KR102225220B1 - 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그리드 제작 단계에서 가로축 와이어를 최소화하고 세로축 와이어를 최대화하는 와이어 패턴 설계가 반영된 기판을 제공함으로써, 저항을 최소화하는데 중요한 역할을 하므로 전류 수집 능력(current collecting ability)을 향상시킬 수 있는 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판에 관한 것이다.
본 발명을 통해, 그리드 제작 단계에서 가로축 와이어를 최소화하고 세로축 와이어를 최대화하는 와이어 패턴 설계가 반영된 기판을 제공함으로써, 저항을 최소화하여 전류 수집 능력(current collecting ability)을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하여 이에 따른 종래 기판의 동일 납 중량 대비 충전 수입성 및 저온 출력 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판{Lead Acid Battery Boards Including Low Resistance Wire Patterns}

본 발명은 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그리드 제작 단계에서 가로축 와이어를 최소화하고 세로축 와이어를 최대화하는 와이어 패턴 설계가 반영된 기판을 제공함으로써, 저항을 최소화하는데 중요한 역할을 하므로 전류 수집 능력(current collecting ability)을 향상시킬 수 있는 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판에 관한 것이다.

일반적으로 납 축전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키거나 전기적 에너지를 화학적 에너지로 변환시키는 장치로, 예를 들어, 자동차에 설치되어 엔진을 시동하거나 점화장치, 등화장치 등의 전원으로 사용되며, 그 종류에는 크게 납산 축전지(Lead-Acid Storage Battery)와 알칼리 축전지(Alkali Storage Battery)가 있다.

이 중에서 현재 가장 널리 사용되는 축전지는 납산 축전지로 도 1을 참조하여 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이 자동차용 납산 축전지(이하 자동차용 축전지 또는 축전지라 함, 100)는, 한 쌍의 전극 단자(122, 124)를 포함하는 케이스(110, 120), 상기 케이스(110, 120) 내부에 구비되고 여러 쌍의 양극판(132)과 음극판(134)을 포함하는 기판 어셈블리(130) 및 상기 한 쌍의 단자와 양극판(132), 음극판(134)을 각각 연결하는 연결수단(140)으로 구성된다.

상기 케이스(110)는 내부에 소정 셀(112)이 마련되는 전조(110)와, 상기 셀(112)이 밀봉되도록 상기 전조(110)의 상부에 결합되는 커버(120)로 이루어진다.

이때, 상기 전조(110)의 내부에 마련된 셀(112)은 파티션(114)에 의해 다수개로 구획된다.

또한, 상기 커버(120)는 상술한 바와 같이 상기 셀(112)이 밀봉될 수 있는 형상으로 형성되고, 그 상부에는 한 쌍의 전극 단자(122, 124), 즉 양극 단자(122) 및 음극 단자(124)가 외부로 노출되게 마련된다.

상기 기판 어셈블리(130)는 상기 전조(110)의 내부에 형성된 각 셀(112) 마다 설치되어 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 복수의 양극판(132), 상기 양극판(132) 사이마다 위치되는 음극판(134) 및 상기 양극판(132)과 음극판(134) 사이의 단락을 방지하기 위하여 양 극판(양극판과 음극판, 132와 134) 사이에 위치되는 격리판(136)으로 구성된다.

이때, 상기 기판 어셈블리(130)가 설치되는 셀(112)의 나머지 공간에는 전해액(미도시)인 묽은 황산이 충진되어 상기 양극판(132)과 음극판(134) 사이의 화학 반응을 돕는다.

상기 연결수단(140)은, 복수의 양극판(132)을 전기적으로 연결하는 양극 스트랩(142)과, 복수의 음극판(134)을 전기적으로 연결하는 음극 스트랩(144)과, 상기 양극 및 음극 스트랩(132, 134)을 상기 양극 및 음극 단자(122, 124)와 연결하는 포스트(146)로 이루어진다.

한편, 납축전지용 타공 기판을 제조하기 위한 중력주조 방식은 강도가 우수한 반면, 납물의 흐름을 고려해야 함으로 자유로운 와이어 배열이 어려우며, 거친 표면과 내부 조직이 치밀하지 않아 부식이 빠를 뿐 아니라 단속적 공법으로 생산량이 제한되며 품질이 균일하지 못하다는 단점을 가지고 있다.

또한, 익스팬디드 방식으로 제조하는 기판은 압연공법으로 스트립을 제작하여 조직이 치밀해 내부식성이 높고, 연속적 생산이 가능하다는 장점을 갖는 반면, 좌우의 외각 프레임이 없어 기판 성장으로 인한 단락의 위험성이 높으며, 와이어가 마름모형(다이아몬드형) 패턴을 가질 수밖에 없어 와이어 배열을 자유롭게 하지 못한다는 단점이 있다.

이러한 종래 기판 제조 방식의 문제점을 보완하기 위해 개발된 타공 방식은 압연 스트립에 구멍을 뚫어 기판을 성형하는 방식으로 중력주조 방식처럼 좌우 프레임을 보유하고 있어 극판성장을 억제한다는 장점과, 익스팬디드 방식에서 사용되는 압착된 연판을 사용하기 때문에 기판 표면이 매끄러워 제품 사용 중 부식에 강하다는 장점을 가지고 있다.

더불어 타공 방식은 와이어의 배열이 자유롭다는 장점을 가지고 있다.

이처럼 타공 방식은 자유로운 와이어의 배열이 장점으로 작용하는 만큼 다양한 형태로 제작이 가능하나, 그러한 와이어의 배열은 활물질에서 발생하는 전기를 집전시키는 효율에 직접적인 영향을 미치며 그로 인해 납축전지의 성능이 좌우되는 결정적 요소로 작용함에 따라 와이어의 배열에 대한 설계가 타공 기판 제조의 핵심기술이라 할 수 있다.

그리하여, 미국 특허 제5,989,749호와 미국특허 제6,203,948호는 활물질에서 발생하는 전기가 출구인 러그(Lug)로 집중되는 효율을 향상시키고자 세로와이어를 러그 쪽으로 기울도록 방사형으로 설치하여서 된 기판(Grid)을 제공하고 있다.

통상 납축전지 사용중에 단락의 원인은 음극과 마주보는 양극 기판의 러그 우측부에서 기판성장이 발생되어 단락을 일으키고 있다.

그런데, 위의 기술들은 모든 세로 와이어들이 방사형으로 형성되어 있어 반대극의 기판과 마주보는 부분에서의 기판 성장 즉, 기판이 하측으로 늘어남에 취약하다는 단점이 있으며, 러그와 가까운 상부 쪽에만 집전이 집중되어 있어 기판의 하부에서는 활물질에서 발생한 전기를 러그로 집전시키는 효율이 만족스럽지 못하다는 단점을 가지고 있다.

한편, 납축전지 제작 시 기판의 충전 수입성 및 저온출력 성능은 중요한 요소로 작용하고 있다.

상기한 성능을 높이기 위하여 종래에는 활물질 첨가제, 기판의 복잡한 구조 설계 등을 요구하고 있으며, 이를 실제 공정에 적용하기에는 복잡한 프로세싱 과정을 거치게 되므로 제조 원가 상승을 초래하게 되었다.

따라서, 간단한 설계 구조 변경을 통해 상기한 복잡한 프로세싱 과정없이 그리고, 제조 원가 상승없이 기판의 충전 수입성 및 저온출력 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 기판 제조가 필요하게 되었다.

따라서, 저항을 최소화하여 전류 수집 능력(current collecting ability)을 향상시킬 수 있는 저저항 와이어 패턴을 구성하고 있는 기판을 제안하게 된 것이다.

미국 특허등록공보 제5989749호

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

본 발명의 목적은 그리드 제작 단계에서 종래 기술을 개선하여 가로축 와이어를 종래보다 최소화하고 세로축 와이어를 최대화하는 와이어 패턴 설계가 반영된 기판을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 일반 와이어 패턴(10)의 세로 와이어(11) 개수는 A 개이며, 폭이 B mm인 것을 특징으로 하며, 가로 와이어(12) 개수가 C 개인 납축전지 기판에 있어서,

저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110) 개수는 A 개수보다 많고, 폭이 B mm보다 넓으며, 가로 와이어(120) 개수가 C 개수보다 적은 개수를 포함하여 기판을 형성함으로써,

저항을 최소화하여 전류 수집 능력을 향상시키는 것을 특징으로 함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.

본 발명에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판은,

그리드 제작 단계에서 가로축 와이어를 최소화하고 세로축 와이어를 최대화하는 와이어 패턴 설계가 반영된 기판을 제공함으로써, 저항을 최소화하여 전류 수집 능력(current collecting ability)을 향상시킬 수 있는 효과를 제공하여 이에 따른 종래 기판의 동일 납 중량 대비 충전 수입성 및 저온 출력 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 납축전지를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판과 종래 납축전지 기판을 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판과 종래 납축전지 기판의 시뮬레이션 결과를 표현한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판의 수명시험 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 일실시예에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판은,

일반 와이어 패턴(10)의 세로 와이어(11) 개수는 A 개이며, 폭이 B mm인 것을 특징으로 하며, 가로 와이어(12) 개수가 C 개인 납축전지 기판에 있어서,

저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110) 개수는 A 개수보다 많고, 폭이 B mm보다 넓으며, 가로 와이어(120) 개수가 C 개수보다 적은 개수를 포함하여 기판을 형성함으로써,

저항을 최소화하여 전류 수집 능력을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 세로 와이어(110)는,

러그(30) 방향으로 기우는 기울기를 가지게 일정 간격 이격되게 다수 형성하지 않고, 수직하게 일정 간격 이격되게 다수 형성하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110) 개수는 13 ~ 15개이며,

가로 와이어(120) 개수는 7 ~ 11개인 것을 특징으로 한다.

이때, 전기전도도 향상을 위하여 일반 와이어 패턴(10)의 동일 중량 및 동일한 표면적 조건 하에서 저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110)와 가로 와이어(120) 개수 간의 비율이 2배인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판의 실시예를 통해 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판의 정면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판은,

일반 와이어 패턴(10)의 세로 와이어(11) 개수는 A 개이며, 폭이 B mm인 것을 특징으로 하며, 가로 와이어(12) 개수가 C 개인 납축전지 기판에 있어서,

저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110) 개수는 A 개수보다 많고, 폭이 B mm보다 넓으며, 가로 와이어(120) 개수가 C 개수보다 적은 개수를 포함하여 기판을 형성함으로써,

저항을 최소화하여 전류 수집 능력을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판과 종래 납축전지 기판을 비교한 도면이다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 일반 와이어 패턴(10)의 세로 와이어(11) 개수는 12 개이며, 폭이 1.4 mm이다.

그리고, 가로 와이어(12) 개수가 12개이다.

이때, 본 발명인 저저항 와이어 패턴의 기판에서, 저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110) 개수는 12 개보다 많은 15개이며, 폭은 1.4 mm 보다 넓은 1.5 mm가 된다.

그리고, 가로 와이어(120) 개수가 12 개수보다 적은 7개가 되는 것이다.

한편, 저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110)와 가로 와이어(120) 개수 간의 비율이 2배인 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 세로 와이어가 14개라면 가로 와이어는 7개로 적용하게 되는 것이다.

한편, 상기한 개수는 가장 최적 조건에서의 개수를 의미하지만, 바람직하게는 저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110) 개수는 13 ~ 15개이며,

가로 와이어(120) 개수는 7 ~ 11개인 것을 특징으로 한다.

즉, 상기한 범위 내에서 가로 와이어와 세로 와이어의 개수를 설정하면 본 발명에서 제공하고자 하는 저저항 와이어 패턴 설계가 가능하게 된다.

한편, 본 발명에서의 세로 와이어(110)는,

러그(30) 방향으로 기우는 기울기를 가지게 일정 간격 이격되게 다수 형성하지 않고, 수직하게 일정 간격 이격되게 다수 형성하는 것을 특징으로 한다.

즉, 도면에 비교한 바와 같이, 종래 기판처럼 경사지게 세로 와이어를 형성할 필요없이 수직하게 일정 간격 이격되게 다수 형성할 수 있게 되는데, 이는 제조 공정의 간소화를 가져올 수 있게 된다.

그리고, 상기와 같이, 전기전도도 향상을 위하여 일반 와이어 패턴(10)의 동일 중량 및 동일한 표면적 조건 하에서 저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110)와 가로 와이어(120) 개수의 비율이 2배인 것을 특징으로 한다.

또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기와 같은 그리드 패턴 설계를 수행할 경우에 와이어 폭(가로)는 0.7mm, 그리드 사이즈(W X H)는 103 X 118, 그리드 두께는 0.75mm로, 그리드 중량은 25g으로 동일하게 설계하여도 무방하다.

즉, 와이어의 개수와 세로 와이어 폭만을 상기한 조건에 부합시키면 저저항 그리드를 수득할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기와 같은 조건 하에서 도 4에 도시한 바와 같이, 시뮬레이션 결과, 기존 그리드의 경우, weight - 25g, 본 발명의 그리드(#1) 경우, weight - 25g로 동일하게 유지한 상태에서 기존 그리드의 전기전도도(s)는 283인 반면에 본 발명의 그리드의 전기전도도는 292로 전기전도도가 향상되었음을 알 수 있었으며, 중량당 전기전도도(s/g)의 경우에도 11.3에서 11.7로 향상되었음을 알 수 있었다.

따라서, 전류 집진 효율증대로 납축전지 성능 향상을 기대할 수 있다.

본 발명의 납축전지용 기판을 사용하여 제품으로 만들어 초기성능 시험과 수명시험을 진행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

다음의 표에서 보는 종래품은 출원인 회사에서 만들고 있는 기존 그리드를 사용하여 만든 제품(BX80)이며, 실시예 1과 실시예 2는 도 2에 도시된 바와 같이, 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판을 사용하여 만든 제품의 실험 결과이다.

동일 규격의 제품이라 하더라도 예컨대, 격리판의 밀도 등이 각 제품마다 동일할 수 없어 각 제품이 동일한 작용과 효과를 낼 수 없으므로 본 발명의 위 바람직한 실시예에 의하여 제조된 제품 2개를 선정하고 이를 각 실시예 1 및 실시예 2라 정의하여 아래와 같이 시험하고 그 결과를 아래의 표 1 및 표 2로 작성하였다.

구분	요구기준	종래제품	실시예1	실시예2
RC	130분	133분	135분	134.57분
		102%	103.8%	103.5%
CCA	7.2V 630A	7.15V	7.85V	7.65V
		625A	688A	682A
		99.2%	109.2%	108.2%
C20	75AH	74.52AH	77.5AH	76.21AH
		99.4%	103.3%	101.6%

1) 보유용량 (RC : Reserve Capacity)

보유용량 RC는 만충전 완료 후 1시간 이상 방치한 다음 25℃에서 25A의 방전전류로 방전종지전압 105V 도달 시까지의 방전가능지속시간을 측정하는 것으로, 예를 들면 이는 차량에 있어서 시동이 정지된 상태 등에서 부하를 작동시키는데 어느 시간까지 최소한의 기능을 발휘할 수 있는가에 대한 척도가 된다.

시험결과, 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 기판을 사용하여 극판을 제조하였을 경우, 보유용량(RC)은 134 ~ 135분으로, 대체로 기존의 기판과 비슷하여 본 발명의 기판에 있어서 보유용량에 대한 효과는 미미했다.

2) 저온시동전류(CCA : Cold Cranking Ampere)

일반적으로 축전지의 급속방전 특성은 -10℃이하에서 급속히 저하되는데, 저온시동전류(CCA)는 저온에서의 자동차 시동능력을 평가하기 위한 고율방전시험으로서, 충전 완료 후 -18℃에서 630A로 30초 방전시의 전압을 측정한다.

이 시험에 있어서는 30초 때의 전압이 7.2V이상 요구되며, 높을수록 성능이 우수한 것으로 평가된다.

본 발명에서는 (30초 전압/6 - 0.2)×630의 보정식을 사용하여 CCA를 계산하였다.

시험결과, 표 1에서 보는 바와 같이, 30초 전압은 기존 기판의 경우 7.15V, 환산 CCA는 625A였으나, 본 발명의 기판을 사용하였을 경우 7.65V이상, 환산 CCA는 682A 이상으로 기존대비 약 8% ~ 9%의 효과를 보였다.

3) 20시간율 용량(AH)

이는 저율방전 특성을 알아보기 위한 것으로, 축전지 용량에 대해 비교적 적은 전류인 3.75A로 연속 방전시켜, 전압이 10.5V에 도달할 때까지의 방전용량(AH)을 측정하는 것이다.

시험 결과, 76.21AH ~ 77.5AH로 기존의 기판을 사용한 제품과 거의 동일한 시험 결과를 보였으나, 기존 기판보다 용량이 1 ~ 3% 증가하였다.

4) 수명시험

수명시험은 만충전 상태에서 25A로 4분간 방전시킨 후, 10분 14.8V 최대 25A로 충전하는 과정을 1주 480회 반복하고, 그 후 56시간 정치 후, 630A로 고율방전하여 30초 전압을 측정함으로써 수명을 판정한다.

이 시험에서 30초 전압이 7.2V이상이면 다시 1주 반복하고, 7.2V 미만이면 수명종지로 판정한다.

수명시험결과, 본 발명의 기판은 표 2 및 도 5의 그래프에서 보는 바와 같이 충방전 2,920(Cycles)에 수명 종지되어, 기존 기판에 비하여 52%의 수명연장 효과를 보였다.

총방전횟수	30초 전압[V]				비고
	종래품1	종래품2	실시예1	실시예2
480	9.01	9.03	9.35	9.3
960	8.76	8.88	9.05	9.03
1440	8.37	8.27	8.53	8.75
1920	4.96	3.76	8.25	8.17
2440			7.58	7.33
2920			5.15	5.08
수명판정	1920	1920	2920	2920	52% 상승

결국, 상기 시험을 통해, 저항을 최소화시킬 수 있게 되어 납축전지 극판에서 발생하는 전류의 흐름을 원활히 하며, 이를 통해 전류 수집 능력(current collecting ability)을 증대시킬 수 있음을 알 수 있었으며, 제품의 성능 향상 및 수명 연장에 상당한 효과를 획득할 수 있음을 알 수 있었다.

구체적으로, 가로축 와이어를 최소화하고 세로축 와이어를 최대화하는 와이어 패턴 설계가 반영된 기판을 제공함으로써, 저항을 최소화시킬 수 있게 되어 전류의 흐름을 원활하게 하여 이에 따른 수명 연장 효과를 기대할 수 있을 것이다.

상기와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

100 : 저저항 와이어 패턴
110 : 세로 와이어
120 : 가로 와이어

Claims (3)

1. 일반 와이어 패턴(10)의 세로 와이어(11) 개수는 12 개이며, 폭이 1.4 mm인 것을 특징으로 하며, 가로 와이어(12) 개수가 12 개인 납축전지 기판에 있어서,
   저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110) 개수는 12 개수보다 많고, 폭이 1.4 mm보다 넓으며, 가로 와이어(120) 개수가 12 개수보다 적은 개수를 포함하여 기판을 형성함으로써,
   저항을 최소화하여 전류 수집 능력을 향상시키는 것을 특징으로 하며,
   상기 세로 와이어(110)는,
   러그(30) 방향으로 기우는 기울기를 가지게 일정 간격 이격되게 다수 형성하지 않고, 수직하게 일정 간격 이격되게 다수 형성하는 것을 특징으로 하며,
   전기전도도 향상을 위하여 일반 와이어 패턴(10)의 동일 중량 및 동일한 표면적 조건 하에서 저저항 와이어 패턴(100)의 세로 와이어(110)의 개수가 가로 와이어(120) 개수의 2배인 것을 특징으로 하며,
   전기전도도는 283 에서 292로 향상시키고, 중량당 전기전도도의 경우에 11.3에서 11.7로 향상시키고,
   저온시동전류는 625A에서 682A으로 향상시키고,
   20시간율 용량은 74.52AH에서 76.21AH ~ 77.5AH로 향상시키고,
   수명은 1,920싸이클에서 2,920싸이클로 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 저저항 와이어 패턴을 포함하고 있는 납축전지 기판.
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