KR101441204B1 - 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 배터리에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 셀의 압력을 이용하여 기구적으로 전류를 차단하는 전류 차단 장치에 있어서 기구적으로 전류 차단이 더 용이하게 하도록 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체(CMA: Cell Module Assembly)에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 셀의 팽창력이 조금 약하더라도 레이저로 용접부위에 커트 라인을 형성시킴으로써 초기 뜯어짐이 쉽게 되어 전류 차단 장치가 조기 작동하는데 유리한 구조이다.

Description

전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체 및 이의 제조 방법{Battery cell module assembly for adapting a easy cut for current interrupt and Manufacture method thereof}
본 발명은 자동차 배터리에 관한 것으로서, 더 상세하게는 배터리 셀의 압력을 이용하여 기구적으로 전류를 차단하는 전류 차단 장치에 있어서 기구적으로 전류 차단이 더 용이하게 하도록 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체(CMA: Cell Module Assembly)에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 배터리 셀의 압력을 이용하여 기구적으로 전류를 차단하는 전류 차단 장치에 있어서 기구적으로 전류 차단이 더 용이하도록 커트 라인을 적용하는 공정을 구현하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기자동차, 하이브리드 자동차 등에서 가장 비중을 많이 차지하는 주요 구성요소인 자동차 배터리는 충방전을 하면서 에너지를 저장하고 또한 방출한다.
통상, 자동차 배터리의 과방전은 에너지가 소모되는 특성으로 인해 배터리 수명 내구성을 감소시키는데 그치지만, 과충전은 에너지가 축적되는 특성으로 인해 안전상 위험을 야기할 수 있다.
자동차 배터리 셀내 과충전 현상이 발생할 경우 셀 내부에는 온도 상승과 함께 양극과 음극 소재 사이에 위치한 분리막(separator)의 기공을 폐쇄하여 자동차 배터리 셀이 부풀어 오르는 현상(swelling)이 발생하여 폭발 현상이 일어날 수 있다.
그러므로, 자동차 배터리 장치에는 과충전에 대한 안전회로가 반드시 구비됨으로써 충전시 배터리가 발화 및 폭발의 상태까지 가기 전에 더 이상의 충전을 막아 주고, 이로부터 고객의 안전을 위한 배터리 안전성(FAIL SAFETY)을 이끌어 낸다.
이러한 배터리 안전성을 구현하는 방식으로는 2가 방식이 주로 이용되고 있다.
첫 번째로, 친환경 전기 자동차용 배터리의 경우 과충전 상황시 배터리의 안전성을 위해 전자부품의 제어를 통해 과전류를 차단하여 과충전 상황을 억제한다.
이러한 방식이 배터리에 적용된 방식으로서 PCM(Protection Circuit Module) 등과 같은 보호회로 등을 예로 들 수 있다.
하지만, PCM과 같은 과충전 보호회로가 적용되었다 하더라도 안전성이 충분히 담보되기 힘들고, 특히 파우치 타입 배터리에서는 파우치 셀의 스웰링을 보다 정확하게 파악하기 위해 보다 강화된 보호회로구조가 적용될 필요가 있다는 단점이 있었다.
또한, 두 번째 방식으로는, 전자부품의 오작동 상황을 고려하여 과충전시 자동차용 배터리가 열팽창하며 발생하는 압력을 이용해 자동차용 배터리의 직렬연결을 물리적으로 차단하는 기구적 전류 차단 장치를 적용하고 있다.
일반적으로 배터리팩의 전류 차단 장치는 과충전 상황에서 발생하는 배터리의 팽창 압력만을 이용하여 배터리팩 기구물을 통해 배터리팩의 직렬 연결을 물리적으로 끊어 전류를 차단하는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 배터리 연결을 위한 리드상에 용접라인(100)이 형성된다.
그러나, 점차 전기 자동차 산업에서 요구되는 자동차용 배터리는 고용량 고출력의 형태로 변화됨으로써 배터리의 용량도 늘어나고 있는 추세이다.
이에 따라 배터리들을 연결하는 리드의 두께도 또한 두꺼워져, 일반적인 전류 차단 장치(CID: Current Interrupt Device)를 작동시키는데 방해 요소가 되고 있었다.
1.한국특허공개번호 제10-2009-0052802호 2.한국특허공개번호 제10-2006-0114549호 3.한국특허공개번호 제10-2004-0045937호 4.한국특허공개번호 제10-2003-0044510호
본 발명은 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 셀 모듈 조립체의 과충전시 안전성 확보에 관한 것으로 과충전이 발생하면 배터리 셀간 연결되는 리드의 두께에 상관없이 리드의 용접부를 기구적으로 빠른 시간에 파단할 수 있도록 하는 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 셀 모듈 조립체에 이러한 커트 라인이 적용되는 제조 공정을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 과충전이 발생하면 배터리 셀간 연결되는 리드의 두께에 상관없이 리드의 용접부를 기구적으로 빠른 시간에 파단할 수 있도록 하는 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체를 제공한다.
상기 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체는,
용접용 라인이 형성되는 제 1 리드를 갖는 제 1 배터리 셀; 및
상기 용접용 라인과 일치되게 일정 팽창 조건이 발생하면 파단되는 커트 라인이 형성되며 상기 제 1 리드와 용접에 의해 용접되는 제 2 리드를 갖는 제 2 배터리 셀;
를 포함하는 것을 특징을 할 수 있다.
이때, 상기 제 1 리드와 제 2 리드의 용접은 레이저 용접 기술을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 커트 라인은 레이저 기술을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 리드와 제 2 리드의 용접된 부분 중 적어도 하나의 부분은 일정한 길이로 절개된 홀을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 리드의 재질은 구리이고, 상기 제 2 리드의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편으로 본 발명의 다른 일실시예는,
제 1 배터리 셀의 제 1 리드 상에 용접용 라인을 형성하는 용접용 라인 형성 단계; 제 2 배터리 셀의 제 2 리드 상에 상기 용접용 라인과 일치되게 일정 팽창 조건이 발생하면 파단되는 커트 라인을 위한 예비선을 형성하는 예비선 형성 단계;
상기 예비선을 따라 상기 커트 라인을 형성하는 커트 라인 형성 단계; 및
상기 용접용 라인을 따라 상기 제 1 리드 및 제 2 리드를 용접하는 용접 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 일반적으로 전류 차단 작동은 앞서 설명된 것과 같이 압력에 의하여 셀이 부푼 후 셀 리드 부분이 분리되어 전류의 흐름을 차단하는데 비해, 셀의 팽창력이 조금 약하더라도 레이저로 용접부위에 커트 라인을 형성시킴으로써 초기 뜯어짐이 쉽게 되어 전류 차단 장치가 조기 작동하는데 유리한 구조이다.
본 발명의 다른 효과로서는 용접라인으로 고정되어 있다는 점은 공통된 사항이므로 진동 및 충격 시험에도 불리한 점이 없다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적으로 리드를 용접하는 용접 라인을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 셀 모듈 조립체(CMA: Cell Module Assembly)에 전류 차단을 용이하게 커트 라인을 적용한 상태를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 배터리 셀 용접전에 배터리 셀에 레이저를 이용하여 커트 라인을 적용한 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3에서 커트 라인이 적용된 배터리 셀과 커트 라인이 적용되지 않은 배터리 셀의 리드를 레이저로 용접한 상태를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 셀 모듈 조립체에 커트 라인을 적용하는 공정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 열팽창 패드를 이용한 전류 차단 장치를 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 이해를 위해, 전류 차단 장치(CID: Current Interrupt Device) 원리를 설명하면, 과충전 상황에서 발생하는 자동차 배터리 내부의 화학 반응시 가스 발생에 의한 압력 및/또는 구조물을 통해 자동차 배터리 내부에서 발생하는 팽창압력이 특정 부분으로 집중되어 발생하게 유도하여 그 힘으로 배터리 셀과 배터리 셀을 연결하는 배터리 리드의 용접 부위를 분리시켜 전류의 흐름을 차단한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 셀 모듈 조립체(CMA: Cell Module Assembly)에 전류 차단을 용이하게 커트 라인을 적용한 상태를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예는, 과충전이 발생하면 배터리 셀간 연결되는 리드의 두께에 상관없이 리드의 용접부를 기구적으로 빠른 시간에 파단할 수 있도록 하는 구조를 제공한다.
이를 위해, 상기 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체(200)는, 용접용 라인(230)이 형성되는 제 1 리드(211)를 갖는 제 1 배터리 셀(210); 및 상기 용접용 라인(230)과 일치되게 일정 팽창 조건이 발생하면 파단되는 커트 라인이 형성되며 상기 제 1 리드(211)와 용접에 의해 용접되는 제 2 리드(221)를 갖는 제 2 배터리 셀(220) 등을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제 1 리드(211)와 제 2 리드(221)의 용접은 레이저 용접 기술을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 전자빔 용접(electron beam welding) 등도 가능하다.
또한, 상기 제 1 리드(211)와 제 2 리드(221)의 용접된 부분에는 배터리 셀(210,220)의 팽창시 강도 약화로 인해 쉽게 파단되도록 용접된 부분의 양쪽에 절개된 절개홀(250-1,250-2)이 일정한 길이로 형성된다.
물론, 이와 달리, 적어도 하나의 부분에만 일정한 길이로 절개된 홀을 가지는 것도 가능하다.
도 2를 계속하여 참조하면, 상기 제 1 리드(211)의 재질은 구리(Cu)이고, 상기 제 2 리드(221)의 재질은 알루미늄(Al)이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 배터리 셀 용접전에 배터리 셀에 레이저를 이용하여 커트 라인을 적용한 상태를 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 제 2 배터리 셀(220)을 확대하여 보여준다.
제 2 배터리 셀(220)의 양단에는 각각 다른 배터리 셀과 연결되기 위해 리드(221,321)가 형성된다.
이들 리드는 각각 구리 재질의 리드와 알루미늄 재질의 리드로 구성된다. 물론, 다른 배터리 셀도 이와 동일한 구조를 갖는다.
이중 좌측 리드를 확대해서 보면 커트 라인(310)이 제 2 리드(221)상에 형성된다.
또한, 상기 커트 라인은 레이저 기술을 이용하여 형성된다. 즉, 커트 라인(310)은 레이저 기술을 이용하여 제 2 리드(221)를 일정 길이로 천공하거나 두께를 얇게 절삭함으로써 형성된다.
도 4는 도 3에서 커트 라인이 적용된 배터리 셀과 커트 라인이 적용되지 않은 배터리 셀의 리드를 레이저로 용접한 상태를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 레이저 용접 기술을 이용하여 제 1 배터리 셀(210)과 제 2 배터리 셀(220)을 용접한다.
물론, 제 1 배터리 셀(210)의 제 1 리드(211)와 제 2 배터리 셀(220)의 제 2 리드(221)는 모두 중심인 점에서 레이저 용접 기술에 의해 용접된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 셀 모듈 조립체에 커트 라인을 적용하는 공정을 보여주는 흐름도이다. 부연하면, 도 2 내지 4에 도시된 기구적 특징이 이루어지도록 하는 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 제 1 배터리 셀(도 2의 210)의 제 1 리드(211) 상에 용접용 라인(230))을 형성한다(단계 S500). 즉, 제 1 배터리 셀(210)과 제 2 배터리 셀(220)을 용접하기에 앞서, 제 1 배터리 셀(210)의 제 1 리드(211) 상에는 용접을 위한 용접용 라인을 위한 예비선을 형성시킨다.
또한, 이와 함께, 제 2 배터리 셀(도 2의 220)의 제 2 리드(221) 상에 커트 라인을 위한 예비선을 형성한다.
예비선이 형성되면, 이 예비선을 따라 레이저를 이용하여 상기 용접용 라인과 일치되게 일정 팽창 조건이 발생하면 파단되는 커트 라인을 형성한다(단계 S510).
커트 라인이 형성되면, 상기 용접용 라인(230)을 따라 상기 제 1 리드(211) 및 제 2 리드(221)를 용접한다(단계 S520).
본 발명에서는, 배터리 셀간 리드의 경우에 대해서만 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다수의 배터리들이 직렬 및/또는 병렬 및 이들의 조합으로 구성되는 셀 모듈 조립체 간의 리드의 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
200: 셀 모듈 조립체
210: 제 1 배터리 셀
211: 제 1 리드
220: 제 2 배터리 셀
221: 제 2 리드
230: 용접용 라인
250-1,250-2: 절개홀
310: 커트 라인

Claims (10)

  1. 용접용 라인이 형성되는 제 1 리드를 갖는 제 1 배터리 셀; 및
    상기 용접용 라인과 일치되게 일정 팽창 조건이 발생하면 파단되는 커트 라인이 형성되며 상기 제 1 리드와 용접에 의해 용접되는 제 2 리드를 갖는 제 2 배터리 셀;을 포함하며,
    상기 커트 라인은 레이저 기술을 이용하여 형성되고,
    상기 제 1 리드와 제 2 리드의 용접된 부분 중 적어도 하나의 부분은 팽창이 발생하면 파단이 용이하게 발생하도록 일정한 길이로 절개된 절개홀을 가지는 것을 특징을 하는 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 리드와 제 2 리드의 용접은 레이저 용접 기술을 이용하는 것을 특징으로 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 리드의 재질은 구리이고, 상기 제 2 리드의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체.
  6. 제 1 배터리 셀의 제 1 리드 상에 용접용 라인을 형성하는 용접용 라인 형성 단계;
    제 2 배터리 셀의 제 2 리드 상에 상기 용접용 라인과 일치되게 일정 팽창 조건이 발생하면 파단되는 커트 라인을 위한 예비선을 형성하는 예비선 형성 단계;
    상기 예비선을 따라 상기 커트 라인을 형성하는 커트 라인 형성 단계; 및
    상기 용접용 라인을 따라 상기 제 1 리드 및 제 2 리드를 용접하는 용접 단계;를 포함하며,
    상기 커트 라인은 레이저 기술을 이용하여 형성되고,
    상기 제 1 리드와 제 2 리드의 용접된 부분 중 적어도 하나의 부분은 팽창이 발생하면 파단이 용이하게 발생하도록 일정한 길이로 절개된 절개홀을 가지는 것을 특징으로 하는 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 리드와 제 2 리드의 용접은 레이저 용접 기술을 이용하는 것을 특징으로 하는 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 리드의 재질은 구리이고, 상기 제 2 리드의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 전류 차단을 용이하게 하는 커트 라인 적용 셀 모듈 조립체의 제조 방법.
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