図6を参照すれば、加圧ジグ装置200は、第1フレーム210、第2フレーム220、回転軸230、弾性部材240及びリード突出防止ユニット250を含むように具現され得る。
前記第1フレーム210及び第2フレーム220は、各々の長手方向(図4のY軸と平行する方向)の一端部を貫通して締結される回転軸230によって相互が相対的に回動可能に結合する。前記第1フレーム210及び第2フレーム220は、長手方向の一端部を中心にして回転することで他端部が相互に近くなるか、または遠くなる。前記回転軸230は、加圧ジグ装置200の安定的な動作のために、幅方向(図5のZ軸と平行する方向)の両側端部に各々一つずつ備えられ得る。
前記第1フレーム210は、第1加圧チップ211及び第1サブフレーム212を含む。前記第1加圧チップ211は、第1フレーム210の長手方向の他端部、即ち、第1フレーム210と第2フレーム220との結合部位の反対側に備えられる。
前記第1加圧チップ211は、第1フレーム210と第2フレーム220との相対的な回動によって第2フレーム220に向かう方向へ動き、第1単位セル積層体110Aに備えられたリード集合体Tがバスバー131の一側面(side surface)の上に密着するように加圧する。
前記第1サブフレーム212は、第1フレーム210の長手方向の一端部と他端部との間に備えられ、第1フレーム210の長手方向とほぼ垂直な方向(図4のX軸と平行する方向)へ延びた形態を有する。また、前記第1サブフレーム212は、さらにその端部が上方または下方(図4のY軸と平行する方向)へ折り曲げられた形態を有する。このように折り曲げられた前記第1サブフレーム212の端部は、弾性部材240を支持する支持面として機能する。前記第1サブフレーム212は、加圧ジグ装置200の幅方向(図5のZ軸と平行する方向)の両側端部に各々一つずつ形成され得る。
前記第1フレーム210と類似に、前記第2フレーム220は、第2加圧チップ221及び第2サブフレーム222を含む。前記第2加圧チップ221は、 第2フレーム220の長手方向の他端部、即ち、第1フレーム210と第2フレーム220との結合部位の反対側に備えられる。
前記第2加圧チップ221は、第1フレーム210と第2フレーム220との相対的な回動によって第1フレーム210に向かう方向へ動き、第2単位セル積層体110Bに備えられたリード集合体Tがバスバー131の他側面(side surface)に密着するように加圧する。
前記第2サブフレーム222は、第2フレーム220の長手方向の一端部と他端部との間に備えられ、第2フレーム220の長手方向とほぼ垂直な方向(図4のX軸と平行する方向)へ延びた形態を有する。また、前記第2サブフレーム222は、その端部が下方または上方(図4のY軸と平行する方向)へ折り曲げられた形態を有し、第1サブフレーム212の端部とは反対方向へ折り曲げられた形態を有する。
このように折り曲げられた前記第2サブフレーム222の端部は、弾性部材240を支持する支持面として機能する。即ち、前記第1サブフレーム212の端部によって形成される支持面と、第2サブフレーム222の端部によって形成される支持面とは相互に平行に配置され、その間に弾性部材240が介在されるのである。前記第2サブフレーム222は、加圧ジグ装置200の幅方向(図5のZ軸と平行する方向)の両側端部に各々一つずつ形成され得る。
前記弾性部材240としては、例えば、ばね(spring)を適用し得る。前記弾性部材240の長手方向(図4のX軸方向)の一側は、第2サブフレーム222の端部によって形成される支持面に結合し、他側は、第1サブフレーム212の端部によって形成される支持面に結合する。
また、前記弾性部材240は、外力が作用しない状態における長さが第1サブフレーム212の端部と第2サブフレーム222の端部との距離よりも短い。このような弾性部材240の長さによって、弾性部材240は、長さが増えた状態で一対のサブフレーム212、222の間に結合し、これによって、弾性部材240の弾性復元力は、第1フレーム210と第2フレーム220とが相互に近くなる方向へ作用するようになる。
したがって、前記加圧ジグ装置200の使用者は、第1加圧チップ211と第2加圧チップ221とが相互に遠くなる方向、第1フレーム210と第2フレーム220とが回転によって開けられる方向へ力を加えて第1加圧チップ211と第2加圧チップ221との間にバスバー231とリード集合体Tとが位置するようにした後、加えた力を除去することでリード集合体Tをバスバー231に密着させることができる。即ち、前記第1加圧チップ211及び第2加圧チップ221がリード集合体Tに加える加圧力の大きさは、弾性部材240の弾性復元力と比例する。
図7を参照すれば、前記第1加圧チップ211及び第2加圧チップ221は、相互に隣接した単位セル積層体110A、110Bに備えられた一対のリード集合体Tがバスバー131の両側面に密着するように加圧し、バスバー131の一側面及び他側面の高さ方向の中心部よりも下方に対応する位置で加圧を行い得る。これは、前記リード集合体Tがバスバー131に密着した状態で溶接されるときに形成される電極リード111aの溶融池が、加圧チップ211、221に粘着されることを防止するためである。
また、前記第1加圧チップ211及び第2加圧チップ221は、リード集合体Tと対向する面の上部が面取りされた形状を有し得る。これも、前記溶融池が加圧チップ211、221に粘着されることを防止するためである。
前記溶融池が加圧チップ211、221に粘着される場合、加圧チップ211、221をリード集合体Tから取り外すとき、リード集合体Tが力を受けてリード集合体Tとバスバー131との溶接部位が損傷し得、また、一定の回数の溶接を施した後、粘着された溶融池を除去する工程をさらに行わなければならない。したがって、本発明による加圧ジグ装置200は、加圧チップ211、221を用いた加圧位置及び加圧チップ211、221の形状の改善によって、このような問題点を解決しようとするのである。
図4~図7を参照すれば、前記リード突出防止ユニット250は、結合棒Cによって第1フレーム210と第2フレーム220との間に固定され、リード集合体Tがバスバー131の上面よりも上部へ突出しないようにリード集合体Tを下方へ加圧する。
前記リード突出防止ユニット250の端部には、相互に離隔して平行に延びる一対の横棒Bと、一対の横棒Bの各々の中心部を連結する隔壁Wと、が備えられる。前記横棒Bと隔壁Wとは、相互にほぼ垂直な方向へ延びた形態を有し、これによって、リード突出防止ユニット250の端部はHビームの形態を有する。
前記横棒Bは、リード集合体Tと接触してリード集合体Tがバスバー131の上面へ突出しないようにリード集合体Tを直接加圧する。前記一対の横棒B の各々の外側エッジ部分の間の距離D1は、リード集合体Tの幅D2と同一であるか、または短く形成される。これは、前記リード突出防止ユニット250がバスバー131に向かって下降したとき、横棒Bがリード集合体Tと接触できるようにするためである。
前記一対の横棒Bの各々の長手方向の一端部は、リード集合体Tの幅方向の両端部を加圧する。
このように、前記横棒Bがリード集合体Tを上部から加圧してリード集合体Tがバスバー131の上面よりも上部へ突出しないようにした状態で、隔壁Wを中心にして両側に形成される開放部からレーザービームが照射されるか、または溶接棒が接近することで、リード集合体Tとバスバー131とが溶接できる。
即ち、前記隔壁Wを中心にして両側に形成される開放部は、加圧ジグ装置200の上部に形成された開放部と連通し、これによって加圧ジグ装置200の上部からリード集合体Tに向かう方向(図4のY軸と平行する方向)に沿って溶接棒やレーザービームが近づけ可能な空間が提供される。
一方、図3をさらに参照すれば、前記固定フレーム300は、バスバーフレーム130が外部に露出するようにバッテリーモジュール100の一側に結合する。このような固定フレーム300は、加圧ジグ装置200が固定される支持体として機能する。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
1 パウチ型バッテリーセル
2 電極リード
3 バスバー
4 リードスリット
100 バッテリーモジュール
110 セル積層体
110A 第1単位セル積層体
110B 第2単位セル積層体
111 バッテリーセル
111a 電極リード
120 モジュールケース
130 バスバーフレーム
131 バスバー
200 加圧ジグ装置
210 第1フレーム
211 第1加圧チップ
212 第1サブフレーム
220 第2フレーム
221 第2加圧チップ
222 第2サブフレーム
230 回転軸
231 バスバー
240 弾性部材
250 リード突出防止ユニット
300 固定フレーム

Claims (11)

  1. 複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体と、前記セル積層体を収容するモジュールケースと、前記モジュールケースの一側開口部をカバーするバスバーフレームと、を含むバッテリーモジュールと、
    前記バスバーフレームが外部に露出するように前記バッテリーモジュールの一側に結合する固定フレームと、
    前記固定フレームの上に結合し、前記バスバーフレームに備えられるバスバーの両側部に前記バッテリーセルの電極リードが密着した状態で溶接が行われるように前記電極リードを加圧する少なくとも一つの加圧ジグ装置と、を含む、バッテリーモジュール製造システムであって、
    前記加圧ジグ装置は、第1フレーム及び第2フレームを含み、
    前記第1フレーム及び前記第2フレームの各々は、長手方向の一端部に締結する回転軸を基準にして相互が相対的に回動可能に結合し、
    前記加圧ジグ装置は、前記第1フレームと前記第2フレームとの間に固定され、前記電極リードが前記バスバーの上面よりも上部へ突出しないように前記電極リードを下方へ加圧するリード突出防止ユニットを含むことを特徴とする、バッテリーモジュール製造システム
  2. 前記第1フレームは、長手方向の他端部に備えられ、前記セル積層体を構成する第1単位セル積層体のリード集合体が前記バスバーの一側部に密着するように加圧する第1加圧チップを含み、
    前記第2フレームは、長手方向の他端部に備えられ、前記第1加圧チップと対向し、前記セル積層体を構成する第2単位セル積層体のリード集合体が前記バスバーの他側部に密着するように加圧する第2加圧チップを含むことを特徴とする、請求項に記載のバッテリーモジュール製造システム。
  3. 前記第1加圧チップ及び前記第2加圧チップは、各々対応する前記リード集合体を加圧し、前記バスバーの一側面及び他側面の高さ方向の中心部よりも下側に対応する位置で加圧を行うことを特徴とする、請求項に記載のバッテリーモジュール製造システム。
  4. 前記第1加圧チップ及び前記第2加圧チップは、前記リード集合体と対向する面の上部が面取りされた形状を有することを特徴とする、請求項又はに記載のバッテリーモジュール製造システム。
  5. 前記加圧ジグ装置は、前記第1フレームと前記第2フレームとの間に連結され、前記第1フレームと前記第2フレームとが相互に近くなる方向へ力を加える弾性部材を含むことを特徴とする、請求項からのいずれか一項に記載のバッテリーモジュール製造システム。
  6. 前記リード突出防止ユニットは、
    相互に離隔して平行に延びる一対の横棒と、
    前記一対の横棒の各々の中心部を連結する隔壁と、を含み、
    前記横棒は、前記電極リードを下方へ加圧することを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載のバッテリーモジュール製造システム。
  7. 複数のバッテリーセルが積層されて形成されたセル積層体を含むバッテリーモジュールの一側に設けられ、前記バッテリーモジュールに備えられたバスバーの両側面に電極リードが密着した状態で溶接が行われるように前記電極リードを加圧する溶接用の加圧ジグ装置であって、
    第1フレームと、
    前記第1フレームと対向し、前記第1フレームと相対的に回動可能に結合する第2フレームと、を含み、
    前記第1フレームは、長手方向の一端部に備えられて前記セル積層体を構成する第1単位セル積層体のリード集合体が、前記バスバーの一側部に密着するように加圧する第1加圧チップを含み、
    前記第2フレームは、長手方向の一端部に備えられて前記第1加圧チップに対向し、前記セル積層体を構成する第2単位セル積層体のリード集合体が前記バスバーの他側部に密着するように加圧する第2加圧チップを含み、
    前記加圧ジグ装置は、
    前記第1フレームと第2フレームとの間に固定され、前記電極リードが前記バスバーの上面よりも上部へ突出しないように前記電極リードを下方へ加圧するリード突出防止ユニットを含む、加圧ジグ装置。
  8. 前記第1加圧チップ及び前記第2加圧チップは、
    前記リード集合体を加圧し、前記バスバーの一側面及び他側面の高さ方向の中心部よりも下方に対応する位置で加圧を行うことを特徴とする、請求項に記載の加圧ジグ装置。
  9. 前記第1加圧チップ及び前記第2加圧チップは、
    前記リード集合体と対向する面の上部が面取りされた形状を有することを特徴とする、請求項又はに記載の加圧ジグ装置。
  10. 前記加圧ジグ装置は、
    前記第1フレームと前記第2フレームとの間に連結され、前記第1フレームと前記第2フレームとが相互に近くなる方向へ力を加える弾性部材を含むことを特徴とする、請求項からのいずれか一項に記載の加圧ジグ装置。
  11. 前記リード突出防止ユニットは、
    相互に離隔して平行に延びる一対の横棒と、
    前記一対の横棒の各々の中心部を連結する隔壁と、を含み、
    前記横棒が、前記電極リードを下方へ加圧することを特徴とする、請求項7から10のいずれか一項に記載の加圧ジグ装置。
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