KR20190008135A - 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 용접성이 개선된 배터리 모듈을 개시한다. 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 방향으로 적층되고 각각 전극 리드를 구비하며, 상기 전극 리드 간 연결을 통해 상호 전기적으로 연결된 다수의 이차 전지를 구비하는 셀 어셈블리; 및 전기 전도성 재질로 구성되어 상기 이차 전지의 전극 리드와 접촉하여 전기적으로 연결된 하나 이상의 버스바를 포함하고, 적어도 하나의 전극 리드는, 접촉된 다른 전극 리드 및 접촉된 버스바 중 적어도 하나와, 토네이도 형태로 형성된 용접 스팟에 의해 결합 고정될 수 있다.

Description

배터리 모듈{Battery module}
본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기적 연결 구조의 용접성이 향상된 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩 및 자동차에 관한 것이다.
근래에 들어서, 노트북, 스마트폰, 스마트 워치 등과 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 반복적인 충방전이 가능한 고성능 이차 전지에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
현재 상용화된 이차 전지로는 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지, 리튬 이차 전지 등이 있는데, 이 중에서 리튬 이차 전지는 니켈 계열의 이차 전지에 비해 메모리 효과가 거의 일어나지 않아 충 방전이 자유롭고, 자가 방전율이 매우 낮으며 에너지 밀도가 높은 장점으로 각광을 받고 있다.
이러한 리튬 이차 전지는 주로 리튬계 산화물과 탄소재를 각각 양극 활물질과 음극 활물질로 사용한다. 리튬 이차 전지는, 이러한 양극 활물질과 음극 활물질이 각각 도포된 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 전극 조립체와, 전극 조립체를 전해액과 함께 밀봉 수납하는 외장재, 즉 전지 케이스를 구비한다.
일반적으로 리튬 이차 전지는 외장재의 형상에 따라, 전극 조립체가 금속 캔에 내장되어 있는 캔형 이차 전지와 전극 조립체가 알루미늄 라미네이트 시트의 파우치에 내장되어 있는 파우치형 이차 전지로 분류될 수 있다.
최근에는 휴대형 전자기기와 같은 소형 장치뿐 아니라, 자동차나 전력저장장치와 같은 중대형 장치에도 이차 전지가 널리 이용되고 있다. 특히, 탄소 에너지가 점차 고갈되고 환경에 대한 관심이 높아지면서, 미국, 유럽, 일본, 한국을 비롯하여 전 세계적으로 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 세간의 이목이 집중되고 있다. 이러한 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 가장 핵심적 부품은 차량 모터로 구동력을 부여하는 배터리 팩이다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리 팩의 충방전을 통해 차량의 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 엔진만을 이용하는 자동차에 비해 연비가 뛰어나고 공해 물질을 배출하지 않거나 감소시킬 수 있다는 점에서 사용자들이 점차 크게 늘어나고 있는 실정이다.
대부분의 배터리 팩, 특히 하이브리드 자동차나 전기 자동차, ESS(Energy Storage System)와 같은 중대형 배터리 팩에는 다수의 이차 전지가 포함되며, 이러한 다수의 이차 전지들은 서로 직렬 및/또는 병렬로 연결되어, 용량 및 출력이 향상되도록 한다. 더욱이, 중대형 배터리 팩에는 적층이 용이하고 무게가 가벼우며 많은 개수를 포함시킬 수 있다는 등의 장점으로 인해 파우치형 이차 전지가 많이 이용된다.
이와 같은 파우치형 이차 전지에 있어서, 이차 전지 사이의 전기적 연결은 전극 리드를 서로 직접 접촉시키는 방식으로 구성되는 경우가 많다. 이때, 이차 전지를 병렬로 연결시키기 위해서는 동일 극성의 전극 리드를 서로 연결시키고 직렬로 연결시키기 위해서는 다른 극성의 전극 리드를 서로 연결시킨다.
또한, 이차 전지의 전기적 연결 및/또는 전압 센싱 등을 위해, 버스바가 전극 리드, 특히 둘 이상의 전극 리드와 접합될 수 있다. 이때, 전극 리드와 버스바의 접합 연결은 용접 방식으로 이루어지는 경우가 많다.
도 1은, 종래 배터리 모듈에서 전극 리드와 버스바가 서로 용접된 구성을 개략적으로 나타내는 부분 사시도이다. 그리고, 도 2는, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성으로서, 용접된 부분을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 배터리 모듈에서 2개의 전극 리드(10)와 1개의 버스바(20)가 서로 용접될 때, 용접은, A2로 표시된 바와 같이, 주로 직선 형태로 이루어지는 경우가 많다. 그리고, 이때 용접 라인의 길이 방향은 전극 리드의 폭 방향으로 이루어진다.
그런데, 이러한 종래의 전극 리드(10)와 버스바(20) 사이의 용접 구성에 의하면, 용접성이 떨어진다는 문제가 있다. 특히, 이러한 용접은 주로 레이저 용접 방식으로 이루어지는 경우가 많은데, 용접부는 레이저에 의해 매우 경화되어 있어, 충격이나 진동에 취약할 수 있다.
더욱이, 이러한 종래의 용접 구성에 의하면, 용접부 내부에 기공이나 크랙이 발생 시, 외부 진동이나 충격에 의해 크랙의 성장이 매우 빠르게 일어날 수 있다. 예를 들어, 도 1의 A3 지점에서 크랙이 발생한 경우, 이러한 크랙은 진동이나 충격에 의해, 화살표 A4 방향, 즉 용접 라인의 길이 방향을 따라, 빠르게 확대될 수 있다.
특히, 외력이 인가되는 방향은 용접 라인과 직각을 이루는 방향(도 1의 좌우 방향)일 수 있는데, 이 경우 외력이 인가되는 방향으로는 용접부의 단면적이 좁아 낮은 인장력에서도 용접 대상이 서로 박리될 우려가 있다. 더욱이, 종래의 직선 용접 구성에 의하면, 용접 라인의 단부에서부터 크랙이 시작되는 경우가 많다. 그리고, 이러한 크랙은 용접 라인을 따라 계속해서 성장해나갈 우려가 있다.
뿐만 아니라, 이러한 종래의 직선 형태 용접 구성에 의하면, 어느 일단의 용접 강도가 떨어질 수 있다. 예를 들어, 도 1의 구성에서, 레이저가 용접 라인의 일단에서 시작하여 타단까지 연속하여 조사되는 형태로 용접이 이루어질 수 있는데, 용접이 시작되는 부분에서는 전극 리드에 충분한 열이 전달되지 못해 용접 강도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
이처럼, 종래 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 용접 구성에 의하면, 용접성이 떨어지며, 특히 진동이나 충격에 취약한 문제가 있다. 더욱이, 배터리 모듈이 자동차에 적용된 경우, 크고 많은 진동이나 충격에 노출될 수 있으므로, 이러한 전극 리드 및/또는 버스바의 연결을 위한 용접성이 안정적으로 확보될 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 용접성이 개선된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩과 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 적어도 일 방향으로 적층되고 각각 전극 리드를 구비하며, 상기 전극 리드 간 연결을 통해 상호 전기적으로 연결된 다수의 이차 전지를 구비하는 셀 어셈블리; 및 전기 전도성 재질로 구성되어 상기 이차 전지의 전극 리드와 접촉하여 전기적으로 연결된 하나 이상의 버스바를 포함하고, 적어도 하나의 전극 리드는, 접촉된 다른 전극 리드 및 접촉된 버스바 중 적어도 하나와, 토네이도 형태로 형성된 용접 스팟에 의해 결합 고정될 수 있다.
여기서, 상기 용접 스팟은, 나선 형태의 복수의 용접 라인을 구비하는 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 용접 스팟은, 상기 복수의 용접 라인이 서로 동일한 회전 방향을 가지며, 하나의 용접 라인의 적어도 일부가 다른 용접 라인 사이에 삽입된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 용접 스팟은, 복수의 용접 라인의 각 내측 단부를 연결하는 직선 및 각 외측 단부를 연결하는 직선이 서로 평행하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 용접 스팟은, 복수의 용접 라인의 내측 단부가 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 용접 스팟은, 하나의 전극 리드에 대하여 다수 구비될 수 있다.
또한, 하나의 전극 리드에 구비된 다수의 용접 스팟은, 외측 단부가 하나의 직선 상에 위치하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 용접 스팟은, 상호 적층된 다수의 전극 리드 및 1개의 버스바를 용접하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 전극 리드는, 내측 방향으로 오목하게 형성된 오목부를 구비하고, 상기 용접 스팟은, 적어도 일부가 상기 오목부에 위치하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함한다.
본 발명에 의하면, 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 용접성이 좋아지고 용접 강도가 향상될 수 있다.
특히, 본 발명의 일 측면에 의하면, 길이 방향으로 전극 리드가 서로 결합되어 용접된 구성에 있어서, 전극 리드의 길이 방향으로 힘이 작용하는 경우, 이러한 힘이 작용하는 방향으로 용접 면적이 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이러한 측면에 의하면, 전극 리드 간 및/또는 전극 리드와 버스바 간 연결 부분에 대한 인장 강도가 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의하면, 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 접합면에서 용접 면적이 증가되어, 용접 부분의 인장 강도가 향상될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 측면에 의하면, 용접 라인의 소정 지점에서 크랙이 발생하더라도, 크랙이 크게 성장하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 배터리 모듈이 전기 자동차와 같이 충격이나 진동에 자주 노출되는 장치에 적용되더라도, 전기적 연결 구조의 용접 상태가 안정적으로 유지될 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 종래 배터리 모듈에서 전극 리드와 버스바가 서로 용접된 구성을 개략적으로 나타내는 부분 사시도이다.
도 2는, 도 1의 A1-A1'선에 대한 단면 구성으로서, 용접된 부분을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 정면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 5는, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 전극 리드에 적용된 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 토네이도 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 토네이도 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 전극 리드에 구비된 다수의 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 전극 리드와 버스바 사이의 용접 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 리드와 버스바의 용접 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 13은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 리드와 버스바의 용접 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 15는, 본 발명의 여러 실시예 및 비교예 샘플에 대한 인장 강도 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 리드의 용접 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 17은, 본 발명의 여러 다른 실시예에 대한 인장 강도 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 18은, 본 발명의 일 실시예에 대한 인장 강도 측정에 따른 박리 여부를 촬영한 이미지이다.
도 19는, 본 발명의 다른 실시예에 대한 인장 강도 측정에 따른 박리 여부를 촬영한 이미지이다.
도 20은, 본 발명의 여러 실시예 및 비교예 샘플에 대하여 적용된 전극 리드와 버스바 사이의 간격을 나타내는 도면이다.
도 21은, 도 20의 여러 실시예 및 비교예 샘플에 대하여 육안으로 관측된 결함 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 22는, 도 20의 여러 실시예 및 비교예 샘플에 대한 인장 강도 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 23은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 전극 리드에 구비된 다수의 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 또한, 도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 구성을 정면에서 바라본 형태의 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100) 및 버스바(200)를 포함할 수 있다.
상기 셀 어셈블리(100)는, 다수의 이차 전지(110)를 구비할 수 있다. 특히, 셀 어셈블리(100)에는 이차 전지(110)로서 파우치형 이차 전지가 복수 개 포함될 수 있다. 이러한 파우치형 이차 전지(110)는, 전극 조립체, 전해질 및 파우치 외장재를 구비할 수 있다.
여기서, 전극 조립체는, 하나 이상의 양극판 및 하나 이상의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 배치된 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 조립체는, 하나의 양극판과 하나의 음극판이 세퍼레이터와 함께 권취된 권취형, 및 다수의 양극판과 다수의 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 교대로 적층된 스택형 등으로 구분될 수 있다.
또한, 파우치 외장재는, 외부 절연층, 금속층 및 내부 접착층을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 이러한 파우치 외장재는, 전극 조립체와 전해액 등 내부 구성요소를 보호하고, 전극 조립체와 전해액에 의한 전기 화학적 성질에 대한 보완 및 방열성 등을 제고하기 위하여 금속 박막(금속층), 이를테면 알루미늄 박막이 포함된 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 알루미늄 박막은, 전극 조립체 및 전해액과 같은 이차 전지(110) 내부의 구성요소나 이차 전지(110) 외부의 다른 구성 요소와의 전기적 절연성을 확보하기 위해, 절연물질로 형성된 절연층(외부 절연층, 내부 접착층) 사이에 개재될 수 있다.
특히, 파우치 외장재는, 2개의 파우치로 구성될 수 있으며, 그 중 적어도 하나에는 오목한 형태의 내부 공간이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 파우치의 내부 공간에는 전극 조립체가 수납될 수 있다. 이때, 2개의 파우치의 외주면에는 실링부가 구비되어 이러한 실링부가 서로 융착됨으로써, 전극 조립체가 수용된 내부 공간이 밀폐되도록 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈에는, 본원발명의 출원 시점에 공지된 다양한 형태의 파우치형 이차 전지가 채용될 수 있다. 따라서, 상기 셀 어셈블리(100)에 구비되는 이차 전지(110)의 내부 구성에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다.
다수의 파우치형 이차 전지(110)는, 적어도 일 방향, 이를테면 도면에 도시된 바와 같이 좌우 방향(도면의 Y축 방향)으로 적층될 수 있다. 이때, 각각의 파우치형 이차 전지(110)는, 지면(도면의 X-Y 평면)에 대하여 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 세워진 형태, 즉 넓은 면이 좌우 측을 향하고 실링부가 상하 및 전후 측에 위치하도록 구성될 수 있다. 또한, 이 경우, 각각의 이차 전지(110)는, 넓은 면이 서로 대면되도록 배치될 수 있다.
한편, 본 명세서에서는, 특별한 설명이 없는 한, 도 3의 구성에서 전극 리드(111)가 보이는 측을 배터리 모듈의 전면이라 하고, 이러한 전면을 바라보는 관점에서, 상, 하, 좌, 우, 전, 후 등의 방향을 정의하도록 한다.
상기 셀 어셈블리(100)에 구비된 각각의 이차 전지(110)는, 전극 리드(111)를 구비할 수 있다. 이러한 전극 리드(111)에는 양극 리드 및 음극 리드가 포함되며, 이차 전지(110)의 전극 단자로서 기능할 수 있다. 더욱이, 파우치형 이차 전지(110)에서, 전극 리드(111)는 판상으로 구성되어 파우치 외장재 외부로 돌출될 수 있다. 본 발명에 따른 배터리 모듈에서, 각 이차 전지(110)의 전극 리드는, 셀 어셈블리(100)의 전단부 및 후단부 중 적어도 일측에서, 셀 어셈블리(100)의 전방(도면의 -X축 방향) 또는 후방(도면의 +X축 방향)으로 돌출되도록 구성될 수 있다. 상기 전극 리드(111)는, 전지의 단자로서 기능하기 위해, 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 전극 리드(111)는, 다양한 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극 리드(111)는, 0.1mm 내지 1mm의 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 전극 리드(111)는, 0.2mm 내지 0.6mm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 전극 리드(111)는, 다양한 폭을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전극 리드(111)는, 20mm 내지 60mm의 폭을 갖도록 구성될 수 있다. 다만, 이러한 전극 리드(111)의 두께나 폭은 전지 또는 배터리 팩의 사양이나 종류 등에 따라 다양하게 구성될 수 있음은 물론이다.
셀 어셈블리(100) 내에서 상기 이차 전지(110)는, 전극 리드(111)가 서로 연결되어 상호 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 복수의 이차 전지는, 전극 리드가 서로 직접 접촉함으로써 상호 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 다른 예로, 복수의 이차 전지는, 버스바(200)를 통해 전극 리드가 서로 간접적으로 연결됨으로써 상호 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
상기 버스바(200)는, 이차 전지의 전극 리드와 접촉되어 이차 전지의 전극 리드와 전기적으로 연결될 수 있다. 특히, 상기 버스바(200)는, 둘 이상의 전극 리드와 함께 연결됨으로써, 전극 리드 사이를 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 상기 버스바(200)는, 적어도 하나의 전극 리드와 직접 접촉하여 연결됨으로써, 접촉된 전극 리드 측에서의 전기적 특성을 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 버스바(200)는 하나 이상의 이차 전지에 대하여 양단 전압을 센싱할 수 있다.
이처럼, 상기 버스바(200)는, 이차 전지의 전극 리드(111)와 전기적으로 연결되기 위해, 전기 전도성 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 버스바(200)는, 구리나 알루미늄과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 버스바(200)는, 전극 리드(111)와 유사하게 플레이트 형태(판상) 또는 막대 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상기 버스바(200)는, 전극 리드(111)보다 두꺼운 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 버스바(200)는, 0.3mm 내지 4mm의 두께를 갖도록 구성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 이러한 버스바(200)의 두께를 전극 리드(111)와 비교하여 살펴보면, 전극 리드(111)의 두께가 0.2mm 내지 0.4mm일 때, 버스바(200)의 두께는 0.6mm 내지 3mm의 두께를 가질 수 있다. 다만, 이러한 버스바의 두께는 전지나 배터리 팩의 사양 내지 종류 등에 따라 다양하게 구성될 수 있으며, 본 발명이 이러한 버스바의 특정 두께로 한정되는 것은 아니다.
상기 설명한 바와 같이, 셀 어셈블리(100)의 각 이차 전지(110)에 구비된 전극 리드(111)는, 버스바(200)와 결합 고정될 수 있다. 또한, 셀 어셈블리(100)에 구비된 이차 전지의 전극 리드(111)는, 다른 전극 리드(111), 즉 셀 어셈블리(100)에 구비된 다른 이차 전지의 전극 리드(111)와 결합 고정될 수 있다. 이 경우, 전극 리드(111)와 버스바(200) 사이 및/또는 전극 리드(111)와 전극 리드(111) 사이는, 용접에 의해 서로 결합 고정될 수 있다. 그리고 이때의 용접은, 레이저가 조사되어 피용접물이 용접되는 레이저 용접 방식으로 수행될 수 있다. 즉, 전극 리드(111)와 전극 리드(111) 사이 및/또는 전극 리드(111)와 버스바(200) 사이는, 레이저 용접된 형태로 구성될 수 있다.
셀 어셈블리(100)에 구비된 여러 이차 전지의 전극 리드(111)는, 다른 전극 리드(111)와 접촉되거나 버스바(200)와 접촉될 수 있다. 이때, 셀 어셈블리(100)에 구비된 복수의 전극 리드 중 적어도 하나의 전극 리드(111)는, 접촉된 다른 전극 리드(111) 및 접촉된 버스바(200) 중 적어도 하나와 토네이도 형태로 형성된 용접 스팟(W)에 의해 서로 결합 고정될 수 있다.
예를 들어, 둘 이상의 전극 리드(111)가 서로 대면 접촉된 형태로 적층된 경우, 서로 접촉된 전극 리드(111)는, 용접 스팟(W)에 의해 서로 결합 고정될 수 있다. 또한, 하나 이상의 전극 리드(111)가 버스바(200)와 대면 접촉된 형태로 적층된 경우, 전극 리드(111)와 버스바(200)는, 용접 스팟(W)에 의해 서로 결합 고정될 수 있다. 특히, 이때의 용접 스팟(W)은 토네이도 형태로 형성될 수 있다. 이러한 토네이도 형태의 용접 스팟(W) 구성은, 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 전극 리드에 적용된 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 5는, 도 4의 B1 부분을 확대하여 나타낸 도면이라 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 전극 리드에 적용된 용접 스팟(W)은, 용접 라인이 토네이도 형태로 구성될 수 있다. 여기서, 용접 라인은, 소정 출력 이상의 에너지를 갖는 레이저가 조사된 경로로서, 피용접물은 이러한 용접 라인을 중심으로 상호 용접될 수 있다. 특히, 본 발명에 있어서, 용접 라인은 일직선이 아닌 곡선 형태로 형성될 수 있으며, 더욱이, 이러한 곡선은 회오리 형태로 형성될 수 있다. 즉, 용접 라인은, 적어도 일부분이, 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하면서, 용접 스팟(W)의 외측부에서 중앙부를 향해 나아가는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 용접 라인은, 직경이 점점 작아지는 원을 그리는 형태로 구성된다고 할 수도 있다. 여기서, 용접 라인은, 외측에서 내측(중심부) 방향, 또는 내측에서 외측 방향으로 레이저 조사 경로가 이동하는 형태로 형성될 수 있다.
이처럼, 전극 리드와 전극 리드 사이, 및/또는 전극 리드와 버스바 사이를 용접시키는 용접 스팟(W)은, 토네이도 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 용접 구성에 의하면, 피용접물, 즉 전극 리드와 전극 리드 사이, 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 용접 강도가 개선될 수 있다. 특히, 이러한 토네이도 형태의 용접 스팟(W) 구성에 의하면, 외력이 어느 방향으로 인가되더라도, 용접 부분이 균일하고 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 여러 방향에서의 진동이나 충격에도 용접 부분이 안정적으로 유지될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 배터리 모듈에 있어서, 전극 리드(111) 및/또는 버스바(200)에 적용된 용접 스팟(W)은, 나선 형태로 형성된 용접 라인을 복수 구비하는 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바를 참조하면, 하나의 용접 스팟(W)은, 2개의 용접 라인, 즉 W1으로 표시된 제1 용접 라인 및 W2로 표시된 제2 용접 라인을 구비하는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 제1 용접 라인(W1)과 제2 용접 라인(W2)은, 서로 다른 외측 단부를 가질 수 있다. 즉 도 5에 도시된 바와 같이, o1으로 표시된 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)와, o2로 표시된 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부는, 각각 별도로 형성되어 서로 다른 위치에 위치할 수 있다.
이 경우, 서로 다른 복수의 나선, 이를테면 2개의 나선이 하나의 토네이도, 즉 하나의 용접 스팟을 형성하도록 구성되어 있다고 할 수 있다.
이처럼, 2개의 용접 라인, 즉 2개의 나선이 하나의 토네이도를 형성하는 형태로 구성될 때, 각 나선의 내측 단부는 서로 다른 위치에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 용접 스팟(W)의 중심부에는 제1 용접 라인(W1)의 내측 단부(i1)와 제2 용접 라인(W2)의 내측 단부(i2)가 위치할 수 있으며, 이때 2개의 내측 단부(i1, i2)는 서로 분리된 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 용접 라인(W1)과 제2 용접 라인(W2)은, 서로 연결된 부분 없이 분리된 형태로 구성되어 있다고 할 수 있다.
여기서, 상기 용접 스팟(W)은, 이를 구성하는 복수의 용접 라인이 서로 동일한 회전 방향을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 구성에서, 2개의 용접 라인, 즉 제1 용접 라인(W1)과 제2 용접 라인(W2)은 모두, 외측에서 내측 방향이 시계 방향이 되도록 회전하는 형태로 구성될 수 있다.
그리고, 이때, 하나의 용접 라인의 적어도 일부는, 다른 용접 라인 사이에 삽입된 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5의 구성에서, 제1 용접 라인(W1)은, 제2 용접 라인(W2) 사이에 일부분이 삽입된 형태로 구성될 수 있다.
이처럼, 나선 형태의 복수의 용접 라인이 하나의 용접 스팟(W), 즉 하나의 토네이도를 형성하는 형태로 이루어진 용접 구성에 의하면, 나선 형태로 이루어진 하나의 용접 라인이 하나의 용접 스팟을 형성하는 형태로 이루어진 용접 구성에 비해 용접 성능이 더욱 향상될 수 있다.
예를 들어, 도 5의 구성에서 제2 용접 라인(W2) 없이 제1 용접 라인(W1) 만으로 용접 스팟이 구성된 경우, 용접 방향에 따라, 용접 스팟의 외측부 또는 내측부의 용접 강도가 다소 떨어질 수 있다. 이를테면, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)에서 내측 단부(i1) 방향으로 레이저 조사 경로가 형성된다면, 제1 용접 라인(W1)에서 레이저가 처음 조사되는 외측 단부(o1) 부근에서는 레이저에 의한 열이 전극 리드나 버스바 측으로 충분히 전달되지 못할 수 있다. 따라서, 이러한 외측 단부(o1) 부근에서는 용접 깊이가 충분히 형성되지 못해 내측 단부(i1)에 비해 용접 강도가 떨어질 수 있다.
하지만, 도 5의 구성에 도시된 바와 같이, 복수의 용접 라인, 즉 제1 용접 라인(W1)과 함께 제2 용접 라인(W2)이 하나의 용접 스팟을 구성하는 경우, 이러한 용접 스팟의 외측부 또는 내측부에서 용접 강도가 떨어지는 것을 방지하거나 감소하여, 용접성을 보다 향상시킬 수 있다.
즉, 도 5의 구성에서, 제1 용접 라인(W1)의 형성을 위해, 먼저 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)에서 내측 단부(i1)방향으로 레이저가 조사되는 경우, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1) 부근의 용접 강도가 다소 저하될 수 있다. 하지만, 제2 용접 라인(W2)의 형성을 위해, 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부(o2)에 레이저가 조사될 때에는, 이미 제1 용접 라인(W1)의 형성 단계에서 전극 리드에 충분한 열이 가해진 상태이므로, 레이저 용접이 충분한 깊이로 형성될 수 있다. 다시 말해, 제2 용접 라인(W2) 형성 시, 제1 용접 라인(W1)에 의해 전극 리드가 이미 예열된 상태이므로, 제2 용접 라인(W2)에 의한 용접이 잘 이루어질 수 있다. 따라서, 용접 스팟(W) 전체적으로는, 내측 단부는 물론이고, 외측 단부에서도 용접 강도가 충분히 확보될 수 있다.
한편, 토네이도 형태로 구성된 용접 스팟(W)에 있어서, 각 용접 라인의 간격, 용접 스팟의 직경, 나선의 회전 수, 내측 단부 간 거리 등은, 다양한 상황, 이를테면 전극 리드나 버스바의 크기, 두께 또는 재질, 용접 스팟의 개수나 형태 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
예를 들어, 토네이도를 구성하는 용접 라인의 간격은, 0.002 mm 내지 0.006 mm로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 용접 라인(W1)과 제2 용접 라인(W2) 사이의 간격은 0.003mm 내지 0.004mm로 구성될 수 있다.
다른 예로, 용접 스팟의 직경, 이를테면 토네이도의 최대 폭은, 1.5mm 내지 3mm로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5의 구성에서, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)와 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부(o2) 사이의 거리는 2.0mm 내지 2.5mm로 구성될 수 있다.
또 다른 예로, 하나의 토네이도에서 내측 단부 간 거리는, 0.15 mm 내지 0.25mm로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5의 구성에서, 제1 용접 라인(W1)의 내측 단부(i1)와 제2 용접 라인(W2)의 내측 단부(i2) 사이의 거리는 0.2mm로 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 내측 단부 부근에서 과용접으로 인해 용접부에 크랙이 생성되거나 약용접으로 인해 용접력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 여러 설정 파라미터에 대하여, 적어도 일부 파라미터는 다른 파라미터의 설정값에 의존하는 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 하나의 용접 스팟을 구성하는 토네이도의 직경이 2.5mm인 경우, 용접 라인의 간격은 0.0035mm 이상 0.0045mm 이하일 수 있다. 이를테면, 이때 용접 라인의 간격은, 0.004mm가 적합할 수 있다. 만일, 이러한 직경을 갖는 토네이도 구성에서, 용접 라인의 간격이 0.003mm인 경우 과용접으로 인한 용접강도 저하 현상이 발생할 수 있다. 반대로, 이러한 직경을 갖는 토네이도 구성에서, 용접 라인의 간격이 0.005mm인 경우, 약용접 현상이 발생할 수 있다.
반면, 하나의 용접 스팟을 구성하는 토네이도의 직경이 2.0mm인 경우, 용접 라인의 간격은 0.0025mm 이상 0.0035mm 이하일 수 있다. 이를테면, 이때 용접 라인의 간격은, 0.003mm가 적합할 수 있다. 만일, 이러한 직경을 갖는 토네이도 구성에서, 용접 라인의 간격이 0.004mm인 경우 약용접으로 인한 버스바 비용접 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 이러한 직경을 갖는 토네이도 구성에서, 용접 라인의 간격이 0.002mm인 경우, 과용접 현상으로 용접 강도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 도 5를 비롯한, 이하의 여러 도면에서는, 제1 용접 라인(W1)과 제2 용접 라인(W2)을 구분하기 위해 두 라인의 두께를 다르게 표시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 두 라인의 용접 두께가 달라야 함을 의미하는 것은 아니다.
또한, 나선 형태의 복수의 용접 라인이 하나의 용접 스팟(W)을 구성하는 형태에서, 복수의 용접 라인의 각 외측 단부, 즉 복수의 외측 단부는, 하나의 중심선을 기준으로 서로 반대편에 위치하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 5의 구성을 참조하면, 용접 스팟(W)의 중심점(p)을 기준으로, 용접 스팟을 4개의 사분면으로 구분할 수 있다. 여기서, 용접 스팟(W)의 중심점(p)은, 용접 스팟(W)의 중앙에 위치한 점으로서, 이를테면 2개의 용접 라인의 외측 단부인 o1과 o2 사이의 거리를 지름으로 하고 o1 및 o2를 지나는 원의 중심점이라 할 수 있다. 그리고, 도 5의 c11 및 c12로 표시된 바와 같이, 용접 스팟(W)의 중심점(p)을 지나면서, 서로 직교하는 2개의 직선이 그려질 수 있다. 이를테면, 도 5의 Y축에 평행하면서 중심점 p를 지나는 직선이 c11, 도 5의 Z축에 평행하면서 중심점 p를 지나는 직선이 c12일 수 있다. 그러면, 이러한 2개의 직선(c11, c12)에 의해 구분되는 4개의 영역이 곧 서로 다른 사분면이라 할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5에 도시된 바를 살펴보면, 2개의 직선(c11, c12)에 의해 우측 상단에 위치하는 영역을 제1 사분면(Q1), 좌측 상단에 위치하는 영역을 제2 사분면(Q2), 좌측 하단에 위치하는 영역을 제3 사분면(Q3), 그리고 우측 하단에 위치하는 영역을 제4 사분면(Q4)이라 할 수 있다.
이와 같이, 용접 스팟(W)이 4개의 사분면으로 분할될 때, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)와 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부(o2)는, 서로 다른 사분면에 위치하도록 구성될 수 있다. 특히, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)와 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부(o2)는, 인접하지 않고 서로 반대되는 사분면에 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)가 제3 사분면(Q3)에 위치하는 경우, 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부(o2)는 제3 사분면과 인접하지 않으면서 서로 반대 측에 위치하는 제1 사분면(Q1)에 위치하도록 구성될 수 있다. 만일, 2개의 용접 라인(W1, W2)의 외측 단부 중 어느 하나, 이를테면 o1이 직선 c12에 위치하는 경우, 다른 하나의 외측 단부, 이를테면 o2 역시 직선 c12 상에 위치할 수도 있다. 다만, 이 경우, 2개의 외측 단부인 o1과 o2는 직선 c11을 기준으로 서로 반대되는 측에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 토네이도 형태의 용접 스팟(W)의 용접 강도를 보다 향상시킬 수 있다. 특히, 하나 이상의 용접 라인의 단부 부근에서 발생할 수 있는 피로도(fatigue)가 특정 부분에 집중되지 않고 분산되도록 함으로써 용접 성능이 더욱 향상되도록 할 수 있다.
또한, 상기 용접 스팟(W)은, 복수의 용접 라인의 각 내측 단부를 연결하는 직선 및 각 외측 단부를 연결하는 직선이 서로 평행하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 토네이도 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 6은, 도 4의 B1 부분에 적용될 수 있는 다른 실시 구성이라 할 수 있다. 이하에서는, 앞선 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 차이점이 있는 부분을 위주로 설명한다. 그리고, 이러한 설명 방식은, 이하의 다른 여러 실시예에 대해서도 마찬가지라 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부(o1)와 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부(o2)를 연결하는 직선은 c2라 할 수 있다. 또한, 제1 용접 라인(W1)의 내측 단부(i1)와 제2 용접 라인(W2)의 내측 단부(i2)를 연결하는 직선 역시 c2라 할 수 있다. 즉, 복수의 용접 라인의 외측 단부(o1, o2)를 연결하는 직선과 복수의 용접 라인의 내측 단부(i1, i2)를 연결하는 직선이 이루는 각도는 0으로서, 양 직선이 서로 평행한 형태로 구성될 수 있다. 더 나아가, 복수의 용접 라인에 대해 외측 단부(o1, o2)를 연결하는 직선과 내측 단부(i1, i2)를 연결하는 직선은 동일한 하나의 직선(c2)일 수 있다. 즉, 복수의 용접 라인의 외측 단부와 내측 단부는 모두 하나의 직선상에 위치하도록 토네이도가 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 용접 성능이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 이러한 토네이도 용접 스팟(W)의 외측 단부와 내측 단부 사이를 연결하는 직선이 인장이 진행되는 방향에서 수직으로 형성되는 경우, 단부의 피로도가 저하될 수 있다. 예를 들어, 도 6의 구성에서, 인장이 주로 좌우 방향으로 형성되는 상황에서, 용접 스팟(W)의 외측 단부와 내측 단부 사이를 연결하는 직선이 모두 상하 방향으로 형성되는 경우, 용접 라인의 단부로 가해지는 스트레스가 완화될 수 있다.
한편, 상기 실시예와 같이, 다수의 용접 라인, 이를테면 2개의 용접 라인에 의해 1개의 토네이도가 형성되도록 용접 스팟(W)이 구성되는 경우, 각 용접 라인은, 외측 단부에서 내측 단부 방향으로 레이저 조사 경로가 이동하거나, 내측 단부에서 외측 단부 방향으로 레이저 조사 경로가 이동함으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 구성에서, 제1 용접 라인(W1) 및 제2 용접 라인(W2)은 외측 단부에서 내측 단부 방향으로, 또는 내측 단부에서 외측 단부 방향으로 레이저가 조사되는 형태로 형성될 수 있다.
특히, 상대적으로 먼저 형성되는 용접 라인은 외측 단부에서 내측 단부 방향으로 레이저가 조사된 형태로 구성되고, 상대적으로 늦게 형성되는 용접 라인은 내측 단부에서 외측 단부 방향으로 레이저가 조사된 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 구성에서, 제1 용접 라인(W1)이 제2 용접 라인(W2)보다 먼저 형성된다면, 제1 용접 라인(W1)은, 화살표 d1으로 표시된 바와 같이, 외측 단부(o1)에서 내측 단부(i1) 방향으로 레이저 조사 경로가 이동되는 형태로 구성될 수 있다. 그리고, 제2 용접 라인(W2)은, 화살표 d2로 표시된 바와 같이, 내측 단부(i2)에서 외측 단부(o2) 방향으로 레이저 조사 경로가 이동되는 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 제1 용접 라인(W1)의 형성을 위한 레이저 조사가 끝나는 부분에 인접하여 다시 제2 용접 라인(W2)의 형성을 위한 레이저 조사가 시작되기 때문에, 제1 용접 라인(W1)과 제2 용접 라인(W2)의 형성을 위한 레이저 조사 시간이 단축되고, 공정성이 개선될 수 있다.
또한, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부 부근에서는 전극 리드에 충분한 열이 전달되지 못해 용접 강도가 상대적으로 약해질 수 있으나, 제2 용접 라인(W2) 형성 과정에서 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부(o2) 부근에는 충분한 열이 공급될 수 있으므로, 용접 스팟은 내측에서 외측에 이르기까지 전체적으로 용접 강도가 균일하게 확보될 수 있다. 따라서, 용접 스팟의 용접성이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 상기 용접 스팟은, 복수의 용접 라인의 내측 단부가 서로 연결되도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 토네이도 형태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 7은, 도 4의 B1 부분에 적용될 수 있는 또 다른 실시 구성이라 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 나선 형태로 형성된 2개의 용접 라인(W1, W2)이 구비되어 하나의 토네이도를 형성하되, 2개의 토네이도는, B4로 표시된 부분과 같이, 내측 단부가 서로 연결될 수 있다. 즉, 도 7에서, 제1 용접 라인(W1)과 제2 용접 라인(W2)은 각각 나선 형태로 형성되어, 서로 다른 외측 단부(o1, o2)를 구비하되, 내측 단부는 별도로 분리되지 않고 상호 연결된 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 복수의 용접 라인은 내측 단부를 별도로 구비하지 않는다고 할 수 있다. 따라서, 내측 단부 부근에서 피로도가 생성되어 크랙 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 복수의 용접 라인, 특히 2개의 용접 라인을 형성하는 과정이 연속적으로 이루어질 수 있기 때문에, 용접 공정이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 용접 스팟(W)은, 하나의 전극 리드(111)에 대하여 다수 구비될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부, 즉 전면으로 노출된 전극 리드(111)는, 후방에 위치하여 함께 적층된 다른 전극 리드 및/또는 버스바(200)와 다수의 용접 스팟에 의해 용접될 수 있다. 이때, 다수의 용접 스팟(W)은, 각각 앞서 설명한 바와 같이 토네이도 형태로 구성되며, 상호 간 소정 거리 이격되게 배치될 수 있다.
특히, 하나의 전극 리드에 대하여 다수의 용접 스팟(W)은, 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 다수의 이차 전지가 좌우 방향(도면의 Y축 방향)으로 배치될 때, 각 이차 전지의 전극 리드는, 전후 방향(도면의 X축 방향)으로 적층된 형태로 상호 접촉될 수 있다. 이때, 전극 리드와 전극 리드 사이, 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 접촉 부분은, 장변이 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 형성되고 단변이 좌우 방향(도면의 Y축 방향)으로 형성되는, 대략 직사각형 모양으로 구성될 수 있다. 이 경우, 다수의 용접 스팟은, 이러한 직사각형 모양의 접촉 부분에 있어서, 장변 방향, 다시 말해 상하 방향으로 배열되는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 용접 스팟은, 전극 리드의 전면 노출 부분의 길이 방향을 따라 소정 거리 이격되게 다수 배치되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극 리드와 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 결합력이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 각각의 용접 스팟은 토네이도 형태로 형성되어 그 자체로서 용접성이 우수할 뿐만 아니라, 다수의 용접 스팟이 서로 소정 거리 이격됨으로써 용접성이 더욱 안정적으로 유지될 수 있다. 즉, 다수의 용접 스팟은 서로 분리되어 있기 때문에, 하나의 용접 스팟(W)에서 크랙 등이 발생하더라도, 이러한 크랙은 다른 용접 스팟(W)까지 성장하기 어렵다. 따라서, 전극 리드의 용접 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 더욱이, 배터리 모듈이 진동이나 충격에 자주 노출된다 하더라도, 이러한 진동이나 충격으로 인해 크랙이 계속적으로 성장하는 것을 방지하여, 전극 리드의 전기적 연결 상태에 불량이 발생하는 것을 예방할 수 있다.
또한, 상기 구성에 의하면, 전극 리드 등에 하중이 인가되는 경우, 다수의 용접 스팟으로 인가 하중이 분산됨으로써, 각 용접 스팟의 용접 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 이차 전지가 좌우 방향으로 배열되어 전극 리드 역시 좌우 방향으로 배열되는 구성의 경우, 충격이나 진동 등에 의해 힘이 주로 가해지는 방향은, 전극 리드의 배열 방향인 좌우 방향(도면의 Y축 방향)일 수 있다. 이때, 상기 구성과 같이, 용접 스팟이 하나의 전극 리드에 대하여 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 배치되면, 힘이 가해지는 방향에 대략 직교하는 방향으로 용접 스팟이 다수 배치된다고 할 수 있다. 따라서, 외부 힘에 대한 다수의 용접 스팟의 용접 상태가 보다 안정적으로 유지될 수 있다.
더욱이, 상기 구성에 있어서, 하나의 전극 리드에 구비된 다수의 용접 스팟은, 외측 단부가 하나의 직선 상에 위치하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 전극 리드에 구비된 다수의 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 8은, 도 4의 B2 부분에 대한 확대 구성의 일례라 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 전극 리드에 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 다수, 즉 3개의 용접 스팟(W1)이 서로 소정 거리 이격된 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상대적으로 가장 상부에 위치한 용접 스팟을 제1 용접 스팟(Wa)이라 하고, 하부 방향으로 순차적으로 제2 용접 스팟(Wb) 및 제3 용접 스팟(Wc)이라 할 수 있다. 그리고, 이러한 3개의 용접 스팟은 각각, 2개의 나선, 즉 2개의 용접 라인으로 구성된 토네이도 형태로 구성될 수 있다.
이러한 구성에서, 제1 용접 스팟의 제1 용접 라인(Wa1) 및 제2 용접 라인(Wa2)의 각 외측 단부, 제2 용접 스팟의 제1 용접 라인(Wb1) 및 제2 용접 라인(Wb2)의 각 외측 단부, 제3 용접 스팟의 제1 용접 라인(Wc1) 및 제2 용접 라인(Wc2)의 외측 단부는 모두, c4로 표시된 하나의 직선상에 위치하도록 구성될 수 있다. 즉, 이 경우, 3개의 용접 스팟에 구비된 6개의 외측 단부는, 모두 동일한 직선 상에 위치하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 다수의 용접 스팟에 의한 피용접물의 용접력이 보다 향상될 수 있다. 특히, 상기 실시예와 같이, 이차 전지가 좌우 방향으로 배열되는 구성의 경우, 진동이나 충격에 의한 힘, 즉 인장력은 좌우 방향으로 발생할 수 있다. 이때, 토네이도 형태로 형성된 각 용접 스팟의 외측 단부가 하나의 직선상에 위치하고, 이러한 직선이 이러한 인장력의 방향에 대략 직교하는 방향으로 구성되면, 외측 단부에 형성되는 피로도에 의해 용접력이 약해지는 것을 방지하거나 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 용접 스팟(W)은, 앞서 설명한 바와 같이, 전극 리드와 전극 리드 사이, 및/또는 전극 리드와 버스바 사이를 용접하는 형태로 구성될 수 있다.
특히, 상기 용접 스팟(W)은, 다수의 전극 리드와 1개의 버스바를 함께 용접하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서 전극 리드와 버스바 사이의 용접 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 예를 들어, 도 9는, 도 4의 B3-B3'선에 대한 단면 구성의 일례라 할 수 있다. 다만, 도 9에서는, 설명의 편의를 위해, 전극 리드의 일부와 버스바만 도시되도록 한다.
도 9를 참조하면, 다수의 전극 리드, 즉 2개의 전극 리드(111)가 좌우 방향(도면의 Y축 방향)으로 서로 겹쳐진 상태에서 일부분이 절곡되고, 절곡된 단부가 버스바(200)의 전면(도 9의 상면)에 부착된다. 이 경우, 2개의 전극 리드(111)와 1개의 버스바(200)가 전후 방향(도면의 X축 방향)으로 적층된다고 할 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 상호 적층된 2개의 전극 리드(111)와 1개의 버스바(200)는, 하나 이상의 용접 스팟(W)에 의해 용접될 수 있다. 더욱이, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상호 적층된 2개의 전극 리드(111)와 1개의 버스바(200)는, 다수, 이를테면 6개 내지 8개의 용접 스팟(W)에 의해 상호 용접될 수 있다.
이때, 각 용접 스팟은, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 용접 라인(W1) 및 제2 용접 라인(W2)을 구비할 수 있는데, 2개의 용접 라인은, 각각 나선 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각 용접 스팟은, 도 5 내지 도 8에 도시된 용접 스팟 형태 중 어느 하나의 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 2개의 전극 리드와 버스바가 결합된 구성의 한 단면에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 용접 라인에 의한 용접 부분이 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성에서, 다수의 전극 리드(111)는 서로 동일 재질이고, 버스바(200)는 이러한 전극 리드와 다른 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 9의 실시예에서, 2개의 전극 리드(111)는 알루미늄 재질로 구성되고, 1개의 버스바(200)는 구리 재질로 구성될 수 있다. 특히, 다수의 이차 전지가 전기적으로 병렬로 연결될 때 이와 같은 구성이 구비될 수 있다.
이처럼, 상호 결합 고정되는 전극 리드와 버스바가 서로 다른 재질로 구성될 때, 본 발명과 같이, 토네이도 형태로 구성된 하나 이상의 용접 스팟에 의해 상호 용접되도록 구성되는 것이 좋다. 이 경우, 다수의 전극 리드와 버스바 사이의 용접성이 안정적으로 확보될 수 있다. 다만, 이러한 전극 리드와 버스바의 재질은 전지나 배터리 팩의 종류, 배터리 팩이 적용되는 장치의 특성 등 다양한 요소에 따라 다양한 재질로 구성될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 2개의 전극 리드, 즉 양극 리드와 음극 리드는 서로 다른 재질로 구성될 수 있다. 이 경우, 하나의 전극 리드와 버스바는 서로 동일한 재질로 구성될 수도 있다. 또는, 2개의 전극 리드와 버스바가 모두, 서로 동일한 재질로 구성될 수도 있다.
한편, 도 9에서는 2개의 전극 리드와 1개의 버스바가 상호 적층되어 용접되는 형태로 도시되어 있으나, 이는 일례에 불과할 뿐, 3개 이상의 전극 리드와 1개의 버스바가 상호 적층된 상태에서 용접될 수도 있다. 그리고, 이때에도, 앞서 설명한 바와 같은 토네이도 형태의 용접 스팟이 적용될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 전극 리드는, 내측 방향으로 오목하게 형성된 오목부를 구비하고, 용접 스팟은 이러한 오목부에 적어도 일부가 위치하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 10을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 10은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 리드와 버스바의 용접 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 다만, 도 10에서도, 설명의 편의를 위해, 전극 리드의 일부와 버스바만 도시되도록 한다.
도 10을 참조하면, 2개의 전극 리드(111)가 1개의 버스바(200)를 중심으로 양측에서 접근하여 버스바(200)의 전면(도 10의 상부면)에 적층되어 용접될 수 있다. 이러한 구성에서, 2개의 전극 리드(111)는, 도 10에서 G1으로 표시된 바와 같이, 내측 방향(도 10의 +X축 방향)으로 오목하게 형성된 형태의 오목부를 각각 구비할 수 있다. 여기서, 내측 방향이란, 배터리 모듈 내지 이차 전지의 중심부를 향하는 방향으로서, 전극 리드가 이차 전지 본체에서 돌출되는 방향의 반대 방향이라 할 수 있다. 예를 들어, 도 10을 기준으로, 각 전극 리드(111)는, 상부 방향(도면의 -X축 방향)으로 연장되다가 수평 방향(Y축 방향)으로 절곡된 상태에서 다시 하부 방향으로 절곡된 후, 수평 방향으로 절곡되어 오목부를 형성하고, 단부가 다시 상부 방향으로 절곡되는 형태로 구성될 수 있다.
이 경우, 용접 스팟(W)의 전체 또는 일부는 이러한 전극 리드의 벤딩에 의해 형성된 오목부(G1)에 위치할 수 있다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 용접 스팟(W)은, 2개의 전극 리드(111)에서 오목하게 형성된 부분에 위치할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 전극 리드(111) 사이의 결합력이 보다 향상될 수 있다. 즉, 2개의 전극 리드(111)는 용접 스팟(W)에 의해 상호 고정됨은 물론이고, 오목부(G1) 간 결합으로 기계적 결합 강도가 보다 향상될 수 있다. 즉, 상대적으로 전방(도 10의 상부)에 위치한 전극 리드에 오목부가 형성되면, 해당 전극 리드의 후면 측에서는 볼록부가 형성되어 있다고도 할 수 있다. 그리고, 이러한 볼록부는 그보다 후방에 위치한 전극 리드의 오목부에 삽입될 수 있다. 따라서, 이러한 전극 리드 간 삽입 결합에 의해, 전극 리드 간 결합력은 더욱 향상될 수 있다.
또한, 이러한 오목부(G1)에 의해 용접 스팟(W)에 가해지는 인장력을 줄일 수 있다. 예를 들어, 도 10의 구성에서, 힘이 좌우 방향(도면의 Y축 방향)으로 가해지는 경우, 전극 리드에 형성된 오목부(G1)가, 전극 리드에 가해지는 좌우 방향 힘을 완충할 수 있다. 따라서, 오목부(G1)에 형성된 용접 스팟(W)으로 이러한 힘이 그대로 전달되지 않고 감소되어 전달되도록 할 수 있다.
뿐만 아니라, 이러한 오목부(G1)에 의해 전극 리드 간 결합 위치나 용접 스팟의 위치가 용이하게 파악 및 가이드될 수 있으므로, 전극 리드 간 결합 및 용접 공정이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 여러 실시예에서는, 나선 형태로 구성된 2개의 용접 라인에 의해 하나의 토네이도, 즉 하나의 용접 스팟이 구성되는 형태를 중심으로 설명되었으나, 3개 이상의 용접 라인이 하나의 토네이도를 구성하는 형태로 용접 스팟이 구성될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 하나의 토네이도, 즉 하나의 용접 스팟(W)에 3개의 용접 라인(w1, w2, w3)이 포함되며, 각각의 용접 라인은 외측 단부와 내측 단부가 각각 별도로 구비될 수 있다. 그리고, 3개의 용접 라인(w1, w2, w3)은, 외측 단부에서 내측 단부에 이르는 형태가 각각 나선 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 여러 실시예에서는, 토네이도를 구성하는 각 용접 라인이 외측 단부에서 내측 단부까지 나선 형태로 형성된 구성을 중심으로 설명되었으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다.
도 12는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 하나의 토네이도에 2개의 용접 라인(w1, w2)이 구비되는데, 이때, 각 용접 라인은 전체적으로 완전한 나선이 아닌 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 용접 라인(W1)의 외측 단부 및 제2 용접 라인(W2)의 외측 단부는, e1 및 e2로 표시된 부분과 같이, 절곡된 형태로 구성될 수 있다. 더욱이, 이때, 제1 용접 라인(W1) 및 제2 용접 라인(W2)의 절곡된 말단부는, 직선 형태로 구성될 수 있다.
특히, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 토네이도를 구성하는 용접 라인의 패턴이 일정하지 않고 변화되기 때문에, 크랙의 성장에 대한 억제력이 증대될 수 있다. 또한, 이러한 용접 라인의 절곡 구성을 통해, 용접 라인의 말단부에 가해지는 피로도가 감소될 수 있다.
도 13은, 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 하나의 전극 리드 상에 다수의 용접 스팟(W)이 배열될 때, 토네이도 형태로 구성된 각 용접 스팟은, 용접 스팟의 배열 방향의 폭이 그에 직교하는 방향의 폭보다 짧게 구성될 수 있다. 여기서, 폭이란, 용접 스팟의 최외곽에 위치하는 용접 라인 사이의 거리라 할 수 있다. 특히, 용접 스팟의 폭은, 용접 스팟의 최외곽 용접 라인 사이의 직선 거리 중 최대 거리일 수 있다.
예를 들어, 용접 스팟(W)이 상하 방향(도면의 Z축 방향)으로 둘 이상 배치되는 경우, 각 용접 스팟의 상하 방향 폭의 길이를 f1이라 하고, 각 용접 스팟의 좌우 방향(도면의 Y축 방향) 폭의 길이를 f2라 할 때, 각 용접 스팟의 토네이도는 f1보다 f2가 큰 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 각 용접 스팟은 대략 타원 형태로 구성되어 있다고 할 수 있다.
본 발명의 이러한 구성에 의하면, 폭(도면에서 전극 리드의 Z축 방향 길이)이 짧게 구성된 전극 리드의 경우에도, 가급적 많은 수의 용접 스팟(W)이 포함되도록 하거나, 각 용접 스팟(W) 간 거리를 늘릴 수 있다. 또한, 전극 리드의 접촉 면적에 대하여 가급적 넓은 용접 면적을 확보할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 이러한 구성에 의하면, 용접에 대한 공정성 및 용접 강도가 더욱 개선될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 셀 어셈블리(100) 및 버스바 이외에, 모듈 케이스 등을 더 포함할 수 있다. 여기서, 모듈 케이스는, 내부에 빈 공간이 형성되어, 이러한 빈 공간에 셀 어셈블리(100)와 버스바 등의 여러 구성요소를 수납하도록 구성될 수 있다. 이 밖에도, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 모듈의 여러 구성요소를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 팩은, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩은, 이러한 배터리 모듈 이외에, 배터리 모듈을 수납하기 위한 팩 케이스, 배터리 모듈의 충방전을 제어하기 위한 각종 장치, 이를테면 BMS(Battery Management System), 전류 센서, 퓨즈 등이 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈은, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 같은 자동차에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 자동차는, 본 발명에 따른 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 충격이나 진동에도 전극 리드(111) 및/또는 버스바의 용접에 의한 전기적 연결 상태가 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 이러한 배터리 모듈이 적용된 자동차의 경우, 안전성이 크게 향상될 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
( 실시예 1 내지 3)
도 14에 도시된 바와 같이, 2개의 전극 리드(111), 즉 1개의 양극 리드, 1개의 음극 리드 및 1개의 버스바(200)와 함께 전후 방향으로 상호 적층시킨 상태에서, 미야찌코리아 사의 레이저 용접 장비(FK-F6000-MM-CT)를 이용하여 토네이도 형태의 용접 스팟(W)을 6개 형성함으로써, 2개의 전극 리드와 버스바가 서로 용접된 실시예 샘플을 3개 준비하였다.
이때, 모든 실시예 샘플의 양극 리드는 알루미늄 재질로 구성되어 0.2mm의 두께를 갖고, 음극 리드는 구리 재질로 구성되어 0.2mm의 두께를 가지며, 버스바는 구리 재질로 구성되어 0.6mm의 두께를 갖도록 하였다.
그리고, 각 용접 스팟은, 도 8에 도시된 바와 같은 토네이도 형태로 구성되도록 하였다. 이때, 토네이도의 외경(가장 긴 폭의 길이)은 약 3mm, 토네이도의 개수는 6개, 토네이도 간 간격은 3.4mm, 용접 라인 간 간격은 0.004mm가 되도록 하였다.
또한, 레이저 용접 시, 레이저 출력은 1.5kW이고, 속도는 100 mm/s가 되도록 하였다.
( 비교예 1 내지 3)
상기 실시예 1 내지 3과 동일한 재질 및 형태를 갖는 전극 리드 및 버스바를 이용하여, 실시예 1 내지 3과 동일한 형태로 상호 적층되도록 하였다. 그리고, 이러한 2개의 전극 리드와 버스바 사이가 용접되도록 하였는데, 이때 용접 형태는, 도 1에 도시된 바와 같은 형태로 구성되도록 함으로써, 비교예 1 내지 3 샘플을 준비하였다.
즉, 비교예 1 내지 3의 샘플에서는, 2개의 용접 라인이 전극 리드의 폭 방향으로 길게 형성된 형태로, 2개의 전극 리드와 버스바가 용접되도록 하였다.
이때, 각 용접 라인의 전체 길이는 35mm, 용접 라인 간 간격은 1.2mm가 되도록 하였다.
이러한 비교예 1 내지 3의 샘플에서도, 2개의 전극 리드와 버스바 사이의 용접을 위해 상기 실시예에서와 동일한 미야찌코리아 사의 레이저 용접 장비를 이용하였다. 그리고, 레이저 용접 시 레이저 출력은 1.5kW이고, 속도는 95 mm/s가 되도록 하였다. 또한, 비교예 1 내지 3의 샘플에서 레이저 용접 라인의 길이는, 대략 실시예 1 내지 3의 샘플에서의 레이저 용접 부분의 전체 길이와 대략 유사하도록 하였다.
상기 실시예 및 비교예 샘플 각각에 대하여, Nanotech사의 NA-TS250K 장비를 이용하여 인장 강도를 측정하였다.
측정 방식은, 가장 상부에 적층된 전극 리드의 일부를 커팅 또는 벤딩시킨 후, 중앙에 적층된 전극 리드, 즉 버스바에 접촉하고 있는 전극 리드와 버스바를 서로 반대 방향으로 잡아당겼다. 예를 들어, 도 14의 구성을 참조하면, 중앙에 적층된 우측 전극 리드(111)는 우측 방향으로, 가장 하부에 위치한 버스바(200)는 좌측 방향으로 잡아당겼다. 그리고, 이러한 인장력에 의해 용접부가 파손되는 강도를 측정하였으며, 그 측정 결과는, 도 15에 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3으로서 도시하였다.
도 15를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 샘플의 경우, 인장 강도가 46.484 kgf 내지 48.935 kgf으로서, 인장 강도의 평균이 47.530 kgf으로 측정되었다. 여기서, 모재 강도는 57.270 kgf인데, 이 경우 상기 인장 강도 측정값은 이러한 모재 강도의 약 82.99%에 해당하는 값이다. 반면, 비교예 1 내지 3의 샘플의 경우, 인장 강도가 37.756 kgf 내지 41.972 kgf으로서, 인장 강도의 평균이 40.371 kgf으로 측정되었다. 그리고, 이는 모재 강도가 57.270 kgf일 때, 모재 강도 대비 약 70.49%에 해당하는 값이다.
이러한, 측정 결과를 보면 알 수 있듯이, 본 발명과 같이 토네이도 형태로 형성된 다수의 용접 스팟을 이용하여 하나 이상의 전극 리드와 버스바를 용접하는 경우, 종래의 직선 형태의 용접 구성에 비해, 인장 강도가 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 더욱이, 상기 실시예 샘플에서의 레이저 용접 속도는, 비교예 샘플에서의 레이저 용접 속도보다 빠르게 하였음에도, 실시예 샘플은, 비교예 샘플보다 우수한 인장 강도를 나타내었다.
( 실시예 4 내지 6)
상기 실시예 1 내지 3의 샘플과 전체적인 구성, 특히 용접 구성이 대략 동일하되 전극 리드와 버스바의 재질 및/또는 두께만을 달리하여, 실시예 4 내지 6 샘플을 준비하였다.
즉, 실시예 4 내지 6에서는, 양극 리드와 음극 리드는 모두 알루미늄 재질로 구성되며 0.4mm의 두께를 갖도록 하였다. 그리고, 버스바는, 구리 재질로 구성되며 3.0mm의 두께를 갖도록 하였다.
( 실시예 7 내지 9)
상기 실시예 4 내지 6의 샘플과 전극 리드 및 버스바의 구성은 대략 동일하되, 용접 구성만을 달리하여 실시예 7 내지 9 샘플을 제조하였다.
즉, 2개의 전극 리드와 버스바를 적층하여 6개의 용접 스팟을 형성하되, 각 용접 스팟은, 도 16에 도시된 바와 같이, 나선 형태의 용접 라인을 1개만 갖는 토네이도 형태로 구성되도록 하였다.
이때, 각 용접 스팟의 직경, 개수, 용접 스팟 간 간격, 용접 라인 간 간격은 실시예 4 내지 6, 다시 말해 실시예 1 내지 3과 유사한 형태로 구성하였다.
상기 실시예 4-9 샘플 각각에 대하여, 상기 실시예 1 내지 3에서와 동일한 장비 및 방식으로 인장 강도를 측정하였다. 그리고, 그 측정 결과는, 도 17에 실시예 4 내지 9로서 도시하였다.
도 17을 참조하면, 실시예 4 내지 6의 경우, 모든 샘플의 인장 강도가 대략 134 kgf 내지 137 kgf으로서, 3개의 샘플 모두 유사한 인장 강도 특성을 나타내었다.
반면, 실시예 7 내지 9의 경우, 3개의 샘플 중 1개의 샘플, 즉 실시예 8의 샘플에서는 인장 강도 측정값이 130 kgf 미만으로 떨어지는 결과를 나타내었다.
이러한 측정 결과를 보면, 토네이도 형태에 있어서, 하나의 나선을 구비하는 토네이도 형태로 용접 스팟을 구성하기보다는, 다수의 나선, 특히 2개의 나선을 구비하는 토네이도 형태로 용접 스팟을 구성하는 경우, 용접 강도가 더욱 향상되며, 용접성이 안정적으로 확보됨을 알 수 있다.
이처럼 2개의 용접 라인을 갖는 토네이도 용접 형태와 1개의 용접 라인을 갖는 토네이도 용접 형태의 추가 특성 비교를 위해, 다음과 같은 실험을 더 진행하였다.
( 실시예 10)
상기 실시예 4 내지 6의 샘플과 동일한 형태 및 용접 구성을 갖는 형태로 실시예 10 샘플을 준비하였다.
( 실시예 11)
상기 실시예 7 내지 9의 샘플과 동일한 형태 및 용접 구성을 갖는 형태로 실시예 11 샘플을 준비하였다.
상기 실시예 10 및 11 샘플 각각에 대하여, NA-TS250K 장비를 이용하여, 인장 강도를 측정하는 방식으로 인장 강도를 측정하면서, 그에 따른 박리 여부를 관측하였다. 그리고, 그러한 박리 여부 관측 결과에 대한 사진을 도 18 및 도 19에 나타내었다.
즉, 도 18은 실시예 10에 대한 인장 강도 측정 방식으로 실험을 진행하면서 박리 여부를 촬영한 이미지이고, 도 19는 실시예 11에 대한 인장 강도 측정 방식으로 실험을 진행하면서 박리 여부를 촬영한 이미지이다.
먼저, 도 18을 참조하면, 인장 강도 테스트를 진행한 결과, 실시예 10의 모든 용접 스팟에 걸쳐 모재 자체가 파단될 뿐, 용접 부분이 박리되는 결과는 관찰되지 않았다.
반면, 도 19를 참조하면, 인장 강도 테스트를 진행한 결과, 실시예 11의 다수 용접 스팟 중 일부(2개) 용접 스팟 부분에서 용접 부분이 박리되는 결과가 관찰되었다. 즉, 도 19에서 H로 표시된 부분과 같이, 실시예 11에 의한 용접 구성에서는, 일부 용접 스팟 부분에서 모재가 파손되지 않고 용접 부분이 박리되는 결과가 확인되었다.
상기와 같은 테스트 결과에 의하면, 각 용접 스팟이 나선 형태의 다수의 용접 라인, 즉 2개의 나선형 용접 라인을 구비하는 경우, 1개의 나선형 용접 라인을 구비하는 경우에 비해, 용접 부분이 쉽게 박리되지 않고, 보다 강한 강도로 용접이 더 잘 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 2개 이상의 나선형 용접 라인을 구비하여 토네이도가 형성된 용접 스팟의 경우, 용접에 대한 신뢰성이 보다 향상됨을 알 수 있다.
한편, 배터리 모듈의 양산 과정에서 하나 이상의 전극 리드와 버스바를 서로 겹쳐서 용접을 수행하는 경우, 전극 리드와 버스바 사이에 어느 정도 간격(Gap)이 생길 수 있는데, 이러한 간격이 양산성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 이러한 Gap 발생에 따른 용접 불량과 관련하여, 본원발명의 효과를 살펴보기 위해 다음과 같은 실험을 실시하였다.
(실시예 12 내지 26)
상기 실시예 1 내지 3의 샘플과 전체적인 구성, 특히 용접 구성이 대략 동일하도록 구성하되 전극 리드와 버스바의 재질 및/또는 두께를 달리하여, 실시예 12 내지 26 샘플을 준비하였다.
즉, 실시예 12 내지 26에서는, 양극 리드의 경우 알루미늄 재질로서 0.4mm의 두께를 갖도록 하였고, 음극 리드의 경우 구리 재질로서 0.2mm의 두께를 갖도록 하였다. 또한, 버스바는 구리 재질로서 3mm의 두께를 갖도록 하였다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같은 토네이도 형태로 구성되도록 하였으며, 토네이도의 외경은 약 3mm, 토네이도의 개수는 6개, 토네이도 간 간격은 3.4mm, 용접 라인 간 간격은 0.004mm가 되도록 하였다. 또한, 레이저 용접 시, 레이저 출력은 1.5kW이고, 속도는 100 mm/s가 되도록 하였다. 이때, 레이저 용접 장비는, 앞선 실시예들과 마찬가지로 미야찌코리아 사의 FK-F6000-MM-CT를 이용하였다.
특히, 실시예 12 내지 26의 경우, 전극 리드와 버스바 사이의 간격(Gap)이 서로 달라지도록 구성하였다. 즉, 실시예 12 내지 26의 15개 샘플에 대하여, 버스바와 직접 접촉된 중앙에 적층된 전극 리드와 그 하부에 위치한 버스바 사이의 간격(Gap)을 0.04mm 내지 0.6mm의 범위 내에서 서로 달리 한 상태에서, 전극 리드와 버스바 사이가 용접되도록 하였다. 이때, 전극 리드와 버스바 사이의 간격은 이격된 공간의 소정 부분에 중간재를 개재시킴으로써 거리가 유지되도록 하였다. 실시예 12 내지 26의 각 실시예 샘플에서의 리드와 버스바 사이의 간격은, 도 20의 표에 나타낸 바와 같다.
(비교예 4 내지 18)
상기 실시예 12 내지 26과 동일한 재질 및 형태를 갖는 전극 리드 및 버스바를 이용하여, 실시예 12 내지 26과 동일한 형태로 상호 적층되도록 하였다. 그리고, 이러한 2개의 전극 리드와 버스바 사이가 용접되도록 하였는데, 이때 용접 구성은, 비교예 1 내지 3과 같은 형태가 되도록 하였다. 즉, 비교예 4 내지 18의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 직선 형태의 용접 라인을 통해 2개의 전극 리드 및 버스바가 용접되도록 하였다. 그리고, 용접 라인의 전체 길이는 35mm, 용접 라인 간 간격은 1.2mm가 되도록 하였으며, 레이저 출력은 1.5kW이고, 속도는 95 mm/s가 되도록 하였다. 이 경우에도, 레이저 용접 장비는, 앞선 비교예들과 마찬가지로 미야찌코리아 사의 FK-F6000-MM-CT를 이용하였다
특히, 비교예 4 내지 18의 경우에도, 실시예 12 내지 26과 마찬가지로, 전극 리드와 버스바 사이의 간격(Gap)이 서로 순차적으로 달라지도록 구성하였다. 즉, 비교예 4 내지 18의 경우에도, 도 20에 기재된 바와 같이, 각 리드와 버스바 사이의 간격이 실시예 12 내지 26의 샘플과 동일하도록 구성하였다. 그리고, 이와 같이 간격이 서로 다르게 구성된 각 비교예 샘플에 대하여 직선 형태의 용접이 이루어지도록 하였다.
먼저, 상기 실시예 12 내지 26 및 비교예 4 내지 18에 대하여, 육안으로 외관 상 탄흔, 기공, 비드 이상, 크랙 등의 결함(Visual Defect)이 발생하였는지를 관찰하고 그 결과를 도 21에 나타내었다. 이때, 별다른 결함이 관측되지 않은 경우, 도 21에 '×'로서 표시하였다. 반대로, 결함이 발생한 샘플에 대해서는, 도 21에 '○'로서 표시하였다.
도 21의 결과를 참조하면, 먼저, 실시예의 경우, 실시예 12 내지 실시예 19까지는, 육안 관찰에 의해 별다른 결함이 관측되지 않았다. 즉, 본원발명의 실시예에 따르면, 전극 리드와 버스바 사이의 간격이 0.04mm 내지 0.32mm의 범위 내에서는, 큰 결함이 발생하지 않았다. 그리고, 실시예의 경우, 전극 리드와 버스바 사이의 간격이 0.36mm 이상이 된 샘플에서야 비로소 육안에 의해 결함이 관측되었다.
반면, 비교예의 경우, 비교예 4 내지 6까지는, 육안 관찰에 의해 별다른 결함이 관측되지 않았다. 그러나, 비교예 샘플의 경우, 비교예 7부터 비교예 18에 이르기까지 육안에 의해 결함이 관측되었다. 즉, 비교예의 경우, 리드와 버스바 사이의 간격이 0.16mm 이상만 되더라도 육안에 의해 결함이 관측될 수 있었다.
이러한 실험 결과에 의하면, 본원발명에 의할 경우, 전극 리드와 버스바 사이의 간격이 어느 정도 존재하더라도, 비교예에 비해 결함이 쉽게 생성되지 않는다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 본원발명에 의하면, 배터리 모듈의 양산 라인에서 전극 리드와 버스바 사이에 다소 Gap이 발생하더라도, 불량률이 현저하게 저하될 수 있으며, 이로 인해 양산성이 크게 향상될 수 있음을 알 수 있다.
다음으로, 상기 실시예 12 내지 26 및 비교예 4 내지 18의 각 샘플에 대하여, NA-TS250K 장비를 이용하여 인장 강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 22에 나타내었다.
도 22의 결과를 참조하면, 실시예 12 내지 26의 경우, 15개의 모든 샘플에 대하여 인장 강도가 대략 175kgf 내지 210kgf의 범위 내로 측정되었다. 반면, 비교예 샘플의 경우, Gap(전극 리드와 버스바 사이의 간격)이 0.24mm 이하로 작게 설정된 비교예 4 내지 9에 대해서만, 인장 강도가 대략 175kgf 내지 210kgf의 범위 내로 측정되었을 뿐, Gap이 0.28mm인 비교예 10의 경우에는 인장 강도가 170kgf 미만으로 낮게 측정되었다. 더욱이, Gap이 0.32mm 이상인 비교예 11 내지 18의 샘플에 대해서는 인장 강도 시험 시 리드와 버스바 사이가 곧바로 분리되었다. 즉, 비교예 11 내지 18의 샘플에서는 용접이 제대로 이루어지지 않았다고 할 수 있다. 따라서, 이러한 비교예 샘플들에 대해서는 인장 강도 자체가 측정될 수 없었으며, 이로 인해 도 22에는 표시되지 않았다.
이러한 측정 결과에 의하면, 본원발명의 실시예와 같이 토네이도 패턴에 의해 전극 리드와 버스바가 서로 용접되는 경우, 전극 리드와 버스바 사이에 어느 정도 간격이 벌어지더라도, 용접성이 안정적으로 확보된다는 것을 알 수 있다. 특히, 비교예의 측정 결과를 참조하면, 전극 리드와 버스바 사이가 0.32mm만 벌어지더라도 전극 리드와 버스바가 제대로 용접되지 못하는 반면, 본원발명의 실시예에 의할 경우, 전극 리드와 버스바 사이가 0.6mm로 벌어진 상태에서도 용접성이 안정적으로 유지될 수 있다. 더욱이, 비교예의 경우, 전극 리드와 버스바 사이의 간격이 0.28mm가 된 비교예 10의 경우, 인장 강도가 저하되기 시작하는 반면, 본원발명에 따른 실시예의 경우, 전극 리드와 버스바 사이의 간격이 계속해서 증가하더라도 인장 강도가 저하되는 패턴은 보이지 않고 있다.
그러므로, 본원발명에 따른 배터리 모듈의 경우, 제조 과정에서 공정 상 한계나 오차, 불순물 등의 개입 등 여러 요인으로 인해, 전극 리드와 버스바 사이에 간격이 발생하더라도, 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 용접력이 안정적으로 유지된다는 점을 알 수 있다.
도 23은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 전극 리드에 구비된 다수의 용접 스팟의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 이를테면, 도 23은, 도 4의 B2 부분에 대한 확대 구성의 또 다른 예라 할 수 있다. 본 실시예의 경우, 앞선 실시예와 차이점이 있는 부분만을 위주로 설명하며, 앞선 실시예에 대한 설명이 동일 또는 유사하게 적용될 수 있는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 23을 참조하면, 하나의 전극 리드에 3개의 용접 스팟(Wd, We, Wf)이 포함되어 있으며, 각각의 용접 스팟은, 나선 형태의 2개의 용접 라인을 구비하는 토네이도 형태로 구성될 수 있다.
특히, 본 실시예에서, 둘 이상의 용접 스팟은, 외측 단부를 연결하는 직선이 서로 다른 방향으로 형성되도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 23의 구성에서, 3개의 용접 스팟(Wd, We, Wf)은, 각각의 외측 단부를 연결하는 직선이 서로 다른 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 23에 도시된 바와 같이, 용접 스팟 Wd에 대하여 2개의 용접 라인(Wd1, Wd2)의 외측 단부를 연결하는 직선을 C5라 하고, 용접 스팟 We에 대하여 2개의 용접 라인(We1, We2)의 외측 단부를 연결하는 직선을 C6이라 하며, 용접 스팟 Wf에 대하여 2개의 용접 라인(Wf1, Wf2)의 외측 단부를 연결하는 직선을 C7이라 한다. 이때, 직선 C5, C6 및 C7은 서로 평행하지 않도록 구성될 수 있다. 이를테면, 직선 C6는 직선 C5에 대하여 대략 30도 각도로 기울어진 형태로 구성될 수 있고, 직선 C7은 직선 C5에 대하여 대략 60도 각도로 기울어진 형태로 구성될 수 있다. 이러한 구성은, 하나의 전극 리드에 구비된 적어도 둘 이상의 용접 스팟이, 서로 완전히 동일한 형태로 형성되지 않고, 용접 스팟의 중심점을 기준으로, 0도보다 크고 360보다 작은 범위 내에서, 일정 각도 회전한 형태로 구성되어 있다고 할 수 있다.
특히, 하나의 전극 리드에 다수, 이를테면 4개 이상의 용접 스팟이 형성된 경우, 각 용접 스팟의 외측 단부 연결 직선은 모든 용접 스팟에 대하여 서로 평행하지 않도록 구성될 수 있다. 즉, 하나의 전극 리드 내에서 모든 용접 스팟은 서로 동일하게 형성되지 않고, 중심점을 기준으로 서로 소정 각도 회전한 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 이와 같은 구성에 의하면, 어느 방향으로 인장력이 가해지더라도, 전극 리드 사이 및/또는 전극 리드와 버스바 사이의 용접성이 안정적으로 확보될 수 있다. 즉, 상기와 같은 실시 구성의 경우, 다수의 용접 스팟에 대하여, 외측 단부에서 용접 라인의 진행 방향이 서로 다르게 형성된다고 할 수 있다. 따라서, 이 경우, 특정 방향으로 스트레스가 가해진다 하더라도, 각 용접 스팟마다 외측 단부의 피로도가 달라질 수 있으며, 용접성이 강하게 유지되는 용접 스팟이 존재할 수 있게 마련이다. 그러므로, 전극 리드에 대한 인장력이 어느 방향으로 작용하더라도, 용접성이 안정적으로 확보되는 장점을 가질 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10: 전극 리드
20: 버스바
100: 셀 어셈블리
110: 이차 전지
111: 전극 리드
200: 버스바
W: 용접 스팟
W1: 제1 용접 라인, W2: 제2 용접 라인

Claims (11)

  1. 적어도 일 방향으로 적층되고 각각 전극 리드를 구비하며, 상기 전극 리드 간 연결을 통해 상호 전기적으로 연결된 다수의 이차 전지를 구비하는 셀 어셈블리; 및
    전기 전도성 재질로 구성되어 상기 이차 전지의 전극 리드와 접촉하여 전기적으로 연결된 하나 이상의 버스바
    를 포함하고,
    적어도 하나의 전극 리드는, 접촉된 다른 전극 리드 및 접촉된 버스바 중 적어도 하나와, 토네이도 형태로 형성된 용접 스팟에 의해 결합 고정된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접 스팟은, 나선 형태의 복수의 용접 라인을 구비하는 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용접 스팟은, 상기 복수의 용접 라인이 서로 동일한 회전 방향을 가지며, 하나의 용접 라인의 적어도 일부가 다른 용접 라인 사이에 삽입된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 용접 스팟은, 복수의 용접 라인의 각 내측 단부를 연결하는 직선 및 각 외측 단부를 연결하는 직선이 서로 평행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 용접 스팟은, 복수의 용접 라인의 내측 단부가 서로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용접 스팟은, 하나의 전극 리드에 대하여 다수 구비된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    하나의 전극 리드에 구비된 다수의 용접 스팟은, 외측 단부가 하나의 직선 상에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 용접 스팟은, 상호 적층된 다수의 전극 리드 및 1개의 버스바를 용접하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극 리드는, 내측 방향으로 오목하게 형성된 오목부를 구비하고,
    상기 용접 스팟은, 적어도 일부가 상기 오목부에 위치하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 배터리 모듈을 포함하는 자동차.
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