KR20170079052A - 배터리 고정 프레임 조립체 및 이를 적용한 차량 - Google Patents

배터리 고정 프레임 조립체 및 이를 적용한 차량 Download PDF

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KR20170079052A
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정승룡
류재연
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유호춘
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에이치엘그린파워 주식회사
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Abstract

본 발명은 배터리 고정 조립체에 관한 것으로서, 더 상세하게는 차량의 트렁크 용량을 확대하기 위해 배터리 팩이 차량 후방인 스페어 타이어 공간에 장착되더라도 후방 충돌에 의한 외부 충격 흡수 에너지를 완화하기 위한 배터리 고정 프레임 조립체 및 이를 적용한 차량에 대한 것이다.

Description

배터리 고정 프레임 조립체 및 이를 적용한 차량{Battery fixing frame assembly and Vehicle having the same}
본 발명은 배터리 고정 조립체에 관한 것으로서, 더 상세하게는 차량의 트렁크 용량을 확대하기 위해 배터리 팩이 차량 후방인 스페어 타이어 공간에 장착되더라도 후방 충돌에 의한 외부 충격 흡수 에너지를 완화하기 위한 배터리 고정 프레임 조립체 및 이를 적용한 차량에 대한 것이다.
친환경 차량에 장착되는 배터리는 전기 구동 모터에 고용량, 고출력의 전기에너지 공급을 위해 별도의 배터리 팩을 구성하여 장착한다. 이 배터리 팩은 탑승객을 위한 실내 공간을 침해하지 않기 위하여 보통 후방 좌석 뒤 트렁크 내부에 장착된다. 이를 보여주는 도면이 도 1에 도시된다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(130)이 차량(110)의 후방시트 뒤 트렁크(120) 내부에 장착된다. 이 경우, 트렁크 러기지 보드상에 배터리 팩(130)이 조립되면서 트렁크(120)의 일부 공간을 차지한다. 따라서, 트렁크 용량의 축소될 수밖에 없는 단점을 동반한다.
또한, 배터리 팩(130)이 트렁크 내부 또는 후방 좌석 뒤에 장착될 경우 박스형상의 배터리를 단순 적재하여 하드웨어 체결로만 조립이 가능하였다. 그러나 스페어 타이어가 장착되는 공간은 트렁크 러기지 보드 아래에 위치하며 아래쪽으로 갈수록 공간이 좁아지는 형상이다. 이러한 공간에 배터리 팩을 장착하는 경우, 차량 충돌시 충격량 전달이 미미하여 충격량 흡수를 위한 설계 요구가 낮았다.
그러나 트렁크 공간의 상품성 증대를 위해 배터리 팩이 스페어 타이어 공간에 장착될 경우 차량 배터리의 장착위치가 차량 후방에 가까워지는 문제가 발생한다.
만약 이러한 상황에서 후방 충돌에 의한 충격 에너지가 배터리 팩 내부까지 전달될 경우 화재로 이어질 수 있는 가능성이 높아져 충돌에 따른 에너지 흡수가 가능한 배터리 프레임 구조가 요구되고 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2009-0049133호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 후방 충돌에 의한 외부 충격 흡수 에너지를 완화하기 위한 배터리 고정 프레임 조립체 및 이를 적용한 차량을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 차량의 트렁크 용량을 확대하면서 배터리 팩의 용량을 증대시키는 배터리 고정 프레임 조립체를 제공할 수 있다.
상기 배터리 고정 프레임 조립체(300)는,
제 1 일정 간격(401)으로 배치되는 다수의 사이드 멤버(311,312); 및
상기 다수의 사이드 멤버(311,312)에 제 2 일정 간격(402)으로 조립되는 다수의 크로스 멤버(321,322,323);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 제 1 일정 간격(401)과 제 2 일정 간격(402)에 의해 형성되는 배터리 셀 장착 구간(420) 및 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적은 상기 배터리 셀 장착 구간(420)의 면적의 2배가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적은 상기 다수의 사이드 멤버(311,312)의 길이와 상기 다수의 크로스 멤버(321,322,323)의 길이를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 사이드 멤버(311,312)는 일자 형상의 하판(510)과 플랜지 형상의 상판(520)이 프레임 용접에 의해 용접되고, 상기 크로스 멤버(321,322,323)는 일자 형상의 하판(610)과 플랜지 형상의 상판(620)이 프레임 용접에 의해 용접되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 플랜지 형상의 상판(520) 및 상기 일자 형상의 하판(610)은 좌굴 하중에 대한 저항성을 증대시키기 위해 양단이 올라간 형상이 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 사이드 멤버(311,312)의 양단에 보강 증대를 위해 한 쌍의 브라켓(331,332)이 조립되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 크로스 멤버(321,322,323)의 일단의 길이는 상기 배터리 모듈을 고정하는 고정 기구 보강판(730)의 말단까지 연장되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 사이드 멤버(311,312)와 상기 다수의 크로스 멤버(321,322,323)는 격자 형상으로 조립되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 트렁크 공간(220)이 형성되는 차량으로서, 위에서 기술되는 배터리 고정 조립체(300); 및 상기 배터리 고정 조립체(300)에 장착되어 고정되는 배터리 팩(230);을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량을 제공할 수 있다.
이때, 상기 배터리 고정 조립체(300)가 상기 차량의 후방에 있는 스페어 타이어 웰에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 후방 충돌에 의한 외부 충격 흡수 에너지를 완화할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 공간 집적화를 통한 조립성 향상 및/또는 구조적 효율 증대가 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적으로 후방 시트뒤 트렁크 내부에 배터리 팩이 장착되는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩을 스페어 타이어 공간에 장착하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 고정 프레임 조립체(300)의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 고정 프레임 조립체(300)중 사이드 멤버(311 및 312)와 크로스 멤버(321 내지 323)의 배치에 따른 배터리 셀 장착 구간(420)과 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적비를 보여주는 개념도이다.
도 5는 도 3에 도시된 크로스 멤버(321 내지 323)를 I-I'축으로 절개한 단면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 사이드 멤버(311 및 312)를 Ⅱ-Ⅱ'축으로 절개한 단면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 크로스 멤버(321 내지 323)가 기존의 크로스 멤버의 길이보다 연장된 상태를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 따른 실험 결과를 보여주는 실험 결과 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 고정 프레임 조립체를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 팩을 스페어 타이어 공간에 장착하는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 차량(21)의 후방에 트렁크 공간(220)이 형성되고, 트렁크 공간(220)의 후방쪽 하단에 스페어 타이어 공간을 위한 스페어 타이어 웰이 형성된다. 이 스페어 타이어 웰에 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 고정 조립체(미도시)가 체결 고정된다. 이 배터리 고정 조립체를 통해 배터리 팩(230)이 장착 고정된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배터리 고정 프레임 조립체(300)의 사시도이다. 도 3을 참조하면, 배터리 고정 프레임 조립체(300)는, 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)가 일정 간격으로 배치되고, 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)가 일정 간격을 두고 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)와 조립된다. 또한, 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)의 양단에 보강 증대를 위해 제 1 및 제 2 브라켓(331,332)이 조립된다.
이들 제 1 및 제 2 브라켓(331,332)은 크로스 멤버(321,322,323) 전, 후방을 강건하게 고정하여 후방에서 전달되는 하중에 대하여 저항을 증대시키며 또한 배터리 팩을 차량에 장착할 때 조립설비에 대한 가이드 역할을 수행한다.
특히, 다수의 사이드 멤버(311,312)와 상기 다수의 크로스 멤버(321,322,323)는 격자 형상(즉 "井"자 형상)으로 조립되는 것을 특징으로 할 수 있다. 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)와 상기 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)의 조립은 볼팅, 용접 등을 이용하여 이루어질 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)의 내측에는 중공(312-1)이 형성되며, 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)의 내측에도 중공(321-1)이 형성된다.
또한, 프레임 조립체(300)를 스페어 타이어 웰에 체결 고정하기 위해 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)의 양단에 사이드 멤버 체결홀(312-2)이 형성되며, 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)의 일단에 크로스 멤버 체결홀(321-2)이 형성된다.
도 4는 도 3에 도시된 배터리 고정 프레임 조립체(300)중 사이드 멤버(311 및 312)와 크로스 멤버(321 내지 323)의 배치에 따른 배터리 셀 장착 구간(420)과 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적비를 보여주는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)는 제 1 일정 간격(401)으로 배치되고, 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)는 제 2 일정 간격(402)으로 배치된다.
이러한 제 1 일정 간격(401)과 제 2 일정 간격(402)에 의해 배터리 팩(230)을 구성하는 배터리 셀을 장착하기 위한 배터리 셀 장착 구간(420)과 차량의 후방 충돌시 외부 충격 에너지를 흡수하기 위한 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)이 형성된다.
배터리 셀(미도시)은 원통형 셀(cylindrical cell), 각형 셀(prismatic cell), 파우치형 셀 등으로 설계될 수 있다. 파우치형 셀들은 박막으로 구성된 유연한 커버를 포함하고, 상기 커버 내에는 배터리 셀의 전기적 구성 요소들이 배치되어 있다.
하나의 배터리 셀 내에서 최적의 공간 이용을 구현하기 위해서는 특히 파우치형 셀들이 사용된다. 상기 파우치형 셀들은 또한 높은 용량과 더불어 적은 중량을 특징으로 한다. 이러한 전술한 파우치형 셀들의 에지들은 조인트(sealing joint)(미도시)을 포함한다. 부연하면, 상기 조인트는 배터리 셀들의 2개의 박막을 연결하고, 상기 박막들은 그로 인해 형성된 공동부 내에 추가의 부품들을 포함한다.
일반적으로, 파우치형 셀들은 리튬 2차 배터리 또는 니켈-수소 배터리(Nickel-hydrogen battery)등과 같이, 전해질 용액(electrolytic solution)을 내포할 수도 있다. 또한, 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 전기 차량용 고전압 배터리가 될 수 있다.
일반적으로 고전압 배터리는 차량을 움직이는 동력원으로 사용하는 배터리로서 100V 이상의 고전압을 말한다. 그러나, 이에 한정되지는 않으며, 저전압 배터리도 가능하다. 또한, 이들 다수의 배터리 셀이 직렬로 (+),(-)단자의 리드 용접으로 연결된다.
차량의 예로서는 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle), 저속 전기 자동차(NEV: Neighborhood Electric Vehicle), 연료 전지 자동차(FCV: Fuel-Cell Vehicle) 등을 들 수 있다.
도 4를 계속 참조하면, 이때, 상기 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적(X)은 상기 배터리 셀 장착 구간(420)의 면적의 2배(2X)가 되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 상기 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적은 상기 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)의 길이와 상기 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)의 길이를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 배터리 셀 장착 구간(420)의 면적은 상기 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)를 중심축으로 하는 간격의 길이와 상기 제 1 및 제 3 크로스 멤버(321,323)를 중심축으로 하는 간격의 길이를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 크로스 멤버(321 내지 323)를 I-I'축으로 절개한 단면도이고, 도 6은 도 3에 도시된 사이드 멤버(311 및 312)를 Ⅱ-Ⅱ'축으로 절개한 단면도이다. 먼저 도 5를 참조하면, 상기 제 1 및 제 2 사이드 멤버(311,312)는 일자 형상의 하판(510)과 플랜지 형상의 상판(520)이 프레임 용접에 의해 용접되어 형성된다. 즉, 일자 형상의 하판(510)의 표면상에 플랜지 형상의 상판(520)을 위치시켜 플랜지 부위와 이에 맞닿는 하판(510)의 부위를 프레임 용접을 통해 접합한다.
또한, 도 5와 유사하게, 도 6의 경우에도, 제 1 내지 제 3 크로스 멤버(321,322,323)는 일자 형상의 하판(610)과 플랜지 형상의 상판(620)이 프레임 용접에 의해 용접되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 플랜지 형상의 상판(520) 및 상기 일자 형상의 하판(610)은 좌굴 하중에 대한 저항성을 증대시키기 위해 양단이 올라간 형상이 되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이는 단면의 2차 모멘트 값이 각관 방식의 멤버와 동일한 값을 유지시켜 후방에서 전달되는 하중에 대한 동일한 저항을 유지하면서도 중량을 저감할 수 있는 효과가 있다. 일반적으로 단면 2차 모멘트(즉 관성 모멘트)는 기준축에 따라 달라지는 보의 기하학적 특성을 나타내며, 기준축이 도심을 지날때 단면 2차 모멘트의 크기가 가장 작다.
도 7은 도 3에 도시된 크로스 멤버(321 내지 323)가 기존의 크로스 멤버의 길이보다 연장된 상태를 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 좌측 도면(701)을 일반적인 크로스 멤버의 길이이고, 우측 도면(702)은 본 발명의 일실시예에 따른 크로스 멤버의 길이이다.
부연하면, 제 1 및 3 크로스 멤버(321,322,323)의 일단의 길이는 상기 배터리 모듈을 고정하는 고정 기구 보강판(730)의 말단까지 연장된다. 부연하면, 제 1 내지 3 크로스 멤버(321,322,323)의 말단이 일정 길이(710) 만큼 연장된다. 즉, 제 1 내지 3 크로스 멤버(321,322,323)의 말단이 고정 기구 보강판(730)의 말단과 길이가 일치한다. 따라서, 외부 충격시(즉, 후방 충돌시), 제 1 내지 3 크로스 멤버(321,322,323)와 고정 기구 보강판(730)이 함께 충격을 흡수하는 형태이다.
도 8은 도 7에 따른 실험 결과를 보여주는 실험 결과 그래프이다. 도 8을 참조하면, 좌측 상단 그래프는 일반적인 흡수 에너지 분포도이고 우측 상단 그래프는 본 발명의 일실시예에 따른 흡수 에너지 분포도이다. 또한, 좌측 하단 그래프는 내부 에너지(internal energy)의 비교 그래프이고, 우측 하단 그래프는 저항력의 비교 그래프이다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 우측 그래프에서 저항력이 증대됨을 볼 수 있다.
300: 배터리 고정 프레임 조립체
311,312: 제 1 및 제 2 사이드 멤버
321,322,323: 제 1 내지 제 3 크로스 멤버
331,332: 제 1 및 제 2 브라켓
410: 외부 충격 에너지 흡수 구간
420: 배터리 셀 장착 구간
510,610: 하판
520,620: 상판

Claims (10)

  1. 제 1 일정 간격(401)으로 배치되는 다수의 사이드 멤버(311,312); 및
    상기 다수의 사이드 멤버(311,312)에 제 2 일정 간격(402)으로 조립되는 다수의 크로스 멤버(321,322,323);를 포함하며,
    상기 제 1 일정 간격(401)과 제 2 일정 간격(402)에 의해 형성되는 배터리 셀 장착 구간(420) 및 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적은 상기 배터리 셀 장착 구간(420)의 면적의 2배가 되는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외부 충격 에너지 흡수 구간(410)의 면적은 상기 다수의 사이드 멤버(311,312)의 길이와 상기 다수의 크로스 멤버(321,322,323)의 길이를 곱하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 사이드 멤버(311,312)는 일자 형상의 하판(510)과 플랜지 형상의 상판(520)이 프레임 용접에 의해 용접되고, 상기 크로스 멤버(321,322,323)는 일자 형상의 하판(610)과 플랜지 형상의 상판(620)이 프레임 용접에 의해 용접되는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플랜지 형상의 상판(520) 및 상기 일자 형상의 하판(610)은 좌굴 하중에 대한 저항성을 증대시키기 위해 양단이 올라간 형상이 되는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 사이드 멤버(311,312)의 양단에 보강 증대를 위해 한 쌍의 브라켓(331,332)이 조립되는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 크로스 멤버(321,322,323)의 일단의 길이는 상기 배터리 모듈을 고정하는 고정 기구 보강판(730)의 말단까지 연장되는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 사이드 멤버(311,312)와 상기 다수의 크로스 멤버(321,322,323)는 격자 형상으로 조립되는 것을 특징으로 하는 배터리 고정 프레임 조립체.
  9. 트렁크 공간(220)이 형성되는 차량에 있어서,
    제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 배터리 고정 조립체(300); 및
    상기 배터리 고정 조립체(300)에 장착되어 고정되는 배터리 팩(230);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리 고정 조립체(300)가 상기 차량의 후방에 있는 스페어 타이어 웰에 설치되는 것을 특징으로 하는 차량.
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