KR20070091322A

KR20070091322A - 각형 축전지

Info

Publication number: KR20070091322A
Application number: KR1020077015429A
Authority: KR
Inventors: 노리후미 야스다; 히사시 가토; 다츠야 고우다; 스나오 모리시타; 히토시 도다; 신이치 가네다; 마사유키 이시이
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤; 도요 세이칸 가부시키가이샤
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-09-10
Also published as: WO2006123812A1; JPWO2006123812A1; US20080003498A1; JP5097401B2; US7662512B2

Abstract

직육면체 형상의 축전 소자(16)와 이 축전 소자를 수납하는 밀폐 케이스(30)를 구비한 각형 축전지를 제공한다. 절연성을 갖는 경질 수지로 이루어지는 수지 플레이트(20)는, 상기 축전 소자의 이동을 제한하기 위해, 상기 밀폐 케이스와 상기 축전 소자 사이에 삽입된다.

Description

각형 축전지{RECTANGULAR STORAGE BATTERY}

본 발명은, 직육면체 형상의 축전 소자가 각형의 밀폐 케이스에 수용되어 있는 각형 축전지에 관한 것이다.

자동차 기기의 전기·전자화에 따라 2차 전지, 전해 콘덴서, 커패시터 등의 충전 가능한 축전지의 용도가 증가하고 있다.

축전 소자가 밀폐 케이스에 수용되어 있는 축전지의 구조는, 예컨대 일본 특허 공개 제2003-308810호 공보에 나타나 있다. 이 축전지에 대해서, 도 12에 기초하여 설명한다.

도 12에 도시되어 있는 축전지(100)는, 원통 케이스(101)와, 이 원통 케이스(101)에 수납되어 있는 축전 소자(102)와, 이 축전 소자(102)로부터 연장되어 있는 여러 개의 리드선(103)과, 이들 리드선(103) 중 양극 또는 음극에 접속되어 있는 집전판(104, 104)과, 상기 원통 케이스(101)의 양단의 개구를 폐쇄하는 엔드 플레이트(108, 108)와, 상기 집전판(104, 104)으로부터 연장되고, 상기 엔드 플레이트(108, 108)를 관통하고 있는 전극 로드(105, 105)와, 이들 전극 로드(105, 105)의 선단에 나사 결합되어 있는 각각의 너트(106, 106)와, 상기 엔드 플레이트(108, 108)로부터 원통 케이스(101)의 중심을 향해 연장되며, 상기 집전판(104, 104)을 관통하고 있는 핀(107, 107)으로 이루어진다.

하네스(109, 109)를 통해 전극 로드(105, 105)에 직류 전압을 인가함으로써, 전기 에너지를 축전 소자(102)에 축적할 수 있다. 또한, 축전 소자(102)에 축적되어 있는 전기 에너지는 전극 로드(105, 105) 및 하네스(109, 109)를 통해 취출할 수 있다.

하네스(109, 109)는, 전극 로드(105, 105)에 너트(106, 106)로 고정된다. 너트(106, 106)를 체결할 때에, 전극 로드(105, 105)에 회전력이 가해지지만, 집전판(104, 104)이 핀(107, 107)으로 회전을 구속하고 있기 때문에 전극 로드(105, 105)가 회전하지 않는다.

집전판(104, 104) 및 전극 로드(105, 105)의 회전 방지를 도모하는 데에, 핀(107, 107)은 중요한 역할을 한다.

축전 소자(102)의 길이를 L1, 원통 케이스(101)의 길이를 L2라고 하면, 원통 케이스의 길이(L2)는 핀(107, 107)의 길이를 예상하기 때문에 커진다. 즉, 요구되는 축전 능력으로부터 축전 소자(102)의 길이(L1)를 결정하지만, 이 길이(L1)에 비해 원통 케이스(101)의 길이(L2)가 커져, 축전 능력에 비해 케이스(101)가 비교적 대형화된다고 하는 문제가 생긴다.

또한, 축전지(100)에서는, 내부에 전해액을 봉입하여, 전기 화학 반응을 도모한다. 전기 화학 반응에 의해 전해액의 일부는 가스화한다. 이 가스화에 의해, 축전지(100)의 내부 압력이 상승한다. 원통 케이스(101)는 통이기 때문에 내압에 강하지만, 엔드 플레이트(108, 108)는 평판이기 때문에 내압에 약하다.

이 약점을 보충하기 위해, 도면에 도시되는 바와 같이, 원통 케이스(101)에 비교하여, 엔드 플레이트(108, 108)는 수배의 두께로 되어 있다. 엔드 플레이트(108, 108)가 두꺼운 분만큼, 축전지(100)는 무거워진다.

그래서, 차량에 여러 개의 축전지를 탑재하는 경우, 축전지(100)의 소형·경량화가 요구된다.

본 발명의 개념에 의하면, 직육면체 형상의 축전 소자와, 이 축전 소자를 둘러싸는 각통 및 이 각통의 개구를 폐쇄하는 덮개를 포함하는 밀폐 케이스와, 상기 축전 소자의 이동을 제한하기 위해, 상기 밀폐 케이스와 상기 축전 소자 사이에 삽입되고, 절연성을 갖는 경질 수지로 이루어지는 수지 플레이트를 포함하는 각형 축전지가 제공된다.

밀폐 케이스와 상기 축전 소자 사이에 수지 플레이트를 삽입하였기 때문에, 축전 소자의 회전을 억제할 수 있다. 밀폐 케이스는 축전 소자에 수지 플레이트의 삽입 부분을 예상한 크기로 할 수 있다. 그리고 수지 플레이트는 얇다. 이 결과, 밀폐 케이스의 소형화를 달성할 수 있다. 소형화에 따라 밀폐 케이스의 경량화가 가능해지기 때문에, 각형 축전지의 소형·경량화를 달성할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수지 플레이트는, 상기 덮개에 평행하게 배치되는 평판부와, 이 평판부로부터 직각으로 절곡되고, 상기 각통에 평행하게 배치되는 스커트부로 이루어진다.

바람직하게는, 상기 각통과 상기 덮개의 한쪽은 금속판과, 이 금속판에 피복되어 있는 절연성 수지막으로 이루어진다.

바람직하게는, 상기 덮개는 직사각형판의 일반면으로부터 돌출되어 있는 볼록부를 네 구석에 갖고 있다.

바람직하게는, 상기 볼록부는, 상기 축전 소자로부터 떨어진 방향으로 돌출되어 있다.

바람직하게는, 상기 덮개는, 상기 일반면 및 상기 볼록부가, 상기 각통의 단부로부터 밖으로 나가지 않도록 각통에 부착되어 있다.

바람직하게는, 상기 수지 플레이트는, 상기 축전 소자와 상기 볼록부를 연결하는 관통 구멍을 구비하고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 각형 축전지의 분해도.

도 2는 상기 각형 축전지의 구성 요소인 각통의 확대 단면도.

도 3은 상기 각형 축전지의 단면도.

도 4는 도 3의 주요부 확대도.

도 5는 상기 각형 축전지의 구성 요소인 밀폐 케이스의 주요부의 단면도.

도 6a 및 도 6b는, 상기 각형 축전지의 주요부인 볼록부의 작용 설명도.

도 7a 내지 도 7d는 종래의 덮개와 본 발명의 덮개와의 비교도.

도 8은 상기 덮개의 중앙 위치에서의 휘어짐의 비교도.

도 9는 상기 덮개의 중앙 위치에서의 응력의 비교도.

도 10은 상기 각형 축전지의 주요부인 덮개와 수지 플레이트의 분해 사시도.

도 11은 상기 덮개 및 수지 플레이트의 작용 설명도.

도 12는 종래의 축전지의 단면도.

도 1에 도시되는 바와 같이, 각형 축전지(10)는 주름형(파형) 각통(11)과, 이 각통(11)에 미리 부착되어 있는 한쪽 덮개(12)와, 인접하는 금속박(13, 13)이 미세한 간극을 유지하여 적층되고, 복수의 리드선(14)을 통해 L자형 집전판(15, 15)에 연결되며, 전체로서 직육면체 형상으로 되어 있는 축전 소자(16)와, 이 축전 소자(16)의 상면, 하면으로부터 연장되어 있는 전극 로드(17, 18)와, 구멍(22)이 마련되어 있는 평판부(21) 및 스커트부(23)로 구성되는 수지 플레이트(20, 20)와, 환상의 시일재(24)를 구비하고 있는 다른쪽 덮개(25)와, 상기 전극 로드(17)에 끼워지는 와셔(26) 및 너트(27A)와, 상기 전극 로드(18)에 끼워지는 와셔(26) 및 너트(27B)로 이루어진다. 또한 시일재(24)는 한쪽 덮개(12)에도 구비되어 있다.

즉, 상기 수지 플레이트(20)는 큰 구멍(22)이 개방된 평판부(21)와, 이 평판부(21)로부터 절곡되어 형성된 스커트부(23)로 구성되어 있다.

또한, 수지 플레이트(20)는, 직육면체 형상의 축전 소자(16)의 상면이나 하면에 평판부(21)를 얹는 것만으로, 축전 소자(16)에 세팅할 수 있다.

도 2에 도시되는 바와 같이, 각통(11)은 알루미늄 등의 금속판(28)의 양면에 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 등의 절연재(29, 29)가 피복되어 있는 절연성 수지 피복 금속판을 사용하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시되는 바와 같이, 각형 축전지(10)는 직육면체 형상의 축전 소 자(16)와, 이 축전 소자(16)를 둘러싸는 각통(11) 및 이 각통(11)의 개구를 폐쇄하는 덮개(12, 25)를 포함하는 밀폐 케이스(30)와, 상기 축전 소자(16)의 이동을 제한하기 위해, 상기 밀폐 케이스(30)와 상기 축전 소자(16) 사이의 간극(t, t)에 삽입되고, 절연성을 갖는 경질 수지로 이루어지는 수지 플레이트(20, 20)로 이루어진다.

상기 수지 플레이트(20)는, 만약에 도면 좌우 방향으로 이동할 때에, 직육면체 형상의 축전 소자(16)의 상면이나 하면으로부터 떨어지지 않으면 된다. 스커트부(23)는 축전 소자(16)에 걸려 있으면 좋고, 길이가 짧아도, 수지 플레이트(20)가 축전 소자(16)의 상면이나 하면으로부터 떨어질 걱정은 없다. 즉, 스커트부(23)의 길이를 짧게 하는 것이 가능하기 때문에, 수지 플레이트(20)의 소형·경량화를 용이하게 달성할 수 있다.

너트(27A)를 전극 로드(17)에 나사 결합되면, 축전 소자(16)의 상면을 구성하는 집전판(15)은, 너트(27A)와 함께 회전하고자 한다. 이 때에 회전 방지 작용을 발휘하는 수지 플레이트(20, 20)의 작용을 자세히 설명한다.

도 4는 도 3의 주요부 확대도이며, 집전판(15)이 만약에 도면 좌측으로 이동하는 경우에는, 각통(11)을 따른 스커트부(23)가 이동을 방지한다. 이 결과, 너트(27A)(도 3)를 돌려도 집전판(15)이 회전할 걱정은 없다. 너트(27B)도 동일하다．

이 회전 방지에는, 딱딱하고 얇은 수지 플레이트(20)를 사용할 뿐이다. 그리고, 각통(11)의 내경(안쪽 부분)은 축전 소자(16)의 직경(도면 좌우 방향 치수)에 수지 플레이트(20) 두께의 2배를 더한 치수로 설정할 수 있다. 스커트부(23)는 얇기 때문에, 각통(11)의 직경을 억제할 수 있고, 축전지의 소직경화를 도모할 수 있다.

또한, 스커트부(23)의 길이가 짧기 때문에, 각통(11)의 내경과 축전 소자의 외경 사이에, 간극을 형성하는 것이 가능해지고, 전해액 등으로부터 발생한 가스를 수납하는 공간으로서 활용할 수 있다.

더 나아가서는 수지 플레이트(20)의 평면부(21)를, 다른쪽 덮개(25)와 집전판(15) 사이에 개재시키기 때문에, 축전 소자(16)의 상하 이동을 억제할 수 있다.

그런데, 각통(11)에 수지 피복 금속판을 채용함으로써, 각통(11)과 집전 소자(16) 사이의 절연은, 수지 피막에 맡길 수 있다. 그러나 집전 소자(16)를 각통(11)에 직접 접촉시키면, 집전 소자(16)의 열 신축이나 각통(11)의 내압에 의한 팽창 등에 의해 장기간 사용 후에는 각통(11)의 내면에 피복한 수지막[도 2의 절연재(29)]이 마모되고, 박리되며, 절연 불량을 야기한다.

이 점, 본 발명에서는 수지막[도 2의 절연재(29)]과 수지 플레이트(20)의 양쪽에서 절연 작용을 발휘할 수 있다. 만일, 수지막[도 2의 절연재(29)]에 박리가 생겨도 수지 플레이트(20)의 절연 기능이 남기 때문에 절연 불량을 야기할 걱정은 없다.

따라서, 수지 플레이트(20)에는, 회전 방지 작용과 절연 작용의 2개의 작용을 발휘시킬 수 있다.

또한, 수지 플레이트(20)의 형상, 크기는 임의이다. 더 나아가서는 각통에 절연 수지막을 피복하지 않은 피복 없는 금속판을 채용하는 것도 가능하다.

다음에, 밀폐 케이스(30)의 주요부의 형상을 설명한다.

도 5에 도시되는 바와 같이, 덮개(12)의 하면을 일반면(31)이라고 부른다. 상상선으로 도시되어 있는 축전 소자(16)로부터 위쪽으로 멀어지는 방향으로 덮개(12)로부터 볼록부(32, 32)가 돌출 형성되어 있다.

축전 소자(16)와 각통(11)의 간극에서 형성되는 스페이스(33)에, 볼록부(32)에 의한 포켓(34, 34)의 체적이 추가된다. 포켓(34, 34)에 의한 체적의 증가는 밀폐 케이스(30)의 내용적의 5 내지 10%를 예상할 수 있다. 체적이 증가하였기 때문에 전해액이 가스화되어도 가스의 압력 변화는 완만하게 되고, 밀폐 케이스(30)의 내면에 작용하는 압력 및 압력 변동을 경감할 수 있다.

또한, 각통(11)에 덮개(12)를 시밍법(seaming method)으로 부착한다. 시밍 기구의 편의를 위해, 덮개(12)는 각통(11)의 단부보다 L1만큼, 내측(도면 아래쪽)으로 치우칠 필요가 있다. 본 발명의 볼록부(32)는, 일반면(31)으로부터 L2만큼 돌출시키지만, 이 L2는 L1을 넘지 않도록 하였다. 이 결과, 복수의 각통(11)끼리를 용이하게 직접 접속할 수 있다.

다음에, 도 6a 및 6b에 기초하여, 볼록부(32)의 작용을 설명한다. 또한, 덮개(12) 및 볼록부(32)는 3차원 구조로 검토해야 하지만, 구조 계산이 복잡하게 된다. 그래서, 덮개(12) 및 볼록부(32)를 편의적으로 2차원의 「바아」로 대체하였다.

즉, 일반면(31) 및 이 일반면(31)에 하면이 접하는 덮개(12)(볼록부는 제외 함)가 도 6a에 도시되어 있다. 또한 일반면(31) 및 이 일반면(31)으로부터 L2만큼 떨어진 볼록부(32)가 도 6b에 모식적으로 도시되어 있다.

도 6a에 도시되는 바와 같이, 덮개(12)의 세로 치수(두께)가 h이고 가로 치수가 b일 때의 덮개(12)의 단면 2차 모멘트(Ia)는 b·h³/12이다.

또한, 도 6b에서 도시되는 바와 같이, 일반면(31)으로부터 거리(L2)만큼 떨어진 볼록부(32)의 단면 2차 모멘트(Ib)는 Ia+(b·h)×(L2)²로 정해진다. 즉, 볼록부(32)의 존재에 의해 (b·h)×(L2)²만큼 단면 2차 모멘트가 커진다.

단면 2차 모멘트가 클수록 휘어짐이 작아지기 때문에 도 6a보다 도 6b쪽이 휘어짐이 작아진다.

또한, 단면 2차 모멘트에 거리 성분을 승함으로써(곱함으로써) 얻어지는 단면 계수는 클수록 굽힘 응력이 작아진다. 이 때문에, 도 6a보다 도 6b쪽이 응력이 작아진다.

이상에 진술한 바와 같이, 볼록부는 휘어짐이 작아지고, 응력(굽힘 응력)이 작아진다고 하는 작용을 발휘한다.

도 7a 내지 도 7d는 종래의 덮개와 본 발명의 덮개를 나열한 비교도이며, 도 7a에는 볼록부를 구비하지 않는 덮개(111)를 도시하고 있다. 이 덮개(111)를 비교예 1이라고 부른다. 도 7b에는 환상의 볼록부(112)를 구비한 덮개(113)가 도시되어 있다. 환상의 볼록부(112)를 구비한 덮개(113)를 비교예 2라고 부른다.

도 7c에는 네 구석에 I자형 볼록부(32)를 구비하고 있는 덮개(12)가 도시되 어 있다. 이 덮개(12)를 실시예 1이라고 부른다. 도 7d에는 네 구석에 3각형의 볼록부(32)를 구비하고 있는 덮개(12)가 도시되어 있다. 이 덮개(12)를 실시예 2라고 부른다.

비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 다음의 조건으로 구조 계산을 실시하였다.

계산 조건:

덮개의 종횡 치수: 60 mm×60 mm

중앙 구멍의 치수: 23 mm

덮개의 두께: 0.5 mm

덮개의 재질: JIS A3004-O

부하(내압): 0.6 MPa

볼록부의 형상, 크기: 도 7a 내지 도 7d 참조

덮개를 3차원의「면」으로 하고, 주변을 고정하며, 분포 가중을 부여하고, 휘어짐 및 응력을 계산하였다. 이 계산 결과를 도 8, 도 9에 기초하여 설명한다.

도 8에 도시되는 바와 같이, 덮개의 중앙 위치에서의 휘어짐은, 비교예 1에서는 2 mm를 넘고, 비교예 2에서는 약 1.7 mm였다. 실시예 1은 약 1.8 mm로 비교예 2보다 약간 크다. 실시예 2는 약 1.4 mm로 휘어짐은 최소였다.

또한, 도 9에 도시되는 바와 같이, 덮개의 중앙 위치에서의 응력은, 비교예 1은 약 1300 MPa, 비교예 2는 약 1100 MPa였다. 이에 대하여, 실시예 1은 약 950 MPa로 비교예 2보다 작고, 실시예 2는 약 800 MPa로 최소였다.

따라서, 실시예 2가 최소의 휘어짐이면서 최소 응력이었다.

이상의 것으로부터, 종래 알려져 있는 환상의 볼록부(도 7b의 부호 112)보다, 본 발명의 네 구석 각각에 설치한 볼록부(32)(도 7c, 도 7d)쪽이 휘어짐 및 응력을 억제할 수 있는 것이 판명되었다. 이것으로부터, 연속한 볼록부(환상의 볼록부)보다, 볼록부끼리를 분리하는 편이 구조적으로 우수하다고 말할 수 있다.

다음에, 더 바람직한 수지 플레이트(20)의 형태를 설명한다.

도 10에 도시되는 바와 같이, 수지 플레이트(20)는 평판부(21)의 네 구석에 3각형의 관통 구멍(36)을 구비하고 있다.

수지 플레이트(20)를 덮개(12)에 맞추면, 도 11에 도시되는 바와 같이, 관통 구멍(36)이 볼록부(32)에 합치한다. 관통 구멍(36)을 통해 축전 소자(16)는, 포켓(34)에 연결되어 있다. 각통(11) 내부에 축적되는 가스는 관통 구멍(36)을 통과하여 포켓(34)에 이른다. 압력을 포켓(34)으로 직접적으로 방출할 수 있기 때문에, 가스에 의한 내압의 변화를 완화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 각형 축전지(10)는 2차 전지, 전해 콘덴서, 커패시터 등의 충전 가능한 전기품이면 종류는 관계없다.

본 발명에 의한 각형 축전지는 차량에 탑재하는 2차 전지에 유용하다.

Claims

각형 축전지로서,

직육면체 형상의 축전 소자와,

상기 축전 소자를 둘러싸는 각통 및 상기 각통의 개구를 폐쇄하는 덮개를 포함하는 밀폐 케이스와,

상기 축전 소자의 이동을 제한하기 위해, 상기 밀폐 케이스와 상기 축전 소자 사이에 삽입되고, 절연성을 갖는 경질 수지로 이루어지는 수지 플레이트를 포함하는 각형 축전지.
제1항에 있어서, 상기 수지 플레이트는,

상기 덮개에 평행하게 배치되는 평판부와,

상기 평판부로부터 직각으로 절곡되고, 상기 각통에 평행하게 배치되는 스커트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 축전지.
제1항에 있어서, 상기 각통과 상기 덮개의 한쪽은,

금속판과,

상기 금속판에 피복되어 있는 절연성 수지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 각형 축전지.
제1항에 있어서, 상기 덮개는 직사각형판의 일반면으로부터 돌출되어 있는 볼록부를 네 구석에 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 축전지.
제4항에 있어서, 상기 볼록부는, 상기 축전 소자로부터 멀어지는 방향으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 각형 축전지.
제4항에 있어서, 상기 덮개는, 상기 일반면 및 상기 볼록부가, 상기 각통의 단부로부터 밖으로 나가지 않도록 각통에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 각통 축전지.
제5항에 있어서, 상기 수지 플레이트는, 상기 축전 소자와 상기 볼록부를 연결하는 관통 구멍을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 각형 축전지.