KR20100099652A - 배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법, 및 배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치 - Google Patents

배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법, 및 배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치 Download PDF

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릭 에프. 루크
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스, 인코포레이티드
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Abstract

배터리 단자(battery terminals)를 상호접속 부재(interconnect)에 용접하는 방법 및 장치는, 최내측 단자와 최외측 단자를 구비하는 단자 적층체를 형성하도록 2개 이상의 배터리 셀 단자를 서로 나란히 놓는 단계; 상기 적층체의 최내측 단자와 배터리 셀 상호접속 부재를 나란히 놓는 단계; 상기 상호접속 부재와 접촉하는 앤빌(anvil)을 위치설정하는 단계; 공기류를 상기 최외측 단자에 대해 지향시킴으로써, 상기 공기류가 상기 단자 적층체를 압착하고 상기 상호접속 부재와 접촉하는 상기 최내측 단자를 가압하는 단계; 상기 최외측 단자와 접촉하는 소노트로드 혼(sonotrode horn)을 위치설정하는 단계; 및 상기 단자 적층체를 진동시켜 상기 단자 적층체의 적층된 단자와 상기 상호접속 부재 사이에 초음파 용접부를 형성하도록, 상기 소노트로드 혼에 전류를 가하는 단계;를 포함한다. 상기 공기류는 임의의 찌꺼기를 포획하도록 상기 소노트로드 혼 아래의 단자에 지향되고, 흡입기는 찌꺼기를 제거한다.

Description

배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법, 및 배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ULTRASONIC WELDING OF TERMINALS}
본 발명은 배터리 단자의 적층체를 상호접속 부재와 함께 초음파 용접하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
자동차용 재충전가능한 에너지 저장 시스템은 복수의 개별적인 배터리 셀을 함께 전기적으로 접속함으로써 조립된다. 예를 들면, 리튬이온 배터리 셀은 일반적으로 소프트한 하우징 파우치를 구비하며, 상기 파우치로부터 외측으로 연장되는 부 단자(negative terminal) 및 정 단자(positive terminal)를 갖는다. 이러한 배터리 셀은 정 단자를 함께 그리고 부 단자를 함께 수반하는 배터리 케이스 내에 나란히 위치설정됨으로써, 별개의 셀들 사이의 평행한 전기 접속부를 이루는 단자 적층체를 형성한다. 이러한 단자 적층체는 상호접속 부재에 부착되어, 배터리 셀의 다른 서브 집합체(sub-assemblages)에 접속될 필요가 있다.
단자 적층체를 상호접속 부재에 부착하기 위해서는, 초음파 용접을 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 초음파 용접 작업에서는, 단자 탭을 정확하게 정렬하여, 상기 단자 탭과 상호접속 보드 사이에 초음파 용접부를 형성하기 전에, 상기 단자 탭들 서로에 대해 그리고 상기 상호접속 보드에 대해 위치설정되는 것이 필요하다. 더욱이, 초음파 용접 동안에 형성된 임의의 찌꺼기가 별개의 파우치들 사이에 낙하하게 된다면, 임의의 찌꺼기가 파우치에 손상을 줄 수 있다는 점이 관심사이다.
본 발명은 적층된 배터리 단자를 상호접속 부재에 용접하기 위한 방법 및 장치를 제공하며, 최내측 단자와 최외측 단자를 구비하는 단자 적층체를 형성하도록 2개 이상의 배터리 셀 단자를 서로 나란히 놓는 단계;를 포함한다. 상기 상호접속 부재는 적층체의 최내측 단자와 앤빌이 상기 상호접속 부재에 대해 위치설정된 상태에서 나란히 놓인다. 공기류를 상기 최외측 단자에 대해 지향시킴으로써, 상기 공기류가 상기 단자 적층체를 압착하고 상기 상호접속 부재와 접촉하는 상기 최내측 단자를 가압할 것이다. 그 다음, 초음파 용접기의 소노트로드 혼(sonotrode horn)이 상기 최외측 단자와 접촉하여 위치설정됨으로써, 상기 단자 적층체를 진동시키도록 전류가 공급되어 상기 단자 적층체의 적층된 단자와 상기 상호접속 부재 사이에 초음파 용접부를 형성한다. 더욱이, 상기 공기류는 상기 소노트로드 혼의 수직방향 아래의 접촉 라인에 있는 상기 단자 적층체에 지향됨으로써, 상기 공기류는 초음파 용접 동안에 형성되어 하측으로 낙하하는 임의의 찌꺼기가 배터리 파우치들 사이에서 하측으로 낙하하는 것이 방지된다. 또한, 에어 커튼에 의해 포획된 찌꺼기를 흡입하도록 상기 소노트로드 혼 근방에 흡입기가 제공된다.
본 발명의 적용성에 대한 또 다른 영역은 아래에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 예시적인 실시예를 나타내는 동안 상세한 설명 및 특정의 예는 단지 예로서 의도된 것으로서, 본 발명의 범위를 제한할 의도는 아니다.
본 발명은 상세한 설명 및 첨부한 도면으로부터 보다 완전하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 용접 장치 및 배터리 셀을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 초음파 용접 장치 및 배터리 셀을 도시한 단부도.
특정의 예시적인 실시예에 대한 하기의 설명은 실질적으로 단지 예이며, 본 발명, 그 적용 또는 용도를 제한할 의도의 것은 아니다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩 또는 모듈(8)은 덮개(28)를 갖는 배터리 케이스(26) 내에 나란하게 배치된 복수의 개별적인 배터리 셀 파우치(10, 12, 14, 16, 18, 20)를 갖는다. 이러한 배터리 셀 파우치 각각은 리튬 이온의 가요성 백 형상의 용기 또는 다른 에너지 저장 매체이다. 파우치는 호일(foil) 등의 비교적 가요성인 재료로 이루어진다. 파우치는, 절연체뿐만 아니라 지지 프레임(22), 열교환기, 및 도면에 도시하지 않은 다른 구조체에 의해, 도 2의 위치에서 나란하게 지지 및 분리된다. 배터리 셀 파우치(16)는 일반적인 것으로서, 파우치(16) 외부로 연장되는 정 단자(positive terminal)(38A)를 구비한다. 또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 부 단자(negative terminal)(40A)는 파우치(16) 외부로 연장된다. 정 단자(38A)는 일반적으로 니켈 코팅된 구리이며, 0.2 mm의 두께를 갖는다. 부 단자(40A)는 일반적으로 알루미늄으로 제조되며, 대략 0.2 mm의 두께를 갖는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 개별적인 셀(16, 18, 20)은 덮개(28) 내의 개구(46)를 통과하며, 단자 적층체(44)를 형성하도록 3개의 셀의 정 단자(38A, 38B, 38C)를 함께 나란히 놓음으로써 서로 전기적으로 접속된 다음, 단자 적층체(44)를 상호접속 부재 또는 보드(50)에 용접한다. 상호접속 부재(50)는 기부(52)와, 직립한 레그(54, 56)를 갖는 대체로 U자형이다. 기부(52)는 그로부터 하측으로 부딪히며 배터리 케이스에 내장되어 상호접속 부재가 상기 케이스에 대해 고정되게 하는 말뚝 부재(stakes)(60, 62)를 갖는다.
단자(38A)는, 단자(38A)가 상호접속 부재(50)의 레그(54)에 가장 가깝다는 점에서 단자 적층체(44)의 최내측 단자로 고려될 수 있다. 단자(38A)는 측방향 만곡부(38AA)를 가지며, 그에 의해 단자(38A)는 단자(38B)와의 접촉에 이르게 된다. 단자(38C)는, 단자(38C)가 상호접속 부재(50)의 레그(54)로부터 가장 멀리 떨어져 있다는 점에서 최외측 단자로 고려될 수 있다. 단자(38C)는 측방향 만곡부(38CC)를 가지며, 그에 의해 단자(38C)는 단자(38B)와의 접촉에 이르게 된다. 단자(38B)는 리턴 측방향 만곡부(return lateral bend)(38BB)를 갖는다.
이에 따라, 도 2에 도시한 바와 같이, 단자(38A, 38B, 38C)는 서로 느슨하게 적층되며, 단자(38A)는 단자 적층체(44)의 최내측 단자이며 상호접속 부재(50)에 가장 가까운 것이고; 단자(38C)는 상호접속 부재로부터 가장 멀리 떨어진 최외측 단자인 것이며; 단자(38B)는 적층체(44) 내의 중앙 단자이며 단자들(38A, 38B) 사이에 개재된 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 초음파 용접은 초음파 용접 기구에 의해 수행되며, 앤빌(anvil)(80)과, 소노트로드 혼(sonotrode horn)(82)을 구비한다. 앤빌(80)과 소노트로드 혼(82)은 다축 조절 기구(multi-axis manipulating mechanism)(도시하지 않음) 상에 장착되며, 이에 의해 앤빌(80)과 소노트로드 혼(82)은 도 1 및 도 2에 도시한 위치[즉, 앤빌(80)의 앤빌 표면(84)이 상호접속 보드 수직방향 레그(54)에 인접 위치되고, 혼(82)이 단자 적층체(44)의 최외측 단자(38C)에 인접하지만 이격되게 위치된 위치]로 낮춰질 수 있다. 앤빌(80)은 화살표(100) 방향으로 수직방향 레그(54)와 지지 접촉하게 우측으로 이동됨으로써, 앤빌(80)은 상호접속 보드(50)를 그 이동에 대해 지지할 것이다. 혼(82)은 화살표(102)의 방향으로 이동됨으로써, 소노트로드 혼(82)의 톱니 형상의 그립핑 핑거(gripping finger)(108)가 단자 적층체(44)의 최외측 단자(38C)와 접촉하게 된다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 혼(82)의 하부 상에는 에어 나이프 기구(air knife mechanism)(112)가 장착되며, 이는 수평방향 에어 출구 슬롯(들)(114)을 구비한다. 에어 나이프 기구(112)는 포트(118)를 거쳐 압축된 공기(116)의 공급부에 접속되며, 상기 포트(118)에 의해 압축된 공기류는 혼(82)이 단자 적층체(44)와 접촉하도록 좌측으로 이동함에 따라 단자 적층체(44)에 대해 송풍된다. 이러한 공기류 또는 에어 커튼은 상호접속 보드(50)의 수직방향 레그(54)와 접속하여 단자 적층체(44)를 좌측으로 가압하는 기능을 하므로, 단자 적층체(44)는 서로 압축된 상태에 있으며 혼(82) 상에 제공된 톱니 형상의 핑거(108)에 의한 접촉을 위해 적절하게 위치설정될 것이다.
혼(82)이 좌측으로 이동하여 단자 적층체(44)와 접촉한 후에, 소노트로드 혼(82)은 톱니 형상의 핑거(108)를 진동시키도록 10,000 사이클/초로 사이클링되므로, 단자 적층체(44)를 상호접속 보드 수직방향 레그(54)에 대해 진동할 것이다. 이러한 진동은, 단자 적층체(44)의 개별적인 단자(38A, 38B, 38C)가 서로 초음파 용접되며 최내측 단자(38A)가 상호접속 보드 수직방향 레그(54)에 용접될 때까지 특정 시간 동안 그리고 특정 압력으로 계속된다. 도면에 도시한 바와 같이, 공기류는 톱니 형상의 핑거(108) 바로 아래에 위치된 에어 나이프(112)에 의해 제공된다. 초음파 용접 동안에 형성될 수 있는 임의의 찌꺼기가 에어 커튼에 의해 포획되며 배터리 셀 파우치들 사이에서 하측으로 낙하하는 것을 허용하지 않도록, 초음파 용접부의 위치를 중첩하는 에어 커튼을 형성하기 위해, 초음파 용접 작업 동안에 공기류가 유지된다.
더욱이, 도 2에 도시한 바와 같이, 톱니 형상의 핑거(108) 바로 위에는 에어 흡입 장치(120)가 위치되며, 이는 흡입 장치(120)에 접속되며 단자 적층체(44) 바로 위에 위치된 노즐(들)(126)에 접속된 포트(122)를 가지므로, 흡입 장치(120)는 에어 커튼에 의해 포획된 찌꺼기를 진공 흡입하는 기능을 할 것이다. 흡입 장치(120)는 앤빌(80) 상에 장착된 것으로 도시되지만, 흡입 장치(120)는 혼(82) 또는 앤빌(80) 중 어느 하나 상에 장착될 수 있다. 혹은, 흡입 장치는 혼(82)과 앤빌(80) 양자 상에 장착될 수 있다.
소노트로드 혼(82)에 의한 단자 적층체(44)의 고속 진동 동안에, 단자의 측방향 부분(38AA, 38BB, 38CC)은 약간의 가요성이 있으므로, 진동 에너지는 단자 탭 내에서 흡수되며 개별적인 배터리 셀 내로 하측으로 전달되지 않는다.
단자 탭(38A, 38B, 38C)과 상호접속 보드(50) 사이에 초음파 용접부를 형성한 후에, 혼(82)과 앤빌(80)은 서로 떨어지게 이동될 것이고, 다중 액세스 조작 기구(multi-access manipulating mechanism)는 단자 적층체와 상호접속 보드가 함께 용접되도록 하는 옆 위치에 앤빌(80)과 혼(82)을 재위치시킬 것이다.
이에 따라, 본 발명은 배터리 셀 단자를 상호접속 보드에 초음파 용접하기 위한 신규하고 개선된 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 설명은 실질적으로 단지 예이므로, 본 발명의 범위 내에서 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (18)

  1. 배터리 단자(battery terminals)를 상호접속 부재(interconnect)에 용접하는 방법에 있어서,
    최내측 단자와 최외측 단자를 구비하는 단자 적층체를 형성하도록 2개 이상의 배터리 셀 단자를 서로 나란히 놓는 단계;
    상기 적층체의 최내측 단자와 배터리 셀 상호접속 부재를 나란히 놓는 단계;
    상기 상호접속 부재와 접촉하는 앤빌(anvil)을 위치설정하는 단계;
    공기류를 상기 최외측 단자에 대해 지향시킴으로써, 상기 공기류가 상기 단자 적층체를 압착하고 상기 상호접속 부재와 접촉하는 상기 최내측 단자를 가압하는 단계;
    상기 최외측 단자와 접촉하는 소노트로드 혼(sonotrode horn)을 위치설정하는 단계; 및
    상기 단자 적층체를 진동시켜 상기 단자 적층체의 적층된 단자와 상기 상호접속 부재 사이에 초음파 용접부를 형성하도록, 상기 소노트로드 혼에 전류를 가하는 단계;를 포함하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기류는 상기 소노트로드 혼의 수직방향 아래의 접촉 라인에 있는 상기 단자 적층체에 지향됨으로써, 상기 공기류는 초음파 용접 동안에 형성되어 하측으로 낙하하는 임의의 찌꺼기를 포획하는 에어 커튼을 제공하는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기류는 상기 소노트로드 혼 아래에 장착된 에어 나이프에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공기류는 상기 소노트로드 혼이 상기 최외측 단자와 결합하기 전에 작동함으로써, 상기 소노트로드 혼이 상기 최외측 단자와 접촉하기 전에 상기 단자의 위치설정이 수행되는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 용접 동안에 형성되는 임의의 찌꺼기를 흡입하도록 상기 소노트로드 혼의 근방에 에어 흡입기(air suction)를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 용접 동안에 형성되는 임의의 찌꺼기를 흡입하도록 상기 소노트로드 혼의 근방에 에어 흡입기(air suction)를 제공하는 단계를 더 포함하며,
    상기 에어 흡입기는 상기 앤빌과 상기 소노트로드 혼 중 어느 하나 또는 그 양자 상에 장착된 흡입 노즐에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공기류가 초음파 용접 동안에 형성되어 하측으로 낙하하는 임의의 찌꺼기를 포획하는 에어 커튼을 제공하도록, 상기 소노트로드 혼의 수직방향 아래의 접촉 라인에 있는 상기 단자 적층체에 상기 공기류를 지향시키는 단계; 및
    상기 초음파 용접 동안에 형성되는 임의의 찌꺼기를 흡입하도록 상기 소노트로드 혼의 근방에 에어 흡입기(air suction)를 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단자 각각은 그 내부에 측방향 만곡부를 가지며,
    상기 측방향 만곡부에 의해, 상기 초음파 용접 동안에 유도된 초음파 진동이 상기 측방향 만곡부에 의해 흡수되는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  9. 배터리 단자(battery terminals)를 상호접속 부재(interconnect)에 용접하는 방법에 있어서,
    최내측 단자와 최외측 단자를 구비하는 단자 적층체를 형성하도록 2개 이상의 배터리 셀 단자를 서로 나란히 놓는 단계;
    상기 적층체의 최내측 단자와 배터리 셀 상호접속 부재를 나란히 놓는 단계;
    상기 상호접속 부재와 접촉하는 앤빌(anvil)을 위치설정하는 단계;
    공기류를 상기 최외측 단자에 대해 지향시킴으로써, 상기 공기류가 상기 단자 적층체를 압착하고 상기 상호접속 부재와 접촉하는 상기 최내측 단자를 가압하는 단계;
    상기 최외측 단자와 접촉하는 소노트로드 혼(sonotrode horn)을 위치설정하는 단계;
    상기 단자 적층체를 진동시켜 상기 단자 적층체의 적층된 단자와 상기 상호접속 부재 사이에 초음파 용접부를 형성하도록, 상기 소노트로드 혼에 전류를 가하는 단계; 및
    상기 초음파 용접 동안에 형성된 임의의 찌꺼기를 흡입하도록 흡입기를 마련하는 단계;를 포함하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공기류는 상기 소노트로드 혼의 수직방향 아래의 접촉 라인에 있는 상기 단자 적층체에 지향됨으로써, 상기 공기류는 초음파 용접 동안에 형성되어 하측으로 낙하하는 임의의 찌꺼기를 포획하는 에어 커튼을 제공하는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공기류는 상기 소노트로드 혼 아래에 장착된 에어 나이프에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 흡입기는 상기 앤빌과 상기 소노트로드 혼 중 어느 하나 또는 그 양자 상에 장착된 흡입 노즐에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 공기류는 상기 소노트로드 혼이 상기 최외측 단자와 결합하기 전에 작동함으로써, 상기 소노트로드 혼이 상기 최외측 단자와 접촉하기 전에 상기 단자의 위치설정이 수행되는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자의 상호접속 부재로의 용접 방법.
  14. 복수의 적층된 배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하기 위한 장치에 있어서,
    상기 상호접속 부재를 지지하는 앤빌;
    상기 적층체를 상기 상호접속 부재에 대해 가압하도록, 상기 적층된 배터리 단자에 대해 공기류를 지향시키는 에어 나이프; 및
    상기 적층된 배터리 단자와 상기 상호접속 부재 사이에 초음파 용접부를 형성하도록, 상기 적층된 배터리 단자와 결합하는 소노트로드 혼;을 포함하는
    배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 에어 나이프는 상기 소노트로드 혼의 수직방향 아래의 접촉 라인에 상기 공기류를 지향함으로써, 상기 공기류는 초음파 용접 동안에 형성되어 하측으로 낙하하는 임의의 찌꺼기를 포획하는 에어 커튼을 제공하는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 에어 나이프는 상기 소노트로드 혼 상에 있는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 초음파 용접 동안에 형성되는 임의의 찌꺼기를 흡입하는 에어 흡입 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 초음파 용접 동안에 형성되는 임의의 찌꺼기를 진공 흡입하도록, 상기 앤빌과 상기 소노트로드 혼 중 어느 하나 또는 그 양자 상에 장착되는 흡입 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    배터리 단자를 상호접속 부재에 초음파 용접하는 장치.
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