KR20220107366A

KR20220107366A - 배터리 모듈

Info

Publication number: KR20220107366A
Application number: KR1020210009912A
Authority: KR
Inventors: 정회민; 김호연; 정규진
Original assignee: 에스케이온 주식회사
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-08-02
Also published as: EP4033592A1; EP4033592B1; US20250253455A1; EP4546535A3; EP4546535A2; CN114792862A; US20220238948A1; US12288888B2

Abstract

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 내부 수용 공간을 갖는 하우징; 및 상기 내부 수용 공간에 위치하는 복수의 배터리 셀;을 포함하며, 하우징은 제1알루미늄계 합금의 제1모재와 제2알루미늄계 합금의 제2모재가 용접된 용접이음부를 포함하고, 용접이음부와 접하는 제1모재의 외측 표면과 제2모재의 외측 표면을 잇는 가상의 면을 기준면으로 하여, 용접이음부의 비드 표면 중 적어도 일부 영역이 기준면보다 내측에 위치한다.

Description

배터리 모듈{Battery Module}

본 발명은 배터리 모듈에 관한 것으로, 상세하게, 향상된 용접 강도와 내구성을 갖는 배터리 모듈에 관한 것이다.

모듈 하우징은 조립 및 접합되어 밀폐된 내부 수용공간을 형성할 수 있는 하우징부재들이 레이저 용접에 의해 서로 접합된 구조를 가지며, 그 내부 수용공간에는 서로 직/병렬 연결된 파우치형 또는 각형 배터리 셀들이 위치하게 된다.

그러나, 하우징에 외부충격이 가해지는 경우 하우징부재간 연결부위(용접부위)는 외부충격에 대한 저항강도가 높지 못해, 쉽게 파손되거나, 밀폐성이 저하되며 배터리 셀에서 발생할 수 있는 유해물질이 유출될 위험이 있고, 하우징부재들 간의 결합 과정시 정밀한 밀착 세팅이 요구되어 공정 오차에 의한 결함이 발생하고 생산성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2013-0127815호

본 발명의 목적은 향상된 용접 강도와 내구성을 갖는 배터리 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 배터리 모듈은 내부 수용 공간을 갖는 하우징; 및 상기 내부 수용 공간에 위치하는 복수의 배터리 셀;을 포함하며, 하우징은 제1알루미늄계 합금의 제1모재와 제2알루미늄계 합금의 제2모재가 용접된 용접이음부를 포함하고, 용접이음부와 접하는 제1모재의 외측 표면과 제2모재의 외측 표면을 잇는 가상의 면을 기준면으로 하여, 용접이음부의 비드 표면 중 적어도 일부 영역이 기준면보다 내측에 위치한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1모재측에서 제2모재측으로 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준, 용접이음부는 하기 식 1을 만족할 수 있다.

(식 1)

0.10 ≤ h/w ≤ 0.30

식 1에서 w는 용접단면에서 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계; 및 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계;를 이은 직선(용접 폭에 상응하는 기준선)의 크기이며, h는 용접단면 상 직선(기준선)보다 내측에 위치하는 비드 표면 영역에서의 최 저점;과 직선(기준선);간의 최단거리이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1모재측에서 제2모재측으로 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준, 용접이음부는 하기 식 2를 만족할 수 있다.

(식 2)

0.2 ≤ w(conc)/w ≤ 1.0

식 2에서, w는 용접단면에서 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계; 및 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계;를 이은 직선(용접 폭에 상응하는 기준선)의 크기이며, 제1모재나 제2모재의 외측 표면에서 내부로의 방향을 하측으로 하여 w(conc)은 직선(기준선)에서, 직선(기준선)의 하부에 용접 비드 표면이 위치하는 직선 영역의 길이를 합한 총 길이이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1모재와 제2모재는, 각각, 사각 판 또는 일 단부 내지 양 단부가 수직으로 꺾여진 꺾인 사각 판의 형상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1모재측에서 제2모재측으로 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준, 용접이음부는 하기 식 3을 만족할 수 있다.

(식 3)

0.7t ≤ w ≤ 2t

식 3에서, w는 용접단면에서 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계; 및 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계;를 이은 직선(용접 폭에 상응하는 기준선)의 크기이며, t는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1모재측에서 제2모재측으로 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준, 용접이음부는 하기 식 4를 만족할 수 있다.

(식 4)

0 < h ≤ 0.25t

식 4에서, h는 용접단면에서 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계 및 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계를 이은 직선(용접 폭에 상응하는 기준선);과 용접단면 상 직선(기준선)보다 내측에 위치하는 비드 표면 영역에서의 최 저점;간의 최단거리이며, t는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접이음부에서 용융된 금속의 용입 깊이는 각각 사각 판 또는 꺾인 사각 판 형상인 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께 이상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1모재의 외측 표면과 제2모재의 외측 표면은 동일면 상에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1모재와 제2모재 중 보다 두꺼운 모재를 제1모재로 하여, 제1모재는 제2모재 쪽으로 돌출되되, 상기 제2모재의 외측 표면의 대향면과 전체적으로 또는 적어도 일부분이 이격된 리브(rib)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 리브는, 제2모재의 대향면과 마주하는 면이 곡면이며, 리브의 곡면은 제1모재의 용접면 측에 위치하는 오목(concave) 면 및 용접면 측의 대향측에 위치하는 볼록(convex) 면을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 리브는 볼록 면에서 제2모재와 접하며, 비드는, 제2모재의 외측 표면의 대향면과 리브의 오목 면 사이의 빈 공간의 일부 내지 전부를 채울 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 하우징은 바닥면 및 바닥면과 일체로 이어져 좌우의 두 측면을 형성하는 꺾인 사각 판 형상의 제1하우징 부재; 제1하우징 부재와 결합하여 바닥면에 대향하는 상부면을 형성하는 사각 판 형상의 제2하우징 부재; 제1하우징 부재 및 제2하우징 부재와 결합하여 전후의 두 측면을 형성하는 사각 판 형상의 제3 및 제4하우징 부재;를 포함하며, 용접 이음부에 의해 서로 연결되는 제1모재- 제2모재의 짝(pair)은 하기 i) 내지 v) 중 선택되는 하나 이상일 수 있다.

i) 제1하우징 부재-제2하우징 부재,

ii) 제1하우징 부재-제3하우징 부재,

iii) 제1하우징 부재-제4하우징 부재,

iv) 제3 및 제4하우징 부재와 용접된 제1하우징 부재-제2하우징 부재,

v) 제2 및 제3 하우징 부재와 용접된 제1하우징 부재-제4하우징 부재.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제1알루미늄계 합금 및 제2알루미늄계 합금은 서로 독립적으로 Al-Mg계 고용경화형 알루미늄 합금 또는 Al-Mg-Si계 석출경화형 알루미늄 합금일 수 있다.

본 발명은 상술한 배터리 모듈의 제조방법을 포함한다.

본 발명에 따른 배터리 모듈의 제조방법은 a) 용접 대상이자 서로 결합하여 복수의 배터리 셀이 수용되는 내부 수용 공간을 형성하는 하우징 부재인 제1모재와 제2모재의 용접면이 서로 이격되어 갭을 형성하도록 제1모재와 제2모재를 정렬하는 단계; 및 b) 갭이 형성된 용접 부위에 레이저를 조사하여 제1모재와 제2모재를 용접하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예예 따른 배터리 모듈의 제조방법에 있어, a) 단계에서, 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께인 t를 기준으로, 갭의 크기 x는 0 초과 내지 0.3t 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예예 따른 배터리 모듈의 제조방법에 있어, 제1모재와 제2모재중 보다 얇은 두께를 갖는 모재를 제2모재로 하여, 제2모재의 용접단부는 제1모재측에 근접할수록 폭이 좁아지는 테이퍼진 형태로 돌출된 돌출부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 제조방법에 있어, 돌출부는 제1모재측에서 제2모재측으로 상기 용접 부위를 최단거리로 가로지르는 단면 기준, 사각형 또는 삼각형을 포함하는 다각형; 반원; 또는 잘려진 타원; 형상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 제조방법에 있어, 레이저는 근적외선 레이저일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 제조방법에 있어, 조사되는 레이저 파워(W)를 용접 속도(mm/sec)로 나눈 비는 30 내지 45 J/mm일 수 있다.

본 발명에 따른 배터리 모듈은 제어된 용접이음부 형상에 의해, 향상된 기계적 물성을 갖는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 보다 낮은 에너지의 레이저 조사에 의해 제어된 용접이음부 형상이 구현됨에 따라, 모재의 열영향부를 감소시킬 수 있으며, 모재의 열화를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 배터리 모듈은 하우징 부재의 제조나 하우징 부제의 조립시 허용 공차 범위가 커, 품질 유지에 용이하며, 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면을 도시한 일 단면도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면을 도시한 또 다른 일 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면을 도시한 또 다른 일 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 하우징 부재간의 용접 공정을 도시한 일 공정도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접되는 두 하우징 부재 및 부재간의 정렬을 도시한 일 공정도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에서, 용접에 의해 결합되어 하우징을 이루는 하우징 부재들의 분해 사시도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 하우징 및 하우징의 내부 수용 공간에 수용된 복수개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈의 단면을 도시한 단면도이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면을 도시한 또 다른 일 단면도이며,
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면을 도시한 또 다른 일 단면도이며,
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 제조된 용접단면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 배터리 모듈을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

본 출원인은 하우징 부재간의 용접에 의해 복수의 배터리 셀이 수용되는 밀폐된 내부 수용 공간을 제공하는 모듈 하우징의 용접 강도를 향상시키기 위한 연구를 수행한 결과, 알루미늄계 합금 소재의 하우징에서 용접 비드의 형상에 따라 기계적 물성이 큰 영향을 받는 것을 발견하였다. 또한, 이러한 발견을 기반으로 연구를 심화한 결과, 레이저에 의해 용융된 모재(알루미늄계 합금)인 용접 비드의 형상이 특정 형상을 만족하는 경우 용접 부위의 기계적 물성이 향상됨을 발견하였으며, 나아가, 이러한 특정 형상의 용접 비드가 하우징 부재 치수 및 하우징 부재간의 조립시 보다 넓은 허용 공차를 구현 가능하게 하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 또한 종래 하우징 용접 대비 보다 낮은 레이저 에너지에 의해 형성될 수 있어, 하우징의 열적 손상이 최소화됨을 확인하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

상술한 발견에 기반한 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 내부 수용 공간을 갖는 하우징; 및 내부 수용 공간에 위치하는 복수의 배터리 셀;을 포함하며, 하우징은 제1알루미늄계 합금의 제1모재와 제2알루미늄계 합금의 제2모재가 용접된 용접이음부를 포함하고, 용접이음부와 접하는 제1모재의 외측 표면과 제2모재의 외측 표면을 잇는 가상의 면을 기준면으로 하여, 용접이음부의 비드 표면 중 적어도 일부 영역이 기준면보다 내측에 위치한다. 이때, 제1모재의 외측 표면과 제2모재의 외측 표면은 하우징의 외측 표면을 형성하는 면임은 물론이며, 하우징의 외측 표면은 하우징 외부로 노출되는 표면을 의미하고, 하우징의 내측 표면은 외측 표면의 대향면으로, 하우징의 내부 수용 공간을 구획하는 표면을 의미할 수 있다. 이에, 외측은 하우징의 바깥쪽을, 내측은 하우징의 안쪽(내부 수용 공간쪽)을 의미할 수 있다.

또한, 기준면은, 편평한 평면일 수 있으며, 제1모재의 외측 표면과 용접이음부간의 경계선과 제2모재의 외측 표면과 용접이음부간의 경계선을 잇는 평면일 수 있다. 제1모재측에서 제2모재측으로 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준, 기준면을 다시 규정하면, 용접단면에서 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계(2차원 단면임에 따라 점(point)으로 규정됨); 및 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계(2차원 단면임에 따라 점(point)으로 규정됨);를 이은 직선인 기준선에 상응할 수 있다.

이에, 본 발명에 따른 배터리 모듈은, 제1알루미늄계 합금의 제1모재와 제2알루미늄계 합금의 제2모재가 용접된 용접이음부를 포함하며, 제1모재측에서 제2모재측으로 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준, 용접단면에서 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계와 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계를 이은 직선을 기준선으로 하여, 용접이음부의 비드 표면 중 적어도 일부 영역이 상기 기준면보다 내측 상기 용접이음부의 비드 표면 중 적어도 일부 영역이 기준선보다 내측에 위치한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면을 도시한 일 단면도이다. 도 1에 도시한 일 예와 같이, 복수의 배터리 셀이 수용될 수 있는 내부 수용 공간을 형성하는 하우징 부재의 제1모재(100)와 제2모재(300)는 용접이음부(300)에 의해 용접된 상태일 수 있다. 이때, 용접이음부(300)는 제1모재(100)와 제2모재(200)가 용융 및 응고된 금속, 구체적으로 알루미늄계 합금 비드(welding bead)에 상응할 수 있다. 상세하게, 용접이음부(300)는 제1모재(100)와 제2모재(200)간 용접대상부위에 조사된 레이저에 의해 제1모재(100)와 제2모재(200)가 용융 및 응고된 알루미늄계 합금 비드에 상응할 수 있다.

도 1에 도시한 일 예와 같이, 용접단면 기준, 용접이음부(300)와 제1모재(100)의 외측 표면간의 경계(p1); 및 용접이음부(300)와 제2모재(200)의 외측 표면간의 경계(p2);를 잇는 직선을 기준선(RL, 붉은색 선으로 도시)으로, 용접이음부(300)의 비드 표면 중 적어도 일부 영역이 기준선(RL)보다 내측에 위치할 수 있다.

도 1의 예는, 용접이음부(300)와 접하는 제1모재(100)의 외측 표면과 제2모재(200)의 외측 표면이 서로 동일면상에 위치하는 예에 해당하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명의 일 구체예에 따른 하우징에 있어, 용접단면상, 용접이음부의 비드 표면은 기준선(RL)을 기준하여, 오목하게 들어간 오목 영역(concave region)을 포함할 수 있다.

일 구체예에서, 용접이음부는 하기 식 1을 만족할 수 있다.

(식 1)

0.10 ≤ h/w ≤ 0.30

식 1에서 w는 용접단면에서 기준선의 크기이며, h는 용접단면 상 기준선보다 내측에 위치하는 비드 표면 영역에서의 최 저점과 기준선간의 최단거리이다. 이때, 기준선의 크기인 w는 용접 비드의 폭(최대 폭)에 상응할 수 있으며, h는 오목 영역의 깊이(최대 깊이)에 상응할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면 상 w와 h를 도시한 일 단면도이다. 도 2에 도시한 일 예와 같이, w는 기준선(RL)의 길이에 해당할 수 있으며, h는 기준선(RL)보다 내측에 위치하는 비드 표면 영역에서의 최 저점(붉은색 점으로 도시)과 기준선(RL)간의 최단거리이다.

비드의 표면은 하나 또는 둘 이상의 오목 영역을 포함할 수 있으며, 도 2의 일 예는 비드 표면이 두 오목 영역을 갖는 예이다. 비드 표면이 둘 이상의 오목 영역이 존재하는 경우, h는 오목 영역별 최저점과 기준선간의 최단거리 중, 보다 큰 값에 해당할 수 있다.

실험적으로, 용접단면의 조직 관찰 사진 상 비드 표면에 해당하는 윤곽(contour)과 기준선을 이용하여, 외측을 상부로 내측을 하부로 놓고, 기준선을 넘어 상부로 돌출된 경우 +값으로, 기준선 아래의 하부로 오목한 경우 - 값으로 설정하여, 윤곽에 따라 기준선과 윤곽의 일 점간의 최단 거리를 측정한 데이터 셋에서 - 값 중 가장 작은 값(절대값으로 가장 큰값)이 h에 해당할 수 있다. 이때 조직 관찰 사진은 주사전자현미경 사진등을 들 수 있으나, 비드, 모재의 표면등을 명확히 관찰할 수 있는 한, 어떠한 관찰 방법에 의한 사진이어도 족하다.

상술한 바와 같이, 용접이음부의 h/w는 0.10 내지 0.30을 만족할 수 있으며, 구체적으로, 0.10 내지 0.25, 0.10 내지 0.20, 또는 0.12 내지 0.18을 만족할 수 있다. 알루미늄계 합금 모재가 용융 형성된 용접 비드가 상술한 h/w의 범위를 만족하는 형상을 가질 때 용접이음부의 기계적 강도가 향상될 수 있다.

일 구체예에서, 용접단면 기준, 용접이음부는 하기 식 2를 만족할 수 있으며, 하기 식 2를 만족할 때, 용접 비드는 그 형상에 의해 기계적 강도가 향상될 수 있도록 유의미하게 오목 영역(concave region)을 갖는 것으로 해석될 수 있다.

(식 2)

0.2 ≤ w(conc)/w ≤ 1.0

식 2에서, w는 기준선의 크기이며, 제1모재나 제2모재의 외측 표면에서 내부로의 방향을 하측으로 하여 w(conc)은 기준선에서, 기준선의 하부에 용접 비드 표면이 위치하는 기준선 영역의 길이를 합한 총 길이이다. 식 2에서 w(conc)/w=1은 실질적으로 용접 비드의 전 표면이 오목한 영역에 속함을 의미한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면 상 w와 w(conc)를 도시한 일 단면도이다. 용접단면 상 용접 비드 표면이 둘 이상의 오목 영역을 포함하는 경우(도 3(a)로 2개의 오목 영역), 하나의 오목 영역을 포함하되 볼록 영역(convex region) 또한 포함하는 경우(도 3(b)), 용접 비드 표면 전체가 오목 영역인 경우(도 3(c))를 도시한 예이다.

도 3에 도시한 일 예와 같이, w(conc)은 용접단면의 기준선 상 오목 영역이 위치하는 기준선 영역의 길이(총 길이)로, 도 3(a)와 같이 둘 이상의 오목 영역이 존재하는 경우, w(conc)은 각 오목영역이 위치하는 기준선 영역의 길이를 합한, 즉, w1과 w2를 합한 길이이다. 도 3(c)는 w(conc)/w=1인 예에 해당한다.

상술한 바와 같이, 용접이음부의 형상이 용접된 영역의 기계적 물성이 유의미하게 영향을 미치기 위해서, 적어도 w(conc)/w는 0.20 이상, 좋게는 0.25 이상, 보다 좋게는 0.30 이상, 보다 더 좋게는 0.35 이상일 수 있으며, w(conc)/w는 실질적으로 1.00 이하일 수 있다. 특히, 0.30 내지 1.00 범위의 w(conc)/w는 용접된 영역의 기계적 물성을 더욱 향상시킬 수 있어 보다 유리하다.

일 구체예에서, 용접단면 기준, 용접이음부는 하기 식 3을 만족할 수 있다.

(식 3)

0.7t ≤ w ≤ 2t

식 3에서, w는 용접단면에서 기준선의 크기이며, t는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께이다. 이때, 제1모재의 두께는 용접이음부와 인접한 제1모재 영역에서 제1모재의 외측 표면과 외측 표면의 대향 면(내측 표면) 사이의 이격 거리(최단 이격 거리)에 상응할 수 있으며, 제2모재의 두께는 용접이음부와 인접한 제2모재 영역에서 제2모재의 외측 표면과 외측 표면의 대향 면(내측 표면) 사이의 이격 거리(최단 이격 거리)에 상응할 수 있음은 물론이다. 모재의 두께 관련 내용을 상술함에 있어, 제1모재의 두께와 제2모재의 두께 중, 제2모재의 두께가 보다 작은(얇은) 경우(t=제2모재의 두께)를 가정하여 상술하나, 그 반대로 제1모재의 두께가 제2모재의 두께보다 작은 경우(t=제1모재의 두께)에도, 상술한 내용이 동일하게 적용됨은 물론이다.

식 3과 같이 w는 0.7t 내지 2.0t일 수 있으며, 구체적으로 w는 0.7t 내지 1.8t, 0.7t 내지 1.6t, 0.7t 내지 1.4t 또는 0.7t 내지 1.2t일 수 있다. 식 3의 w와 t의 관계식은 레이저 조사에 의해 용융되는 영역이 매우 협소함을 의미하는 것이며, 레이저에 의한 모재(제1모재와 제2모재)의 열적 손상이 최소화된 것을 의미한다.

일 구체예에서, 용접단면 기준, 용접이음부는 하기 식 4를 만족할 수 있다.

(식 4)

0 < h ≤ 0.25t

식 4에서, h는 식 2에서 정의된 바와 동일하며, t는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께, 일 예에 따라, 제2모재의 두께이다.

용접 비드의 형상에 의해 유의미하게 기계적 물성이 영향을 받을 수 있으며, 나아가, 기계적 물성이 향상될 수 있도록, h는 0.05t 내지 0.25t, 좋게는 0.07t 내지 0.25t, 보다 좋게는 0.09t 내지 0.25t, 보다 더 좋게는 0.10t 내지 0.25t일 수 있다.

유리한 일 예에 따른 배터리 모듈에 있어, 하우징의 용접이음부는 식 1, 식 2, 식 3 및 식 4 중 하나 이상, 좋게는 둘 이상, 보다 좋게는 셋 이상, 가장 좋게는 식 1, 2, 3 및 4 모두를 만족할 수 있다.

일 구체예에서, 용접이음부에서 비드의 용입 깊이는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께(t, 일 예로, 제2모재의 두께) 이상일 수 있다. 즉, 비드는 서로 대향하는 제1모재와 제2모재간의 대향면을 관통하도록 용입될 수 있다. 구체적인 일 예로, 비드의 용입 깊이를 D로 하고, 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께를 t로 하여, D는 t 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로 D는 1t 내지 1.3t 수준일 수 있다.

유리한 일 예에 따른 배터리 모듈에 있어, 하우징의 용접이음부에서 비드의 용입 깊이는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께(t, 일 예로, 제2모재의 두께) 이상이며, 이와 동시에, 상술한 식 1 내지 4 각각, 또는 이들의 조합, 또는 가장 유리하게 식 1 내지 4 모두를 만족할 수 있다.

알려진 바와 같이, 통상적으로 이차전지 하우징의 용접은 서로 결합하여 밀폐된 내부 수용 공간을 제공하는 하우징 부재들을 밀착시키고 용융된 금속(하우징 부재의 소재)이 하우징 부재를 관통하여 용입되도록 레이저를 조사하여 용접을 수행한다. 이러한 통상의 용접을 통해서는 하우징 외측으로 돌출된 형상의 용접 비드가 제조되는 것이 통상적이다. 또한, 이러한 통상의 용접(이하, 기준 용접), 즉, 용접면간 최대 밀착된 상태에서 하우징 부재를 관통하는 용접 비드를 형성하는 용접이 용접 영역의 기계적 강도에 가장 유리한 것으로 받아들여지고 있다.

그러나, 유리한 일 예에 따라, 하우징의 용접이음부는 비드의 용입 깊이는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께(t, 일 예로, 제2모재의 두께) 이상이며, 이와 동시에, 상술한 식 1 내지 4 각각, 또는 이들의 조합, 또는 가장 유리하게 식 1 내지 4 모두를 만족하는 경우, 용접이음부는 기준 용접에 의해 용접된 용접 영역보다도 향상된 기계적 강도를 나타낼 수 있으며, 상세하게, D는 1t 내지 1.3t 수준임과 동시에 식 1 내지 4를 모두 만족하는 경우 기준 용접에 의해 얻어지는 용접부위의 강도를 1로 하여, 약 1.2 이상의 향상된 강도를 나타낼 수 있다.

도 4는 하우징 부재간 레이저 용접되는 일 공정도를 도시한 도면이다. 도 4에 도시한 일 예와 같이, 상술한 용접이음부는 용접 대상이자 서로 결합하여 밀폐된 내부 수용 공간을 (적어도 부분적으로) 형성하는 하우징 부재(들)인 제1모재(100)와 제2모재(200)의 용접면(111, 222)을 서로 밀착시키지 않고 용접면(111, 222)간 이격되어 갭(400)을 형성하도록 제1모재(100)와 제2모재(200)를 정렬하고, 외측에서 정렬된 제1모재(100)와 제2모재(200)간의 갭(400)이 형성된 용접 부위에 레이저(L)를 조사함으로써, 레이저에 의해 용융된 모재 금속(용융 금속)이 갭(400)을 채우며 용입되며 형성될 수 있다. 이때, 제1모재(100)와 제2모재(200)는 외측 표면이 서로 동일면(가상의 면)에 위치하되 갭이 형성되도록 정렬될 수 있다. 갭의 크기(x), 조사되는 레이저의 파워 및 용접 속도(일 예로, 설계된 용접 부위를 따라 이동하는 레이저의 이동 속도)에서 하나 이상 선택되는 인자(factor)를 제어함으로써, 용접 비드의 구체 형상이 제어될 수 있다. 상세하게, 조사되는 레이저의 파워나 용접속도, 레이저의 구체 조사방법, 이격 거리등과 같은 공정 변수 중, 두 모재의 용접면간 이격 거리인 갭의 크기(x)가 용접 비드의 형상에 주된 영향을 미칠 수 있다. 갭의 크기(x)는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께(t, 일 예로, 제2모재의 두께)의 t를 기준으로, 갭의 크기(x)는 0< x ≤0.30t를 만족할 수 있으며, 유리하게, 0.05t≤ x ≤0.30t, 보다 유리하게 0.05t≤ x ≤0.20t를 만족할 수 있다. 알려진 바와 같이, 통상의 알루미늄계 모듈 하우징에서 하우징 벽의 두께(t)는 0.5mm 내지 5mm 수준, 보다 구체적으로 0.5 내지 2mm 수준이다.

상술한 바와 같이, 구체 용접 비드의 형상은 갭의 크기, 조사되는 레이저의 파워, 용접 속도등에서 하나 이상 선택되는 공정 인자에 의해 조절될 수 있는데, 용접시 상술한 수준의 갭 크기(두 용접면간 이격 거리)를 갖는 한 구체 용접 비드의 형상은 파워나 용접속도등 다른 공정 인자에 의해 매우 민감하게 변화되지 않는다.

이러한 갭의 형성은, 설계되어 실 제조된 하우징 부재 치수 공차 및 하우징 부재간의 조립시 보다 허용 공차가 매우 완화될 수 있음을 의미하며, 고도로 정밀한 하우징 부재의 디멘젼 제어 및 용접시 고도로 정밀한 하우징 부재간의 조립이 불필요함을 의미한다. 이에 의해, 보다 균일한 품질의 하우징이 생산될 수 있으며, 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 용접면간 이격된 갭에 의해, 보다 낮은 에너지를 갖는 레이저의 조사에 의해서도 용접 비드가 하우징 부재를 관통하여 위치할 수 있다. 이에 의해, 용접시 하우징의 열적 손상을 최소화할 수 있으며, 나아가, 하우징의 내부 수용 공간에 위치하는 배터리 셀 또한 열적 손상의 위험으로부터 자유로울 수 있다. 이때, 도 4에 도시한 일 예와 같이, 레이저(L)는 갭의 중심축(모재의 두께 방향의 축)에 대하여 경사지게 조사(좌측)되거나 또는 갭의 중심축에 평행하게 조사(우측)될 수 있다. 다만, 경사진 레이저 조사에 의해 갭을 통해 레이저가 하우징 내부로 직접 조사되는 것을 방지할 수 있으며, 용접 부위의 용접과정을 육안으로도 확인할 수 있어 배터리 모듈의 생산 속도 향상을 가능케 한다. 또한, 경사진 조사시 레이저는 반복적으로 원형을 그리며 조사되며 목적하는 용접 부위를 따라 이동할 수 있다. 원형이 반복되며 중첩되어 진행되는 와블형식(wobble type) 용접을 통해 갭 주위의 모재를 균일하게 녹일 수 있으며, 용접 과정에서 배터리 모듈 제조 공정의 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 5에 도시한 일 예와 같이, 제1모재(100)와 제2모재(200)중 보다 얇은 두께를 갖는 모재를 제2모재(200)로 하여, 제2모재(200)의 용접단부는 제1모재(100)측에 근접할수록 제2모재의 두께 방향으로 폭이 좁아지는 테이퍼진 형태로 돌출된 돌출부(210)를 포함할 수 있다. 도 5(a)는 제1모재측(100)에서 제2모재측(200)으로 갭이 형성된 용접 부위를 최단거리로 가로지르는 단면 기준 삼각 형태의 돌출부(210)를 도시한 예이며, 도 5(b)는 동일 단면 기준 제1모재(100)측에 인접할수록 그 폭이 좁하지는 사각 형태(일 예로, 사다리꼴)의 돌출부(210)를 도시한 예이다. 이때, 돌출부(210)의 돌출된 일 단부는 제1모재(100)와 접할 수 있다. 이러한 돌출부(210)는 갭의 중심축(모재의 두께 방향의 축)으로 레이저가 조사될 때, 레이저가 직접적으로 모듈 내부(내부 수용 공간)로 유입되는 것을 방지할 수 있어 유리하며, 제1모재(100)와 제2모재(200)간 고도의 정렬 없이 단지 제1모재(100)의 용접면과 제2모재(200)의 돌출부(210) 일단이 서로 닿도록 제1모재(100)와 제2모재(200)를 정렬하는 것으로 기 설정된 갭의 크기(x)를 형성할 수 있어 유리하다. 그러나, 돌출부가 단면 기준 반드시 사각형, 삼각형등가 같은 각진(다각) 형태로 한정되는 것은 아니며, 도 5(c)에 도시한 일 예와 같이, 반원이나 잘린 타원 형태 또한 사용 가능하다.

상술한 바와 같이, 제2모재(200)에서 용접이 이루어지는 일 단부에 돌출부(210)가 형성된 경우 돌출부(210)의 돌출 길이는 기 설정된 갭 크기(x)에 상응할 수 있다. 또한, 도 5의 일 예에 도시한 바와 같이, 돌출부(210)가 형성된 경우 갭 크기(x)는 용접 부위에서 제1모재(100)의 외측 표면과 제2모재(200)의 외측 표면간의 이격 거리에 해당할 수 있다.

모재(제1모재 및 제2모재)가 알루미늄계 합금인 경우, 상술한 바와 같이 갭을 형성하며 서로 이격되도록 배열된 제1모재와 제2모재에 조사되는 레이저 용접 조건의 구체 예로, 레이저 파워(W)를 용접 속도(mm/sec)로 나눈 LII(laser Linear Intensity)가 30 내지 45 J/mm인 예를 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상술한 제조방법적 측면에서, 본 발명의 일 구체예에 따른 배터리 모듈은, 제1알루미늄계 합금의 제1모재와 제2알루미늄계 합금의 제2모재가 용접된 용접이음부를 포함하며, 용접이음부는, 제1모재와 제2모재의 용접면이 서로 이격되어 갭을 갖도록 제1모재와 제2모재가 정렬(조립)된 상태에서 하우징의 외측에서 갭이 형성된 용접부위에 레이저가 인가되며 형성되어, 용접 비드의 표면이 오목하게 들어간 오목 영역을 포함할 수 있다.

제1모재의 제1알루미늄계 합금 및 제2모재의 제2알루미늄계 합금은 서로 독립적으로 Al-Mg계 고용경화형 알루미늄 합금 또는 Al-Mg-Si계 석출경화형 알루미늄 합금일 수 있다. 상세하게, 제1모재와 제2모재 모두 Al-Mg계 고용경화형 알루미늄 합금이거나, 제1모재와 제2모재 모두 Al-Mg-Si계 석출경화형 알루미늄 합금이거나, 제1모재와 제2모재 중 일 모재는 Al-Mg계 고용경화형 알루미늄 합금이며 다른 일 모재는 Al-Mg-Si계 석출경화형 알루미늄 합금일 수 있다. 실질적인 일 예로, Al-Mg계 고용경화형 알루미늄 합금은 Al5000계열 알루미늄 합금일 수 있으며, Al-Mg-Si계 석출경화형 알루미늄 합금은 Al6000계열 알루미늄 합금일 수 있으나, 알루미늄 합금이 반드시 Al5000계열이나 Al6000계열로 한정되는 것은 아니다.

제1모재와 상기 제2모재의 구체 형상은 목적하는 하우징의 설계된 형상에 따라, 제1모재와 제2모재인 하우징 부재(들)의 조립에 의해 설계된 형상의 전체 내지 일부가 구현될 수 있는 형상이면 족하다.

일 예로, 제1모재와 제2모재는 각각, 사각 판 또는 일 단부 내지 양 단부가 수직으로 꺾여진 꺾인 사각 판의 형상일 수 있으며, 하나 또는 둘 이상의 사각 판 및/또는 하나 또는 둘 이상의 꺾인 사각 판의 조립에 의해 설계된 하우징 형상이 구현될 수 있다.

실질적인 일 예로, 하우징은 직육면체 형상일 수 있으며, 서로 직교하는 세 축에서 일 축 방향을 전/후로, 다른 일 축 방향을 좌/우로, 나머지 한 축 방향을 상/하로 하여, 양 단부가 꺾여진 두 꺾인 사각 판이 꺾여진 단부간 서로 결합하도록 조립되어 상/하 및 좌/우가 막힌 공간이 구획되고, 두 사각 판 각각이, 조립된 두 꺾인 사각 판의 개구를 막도록 조립되어 전/후가 막힌 밀폐된 내부 수용 공간이 형성될 수 있다.

다른 실질적인 일 예로, 하우징은 직육면체 형상일 수 있으며, 서로 직교하는 세 축에서 일 축 방향을 전/후로, 다른 일 축 방향을 좌/우로, 나머지 한 축 방향을 상/하로 하여, 양 단부가 꺾여진 일 꺾인 사각 판에 꺾여지지 않은 두 단부에 사각 판이 수직 결합하도록 조립되어 전/후 및 좌/우가 막힌 공간이 구획되고, 일 사각 판이 열려있는 상부 또는 하부 개구를 막도록 조립되어, 밀폐된 내부 수용 공간이 형성될 수 있다.

이때, 하우징 부재(사각 판, 꺾인 사각 판)간 결합하여 조립된다 함은, 하우징 부재간 용접에 의해 결착됨을 의미할 수 있으며, 하우징에서 용접 부위(용접선)가 하나 이상인 경우, 적어도 일 용접 부위는 상술한 용접이음부의 형상을 가질 수 있으며, 나아가, 모든 용접 부위가 상술한 용접이음부의 형상을 가질 수 있다.

실질적으로, 도 6에 도시한 일 예와 같이, 하우징은 바닥면 및 바닥면과 일체로 이어져 좌우의 두 측면을 형성하는 꺾인 사각 판 형상의 제1하우징 부재(10); (적어도) 제1하우징 부재와 결합하여 바닥면에 대향하는 상부면을 형성하는 사각 판 형상의 제2하우징 부재(40); 제1하우징 부재(10) 및 제2하우징 부재(40)와 결합하여 전후의 두 측면을 형성하는 사각 판 형상의 제3하우징 부재(20) 및 제4하우징 부재(30);를 포함할 수 있다. 이때, 상술한 용접 이음부에 의해 서로 연결되는 제1모재-제2모재의 짝(pair)은 하기 i) 내지 v) 중 선택되는 하나 이상일 수 있다.

i) 제1하우징 부재(10)-제2하우징 부재(40)

ii) 제1하우징 부재(10)-제3하우징 부재(20)

iii) 제1하우징 부재(10)-제4하우징 부재(30)

iv) 제3하우징 부재(20) 및 제4하우징 부재(30)와 용접된 제1하우징 부재(10)-제2하우징 부재(40)

v) 제2하우징 부재(40) 및 제3 하우징 부재(20)와 용접된 제1하우징 부재(10)-제4하우징 부재(30)

이때, 제3 및 제4하우징 부재와 용접된 제1하우징 부재의 용접부위 및/또는 제2 및 제3 하우징 부재와 용접된 제1하우징 부재의 용접부위는 상술한 용접이음부의 형상을 가질 수 있으나, 종래 통상적인 용접 방법에 의해 용접된 형상을 배재하는 것은 아니다.

도 6의 사시 분해도를 기준으로, 각 하우징부재간 서로 용접되는 용접 단부의 짝으로 상술하면, 제1모재와 제2모재의 용접 부위는 제1하우징 부재(10)의 ㄷ 자형 단부(10W1)와 제3하우징 부재(20)의 하부 및 양측부 단부(20W1); 제3하우징 부재(20)의 상측 단부(20W2)와 제2하우징 부재(40)의 일 단부(40W2); 제2하우징 부재(40)의 단부(40W3)와 제1하우징 부재(10)의 꺾여진 일 단부(10W3); 제2하우징 부재(40)의 다른 단부(40W4)와 제1하우징 부재(10)의 꺾여진 다른 단부(10W4); 제1하우징 부재(10)의 ㄷ 자형 다른 일 단부(10W6)와 제4하우징 부재(30)의 하부 및 양측부 단부(30W6); 및 제2하우징 부재(40)의 다른 단부(40W5)와 제4하우징 부재(30)의 상측 단부(30W5)에서 하나 이상 선택될 수 있다.

이때, 제1 내지 제 4 하우징 부재간 용접 결합에 의해 내부 수용 공간이 밀폐되기 전, 즉, 상부나 전/후의 일 측이 개방된 상태에서 배터리 셀이 하우징 부재에 의해 형성된 내부 공간에 장입된 후, 개방된 일측이 밀폐될 수 있다. 즉, 상부판인 제2하우징 부재(40), 제3하우징 부재(20) 또는 제4하우징 부재(30)의 결합 전, 내부 수용공간에 복수개의 배터리 셀을 장입한 후, 개방된 일측을 밀폐하는 하우징 부재가 용접 결합될 수 있음은 물론이다.

사각 판 또는 꺾인 사각 판 형태의 하우징 부재의 두께는 10⁰mm 오더 내지 10¹mm 오더 수준. 실질적인 일 예로, 1mm 내지 30mm 수준일 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 7은 하우징 부재들의 용접 결합에 의해 형성된 내부 수용 공간을 갖는 하우징(1000) 및 하우징(1000)의 내부 수용 공간에 수용된 복수개의 배터리 셀(2000)을 포함하는 배터리 모듈의 단면을 도시한 단면도이다. 도 7에서 점선 원으로 표시한 영역은, 도 6 기준 제2하우징 부재(40)의 일 단부(40W4)와 제1하우징 부재(10)의 꺾여진 일 단부(10W4)간의 용접된 영역(용접이음부)에 해당할 수 있으며, 그 우측에 점선 원으로 도시한 영역을 확대한 확대도를 도시하였다. 상대적으로 얇은 두께를 갖는 제2하우징 부재(40)를 제2모재(200)로 하고 제1하우징 부재(10)를 제1모재(100)로 하여, 제1모재(100)와 제2모재(200)간 갭이 형성되도록 정렬한 후 레이저를 조사하여 용접함으로써, 하우징(1000)은 모재의 외측 표면 대비 내부로 오목하게 들어간 용접비드를 갖는 용접이음부(300)를 가질 수 있다.

유리한 일 예에 있어, 제1모재와 제2모재 중 보다 두꺼운 모재를 제1모재로 하여, 상기 제1모재는 제2모재 쪽으로 돌출된 리브(rib)를 더 포함할 수 있으며, 리브는 제2모재의 외측 표면의 대향면과 전체적으로 또는 적어도 부분적으로 이격되어 위치할 수 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 있어, 용접단면 상, 제1모재(100)에 리브(110)가 형성된 구조를 도시한 일 단면도이다. 도 8에 도시한 일 예와 같이, 리브(110)는 제2모재(200)의 외측 표면의 대향면과 전체적으로 이격되어 위치할 수 있다. 이와 달리, 도 9에 도시한 일 예와 같이, 리브(110)는 제2모재(200)의 외측 표면의 대향면과 부분적으로 이격되어 위치할 수 있다.

도 8 및 도 9의 일 예와 같이 제1모재로부터 연장되어 제2모재의 내측에 외치하도록 제2모재 쪽으로 돌출된 리브(110)에 의해, 레이저 조사에 의한 용접시 용접면간 형성된 갭을 통해 레이저가 하우징의 내부 수용 공간으로 조사되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 리브(110)는 용접 초기 갭을 통해 흐르는 알루미늄 합금 용융물이 내부 수용 공간으로 유입되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.

리브(110)는 유리하게, 도 9의 일 예와 같이, 제2모재(200)의 외측 표면의 대향면과 마주하는 면이 곡면인 것이 좋고, 곡면은 제1모재(100)의 용접면 측에 위치하는 오목(concave) 면(111) 및 제1모재(100)의 용접면 측의 대향측에 위치하는 볼록(convex) 면(112)을 포함하는 것이 좋다.

리브(110)는 볼록면(112)을 통해 제2모재(200)와 접할 수 있으며, 이에 의해 레이저 용접 시, 제1모재(100)과 제2모재(200)를 용이하고 안정적으로 정렬 및 고정 시킬 수 있으며, 오목면(111)에 의해 형성되는 빈 공간에 의해 용접 초기 갭을 통해 흐르는 알루미늄 합금 용융물을 수용할 수 있다. 이때, 오목면의 오목하게 파인 깊이는 두 모재 중 보다 얇은 모재의 두께(t)를 기준으로 0.1t 내지 0.3t 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상술한 바와 같이, 오목면(111)과 볼록면(112)을 포함하는 곡면을 갖는 리브(110)는 볼록(112)면에서 제2모재(200)와 접할 수 있으며, 용접 비드(300)는 제2모재(200)의 외측 표면의 대향면과 리브(110)의 오목면(111) 사이의 빈 공간의 일부 내지 전부를 채울 수 있으며, 유리하게, 빈 공간의 20% 이상, 보다 유리하게 40% 이상, 보다 더 유리하게 50% 내지 100%를 채울 수 있다. 이러한 오목면(111)에 의해 제공되는 빈 공간에 알루미늄 합금 용융물이 수용되어 용접 비드가 채워짐으로써, 제1모재와 제2모재간의 용접 강도가 더욱 더 향상될 수 있다.

배터리 셀은 각형 배터리 셀 또는 파우치형 배터리 셀일 수 있으며, 배터리 셀은 하우징의 내부 수용 공간에 위치할 수 있다. 내부 수용 공간에 수납되는 배터리 셀의 수는 배터리 모듈의 용도 등에 의해 조절되는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 내부 수용 공간에 수납되는 배터리 셀들은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.

배터리 모듈은 복수개의 배터리 셀을 하우징의 내부 수용 공간에 고정하기 위한 통상의 고정부재나 배터리 셀에서 발생하는 열을 하우징 외부로 전달하기 위한 통상의 열전달부재를 더 포함할 수 있으나, 본 발명이 고정부재의 여부나 구체 구조, 열전달부재를 포함한 냉각부의 여부나 구체 구조와 물질등에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진으로, 오목면과 볼록면을 갖는 리브(110)가 형성된 제1모재(100)와 제2모재(200)의 외측 표면이 서로 동일면상에 위치하며 두 용접면이 서로 이격되도록 갭을 형성(약 200 마이크로미터, 0.14t 수준)한 후 30.8J/mm의 LLI로 레이저(NIR 레이저: 1000~1200nm 파장)를 조사하여 형성된 용접이음부를 관찰한 용접 단면이다. 이때, 제1모재는 Al5000계열 합금이었으며, 제2모재는 Al6000계열 합금이었다. 도 10에서 비드의 용입 깊이(D)는 박판 모재인 제2모재(200)의 두께 t를 기준으로 1.3t였으며, h/w=0.16, w(conc)/w=1, w=1.16t, h=0.19t였으며, 리브에 의해 제공되는 빈 공간이 비드에 의해 채워지는 채움율(용접 단면상 빈공간에서 비드가 채워진 면적/용접전 리브에 의해 제공되는 빈 공간 전체 면적*100,%, 이하, FF)은 실질적으로 100%에 이르렀다. 비교를 위해 동일한 제1모재와 제2모재의 외측 표면이 서로 동일면상에 위치하며 두 용접면이 서로 밀착되도록 한 후 30.8J/mm의 LLI로 NIR 레이저 용접을 수행하였다. 이후, ASTME8/E8M에 따라 용접된 제1모재와 제2모재의 용접 강도를 측정한 결과, 도 10과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부를 갖는 용접 바디의 용접 강도(wielding strength)는 29.8 kfg/mm였으며, 종래와 같이 두 모재를 밀착시킨 후 동일 조건으로 용접을 수행한 기준 용접 바디의 용접 강도는 25.6 kfg/mm였다.

또한, 리브를 형성하지 않은 단순 판 형태의 제1모재와 제2모재를 이용하되, 제1모재와 제2모재의 외측 표면이 서로 동일면상에 위치하며 두 용접면이 서로 이격되도록 갭을 형성(약 100 마이크로미터. 0.067t 수준)한 후 30.8J/mm의 LLI로 레이저(NIR 레이저: 1000~1200nm 파장)를 조사하여 용접을 수행한 결과, 비드가 박판 모재를 관통하는 형태로 용입 형성되고(용입깊이 D ≒ t), 제2모재(200)의 두께 t 기준 h/w=0.15, w(conc)/w=0.52, w=1.14t, h=0.20t의 비드(용접이음부)가 형성되었으며, 이러한 용접이음부를 갖는 용접 바디의 용접 강도는 28.7kfg/mm였다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

내부 수용공간을 갖는 하우징; 및 상기 내부 수용공간에 위치하는 복수의 배터리 셀;을 포함하며,
상기 하우징은 제1알루미늄계 합금의 제1모재와 제2알루미늄계 합금의 제2모재가 용접된 용접이음부를 포함하고,
상기 용접이음부와 접하는 제1모재의 외측 표면과 제2모재의 외측 표면을 잇는 가상의 면을 기준면으로 하여, 상기 용접이음부의 비드 표면 중 적어도 일부 영역이 상기 기준면보다 내측에 위치하는 배터리 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 제1모재측에서 제2모재측으로 상기 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준,
상기 용접이음부는 하기 식 1을 만족하는 배터리 모듈.
(식 1)
0.10 ≤ h/w ≤ 0.30
(식 1에서 w는 용접단면에서 상기 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계; 및 상기 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계;를 이은 직선의 크기(mm)이며, h는 용접단면 상 상기 직선보다 내측에 위치하는 비드 표면 영역에서의 최 저점;과 상기 직선;간의 최단거리(mm)이다)
제 1항에 있어서,
상기 제1모재측에서 제2모재측으로 상기 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준,
상기 용접이음부는 하기 식 2를 만족하는 배터리 모듈.
(식 2)
0.2 ≤ w(conc)/w ≤ 1.0
(식 2에서, w는 용접단면에서 상기 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계; 및 상기 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계;를 이은 직선의 크기(mm)이며, 제1모재나 제2모재의 외측 표면에서 내부로의 방향을 하측으로 하여 w(conc)은 상기 직선에서, 직선의 하부에 용접 비드 표면이 위치하는 직선 영역의 길이를 합한 총 길이(mm)이다)
제 1항에 있어서,
상기 제1모재측에서 제2모재측으로 상기 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준, 상기 용접이음부는 하기 식 3을 만족하는 배터리 모듈.
(식 3)
0.7t ≤ w ≤ 2t
(식 3에서, w는 용접단면에서 상기 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계; 및 상기 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계;를 이은 직선의 크기(mm)이며, t는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께(mm)이다)
제 1항에 있어서,
상기 제1모재측에서 제2모재측으로 상기 용접이음부를 최단거리로 가로지르는 단면인 용접단면 기준,
상기 용접이음부는 하기 식 4를 만족하는 배터리 모듈.
(식 4)
0 < h ≤ 0.25t
(식 4에서, h는 용접단면에서 상기 제1모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계 및 상기 제2모재의 외측 표면과 용접이음부의 경계를 이은 직선;과 용접단면 상 상기 직선보다 내측에 위치하는 비드 표면 영역에서의 최 저점;간의 최단거리(mm)이며, t는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께(mm)이다)
제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용접이음부에서 비드의 용입 깊이는 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께 이상인 배터리 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 제1모재의 외측 표면과 상기 제2모재의 외측 표면은 동일면 상에 위치하는 배터리 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 제1모재와 상기 제2모재는, 각각, 사각 판 또는 일 단부 내지 양 단부가 수직으로 꺾여진 꺾인 사각 판의 형상인 배터리 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 제1모재와 제2모재 중 보다 두꺼운 모재를 제1모재로 하여, 상기 제1모재는 제2모재 쪽으로 돌출되되, 상기 제2모재의 외측 표면의 대향면과 전체적으로 또는 적어도 일부분이 이격된 리브(rib)를 더 포함하는 배터리 모듈.
제 9항에 있어서,
상기 리브는, 상기 제2모재의 대향면과 마주하는 면이 곡면이며, 상기 곡면은 상기 제1모재의 용접면 측에 위치하는 오목(concave) 면 및 용접면 측의 대향측에 위치하는 볼록(convex) 면을 포함하는 배터리 모듈.
제 10항에 있어서,
상기 리브는 상기 볼록 면에서 상기 제2모재와 접하며, 상기 비드는, 상기 제2모재의 외측 표면의 대향면과 리브의 오목 면 사이의 빈 공간의 일부 내지 전부를 채우는 배터리 모듈.
제 8항에 있어서,
상기 하우징은 바닥면 및 바닥면과 일체로 이어져 좌우의 두 측면을 형성하는 꺾인 사각 판 형상의 제1하우징 부재; 제1하우징 부재와 결합하여 바닥면에 대향하는 상부면을 형성하는 사각 판 형상의 제2하우징 부재; 제1하우징 부재 및 제2하우징 부재와 결합하여 전후의 두 측면을 형성하는 사각 판 형상의 제3 및 제4하우징 부재;를 포함하며, 용접 이음부에 의해 서로 연결되는 상기 제1모재-상기 제2모재의 짝(pair)은 하기 i) 내지 v) 중 선택되는 하나 이상인 배터리 모듈.
i) 제1하우징 부재-제2하우징 부재
ii) 제1하우징 부재-제3하우징 부재
iii) 제1하우징 부재-제4하우징 부재
iv) 제3 및 제4하우징 부재와 용접된 제1하우징 부재-제2하우징 부재
v) 제2 및 제3 하우징 부재와 용접된 제1하우징 부재-제4하우징 부재
제 1항에 있어서,
상기 제1알루미늄계 합금 및 제2알루미늄계 합금은 서로 독립적으로 Al-Mg계 고용경화형 알루미늄 합금 또는 Al-Mg-Si계 석출경화형 알루미늄 합금인 배터리 모듈.
a) 용접 대상이자 서로 결합하여 복수의 배터리 셀이 수용되는 내부 수용 공간을 형성하는 하우징 부재인 제1모재와 제2모재의 용접면이 서로 이격되어 갭을 형성하도록 제1모재와 제2모재를 정렬하는 단계; 및
b) 상기 갭이 형성된 용접 부위에 레이저를 조사하여 제1모재와 제2모재를 용접하는 단계;
를 포함하는 배터리 모듈의 제조방법.
제 14항에 있어서,
a) 단계에서, 제1모재와 제2모재의 두께중 보다 얇은 두께인 t를 기준으로, 갭의 크기 x는 0 초과 내지 0.3t 이하인 배터리 모듈의 제조방법.
제 14항에 있어서,
제1모재와 제2모재중 보다 얇은 두께를 갖는 모재를 제2모재로 하여, 제2모재의 용접단부는 제1모재측에 근접할수록 폭이 좁아지는 테이퍼진 형태로 돌출된 돌출부를 포함하는 배터리 모듈의 제조방법.
제 16항에 있어서,
상기 돌출부는 제1모재측에서 제2모재측으로 상기 용접 부위를 최단거리로 가로지르는 단면 기준, 사각형 또는 삼각형을 포함하는 다각형; 반원; 또는 잘려진 타원; 형상인 배터리 모듈의 제조방법.
제 14항에 있어서,
상기 레이저는 근적외선 레이저인 배터리 모듈의 제조방법.
제 14항에 있어서,
상기 조사되는 레이저 파워(W)를 용접 속도(mm/sec)로 나눈 비는 30 내지 45 J/mm인 배터리 모듈의 제조방법.