WO2022177080A1 - 내충격성이 향상된 전기차 배터리 모듈 프레임 - Google Patents

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WO2022177080A1
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upper housing
vehicle battery
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이재익
이태훈
조민상
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엘에스전선 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to an electric vehicle battery module frame with improved impact resistance. Specifically, the present invention can stably support and protect an electric vehicle battery module due to improved impact resistance and excellent dimensional precision and strength, and maintains the temperature of the electric vehicle battery module stably through excellent heat dissipation effect to improve battery performance. It relates to an electric vehicle battery module frame that can be improved, advantageous for weight reduction, and reducing manufacturing cost.
  • the stability and performance of the battery are the most important factors that determine the marketability of an electric vehicle, 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 battery is maintained at a temperature of 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 by mounting the battery is used.
  • the conventional battery module frame may be made in the form of a metal box capable of accommodating a plurality of battery cells constituting the battery module, and such a metal frame may stably protect the battery cells from external impact with high mechanical strength. It can be protected from the battery, and the heat emitted from the battery cells can be quickly dissipated out of the battery module due to its high thermal conductivity.
  • a battery of about 360 to 400 kg is required, where the weight of the battery module frame is about 10 to 20%. Therefore, if the weight of the battery module frame can be reduced, more battery cells can be mounted, which can lead to an increase in the mileage.
  • 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 due to additional processes such as separate chamfering, that is, inclined or rounded the edge of a member 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 such as a position in which it is placed, for example, a tolerance of ⁇ 0.3 mm, but a battery module frame made of a metal material, which is difficult to form and process in the prior art, 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 by having excellent impact resistance and 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, the upper housing comprising: made of a plastic material, the lower plate is made of a metal material or a thermally conductive plastic material, and one or more ribs protruding from the surface are provided on at least one surface of the plastic material surface of the upper housing,
  • the rib provides an electric vehicle battery module frame in which an elastic modulus ratio (E o) defined by Equation 1 below satisfies 1 to 50.
  • E R is the modulus of elasticity of the rib (0.2% offset)
  • E P is the elastic modulus (0.2% offset) of the upper housing 110 .
  • the total volume of the rib provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that 5 to 90% based on the total volume of the upper housing.
  • a plurality of ribs are provided, and a distance between two adjacent ribs is 1/100 or more and less than 1/2 of the length of the surface of the upper housing provided with the ribs, providing an electric vehicle battery module frame do.
  • At least one surface of the surface made of the plastic material of the upper housing provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that it has an embossed structure locally protruding outward or an intaglio structure locally depressed inward.
  • the distance (B) between both ends of the position protruding outward in the embossed structure and the distance (B) between both ends of the position recessed inward in the engraved structure is the embossed structure or the intaglio structure provided with It provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that it is 1/1000 or more and less than 1/2 of the total length of a surface made of a plastic material.
  • the protrusion angle ( ⁇ ) of the embossed structure and the recessed angle ( ⁇ ) of the intaglio structure are 5 to 90°, it provides an electric vehicle battery module frame.
  • the reinforcing material is embedded in one or more of the surfaces made of the plastic material of the upper housing or the ribs provided on the surface made of the plastic material.
  • the thickness of the reinforcing material is 200 ⁇ m or more
  • the elastic modulus ratio (Eo) of the reinforcing material according to Equation 2 below is 1.1 to 50, and provides an electric vehicle battery module frame.
  • E S is the elastic modulus (0.2% offset) of the reinforcement
  • E P is the modulus of elasticity (0.2% offset) of the upper housing.
  • 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 the both ends before blooming It provides a large, electric vehicle battery module frame.
  • a primer layer composed of any one of an epoxy-based, an acrylic-based or a urethane-based primer layer is applied to the bonding surface of the lower plate and the upper lower jig to increase adhesion.
  • the surface on which 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 made of polyamide (PA), modified polyphenylene oxide (mPPO), polybutyl terephthalate (PBT), polyethyl terephthalate (PET), and polycarbonate (PC). It provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that it contains one or more engineering plastics selected from the group and one or more reinforcing additives selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, carbon nanotubes and graphene.
  • PA polyamide
  • mPPO modified polyphenylene oxide
  • PBT polybutyl terephthalate
  • PET polyethyl terephthalate
  • PC polycarbonate
  • the content of the reinforcing additive provides an electric vehicle battery module frame, characterized in that 5 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the engineering plastic.
  • 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 in 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 is made of a specific plastic material and has improved impact resistance and improved dimensional accuracy and It has excellent strength to stably support and protect the electric vehicle battery module, and it has an excellent effect of improving the battery performance by stably maintaining the temperature of the electric vehicle battery module through excellent heat dissipation effect.
  • the electric vehicle battery module frame according to the present invention exhibits an excellent effect in that it is advantageous to 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 illustrates a perspective view of the electric vehicle battery module frame shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 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 (PA6, PA66), modified polyphenylene oxide (mPPO), polybutyl terephthalate (PBT), polyethyl terephthalate (PET), engineering plastics such as polycarbonate (PC)
  • a reinforcing additive such as glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, carbon nanotube, graphene, etc., preferably glass fiber, may be added to the engineering plastic of polyamide (PA).
  • the content of the reinforcing additive may be 5 to 150 parts by weight, preferably 20 to 120 parts by weight, based on 100 parts by weight of the engineering plastic.
  • the content of the reinforcing additive is less than 5 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 exceeds 150 parts by weight, to manufacture the upper housing 110
  • productivity is reduced due to severe abrasion of screws and molds of the injection machine, the weight of the upper housing 110 is increased due to the increase in specific gravity of the plastic material, and some mechanical properties such as impact strength are lowered.
  • the plastic material has excellent mechanical strength for protecting 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, and the flexural strength measured by a 3-point flexural test under a load of 20 kN at a speed of 5 mm/min according to standard ASTM D790 is 50 to 500 MPa, preferably preferably 80 to 400 MPa, more preferably 130 to 350 MPa.
  • 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 by a 3-point flexural test under a load of 20 kN at a speed of 5 mm/min according to standard ASTM D790 is 50
  • 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 500 MPa, injection processability is reduced due to excessive additives and manufacturing cost is increased unnecessarily.
  • the plastic material has excellent flame retardancy that can withstand fire, for example, a flame of 20 mm in length according to the standard UL-94 V test for 10 seconds, and then the combustion time is 60 seconds or less, preferably the combustion time This is 30 seconds or less, and more preferably, the combustion time after the secondary flame contact for an additional 10 seconds may be 90 seconds or less, preferably the combustion time may be 60 seconds or less, and a high heat deflection temperature that can withstand the heat emitted from the battery module ,
  • the thermal deformation temperature which is the temperature when the specimen sags 0.254 mm while heating the oil at a rate of 120 ° C / hr after preheating for 5 minutes by immersing the specimen in oil according to the standard ASTM D648, is 50 to 300 ° C., preferably Preferably it may be 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, which is measured when the specimen is cut by striking with a hammer after leaving it for at least 30 minutes in a chamber at -30°C 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/m2
  • the battery module cannot be properly protected, such as the battery module being damaged by a crash accident in a low-temperature environment such as winter.
  • the higher the low-temperature impact strength the better, 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 deteriorated 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 deteriorated due to an excessive amount of additive, whereas when it is
  • the upper housing 110 may be formed in a U-shape with the front and rear 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 are formed by insert injection molding or a structural adhesive. can be combined.
  • the lower plate 120 is prepared in advance and inserted into the injection mold, and then the plastic material of the upper housing 110 is melted/injected into the mold and injected into a box-shaped structure.
  • the bonding area may be increased by forming irregularities or the like on the bonding surface or by roughening the surface roughness of the bonding surface.
  • the lower plate 120 and the upper housing 110 may be manufactured and adhered with a structural adhesive to form a box-shaped structure.
  • an epoxy-based, acrylic-based or urethane-based primer may be applied to the adhesive surface in order to increase adhesion.
  • the lower plate 120 may be made of a metal material having 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), preferably polyamide (PA), carbon fibers, carbon nanotubes, graphene, aluminum nitride, boron nitride ), may be made of a thermally conductive plastic material filled with a thermally conductive additive including a metal powder such as silicon carbide or aluminum.
  • PA polyamide
  • mPPO modified polyphenylene oxide
  • PBT polybutyl terephthalate
  • PET polyethyl Engineering plastics
  • PET polycarbonate
  • PA polyamide
  • carbon fibers carbon nanotubes
  • graphene aluminum nitride
  • boron nitride preferably polyamide (PA), carbon fibers, carbon nanotubes, graph
  • the thermal conductivity of the lower plate 120 is 0.5 to 1,000 W/m ⁇ K, preferably 1 to 600 W when made of a metal material or a plastic material in order to secure the heat dissipation characteristics of the battery module frame.
  • /m ⁇ K, more preferably 2 to 300 W/m ⁇ K may be made of a material.
  • the thermal conductivity of the material forming the lower plate 120 is less than 0.5 W/m ⁇ K, the heat dissipation property is 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 may be 5 to 150 parts by weight, preferably 20 to 120 parts by weight, based on 100 parts by weight of the engineering plastic.
  • the content of the thermal conductivity additive is less than 5 parts by weight, it is difficult to implement thermal conductivity of 0.5 W/m ⁇ K or more, and when it is more than 150 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 a notch or hole is formed is suitable, for example, 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) representing the centerline surface roughness of the joint surface of the protrusion of the lower plate 120 is 6 or more, preferably 25 or more
  • the surface roughness (Rmax) representing the maximum height of the concave-convex structure is 25S or more , preferably 100S or more
  • the 10-point average roughness (Rz) may be 25Z or more, preferably 100Z or more.
  • one or more ribs 111 protruding from the surface may be provided on the upper surface, the lower surface, or both of one or more of the plastic surfaces of the upper housing 110 .
  • the cross-sectional shape of the rib 111 may be a polygonal structure such as a triangle, a square, a pentagon, or a hexagon, or a circular structure such as a circle, an ellipse, or a semicircle, and the rib 111 is provided with the rib 111 It may be formed to extend in the longitudinal direction of the surface.
  • the total volume of the ribs 111 may be 5 to 90%, preferably 10 to 70%, based on the total volume of all plastic surfaces forming the upper housing 110 . If the total volume of the ribs 111 is less than 5%, the impact resistance of the upper housing 110 may be insufficient, whereas if it exceeds 90%, there may be a problem in that the manufacturing cost of the battery module frame is unnecessarily increased. .
  • a distance between two adjacent ribs 111 is 1/100 or more and less than 1/2 of the length of the surface of the upper housing 110 provided with the ribs 111 . , preferably 1/50 or more and 1/3 or less.
  • the distance between the two adjacent ribs 111 exceeds the standard, sufficient impact resistance cannot be implemented, whereas when the distance is less than the standard, the manufacturing cost of the battery module frame is unnecessarily increased according to an increase in material cost may occur.
  • the rib 111 may be made of a plastic material that is the same as the plastic material forming the upper housing 110 or has a resin added to the plastic material and a different type and content of the reinforcing additive, whereby the following Equation 1
  • the elastic modulus ratio (E o) defined as may be 1 to 50, preferably 1 to 30.
  • E R is the modulus of elasticity (0.2% offset) of the rib 111
  • E P is the elastic modulus (0.2% offset) of the upper housing 110 .
  • the elastic modulus ratio (E o ) of the rib 111 is less than 1, the impact resistance of the battery module frame may be insufficient, whereas if it exceeds 50, the manufacturing cost of the battery module frame according to the increase in the material cost of the rib 111 This may increase unnecessarily.
  • At least one plastic surface forming the upper housing 110 or a reinforcing material such as a metal mesh, a metal plate, a metal wire, and a plastic having high impact properties in the inside of the rib 111 provided on the plastic surface may be further embedded.
  • the metal in the metal mesh, metal plate, or metal wire may include iron, stainless steel, aluminum, copper, or the like.
  • the plastic having the high impact properties is polyamide (PA), polycarbonate (PC), polyethylene ethylene ketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET) / polybutylene terephthalate (PBT), modified polyphenylene
  • PA polyamide
  • PC polycarbonate
  • PEEK polyethylene ethylene ketone
  • PET polyethylene terephthalate
  • PBT polybutylene terephthalate
  • modified polyphenylene A fiber-reinforced plastic material including reinforcing fibers such as glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, and aramid fibers in a resin such as oxide (mPPO) and polyphenylene sulfide may be included.
  • the thickness of the reinforcing material is suitable for 200 ⁇ m or more, and when the thickness of the reinforcing material is less than 200 ⁇ m, it is difficult to secure sufficient impact resistance, and the upper housing 110 is bent or deformed by the pressure of the plastic material during injection molding. may not be suitable.
  • the elastic modulus ratio (Eo) according to Equation 2 below of the reinforcing material may be 1.1 to 50, preferably 1.5 to 30.
  • E S is the modulus of elasticity of the reinforcement (0.2% offset)
  • E P is the elastic modulus (0.2% offset) of the upper housing 110 .
  • the elastic modulus ratio (E o ) of the reinforcing material is less than 1.1, the impact resistance of the battery module frame may be insufficient, whereas if it exceeds 50, the manufacturing cost of the battery module frame may increase unnecessarily due to an increase in material cost.
  • one or more plastic surfaces of the upper housing 110 may be formed of the embossed structure 112 of FIG. 2B or the embossed structure 113 of FIG. 2C . That is, at least one plastic surface of the upper housing 110 has a structure 112 that protrudes outward locally as shown in FIG. 2B , or a structure that is locally depressed inward as shown in FIG. 2C . (113) can have.
  • the embossed structure 112 is the distance (B) between both ends of the protruding position to the outside
  • the intaglio structure 113 is the distance (B) between both ends of the protruding position to the inside is the embossed structure ( 112) or 1/1000 or more and less than 1/2 of the total length of the plastic surface provided with the intaglio structure 113, preferably 1/500 or more and 1/3 or less.
  • the protruding angle ⁇ of the embossed structure 112 and the recessed angle ⁇ of the intaglio structure 113 may be 5 to 90°, preferably 10 to 45°.
  • the impact resistance of the battery module frame may be insufficient, whereas when the distance (B) or the angle ( ⁇ ) is more than the standard, the upper housing ( 110), there is a problem in that the manufacturing cost of the battery module frame is unnecessarily increased as the material cost increases.
  • the thermal conductivity ratio (K o ) defined by Equation 3 below may be 3 to 1,000, preferably 5 to 600.
  • K R is the thermal conductivity of the lower plate 120
  • K L is the thermal conductivity of the upper housing 110 .
  • the thermal conductivity ratio (K o ) is less than 3, the heat dissipation characteristics of the battery module frame may be insufficient, whereas if it exceeds 1,000, the manufacturing cost of the battery module frame may be excessively increased.
  • FIG. 3 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 flow path 310 through which a refrigerant such as cooling water may flow may be additionally disposed below the lower plate 120 .
  • the cooling plate 300 has a refrigerant passage 310 through which a refrigerant such as cooling water can flow therein, and may be made of a metal material such as aluminum.
  • the lower plate 120 is made of a material having a higher thermal conductivity than the upper housing 110, so that most of the heat energy from the battery module is quickly absorbed and transferred to the cooling plate 300, thereby dissipating heat. have.
  • 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 may be about 70% or more, and thus the heat dissipation ratio, that is, the ratio of the heating value of the cooling plate 300 to the total heating value of the battery module frame may be 70% or more, preferably 80% or more, and the cross-sectional ratio is 50 % or when 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.
  • the battery module frames of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 2 and 3 including an upper housing made of a plastic material and a lower plate made of an aluminum material and provided with a rib having the configuration shown in Table 1 below and made of only aluminum
  • the degree of deformation of the battery module frame was analyzed using the simulation program Ls-Dyna.
  • the battery module frames of Examples 1 to 4 in which the elastic modulus ratio (Eo), volume ratio (%), and length ratio of the ribs were appropriately adjusted, are excellent in both impact resistance and economy in a well-balanced manner. Confirmed.
  • the battery module frame of Comparative Example 1 in which the ribs are not provided has insufficient impact resistance compared to the manufacturing cost, and the batteries of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 in which the ribs are provided but the elastic modulus ratio (Eo) is below the standard and the length ratio exceeds the standard It was confirmed that the module frame had significantly lowered impact resistance.
  • the battery module frame of Comparative Example 1 is made of only aluminum material, and thus has good impact resistance and manufacturing cost, but has a problem in applying it to an electric vehicle because of its heavy weight.
  • Simulation program Ls- to simulate the degree of deformation of the battery module frame when an impact of 5J is applied to the battery module frame including the upper housing made of plastic material and the lower plate made of aluminum material with the reinforcement of the configuration shown in Table 2 below. It was analyzed using Dyna.
  • Example 5 3 0.5 Woven Fiber Reinforced Plastics (PA/GF) 7.0
  • Example 6 3 One Woven Fiber Reinforced Plastics (PA/GF) 6.6
  • Example 7 5
  • Example 8 13 One steel plate 6.7
  • Example 9 15 2 steel plate 6.5 Comparative Example 4 15 0.15 steel plate 8.3
  • the battery module frames of Examples 5 to 9 in which the type of reinforcing material, the elastic modulus ratio (Eo) and the thickness were appropriately adjusted, were confirmed to have excellent impact resistance, while the thickness of the reinforcing material was less than the standard. It was confirmed that the battery module frame of Comparative Example 4 had significantly lowered impact resistance.
  • Example 10 20 1/20 6.8
  • Example 11 20 1/50 6.3
  • Example 12 30 1/20 6.4
  • Example 13 50 1/50 6.03
  • Example 14 8 1/20 9.3 Comparative Example 5 30 1/2 11.3
  • the battery module frame of Examples 15 to 18 and Comparative Example 2 including the upper housing made of a plastic material and the lower plate of the configuration shown in Table 4 below and the battery module frame of Comparative Example 1 made of only aluminum, the battery cells inside When mounting and applying power to the battery cells, the heat dissipation characteristics of the lower plate were evaluated.
  • the battery module frames of Examples 15 to 18, in which the thermal conductivity ratio of the lower plate was appropriately adjusted realized sufficient heat dissipation characteristics.
  • the battery module frame of Comparative Example 2 in which the thermal conductivity ratio of the lower plate was less than the standard it was confirmed that the lower plate did not implement sufficient heat dissipation characteristics.
  • the battery module frame of Comparative Example 1 made of only an aluminum material has excellent heat dissipation characteristics, but is not suitable for use in an electric vehicle because of its heavy weight.

Abstract

본 발명은 내충격성이 향상된 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 내충격성이 향상되는 동시에 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

내충격성이 향상된 전기차 배터리 모듈 프레임
본 발명은 내충격성이 향상된 전기차 배터리 모듈 프레임에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 내충격성이 향상되는 동시에 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 강도 및 열전도도는 금속 소재에 비해 훨씬 작아 내충격성 및 방열 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있으며, 플라스틱에 열전도성 섬유 또는 방열 성능을 일부 개선할 수 있는 첨가제를 충진하여 사용하고 있으나 이러한 소재는 고가이고 내충격성 및 방열 성능이 여전히 기존의 금속 재질에 비해 불충분한 단점이 있다.
따라서, 내충격성이 향상되는 동시에 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 내충격성이 우수한 동시에 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, 및 상기 상부 하우징의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트를 포함하고, 상기 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어지고, 상기 하부 플레이트는 금속 소재 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어지며, 상기 상부 하우징의 플라스틱 소재로 이루어진 면 중 하나 이상의 면에 그 표면으로부터 돌출된 하나 이상의 리브(rib)가 구비되고, 상기 리브(rib)는 아래 수학식 1로 정의되는 탄성계수비(Eo)가 1 내지 50을 만족하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
[수학식 1]
Eo=ER/EP
상기 수학식 1에서,
ER은 상기 리브(rib)의 탄성계수(0.2% offset)이고,
EP는 상기 상부 하우징(110)의 탄성계수(0.2% offset)이다.
여기서, 상기 리브(rib)의 총 체적은 상기 상부 하우징의 총 체적을 기준으로 5 내지 90%인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
또한, 상기 리브(rib)가 복수개 구비되고 인접한 2개의 리브 사이의 거리가 상기 리브가 구비된 상기 상부 하우징의 면의 길이의 1/100 이상 1/2 미만인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
한편, 상기 상부 하우징의 플라스틱 소재로 이루어진 면 중 하나 이상의 면은 국부적으로 외측으로 돌출된 양각 구조 또는 국부적으로 내측으로 함몰된 음각 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 양각 구조에서 외측으로 돌출된 위치의 양 말단 사이의 거리(B) 및 상기 음각 구조에서 내측으로 함몰된 위치의 양 말단 사이의 거리(B)는 상기 양각 구조 또는 상기 음각 구조가 구비된 플라스틱 소재로 이루어진 면의 전체 길이의 1/1000 이상 1/2 미만인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
또한, 상기 양각 구조의 돌출 각도(θ) 및 상기 음각 구조의 함몰 각도(θ)는 5 내지 90°인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
그리고, 상기 상부 하우징의 플라스틱 소재로 이루어진 면 중 하나 이상의 면 또는 상기 플라스틱 소재로 이루어진 면에 구비된 리브의 내부에 보강재가 매립되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 보강재의 두께는 200 ㎛ 이상이고, 상기 보강재의 아래 수학식 2에 따른 탄성계수비(Eo)는 1.1 내지 50인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
[수학식 2]
Eo=ES/EP
상기 수학식 2에서,
ES은 상기 보강재의 탄성계수(0.2% offset)이고,
EP는 상기 상부 하우징의 탄성계수(0.2% offset)이다.
한편, 상기 상부 하우징과 상기 하부 플레이트는 인서트 사출 성형 또는 구조용 접착제로 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.
상기 하부 플레이트와 상기 상부 하부징의 결합 면에는 접착력을 높이기 위해 에폭시계, 아크릴계 또는 우레탄계 중 어느 하나로 구성된 프라이머 층이 도포된 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 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.
또한, 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.
그리고, 상기 상부 하우징을 형성하는 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET) 및 폴리카보네이트(PC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 보강 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임을 제공한다.
여기서, 상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 5 내지 100 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 이루어지고 표면에 특정한 리브(rib)가 구비된 상부 하우징 및 일정 수준 이상의 열전도도를 갖는 하부 플레이트의 결합을 통해 내충격성이 향상되는 동시에 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 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 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.
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(PA6, PA66), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC) 등의 엔지니어링 플라스틱, 바람직하게는 폴리아미드(PA)의 엔지니어링 플라스틱에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 보강 첨가제, 바람직하게는 유리섬유가 첨가될 수 있다.
여기서, 상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 5 내지 150 중량부, 바람직하게는 20 내지 120 중량부일 수 있다. 상기 보강 첨가제의 함량이 5 중량부 미만인 경우 상기 상부 하우징(110)의 목적한 인장강도, 굴곡강도 등의 기계적 특성을 만족할 수 없는 반면, 150 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.
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 MPa이고, 규격 ASTM D790에 의해 5 mm/min의 속도로 20 kN의 하중 하에 3-point 굴곡시험으로 측정된 굴곡강도가 50 내지 500 MPa, 바람직하게는 80 내지 400 MPa, 더욱 바람직하게는 130 내지 350 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, 500 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 추가로 10초간 2차 접염 후 연소 시간은 90초 이하, 바람직하게는 연소 시간이 60초 이하일 수 있고, 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 성형 또는 구조용 접착제로 결합될 수 있다.
즉, 인서트 사출 성형의 경우, 상기 하부 플레이트(120)가 미리 제조되어 사출기 금형 내부에 삽입되고, 그 다음 상기 상부 하우징(110)의 플라스틱 소재가 금형 내부로 용융/주입되어 사출됨으로써 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.
구조용 접착제를 사용하는 경우, 상기 하부 플레이트(120)와 상기 상부 하우징(110)을 각각 제조하여 구조용 접착제로 접착함으로써 박스 형태의 구조를 만들 수 있다. 이 때, 접착력을 높이기 위해 에폭시계, 아크릴계 또는 우레탄계의 프라이머를 접착면에 도포할 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) 등의 엔지니어링 플라스틱, 바람직하게는 폴리아미드(PA)의 엔지니어링 플라스틱에 탄소 섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 질화알루미늄(aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide) 또는 알루미늄 등의 금속 분말 등을 포함하는 열전도성 첨가제가 충진된 열전도성 플라스틱 소재로 이루어질 수도 있다.
상기 하부 플레이트(120)의 열전도도는 배터리 모듈 프레임의 방열 특성을 확보하기 위하여 금속 소재로 이루어지거나 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 5 내지 150 중량부, 바람직하게는 20 내지 120 중량부일 수 있다. 여기서, 상기 열전도성 첨가제의 함량이 5 중량부 미만인 경우 0.5 W/m·K 이상의 열전도도를 구현하기 어렵고, 150 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 돌출부의 접합 표면의 중심선 표면 거칠기를 나타내는 표면조도(Ra)는 6 이상, 바람직하게는 25 이상, 요철 구조의 최대 높이를 나타내는 표면조도(Rmax)는 25S 이상, 바람직하게는 100S 이상, 10점 평균 거칠기인 표면조도(Rz)는 25Z 이상, 바람직하게는 100Z 이상일 수 있다.
한편, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 상부 하우징(110)의 플라스틱 면 중 하나 이상의 면의 상부표면이나 하부표면 또는 이들 모두에는 표면으로부터 돌출된 하나 이상의 리브(rib)(111)가 구비될 수 있고, 상기 리브(111)의 단면 형상은 삼각, 사각, 오각, 육각 등의 다각형 구조이거나 원, 타원, 반원 등의 원형 구조일 수 있고, 상기 리브(111)는 상기 리브(111)가 구비된 표면의 길이방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
여기서, 상기 리브(111)의 총 체적은 상기 상부 하우징(110)을 형성하는 모든 플라스틱 면의 총 체적을 기준으로 5 내지 90%, 바람직하게는 10 내지 70%일 수 있다. 상기 리브(111)의 총 체적이 5% 미만인 경우 상기 상부 하우징(110)의 내충격성이 불충분할 수 있는 반면, 90% 초과인 경우 배터리 모듈 프레임의 제조비용이 불필요하게 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 리브(111)가 복수개 구비되는 경우, 인접한 2개의 리브(111) 사이의 거리는 상기 리브(111)가 구비된 상기 상부 하우징(110)의 면의 길이의 1/100 이상 1/2 미만, 바람직하게는 1/50 이상 1/3 이하일 수 있다. 인접한 2개의 리브(111) 사이의 거리가 기준 초과인 경우 충분한 내충격성을 구현할 수 없는 반면, 기준 미달인 경우 재료비 증가에 따라 배터리 모듈 프레임의 제조비용이 불필요하게 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 상기 리브(111)는 상기 상부 하우징(110)을 형성하는 플라스틱 소재와 동일하거나 상기 플라스틱 소재에 첨가된 수지와 보강 첨가제의 종류 및 함량이 상이한 플라스틱 소재로 이루어질 수 있고, 이로써 아래 수학식 1로 정의되는 탄성계수비(Eo)가 1 내지 50, 바람직하게는 1 내지 30일 수 있다.
[수학식 1]
Eo=ER/EP
상기 수학식 1에서,
ER은 리브(111)의 탄성계수(0.2% offset)이고,
EP는 상부 하우징(110)의 탄성계수(0.2% offset)이다.
상기 리브(111)의 탄성계수비(Eo)가 1 미만인 경우 배터리 모듈 프레임의 내충격성이 불충분할 수 있는 반면, 50 초과인 경우 상기 리브(111)의 재료비 증가에 따른 배터리 모듈 프레임의 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
한편, 상기 상부 하우징(110)을 형성하는 하나 이상의 플라스틱 면 또는 상기 플라스틱 면에 구비된 리브(111)의 내부에는 금속 메쉬(mesh), 금속 플레이트, 금속 와이어, 고충격 특성을 갖는 플라스틱 등의 보강재가 추가로 매립될 수 있다. 여기서, 상기 금속 메쉬, 금속 플레이트 또는 금속 와이어에서 금속은 철, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고충격 특성을 갖는 플라스틱은 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌에틸렌케톤(PEEK), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)/폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리페닐렌설파이드 등의 수지에 유리 섬유, 탄소 섬유, 바살트(basalt) 섬유, 아라미드 섬유 등의 보강 섬유가 포함된 섬유강화플라스틱 소재를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 보강재의 두께는 200 ㎛ 이상이 적합하고, 상기 보강재의 두께가 200 ㎛ 미만인 경우 충분한 내충격성을 확보하기 어려우며, 상기 상부 하우징(110)의 사출 성형시 플라스틱 소재의 압력에 의해 휘어지거나 변형될 수 있어 적합하지 않다.
한편, 상기 보강재의 아래 수학식 2에 따른 탄성계수비(Eo)는 1.1 내지 50, 바람직하게는 1.5 내지 30일 수 있다.
[수학식 2]
Eo=ES/EP
상기 수학식 2에서,
ES은 보강재의 탄성계수(0.2% offset)이고,
EP는 상부 하우징(110)의 탄성계수(0.2% offset)이다.
상기 보강재의 탄성계수비(Eo)가 1.1 미만인 경우 배터리 모듈 프레임의 내충격성이 불충분할 수 있는 반면, 50 초과인 경우 재료비 증가에 따른 배터리 모듈 프레임의 제조비용이 불필요하게 증가할 수 있다.
도 2b 및 2c에 도시된 바와 같이, 상기 상부 하우징(110)의 하나 이상의 플라스틱 면은 도 2b의 양각구조(112) 또는 도 2c의 음각구조(113)로 형성될 수 있다. 즉, 상기 상부 하우징(110)의 하나 이상의 플라스틱 면은 도 2b에 도시된 바와 같이 국부적으로 외측으로 돌출된 구조(112)를 갖거나, 도 2c에 도시된 바와 같이 국구적으로 내측으로 함몰된 구조(113)를 가질 수 있다.
이러한 양각 구조(112) 또는 음각 구조(113)를 통해 상기 상부 하우징(110)의 하나 이상의 플라스틱 면은 외부의 충격을 완충하여 상기 충격이 상기 상부 하우징(110) 내부에 실장된 배터리 셀에 전달되는 것을 방지하거나 최소화할 수 있다.
상기 양각 구조(112)는 외측으로의 돌출되는 위치의 양말단 사이의 거리(B) 그리고 상기 음각 구조(113)는 내측으로의 둘출되는 위치의 양말단 사이의 거리(B)가 상기 양각 구조(112) 또는 상기 음각 구조(113)가 구비된 플라스틱 면의 전체 길이의 1/1000 이상 1/2 미만, 바람직하게는 1/500 이상 1/3 이하일 수 있다. 또한, 상기 양각 구조(112)의 돌출 각도(θ) 그리고 상기 음각 구조(113)의 함몰 각도(θ)는 5 내지 90°, 바람직하게는 10 내지 45°일 수 있다.
여기서, 상기 거리(B) 또는 상기 각도(θ)가 기준 미달인 경우 배터리 모듈 프레임의 내충격성이 불충분할 수 있는 반면, 상기 거리(B) 또는 상기 각도(θ)가 기준 초과인 경우 상부 하우징(110)의 재료비 증가에 따라 배터리 모듈 프레임의 제조비용이 불필요하게 증가하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 배터리 모듈 프레임의 방열특성과 관련하여, 아래 수학식 3으로 정의된 열전도도비(Ko)는 3 내지 1,000, 바람직하게는 5 내지 600일 수 있다.
[수학식 3]
Ko=KR/KL
상기 수학식 3에서,
KR은 하부 플레이트(120)의 열전도도이고,
KL은 상부 하우징(110)의 열전도도이다.
여기서, 상기 열전도도비(Ko)가 3 미만인 경우 배터리 모듈 프레임의 방열 특성이 불충분할 수 있는 반면, 1,000 초과인 경우 배터리 모듈 프레임의 제조비용이 과도하게 증가할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전기차 배터리 모듈 프레임의 하부에 냉각 플레이트가 배치되어 있는 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하부 플레이트(120)의 하부에는 내부에 냉각수 등의 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로(310)가 형성된 냉각 플레이트(300)가 추가로 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 큰 소재로 이루어짐으로써 배터리 모듈로부터의 열에너지를 대부분 신속하게 흡수하여 상기 냉각 플레이트(300)로 전달함으로써 방열하는 기능을 수행할 수 있다.
구체적으로, 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. 리브(rib)에 의한 내충격성 평가
아래 표 1에 나타난 구성의 리브(rib)가 구비되고 플라스틱 소재로 이루어진 상부 하우징과 알루미늄 소재로 이루어진 하부 플레이트를 포함하는 실시예 1 내지 4 그리고 비교예 2 및 3의 배터리 모듈 프레임과 알루미늄으로만 이루어진 비교예 1의 배터리 모듈 프레임에 대하여 5J의 충격을 인가했을때 배터리 모듈 프레임의 변형 정도를 시뮬레이션 프로그램 Ls-Dyna을 이용하여 해석했다.
구분 탄성계수비(Eo) 체적비율(%) 길이비 최대 변형량(mm) 경제성
실시예1 5 20 0.25 7.03 0.68
실시예2 10 20 0.25 6.5 0.76
실시예3 30 30 0.25 6.02 0.92
실시예4 30 80 0.25 5.34 1.18
비교예1 - - 6.1 1
비교예2 0.8 50 0.25 7.44 0.84
비교예3 10 20 0.5 7.3 0.73
- 체적비율=리브의 총 체적/모든 플라스틱 면의 총 체적*100
- 길이비=인접한 리브 사이의 거리/리브가 구비된 플라스틱 면의 길이
- 경제성 : 비교예 1의 제조비용 기준의 제조비용비
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 리브의 탄성계수비(Eo), 체적비율(%) 및 길이비가 적절하게 조절된 실시예 1 내지 4의 배터리 모듈 프레임은 내충격성 및 경제성이 모두 균형적으로 우수한 것으로 확인되었다. 반면, 리브가 구비되지 않은 비교예 1의 배터리 모듈 프레임은 제조비용 대비 내충격성이 불충분하고, 리브가 구비되나 탄성계수비(Eo)가 기준미달인 비교예 2 및 길이비가 기준초과인 비교예 3의 배터리 모듈 프레임은 내충격성이 크게 저하된 것으로 확인되었다. 비교예 1의 배터리 모듈 프레임은 알루미늄 소재로만 이루어져 있어 내충격성 및 제조비용이 양호하나 무게가 무거워 전기차에 적용하기에 문제가 있다.
2. 보강재에 의한 내충격성 평가
아래 표 2에 나타난 구성의 보강재가 매립된 플라스틱 소재로 이루어진 상부 하우징과 알루미늄 소재로 이루어진 하부 플레이트를 포함하는 배터리 모듈 프레임에 대하여 5J의 충격을 인가했을때 배터리 모듈 프레임의 변형 정도를 시뮬레이션 프로그램 Ls-Dyna을 이용하여 해석했다.
구분 탄성계수비(Eo) 두께(mm) 종류 최대 변형량(mm)
실시예5 3 0.5 직조된 섬유강화플라스틱(PA/GF) 7.0
실시예6 3 1 직조된 섬유강화플라스틱(PA/GF) 6.6
실시예7 5 1 섬유강화플라스틱(PA/CF) 6.2
실시예8 13 1 스틸 플레이트 6.7
실시예9 15 2 스틸 플레이트 6.5
비교예4 15 0.15 스틸 플레이트 8.3
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 보강재의 종류, 탄성계수비(Eo) 및 두께가 적절히 조절된 실시예 5 내지 9의 배터리 모듈 프레임은 내충격성이 우수한 것으로 확인된 반면, 보강재의 두께가 기준미달인 비교예 4의 배터리 모듈 프레임은 내충격성이 크게 저하된 것으로 확인되었다.
3. 양각 구조에 의한 내충격성 평가
아래 표 3에 나타난 구성의 양각 구조가 구비된 플라스틱 소재로 이루어진 상부 하우징과 알루미늄 소재로 이루어진 하부 플레이트를 포함하는 배터리 모듈 프레임에 대하여 5J의 충격을 인가했을때 배터리 모듈 프레임의 변형 정도를 시뮬레이션 프로그램 Ls-Dyna을 이용하여 해석했다.
구분 돌출각도(θ) 길이비 최대 변형량(mm)
실시예10 20 1/20 6.8
실시예11 20 1/50 6.3
실시예12 30 1/20 6.4
실시예13 50 1/50 6.03
실시예14 8 1/20 9.3
비교예5 30 1/2 11.3
- 길이비=돌출부 길이(B)/플라스틱 면의 길이
상기 표 3에 기재된 바와 같이, 양각 구조의 돌출각도 및 길이비가 적절히 조절된 실시예 10 내지 14의 배터리 모듈 프레임은 내충격성이 우수한 것으로 확인된 반면, 양각 구조의 길이비가 기준미달인 비교예 5의 배터리 모듈 프레임은 내충격성이 크게 저하된 것으로 확인되었다.
4. 하부 플레이트 열전도도에 따른 방열 특성 평가
플라스틱 소재로 이루어진 상부 하우징 및 아래 표 4에 나타난 구성의 하부 플레이트를 포함하는 실시예 15 내지 18 그리고 비교예 2의 배터리 모듈 프레임과 알루미늄으로만 이루어진 비교예 1의 배터리 모듈 프레임에 내부에 배터리 셀을 실장하고 상기 배터리 셀에 전원을 인가하는 경우 하부 플레이트의 방열 특성을 평가했다.
구분 열전도도비(Ko) 하부 플레이트
온도(℃)		 상부 하우징
온도(℃)		 하부면 방열비(%)
실시예15 3 38.4 39.4 76.5
실시예16 5 38.2 38.9 77.2
실시예17 20 37.9 38.3 78.1
실시예18 500 36.8 37.3 79.2
비교예1 36.5 37.1 79.5
비교예2 1 38.7 41.4 73.5
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 하부 플레이트의 열전도도비가 적절하게 조절된 실시예 15 내지 18의 배터리 모듈 프레임은 충분한 방열 특성을 구현하는 것으로 확인되었다. 다만, 하부 플레이트의 열전도도비가 기준 미달인 비교예 2의 배터리 모듈 프레임은 하부 플레이트가 충분한 방열 특성을 구현하지 못하는 것으로 확인되었다. 한편, 알루미늄 소재로만 이루어진 비교예 1의 배터리 모듈 프레임은 방열 특성이 우수하나 무게가 무거워 전기차에 사용하기에 적합하지 않다.
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 (16)

  1. 전기차 배터리 모듈 프레임으로서,
    하부면이 개방되어 있고 내부에 배터리 모듈이 실장될 수 있는 빈 공간을 보유한 상부 하우징, 및 상기 상부 하우징의 개방된 하부면에 결합되는 하부 플레이트를 포함하고,
    상기 상부 하우징은 플라스틱 소재로 이루어지고,
    상기 하부 플레이트는 금속 소재 또는 열전도성 플라스틱 소재로 이루어지며,
    상기 상부 하우징의 플라스틱 소재로 이루어진 면 중 하나 이상의 면에 그 표면으로부터 돌출된 하나 이상의 리브(rib)가 구비되고,
    상기 리브(rib)는 아래 수학식 1로 정의되는 탄성계수비(Eo)가 1 내지 50을 만족하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
    [수학식 1]
    Eo=ER/EP
    상기 수학식 1에서,
    ER은 상기 리브(rib)의 탄성계수(0.2% offset)이고,
    EP는 상기 상부 하우징(110)의 탄성계수(0.2% offset)이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리브(rib)의 총 체적은 상기 상부 하우징의 총 체적을 기준으로 5 내지 90%인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리브(rib)가 복수개 구비되고 인접한 2개의 리브 사이의 거리가 상기 리브가 구비된 상기 상부 하우징의 면의 길이의 1/100 이상 1/2 미만인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 하우징의 플라스틱 소재로 이루어진 면 중 하나 이상의 면은 국부적으로 외측으로 돌출된 양각 구조 또는 국부적으로 내측으로 함몰된 음각 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양각 구조에서 외측으로 돌출된 위치의 양 말단 사이의 거리(B) 및 상기 음각 구조에서 내측으로 함몰된 위치의 양 말단 사이의 거리(B)는 상기 양각 구조 또는 상기 음각 구조가 구비된 플라스틱 소재로 이루어진 면의 전체 길이의 1/1000 이상 1/2 미만인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 양각 구조의 돌출 각도(θ) 및 상기 음각 구조의 함몰 각도(θ)는 5 내지 90°인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 하우징의 플라스틱 소재로 이루어진 면 중 하나 이상의 면 또는 상기 플라스틱 소재로 이루어진 면에 구비된 리브의 내부에 보강재가 매립되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보강재의 두께는 200 ㎛ 이상이고,
    상기 보강재의 아래 수학식 2에 따른 탄성계수비(Eo)는 1.1 내지 50인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
    [수학식 2]
    Eo=ES/EP
    상기 수학식 2에서,
    ES은 상기 보강재의 탄성계수(0.2% offset)이고,
    EP는 상기 상부 하우징의 탄성계수(0.2% offset)이다.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 하우징과 상기 하부 플레이트는 인서트 사출 성형이나 구조용 접착제와 프라이머로 결합되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 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.
  11. 제10항에 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.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 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.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 하우징을 형성하는 플라스틱 소재는 폴리아미드(PA), 개질된 폴리페닐렌 옥사이드(mPPO), 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸테레프탈레이트(PET) 및 폴리카보네이트(PC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 엔지니어링 플라스틱 및 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 보강 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보강 첨가제의 함량은 상기 엔지니어링 플라스틱 100 중량부를 기준으로 5 내지 100 중량부인 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하부 플레이트의 하부에는 냉매가 흐를 수 있는 냉매 유로가 형성된 냉각 플레이트가 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기차 배터리 모듈 프레임.
  16. 제15항에 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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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120044853A (ko) * 2010-10-28 2012-05-08 현대자동차주식회사 플라스틱 복합재를 이용한 전기자동차용 배터리팩 케이스 어셈블리
KR20190007745A (ko) * 2017-07-13 2019-01-23 주식회사 엘지화학 배터리 팩
KR20200030967A (ko) * 2018-09-13 2020-03-23 주식회사 엘지화학 절연 구조가 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
WO2020060341A1 (ko) * 2018-09-20 2020-03-26 주식회사 엘지하우시스 전기자동차용 배터리 케이스
KR20200066852A (ko) * 2018-12-03 2020-06-11 에스케이씨 주식회사 배터리 셀 모듈

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120044853A (ko) * 2010-10-28 2012-05-08 현대자동차주식회사 플라스틱 복합재를 이용한 전기자동차용 배터리팩 케이스 어셈블리
KR20190007745A (ko) * 2017-07-13 2019-01-23 주식회사 엘지화학 배터리 팩
KR20200030967A (ko) * 2018-09-13 2020-03-23 주식회사 엘지화학 절연 구조가 향상된 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩
WO2020060341A1 (ko) * 2018-09-20 2020-03-26 주식회사 엘지하우시스 전기자동차용 배터리 케이스
KR20200066852A (ko) * 2018-12-03 2020-06-11 에스케이씨 주식회사 배터리 셀 모듈

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