KR20180092065A - 배터리 모듈 및 이의 조립 방법 - Google Patents

배터리 모듈 및 이의 조립 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 배터리 모듈에 관한 것으로서, 전도성 접착제를 이용하여 배터리 셀 리드간을 연결하는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 레이저 용접과 같이 야금적 방법이 아닌, 전도성 접착제를 이용한 본딩 계열의 접합 기술을 적용함으로써 셀 리드간 연결을 간단하게 수행할 수 있고, 전기적 연결 공정에 변수가 적고 불량률을 최소화할 수 있다.

Description

배터리 모듈 및 이의 조립 방법{Battery module and Method for assembling the same}
본 발명은 차량용 배터리 모듈에 관한 것으로서, 전도성 접착제를 이용하여 배터리 셀 리드간을 연결하는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법에 대한 것이다.
차량용 배터리 모듈을 제작하는데 있어서 파우치형 셀을 사용하는 경우에 대부분 셀 리드와 리드를 연결하는 방법으로 버스바를 중간 매개체로 적용하는 방법과 리드와 리드를 직접적으로 연결하는 방법이 있다. 그리고 연결 공정을 레이저 용접을 채택하여 사용하고 있다.
셀 리드 간 연결 공정으로 대표적인 레이저 용접이외에도 초음파 용접, 저항 용접 등 다양한 공법이 활용될 수 있으나, 그 적용 공법이 제한적이었다. 그리고 앞서 설명한 공법의 경우, 설비를 설치하는데 높은 투자 비용으로 인해 특수한 소량 생산에는 적합하지 않은 것으로 보인다.
또한, 레이저 용접의 경우, 최적의 용접 조건을 찾기 위해 많은 시간과 샘플을 소비해야 한다. 따라서 개발 일정에 영향을 줄 수 있다.
또한, 용접 조건외 설비 세팅에도 동일하게 시간이 소요되는 특징이 있다. 추가적으로 모재(리드 및 버스바) 및 설비의 관리 상태에 따라 규격화된 조건에서도 불량이 다수 발생할 수 있다.
따라서 전기적 연결 공정에 변수가 적고 불량률을 최소화할 수 있는 공접이 요구되고 있다.
1. 한국등록특허 제10-1023184호(등록일자: 2011.03.10) 2. 한국공개특허 제10-2016-0016516호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 전도성 접착제를 이용하여 배터리 셀 리드간을 연결하는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전기적 연결 공정에 변수가 적고 불량률을 최소화할 수 있는 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 전도성 접착제를 이용하여 배터리 셀 리드간을 연결하는 배터리 모듈을 제공한다.
상기 배터리 모듈은,
다수의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈로서,
상기 다수의 배터리 셀(110,120,130,140)의 양단에 형성되는 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들이 전도성 접착층에 의해 연결되며, 상기 전도성 접착층은 전도성 접착제가 상기 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 일측면상에 도포되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전도성 접착제는 고순도 은을 포함하는 에폭시계 전도성 접착제인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 도포에 대한 면적은 수학식 셀 리드 두께 x (셀 리드 폭x0.5) x(셀 리드 길이 x 0.7)에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 도포는 상기 셀 리드의 중앙을 기준으로 도포되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 다수의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈의 조립 방법으로서, (a) 상기 다수의 배터리 셀(110,120,130,140)의 양단에 형성되는 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 일측면상에 전도성 접착제를 도포하는 단계; (b) 상기 다수의 배터리 셀(110,120,130,140)을 적층하는 단계; (c) 상기 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 후면에 받침대 기구물(201,202,203)을 삽입하는 단계; (d) 상기 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 전면에 접착 보조 커버(410)를 배치하는 단계; 및 (e) 상기 접착 보조 커버(410)를 통해 도포된 전도성 접착제에 열을 가하여 열경화에 따른 전도성 접착층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 조립 방법을 제공할 수 있다.
이때, 상기 (e) 단계는, 상기 열을 가함과 함께 상기 접착 보조 커버(410)에 압착력을 가하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 접착 보조 커버(410)의 내표면상에는 경화를 위한 다수의 열선(520)이 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 접착 보조 커버(410)의 내표면상에는 압착에 의한 상기 전도성 접착제의 유출을 방지하기 위한 격벽(510)이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈의 조립 방법은, 상기 (e) 단계이후, 열경화에 따른 전도성 접착층이 형성되면 상기 받침대 기구물(201,202,203) 및 상기 접착 보조 커버(410)를 하우징 조립전에 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 레이저 용접과 같이 야금적 방법이 아닌, 전도성 접착제를 이용한 본딩 계열의 접합 기술을 적용함으로써 셀 리드간 연결을 간단하게 수행할 수 있고, 전기적 연결 공정에 변수가 적고 불량률을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 전도성 접착체를 사용하는 경우에는 적용하는 면적에 따라 접합 강도 및/또는 셀 리드간 전기 전도성을 다양하게 선정할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 생산 라인을 통한 특수한 케이스로 소량 제작할 때, 에폭시계 전도성 접착제를 적용하기 위한 디펜서 설비와 경화를 위한 가열 기구외 고 투자가 필요한 부분이 없으므로 특수한 소량 생산에도 적합하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 8 배터리 셀 어셈블리 단계까지 조립 후, 기존 생산 라인에 연계하여 후속 공정으로 진행하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 다수의 배터리 셀을 적층하기전 하부 2개 배터리 셀의 셀 리드에 전도성 접착제를 도포하는 공정을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 공정후 다수의 배터리 셀이 적층된 상태에서 셀 리드의 후방에 받침 기구물을 삽입한 상태를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 셀 리드에 전도성 접착제를 도포하는 방식을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 공정후 접착 보조 커버를 셀 리드 전방쪽으로 덮어씌우는 공정을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 접착 보조 커버(410)의 내부 표면을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 배터리 모듈에 구성되는 배터리 셀의 정면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 배터리 모듈에 구성되는 배터리 셀의 후면도이다.
도 8은 도 6의 부분 측면도이다.
도 9는 도 7의 부분 측면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 모듈 및 이의 조립 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 다수의 배터리 셀을 적층하기전 하부 2개 배터리 셀의 셀 리드에 전도성 접착제를 도포하는 공정을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 제 1 내지 제 4 배터리 셀(110,120,130,140)의 양단에 형성되는 다수의 배터리 셀 리드들의 일측면상에 전도성 접착제를 도포한다. 물론, 전도성 접착제를 양측면상에 도포하는 것도 가능하다. 부연하면, 배터리 셀 리드가 중첩되는데 이때 밑에 위치하는 배터리 셀 리드의 외표면 또는 위쪽에 위치하는 배터리 셀 리드의 내표면상에 전도성 접착제가 도포된다. 물론, 이와 달리, 밑에 위치하는 배터리 셀 리드의 외표면과 위쪽에 위치하는 배터리 셀리드의 내표면상 모두에 전도성 접착제를 도포하는 것도 가능하다.
전도성 접착제는 전기 및/또는 전자 제품이나 회로의 배선 접합에 사용하는 접착제로, 대기중에 산화되지 않고 고전도성 특징을 유지하기 위해 고순도의 은(silver)을 첨가하여 제조된다. 그 적용 방법은 그리스 (grease), 에폭시 및 페이스트(반죽) 형상으로 적용될 수 있다.
이러한 전도성 접착제는, 도포 후 상온 경화 및 고온 경화 공정을 거치게 된다. 에폭시계 전도성 접착제의 주요 특징으로는 고온 고습 환경에서 전도성의 변화가 매우 적으며, 광범위한 경화 조건에서 양호한 물성을 발현할 수 있다는 특징이 있다.
또한, 제 1 내지 제 4 배터리 셀(110,120,130,140)은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용된다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다.
일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다.
또한, 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다.
일반적으로 고전압 배터리는 전기 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다. 또한, 이들 다수의 배터리 셀의 셀 리드들이 직렬 및/또는 병렬로 연결된다.
전기 차량의 예로서는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 저속 전기 자동차(NEV: Neighborhood Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 도 1에서는 8개의 배터리 셀로 구성되는 배터리 모듈(100)을 도시한 것이다. 물론, 2개의 배터리 셀이 하나의 어셈블리가 된다. 도 1은 설명을 위한 예시로서 8개 이하 또는 8개 이상의 배터리 셀로 구성할 수 있다.
전도성 접착제를 도포하는 개념을 보여주는 도면이 도 3에 도시된다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 셀 리드에 전도성 접착제를 도포하는 방식을 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 도포에 대한 면적(301)은 다음 수학식을 이용하여 산출된다.
Figure pat00001
여기서, 0.5 및 0.7은 실험을 통해 미리 결정되는 설정값이다.
또한, 두께, 셀리드 길이(320), 셀리드 폭(310)을 실제 측정값이다. 물론, 이를 측정을 위해 센서들이 사용된다. 또한, 도포는 셀 리드의 중앙(330)을 기준으로 도포된다. 물론, 중앙(330)을 기준으로 도포하되, 편측되지 않게 한다.
도 1을 계속 참조하면, 전도성 접착제가 도포된 이후, 제 1 내지 제 4 배터리 셀(110 내지 140)이 적층된다.
도 2는 도 1에 도시된 공정후 다수의 배터리 셀이 적층된 상태에서 셀 리드의 후방에 받침 기구물을 삽입한 상태를 보여주는 도면이다. 특히, 도 2는 적층된 제 1 내지 제 4 배터리 셀(110 내지 140)을 후면에 본 도면이다. 도 2를 참조하면, 제 1 내지 제 3 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 후면에 받침대 기구물(201,202,203)을 삽입한다. 물론, 이러한 삽입 공정은 지그(jig)를 이용하여 자동적으로 이루어진다.
이러한 제 1 내지 제 3 받침대 기구물(201,202,203)은 적층후 셀 리드 후면에 삽입되어, 셀 리드가 후방으로 밀려나지 않도록 지지하는 역할을 한다.
제 1 내지 제 3 받침대 기구물(201,202,203)은 비전도성 재질의 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 공정후 접착 보조 커버를 셀 리드 전방쪽으로 덮어씌우는 공정을 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 제 1 내지 제 3 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 전면에 접착 보조 커버(410)를 배치한다. 접착 보조 커버(410)는 제 1 내지 제 3 배터리 셀 리드(211,212,213)의 내측면에 도포된 전도성 접착제에 열을 가하는 기능을 수행한다. 물론, 접착 보조 커버(410)를 배치하기 위해 지그(미도시)가 사용된다.
이러한 접착 보조 커버(410)를 통해 도포된 전도성 접착제에 열을 가하면 도포된 전도성 접착제가 열경화되어 전도성 접착층(미도시)을 형성한다. 이 전도성 접착층에 의해 배터리 셀 리드(211,212,213)간 전기적 연결이 이루어진다. 부연하면, 아래쪽에 놓이는 배터리 셀 리드의 외표면과 위쪽에 놓이는 배터리 셀 리드의 내표면사이에 이 전도성 접착층이 형성됨에 따라 셀 리드가 서로 전기적으로 접촉되면서 본딩된다.
도 5는 도 4에 도시된 접착 보조 커버(410)의 내부 표면을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 접착 보조 커버(410)의 내표면상에는 경화를 위한 다수의 열선(520)이 배치된다. 물론, 이러한 열선(520)에 전원을 공급하는 전원 공급기(미도시)가 구성된다.
또한, 접착 보조 커버(410)의 내표면상에는 압착에 의한 상기 전도성 접착제의 유출을 방지하기 위한 격벽(510)이 형성된다. 부연하면, 상기 열을 가함과 함께 상기 접착 보조 커버(410)에 압착력을 가하는 공정이 추가로 있을 수 있다. 이는 배터리 셀 리드간 밀착력과 접착력을 높이기 위한 것이다.
이 경우, 압착력에 의해 전도성 접착제가 외부로 유출되는 것을 방지해야 하며, 격벽(510)이 이러한 역할을 한다. 부연 설명하면, 바닥면(530)으로부터 일정 높이의 격벽(510)이 형성된다. 이 격벽(510)은 사다리꼴 형상이 되며 접착 보조 커버(410)의 가장자리도 이 격벽(510)의 높이와 유사하게 돌출된 형태이다.
따라서, 격벽(510) 사이의 공간이 배터리 셀 리드(201,202,203)와 교합된다. 이러한 교합으로 인해 압착기(미도시)에 의한 압착력이 접착 보조 커버(410)에 가해지더라도 전도성 접착제가 배터리 셀 리드(201,202,203)로부터 유출되는 것을 방지한다.
열경화에 따른 전도성 접착층이 형성되면 상기 받침대 기구물(201,202,203) 및 상기 접착 보조 커버(410)를 제거하고 하우징을 조립하여 배터리 모듈(100)을 완성한다.
도 6은 도 1에 도시된 배터리 모듈에 구성되는 배터리 셀의 정면도이다. 도 6을 참조하면, 배터리 셀 리드에 전도성 접착제가 도포되는 도포 위치(601)를 보여준다.
도 7은 도 1에 도시된 배터리 모듈에 구성되는 배터리 셀의 후면도이다. 도 7을 참조하면, 도 6과 유사하게 배터리 셀 리드에 전도성 접착제가 도포되는 도포 위치(701)를 보여준다.
도 8은 도 6의 부분 측면도이다. 도 8을 참조하면, 배터리 셀 리드에 전도성 접착제가 도포되는 도포 위치(801)를 보여준다.
도 9는 도 7의 부분 측면도이다. 도 9를 참조하면, 도 8과 유사하게 배터리 셀 리드에 전도성 접착제가 도포되는 도포 위치(801)를 보여준다.
100: 배터리 모듈
110,120,130,140: 제 1 내지 제 4 배터리 셀
201,202,203: 제 1 내지 제 3 배터리 셀 리드
211,212,213: 제 1 내지 제 3 받침대 기구물
410: 접착 보조 커버
510: 격벽
520: 열선

Claims (9)

  1. 다수의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀(110,120,130,140)의 양단에 형성되는 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들이 전도성 접착층에 의해 연결되며,
    상기 전도성 접착층은 전도성 접착제가 상기 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 일측면상에 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 접착제는 고순도 은을 포함하는 에폭시계 전도성 접착제인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도포에 대한 면적은 수학식 셀 리드 두께 x (셀 리드 폭x0.5) x(셀 리드 길이 x 0.7)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도포는 상기 셀 리드의 중앙을 기준으로 도포되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 다수의 배터리 셀로 이루어지는 배터리 모듈의 조립 방법에 있어서,
    (a) 상기 다수의 배터리 셀(110,120,130,140)의 양단에 형성되는 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 일측면상에 전도성 접착제를 도포하는 단계;
    (b) 상기 다수의 배터리 셀(110,120,130,140)을 적층하는 단계;
    (c) 상기 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 후면에 받침대 기구물(201,202,203)을 삽입하는 단계;
    (d) 상기 다수의 배터리 셀 리드(211,212,213)들의 전면에 접착 보조 커버(410)를 배치하는 단계; 및
    (e) 상기 접착 보조 커버(410)를 통해 도포된 전도성 접착제에 열을 가하여 열경화에 따른 전도성 접착층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 조립 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 상기 열을 가함과 함께 상기 접착 보조 커버(410)에 압착력을 가하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 조립 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 접착 보조 커버(410)의 내표면상에는 경화를 위한 다수의 열선(520)이 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 조립 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 접착 보조 커버(410)의 내표면상에는 압착에 의한 상기 전도성 접착제의 유출을 방지하기 위한 격벽(510)이 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 조립 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 (e) 단계이후, 열경화에 따른 전도성 접착층이 형성되면 상기 받침대 기구물(201,202,203) 및 상기 접착 보조 커버(410)를 하우징 조립전에 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈의 조립 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102034011B1 (ko) * 2018-12-26 2019-10-18 에이에프더블류 주식회사 부스바 제조방법
KR102034012B1 (ko) * 2019-04-05 2019-10-18 에이에프더블류 주식회사 마찰 교반 용접을 이용한 부스바 제조방법
WO2021107305A1 (ko) * 2019-11-26 2021-06-03 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 모듈

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