KR101985387B1 - 내구성이 우수한 배터리팩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내구성이 우수한 배터리 팩을 개시한다.
본 발명에 따르는 내구성이 우수한 배터리 팩은 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 직렬이나 병렬적으로 배열하여 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리팩에 있어서, 양극이나 음극 중 어느 한 전극을 나타내도록 전극단자를 병렬로 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 탭플레이트에 타공된 복수개의 탭홀 내면에서 연장된 연장부에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부와, 상기 탭홀에 대향되는 버스홀을 구비한 버스바는 상기 탭플레이트와 통전될 수 있도록 용접된 적어도 하나의 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

내구성이 우수한 배터리팩{Battery package with improved durability}
발명은 내구성이 우수한 배터리팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저용접에 의해 생산성을 증가시키고, 경시적으로 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 발생되는 접촉저항의 증가를 예방하여 내구성을 향상시킬 수 있는 내구성이 우수한 배터리팩에 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.
즉, 도 11 내지 13에서 볼 수 있듯이, 종래 버스바(300)가 단위배터리(200)의 전지캔 개구(210)와 이격된 간격이 작아서 조립시나 전기자동차 운행시에 충격이나 진동에 의하여 개구와 버스바가 접촉되어 전기적 단락이 발생될 우려가 있을 수 있고, 이를 방지하기 위하여 두꺼운 버스바(300')를 충분히 전지캔과 이격시키고 도전성 얇은 와이어(Wire)를 초음파용접으로 부착하여 개선하고 있으나, 공정이 복잡하고 wire의 낮은 부착강도를 보완하기 위하여 단위배터리, 이를 고정하는 홀더, 버스바 등을 모두 본딩해야 하는 부담을 발생시키는 문제가 있었다.
한편, 도 13에서 볼 수 있듯이, 레이저 용접(welding by laser)으로 버스바(300)를 전지캔 바닥부(220)와 부착하는 경우에 고에너지의 레이저에 의하여 전지캔 바닥부가 파손되어 제조시 불량을 발생시키는 문제도 있었다.
대한민국공개특허공보 제1020120114494호(2012.10.17)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 레이저용접에 의해 생산성을 증가시키고, 경시적으로 외부에 충격이나 반복되는 고진동은 물론, 수분에 의해 발생되는 접촉저항의 증가를 예방하여 내구성을 향상시킬 수 있는 배터리 팩에 관한 것이다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 직렬이나 병렬적으로 배열하여 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리팩에 있어서, 양극이나 음극 중 어느 한 전극을 나타내도록 전극단자를 병렬로 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 탭플레이트에 타공된 복수개의 탭홀 내면에서 연장된 연장부에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부와, 상기 탭홀에 대향되는 버스홀을 구비한 버스바는 상기 탭플레이트와 통전될 수 있도록 용접된 적어도 하나의 용접부를 포함하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 접합부는 전지캔 바닥부의 두께와 같거나 얇은 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하며, 상기 탭플레이트는 2개 이상의 단위 배터리의 동일한 전극을 연결하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 버스바에는 복수개의 탭플레이트와 용접부를 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 버스바는 단위 배터리들의 2개의 전극에 전기적으로 연결되도록 각각 상부버스바와 하부버스바를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 상부버스바 갯수는 하부버스바 갯수Df) 보다 하나 많은 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 접합부는 버스홀로 진입하여 전극단자와 접합되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 접합부는 버스홀의 내경과 같거나 작은 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 연장부는 탭홀에 인접한 안착부에서 탭홀의 중심에서 외주방향을 향하도록 굴곡된 굴곡부를 구비하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 굴곡부에 의해 형성되는 굴곡외경은 버스홀의 내경보다 큰 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 안착부의 높이는 버스바의 높이보다 작거나 같은 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 안착부의 외경은 버스홀의 내경보다 작거나 같은 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 접합부에는 타공된 확인홀을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 연장부에는 탭플레이트의 접합부가 위치한 면의 반대면으로 돌출된 완충융기부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 탭플레이트는 알루미늄, 알루미늄합금 또는 구리인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 용접은 레이저 조사에 의하여 용융되고 고화되어 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 레이저는 그 파워덴시티가 10 내지 30MW/㎠인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 레이저는 30 내지 70%의 단위면적당 레이저 조사된 영역을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 레이저는 0.02 내지 0.05 레이저 인터렉션 타임을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 레이저는 500 내지 1400 에너지덴시티를 구비하는 것일 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 발명의 일실시예에 따른 탭플레이트가 용접된 배터리팩과 케이스부재를 분해하여 보여주는 분리사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 배터리백을 분리하여 보여주는 사시도이며,
도 3은 본 발명의 탭플레이트와 버스바를 분리하여 나타낸 도면이고,
도 4는 도 1의 탭플레이트가 잘 보이도록 케이스 내부에 배터리팩이 조립된 상태를 평면적으로 보여주는 도면이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의하여 복수개의 탭플레이트가 복수개의 단위배터리의 두 전극에 대향하여 배치되도록 하는 상하 버스바에 배치된 채 용접되어 전력공급회로를 구성하고 있는 개념을 보여주는 도면으로, 복수개의 단위배터리로 직렬회로와 병렬회로가 구성되어 음극과 양극전원이 구성하고, 실선은 상부버스바, 점선은 하부버스바를 표현하며,
도 6은 본 발명의 배터리팩과 상하부홀더에 체결된 상태를 측면에서 보이는 형상을 나타낸 도면이고,
도 7은 도 5의 Ⅸ 부분을 확대하여 나타낸 그림이며,
도 8은 본 발명에 따르는 탭플레이트의 다른 실시 형태로, 탭플레이트와 이에 대향된 버스바의 단면을 나타낸 그림이고,
도 9는 도 8의 탭플레이트와 버스바가 체결되어, 용접되는 형상을 단면적으로 나타낸 그림이며,
도 10은 본 발명에 따르는 탭플레이트의 또 다른 실시 형태로, 탭플레이트와 이에 대향된 버스바의 단면을 나타낸 그림이고,
도 11은 종래 버스바가 단위배터리의 전지캔 개구와 전기적 단락되는 형상을 단면적으로 나타낸 그림이고,
도 12는 종래 두껍고 안정적인 버스바를 단위배터리와 이격시켜 초음파 마찰을 이용하여 용접한 가는 도전 와이어로 통전하고 있는 형태를 단면저으로 나타낸 그림이며,
도 13은 종래 레이저 용접시 레이저의 고에너지에 의하여 버스바와 전지캔 바닥부가 손상되는 형상을 단면적으로 보여주는 그림이다.
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 발명의 일실시예에 따른 탭플레이트가 용접된 배터리팩과 케이스부재를 분해하여 보여주는 분리사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 배터리백을 분리하여 보여주는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 탭플레이트와 버스바를 분리하여 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1의 탭플레이트가 잘 보이도록 케이스 내부에 배터리팩이 조립된 상태를 평면적으로 보여주는 도면이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의하여 복수개의 탭플레이트가 상하버스바에 배치된 채 용접되어 전력공급회로를 구성하고 있는 개념을 보여주는 도면으로, 복수개의 단위배터리로 직렬회로와 병렬회로가 구성되어 음극과 양극전원이 구현되고 있으며, 도 6은 본 발명의 배터리팩과 상하부홀더에 체결된 상태를 측면에서 보이는 형상을 나타낸 도면이고, 도 7은 도 5의 Ⅸ 부분을 확대하여 나타낸 그림이며, 도 8은 본 발명에 따르는 탭플레이트의 다른 실시 형태로, 탭플레이트와 이에 대향된 버스바의 단면을 나타낸 그림이고, 도 9는 도 8의 탭플레이트와 버스바가 체결되어, 용접되는 형상을 단면적으로 나타낸 그림이며, 도 10은 본 발명에 따르는 탭플레이트의 또 다른 실시 형태로, 탭플레이트와 이에 대향된 버스바의 단면을 나타낸 그림인데, 이를 참고하여 설명한다.
본 발명에 따르는 내구성이 우수한 배터리 팩(100)은 복수의 단위 배터리(200)와, 상기 단위 배터리들의 전극단자(210)들을 직렬이나 병렬적으로 배열하여 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리팩에 있어서, 양극(+)이나 음극(-) 중 어느 한 전극을 나타내도록 전극단자(210)를 병렬로 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 탭플레이트(tab plate, 300)에 타공된 복수개의 탭홀 내면에서 연장된 연장부(312)에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부(310)와, 상기 탭홀(320)에 대향되는 버스홀(420)을 구비한 버스바(400)는 상기 탭플레이트와 통전될 수 있도록 용접된 적어도 하나의 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 있고, 상기 배터리 팩(100)은 원통형(cylindrical type) 이차전지와 같은 단위배터리(200)를 설계된 전압이나 전류값을 출력하도록 복수개로 배열하여 상부홀더(610)와 하부홀더(620)와의 사이에 개재시켜 고정할 수 있다.
여기서, 복수개로 배열되는 단위배터리로 병렬로 같은 극성을 나타내도록 배열될 수 있는데, 상세하게는 후술한다.
여기서, 상기 상/하부홀더(610, 620)는 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.
또한, 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.
아울러, 상기 상부홀더(610)로 개구된 노출홀(642)에는 배터리 전극단자(210)가 노출되며, 상기 전극단자에는 탭플레이트의 탭홀(320) 내면에서 연장된 연장부(312)에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부(310)가 용접으로 고정되어 통전상태를 이루고 있다.
또한, 상기 탭홀(320)에 대향되는 버스홀(420)을 구비한 버스바(400)는 탭플레이트와 전기적 통전상태가 되도록 용접된 적어도 하나의 용접부(미도시)를 포함할 수 있는데, 상기 용접부는 탭플레이트(300)와 버스바(400)를 탭홀과 대향되는 버스홀을 대향시킨 후 복수개의 용접개소를 용접하여 고정할 수 있으며, 이러한 용접부 형성을 위한 용접은 레이저 용접을 수행하는 것이 생산성 향상과 원가 절약차원에서 바람직하다.
또한, 상기 접합부(310) 두께(310t)는 전지캔 바닥부(220)의 두께(220t)와 같거나 얇도록 구성하는 것이 바람직하며, 만일 반대로 두껍게 구현하는 경우에는 레이저에 의하여 전지캔이 손상되어 전해질의 누출이 발생될 수 있다.
아울러, 이러한 레이저 용접은 단위 배터리에 손상을 가하지 아니하는 범위에서 피착물의 견고한 접합을 통하여 통전이 원활하게 수행되어야 하는바, 상기 레이접 용접시 필요한 레이저는 파워덴시티(power density)가 10 내지 30MW/㎠를 가지며, 30 내지 70%의 단위면적당 레이저 조사된 영역(Cross section area %)을 갖고, 0.02 내지 0.05 레이저 인터렉션 타임(Laser interaction time, Laser irradiation time/d, d= lasef spot diameter)과 500 내지 1400 에너지덴시티(Energy density, J/sq.cm)를 갖을 수 있는데, 이 범위를 벗어나는 경우 즉 하한치 미만이면 용접이 불완전하여 용접시나 사용중에 오픈(open) 불량이 발생될 수 있으며, 반대로 상한치를 초과하면, 과도한 레이저 에너지에 의하여 용접 품위는 물론 전지캔 내부의 전해질이 외부로 누출될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하여 복수개의 탭플레이트와 버스바가 구현된 배터리팩(100)은, 도 5를 예를 들어 보면, 배터리팩에는 복수개의 단위배터리들이 배치되되, 전극의 배치는 도면상 지면의 앞부분이 양극이면 (+)로, 음극이면 (-)로 표시한 단위팩모듈(1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006)로 나타낼 수 있고, 단위팩모듈은 단위 배터리 8×8(가로×세로)개를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 단위팩모듈의 전극단자에 부착되는 탭플레이트를 1개로 구현할 수 있음은 물론 복수개로 분할하여 구성할 수 있는데, 이러한 탭플레이트는 버스바와 용접부를 통하여 통전상태를 이룰 수 있으므로, 공정상에 필요한 수로 설계하여 구비할 수 있다.
또한, 상기 탭플레이트는 설계된 전력량에 따라 직렬이나 병렬로 구성되기 위하여 단위팩모듈에 복수개의 접합부를 통하여 통전상태를 형성한 탭플레이트는 용접부를 통하여 버스바(400)와 통전상태를 이룰 수 있는데, 도 5에서 볼 수 있듯이, 복수개의 버스바(F1, F2, F31, F32, B1, B2, B3)를 배터리팩(100)을 구성할 수 있다.
즉, 복수개의 단위배터리 일 전극측에 배치되는 상부버스바에 해당하는 F1, F2, F31, F32와 상기 복수개의 단위배터리 타 전극측에 배치되는 하부버스바에 해당하는 B1, B2, B3를 배치하여 전력원을 구현될 수 있으며, 도 5에서와 같이, 상부버스바에 전원탭(flange, F+, F-)를 형성하는 경우에는 상부버스바의 갯수는 하부버스바의 갯수 보다 항상 1개가 더 많아, 상부버스바 갯수(Uf)는 하부버스바 갯수(Df)는 Uf=Df+1인 관계가 성립한다.
이러한 경우, 전원을 형성하는 양극전원(F+)과 음극전원(F-)의 회로를 보면, 양극전원(F+)은 F1 상부버스바에서 B1 하부버스바로, B1에서 F31로 , F31에서 B3으로, B3에서 F32로, F32에서 B2로, B2에서 F2로, F2는 음극전원(F-)으로 회로를 구성하여 외부의 회로나 부하에 전력을 인가할 수 있다.
또한, 상술한 대로 탭플레이트(300)와 버스바(400)는 복수개의 단위배터리를 직렬이나 병렬로 연결하여 외부에 전력을 인가하는 일체형 버스바인바, 일체형을 이루는 탭플레이트와 버스바는 첨부된 도 2, 3, 7, 8, 9, 10에서와 같이, 순서대로, 전극단자, 버스바, 탭플레이트의 배치는 물론, 전극단자, 탭플레이트, 버스바의 배치로 용접되거나 배열되어도 일체형 버스바의 기술을 구현할 수 있음은 물론이다.
여기서, 상기 탭플레이트는 전지캔과 같거나 얇은 두께를 가져야 용접에 의한 불량을 방지할 수 있으나, 통전성은 두꺼운 통전재가 유리한 측면이 있어, 버스바는 탭플레이트보다 두껍게 형성할 수 있다. 예를 들면, 탭플레이트의 접합부 두께는 0.4㎜이하, 버스바의 두께는 1.0㎜이상을 사용할 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, 즉, 탭홀 중심에서 외주면 방향으로 또는 외주면에서 중심방향으로 구비될 수 있는데, 예를 들면 중심에서 외주면 방향으로 연장은 굴곡부의 형성이, 반대로 외주면 방향에서 중심으로 연장은 안착부가 될 수 있는데, 이의 부연은 후술한다.
한편, 상기 연장부(312)는 탭홀의 내면에서 연장되어 접합부(310)에 이르며, 상기 접합부의 크기(외경 L2)는 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.
여기서, 상기 연장부(312)는 버스바(400)의 버스홀(410)으로 연장되도록 하여 접합부(310)를 형성할 수 있으며, 이 경우에는 전극단자를 대향되도록 순서대로 버스바, 탭플레이트로 배치될 수 있으며, 전지캔 바닥부의 두께가 얇은 경우에 이보다 두꺼운 접합부를 덧대고 레이저 용접을 수행하면, 전지캔 바닥부에 손상이 발생될 수 있어서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 얇은 탭플레이트를 채용할 수 있는데 얇은 탭플레이트를 채용하는 경우에는 자동차 운행중 발생되는 접촉저항이 상승되거나 낮은 전류밀도로 인하여 전기적 특성이 열악해질 수 있으므로, 버스바를 덧댈 수 있다.
따라서, 이러한 경우에 상기 접합부(310)는 버스홀(410)의 내경과 같거나 작은 외경을 가지는 것이 바람직하나 사실상 작은 경우에 탭플레이트와 버스바의 결합이 용이할 수 있다.
한편, 상기 연장부(312)는 탭홀의 중심에서 탭홀 외주방향을 향하도록 굴곡된 굴곡부(3122)를 구비할 수 있어서, 이 경우 굴곡부에 의하여 버스홀로 진입한 접합부(310)가 이탈되어 접촉저항이 증가될 우려를 미연에 방지할 수 있다.
여기서 상기 굴곡부(3122)는 연장부가 탭홀 내면에서 연장되기 시작하는 안착부(3121)에서 탭홀 중심에서 외주방향으로 더 벌어지며 돌출된 굴곡부(3122)을 구비할 수 있어, 상기 굴곡부(3122)에 의해 형성되는 굴곡외경(L)은 버스홀의 내경(H) 보다 크게 형성하는 것이 탭플레이트와 버스바가 구조적으로 이탈되는 것을 방지하고, 전기적 통전상태가 되도록 하는 용접부(미도시)를 형성하는 공정에서도 밀착된 탭플레이트와 버스바를 용접하는 것이 용이할 수 있다.
또한, 굴곡부를 강제로 통과하여 밀착상태를 유지하기 위하여, 상기 접합부의 크기(외경 L2)는 버스홀의 내경(H)보다 작거나 같을 수 있고, 더 바람직하게는 작도록 하여 진입을 위하여 용이한 정렬에 도움이 될 수 있다.
아울러, 상기 안착부의 외경(L1)은 버스홀의 내경(H)보다 작거나 같을 수 있어, 굴곡부(3122)를 진입한 버스바는 탭플레이트와 밀착된 상태로 지지되며 고정될 수 있어 용접을 효과적으로 수행될 수 있도록 하고, 더 나아가 경시적으로도 통전성을 확보할 수 있다.
여기서 상기 안착부의 높이(t)는 버스바의 높이(두께, T)보다 작거나 같을 수 있어, 이 경우 버스홀 내경보다 외경이 더 큰 굴곡부에 의하여 탄성지지되고 있으므로, 버스홀로 진입하여 탭플레이트와 밀착된 버스바가 밀착상태를 유지하는데 도움이 될 수 있다.
또한, 상술한 연장부는 탭홀과 접합부와 브릿지(bridge)) 역할을 하는 바형태(bar-shape)로 복수개를 구비할 수 있어, 탭홀(320)의 크기를 조절할 수 있으며, 결국 연장부(312)의 갯수나 폭, 길이에 따라 탭홀(320)의 빈 공간의 크기나 형태가 정해질 수 있다.
여기서, 상기 접합부(310)에는 별도의 타공된 확인홀(311)을 구비할 수 있는데, 상기 확인홀은 전극단자와 레이저로 용접하기 전과 후에 작업자가 보거나 만지는 등 관능적으로 밀착성을 확인할 수 있고, 단차를 부여할 수 있어 바람직하다
한편, 상기 연장부(312)에는 탭플레이트의 접합부가 위치한 면의 반대면으로 돌출된 완충융기부(330)를 구비할 수 있어서, 배터리팩 조립후 사용하면서 발생될 수 있는 외부의 진동이나 충격 발생시 완충할 수 있게 되어 내구성 향상에 도움이 될 수 있다.
이러한 완충융기부는(330)는 연장부가 하나이든 복수개로 구비되는 경우에 그 브릿지가 접합부가 형성되는 방향의 반대방향으로 연장되고 완충융기부를 형성하며 휘어진 형상이어서 외력이 가해지면 일정정도 유동을 하며 외력을 해소실킬 수 있어 내구성을 향상시킬 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 적으나, 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 탭플레이트(300)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 구리를 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 탭플레이트를 양극단자에 용접하는 경우에는 알루미늄(Al) 판재로 가공하여 레이저 용접을 수행할 수 있음은 물론이다.
따라서, 저항용접이 가능한 탭플레이트를 미리 전극단자에 용접한 후 버스홀을 구비한 버스바를 레이저용접에 의한 용접부를 형성할 수 있음은 물론, 탭홀과 버스홀을 대향시켜 레이저용접에 의한 용접부를 형성하고 전극단자에 저항용접을 수행하여 접합부를 형성할 수 있다.
배터리 팩 100, 단위배터리 200,
전극단자 210, 탭플레이트 300,
접합부 310, 연장부 312',
안착부 3121, 굴곡부 3122,
버스바 400, 버스홀 420,
케이스부재 500, 상부케이스 510,
하부케이스 520, 상부홀더 610,
하부홀더 620, 배터리안착부 640,
노출홀 642,

Claims (20)

  1. 복수의 단위 배터리와, 상기 단위 배터리들의 전극단자들을 직렬이나 병렬적으로 배열하여 전기적으로 연결하는 버스바를 포함하는 배터리팩에 있어서,
    양극이나 음극 중 어느 한 전극을 나타내도록 전극단자를 병렬로 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 탭플레이트에 타공된 복수개의 탭홀 내면에서 연장된 연장부에 의해 전극단자에 대향되어 접합되는 접합부와, 상기 탭홀에 대향되는 버스홀을 구비한 버스바는 상기 탭플레이트와 통전될 수 있도록 용접된 적어도 하나의 용접부를 포함하고,
    상기 버스바는 단위 배터리들의 2개의 전극에 전기적으로 연결되도록 각각 상부버스바와 하부버스바를 포함하며,
    상부버스바에 양극과 음극 전원탭을 형성하는 경우에 상부버스바의 갯수는 하부버스바 보다 하나 더 많고,
    상기 탭플레이트는 알루미늄, 알루미늄합금이며,
    상기 용접은 레이저 조사에 의하여 용융되어 이루어지고,
    상기 레이저는 그 파워덴시티가 10 내지 30MW/㎠이며,
    상기 레이저는 500 내지 1400 에너지덴시티를 구비하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합부는 전지캔 바닥부의 두께와 같거나 얇은 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탭플레이트는 2개 이상의 단위 배터리의 동일한 전극을 연결하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스바에는 복수개의 탭플레이트와 용접부를 형성하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합부는 버스홀로 진입하여 전극단자와 접합되는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 접합부는 버스홀의 내경과 같거나 작은 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연장부는 탭홀에 인접한 안착부에서 탭홀의 중심에서 외주방향을 향하도록 굴곡된 굴곡부를 구비하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 굴곡부에 의해 형성되는 굴곡외경은 버스홀의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 안착부의 높이는 버스바의 높이보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 안착부의 외경은 버스홀의 내경보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합부는 타공된 확인홀을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 연장부는 탭플레이트의 접합부가 위치한 면의 반대면으로 돌출된 완충융기부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 30 내지 70%의 단위면적당 레이저 조사된 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 0.02 내지 0.05 레이저 인터렉션 타임을 가지는 것을 특징으로 하는 내구성이 우수한 배터리팩.
  20. 삭제
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