KR100590046B1 - 이차 전지 및 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 너트의 체결력을 향상시킴으로써 외부 진동이나 충격에 대해 전지에 설치되는 너트의 풀림을 방지할 수 있도록, 세퍼레이터와, 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 전극군과 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체에 너트를 매개로 설치되며 끝단으로 갈수록 외주면이 중심축에 대해 일정각도로 벌어진 구조의 외부 단자를 포함하는 이차 전지를 제공한다.

단자, 너트, 홈, 쐐기, 연결바

Description

이차 전지 및 이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY AND SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 일반적으로 다수개의 이차 전지로 구성되는 전지 모듈을 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 단자 구조를 도시한 측단면도이다.

도 3과 도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 이차 전지의 단자 구조를 도시한 측단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전지 모듈을 설명하기 위해 도시한 개략적인 도면이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 대용량 이차 전지와 전지 모듈에 관한 것이다.

최근들어 고에너지 밀도의 비수전해액을 이용한 고출력 이차 전지가 개발되고 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등에 사용될 수 있도 록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개로 직렬(또는 병렬) 연결하여 대용량의 이차 전지 어셈블리를 구성하게 된다.

이와같이 하나의 대용량 이차 전지 어셈블리(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 고출력 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)의 조합으로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀페하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체 외측으로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.

그리고 각각의 단위전지를 전기적으로 연결하여 대용량의 이차 전지 모듈을 구성하기 위하여 다수개의 단위 전지들의 단자를 연결구로 직렬 또는 병렬 연결하게 된다.

일반적으로 단위전지의 단자를 연결하기 위해서는 단자 상에 나사산을 형성하여 볼트형태로 가공하고, 이 볼트 형태의 단자에 암나사가 형성된 너트를 체결하여 연결구를 고정하게 된다.

그런데, 상기와 같은 종래의 구조는 너트의 체결불량이 일어날 소지가 높으며, 제대로 체결되어 있는 너트라 하더라도 외부 조건에 따라 점차적으로 체결력이 약화되어 너트가 풀어지는 문제점이 발생된다.

특히, 상기 이차 전지 모듈이 전동 청소기 또는 전동 스쿠터나 자동차용(전 기 자동차나 하이브리드 자동차)의 모터 구동용의 대용량 전지 모듈로서 적용하는 경우 적용장치가 갖는 외부 환경의 영향으로 자체 진동이나 외부 충격으로 인한 진동이 이차 전지 모듈에 지속적으로 가해질 수 있으므로 이러한 문제는 더욱 커지게 된다.

즉, 전지 모듈이 지속적으로 흔들리고 유동되고 온도의 변화가 계속됨에 따라 너트가 점차적으로 풀리게 되는 것이다. 이와같이 너트가 풀림에 따라 전지 모듈의 출력 저하나 내구력 저하 등의 문제점이 발생하게 된다.

이에 따라 종래에는 단자와 너트 사이에 접착제를 가하거나 체결링 등을 별도로 설치하였으나 이러한 구조 또한 강한 진동 발생시 접착제나 체결링이 떨어지게 되어 너트가 풀어지는 것을 방지하지 못하였다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 너트의 체결력을 향상시킴으로써 외부 진동이나 충격에 대해 전지에 설치되는 너트의 풀림을 방지할 수 있도록 된 이차 전지 모듈을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 단자를 포함하는 이차 전지의 연결용 볼트가 중심축에 대해 끝단으로 갈수록 외측으로 벌어진 구조로 되어 있다.

이를 위해 본 발명의 이차 전지는 세퍼레이터와, 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과, 상기 전극군이 내장되는 케이스, 상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 전극군과 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체에 너트를 매개로 설치되며 끝단으로 갈수록 외주면이 중심축에 대해 일정각도로 벌어진 구조의 외부 단자를 포함한다.

이에 따라 상기 수나사 형태의 단자에 체결된 너트가 점차적으로 벌어져 외경이 커진 단자로부터 빠져나오지 못하고 체결상태를 유지할 수 있게 되는 것이다.

여기서 상기 외부 단자의 끝단부에 외측으로 벌어지는 경사면을 형성하기 위하여 상기 외부단자 끝단 중앙에 홈이 형성되고 상기 홈에 쐐기가 끼워지는 구조로 되어 있다.

상기 쐐기는 홈에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태로 이루어진다.

여기서 상기 쐐기의 직경이 큰쪽의 직경은 상기 홈의 내경보다 큰 구조로 이루어져 상기 홈을 외측으로 벌릴 수 있도록 함이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 쐐기와 상기 외부단자와의 이탈 방지를 위해 상기 홈 내주면에 암나사홀이 형성되고, 상기 쐐기의 외주면에는 상기 홈에 대응되는 사나사가 가공되어 상호 나사체결방식으로 고정되는 구조일 수 있다.

또한 본 발명은 상기 홈 내주면에 걸림홈이 형성되고 상기 쐐기의 외주면에는 상기 걸림홈에 대응되는 위치에 돌기가 돌출 형성된 구조일 수 있다.

이에 따라 너트를 단자에 체결하고 상기 쐐기를 단자 끝단에 설치하게 되면 단자의 끝단부가 외측으로 벌어져 너트의 이탈을 방지할 수 있고, 너트와 단자의 체결력을 높일 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 전지 모듈은 정렬된 다수개의 단위 전지를 고정하도록 양 끝단에 위치하는 단위전지의 외측에 접하는 프레임구조물, 이 프레임구조물 사이에 연결되는 연결바, 상기 연결바의 선단에 형성되는 수나사에 체결되어 프레임구조물을 조여 고정하는 너트를 포함하며, 상기 나사산이 형성된 연결바의 선단이 끝으로 갈수록 외경이 점차적으로 커져 외측으로 벌어지는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 이차 전지 또는 전지 모듈은 HEV(하이브리드 전기 자동차), EV(전기 자동차), 무선 청소기, 전동 자전거, 전동 스쿠터 등과 같이 모터를 사용하여 작동하는 기기에 있어, 해당 기기의 모터를 구동하기 위한 에너지원으로서 사용될 수 있다

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 일반적으로 다수개의 이차 전지로 구성되는 전지 모듈을 도시한 분해 사시도이다.

상기한 도면을 참조하여 먼저 대용량의 전지모듈(10)을 이루는 각 단위전지(11)의 구조를 살펴보면 양극판과 음극판이 세퍼레이터를 사이에 두고 위치하는 전극 조립체(18)와, 상기 전극 조립체(18)가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스(12), 상기 케이스(12)와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체(13), 상기 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체(13) 외측으로 돌출되는 양,음극단자(14,15)를 포함한다.

상기 케이스(12)는 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 니켈이 도금된 스틸과 같은 도전성 금속으로 제작되고, 그 형상은 전극 조립체가 위치하는 내부 공간부를 가진 육면체의 각형 또는 그 이외의 형상으로 이루어진다.

그리고 본 실시예에서 상기 각 단위전지(11)는 캡 조립체(13) 위로 두 개의 단자(양극단자(14)와 음극단자(15))가 간격을 유지한 상태로 돌출된 구조로 되어 있으며 이하 설명에서는 상기한 단자 구조를 갖는 단위 전지를 예로서 설명하도록 한다.

상기한 구조의 각 단위전지(11)는 대용량의 전지모듈(10)을 구성하기 위하여, 단자(14,15)가 상부를 향하는 상태로 놓여지고 일측 단위전지(11)의 캡 조립체(13) 상부로 돌출된 양극단자(14) 및 음극단자(15)가 이웃하는 단위전지(11)의 양극단자(14) 및 음극단자(15)와 엇갈리도록 교차 배열된다.

이에 따라 단위전지(11)의 중앙을 기준으로 양쪽에 각각 양극단자(14)와 음극단자(15)가 반복되면서 일정간격으로 늘어서는 단자열이 형성된다. 여기서 상기 단자열은 극성이 교차되는 단자들이 일렬로 늘어서 이루어지는 하나의 라인으로 이해될 수 있다.

상기한 구조의 전지 모듈에 있어서, 본 이차 전지는 각 단위전지(11)를 직렬로 연결시키기 위하여 이웃하는 단위전지(11)간의 양극단자(14)와 음극단자(15)를 전기적으로 연결시키는 연결구(16)가 장착된다.

여기서 상기 각 단위 전지(11)의 단자(14,15)는 외주면에 수나사가 가공된 볼트 형태로 캡 조립체(13) 상에 가스켓(16)을 매개로 캡 조립체(13) 외측으로 돌출되며, 너트(17)가 상기 단자(14,15)에 체결되어 조여짐으로서 캡 조립체(13) 상에 조립 고정된다.

또한, 이웃하는 단위 전지(11)의 각 단자(14,15)의 너트(17) 위에 일측 단위전지(11)의 양극단자(14)와 다음 단위전지(11)의 음극단자(15)를 전기적으로 연결하는 연결구(16)가 끼워지며 상기 연결구(16) 위에 다시 너트(19)가 체결되어 연결구(16)를 고정시키는 구조로 되어 있다.

여기서 본 실시예에 따르면 상기 단자(14,15)는 끝단으로 갈수록 외측으로 벌어져 중심축에 대해 일정각도(a)를 이루는 구조로 되어 있다.

도 2는 경사면을 갖는 단자(14,15)로 너트(17,19) 위쪽으로 돌출된 단자 끝단이 단자의 중심축에 대해 a의 각도로 기울어져 있음을 잘 보여주고 있다. 이에 따라 단자(14,15)의 외경은 너트(19)가 장착된 쪽에서 단자(14,15)의 끝단을 갈수록 점차적으로 커지게 된다.

여기서 상기 단자(14,15)가 외측으로 벌어져 외경이 커지는 시점은 상기 연결구(16)를 고정하기 위해 단자에 체결된 너트(19) 설치 지점 이후임이 바람직하다.

상기와 같이 단자(14,15)가 외측으로 벌어짐에 따라 단자(14,15)에 체결된 너트(17,19)가 풀리는 것을 방지할 수 있는 것이다.

한편, 도 3은 단자(14,15)의 끝단을 외측으로 벌리기 위한 일 실시예를 도시한 도면으로, 단위 전지의 단자(14,15)는 그 끝단 중앙에 내측으로 홈(33)이 형성되고 상기 홈(33) 내주면에 암나사가 가공된 구조로 이루어지고, 상기 단자(14,15) 외측에서 상기 홈(33)으로 쐐기(30)가 삽입되어 단자(14,15)를 벌리는 구조로 되어 있다.

상기 쐐기(30)는 상기 단자(14,15)의 끝단에 걸리도록 돌출된 머리부(32)와, 상기 홈(33)에 끼워지는 몸통부(31)로 이루어지며, 상기 몸통부(31) 외주면에는 상기 홈(33)에 형성된 암나사와 대응되도록 수나사가 가공되며 머리부(32)에서 홈(33)에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태로 이루어진다.

여기서 상기 쐐기(30)의 몸통부(31)의 외경은 가장 작은 끝단쪽의 직경이 상기 홈(33)의 직경과 대응되며 머리부(32)쪽으로 갈수록 상기 홈(33)의 직경보다 크게 형성된다.

이에 따라 상기 쐐기(30)의 몸통부(31)를 상기 홈(33)에 끼우고 나사결합시키게 되면 쐐기(30)의 몸통부(31)가 점차적으로 단자(14,15)의 홈(33)으로 진입되면서 쐐기(30)의 몸통부 직경에 따라 단자(14,15)의 홈(33)이 외측으로 밀려나가면서 단자(14,15) 끝단이 상기 쐐기(30)의 몸통 기울기와 같은 각도(a)로 외측으로 벌어지게 된다.

따라서 상기 단자(14,15)에 체결된 너트(17)와 연결구(16)를 고정하기 위해 체결되는 너트(19_가 쐐기(30)에 의해 외측으로 벌어진 단자(14,15) 끝단에 의해 가압되어 단자(14,15)로부터 풀리는 것을 방지할 수 있는 것이다.

또한, 도 4은 단자(14,15)의 끝단을 외측으로 벌리기 위한 또다른 구조를 예시하고 있는 데, 상기한 도면에 의하면, 단위 전지의 단자(14,15)는 그 끝단 중앙에 내측으로 홈(44)이 형성되고 상기 홈(44) 내주면에 걸림홈(45)이 형성된 구조로 이루어지고, 상기 단자(14,15) 외측에서 상기 홈(44)으로 쐐기(40)가 삽입되어 단자(14,15)를 벌리는 구조로 되어 있다.

상기 쐐기(40)는 상기 단자(14,15)의 끝단에 걸리도록 돌출된 머리부(42)와, 상기 홈(44)에 끼워지는 몸통부(41)로 이루어지며, 상기 몸통부(41) 외주면에는 상기 홈(44)에 형성된 걸림홈(45)과 대응되는 위치에 상기 홈(44)에 끼워져 걸리도록 된 돌기(43)가 돌출 형성되며, 머리부(42)에서 홈(44)에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태로 이루어진다.

여기서 상기 쐐기(40)의 몸통부(41)의 외경은 가장 작은 끝단쪽의 직경이 상기 홈(44)의 직경과 대응되며 머리부쪽으로 갈수록 상기 홈(44)의 직경보다 크게 형성된다.

이에 따라 상기 쐐기(40)의 몸통부(41)를 상기 홈(44)에 끼우게 되면 쐐기(40)의 몸통부(41)가 점차적으로 단자(14,15)의 홈(44)으로 진입되면서 쐐기의 몸통부(41) 직경에 따라 단자(14,15)의 홈(44)이 외측으로 밀려나가면서 단자(14,15) 끝단이 상기 쐐기의 몸통 기울기와 같은 각도(a)로 외측으로 벌어지게 된다.

따라서 상기 단자(14,15)에 체결된 너트(17)와 연결구(16)를 고정하기 위해 체결되는 너트(19)가 쐐기(40)에 의해 외측으로 벌어진 단자(14,15) 끝단에 의해 가압되어 단자(14,15)로부터 풀리는 것을 방지할 수 있는 것이다.

이때 상기 쐐기(40)는 몸통부(41)에 형성된 돌기(43)가 상기 홈(44)에 형성된 걸림홈(45)에 탄력적으로 안착되면서 홈(44)에서 이탈되지 않게 된다.

위에서 본 이차 전지 모듈에 다양하게 적용되는 너트 체결 구조 중 단위 전지에 있어서 볼트 형태의 단자(14,15)의 구조에 대해 설명하였으나 이러한 구조는 상기 단자에만 한정된 것은 아니며 이하 설명되는 모든 너트 체결 구조에 대해 적 용된다 할 것이다.

도 5는 본 실시예의 너트 풀림 방지구조가 단위 전지와 단위 전지를 고정하는 프레임구조물의 고정에 적용된 예를 도시하고 있다.

이차 전지 모듈은 다수개의 단위 전지(11)가 간격을 두고 배치되며 끝쪽에 위치한 단위전지(11)의 외측에는 프레임구조물(20)이 배치되며 이 프레임구조물(20) 사이를 연결바(23)가 관통하고 상기 연결바(23)의 돌출된 선단에 형성된 수나사에 너트(22)를 체결함으로써 프레임구조물(20)로 단위전지(11)를 고정하는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 프레임구조물(20)에 끼워지는 연결바(23)의 선단은 위에서 언급한 바와 같이 그 끝단이 외측으로 벌어져 중심축에 대해 일정각도(b)로 기울어진 구조로 되어 있다.

따라서 상기 연결바(23)의 끝단부 외경은 너트(22)가 장착된 쪽에서 단자(14,15)의 끝단을 갈수록 점차적으로 커지게 된다.

상기와 같이 연결바(23)의 끝단이 외측으로 벌어짐에 따라 연결바(23)에 체결된 너트(22)가 풀리는 것을 방지할 수 있는 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 단자 또는 연결구 등 단위 전지와 전지모듈에 사용되는 너트 체결구조에 있어서 너트의 체결력을 향상시켜 이차 전지 모듈 자체의 진동이나 외부에서 충격에 의한 진동에 의해 너트가 풀리는 것을 방지할 수 있게 된다.

이에 다라 전지 모듈의 내구성을 높이고 전지 모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (22)

1. 세퍼레이터와, 이 세퍼레이터 양면에 배치되는 양극판과 음극판을 포함하는 전극군과;

   상기 전극군이 내장되는 케이스;

   상기 케이스와 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체;

   상기 전극군과 전기적으로 연결되고 상기 캡 조립체에 너트를 매개로 설치되며 끝단으로 갈수록 외주면이 중심축에 대해 일정각도로 벌어진 구조의 외부 단자;

   를 포함하는 이차 전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 단자는 단자에 체결된 너트 외측으로 돌출된 부분이 벌어지는 이차 전지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 단자의 끝단 중앙에 홈이 형성되고 상기 홈에 쐐기가 끼워지는 이차 전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 홈 내주면에 암나사가 형성되고 상기 쐐기의 외주면에 수나사가 형성되어 나사체결되는 이차 전지.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 홈의 내주면에 걸림홈이 형성되고 상기 쐐기의 외주 면에는 상기 걸림홈에 대응되는 위치에 돌기가 형성되는 이차 전지.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 쐐기는 홈에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태로 이루어진 이차 전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 쐐기는 상기 끝단의 직경이 상기 홈의 내경과 대응되는 이차 전지.
8. 제 3 항에 있어서, 상기 쐐기는 상기 단자의 끝단에 걸리도록 돌출된 머리부와, 상기 홈에 끼워지는 몸통부로 이루어지며, 상기 몸통부 외주면에는 상기 홈에 형성된 암나사와 대응되도록 수나사가 가공되며, 상기 몸통부는 머리부에서 홈에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태를 이루는 이차 전지.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 쐐기는 상기 단자의 끝단에 걸리도록 돌출된 머리부와, 상기 홈에 끼워지는 몸통부로 이루어지며, 상기 몸통부 외주면에는 상기 홈에 형성된 걸림홈과 대응되는 위치에 상기 홈에 끼워져 걸리도록 된 돌기가 돌출 형성되며, 상기 몸통부는 머리부에서 홈에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태를 이루는 이차 전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지는 모터 구동용인 이차 전지.
11. 다수개의 단위전지와, 각 단위전지의 단자를 전기적으로 연결하는 연결구를 포함하는 이차 전지모듈에 있어서,

    상기 연결구가 설치되는 단위 전지의 단자가 끝단으로 갈수록 외주면이 중심축에 대해 일정각도로 벌어진 구조의 이차 전지 모듈.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 단자는 상기 연결구를 고정하기 위해 단자에 체결된 너트 외측으로 돌출된 부분이 벌어지는 이차 전지 모듈.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 단자의 끝단 중앙에 홈이 형성되고 상기 홈에 쐐기가 끼워지는 이차 전지 모듈.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 홈 내주면에 암나사가 형성되고 상기 쐐기의 외주면에 수나사가 형성되어 나사체결되는 이차 전지 모듈.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 홈의 내주면에 걸림홈이 형성되고 상기 쐐기의 외주면에는 상기 걸림홈에 대응되는 위치에 돌기가 형성되는 이차 전지 모듈.
16. 제 13 항에 있어서, 상기 쐐기는 홈에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태로 이루어진 이차 전지 모듈.
17. 간격을 두고 배열된 다수개의 단위 전지와;

    정렬된 다수개의 단위 전지를 고정하도록 양 끝단에 위치하는 단위전지의 외측에 접하는 프레임구조물;

    상기 프레임구조물 사이에 연결되어 너트를 매개로 체결되며 너트가 체결되는 끝단부는 외주면이 중심축에 대해 일정각도로 벌어진 구조의 연결바

    를 포함하는 이차 전지 모듈.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 연결바는 선단에 체결된 너트 외측으로 돌출된 부분이 벌어지는 이차 전지 모듈.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 연결바의 끝단 중앙에 홈이 형성되고 상기 홈에 쐐기가 끼워지는 이차 전지 모듈.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 홈 내주면에 암나사가 형성되고 상기 쐐기의 외주면에 수나사가 형성되어 나사체결되는 이차 전지 모듈.
21. 제 19 항에 있어서, 상기 홈의 내주면에 걸림홈이 형성되고 상기 쐐기의 외주면에는 상기 걸림홈에 대응되는 위치에 돌기가 형성되는 이차 전지 모듈.
22. 제 19 항에 있어서, 상기 쐐기는 홈에 삽입되는 끝단으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔형태로 이루어진 이차 전지 모듈.

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