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KR100696631B1 - 이차 전지 모듈 - Google Patents

이차 전지 모듈 Download PDF

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KR100696631B1
KR100696631B1 KR1020050073772A KR20050073772A KR100696631B1 KR 100696631 B1 KR100696631 B1 KR 100696631B1 KR 1020050073772 A KR1020050073772 A KR 1020050073772A KR 20050073772 A KR20050073772 A KR 20050073772A KR 100696631 B1 KR100696631 B1 KR 100696631B1
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South Korea
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end plate
connecting rod
battery module
secondary battery
unit cells
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전윤철
김태용
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 앤드플레이트에 대한 연결로드의 설치위치를 최적화하여 앤드플레이트의 굽힘 변형을 최소화할 수 있도록, 다수개의 단위 전지와, 상기 적층된 단위 전지의 최 외측에 놓여지고 상기 단위 전지에 접하는 한 쌍의 앤드플레이트, 상기 앤드플레이트에 돌출 형성된 체결부재 사이에 관통되어 한 쌍의 앤드플레이트를 체결 고정시키는 연결로드를 포함하고, 상기 연결로드의 설치 위치는 연결로드가 설치되는 쪽의 앤드플레이트 선단 길이를 L이라 하였을 때 앤드플레이트의 측단에서 L/7 ~ 2L/7 사이인 이차 전지 모듈을 제공한다.
단위전지, 앤드플레이트, 체결부재, 홀, 위치, 깊이

Description

이차 전지 모듈{SECONDARY BATTERY MODULE}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈을 개략적으로 도시한 측 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 앤드 플레이트 구성을 상세하게 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 이차 전지 모듈에서 앤드플레이트에 대한 연결로드의 설치위치 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 이차 전지 모듈에서 연결로드의 설치 위치에 대한 안착홈의 깊이 관계를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다수의 단위 전지를 연결하여 구성되는 이차 전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단위 전지 조립을 위한 앤드플레이트의 굽힘 변형을 최소화 할 수 있도록 된 이차 전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지(secondary battery)는 충전이 불가능한 일차전지와는 달리 충전 및 방전이 가능한 전지로써, 저용량 전지의 경우 폰이나 노트북 컴퓨터 및 캠코더와 같은 휴대가 가능한 소형 전자기기에 사용되고, 대용량 전지의 경우 하이브리드 자동차 등의 모터 구동용 전원으로 널리 사용되고 있다.
상기 이차 전지는 여러 가지 형상으로 제조되고 있는 데, 대표적인 형상으로는 원통형, 각형을 들 수 있으며, 대전력을 필요로 하는 기기 예컨대, 전기 자동차 등의 모터 구동에 사용될 수 있도록 상기한 고출력 이차 전지를 복수개 직렬로 연결하여 대용량의 이차 전지를 구성하게 된다.
이와 같이 하나의 대용량 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 전지모듈이라 칭한다)는 통상 직렬로 연결되는 복수개의 이차 전지(이하 명세서 전반에 걸쳐 설명의 편의상 단위전지라 칭한다)로 이루어지며, 상기 각각의 단위전지는 양극판과 음극판이 격리판을 사이에 두고 위치하는 전극 조립체와, 상기 전극 조립체가 내장되는 공간부를 구비하는 케이스와, 상기 케이스에 결합되어 이를 밀폐하는 캡 조립체, 상기 캡 조립체로 돌출되고 상기 전극 조립체에 구비된 양,음극판의 집전체와 전기적으로 연결되는 양,음극 단자를 포함한다.
그리고 각각의 단위전지는 통상 각형 전지의 경우 캡 조립체 상부로 돌출된 양극단자 및 음극단자가 이웃하는 단위전지의 양극단자 및 음극단자와 엇갈리도록 각 단위전지를 교차 배열하고, 나사가공된 음극단자와 양극단자간에 너트를 매개로 도전체를 연결설치하여 전지 모듈을 구성하게 된다.
여기서 상기한 전지모듈은 수 개에서 많게는 수십 개의 단위전지를 연결시켜 하나의 전지모듈을 구성함에 따라 적층되는 단위 전지들을 고정시키기 위해 앤드플레이트가 사용된다.
이에 상기 앤드플레이트를 적층된 단위 전지의 최 외측에 위치시키고 각 앤드플레이트를 연결로드와 너트로 체결하여 조여줌으로서 앤드플레이트 사이에 단위 전지를 밀착 고정시킬 수 있는 것이다.
상기한 이차 전지 모듈은 과충전/과방전에 의해 전지 내부가 부풀어 오르는 스웰링(swelling)현상이 발생되는 경우가 있으며, 적층된 단위 전지에서의 누적된 스웰링 하중은 그대로 앤드 플레이트로 전달되어 앤드 플레이에 굽힘 변형을 유발하게 된다.
여기서 상기 앤드플레이트의 굽힘 변형은 인접한 연결로드와 불균일한 접촉으로 인해 응력 집중이 발생되어 국부적인 변형을 유발하게 되므로 앤드 플레이트의 굽힘 변형을 최소화할 필요성이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 제반 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 그 목적은 앤드플레이트에 대한 연결로드의 설치위치를 최적화하여 앤드플레이트의 굽힘 변형을 최소화할 수 있도록 된 이차 전지 모듈를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 응력집중을 완화하기 위해 앤드플레이트에 가공되는 연결로드의 삽입 홈 깊이를 최적화할 수 있도록 된 이차 전지 모듈를 제공함을 또다른 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다수개의 단위 전지와, 상기 적층된 단위 전지의 최 외측에 놓여지고 상기 단위 전지에 접하는 한 쌍의 앤드플레이트, 상기 앤드플레이트에 돌출 형성된 체결부재 사이에 관통되어 한 쌍의 앤드플레이트를 체결 고정시키는 연결로드를 포함하고,
상기 연결로드의 설치 위치는 연결로드가 설치되는 쪽의 앤드플레이트 선단 길이를 L이라 하였을 때 앤드플레이트의 측선단에서 L/7 ~ 2L/7 지점일 수 있다.
상기의 위치에 연결로드가 위치함으로써 앤드플레이트에 걸리는 응력을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 보다 바람직하게 상기 연결로드의 최적 설치위치는 다음 식 1에 의해 얻어질 수 있다.
[식 1]
D(A,B) = -0.000557A2B2 + 0.02A2B + 0.345A2 + 0.045AB2 - 1.102AB - 17.735A - 0.624B2 + 8.37B + 1210.525
여기서 상기 D는 앤드플레이트에 걸리는 응력값이고, A는 앤드플레이트의 측 선단에서 상단에 체결되는 연결로드의 설치위치까지의 거리이며, B는 앤드플레이트의 측 선단에서 하단에 체결되는 연결로드의 설치위치까지의 거리이다.
이에 따라 상기 식 1을 통해 앤드플레이트에 걸리는 응력을 최소화할 수 있는 연결로드의 최적 위치를 구할 수 있게 된다.
여기서 상기 단위 전지는 각형의 이차 전지임이 바람직하다.
또한, 상기 단위 전지 사이에는 단위 전지 사이의 간격을 유지하고 냉각매체가 유통되는 전지격벽이 더욱 설치될 수 있다.
또한, 상기 앤드플레이트는 서로 대향되는 양측단에 체결부재가 돌출 형성되며, 상기 체결부재의 형성위치는 앤드플레이트의 상하단 또는 양 측선단일 수 있다.
또한, 상기 체결부재는 전면에 상기 연결로드가 관통되는 홀이 형성된다.
그리고 상기 연결로드는 볼트 형태로 이루어지며 선단에 형성된 나사산에 너트를 매개로 체결된다.
또한, 본 발명은 상기한 이차 전지 모듈에 있어서, 상기 체결부재에 형성되는 홀의 외주부로 연결로드의 머리부 또는 너트가 안착되도록 안착홈이 더욱 형성될 수 있다.
여기서 앤드플레이트에 걸리는 응력을 줄이기 위한 상기 안착홈의 형성깊이는 상기 앤드플레이트의 두께를 T라 하였을 때 T/3 ~ 2T/3 임이 바람직하다.
더욱 바람직하게 상기 안착홈의 최적 깊이는 다음 식 2를 통해 얻어질 수 있다.
[식 2]
D(B,H) = 0.344B2H2 - 1.115B2H + 1.008B2 - 29.098BH2 + 89.945BH - 59.599B + 987.926H2 - 2794.733H + 2738.608
여기서 상기 D는 앤드플레이트에 걸리는 응력값이고, B는 앤드플레이트의 측 선단에서 하단에 체결되는 연결로드의 설치위치까지의 거리이며, H는 상기 체결부재에 형성되는 안착홈의 형성 깊이이다.
이에 따라 응력값을 최소화하는 A값과 B값이 결정되면 이에 대한 안착홈의 형성 깊이를 구할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 앤드플레이트는 각형의 단위 전지 측면과 대응되는 크기로 이루어져 단위 전지의 측면에 접하는 평판부재와, 이 평판부재 선단에 돌출 형성되고 전면에는 연결로드가 관통되는 홀이 형성된 체결부재를 포함한다.
또한, 상기 체결부재에 형성되는 홀의 외주부로 상기 연결로드의 머리부 또는 너트가 안착되는 안착홈이 형성될 수 있다.
여기서 상기 이차 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, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차 전지 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.
상기한 도면을 참조하면 본 실시예에 따른 전지 모듈(10)은 대용량의 전지 모듈로서, 일정 간격 이격되게 연속 배치되는 다수의 단위 전지(11)를 포함한다.
이하 실시예에서는 상기 단위 전지(11)로 각형의 단위 전지가 사용되는 경우에 대해 설명한다.
상기 각각의 단위 전지(11)는 세퍼레이터를 사이에 두고 이의 양측에 양극판과 음극판이 배치되는 전극 조립체를 구비하여, 기설정된 양의 전력을 충,방전시키는 통상적인 구조의 이차전지로 구성되며, 상기 단위 전지(11) 사이에는 단위 전지(11) 사이의 간격을 유지하고 냉각매체를 단위 전지(11) 사이로 유통시키기 위한 전지격벽(12)이 구비된다.
따라서 본 실시예에 따른 전지 모듈(100)은 다수의 단위 전지(11)들이 적층되고 단위 전지 사이에 배치되는 전지 격벽(15)에 의하여 일정 간격 이격되게 연속 배열되어 전지열을 이루게 된다.
상기한 전지열은 적층되어 있는 단위 전지(11)들 중 전지열의 최 외측에 위치한 단위 전지(11)의 외측면에 밀착되는 한 쌍의 앤드플레이트(20)와 이 앤드플레이트(20)를 연결하는 연결로드(30)에 의해 고정되어 하나의 모듈(10)을 이루게 된다.
상기 앤드플레이트(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 단위 전지(11)의 전면과 대응되는 크기로 이루어져 상기 단위 전지 전면에 밀착되는 평판부재(22)와, 이 평판부재(22)의 상단과 하단에 각각 일체로 형성되어 외측으로 돌출되는 체결부재(21)를 포함한다.
여기서 상기 체결부재(21)와 연결로드(30)의 설치구조에 대해 좀더 상세하게 살펴보면, 상기 체결부재(21)의 전면에는 연결로드(30)가 끼워지는 홀(24)이 형성되고, 상기 연결로드(30)는 볼트형태로 이루어져 선단에는 나사산이 가공된 구조로 상기 체결부재(21)의 홀(24)로 관통되어 너트(31)를 매개로 체결된다.
이에 따라 상기 체결부재(21)에 형성된 홀(24)을 통해 연결로드(30)를 끼우고 너트(31)를 체결하게 되면 전지열의 양측에 놓여진 앤드플레이트(20)를 조여 단위 전지들을 고정시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 체결부재(21)는 홀(24)의 외주부를 따라 상기 너트(31) 또는 볼트 형태의 연결로드(30) 머리부가 삽입되어 안착될 수 있도록 안착홈(25)이 더욱 형성된다.
이에 따라 상기 안착홈(25)으로 연결로드(30) 또는 너트(31)가 끼워져 삽입됨으로서 응력이 분산되어 응력 집중을 완화시킬 수 있게 된다.
여기서 본 실시예에 따르면 상기 앤드플레이트(20)에 대한 체결부재(21)의 형성 위치, 좀더 정확하게 말하자면 체결부재(21)에 형성되는 홀(24)의 형성 위치는 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력을 최소화할 수 있는 위치에 형성된다.
상기 홀(24)의 최적 형성 위치를 구하기 위해 수많은 실험이 반복되었으며 앤드플레이트(20)의 상단에 형성되는 홀과 하단에 형성되는 홀간의 상호 관계를 아래 식 1과 같이 수식화하였다.
[식 1]
D(A,B) = -0.000557A2B2 + 0.02A2B + 0.345A2 + 0.045AB2 - 1.102AB - 17.735A - 0.624B2 + 8.37B + 1210.525
여기서 상기 D는 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력값이고,
A는 도 2와 도 4에 도시된 바와 같이 연결로드(30)가 설치되는 위치인 앤드플레이트(20)의 측 선단에서 상단의 체결부재(21)에 형성되는 홀(24)의 중심까지의 거리이며,
B 또한, 연결로드(30)가 설치되는 위치인 앤드플레이트(20)의 측 선단에서 하단의 체결부재(21)에 형성되는 홀(24)의 중심까지의 거리이다.
도 5는 상기 식 1을 도식화환 그래프로, 그래프에 도시된 바와 같이 A값과 B값에 따라 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력이 달라지게 된다.
상기 식 1을 통해 허용 가능한 응력 범위 내로 설정될 수 있는 A의 길이가 구해지며, 이를 토대로 상기 앤드플레이트(20) 상단의 체결부재(21)에 형성되는 홀(24)의 위치는 앤드플레이트의 가로방향 길이(L)에 대해 L/7 ~ 2L/7 사이로 설정된다.
상기 홀(24)의 위치가 상기 범위를 벗어나게 되면 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력값이 커져 앤드플레이트의 변형이 초래되는 문제가 발생된다.
또한, 상기 B의 길이 또한 상기 수식을 통해 허용 가능한 응력 범위 내에서 구해지며, 이를 토대로 구해진 앤드플레이트(20) 하단의 홀(24) 위치는 앤드플레이트의 가로방향 길이(L)에 대해 L/7 ~ 2L/7 사이로 설정된다.
더욱 정확하게 상기 앤드플레이트(20)의 하단의 홀(24) 위치는 상기 식 1을 통한 A의 길이에 대한 B의 길이에 의해 얻어질 수 있다.
언급한 바와 마찬가지로 홀(24) 위치가 상기 범위를 벗어나게 되면 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력값이 커져 앤드플레이트에 변형이 초래될 수 있다.
이와같이 상기 식 1을 통해 연결로드(30)를 앤드플레이트(20)의 상단과 하단에 설치하는 경우에 있어서 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력을 최소화할 수 있는 홀(24)의 형성 위치를 구할 수 있게 된다.
한편, 상기 안착홈(25) 또한 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력값에 영향을 주는 요인으로 안착홈(25)의 깊이에 따라 상기 응력값이 달라지게 된다.
이에 상기 안착홈(25)의 최적 형성 깊이를 구하기 위해 수많은 실험이 반복실시되었으며 상기 홀(24)의 형성위치와 대응하여 안착홈(25)의 형성깊이에 대한 상호 관계를 아래 식 2와 같이 수식화하였다.
[식 2]
D(B,H) = 0.344B2H2 - 1.115B2H + 1.008B2 - 29.098BH2 + 89.945BH - 59.599B + 987.926H2 - 2794.733H + 2738.608
여기서 상기 D는 앤드플레이트에 걸리는 응력값이고,
B는 도 4에 도시된 바와 같이 앤드플레이트의 측 선단에서 하단에 체결되는 연결로드의 설치위치까지의 거리이며, H는 상기 체결부재에 형성되는 안착홈의 형성 깊이이다.
도 6은 식 2를 도식화한 그래프로 도시된 바와 같이 상기 식 2를 통해 B값에 따라 응력이 최소화되는 H값을 얻을 수 있게 된다.
상기 식 2를 통해 허용 가능한 응력 범위 내로 설정될 수 있는 H의 길이가 구해지며, 이를 토대로 상기 안착홈(25)의 형성 깊이(H)는 상기 앤드플레이트의 두께(T)에 대해 T/3 ~ 2T/3 사이로 설정된다.
상기 안착홈의 깊이(H)가 상기 범위를 벗어나게 되면 앤드플레이트(20)에 걸리는 응력값이 커져 앤드플레이트의 변형이 초래되는 문제가 발생된다.
더욱 정확하게 상기 안착홈의 형성 깊이(H)는 상기 식 2을 통한 B의 길이에 대한 H의 길이에 의해 얻어질 수 있다.
이와같이 상기 수식을 통해 앤드플레이트(20)의 응력값을 허용가능한 범위내에서 최소화할 수 있도록 A값과 B값 및 H값을 구할 수 있게 된다.
상기한 본 발명의 전지 모듈은, 고출력/대용량을 요구받는 HEV용 전지로서 효과적으로 사용될 수 있으나, 반드시 그 용도가 HEV용으로만 한정되는 것은 아니다.
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 발명에 따르면, 전지 모듈의 중량을 줄여 출력을 증대시킬 수 있는 효과를 얻게 된다.
또한, 단위 전지 체결시 발생되는 응력을 분산시킴으로써 응력 집중에 의한 모듈 파손을 방지하고 전지 모듈의 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

Claims (12)

  1. 다수개의 단위 전지와, 상기 적층된 단위 전지의 최 외측에 놓여지고 상기 단위 전지에 접하는 한 쌍의 앤드플레이트, 상기 앤드플레이트에 돌출 형성된 체결부재 사이에 관통되어 한 쌍의 앤드플레이트를 체결 고정시키는 연결로드를 포함하고,
    상기 연결로드는 연결로드가 설치되는 쪽의 앤드플레이트 선단 길이를 L이라 하였을 때 앤드플레이트의 끝에서 L/7 ~ 2L/7 사이에 위치하는 이차 전지 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연결로드는 상기 앤드플레이트의 마주보는 양 선단에 배치되는 이차 전지 모듈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 연결로드는 아래 식 1을 통해 설치 위치가 결정되는 이차 전지 모듈.
    [식 1]
    D(A,B) = -0.000557A2B2 + 0.02A2B + 0.345A2 + 0.045AB2 - 1.102AB - 17.735A - 0.624B2 + 8.37B + 1210.525
    상기 D는 앤드플레이트에 걸리는 응력값,
    A는 앤드플레이트의 끝에서 상단 또는 일 측단에 체결되는 연결로드의 중심까지의 거리,
    B는 앤드플레이트의 끝에서 하단 또는 타 측단에 체결되는 연결로드의 중심까지의 거리이다.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 전지는 각형인 이차 전지 모듈.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 단위 전지 사이에 전지격벽이 설치되는 이차 전지 모듈.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 앤드플레이트는 서로 대향되는 양측단에 체결부재가 돌출 형성되며, 상기 체결부재는 전면에 상기 연결로드가 관통되는 홀이 형성되는 이차 전지 모듈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 연결로드는 선단에 나사산이 형성되어 너트를 매개로 체결되는 이차 전지 모듈.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 앤드플레이트의 체결부재에 형성되는 홀의 외주부로 연결로드의 머리부 또는 너트가 안착되는 안착홈이 형성된 이차 전지 모듈.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 안착홈의 형성깊이는 상기 앤드플레이트의 두께를 T라 하였을 때 T/3 ~ 2T/3 사이인 이차 전지 모듈.
  10. 제3 항에 있어서,
    상기 앤드플레이트의 체결부재에 형성되는 홀의 외주부로 연결로드의 머리부 또는 너트가 안착되는 안착홈이 형성되고,
    상기 안착홈의 형성깊이(H)는 아래 식 2를 통해 결정되는 이차 전지 모듈.
    [식 2]
    D(B,H) = 0.344B2H2 - 1.115B2H + 1.008B2 - 29.098BH2 + 89.945BH - 59.599B + 987.926H2 - 2794.733H + 2738.608
    상기 D는 앤드플레이트에 걸리는 응력값,
    B는 앤드플레이트의 끝에서 하단 또는 타 측단에 체결되는 연결로드의 중심까지의 거리이다.
  11. 다수개의 단위 전지와, 상기 적층된 단위 전지의 최 외측에 놓여지고 상기 단위 전지에 접하는 한 쌍의 앤드플레이트, 상기 앤드플레이트에 돌출 형성된 체결부재 사이에 관통되어 한 쌍의 앤드플레이트를 체결 고정시키는 연결로드를 포함하고,
    상기 연결로드는 아래 식 1을 통해 설치 위치가 결정되는 이차 전지 모듈.
    [식 1]
    D(A,B) = -0.000557A2B2 + 0.02A2B + 0.345A2 + 0.045AB2 - 1.102AB - 17.735A - 0.624B2 + 8.37B + 1210.525
    상기 D는 앤드플레이트에 걸리는 응력값,
    A는 앤드플레이트의 측 선단에서 상단에 체결되는 연결로드의 중심까지의 거리,
    B는 앤드플레이트의 측 선단에서 하단에 체결되는 연결로드의 중심까지의 거리이다.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 앤드플레이트의 체결부재에 형성되는 홀의 외주부로 연결로드의 머리부 또는 너트가 안착되는 안착홈이 형성되고,
    상기 안착홈의 형성깊이(H)는 아래 식 2를 통해 결정되는 이차 전지 모듈.
    [식 2]
    D(B,H) = 0.344B2H2 - 1.115B2H + 1.008B2 - 29.098BH2 + 89.945BH - 59.599B + 987.926H2 - 2794.733H + 2738.608
    상기 D는 앤드플레이트에 걸리는 응력값,
    B는 앤드플레이트의 측 선단에서 하단에 체결되는 연결로드의 중심까지의 거리.
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