WO2021201407A1 - 전기차 배터리 모듈 프레임 - Google Patents

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WO2021201407A1
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electric vehicle
vehicle battery
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upper housing
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이재익
조민상
유동균
홍영호
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엘에스전선 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to an electric vehicle battery module frame. Specifically, the present invention can stably support and protect an electric vehicle battery module due to excellent dimensional accuracy and strength, and can improve battery performance by stably maintaining the temperature of an electric vehicle battery module through excellent heat dissipation effect, and reduce weight It relates to an electric vehicle battery module frame that can be advantageous to and reduce manufacturing costs.
  • the stability and performance of the battery are the most important factors in determining the marketability of electric vehicles, such as the driving range.
  • the performance of the battery is greatly affected by the ambient temperature, and in general, proper performance can be realized only when the temperature is maintained at 0 to 40°C.
  • the battery generates heat during charging or discharging (operation), which may increase the ambient temperature and deteriorate battery performance.
  • a frame for stably supporting and protecting the battery is used.
  • the conventional battery module frame may be made in the form of a box made of a metal material that can accommodate a plurality of battery cells constituting the battery module, and the frame made of this metal has high mechanical strength to stably protect the battery cells from external impact. It can be protected by the high thermal conductivity, and the heat emitted from the battery cells can be quickly dissipated out of the battery module.
  • the conventional metal battery module frame is changing from a conventional iron material having a specific gravity of 7.8 g/cm3 to an aluminum material having a specific gravity of 2.7 g/cm3 to a lightweight metal in order to reduce the weight, but the aluminum material generally requires molding processing. It is difficult to produce low productivity, and since it is manufactured through an extrusion process, there is a problem in that the processing cost is increased by additional processes such as separate chamfering, that is, inclined or rounded the corners of the members having each cross-section.
  • the electric vehicle battery module frame must form a precisely standardized space for accommodating a predetermined number of battery cells in order to stably protect the battery module from the impact caused by the vibration of the electric vehicle, the separation distance between the battery cells and the battery pack It is necessary to ensure very precise dimensional stability, for example, a tolerance of ⁇ 0.3 mm, such as a location disposed within, but a battery module frame made of a conventional metal material, which is difficult to form and process, has a problem in that it is difficult to sufficiently secure such dimensional accuracy.
  • An object of the present invention is to provide an electric vehicle battery module frame capable of stably supporting and protecting an electric vehicle battery module having excellent dimensional accuracy and strength.
  • Another object of the present invention is to provide an electric vehicle battery module frame capable of improving battery performance by stably maintaining the temperature of an electric vehicle battery module through an excellent heat dissipation effect.
  • an object of the present invention is to provide an electric vehicle battery module frame that is advantageous in weight reduction and can reduce manufacturing costs.
  • An electric vehicle battery module frame comprising an upper housing having an open lower surface and having an empty space in which a battery module can be mounted, and a lower plate coupled to the open lower surface of the upper housing, wherein the upper housing is plastic
  • the lower plate may be made of a material, and the lower plate may be made of a metal material or a thermally conductive plastic material, and the lower plate provides a thermal conductivity of 0.5 to 1,000 W/m ⁇ K, an electric vehicle battery module frame.
  • the upper housing and the lower plate provide an electric vehicle battery module frame, characterized in that coupled by insert injection molding.
  • the surface where the lower plate is coupled to the upper housing is at least partially curved or a notch or hole is formed, and the length when the curved surface is flattened is 10% or more compared to the length between both ends before blooming It provides a large, electric vehicle battery module frame.
  • the surface where the lower plate is coupled to the upper housing has a surface roughness (Ra) of 6 or more, a surface roughness (Rmax) of 25 or more, and a surface roughness (Rz) of 25 or more. to provide.
  • the upper housing has a tensile strength of 30 to 500 MPa according to the standard ASTM D638, a flexural strength of 50 to 400 MPa according to the standard ASTM D790, and a burning time according to the standard UL-94 V test of 60 seconds or less,
  • the thermal deformation temperature according to the standard ASTM D648 is 50 to 300 ° C
  • the Izod impact strength according to the standard ASTM D256 is 1 kJ / m 2 or more
  • the shrinkage according to the standard ASTM D955 is 0.03 to 3%, characterized in that , provides an electric vehicle battery module frame.
  • the plastic material forming the upper housing is polyamide (PA), modified polyphenylene oxide (mPPO), polybutyl terephthalate (PBT), polyethyl terephthalate (PET), polycarbonate (PC), and epoxy.
  • Electric vehicle battery module characterized in that it contains one or more engineering plastics selected from the group consisting of, and one or more reinforcing additives selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, carbon nanotubes, graphene, and carbon black. provide a frame.
  • the engineering plastic includes a modified polyphenylene oxide (mPPO), the modified polyphenylene oxide (mPPO) is a polyphenylene oxide (PPO) base resin and polystyrene (PS) or polyamide (PA) It provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that it includes a composite resin in which the additional resin is mixed, and the weight mixing ratio of the base resin and the additional resin is 95:5 to 20:80.
  • mPPO modified polyphenylene oxide
  • PPO polyphenylene oxide
  • PS polystyrene
  • PA polyamide
  • the content of the reinforcing additive provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that 3 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the engineering plastic.
  • the thermally conductive plastic material is a group consisting of polyamide (PA), modified polyphenylene oxide (mPPO), polybutyl terephthalate (PBT), polyethyl terephthalate (PET), polycarbonate (PC) and epoxy 1 or more selected from the group consisting of engineering plastics and carbon fibers, carbon nanotubes, graphene, aluminum nitride, boron nitride, silicon carbide, carbon black and metal powder selected from It provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that it contains more than one type of thermally conductive additive.
  • PA polyamide
  • mPPO modified polyphenylene oxide
  • PBT polybutyl terephthalate
  • PET polyethyl terephthalate
  • PC polycarbonate
  • the content of the thermal conductive additive provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that 3 to 200 parts by weight.
  • the cooling plate is formed a refrigerant flow path through the lower portion of the lower plate is disposed.
  • the ratio of the plane cross-sectional area of the refrigerant passage to the total planar cross-sectional area measured in the cross-section at which the plane cross-sectional area of the refrigerant passage is maximized among the cross-sections of the cooling plate is 50% or more.
  • the electric vehicle battery module frame according to the present invention has excellent dimensional accuracy and strength through the combination of an upper housing made of a specific plastic material and a lower plate having thermal conductivity of a certain level or higher, thereby stably supporting and protecting the electric vehicle battery module. It has an excellent effect of improving battery performance by stably maintaining the temperature of the battery module of an electric vehicle through its excellent heat dissipation effect.
  • the electric vehicle battery module frame according to the present invention exhibits an excellent effect in that it is advantageous for light weight and the manufacturing cost can be reduced through a specific plastic material.
  • FIG. 1 schematically shows an exploded perspective view of an embodiment of an electric vehicle battery module frame according to the present invention.
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of the electric vehicle battery module frame shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 schematically shows an exploded perspective view of another embodiment of an electric vehicle battery module frame according to the present invention.
  • FIG. 4 schematically illustrates a perspective view of the electric vehicle battery module frame shown in FIG. 3 .
  • FIG. 5 schematically illustrates an embodiment in which a cooling plate is disposed under the frame of the electric vehicle battery module shown in FIG. 2 .
  • FIG. 1 schematically illustrates an exploded perspective view of an embodiment of an electric vehicle battery module frame according to the present invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a perspective view of the electric vehicle battery module frame illustrated in FIG. 1 .
  • the electric vehicle battery module frame 100 has an open lower surface and an empty space in which a battery module including a plurality of battery cells can be mounted. It may include a 'C'-shaped upper housing 110 having an open front and back so that the battery module can be inserted, and a lower plate 120 coupled to the open lower surface of the upper housing 110 . .
  • the upper housing 110 may be made of a plastic material. Since the upper housing 110 is made of a plastic material, unlike a conventional metal frame, injection molding is possible, so dimensional accuracy is greatly improved, and thus, through a closer adhesion between the inner wall of the upper housing 110 and the battery module, By minimizing the empty space between them, it is possible to more stably support and protect the battery module even when the electric vehicle vibrates, and it is possible to prevent the heat dissipation effect from being deteriorated by the empty space.
  • the plastic material is polyamide (PA), modified polyphenylene oxide (mPPO), polybutyl terephthalate (PBT), polyethyl terephthalate (PET), polycarbonate (PC), engineering plastics such as epoxy ,
  • a reinforcing additive such as glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, carbon nanotube, graphene, carbon black, etc., preferably glass fiber, may be added to the engineering plastic of the modified polyphenylene oxide (mPPO). .
  • the content of the reinforcing additive may be 3 to 100 parts by weight, preferably 5 to 80 parts by weight, and more preferably 5 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the engineering plastic.
  • the content of the reinforcing additive is less than 3 parts by weight, the desired mechanical properties such as tensile strength and flexural strength of the upper housing 110 cannot be satisfied, whereas when it is more than 100 parts by weight, the upper housing 110 is manufactured During injection, the abrasion of the screw, mold, etc. of the injection machine is severe and productivity is lowered, the weight of the upper housing 110 is increased due to the increase in the specific gravity of the plastic material, and some mechanical properties such as impact strength are lowered. can
  • the modified polyphenylene oxide (mPPO) may include a composite resin in which an additional resin such as polystyrene (PS) or polyamide (PA) is mixed with a polyphenylene oxide (PPO) base resin, the poly The weight mixing ratio of the phenylene oxide resin (PPO) and the additional resin such as polystyrene (PS) and polyamide (PA) is 95:5 to 20:80, preferably 90:10 to 20:80, more preferably It may be 80:20 to 20:80.
  • PS polystyrene
  • PA polyamide
  • the weight blending ratio is more than 95:5, the processing temperature of the plastic material is high, so that the moldability is lowered and the manufacturing cost is increased, whereas when it is less than 20:80, the heat deformation temperature of the plastic material is low and the heat resistance is lowered, There is a problem in that mechanical properties such as impact strength are deteriorated.
  • the plastic material has excellent mechanical strength to protect the battery module from external impact, for example, the tensile strength measured under a load of 20 kN at a rate of 5 mm/min according to the standard ASTM D638 of 30 to 500 MPa, preferably is 50 to 400 MPa, more preferably 70 to 300 MPa, the flexural strength measured under a load of 20 kN at a rate of 5 mm / min according to standard ASTM D790 is 50 to 400 MPa, preferably 80 to 300 MPa, More preferably, it may be 100 to 250 MPa.
  • the tensile strength of the plastic material is less than 30 MPa, the minimum mechanical properties for protecting the battery module from external impact may not be satisfied, whereas if it exceeds 500 MPa, injection processability is lowered by an excessive amount of additives, and Manufacturing costs may increase unnecessarily.
  • the flexural strength of the plastic material is less than 50 MPa, it may be difficult to withstand mechanical stress due to thermal expansion of the battery module, whereas if it exceeds 400 MPa, injection processability is lowered by an excessive amount of additives and manufacturing cost is increased unnecessarily.
  • the plastic material has excellent flame retardancy that can withstand fire, for example, the combustion time is 60 seconds or less after primary contacting of a flame of 20 mm in length according to the standard UL-94 V test for 10 seconds, preferably the combustion time This is 30 seconds or less, and more preferably, the combustion time after secondary contacting for 10 seconds is 90 seconds or less, preferably the combustion time is 60 seconds or less, a high heat deflection temperature that can withstand the heat emitted from the battery module, for example ,
  • the heat deformation temperature which is the temperature when the specimen sags 0.254 mm while the oil is heated at a rate of 120 ° C / hr, is 50 to 300 ° C, preferably 80 to 270°C, more preferably 100 to 250°C.
  • the thermal deformation temperature of the plastic material is less than 50°C, deformation such as distortion of the upper housing 110 may occur due to heat generated in the battery module, whereas when it exceeds 300°C, the melting point is too high for compounding and Injection processability may be greatly reduced and manufacturing cost may increase unnecessarily.
  • the plastic material has excellent low-temperature impact properties that can be used even in a low-temperature environment, for example, Izod measured when the specimen is cut by striking with a hammer after leaving it in a chamber at -30°C for 30 minutes or more according to standard ASTM D256 (Izod)
  • the impact strength may be 1 kJ/m 2 or more, preferably 3 kJ/m 2 or more, more preferably 5 kJ/m 2 or more.
  • the Izod impact strength of the plastic material is less than 1 kJ/m 2 , the battery module cannot be properly protected, such as the battery module being damaged due to a crash accident in a low temperature environment such as winter.
  • the higher the low-temperature impact strength the more preferable, but it is preferable to maintain an appropriate level in trade-off with tensile strength, flexural strength, flame retardancy, and the like.
  • the plastic material has a shrinkage rate showing excellent dimensional accuracy, for example, the shrinkage rate measured by injection into a mold at a temperature of 23 ⁇ 2° C. and a humidity of 50 ⁇ 5% according to the standard ASTM D955 and separating after 24 ⁇ 0.5 hours is 0.03 to 3%, preferably 0.05 to 2%, more preferably 0.1 to 1%, and when the shrinkage ratio is less than 0.03%, properties such as injection productivity are reduced due to an excessive amount of additive, whereas when it is more than 3% It is difficult to satisfy the dimensional accuracy of ⁇ 0.3 mm.
  • the shrinkage rate measured by injection into a mold at a temperature of 23 ⁇ 2° C. and a humidity of 50 ⁇ 5% according to the standard ASTM D955 and separating after 24 ⁇ 0.5 hours is 0.03 to 3%, preferably 0.05 to 2%, more preferably 0.1 to 1%, and when the shrinkage ratio is less than 0.03%, properties such as injection productivity are reduced due to an excessive amount of additive, whereas when it is more than 3% It is
  • the upper housing 110 may be formed in a U-shape with the front and back sides open so that the battery module can be inserted, but the front and back surfaces are made of the same plastic material as the upper housing 110 . can cover
  • the upper housing 110 may be combined with a lower plate 120 made of a material different from that of the upper housing 110 , and the upper housing 110 and the lower plate 120 may be combined by insert injection molding. have.
  • the lower plate 120 is manufactured in advance and inserted into the injection mold, and then the plastic material of the upper housing 110 is injected into the mold to form a box-shaped structure.
  • the adhesion area may be increased by forming irregularities or the like on the adhesion surface or by roughening the surface roughness of the adhesion surface.
  • the lower plate 120 may be made of a metal material with high thermal conductivity, such as aluminum, copper, iron, etc., but polyamide (PA), modified polyphenylene oxide (mPPO), polybutyl terephthalate (PBT), polyethyl Engineering plastics such as terephthalate (PET), polycarbonate (PC), epoxy, preferably modified polyphenylene oxide (mPPO), carbon fibers, carbon nanotubes, graphene, aluminum nitride , boron nitride (boron nitride), silicon carbide (silicon carbide), carbon black, may be made of a plastic material filled with a thermally conductive additive including a metal powder such as aluminum.
  • PA polyamide
  • mPPO modified polyphenylene oxide
  • PBT polybutyl terephthalate
  • PET polycarbonate
  • epoxy preferably modified polyphenylene oxide (mPPO)
  • carbon fibers carbon nanotubes
  • graphene aluminum nitride
  • the thermal conductivity of the lower plate 120 is 0.5 to 1,000 W/m ⁇ K, preferably 1 to 600, in both cases made of a metal material and a case made of a plastic material in order to secure the heat dissipation characteristics of the battery module frame.
  • W/m ⁇ K, more preferably 2 to 300 W/m ⁇ K, may be made of a material.
  • thermal conductivity of the material forming the lower plate 120 is less than 0.5 W/m ⁇ K, heat dissipation characteristics are insufficient and degradation of the battery module may be induced, whereas when it exceeds 1,000 W/m ⁇ K, excessive The addition of the thermally conductive additive may cause a problem in that processability is lowered and manufacturing cost is unnecessarily increased.
  • the content of the thermal conductive additive is 3 to 200 parts by weight, preferably 5 to 170 parts by weight, more preferably based on 100 parts by weight of the engineering plastic. may be 10 to 150 parts by weight.
  • the content of the thermal conductivity additive is less than 3 parts by weight, it is difficult to realize thermal conductivity of 0.5 W/m ⁇ K or more, and when it is more than 200 parts by weight, the specific gravity of the plastic material exceeds 2 g/cm 3 , so the battery module frame weight reduction may be insufficient.
  • the surface to which the lower plate 120 is coupled to the upper housing 110 is at least partially curved, which is not flat, or a state in which notches or holes are formed.
  • the curved surface is flattened.
  • the length in the case of blooming may be 10% or more, preferably 20% or more, more preferably 30% or more compared to the length between both ends before blooming. This is to maximize the contact area where the lower plate 120 and the upper housing 110 are coupled so that they can be more firmly adhered and coupled.
  • the surface roughness (Ra) of the bonding surface of the lower plate 120 is 6 or more, preferably 25 or more, the surface roughness (Rmax) is 25 or more, preferably 100 or more, and the surface roughness (Rz) is 25 or more, preferably 100 or more.
  • FIG. 3 schematically shows an exploded perspective view of another embodiment of an electric vehicle battery module frame according to the present invention
  • FIG. 4 schematically illustrates a perspective view of the electric vehicle battery module frame shown in FIG. 3 .
  • the lower plate 120' may have a 'C' shape like the upper housing 110', and the lower Since both the plate 120' and the upper housing 110' have a 'C' shape, it is possible to further improve the dimensional accuracy of the empty space in which the battery module is mounted.
  • FIG. 5 schematically illustrates an embodiment in which a cooling plate is disposed under the frame of the electric vehicle battery module shown in FIG. 2 .
  • a cooling plate 300 having a refrigerant passage through which a refrigerant such as cooling water may flow may be disposed under the lower plate 120 .
  • the cooling plate 300 has a refrigerant passage 310 through which a refrigerant such as cooling water may flow therein, and may be made of a metal material such as aluminum. Since the lower plate 120 has a higher thermal conductivity than the upper housing 110 , most of the heat energy from the battery module can be quickly absorbed and transferred to the cooling plate 300 , thereby dissipating heat.
  • the ratio of the planar cross-sectional area of the refrigerant flow path 310 to the total planar cross-sectional area measured in the cross section at which the plane cross-sectional area of the refrigerant flow path 310 is maximized among the cross sections of the cooling plate 300 is about 50% or more, preferably It may be about 70% or more, and accordingly, the heat dissipation ratio, that is, the ratio of the heating amount of the cooling plate 300 to the total heating amount of the battery module frame may be 70% or more, preferably 80% or more, and the cross-sectional ratio is 50% If it is less than or the heat dissipation ratio is less than 70%, the rapid heat energy absorption of the lower plate 300 and thus heat dissipation characteristics may be insufficient.
  • a battery module frame of the same size was manufactured with the configuration shown in the table below.
  • Example 1 Comparative Example 1 Comparative Example 2 upper housing plastic 1 plastic 1 plastic 1 aluminum lower plate aluminum plastic 2 plastic 1 aluminum cooling plate aluminum aluminum aluminum aluminum
  • thermocouple is attached to the center of each side, and cooling water (density: 1069 kg/m2; kinematic viscosity coefficient: 0.002758 kg/ms; flow rate: 0.02 m/s) While moving, the amount of heat was applied through the electric heat of the battery module mounted inside, and the temperature of each thermocouple was measured to calculate the amount of heat generated and the heat dissipation ratio on each side.
  • the measurement results are as shown in Table 2 below.
  • Example 2 Cooling water area ratio (%) 50 70 50 70 50 70 calorific value (W) 9.7 9.4 70.2 71.9 4.6 4.3 1.8 1.6 Heat dissipation ratio (%) 10.5 10.1 75.7 77.5 4.9 4.9 1.9 2.0 Maximum temperature (°C) 39.9 38.3 38.5 36.2 37.9 36.9 38 37.4 Comparative Example 1 Cooling water area ratio (%) 50 70 50 70 50 70 50 70 calorific value (W) 10.8 10 68.1 70.2 4.9 4.4 2.1 1.9 Heat dissipation ratio (%) 11.6 10.8 73.4 75.7 5.3 4.7 2.3 2.1
  • the battery module frames of Examples 1 and 2 in which the upper housing is made of a plastic material and the lower plate is made of aluminum or a thermally conductive plastic material are Comparative Examples in which the upper housing and the lower plate are both made of a plastic material It was confirmed that the heat dissipation property was superior to that of 1, and the heat dissipation property was not significantly different compared to Comparative Example 2, which was made of an aluminum material, and at the same time, weight reduction of about 39% could be realized.

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Abstract

본 발명은 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고, 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있으며, 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다.

Description

전기차 배터리 모듈 프레임
본 발명은 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고, 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있으며, 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다.
전기차는 배터리의 안정성과 성능이 주행 가능 거리 등 전기차의 상품성을 결정짓는 가장 중요한 요소로 작용한다. 특히, 배터리의 성능은 주변의 온도에 크게 영향을 받는데, 일반적으로 0 내지 40℃의 온도로 유지되어야 적정한 성능을 구현할 수 있다.
그러나, 배터리는 충전 또는 방전(운행)되는 상황에서 열이 발생하며, 이는 주변 온도를 높여 배터리 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 사고 등 주변의 충격이나 전기차 자체의 진동으로부터 배터리를 보호할 필요가 있기 때문에, 이러한 배터리를 실장하여 안정적으로 지지 및 보호하는 프레임이 사용되고 있다.
종래 배터리 모듈 프레임은 배터리 모듈을 구성하는 다수의 배터리 셀들을 수용할 수 있는 금속 재질의 박스(box) 형태로 이루어질 수 있고, 이러한 금속 재질의 프레임은 높은 기계적 강도로 배터리 셀들을 외부의 충격으로부터 안정적으로 보호할 수 있으며, 높은 열전도도로 배터리 셀들로부터 방출되는 열을 배터리 모듈 밖으로 신속하게 방출시킬 수 있다.
일반적으로, 전기차가 내연 기관 자동차와 동일한 주행거리를 갈 수 있기 위해서는 약 360 내지 400 kg의 배터리가 필요하며, 여기서 배터리 모듈 프레임이 차지하는 무게는 약 10 내지 20% 수준이다. 따라서, 배터리 모듈 프레임의 무게를 줄일 수 있다면, 더 많은 배터리 셀을 장착할 수 있고 이는 곧 주행거리 증가로 이어질 수 있다.
따라서, 종래 금속 재질의 배터리 모듈 프레임은 경량화를 위해 비중이 7.8 g/㎤인 기존의 철 소재에서 경량 금속으로 비중이 2.7 g/㎤인 알루미늄 소재로 바뀌어 가고 있으나, 알루미늄 소재는 일반적으로 성형 가공이 어려워 생산성이 낮고, 압출 공정으로 제조하기 때문에 별도의 챔퍼링, 즉 각단면을 갖는 부재의 모서리 부분을 경사지게 또는 둥글게 가공하는 등의 추가 공정으로 가공비가 상승하는 문제가 있다.
특히, 전기차 배터리 모듈 프레임은 전기차의 진동에 의한 충격으로부터 배터리 모듈을 안정적으로 보호하기 위해 정해진 개수의 배터리 셀을 수납하기 위한 정밀하게 규격화된 공간을 형성해야 하고, 배터리 셀 사이의 이격 거리 및 배터리 팩 내에 배치되는 위치 등 매우 정밀한, 예를 들어, 공차 ±0.3 mm 수준의 치수 안정성을 확보해야 하나, 종래 성형 가공이 어려운 금속 소재의 배터리 모듈 프레임은 이러한 치수정밀도를 충분히 확보하기 어려운 문제가 있다.
최근, 알루미늄 소재 보다 가벼운 플라스틱 소재를 적용하여 경량화하는 추세에 있으나, 일반적으로 플라스틱의 열전도도는 금속 소재에 비해 훨씬 작아 방열 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있으며, 플라스틱에 열전도성 섬유 또는 방열 성능을 일부 개선할 수 있는 첨가제를 충진하여 사용하고 있으나 이러한 소재는 고가이고 방열 성능이 여전히 기존의 금속 재질에 비해 불충분한 단점이 있다.
따라서, 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고, 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있으며, 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
전기차 배터리 모듈 프레임으로서, 하부면이 개방되어 있고 내부에 배터리 모듈이 실장될 수 있는 빈 공간을 보유한 상부 하우징, 상기 상부 하우징의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트를 포함하고, 상기 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있고, 상기 하부 플레이트는 금속 소재 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 하부 플레이트는 열전도도가 0.5 내지 1,000W/m·K인, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 상부 하우징과 상기 하부 플레이트는 인서트 사출 성형으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
또한, 상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 적어도 부분적으로 굴곡되거나 노치 또는 홀이 형성된 상태이고, 굴곡된 표면을 평평하게 피는 경우의 길이가 피기 전의 양 끝단 사이의 길이에 비해 10% 이상 큰 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
그리고, 상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 표면조도(Ra)가 6 이상, 표면조도(Rmax)가 25 이상, 표면조도(Rz)가 25 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
나아가, 상기 상부 하우징은 규격 ASTM D638에 따른 인장강도가 30 내지 500 MPa이고, 규격 ASTM D790에 따른 굴곡강도가 50 내지 400 MPa이며, 규격 UL-94 V test에 따른 연소 시간이 60초 이하이고, 규격 ASTM D648에 따른 열변형 온도가 50 내지 300℃이며, 규격 ASTM D256에 따른 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 이상이고, 규격 ASTM D955에 따른 수축률이 0.03 내지 3%인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 상부 하우징을 형성하는 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 보강 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
또한, 상기 엔지니어링 플라스틱은 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)를 포함하고, 상기 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 베이스 수지 및 폴리스티렌(PS) 또는 폴리아미드(PA)의 추가 수지가 혼합된 복합 수지를 포함하고, 상기 베이스 수지와 상기 추가 수지의 중량 배합비는 95:5 내지 20:80인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
한편, 상기 열전도성 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 카본 블랙 및 금속 분말로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
또한, 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로, 상기 열전도성 첨가제의 함량은 3 내지 200 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
한편, 상기 하부 플레이트의 하부에는 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 냉각 플레이트의 횡단면 중 냉매 유로의 평면 단면적이 최대로 되는 횡단면에서 측정한 전체 평면 단면적 대비 냉매 유로의 평면 단면적의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임은 특정한 플라스틱 소재로 이루어진 상부 하우징 및 일정 수준 이상의 열전도도를 갖는 하부 플레이트의 결합을 통해 치수정밀도 및 강도가 우수하여 전기차 배터리 모듈을 안정적으로 지지 및 보호할 수 있는 동시에 우수한 방열 효과를 통해 전기차 배터리 모듈의 온도를 안정적으로 유지하여 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임은 특정한 플라스틱 소재를 통해 경량화에 유리하고 제조비용이 절감될 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 하나의 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 또 다른 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 2에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 하부에 냉각 플레이트가 배치되어 있는 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 하나의 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임(100)은 하부면이 개방되어 있고 내부에 복수 개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈이 실장될 수 있는 빈 공간을 보유하고 상기 배터리 모듈이 삽입될 수 있도록 앞면과 뒷면이 개방되어 있는 'ㄷ'자 형상의 상부 하우징(110), 상기 상부 하우징(110)의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트(120)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 상부 하우징(110)은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다. 상기 상부 하우징(110)이 플라스틱 소재로 이루어짐으로써 종래 금속 소재의 프레임과 달리 사출 성형이 가능하기 때문에 치수정밀도가 크게 향상되고, 이로써 상기 상부 하우징(110) 내벽과 배터리 모듈 사이의 더욱 긴밀한 밀착을 통해 이들 사이의 빈 공간을 최소화하여 전기차의 진동시에도 배터리 모듈을 더욱 안정적으로 지지 및 보호할 수 있고 상기 빈 공간에 의해 방열 효과가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 등의 엔지니어링 플라스틱, 바람직하게는 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)의 엔지니어링 플라스틱에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 카본 블랙 등의 보강 첨가제, 바람직하게는 유리섬유가 첨가될 수 있다.
여기서, 상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 100 중량부, 바람직하게는 5 내지 80 중량부, 더욱 바람직하게는 5 내지 70 중량부일 수 있다. 상기 보강 첨가제의 함량이 3 중량부 미만인 경우 상기 상부 하우징(110)의 목적한 인장강도, 굴곡강도 등의 기계적 특성을 만족할 수 없는 반면, 100 중량부 초과인 경우 상기 상부 하우징(110)을 제조하기 위한 사출시 사출기의 스크류, 금형 등의 마모가 심각해 생산성이 저하되고, 상기 플라스틱 소재의 비중이 증가하여 상기 상부 하우징(110)의 무게가 증가되며, 충격강도 등 일부 기계적 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 상기 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 베이스 수지에 폴리스티렌(PS), 폴리아미드(PA) 등의 추가 수지가 혼합된 복합 수지를 포함할 수 있는데, 상기 폴리페닐렌 옥사이드 수지(PPO)와 상기 폴리스티렌(PS), 폴리아미드(PA) 등의 추가 수지의 중량 배합비는 95:5 내지 20:80, 바람직하게는 90:10 내지 20:80, 더욱 바람직하게는 80:20 내지 20:80일 수 있다.
여기서, 상기 중량 배합비가 95:5 초과인 경우 상기 플라스틱 소재의 가공온도가 높아 성형성이 저하되고 제조비용이 증가하는 반면, 20:80 미만인 경우 상기 플라스틱 소재의 열변형 온도가 낮아 내열성이 저하되고 충격강도 등 기계적 특성이 저하되는 문제가 있다.
상기 플라스틱 소재는 배터리 모듈을 외부 충격으로부터 보호하기 위한 우수한 기계적 강도, 예를 들어, 규격 ASTM D638에 의해 5 mm/min의 속도로 20 kN의 하중 하에 측정된 인장강도가 30 내지 500 MPa, 바람직하게는 50 내지 400 MPa, 더욱 바람직하게는 70 내지 300 MPa, 규격 ASTM D790에 의해 5 mm/min의 속도로 20 kN의 하중 하에 측정된 굴곡강도가 50 내지 400 MPa, 바람직하게는 80 내지 300 MPa, 더욱 바람직하게는 100 내지 250 MPa일 수 있다.
여기서, 상기 플라스틱 소재의 인장강도가 30 MPa 미만인 경우 배터리 모듈을 외부의 충격으로부터 보호하기 위한 최소한의 기계적 특성이 만족되지 않을 수 있는 반면, 500 MPa 초과인 경우 과량의 첨가제에 의해 사출 가공성이 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 소재의 굴곡강도가 50 MPa 미만인 경우 배터리 모듈의 열팽창으로 인한 기계적 스트레스를 견디기 어려울 수 있는 반면, 400 MPa 초과인 경우 과량의 첨가제에 의해 사출 가공성이 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
한편, 상기 플라스틱 소재는 화재로부터 견딜 수 있는 우수한 난연성, 예를 들어, 규격 UL-94 V test에 의해 20 mm 길이의 불꽃을 10초간 1차 접염 후 연소 시간이 60초 이하, 바람직하게는 연소 시간이 30초 이하이고, 더욱 바람직하게는 10초간 2차 접염 후 연소 시간은 90초 이하, 바람직하게는 연소 시간이 60초 이하, 배터리 모듈에서 방출되는 열에 견딜 수 있는 높은 열변형 온도, 예를 들어, 규격 ASTM D648에 의해 시편을 오일에 침적하여 5분간 예열 후 오일을 120℃/hr의 속도로 승온하면서 시편이 0.254 mm 처질때의 온도인 열변형 온도가 50 내지 300℃, 바람직하게는 80 내지 270℃, 더욱 바람직하게는 100 내지 250℃일 수 있다.
여기서, 상기 플라스틱 소재의 열변형 온도가 50℃ 미만인 경우 배터리 모듈에서 발생하는 열로 인해 상기 상부 하우징(110)의 뒤틀림 등의 변형이 발생할 수 있는 반면, 300℃ 초과인 경우 융점이 너무 높아 컴파운딩 및 사출 가공성이 크게 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
또한, 상기 플라스틱 소재는 저온의 환경에서도 사용 가능한 우수한 저온 충격특성, 예를 들어, 규격 ASTM D256에 의해 -30℃의 챔버 내에서 30분 이상 방치 후 햄머로 타격하여 시편이 절단될 때 측정되는 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 이상, 바람직하게는 3 kJ/㎡ 이상, 더욱 바람직하게는 5 kJ/㎡ 이상일 수 있다.
여기서, 상기 플라스틱 소재의 상기 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 미만인 경우 겨울철 등 저온의 환경에서 충돌 사고 등에 의해 배터리 모듈이 파손되는 등 배터리 모듈을 적절히 보호할 수 없다. 한편, 저온 충격 강도는 높으면 높을수록 바람직하나, 인장강도, 굴곡강도, 난연성 등과 상충관계(trade-off)에 있어 적정한 수준을 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 플라스틱 소재는 우수한 치수정밀도를 나타내는 수축률, 예를 들어, 규격 ASTM D955에 의해 온도 23±2℃ 및 습도 50±5% 하에서 몰드에 사출하고 24±0.5 시간 이후 분리하여 측정된 수축률이 0.03 내지 3%, 바람직하게는 0.05 내지 2%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 1%일 수 있고, 상기 수축률이 0.03% 미만인 경우 과량의 첨가제 함량으로 사출 생산성 등의 특성이 저하되는 반면 3% 초과인 경우 ±0.3 mm의 치수정밀도를 만족하기 어렵다.
상기 상부 하우징(110)은 배터리 모듈이 삽입될 수 있도록 앞면과 뒷면이 개방되어 있는 'ㄷ자 형상으로 이루어질 수 있으나, 상기 상부 하우징(110)과 동일한 플라스틱 소재로 이루어진 전면 플레이트 및 후면 플레이트로 앞면과 뒷면을 커버할 수 있다.
상기 상부 하우징(110)은 상기 상부 하우징(110)과 상이한 소재로 이루어진 하부 플레이트(120)와 결합될 수 있으며, 상기 상부 하우징(110)과 상기 하부 플레이트(120)는 인서트 사출 성형으로 결합될 수 있다.
즉, 상기 하부 플레이트(120)가 미리 제조되어 사출기 금형 내부에 삽입되고, 그 다음 상기 상부 하우징(110)의 플라스틱 소재가 금형 내부로 사출되어 박스 형태의 구조를 만들 수 있다. 이 때, 서로 상이한 재료 간의 접착력을 높이기 위해 접착 면에 요철 등을 형성하거나 접착 면의 표면 조도를 거칠게 하여 접착 면적을 크게 할 수 있다.
상기 하부 플레이트(120)는 알루미늄, 구리, 철 등 열전도도가 높은 금속 소재로 이루어질 수 있으나, 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 에폭시 등의 엔지니어링 플라스틱, 바람직하게는 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)의 엔지니어링 플라스틱에 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 카본 블랙, 알루미늄 등의 금속 분말 등을 포함하는 열전도성 첨가제가 충진된 플라스틱 소재로 이루어질 수도 있다. 상기 하부 플레이트(120)의 열전도도는 배터리 모듈 프레임의 방열 특성을 확보하기 위하여 금속 소재로 이루어지는 경우 및 플라스틱 소재로 이루어지는 경우 모두 열전도도가 0.5 내지 1,000 W/m·K, 바람직하게는 1 내지 600 W/m·K, 더욱 바람직하게는 2 내지 300 W/m·K인 소재로 이루어질 수 있다.
상기 하부 플레이트(120)를 형성하는 소재의 열전도도가 0.5 W/m·K 미만인 경우 방열 특성이 불충분하여 배터리 모듈의 성능 저하가 유발될 수 있는 반면, 1,000 W/m·K 초과인 경우 과량의 열전도성 첨가제의 첨가에 의해 가공 성형성이 저하되고 제조비용이 불필요하게 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로, 상기 하부 플레이트(120)를 플라스틱 소재로 형성하는 경우, 상기 열전도성 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 200 중량부, 바람직하게는 5 내지 170 중량부, 더욱 바람직하게는 10 내지 150 중량부일 수 있다. 여기서, 상기 열전도성 첨가제의 함량이 3 중량부 미만인 경우 0.5 W/m·K 이상의 열전도도를 구현하기 어렵고, 200 중량부 초과인 경우 상기 플라스틱 소재의 비중이 2 g/㎤를 초과하여 배터리 모듈 프레임의 경량화가 불충분할 수 있다.
상기 하부 플레이트(120)가 상기 상부 하우징(110)과 결합되는 표면은 평평하지 않은 적어도 부분적으로 굴곡된 상태이거나 노치 또는 홀이 형성되어 있는 상태가 적합하며, 예를 들어, 굴곡된 표면을 평평하게 피는 경우의 길이가 피기 전의 양 끝단 사이의 길이에 비해 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 더욱 바람직하게는 30% 이상 클 수 있다. 이는 하부 플레이트(120)와 상부 하우징(110)이 결합되는 접촉 면적을 극대화하여 이들이 더욱 견고하게 접착 및 결합될 수 있도록 하기 위함이다.
구체적으로, 상기 하부 플레이트(120)의 결합 표면의 표면조도(Ra)는 6 이상, 바람직하게는 25 이상, 표면조도(Rmax)는 25 이상, 바람직하게는 100 이상, 표면조도(Rz)는 25 이상, 바람직하게는 100 이상일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임의 또 다른 실시예에 관한 분해 사시도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차 배터리 모듈 프레임(100')은 하부 플레이트(120')가 상부 하우징(110')과 같은 'ㄷ'자 형상을 보유할 수 있고, 하부 플레이트(120') 및 상부 하우징(110')이 모두 'ㄷ'자 형상을 보유함으로써 배터리 모듈이 실장되는 내부 빈 공간의 치수정밀도를 추가로 향상시킬 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 하부에 냉각 플레이트가 배치되어 있는 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하부 플레이트(120)의 하부에는 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트(300)가 배치될 수 있다.
상기 냉각 플레이트(300)는 이의 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로(310)가 형성되어 있고 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어질 수 있다. 상기 하부 플레이트(120)는 상기 상부 하우징(110)에 비해 열전도도가 크기 때문에 배터리 모듈로부터의 열에너지를 대부분 신속하게 흡수하여 상기 냉각 플레이트(300)로 전달함으로써 방열하는 기능을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 냉각 플레이트(300)의 횡단면 중 냉매 유로(310)의 평면 단면적이 최대로 되는 횡단면에서 측정한 전체 평면 단면적 대비 냉매 유로(310)의 평면 단면적의 비율은 약 50% 이상, 바람직하게는 약 70% 이상일 수 있고, 이에 따라 방열비, 즉 배터리 모듈 프레임의 전체 발열량 대비 상기 냉각 플레이트(300)의 발열량의 비율이 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상일 수 있고, 상기 단면 비율이 50% 미만이거나 상기 방열비가 70% 미만인 경우 상기 하부 플레이트(300)의 신속한 열에너지 흡수 및 이에 따른 방열 특성은 불충분할 수 있다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표에 기재된 구성으로 동일한 크기의 배터리 모듈 프레임을 제작했다.
실시예1 실시예2 비교예1 비교예2
상부 하우징 플라스틱1 플라스틱1 플라스틱1 알루미늄
하부 플레이트 알루미늄 플라스틱2 플라스틱1 알루미늄
냉각 플레이트 알루미늄 알루미늄 알루미늄 알루미늄
- 플라스틱 1 : 개질된 폴리페닐렌 옥사이드+유리섬유(열전도도 : 0.4 W/m·K)
- 플라스틱 2 : 열전도성 플라스틱(열전도도 : 1 W/m·K)
- 알루미늄 : 6,000 계열 알루미늄
2. 방열 특성 평가
실시예 및 비교예 각각에 따른 배터리 모듈 프레임에서 각 면의 중앙에 열전대를 부착하고, 냉각 플레이트에 냉각수(밀도 : 1069 kg/㎡; 동점성계수 : 0.002758 kg/ms; 유속 : 0.02 m/s)를 이동시키면서, 내부에 실장된 배터리 모듈의 전기발열을 통해 열량을 인가한 후 각각의 열전대의 온도를 측정하여 각 면에서의 발열량 및 방열비를 계산했다. 측정 결과는 아래 표 2에 기재된 바와 같다.
상부면 하부면 좌옆면 배면

실시예1		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 8.4 8.7 73.2 74.9 3.9 3.6 1.7 1.5
방열비(%) 9.1 8.4 79.2 80.7 4.2 3.8 1.8 1.7
최고온도(℃) 37.4 36.3 36.9 35.6 36.8 35.6 37.4 36.3

실시예2		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 9.7 9.4 70.2 71.9 4.6 4.3 1.8 1.6
방열비(%) 10.5 10.1 75.7 77.5 4.9 4.9 1.9 2.0
최고온도(℃) 39.9 38.3 38.5 36.2 37.9 36.9 38 37.4

비교예1		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 10.8 10 68.1 70.2 4.9 4.4 2.1 1.9
방열비(%) 11.6 10.8 73.4 75.7 5.3 4.7 2.3 2.1
최고온도(℃) 41.5 40.1 38.7 36.5 40.2 38.5 40.6 39.9

비교예2		 냉각수면적율(%) 50 70 50 70 50 70 50 70
발열량(W) 8.3 7.8 73.4 74.8 3.9 3.6 1.6 1.5
방열비(%) 9 8.4 79.2 80.7 4.2 3.9 1.8 1.6
최고온도(℃) 37.1 35.2 36.5 35.5 36.8 35.8 36.9 36
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어지고 하부 플레이트는 알루미늄 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어진 실시예 1 및 2의 배터리 모듈 프레임은 상부 하우징 및 하부 플레이트가 모두 플라스틱 소재로 이루어진 비교예 1에 비해 방열 특성이 우수하고, 모두 알루미늄 소재로 이루어진 비교예 2에 비해 방열 특성이 크게 차이나지 않는 동시에 약 39%의 경량화를 구현할 수 있는 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허 청구 범위의 구성 요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

Claims (12)

  1. 전기차 배터리 모듈 프레임으로서,
    하부면이 개방되어 있고 내부에 배터리 모듈이 실장될 수 있는 빈 공간을 보유한 상부 하우징, 상기 상부 하우징의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트 를 포함하고,
    상기 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어질 수 있고,
    상기 하부 플레이트는 금속 소재 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어질 수 있으며,
    상기 하부 플레이트는 열전도도가 0.5 내지 1,000W/m·K인, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 하우징과 상기 하부 플레이트는 인서트 사출 성형으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  3. 제1항 또는 제2에 있어서,
    상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 적어도 부분적으로 굴곡되거나 노치 또는 홀이 형성된 상태이고, 굴곡된 표면을 평평하게 피는 경우의 길이가 피기 전의 양 끝단 사이의 길이에 비해 10% 이상 큰 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 플레이트가 상기 상부 하우징과 결합되는 면은 표면조도(Ra)가 6 이상, 표면조도(Rmax)가 25 이상, 표면조도(Rz)가 25 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 상부 하우징은 규격 ASTM D638에 따른 인장강도가 30 내지 500 MPa이고, 규격 ASTM D790에 따른 굴곡강도가 50 내지 400 MPa이며, 규격 UL-94 V test에 따른 연소 시간이 60초 이하이고, 규격 ASTM D648에 따른 열변형 온도가 50 내지 300℃이며, 규격 ASTM D256에 따른 아이조드(Izod) 충격 강도가 1 kJ/㎡ 이상이고, 규격 ASTM D955에 따른 수축률이 0.03 내지 3%인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 하우징을 형성하는 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 블랙으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 보강 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱은 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)를 포함하고,
    상기 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO)는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 베이스 수지 및 폴리스티렌(PS) 또는 폴리아미드(PA)의 추가 수지가 혼합된 복합 수지를 포함하고,
    상기 베이스 수지와 상기 추가 수지의 중량 배합비는 95:5 내지 20:80인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 3 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열전도성 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 및 에폭시로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 카본 블랙 및 금속 분말로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로, 상기 열전도성 첨가제의 함량은 3 내지 200 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 플레이트의 하부에는 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트의 횡단면 중 냉매 유로의 평면 단면적이 최대로 되는 횡단면에서 측정한 전체 평면 단면적 대비 냉매 유로의 평면 단면적의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
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