KR20060028058A - 이차 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 너트의 체결력을 향상시킴으로써 외부 진동이나 충격에 대해 전지에 설치되는 너트의 풀림을 방지할 수 있도록, 다수개의 단위전지가 연결구를 매개로 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되는 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 연결구는 상기 단위 전지가 갖는 불트 형태의 단자 상에 너트에 의해 고정되고, 상기 너트는 내주면에 형성된 나사산이 상기 너트의 중심축에 대해 임의의 각도를 두고 경사진 가상면을 따라 형성된 구조의 이차 전지 모듈을 제공한다.

단자, 너트, 나사산, 경사

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}

도 1은 일반적인 이차 전지 모듈을 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 체결용 너트를 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 연결구조로 단자에 적용된 상태를 도시한 개략적인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지의 연결구조로 모듈의 프레임 연결구조에 적용된 상태를 도시한 개략적인 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 너트의 체결상태를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.

본 발명은 이차 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 대용량 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 격리판을 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 수 개에서 많게는 수십 개의 개별 단위 전지를 연결시켜 하나의 이차 전지 모듈을 구성함에 있어, 연결구를 연결시키기 위해 하나의 단위 전지 당 두 개의 너트를 각기 각 단자에 체결하게 되는 데, 사용되는 너트가 많아짐에 따라 너트의 체결불량이 일어날 소지가 높으며, 제대로 체결되 어 있는 너트라 하더라도 외부 조건에 따라 점차적으로 체결력이 약화되어 너트가 풀어지는 문제점이 발생된다.

특히, 상기 이차 전지 모듈이 전동 청소기 또는 전동 스쿠터나 자동차용(전기 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.

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, 이차 전지의 연결용 볼트에 체결되는 너트의 나사산이 너트의 중심축에 대해 경사진 면을 따라 형성된 구조로 되어 있다.

이를 위해 본 발명의 이차 전지는, 다수개의 단위전지가 연결구를 매개로 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되는 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 연결구는 상기 단위 전지가 갖는 불트 형태의 단자 상에 너트에 의해 고정되고, 상기 너트는 내주면에 형성된 나사산이 상기 너트의 중심축에 대해 임의의 각도를 두고 경사진 가상면을 따라 형성된 구조로 되어 있다.

즉, 상기 너트는 암나사홀의 일측단 내경과 다른쪽 측단 내경의 크기가 너트의 길이방향을 따라 점차적으로 커지거나 줄어드는 구조로 되어 있다.

이에 따라 볼트형태로 외주면에 나사가공이 된 단자에 상기와 같이 경사진 나사산을 갖는 너트를 체결하게 되면 단자의 나사산에 균일한 하중이 작용하여 단자의 나사산에 가해지는 전단 하중을 낮출 수 있게 되고 볼트와 단자의 체결력을 높일 수 있게 되는 것이다.

여기서 상기 너트는 볼트 형태의 단자에 대해 암나사홀의 내경이 큰쪽부터 체결되는 구조로 되어 있다.

즉, 상기 나사산이 형성된 상기 너트의 암나사홀이 상기 너트의 일측에서 대향하는 다른 일측으로 갈수록 점진적으로 커지는 단면적을 가지고, 상기 너트는 상대적으로 작은 단면적을 갖는 암나사홀 부위에 형성된 나사산을 상기 단자에 체결하여 고정된다.

한편, 본 발명은 정렬된 다수개의 단위 전지를 고정하도록 양 끝단에 위치하는 단위전지의 외측에 접하는 프레임구조물, 이 프레임구조물 사이에 연결되는 연결바, 상기 연결바가 갖는 볼트에 체결되어 프레임구조물을 조여 고정하는 너트를 포함하는 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 너트는 내주면에 형성된 나사산이 상기 너트의 중심축에 대해 임의의 각도를 두고 경사진 가상면을 따라 형성된 구조로 되 어 있다.

여기서 상기 이차 전지는 HEV(하이브리드 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 일반적인 이차 전지 모듈을 도시한 사시도이다.

상기한 도면에 의하면, 이차 전지 모듈은 다수개의 단위 전지의 단자가 연결구를 매개로 전기적으로 연결된 구조로 되어 있다.

각각의 단위전지를 직렬로 연결하여 전지모듈(10)을 구성하기 위하여 각 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 각 단위전지(11)를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자(15)와 양극단자(14)간에 너트(17,18)를 매개로 연결구(16)를 연결설치하는 구조로 되어 있다.

즉, 각 단자(14,15)는 표면에 수나사가 형성된 볼트형태로 이루어지고, 각 단자에 일차적으로 너트(17)가 체결되며, 상기 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(18)가 체결되어 연결구(16)를 고정시키는 구조로 되어 있다.

여기서 본 실시예에 따르면 상기 너트는 내주면에 형성되는 나사산이 너트의 중심축에 대해 일정각도로 기울어진 경사면을 따라 형성된 구조로 되어 있다.

도 2는 경사진 나사산이 형성된 너트(18)로, 내주면에 형성된 나사산(18a)이 이루는 면이 너트(18)의 중심축에 대해 a의 각도로 기울어져 있음을 예시하고 있다. 이에 따라 도면 상 너트(18)의 상단에서 하단으로 갈수록 너트의 암나사홀(18b)의 내경이 점차적으로 커져 너트(18)의 상단쪽 암나사홀(18b)의 내경이 너트(18)의 하단쪽 암나사홀(18b)의 내경보다 작은 구조로 되어 있다.

도 2에서는 본 이차 전지 모듈에 적용되는 너트(18) 중 연결구(16)를 고정시키기 위한 너트(18)에 대해 설명하였으나 이러한 구조는 상기 너트에만 한정된 것은 아니며 이하 설명되는 모든 너트에 대해 적용된다 할 것이다.

도 3은 이러한 본 실시예의 너트(18)가 단위 전지(11)와 단위 전지(11)의 단자((14,15)간 연결구조에 적용된 예를 도시하고 있다.

상기한 도면에 의하면 볼트 형태로 단위 전지(11) 외측으로 돌출된 단자(14,15)에 연결구(16)가 끼워지고 이 연결구(16)를 고정하도록 단자(14,15)에 너트(18)가 체결되며, 상기 너트(18)는 위에서 언급한 바와 같이 너트(18)의 내주면에 형성된 나사산(18a)이 경사면을 따라 형성된 구조로 되어 있다.

또한, 도 4는 상기한 실시예의 너트가 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 연결바의 돌출된 선단에 형성된 수나사에 너트(22)를 체결함으로써 프레임구조물(20)로 단위전지(11)를 고정하는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 프레임구조물(20)에 끼워지는 연결구(23)의 선단에 체결되는 너트(22)는 위에서 언급한 바와 같이 너트(22)의 내주면에 형성된 나사산이 도 2에서 도시된 바와 같이 중심축선에서 일정각도 어긋난 경사면을 따라 형성된 구조로 되어 있다.

이하, 상기 너트의 작용에 대해 도 5를 참조하여 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.

이하 설명에서는 도 1에서 도시된 단자(14,15)에 연결구(16)를 고정시키기 위해 체결되는 너트(18)를 예로써 설명하도록 한다.

볼트, 너트의 나사부에 걸리는 하중 분포는 나사부의 길이에 따라 균일하지 않고 첫번째 나사부(도 5에서 Bottom)에서 가장 높은 하중이 걸리기 때문에 나사부의 파손은 주로 첫번째 나사부에서 일어나게 된다.

그러나 본 실시예와 같이 경사진 나사를 갖는 너트(18)의 경우 첫번째 나사부의 응력 집중을 완화하여 나사부의 균일한 나사하중을 얻을 수 있게 된다.

즉, 체결하중을 받고 있는 너트(18)의 나사부에 걸리는 하중 분포는 나사부의 길이를 따라 균일하지 않고 첫번째 나사부에서 응력이 집중되기 때문에 파손은 주로 첫번째 나사부에서 일어나게 된다.

이는 Stoeckly와 Macke에 의해 1950년경에 제안된 볼트 너트 나사부의 길이에 따른 평 나사와 테이퍼 나사의 나사하중 분포에 대한 아래의 이론식을 통해 도 출된다.

여기서 나사하중

는 나사산의 Root부에 작용하는 전단력을 의미하며, 평균 나사하중

는 나사하중을 모든 나사부에 대하여 평균하여 계산된다.

,

,

,

는 아래 식으로부터 결정된다.

위에서 기술한 테이퍼 나사의 나사하중에 대한 이론식 (1)로 부터 너트의 나사산이 이루는 테이퍼 각도가 0 인 평나사의 나사하중은 다음과 같이 표현된다.

위 식에서 각 기호의 의미는 다음과 같다.

위 식을 통해 실제 설계에 사용되는 평 나사의 경우

은 약 3 이상, 즉 첫번째 나사산에 걸리는 나사하중이 평균 나사하중의 3배 이상으로 나타난다.

그러나, 도 5에서와 같이 너트(18)의 나사산(18a)을 경사면을 따라 경사지게 형성함으로써 첫 번째 나사산에 걸리는 나사하중을 줄일 수 있게 되고 이에 따라 나사부의 균일한 하중을 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기 단자(14)에 형성된 나사산이 이루는 면에 대해 너트(18)의 나사산(18a)이 이루는 면의 각도에 대해서는 그 수치에 있어 특별히 한정되지 않는다.

이에 따라 단위전지(11)의 단자(14,15)의 나사산 루트부에서 비교적 균일한 하중이 작용하여 종래의 평너트의 경우 최대 전단 하중이 평균 전단 하중에 대해 4.86배임에 반해 상기 나사산(18a)이 경사진 형태의 본 발명의 너트(18)의 경우 최대 전단 하중이 평균 전단 하중에 비해 2.5배 정도 수준으로 낮출 수 있게 된다.

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, 너트의 체결력을 향상시켜 이차 전지 모듈 자체의 진동이나 외부에서 충격에 의한 진동에 의해 너트가 풀리는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 너트의 파손을 방지하여 전지 모듈의 내구성을 높이고 전지 모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 다수개의 단위전지가 연결구를 매개로 직렬 또는 병렬로 연결되어 구성되는 이차 전지 모듈에 있어서,

   상기 연결구는 상기 단위 전지가 갖는 불트 형태의 단자 상에 너트에 의해 고정되고, 상기 너트는 내주면에 형성된 나사산이 상기 너트의 중심축에 대해 임의의 각도를 두고 경사진 가상면을 따라 형성된 구조의 이차 전지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 너트는 상기 단자에 대해 상기 나사산의 일 부위만을 체결시키는 이차 전지 모듈.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 나사산이 형성된 상기 너트의 암나사홀이 상기 너트의 일측에서 대향하는 다른 일측으로 갈수록 점진적으로 커지는 단면적을 가지고, 상기 너트는 상대적으로 작은 단면적을 갖는 암나사홀 부위에 형성된 나사산을 상기 단자에 체결하여 고정되는 이차 전지 모듈.
4. 정렬된 다수개의 단위 전지를 고정하도록 양 끝단에 위치하는 단위전지의 외측에 접하는 프레임구조물, 이 프레임구조물 사이에 연결되는 연결바, 상기 연결바가 갖는 볼트에 체결되어 프레임구조물을 조여 고정하는 너트를 포함하는 이차 전지 모듈에 있어서,

   상기 너트는 내주면에 형성된 나사산이 상기 너트의 중심축에 대해 임의의 각도를 두고 경사진 가상면을 따라 형성된 구조의 이차 전지 모듈.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 너트는 상기 단자에 대해 상기 나사산의 일 부위만을 체결시키는 이차 전지 모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 나사산이 형성된 상기 너트의 암나사홀이 상기 너트의 일측에서 대향하는 다른 일측으로 갈수록 점진적으로 커지는 단면적을 가지고, 상기 너트는 상대적으로 작은 단면적을 갖는 암나사홀 부위에 형성된 나사산을 상기 단자에 체결하여 고정되는 이차 전지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 이차 전지 모듈은 모터 구동용인 이차 전지 모듈.

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