KR20230044044A - 배터리 팩 하부케이스의 제조방법 - Google Patents

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김상우
이정완
박태훈
유정근
정경운
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한국재료연구원
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Abstract

금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체를 준비하는 단계; 연속섬유 프리폼을 준비하는 단계; 및 상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시킨 후, 경화 조성물을 사용하여 상기 케이스 몸체와 섬유재 프리폼을 일체화시키는 단계;를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법이 개시된다.

Description

배터리 팩 하부케이스의 제조방법{Method of manufacturing the battery pack lower case}
배터리 팩 하부케이스의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에 사용되는 배터리팩 케이스 어셈블리는 배터리팩, 배터리 매니지먼트 시스템, 브로워, 상부커버, 하부케이스, 구조 보강용 멤버 등으로 구성되어 있으며, 차체 하부에 장착된다.
상기 상부커버는 하중을 크게 필요로 하지 않으므로 일반적인 플라스틱 복합재 성형공법으로 제조 가능하고, 상기 하부케이스 및 구조 보강용 멤버류는 배터리 하중을 견디기 위해 금속 소재를 프레스 성형하여 제조하거나 금속 보강제가 인서트(Insert)된 플라스틱 복합재를 사용하여 성형된다.
배터리팩 하부케이스는 높은 강성과, 내충격성을 가지며, 난연성을 나타내어야 한다. 따라서, 이러한 특성을 확보하기 위하여 사용되는 금속 소재는 약 1 mm 이상의 두께로 적용하게 되고, 이는 배터리팩 케이스 총 중량을 증대시키는 문제를 가져온다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 경량화를 목적으로 금속 대신 탄소섬유 강화 플라스틱, 유리섬유 강화 플라스틱 등 고강도 폴리머 소재를 사용하여 견고하고 저밀도의 패터리팩 케이스를 제조하는 방법이 제안된다. 섬유강화 플라스틱(FRP)은 탄소섬유, 유리섬유, 아라미드섬유 등과 같은 섬유재와 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 결합하여 만들어진 복합 소재의 한 종류이다. FRP는 전기전자 분야의 인쇄회로기판, 휴대폰 케이스, IT 기기 케이스 등의 원료로 사용되고 있다. 또한 FRP는 경량화 추세에 적합한 재료적 특징을 가지고 있어서, 최근에는 자동차 분야, 스포츠 레저 분야와 여러 공업 부품에서 큰 관심을 받고 있는 소재이다.
그러나, 이러한 섬유강화 플라스틱은 금속 소재에 비해 여전히 부족한 구조강도, 강성 등을 나타내며, 난연 문제를 해결하기 위해 첨가제를 투입하는 등 다양한 방법이 요구되어 비용이 커지는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1315741호
이에, 본 발명자들은 배터리 팩 하부케이스의 경량화와 더불어, 금속 소재로 이루어진 하부케이스의 강성 및 내충격성을 확보하고 난연 문제도 해결 가능한 복합화된 배터리 팩 하부케이스를 제공하고자 하며, 이러한 배터리 팩 하부케이스를 간단한 공정으로 저비용으로 생산할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체를 준비하는 단계;
연속섬유 프리폼을 준비하는 단계; 및
상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시킨 후, 경화 조성물을 사용하여 상기 케이스 몸체와 섬유재 프리폼을 일체화시키는 단계;를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
상기의 제조방법으로 제조되어 금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체와 연속섬유 프리폼이 경화 조성물로 일체화된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 하부 케이스가 제공된다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상부커버;
상기의 하부케이스; 및
상기 하부케이스의 공간에 장착된 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법은 공정이 간단하고 저비용으로 경량화된 배터리 팩 하부케이스를 제조할 수 있는 장점이 있다. 더욱이, 제조된 배터리 팩 하부케이스는 구조강도 및 강성을 확보할 수 있고, 내충격성이 우수하며 재활용 가능한 소재로 제조되고, 난연성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법의 일례를 나타낸 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 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.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 측면에서
금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체를 준비하는 단계;
연속섬유 프리폼을 준비하는 단계; 및
상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시킨 후, 경화 조성물을 사용하여 상기 케이스 몸체와 섬유재 프리폼을 일체화시키는 단계;를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법이 제공된다.
이때, 도 1의 모식도를 통해 본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법의 일례를 나타내었으며,
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법은 금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체를 준비하는 단계를 포함한다.
상기 케이스 몸체는 배터리를 수납하기 위한 공간을 포함하는 것으로, 일반적으로 잘 알려진 구조의 배터리 수납을 위한 수납 공간을 포함하는 케이스 형태일 수 있다. 일례로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 박스 형태의 금속 소재로 이루어진 케이스 몸체일 수 있다.
상기 금속은 알루미늄, 스틸 및 마그네슘 등의 소재일 수 있으며, 바람직한 일례로, 강성 및 내충격성이 우수하고 난연성을 나타내며 금속 중에서 경량성이 우수한 알루미늄 소재를 사용할 수 있다.
상기 케이스 몸체의 두께는 일반적인 금속 소재로만 이루어진 배터리 팩 하부케이스의 두께에 비해 얇은 두께를 적용할 수 있으며, 2.0 mm 이하의 두께를 가질 수 있고, 1.5 mm 이하의 두께를 가질 수 있고, 1.0 mm 이하의 두께를 가질 수 있고, 0.6 mm 이하의 두께를 가질 수 있고, 0.1 mm 내지 0.5 mm인 것이 바람직하고, 0.1 mm 내지 0.3 mm인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에서는 금속 소재로 구성된 케이스 몸체와, 섬유재 프리폼을 복합화하여 하부 케이스를 구성하는 것으로, 구조 강도, 강성, 내충격성 등을 확보하기 위해 충분한 두께의 금속 소재를 적용해야 하는 종래 발명들과는 다르게 얇은 두께의 케이스 몸체만을 적용할 수 있다. 때문에, 효과적으로 경량화시킴과 동시에 금속 소재의 구조 강성, 내충격성 및 난연성 등을 확보할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법은 연속섬유 프리폼을 준비하는 단계를 포함한다.
상기 연속섬유 프리폼은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 현무암 섬유 등의 섬유를 사용하여 준비될 수 있다.
상기 연속섬유 프리폼은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 현무암 섬유 등의 보강 섬유가 적용되고 섬유 내부에 열경화성 수지 및 열가소성 수지가 미리 함침된 프리프레그를 사용하여 준비될 수 있다.
여기서, 상기 연속섬유 프리폼은 케이스 몸체에 대응하는 형상을 가지는 것이 바람직하고, 일례로 도 1에 나타낸 바와 같이, 박스 형태의 케이스 몸체를 적용하는 경우, 섬유재 프리폼의 형상은 케이스 몸체의 형상에 대응하도록 불연속 경계면을 가진 전계도를 통해 박스 형태로 형성될 수 있다.
또한, 상기 연속섬유 프리폼은 날개를 가진 박스 형태일 수 있다.
구체적인 일례로, 상기 연속섬유 프리폼을 준비하는 단계는, 시트(sheet) 형태의 섬유 직조물 또는 프리프레그를 케이스 몸체에 대응하는 형상으로 전계도 형식의 종이접기 공정으로 준비하는 것일 수 있다. 상기 연속섬유 프리폼은 시트(sheet) 형태의 섬유 직조물 또는 프리프레그를 간단한 공정인 종이접기 방식으로 프리폼 형태를 구현할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법은 상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시킨 후, 경화 조성물을 사용하여 상기 케이스 몸체와 섬유재 프리폼을 일체화시키는 단계를 포함한다.
상기 단계에서는 기준비된 금속 소재 기반의 케이스 몸체와 섬유재 프리폼 그리고 경화 조성물을 사용하여 일체화시켜 하부케이스를 제조한다.
구체적인 일례로, 상기 일체화시키는 단계는,
상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시키는 단계;
수지 이송 성형(resin transfer moulding, RTM)을 위한 성형 몰드 내에 케이스 몸체 및 섬유재 프리폼을 위치시키는 단계;
성형 몰드 내부에 진공을 걸어준 상태에서, 경화 조성물을 성형 몰드 내로 주입하는 단계; 및
경화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 도 2에 나타낸 바와 같이, 섬유재 프리폼에 케이스 몸체를 넣는 방식으로 수행하여 상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시킨다.
이후, 수지 이송 성형을 위해 성형 몰드 내에 준비된 케이스 몸체/섬유재 프리폼을 위치시키고, 성형 몰드를 닫아 잠근 후, 성형 몰드 내부에 진공을 걸어준다.
성형 몰드 내부에 진공을 걸어준 상태에서 경화 조성물을 성형 몰드 내로 주입하고, 경화시켜 케이스 몸체 및 섬유재 프리폼이 일체화하여 배터리 팩 하부케이스를 제조할 수 있다.
상기 경화 조성물은 열경화성 수지 및 광경화성 수지 등의 수지 및 경화제를 포함할 수 있다.
상기 경화 조성물은 열가소성 수지의 모노머, 촉매 및 반응 개시제를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스의 다른 제조방법은 상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 프리프레그로 제조된 프리폼을 위치시킨 후, 상기 케이스 몸체와 섬유재 프리폼을 일체화시키는 단계를 포함한다.
상기 단계에서는 기준비된 금속 소재 기반의 케이스 몸체와 프리프레그 프리폼를 사용하여 일체화시켜 하부케이스를 제조한다.
구체적인 일례로, 상기 일체화시키는 단계는,
상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 프리프레그 프리폼을 위치시키는 단계;
성형 몰드에 온도와 압력을 가하면서 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 프리프레그 프리폼에 케이스 몸체를 넣는 방식으로 수행하여 상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 프리프레그 프리폼을 위치시킨다.
이후, 성형 몰드 내에 준비된 케이스 몸체/프리프레그 프리폼을 위치시키고, 성형 몰드를 온도와 압력을 가하여 경화시켜 케이스 몸체 및 프리프레그 프리폼를 일체화하여 배터리 팩 하부케이스를 제조할 수 있다.
상기 프리프레그 프리폼에 미리 함침된 경화 조성물은 열가소성수지, 열경화성 수지 및 광경화성 수지 등의 수지 및 경화제를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
상기의 제조방법으로 제조되어 금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체와 연속섬유 프리폼이 경화 조성물로 일체화된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 하부 케이스가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에서 제공되는 배터리 팩 하부케이스는 구조강도 및 강성을 확보할 수 있고, 내충격성이 우수하며 재활용 가능한 소재로 제조되고, 난연성이 우수하다.
나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서
상부커버;
상기의 하부케이스; 및
상기 하부케이스의 공간에 장착된 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 구체적인 일례들에 한정되는 것이 아니라 게시된 내용들을 조합하여 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일례들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (15)

  1. 금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체를 준비하는 단계;
    연속섬유 프리폼을 준비하는 단계; 및
    상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시킨 후, 경화 조성물을 사용하여 상기 케이스 몸체와 섬유재 프리폼을 일체화시키는 단계;를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스 몸체는 배터리를 수납하기 위한 공간을 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄, 스틸 및 마그네슘으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 소재인 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 케이스 몸체의 두께는 0.1 mm 내지 2.0 mm인 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 프리폼은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 현무암 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 섬유를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 프리폼은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 및 현무암 섬유로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 보강 섬유를 포함하고 섬유 내부에 열경화성 수지 및 열가소성 수지가 미리 함침된 프리프레그 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연속섬유 프리폼은 케이스 몸체에 대응하는 형상을 가지는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연속섬유 프리폼을 준비하는 단계는,
    연속섬유 프리폼을 케이스 몸체에 대응하는 형상으로 불연속 경계면을 가진 전계도를 통한 종이접기 공정으로 준비하는 것인 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 일체화시키는 단계는,
    상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 섬유재 프리폼을 위치시키는 단계;
    수지 이송 성형(resin transfer moulding, RTM)을 위한 성형 몰드 내에 케이스 몸체 및 섬유재 프리폼을 위치시키는 단계;
    성형 몰드 내부에 진공을 걸어준 상태에서, 경화 조성물을 성형 몰드 내로 주입하는 단계; 및
    경화시키는 단계;를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 일체화시키는 단계는,
    상기 케이스 몸체의 외부 면에 상기 프리프레그 프리폼을 위치시키는 단계;
    성형 몰드에 온도와 압력을 가하면서 경화시키는 단계를 포함하는 배터리 팩하부케이스 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 경화 조성물은 열경화성 수지 및 광경화성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수지, 경화제 및 첨가제를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 경화 조성물은 열가소성 수지의 모노머, 촉매, 반응 개시제 및 첨가제를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 경화 조성물은 열가소성 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수지 및 첨가제를 포함하는 배터리 팩 하부케이스의 제조방법.
  14. 제1항의 제조방법으로 제조되어 금속을 포함하는 소재로 이루어진 케이스 몸체와 연속섬유 프리폼이 경화 조성물로 일체화된 것을 특징으로 하는 배터리 팩 하부 케이스.
  15. 상부커버;
    제14항의 배터리 팩 하부케이스; 및
    상기 배터리 팩 하부케이스의 공간에 장착된 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩.
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