KR20220040611A - 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압출-열처리-아노다이징-가공-용접의 순으로 이루어져 아노다이징에 대한 편리성을 확보하고, 가공 후 용접을 함으로써 용접품질의 건전성을 확보할 수 있는 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스에 관한 것이다.

Description

배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스{battery case manufacturing methods and battery case therby}

본 발명은 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스에 관한 것으로 압출-열처리-아노다이징-가공-용접의 순으로 이루어져 아노다이징에 대한 편리성을 확보하고, 가공 후 용접을 함으로써 용접품질의 건전성을 확보할 수 있는 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스에 관한 것이다.

또한 본 발명은 가볍고 열전달 특성이 우수한 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스에 관한 것이다.

수송기기의 배터리는 수송기기의 동력인 전기를 제공하기 위한 것으로, 파우치 또는 작은 상자모양의 배터리 셀과, 배터리 셀을 담을 수 있는 배터리 케이스, 그리고 배터리 케이스를 담을 수 있는 배터리 트레이(일명, 트레이, 유닛, 팩, 케이스 등으로 불림)로 구분할 수 있다.

전기 자동차용 배터리케이스는 자동차의 구동에 필요한 많은 양의 전기를 저장하기 위해 다수가 설치되어 있고, 이렇게 다수의 배터리를 안정적으로 보관하기 위해 다양한 형태의 배터리케이스가 개발되고 있으며, 그 예로 특허문헌 1내지 4가 있다.

특허문헌 1은 베이스 플레이트; 베이스 플레이트의 상부에 설치되고, 베이스 플레이트의 길이 방향을 따라 다수개의 독립 영역으로 분할된 보조 트레이와, 보조 트레이의 내부 영역 중 다수개의 배터리 셀이 밀착된 상태로 장착되는 배터리장착 영역과, 배터리 셀이 미장착된 배터리 미장착 영역을 가지는 트레이; 및 트레이의 외측 길이 방향을 따라 밀착되고, 구획 돌기에 의해 내부 영역이 하측과 상측으로 각각 구획되어 냉각수의 유동이 이루어지는 제1,2 방열판을 포함하는 방열부가 구비되되, 방열부는 제1 방열판으로 유입된 냉각수가 방열부의 하측 길이 방향을 따라 이동되어 상측에 위치된 제2 방열판으로 유입되고, 방열부의 상측 길이 방향을 따라 이동되면서 배터리 셀에서 전도된 열을 전도 받아 방열이 이루어지는 전기자동차용 배터리 트레이이고,

특허문헌 2는 하우징; 하우징의 전단부와 후단부에 마련된 냉각풍 유입부 및 유출부; 하우징의 전단부와 후단부 사이에 배터리모듈이 연속하여 장착되도록 마련된 복수의 모듈 장착부; 하우징의 중앙측에 위치하는 모듈장착부에 마련되며 배터리모듈과 하우징 사이를 실링하여 냉각풍이 배터리모듈만을 통과하도록 하는 중앙격벽; 및 중앙격벽이 마련된 모듈장착부의 전방에 인접하는 모듈장착부에 마련되며 배터리모듈과 하우징 사이를 실링하되 통풍홀이 이격되어 형성됨으로써 냉각풍이 통풍홀과 배터리모듈을 통과하도록 하는 전방격벽;을 포함하고, 모듈장착부는 하우징에 복수의 행/열로 마련되고, 중앙격벽은 동일 행에서 인접하는 배터리모듈의 사이 및 하우징과의 사이를 모두 실링하도록 구성된 전기자동차 배터리케이스이고,

특허문헌 3은 내부에 전기 자동차용 배터리가 수용되며, 상부는 개방되는 본체; 및 본체의 개방된 상부를 덮는 상부덮개를 포함하고, 배터리와 상부덮개가 상호 이격되도록 본체의 높이는 배터리의 높이보다 높게 형성되어, 본체 내부에서 배터리와 상부 덮개 사이에 냉각유로가 구비되며, 본체에서 냉각유로의 일측과 대향되는 위치에는 외부 공기가 냉각유로로 유입되도록 유입구가 형성되고, 본체에서 냉각유로의 타측과 대향되는 위치에는 냉각유로로 유입된 공기가 외부로 배출되도록 배출구가 형성되고, 본체의 양측에 위치되는 지지부와, 본체의 하측에 밀착되며 본체의 양측에 위치되는 지지부의 하측을 상호 연결시키는 연결부를 구비하는 하나 이상의 보조케이스를 더 포함하고, 보조케이스의 지지부 외측에는 승하강가이드부가 형성된 전기 자동차용 배터리케이스이며,

특허문헌 4는 복수개의 배터리 셀이 구비되는 전기자동차의 배터리 케이스에 있어서, 배터리 셀의 양끝 외면에 배치되는 고정판; 및 양끝 고정판의 양단부가 결합되어 고정판과 함께 배터리 셀을 감싸고 배터리 셀의 스웰링시 배터리 셀의 팽창방향으로 변형 가능하게 형성된 변형부재;를 포함하는 전기자동차의 배터리 케이스이다.

이와 같이 다양한 배터리케이스가 개발되고 있으나, 이들은 방열, 절연 특성이 떨어지는 문제가 있다.

즉, 케이스 내부에 배터리셀이 안착되며 전체면에서 완전 밀착이 되어야 방열 효율이 좋지만 그렇지 못하고, 충전과 방전이 반복되는 배터리 셀에서 통전으로 인해 셀 간에 영향을 주는 경우 배터리가 폭발할 우려를 갖는 단점이 있다.

절연을 위해 내부에 절연패드를 설치하거나, 전면 아노다이징을 실시하고 있다.

그러나 절연성만을 위하여 한쪽 끝을 용접으로 막은 후 아노다이징을 하는 경우는 내부에 에어포켓이 형성되어 아노다이징이 안되거나 아노다이징 특성이 떨어지는 현상이 발생하는 문제가 있다.

이에 아노다이징을 한 이후에 용접을 하여야 하며, 이때 아노다이징 층이 있는 면 위에 용접을 할 경우 불활성 가스를 투입한다 하더라도 아노다이징의 산화막이 깨지면서 용접비드의 내부에 잔류할 수 있고, 기포를 함유할 수 있어 용접 건전성을 해치고 용접강도를 저해할 수 있으므로, 아노다이징된 제품에서 용접이 필요한 부분만 CNC 가공을 통해 아노다이징 층을 제거하여야 하며, 이는 본체와 덮개 모두 닿는 부분과 약간의 여유 공간까지 아노다이징 층이 제거하여야 하는 불편이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1185720호 대한민국 등록특허 제10-1356200호 대한민국 등록특허 제10-1328010호 대한민국 공개특허 제10-2018-0068379호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 압출에 의해 함체 형상의 케이스 본체를 제작한 후, 열처리와 아노다이징을 포함하는 후처리 공정을 수행함에 따라 용접 부분을 최소화하여 용접에 의해 발생되는 뒤틀림이나 용접 후 이루어지는 후처리 공정을 최소화할 수 있게 한 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히 본 발명은 알루미늄 소재를 압출-열처리-아노다이징-가공-용접의 순으로 이루어져 아노다이징에 대한 편리성을 확보하고, 가공 후 용접을 함으로써 용접품질의 건전성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 가볍고 열전달 특성이 우수한 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 배터리케이스 제조 방법은 케이스본체의 개방부에 덮개를 설치하여 구성된 배터리케이스의 조제 방법에 있어서, 알루미늄합금을 압출하여 내부에 배터리 셀이 저장되는 공간을 갖고 표면에는 다수의 방열날개가 형성되며 양단이 개방된 케이스본체를 압출하는 본체압출단계; 케이스본체와 동일한 재질로 압출 또는 안연하여 판체 형상의 덮개를 제작하는 덮개제작단계; 압출된 케이스본체와 덮개의 내부응력을 제거하고 조직의 균일화를 위해 열처리하는 열처리단계; 에어포켓이 발생되는 것을 방지하기 위해 양단이 개방된 상태의 압출된 케이스본체와 판체 형상의 덮개를 아노다이징하여 절연막을 형성하는 아노다이징단계; 아노다이징된 케이스본체와 덮개의 용접부분을 절단 또는 절삭하여 기계 가공하는 기계가공단계; 케이스본체의 개방된 단부에 덮개를 용접하는 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 용접단계 이후 필요할 경우 용접부분에 발생된 비드를 제거하는 비드제거단계를 더 수행할 수 있다.

상기 아노다이징 단계에서 아노다이징 두께는 12 내지 18um인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 배터리케이스 제조 방법 및 이에 의해 만들어진 배터리케이스는 가볍고 열전도율이 높은 알루미늄이나 그 합금으로 제작됨에 따라 가볍고 방열 특성이 우수한 배터리 케이스를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 용접 부분을 최소화함에 따라 용접에 의한 변형을 줄일 수 있고, 용접 후 처리 공정을 최소할 수 있어 제작 공정을 단순화함은 물론 제작에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 아노다이징에 대한 편리성을 확보하고, 가공 후 용접을 함으로써 용접품질의 건전성을 확보할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 배터리케이스 제조 방법의 과정도
도 2는 본 발명에 따른 배터리케이스 제조 과정 중 압출된 케이스본체의 일예의 사진
도 3은 본 발명에 따른 배터리케이스 제조 방법에 의해 만들어진 케이스본체와 덮개의 용접 부분의 서로 다른 예의 단면도
도 4는 본 발명에 따른 배터리케이스 제조 방법에 의해 만들어진 배터리케이스의 일부 확대 사진
도 5는 본 발명에 따른 배터리케이스 제조 방법에 의해 만들어진 배터리케이스의 용접 부분의 확대 사진

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 아노다이징에 대한 편리성을 확보하고, 가공 후 용접을 함으로써 용접품질의 건전성(조직의 균일성, 기계적 성질의 적절성)을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 가볍고 열전달 특성이 우수한 배터리케이스를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 배터리케이스 제조 방법은 도 1에 도시한 바와 같이, 케이스본체(10)의 개방부에 덮개(20)를 설치하여 구성된 배터리케이스의 제조 방법으로, 알루미늄합금을 압출하여 내부에 배터리 셀이 저장되는 공간을 갖고 표면에는 다수의 방열날개(11)가 형성되며 양단이 개방된 케이스본체(10)를 압출하는 본체압출단계; 케이스본체와 동일한 재질로 압출 또는 안연하여 판체 형상의 덮개를 제작하는 덮개제작단계; 압출된 케이스본체와 덮개의 내부응력을 제거하고 조직의 균질화를 위해 열처리하는 열처리단계; 에어포켓이 발생되는 것을 방지하기 위해 양단이 개방된 상태의 압출된 케이스본체와 판체 형상의 덮개를 아노다이징하여 절연막을 형성하는 아노다이징단계; 아노다이징된 케이스본체와 덮개의 용접부분을 절단 또는 절삭하여 기계 가공하는 기계가공단계; 케이스본체의 개방된 단부에 덮개를 용접하는 용접단계를 포함한다.

상기 본체압출단계는 도 2에 도시한 바와 같이 양단이 개방된 통체 형상으로 케이스본체(10)를 압출하는 단계로, 알루미늄합금 소재를 압출하여 만들어지고, 압출된 케이스본체(10)는 외면에 다수의 방열날개(11)가 형성되어 있다.

상기 방열날개는 다양하게 변형하여 만들어질 수 있으나, 가능한 방열 효율을 높일 수 있도록 방열면적을 최대화하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 배터리케이스는 배터리 셀이 저장되는 공간을 갖는 것으로, 배터리 셀의 방전 시 발생하는 열로 인해 수명이 줄어드는 것을 방지하기 위해 열을 외부로 배출해 줄 수 있는 방열 효과를 높일 수 있게 하는 것이 바람직하고, 이를 위해 본 발명은 알루미늄합금을 사용하고, 표면에 다수의 방열 날개를 형성하였다.

물론, 소재로 방열특성이 우수한 구리합금, 알루미늄합금, 마그네슘합금 등이 있으나, 구리합금의 경우 열전달이 가장 좋지만 너무 무거우므로 오히려 수송기기의 배터리 성능을 해칠 수 있고, 마그네슘합금의 경우에는 LED의 방열판으로 사용될 정도로 방열특성이 우수하고 가벼우나, 부식에 약하고 성형성이 좋지 않아 압출과 같은 공법으로 제작하는데 어려움이 있다. 이에 따라 본 발명은 알루미늄합금을 소재로 사용하고 있다.

본 발명의 배터리케이스의 소재인 알루미늄합금은 가벼운 금속이므로 배터리 효율을 높일 수 있으며, 열전달 특성도 매우 우수하며, 부식 저항성도 우수한 장점이 있고, 성형성이 매우 우수하여 압출, 주조, 다이캐스팅 등 다양한 방면에 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한 상기한 바와 같이 방열날개(11)를 더 형성함에 따라 외부에 노출되는 부분의 표면적을 최대한 크게 함으로써 방열특성을 최대화 할 수 있게 하였다.

상기 덮개제작단계는 상기 케이스본체와 동일한 소재인 압출재 또는 압연재를 사용하여 제작할 수 있으며, 본체와 덮개가 맞닿는 부분은 용접 건전성을 위해 아노다이징 이후 기계가공을 한다.

상기 압출 후 실시하는 열처리단계는 상기 케이스본체와 덮개의 내부응력을 제거 하고 균일한 조직을 얻기 위한 단계로, 균질조건은 150~230℃에서 3~15시간 처리할 수 있다.

상기 아노다이징단계는 배터리케이스의 절연을 위한 절연막을 형성하는 단계로, 케이스본체는 양단이 개방된 상태에서 진행되고, 덮개는 판체인 상태에서 진행이 되며, 아노다이징 두께는 12 내지 18um인 것이 바람직하다.

즉, 케이스본체의 일측 단부가 막힌 상태로 아노다이징할 경우, 양쪽 끝의 거리에 대비하여 길이가 5배 이상 길 경우 중공형재 내부 아노다이징은 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 이 현상은 양극과 음극을 통하여 전류가 흐르면서 음극이 서로 마주보는 형상을 띠게 되므로 음극과 음극 사이에서 전자의 이동이 원활하지 않게 됨에 따라 내측 부분에서 아노다이징이 잘 일어나지 않게 됨에 따라서, 보조양극을 삽입하여 전자의 이동을 원활하게 만들어 주는 경우가 있으나, 매 아노다이징 시 마다 보조양극을 걸어주는 불편함이 발생하며, 보조양극의 연결이 불완전할 경우 아노다이징이 원활하게 되지 않는 문제점이 있을 수 있다.

이에 내부의 가장 얇은 아노다이징 층의 두께를 기준으로 아노다이징 시간을 늘림으로써 절연특성의 확보가 가능한 아노다이징 층의 두께를 내측면 전체에서 확보할 수 있고, 아노다이징 두께는 최소 12um 이상인 것이 바람직하다.

아노다이징 전 용접을 하여 한쪽 끝을 막은 상태에서 아노다이징을 하는 경우에 다양한 문제가 발생할 수 있다. 즉, 일측 단부를 막을 경우 막힌 단부의 안쪽에 에어포켓이 형성될 수 있으며, 이 에어포켓은 제품을 아노다이징 용액 속에 담글 때 제품 내부에 남아있던 공기가 미처 다 빠져나오지 못하고 남아있는 경우와, 아노다이징 도중에 소재표면에서 황산과 반응을 통하여 수소가스가 발생함에 따라 수소가스가 빠져나오지 못하고 위쪽으로 모이면서 일정 공간을 차지여 에어포켓을 형성하는 경우가 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해서는 아노다이징시 제품의 개방된 단부가 위쪽을 향하도록 고정시키는 방법이 있으나, 이렇게 하면 아노다이징 후 각 탱크에서 꺼낼 때마다 용기에 물이 가득 찬 상태로 다음 탱크로 넘어가는 것과 같은 현상이 발생하게 되므로 약품 손실이 대량으로 발생하고, 약품이 다음 공정으로 다량 넘어가게 되므로 각 탱크에서의 약품농도를 맞출 수 없는 현상이 발생하게 된다. 이에 회전 가능한 랙을 사용하거나 크레인으로 들어 올릴 때 케이스본체를 기울어진 상태로 들어 올리는 것이 바람직하지만 구현이 쉽지 않고, 내부에 차 있는 약품들이 빨리 빠져 나오지 않을 수 있는 문제가 있다.

이에 본 발명은 압출된 케이스본체의 양단이 모두 개방된 상태에서 아노다이징을 한 후 용접으로 한쪽을 막는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 기계가공단계는 용접 전에 용접부분을 절단 및 절삭하는 단계이다.

즉 아노다이징된 케이스본체와 덮개를 그대로 용접할 경우 용접 부분에 산화물과 가스가 내부로 유입되어 용접비드를 따라 크랙이 발생하며, 용접 단면 확인 시 내부에 기공이 많이 발생하는 문제가 있다. 이에 따라 용접 부분을 기계 가공하여 절연막을 제거한다.

물론, 케이스본체와 덮개가 서로 접하는 부분을 도 3에 도시한 바와 같이 가공하여 턱(10d, 20d)(도 3 (a) ~ (c )), 또는 경사접촉면(10s, 20s)(도 3 (e))을 기계가공하며, 도 3의 (a)~(b), 또는 (e)와 같이 가공할 경우 덮개가 좌우 측벽보다 안쪽에 위치 할 수 있도록 형성시킬 수 있다 .

상기 용접단계는 케이스본체의 일측의 개방 단부에 덮개를 용접하여 일체화하는 단계로, 레이저 용접 또는 FSW 용접을 통해 용접하는 것이 바람직하다.

상기 용접단계 이후 용접부분에 발생된 비드를 제거하는 비드제거단계를 더 수행할 수 있다.

용점은 작업자나 장치에 따라 정밀도가 달라질 수 있고 용접 과정에서 비드가 생성될 수 있으며, 이를 비드제거단계에서 절삭하여 제거한다.

10: 케이스본체 11: 방열날개
20: 덮개

Claims (4)

1. 케이스본체(10)의 개방부에 덮개(20)를 설치하여 구성된 배터리케이스의 제조 방법에 있어서,
   알루미늄합금을 압출하여 내부에 배터리 셀이 저장되는 공간을 갖고 표면에는 다수의 방열날개(11)가 형성되며 양단이 개방된 케이스본체(10)를 압출하는 본체압출단계;
   케이스본체와 동일한 재질로 압출 또는 압연하여 판체 형상의 덮개를 제작하는 덮개제작단계;
   압출된 케이스본체와 덮개의 내부응력을 제거하고 균일한 조직을 얻기 위해 열처리하는 열처리단계;
   에어포켓이 발생되는 것을 방지하기 위해 양단이 개방된 상태의 압출된 케이스본체와 판체 형상의 덮개를 아노다이징하여 절연막을 형성하는 아노다이징단계;
   아노다이징된 케이스본체와 덮개의 용접부분을 절단 또는 절삭하여 기계 가공하는 기계가공단계;
   케이스본체의 개방된 단부에 덮개를 용접하는 용접단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리케이스 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용접단계 이후 용접부분에 발생된 비드를 제거하는 비드제거단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 배터리케이스 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 아노다이징 단계에서 아노다이징 두께는 12 내지 18um인 것을 특징으로 하는 배터리케이스 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3 항 중 어느 한항의 배터리케이스 제작하는 방법으로 만들어진 배터리케이스.

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