WO2019050176A1

WO2019050176A1 - 모노 프레임의 구조해석 툴 및 모노 프레임 설계방법

Info

Publication number: WO2019050176A1
Application number: PCT/KR2018/009120
Authority: WO
Inventors: 공진학; 김동연; 이수항; 최용석
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2019-03-14
Also published as: KR102194843B1; EP3598325A1; CN110178133A; JP6780212B2; EP3598325A4; CN110178133B; US20190377835A1; KR20190027610A; JP2020514873A

Abstract

본 발명에 따르면 배터리 셀들을 보호하는 구조물로서 각 관 형태로 제공되는 모노 프레임의 구조해석 툴로서, 동일 충격 조건에서 미리 구조 해석한 기준 모노 프레임의 치수, 무게 및 응력 값 데이터 및 가설계된 모노 프레임의 치수 및 무게 데이터를 입력하기 위한 입력부; 상기 기준 모노 프레임의 데이터들과 상기 가설계된 모노 프레임의 데이터들을 사용하여 빔 이론을 기초로 상기 기준 모노 프레임과 상기 가설계된 모노 프레임의 응력비를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부에 의해 산출된 응력비와 미리 설정된 응력비 기준값을 비교하여 상기 가설계된 모노 프레임의 안정성을 판별하는 출력부를 포함하는 모노 프레임 구조해석 툴 및 이를 이용한 모노 프레임 설계방법이 제공될 수 있다.

Description

모노 프레임의 구조해석 툴 및 모노 프레임 설계방법

본 발명은 배터리 모듈의 모노 프레임의 구조해석 툴 및 모노 프레임 설계방법에 관한 것으로서, 배터리 모듈 설계 초기 단계에서 모노 프레임의 구조 안정성 평가에 소요되는 비용과 시간을 단축시킬 수 있는 모노 프레임의 구조해석 툴 및 이를 이용한 모노 프레임 설계방법에 관한 것이다.

본 출원은 2017년 09월 07일자로 출원된 한국 특허출원 번호 제10-2017-0114602호에 대한 우선권주장출원으로서, 해당 출원의 명세서 및 도면에 개시된 모든 내용은 인용에 의해 본 출원에 원용된다.

일반적으로, 배터리 모듈은 다수의 배터리 셀들이 직렬 및/또는 병렬연결을 통해 집합된 구조로 형성된다. 이러한 배터리 모듈은 통상적으로 다수의 배터리 셀들이 일 방향으로 적층되어 이루어진 셀 어셈블리와, 상기 셀 어셈블리를 감쌀 수 있는 외곽 프레임과, 배터리 셀들의 전기적 특성을 센싱하는 센싱 어셈블리로 구성될 수 있다.

외곽 프레임은, 여러 개의 플레이트들을 상호 간 스냅-핏 또는 볼팅 방식으로 조립 가능하게 제작된 멀티플 프레임과 일체형으로 제작된 모노 프레임으로 분류될 수 있다. 모노 프레임은 압출이나 다이캐스팅 공법에 의해 일체형으로 제작될 수 있다. 이러한 모노 프레임은, KR 10-2017-0083834 (문헌일 2017.07.19)에 개시되어 있는 바와 같이, 멀티플 프레임에 비해 배터리 셀들의 수납 및 다른 부품과의 조립이 간단해 공정 및 품질 관리 면에서 유리하다. 이에 따라 최근 배터리 모듈의 외곽 프레임 형태로 모노 프레임을 적용한 케이스가 증가하고 있는 추세이다.

도 1은 모노 프레임을 적용한 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.

도 1을 참조하면, 모노 프레임(1)은 속이 빈 각 관 형태로 제공되어 내부 공간에 배터리 셀들이 수납된 상태에서 센싱 어셈블리(2)가 모노 프레임(1)의 양단부에 조립되게 구성된다. 따라서 모노 프레임(1)의 양단부는 센싱 어셈블리(2)에 의해 커버되어 지지될 수 있다.

한편, 모노 프레임(1)은 배터리 모듈에 기계적 지지력을 제공하고, 셀 어셀블리를 감싸 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 하는 구조물이기 때문에 강성이 충분히 확보될 수 있어야 한다.

따라서 배터리 모듈 설계 초기 단계에서 모노 프레임의 구조 안정성 평가가 반드시 필요하다. 이러한 모노 프레임의 구조 안정성 평가는 유한요소 해석법을 이용한 해석적 검증에 기초하고 있다. 유한요소 해석법은 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있어 실제 모델의 실험적 검증을 대체할 수 있는 좋은 평가 수단이다.

그렇지만, 유한요소 해석법에 의한 구조해석은 모노 프레임의 모델링, 하중 및 경계조건 부여, 유한요소 해석 프로그램의 사용방법과 그 과정의 복잡성 때문에 해석수행에 과도한 시간이 소요되는 문제점이 있다.

예컨대, 종래의 모노 프레임 설계 프로세스를 살펴보면, 초기 모노 프레임 구조해석 수행에 1주~2주가 소요되고, 해석 결과 안정성에 문제가 있으면, 추가 설계 후 구조해석을 수행하고 이를 검토하는데 1주~2주가 소요된다. 결과적으로 모노 프레임의 컨셉을 설계 완료하는데 최소 2주~4주가 소요되게 된다.

설계 초기 단계에서 위와 같은 구조 해석을 통해 구조 강건성을 확인하면, 이후 큰 수준의 설계 변경을 최소화할 수 있으나, 리드 타임이 너무 길다. 이러한 리드 타임 문제를 해결하기 위해서는 모노 프레임 초기 설계 안들의 구조 강건성을 저시간/저비용으로 평가할 수 있는 새로운 대안이 필요한 실정이다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 배터리 모듈 설계 초기 단계에서 저시간/저비용으로 모노 프레임의 구조 강건성을 확인할 수 있는 모노 프레임 구조 해석 툴 및 이를 이용한 모노 프레임 설계방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 배터리 셀들을 보호하는 구조물로서 각 관 형태로 제공되는 모노 프레임의 구조해석 툴로서, 동일 충격 조건에서 미리 구조 해석한 기준 모노 프레임의 치수, 무게 및 응력 값 데이터 및 가설계된 모노 프레임의 치수 및 무게 데이터를 입력하기 위한 입력부; 상기 기준 모노 프레임의 데이터들과 상기 가설계된 모노 프레임의 데이터들을 사용하여 빔 이론을 기초로 상기 기준 모노 프레임과 상기 가설계된 모노 프레임의 응력비를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부에 의해 산출된 응력비와 미리 설정된 응력비 기준값을 비교하여 상기 가설계된 모노 프레임의 안정성을 판별하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 구조해석 툴이 제공될 수 있다.

상기 미리 설정된 응력비 기준값은 1이며, 상기 출력부는, 상기 연산부에서 산출된 응력비가 상기 미리 설정한 응력비 이하의 수치이면 안정성 적합 판정을 출력하고, 상기 미리 설정한 응력비를 초과하는 수치이면 안정성 부적합 판정을 출력할 수 있다.

상기 연산부는, 아래의 수식을 사용하여 상기 응력비를 산출할 수 있다.

(R:응력비, q1:기준 모노 프레임의 분포 하중, H1: 기준 모노 프레임의 높이, L1: 기준 모노 프레임의 길이, W1: 기준 모노 프레임의 너비, a1: 기준 모노 프레임의 측면판 두께, b1: 기준 모노 프레임의 상판 두께, q2: 가설계된 모노 프레임의 분포 하중, H2: 가설계된 모노 프레임의 높이, L2: 가설계된 모노 프레임의 길이, W2: 가설계된 모노 프레임의 너비, a2: 가설계된 모노 프레임의 측면판 두께, b2: 가설계된 모노 프레임의 상판 두께)

또한, 상기 연산부는 아래에 수식을 사용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 응력 값을 더 산출할 수 있다.

(σ1: 유한 요소 해석법에 의해 미리 해석한 상기 기준 모노 프레임의 응력 값, σ2: 가설계된 모노 프레임의 응력 값, R:응력비)

또한, 상기 연산부는, 아래의 수식을 사용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 변형도를 더 산출할 수 있다.

(D1: 유한 요소 해석법에 의해 미리 해석한 기준 모노 프레임의 변형도, D2: 가설계된 모노 프레임의 변형도, E1: 기준 모노 프레임의 영의 계수, E2: 가설계된 모노 프레임의 영의 계수, I1: 기준 모노 프레임의 단면 2차 모멘트, I2:가설계된 모노 프레임의 단면 2차 모멘트)

본 발명의 다른 양태에 따르면, 배터리 셀들을 보호하는 구조물로서 각 관 형태로 제공되는 모노 프레임의 설계방법으로서, 모노 프레임의 치수 및 무게를 결정하는 모노 프레임 컨셉 가설계단계; 동일 충격 조건에서 미리 구조 해석한 기준 모노 프레임의 치수, 무게 및 응력 값 데이터와 상기 가설계된 모노 프레임의 치수, 무게 데이터를 사용하고 빔 이론을 기초로 상기 기준 모노 프레임과 상기 가설계된 모노 프레임의 응력비를 산출하는 연산단계; 및 상기 연산단계에서 산출된 응력비와 미리 설정된 응력비 기준값을 비교하여 상기 가설계된 모노 프레임의 안정성을 판별하는 안정성 판별단계를 포함하는 모노 프레임 설계방법이 제공될 수 있다.

상기 미리 설정한 응력비 기준값은 1이며, 상기 안정성 판별단계는 상기 응력비 산출단계에서 산출된 응력비가 상기 미리 설정된 응력비 기준값 이하의 수치이면 안정성 적합 판정을 수행하고, 상기 미리 설정한 응력비를 초과하는 수치이면 안정성 부적합 판정을 수행할 수 있다.

상기 안정성 판별단계에서 상기 안정성 부적합 판정의 경우, 상기 가설계된 모노 프레임의 치수들 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 조정하는 추가 설계단계를 더 포함하며, 상기 추가 설계단계 후 상기 연산단계를 재수행할 수 있다.

상기 추가 설계단계는, 상기 가설계된 모노 프레임의 상판의 두께 및 측면판의 두께 중 적어도 어느 하나의 두께가 기존보다 두껍게 조정되는 치수 조정 수행이 포함될 수 있다.

상기 응력비는 아래의 수식에 따라 산출될 수 있다.

상기 연산단계는, 아래의 수식과 같이 상기 응력비를 이용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 응력 값을 더 산출하는 수행을 할 수 있다.

상기 연산단계는, 아래의 수식을 사용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 변형도를 더 산출하는 수행을 할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 배터리 모듈 설계 초기 단계에서 저시간/저비용으로 모노 프레임의 구조 강건성을 확인할 수 있는 모노 프레임 구조해석 툴 및 이를 이용한 모노 프레임 설계방법이 제공될 수 있다.

미리 해석한 유사 구조의 기준 모노 프레임에 대한 응력비를 빔 이론으로 간단히 산출하여 이를 비교함으로써 여러 가지 모노 프레임 설계 안들 간의 구조적 안정성을 평가할 수 있다. 따라서 배터리 모듈 설계 초기의 리드 타임을 대폭 감축시킬 수 있다.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 모노 프레임을 적용한 배터리 모듈의 개략적인 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모노 프레임 구조해석 툴에 대한 구성을 도시한 블록도이다.

도 3 내지 도 6은 도 2의 모노 프레임 구조해석 툴을 이용한 모노 프레임의 안정성 판별법을 설명하기 위한 참조 도면들이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노 프레임 설계방법의 과정을 도시한 흐름도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노 프레임의 상하판과 측면판들의 두께 변화에 따른 응력비를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상에 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 실시형태는 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이므로 도면에서의 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 따라서, 각 구성요소의 크기나 비율은 실제적인 크기나 비율을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하에서 설명할 모노 프레임은 배터리 셀들을 내부에 수납하여 이들을 보호하는 구조물로서 배터리 모듈의 구성요소이다. 모노 프레임은 속이 빈 각 관 형태의 일체형 구조로 단면이 동일한 것으로 가정한다. 또한, 모노 프레임의 상판의 두께는 하판의 두께와 동일하고, 좌측면판의 두께는 우측면판의 두께와 동일한 것으로 가정한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모노 프레임 구조해석 툴에 대한 구성을 도시한 블록도이고, 도 3 내지 도 6은 도 2의 모노 프레임 구조해석 툴을 이용한 모노 프레임의 안정성 판별법을 설명하기 위한 참조 도면들이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 모노 프레임 구조해석 툴은, 모노 프레임에 관한 치수 및 하중 정보를 입력하기 위한 입력부(10), 상기 정보들을 입력받아 구조 안정성 평가 대상 값을 산출하는 연산부(20) 및 상기 연산부(20)에서 산출된 값을 기초로 모노 프레임의 안정성을 판별하는 출력부(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 입력부(10)에는 기준 모노 프레임의 정보와 구조 해석이 필요한 가설계된 모노 프레임들의 정보가 입력된다. 여기서 기준 모노 프레임은 가설계된 모노 프레임과 유사 구조의 모노 프레임 중 유한요소 해석법 등으로 해석적 검증 또는 실제 실험적 검증을 통과하여 안정성이 검증된 기존의 모노 프레임을 의미할 수 있다. 그리고 가설계된 모노 프레임은 배터리 모듈 설계 초기 단계에서 설계한 모노 프레임을 의미한다.

상기 기준 모노 프레임에 대한 정보 데이터들은 치수(너비, 길이, 높이, 상판 두께, 측면판 두께)와 무게, 및 최대 응력 값 등일 수 있다. 그리고 상기 가설계된 모노 프레임에 대한 정보 데이터들은 치수(너비, 길이, 높이, 상판 두께, 측면판 두께)와 무게일 수 있다.

한편, 기준 모노 프레임은 여러 가지 유형별로 결과 값들이 미리 메모리 등에 저장될 수는 데, 이 경우 모노 프레임 구조해석 툴은 기준 모노 프레임들의 다양한 결과 값들을 저장하기 위한 메모리를 갖는 데이터 베이스부(30)를 더 포함할 수 있다.

연산부(20)는 상기 입력부(10)로부터 기준 모노 프레임과 가설계된 모노 프레임의 정보 데이터들이 입력되면 기준 모노 프레임에 대한 가설계된 모노 프레임의 응력비을 연산하는 프로세싱을 수행한다.

상기 응력비는 가설계된 모노 프레임의 구조 안정성 평가 대상 값이 될 수 있다. 이하에서 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 응력비 산출 방법을 설명한다.

이들 도면들에 도시한 바와 같이, 모노 프레임을 각 관 형태의 빔으로 가정하고, 모노 프레임의 양단이 고정된 상태에서 빔 이론(beam theory)을 적용하여 모노 프레임에 발생하는 최대 굽힘 응력을 구한다.

이때의 상기 최대 굽힘 응력을 도출하기 위한 수식은 아래와 같다.

M = q*L^2/12

I = (1/12*W*H^3)-[1/12*(W-2a)*(H-2b)^3

σ= (M/I)*(H/2)

(M; 벤딩 모멘트, I; 단면 이차 모멘트, σ; 최대 굽힘 응력, q; 분포 하중W; 너비, L; 길이, H; 높이, a; 측면판 두께, b; 상판 두께)

상기 빔 이론 수식에 따르면, 모노 프레임의 최대 굽힘 응력은 모노 프레임의 치수(너비 W, 길이 L, 높이 H, 상판 두께 b, 측면판 두께 a)와 하중에 의해 결정되는 것을 확인할 수 있다.

따라서 기준 모노 프레임의 치수 및 하중 그리고 가설계된 모노 프레임의 치수 및 하중을 상기 빔 이론 공식에 적용하여 상기 공식에 따른 기준 모노 프레임의 응력과 가설계된 모노 프레임의 응력을 구하고 이들로부터 기준 모노 프레임에 대한 가설계된 모노 프레임의 응력비를 산출할 수 있다.

즉, 도 5에 도시한 모노 프레임의 단면을 기준 모노 프레임의 단면으로 가정하고, 도 6에 도시한 모노 프레임의 단면을 가설계된 모노 프레임의 단면으로 가정하면, 빔 이론 공식에 따른 기준 모노 프레임의 응력 값(x1)과 가설계된 모노 프레임의 응력 값(x2) 그리고 이들의 응력비(R)는 각각 다음과 같다.

x1 = [q1*L1^2/12]/[(1/12*W1*H1^3)-[1/12*(W1-2a1)*(H1-2b1)^3]*(H1/2)

x2 = [q2*L2^2/12]/[(1/12*W2*H2^3)-[1/12*(W2-2a2)*(H2-2b2)^3]*(H2/2)

R = x2/x1

그리고 연산부(20)에서 수행되는 응력비 산출식은 상기 응력비 R = x2/x1를 정리한 수식으로 다음과 같다.

한편, 가설계된 모노 프레임의 응력 값은 기준 모노 프레임의 응력 값(유한 요소 해석법에 의해 미리 해석한 기준 모노 프레임의 응력 값)에 상기 응력비의 곱으로 추정될 수 있다.

즉, 연산부(20)는 아래에 수식을 사용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 응력 값을 더 연산하는 프로세싱을 수행할 수 있다.

이와 같은 가설계된 모노 프레임의 응력 값 σ2는 단순 빔 이론 공식에 따른 응력 값이 아닌 기존에 정확히 해석을 수행한 기준 모노 프레임의 응력 값에 대비한 응력 값으로, 추후 완성품에 발생하는 응력 수준 정도를 가늠할 수 있게 하는 척도가 될 수 있다.

또한, 연산부(20)는 가설계된 모노 프레임의 변형비 내지 변형도를 더 연산하는 프로세싱을 수행할 수 있다.

변형도는 응력으로 인해 발생하는 물체의 기하학적 변형을 의미하는 것으로 응력에 비례하고 영의 계수 E(young's modulus)에 반비례 한다.

즉, D ∝ (q*L^4)/(E*I) 관계가 성립한다.

(D; 모노 프레임의 변형도, q; 분포 하중, L; 길이, E; 모노 프레임의 영의 계수, I: 단면 2차 모멘트)

따라서 상기 수식을 도 5의 기준 모노 프레임과 도 6의 가설계된 모노 프레임에 적용하여 이들의 변형비 DR을 구하면 다음과 같다.

DR = [(q2*L2^4)/(E1*I1)]/[(q1*L1^4)/(E2*I2)] (이때 단면 2차 모멘트, I=(1/12*W*H^3)-[1/12*(W-2a)*(H-2b)^3)

따라서 앞서 설명한 기준 모노 프레임의 응력 값과 응력비의 곱으로 가설계된 모노 프레임의 응력 값을 추정한 것과 마찬가지로 기준 모노 프레임의 실제 해석으로 구한 변형도와 상기 변형비의 곱으로 가설계된 모노 프레임의 변형도를 추정할 수 있다.

즉, 연산부(20)는 다음의 수식에 의해 가설계된 모노 프레임의 변형도를 산출할 수 있다.

이와 같이, 연산부(20)에서 산출된 응력비를 비롯한 연산 결과 데이터들이 본 발명의 출력부(40)에 입력되면, 출력부(40)는 상기 응력비와 미리 설정된 응력비 기준값을 비교하여 가설계된 모노 프레임의 설계 수정 여부를 판별하는 프로세싱을 수행한다.

전술한 바와 같이, 기준 모노 프레임은 유한요소 해석법 등을 통해 안정성이 검증된 모노 프레임으로 가설계된 모노 프레임의 안정성 판단 기준이 된다. 따라서 특별한 사정이 없는 한 상기 미리 설정된 응력비 기준값은 1로 설정된다.

출력부(40)는 상기 연산부(20)에서 산출된 응력비가 미리 설정된 응력비 기준값 1 이하이면 적합 판정을 하고 상기 응력비 기준값 1을 초과하면 부적합 판정을 하게 프로세싱된다. 다시 말하면, 가설계된 모노 프레임의 응력 값이 기준 모노 프레임의 응력 값과 같거나 작으면 안정성이 있는 것으로 보고, 기준 모노 프레임의 응력 값보다 크면 불안정한 것으로 본다.

이러한 본 발명에 따른 모노 프레임 구조해석 툴은 예컨대 소프트웨어에 의한 정보처리가 구현되는 컴퓨터를 포함한 정보 처리장치 형태로 구현될 수 있다.

이하에서는 상술한 모노 프레임 구조해석 툴을 이용한 모노 프레임 설계방법을 설명한다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 모노 프레임 설계방법은 모노 프레임의 치수를 설계하는 모노 프레임 컨셉 가설계단계(S100), 연산단계(S200), 안정성 판별단계(S300)를 포함한다.

모노 프레임 컨셉 가설계단계(S100)는 모노 프레임을 치수 및 무게를 결정하는 단계이다. 도 3을 참조하면, 모노 프레임은 너비(W), 길이(L), 높이(H), 상판과 하판의 두께(b), 좌측면판과 우측면판의 두께(a)에 해당하는 총 7가지 치수(Dimension)를 갖는데, 통상 모노 프레임은 상판과 하판의 두께가 동일하고, 좌측면판과 우측면판의 두께가 동일하게 제작된다. 이하 설명에서 상판의 두께는 하판의 두께와 동일하고, 좌측면판의 두께는 우측면판의 두께와 동일한 것을 본다. 그러므로 본 발명에 따른 모노 프레임 구조해석 시 특별한 사정이 없는 한 모노 프레임의 치수들은 총 5가지가 고려될 수 있다.

여기서 모노 프레임의 너비, 길이, 높이에 해당하는 3가지 치수는 고객사에서 요구하는 배터리 모듈 사양에 따라 먼저 결정될 수 있다. 이를테면, 배터리 모듈이 설치될 차량 구조 또는 배터리 팩의 구조에 맞춰 모노 프레임의 너비,길이,높이가 결정되거나 배터리 셀들의 규격과 용량에 따라 모노 프레임의 너비,길이,높이가 결정될 수도 있다.

이와 같이 모노 프레임의 너비,길이,높이가 결정되면, 모노 프레임의 상하판과 측면판들의 두께를 결정한다. 참고로 모노 프레임의 두께가 두꺼워질수록 안정성이 높아지지만 배터리 셀 수납공간이 좁아지고 제품 생산비가 늘어나는 단점이 있다. 따라서 경제성과 안정성을 동시에 충족시켜야 하는 관점에서 볼 때 모노 프레임의 두께 선택은 설계 시 매우 중요하다.

가설계된 모노 프레임의 치수와 무게가 결정되면, 이들 데이터들은 상술한 모노 프레임 구조해석 툴의 입력부(10)에 입력된다. 이때, 동일 충격 조건에서 미리 구조 해석한 유사 구조의 기준 모노 프레임의 치수, 무게 및 응력 값 데이터들이 함께 입력될 수 있다. 물론, 가설계된 모노 프레임이 여러 개이면 이들에 대한 정보가 같이 입력될 수도 있다.

참고로 본 실시예와 달리, 유한요소 해석법으로 해석한 기존의 모노 프레임들에 대한 정보들은 상기 모노 프레임 구조해석 툴의 데이터 베이스에 미리 저장될 수 있다. 이 경우, 사용자는 미리 해석된 기존의 모노 프레임들 중 어느 하나를 선택하여 기준 모노 프레임으로 사용할 수도 있다.

연산단계(S200)는 기준 모노 프레임의 치수, 무게와 상기 가설계된 모노 프레임의 치수, 무게 데이터를 매개 변수로 하여 빔 이론을 사용해 기준 모노 프레임과 가설계된 모노 프레임의 응력비를 산출하는 단계이다.

연산단계(S200)에서는 상기 응력비와 함께 가설계된 모노 프레임의 응력 값, 변형도, 기준 모노 프레임에 대한 가설계된 모노 프레임의 변형비가 더 산출될 수 있다. 예컨대, 상기 응력비, 가설계된 모노 프레임의 응력 값, 변형도, 기준 모노 프레임에 대한 가설계된 모노 프레임의 변형비는 상술한 모노 프레임 구조해석 툴의 연산부(20)에 의해 산출될 수 있다. 상기 응력비 등을 포함한 결과 값을 산출하는 방법은 상술한 모노 프레임 구조해석 툴의 연산부(20)에 관한 설명과 중복되므로 생략하기로 한다.

안정성 판별단계(S300)에서는 연산단계(S200)에서 산출된 응력비와 미리 설정한 응력비 기준값을 비교하여 가설계된 모노 프레임의 설계 수정 여부를 판별한다.

구체적으로 설명하면, 기준 모노 프레임이 안정성 판별 기준이 되므로, 동일 충격 조건에서 가설계된 모노 프레임에 작용하는 응력이 기준 모노 프레임에 작용하는 응력보다 작을수록 가설계된 모노 프레임이 상대적으로 안정해진다.

따라서 특별한 사정이 없는 한 응력비 기준값을 1로 설정하면, 기준 모노 프레임에 대한 가설계된 모노 프레임의 응력비가 적어도 1과 같거나 작은 경우 가설계된 모노 프레임이 상대적으로 안정하므로 적합한 설계로 판정할 수 있고, 그렇지 않고 상기 응력비가 1보다 큰 경우 가설계된 모노 프레임이 기준 모노 프레임보다 상대적으로 불안정하여 부적합한 설계로 판정할 수 있다.

	너비W (mm)	길이L (mm)	높이H(mm)	wall 두께 a(mm)	상하판두께 b(mm)	무게(kg)	응력(MPa)	응력비(R)	변형비(DR)	판정
기준 모노 프레임	200	400	100	6	3	50	100.0	-	-	-
모노 프레임A	200	400	100	4	3	50	108.1	1.081	1.081	부적합
모노 프레임B	200	400	100	4	4	50	86.8	0.868	0.848	적합
모노 프레임C	220	380	100	3	3	50	93.6	0.936	0.845	적합
모노 프레임D	300	500	150	5	5	70	108.2	1.082	1.69	부적합
모노 프레임E	300	500	150	6	6	70	92.4	0.924	1.44	적합

상기 표 1은, 5가지 가설계된 모노 프레임들에 대해 각각 본 발명의 연산단계(S200)를 통해 산출된 응력비에 따른 안정성 판별 결과 표이다.이러한 표 1을 참조하면, 모노 프레임 A와 모노 프레임 D는 응력비가 1보다 크고, 모노 프레임 B, 모노 프레임 C, 모노 프레임 E는 응력비가 1 보다 작은 것을 확인할 수 있다.

위와 같이 안정성 판별단계(S300)에서 적합 판정을 받은 모노 프레임 B, 모노 프레임 C, 모노 프레임 E는 적어도 안정성이 검증된 것으로 대략적인 모노 프레임의 컨셉 설계가 완료(S500)된 것으로 볼 수 있다.

반면 안정성 판별단계(S300)에서 부적합 판정을 받은 모노 프레임 A와 모노 프레임 D는 치수 수정이 필요하다. 따라서 도 7을 다시 참조하면, 본 발명의 모노 프레임 설계방법은, 안정성 판별단계(S300)에서 부적합 판정을 받은 가설계된 모노 프레임의 치수들 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 조정하는 추가 설계단계(S400)를 더 포함할 수 있다.

상기 추가 설계단계(S400)에서는 상기 가설계된 모노 프레임의 상하판의 두께 및 상기 측면판들의 두께 중 적어도 어느 하나의 두께는 기존보다 두껍게 조정될 수 있다.

모노 프레임의 너비, 길이, 높이는 모노 프레임의 체적을 결정하는 치수들로 설계 변경이 어렵지만, 모노 프레임의 상하판과 측면판들의 두께 변경은 모노 프레임의 체적에 영향을 거의 주지 않는다. 따라서 가설계된 모노 프레임의 상하판의 두께 및/또는 측면판들의 두께를 먼저 조정하여 안정성을 보완하는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명에 일 실시예 따른 모노 프레임의 상하판과 측면판들의 두께 변화에 따른 응력비를 도시한 도면이다.

참고로 도 8을 참조하면, 가설계된 모노 프레임은 상하판 두께가 최소 3t 수준은 되어야 기준 모노 프레임과 유사한 응력 수준을 가지며, 상하판 두께가 4t 수준에서는 기준 모노 프레임보다 응력 수준이 낮아지는 경향을 보임을 확인할 수 있다. 그리고 상하판 두께가 작아질수록, 측면판들의 두께에 따른 응력비 차이가 커진다. 이러한 모노 프레임 두께에 따른 응력비 변화에서 유추할 수 있듯이, 상하판 두께 변화가 측면판들의 두께 변화보다 상대적으로 응력비 변화에 미치는 영향이 더 크다.

따라서 추가 설계단계(S400)에서 모노 프레임의 두께를 가능한 덜 두껍게 하면서 응력비를 낮추려면 먼저 상하판의 두께를 특정한 다음, 측면판들의 두께를 정하는 것이 바람직할 수 있다.

이에 따라 추가 설계단계(S400)에서 가설계된 모노 프레임의 수정 치수 및 무게 데이터 정보가 결정되면, 연산단계(S200)와 안정성 판별단계(S300)가 반복 수행될 수 있다. 추가 설계된 모노 프레임이 안정성 판별단계(S300)에서 적합 판정으로 안정성이 검증되면 대략적인 모노 프레임의 컨셉 설계가 완료(S500)된 것으로 볼 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 가설계된 모노 프레임을 기존에 안정성이 검증된 기준 모노 프레임과 비교하여 가설계된 모노 프레임의 안정성을 상대적으로 파악함으로써, 배터리 모듈 설계 초기 단계에서 모노 프레임 구조 강건성 파악에 소요되는 리드 타임을 현저히 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 설계 비용을 절약할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims

배터리 셀들을 보호하는 구조물로서 각 관 형태로 제공되는 모노 프레임의 구조해석 툴로서,

동일 충격 조건에서 미리 구조 해석한 기준 모노 프레임의 치수, 무게 및 응력 값 데이터 및 가설계된 모노 프레임의 치수 및 무게 데이터를 입력하기 위한 입력부;

상기 기준 모노 프레임의 데이터들과 상기 가설계된 모노 프레임의 데이터들을 사용하여 빔 이론을 기초로 상기 기준 모노 프레임과 상기 가설계된 모노 프레임의 응력비를 산출하는 연산부; 및

상기 연산부에 의해 산출된 응력비와 미리 설정된 응력비 기준값을 비교하여 상기 가설계된 모노 프레임의 안정성을 판별하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 구조해석 툴.
제1항에 있어서,

상기 미리 설정된 응력비 기준값은 1이며,

상기 출력부는, 상기 연산부에서 산출된 응력비가 상기 미리 설정된 응력비 기준값 이하의 수치이면 안정성 적합 판정을 출력하고, 상기 미리 설정된 응력비 기준값을 초과하는 수치이면 안정성 부적합 판정을 출력하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 구조해석 툴.
제1항에서,

상기 연산부는, 아래의 수식을 사용하여 상기 응력비를 산출하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 구조해석 툴.

(R:응력비, q1:기준 모노 프레임의 분포 하중, H1: 기준 모노 프레임의 높이, L1: 기준 모노 프레임의 길이, W1: 기준 모노 프레임의 너비, a1: 기준 모노 프레임의 측면판 두께, b1: 기준 모노 프레임의 상판 두께, q2: 가설계된 모노 프레임의 분포 하중, H2: 가설계된 모노 프레임의 높이, L2: 가설계된 모노 프레임의 길이, W2: 가설계된 모노 프레임의 너비, a2: 가설계된 모노 프레임의 측면판 두께, b2: 가설계된 모노 프레임의 상판 두께)
제3항에 있어서,

상기 연산부는 아래에 수식을 사용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 응력 값을 더 산출하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 구조해석 툴.

(σ1: 유한 요소 해석법에 의해 미리 해석한 상기 기준 모노 프레임의 응력 값, σ2: 가설계된 모노 프레임의 응력 값, R:응력비)
제3항에 있어서,

상기 연산부는, 아래의 수식을 사용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 변형도를 더 산출하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 구조해석 툴.

(D1: 유한 요소 해석법에 의해 미리 해석한 기준 모노 프레임의 변형도, D2: 가설계된 모노 프레임의 변형도, E1: 기준 모노 프레임의 영의 계수, E2: 가설계된 모노 프레임의 영의 계수, I1: 기준 모노 프레임의 단면 2차 모멘트, I2:가설계된 모노 프레임의 단면 2차 모멘트)
배터리 셀들을 보호하는 구조물로서 각 관 형태로 제공되는 모노 프레임의 설계방법으로서,

모노 프레임의 치수 및 무게를 결정하는 모노 프레임 컨셉 가설계단계;

동일 충격 조건에서 미리 구조 해석한 기준 모노 프레임의 치수, 무게 및 응력 값 데이터와 상기 가설계된 모노 프레임의 치수, 무게 데이터를 사용하고 빔 이론을 기초로 상기 기준 모노 프레임과 상기 가설계된 모노 프레임의 응력비를 산출하는 연산단계; 및

상기 연산단계에서 산출된 응력비와 미리 설정된 응력비 기준값을 비교하여 상기 가설계된 모노 프레임의 안정성을 판별하는 안정성 판별단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 설계방법.
제6항에 있어서,

상기 미리 설정된 응력비 기준값은 1이며,

상기 안정성 판별단계는 상기 응력비 산출단계에서 산출된 응력비가 상기 미리 설정된 응력비 기준값 이하의 수치이면 안정성 적합 판정을 수행하고, 상기 미리 설정된 응력비를 초과하는 수치이면 안정성 부적합 판정을 수행하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 설계방법.
제7항에 있어서,

상기 안정성 판별단계에서 상기 안정성 부적합 판정의 경우, 상기 가설계된 모노 프레임의 치수들 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 조정하는 추가 설계단계를 더 포함하며, 상기 추가 설계단계 후 상기 연산단계를 재수행하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 설계방법.
제8항에 있어서,

상기 추가 설계단계는,

상기 가설계된 모노 프레임의 상판의 두께 및 측면판의 두께 중 적어도 어느 하나의 두께가 기존보다 두껍게 조정되는 치수 조정 수행이 포함되는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 설계방법.
제6항에 있어서,

상기 응력비는 아래의 수식에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 설계방법.

(R:응력비, q1:기준 모노 프레임의 분포 하중, H1: 기준 모노 프레임의 높이, L1: 기준 모노 프레임의 길이, W1: 기준 모노 프레임의 너비, a1: 기준 모노 프레임의 측면판 두께, b1: 기준 모노 프레임의 상판 두께, q2: 가설계된 모노 프레임의 분포 하중, H2: 가설계된 모노 프레임의 높이, L2: 가설계된 모노 프레임의 길이, W2: 가설계된 모노 프레임의 너비, a2: 가설계된 모노 프레임의 측면판 두께, b2: 가설계된 모노 프레임의 상판 두께)
제10항에 있어서,

상기 연산단계는, 아래의 수식과 같이 상기 응력비를 이용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 응력 값을 더 산출하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 설계방법.

(σ1: 유한 요소 해석법에 의해 미리 해석한 상기 기준 모노 프레임의 응력 값, σ2: 가설계된 모노 프레임의 응력 값, R:응력비)
제10항에 있어서,

상기 연산단계는, 아래의 수식을 사용하여 상기 가설계된 모노 프레임의 변형도를 더 산출하는 것을 특징으로 하는 모노 프레임 설계방법.

(D1: 유한 요소 해석법에 의해 미리 해석한 기준 모노 프레임의 변형도, D2: 가설계된 모노 프레임의 변형도, E1: 기준 모노 프레임의 영의 계수, E2: 가설계된 모노 프레임의 영의 계수, I1: 기준 모노 프레임의 단면 2차 모멘트, I2:가설계된 모노 프레임의 단면 2차 모멘트)