배터리는 전기 자동차의 가장 중요한 핵심 부품 중 하나입니다. 고온, 도강, 심지어 충격에도 불구하고 배터리 보호의 안전성은 무시할 수 없습니다. 배터리의 안전을 보호하려면 배터리 쉘이 가장 중요합니다.

배터리는 전기자동차의 핵심 핵심 부품이기 때문에 전기자동차 연구자들은 전기자동차 배터리에 주목하고 배터리를 보호할 수 있는 이상적인 소재를 찾아왔다. 강철은 대량 생산을 위한 가장 경제적이고 지속 가능한 배터리 하우징 소재입니다.

배터리 하우징은 어떻게 보호하나요? & 배터리 케이스는 어떤 조건을 충족해야 합니까?

배터리 하우징은 전기 자동차의 필수 부품으로 고전압 배터리, 전자 장치, 센서 및 커넥터를 수용하여 차량의 전체 구조와 안전을 보호하고 중요 구성 요소를 외부 충격, 열 및 물 누출로부터 보호합니다. .

순수 전기차의 배터리 하우징은 비교적 크며 일반적으로 길이가 약 2m, 너비가 약 1m입니다. 이렇게 큰 제품에 방수, 기밀성을 확보하는 것은 기술적으로 어려운 일이다.

제품 설계 및 제조 과정에서 누수 방지 기술이 요구되는 한편, 각 배터리 박스 제품은 라인에서 굴러가기 전에 엄격한 기밀 검사를 통과해야 합니다.

동시에 배터리 쉘의 주요 임무는 배터리 모듈을 보호하는 것입니다. 이는 구동 시스템과 구조 요소 사이의 인터페이스이므로 전기 자동차의 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다.

효과적인 보호를 위해서는 사고 발생 시 배터리 모듈이 손상되지 않도록 보호할 수 있을 만큼 안정적이어야 합니다. 내장된 냉각 시스템은 배터리 모듈의 과열도 방지합니다.
마지막으로, 환경적 영향에도 불구하고 배터리 하우징은 수년간 정상적인 사용으로부터 배터리를 보호하기 위해 부식에 대한 저항력이 극도로 높아야 합니다.

전기 자동차의 짧은 충전 시간, 높은 전류 강도 및 높은 사용 빈도로 인해 배터리 하우징 재료는 우수한 절연성을 보장하면서 일정한 고온 저항 및 노화 저항을 가져야 하며 할로겐을 함유하고 있음을 언급할 가치가 있습니다. -난연제가 없고 연소시 연기밀도가 낮습니다.

전기자동차 배터리 하우징 박스의 열가소성 및 강화플라스틱 소재 제조공정 및 가치 분석

금속 부품에 비해 대형 전체 플라스틱 인클로저는 주기 시간을 줄이고 차량 중량을 줄이는 데 도움이 되어 전기 자동차(EV)의 주행 거리를 늘릴 수 있습니다.

Lanxess와 Kautex Textron은 전기 자동차용 배터리 케이스가 엔지니어링 열가소성 수지로 설계 및 제조될 수 있는지 여부에 대해 수년 동안 협력해 왔습니다.

직접 장섬유 열가소성(D-LFT) 및 폴리아미드 6(PA6) 수지를 사용하여 타당성 조사에서 기술 실증 장치를 개발했습니다.

연구 시스템의 크기는 1,400 x 1,400mm(길이 x 너비)이며 무게가 두 자릿수 킬로그램 범위에 달하는 크고 복잡한 전체 플라스틱 하우징입니다.

연구 프로젝트의 목표는 무게 및 비용 절감, 기능 통합 및 전기 절연 특성 측면에서 금속에 비해 열가소성 수지의 장점을 입증하는 것이었습니다.

Coster의 제품 개발 이사인 FelixHaas는 "첫 번째 단계로 우리는 금속 강화 구조물의 사용에서 벗어나 이러한 복잡하고 큰 구성 요소를 상업적으로 생산할 수 있음을 입증했습니다."라고 설명합니다.

박사 LANXess 전자 파워트레인 프로젝트 매니저인 ChristopherHoefs는 다음과 같이 덧붙였습니다. "Costa와 LANXESS는 협력 결과를 활용하여 자동차 제조업체와 연속 생산 연구 및 개발 프로젝트에 착수할 수 있기를 희망합니다."

단일 단계 제조 공정: 시연자는 C 세그먼트 전기 자동차의 배터리 하우징을 기반으로 합니다. 충돌방지구조를 갖는 쉘트레이와 쉘커버, 차량하부보호장치로 구성된다.

하우징 부품은 단일 단계 D-LFT 성형 공정을 사용하여 생산되며, 랑세스는 Duresan B24CMH2.0 폴리아미드 6(PA6)을 성형 플라스틱으로 최적화했습니다.

Koster는 공정을 위해 PA6와 유리섬유 로빙을 혼합합니다. 쉘 구조는 LANXess의 Tepex dynalite 섬유 강화 열가소성 복합재를 사용하여 부분적으로 강화되었습니다.

"이 공정은 사이클타임을 단축할 수 있어 철강이나 알루미늄의 공정시간보다 경제적이다"고 하스는 설명했다.

정보에 따르면 검증은 C세그먼트 전기차의 배터리 하우징 개발을 토대로 이뤄졌다. 충돌방지구조를 갖는 쉘트레이와 쉘커버, 차량하부보호장치로 구성된다.

오늘날 고전압 배터리의 케이스는 원래 압출 강철이나 알루미늄으로 만들어집니다.

차량 등급에 따라 하우징의 길이는 2,000mm, 너비는 1,500mm를 초과할 수 있습니다. 크기, 부품 수, 수많은 제조 및 조립 단계로 인해 금속 케이스는 매우 비쌉니다.

예를 들어 강연선 프로파일로 만들어진 복잡한 구조물에는 용접, 드릴링, 고정 등과 같은 많은 보조 작업이 필요합니다.

또한 추가적인 공정 단계에서 금속 부품을 음극 침지 코팅으로 부식으로부터 보호해야 합니다.

조립 및 물류 단순화: "반면에 플라스틱은 완전히 가공될 수 있습니다"라고 Hoefs는 말합니다. 패스너와 열 관리 구성 요소를 통합하면 배터리 하우징의 개별 구성 요소 수를 크게 줄일 수 있습니다. 조립 및 물류를 단순화하여 비용을 절감합니다."

플라스틱에는 내식성과 절연성도 있습니다. 예를 들어, 플라스틱은 시스템의 단락 위험을 줄일 수 있습니다. 플라스틱의 저밀도, 경량 구조는 쉘의 무게를 줄일 수 있어 전기자동차의 주행거리 증가에 도움이 된다.

고전압 배터리 하우징은 다양한 요구에 맞게 적응력이 뛰어나야 합니다. 예를 들어, 충돌 시 많은 에너지를 흡수할 수 있을 만큼 단단하고 강해야 합니다. 이는 기계적 충격 및 압출 테스트를 통해 테스트됩니다. 자동차에 불이 붙거나 배터리 열 폭주에 부딪힐 경우를 대비해 하우징은 난연성이어야 합니다. 궁극적으로 쉘은 차량 구조에 통합되어야 합니다.

Hoefs는 다음과 같이 말했습니다. "우리는 부품 생산 및 구조 설계 최적화를 위해 지속적으로 노력할 것입니다. 우리의 목표는 가상으로 작업하고 프로토타입 시험 비용을 절감하며 향후 제품군 부품의 출시 시간을 단축하는 것입니다."

동시에 최근 몇 년 동안 자동차 배터리 박스의 강화 플라스틱은 매우 높은 관심사입니다. SGLCarbon과 중국 자동차 제조업체 NIO가 복합 배터리 박스를 개발하기 위해 협력하는 등 이 문제가 설명될 수 있다고 SGLCarbon(독일 비스바덴)이 발표했습니다. 중국 자동차 제조사 NIO와 파트너십을 맺고 전기차용 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 프로토타입 배터리 하우징을 개발하고 있다고 밝혔다.
CFK 배터리 케이스는 기존 알루미늄이나 스틸 배터리 케이스에 비해 40% 가벼우며, 알루미늄 대비 약 200배에 달하는 열전도도와 강성이 높다고 한다. SGL 복합재 - 섬유 및 재료 사업부의 자동차 시장 부문 관리자인 SebastianGrasser는 "또한 복합재는 방수 및 기밀성, 내부식성 측면에서 최고의 가치를 제공합니다."라고 말했습니다. 바닥과 뚜껑에는 샌드위치 코어와 여러 층의 탄소 젤이 포함되어 있습니다.

바닥과 커버 생산을 위한 도구 설계는 SGL의 경량 및 응용 센터에서 개발되었으며, 이러한 부품에 사용되는 탄소 섬유는 미국 워싱턴주 MosesLake와 영국 오드주 뮤어에 있는 SGL 시설에서 생산됩니다. 독일 왁스도르프(Waxdorf)에서 얇은 소나무로 가공됩니다.

오스트리아 Riedim Innkreis에 있는 SGL 공장에서는 바닥재와 커버를 생산하고 개별 부품을 조립합니다. 배터리 케이스는 특히 가볍고 안정적이며 안전하다고 합니다.

보고서에 따르면 배터리를 포함한 전체 배터리 케이스도 NIO 자체 교환소에서 3분 이내에 교체할 ​​수 있다고 한다.

SGL Carbon은 전기 자동차의 증가와 함께 자동차 산업의 배터리 박스용 경량 솔루션에 대한 수요가 향후 몇 년 동안 급격히 증가할 것으로 예상합니다.


회사는 이미 다양한 파트너들과 협력해 향후 다양한 크기와 디자인의 전기차 배터리로 확장할 수 있는 복합재료 배터리 박스 개발을 진행 중이다.
"경량화는 NIO 기술 로드맵의 핵심 요소 중 하나입니다."

배터리 박스 시스템에 복합 재료, 특히 고성능 탄소 섬유를 사용하여 당사 차량은 더 나은 동적 주행 성능, 더 긴 주행 ​​거리 및 매우 높은 에너지 밀도 배터리 팩(180Wh/kg 이상)을 제공합니다.

이러한 기능은 최고의 제품 및 시스템 효율성과 같은 NIO 브랜드 가치와 잘 맞습니다.

고성능 복합배터리 팩 하우징 개발 및 검증 분석

보다 엄격한 배출 규제를 충족하기 위해 자동차 제조업체는 대규모로 생산할 수 있는 동력 구동 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

순수 전기, 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 연료 전지 및 기타 차량 유형은 미래 자동차 시장에서 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.

그러나 아직 전기자동차의 주행거리는 가솔린이나 디젤자동차의 수준에 미치지 못한다.

일반적으로 전기 자동차의 배터리 수명을 늘리는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 대용량 에너지 저장 시스템을 설치하는 것이지만 이로 인해 차량 무게가 증가합니다. 다른 하나는 에너지 밀도가 높은 에너지 저장 재료를 선택하는 것이지만 현재 배터리의 에너지 밀도는 응용 요구 사항을 충족할 수 없습니다.


또한, 차량의 전반적인 효율을 높이는 것은 연료소비를 줄이는 효과적인 방법이다. 위의 파워트레인 최적화 조치 외에도 에너지 절약 및 배기가스 저감을 달성하기 위해서는 경량화를 통한 주행저항 감소도 필요하다.

따라서 경량화는 연료자동차의 수요일 뿐만 아니라 전기자동차에도 매우 중요한 요소이다.
일반적으로 100kg의 경량화는 CO2 배출량을 약 10g/km, 연료 소비량을 최대 0.45l/100km까지 줄일 수 있습니다.


전기 자동차의 경우, 배터리 팩 하우징의 경량화로 인해 차량이 효율적으로 운행될 뿐만 아니라 배터리 수명도 길어집니다.
그러나 배터리 팩 하우징은 가벼우면서도 최대한 안정적이고 안전하게 설계되어야 합니다.

이에는 화재안전성, 강성, 열관리, 전자파 적합성, 내식성 등 다양한 요소를 고려해야 합니다.

1. 복합 배터리 팩 하우징의 모듈형 설계
현재 전기 자동차의 배터리 팩 하우징은 주로 알루미늄과 강철로 만들어집니다.

이에 비해 SGLCarbon이 개발한 복합전지 케이스는 40%의 무게 감소가 가능하며, 이와 관련된 기계적 특성은 다음과 같다.

배터리 팩 하우징의 바닥판과 상단 커버의 디자인은 하우징의 성능에 큰 영향을 미친다.

복합 배터리 쉘은 일반적으로 샌드위치 구조 디자인을 채택합니다. PET, EPDM, 알루미늄 폼 및 기타 유사한 코어 층 재료가 사용되며 다층 탄소 섬유 또는 유리 섬유 직물 복합 재료와 결합되어 급속 경화 수지 재료가 성형됩니다.
그 중 직물의 형태는 아래와 같이 축직물, 직포, 부직포 등이 될 수 있다. 섬유에서 프리프레그, 완제품까지의 공정 흐름은 아래 그림과 같습니다.

동시에 해당 응용 분야 요구 사항에 맞게 재료를 서로 유연하게 결합할 수 있습니다. 특히, 섬유의 연신방향을 따라 위치하는 직물층은 품질이 우수하여 부품의 디자인에 용이하게 적용할 수 있다.


따라서 섬유 또는 직물의 적층 방향 설계를 통해 서로 다른 힘 요구 사항을 달성하여 재료를 효과적으로 사용할 수 있습니다.
2. 전기차 배터리 팩 하우징의 성능 요구사항은 다음과 같다.
기계적 성질:
배터리 팩 하우징의 강성은 특히 중요합니다. 대부분의 전기차에서 배터리 팩 하우징은 차량 구조의 중요한 부분이며, 그 성능은 흰색 차체의 전반적인 강성에 중요한 역할을 합니다. 이를 위해서는 배터리 팩 하우징이 전방 및 측면 충격에 대한 안전 요구 사항을 충족해야 합니다.


그림에 도시된 바와 같이, 전지팩 하우징의 강성은 사용되는 샌드위치 구조에 따라 크게 달라지며, 샌드위치층 재료로는 일반적으로 알루미늄 폼 소재가 사용된다.
또한 섬유 강화 부품의 높은 비강성, 낮은 중량 및 우수한 감쇠 특성은 차량의 소음, 진동 및 NVH 성능에도 긍정적인 영향을 미칩니다.

열관리 및 난연제:

복합 배터리 팩 하우징의 또 다른 장점은 탄소 섬유 강화 복합 재료의 열전도율이 알루미늄 합금보다 200배 낮고 절연성이 우수하여 복합 배터리 팩 하우징이 고온 및 저온에 더 잘 견딜 수 있다는 것입니다. 전통적인 금속 하우징보다 성능이 뛰어납니다.

현재 일반적으로 사용되는 리튬이온 배터리의 이상적인 작동 온도는 10~40°C이며, 일반적으로 냉/열 관리 시스템을 추가해야 합니다.

복합 하우징은 단열 성능이 뛰어나고 더운 조건에서 에너지를 덜 필요로 하여 차량의 효율성을 더욱 향상시키고 전체 전력 소비를 줄입니다.

열 관리에 대한 긍정적인 효과 외에도 낮은 열전도도는 효과적인 난연성을 위한 탁월한 전제조건입니다.

난연제를 첨가하면 복합 쉘은 UL94-V-0 및 UL94-5VB와 같은 난연 요구 사항을 쉽게 충족할 수 있습니다.

연구진은 샘플 패널 재료에 대한 비교 테스트를 수행했습니다. 샘플을 800°C에서 불과 몇 센티미터 떨어진 불꽃에 노출시키고 반대편의 온도를 측정했습니다.

알루미늄 합금은 약 660℃의 온도에서 녹는점에 도달하므로 강판, 표준 열경화성 수지복합체 및 상기 난연제를 첨가한 샌드위치 복합재 샘플을 선택하여 시험하였고, 그 결과를 그림에 나타내었다. .

반대쪽의 온도는 다음과 같습니다. 강철: 30초 후 약 750°C, 표준 열경화성 수지 에폭시 복합재: 60초 후 약 550°C, 난연제가 첨가된 샌드위치 구조 재료: 180초 후 약 350°C.

이상의 결과는 샌드위치 구조의 복합전지팩 하우징이 우수한 난연성을 가짐을 보여준다. 동시에 물질은 자기소화성을 갖고 있어서 화재의 발생을 예방할 수 있다.

열전도율이 낮기 때문에 화재 발생 시 복합 쉘은 배터리 연소로 인해 발생하는 높은 열만을 인접한 부품과 승무원 객실로 전달할 수 있어 승무원이 탈출할 수 있는 귀중한 시간을 확보할 수 있습니다.

기타 속성:
또한 SGL Carbon이 개발한 샌드위치 배터리 팩 하우징은 부식 방지 요구 사항을 더 잘 충족하여 더 나은 밀봉 기능을 제공할 수 있습니다.
섬유 적층 및 섬유 부피 함량의 설계를 통해 중요 영역의 전자파 차폐를 달성할 수 있습니다.

동시에, 복합 재료의 적용은 통합 설계를 위한 더 많은 공간을 제공하고 관련 강화 구성 요소, 추가 구성 요소, 연결 구성 요소, 센서 등을 통합 설계할 수 있습니다.