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KR20210122412A - 전기차 배터리 모듈 프레임 - Google Patents

전기차 배터리 모듈 프레임 Download PDF

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Publication number
KR20210122412A
KR20210122412A KR1020200039243A KR20200039243A KR20210122412A KR 20210122412 A KR20210122412 A KR 20210122412A KR 1020200039243 A KR1020200039243 A KR 1020200039243A KR 20200039243 A KR20200039243 A KR 20200039243A KR 20210122412 A KR20210122412 A KR 20210122412A
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KR
South Korea
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battery module
electric vehicle
vehicle battery
module frame
upper housing
Prior art date
Application number
KR1020200039243A
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English (en)
Inventor
이재익
조민상
유동균
홍영호
Original Assignee
엘에스전선 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to EP21780258.6A priority patent/EP4131578A4/en
Priority to PCT/KR2021/001265 priority patent/WO2021201407A1/ko
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Abstract

본 발명은 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고, 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있으며, 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다.

Description

전기차 배터리 모듈 프레임{Frame for battery module of electric vehicle}
본 발명은 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고, 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있으며, 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다.
전기차는 배터리의 안정성과 성능이 주행 가능 거리 등 전기차의 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용한다. 특히, 배터리의 성능은 주변의 온도에 크게 영향을 받는데, 일반적으로 0 내지 40℃의 온도로 유지되어야 적정한 성능을 구현할 수 있다.
그러나, 배터리는 충전 또는 방전(운행)되는 상황에서 열이 발생하며, 이는 주변 온도를 높여 배터리 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 사고 등 주변의 충격이나 전기차 자체의 진동으로부터 배터리를 보호할 필요가 있기 때문에, 이러한 배터리를 실장하여 안정적으로 지지 및 보호하는 프레임이 사용되고 있다.
종래 배터리 모듈 프레임은 배터리 모듈을 구성하는 다수의 배터리 셀들을 수용할 수 있는 금속 재질의 박스(box) 형태로 이루어질 수 있고, 이러한 금속 재질의 프레임은 높은 기계적 강도로 배터리 셀들을 외부의 충격으로부터 안정적으로 보호할 수 있으며, 높은 열전도도로 배터리 셀들로부터 방출되는 열을 배터리 모듈 밖으로 신속하게 방출시킬 수 있다.
일반적으로, 전기차가 내연 기관 자동차와 동일한 주행거리를 갈 수 있기 위해서는 약 360 내지 400 kg의 배터리가 필요하며, 여기서 배터리 모듈 프레임이 차지하는 무게는 약 10 내지 20% 수준이다. 따라서, 배터리 모듈 프레임의 무게를 줄일 수 있다면, 더 많은 배터리 셀을 장착할 수 있고 이는 곧 주행거리 증가로 이어질 수 있다.
따라서, 종래 금속 재질의 배터리 모듈 프레임은 경량화를 위해 비중이 7.8 g/㎤인 기존의 철 소재에서 경량 금속으로 비중이 2.7 g/㎤인 알루미늄 소재로 바뀌어 가고 있으나, 알루미늄 소재는 일반적으로 성형 가공이 어려워 생산성이 낮고, 압출 공정으로 제조하기 때문에 별도의 챔퍼링, 즉 각단면을 갖는 부재의 모서리 부분을 경사지게 또는 둥글게 가공하는 등의 추가 공정으로 가공비가 상승하는 문제가 있다.
특히, 전기차 배터리 모듈 프레임은 전기차의 진동에 의한 충격으로부터 배터리 모듈을 안정적으로 보호하기 위해 정해진 개수의 배터리 셀을 수납하기 위한 정밀하게 규격화된 공간을 형성해야 하고, 배터리 셀 사이의 이격 거리 및 배터리 팩 내에 배치되는 위치 등 매우 정밀한, 예를 들어, 공차 ±0.3 mm 수준의 치수 안정성을 확보해야 하나, 종래 성형 가공이 어려운 금속 소재의 배터리 모듈 프레임은 이러한 치수정밀도를 충분히 확보하기 어려운 문제가 있다.
최근, 알루미늄 소재 보다 가벼운 플라스틱 소재를 적용하여 경량화하는 추세에 있으나, 일반적으로 플라스틱의 열전도도는 금속 소재에 비해 훨씬 작아 방열 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있으며, 플라스틱에 열전도성 섬유 또는 방열 성능을 일부 개선할 수 있는 첨가제를 충진하여 사용하고 있으나 이러한 소재는 고가이고 방열 성능이 여전히 기존의 금속 재질에 비해 불충분한 단점이 있다.
따라서, 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고, 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있으며, 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
전기차 배터리 모듈 프레임으로서, 하부면이 개방되어 있고 내부에 배터리 모듈이 실장될 수 있는 빈 공간을 보유한 상부 하우징, 상기 상부 하우징의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트를 포함하고, 상기 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있고, 상기 하부 플레이트는 금속 소재 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 하부 플레이트는 열전도도가 0.5 내지 1,000W/m·K인, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 상부 하우징과 상기 하부 플레이트는 인서트 사출 성형으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
또한, 상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 적어도 부분적으로 굴곡되거나 노치 또는 홀이 형성된 상태이고, 굴곡된 표면을 평평하게 피는 경우의 길이가 피기 전의 양 끝단 사이의 길이에 비해 10% 이상 큰 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
그리고, 상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 표면조도(Ra)가 6 이상, 표면조도(Rmax)가 25 이상, 표면조도(Rz)가 25 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
나아가, 상기 상부 하우징은 규격 ASTM D638에 따른 인장강도가 30 내지 500 MPa이고, 규격 ASTM D790에 따른 굴곡강도가 50 내지 400 MPa이며, 규격 UL-94 V test에 따른 연소 시간이 60초 이하이고, 규격 ASTM D648에 따른 열변형 온도가 50 내지 300℃이며, 규격 ASTM D256에 따른 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 이상이고, 규격 ASTM D955에 따른 수축률이 0.03 내지 3%인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 상부 하우징을 형성하는 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 보강 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
또한, 상기 엔지니어링 플라스틱은 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)를 포함하고, 상기 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 베이스 수지 및 폴리스티렌(PS) 또는 폴리아미드(PA)의 추가 수지가 혼합된 복합 수지를 포함하고, 상기 베이스 수지와 상기 추가 수지의 중량 배합비는 95:5 내지 20:80인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
한편, 상기 열전도성 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 카본 블랙 및 금속 분말로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
또한, 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로, 상기 열전도성 첨가제의 함량은 3 내지 200 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
한편, 상기 하부 플레이트의 하부에는 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 냉각 플레이트의 횡단면 중 냉매 유로의 평면 단면적이 최대로 되는 횡단면에서 측정한 전체 평면 단면적 대비 냉매 유로의 평면 단면적의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임은 특정한 플라스틱 소재로 이루어진 상부 하우징 및 일정 수준 이상의 열전도도를 갖는 하부 플레이트의 결합을 통해 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있는 동시에 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임은 특정한 플라스틱 소재를 통해 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 하나의 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 또 다른 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 2에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 하부에 냉각 플레이트가 배치되어 있는 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 하나의 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임(100)은 하부면이 개방되어 있고 내부에 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 실장될 수 있는 빈 공간을 보유하고 상기 배터리 모듈이 삽입될 수 있도록 앞면과 뒷면이 개방되어 있는 'ㄷ'자 형상의 상부 하우징(110), 상기 상부 하우징(110)의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트(120)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 상부 하우징(110)은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 상기 상부 하우징(110)이 플라스틱 소재로 이루어짐으로써 종래 금속 소재의 프레임과 달리 사출 성형이 가능하기 때문에 치수정밀도가 크게 향상되고, 이로써 상기 상부 하우징(110) 내벽과 배터리 모듈 사이의 더욱 긴밀한 밀착을 통해 이들 사이의 빈 공간을 최소화하여 전기차의 진동시에도 배터리 모듈을 더욱 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고 상기 빈 공간에 의해 방열 효과가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 등의 엔지니어링 플라스틱, 바람직하게는 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)의 엔지니어링 플라스틱에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 카본 블랙 등의 보강 첨가제, 바람직하게는 유리섬유가 첨가될 수 있다.
여기서, 상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 100 중량부, 바람직하게는 5 내지 80 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 70 중량부일 수 있다. 상기 보강 첨가제의 함량이 3 중량부 미만인 경우 상기 상부 하우징(110)의 목적한 인장강도, 굴곡강도 등의 기계적 특성을 만족할 수 없는 반면, 100 중량부 초과인 경우 상기 상부 하우징(110)을 제조하기 위한 사출시 사출기의 스크류, 금형 등의 마모가 심각해 생산성이 저하되고, 상기 플라스틱 소재의 비중이 증가하여 상기 상부 하우징(110)의 무게가 증가되며, 충격강도 등 일부 기계적 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 상기 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 베이스 수지에 폴리스티렌(PS), 폴리아미드(PA) 등의 추가 수지가 혼합된 복합 수지를 포함할 수 있는데, 상기 폴리페닐렌 옥사이드 수지(PPO)와 상기 폴리스티렌(PS), 폴리아미드(PA) 등의 추가 수지의 중량 배합비는 95:5 내지 20:80, 바람직하게는 90:10 내지 20:80, 더욱 바람직하게는 80:20 내지 20:80일 수 있다.
여기서, 상기 중량 배합비가 95:5 초과인 경우 상기 플라스틱 소재의 가공온도가 높아 성형성이 저하되고 제조비용이 증가하는 반면, 20:80 미만인 경우 상기 플라스틱 소재의 열변형 온도가 낮아 내열성이 저하되고 충격강도 등 기계적 특성이 저하되는 문제가 있다.
상기 플라스틱 소재는 배터리 모듈을 외부 충격으로부터 보호하기 위한 우수한 기계적 강도, 예를 들어, 규격 ASTM D638에 의해 5 mm/min의 속도로 20 kN의 하중 하에 측정된 인장강도가 30 내지 500 MPa, 바람직하게는 50 내지 400 MPa, 더욱 바람직하게는 70 내지 300 MPa, 규격 ASTM D790에 의해 5 mm/min의 속도로 20 kN의 하중 하에 측정된 굴곡강도가 50 내지 400 MPa, 바람직하게는 80 내지 300 MPa, 더욱 바람직하게는 100 내지 250 MPa일 수 있다.
여기서, 상기 플라스틱 소재의 인장강도가 30 MPa 미만인 경우 배터리 모듈을 외부의 충격으로부터 보호하기 위한 최소한의 기계적 특성이 만족되지 않을 수 있는 반면, 500 MPa 초과인 경우 과량의 첨가제에 의해 사출 가공성이 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 소재의 굴곡강도가 50 MPa 미만인 경우 배터리 모듈의 열팽창으로 인한 기계적 스트레스를 견디기 어려울 수 있는 반면, 400 MPa 초과인 경우 과량의 첨가제에 의해 사출 가공성이 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
한편, 상기 플라스틱 소재는 화재로부터 견딜 수 있는 우수한 난연성, 예를 들어, 규격 UL-94 V test에 의해 20 mm 길이의 불꽃을 10초간 1차 접염 후 연소 시간이 60초 이하, 바람직하게는 연소 시간이 30초 이하이고, 더욱 바람직하게는 10초간 2차 접염 후 연소 시간은 90초 이하, 바람직하게는 연소 시간이 60초 이하, 배터리 모듈에서 방출되는 열에 견딜 수 있는 높은 열변형 온도, 예를 들어, 규격 ASTM D648에 의해 시편을 오일에 침적하여 5분간 예열 후 오일을 120℃/hr의 속도로 승온하면서 시편이 0.254 mm 처질때의 온도인 열변형 온도가 50 내지 300℃, 바람직하게는 80 내지 270℃, 더욱 바람직하게는 100 내지 250℃일 수 있다.
여기서, 상기 플라스틱 소재의 열변형 온도가 50℃ 미만인 경우 배터리 모듈에서 발생하는 열로 인해 상기 상부 하우징(110)의 뒤틀림 등의 변형이 발생할 수 있는 반면, 300℃ 초과인 경우 융점이 너무 높아 컴파운딩 및 사출 가공성이 크게 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 소재는 저온의 환경에서도 사용 가능한 우수한 저온 충격특성, 예를 들어, 규격 ASTM D256에 의해 -30℃의 챔버 내에서 30분 이상 방치 후 햄머로 타격하여 시편이 절단될 때 측정되는 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 이상, 바람직하게는 3 kJ/㎡ 이상, 더욱 바람직하게는 5 kJ/㎡ 이상일 수 있다.
여기서, 상기 플라스틱 소재의 상기 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 미만인 경우 겨울철 등 저온의 환경에서 충돌 사고 등에 의해 배터리 모듈이 파손되는 등 배터리 모듈을 적절히 보호할 수 없다. 한편, 저온 충격 강도는 높으면 높을수록 바람직하나, 인장강도, 굴곡강도, 난연성 등과 상충관계(trade-off)에 있어 적정한 수준을 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 플라스틱 소재는 우수한 치수정밀도를 나타내는 수축률, 예를 들어, 규격 ASTM D955에 의해 온도 23±2℃ 및 습도 50±5% 하에서 몰드에 사출하고 24±0.5 시간 이후 분리하여 측정된 수축률이 0.03 내지 3%, 바람직하게는 0.05 내지 2%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1%일 수 있고, 상기 수축률이 0.03% 미만인 경우 과량의 첨가제 함량으로 사출 생산성 등의 특성이 저하되는 반면 3% 초과인 경우 ±0.3 mm의 치수정밀도를 만족하기 어렵다.
상기 상부 하우징(110)은 배터리 모듈이 삽입될 수 있도록 앞면과 뒷면이 개방되어 있는 'ㄷ자 형상으로 이루어질 수 있으나, 상기 상부 하우징(110)과 동일한 플라스틱 소재로 이루어진 전면 플레이트 및 후면 플레이트로 앞면과 뒷면을 커버할 수 있다.
상기 상부 하우징(110)은 상기 상부 하우징(110)과 상이한 소재로 이루어진 하부 플레이트(120)와 결합될 수 있으며, 상기 상부 하우징(110)과 상기 하부 플레이트(120)는 인서트 사출 성형으로 결합될 수 있다.
즉, 상기 하부 플레이트(120)가 미리 제조되어 사출기 금형 내부에 삽입되고, 그 다음 상기 상부 하우징(110)의 플라스틱 소재가 금형 내부로 사출되어 박스 형태의 구조를 만들 수 있다. 이 때, 서로 상이한 재료 간의 접착력을 높이기 위해 접착 면에 요철 등을 형성하거나 접착 면의 표면 조도를 거칠게 하여 접착 면적을 크게 할 수 있다.
상기 하부 플레이트(120)는 알루미늄, 구리, 철 등 열전도도가 높은 금속 소재로 이루어질 수 있으나, 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 등의 엔지니어링 플라스틱, 바람직하게는 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)의 엔지니어링 플라스틱에 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 카본 블랙, 알루미늄 등의 금속 분말 등을 포함하는 열전도성 첨가제가 충진된 플라스틱 소재로 이루어질 수도 있다. 상기 하부 플레이트(120)의 열전도도는 배터리 모듈 프레임의 방열 특성을 확보하기 위하여 금속 소재로 이루어지는 경우 및 플라스틱 소재로 이루어지는 경우 모두 열전도도가 0.5 내지 1,000 W/m·K, 바람직하게는 1 내지 600 W/m·K, 더욱 바람직하게는 2 내지 300 W/m·K인 소재로 이루어질 수 있다.
상기 하부 플레이트(120)를 형성하는 소재의 열전도도가 0.5 W/m·K 미만인 경우 방열 특성이 불충분하여 배터리 모듈의 성능 저하가 유발될 수 있는 반면, 1,000 W/m·K 초과인 경우 과량의 열전도성 첨가제의 첨가에 의해 가공 성형성이 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로, 상기 하부 플레이트(120)를 플라스틱 소재로 형성하는 경우, 상기 열전도성 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 200 중량부, 바람직하게는 5 내지 170 중량부, 더욱 바람직하게는 10 내지 150 중량부일 수 있다. 여기서, 상기 열전도성 첨가제의 함량이 3 중량부 미만인 경우 0.5 W/m·K 이상의 열전도도를 구현하기 어렵고, 200 중량부 초과인 경우 상기 플라스틱 소재의 비중이 2 g/㎤를 초과하여 배터리 모듈 프레임의 경량화가 불충분할 수 있다.
상기 하부 플레이트(120)가 상기 상부 하우징(110)과 결합되는 표면은 평평하지 않은 적어도 부분적으로 굴곡된 상태이거나 노치 또는 홀이 형성되어 있는 상태가 적합하며, 예를 들어, 굴곡된 표면을 평평하게 피는 경우의 길이가 피기 전의 양 끝단 사이의 길이에 비해 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 더욱 바람직하게는 30% 이상 클 수 있다. 이는 하부 플레이트(120)와 상부 하우징(110)이 결합되는 접촉 면적을 극대화하여 이들이 더욱 견고하게 접착 및 결합될 수 있도록 하기 위함이다.
구체적으로, 상기 하부 플레이트(120)의 결합 표면의 표면조도(Ra)는 6 이상, 바람직하게는 25 이상, 표면조도(Rmax)는 25 이상, 바람직하게는 100 이상, 표면조도(Rz)는 25 이상, 바람직하게는 100 이상일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 또 다른 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임(100')은 하부 플레이트(120')가 상부 하우징(110')과 같은 'ㄷ'자 형상을 보유할 수 있고, 하부 플레이트(120') 및 상부 하우징(110')이 모두 'ㄷ'자 형상을 보유함으로써 배터리 모듈이 실장되는 내부 빈 공간의 치수정밀도를 추가로 향상시킬 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 하부에 냉각 플레이트가 배치되어 있는 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하부 플레이트(120)의 하부에는 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트(300)가 배치될 수 있다.
상기 냉각 플레이트(300)는 이의 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로(310)가 형성되어 있고 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 상기 하부 플레이트(120)는 상기 상부 하우징(110)에 비해 열전도도가 크기 때문에 배터리 모듈로부터의 열에너지를 대부분 신속하게 흡수하여 상기 냉각 플레이트(300)로 전달함으로써 방열하는 기능을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 냉각 플레이트(300)의 횡단면 중 냉매 유로(310)의 평면 단면적이 최대로 되는 횡단면에서 측정한 전체 평면 단면적 대비 냉매 유로(310)의 평면 단면적의 비율은 약 50% 이상, 바람직하게는 약 70% 이상일 수 있고, 이에 따라 방열비, 즉 배터리 모듈 프레임의 전체 발열량 대비 상기 냉각 플레이트(300)의 발열량의 비율이 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상일 수 있고, 상기 단면 비율이 50% 미만이거나 상기 방열비가 70% 미만인 경우 상기 하부 플레이트(300)의 신속한 열에너지 흡수 및 이에 따른 방열 특성은 불충분할 수 있다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표에 기재된 구성으로 동일한 크기의 배터리 모듈 프레임을 제작했다.
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
상부 하우징 플라스틱1 플라스틱1 플라스틱1 알루미늄
하부 플레이트 알루미늄 플라스틱2 플라스틱1 알루미늄
냉각 플레이트 알루미늄 알루미늄 알루미늄 알루미늄
- 플라스틱 1 : 개질된 폴리페닐렌 옥사이드+유리섬유(열전도도 : 0.4 W/m·K)- 플라스틱 2 : 열전도성 플라스틱(열전도도 : 1 W/m·K)
- 알루미늄 : 6,000 계열 알루미늄
2. 방열 특성 평가
실시예 및 비교예 각각에 따른 배터리 모듈 프레임에서 각 면의 중앙에 열전대를 부착하고, 냉각 플레이트에 냉각수(밀도 : 1069 kg/㎡; 동점성계수 : 0.002758 kg/ms; 유속 : 0.02 m/s)를 이동시키면서, 내부에 실장된 배터리 모듈의 전기발열을 통해 열량을 인가한 후 각각의 열전대의 온도를 측정하여 각 면에서의 발열량 및 방열비를 계산했다. 측정 결과는 아래 표 2에 기재된 바와 같다.
상부면 하부면 좌옆면 배면

실시예1		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 8.4 8.7 73.2 74.9 3.9 3.6 1.7 1.5
방열비(%) 9.1 8.4 79.2 80.7 4.2 3.8 1.8 1.7
최고온도(℃) 37.4 36.3 36.9 35.6 36.8 35.6 37.4 36.3

실시예2		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 9.7 9.4 70.2 71.9 4.6 4.3 1.8 1.6
방열비(%) 10.5 10.1 75.7 77.5 4.9 4.9 1.9 2.0
최고온도(℃) 39.9 38.3 38.5 36.2 37.9 36.9 38 37.4

비교예1		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 10.8 10 68.1 70.2 4.9 4.4 2.1 1.9
방열비(%) 11.6 10.8 73.4 75.7 5.3 4.7 2.3 2.1
최고온도(℃) 41.5 40.1 38.7 36.5 40.2 38.5 40.6 39.9

비교예2		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 8.3 7.8 73.4 74.8 3.9 3.6 1.6 1.5
방열비(%) 9 8.4 79.2 80.7 4.2 3.9 1.8 1.6
최고온도(℃) 37.1 35.2 36.5 35.5 36.8 35.8 36.9 36
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어지고 하부 플레이트는 알루미늄 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어진 실시예 1 및 2의 배터리 모듈 프레임은 상부 하우징 및 하부 플레이트가 모두 플라스틱 소재로 이루어진 비교예 1에 비해 방열 특성이 우수하고, 모두 알루미늄 소재로 이루어진 비교예 2에 비해 방열 특성이 크게 차이나지 않는 동시에 약 39%의 경량화를 구현할 수 있는 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허 청구 범위의 구성 요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
110 : 상부 하우징 120 : 하부 플레이트
200: 배터리 모듈 300: 냉각 플레이트
310: 냉매 유로

Claims (12)

  1. 전기차 배터리 모듈 프레임으로서,
    하부면이 개방되어 있고 내부에 배터리 모듈이 실장될 수 있는 빈 공간을 보유한 상부 하우징, 상기 상부 하우징의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트 를 포함하고,
    상기 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있고,
    상기 하부 플레이트는 금속 소재 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어질 수 있으며,
    상기 하부 플레이트는 열전도도가 0.5 내지 1,000W/m·K인, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 하우징과 상기 하부 플레이트는 인서트 사출 성형으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  3. 제1항 또는 제2에 있어서,
    상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 적어도 부분적으로 굴곡되거나 노치 또는 홀이 형성된 상태이고, 굴곡된 표면을 평평하게 피는 경우의 길이가 피기 전의 양 끝단 사이의 길이에 비해 10% 이상 큰 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 표면조도(Ra)가 6 이상, 표면조도(Rmax)가 25 이상, 표면조도(Rz)가 25 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상부 하우징은 규격 ASTM D638에 따른 인장강도가 30 내지 500 MPa이고, 규격 ASTM D790에 따른 굴곡강도가 50 내지 400 MPa이며, 규격 UL-94 V test에 따른 연소 시간이 60초 이하이고, 규격 ASTM D648에 따른 열변형 온도가 50 내지 300℃이며, 규격 ASTM D256에 따른 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 이상이고, 규격 ASTM D955에 따른 수축률이 0.03 내지 3%인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 하우징을 형성하는 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 보강 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱은 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)를 포함하고,
    상기 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 베이스 수지 및 폴리스티렌(PS) 또는 폴리아미드(PA)의 추가 수지가 혼합된 복합 수지를 포함하고,
    상기 베이스 수지와 상기 추가 수지의 중량 배합비는 95:5 내지 20:80인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열전도성 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 카본 블랙 및 금속 분말로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로, 상기 열전도성 첨가제의 함량은 3 내지 200 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 플레이트의 하부에는 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트의 횡단면 중 냉매 유로의 평면 단면적이 최대로 되는 횡단면에서 측정한 전체 평면 단면적 대비 냉매 유로의 평면 단면적의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
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