KR102423609B1 - 이차 전지용 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지용 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극탭 연결을 위한 부스바를 포함하는 이차 전지용 배터리 모듈에 관한 것이다.

Description

이차 전지용 배터리 모듈{Battery Module for Secondary Battery}
본 발명은 이차 전지용 배터리 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극탭 연결을 위한 부스바를 포함하는 이차 전지용 배터리 모듈에 관한 것이다.
최근에는 내연기관 자동차의 유해성분으로 인한 대기오염을 방지하고자 무공해 자동차인 전기자동차가 주목을 받고 있다.
실질적으로, 전기자동차의 구동을 위해선 고 에너지 밀도, 고 출력 밀도, 긴 수명, 경량화 등의 고 성능을 갖춘 이차전지가 필수적이다. 이를 위해 납 이차전지, 리튬 이차전지, 알칼리 이차전지, 금속-공기 이차전지, 연료 이차 전지 등이 개발 중이거나 사용되고 있다. 또한, 하나의 이차전지로는 그 성능이 부족하므로 다수개의 이차전지를 직렬로 접속하여 수백 볼트 정도의 높은 전압이 발생하도록 구성하여 사용하고 있다. 이 하나하나의 이차전지는 보통 양극의 단자와 음극의 단자가 이차전지에 고정, 장착되어 있으며, 다수 개의 이차전지를 하나의 트레이에 넣고 일체화 시켜 사용하고 있다.
이와 같이, 하나의 대용량 이차전지(이하 '배터리'라 한다)는 복수개의 셀이 직렬 또는 병렬로 연결된다.
이때, 상기 배터리는 복수개의 셀을 전기적으로 연결하기 위한 전극탭이 형성되며, 각각의 전극탭을 직렬 또는 병렬 연결하기 위해 부스바(Busbar)를 사용한다. 부스바는 전극탭과 전극탭을 직접 또는 간접적으로 연결하기 위한 지그의 일종으로 레이저 용접, 초음파 용접 또는 스팟 용접이나, 볼트 또는 리벳 등의 패스너를 사용하여 전극탭을 연결한다.
최근에는 공간 확보에 어려움이 있고, 무게가 증가되는 패스너를 사용한 연결 방법은 지양되고, 용접 방법 중에서도 시간이 절약되고 용접 품질이 우수한 레이저 용접을 이용한 연결 방법이 각광받고 있다.
레이저 용접은 용접 대상을 서로 맞댄 상태에서 한 쌍의 용접 대상 중 어느 하나에 레이저를 조사하여 용접 대상이 맞닿는 부위를 서로 녹여 붙이는 방법을 말한다. 그러나 레이저 용접은 레이저를 조사하는 측의 용접 대상의 두께가 레이저를 조사하지 않는 측의 용접 대상의 두께보다 얇아야 용접품질이 우수하고, 반대의 경우 레이저를 조사하지 않는 측의 용접 대상에 구멍이 생겨 용접 품질이 저하되는 문제가 있다.
한편, 도 1에는 전극탭을 밴딩하여 연결한 상태에서 부스바를 전극탭의 상측에 레이저 용접한 구성이 도시되어 있다.
위와 같은 용접 방법은 부스바 측에서 레이저를 조사하여 용접하기 때문에 부스바의 두께를 전극탭의 두께보다 두껍게 할 경우 용접 품질이 저하되어 부스바의 두께를 얇게 구성해야 하나, 부스바의 두께가 얇아질 경우 고용량의 배터리 또는 오래 사용하는 배터리의 경우 적용이 불가한 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 전극탭 밴딩을 이용한 부스바 용접 방식을 적용하되, 부스바의 용접 부위는 두께를 얇게 하여 레이저 용접 품질을 높이고, 전체적인 부스바의 단면적은 유지되도록 하여 고용량 및 장시간 사용되는 배터리에도 적용이 가능한 이차 전지용 배터리 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 이차 전지용 배터리 모듈은, 복수의 이차전지와, 각각의 이차전지로부터 연장되어 서로 용접되는 전극탭을 포함하는 배터리 모듈에 있어서, 상기 배터리 모듈은, 상기 전극탭과 이웃하는 전극탭을 레이저 용접하기 위해 전극탭 연결부에 밀착 배치되는 부스바를 포함하되, 상기 부스바는, 레이저 용접부에 함몰 형성되는 용접홈을 포함하고, 상기 부스바는, 평균 두께가 상기 전극탭의 두께보다 두껍게 형성되며, 상기 용접홈이 형성된 부스바 측의 두께는 상기 전극탭의 두께보다 얇게 형성된다.
또한, 상기 배터리 모듈은, 하나의 부스바에 복수의 전극탭이 연결되며, 상기 용접홈이 적어도 하나 이상 형성된다.
또한, 상기 용접홈의 레이저 용접부는, 상기 전극탭을 따라 형성된다.
또한, 상기 배터리 모듈은, 전극탭이 돌출 형성된 파우치 셀을 포함하는 배터리 모듈에 적용된다.
또한, 상기 전극탭 연결부는, 상기 전극탭과 이웃하는 전극탭이 서로 절곡되어 맞대어지며, 상기 전극탭이 이차전지의 상측에 돌출된 경우 상기 부스바는 상기 전극탭 연결부의 상측에 맞대어 배치되고, 상기 전극탭 연결부와 상기 부스바는, 상기 부스바의 상측에 배치된 레이저 조사기로 부터 조사되는 레이저를 통해 용접되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용접홈은, 상기 전극탭의 길이 방향을 따라 형성되고, 일정 폭을 갖도록 형성된다.
또한, 상기 용접홈은, 길이 방향 양측 단부가 상기 부스바의 단부에서 내측으로 일정거리 이격되어 형성된다.
또한, 상기 부스바는, 상기 용접홈과 이웃하여 함몰 형성되는, 방열홈을 더 포함한다.
또한, 상기 용접홈은, 단면이 사각형, 또는 폭이 하방으로 갈수록 감소하는 사다리꼴로 이루어진 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 방열홈은, 내면에 요철부가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 이차 전지용 배터리 모듈은 각각의 이차전지의 전극탭을 레이저 용접으로 직렬 또는 병렬 연결함에 있어서, 부스바의 전체적인 단면적은 유지하면서 용접부의 두께만 줄어들기 때문에 용접 품질이 향상됨은 물론 고용량 배터리나, 장시간 사용되는 배터리에도 적용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 레이저 용접을 이용한 전극탭 연결을 나타낸 개략도
도 2는 통상의 이차전지 사시도
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 모듈 사시도
도 4는 본 발명의 레이저 용접을 이용한 전극탭 연결을 나타낸 개략도
도 5는 레이저 용접 비드가 형성된 용접홈의 단면도 (1줄 용접)
도 6은 레이저 용접 비드가 형성된 용접홈의 단면도 (2줄 용접)
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 부스바 사시도
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 부스바 평면도
도 9는 도 7의 AA' 단면도
도 10은 도 7의 BB' 단면도
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 용접홈 및 방열홈 단면도
도 12는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 부스바 평면도
본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 모듈을 설명하기에 앞서 배터리 모듈의 기본 구성인 이차전지에 대하여 간단히 설명하기로 한다.
도 2에는 일반적인 이차전지(1)의 전체 사시도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 이차전지(1)는 전극 조립체(10)와, 전극 조립체(10)가 수용되는 공간을 제공하는 케이스(2)와 케이스(2) 내부에 충전되는 비수 전해액(미도시)을 포함하고 있다. 전극 조립체(10)는 다수의 양극판과 음극판이 교번 적층되며, 분리막을 통해 분리 적층될 수 있다. 각각의 양극판과 음극판은 케이스(2) 외부로 노출된 전극탭(13, 14)을 통해 전류를 전달하거나 전달받는다. 도면상에는 케이스(2)의 어느 한 측에 복수의 전극탭(13, 14)이 모두 배치된 이차전지(1)의 구성을 도시하였으나, 복수의 전극탭(13, 14)이 케이스(2)의 대향 측에 각각 형성될 수도 있다.
위와 같은 하나의 이차전지는 그 성능이 부족하므로 다수개의 이차전지를 직렬로 접속하여 수백 볼트 정도의 높은 전압이 발생하도록 구성하여 사용하고 있고, 이와 같이 다수개의 이차전지를 직렬 또는 병렬로 연결한 조립체를 배터리 모듈이라고 한다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈(100)에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 모듈(100)의 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 배터리 모듈(100)의 전극탭(120)을 레이저 용접을 통해 연결하는 과정을 도시한 개략 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 배터리 모듈(100)은 다수 개의 이차전지(110)를 복수 개 적층하고, 각각의 이차전지(110)에 구비된 전극탭(120)을 부스바(150)를 통해 연결한다. 본 실시예에 따른 배터리 모듈(100)은 부스바(150)의 개수를 최소화하여 배터리 모듈(100)의 무게와 부피를 줄이도록 구성하였다. 따라서 연결하고자 하는 한 쌍의 전극탭(120)을 밴딩하여 맞대기 한 후 전극탭 밴딩부(121)의 상측에 부스바(150)를 배치하고, 이를 레이저 용접을 통해 연결하는 형태로 구성하였다.
이때 본 발명의 부스바(150)는 레이저 용접 품질 향상을 위해 상면에서 내측으로 함몰된 용접홈(151)을 포함하여 구성된다. 즉 도 4에 도시된 바와 같이 부스바(150)의 평균 두께는 전극탭(120)의 두께보다 두껍게 구성하여 고용량의 이차전지에도 적용이 가능하도록 하고, 용접홈(151)이 형성된 부스바(150)의 두께는 전극탭(120)의 두께보다 얇게 또는 같게 구성하여 레이저 용접 품질 저하를 방지하도록 구성하였다. 특히 용접홈(151)은 전극탭(120)의 용접 부위에만 국부적으로 형성하여 부스바(150)의 평균 두께 감소를 최소화하였고, 용접홈(151) 부위를 통해 레이저 용접을 진행하도록 하여 용접 품질을 향상시켰다.
도 5에는, 1줄 용접 시 레이저 용접 비드(Bead)가 형성된 용접홈(151)의 단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 2줄 용접 시 레이저 용접 비드(Bead)가 형성된 용접홈(151)의 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 1줄 용접 시 용접홈(151)의 폭(w1)은 2mm~ 5mm 일 수 있다. 용접홈(151)의 폭이 2mm 미만 일 경우 용접으로 인한 비드(bead) 발생 공간 확보가 용이하지 않아 용접 품질의 저하가 우려되며, 용접홈(151)의 폭이 5mm 를 초과할 경우 용접홈(151) 대비 부스바(150)의 단면적 증가 효과가 미약해지기 때문이다.
2줄 용접 시 용접홈(151)의 폭(w2)은 6mm ~ 8mm 일 수 있다. 2줄 용접의 경우 1줄 용접에 비례하여 폭이 증가 되지 않고 더 넓게 형성하는 이유는 2줄 용접 시 발생되는 비드와 비드 사이의 간격(iv)도 감안해야 하기 때문이다.
이하 위와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 부스바(150)의 세부 형상에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7에는 본 발명의 일실시 예에 따른 부스바(150)의 전체 사시도가 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 일실시 예에 따른 부스바(150)의 평면도가 도시되어 있다. 도 9 및 도 10에는 부스바(150)의 단면도가 도시되어 있다. 도 9는 용접홈(151)의 폭 방향 단면도가 도시되어 있고, 도 10은 용접홈(151)의 길이 방향 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 부스바(150)는 일정 두께를 갖는 판상으로 이루어지며 일예로 부스바(150)는 플레이트로 이루어질 수 있다. 또한 부스바(150)는, 전도성 재질 일예로 금속 재질로 이루어질 수 있다. 부스바(150)는 복수의 용접홈(151)과 복수의 방열홈(152)을 포함한다.
용접홈(151)은 부스바(150)의 상면에서 하방으로 함몰된 형태로 구성되며, 전극탭(120)의 길이 방향을 따라 형성되고, 일정 폭을 갖도록 구성된다. 보다 구체적으로 전극탭(120)의 길이 방향이라 함은 전극탭(120)이 돌출되는 이차전지(110)의 둘레부와 평행한 방향을 말한다. 용접홈(151)은 부스바(150)의 일측에 배치된 이차전지(110)의 전극탭(120)과, 부스바(150)의 타측에 배치된 이차전지(110')의 전극탭(120') 각각에 형성될 수 있다.
따라서 도 8에 도시된 바와 같이 용접홈(151)을 따라 형성되는 레이저 용접 비드(Bead)는, 전극탭(120)의 길이 방향을 따라 일자로 형성될 수 있다. 위와 같이 전극탭(120)의 길이 방향을 따라 일자로 레이저 용접 비드(Bead)가 형성됨에 따라 용접 품질 향상은 물론 전극탭과 전극탭의 견고한 연결이 가능해진다.
또한 용접홈(151)은 용접부위에만 국부적으로 형성되도록 길이방향 양측 단부가 부스바(150)의 끝단에서 내측으로 일정거리 이격 형성되도록 구성하여 부스바(150)의 평균 두께 감소를 최소화 하였다.
부스바(150)에는 용접홈(151) 외에도 용접홈(151)과 유사한 형상을 갖는 방열홈(152)이 추가 형성될 수 있다. 방열홈(152)은 부스바(150)의 상면에서 하방으로 함몰된 형태로 구성되며, 용접홈(151)과 이웃하여 용접홈(151)의 길이 방향을 따라 형성되고, 일정 폭을 갖도록 구성된다. 방열홈(152)은 부스바(150)의 상면 표면적을 넓혀 부스바(150)의 냉각 성능을 향상시키도록 구성된다.
도 11에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접홈(151) 및 방열홈(152)의 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 용접홈(151)은 기본적으로 사각형태의 용접홈(151a)으로 이루어진다. 또한, 부스바(150)의 두께 감소를 줄이도록 사다리꼴 형태의 용접홈(151b)으로도 구성될 수 있다. 위 용접홈(151b)은 하방으로 갈수록 폭이 줄어드는 형태로 이루어진다. 또한, 부스바(150)의 두께 감소를 극단적으로 줄이도록 'V'자 형태의 용접홈(151c)으로도 구성될 수 있다.
또한 방열홈(152)은 표면적을 더욱 증가시키기 위해 도시된 바와 같이 내면에 요철부(152a)를 더 포함할 수 있다.
도 12에는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 부스바(150)의 평면도가 도시되어 있다. 부스바(150)에 형성된 용접홈(151)의 평면 형상은 상술된 바와 같이 기본적으로 사각형의 형상으로 이루어지나, 도 12a에 도시된 바와 같이 용접홈(151a)의 평면 형상은 양단이 반구형으로 이루어질 수 있다.
다른 실시 예로, 도 12b에 도시된 바와 같이 용접홈(151b)의 평면 형상은 양단이 타원형으로 이루어질 수 있다.
또 다른 실시 예로, 도 12c에 도시된 바와 같이 용접홈(151c)의 평면 형상은 양단이 각형으로 이루어질 수 있다.
위와 같은 형태의 용접홈은 사각 단면을 갖는 용접 홈에 비해 부스바(150)의 단면적이 증가되는 효과가 있다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 배터리 모듈
110 : 이차전지
120 : 전극탭
150 : 부스바
151 : 용접홈
152 : 방열홈
Bead : 레이저 용접 비드

Claims (10)

  1. 복수의 이차전지와, 각각의 이차전지로부터 연장되어 서로 용접되는 전극탭을 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    상기 전극탭과 이웃하는 전극탭을 레이저 용접하기 위해 전극탭 연결부에 밀착 배치되는 부스바를 포함하되,
    상기 전극탭은 이웃한 동일한 극성을 갖는 전극탭을 향해 절곡되어 형성되고,
    상기 부스바는 레이저 용접부에 함몰 형성되는 용접홈을 포함하며,
    상기 용접홈이 형성된 부분의 부스바 두께는 상기 전극탭의 두께보다 얇거나 같게 형성되고, 용접홈이 형성되지 않은 부분의 부스바 두께는 용접홈이 형성된 부분의 부스바 두께보다 크게 형성되는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배터리 모듈은,
    하나의 부스바에 복수의 전극탭이 연결되며, 상기 용접홈이 적어도 하나 이상 형성되는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 용접홈은, 상기 전극탭의 폭방향을 따라 형성되는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이차전지는 파우치 셀을 포함하는 파우치형 이차전지인,
    이차 전지용 배터리 모듈.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극탭 연결부는, 상기 전극탭과 이웃하는 전극탭이 서로 절곡되어 맞대어지며,
    상기 전극탭이 이차전지의 상측에 돌출된 경우 상기 부스바는 상기 전극탭 연결부의 상측에 맞대어 배치되고,
    상기 전극탭 연결부와 상기 부스바는, 상기 부스바의 상측에 배치된 레이저 조사기로 부터 조사되는 레이저를 통해 용접되는 것을 특징으로 하는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 용접홈은,
    상기 전극탭의 길이 방향을 따라 형성되고, 일정 폭을 갖도록 형성되는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 용접홈은,
    길이 방향 양측 단부가 상기 부스바의 단부에서 내측으로 일정거리 이격되어 형성되는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 부스바는,
    상기 용접홈과 이웃하여 함몰 형성되는, 방열홈을 더 포함하는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 용접홈은,
    단면이 사각형, 또는 폭이 하방으로 갈수록 감소하는 사다리꼴로 이루어진 것을 특징으로 하는, 이차 전지용 배터리 모듈.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 방열홈은,
    내면에 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는, 이차 전지용 배터리 모듈.
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