KR20130067714A

KR20130067714A - 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법 및 그에 의해 제작된 직렬 연결단자

Info

Publication number: KR20130067714A
Application number: KR1020110134558A
Authority: KR
Inventors: 정군석
Original assignee: 주식회사 한라이비텍
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-25
Also published as: KR101324593B1

Abstract

본 발명과 관련된 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법은, 제1도전재료에 의해 형성되는 제1플레이트 및 제2도전재료에 의해 형성되는 제2플레이트를 각각 마련하는 단계; 상기 제1플레이트와 제2플레이트를 맞대어 배치하는 단계; 숄더부와 핀부를 갖는 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계; 및 접합된 상기 제1플레이트와 제2플레이트를 복수 개로 절단하여 연결단자를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법 및 그에 의해 제작된 직렬 연결단자{METHOD FOR FABRICATING BUSBAR FOR SERIES CONNECTION OF HETERO-ELECTRODE BATTERY USING FRICTION STIR WELDING AND BUSBAR FABRICATED THEREBY}

본 발명은 마찰교반용접(Friction Stir Welding: FSW)을 이용하여 이종 전극을 갖는 배터리를 직렬로 연결하기 위한 배터리용 연결단자의 제작하는 방법 및 그에 의해 제작된 연결단자에 관한 것이다.

전기자동차 등의 용도로 사용되는 축전지는 큰 출력을 얻어야 하기에 고전압 또는 대전류의 용량을 필요로 한다. 축전지에는 산화환원반응이 이루어지는 장소가 되는 전극을 포함하고 있는데, 알루미늄과 구리의 조합과 같이 상이한 전극에 의하여 이루어지기도 한다.

하나의 단위 전지(Cell)에서 발생시킬 수 있는 전압은 큰 동력을 얻기에 충분하지 않으므로, 전체적인 전원을 구성하기 위해 단위 전지를 직렬 및 병렬로 연결하기도 한다. 단위 전지와 단위 전지를 연결시 각 전극들을 연결하기 위해서는 볼트체결, 리벳 등의 방법들이 있으나 용접을 이용하는 것이 접촉 저항을 줄이고 공간 절약 및 녹 발생 등으로 인한 내구성 저하를 방지하기 위한 가장 합리적인 방안으로 알려져 있다.

그런데 알루미늄과 알루미늄간의 용접과 구리와 구리의 용접은 레이저나 전자빔과 같은 고밀도 에너지원을 이용한 용접 가능하지만, 구리와 알루미늄의 이종 재료간의 용접은 많은 문제를 야기한다. 근본적으로 구리와 알루미늄은 금속의 특성상 차이가 크기 때문에 용융시켜 접합시키더라도 쉽게 혼합되지 않고, 접합된 부분에 불균일한 영역이 발생하게 되며, 용접 부위의 취성이 증가하여 쉽게 부러지는 경향이 있다.

한편, 기존의 연결단자의 제조방법은 하나씩 형성하는 것이므로 양산성이 떨어질 뿐만 아니라 각 제품의 접합품질을 보장하기가 어려운 문제도 있다.

본 발명은 상기한 점을 감안한 것으로, 용접 부위의 접촉 저항을 줄일 수 있으며, 내구성을 높일 수 있는 이종 전극 직렬연결용 배터리 연결단자를 제작하는 방법 그에 의해 제작된 연결단자를 제안하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 높은 용접 품질을 유지할 수 있으면서도 양산성을 개선시킨 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법을 제시하는데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명과 관련된 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법은, 제1도전재료에 의해 형성되는 제1플레이트 및 제2도전재료에 의해 형성되는 제2플레이트를 각각 마련하는 단계; 상기 제1플레이트와 제2플레이트를 맞대어 배치하는 단계; 숄더부와 핀부를 갖는 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계; 및 접합된 상기 제1플레이트와 제2플레이트를 복수 개로 절단하여 연결단자를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1플레이트에 동종재질의 제1전극과 용접되기 위한 제1접합부위를 형성하고, 상기 제2플레이트에 동종재질의 제2전극과 용접되기 위한 제2접합부위를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1접합부위 및 상기 제2접합부위는, 라운드형의 돌기 형태로 형성될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1접합부위 및 상기 제2접합부위는, 사각형의 돌기 형태로 형성될 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 상호 평평하게 맞대어 배치되고, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계는, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 상면에 배치한 후, 상기 맞대기선의 주변부위가 평평한 상태로 접합되도록 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 것일 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1도전재료와 상기 제2도전재료 중 어느 하나는 알루미늄(Al)이고, 상기 제1도전재료와 상기 제2도전재료 중 다른 하나는 구리(Cu)일 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법은, 상기 회전공구의 이송 끝단부에 형성된 핀홈을 포함하는 부위를 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 상호 겹쳐지도록 맞대어 배치되고, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계는, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트 또는 상기 제2플레이트의 상면에 배치한 후 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 것일 수 있다.

본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1플레이트와 제2플레이트는 대응되는 경사면을 갖도록 형성한 후 맞대어 배치하고, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계는, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트 또는 상기 제2플레이트의 상면에 배치한 후 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 것일 수 있다.

본 발명은 또한, 위의 방법에 의하여 제조된, 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자를 제시한다.

본 발명과 관련된 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법 및 그에 의해 제작된 직렬 연결단자에 의하면, 마찰교반용접에 의해 이종 재료간의 접합시 발생할 수 있는 문제점을 극복할 수 있으며, 원하는 크기 및 형상을 갖는 연결단자를 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명과 관련된 연결단자의 제작방법에 의하면, 제1플레이트와 제2플레이트를 한 번에 마찰교반용접한 후 복수 개로 절단하여 원하는 크기 및 형상을 얻는 것이므로 양산이 용이하며, 균일하면서도 우수한 품질을 유지할 수 있는 장점이 있다. 나아가, 회전공구에 의한 홈 자국은 제거되므로 우수한 품질의 연결단자를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 직렬 연결단자(100)를 이용하여 배터리셀간 직렬연결된 상태를 개략적으로 보인 구조도
도 2는 도 1의 직렬 연결단자(100)와 알루미늄도선(10) 및 구리도선(20) 사이의 연결상태를 보인 개념도
도 3은 본 발명과 관련된 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자(100)의 제작방법을 설명하기 위한 개념도
도 4는 본 발명과 관련된 다른 예에 따른 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자(200)의 제작방법을 설명하기 위한 개념도
도 5는 본 발명과 관련된 또 다른 예에 따른 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자(300)의 제작방법을 설명하기 위한 개념도
도 6은 본 발명과 관련된 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법에서 사용될 수 있는 이종 재료의 맞대기 구조들을 보인 개략적인 단면도

이하, 본 발명과 관련된 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법 및 그에 의해 제작된 직렬 연결단자를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명과 관련된 직렬 연결단자(100)를 이용하여 배터리셀간 직렬연결된 상태를 개략적으로 보인 구조도이고, 도 2는 도 1의 직렬 연결단자(100)와 알루미늄도선(10) 및 구리도선(20) 사이의 연결상태를 보인 개념도이다.

도 1과 같이, 배터리 시스템은, '+'극성인 알루미늄전극(11)과 '-'극성인 구리전극(21)을 갖는 복수의 배터리셀(C)이 상호 직렬로 연결되어 있다. 어느 하나의 배터리셀(C)을 인접한 배터리셀(C)과 직렬로 연결하기 위해서는 필연적으로 알루미늄과 구리 사이의 연결부분이 발생한다. 여기서, 연결단자(100)는 알루미늄도선(10)과 구리도선(20)의 사이에서 알루미늄도선(10)과 구리도선(20)의 직접용접에 의한 문제를 해결하고 배터리셀(C)간 직렬연결이 용이하도록 배치되어 있다.

도 2는 두 가지 금속이 접합된 연결단자(100)를 보이고 있다. 이들 금속은 각각 알루미늄과 구리로서 전기적, 기계적으로 결합되어 있다(가 부분). 따라서, 알루미늄도선(10)은 동일한 재료로 되어 있는 연결단자(100)의 대응금속에(나 부분), 구리도선(20)은 동일한 재료로 되어 있는 연결단자(100)의 반대쪽 대응금속에(다 부분) 각각 연결될 수 있다. 이 경우, 용접 등에 의한 결합이 용이하며, 이종금속에 의한 접합시 발생할 수 있는 문제가 발생하지 않게 된다.

도 3은 본 발명과 관련된 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법을 설명하기 위한 개념도이다.

본 예의 직렬 연결단자(100)의 제작방법은, 제1도전재료에 의해 형성되는 제1플레이트(110) 및 제2도전재료에 의해 형성되는 제2플레이트(120)를 각각 마련하는 단계, 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)를 맞대어 배치하는 단계, 숄더부(S)와 핀부(P)를 갖는 회전공구(T)를 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)의 맞대기선(L)을 따라 이송시키는 단계, 및 접합된 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)를 절단하여 연결단자(100)를 형성하는 단계를 포함한다.

제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)는 각각 알루미늄(Al) 및 구리(Cu)로 조성될 수 있는 것으로서, 일정 크기로 자를 수 있도록 평판 형태로 형성될 수 있다. 이러한 이종 재료의 조합은 알루미늄과 구리 외에도 알루미늄과 금, 은 또는 납 등의 조합, 아연과 구리, 금, 은 또는 납, 기타 금속간의 조합일 수 있다.

제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)의 용접을 위하여 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)는 상호 평평하게 맞대어 배치될 수 있다. 이 경우, 회전공구(T)를 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)의 상면에 배치한 후, 맞대기선(L)의 주변부위가 평평한 상태로 접합되도록 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)의 맞대기선(L)을 따라 이송시킨다. 회전공구(T)의 이송에 의하여 용접부위(W)는 평평하고 깨끗한 상태가 되므로 접합품질을 높일 수 있다. 이러한 마찰교반용접방법은 이미 알려져 있는 것으로, 두 개의 금속 사이에 모재보다 경도가 높은 별도의 마찰 공구를 삽입한 후 고속으로 회전시키면서 용접선 방향으로 이동하게 되면, 모재에 직접 마찰을 시키면서 재료 내부에 교반작용과 소성유동 현상을 일으켜서 교반 및 혼합작용으로 두 개의 금속이 용접되는 원리를 이용한다.

제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)가 접합되면, 일정한 크기별로 연결단자(100)를 절단하여 원하는 크기 및 형상을 얻을 수 있다. 이러한 절단방법으로서, 워터젯 절단, 레이저 절단, 초음파 절단, 플라즈마 절단, 와이어 컷팅, 샤링기(shearing), 톱기계, 휠커터 등이 사용될 수 있다. 도 3에서 CL로 표시된 부분은 커터에 의하여 잘려지는 절단선으로서, 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 절단선(CL)은 용접 후에 절단과정에서 실제로 이루어질 수 있으며, 반대로 용접 전에 형성함으로써 모재의 손실을 줄일 수도 있다.

회전공구(T)의 이송 끝단부에 형성된 핀홈(101)을 포함하는 부위(103)를 절단하는 단계가 추가됨으로써 불필요한 자국을 제거하고 우수한 품질의 연결단자(100)만을 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명과 관련된 다른 예에 따른 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자(200)의 제작방법을 설명하기 위한 개념도이다.

본 예에서는, 제1플레이트(210) 및 제2플레이트(220)를 마련시, 제1플레이트(210)에 동종재질의 제1전극과 용접되기 위한 제1접합부위(215)를 형성하고, 제2플레이트(220)에 동종재질의 제2전극과 용접되기 위한 제2접합부위(225)를 형성하는 단계가 포함된 것을 보인다. 이러한 제1접합부위(215)와 제2접합부위(225)는 배터리의 전극 또는 도선과 연결되는 부분으로서, 동종 재질의 용접에 의할 경우 결합강도를 높이고 용접의 편의성을 높일 수 있게 다른 부위보다는 돌출되어 있다. 도 4에 의하면 이러한 제1접합부위(215) 및 제2접합부위(225)는 라운드형의 돌기 형태로 형성되어 있다. 돌기의 형성을 위하여 테일러 블랭킹과 같은 방법이 사용될 수 있다. 다만, 제1접합부위(215)와 제2접합부위(225)는 용접 후에 형성하는 것도 가능하다.

도 5는 본 발명과 관련된 또 다른 예에 따른 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자(300)의 제작방법을 설명하기 위한 개념도이다.

본 예에서는, 제1플레이트(310) 및 제2플레이트(320)에 각각 형성되는 제1접합부위(315)와 제2접합부위(325)가 사각형의 돌기 형태로 형성되어 있다. 앞의 예와 마찬가지로 돌기형의 제1접합부위(315)와 제2접합부위(325)를 갖는 제1플레이트(310) 및 제2플레이트(320)는 배터리셀로부터 나온 동종재질의 전극 또는 도선과의 용접을 용이하게 한다.

도 6은 본 발명과 관련된 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법에서 사용될 수 있는 이종 재료의 맞대기 구조들을 보인 개략적인 단면도이다.

(a)도의 연결단자(100)는 제1플레이트와 제2플레이트의 단부가 수직면을 이룬 상태에서 상호 맞대기한 것이고, (b)도의 연결단자(100')은 제1플레이트와 제2플레이트의 단부가 대응되는 경사면을 갖도록 형성한 후 맞대어 배치한 것이며, (c)도의 연결단자(100")은 제1플레이트와 제2플레이트가 상호 겹쳐지도록 맞대어 배치한 것을 각각 보인다. 마찬가지로, 맞대어 배치된 후에는 마찰교반용접이 이루어지며 접합후 일정크기로 잘려져서 깨끗한 품질의 연결단자를 얻는다. 이외에도 맞대기의 다른 방법으로서, 제1플레이트에 대하여 제2플레이트를 육성도포한 후 마찰교반용접을 할 수 있다.

상기와 같이 설명된 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법 및 그에 의해 제작된 직렬 연결단자는 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100, 100', 100", 200, 300: 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자
101: 핀홈 103: 제거될 부위
110, 210, 310: 제1플레이트 120, 220, 320: 제2플레이트
215, 315: 제1접합부위 225, 325: 제2접합부위
T: 회전 공구 S: 숄더부
P: 핀부 W: 용접부위
L: 맞대기선 CL: 절단선

Claims

제1도전재료에 의해 형성되는 제1플레이트 및 제2도전재료에 의해 형성되는 제2플레이트를 각각 마련하는 단계;
상기 제1플레이트와 제2플레이트를 맞대어 배치하는 단계;
숄더부와 핀부를 갖는 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 마찰 이송시키는 단계; 및
상기 마찰에 의해 접합된 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트를 복수 개로 절단하여 연결단자를 얻는 단계를 포함하는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 제1플레이트에 동종재질의 제1전극과 용접되기 위한 제1접합부위를 형성하고, 상기 제2플레이트에 동종재질의 제2전극과 용접되기 위한 제2접합부위를 형성하는 단계를 더 포함하는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제2항에 있어서,
상기 제1접합부위 및 상기 제2접합부위는, 라운드형의 돌기 형태로 형성되는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제2항에 있어서,
상기 제1접합부위 및 상기 제2접합부위는, 사각형의 돌기 형태로 형성되는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 상호 평평하게 맞대어 배치되고,
상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계는, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 상면에 배치한 후, 상기 맞대기선의 주변부위가 평평한 상태로 접합되도록 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 제1도전재료와 상기 제2도전재료 중 어느 하나는 알루미늄(Al)이고, 상기 제1도전재료와 상기 제2도전재료 중 다른 하나는 구리(Cu)인, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 회전공구의 이송 끝단부에 형성된 핀홈을 포함하는 부위를 절단하는 단계를 더 포함하는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트는 상호 겹쳐지도록 맞대어 배치되고,
상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계는, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트 또는 상기 제2플레이트의 상면에 배치한 후 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 제1플레이트와 제2플레이트는 대응되는 경사면을 갖도록 형성한 후 맞대어 배치하고,
상기 회전공구를 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는 단계는, 상기 회전공구를 상기 제1플레이트 또는 상기 제2플레이트의 상면에 배치한 후 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트의 맞대기선을 따라 이송시키는, 마찰교반용접을 이용하는 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자의 제작방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항의 방법에 의하여 제조된, 이종 전극 배터리용 직렬 연결단자.