KR20220082590A - 배터리 팩 제조 방법 - Google Patents

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KR20220082590A KR1020200172633A KR20200172633A KR20220082590A KR 20220082590 A KR20220082590 A KR 20220082590A KR 1020200172633 A KR1020200172633 A KR 1020200172633A KR 20200172633 A KR20200172633 A KR 20200172633A KR 20220082590 A KR20220082590 A KR 20220082590A
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이영오
이재원
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Abstract

배터리 모듈이 안착되는 안착면을 갖는 상판과 상기 상판의 안착면을 복수의 영역으로 구분하는 복수의 멤버를 갖는 배터리 팩의 제조 방법에 있어서, 상기 복수의 영역 별로 안착면의 높이 공차를 산출하는 단계; 상기 복수의 영역 별 높이 공차에 기반하여 상기 복수의 영역 별 갭필러 도포량을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 갭필러 도포량으로 상기 복수의 영역 별 안착면 상에 갭필러를 도포하는 단계를 포함하는 배터리 팩 제조 방법이 개시된다.

Description

배터리 팩 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 모듈과 배터리 모듈이 안착되는 하부 케이스 사이에 도포되는 갭필러의 양을 최적화 할 수 있는 배터리 팩 제조 방법에 관한 것이다.
세계적인 이산화탄소 배출량 저감 추세에 따라 화석 연료의 연소로 동력을 생성하는 전형적인 내연 기관 자동차 대신 배터리에 저장된 전기 에너지로 모터를 구동하여 동력을 생성하는 전기 자동차에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.
전기 자동차의 성능은 구동 모터로 제공하기 위한 전기 에너지를 저장하는 배터리의 용량과 성능에 크게 의존적이다. 또한, 차량이라는 한정된 공간에 최대한 큰 용량의 배터리를 설치하기 위해, 다양한 배터리 레이아웃이 개발되고 있으며 배터리의 경량화 및 소형화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
최근 전기 자동차용 배터리는 일정 개수의 배터리 셀을 포함하는 모듈을 제작하고 이 모듈을 복수개 케이싱하여 하나의 배터리 팩을 구현하는 방식으로 개발되고 있다. 이러한 배터리 팩의 구조에서 배터리 모듈은 발생하는 열을 효율적으로 배터리 케이스로 전달하여 배출되게 하기 위해 열계면 물질(Thermal Interface Material: TIM)로 이루어지는 갭필러를 개재하여 배터리 케이스에 안착된다.
그러나, 이러한 갭필러는 배터리 모듈이 안착되는 케이스의 안착면의 높이 편차로 인해, 케이스 안착면과 배터리 모듈 사이에 도포되지 못하는 구간이 발생하거나 과도하게 많은 양이 도포된 구간 등이 발생하게 된다. 이에 따라 배터리 모듈의 열 배출 성능 저하로 인해 배터리 내구의 저하 및 배터리의 소손 등과 같은 문제가 발생할 수 있다.
상기 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2019-0124368 A KR 10-2012-0062260 A
이에 본 발명은, 배터리 모듈과 배터리 모듈이 안착되는 하부 케이스 사이에 도포되는 갭필러의 양을 최적화 할 수 있는 배터리 팩 제조 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리 모듈이 안착되는 안착면을 갖는 상판과 상기 상판의 안착면을 복수의 영역으로 구분하는 복수의 멤버를 갖는 배터리 팩의 제조 방법에 있어서,
상기 복수의 영역 별로 안착면의 높이 공차를 산출하는 단계;
상기 복수의 영역 별 높이 공차에 기반하여 상기 복수의 영역 별 갭필러 도포량을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 갭필러 도포량으로 상기 복수의 영역 별 안착면 상에 갭필러를 도포하는 단계;
를 포함하는 배터리 팩 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 산출하는 단계는, 상기 복수의 멤버들 중 해당 영역을 형성하는 멤버의 상단 높이를 기준으로 한 해당 영역의 안착면 상 복수의 포인트까지의 수직 거리의 공차를 상기 안착면의 높이의 공차로 산출하는 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 상단 높이가 기준이 되는 멤버는 해당 분할 영역에 안착되는 배터리 모듈이 고정되는 멤버일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 영역별 안착면의 높이의 공차에 따른 갭필러 도포량은 사전에 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 영역별 안착면의 높이의 공차에 따른 갭필러 도포량은, 사전 설정된 기준 도포량에 기준 높이 보다 낮은 안착면의 공차에 대응되는 추가 도포량을 합산하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 추가 도포량은 갭필러의 높이를 0.5 mm 만큼 상승시킬 수 있는 양을 단위로 하며, 상기 추가 도포량의 최대값은 갭필러의 높이를 1.5 mm 만큼 상승시킬 수 있는 양에 해당할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 영역 별 갭필러 도포량은, 상기 배터리 셀과 상기 안착면 사이의 간극, 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 제작 산포, 상기 배터리 셀의 적층 시 배터리 셀의 정렬에 따른 산포, 상기 배터리 모듈이 상기 멤버에 고정될 때 발생하는 조립 산포 중 적어도 하나와 상기 영역별 안착면의 높이의 공차를 기반으로 결정될 수 잇다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 도포하는 단계 이후, 상기 복수의 영역 별로 도포된 갭필러 상면의 높이 공차를 산출하고 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩 제조 방법에 따르면, 안착면 전체에 대한 공차를 구하여 갭필러의 도포량을 결정하는 방식에 비해 공차에 따른 갭필러 도포량을 상대적으로 더욱 감소시킬 수 있어 배터리 팩을 제조하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩 제조 방법이 적용되는 배터리 팩의 하부 케이스를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 분할 영역 내 배터리 모듈이 배치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 B-B' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 갭필러 도포 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시형태에 따른 배터리 팩 제조 방법을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩 제조 방법이 적용되는 배터리 팩의 하부 케이스를 도시한 사시도이다. 도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 팩의 하부 케이스(10)는, 배터리 모듈이 안착되는 안착면을 형성하는 상판(11)과, 상판(11) 상에 안착면을 복수의 영역(S1 내지 S8)으로 분할하는 복수의 멤버(12, 13) 및 상판(11)의 테두리에 배치되는 측벽(14)을 더 포함할 수 있다.
상판(11)은 하부 케이스(10)의 바닥면을 형성하는 부재로서, 상판(11)의 상면은 배터리 모듈이 안착하여 배치되는 안착면을 제공할 수 있다. 상판(11)의 테두리에는 상판(11) 상면에 공간을 형성하는 측벽(14)이 접합될 수 있다. 또한, 상판(11)의 상면에는 복수의 멤버(12, 13)가 설치될 수 있다.
복수의 멤버(12, 13)은 하부 케이스(10)의 횡방향으로 배치되는 복수의 횡멤버(12)와 횡방향에 수직인 종방향으로 배치되는 종멤버(13)를 포함할 수 있다. 횡멤버(12)와 종멤버(13)는 케이스의 횡방향 및 종방향으로 강성을 부여하는 역할과 함께 하부 케이스(10)의 상판(11)을 복수의 영역(S1 내지 S8)으로 분할하는 역할을 할 수 있다.
상판(11)의 하면에는 냉각수가 흐르는 통로를 형성하는 냉각 채널(15)이 접합될 수 있으며 상판(11)의 하면과 냉각 채널(15)을 커버하여 보호할 수 있도록 상판(11) 하부에 하부 커버(16)가 배치될 수 있다.
하부 케이스(10)를 구성하는 각 요소들은 경량화를 위해 알루미늄 소재로 제작될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 분할 영역 내 배터리 모듈이 배치된 상태를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 B-B' 선을 따라 절개한 단면을 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 하부 케이스(10)의 상판(11) 상에 형성된 각 영역(S1 내지 S8)는 배터리 모듈(100)이 일정한 배치구조로 배치될 수 있다. 도 3에는 하나의 영역에 네 개의 배터리 모듈(100)이 배치된 예를 도시한다.
배터리 모듈(100)은 배터리 팩을 구성하는 일 단위의 구조물로 적층된 복수의 배터리 셀(110)을 포함할 수 있다. 배터리 셀(110)은 최소 단위의 전압을 출력하는 요소로서 다수의 배터리 셀을 상호 적층하고 배터리 셀의 적층 구조의 외부를 단단한 구조물로 압착한 후 외부와 배터리 셀 사이의 전기적 연결을 위한 단자를 형성한 구조물이 배터리 모듈(12)이다. 배터리 모듈(12)의 구체적인 형상이나 구조는 제조사 또는 적용 차량 마다 상이하게 제작될 수 있다. 배터리 팩(10)은 이러한 배터리 모듈(12)을 다수 개 포함하며 배터리 모듈(100)간 전기적 연결을 형성하여 원하는 크기의 전압을 출력하도록 최종적으로 제작한 구조일 수 있다.
배터리 모듈(100)의 양단은 각각 멤버(12)에 고정되며 배터리 모듈(100)의 하면은 하부 케이스(10)의 상판(11) 상면인 안착면에 면착될 수 있다. 배터리 모듈(100)을 안착시키기 이전에 안착면에 열계면 물질(TIM)인 갭필러(20)를 도포하여 배터리 모듈(100)의 하면과 안착면 사이의 직간접 접촉 영역을 증가시켜 배터리 셀(110)에서 방출되는 열이 안착면을 통해 냉각 채널로 더욱 용이하게 배출되게 할 수 있다.
본 발명은 이와 같이 배터리 모듈(100)과 배터리 모듈(100)이 안착되는 배터리 팩의 하부 케이스(10)의 안착면 사이에 도포되는 갭필러의 도포 방법에 관한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 갭필러 도포 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 갭필러 도포 방법은, 배터리 팩 하부 케이스(100)의 배터리 모듈 안착면에 형성된 영역 별로 안착면의 높이 공차를 산출하는 단계(S11)와, 영역 별 높이 공차에 따른 영역 별 갭필러 도포량을 결정하는 단계(S12) 및 결정된 갭필러 도포량으로 각 영역별로 갭필러를 도포하는 단계(S13)를 포함하여 구성될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 갭필러 도포 방법은, 영역 별 갭필러 도포 후 각 영역별로 갭필러가 도포된 상태에서의 높이 공차를 산출하고 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다(S14).
단계(S11)에서는, 전술한 것과 같은 배터리 팩 하부 케이스(10)에서 횡멤버(12)와 종멤버(13)에 의해 형성된 분할 영역 별로 배터리 모듈(100)이 안착되는 안착면(즉, 상판(11)의 상면)의 높이 공차를 산출할 수 있다.
높이의 공차는 각 영역을 형성하는 횡멤버(12) 또는 종멤버(13)의 상단의 높이를 기준(R)으로 하여 안착면까지의 수직 거리를 구하고 구한 수직 거리의 공차를 연산하는 방식으로 도출될 수 있다. 수직 높이는 당 기술분야에 알려진 삼차원 변위 센서를 이용하여 구할 수 있다. 변위 센서는 각 분할 영역 내 안착면 내 일정 간격을 갖는 다수의 포인트 별로 횡멤버(12) 또는 종멤버(13)의 상단의 높이(R)와 안착면까지의 거리(E)를 계측하고, 각 포인트 별로 계측된 높이의 공차를 연산할 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태는 배터리 모듈(100)의 하면과 안착면 사이에 적정하게 갭필러를 도포하고자 하는 것이므로, 단계(S11)에서 배터리 모듈(100)이 고정되는 멤버(도 1 내지 도 4의 예에서는 횡 멤버(12))의 상단의 높이를 기준으로 하여 거리를 측정하고 공차를 도출하는 것이 더 바람직하다.
이어, 단계(S12)에서는 단계(S11)에서 측정된 공차를 기반으로 각 분할 영역 별 갭필러 도포량을 결정할 수 있다. 분할 영역별 안착면 높이 공차를 기반으로 하는 갭필러 도포량은 사전에 실험적인 방법을 통해 사전에 결정될 수 있다.
예를 들어, 갭필러의 도포량은 각 분할 영역에 도포된 갭필러의 높이로 표현될 수 있으며, 단계(S11)에서 측정된 공차가 안착면이 하부로 처진 상태를 나타내는 값인 경우 갭필러의 높이를 증가시키는 단위로 갭필러의 도포량이 결정될 수 있다.
다음의 표 1은 공차와 갭필러 도포량의 관계의 예를 나타낸 것으로, 도 1에 도시된 것과 같은 8 개의 분할 영역 별로 측정된 공차와 갭필러의 도포량 결정예를 나타낸 것이다.
제1 분할영역(S1) 제2 분할 영역(S2) 제3 분할 영역(S3) 제4 분할 영역(S4)
0.52 0.47 0.56 0.54 0.37 0.56 0.31 0.51
0.84 0.79 0.19 0.54 0.37 0.15 0.29 0.1
0.03 0.27 -0.25 0.05 -0.12 -0.38 0.26 0.13
도포량 추가 없음 0.5 mm 도포량 추가 0.5 mm 도포량 추가 도포량 추가 없음
제5 분할영역(S5) 제6 분할 영역(S6) 제7 분할 영역(S7) 제8 분할 영역(S8)
-0.84 -0.12 -0.17 0.29 -0.02 -0.61 0.07 -0.41
0.04 0.21 0.14 0.06 0.43 0.04 -0.18 -0.23
0.24 0.21 0.8 0.14 0.53 0.72 0.25 0.72
1 mm 도포량 추가 0.5 mm 도포량 추가 1 mm 도포량 추가 0.5 mm 도포량 추가
상기 표 1에 나타난 것과 같이, 단계(S12)에서는 단계(S11)에서 측정된 공차를 기반으로 각 분할 영역 별 갭필러 도포량을 결정하는데 있어서, 사전 설정된 기준 도포량에 분할 영역 내 각 포인트에서 측정된 공차가 음의 값, 즉 기준 높이 보다 더 하부로 처져 있는 상태인 경우에 그 공차의 크기에 따라 기준 도포량에서 더 추가되는 도포량이 결정될 수 있다.
추가되는 도포량은 0.5 mm 단위로 갭필러가 도포된 높이를 상승시킬 수 있도록 결정될 수 있으며, 갭필러의 기준 도포량을 도포 했을 때 갭필러가 도포된 높이 보다 대략 최대 1.5 mm 더 높게 갭필러가 도포될 수 있는 양이 추가될 수 있다. 갭필러를 기준양을 도포 했을 때보다 1.5 mm 보다 더 두껍게 도포 되도록 증량해야 하는 경우는 안착면 자체의 제조에 불량이 발생하여 안착면 공차가 과도하게 발생한 것으로 간주하는 것이 타당하다.
한편, 갭필러 도포량을 조정하는데 있어 고려하여야 하는 다른 요소들을 측정된 공차와 함께 고려하여 각 분할 영역별 갭필러 도포량을 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 것과 같이, 적층된 배터리 셀(110)이 하부로 노출되는 배터리 모듈(100)의 경우, 배터리 셀(110)과 하부 케이스의 안착면 사이의 간극, 배터리 셀(110) 자체의 제작 산포, 배터리 셀(110)의 적층 시 배터리 셀(110)의 정렬이 어긋남에 의한 산포, 배터리 모듈(100)이 멤버(12)에 고정될 때 발생하는 조립 산포 등이 하부 케이스 안착면의 높이 공차와 함께 갭필러 도포량을 결정하는데 고려될 수 있다.
단계(S12)의 갭필러 도포량 결정은 사전에 갭필러 도포량을 결정하기 위한 상술한 인자들에 따른 갭필러 도포량을 연산할 수 있는 알고리즘이나 프로그램이 설치된 컴퓨터 장치나 컨트롤러 등에 의해 수행될 수 있다.
이어, 단계(S13)은 각 분할 영역 별로 결정된 갭필러 도포량으로 갭필러를 도포할 수 있다. 단계(S13)은 갭필러 도포 설비를 통해 구현될 수 있다.
이어, 단계(S14)에서는 갭필러 도포 이후 갭필러가 도포된 상태에서 다시 단계(S11)에서 적용한 멤버(12)의 상단의 높이를 기준으로 안착면까지의 거리의 공차를 도출하는 과정을 수행하고 그 결과를 저장할 수 있다. 단계(S14)에서는 멤버(12)의 상단의 높이에서 도포된 갭필러의 상면까지의 거리를 계측하고 이를 이용하여 공차를 계산하고 저장하게 된다. 이와 같이 갭필러가 도포된 이후 공차 갭필러 표면까지의 공차를 저장해 둠으로써 차후 갭필러 도포 이후의 거리 공차를 조정할 수 있도록 갭필러의 도포량을 다시 설정하는 등 갭필러 도포 공정을 더욱 개선하는데 활용할 수 있다.
단계(S14)에서 도포된 갭필러 상면의 높이 공차를 계측하는 것은 단계(S11)에서 적용된 삼차원 변위 센서를 이용하여 수행될 수 있으며, 컴퓨터 장치 내 저장 장치에 갭필러 상면 높이 공차를 저장할 수 있다.
이어, 별도로 도시하지는 않았지만 배터리 모듈을 갭필러가 도포된 안착면 상에 안착시키는 공정을 수행하여 배터리 팩 제조를 계속할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 각 영역별로 배터리 모듈이 안착되는 배터리 하부 케이스의 안착면의 높이 공차를 구하고 그에 따라 영역별로 갭필러의 도포량을 결정할 수 있다. 이러한 방식은, 분할 영역별로 바닥면 공차를 고려하여 갭필러 도포량을 결정하므로 해당 분할 영역의 공차를 상쇄할 수 있을 정도로만 갭필러 도포량이 결정될 수 있다. 따라서, 안착면 전체에 대한 공차를 구하여 갭필러의 도포량을 결정하는 방식에 비해 본 발명의 여러 실시형태에 따른 갭필러 도포 방식은 공차에 따른 갭필러 도포량을 상대적으로 더욱 감소시킬 수 있어 배터리 팩을 제조하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 배터리 팩 하부 케이스 11: 하부 케이스 상판
12: 배터리 모듈 13: 셀 관리 유닛
12: 횡 멤버 13: 종 멤버
15: 냉각 채널 16: 하부 커버
100: 배터리 모듈 110: 배터리 셀
S1 내지 S8: 분할 영역

Claims (8)

  1. 배터리 모듈이 안착되는 안착면을 갖는 상판과 상기 상판의 안착면을 복수의 영역으로 구분하는 복수의 멤버를 갖는 배터리 팩의 제조 방법에 있어서,
    상기 복수의 영역 별로 안착면의 높이 공차를 산출하는 단계;
    상기 복수의 영역 별 높이 공차에 기반하여 상기 복수의 영역 별 갭필러 도포량을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 갭필러 도포량으로 상기 복수의 영역 별 안착면 상에 갭필러를 도포하는 단계;
    를 포함하는 배터리 팩 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산출하는 단계는, 상기 복수의 멤버들 중 해당 영역을 형성하는 멤버의 상단 높이를 기준으로 한 해당 영역의 안착면 상 복수의 포인트까지의 수직 거리의 공차를 상기 안착면의 높이의 공차로 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상단 높이가 기준이 되는 멤버는 해당 분할 영역에 안착되는 배터리 모듈이 고정되는 멤버인 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 영역별 안착면의 높이의 공차에 따른 갭필러 도포량은 사전에 결정된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 영역별 안착면의 높이의 공차에 따른 갭필러 도포량은, 사전 설정된 기준 도포량에 기준 높이 보다 낮은 안착면의 공차에 대응되는 추가 도포량을 합산하여 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 추가 도포량은 갭필러의 높이를 0.5 mm 만큼 상승시킬 수 있는 양을 단위로 하며, 상기 추가 도포량의 최대값은 갭필러의 높이를 1.5 mm 만큼 상승시킬 수 있는 양에 해당하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 영역 별 갭필러 도포량은, 상기 배터리 셀과 상기 안착면 사이의 간극, 상기 배터리 모듈을 구성하는 배터리 셀의 제작 산포, 상기 배터리 셀의 적층 시 배터리 셀의 정렬에 따른 산포, 상기 배터리 모듈이 상기 멤버에 고정될 때 발생하는 조립 산포 중 적어도 하나와 상기 영역별 안착면의 높이의 공차를 기반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 도포하는 단계 이후, 상기 복수의 영역 별로 도포된 갭필러 상면의 높이 공차를 산출하고 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 제조 방법.
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