KR102005401B1 - 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그 및 이를 이용한 레이져 용접 방법 - Google Patents

배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그 및 이를 이용한 레이져 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수개의 원통형 배터리 셀들로 구성되는 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도를 향상시키는 지그에 있어서, 상하 방향으로 형성되는 내부공간이 다수개 형성되며, 상기 내부공간에서 상방으로 관통공이 형성되어 있는 메인 프레임, 각각의 상기 내부 공간에서 상하 방향으로 이동 가능하게 제공되며 하부면에 영구자석이 부착되는 유동부, 상기 유동부의 상부면에 형성되어 상기 관통공을 통하여 상기 메인 프레임의 외측으로 연장 형성되고 사이 유동부가 유동함에 따라 상하 유동되는 가압부 및 상기 유동부의 하측면에 소정거리 이격되어 상기 유동부의 영구자석을 자력으로 밀어주는 자력발생부를 포함하는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그 및 이를 이용한 배터리 팩 레이져 용접 방법을 제공한다.

Description

배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그 및 이를 이용한 레이져 용접 방법{Improvement Jig of adhesion between battery cell and metal plate of a battery pack and a laser welding method using the same}
본 발명은 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도를 향상시켜 레이져 용접의 품질을 향상시키는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그 및 이를 이용한 레이져 용접 방법에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 점에서 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드늄 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차전지 셀의 작동 전압은 약 2.5V~4.2V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 다수의 이차전지 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 이차전지 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 이차전지 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 또는 충방용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편 다수의 이차전지 셀을 직렬/병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 배터리 팩에 포함된 이차전지 셀들의 전기적 연결을 위하여 이차전지 셀들을 메탈플레이트를 밀착시켜 레이져 용접을 통하여 연결하게 된다.
도 1은 종래의 가압지그(130)와 가압지지판(140)에 의하여 배터리 셀(120)과 메탈플레이트(111)를 밀착시키는 것을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩을 구성하는 상부 프레임(110)과 하부 프레임을 조립하기 전에 상부 프레임(110)에 배터리 셀들을 삽입시킨 후 가압지그(130)와 가압지지판(140)으로 배터리 셀(120)들이 메탈플레이트(111)와 밀착되도록 해왔지만, 배터리 셀의 전극 단자의 형상, 높이 차이와 작업 공차로 인하여 완전 밀착시키기에 어려움이 있어왔다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 자력을 이용하여 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도를 향상시키는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그를 제공하는데 그 목적이 있다.
다수개의 배터리 셀들로 구성되는 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도를 향상시키는 지그에 있어서, 상하 방향으로 형성되는 내부공간이 다수개 형성되며, 상기 내부공간에서 상방으로 관통공이 형성되어 있는 메인 프레임, 각각의 상기 내부 공간에서 상하 방향으로 이동 가능하게 제공되며 하부면에 자석이 부착되는 유동부, 상기 유동부의 상부면에 형성되어 상기 관통공을 통하여 상기 메인 프레임의 외측으로 연장 형성되고 상기 유동부가 유동함에 따라 상하 유동되는 가압부 및 상기 유동부의 하부면에 소정거리 이격되어 상기 유동부의 자석을 자력으로 밀어주는 자력발생부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 관통공은, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들과 대응되도록 형성될 수 있다.
상기 가압부는, 상기 가압부가 형성된 상기 유동부와 상기 자력발생부 사이의 자력에 의해 이동되면서 상기 가압부의 일단이 배터리 팩의 하부프레임의 관통구를 통해 배터리 셀의 하부면을 밀어주어 배터리 셀과 상부 프레임의 메탈플레이트를 밀착시키는 것을 특징으로 한다.
상기 자력발생부는, 전자석을 이용하여 상기 유동부의 영구자석의 극성과 같은 극성의 자력을 발생시키도록 구성될 수 있다.
상기 유동부 및 자력발생부는 전자석을 구비하며, 상기 유동부와 자력발생부에 연결되어 상호 척력을 발생시키도록 하는 전원공급장치를 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 레이저 용접 방법에 있어서, 다수개의 배터리 셀로 구성되는 배터리 팩 준비단계, 상기 배터리 팩의 배터리 셀들을 밀착도 향상 지그 위에 배치하는 배터리 팩 배치 단계, 밀착도 향상 지그의 유동부와 자력발생부 사이의 자력에 의해 상기 유동부의 일측에 형성된 상기 가압부가 배터리 셀 각각을 상방으로 밀어주어 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트를 밀착시키는 밀착단계 및 배터리 팩 상부의 메탈플레이트와 배터리 셀을 레이져 용접하는 용접단계를 포함 하여 구성될 수 있다.
상기 밀착단계에서, 상기 유동부는 일측으로 자석이 형성되고 타측으로 가압부가 연결되며, 상기 유동부의 영구자석에 대향하여 상기 자력발생부의 상부면에 자석 또는 전자석을 배치하여 상기 자력발생부와 상기 유동부 사이의 자력으로 상기 가압부가 배터리 팩의 배터리 셀들의 하부를 가압하도록 구성될 수 있다.
상기 밀착단계는 상기 유동부와 상기 자력발생부에 구비된 전자석이 상호 척력을 발생하도록 전력을 공급하는 전력공급단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 별도의 가압지그 없이 배터리 셀과 메탈플레이트를 완전 밀착시켜 배터리 셀과 메탈플레이트의 레이져 용접 품질을 향상시키는 것이 가능하다.
도 1은 종래의 가압지그와 가압지지판에 의하여 배터리 셀과 메탈플레이트를 밀착시키는 것을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그에 의하여 배터리 셀과 메탈플레이트가 밀착되는 것을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 자력발생부가 전자석으로 이루어진 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트 레이져 용접 방법의 순서도이다.
※ 첨부된 도면은 본 도안의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로써 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그의 단면도가 도시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그에 의하여 배터리 셀과 메탈플레이트가 밀착되는 것이 도시되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그(200)는, 메인 프레임(210), 영구자석이 부착되는 유동부(220), 가압부(230) 및 자력발생부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 메인 프레임(210)은 상하 방향으로 형성되는 내부공간(211)이 다수개 형성되며, 상기 내부공간(211)에서 상방으로 관통공(212)이 형성되어 있다.
상기 관통공(212)은, 배터리 팩을 구성하는 배터리 셀(120)들과 대응되도록 형성될 수 있다.
따라서, 다수개의 배터리 셀(120)로 구성되는 배터리 팩이 상기 메인 프레임(210) 상방에 위치하는 경우에, 각각의 배터리 셀(120)들 하부면의 중앙에 상기 관통공(212)이 위치하게 된다.
상기 유동부(220)는 각각의 상기 내부 공간(211)에서 상하 방향으로 이동 가능하게 제공되며 하부면(221)에 영구자석(222)이 형성된다.
본 설명에서는 상기 영구자석(222)이 상기 유동부의 하부면(221)에 함입부(미도시)가 형성되어 상기 영구자석(222)이 삽입되어 N극 또는 S극이 노출되도록 하여 설명하고 있으나 이에 한정되지는 아니하며, 단순히 영구자석을 부착하여 상기 유동부(220)의 하방으로 N극 또는 S극이 향하도록 형성될 수 있다. 또한 상기 영구자석(222)는 전자석으로 대체 가능하다.
상기 가압부(230)는 상기 유동부(220)의 상부면(223)에 연결되어 상기 관통공(212)을 통하여 상기 메인 프레임(210)의 외측으로 연장 형성된다. 가압부(230)는 유동부(220)와 일체로 형성되거나 별개의 부품으로 형성될 수도 있다. 가압부(230)가 유동부(220)와 별개의 부품으로 형성되어 연결되는 경우 지그의 조립이 보다 편리해지는 장점이 있을 수 있다.
또한, 상기 가압부(230)는 상기 유동부(220)의 이동에 의해서 배터리 팩의 하부프레임(130)의 관통구(미도시)를 통해 배터리 셀을 가압하는 역할을 수행하게 된다.
상기 자력발생부(240)는 상기 유동부(220)의 하부면(221)에 소정거리 이격되어 상기 유동부(220)의 영구자석(222)을 자력으로 밀어주게 된다.
상기 자력발생부(240)는, 상기 유동부(220)의 영구자석(222)의 극성과 같은 극성이 마주보도록 영구자석(242)이 배치 되어 구성될 수 있다.
또한, 상기 자력발생부에 배치되는 영구자석은 상기 자력발생부의 상부면 형성되는 함입부(미도시)에 삽입되어 형성되는 것으로 설명하나, 상기 자력발생부의 상부면에 단순히 영구자석이 부착되는 것도 가능하다.
도 4에 따른, 본 발명의 또다른 실시예에 의하면, 자력발생부(250)가 전자석으로 이루어 지고, 전원공급장치(260)를 추가로 구성한다는 점을 제외하고는 위에서 설명한 배터리 셀과 메탈플레이트 밀착도 향상 지그와 동일하므로 또다른 설명은 생략하기로 한다. 상술한 것과 같이 유동부의 영구자석이 전자석으로 대체되어 구성된 경우 상기 전원공급장치(260)는 상기 자력발생부(250)의 전자석에 전원을 공급할 뿐만 아니라, 유동부의 전자석에 전원을 공급할 수 있다.
이상에서 알아본 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그는 자력(척력)에 의해 가압부(230)이 배터리 셀(120)의 하부를 상방으로 가압하여 배터리 셀(120)과 메탈플레이트(111)가 완전 밀착되도록 하는 것이 가능해진다.
이하에서는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도에 따른 인장강도에 대한 테스트 결과를 설명한다.
우선 배터리 셀과 메탈플레이트를 용접하는 방식에 대해서 설명하면, 배터리 셀과 메탈플레이트를 접합시키는 레이져 용접 방법으로는 CW-Single(Continuous Wave-Single) 방식(선용접 방식)과 Pulse-Multi 방식(점용접 방식)으로 나눌수 있다.
CW-Single(Continuous Wave-Single) 식은 레이저를 선형으로 연속 조사하는 반면에 Pulse-Multi 방식은 일정 개수의 스팟에 레이저를 조사하는 방식이다.
표 1은 메탈플레이트의 두께 0.15mm, 빔 사이즈 24um, 용접 형상은 가로 2열(3.5mm간격)의 용접 형상을 가지고, 490W의 출력으로 450mm/s 때 배터리 셀과 메탈플레이트를 레이저 선용접 할 때의 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 갭(Gap)을 변화시켜 가면서 레이져 용접을 하여 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 인장강도를 실험한 결과이다.
(표1)
Figure 112017058571525-pat00001
표 2는 메탈플레이트의 두께 0.2mm, 빔 사이즈 24um, 용접 형상은 가로 2열(3.5mm간격)의 용접 형상을 가지고, 630W의 출력으로 400mm/s 때 배터리 셀과 메탈플레이트를 선용접 할 때의 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 갭(Gap)을 변화시켜 가면서 레이져 용접을 하여 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 인장강도를 실험한 결과이다.
(표2)
Figure 112017058571525-pat00002
표 3은 메탈플레이트의 두께 0.2mm, 빔 사이즈 230um, 400W 출력으로 7ms동안 레이저를 조사하여 9개의 스팟(Spot)을 형성하도록 점 용접하는 경우의 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 갭(Gap)을 변화시켜 가면서 레이져 용접을 하여 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 인장강도를 실험한 결과이다.
(표3)
Figure 112017058571525-pat00003
표 4는 메탈플레이트의 두께 0.2mm, 빔 사이즈 340um, 450W 출력으로 12ms동안 레이저를 조사하여 9개의 스팟(Spot)을 형성하도록 점 용접하는 경우의 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 갭(Gap)을 변화시켜 가면서 레이져 용접을 하여 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 인장강도를 실험한 결과이다.
(표4)
Figure 112017058571525-pat00004
상기 표 1 내지 4를 참조하면, 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 갭(Gap)을 감소시킨 후 레이져 용접을 할수록 배터리 셀과 메탈플레이트 사이의 인장강도가 증가하는 것을 볼 수 있다.
이상에서 알아본 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그는 자력(척력)에 의해 가압부(230)이 배터리 셀(120)의 하부를 상방으로 가압하여 배터리 셀(120)과 메탈플레이트(111)가 완전 밀착되도록 하는 것이 가능해진다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩의 배터리 셀과 메탈플레이트의 레이저 용접 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 셀과 메탈플레이트의 용접 방법은 배터리 팩 준비단계(S100), 배터리 팩 배치 단계(S200), 밀착단계(S300), 레이져 용접하는 용접단계(S400)를 포함 하여 구성될 수 있다.
배터리 팩 준비 단계(S100)에서는 원통형 배터리 셀이 행과 열을 이루어 셀 프레임에 수납되는 배터리 팩을 준비하게 된다.
상기 배터리 팩은 상부 프레임과 하부 프레임 사이에 배터리 셀들이 수납되고, 상기 상부 프레임과 배터리 셀 사이에 메탈 플레이트가 위치하게 된다.
배터리 팩 배치 단계(S200)에서는, 상기 배터리 팩 준비단계(S100)에서 준비된 배터리 팩을 배터리 셀과 메탈플레이트 밀착도 향상 지그의 상부에 위치되도록 배치한다.
이때, 배터리 셀과 메탈플레이트 밀착도 향상 지그의 가압부가 상기 배터리 팩의 하부 프레임의 다수개의 관통홀에 의해 노출되는 각각의 배터리 셀에 대응되도록 위치시킨다.
상기 밀착단계(S300)는, 상기 배터리 팩 배치 단계(S200)에서 상기 배터리 팩이 상기 배터리 셀과 메탈플레이트 밀착도 향상 지그에 위치하게 되면 상기 배터리 팩의 셀 프레임의 무게로 배터리 셀은 하방으로 작용하는 힘을 받고, 상기 지그에 포함되는 유동부 및 자력발생부 사이의 자력(척력)에 의해서 유동부가 상방으로 이동하면서 상기 유동부의 일측에 형성된 가압부가 상기 배터리 셀들을 상방으로 밀어주게 되어 상기 배터리 셀과 배터리 팩의 상부 프레임(110)의 하부에 형성된메탈플레이트가 완전히 밀착되게 된다.
또한, 상기 밀착단계(S300)에서 상기 유동부는 일측으로 영구자석이 형성되고 타측으로 가압부가 형성되며, 상기 유동부의 영구자석에 대향하여 상기 자력발생부의 상부면에 영구자석 또는 전자석을 배치하여 상기 자력발생부와 상기 유동부 사이의 자력(척력)으로 상기 가압부가 배터리 팩의 배터리 셀들의 하부를 가압하도록 구성될 수 있다.
상기 밀착단계(S300)에서, 상기 유동부와 상기 가압부에 모두 전자석이 형성되는 경우, 상기 전자석들이 상호 척력을 발생하도록 전력을 공급하는 전력공급단계(S310);를 추가로 구비할 수 있다.
상기 용접단계(S400)는, 상기 밀착단계(S300)에서 밀착된 배터리 셀들과 메탈플레이트를 레이저 용접을 하여 상기 배터리 셀과 메탈플레이트를 완전 밀착시킨 상태에서 레이저 용접이 가해지도록 하여 레이저 용접의 품질을 향상 시킬 수 있게 된다.
110 상부 프레임
111 메탈플레이트
120 배터리 셀
130 하부프레임
140 가압 지그
150 가압 지지판
210 메인 프레임
211 내부 공간
212 관통공
220 유동부
221 가압부
222, 242 영구자석
240 자력발생부
250 전자석
260 전원공급장치

Claims (8)

  1. 다수개의 배터리 셀이 병렬로 연결되고 개별 배터리 셀의 하부에 각각 대응하는 관통구를 가지는 배터리 팩에 게재되는 배터리 셀의 상부와, 상기 배터리 팩의 상부 프레임의 메탈플레이트와의 밀착도를 향상시키는 지그에 있어서,
    상하 방향으로 형성되는 내부공간이 다수개 형성되며, 상기 내부공간에서 각각의 배터리 셀 하부면과 배터리 팩의 관통구에 대향하여 위치하도록 상방으로 관통공이 형성되어 있는 메인 프레임;
    각각의 상기 내부 공간에서 상하 방향으로 이동 가능하게 제공되며 하부면에 자석이 부착되는 유동부;
    상기 유동부의 상부면에 형성되어 상기 관통공을 통하여 상기 메인 프레임의 외측으로 연장 형성되고, 상기 유동부가 유동함에 따라 상하 유동되어 상기 배터리 팩의 관통구 내로 유동되며 상기 배터리 셀의 하부면에 접촉 가압하는 가압부; 및
    상기 유동부의 하부면에 소정거리 이격되어 상기 유동부의 자석을 자력으로 밀어주는 자력발생부;를 포함하여 구성되며,
    상기 배터리 팩은,
    하나 이상의 배터리 셀을 수용하고,
    상기 배터리 팩의 하부 프레임에는 수용되는 각각의 배터리 셀의 하부에 대향하는 위치에 각각의 배터리 셀에 대응하는 관통구;가 형성되며,
    상기 메인프레임의 관통공은 상기 배터리 팩의 관통구에 대응하는 위치에 배치되어, 상기 가압부가 메인프레임의 관통공을 통과하여 상승 유동하는 경우, 상기 배터리 팩의 관통구를 통하여 배터리 셀의 하부를 접촉 가압하여 배터리 셀의 상부가 메탈플레이트에 밀착하도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관통공은,
    배터리 팩을 구성하는 배터리 셀들과 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가압부는,
    상기 가압부가 형성된 상기 유동부와 상기 자력발생부 사이의 자력에 의해 이동되면서 상기 가압부의 일단이 배터리 팩의 하부프레임의 관통구를 통해 배터리 셀의 하부면을 밀어주어 배터리 셀과 상부 프레임의 메탈플레이트를 밀착시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자력발생부는,
    전자석을 이용하여 상기 유동부의 영구자석의 극성과 같은 극성의 자력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유동부 및 자력발생부는 전자석을 구비하며,
    상기 유동부와 자력발생부에 연결되어 상호 척력을 발생시키도록 하는 전원공급장치를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀과 메탈플레이트의 밀착도 향상 지그
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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