전기 자동차(EV)의 가장 중요한 구성 요소 중 하나는 충돌이나 화재 발생 시 배터리를 건조하고 강력하며 안전하게 유지하는 것입니다.

이 구성 요소를 설명하는 데 사용되는 용어는 하우징, 케이스, 트레이, 상자 및 인클로저입니다. 현재 배터리 팩 인클로저에 사용되는 주요 재료에는 강철, 알루미늄 및 플라스틱 복합재가 포함됩니다.

당연히 전체 EV 배터리 팩은 상당히 무거워서 일반적으로 차량 총 중량의 약 40%를 차지합니다. 배터리 팩의 구성(셀 및 모듈, 열 관리, 배터리 관리 시스템(BMS), 분리막 등)을 고려할 때 이들이 차량 가격의 최대 50%에 달하는 매우 비싼 이유를 쉽게 발견할 수 있습니다. .

이것이 바로 배터리를 전기 자동차에 사용하는 동안과 사용 후에는 조심스럽게 취급해야 하는 이유입니다. 전기 자동차의 전원 배터리는 재활용이든 2차 사용이든 수명이 다하더라도 여전히 세상에 제공할 수 있는 것이 많기 때문에 전원 배터리는 분해 및 재활용이 쉬워야 합니다.

1. 이동식

하지만 2010년 이후 출시된 최초의 전기차에 사용된 배터리 케이스는 단단히 밀봉되도록 설계됐다. 이로 인해 불침투성, 내충격성, 내화성, 내수성 및 조작 방지성에 대한 요구가 극도로 높아져 배터리 및 재활용 공정에서 수리가 거의 불가능해지며 종종 방호복을 입은 사람들이 보호 케이스를 열어야 하는 경우도 있습니다. 현재 배터리 인클로저 설계 전략의 핵심은 분해, 화재 및 열 폭주 방지, 충돌 성능 및 재활용 가능성입니다. 하지만 전기차 배터리 시장은 배터리 화학, 배터리 패키징 형태(소프트팩, 원통형, 각형), 배터리 기술 등이 잦아지면서 빠르게 성장하고 있으며, 전고체 배터리 기술의 도래가 점점 가까워지고 있다. 이 모든 것이 전기 자동차 배터리 인클로저에 영향을 미칩니다.

앞으로 살펴보겠지만 차량 구조에서 배터리 인클로저의 역할은 지속적으로 진화하고 있으며 구조적 요구 사항이 증가하고 있으며 이로 인해 재료 가용성, 결합 기술 및 서비스 가능성 요구 사항에 대한 의문이 제기됩니다. 현재 전기 자동차의 약 80%는 알루미늄 배터리 케이스를 사용하고 나머지는 강철로 구성되어 있습니다. 그러나 새로운 열가소성 솔루션은 금속 솔루션에 대한 가볍고 혁신적인 대안을 제공합니다.

2. 배터리 팩 쉘 재질 선택

배터리 케이스 세계에서는 강철과 알루미늄 사이의 오래된 논쟁이 계속되고 있으며, 각 공급업체는 다른 공급업체보다 더 적합하다고 주장합니다. 철강업체들은 다른 소재에 비해 고강도, 성형성, 수리성, 비용 효율성, 생산 중 낮은 탄소 강도 등의 장점을 내세우고 있습니다.

플라스틱 솔루션은 무게를 줄이고, 비용을 낮추며, 안전성을 향상시키고, 재활용성 측면에서 환경에 미치는 영향을 줄이며, 강철이나 알루미늄보다 CO2 배출량이 적습니다.

SABIC은 Honda CR-V 플러그인 하이브리드용 열가소성 배터리 하우징으로 Edison Award를 수상했습니다. 6kg 사출 성형 폴리프로필렌 섬유유리 수지 용액은 1.6m x 1m, 두께 2mm의 대형 부품으로 Honda는 단열재를 사용한 강철 용액에 비해 무게를 10% 절감하고 비용도 10% 절감했습니다.

3. 배터리 팩 쉘

분명히 배터리 인클로저는 단순한 상자 이상이며, 역할 및 성능 요구 사항이 창의성과 혁신적인 엔지니어링의 기회를 창출하는 대형 구조적 안전 구성 요소입니다. 재료 공급업체의 경우 이는 LWB(레이저 용접 시트)에서 스탬핑된 여러 부품을 핫 스탬핑된 부품으로 순차적으로 결합하는 다중 부품 통합(MPI) 프로그램에 반영됩니다. 필요한 조인 작업 수를 줄입니다.

4. 열 폭주 보호

EV 배터리의 주요 초점 영역은 열 관리 및 열폭주 보호이며, 열가소성 수지가 빛을 발하는 부분입니다. 안전 조직 UL Solutions는 검증할 재료의 25개 원통형 셀을 포함하는 UL 2596("배터리 인클로저 재료의 열 및 기계적 특성 테스트 방법")이라는 새로운 엄격한 열 폭주 테스트를 개발했습니다. 강철 배터리 팩의 열 폭주(18650). SABIC 열가소성 소재의 특성은 이 테스트에서 소재 샘플을 섭씨 1,000도에서 5분 이상 화염에 노출시켰을 때 배터리 팩 측면의 온도가 섭씨 200도 미만이었습니다. 알루미늄 및 강철 케이싱에 필요한 단열이 필요합니다. 담요). 이는 SABIC이 개발한 열가소성 소재가 화재에 노출되면 탄화되기 시작하고 시간이 지남에 따라 팽창하기 때문입니다. 이는 열가소성 소재의 고유한 특성인 열을 전달하지 않는다는 의미입니다. 시간이 지남에 따라 거북이 껍질처럼 화재 및 열 전달에 대한 보호층이 됩니다. 표준 플라스틱은 이 테스트에 실패하지만 밀리미터 두께의 플라스틱은 매번 통과합니다. 또한, 열가소성 쉘의 성형은 창의성을 고취시키고 소재의 다양성을 높일 수 있습니다.

5. 전기차 배터리 교체

전기 자동차 배터리 기술의 특별한 발전은 배터리 교체 시 케이스가 핵심 역할을 한다는 것입니다. 여기서 배터리의 안전하고 효과적인 제거 및 보관은 배터리 케이스의 성능에 크게 좌우됩니다. 2013년 Better Place가 물러나기 전까지 배터리 교체는 모든 전기 자동차 생태계에서 자리를 잡는 것처럼 보였습니다. 그러나 특히 중국 자동차 제조업체인 Nio와 Geely(LFT-G는 Geely에서 작동함) 덕분에 숫자가 증가하고 있습니다.

독일 연구소인 프라운호퍼 공작 기계 및 성형 기술 연구소(IWU)의 차체 구성, 조립 및 분해 부서 책임자인 Uwe Frieß는 플러그 앤 플레이 배터리 교체가 실현되면 그 영향이 엄청날 것이라고 믿습니다. 공유 품목을 취급하는 방식을 실제로 경험하려면 부적절한 취급을 감지하기 위해 추가적인 충격 보호 인클로저와 필요한 상태 모니터링 시스템이 필요합니다. 두 시스템 모두 추가 구성 요소와 비용이 필요합니다.

6. 바디인화이트에서 배터리 하우징의 역할

인클로저에 영향을 미치는 배터리 기술의 또 다른 주요 발전은 차체(Body-in-White)에서 전기 자동차 배터리 역할의 진화입니다. 원래는 차체 지지 부품이었던 배터리 케이스가 이제 차체 구조의 일부가 되고 있으며, 자동차 제조업체에서는 케이스 디자인이 핵심 요소가 될 수 있는 배터리 대 차체 및 구조형 배터리까지 탐색하고 있습니다. . 차체(Body-in-White)에 통합된 배터리 팩의 경우 철강 업계는 현재 배터리 상단 덮개, 하단 슈라우드 및 프레임의 비용 및 성능 측면에서 경쟁력이 있습니다. 알루미늄은 열 전도성과 무게 절감을 통해 다른 옵션에 비해 매우 효율적인 셀-배터리 팩 솔루션입니다. 배터리-섀시 설계에서 열가소성 수지가 제공하는 설계 자유는 기능 통합 및 부품 수를 줄이면서 복잡한 기하학적 구조를 생산하는 측면에서 좋은 가치를 제공할 수 있습니다.

7. 지속 가능

그러나 배터리 팩을 구조적 구성 요소로 개발하는 것은 다른 측면, 특히 지속 가능한 생산, 구성 요소 수명 주기 및 순환성에 중요한 영향을 미칩니다.

대부분의 자동차 제조업체는 수리 가능성에 중점을 두기 때문에 배터리 케이스에 접근하고 제거하고 교체하는 경우가 많습니다. 그러나 그는 또한 현재의 수리 가능성이 부족하다는 점을 인정했습니다. 대부분의 딜러는 배터리를 수리하지 않고 대신 처리를 위해 OEM이나 기타 지정된 제3자에게 배터리를 돌려보냅니다. 전기 자동차 배터리의 경우, 지속 가능한 운송을 추구하는 데 있어서 수리 가능성은 최소한 재활용 가능성만큼 중요하며 훨씬 더 효율적입니다. 전기차 배터리 기술의 급속한 발전은 소비자들에게는 반가운 소식이다. 이는 또한 자동차 제조업체와 공급업체에게 흥미로운 기회와 과제를 제시합니다.

8. 전기 자동차 배터리 팩 쉘의 성능 요구 사항

1) 기계적 거동
배터리 팩 케이스의 강성은 특히 중요합니다. 대부분의 전기차에서 배터리 팩 케이스는 차량 구조의 중요한 부분이며, 그 성능은 차체 전체의 강성에 중요한 역할을 합니다. 이를 위해서는 배터리 팩 쉘이 정면 및 측면 충격에 대한 안전 요구 사항을 충족해야 합니다.

2) 열 관리 및 난연성
복합 배터리 팩 케이스의 또 다른 장점은 탄소 섬유 강화 복합재의 열전도율이 알루미늄 합금의 열전도율보다 200배 낮고 절연성이 더 우수하다는 것입니다. 따라서 복합 배터리 팩 케이스는 기존 금속 케이스보다 더 잘 견딜 수 있습니다. 가는곳마다 온도 성능. 현재 일반적으로 사용되는 리튬 이온 배터리의 이상적인 작동 온도는 10~40°C이며, 일반적으로 냉/열 관리 시스템을 추가해야 합니다. 복합 쉘은 단열 성능이 뛰어나고 열 조건에서 더 적은 에너지를 필요로 하여 차량 효율성을 더욱 향상시키고 전체 전력 소비를 줄입니다. 열 관리에 대한 긍정적인 영향 외에도 낮은 열 전도성은 효과적인 난연성을 위한 탁월한 전제조건입니다.
난연제를 추가하면 복합 쉘은 UL94-V-0 및 UL94-5VB와 같은 난연성 요구 사항을 쉽게 충족할 수 있습니다.

3) 기타 특성
또한 샌드위치 배터리 팩 케이스는 부식 방지 요구 사항을 더 잘 충족하고 더 나은 밀봉 기능을 제공할 수 있습니다. 중요한 영역의 전자파 차폐는 섬유 적층 및 섬유 부피 함량 설계를 통해 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 모두 설계에 통합할 수 있습니다.

9.  배터리 케이스에 사용되는 열가소성 및 강화플라스틱 소재의 제조공정 및 가치 반영 분석

금속 부품과 비교하여 대면적 완전 플라스틱 케이스는 사이클 시간을 단축하고 차량 중량을 줄여 전기 자동차(EV)의 주행 거리를 늘릴 수 있습니다. Lanxess와 Kautex Textron은 전기 자동차용 배터리 케이스가 엔지니어링 열가소성 수지로 설계 및 제조될 수 있는지 조사하기 위해 수년 동안 협력해 왔습니다. 직접 장섬유 열가소성(D-LFT) 및 폴리아미드 6(PA 6) 수지를 사용하여 타당성 조사에서 기술 실증 장치를 개발했습니다. 연구 시스템의 크기는 1,400*1,400mm(길이*너비)이며 무게가 두 자리 킬로그램 범위에 달하는 크고 복잡한 전체 플라스틱 인클로저입니다. 연구 프로젝트의 목표는 무게 및 비용 절감, 기능 통합 및 전기 절연 특성 측면에서 금속에 비해 열가소성 수지의 장점을 입증하는 것입니다. Coster의 제품 개발 이사인 Felix Haas는 다음과 같이 설명했습니다. "첫 번째 단계로 우리는 금속 강화 구조물의 사용을 없애는 동시에 이러한 복잡하고 큰 구성 요소를 상업적으로 생산할 수 있음을 입증했습니다." LANXESS의 전자 전력 시스템 프로젝트 매니저인 Christopher Hoefs 박사는 "Coaster와 LANXESS는 협력 결과를 활용하여 자동차 제조업체와 함께 연속 생산 R&D 프로젝트에 착수할 수 있기를 희망합니다."라고 덧붙였습니다.