KR20180082802A - 내진동성이 우수한 배터리 팩 - Google Patents

내진동성이 우수한 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내진동성이 우수한 배터리 팩을 개시한다.
본 발명에 따르는 내진동성이 우수한 배터리 팩은 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 버스바의 버스홀 내면에서 연장된 연장부에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부와, 상기 버스홀에 대향되는 보조버스홀을 구비한 보조버스바는 버스바와 전기적 통전상태가 되도록 하는 용접부를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때, 레이저용접에 의한 생산성을 증가시키는 동시에 레이저용접에 의한 불량율을 감소시키고, 경시적으로 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 발생되는 접촉저항의 증가를 예방하는, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장할 수 있다.

Description

내진동성이 우수한 배터리 팩{Battery package with improved durability}
발명은 내진동성이 우수한 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저용접에 의한 생산성을 증가시키는 동시에 레이저용접에 의한 불량율을 감소시키고, 경시적으로 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 발생되는 접촉저항의 증가를 예방하는, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장하는 내진동성이 우수한 배터리 팩에 관한 것이다.
비디오 카메라, 휴대용 전화, 휴대용 PC 등의 휴대용 전기 제품 사용이 활성화됨에 따라 그 구동 전원으로서 주로 사용되는 이차전지에 대한 중요성이 증가되고 있으며, 이러한 이차전지는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능하므로 화석연료의 대체에너지원으로서 전기자전거, 전기자동차, 하이브리드 자동차, 대용량 전력저장장치 등 첨단 분야의 개발로 활발한 연구가 진행 중이다.
특히, 리튬 이차전지는 기존의 납 축전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-수소 전지, 니켈-아연전지 등 다른 이차전지와 비교하여 단위 중량 당 에너지 밀도가 높고 급속 충전이 가능하므로 사용의 증가가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 리튬 이차전지는 작동 전압이 3.6V 이상으로 휴대용 전자 기기의 전원으로 사용되거나, 다수의 전지를 직렬 또는 병렬로 연결하여 고출력의 전기자동차, 하이브리드 자동차, 파워툴, 전기 자전거, 전력저장장치, UPS 등에 사용될 수 있다.
리튬 이차전지는 니켈-카드뮴 전지나 니켈-메탈 하이드라이드 전지에 비하여 작동 전압이 3배가 높고, 단위 중량당 에너지 밀도의 특성도 우수하여 급속도로 사용되고 있는 추세이다.
리튬 이차전지는 전해질 종류에 따라 액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지와 고분자 고체 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 구분할 수 있고, 리튬 이온 폴리머 전지는 고분자 고체 전해질의 종류에 따라 전해액이 전혀 함유되어 있지 않은 완전 고체형 리튬 이온 폴리머 전지와 전해액을 함유하고 있는 겔형 고분자 전해질을 사용하는 리튬 이온 폴리머 전지로 나눌 수 있다.
액체 전해질을 사용하는 리튬 이온전지의 경우 대개 원통이나 각형의 금속 캔을 용기로 하여 용접 밀봉시킨 형태로 사용되며, 여기서, 원통형 이차 전지는 전극 조립체 및 전해액을 포함하는데, 전극 조립체는 양극판, 음극판 및 세퍼레이터를 구비하고, 전해액은 리튬 이온을 포함하는 경우가 많으며, 전극 조립체의 양극판과 음극판은 외부로 인출되는 전극 탭을 각각 구비할 수 있다.
전극 조립체는 케이스의 내부에 수납되고, 케이스의 외부로는 전극 단자가 노출될 수 있다. 전극 탭은 전극 조립체의 외부로 인출되어 전극 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.
이러한 이차전지를 복수개 수평 또는 수직으로 적층되어 배터리 팩이 형성될 수 있는데, 배터리 팩에서 이웃하여 적층되는 이차 전지들은 전극 단자들이 전기적으로 상호 연결될 수 있고, 이웃하는 이차 전지들의 전극 단자들이 버스 바에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
그런데, 이러한 버스바는 니켈, 구리 등을 함유하는 합금을 저항용접으로 접합하고, 특히 브릿지-버스바는 볼트결합을 이용하게 되는데, 배터리 팩이 장착된 디바이스, 특히 전기자동차의 경우에 다양한 도로면에 의한 충격이나 고진동으로 볼트결합이 느슨해지거나, 겨울철이나 여름철 눈이나 비의 수분에 의해 산화되어 해당부위에 접촉저항(contact resistance)이 발생되어 배터리 팩의 오작동을 유발하는 문제가 있어 왔다.
대한민국공개특허공보 제1020160129596호(2016.11.09) 대한민국공개특허공보 제1020120114494호(2012.10.17)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 레이저용접에 의한 생산성을 증가시키는 동시에 레이저용접에 의한 불량율을 감소시키고, 경시적으로 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 발생되는 접촉저항의 증가를 예방하는, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장하는 내진동성이 우수한 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 버스바의 버스홀 내면에서 연장된 연장부에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부와, 상기 버스홀에 대향되는 보조버스홀을 구비한 보조버스바는 버스바와 전기적 통전상태가 되도록 하는 용접부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내진동성이 우수한 배터리팩을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 버스바는 니켈, 니켈합금, 구리, 양백, 철 또는 SPCE인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 연장부는 단위배터리를 향하도록 경사진 경사각(θ)이 10°≤θ≤80°인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 보조버스홀은 연장부의 꺽임부가 탄성적으로 유동할 수 있도록 보조트임홀을 더 구비하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 접합부에는 전극단자와 용접성을 향상시키도록 패인 슬릿부를 더 구비할 수 있다.
발명에 의하면, 레이저용접에 의한 생산성을 증가시키는 동시에 레이저용접에 의한 불량율을 감소시키고, 경시적으로 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 발생되는 접촉저항의 증가를 예방하는, 배터리 팩의 내진동성 및 작동안정성을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 배터리 팩을 케이스부재로 마감한 상태를 사시적으로 보여주는 그림이고,
도 2는 도 1의 케이스부재의 상부케이스를 분리하여 내부의 배터리 팩을 보여주는 그림이며,
도 3은 본 발명의 상부케이스 분리하여 배터리 팩의 상부를 보여주고, 접합부, 연장부를 확대하여 나타낸 그림이고,
도 4는 본 발명에 따르는 배터리팩의 분리하여 보여주는 사시도이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 버스바와 보조버스바를 분리하여 보여주는 그림이고,
도 6은 본 발명의 단위배터리가 상하부홀더, 버스바에 조립된 형상을 측면적으로 보여주고, 단위배터리에 용접된 버스바를 확대하여 보는 주는 그림이며,
도 7은 도 6의 점선박스 영역을 확대한 도면이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스바와 보조버스바를 분리하여 보여주는 그림이고,
도 9는 도 8에 따른 버스바와 단위배터리가 부착된 상태를 측면적으로 확대하여 보여주는 도면이며,
도 10은 본 발명에 따르는 다른 실시예의 접합부에 슬릿부가 구현된 형상을 확대하여 보여주는 도면이다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 하고, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는데, 예를 들어 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따르는 배터리 팩을 케이스부재로 마감한 상태를 사시적으로 보여주는 그림이고, 도 2는 도 1의 케이스부재의 상부케이스를 분리하여 내부의 배터리 팩을 보여주는 그림이며, 도 3은 본 발명의 상부케이스 분리하여 배터리 팩의 상부를 보여주고, 접합부, 연장부를 확대하여 나타낸 그림이고, 도 4는 본 발명에 따르는 배터리팩의 분리하여 보여주는 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 버스바와 보조버스바를 분리하여 보여주는 그림이고, 도 6은 본 발명의 단위배터리가 상하부홀더, 버스바에 조립된 형상을 측면적으로 보여주고, 단위배터리에 용접된 버스바를 확대하여 보는 주는 그림이며, 도 7은 도 6의 점선박스 영역을 확대한 도면이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 버스바와 보조버스바를 분리하여 보여주는 그림으로 슬릿부의 슬릿이 구비되어 일단부 끝까지 열린 형상(open slit)을 보여주고, 도 9는 도 8에 따른 버스바와 단위배터리가 부착된 상태를 측면적으로 확대하여 보여주는 도면이며, 도 10은 본 발명에 따르는 다른 실시예의 접합부에 슬릿부가 구현된 형상을 확대하여 보여주는 도면으로 슬릿부의 슬릿(slit)이 도 8의 슬릿부와는 달리 단부가 막혀있는 형태(closed)인데, 이를 참고하여 설명한다.
본 발명에 따르는 내진동성이 우수한 배터리 팩(100)은 복수의 단위배터리(200)와, 상기 단위 배터리들의 전극단자(210)들을 전기적으로 연결하는 버스바(300)를 포함하는 배터리 팩에 있어서, 버스바의 버스홀(320) 내면에서 연장된 연장부(312)에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부(310)와, 상기 버스홀에 대향되는 보조버스홀을 구비한 보조버스바(400)는 버스바와 전기적 통전상태가 되도록 하는 용접부를 포함하는 특징이 있다.
상기 배터리 팩(100)의 외장을 감싸며 보호하는 케이스부재(500)가 상부케이스(510)와 하부케이스(520)를 포함하여 볼트, 너트와 같은 체결수단으로 조립되거나 분리될 수 있다.
상기 배터리 팩(100)은 단위배터리(200)를 설계된 전압이나 전류값을 출력하도록 복수개로 배열하여 상부홀더(610)와 하부홀더(620)와의 사이에 개재시켜 고정하게 되는데, 상/하부홀더는 배열된 배터리는 고정할 수 있는 한 특별하게 재질을 한정할 것은 아니나, 단락이나 누전의 우려를 예방하기 위하여 플라스틱재로 사출하여 단위배터리(200)가 배열되어 사용중에 틀어지거나 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
상기 상/하부홀더(610, 620)는 배터리가 삽입되어 고정될 수 있게 배터리의 외형에 대응하는 형상으로 구비된 배터리안착부(640)를 구비하여 배터리를 삽입하여 고정할 수 있다.
또한, 상기 상부홀더(610)로 개구된 노출홀(642)에는 배터리 전극단자(210)가 노출되며, 상기 전극단자에는 버스바의 버스홀(320) 내면에서 연장된 연장부(312)에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부(310)가 용접으로 고정되어 통전상태를 이루고 있다.
상기 연장부(312)는 버스홀의 내면에서 연장되어 접합부(310)에 이르며, 상기 접합부의 크기는 노출홀(642) 크기보다 작도록 구비될 수 있고, 상기 배터리안착부는 단위배터리의 외형에 대응되는 형상이므로 상기 노출홀의 크기 외경은 배터리안착부의 내경보다 작도록 하여 배터리의 고정될 수 있다.
따라서, 상기 접합부(310)는 노출홀(642)로 노출된 배터리 전극단자(210)와 맞닿게 배치될 수 있고, 그 맞닿은 부분을 용접하여 전기적 통전이 가능하도록 할 수 있는데, 통상 양극단자는 캡업(cap up)이 전극인 돌출부와 통기공을 구비하고 있어 레이저용접시 고에너지에 의하여 관통되어도 이차전지 내부에 손상의 우려가 없으나, 음극단자인 전지캔의 바닥은 전지캔 소재만 있어서 손상 발생시 이차전지의 불량이 즉시 발생될 우려가 있다.
따라서, 상기 접합부(310)는 저항용접을 수행하여 용접으로 인한 불량 발생을 미연에 방지할 수 있으며, 이 경우 저항용접이 가능한 소재로 버스바(300)는 니켈, 니켈합금, 구리, 양백, 철 또는 SPCE를 판재(plate)나 스트립(strip) 형태로 채용하여 프레스 가공을 통하여 접합부, 연장부를 성형할 수 있어 가공성이 우수하며, 경시적으로 발생할 수 있는 접촉저항 증가도 예방할 수 있으며, 특히 배터리 전극단자(210)를 구성하는 금속은 니켈이나 니켈합금의 경우가 많아 니켈이나 그 합금으로 접합부를 구성하면 용접이 효율성이 증가할 수 있다.
다만, 상기 버스바를 양극단자에 용접하는 경우에는 알루미늄(Al) 판재로 가공하여 레이저 용접을 수행할 수 있음은 물론이다.
또한, 이러한 알루미늄과 니켈의 특성을 배가하기 위해 상기 버스홀(320)에 대향되는 보조버스홀(420)을 구비한 보조버스바(400)는 버스바와 전기적 통전상태가 되도록 하는 용접부(미도시)를 포함할 수 있는데, 상기 용접부는 버스바(300)와 보조버스바(400)를 버스홀과 대향되는 보조버스홀을 대향시킨 후 복수개의 용접개소를 용접하여 고정할 수 있으며, 이러한 용접부 형성을 위한 용접은 레이저 용접을 수행하는 것이 생산성 향상과 원가 제고차원에서 바람직하다.
따라서, 저항용접이 가능한 버스바를 미리 전극단자에 용접한 후 보조버스홀을 구비한 보조버스바를 레이저용접에 의한 용접부를 형성할 수 있음은 물론, 버스홀과 보조버스홀을 대향시켜 레이저용접에 의한 용접부를 형성하고 전극단자에 저항용접을 수행하여 접합부를 형성할 수 있다.
아울러, 상기 접합부(310)는 단위배터리(200)의 전극단자와 접합되어 설계된 전류와 전압 인가의 통로가 될 뿐만 아니라, 배터리 팩 전체에 가해지는 진동, 특히 이동수단의 에너지원으로 자동차나 전동차에 적용되는 경우에 운행시 발생되는 지속적인 진동에 의하여 접합부와 단위배터리의 전극단자와의 용접계면이 탈리가 발생하여 전력공급상 문제될 우려가 있으므로, 상기 접합부와 연결된 연장부(312)는 단위 배터리를 향하여 경사지도록 구비되는 것이 바람직한데, 이러한 경사진 경사각(θ)는 외부에서 발생되는 진동에 의하여 배터리와 버스바를 유동할 수 있도록 하여 외력을 분산시킴으로써 용접계면의 구조 손상을 방지하고자 하는 것인바, 진동은 수평방향(Dx), 수직방향(Dy) 성분으로 벡터적으로 가해지므로 10°≤θ≤80°일 수 있는데, 만일 10°미만이면, 진동의 수평방향 성분 외력에 대하여 진동폭이 작아 외력 분산의 효과가 미미할 수 있고, 반대로 80°를 초과하면, 진동의 수직방향 성분 외력에 대하여 진동폭이 작아 외력 분산의 효과가 미미할 수 있다.
한편, 외력이 커서 진동이 증가되는 경우에 내진동성을 극대화하기 위하여 상기 보조버스홀(420)은 연장부의 꺽임부(322)가 탄성적으로 유동할 수 있도록 보조트임홀(422)을 더 구비할 수 있다.
이러한 보조트임홀은 큰 외부의 충격력에 의해 상기 꺽임부가 보조버스홀로 진입하는 경우에 탄성력이 작용할 수 있는 공간을 확보하는 것이며, 이렇게 탄성작용으로 충격을 흡수할 수 있도록 상기 꺽임부(322) 주변에 유동홈(324, 324')을 형성하여 외력에 의한 탄성유동을 원활하게 할 수 있다.
다시 말하면, 상기 연장부(312)는 버스바의 버스홀(320) 내주면에서 유동홈(324, 324')에 의해 형성된 꺽임부(322)에 이어 연장되어 전극단자(210)에 접합되는 접합부(310)에 이르는 것으로, 이러한 꺽임부(322)는 연장부와 접합부가 접혀 꺽인 방향(+R)과 반대방향(-R)으로 접혀 꺽인 특징을 가진다.
한편, 상기 접합부(310)에는 전극단자(210)와 용접성을 향상시키도록 패인 슬릿부(310')를 더 구비할 수 있다.
배터리 팩 100, 단위배터리 200,
전극단자 210, 버스바 300,
접합부 310, 슬릿부 310',
연장부 312, 버스홀 320,
보조버스바 400, 보조버스홀 420,
케이스부재 500, 상부케이스 510,
하부케이스 520, 상부홀더 610,
하부홀더 620, 배터리안착부 640,
노출홀 642, 경사각 θ,
수평방향 Dx, 수직방향 Dy

Claims (5)

  1. 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리 팩에 있어서,
    버스바의 버스홀 내면에서 연장된 연장부에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부와, 상기 버스홀에 대향되는 보조버스홀을 구비한 보조버스바는 버스바와 전기적 통전상태가 되도록 하는 용접부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내진동성이 우수한 배터리팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스바는 니켈, 니켈합금, 구리, 양백, 철 또는 SPCE인 것을 특징으로 하는 내진동성이 우수한 배터리 팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연장부는 단위배터리를 향하도록 경사진 경사각(θ)이 10°≤θ≤80°인 것을 특징으로 하는 내진동성이 우수한 배터리 팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조버스홀은 연장부의 꺽임부가 탄성적으로 유동할 수 있도록 보조트임홀을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내진동성이 우수한 배터리팩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합부에는 전극단자와 용접성을 향상시키도록 패인 슬릿부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내진동성이 우수한 배터리팩.
KR1020170004149A 2017-01-11 2017-01-11 내진동성이 우수한 배터리 팩 KR20180082802A (ko)

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