KR102386521B1 - 절곡부를 포함하는 복합소재 배터리 하우징 - Google Patents

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주식회사 서연이화
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Abstract

절곡부를 포함하는 복합소재 배터리 하우징이 제공된다. 전부 또는 일부가 G-CFT(Glass Fiber- Continuous Fiber Thermoplastic)로 형성되는 복합소재; 및 상기 복합소재의 일측이 열에 의해 절곡 형성되는 절곡부;를 포함하고, 상기 절곡부는, IR히터가 상기 복합소재를 600 내지 1000℃로 가열하고, 상기 복합소재가 상기 IR히터의 가열에 의해 소정 정도 용융된 상태에서 절곡 후 냉각되는 과정을 거쳐 형성되는, 배터리 하우징이 제공될 수 있다.

Description

절곡부를 포함하는 복합소재 배터리 하우징{COMPOSITE BATTERY HOUSING WITH BENDS}
본 발명은 배터리 셀이 내부에 배치되는 절곡부를 포함하는 복합소재 배터리 하우징에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리 셀이 내부에 배치되는 배터리 모듈 및 배터리 팩의 하우징(이하 '배터리 하우징')은 전부 또는 일부가 철(Fe) 또는 알루미늄(Al)과 같은 금속으로 제작된다. 이와 같이 고중량의 금속으로 제작되는 배터리 하우징은 배터리를 외부의 충격으로부터 보호할 수 있지만, 전체적인 무게 상승에 따른 배터리의 효율성 측면에서는 불리하게 작용되고 있다. 또한, 배터리의 화재에 대한 안전성의 이유로 배터리 하우징에 사용되는 금속 재료는 표면에 난연 도장이 필수적으로 요구되며, 이는 배터리 하우징의 원가 상승의 원인이 되고 있다.
최근에는, 이와 같은 배터리 하우징의 경량화를 위해 플라스틱 복합소재의 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 그런데 플라스틱 복합소재를 이용하여 배터리 하우징을 성형하고자 하는 경우, 플라스틱 복합소재를 절단한 후 경첩 또는 브라켓 등을 이용하여 연결하는 방법으로 제작되고 있다. 이는 종래 금속 재질의 배터리 하우징에 비해서는 경량으로 형성될 수 있는 특징이 있다. 그러나, 고중량의 금속으로 형성되는 경첩 또는 브라켓에 의해 경량화율이 감소되고, 경첩 또는 브라켓을 난연 도장 후 조립하는 공정이 추가되어 제조 공정이 복잡하고 제조 원가가 상승될 수 있다.
배터리 하우징의 무게는 배터리를 사용하는 전기 자동차의 연비와 직접적으로 연관되고, 배터리 하우징의 제조 공정은 소비자 가격과 직접적으로 연관된다. 즉, 종래에 금속 재료로 형성된 배터리 하우징에 비해 경량화 되면서도 비슷하거나 상승된 기계적 물성을 가지며, 제조 공정이 간소화될 수 있는 배터리 하우징에 대한 필요성이 높아지고 있다.
본 발명의 실시예들은 배터리 셀이 내부에 배치되는 배터리 하우징에 있어서, 종래의 배터리 하우징에 비해 중량이 감소되고 제조 공정이 축소된 절곡부를 포함하는 복합소재 배터리 하우징을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전부 또는 일부가 G-CFT(Glass Fiber- Continuous Fiber Thermoplastic)로 형성되는 복합소재; 및 상기 복합소재의 일측이 열에 의해 절곡 형성되는 절곡부;를 포함하고, 상기 절곡부는, IR히터가 상기 복합소재를 600 내지 1000℃로 가열하고, 상기 복합소재가 상기 IR히터의 가열에 의해 소정 정도 용융된 상태에서 절곡 후 냉각되는 과정을 거쳐 형성되는, 배터리 하우징이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 배터리 하우징은 종래의 금속 소재에 비해 경량화 된 복합소재를 사용하여 차량의 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 복합소재는 강성, 차폐효과 및 난연성을 가져 사용상의 안전성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 하우징은 열을 이용하여 절곡부를 형성함으로써 배터리 하우징의 중량 감소 및 제조 공정 축소에 따른 원가 절감의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합소재의 연속섬유 배열의 일 예시를 나타낸 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 복합소재에 난연층을 적용한 경우의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 하우징의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 절곡부의 형성 과정을 도시한 개략도이다.
도 6은 도 1에 도시된 복합소재의 실시예를 나타낸 표이다.
도 7은 도 6에 도시된 복합소재의 실시예로 진행한 구조 해석의 해석 조건을 나타낸 표이다.
도 8은 도 6에 도시된 복합소재의 실시예 별 해석 결과를 나타낸 표이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 이하의 실시예들은 해당 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재의 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 복합소재의 연속섬유 배열의 일 예시를 나타낸 것이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 실시예의 복합소재(110)는 다층의 층상 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 복합소재(110)는 일 방향의 제1 연속섬유의 배열을 갖는 강도강화층(111) 및 일 방향의 제2 연속섬유의 배열을 갖는 차폐강화층(112)을 포함할 수 있다.
이하 상기의 각 구성요소들에 대해 보다 상세히 설명한다.
강도강화층(111)은 일 방향의 제1 연속 섬유의 배열을 가지는 제1 ud-프리프레그(UniDirectional- Prepreg)로 이루어지고, 상기 제1 연속 섬유는 유리 섬유(Glass Fiber; GF)를 포함할 수 있다. 강도강화층(111)은 차폐강화층(112)의 상부 및 하부에 배치될 수 있다. 강도강화층(111)은 연속 섬유로 유리 섬유가 포함됨으로써 강도가 강화되는 효과를 가질 수 있다. 이때, 강도강화층(111)에 포함되는 유리 섬유의 무게 비율은 20wt% 또는 40wt%일 수 있다.
강도강화층(111)은 차폐강화층(112)의 상부면과 하부면에 각각 배치되어, 외부의 충격에 쉽게 노출될 수 있는 배터리 하우징(100)의 외측 면과 내부 부품의 탈락에 의한 충격에 쉽게 노출될 수 있는 배터리 하우징(100)의 내측 면에 각각 배치될 수 있다. 즉, 강도가 강화된 강도강화층(111)이 배터리 하우징(100)의 내외부 면에 배치되므로, 물리적인 충격에 의한 피해를 최소화할 수 있다. 또한, 차폐강화층(112)이 강도강화층(111)의 사이에 배치되므로, 배터리 하우징(100)의 내, 외부 간의 차폐 효과를 가질 수 있다.
한편, 차폐강화층(112)은 일 방향의 제2 연속 섬유의 배열을 가지는 제2 ud-프리프레그로 이루어지고, 상기 제2 연속 섬유는 탄소 섬유(Carbon Fiber; CF)를 포함할 수 있다. 이때, 탄소 섬유의 무게 비율은 20wt% 또는 40wt%일 수 있다. 차폐강화층(112)은 연속 섬유로 탄소 섬유가 포함됨으로써 차폐율이 강화되는 효과를 가질 수 있다.
이와 같은 강도강화층(111) 및 차폐강화층(112)에는 베이스 레진(base resin)인 수지 기재가 함침될 수 있다. 수지 기재는 폴리아마이드(polyamide)(PA6 또는 PA66) 또는 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 중 하나 이상이 함침 될 수 있다. 베이스 레진에는 차폐 성능을 더욱 향상시키기 위해 탄소 나노 복합재가 포함될 수 있다. 예컨대, 상기 탄소 나노 복합재는 CNT(Carbon nanotube), 풀러렌(Fullerene), 그래핀(graphene) 및 전도성 나노 카본블랙 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 이때, 탄소 나노 복합재는 3%의 비율로 포함될 수 있다. 이는, 탄소 나노 복합재가 3% 비율 미만인 경우 차폐 효과가 낮고, 탄소 나노 복합재가 3% 비율을 초과하는 경우 생산성이 낮아지기 때문이다.
또한, 강도강화층(111) 및 차폐강화층(112)의 일 방향의 연속 섬유의 배열은 ud-프리프레그의 길이 방향 또는 폭 방향 중 어느 한 방향으로 섬유가 배열되어 있는 것을 의미할 수 있다. 상세하게는, 제1 ud-프리프레그는 유리 섬유가 제1방향으로 배열된 제1 GF 층 및 유리 섬유가 제2방향으로 배열된 제2 GF층을 포함할 수 있다.
이때, 제1방향을 0˚ 방향, 제2 방향을 90˚ 방향으로 구분해 지칭하기로 한다. 즉, 제1방향과 제2방향은 서로 수직한 방향을 구성한다. 제1 GF 층과 제2 GF 층은 제1 ud-프리프레그의 폭 방향으로 적층될 수 있다. 제1 ud-프리프레그에 포함된 제1 GF층 및 제2 GF층의 한 층의 두께는 0.25mm일 수 있으며, 필요로 하는 두께에 따라 적층되는 층의 개수가 정해질 수 있고 유리 섬유가 0˚로 배열된 제1 GF층과 유리 섬유가 90˚로 배열된 제2 GF층이 적층되는 순서도 필요에 따라 적절하게 정해질 수 있다.
예컨대, 복합소재(110)의 두께가 2t인 경우 제1 ud-프리프레그는 외부에 노출되는 면에서부터 차폐강화층(200)에 맞닿는 면까지 (90˚, 90˚, 0˚) 순서의 배열로 3장 적층될 수 있고, 배터리 하우징용 복합소재가 3.5t인 경우 제1 ud-프리프레그는 외부에 노출되는 면에서부터 차폐강화층(200)에 맞닿는 면까지 (90˚, 90˚, 0˚, 90˚, 0˚, 90 ˚) 순서의 배열로 6장 적층될 수 있다(도 2 참고). 바람직하게는, 제1 GF층과 제2 GF층은 더 높은 강성을 갖기 위해 교대로 적층되어 제1 ud-프리프레그를 구성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2 ud-프리프레그는 탄소 섬유가 제1방향으로 배열된 제1 CF층 및 탄소 섬유가 제2방향으로 배열된 제2 CF층을 포함할 수 있다. 제1 CF층과 제2 CF층은 제2 ud-프리프레그의 폭 방향으로 적층될 수 있다. 제2 ud-프리프레그에 포함된 제1 CF층 및 제2 CF층 한 층의 두께는 0.25mm일 수 있으며, 필요로 하는 두께에 따라 적층되는 층의 개수가 정해질 수 있고, 탄소 섬유가 0˚로 배열된 제1 CF층과 탄소 섬유가 90˚로 배열된 제2 CF층이 적층되는 순서도 필요에 따라 적절하게 정해질 수 있다. 예컨대, 제2 ud-프리프레그는 (90˚, 90˚) 순서의 배열로 두 장 적층될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 복합소재에 난연층을 적용한 경우의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 난연층(113)은 강도강화층(111)의 외측면에 배치되되, 차폐강화층(112)이 배치되지 않는 면에 배치될 수 있다. 상세하게는, 난연층(113)은 강도강화층(111) 또는 차폐강화층(112)에 함침되는 베이스 레진이 PA6 또는 PA66인 경우 배치될 수 있다.
예컨대, 난연층(113)은 프라이머층(미도시) 및 베이스층(미도시)을 포함할 수 있다. 프라이머층은 1액형 CPO(Chlorinated Polyolefins) 레진이 사용될 수 있다. 또한, 베이스층은 인계 난연제를 함유한 2액형 아크릴 우레탄이 사용될 수 있다. 도막 두께는 프라이머층이 8μm 내지 10μm일 수 있고, 베이스층이 20μm 내지 25μm일 수 있다.
난연층(113)은 배터리 하우징(100)의 내측에 배치되는 배터리 셀(미도시)이 과열되거나 발화되는 경우, 화염에 대한 저항성을 가지므로 배터리 하우징(100)의 화재에 대한 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 하우징의 개략도이다. 도 5는 도 4에 도시된 절곡부의 형성 과정을 도시한 개략도이다.
도 4 내지 5를 참조하면, 본 실시예의 배터리 하우징(100)은 내부에 배터리 셀(미도시)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 배터리 하우징(100)은 복합소재(110)에 절곡부(120)가 형성될 수 있다. 절곡부(120)는 복합소재(110)를 절단하지 않고 절곡 형성하여, 공정 축소에 따른 비용 절감이 가능하다.
절곡부(120)는 복합소재(110)의 일측에 형성될 수 있다. 절곡부(120)는 IR히터(10)의 가열에 의해 소정 정도 용융된 상태에서 절곡 후 냉각되어 형성될 수 있다. 바람직하게, IR히터(10)는 600 내지 1000℃로 발열되어, 절곡부(120)를 가열할 수 있다. 이때, IR히터(10)는 전체적으로 균일한 온도로 가열되어, 절곡부(120)가 균일하게 절곡되도록 할 수 있다. 바람직하게, IR히터(10)는 전체 길이의 온도 편차가 5℃ 이내로 형성되어, 절곡부(120)가 균일하게 절곡되어 미려한 표면을 갖도록 할 수 있다.
이와 관련하여, 도 5의 (a)는 IR히터(10)의 온도 편차가 5℃를 초과하는 경우 절곡부(120)의 실험예이고, 도 5의 (b)는 IR히터(10)의 온도 편차가 5℃ 이내인 경우 절곡부(120)의 실험예를 나타낸 것이다. 도 5의 (a)를 참조하면, IR히터(10)의 온도 편차가 큰 경우, 온도 별로 복합소재(110)의 변형량 및 수축률이 상이하여 절곡부(120)가 불균일한 표면으로 성형될 수 있다. 반면, 도 5의 (b)를 참조하면, IR히터(10)의 온도 편차가 적고 균일한 온도로 가열되는 경우, 복합소재(110)의 변형량 및 수축률이 일정하여 절곡부(120)가 균일한 표면으로 성형될 수 있다.
더욱 상세하게는, IR히터(10)가 배치된 절곡 트레이는 IR히터(10)를 기준으로 분리 및 회동 가능하게 형성되어, 절곡 트레이 상단에 복합소재(110)가 안착된 상태로 절곡부(120)가 성형될 수 있다. 도 5를 참조하여, 절곡부(120)의 성형 과정을 설명하면, 절곡 트레이 상단에 복합소재(110)가 안착된다. IR히터(10)가 발열되어 절곡부(120)를 형성하고자 하는 위치를 가열시킨다. 균일한 온도로 절곡부(120)가 가열되면, 절곡 트레이가 IR히터(10)를 기준으로 분리 후 일정한 각도로 회동된다. 복합소재(110)는 회동된 상태에서 냉각되어, 일정한 각도로 성형될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 복합소재의 실시예를 나타낸 표이다. 도 7은 도 6에 도시된 복합소재의 실시예로 진행한 구조 해석의 해석 조건을 나타낸 표이다. 도 8은 도 6에 도시된 복합소재의 실시예 별 해석 결과를 나타낸 표이다.
도 6 내지 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예들에 따른 배터리 하우징의 구조 해석 결과를 설명한다.
case1은 종래에 사용되는 알루미늄 재질로 형성된 두께 2t의 배터리 하우징이고, case2는 본 발명의 실시예에 따른 복합소재(110)로 형성된 두께 3t의 배터리 하우징(100)이고, case3은 본 발명의 실시예에 따른 복합소재(110)로 형성된 두께 2.5t의 배터리 하우징(100)이고, case4는 본 발명의 실시예에 따른 복합소재(110)로 형성된 두께 2t의 배터리 하우징(100)이다.
위와 같은 배터리 하우징(100)의 구조 해석 조건은 상부에 형성된 두 개의 개구부가 x, y, z축 모두 고정되도록 경계조건을 형성하고, 38kgf의 하중조건으로 배터리 하우징(100)의 최대 변형량(mm)을 측정하였다. 측정 결과, 종래 사용되는 알루미늄 2t로 형성된 배터리 하우징인 case1의 최대 변형량이 0.398mm이고, 본 실시예의 복합소재(110) 3t로 형성된 배터리 하우징인 case2의 최대 변형량이 0.387mm로 유사한 결과값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 복합소재(110)는 3t의 두께로 배터리 하우징(100)을 형성하였을 때 종래 알루미늄으로 형성된 배터리 하우징과 유사한 강성을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 하우징(100)은 종래의 금속 소재에 비해 경량화 된 복합소재(110)를 사용하여 차량의 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 복합소재(110)는 강성, 차폐효과 및 난연성을 가져 사용상의 안전성을 가질 수 있다. 상세하게는, 본 실시예의 복합소재(110)는 유리 섬유 및 탄소 섬유가 일 방향으로 배열되고, 베이스 레진에 탄소 나노 복합재가 포함되어 차폐효과가 더욱 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 하우징(100)은 열을 이용하여 절곡부(120)를 형성함으로써 배터리 하우징(100)의 중량 감소 및 제조 공정 축소에 따른 원가 절감의 효과가 있다. 상세하게는, 베이스 레진에 인계 난연제가 포함된 PC를 사용하는 경우, 배터리 하우징(100)은 난연제를 도장하는 공정 없이 성형, 홀 가공 및 조립의 세 공정으로 제작되어 제조 공정이 더욱 단순화될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: IR히터
100: 배터리 하우징 110: 복합소재
111: 강도강화층 112: 차폐강화층
113: 난연층 120: 절곡부

Claims (7)

  1. 전부 또는 일부가 G-CFT(Glass Fiber- Continuous Fiber Thermoplastic)로 형성되고, 두께는 3mm로 형성되는 복합소재(110); 및
    상기 복합소재(110)의 일측이 열에 의해 절곡 형성되는 절곡부(120);를 포함하고,
    상기 복합소재(110)는,
    일 방향의 제1 연속섬유의 배열을 가지는 제1 ud-프리프레그로 이루어지고, 상기 제1 연속섬유는 유리 섬유인 강도강화층(111);
    일 방향의 제2 연속섬유의 배열을 가지는 제2 ud-프리프레그로 이루어지고, 상기 제2 연속섬유는 탄소 섬유인 차폐강화층(112);을 포함하고,
    상기 차폐강화층(112)의 상부 및 하부에는 상기 강도강화층(111)이 각각 배치되고,
    상기 강도강화층(111)은,
    배터리 하우징(100)의 내부 면 및 외부 면에 각각 배치되어, 상기 배터리하우징(100)을 물리적인 충격으로부터 보호하고,
    상기 강도강화층(111) 및 상기 차폐강화층(112)은,
    전부 또는 일부에 베이스 레진(base resin)으로 PA6(polyamide) 또는 PC(polycarbonate) 중 하나 이상이 함침되고,
    상기 베이스 레진(base resin)은,
    CNT(Carbon nanotube), 풀러렌(Fullerene), 그래핀(graphene) 및 전도성 나노 카본블랙 중 하나 이상이 포함된 탄소 나노 복합재가 3%의 비율로 포함되고,
    상기 절곡부(120)는,
    IR히터(10)가 상기 복합소재(110)를 600 내지 1000℃로 가열하고, 상기 복합소재(110)가 상기 IR히터(10)의 가열에 의해 소정 정도 용융된 상태에서 절곡 후 냉각되는 과정을 거쳐 형성되며, 상기 IR히터(10)가 전체적으로 균일한 온도로 가열하고, 상기 IR히터(10)의 온도 편차는 5℃ 이내로 형성되어, 미려한 표면을 갖고,
    상기 IR히터(10)가 배치된 절곡 트레이는,
    상기 IR히터(10)를 기준으로 분리 및 회동 가능하게 형성되고, 상단에 상기 복합소재(110)가 안착된 후, 상기 IR히터(10)가 가열되며, 상기 절곡 트레이의 회동에 의해 상기 절곡부(120)를 형성하는, 배터리 하우징.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합소재(110)는,
    상기 강도강화층(111)의 상기 차폐강화층(112)이 배치되지 않는 외측면에 배치되고, 난연제로 도장된 난연층(113);을 더 포함하는, 배터리 하우징.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 ud-프리프레그는,
    상기 유리 섬유가 제1방향으로 배열된 제1 GF층; 및
    상기 유리 섬유가 상기 제1방향과 수직한 제2방향으로 배열된 제2 GF층;이 적층 배열된, 배터리 하우징.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 ud-프리프레그는,
    상기 탄소 섬유가 제1방향으로 배열된 제1 CF층; 및
    상기 탄소 섬유가 상기 제1방향과 수직한 제2방향으로 배열된 제2 CF층;이 적층 배열된, 배터리 하우징.
  7. 삭제
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