KR101799563B1 - 전지팩용 레이저 용접 지그 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전지셀의 상단에 탑재된 보호회로 부재를 전지셀에 전기적으로 연결하는 용접을 수행하는 레이저 용접 지그로서, 전지셀의 상단에 탑재된 보호회로 부재의 상면에 장착되고, 모재 압착을 위한 둘 이상의 커버 리브을 하면에 포함하며, 레이저 빔이 관통하는 둘 이상의 관통구을 포함하는 커버 플레이트; 전지셀의 적어도 일부 외면을 감싸면서 커버 플레이트의 하부에 고정되어 있는 제 1 베이스 플레이트와 제 2 베이스 플레이트; 및 전지셀의 하부를 수납하는 수납부를 포함하는 하부 플레이트; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그을 제공한다.

Description

전지팩용 레이저 용접 지그 {Jig for Laser Welding for Battery Pack}
본 발명은 전지팩용 레이저 용접 지그에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요의 증가로, 이차전지의 수요 또한 급격히 증가하고 있으며, 그 중에서도 에너지 밀도와 작동전압이 높고 보존과 수명 특성이 우수한 리튬 이차전지는 각종 모바일 기기는 물론 다양한 전자제품의 에너지원으로 널리 사용되고 있다.
이러한 리튬 이차전지에는 각종 가연성 물질들이 내장되어 있어서, 과충전, 과전류, 기타 물리적 외부 충격 등에 의해 발열, 폭발 등의 위험성이 있으므로, 안전성에 큰 단점을 가지고 있다. 따라서, 리튬 이차전지에는 과충전 등의 비정상인 상태를 효과적으로 제어할 수 있는 보호회로 모듈(PCM)이 전지셀에 전기적으로 연결된 상태로 탑재되어 있다.
일반적으로 이 같은 PCM은 용접 또는 솔더링 방식으로 전지셀에 연결된다. 예를 들어, 전지셀의 양극단자에 클래드(clad)를 부착한 후, 접속부재로서의 니켈 플레이트를 PCM의 양극 접속단자와 상기 클래드에 각각 용접하는 방식으로, PCM을 전지셀에 연결하여 전지팩을 제조한다.
용접은 다양한 방식으로 달성될 수 있는 바, 예를 들어, 저항 용접, 초음파 용접, 레이저 용접 등이 수행될 수 있다.
특히, PCM의 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 레이저 용접에 의해 전기적으로 연결할 때, 전지셀의 작은 구조로 인해 정밀한 작업으로 진행되어야 하고, 접속부재가 전극단자에 밀착이 되지 않을 경우, 불량이 발생할 가능성이 높은 문제점이 있다.
따라서, 접속부재를 전극단자에 밀착시켜 용접 과정에서의 불량 발생을 최소화할 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은 다양한 실험과 심도 있는 연구를 거듭한 끝에, 특정한 구조의 커버 플레이트, 베이스 플레이트들, 및 하부 플레이트를 구비한 레이저 용접 지그를 개발하게 되었고, 이러한 레이저 용접 지그를 사용하면 용접 불량 발생을 최소화할 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 용접 지그는, 전지셀의 상단에 탑재된 보호회로 부재를 전지셀에 전기적으로 연결하는 용접을 수행하는 레이저 용접 지그로서,
전지셀의 상단에 탑재된 보호회로 부재의 상면에 장착되고, 모재 압착을 위한 둘 이상의 커버 리브(cover rib)을 하면에 포함하며, 레이저 빔이 관통하는 둘 이상의 관통구들을 포함하는 커버 플레이트(cover plate);
전지셀의 적어도 일부 외면을 감싸면서 커버 플레이트의 하부에 고정되어 있는 제 1 베이스 플레이트(base plate)와 제 2 베이스 플레이트; 및
전지셀의 하부를 수납하는 수납부를 포함하는 하부 플레이트(bottom plate);
를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
즉, 본 발명에 따른 레이저 용접 지그는 중앙에 레이저 빔이 통과하는 중공부를 포함하는 커버 리브가 커버 플레이트 하면에 형성되어 있는 구조를 가짐으로써, 용접 대상의 외주변을 압착에 의해 밀착시켜 용접 불량 발생을 최소화할 수 있다.
상기 전지셀은, 특별히 한정되지 않으나, 각형의 금속 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지셀이 바람직하고, 상기 보호회로 부재는 전지셀의 작동을 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 인쇄회로기판(PCB)인 구조일 수 있다.
상기 레이저 용접 지그는, 하나의 구체적인 예에서, 보호회로 부재의 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 전기적으로 연결하는 용접을 수행하는 구조일 수 있다.
상기 커버 플레이트상의 관통구의 위치는 모재의 위치에 대응하여 형성될 수 있고, 관통구의 입구는 레이저 빔의 조사 각을 방해하지 않도록 하향 테이퍼(taper) 구조로 형성될 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 상기 테이퍼 구조는 관통구의 수직 중심 축을 기준으로 20 내지 60도의 기울기로 형성될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 레이저 장치는 관통구의 수직 중심축 상에 위치하지 않더라도 레이저 빔이 관통구와 커버 리브를 통과하여 용접 대상에 조사될 수 있다.
상기 커버 리브의 중앙에는 레이저 빔이 통과하는 중공부가 형성되어 있고, 상기 관통구를 통과한 레이저 빔이 커브 리브의 중공부를 통과하여 용접 대상에 조사된다.
상기 커버 리브는 용접 대상의 외주변을 압착에 의해 밀착시키도록 하향 돌출되어 있는 구조일 수 있고, 커버 리브의 형상은 용접 대상의 외주변을 압착에 의해 밀착시킬 수 있다면 특별히 한정되지 않으나, 용접 대상이 전지셀의 전극단자에 결합되는 판상형의 접속부재일 경우, 각관 형상일 수 있다. 또한, 상기 커버 플레이트에 가하진 압력이 커브 리브에 집중되어 용접 대상의 외주변을 압착에 의해 밀착시킬 수 있다면 특별히 한정되지 않으나, 상기 커브 리브에 의해서 압착되는 용접대상(직육면체의 판상형일 경우)의 외주변의 폭은, 예를 들어, 용접대상의 일변 폭의 5% 내지 30% 일 수 있다.
상기 레이저 빔은 관통구들에 동시에 조사될 수도 있고, 순차적으로 조사될 수도 있다. 이는, 전지셀 상에 용접 대상의 위치 및 레이저 장치의 사양 등을 고려하여 바람직하게 선택될 수 있다.
상기 제 1 베이스 플레이트 및 제 2 베이스 플레이트는 전지셀의 폭 방향으로 양측에 각각 위치하여 전지셀을 정위치에 고정하는 구조일 수 있다. 하나의 구체적인 예에서, 제 1 베이스 플레이트 및 제 2 베이스 플레이트는 커버 플레이트의 하면에 볼트/너트와 같은 체결구에 의해 결합된 구조일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 하부 플레이트는 전지셀의 하부를 수납하는 수납부를 포함하고 있는 바, 예를 들어, 수납부의 내면 상단에는 전지셀을 지지하도록 탄성 부재로 이루어진 둘 이상의 지지대들이 상향 돌출되어 있는 구조일 수 있다.
상기 하부 플레이트의 수납부의 외주는 전지셀의 적어도 일부 하부 측면을 감싸도록 상향 연장되어 있어서, 전지셀을 정위치에 고정시킬 수 있다.
상기 커버 플레이트는 소정의 강도와 절연성을 가진 소재로 이루져 있다면 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 금속 재질에 외면이 절연 아노다이징(anodizing)이 처리되어 있는 구조일 수 있다.
상기 베이스 플레이트 및 하부 플레이트는 전기절연성의 고분자 수지로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 베이클라이트(polyoxybenzylmethylenglycolanhydride)일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 또한, 상기 레이저 용접 지그를 사용하여 제조되는 전지팩과, 이를 포함하는 디바이스를 제공한다.
상기 디바이스는, 휴대폰, 휴대용 컴퓨터, 태플릿 PC, 스마트 패드, 넷북, 웨어러블 전자기기, 노트북 컴퓨터 등으로부터 선택되는 것일 수 있다. 이들 디바이스의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 용접 지그는, 중앙에 레이저 빔이 통과하는 중공부를 포함하는 커버 리브가 커버 플레이트 하면에 형성되어 있어서, 용접 대상의 외주변을 압착에 의해 밀착시켜 용접 불량 발생을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 레이저 용접 지그에 장착되는 하나의 예시적인 전지팩 상부의 분해도이다;
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 레이저 용접 지그의 모식도이다;
도 3은 도 2의 레이저 용접 지그의 커버 리브와 PCB의 접속 부재가 각각 밀착되는 위치를 나타내는 모식도이다;
도 4는 도 2의 레이저 용접 지그의 관통구를 나타내는 모식도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 레이저 용접 지그에 장착되는 하나의 예시적인 전지팩(100) 상부의 분해도가 모식적으로 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전지팩(100)은, 전극조립체(도시하지 않음)이 각형의 금속 캔(170)에 내장되어 있는 전지셀과, 금속 캔(170)의 상단면에 장착되는 전기절연성의 장착부재(140), 보호회로모듈(PCM: 120), 및 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 금속 캔(170)의 상단에 장착되는 절연성 캡(110)을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
알루미늄 소재로 이루어진 금속 캔(170)은, 그 내부에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 함침되어 있고, 상단면 중앙에 돌출되어 있는 음극 단자(150)와, 음극 단자(150)를 제외하고 금속 캔(170)의 상단면에 양극 단자(160)가 형성되어 있는 구조로 이루어져 있다.
절연성 장착부재(140)에는 금속 캔(170)의 음극 단자(150)가 상향 노출될 수 있도록 개구(141)가 천공되어 있다.
PCM(120)은, 보호회로가 형성되어 있고 장착부재(140) 상에 탑재되는 인쇄회로기판(PCB: 122), 양극 단자(160)에 접속되는 접속부재(121), 및 PTC 소자(130)를 경유하여 음극 단자(150)에 접속되는 접속부재(125)를 포함하고 있다.
PCB(122)에는 접속부재(125)가 상향 노출될 수 있는 개구(124)가 천공되어 있고, 접속부재(125)는 PCB(122)의 관통구(124) 하면에 결합되어 있다.
한편, 접속부재(121)의 일측 단부는 상부로부터 노출되도록 PCB(122)의 외주면보다 길게 연장된 상태로 SMT 방식에 의해 PCB(122)의 하면에 결합되어 있다.
경우에 따라서는, 금속 캔(170)에 대한 PCB(122)의 장착 안정성을 제공하기 위해, 일측 단부가 PCB(122)의 하면에 결합되어 있고 타측 단부가 각형 캔(170)의 상단면에 결합되는 니켈 플레이트의 장착 보조부재(127)가 포함되어 있을 수 있다. 반면에, 기존 접속부재들(121, 125)에 의해 충분한 장착 안정성을 확보할 수 있다면, 장착 보조부재(127)가 포함되지 않을 수 있음은 물론이다.
절연성 캡(110)은 전기 절연성 소재로 이루어져 있고, 접속부재들(121, 125)과 PCB(122)이 탑재된 상태에서 절연성 장착부재(140)를 감싸면서 전지셀에 장착된다. 전지셀에 대한 절연성 캡(110)의 결합은, 예를 들어, 접착(bonding) 방식에 의해 달성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 레이저 용접 지그(200)의 모식도이고, 도 3은 도 2의 레이저 용접 지그(200)의 커버 리브(211, 212)와 PCB(122)의 접속 부재(127, 125)가 각각 밀착되는 위치를 나타내는 모식도이다.
도 2 및 도 3을 함께 참조하면, 레이저 용접 지그(200)는 커버 플레이트(210), 제 1 베이스 플레이트(220)와 제 2 베이스 플레이트(221), 및 하부 플레이트(230)를 포함하고 있다.
커버 플레이트(210)는 2개의 커버 리브들(211, 212)을 하면에 포함하며, 레이저 빔이 관통하는 2개의 관통구들(213, 214)을 포함하고 있다.
하부 플레이트(230)는 전지셀(100)의 하부를 수납하는 수납부를 포함하고 있다.
제 1 베이스 플레이트(220)와 제 2 베이스 플레이트(221)는 전지셀(100)의 일부 외면을 감싸면서 커버 플레이트(210)의 하부에 고정되어 있고, 전지셀(100)의 폭 방향으로 양측에 각각 위치하여 전지셀(100)을 정위치에 고정한다.
하부 플레이트(230)의 수납부의 내면 상단에는 전지셀(100)을 지지하도록 ?n성 부재로 이루어진 지지대들(231, 232, 233)이 상향 돌출되어 형성되어 있다. 또한, 하부 플레이트(230)의 수납부의 외주(231, 232)는 전지셀(100)의 하부 측면을 감싸도록 상향 연장되어 전지셀(100)을 정위치에 고정하도록 되어 있다.
커버 플레이트(210)는 금속 재질에 외면이 절연 아노다이징이 처리되어 있고, 베이스 플레이트(220, 221) 및 하부 플레이트(230)는 전기절연성의 고분자 수지로 이루어져 있다.
이러한 구조에서, 레이저 빔은 관통구들(214, 213)에 통해 동시에 또는 순차적으로 조사된다.
더욱 구체적인 구조를 설명하기 위해 도 3을 참조하면, 커버 플레이트(210)의 하면에 형성되어 있는 커버 리브(211, 212)의 중앙에는 중공부가 형성되어 있고, 관통구들(213, 214)를 통과한 레이저 빔이 커브 리브들(211, 212)의 중공부를 통과하여 접속부재(121, 125)에 조사된다. 또한, 커버 리브(211)는 음극 단자에 접속되는 접속부재(125)의 외주변을 압착한 상태로 밀착시키도록 하향 돌출되어 있고, 커버 리브(212)는 양극 단자에 접속되는 접속부재(121)의 외주변을 압착한 상태로 밀착시키도록 하향 돌출되어 있다. 이때, 전지셀(100)의 상단면으로부터 접속부재들(121, 125)이 형성되어 있는 높이가 다르므로, 이에 대응하여 각각의 커버 리브들(211, 212)는 돌출 정도가 다르게 형성되어 있다.
도 3에서 ‘A’는 커버 리브(211)가 음극 단자에 접속되는 접속부재(125)의 외주변에 압착되어 있는 상태를 위에서 바라본 확대 평면도이다. 평면 형상이 사각형인 접속부재(225)의 외주변을 압착하는 접속 리브(211)는 각관형상이다. 특히, 커버 리버(211, 212)에 의해 압착되는 접속 부재(121, 125)의 외각 테두리의 폭은 접속 부재(121, 125)의 일변 폭의 5% 내지 30%로 형성되어 있다.
도 4는 도 2의 레이저 용접 지그(200)의 관통구들(213, 214)를 나타내는 모식도이다.
도 4을 참조하면, 관통구들(213, 214)의 입구는 레이저 빔의 조사 각을 방해하지 않도록 하향 테이퍼 구조로 형성되어 있다. 이러한 구조는 관통구들(213, 214)의 수직 중심축을 기준으로 20 내지 60도의 기울기로 형성되어 있다.
본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 가하는 것이 가능할 것이다.

Claims (20)

  1. 전지셀의 상단에 탑재된 보호회로 부재를 전지셀에 전기적으로 연결하는 용접을 수행하는 레이저 용접 지그로서,
    전지셀의 상단에 탑재된 보호회로 부재의 상면에 장착되고, 모재 압착을 위한 둘 이상의 커버 리브(cover rib)을 하면에 포함하며, 레이저 빔이 관통하는 둘 이상의 관통구을 포함하는 커버 플레이트(cover plate);
    전지셀의 적어도 일부 외면을 감싸면서 커버 플레이트의 하부에 고정되어 있는 제 1 베이스 플레이트(base plate)와 제 2 베이스 플레이트; 및
    전지셀의 하부를 수납하는 수납부를 포함하는 하부 플레이트(bottom plate);
    를 포함하며,
    상기 전지셀은 각형의 금속 캔에 전극조립체가 내장되어 있는 각형 전지셀이고, 상기 보호회로 부재는 전지셀의 작동을 제어하는 보호회로를 포함하고 있는 인쇄회로기판(PCB)이고,
    상기 금속 캔은, 그 내부에 양극/분리막/음극 구조의 전극조립체가 전해액과 함께 함침되어 있고, 상단면 중앙에 돌출되어 있는 음극 단자와, 음극 단자를 제외하고 금속 캔의 상단면에 양극 단자가 형성되어 있는 구조이며,
    상기 커버 리브는 용접 대상의 외주변을 압착하여 밀착시키도록 하향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 용접 지그는 보호회로 부재의 접속부재들을 전지셀의 전극단자들에 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 커버 리브의 중앙에는 레이저 빔이 통과하는 중공부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구를 통과한 레이저 빔이 커브 리브를 통과하여 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 관통구의 입구는 레이저 빔의 조사 각을 방해하지 않도록 하향 테이퍼(taper) 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 테이퍼 구조는 관통구의 수직 중심 축을 기준으로 20 내지 60도의 기울기로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 관통구들에 동시에 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 관통구들에 순차적으로 조사되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 베이스 플레이트 및 제 2 베이스 플레이트는 전지셀의 폭 방향으로 양측에 각각 위치하여 전지셀을 정위치에 고정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 수납부의 내면 상단에는 전지셀을 지지하도록 둘 이상의 지지대들이 상향 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 지지대들은 탄성 부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 플레이트의 수납부의 외주는 전지셀의 적어도 일부 하부 측면을 감싸도록 상향 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 커버 플레이트는 금속 재질에 외면이 절연 아노다이징이 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트 및 하부 플레이트는 전기절연성의 고분자 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 고분자 수지는 베이클라이트(polyoxybenzylmethylenglycolanhydride)인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 지그.
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