KR20200019880A - 충전식 배터리 팩 유닛 - Google Patents

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에르칸 에베괴메치
무스타파 케말 예실
프리트헬름 귄터
크리스토프 반텔
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Abstract

본 발명은 셀 극을 가진 충전식 배터리 셀 및 집전체를 포함한 충전식 배터리 팩 유닛에 관한 것이며, 상기 셀 극은 연결 영역에서 집전체와 재료 결합 방식으로 연결되고, 셀 극의 벽 두께와 집전체의 두께의 비는 최대 2.0이고 집전체는 구리로 형성된다.

Description

충전식 배터리 팩 유닛
본 발명은 셀 극을 갖는 적어도 하나의 충전식 배터리 셀 및 집전체를 포함한 충전식 배터리 팩 유닛에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 충전식 배터리 팩 유닛을 포함한 충전식 배터리 팩, 특히 핸드 헬드 전동 공구 충전식 배터리 팩에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 충전식 배터리 셀을 구리로 형성된 집전체와 연결하는 레이저 용접 방법에 관한 것이다.
휴대용 장치의 작동을 위해 제공된 충전식 배터리 팩은 일반적으로 가능한 한 컴팩트하고 무게 절감 방식으로 설계된다. 이러한 이유로, 이러한 충전식 배터리 팩에서 충전식 배터리 셀의 셀 극의 벽 두께는 매우 작고 일반적으로 수십 밀리미터의 범위에 있다. 충전식 배터리 셀이 전기 접점에 연결될 수 있도록 충전식 배터리 셀의 셀 극은 집전체와 재료 결합 방식으로 연결된다. 이러한 충전식 배터리 팩에서 셀 극의 벽 두께와 집전체의 두께의 일반적 비는 대략 1의 범위에 있다.
충전식 배터리 팩 내의 열 발생을 감소시키기 위해, 바람직하게는 집전체가 매우 낮은 저항을 갖도록 선택된다. 예를 들어, 저항 용접 방법에 의해 셀 극과 연결된, Ni 또는 구리 합금으로 이루어진 집전체가 공지되어 있다. 구리는 낮은 저항으로 인해 집전체에 특히 적합한 재료이다. 그러나, 전술한 충전식 배터리 팩에서, 구리가 사용되지 않는데, 그 이유는 0.1 mm를 초과하는 두께를 가진 구리로 이루어진 집전체를 이렇게 얇은 셀 극과 연결하기에 저항 용접 방법이 적합하지 않기 때문이다.
본 발명의 과제는 셀 극과 집전체의 연결이 더 개선된 충전식 배터리 팩 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명은 셀 극을 갖는 적어도 하나의 충전식 배터리 셀 및 집전체를 포함한 충전식 배터리 팩 유닛에 관한 것이며, 셀 극은 연결 영역에서 집전체와 재료 결합 방식으로 연결되고, 상기 셀 극의 벽 두께와 집전체의 두께의 비는 최대 2.0이고, 집전체는 구리로 형성된다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 충전식 배터리 팩 유닛을 포함한 충전식 배터리 팩의 작동시, 열 발생이 현저하게 감소되고 이로써 충전식 배터리 팩 유닛의 수명이 증가한다. 또한, 바람직하게는 최대로 사용 가능 전력이 증가한다. 또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 충전식 배터리 팩 유닛을 포함한 충전식 배터리 팩, 특히 핸드 헬드 전동 공구 충전식 배터리 팩에 관한 것이다.
충전식 배터리 팩은 바람직하게는 기계적 인터페이스에 의해 외부 컨슈머 또는 충전기와 분리 가능하게 연결될 수 있는 하우징을 포함한다. 외부 컨슈머는 특히 휴대용 장치로서 형성될 수 있다. 바람직하게는, 외부 컨슈머는 예를 들어 잔디 깎는 기계 또는 헤지트리머와 같은 원예 도구로서, 예를 들어 앵글 그라인더, 스크루 드라이버, 드릴, 해머 드릴 등과 같은 핸드 헬드 전동 공구로서 또는 예를 들어 레이저 거리 측정기와 같은 측정 도구로서 형성된다. 기계적 인터페이스를 통해 충전식 배터리 팩은 컨슈머와 압력 끼워맞춤 결합 방식 및/또는 형상 끼워맞춤 결합 방식으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 기계적 인터페이스는 충전식 배터리 팩과 컨슈머의 연결을 분리할 수 있는 적어도 하나의 작동 요소를 포함한다. 또한, 충전식 배터리 팩은 적어도 하나의 충전식 배터리 셀, 및 상기 적어도 하나의 충전식 배터리 셀을 컨슈머와 전기적으로 연결할 수 있는 전기적 인터페이스를 포함한다. 충전식 배터리 셀은 하나의 셀 극이 하나의 단부 상에 그리고 다른 셀 극이 반대편 단부 상에 놓이는 구조를 갖는 갈바닉 셀로서 형성될 수 있다. 셀 극은 바람직하게는 전도성 금속, 예를 들어 딥 드로잉 스틸로 형성된다. 특히, 충전식 배터리 셀은 하나의 단부 상에 포지티브 셀 극을 그리고 반대편 단부 상에 네거티브 셀 극을 갖는다. 바람직하게는, 충전식 배터리 셀은 NiCd 충전식 배터리 셀로서 또는 NiMh 충전식 배터리 셀로서, 특히 바람직하게는 리튬계 충전식 배터리 셀로서 형성된다. 충전식 배터리 팩의 충전식 배터리 전압은 일반적으로 단일 충전식 배터리 셀의 전압의 배수이며 충전식 배터리 셀의 회로(병렬 또는 직렬)로부터 발생된다. 3.6V의 전압을 갖는 통상의 충전식 배터리 셀의 경우, 3.6V, 7.2V, 10.8V, 14.4V, 18V, 36V, 54V, 108V 등의 예시적인 충전식 배터리 전압이 발생된다.
바람직하게는, 충전식 배터리 셀은 적어도 실질적으로 원통형인 원형 셀로서 형성되며, 셀 극들은 원통형 형상의 단부들 상에 배치된다. 특히, 전기적 인터페이스는 에너지를 전달하도록 형성된 적어도 2개의 전기 접촉 요소들을 포함한다. 대안으로서 또는 추가로, 전기적 인터페이스는 유도 충전을 위한 2차 충전 코일 요소를 포함할 수 있다. 또한, 전기적 인터페이스는 바람직하게는 전자 장치에 의해 검출되는 추가 정보를 컨슈머에게 전송하도록 설계된 추가 접촉 요소들을 포함할 수 있다. 이는 예를 들어 충전식 배터리 팩의 충전 상태, 충전식 배터리 팩 내의 온도, 인코딩 또는 충전식 배터리 팩의 잔여 용량일 수 있다. 전자 장치가 충전식 배터리 팩의 충전 및/또는 방전 과정을 조절 또는 제어하는 것도 고려될 수 있다. 전자 장치는 예를 들어 인쇄 회로 기판, 컴퓨팅 유닛, 트랜지스터, 커패시터 및/또는 메모리를 포함할 수 있다. 전자 장치는 또한 예를 들어 충전식 배터리 팩 내의 온도를 검출하기 위한 하나 또는 다수의 센서 요소들을 포함할 수 있다. 전자 장치는 대안으로서 또는 추가로 코딩 저항과 같은 인코딩 요소를 포함할 수 있다.
집전체는 특히 셀 극들에 대한 전기적 연결을 형성하도록 설계된다. 바람직하게는, 집전체는 전기 접촉 요소들 중 하나와 전기적으로 연결된다. 대안으로서 또는 추가로, 집전체는 적어도 2개의 충전식 배터리 셀들을 전기적으로 서로 연결하는 셀 연결부로서 설계되는 것이 고려될 수 있다. 특히, 집전체는 0.1mm 이상의 두께, 바람직하게는 0.2mm 이상의 두께, 특히 바람직하게는 0.3mm 이상의 두께를 갖는다. 집전체는 특히 구리 시트로 형성된다. 집전체는 바람직하게는 98% 이상의 구리 함량을 가진 구리 재료로 형성된다. 바람직하게는, 집전체는 99.5% 이상의 구리 함량을 가진 전해 구리로 형성된다. 특히, 집전체를 구성하는 재료는 구리 함유 합금이 아니다. 집전체는 특히 일체형으로 형성된다.
또한, 셀 극의 벽 두께와 집전체의 두께의 비가 최대 1.5, 바람직하게는 최대 1.0, 바람직하게는 최대 0.8로 설계된다. 셀 극의 일정한 벽 두께로부터, 비의 감소에 의해 충전식 배터리 팩 유닛의 열 발생 및 성능이 더 개선된다. 집전체의 두께는 특히 0.1mm 내지 0.5mm의 범위, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.4mm의 범위, 더욱 바람직하게는 0.3mm의 범위이다.
또한, 연결 영역은 단일 시작점 및 단일 끝점을 가진 적어도 하나의 용접 이음매, 특히 단일 용접 이음매를 포함한다. 바람직하게는, 연결 영역은 적어도 하나의 용접 이음매로부터 특히 측면으로 스팬된다. 용접 이음매를 통해 셀 극과 집전체 사이의 재료 결합 방식 연결이 형성된다. 용접 이음매는 특히 레이저 용접 방법에 의해 형성된다. 특히, 충전식 배터리 셀의 2개의 셀 극들은 레이저 용접 방법에 의해 각각 하나의 집전체와 재료 결합 방식으로 연결된다. 그러나, 충전식 배터리 셀의 단 하나의 셀 극이 레이저 용접 방법에 의해 연결되고 다른 셀 극은 다른 방법에 의해 집전체와 연결되는 것도 고려될 수 있다. 다른 방법도 재료 결합 방식 연결을 통해 또는 압력 끼워맞춤 결합 방식 및/또는 형상 끼워맞춤 결합 방식 연결을 통해 구현될 수 있다. 특히 시작점은 용접 이음매의 끝점과 상이하다.
또한, 용접 이음매는 그 길이의 적어도 90%에 걸쳐, 특히 그 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 폭을 갖는다. 이와 관련하여, 용접 이음매의 폭은 특히 레이저의 레이저 빔이 집전체 내로 침투하는 집전체의 표면 상의 용접 이음매의 폭을 의미한다. 바람직하게는, 이로써 특히 양호한 연결이 형성될 수 있다. 실질적으로 균일한 폭은 특히 용접 이음매의 길이를 따라 최대 50%, 바람직하게는 최대 25%, 더욱 바람직하게는 최대 15% 만큼의 폭 변화를 의미한다. 표면 상의 용접 이음매의 폭에 대한 대안으로서, 용접 이음매의 폭이 레이저 용접 방법에 의해 재료 결합 방식으로 서로 연결되는 집전체와 셀 극 사이의 경계면 상의 영역인 것도 고려될 수 있다.
또한, 용접 이음매 및/또는 다른 용접 이음매가 접촉 및/또는 교차하지 않는다. 바람직하게는, 이로써 셀 극이 손상되지 않는 것이 보장될 수 있다. 특히, 용접 이음매 및/또는 추가 용접 이음매는 이들이 그 자체 또는 서로에 대해 실질적으로 평행하거나 또는 그 자체 또는 서로에 대해 동일한 곡률로, 특히 동심으로 연장하는 영역에서 접촉하지 않는다.
또한, 용접 이음매는 그 폭의 4배 미만, 바람직하게는 그 폭의 2배 미만, 특히 그 폭 미만, 바람직하게는 그 폭의 절반 미만만큼 그 자체 또는 다른 용접 이음매로부터 이격되어 있다. 따라서, 바람직하게는 셀 극이 손상되지 않는 것이 보장될 수 있다.
또한, 연결 영역은 셀 극의 단부면의 적어도 40%, 특히 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 80%를 차지한다. 따라서, 바람직하게는 셀 극과 집전체 사이의 연결이 개선될 수 있다. 스팬된 영역은 바람직하게는 레이저의 레이저 빔이 집전체 내로 침투하는 집전체의 표면 상에 배치된다.
대안으로서 또는 추가로, 연결 영역의 적어도 20%, 특히 35%, 바람직하게는 50%가 적어도 하나의 용접 이음매에 의해 커버된다. 이로써, 바람직하게는 셀 극과 집전체 사이의 연결이 더 개선될 수 있다.
또한, 용접 이음매는 실질적으로 나선형, 파형, 구불구불한 형태 또는 실질적으로 직선이다.
또한, 본 발명은 충전식 배터리 셀을 구리로 형성된 집전체와 연결하는 레이저 용접 방법에 관한 것이다. 용접 이음매는 충전식 배터리 셀 및 집전체를 구비한 충전식 배터리 팩 유닛과 레이저 빔의 직선 및/또는 곡선 상대 이동에 의해 형성된다. 바람직하게는, 이러한 이동에 의해 충전식 배터리 셀과 집전체 사이의 효과적인 연결이 구현될 수 있다.
상대 이동은 특히 렌즈에 의한 레이저 빔의 편향에 의해 및/또는 레이저에 대한 충전식 배터리 팩 유닛의 이동에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 상대 이동이 추가로 변조, 특히 주기적으로 변조되는 것이 고려될 수 있다. 직선 및/또는 곡선 상대 이동의 추가 변조에 의해, 조사되는 영역의 폭이 레이저 빔의 직경을 초과해서 커지고, 이로써 레이저 용접 방법 동안 열 분포가 개선되고 용접 이음매가 더 넓어진다. 변조는 바람직하게는 레이저의 렌즈에 의해 이루어진다. 바람직하게는, 원 운동 형태의 회전 운동이 선형 상대 이동으로 변조되고, 이로써 선형 상대 이동을 중심으로 하는 나선형 운동이 이루어진다.
또한, 상대 이동이 50 내지 2000Hz 범위, 특히 100 내지 400Hz 범위의 주파수로 변조, 특히 회전식으로 변조된다. 변조의 진폭은 용접 이음매의 폭의 10% 내지 용접 이음매의 폭의 400%이다. 이로써, 바람직하게는 레이저 여기에 의해 집전체 또는 충전식 배터리 셀의 국부적 과열이 발생하지 않는 것이 보장된다. 회전 변조에 대한 대안으로서, 예를 들어, 진폭 변조식으로 또는 주파수 변조식으로 형성될 수 있는 선형 또는 정현파 변조도 고려될 수 있다.
또한, 레이저의 출력이 용접 이음매의 시작점과 용접 이음매의 끝점 사이에서 변하고, 특히 낮아진다. 바람직하게는, 이로써 레이저 용접 과정 동안 재료의 가열이 용접 이음매 형성에 방해 영향을 미치지 않는 것이 보장된다.
특히, 레이저의 출력은 용접 이음매의 형성 동안 적어도 5%, 바람직하게는 적어도 10%, 더욱 바람직하게는 적어도 20% 만큼 낮아진다. 레이저 출력의 감소는 비례적으로, 불균형적으로 및/또는 단계적으로 이루어질 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 용접 속도는 양호한 용접 이음매가 레이저의 최대 출력의 10%까지, 특히 20%까지, 바람직하게는 30%까지의 변화로 형성되도록 선택된다. 바람직하게는, 이로써 특히 안정적인 공정이 구현될 수 있다. 또한, 용접 속도가 0.1m/s 내지 3.0m/s의 범위에 있다.
다른 장점들은 하기 실시 예 설명에 제시된다. 도면들, 상세한 설명 및 청구 범위는 다수의 특징들을 조합하여 포함한다. 당업자는 상기 특징들을 바람직하게 개별적으로도 고려하고 의미 있는 다른 조합들로 조합할 것이다.
도 1은 충전식 배터리 팩의 사시도이고,
도 2는 충전식 배터리 팩의 다른 사시도이며,
도 3a는 용접 이음매의 평면도이고,
도 3b는 도 3a에 따른 용접 이음매의 단면도이며,
도 4는 충전식 배터리 팩의 대안적 실시예의 사시도이고,
도 5는 본 발명에 따른 레이저 용접 방법의 흐름도이며,
도 6은 공정 파라미터를 갖는 다이어그램이다.
도 1에는 충전식 배터리 팩(10)이 사시도로 도시된다. 충전식 배터리 팩(10)은 예를 들어 핸드 헬드 전동 공구 충전식 배터리 팩으로서 형성되며, 핸드 헬드 전동 공구에 충전식 배터리 팩(10)에 의해 전력이 공급될 수 있도록 핸드 헬드 전동 공구(도시되지 않음)와 전기적으로 및 기계적으로 연결될 수 있다. 충전식 배터리 팩은 여러 부분으로 형성된 하우징(12)을 포함한다. 하우징(12)은 그 하부면 상에 베이스 바디(14)를, 그 상부면 상에 인터페이스 하우징부(16)를 그리고 그 측면들 상에 2개의 반대편 측벽들(18)을 포함한다. 하우징부들(14, 16, 18)은 나사 연결부들(20)에 의해 서로 연결된다. 충전식 배터리 팩(10)의 정면 상에는 충전식 배터리 팩(10)의 충전 상태를 나타낼 수 있는 충전 상태 표시기(22)가 배치된다. 충전 상태 표시기(22)는 하우징(12), 특히 베이스 바디(14) 내에 통합된다. 하우징(12), 특히 인터페이스 하우징부(16)는 기계적 인터페이스(24) 및 전기적 인터페이스(26)를 포함한다. 기계적 인터페이스(24) 및 전기적 인터페이스(26)는 충전식 배터리 팩(10)을 핸드 헬드 전동 공구 또는 충전기(도시되지 않음) 상에 분리 가능하게 장착하기 위해 그리고 전기적으로 연결하기 위해 형성되며, 이들은 각각 대응하는 기계적 및 전기적 인터페이스를 포함한다.
충전식 배터리 팩(10)은 예를 들어 슬라이딩 충전식 배터리 팩으로서 형성된다. 충전식 배터리 팩(10)의 장착시, 충전식 배터리 팩(10)의 대응하는 가이드 요소들(28)을 수용하기 위한 핸드 헬드 전동 공구 또는 충전기의 수용 수단들, 예를 들어 가이드 홈들 및 가이드 리브들이 상기 가이드 요소들과 맞물리고, 충전식 배터리 팩(10)은 슬라이딩 방향(25)으로 수용 수단을 따라 안내되고 충전식 배터리 팩(10)의 기계적 인터페이스(24)는 핸드 헬드 전동 공구의 대응하는 기계적 인터페이스 또는 충전기의 대응하는 인터페이스 내로 슬라이딩된다. 충전식 배터리 팩(10)을 핸드 헬드 전동 공구 또는 충전기와 록킹하기 위해, 기계적 인터페이스(24)는 록킹 요소(30)를 포함한다. 록킹 요소(30)는 충전식 배터리 팩의 하우징(12) 내에 피봇식으로 지지되는 스프링식 잠금 요소로서 형성된다. 록킹은 슬라이딩 방향(25)을 따라 충전식 배터리 팩(10)의 슬라이딩에 의해 이루어지고, 록킹 요소(30)는 슬라이딩 이동의 종료 시에 언더컷 위치 내로 맞물린다. 록킹을 해제하기 위해, 기계적 인터페이스(24)는 록킹 요소(30)와 이동 가능하게 결합된 작동 요소(32)를 포함한다. 작동 요소(32)의 작동에 의해, 록킹 요소(30)는 충전식 배터리 팩(10)의 하우징(12) 내로 이동되고 충전식 배터리 팩(10)과 핸드 헬드 전동 공구 또는 충전기 사이의 록킹이 해제된다.
도 2에는 인터페이스 하우징부(16) 없는 그리고 측벽들(18) 없는 충전식 배터리 팩(10)이 도시된다. 하우징(12)의 베이스 바디(14)는 셀 홀딩 영역을 포함한다. 적어도 하나의 충전식 배터리 셀들(34)이 셀 홀딩 영역 내에 수용되며, 본 실시예에서 충전식 배터리 팩(10)은 예를 들어 병렬 또는 직렬로 접속된 10개의 충전식 배터리 셀들(34)을 포함한다. 대안으로서, 충전식 배터리 셀들(34)이 충전식 배터리 셀들(34)의 절연을 위한 카드 보드 슬리브들에 의해 서로 연결되는 것도 고려될 수 있다. 충전식 배터리 셀들(34)은 원통형으로 형성되고 그 단부면들(33) 상에 전기 셀 극들(35)을 포함한다.
충전식 배터리 셀들(34) 간의 연결은 셀 연결부로서 형성된 집전체(36)를 통해 구현된다. 충전식 배터리 셀들(34)은 각각 하나의 연결 영역(104)을 통해 집전체(36)와 재료 결합 방식으로 연결된다. 집전체(36)와 재료 결합 방식으로 연결된 충전식 배터리 셀(34)은 본 발명에 따른 충전식 배터리 팩 유닛(100)을 형성한다. 연결 영역(104)에는 레이저 용접 방법에 의해 형성된 각각 하나의 단일 용접 이음매(102)가 배치된다. 집전체(36)는 충전식 배터리 셀들(34)을 병렬 및/또는 직렬로 서로 전기적으로 접속하기 위해 형성된다. 도시된 실시예에서, 2개 또는 4개의 충전식 배터리 셀들(34)은 집전체(36)를 통해 서로 연결된다. 또한, 개별 충전식 배터리 셀들(34)은 베이스 바디(14)의 셀 홀딩 영역에서 기계적 고정을 위해 서로 이격되게 수용된다. 셀 홀딩 영역은 하우징(12) 내의 충전식 배터리 셀(34)의 고정 외에 충전식 배터리 셀들(34)의 냉각에도 사용되며 열 전도성 재료, 예를 들어 알루미늄 또는 열 전도성이 양호한 플라스틱으로 형성된다. 또한, 셀 홀딩 영역은 슬리브형 절연 벽들을 포함하므로 개별 충전식 배터리 셀들(34)이 분리되고 개별 충전식 배터리 셀들(34)의 전기 절연이 보장될 수 있다. 인접한 충전식 배터리 셀들(34) 간의 그리고 충전식 배터리 셀들(34)과 셀 홀딩 영역 간의 열 전달 저항은 가능한 작고, 이로써 충전식 배터리 셀들(34)에 의해 발생된 열이 외부로 양호하게 방출되고, 충전식 배터리 팩(10) 내부의 과열이 방지될 수 있다.
셀 홀딩 영역 위에, 특히 베이스 바디(14)와 인터페이스 하우징부(16) 사이의 영역에 전자 장치(38)가 배치된다. 전자 장치(38)는 인쇄 회로 기판(40)을 포함한다. 전자 장치(38)는 충전 상태 표시기(22)와 연결된다. 회로 기판(40) 상에는 충전식 배터리 팩(10)을 충전 및 방전시키기 위해 제공되는 전기 접촉 요소들(42), 및 충전식 배터리 팩(10)의 상태 정보, 예를 들어 충전 상태 또는 온도를 핸드 헬드 전동 공구 또는 충전기에 전송하도록 설계된 다른 접촉 요소들(44)이 배치된다. 전기 접촉 요소들(42) 및 다른 접촉 요소들(44)은 전기적 인터페이스(26)에 할당 배치된다. 전기 접촉 요소들(42)은 전자 장치(38) 및 충전식 배터리 셀들(34)과 연결된다. 충전식 배터리 셀들(34)과 전기 접촉 요소들(42)의 전기적 연결은 충전식 배터리 셀들(34)이 집전체(36)를 통해 와이어로서 형성된 전기 연결 요소들(48)과 납땜되는 납땜 지점으로서 형성된 접촉 지점들(46)을 통해 이루어진다. 대안으로서, 전기 연결 요소(48)와 집전체(36)의 용접도 고려될 수 있다. 납땜 지점(46)은 전자 장치(38)와 충전식 배터리 셀들(34) 사이에 배치된다.
도 3a에는 도 2의 용접 이음매(102)가 평면도로 도시된다. 용접 이음매(102)는 집전체(36)의 표면 상에서 나선형으로 연장된다. 연결 영역(104)은 용접 이음매(102)에 의해, 특히 용접 이음매(102)의 외부 윤곽에 의해 스팬된다. 용접 이음매(102)는 레이저 용접 공정이 시작되는 단일 시작점(106) 및 레이저 용접 공정이 종료되는 단일 끝점(108)을 갖는다. 시작점(106)은 끝점(108)보다 연결 영역(104)의 중심(110)에 대한 더 작은 간격을 갖는다. 특히, 시작점(106)은 나선형 용접 이음매(102)의 내부 영역에 그리고 끝점(108)은 나선형 용접 이음매(102)의 외부 영역에 배치된다. 용접 이음매(102)의 폭(112)은 그 길이에 걸쳐 실질적으로 균일하게 형성된다. 특히, 시작점(106)과 끝점(108) 사이의 용접 이음매의 폭(112)은 25% 미만만큼, 예를 들어 약 20% 만큼 증가한다. 나선형 용접 이음매(102)는 예를 들어 3개의 나선형 와인딩을 갖지만, 더 많거나 또는 더 적은 나선형 와인딩도 고려될 수 있다. 나선형 와인딩은 실질적으로 평행한 곡선형이고 서로 이격된다. 나선형 와인딩들 사이의 간격(114)은 용접 이음매(102)의 폭(112)의 약 2배이다. 용접 이음매(102)의 폭(112)은 실질적으로 연결 영역(104)의 중심과 용접 이음매(102)의 끝점(108) 간의 간격의 10%에 상응한다. 시작점(106)은 실질적으로 연결 영역(104)의 중심(110)과 용접 이음매(102)의 끝점(108) 간의 간격의 약 40% 만큼 중심(110)으로부터 이격된다. 바람직하게는 이로써 용접 이음매(102)가 면적면에서 연결 영역(104)의 20%를 초과하는 범위를 차지한다. 또한, 연결 영역(104)은 면적면에서 셀 극(35)의 단부면(33)의 40%를 초과하는 범위를 차지한다.
도 3b에는 도 3a에 표시된 평면 A를 따르는 단면도가 도시된다. 집전체(36)의 두께(116)는 실질적으로 셀 극(35)의 벽 두께(118)에 상응한다. 특히, 집전체(36)의 두께(116) 및 셀 극(35)의 벽 두께는 각각 실질적으로 0.3mm이다. 따라서, 셀 극(35)의 벽 두께(118)와 집전체(36)의 두께(116)의 비는 실질적으로 1.0이다. 집전체(36)는 99.5 %의 구리 함량을 가진 전해 구리로 형성되고, 셀 극은 스테인레스 스틸 또는 딥 드로잉 스틸로 형성된다. 도 3b에는 용접 이음매(102)의 6개의 상이한 위치에서의 단면들이 도시된다. 집전체(36) 및 셀 극(35)은 레이저 빔에 의해 국부적으로 가열되므로 용융물이 형성되어 용접 이음매(102)를 형성한다. 양호한 용접 이음매(102)는 집전체(36)와 셀 극(35) 사이의 경계면(120)의 영역에서, 집전체(36)의 용융된 재료가 셀 폴의 용융된 재료와 연결되는 것을 특징으로 한다. 집전체(36)와 셀 극(35)이 레이저 용접 방법에 의해 재료 결합 방식으로 서로 연결되는 용접 이음매(102)의 영역은 교차식 빗금으로 표시된다. 일반적으로 충전식 배터리 셀(34)의 고장을 야기하는 셀 극(35)의 파괴는 반드시 방지되어야 한다. 중심(110)으로부터 가장 먼 용접 이음매(102)의 단면은 예를 들어 집전체 재료의 큰 배출을 가지며 이것도 방지되어야 한다.
도 4에는 용접 이음매(102)의 대안적 실시예를 포함한 충전식 배터리 팩 유닛(100)을 구비한 충전식 배터리 팩(10)이 예시적으로 도시된다.
용접 이음매(102a)는 예를 들어 직선으로 형성된다. 특히, 연결 영역(104a)에는 서로 평행하게 연장되는 4개의 직선 용접 이음매들(102a)이 배치된다. 용접 이음매들(102a)은 특히 서로 이격되게 형성된다. 시작점들(106a)과 끝점들(108a)은 예를 들어 동일한 높이로 형성되지만, 시작점들(106a)과 끝점들(108a)이 동일한 높이에 놓이지 않는 것도 고려될 수 있다. 용접 이음매들(102a)은 도시되듯이 동일한 길이를 가질 수 있지만, 길이의 변화도 가능하다.
용접 이음매(102b)는 예를 들어 파형으로 형성된다. 파형의 진폭 및/또는 주파수는 일정하게 또는 가변적으로 형성될 수 있다.
용접 이음매(102c)는 예를 들어 폐쇄된 원형 원으로 형성된다. 특히, 연결 영역(104c)에는 각각 서로 다른 반경을 갖는 3개의 동심 원형 용접 이음매들(102c)이 배치된다.
용접 이음매(102d)는 예를 들어 타원형으로 형성된다. 특히, 연결 영역(104d)에는 서로 이격된 3개의 용접 이음매들(102d)이 배치된다.
용접 이음매(102e)는 폐쇄되지 않은, 특히 c형의, 예를 들어 원으로서 형성된 타원으로 형성된다. 연결 영역(104e)에는 상이한 방향의 개구를 갖는 3개의 용접 이음매들(102e)이 배치된다.
용접 이음매(102f)는 원호형로 형성된다. 특히, 적어도 3개의 용접 이음매들(102f)은 파선 원을 형성한다. 연결 영역(104f)에는 상이한 직경을 가진 2개의 파선 원들이 도시된다.
용접 이음매(102g)는 타원형으로 형성된다. 특히, 연결 영역(104g)에 배치된 용접 이음매들은 파선의 나선 형상을 형성한다.
연결 영역(104h)에는 단일 용접 이음매(102h)가 배치된다. 용접 이음매의 시작점(106h) 및 끝점(108h)은 연결 영역(104h)의 외부 영역에 배치된다. 용접 이음매(102h)는 연결 영역(104h)의 중심을 향해 나선형으로 연장되고 중심으로부터 다시 나선형으로 연장된다.
연결 영역(104i)에는 원형 용접 이음매들(102i)이 나선형으로 배치된다.
도 2 및 도 4에 도시되듯이, 용접 이음매들(102a-i)은 접촉 및/또는 교차하지 않는다.
도 5에는, 충전식 배터리 셀(34)을 구리로 형성된 집전체(36)와 연결하기 위한 레이저 용접 방법이 흐름도로 도시된다. 제 1 단계 (200)에서, 집전체(36)가 충전식 배터리 셀(34)의 셀 극(35)의 단부면(33) 상에 배치된다. 후속 단계(202)에서, 레이저의 렌즈 및/또는 충전식 배터리 팩 유닛(100)의 위치는 레이저의 초점이 형성될 용접 이음매(102)의 시작점(106)의 영역에 놓이도록 설정된다.
후속 단계(204)에서, 레이저가 스위치온 되고 집전체(36)의 표면에 레이저가 조사된다. 조사는 집전체(36)의 표면에 대해 수직으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 표면은 특정 범위, 예를 들어 수직 배치로부터 20% 편차의 각도로 조사된다. 특히, 레이저는 수백 와트 또는 수 킬로와트의 출력을 가진 적외선 레이저로서 형성된다. 정확한 구조화를 위해, 집전체(36)의 표면 상의 레이저 빔의 직경에 상응하는 레이저의 스폿 크기는 특히 100㎛ 미만이다.
단계(206)에서, 레이저 빔과 충전식 배터리 팩 유닛(100)은 나선형 용접 이음매(102, 도 3a 참조)가 형성되도록 서로에 대해 이동된다. 상대 이동은 특히 0.1m/s 내지 0.3m/s 범위의 실질적으로 일정한 용접 속도로 이루어진다. 상대 이동은 용접 이음매(102)의 시작점(106)에서부터 용접 이음매의 끝점(108)에까지 이루어진다. 상대 이동은 특히 곡선 이동을 통해 이루어진다. 용접 이음매의 형성시 용접 이음매(102)는 용접 속도에 따라 연장된다.
단계(206)에 대한 대안적인 또는 추가적인 병렬 단계(208)에서, 용접 이음매(102)의 폭이 커지도록 상대 이동이 추가로 변조된다. 바람직하게는, 이로써 집전체(36) 또는 셀 극(35)의 특히 균일한 가열이 보장될 수 있다. 특히, 상대 이동의 변조는 용접 속도에 영향을 미치지 않는다. 변조는 바람직하게는 수백 Hz의 주파수를 가진 원형 운동으로서 형성된다. 특히, 원형 변조의 반경은 레이저 빔의 직경의 3배보다 작고, 바람직하게는 상기 직경의 2배보다 작고, 더욱 바람직하게는 상기 직경, 즉 스폿 크기보다 더 작다.
단계들(206, 208)에 대해 병렬인 다른 단계(210)에서, 레이저의 출력은 상대 이동 동안 꾸준히 낮아진다. 충전식 배터리 팩 유닛(100)의 조사 기간이 증가함에 따라 재료들이 가열되므로 용접 이음매에서 용접 결함이 높은 확률로 발생하기 시작하는 출력은 가열되지 않은 상태에 비해 현저히 감소한다. 레이저 출력의 감소에 의해 바람직하게는 용접 결함없이 용접 이음매의 실질적으로 균일한 폭이 보장된다.
도 6에는 공정 파라미터들, 레이저 출력 및 용접 속도가 다이어그램으로 도시된다. 곡선(220)은 집전체(36)를 셀 극(35)과 재료 결합 방식으로 연결하는 양호한 용접 이음매(102)가 형성될 수 있는 최소 공정 파라미터를 나타낸다. 곡선(220) 아래의 영역(222)에는, 너무 낮은 레이저 출력으로 인해 또는 너무 높은 용접 속도로 인해 집전체(36)와 충전식 배터리 셀(34) 사이의 경계면(120) 상에서 용접 이음매(102)가 충분히 가열되지 않아서 경계면(120)의 영역에서 재료 결합 방식의 연결이 형성되지 않는 공정 파라미터가 배치된다. 곡선(224)은 양호한 용접 이음매(102)가 형성될 수 있는 최대 공정 파라미터를 나타낸다. 곡선(224) 위의 영역(226)에서, 충전식 배터리 팩 유닛(100)의 가열은 집전체 재료가 높은 확률로 마모되고 크랙 및/또는 기공이 형성될 정도로 높다. 또한, 셀 극(35) 내에 크랙 및/또는 기공이 형성되거나 또는 레이저 여기가 충전식 배터리 셀(34) 내로 침투하여 충전식 배터리 셀(34)이 손상 될 수도 있다.
2개의 곡선들(220, 224) 사이의 영역(228)에는, 양호한 용접 이음매(102)가 형성될 수 있는 공정 파라미터의 조합이 배치된다. 양호한 용접 이음매(102)를 형성하기 위해, 용접 속도는 바람직하게는 예를 들어 영역(230)에서와 같이 최소 레이저 출력과 최대 레이저 출력 사이의 간격이 최대가 되도록 선택된다. 영역(230)에서의 용접 속도에서, 레이저 출력은 용접 이음매(102)가 결함을 갖거나 또는 재료 결합 방식 연결이 형성되지 않는 것 없이 최대 레이저 출력의 20%를 초과하는 만큼 변할 수 있다. 특히, 영역(230)에서는 실질적으로 임계적 결함이 나타나지 않는 양호한 용접 이음매가 형성된다. 여기에서 임계적 결함은 충전식 배터리 팩 유닛의 기능이 감소되거나 영구적으로 보장되지 않는 결함을 의미한다. 이 영역(230)에서 용접 속도를 선택함으로써, 레이저 출력이 변하더라도 양호한 용접 이음매(102)가 형성되는 특히 일정한 레이저 용접 방법이 바람직하게 구현될 수 있다.
34 충전식 배터리 셀
35 셀 극
36 집전체
102, 102a, 용접 이음매
104 연결 영역
106 시작점
108 끝점
112 폭
116 두께
118 벽 두께

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 셀 극(35)을 구비한 적어도 하나의 충전식 배터리 셀(34) 및 집전체(36)를 포함한 충전식 배터리 팩 유닛으로서, 상기 셀 극(35)이 연결 영역(104)에서 상기 집전체(36)와 재료 결합 방식으로 연결되고, 상기 셀 극(35)의 벽 두께(118)와 상기 집전체(36)의 두께의 비가 최대 2.0이고, 상기 집전체(36)는 구리로 형성되는 충전식 배터리 팩 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 셀 극(35)의 상기 벽 두께(118)와 상기 집전체(36)의 상기 두께(116)의 비가 최대 1.5, 바람직하게는 최대 1.0, 더욱 바람직하게는 최대 0.8로 형성되는 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 연결 영역(104)은 단일 시작점(106) 및 단일 끝점(108)을 갖는 적어도 하나의 용접 이음매(102), 특히 단일 용접 이음매(102)를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 용접 이음매는 그 길이의 적어도 90%, 특히 그 길이 전체에 걸쳐 균일한 폭(112)을 갖는 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 용접 이음매(102) 및/또는 다른 용접 이음매가 접촉 및/또는 교차하지 않는 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 이음매(102)는 그 폭(112)의 4배 미만, 바람직하게는 그 폭(112)의 2배 미만, 특히 그 폭(112) 미만, 바람직하게는 그 폭(112)의 절반 미만만큼 그 자체로부터 또는 다른 용접 이음매로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 영역(104)은 상기 셀 극(35)의 단부면(33)의 적어도 40%, 특히 60%, 바람직하게는 80%를 차지하는 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 연결 영역(104)의 적어도 20%, 특히 적어도 35%, 바람직하게는 적어도 50%가 상기 적어도 하나 용접 이음매(102)에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  9. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 이음매(102)가 나선형인 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  10. 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 이음매(102a)가 직선인 것을 특징으로 하는 충전식 배터리 팩 유닛.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 충전식 배터리 팩 유닛(100)을 포함한 충전식 배터리 팩, 특히 핸드 헬드 전동 공구 충전식 배터리 팩.
  12. 충전식 배터리 셀(34)을 구리로 형성된 집전체(36)와 연결하는 레이저 용접 방법에 있어서,
    용접 이음매(102)가 상기 충전식 배터리 셀(35) 및 상기 집전체(36)를 구비한 충전식 배터리 팩 유닛(100)과 레이저 빔의 직선 및/또는 곡선 상대 이동에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 상대 이동은 50 내지 2000Hz의 범위, 특히 100 내지 400Hz의 범위의 주파수로 변조, 특히 회전 변조되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 레이저의 출력이 상기 용접 이음매(102)의 시작점(106)과 상기 용접 이음매(102)의 끝점(108) 사이에서 변하는, 특히 낮아지는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 특히 제 12 항의 전제부에 있어서, 용접 속도는 양호한 용접 이음매(102)가 레이저의 최대 출력의 10%까지, 특히 20%까지, 바람직하게는 30%까지의 변화로 형성되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 용접 속도가 0.1m/s 내지 3.0m/s의 범위인 것을 특징으로 하는 레이저 용접 방법.
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