KR20130036054A - 배터리 셀 커넥터, 베터리 셀 커넥터 제조 방법, 배터리, 배터리 시스템 및 자동차 - Google Patents

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콘라트 부베크
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하기 위해, 배터리 셀 단자들 간에, 특히 상기 복수의 배터리 셀의 배터리 셀 단자들 간에 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터(1)에 관한 것이다. 상기 커넥터(1)는 각각 상이한 물질로 이루어진 2개 이상의 접속부(11, 12)를 포함하고, 상기 접속부들(11, 12)은 적어도 하나의 접속 영역(16)에서 서로 접촉하는 표면들(13, 14)에 의해 전기 전도성 방식으로 서로 접속된다. 본 발명에 따르면, 상기 두 접속부(11, 12)의 서로 인접하는 표면들(13, 14)의 입자들은 경계층(17)에서 혼합된다. 또한, 본 발명은 커넥터를 제조하는 방법, 배터리, 배터리 시스템, 및 자동차에 관한 것이다.

Description

배터리 셀 커넥터, 베터리 셀 커넥터 제조 방법, 배터리, 배터리 시스템 및 자동차{Battery cell connector, method for producing a battery cell connector, battery, battery system, and motor vehicle}
본 발명은 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하기 위해 배터리 셀 단자들 간에, 특히, 상기 복수의 배터리 셀의 배터리 셀 단자들 간에 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터에 관한 것이며, 상기 커넥터는 각각 상이한 물질로 이루어진 2개 이상의 접속부(connecting section)를 포함하고, 상기 접속부들은 하나 이상의 접속 영역에서 서로 접촉하는 표면들에 의해 전기 전도성 방식으로 서로 접속된다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 커넥터를 제조하기 위한 제조 방법, 적어도 하나의 본 발명에 따르는 커넥터를 포함하는 배터리, 특히, 리튬 이온 배터리 또는 니켈-금속 하이브리드 배터리, 및 적어도 하나의 본 발명에 따르는 커넥터를 포함하는 복수의 배터리, 특히, 리튬 이온 배터리 또는 니켈-금속 하이브리드 배터리를 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 적어도 하나의 본 발명에 따르는 배터리 또는 본 발명에 따르는 배터리 시스템을 포함하는 자동차, 특히 전기 모터 구동 자동차에 의해 달성된다.
하나 이상의 갈바니 배터리 셀을 포함하는 배터리는 전기 화학 에너지 스토리지 및 에너지 컨버터로서 이용된다. 배터리 또는 각각의 배터리 셀의 방전 시에 배터리에 저장된 화학 에너지는 전기 화학적 산화 환원 반응에 의해 전기 에너지로 변환된다. 그에 따라 상기 전기 에너지는 사용자의 필요에 따라 사용될 수 있다.
특히 하이브리드 및 전기 차량에서 소위 배터리 팩에는 직렬로 접속된 다수의 전기 화학 셀로 이루어진 리튬 이온 배터리들 또는 니켈-금속 하이브리드 배터리들이 이용된다. 이 경우, 통상적으로 배터리 상태 인식 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템이 안전 모니터링 및 오랜 수명의 보장을 위해 이용된다.
직렬 또는 병렬 회로를 제조하기 위해 배터리들 또는 배터리 셀들의 단자들 또는 극들을 서로 견고하게 접속하는 것은 공지되었다. 상기의 견고한 접속을 생성하기 위해, 특히 상이한 금속 재료들의 접속을 생성하기 위해, 다양한 방법이 공지되었다. 예컨대 상이한 금속 재료들의 분리되지 않는 접속은 예컨대 압연 클래딩(roll cladding)에 의해 생성될 수 있다.
DE 10 2008 018 204 A1로부터는 냉간 압연 클래딩에 의해 제조되는 복합 재료가 공지되었다. 상기 복합 재료는 저합금 강재, 구리 또는 니켈 재료의 중간층, 및 고합금 강재의 층을 포함한다. 상기 복합 재료들은 고합금 강의 이용을 바탕으로 하는 대체되는 물질 물성과 함께 저합금 강을 이용하기 때문에 상대적으로 적은 비용의 장점을 갖는다.
그러나 배터리 셀들의 단자들 또는 극들의 접속을 위해서는 통상 상대적으로 많은 부품 개수로 인해 예컨대 레이저 용접과 같은 용접 방법이 적용된다. 이 경우, 통상 구리 및 알루미늄 함유 재료들로 구성되고 그 결과 상이한 용융점을 갖는 단자들 또는 배터리 셀 극들의 상이한 물질들로 인해 상대적으로 높은 비용으로만 극복될 수 있는 기술상의 문제가 발생한다는 단점이 있다.
배터리 셀 극들 또는 배터리 셀 단자들을 접속할 목적으로 구리 및 알루미늄 함유 재료들의 접속 시 발생하는 추가 문제는 부식 민감성에 있다. 2가지 물질은 함께 부식을 유발하는 전기 화학 전압 전위를 형성한다. 부식은 경우에 따라, 예컨대 자동차를 구동하기 위해 이용되는 배터리들 또는 배터리 시스템들의 경우, 배터리 시스템 내 여러 가지의 온도 비율로 인해 경우에 따라 구리 함유 재료와 알루미늄 함유 재료 사이의 접속 위치의 습윤화 시에 이른바 전기 화학적 국소 요소로서 작용하는 응축수가 형성됨으로써 강화된다. 응축수에 의해서는 이온이 전달되고 물질들의 고형 입자들에 의해서는 전자가 전달된다. 상기 부식 과정 시에 비귀금속은 용해되고 귀금속은 변화없이 유지된다. 부식은 통상적으로 산화 침전물의 형성을 통해 두 물질 간의 경계 저항(transition resistance)을 증가시키고 최악의 경우에는 너무 이른 노후화에서부터 배터리 시스템의 고장을 야기한다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술에서의 문제를 해결하는 것에 있다.
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따라서는, 배터리 셀 단자들 간에 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터에 있어서, 특히 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하기 위해 상기 복수의 배터리 셀의 배터리 셀 단자들 사이에서 적용될 수 있는 상기 커넥터가 제공된다. 상기 커넥터는 각각 상이한 물질로 이루어진 2개 이상의 접속부를 포함하고, 상기 접속부들은 하나 이상의 접속 영역에서 서로 접촉하는 표면들에 의해 전기 전도성 방식으로 서로 접속된다. 이 경우 두 접속부의 접속은, 두 접속부의 서로 인접하는 표면들의 입자들이 경계층에서 혼합되어 존재하는 방식으로 실현된다. 다시 말하면, 상기 표면들의 접촉면에서 형성되는, 경계층에서의 두 접속부의 특별한 접합 방법을 통해 확산이 개시되었다.
이 경우 단자는, 배터리 셀 몸체에서 전극과 전기 전도성 방식으로 연결되고, 일 부분, 즉 이른바 배터리 극을 이용하여 배터리 셀 몸체로부터 돌출된 배터리 셀의 부분을 의미한다.
발명의 장점
그에 따라 경계층에서 서로 인접하는 접속부들의 입자들의 혼합으로 인해 응축액(condensed liquid)이 침투할 수도 있는 간극이 존재하지 않게 된다. 다시 말하면, 응축수로 인한 부식에 대한 최소의 작용면만이 요컨대 경계층의 외부 영역 또는 테두리 영역에 제공된다. 그에 따라 두 표면 간의 부식은 방지되고 그에 따라 커넥터의 수명은 실질적으로 증가될 뿐 아니라, 경계 저항도 특히 커넥터가 더욱 노후화된 경우 실질적으로 감소되며, 더욱 오랜 시간 기간에 걸쳐서 기능적 신뢰성이 보장된다.
바람직하게는, 표면들에서 입자들의 혼합은, 접속 영역 내 접속부들이 복합 재료를 형성하는 방식으로 이루어진다. 다시 말하면 접속 영역에서 커넥터는 서로 접속된 2개의 물질로 이루어진 재료를 포함한다. 접속은 자체 재료 결합 및/또는 형태 결합으로 실현된다.
바람직하게는, 혼합은 클래딩에 의해 생성된다. 다시 말하면, 혼합은, 비귀금속이 또 다른 귀금속에 의해 덮이는 방법에 의해 생성된다. 그럼으로써 두 물질 간에 분리되지 않는 접속이 생성된다. 이는 예컨대 금속 포일이나 금속 스트립의 압연 클래딩에 의해, 또는 용접, 특히 레이저 용접, 초음파 용접 또는 마찰 용접에 의해서도 실현될 수 있다. 본 발명에 따라서는, 표면들 간의 광범위한 접속이 실현될 수 있는 모든 용접 방법이 적용될 수 있다. 대체되는 방식으로 클래딩은 납땜, 주조 접합(이온 플레이팅), 침지, 폭발 접합 클래딩(explosion-bonded cladding) 또는 예컨대 전기 도금과 같은 갈바닉 방법에 의해 달성된다.
특히 바람직한 실시예에 따라, 혼합은 냉간 압연 클래딩에 의해 생성되고 제1 접속부는 구리 재료로 이루어지고 제2 접속부는 알루미늄 재료로 이루어진다. 냉간 압연 클래딩 시에 2개의 층은 예컨대 압연 시에서와 같이 높은 압력이 작용하는 조건에서 서로 압착되고, 압력의 각각의 크기에 따라 경계층을 생성하기 위해 접속 표면들에서 입자들의 확산을 증진하는 열이 발생한다. 대체되는 방식으로 전술한 재료들은 열간 압연 클래딩 공정으로 처리된다.
이용 가능한 구리 재료로서는 청동 재료나 황동 재료가 이용될 수 있다. 대안으로 이용될 수 있는 추가의 재료들은 본 발명에 따라 서로 조합되거나, 또는 본 발명에 따른 커넥터 내에서 전술한 알루미늄 또는 구리 재료와 조합될 수 있는 니켈, 강, 코발트 및 은 또는 이들의 합금이다.
특히 제1 접속부가 구리 재료 E-Cu57 또는 E-Cu58로 이루어지는 점이 제공된다.
이런 경우에 제2 접속부는 바람직하게는 Al6061 또는 Al3303 H14로 이루어져야 한다. 그러나 이 경우, 이용되는 클래딩 방법에 따라, 또 다른 구리 또는 알루미늄 재료의 이용은 배제된다.
그에 따라 본 발명의 추가의 관점은 본 발명에 따르는 커넥터를 제조하기 위한 제조 방법이며, 이 제조 방법의 경우 접속부들은 냉간 압연 클래딩에 의해 전기 전도성 방식으로 서로 접속된다.
그 외에 본 발명은 배터리, 특히 각각 복수의 배터리 셀 및 하나 이상의 본 발명에 따른 커넥터를 포함하는 리튬 이온 배터리 또는 니켈-금속 하이브리드 배터리를 포함하며, 커넥터는 배터리의 제1 배터리 셀의 단자를 배터리의 제2 배터리 셀의 단자와 연결한다. 이 경우 단자는 배터리 셀의 외부에서 각각의 음극 또는 양극을 형성하는 각각의 캐소드 또는 애노드를 의미한다. 그에 따라 본 발명에 따른 커넥터는 배터리 셀들 간의 회로, 바람직하게는 직렬 회로를 제조하기 위해 이용된다. 이 경우 통상적으로 배터리 셀의 각각의 극, 바람직하게는 음극은 구리 재료로 형성되고 양극은 알루미늄 재료로 형성된다. 그에 따라 본 발명에 따르는 커넥터는 자체의 구리 함유 측으로 제1 배터리 셀의 음극에, 그리고 제2 배터리 셀의 양극에 연결된다. 이 경우 장점은, 각각 동일한 유형의 물질들 또는 적어도 동일한 원료를 함유하는 물질들이 접속되며, 이는 기술적 측면에서 상이한 물질들의 접속보다 더욱 간단하면서도 더욱 많은 비용을 절감하는 방식으로 실현될 수 있다는 점에 있다.
본 발명의 추가의 관점은, 복수의 배터리, 특히 리튬 이온 배터리나 니켈-금속 하이브리드 배터리뿐 아니라 하나 이상의 본 발명에 따른 커넥터를 포함하는 배터리 시스템이며, 커넥터는 제1 배터리의 단자를 제2 배터리의 단자와 연결한다. 그에 따라 본 발명에 따르는 커넥터에 의해 복수의 배터리가 회로 기술로 서로 연결된다. 추가의 실시예에 따라서, 하나 이상의 추가의 본 발명에 따르는 커넥터는 서로 연결된 배터리들의 내부에서 개별 배터리 셀들을 서로 연결하는 역할을 한다. 다시 말하면, 본 발명에 따르는 커넥터는 하나의 배터리의 배터리 셀들을 연결하기 위해 이용될 수 있을 뿐 아니라, 복수의 배터리를 연결 및 회로적 연결하기 위해서도 이용될 수 있다.
본 발명은 보충되는 방식으로 자동차, 특히 하나 이상의 본 발명에 따르는 배터리 또는 본 발명에 따르는 배터리 시스템을 포함하는 전기 모터 구동 자동차에도 관한 것이며, 배터리는 자동차의 구동 시스템과 연결된다.
본 발명의 실시예들은 도면과 하기의 설명에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
본 발명에 따르면, 두 접속부의 표면들 간의 부식은 방지되고 커넥터의 수명은 실질적으로 증가될 수 있다. 또한, 경계 저항도 커넥터가 더욱 노후화된 경우에나 실질적으로 감소되고, 더욱 오랜 시간 기간에 걸쳐서 기능적 신뢰성이 보장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 커넥터를 도시한 개략도이다.
도 1에는 제1 접속부(11)와 제2 접속부(12)를 포함하는 본 발명에 따르는 커넥터(1)가 도시되어 있다. 두 접속부(11, 12)는, 접속 영역(16)을 범위를 한정하는 겹침부를 형성한다. 접속 영역(16)에서 두 접속부(11, 12)의 접속은 제2 접속부(12)의 제2 표면(14)에 제1 접속부(11)의 제1 표면(13)을 안착하는 것을 통해 실현된다.
접속 영역(16)에서 커넥터(1)는 복합 재료로서 형성된다. 접속 영역(16)에서 제1 표면(13) 및 제2 표면(14)에 존재하는 경계층(17)에서는 표면들(13, 14)의 입자들이 혼합 또는 확산되어 존재한다. 상기 혼합은 이미 설명한 것처럼 예컨대 클래딩, 특히 압연 클래딩에 의해 생성될 수 있다. 다시 말하면, 경계층(17)에는 제1 접속부(11) 또는 제2 접속부(12)의 물질이 존재하는 것이 아니라, 제1 접속부(11) 및 제2 접속부(12)의 혼합된 입자들을 함유하는 물질이 존재한다. 그럼으로써 두 접속부(11, 12)가 서로 고정된다.
접속 영역(16)의 맞은편에 위치하는 각각의 접속부(11, 12)의 단부들에서 상기 접속부들은 부착 측면들(15)을 포함한다. 상기 부착 측면들(15)에서는, 결과적으로 배터리 단자들 또는 그 극들 간의 전기 전도성 접속을 형성하기 위해, 커넥터(1)가 각각의 배터리 셀들 또는 배터리들의 단자들 또는 극들에 장착된다.
예컨대 냉간 압연 클래딩에 의해 생성될 수 있는 것처럼 표면들(13, 14)의 입자들의 혼합에 의해서는, 예컨대 구리 함유 재료 및 알루미늄 함유 재료로 형성될 수 있는, 제1 접속부(11) 및 제2 접속부(12)의 개별 물질들 간의 접속의 높은 전도성이 생성된다. 표면들(13, 14) 사이에는 간극이 존재하지 않으며, 그럼으로써 접속부들(11, 12)의 테두리들에서 경계층(17)의 외측면에 대한 부식을 위한 작용면 또는 작용 영역은 감소하게 된다. 그에 따라 배터리 시스템 내에서 응축에 따라 발생하는 물은 접속부들(11, 12) 사이에 도달할 수 없으며, 그에 따라 접속부들에서는 간극 부식을 초래할 수 없다.
경계층(17)의 테두리에는, 상기 경계층에서 부식을 방지하기 위해, 적합한 절연체가 제공될 수 있다. 상기 유형의 절연체는 응축수로 경계층(17)의 테두리 구역을 습윤화 하는 점을 방지하며, 그럼으로써 응축수는 제1 접속부(11) 및 제2 접속부(12)의 물질들의 접속을 생성하지 못하게 된다. 상기 절연체는 적합한 코팅층 또는 래커 코팅층 외에도 경계층(17)의 테두리 구역을 덮는 수축 튜브일 수도 있다.
본 발명에 따르는 커넥터(1)는, 제1 접속부(11)가 구리 함유 재료로 제조되고 제2 접속부(12)는 알루미늄 함유 재료로 제조되는 방식으로 구성될 수 있다. 그런 다음 바람직하게는, 커넥터(1)에서 비용 집약적인 구리 함유 재료의 비율을 감소시키기 위해, 제1 접속부(11)가 제2 접속부(12)보다 더욱 짧게 형성된다. 이를 목적으로, 접속 영역(16)은 배터리 셀 단자들 또는 그 극들의 근처에 배치될 수 있으며, 상기 접속 영역에는 제1 접속부(11)가 연결된다. 특별한 실시예에 따라서, 제1 구리 함유 접속부(11)는 배터리 셀 내에서 이 배터리 셀의 단자와 연결되며, 그에 따라 배터리 셀의 외부에서, 그리고 개별 셀들의 조립을 목적으로 각각의 접속만이, 다시 말해 연결될 배터리 셀만이 실현된다는 장점이 제공된다. 실행될 조립 단계들을 단순화하는 것 외에도 실질적으로 동일한 물질들이 접속되는 접속 공정만이 실행된다는 기술상의 장점이 제공되는데, 그 이유는 이런 경우에 알루미늄을 함유하는 제2 접속부(12)만이 제2 배터리 셀의 알루미늄 단자와 연결되기만 하면 되기 때문이다.

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀을 전기적으로 연결하기 위해 배터리 셀 단자들 간에, 특히 상기 복수의 배터리 셀의 배터리 셀 단자들 간에 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터(1)로서,
    상기 커넥터(1)는 각각 상이한 물질로 이루어진 2개 이상의 접속부(11, 12)를 포함하고,
    상기 접속부들(11, 12)은 하나 이상의 접속 영역(16)에서 서로 접촉하는 표면들(13, 14)에 의해 전기 전도성 방식으로 서로 접속되며,
    상기 두 접속부(11, 12)의 서로 인접하는 표면들(13, 14)의 입자들이 경계층(17)에서 혼합되어 존재하는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합은 상기 접속부들(11, 12)이 접속 영역(16)에서 복합 재료를 형성하는 방식인 것을 특징으로 하는 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합은 클래딩에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혼합은 냉간 압연 클래딩에 의해 생성되고, 제1 접속부(11)는 구리 재료로 이루어지며, 제2 접속부(12)는 알루미늄 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 접속부(11)는 E-Cu57 또는 E-Cu58로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제2 접속부(12)는 Al6061 또는 Al3003 H14로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 접속을 생성하기 위한 커넥터.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따르는 커넥터를 제조하기 위한 제조 방법에 있어서,
    접속부들(11, 12)은 냉간 압연 클래딩에 의해 전기 전도성 방식으로 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 특히 리튬 이온 배터리 또는 니켈-금속 하이브리드 배터리에 있어서,
    상기 배터리는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 커넥터(1)를 포함하고,
    상기 커넥터(1)는 상기 배터리의 제1 배터리 셀의 단자를 상기 배터리의 제2 배터리 셀의 단자와 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리.
  9. 복수의 배터리, 특히 리튬 이온 배터리 또는 니켈-금속 하이브리드 배터리를 포함하는 배터리 시스템에 있어서,
    상기 배터리 시스템은 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 적어도 하나의 커넥터(1)를 포함하고,
    상기 커넥터(1)는 제1 배터리의 단자를 제2 배터리의 단자와 연결하고/하거나, 상기 커넥터(1)는 제1 배터리 셀의 단자를 제2 배터리 셀의 단자와 연결하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
  10. 자동차, 특히 전기 모터 구동 자동차에 있어서,
    상기 자동차는 제8항에 따르는 적어도 하나의 배터리 또는 제9항에 따르는 배터리 시스템을 포함하고,
    상기 배터리 또는 상기 배터리 시스템은 자동차의 구동 시스템과 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차.
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