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KR101817236B1 - 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법 및 이를 이용한 컴팩트한 이차전지 모듈 - Google Patents

이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법 및 이를 이용한 컴팩트한 이차전지 모듈 Download PDF

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KR101817236B1
KR101817236B1 KR1020140188072A KR20140188072A KR101817236B1 KR 101817236 B1 KR101817236 B1 KR 101817236B1 KR 1020140188072 A KR1020140188072 A KR 1020140188072A KR 20140188072 A KR20140188072 A KR 20140188072A KR 101817236 B1 KR101817236 B1 KR 101817236B1
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이범현
신진규
채승희
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 발명은 컴팩트한 이차전지 모듈에 관한 것으로서, 이웃하는 셀들의 제1 리드와 제2 리드가 겹쳐지는 다수의 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 미리 결정된 패턴으로 위치되고, 각각의 셀을 수납하면서 적층된 다수의 카트리지들을 포함하는 카트리지 조립체; 및 각각의 리드 용접부에 상응하게 위치되어 용접될 수 있는 다수의 버스 바들이 마련되고 카트리지 조립체의 측면에 배치될 수 있는 센싱 하우징을 구비하고; 카트리지 조립체에 센싱 하우징이 결합될 때, 카트리지의 측벽으로부터 외측 방향으로 제1 리드, 제2 리드 및 버스 바가 순차적으로 위치된 상태에서 버스 바의 방향에서 용접된다.

Description

이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법 및 이를 이용한 컴팩트한 이차전지 모듈{Method for welding of electrode-leads ＆ secondary battery module utilizing thereof}
본 발명은 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법 및 이를 이용한 컴팩트한 이차전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리튬 이차전지 모듈의 전극 리드와 버스 바의 용접 방법 및 이를 이용한 리튬 이차전지 모듈에 관한 것이다.
모바일 기기에 대한 기술 개발과 수요가 증가함에 따라 에너지원으로서의 이차전지 수요가 급격히 증가하고 있으며, 종래 이차전지로서 니켈카드뮴 전지 또는 수소이온 전지가 사용되었으나, 최근에는 에너지 밀도가 높은 리튬 이온 전지 및 리튬 폴리머 전지가 많이 사용되고 있다.
이러한 이차전지는 양극 활물질로서 리튬 전이금속 산화물, 리튬 복합 산화물 등을 사용하는 중량 대비 높은 출력과 용량의 리튬 이차전지가 크게 각광받고 있다. 일반적으로, 리튬 이차전지는 양극/세퍼레이터/음극의 전극조립체가 전해질과 함께 밀폐된 용기에 내장되어 있는 구조로 이루어져 있다.
한편, 리튬 이차전지는 양극, 음극 및 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질로 이루어지며, 양극 활물질과 음극 활물질을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 리튬 이온 전지(Lithium Ion Battery, LIB), 리튬 폴리머 전지(Polymer Lithium Ion Battery, PLIB) 등으로 나누어진다. 통상, 이들 리튬 이차전지의 전극은 알루미늄 또는 구리 시트(sheet), 메시(mesh), 필름(film), 호일(foil) 등의 집전체에 양극 또는 음극 활물질을 도포한 후 건조시킴으로써 형성된다.
이차전지 모듈은 각각의 카트리지에 수납된 셀들의 직렬 또는 병렬 구성 방법은 각각의 셀 리드 사이를 용접, 볼팅, 리벳팅 방법을 이용하여 패스를 구성하는 방법을 이용하고 있다. 또한, 이차전지 모듈에서 각각의 셀을 직렬 또는 병렬로 구성할 때 알루미늄 재질을 가진 양극 리드와 구리 재질을 가진 음극 리드, 및 센싱을 위해 배치되는 구리 재질의 버스바와 같은 3개의 부재들은 전술한 바와 같은 방식으로 전기적으로 접속되어야 한다.
종래기술에 따르면, 이차전지 모듈들이 다양하게 존재하고, 모듈을 구성하는 카트리지 및 센싱을 위한 버스바의 구조 및 위치가 서로 다르기 때문에 효율적인 접속 작업이 어려울 뿐만 아니라 센싱 구조물의 용접 품질이 저하되고 이차전지 모듈의 불필요한 공간을 용접 등의 작업을 위해 마련해야 하므로, 최종적으로 이차전지 모듈의 에너지 밀도가 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 에너지 저장 장치 또는 전력 저장 장치에 사용되는 이차전지 모듈은 에너지 효율 또는 밀도를 높이기 위해 이차전지 모듈을 최대한 컴팩트하게 구성하는데 기술개발의 초점이 맞춰져 있다.
한편, 일반적인 이차전지 모듈의 구성에 있어서, 셀의 전극 리드들(Al)(Cu)와 버스 바(Cu)의 용접(특히, 레이저 용접)은 소재별 용융점의 차이로 인하여 알루미늄 리드-구리 리드-버스 바의 순서로 모재를 배치한 후 셀 리드 쪽으로부터 레이저를 조사하여 용접하는 것이 일반적이었다. 그러나, 이러한 순서로 용접을 하게 되면, 셀 리드들이 먼저 레이저에 의해 변형되는 등의 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 착상된 것으로서, 이차전지 모듈의 인접하는 셀들의 상응하는 전극 리드들이 중첩되는 구리 재질의 버스 바, 버스 바와 동일한 재질의 구리 리드, 및 알루미늄 리드를 순차적으로 배열하여 일체로 용접하거나, 알루미늄 리드와 구리 리드를 나란하게 배열시킨 후 버스 바로부터 2개의 용접 포인트에서 용접시킬 수 있도록 구조가 개선된 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법 및 이를 이용한 컴팩트한 이차전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 컴팩트한 이차전지 모듈은, 이웃하는 셀들의 제1 리드와 제2 리드가 겹쳐지는 다수의 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 미리 결정된 패턴으로 위치되고, 각각의 셀을 수납하면서 적층된 다수의 카트리지들을 포함하는 카트리지 조립체; 및 각각의 리드 용접부에 상응하게 위치되어 용접될 수 있는 다수의 버스 바들이 마련되고 카트리지 조립체의 측면에 배치될 수 있는 센싱 하우징을 구비하고; 카트리지 조립체에 센싱 하우징이 결합될 때, 카트리지의 측벽으로부터 외측 방향으로 제1 리드, 제2 리드 및 버스 바가 순차적으로 위치된 상태에서 버스 바 방향에서 용접된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 컴팩트한 이차전지 모듈은, 이웃하는 셀의 리드의 끝단들이 실질적으로 동일선 상에 위치되어 다수의 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 미리 결정된 패턴으로 형성되고, 각각의 셀을 수납하면서 적층된 다수의 카트리지들을 포함하는 카트리지 조립체; 및 각각의 리드 용접부에 상응하게 위치되어 용접될 수 있는 다수의 버스 바들이 마련되고 카트리지 조립체의 측면에 배치될 수 있는 센싱 하우징을 구비하고; 카트리지 조립체에 센싱 하우징이 결합될 때, 각각의 버스 바는 대응되는 셀의 제1 리드와 제1 리드와 반대되는 극성의 제2 리드에 서로 다른 용접 포인트에서 용접된다.
바람직하게, 이차전지 모듈은 용접 작업시 셀을 보호하기 위해 각각의 카트리지의 측면에 마련된 격벽을 구비한다.
바람직하게, 각각의 셀의 리드는 상응하는 카트리지에 수납된 상태에서 리드 절연부로부터 대략 1mm 지점에서 직각으로 굴곡된다.
바람직하게, 상기 용접은 레이저 용접이다.
바람직하게, 상기 레이저의 방향은 센싱 하우징에 실질적으로 수직이다.
바람직하게, 버스 바와 제2 리드는 구리로 제작되고, 제1 리드는 알루미늄으로 제작된다.
바람직하게, 센싱 하우징은 각각의 버스 바에 의해 감지되는 각각의 셀의 전압 및/또는 온도 데이터를 관리하기 위한 BMS 회로 기판을 더 구비한다.
바람직하게, 센싱 하우징은 카트리지 조립체에 스냅 또는 후크 결합된다.
바람직하게, 이차전지 모듈은 센싱 하우징에 결합되는 센싱 커버를 더 구비한다.
바람직하게, 센싱 커버는 센싱 하우징에 스냅 또는 후크 결합된다.
바람직하게, 카트리지 조립체의 이웃하는 2개의 카트리지들은 서로 후크 결합된다.
바람직하게, 카트리지 조립체는 양단의 카트리지에 각각 후크 결합되는 상부 커버와 하부 커버를 더 구비한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법은, (a) 서로 반대되는 극성을 가진 제1 리드와 제2 리드가 반대 방향으로 각각 굴곡된 다수의 셀들을 준비하는 단계; (b) 이웃하는 셀들 중 어느 하나의 셀의 제1 리드가 카트리지 측벽에 면하고, 다른 하나의 셀의 제2 리드가 제1 리드에 면하도록 겹쳐지는 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 미리 결정된 패턴으로 형성되도록 각각의 셀이 수납된 다수의 카트리지들을 적층시켜 카트리지 조립체를 형성하는 단계; (c) 각각의 제2 리드에 면할 수 있는 다수의 버스 바들이 마련된 센싱 하우징을 카트리지 조립체의 측면에 조립시키는 단계; 및 (d) 각각의 버스 바, 이에 상응하는 제2 리드 및 제1 리드를 용접시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법은, (a) 서로 반대되는 극성을 가진 제1 리드와 제2 리드가 반대 방향으로 각각 굴곡된 다수의 셀들을 준비하는 단계; (b) 이웃하는 셀들 중 어느 하나의 셀의 제1 리드와 다른 하나의 셀의 제2 리드가 카트리지 측벽에서 동일 선상에 위치되는 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 형성되도록 각각의 셀이 수납된 다수의 카트리지들을 적층시켜 카트리지 조립체를 형성하는 단계; (c) 대응되는 각각의 제1와 제2 리드에 동시에 면할 수 있는 다수의 버스 바들이 마련된 센싱 하우징을 카트리지 조립체의 측면에 조립시키는 단계; 및 (d) 각각의 버스 바를 제1 리드와 제2 리드에 상응하는 서로 다른 용접점 에서 용접시키는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 (b) 단계에서, 각각의 카트리지 측면에 격벽을 형성시킨다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는 상응하는 카트리지에 수납된 상태에서 셀의 리드 절연부로부터 각각의 리드가 대략 1mm 지점에서 직각으로 굴곡된다.
바람직하게, 상기 (d) 단계는 레이저 용접기를 이용한다.
바람직하게, 레이저 용접기의 레이저 주사 방향은 센싱 하우징에 실질적으로 수직이다.
바람직하게, 버스 바와 제2 리드는 구리로 제작되고, 제1 리드는 알루미늄으로 제작된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 방법에 의해 제조된 컴팩트한 이차전지 모듈이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 방법에 따른 컴팩트한 이차전지 모듈들을 포함하는 이차전지 팩이 제공된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 단자 용접 방법 및 이를 이용한 컴팩트한 이차전지 모듈은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 셀의 리드의 벤딩 길이를 최소로 구성하고, 버스 바가 부착된 구조물을 카트리지 조립체의 측면에 조립시키는 과정에서, 특히 레이저 용접에서 모재의 순서를 변경(예, 버스바-알루미늄 리드, 및 버스바-구리 리드에서 2개의 용접점에서 개별적으로 용접하거나, 버스바-구리 리드-알루미늄 리드를 동시에 용접)한 구조 즉, 이종재 용접에 의해 센싱 구조물의 용접 품질을 향상시키고 컴팩트한 모듈의 구성이 가능하다.
둘째, 모듈 구성에서 있어서 불필요한 공간을 최소화시켜 모듈을 컴팩트하게 구성하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
셋째, 셀 리드들과 버스 바 사이의 용접 모재의 순서에 있어서, 용접 주사 방향에 대해 버스 바가 먼저 주사되는 방식을 적용하여 리드의 손상을 방지할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 결합 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 분리 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 카트리지 조립체 부위의 발췌 사시도이다.
도 4는 도 3의 확대 사시도이다.
도 5는 도 2의 센싱 하우징의 발췌 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 셀의 리드의 굴곡 부위를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 리드 용접부 부위의 부분 발췌 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 컴팩트한 이차전지 전극 리드 용접 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 컴팩트한 이차전지 전극 리드 용접 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 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 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 결합 사시도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 분리 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 컴팩트한 이차전지 모듈(100)은 각각의 셀(2)을 수납하는 다수의 카트리지들(10)이 적층된 카트리지 조립체(20), 카트리지 조립체(20)의 측면에 예들 들어, 원터치 형태 또는 스냅핏(snap-fit), 후크 형태로 결합되는 센싱 하우징(30), 및 센싱 하우징(30)에 설치된 다수의 버스 바들(32) 및 BMS 회로 기판(34)을 보호하기 위한 센싱 커버(40)를 구비한다. 도 5의 참조부호 36은 다수의 모듈들(100)이 결합되는 경우, 각각의 BMS 회로 기판(34) 사이에서 데이터를 주고 받기 위한 한 쌍의 데이타 통신 포트들이고, 참조부호 38은 이차전지 모듈(100) 내부의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(미도시)의 신호를 수신하기 위한 온도 데이터 포트이다. 참조부호 31은 완성된 이차전지 모듈(100)의 양극 터미널 단자와 음극 터미널 단자를 각각 나타낸다.
카트리지 조립체(20)는 플라스틱으로 사출 성형되고 셀(2)을 수납할 수 있는 수납부가 형성된 다수의 카트리지들(10)이 적층된 것으로서, 각각의 카트리지(10)는 서로 스냅-핏 또는 후크에 의해 결합되는 것이 바람직하다. 카트리지 조립체(20)에 있어서, 이웃하는 셀들(2)의 반대 극성을 가진 리드들(12)(14) 예를 들어, 제1 극성을 가지며 예를 들어, 알루미늄으로 제조되는 제1 리드(12)와 제1 극성에 반대되는 제2 극성을 가지며 예를 들어, 구리로 제조되는 제2 리드(14)가 겹쳐지는 다수의 리드 용접부들이 각각의 카트리지(10)의 측벽에 미리 결정된 패턴으로 위치된다.
카트리지 조립체(20)는 양단의 카트리지들(10)에 예를 들어, 후크 결합되는 상부 커버(11)와 하부 커버(13)를 구비한다. 상부 커버(11)와 하부 커버(13)는 각각 카트리지 조립체(20)의 개별 카트리지(10)와 실질적으로 동일한 형상을 가지도록 사출 성형된다. 상부 커버(11)와 하부 커버(13)는 양단의 카트리지(10)에 수납된 셀(2)을 보호하는 기능을 가지며, 이차전지 모듈(100)의 외형을 마무리하여 둘러싸는 기능과 구조를 가지는 것은 당업자가 충분히 이해할 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 카트리지 조립체 부위의 발췌 사시도이고, 도 4는 도 3의 확대 사시도이고, 도 5는 도 2의 센싱 하우징의 발췌 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 센싱 하우징(30)은 각각의 리드 용접부에 상응하는 다수의 버스 바들(32)이 마련된다. 각각의 버스 바(32)는 예를 들어, 구리로 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 센싱 하우징(30)은 대략 직사각 형태로 예를 들어, 절연성 플라스틱에 의해 사출 성형될 수 있고, 각각의 버스 바(32)를 수납할 수 있는 다수의 수납 구멍들(35)이 소정 패턴으로 관통 형성되어 있다. 센싱 하우징(30)의 대략 중앙부에는 상응하는 버스 바(32)에 의해 감지되는 각각의 셀(2)의 전압 및/또는 온도 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 통해서 해당하는 셀(2)을 밸런싱하고 모듈의 다른 제어부(미도시)로 데이터를 전달하는 기능을 가진 BMS 회로 기판(34)이 설치된다. BMS 회로 기판(34)은 각각의 버스 바(32)의 일단과 전기적으로 연결된다.
제1 리드(12)와 제2 리드(14)는 각각의 셀(2)의 사이드로부터 소정 길이만큼 연장 및 굴곡되고 소정의 폭을 각각 가진다. 각각의 셀(2)의 제1 리드(12)는 도면의 하방으로 90도 각도 굴곡되고, 제2 리드(14)는 도면의 상방으로 90도 굴곡된다.
전술한 바와 같이, 각각의 리드 용접부를 구성하기 위해, 이웃하는 셀들 중 어느 하나의 셀(2)의 제1 리드(12)는 카트리지(10)의 두께의 대략 절반의 길이만큼 굴곡부로부터 연장되고, 다른 하나의 셀(2)의 제2 리드(14)는 카트리지(10)의 두께의 다른 대략 절반의 길이만큼 연장됨으로써, 제1 리드(12)와 제2 리드(14)는 리드 용접부에서 동일한 평면에 위치되고, 그 끝단은 서로 마주보면서 실질적으로 접촉하거나 소정 간격 이격되게 배치된다. 이 상태에서, 카트리지 조립체(20)에 센싱 하우징(30)이 결합되면, 대응되는 각각의 버스 바(32)는 제1 리드(12)와 제2 리드(14)에 동시에 면하게 된다. 그리고, 예를 들어, 레이저 용접기를 이용하여 2개의 용접 포인트에서 용접될 수 있다. 이러한 용접 공정은 제1 리드들(12)에 해당하는 센싱 하우징(30)의 버스 바들(32)을 먼저 용접한 후 제2 리드들(14)에 해당하는 버스 바들(32)의 용접 포인트에 용접을 할 수 있음은 물론이고, 2개의 용접 포인트를 가진 용접기를 이용하여 2 포인트를 동시에 용접할 수도 있다. 변형된 실시예에 따르면, 제1 리드(12), 제2 리드(14), 및 상응하는 버스 바(32)는 초음파 용접에 의해 서로 결합될 수도 있음을 당업자는 이해할 것이다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 셀의 리드의 굴곡 부위를 도시한 단면도인 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈(100)을 컴팩트하게 구성하여 에너지 효율을 최대한 높이기 위해, 각각의 셀(2)의 리드(12)(14)는 상응하는 카트리지에 수납된 상태에서 리드 절연부(15)로부터 대략 0.8 내지 1.2 mm 지점에서 직각으로 굴곡되는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 리드 용접부 부위의 부분 발췌 단면도인 도 7을 참조하면, 각각의 리드 용접부에 이웃하는 셀들(2)의 제1 리드(12)와 제2 리드(14)가 나란하게 서로 마주보게 배치된 상태의 카트리지 조립체(20)의 측면에 센싱 하우징(30)이 결합되어 이차전지 모듈(100)을 구성하게 되면, 모듈(100)의 외측 즉, 레이저 용접이 수행되는 방향으로부터 카트리지 조립체를 향하는 방향으로 버스 바(32), 및 제1 리드(12)와 제2 리드(14)가 동시에 면하도록 위치된다. 이렇게 배치된 상태에서 버스 바(32)와 제1 리드들(12) 사이 및 버스 바(32)와 제2 리드들(14) 사이를 용접할 때 특히, 센싱 하우징(30)에 실질적으로 수직인 방향으로 레이저를 주사할 때, 카트리지 조립체(20)의 각각의 카트리지(10)에 수납된 셀(2)을 보호하기 위해 각각의 카트리지(10)는 측면에 마련된 격벽(18)을 구비한다. 이러한 격벽(18)은 레이저 장치(미도시)에 의해 주사되는 레이저(미도시)가 셀(2)에 직접적으로 주사되는 것을 막기 위한 차단벽 기능을 가지는 것을 당업자가 충분히 이해할 것이다.
도 7을 참조하면, 격벽(18)은 제1 리드(12)가 절곡되어 접촉되는 제1 측면부(a)와, 제1 측면부(a)의 대향되는 위치에 배치되며, 제2 리드(14)가 절곡되어 접촉되는 제2 측면부(b)와, 제1 측면부(a)와 제2 측면부(b)를 연결하며, 제1 리드(12) 및 제2 리드(14)로부터 이격되는 베이스부(c)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈(100)은 센싱 하우징(30)이 카트리지 조립체(20)에 결합된 상태에서, BMS 회로 기판(34)과 버스 바(32) 부위를 보호하기 위해 센싱 하우징(30)에 센싱 커버(40)가 결합된 상태를 도시한다. 센싱 커버(40)는 센싱 하우징(30)에 스냅 또는 후크 결합되는 것이 바람직하고, 절연성 플라스틱 재질에 의해 사출 성형되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 이차전지 모듈의 전극 리드의 용접 방법을 설명한다.
먼저, 서로 반대되는 극성을 가진 제1 리드(12)와 제2 리드(14)가 반대 방향으로 굴곡된 다수의 셀들(2)을 준비한다. 여기서, 제1 리드(12)와 제2 리드(14)의 길이는 셀(2)이 카트리지(10)에 수납될 때 카트리지(10)의 폭의 대략 절반이 되는 것이 바람직하다. 또한, 셀(2)이 각각 상응하는 카트리지(10)에 수납된 상태에서 셀의 리드(12)(14)는 리드 절연부(15)로부터 대략 0.8 내지 1.2mm 바람직하게, 1mm 지점에서 직각으로 굴곡시킴으로써, 에너지 효율을 최대화 시킬 수 있다.
이어서, 이웃하는 셀들(2)의 반대되 극성의 리드들(12)(14)이 서로 마주보도록 리드 용접부들이 카트리지(10)의 측벽에 미리 결정된 패턴으로 위치되도록 각각의 셀(2)이 수납된 다수의 카트리지들(10)을 적층시켜 카트리지 조립체(20)를 형성한다. 여기서, 각각의 셀(2)이 카트리지(10)에 수납되어 카트리지 조립체(20)를 형성하기 위해 적층되면, 이웃하는 2개의 셀들(2)의 서로 반대되는 극성의 제1 리드(12)와 제2 리드(14)의 끝단은 서로 접촉할 수도 있고 소정 간격 이격될 수도 있지만, 리드 용접부에서 제1 리드(12)와 제2 리드(14)는 동일한 평면에 놓이게 된다. 카트리지 조립체(20)를 형성하기 위한 각각의 카트리지(10)는 셀(2)을 수납할 수 있는 수납부가 마련되고 이웃하는 한 쌍의 카트리지(10)는 서로 스냅-핏 또는 후크 결합될 수 있도록 후크와 슬롯이 형성될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 카트리지 조립체(20)의 양면에서는 각각 셀(2)을 수납 및 보호할 수 있는 상부 커버(11)와 하부 커버(13)가 예를 들어, 스냅-핏 또는 후크 결합된다. 또한, 제1 리드(12)와 제2 리드(14)가 놓여지는 카트리지(10)는 각각의 측면에 격벽(18)이 마련된 카트리지를 이용함으로써, 후술하는 레이저 용접 작업시 레이저로부터 셀(2)을 보호한다.
다음, 대응되는 버스 바(32)가 제1 리드(12)와 제2 리드(14)에 대면할 수 있도록 각각의 리드 용접부에 상응하는 다수의 버스 바들(32)이 설치된 센싱 하우징(30)을 카트리지 조립체(20)의 측면에 후크 또는 스냅-핏 형태로 결합시킨다. 여기서, 제1 리드(12)는 알루미늄으로 제작되고, 제2 리드(14)와 버스 바(32)는 구리로 제작된다.
마지막으로, 각각의 리드 용접부의 제1 리드(12)와 제2 리드(14)와 각각의 버스 바(32)의 2개의 용접 포인트에서 레이저 용접을 실시한다. 이 단계는 각각의 버스 바(32)의 2개의 용접 포인트를 가진 용접 시스템을 사용할 수도 있고, 어느 하나의 리드에 해당하는 용접 포인트를 가진 개별 레이저 용접기를 이용하여 포인트 용접을 수회 수행할 수도 있다. 또한, 레이저 용접기는 센싱 하우징(30)에 실질적으로 수직인 방향으로 레이저를 주사시키는 것이 바람직하다.
전술한 실시예들에 따른 이차전지 모듈들(100)은 서로 직/병렬 방식으로 전기적으로 연결되어 소정의 케이스에 수납되어 예를 들어, 가정용 광기전(PV) 태양 에너지 패널을 위한 전력저장장치를 위한 컴팩트한 이차전지 팩을 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 바람직한 예시적 실시예에 따른 컴팩트한 이차전지 전극 리드 용접 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 이차전지 전극 리드 용접 방법 및 이를 이용한 컴팩트한 이차전지 모듈에 있어서, 이웃하는 셀의 반대되는 극성을 가진 제1 리드(12)와 제2 리드(14)를 서로 겹쳐서 리드 용접부를 형성한다. 이 과정에서, 제1 리드(12)를 카트리지(10)의 측벽에 면하게 하고, 버스 바(32)와 제1 리드(12)사이에 제2 리드(14)가 위치되도록 한다. 즉, 이렇게 리드 용접부를 구성함으로써, 예를 들어, 레이저 용접기를 이용하여 리드 용접부를 용접시킬 때, 버스 바(32), 제2 리드(14) 및 제1 리드(12)가 순차적으로 위치된 상태에서 하나의 포인트에서 용접될 수 있다. 본 실시예에 따른 용접 방법의 경우, 3개의 모재들을 동시에 용접해야 되기 때문에, 2개의 모재만을 용접하는 전술한 실시예보다 용접기의 출력이 더 강한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
2...셀 10...카트리지
11...상부 커버 12...제1 리드
13...하부 커버 14...제2 리드
15...리드 절연부 18...격벽
20...카트리지 조립체 30...센싱 하우징
32...버스 바 34...BMS 회로 기판
35...수납 구멍 38...온도 데이터 포트
40...센싱 커버

Claims (22)

  1. 이웃하는 셀들의 제1 리드와 제2 리드가 겹쳐지는 다수의 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 미리 결정된 패턴으로 위치되고, 각각의 셀을 수납하면서 적층된 다수의 카트리지들을 포함하는 카트리지 조립체; 및
    각각의 리드 용접부에 상응하게 위치되어 용접될 수 있는 다수의 버스 바들이 마련되고 카트리지 조립체의 측면에 배치될 수 있는 센싱 하우징을 구비하고;
    카트리지 조립체에 센싱 하우징이 결합될 때, 카트리지의 측벽으로부터 외측 방향으로 제1 리드, 제2 리드 및 버스 바가 순차적으로 위치된 상태에서 버스 바의 방향에서 용접되며,
    용접 작업시 셀을 보호하기 위해 각각의 카트리지의 측면에 마련된 격벽을 구비하고,
    상기 격벽은,
    상기 제1 리드가 절곡되어 접촉되는 제1 측면부;
    상기 제1 측면부의 대향되는 위치에 배치되며, 상기 제2 리드가 절곡되어 접촉되는 제2 측면부; 및
    상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하며, 상기 제1 리드 및 상기 제2 리드로부터 이격되는 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  2. 이웃하는 셀의 리드의 끝단들이 동일선 상에 위치되어 다수의 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 미리 결정된 패턴으로 형성되고, 각각의 셀을 수납하면서 적층된 다수의 카트리지들을 포함하는 카트리지 조립체; 및
    각각의 리드 용접부에 상응하게 위치되어 용접될 수 있는 다수의 버스 바들이 마련되고 카트리지 조립체의 측면에 배치될 수 있는 센싱 하우징을 구비하고;
    카트리지 조립체에 센싱 하우징이 결합될 때, 각각의 버스 바는 대응되는 셀의 제1 리드와 제1 리드와 반대되는 극성의 제2 리드에 서로 다른 용접 포인트에서 용접되며,
    용접 작업시 셀을 보호하기 위해 각각의 카트리지의 측면에 마련된 격벽을 구비하고,
    상기 격벽은,
    상기 제1 리드가 절곡되어 접촉되는 제1 측면부;
    상기 제1 측면부의 대향되는 위치에 배치되며, 상기 제2 리드가 절곡되어 접촉되는 제2 측면부; 및
    상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하며, 상기 제1 리드 및 상기 제2 리드로부터 이격되는 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    각각의 셀의 리드는 상응하는 카트리지에 수납된 상태에서 리드 절연부로부터 1mm 지점에서 직각으로 굴곡되는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 용접은 레이저 용접인 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 레이저의 방향은 센싱 하우징에 수직인 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    버스 바와 제2 리드는 구리로 제작되고, 제1 리드는 알루미늄으로 제작되는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    센싱 하우징은 각각의 버스 바에 의해 감지되는 각각의 셀의 전압 및/또는 온도 데이터를 관리하기 위한 BMS 회로 기판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  9. 청구항 8에 있어서,
    센싱 하우징은 카트리지 조립체에 스냅 또는 후크 결합되는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  10. 청구항 8에 있어서,
    센싱 하우징에 결합되는 센싱 커버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    센싱 커버는 센싱 하우징에 스냅 또는 후크 결합되는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    카트리지 조립체의 이웃하는 2개의 카트리지들은 서로 후크 결합되는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    카트리지 조립체는 양단의 카트리지에 각각 후크 결합되는 상부 커버와 하부 커버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈.
  14. (a) 서로 반대되는 극성을 가진 제1 리드와 제2 리드가 반대 방향으로 각각 굴곡된 다수의 셀들을 준비하는 단계;
    (b) 이웃하는 셀들 중 어느 하나의 셀의 제1 리드가 카트리지 측벽에 면하고, 다른 하나의 셀의 제2 리드가 제1 리드에 면하도록 겹쳐지는 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 미리 결정된 패턴으로 형성되도록 각각의 셀이 수납된 다수의 카트리지들을 적층시켜 카트리지 조립체를 형성하는 단계;
    (c) 각각의 제2 리드에 면할 수 있는 다수의 버스 바들이 마련된 센싱 하우징을 카트리지 조립체의 측면에 조립시키는 단계; 및
    (d) 각각의 버스 바, 이에 상응하는 제2 리드 및 제1 리드를 용접시키는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서, 각각의 카트리지 측면에 격벽을 형성시키는 단계를 포함하며,
    상기 격벽은,
    상기 제1 리드가 절곡되어 접촉되는 제1 측면부;
    상기 제1 측면부의 대향되는 위치에 배치되며, 상기 제2 리드가 절곡되어 접촉되는 제2 측면부; 및
    상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하며, 상기 제1 리드 및 상기 제2 리드로부터 이격되는 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법.
  15. (a) 서로 반대되는 극성을 가진 제1 리드와 제2 리드가 반대 방향으로 각각 굴곡된 다수의 셀들을 준비하는 단계;
    (b) 이웃하는 셀들 중 어느 하나의 셀의 제1 리드와 다른 하나의 셀의 제2 리드가 카트리지 측벽에서 동일 선상에 위치되는 리드 용접부들이 카트리지 측벽에 형성되도록 각각의 셀이 수납된 다수의 카트리지들을 적층시켜 카트리지 조립체를 형성하는 단계;
    (c) 대응되는 각각의 제1와 제2 리드에 동시에 면할 수 있는 다수의 버스 바들이 마련된 센싱 하우징을 카트리지 조립체의 측면에 조립시키는 단계; 및
    (d) 각각의 버스 바를 제1 리드와 제2 리드에 상응하는 서로 다른 용접점 에서 용접시키는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서, 각각의 카트리지 측면에 격벽을 형성시키는 단계를 포함하며,
    상기 격벽은,
    상기 제1 리드가 절곡되어 접촉되는 제1 측면부;
    상기 제1 측면부의 대향되는 위치에 배치되며, 상기 제2 리드가 절곡되어 접촉되는 제2 측면부; 및
    상기 제1 측면부와 상기 제2 측면부를 연결하며, 상기 제1 리드 및 상기 제2 리드로부터 이격되는 베이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법.
  16. 삭제
  17. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 (a) 단계는 상응하는 카트리지에 수납된 상태에서 셀의 리드 절연부로부터 각각의 리드가 1mm 지점에서 직각으로 굴곡되는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법.
  18. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    상기 (d) 단계는 레이저 용접기를 이용하는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    레이저 용접기의 레이저 주사 방향은 센싱 하우징에 수직인 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법.
  20. 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서,
    버스 바와 제2 리드는 구리로 제작되고, 제1 리드는 알루미늄으로 제작되는 것을 특징으로 하는 컴팩트한 이차전지 모듈의 전극 리드 용접 방법.
  21. 청구항 14 또는 청구항 15의 방법에 의해 제조된 컴팩트한 이차전지 모듈.
  22. 청구항 21의 컴팩트한 이차전지 모듈을 포함하는 이차전지 팩.
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