Tag: 버스바

이 기술 요약은 Abhishek Das 외 저자가 2019년 World Electric Vehicle Journal에 발표한 논문 “Comparison of Tab-To-Busbar Ultrasonic Joints for Electric Vehicle Li-Ion Battery Applications”을 기반으로 하며, STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: EV 배터리 버스바
• Secondary Keywords: 초음파 금속 용접, 탭-투-버스바 접합, 전기 저항, 리튬 이온 배터리, 열 거동

Executive Summary

• The Challenge: 전기차(EV) 리튬 이온 배터리 팩의 성능과 수명은 수많은 셀을 연결하는 탭-투-버스바 접합부의 기계적, 전기적, 열적 안정성에 크게 좌우됩니다.
• The Method: 초음파 금속 용접(UMW) 기술을 사용하여 다양한 두께의 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 버스바에 0.3mm 두께의 Cu[Ni] 및 Al 탭을 접합한 후, T-peel 테스트, 전기 저항 및 온도 상승을 측정했습니다.
• The Key Breakthrough: 버스바의 재질과 두께가 접합부의 전기 저항 및 발열에 미치는 영향을 정량적으로 규명했으며, 특정 조건에서 더 두꺼운 알루미늄 버스바가 더 얇은 구리 버스바와 동등한 전기적 성능을 보일 수 있음을 확인했습니다.
• The Bottom Line: EV 배터리 버스바 설계 시 무게, 비용, 공간 및 성능 간의 균형을 맞추기 위한 구체적인 데이터를 제공하며, 구리 탭이 알루미늄 탭보다 전기적, 열적으로 월등히 우수한 성능을 보였습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

전기차의 보급이 확대되면서 리튬 이온 배터리 팩의 효율과 신뢰성은 핵심 기술 과제가 되었습니다. 특히 파우치형 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위해 사용되는 수많은 탭-투-버스바 접합부는 전체 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소입니다. 각 접합부는 가혹한 주행 조건에서도 기계적으로 견고해야 하며, 전기적으로는 낮은 저항을, 열적으로는 안정적인 특성을 유지해야 합니다.

버스바의 재질(주로 구리 또는 알루미늄)과 두께는 전류 용량, 기계적 강도, 비용, 무게 등 다양한 요인을 고려하여 결정됩니다. 하지만 기존 연구는 접합 기술 자체나 기계적 강도에 집중되어 있었고, 다양한 버스바 재질과 두께 조합에 따른 전기 저항 및 발열 특성에 대한 포괄적인 비교 데이터는 부족했습니다. 이러한 데이터의 부재는 배터리 모듈 설계 시 과도한 열 발생이나 예상치 못한 저항 증가로 인한 성능 저하 및 수명 단축 문제를 야기할 수 있습니다. 본 연구는 이러한 기술적 공백을 메우고, EV 배터리 버스바 설계를 위한 실질적인 가이드라인을 제공하는 것을 목표로 합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 실제 산업 현장에서 널리 사용되는 초음파 금속 용접(UMW) 기술을 기반으로 탭-투-버스바 접합부의 특성을 평가하기 위해 체계적인 실험을 설계했습니다.

• 사용 재료:
  • 탭: 0.3mm 두께의 니켈 도금 구리(Cu[Ni])와 알루미늄(Al) 탭
  • 버스바: 다양한 두께의 알루미늄(1.0, 1.5, 2.0, 2.5 mm)과 구리(1.0, 1.5, 2.0 mm) 버스바
• 용접 공정: 20kHz, 6.5kW 사양의 Telsonic MPX 초음파 용접기를 사용하여 10mm x 5mm 크기의 너겟을 갖는 랩(lap) 접합 시편을 제작했습니다.
• 기계적 특성 평가: Instron 3367 만능시험기를 사용하여 T-peel 테스트를 수행하고, 용접 압력, 진동 진폭, 용접 시간을 변화시키며 최대 하중을 측정하여 최적의 용접 조건을 도출했습니다.
• 전기적 및 열적 특성 평가: 최적의 용접 조건으로 제작된 시편에 60초 동안 250A의 높은 전류를 인가했습니다. 이 과정에서 접합부 양단의 전압 강하를 측정하여 전기 저항 변화를 계산하고, FLIR T440 열화상 카메라를 이용해 접합부의 온도 상승을 실시간으로 기록했습니다. 이 방식은 레이스 서킷 주행과 같은 가혹한 EV 운행 조건을 모사합니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 최적의 용접 조건 확보를 통한 일관된 접합 품질 달성

안정적인 접합부 특성을 평가하기 위해, 연구팀은 먼저 T-peel 테스트를 통해 최적의 용접 공정 변수를 확립했습니다. Figure 3에서 볼 수 있듯이, 0.3mm Al 탭을 1.0mm Al 버스바에 접합할 경우 1.5 bar의 용접 압력, 50 µm의 진폭, 0.35초의 용접 시간이 가장 높은 T-peel 강도를 보였습니다. 반면, 0.3mm Cu[Ni] 탭을 1.0mm Cu 버스바에 접합할 때는 동일한 압력과 진폭에서 0.55초의 용접 시간이 최적의 결과를 나타냈습니다. 이처럼 재료 조합에 따라 최적의 공정 조건이 다르다는 점을 확인하고, 이후 모든 전기적/열적 특성 평가에 이 조건들을 적용하여 결과의 신뢰도를 높였습니다.

Finding 2: 버스바 재질과 두께에 따른 전기 저항 변화 및 상호 교체 가능성

전류 인가 시 접합부의 전기 저항 변화를 분석한 결과, 예상대로 버스바 두께가 증가할수록 초기 저항과 저항 증가율이 모두 감소했습니다. 이는 단면적 증가로 인한 자연스러운 결과입니다. 흥미로운 점은 서로 다른 재질과 두께의 조합으로 유사한 전기적 성능을 구현할 수 있다는 것입니다. Figure 4b에 따르면, 0.3mm Al 탭을 사용했을 때 2.0mm Al 버스바(저항 변화율 26.30%)와 1.5mm Cu 버스바(26.92%)의 저항 변화율이 거의 동일했습니다. 이는 설계자가 무게, 비용, 공간 제약에 따라 더 두껍고 가벼운 알루미늄 버스바를 사용해 더 얇고 무거운 구리 버스바와 동등한 전기적 성능을 확보할 수 있는 가능성을 시사합니다.

Finding 3: 접합부 발열 특성에서 나타난 구리 버스바의 명백한 우위

접합부의 온도 상승은 배터리 셀의 노화와 직접적인 관련이 있어 매우 중요한 지표입니다. Figure 6은 버스바 재질과 두께에 따른 온도 변화를 명확히 보여줍니다. 0.3mm Al 탭을 사용한 경우, 2.0mm Al 버스바와의 접합부는 60초 후 67.83°C까지 온도가 상승한 반면, 동일한 두께의 Cu 버스바와의 접합부는 50.07°C에 그쳤습니다. 이는 구리의 우수한 열전도율과 낮은 저항 변화 덕분입니다. 심지어 가장 두꺼운 2.5mm Al 버스바(최종 온도 59.97°C)조차 가장 얇은 1.0mm Cu 버스바(최종 온도 약 58°C)보다 높은 온도를 기록했습니다. 또한, 모든 조건에서 Cu[Ni] 탭이 Al 탭보다 현저히 낮은 온도 상승을 보여, 탭 재질 선택의 중요성도 함께 확인되었습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• For Process Engineers: 본 연구는 Al 탭과 Cu[Ni] 탭에 대한 최적의 초음파 용접 변수(압력, 진폭, 시간)를 구체적으로 제시합니다. 이는 용접 공정 설정 시 시행착오를 줄이고 안정적인 접합 품질을 확보하는 데 기여할 수 있습니다.
• For Quality Control Teams: Figure 4와 Figure 5의 저항 변화 데이터는 버스바 사양에 따른 전기적 성능 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다. 특정 전류 조건에서 저항 증가율이 설정된 기준을 초과하는지 여부를 검사하여 접합부의 품질을 판정할 수 있습니다.
• For Design Engineers: 본 연구 결과는 무게, 비용, 열 관리 성능 간의 균형을 맞추는 데 중요한 근거를 제공합니다. 예를 들어, 무게 절감이 최우선 과제라면, Figure 6의 데이터를 참고하여 허용 가능한 온도 상승 범위 내에서 가장 두꺼운 알루미늄 버스바를 선택할 수 있습니다. 반면, 열 관리가 더 중요하다면 구리 버스바가 필수적임을 알 수 있습니다. 또한, 특정 두께의 구리 버스바와 전기적으로 동등한 성능을 내는 알루미늄 버스바의 두께를 예측하여(Figure 4b, 5b 참조) 설계 대안을 모색할 수 있습니다.

Paper Details

Comparison of Tab-To-Busbar Ultrasonic Joints for Electric Vehicle Li-Ion Battery Applications

1. Overview:

• Title: Comparison of Tab-To-Busbar Ultrasonic Joints for Electric Vehicle Li-Ion Battery Applications
• Author: Abhishek Das, Anup Barai, Iain Masters and David Williams
• Year of publication: 2019
• Journal/academic society of publication: World Electric Vehicle Journal
• Keywords: electric vehicle; thin metal film; ultrasonic metal welding; electrical resistance; temperature rise

2. Abstract:

최근 전기차 내 리튬 이온 배터리 팩 사용이 증가하면서 버스바 재질 및 해당 두께 선택에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이는 주로 용접 접합부의 기계적, 전기적, 열적 특성과 재료 가용성 및 비용을 기반으로 결정됩니다. 품질 핵심 기준에 해당하는 접합 거동을 파악하기 위해, 본 연구에서는 널리 사용되는 접합 기술 중 하나인 초음파 금속 용접(UMW)을 사용하여 다양한 두께의 구리 및 알루미늄 버스바로 탭-투-버스바 접합을 제작했습니다. 전기적 및 열적 특성 분석을 위한 접합부는 T-peel 테스트에서 결정된 만족스러운 기계적 강도를 기반으로 선택되었습니다. 접합부에 전류를 통과시켜 다양한 탭-투-버스바 접합부의 전기 접촉 저항 및 해당 온도 상승을 비교했습니다. 0.3mm Al 탭에서 발생하는 평균 저항 또는 온도 증가는 버스바 선택과 무관하게 0.3mm Cu[Ni] 탭보다 0.6배 더 높았습니다.

3. Introduction:

리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 낮은 자가 방전율 등의 장점으로 자동차 전동화에 널리 사용되고 있습니다. 온실가스 배출 규제는 자동차 산업이 저탄소 배출 차량을 개발하도록 유도했으며, 이에 따라 경량화, 지능형 자동화 또는 하이브리드/순수 배터리 기반의 새로운 파워트레인 기술 채택이 이루어지고 있습니다. EV 배터리 팩은 다수의 개별 셀을 직렬 또는 병렬로 연결해야 하며, 특히 파우치 셀은 탭-투-버스바 연결을 사용합니다. 모듈 설계에 따라 수많은 탭-투-버스바 접합이 필요하며, 각 접합부는 가혹한 주행 조건에서도 전기적, 열적으로 적합한 연결을 제공해야 합니다. 버스바는 전류 용량, 기계적/전기적 특성, 비용을 기반으로 선택되며, 접합부에서의 과도한 열 발생을 피하는 데 중요한 역할을 합니다. 구리와 알루미늄은 널리 사용되는 버스바 재료입니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

전기차 배터리 팩 제조 시 다수의 파우치 셀을 연결하기 위한 탭-투-버스바 접합은 필수적입니다. 이 접합부의 기계적, 전기적, 열적 성능은 배터리 전체의 신뢰성과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

Status of previous research:

초음파 금속 용접(UMW) 기술 자체에 대한 연구는 활발히 진행되었으나, 다양한 버스바 재질(구리, 알루미늄)과 두께가 실제 탭-투-버스바 접합부의 전기 저항 및 열 거동에 미치는 영향에 대한 포괄적인 비교 연구는 부족했습니다. 기존 연구는 주로 기계적 접합이나 단일 재료 조합에 국한되었습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 UMW를 사용하여 제작된 다양한 탭-투-버스바 접합부(서로 다른 재질과 두께의 버스바 사용)의 품질 핵심 기준인 기계적 강도, 전기 저항, 온도 상승 특성을 비교 분석하는 것입니다. 이를 통해 EV 배터리 팩 설계 시 적합한 버스바를 선택하기 위한 실질적인 가이드라인을 제공하고자 합니다.

Core study:

0.3mm 두께의 알루미늄(Al) 탭과 니켈 도금 구리(Cu[Ni]) 탭을 다양한 두께의 알루미늄 및 구리 버스바에 초음파 용접했습니다. 먼저 T-peel 테스트를 통해 최적의 용접 조건을 찾고, 이 조건으로 제작된 시편에 250A의 전류를 60초간 인가하여 전기 저항 변화와 온도 상승을 측정하고 비교 분석했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 실험적 설계에 기반합니다. 탭 재질(Al, Cu[Ni]), 버스바 재질(Al, Cu), 버스바 두께를 변수로 설정하고, 각 조합에 따른 접합부의 기계적, 전기적, 열적 특성을 평가했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 기계적 강도: T-peel 테스트를 통해 최대 하중(N)을 측정했습니다.
• 전기 저항: 4선식 측정법과 유사하게 접합부 양단에 전압 센서를 배치하고, 250A 전류 인가 시 발생하는 전압 강하를 측정하여 저항(mΩ)을 계산했습니다.
• 온도 상승: 열화상 카메라를 사용하여 전류 인가 동안 접합부의 최고 온도를 섭씨(°C) 단위로 기록했습니다. 수집된 데이터는 그래프로 시각화하여 각 변수가 접합부 특성에 미치는 영향을 비교 분석했습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 0.3mm Al 및 Cu[Ni] 탭과 1.0~2.5mm Al 버스바, 1.0~2.0mm Cu 버스바 간의 초음파 용접 접합에 한정됩니다. 평가는 기계적 강도(T-peel), 전기 저항, 그리고 250A 전류 인가 시 온도 상승에 초점을 맞췄습니다.

6. Key Results:

Key Results:

• T-peel 테스트를 통해 Al 탭과 Cu[Ni] 탭에 대한 최적의 초음파 용접 변수(압력 1.5 bar, 진폭 50 µm, 용접 시간 각각 0.35s, 0.55s)를 결정했습니다.
• 버스바 두께가 증가할수록 전기 저항과 온도 상승이 모두 감소했습니다.
• 구리 버스바는 동일 두께의 알루미늄 버스바보다 현저히 낮은 저항 증가와 온도 상승을 보였습니다.
• 0.3mm Cu[Ni] 탭을 사용한 접합부는 0.3mm Al 탭을 사용한 접합부보다 모든 조건에서 전기적, 열적으로 우수한 성능을 나타냈습니다.
• 0.3mm Al 탭에서 발생하는 평균 저항 또는 온도 증가는 버스바 종류와 관계없이 0.3mm Cu[Ni] 탭보다 약 0.6배 더 높았습니다.
• 특정 조건에서 더 두꺼운 알루미늄 버스바가 더 얇은 구리 버스바와 유사한 전기 저항 변화율을 보여, 설계 시 재료 간 상호 교체 가능성을 제시했습니다.

Figure List:

• Figure 1. (a) Ultrasonic metal welding joining set-up; (b) a pictorial example of ultrasonic welding to produce tab-to-busbar interconnect in lap configuration; and (c) T-peel test set-up for mechanical strength characterisation.
• Figure 2. Test set-up for electrical and thermal characterisation of tab-to-busbar joints (a) schematic view; and (b) experimental set-up.
• Figure 3. Maximum T-peel load obtained from (a) welding pressure variation; (b) amplitude variation; (c) welding time variation; and (d) parameters selected for producing samples for electrical and thermal characterisation.
• Figure 4. (a) Electrical resistance profiles for 0.3 mm Al tab to Al/Cu busbars; and (b) the percentage (%) changes in resistance.
• Figure 5. (a) Electrical resistance profiles for 0.3 mm Cu[Ni] tab to Al/Cu busbars; and (b) the percentage (%) changes in resistance.
• Figure 6. The temperature rise profiles due to application of 250 amp current for 60 s through (a) a 0.3 mm Al tab to different Al busbar joints; (b) a 0.3 mm Al tab to different Cu busbar joints; (c) a 0.3 mm Cu[Ni] tab to different Cu busbar joints; and (d) a 0.3 mm Cu[Ni] tab to different Cu busbar joints.
• Figure 7. The percentage (%) changes in temperature due to application of 250 amp current for 60 s through different tab-to-busbar assemblies.

7. Conclusion:

본 연구는 탭-투-버스바 접합부의 기계적 강도, 전기 저항, 열 거동을 비교 분석했습니다. T-peel 테스트를 통해 0.3mm Al 탭과 0.3mm Cu[Ni] 탭에 대한 최적의 용접 변수를 각각 도출했습니다. 이 변수들을 사용하여 제작된 시편의 전기적, 열적 특성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었습니다. 버스바 두께가 증가함에 따라 전기 저항 변화는 감소했으며, 특정 두께 이상에서는 저항 변화 프로파일이 안정화되는 경향을 보였습니다. 또한, 0.3mm Al 탭의 평균 온도 상승은 버스바 재질과 무관하게 0.3mm Cu[Ni] 탭보다 0.6배 더 높았습니다. 이 연구는 UMW를 이용한 배터리 팩 제조 시 적합한 버스바 선택을 위한 가이드라인을 제공하며, 향후 전체 모듈 성능 평가를 위한 모델링 및 시뮬레이션에 활용될 수 있습니다.

8. References:

• 1. Faria, R.; Moura, P.; Delgado, J.; de Almeida, A.T. A Sustainability Assessment of Electric Vehicles as a Personal Mobility System. Energy Convers. Manag. 2012, 61, 19–30.
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  1. Union, E. Regulation (Eu) No 333/2014 of the European Parliament and of the Council of 11 March 2014 Amending Regulation (Ec) No 443/2009 to Define the Modalities for Reaching the 2020 Target to Reduce Co 2 Emissions from New Passenger Cars. Off. J. Eur. Union. 2014, 103, 15–21.
  1. Union, E. Comparative Study on the Differences between the EU and US Legislation on Emissions in the Automotive Sector; Institute for European Environmental Policy: London, UK, 2016.
  1. Thackeray, M.M.; Wolverton, C.; Isaacs, E.D. Electrical Energy Storage for Transportation—Approaching the Limits of, and Going Beyond, Lithium-Ion Batteries. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7854–7863.
• … (and 32 more references as listed in the paper)

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 다른 용접 기술이 아닌 초음파 금속 용접(UMW)을 선택한 이유는 무엇인가요?

A1: 논문의 서론에 따르면, 초음파 금속 용접은 여러 장점을 가지고 있어 선택되었습니다. 특히 이종 재료(예: 구리-알루미늄) 접합, 반사율과 전도성이 높은 재료의 접합, 다층 적층 구조의 접합에 용이하며, 용접 중 열 입력이 낮아 배터리 셀과 같은 열에 민감한 부품에 손상을 줄 위험이 적습니다. 이러한 특성들은 배터리 탭과 버스바를 접합하는 데 매우 적합합니다.

Q2: 전기적/열적 특성 평가 시 250A라는 높은 전류를 사용한 근거는 무엇인가요?

A2: 논문의 2.4절에 따르면, 250A의 전류는 레이스 서킷 주행과 같이 공격적인 자동차 주행 사이클(aggressive automotive duty cycles)을 모사하기 위해 설정되었습니다. 리튬 이온 파우치 셀은 종종 최대 300A에 달하는 높은 전류에 노출될 수 있으므로, 250A는 실제 가혹 조건에서 접합부의 거동을 현실적으로 평가하기 위한 값입니다.

Q3: Figure 3c를 보면, Al 탭 접합 시 용접 시간이 0.55초로 길어지자 T-peel 강도가 오히려 감소했습니다. 그 이유는 무엇인가요?

A3: 논문에서는 이 현상의 원인을 과도한 변형(excessive deformation)과 과용접(over-weld condition) 상태로 설명합니다. 용접 시간이 너무 길어지면 탭 재료가 과도하게 연화되고 얇아져 오히려 기계적 강도가 저하될 수 있습니다. 따라서 최적의 강도를 얻기 위해서는 용접 부족과 과용접 사이의 균형을 맞춘 0.35초가 선택되었습니다.

Q4: 더 두꺼운 알루미늄 버스바를 사용하면 더 얇은 구리 버스바의 열 성능을 완전히 대체할 수 있나요?

A4: 논문의 Figure 6a와 6b 데이터에 따르면, 완전히 대체하기는 어렵습니다. 연구에 사용된 가장 두꺼운 2.5mm Al 버스바의 최종 온도는 약 60°C였지만, 가장 얇은 1.0mm Cu 버스바의 최종 온도는 약 58°C로 더 낮았습니다. 이는 구리의 월등한 열전도 특성 때문으로, 열 관리가 매우 중요한 애플리케이션에서는 두께를 늘리는 것만으로 알루미늄이 구리를 완전히 대체하기는 어려울 수 있음을 시사합니다.

Q5: 논문에서 특정 알루미늄과 구리 버스바 간에 ‘동등한 저항 변화(equivalent resistance changes)’가 관찰되었다고 언급했는데, 이것이 설계자에게 어떤 의미를 가지나요?

A5: 이는 설계자에게 중요한 트레이드오프(trade-off) 옵션을 제공합니다. 예를 들어, Figure 4b에서 2.0mm Al 버스바와 1.5mm Cu 버스바의 저항 변화율이 유사하게 나타났습니다. 이는 무게를 줄이고 비용을 절감하는 것이 우선순위일 경우, 더 얇고 무거운 구리 버스바 대신 더 두껍지만 가볍고 저렴한 알루미늄 버스바를 사용하여 동등한 전기적 성능을 확보할 수 있음을 의미합니다. 즉, 무게, 비용, 공간, 성능 간의 균형을 맞출 수 있는 유연성을 제공합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 전기차 배터리 팩의 신뢰성에 핵심적인 탭-투-버스바 접합부의 성능을 결정하는 주요 변수들을 명확히 규명했습니다. 초음파 용접을 통해 제작된 접합부의 특성을 분석한 결과, EV 배터리 버스바의 재질과 두께가 전기 저항과 발열에 미치는 영향을 정량적으로 보여주었습니다. 특히 구리 버스바와 Cu[Ni] 탭의 조합이 열적, 전기적으로 가장 우수한 성능을 보였으며, 특정 조건에서는 알루미늄 버스바가 구리 버스바의 대안이 될 수 있음을 데이터로 입증했습니다.

이러한 결과는 R&D 및 운영팀이 배터리 모듈 설계 시 무게, 비용, 성능 간의 복잡한 균형을 맞추는 데 실질적인 도움을 줄 수 있습니다.

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Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper “Comparison of Tab-To-Busbar Ultrasonic Joints for Electric Vehicle Li-Ion Battery Applications” by “Abhishek Das, et al.”.
• Source: https://doi.org/10.3390/wevj10030055

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