KR20130049984A - 배터리를 위한 버스바 및 이를 이용한 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20130049984A
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Abstract

배터리를 위한 버스바 및 이를 이용한 배터리 모듈에 관한 것으로, 본 기술의 일 실시예에 의한 버스바는 배터리 전극리드와 접합되는 버스바로서, 제 1 재질로 형성되는 판형상의 제 1 접합부 및 제 1 접합부에 접합되며, 제 2 재질로 형성되는 제 2 접합부를 포함할 수 있다.

Description

배터리를 위한 버스바 및 이를 이용한 배터리 모듈{Bus Bar for Battery and Battery Module}
본 발명은 버스바에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리를 위한 버스바 및 이를 이용한 이차전지 모듈에 관한 것이다.
이차 전지는 전동 카트, 전기 자동차 등에 이용되고 있으며, 전 세계적으로 전기 자동차에 대한 관심 증대와 개발 경쟁 심화로 인해 관련 산업 또한 크게 성장할 것으로 예상된다.
전기 자동차는 하이브리드 방식인 HEV(Hybrid Electric Vehicle)를 시작으로 PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle), EV(Electric Vehicle)로 발전하고 있다. 그리고, 동력원인 배터리의 개발이 전기 자동차 시장의 주요 관심 사항이며, 배터리 업체들은 앞 다투어 신 기술을 선점하기 위해 총력을 다하고 있는 실정이다.
전기 자동차용 배터리는 중대형 전지로 분류되며, 기본 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 집적하여 고전력의 배터리를 구성한다.
각 단위 셀은 수십 장의 알루미늄(Al) 과 구리(Cu) 포일(Foil)로 구성되어 있으며, 일반적으로 알루미늄(Al)은 양극, 구리(Cu)는 음극을 띈다. 양극 포일 및 음극 포일 각각은 접합된 후 패키지 외부에서 다시 전극 리드(lead)에 접합된다.
전극 리드의 크기는 다양하며, 구리 포일과 접합되는 구리 전극 리드의 두께는 200㎛ 정도, 알루미늄 포일과 접합되는 알루미늄 전극 리드의 두께는 300㎛ 정도로, 알루미늄이 구리보다 큰 저항을 갖기 때문에 알루미늄 전극 리드가 더 두껍게 제조된다.
상술하였듯이 이러한 배터리를 자동차의 동력원으로 사용하기 위해서는 전압과 전류를 높여야 하므로, 복수의 단위 셀들을 직렬 및/또는 병렬 연결해야 한다. 그리고, 이를 위해서는 각 배터리의 전극 리드를 외부 전극 단자 즉, 버스바에 접합할 필요가 있다.
도 1은 일반적인 전극리드와 버스바의 접합 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시한 것과 같이, 복수의 단위 셀(20, 30)에 각각 구비된 전극리드(22, 24)를 하나의 버스바(10)에 접합한다. 이 때, 전극리드(22, 24)는 구리 전극리드 또는 알루미늄 전극리드일 수 있다.
버스바(10)는 통상 구리를 이용하여 제작될 수 있다. 그리고 버스바(10)와 전극리드(22, 24) 간의 접합 시에는 기계적 체결, 초음파 용접, 레이저 용접 방식 등을 사용한다.
레이저 용접 방식을 이용하는 경우, 레이저 빔을 집속하여 접합면에 조사하여 접합부위를 용융시키게 되는데, 전극리드(22 또는 24)의 재질이 버스바(10)의 재질과 다른 경우, 예를 들어 구리 버스바(10)에 알루미늄 전극리드를 접합하는 경우, 열원(레이저 빔)과 상관 없이 야금학적인 면에서 문제가 발생한다.
즉, 알루미늄과 구리가 용융 상태에서 결합함에 따라 금속간 화합물(Inter Metallic Compound)이 생성되는 것이다. 이러한 금속간 화합물은 접합 강도가 낮아 기계적 진동 및 열 변동에 취약한, 이른바 취성이 강한 문제점이 있다.
또한 금속간 화합물은 시간이 경과함에 따라 성장하는 특성이 있으며, 그 성장률은 사용온도에 비례할 수 있고, 병행하여 전기저항도 상승한다. 하지만, 대용량 배터리 모듈을 제작하기 위해서는 이러한 야금학적인 근본 문제가 내재된 구리 버스바와 알루미늄 리드 간의 용접이 불가피하므로 이를 해결할 방안이 시급하다.
본 발명의 실시예에는 금속간 화합물 생성 없이 전극 리드를 접합할 수 있는 배터리를 위한 버스바 및 이를 이용한 배터리 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 배터리를 위한 버스바는 배터리 전극리드와 접합되는 버스바로서, 제 1 재질로 형성되는 판형상의 제 1 접합부; 및 상기 제 1 접합부에 접합되며, 제 2 재질로 형성되는 제 2 접합부;를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 모듈은 전극 조립체가 내장된 본체, 및 상기 전극 조립체의 각 전극으로부터 상기 본체 외부로 연장된 상기 전극이 접합되는 전극리드를 포함하는 적어도 하나의 단위 셀; 및 상기 전극리드가 접합되며, 제 1 재질로 형성되는 판형상의 제 1 접합부, 및 상기 제 1 접합부에 접합되며 제 2 재질로 형성되는 제 2 접합부를 포함하는 버스바;를 포함할 수 있다.
본 기술에 의하면 복수의 단위 셀을 버스바에 직렬 연결할 때 동동 물질끼리 접합하므로, 금속간 화합물의 생성을 방지하여 용접 신뢰성을 확보할 수 있다. 더욱이, 버스바의 외적 형태에 거의 변화가 없으므로, 버스바와 전극리드 간을 접합하는 데 사용되는 알려진 공정 방법을 그대로 적용할 수 있다.
또한, 경제적 측면에서도 고가의 구리를 알루미늄으로 대체함으로써, 약 50% 이상의 소비재 절감 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 전극리드와 버스바의 접합 개념을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 버스바의 구성도,
도 3은 본 발명에 적용되는 배터리 전극 용접용 지그의 구성도,
도 4는 도 3에 도시한 배터리 전극 용접용 지그에서 제 1 가압수단의 다른 예시도,
도 5는 도 2에 도시한 버스바 및 도 3에 도시한 지그를 이용한 배터리 전극 용접 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 버스바의 구성도,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 버스바의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 버스바의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 의한 버스바(100)는 제 1 재질로 형성되는 제 1 접합부(101) 및, 제 1 접합부(101)의 일측에 접합되며 제 2 재질로 형성되는 제 2 접합부(103)를 포함한다.
제 1 접합부(101)는 예를 들어 구리를 포함하는 물질 중에서 선택된 재료를 이용하여 형성할 수 있으며, 제 2 접합부(103)는 예를 들어 알루미늄을 포함하는 물질 중에서 선택된 재료를 이용하여 형성할 수 있다.
평면적으로 관찰할 때, 제 1 접합부(101) 및 제 2 접합부(103)는 예를 들어 맞대기 방식으로 결합될 수 있다.
또한, 제 1 접합부(101)와 제 2 접합부(103)의 저항 특성을 고려하여, 제 1 접합부(101) 및 제 2 접합부(103)의 크기 예를 들어 폭, 두께, 또는 너비를 결정할 수 있다. 예를 들어 제 1 접합부(101)가 구리로 이루어지고, 제 2 접합부(103)가 알루미늄으로 이루어진 경우 제 2 접합부(103)의 크기를 더 크게 제작하는 것이다.
이와 같이 버스바(100)를 서로 다른 재질이 접합된 판재로 제작하고, 제 1 재질의 전극리드는 제 1 접합부(101)에, 제 2 재질의 전극리드는 제 2 접합부(103)에 접합함으로써, 금속간 화합물이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 단위 셀들의 전극리드를 버스바에 용접할 때에는 버스바와 전극리드가 간극 없이 밀착 상태를 유지하여야 한다.
도 3은 본 발명에 적용되는 배터리 전극 용접용 지그의 구성도이다.
도 3에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 전극 용접용 지그는 접합 대상물(50)의 하측에 위치하는 제 1 가압수단(210) 및 접합 대상물(50)의 상측에 위치하는 한 쌍의 제 2 가압수단(220, 230)을 포함한다. 여기에서, 대상물(50)은 버스바와 전극리드가 될 수 있다.
제 1 가압수단(210)은 지정된 폭을 갖도록 형성되며 상단 즉, 대상물(50)과의 접촉부가 평판형상 또는 엠보싱(Embossing) 형태를 갖는다. 그리고, 제 1 가압수단(210)은 그 세로축 중심이 대상물(50)의 접합부위와 일치하도록 배치된다.
제 1 가압수단(210)이 접촉되는 측 대상물(50)의 용접 부위, 예를 들어 전극리드 또는 버스바의 용접부위의 형상은 미리 굴곡진 형태로 성형될 수 있으며, 이 경우 제 1 가압수단(210)의 상면은 평판형상이 될 수 있다. 그렇지 않을 경우, 즉, 제 1 가압수단(210)이 접촉되는 측 대상물(50)의 용접부위의 형상이 직선형일 경우에는 제1 가압수단(210)의 상면을 엠보싱 형태로 제작하는 것이 바람직하다.
제 2 가압수단(220, 230)은 각각 지정된 폭을 갖도록 형성되며 하단 즉, 대상물(50)과의 접촉부가 엠보싱 형태를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 한 쌍의 제 2 가압수단(220, 230)은 각각 대상물(50)의 접합부위를 중심으로, 제 1 가압수단(210)의 폭에 대응하는 거리만큼 서로 이격되도록 배치할 수 있다. 아울러, 한 쌍의 제 2 가압수단(220, 230) 각각의 폭은 제 1 가압수단(210) 폭의 1/2 정도로 할 수 있다.
도 3에 도시한 용접용 지그는 제 1 가압수단에 의한 제 1 지지점, 한 쌍의 제 2 가압수단에 의한 제 2 및 제 3 지지점을 이용한 3점 지지 지그인 배터리 전극 용접용 지그이다. 따라서, 제 2 가압수단(220, 230)에 의해 하측으로 각각 F의 힘으로 가압되고, 제 1 가압수단(210)에 의해 상측으로 2F의 힘으로 가압되어, 대상물(50)을 구성하는 판재들 사이의 간극이 최소화된다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 가압수단(210)의 상단 중앙부에는 지정된 폭 및 깊이의 홈(212)이 구비될 수 있다.
홈(212)은 제 1 가압수단(210)을 상측으로 가압할 때 대상물(50)이 받는 작용점이 이동하지 않을 정도의 폭, 예를 들어 1~2mm의 폭으로 형성할 수 있다. 제 1 가압수단(210)이 홈(212)을 구비하는 경우 레이저 빔의 에너지가 높아 대상물(50)을 관통하여 조사된 경우에도 대상물(50)과 제 1 가압수단(210)이 용접되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 배터리 전극 용접용 지그에서 제 1 가압수단의 다른 예시도이다.
도 4를 참조하면, 제 1 가압수단(210)은 홈(212) 저부에 구비되는 광 센서(214)를 더 포함한다.
이 경우, 제 1 가압수단(210)은 구리를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 구리는 레이저 빔에 대한 반사도가 높다. 따라서, 대상물 상측에서 조사되는 레이저 빔이 대상물을 관통하여 제 1 가압수단(210)의 홈(212)에 도달한 후 반사현상을 일으켜 결국 광 센서(214)에 도달한다.
운용자는 광 센서(214)에 의해 대상물의 용접 여부를 확인할 수 있을 뿐 아니라 용접 품질을 제어하는 것도 가능하다.
상술한 버스바(100) 및 용접용 지그를 이용하여 전극리드와 버스바를 접합하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 도 2에 도시한 버스바 및 도 3에 도시한 지그를 이용한 배터리 전극 용접 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에는 도 3에 도시한 지그를 이용하여 복수의 단위 셀(20, 30)에 구비된 전극리드(22, 24)를 버스바(100)에 접합하는 예를 도시하였다.
버스바(100) 상에 전극리드(22, 24)를 배치한 상태에서, 제 1 가압수단(210)을 상측으로 가압하는 한편 제 2 가압수단(220, 230)을 하측으로 가압, 제 1 가압수단(210)의 중심부에 레이저 빔을 조사한다.
제 2 가압수단(220, 230)의 이격 거리는 제 1 가압수단(210)의 폭과 같으므로, 제 1 가압수단(210)에 의해 대상물(22/100, 24/100) 하측에 가해지는 힘(2F)에 의한 하나의 작용점, 제 2 가압수단(220, 230) 각각에 의해 대상물(22/100, 24/100) 상측에 가해지는 힘(F+F)에 의한 두 개의 작용점이 발생한다.
결국, 전극리드(22, 24)와 버스바(100)의 상측에서 가해지는 힘(F+F)과 대상물의 하측에서 가해지는 힘(2F)이 평형을 이루어, 가압부위의 중심부측에 위치한 전극리드(22, 24)와 버스바(100)가 서로 간극 없이 밀착될 수 있으며, 이러한 상태에서 레이저 빔을 조사하게 되면 높은 열 전달률로 대상물을 접합할 수 있다.
이때, 용접 횟수 즉, 용접 라인의 수는 한 줄 또는 복수 줄로 할 수 있다.
상기 용접용 지그에 대해 설명할 때 언급되었듯이 전극리드 또는 버스바의 용접부위의 형상은 미리 굴곡진 형태로 성형될 수 있으며, 이하에서는 버스바의 다른 형태에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 버스바의 구성도이다.
도 6에 도시한 버스바(100-1)는 도 2에 도시한 접합부(100)의 구성과 유사하다. 다만, 제 1 접합부(101) 및 제 2접합부(103)의 용접 예정 영역이 각각 굴곡부(105, 107)를 구비한다.
그리고, 제 1 굴곡부(105) 및 제 2 굴곡부(107)가 각각 동일한 방향으로 굴곡지게 형성됨은 물론이다.
버스바(100-1)가 이와 같이 굴곡부(105, 107)를 구비하는 경우, 도 3에 도시한 용접용 지그를 구성하는 제 1 가압수단(210)의 상면은 평판형상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 버스바의 구성도이다.
먼저, 도 7a 및 7b에는 제 1 접합부(101)와 제 2 접합부(103)의 접합면이 사선형인 경우를 도시하였다.
보다 구체적으로, 도 7a에 도시한 버스바(110)는 평판형의 제 1 접합부(101)와 역시 평판형의 제 2 접합부(103)가 상호 접속되어 구성되며, 제 1 및 제 2 접합부(101, 103)의 접합면(A)이 사선 형태를 가져 두 접합부(101, 103) 간의 접합 특성이 더욱 개선된다.
도 7b에 도시한 버스바(110-1)는 제 1 및 제 2 접합부(101, 103)의 접합면(A)이 사선 형태이면서, 각각 굴곡부(105, 107)를 구비한다. 이 경우에도, 굴곡부(105, 107)가 동일한 방향으로 굴곡면이 형성되도록 함은 물론이다.
다음, 도 8a 및 8b에 도시한 버스바(120, 120-1)는 제 1 접합부(101) 및 제 2 접합부(103)가 겹치기 방식으로 결합(B)된 일 예를 나타낸다. 본 실시예에서는 제 1 접합부(101)가 제 2 접합부(103)의 상측에 겹쳐진 상태를 도시하였다.
도 8의 버스바(120)를 제작할 때에도 제 1 접합부(101)와 제 2 접합부(103)의 저항 특성을 고려하여 각각의 폭, 두께 또는 너비를 결정할 수 있다.
또한, 도 8b에 도시한 것과 같이, 제 1 및 제 2 접합부(101, 103) 각각이 용접 예정 영역에 굴곡부(105, 107)를 더 포함할 수 있다.
도 9는 겹치기 방식으로 버스바(130, 130-1)를 구성한 다른 예로서, 제 2 접합부(103)가 제 1 접합부(101) 상측에 겹쳐진 상태(C)를 나타낸다.
제 1 접합부(101) 및 제 2 접합부(103)는 각각의 저항 특성을 고려하여 그 폭, 두께 또는 너비가 결정되며, 도 9b에 도시한 것과 같이 각각 일방향으로 형성되는 굴곡부(105, 107)를 포함할 수 있다.
도 2와, 도 6 내지 도 9에 도시한 버스바(100, 100-1, 110, 110-1, 120, 120-1, 130, 13-1)를 구성함에 있어서, 제 1 접합부(101)와 제 2 접합부(103)는 마찰교반 용접, 냉간 또는 열간 압접 방식으로 결합할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 발명에서는 버스바가 일측 접합부는 제 1 재질을 갖고, 타측 접합부는 제 2 재질을 갖도록 구성한다.
따라서, 제 1 재질(예를 들어 구리)의 전극리드는 제 1 재질의 접합부에 용접하고, 제 2 재질(예를 들어 알루미늄)의 전극리드는 제 2 재질의 접합부에 용접함으로써, 동종 금속간의 용접이 가능하여 금속간 화합물 발생을 방지할 수 있고, 결과적으로 용접 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 100-1, 110, 110-1, 120, 120-1, 130, 13-1 : 버스바
101 : 제 1 접합부
103 : 제 2 접합부
105, 107 : 굴곡부

Claims (22)

  1. 배터리 전극리드와 접합되는 버스바로서,
    제 1 재질로 형성되는 판형상의 제 1 접합부; 및
    상기 제 1 접합부에 접합되며, 제 2 재질로 형성되는 제 2 접합부;
    를 포함하는 배터리를 위한 버스바.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부는 상기 제 1 재질의 전극리드와 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 접합부는 상기 제 2 재질의 전극리드와 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부는 구리를 포함하는 물질로부터 선택된 상기 제 1 재질로 형성되는 배터리를 위한 버스바.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 접합부는 알루미늄을 포함하는 물질로부터 선택된 상기 제 2 재질로 형성되는 배터리를 위한 버스바.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각의 크기는 상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부의 저항에 따라 결정되는 배터리를 위한 버스바.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부는 맞대기 방식으로 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각은 접합면이 수직 가공되는 배터리를 위한 버스바.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각은 접합면이 사선 가공되고, 상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부가 상기 접합면에서 맞물리도록 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부는 겹치기 방식으로 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각은 용접 예정 부위에 형성되는 굴곡부를 더 포함하는 배터리를 위한 버스바.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부는 맞대기 방식으로 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각은 접합면이 수직 가공되는 배터리를 위한 버스바.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각은 접합면이 사선 가공되고, 상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부가 상기 접합면에서 맞물리도록 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부는 겹치기 방식으로 접합되는 배터리를 위한 버스바.
  16. 전극 조립체가 내장된 본체, 및 상기 전극 조립체의 각 전극으로부터 상기 본체 외부로 연장된 상기 전극이 접합되는 전극리드를 포함하는 적어도 하나의 단위 셀; 및
    상기 전극리드가 접합되며, 제 1 재질로 형성되는 판형상의 제 1 접합부, 및 상기 제 1 접합부에 접합되며 제 2 재질로 형성되는 제 2 접합부를 포함하는 버스바;
    를 포함하는 배터리 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부는 구리를 포함하는 물질로부터 선택된 상기 제 1 재질로 형성되는 배터리 모듈.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 접합부는 알루미늄을 포함하는 물질로부터 선택된 상기 제 2 재질로 형성되는 배터리 모듈.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각의 크기는 상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부의 저항에 따라 결정되는 배터리 모듈.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부 각각은 용접 예정 부위에 형성되는 굴곡부를 더 포함하는 배터리 모듈.
  21. 제 16 항 또는 제 20 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부는 맞대기 방식으로 접합되는 배터리 모듈.
  22. 제 16 항 또는 제 20 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제 1 접합부 및 상기 제 2 접합부는 겹치기 방식으로 접합되는 배터리 모듈.
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