신에너지 자동차와 에너지 저장 기술의 급속한 발전에 따라, 배터리 시스템의 핵심 에너지 운반체인 전지 트레이의 안전성과 신뢰성이 큰 관심을 받고 있습니다. 배터리 트레이는 모듈 수납 및 보호 구조물로서, 전기적 절연 성능이 차량 안전 운행, 배터리 수명, 사용자 안전에 직결됩니다. 배터리 트레이의 전기 안전 설계는 다층 보호(절연, 구조, 열, 모니터링 등)를 통해 복잡한 작동 환경에서 배터리 안정성을 확보하며, 전기 고장으로 인한 화재·폭발·감전 위험을 저감하고 시스템 신뢰성을 향상시킵니다.

본 논문은 배터리 트레이의 전기적 절연 안전성을 중심으로 설계 원칙, 내압 성능 검증 방법, 주요 고장 사례의 근본 원인 분석 및 개선 전략을 체계적으로 제시하여 고안전성 배터리 시스템 설계에 이론적 기반과 실무 참고자료를 제공합니다.

상편 설계 포인트

배터리 시스템의 전기 안전 설계는 "예방-제어-비상대응" 삼위일체 원칙에 기반합니다: 절연 분리, 신뢰성 있는 연결, 열관리 등을 통한 고장 예방; 센서와 BMS를 활용한 실시간 제어; 방화 압력 방출 설계를 통한 극한 상황 대응. 모든 요소가 상호 협력하여 배터리 시스템의 전 수명 주기 동안 안전성과 유지보수성, 규정 준수를 보장해야 합니다. 배터리 트레이는 구조적 지지뿐만 아니라 전기적 분리, 열관리, 미끄럼 방지, 기계적 보호, 접지, 모듈화 설계 등 다중 기능을 수행하며, 배터리 시스템의 전기적 안전 보장에 핵심 역할을 합니다.

1-구조적 지지로 전기 연결 신뢰성 확보

배터리 트레이는 모듈 고정, 기계적 응력 감소, 진동·충격 저항, 정렬 유지, 환경 보호, 열관리 통합 등을 통해 복잡한 환경에서도 전기 연결의 신뢰성과 안전성을 보장합니다.

그림 1 배터리 트레이

A.물리적 지지 및 고정은 구조적 변형이나 변위로 인한 접촉 불량을 방지하기 위해 전기 연결 지점(예: 버스바, 배선 하네스 및 커넥터)의 정확한 정렬을 보장합니다. 진동이나 충격으로 인한 느슨함이나 파손을 방지하기 위해 배터리 모듈과 커넥터를 고정하는 견고한 프레임을 제공합니다.

B.환경적 격리 및 보호: 밀봉 설계(예: IP67/IP68)를 통해 수증기, 먼지, 염분 분무 등의 침투를 방지하고 부식이나 절연 실패로 인한 단락을 방지합니다. 외부 기계적 충격이나 이물질 충격을 차단하여 고전압 연결 구성 요소를 보호합니다.

C.열 관리 시너지: 통합 방열 구조(예: 액체 냉각판, 열 패드)는 온도를 균형 있게 조절하여 국부 과열로 인해 연결 지점이 산화되거나 용접되는 것을 방지합니다. 열 절연 설계를 통해 인접한 모듈 간의 열 간섭을 줄여 온도 구배로 인한 재료 팽창 차이를 방지합니다.

D.전자기 호환성(EMC) 지원: 금속 차폐층이나 전도성 코팅을 통해 전자기 간섭을 억제하여 저전압 신호선(예: BMS 통신선)을 고전압 회로 간섭으로부터 보호합니다.

2-절연 보호는 효율적인 절연 환경을 구축합니다

배터리 전기 절연 설계의 초점은 고전압 전기를 효과적으로 절연하고 시스템의 효율적인 작동을 보장할 수 있는 환경을 만드는 것입니다. 배터리 모듈이 모든 작동 조건에서 안전하게 패키징될 수 있도록 보장하고, 전기 에너지의 우발적 방출을 방지하여 잠재적인 전기적 위험을 피할 수 있습니다.

A.배터리 트레이 구조는 하중 지지와 절연 보호를 모두 고려합니다:

l 압출 알루미늄 합금과 같은 알루미늄 합금 소재는 높은 강성과 내충격성을 유지하면서도 경량화를 달성하기 위해 선호됩니다. 외부 프레임은 전체 배터리 시스템의 무게와 외부 충격을 지지하는 데 사용됩니다. 폐쇄형 단면 프로파일은 구조적 강도를 강화하는 데 사용됩니다. 내부 프레임은 배터리 모듈과 수냉판 등을 지지하도록 설계되어 안정성과 방열 요구 사항을 보장합니다.

l 절연 재료는 배터리 모듈과 트레이 사이의 양호한 전기적 절연을 보장하기 위해 패드 또는 코팅으로 사용됩니다. 고전압 배선 하네스는 트레이와의 전기적 여유 공간과 연면 거리를 보장하기 위해 전용 관리 경로와 절연 덮개가 있어야 합니다.

l 교반 마찰 용접과 같은 고급 용접 기술은 열 영향 영역을 줄이고 변형 및 잠재적 균열을 방지하면서 연결 강도를 개선하는 데 사용됩니다. 용접하기 불편한 부품의 경우 볼트 연결 또는 리벳팅을 실런트와 결합하여 기계적 연결과 전기적 절연의 신뢰성을 보장합니다.

l 전반적인 구조의 안정성에 영향을 주지 않으면서 배터리 교체와 유지관리를 용이하게 하기 위해 설계 시 모듈화를 고려했습니다.

그림 2 전기적 여유 및 연면거리의 개략도

B.고전압 및 저전압 절연 설계의 핵심 사항:

l 배터리 시스템의 양극 및 음극 지점은 저전압 전원 공급 시스템 및 배터리 트레이에서 절연되어야 하며, 고전압 회로와 저전압 제어 회로 사이에 충분한 전기적 여유 공간과 연면 거리가 있어 안전 기준을 충족하고 저전압 시스템으로의 고전압 누설을 방지해야 합니다.

l 고저전압 절연 설계는 전자파 적합성(EMC)을 고려하여 절연 조치가 간섭을 일으키지 않고 시스템이 안정적으로 작동하도록 해야 합니다.

l 고임피던스 연결, 고전압 및 저전압 시스템은 고임피던스를 통해 연결되며, 차량 본체 접지(배터리 트레이)만 전류 흐름을 제한하여 고전압 시스템 오류가 저전압 시스템으로 확산되도록 합니다.

l 물리적 절연 조치, 배터리 트레이를 설계할 때 고전압 및 저전압 구성 요소를 서로 다른 폐쇄된 챔버에 배치하여 물리적 분리를 통해 상호 영향을 줄일 수 있습니다. 배터리 모듈과 트레이 사이에 폴리머 플라스틱이나 고무와 같은 절연 재료를 패드로 사용하여 물리적 및 전기적 절연을 보장합니다.

l 필요한 경우 안전하게 수리하거나 교체할 수 있도록 설계 시 격리 조치의 유지관리 가능성을 고려하세요.

C.접촉 보호 설계의 핵심 포인트:

l 고전압 하네스 관리: 고전압 하네스는 절연 덮개로 적절히 감싸고 고정 클립이나 와이어 트로프를 통해 체계적으로 관리하여 노출을 피하고 직접 접촉 위험을 줄여야 합니다.

l 안전 칸막이: 배터리 모듈 사이와 배터리 모듈과 트레이 벽 사이에 절연 칸막이를 설치하여 배터리가 손상될 때 전해액 누출로 인한 간접 감전 위험을 방지합니다.

l 고전압 구성 요소 패키징: 고전압 커넥터 및 릴레이와 같은 핵심 구성 요소는 트레이 내부에서도 이러한 구성 요소가 우연히 직접 닿지 않도록 패키징됩니다.

l 밀폐형 설계: 배터리 트레이는 전체적으로 폐쇄형 구조로 설계되어 금속 또는 복합 쉘을 사용하여 내부 고전압 구성 요소가 노출되지 않도록 하고 쉘 자체도 우수한 절연 특성을 가져야 합니다.

l 잠금 장치: 유지 관리 가능한 고전압 연결 지점의 경우 잠금 장치를 사용하여 비전문가 작업 중에 쉽게 열리지 않도록 하여 우발적인 접촉 위험을 줄입니다.

l 절연 재료 적용: 절연 재료는 배터리 트레이와 배터리 모듈 사이의 절연 층으로 사용되어 트레이가 손상되더라도 인체가 직접 충전부에 닿는 것을 방지할 수 있습니다. 이러한 재료에는 폴리머 플라스틱, 고무 개스킷 또는 코팅이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.

3-전기 로고 디자인

배터리 트레이의 전기적 식별은 작동 안전성을 높일 뿐만 아니라, 유지 보수 프로세스를 간소화하고 잘못된 작동의 위험을 줄여줍니다.

A.명확한 식별

l 배터리 트레이와 주변 고전압 구성 요소에 "고전압 위험" 및 "만지지 마십시오"와 같은 경고 표시를 명확하게 표시하여 비상 시에도 빠르게 식별할 수 있도록 합니다.

l 고전압 구역에는 빨간색이나 주황색을 사용하고 직류에는 파란색과 같이 국제적으로 인정된 색상 코드를 사용하여 다양한 전기적 특성을 직관적으로 구분합니다.

l IEC 60417의 그래픽 기호와 같은 표준화된 전기 안전 기호를 적용하여 고전압, 접지, 전원 차단 지점 등을 표시하여 정보에 대한 전 세계적 이해를 보장합니다.

l 배터리 트레이의 일련 번호, 생산 날짜 및 배치 정보를 포함하여 추적 및 리콜 관리를 쉽게 합니다.

l 내마모성 및 부식 방지 재료와 인쇄 기술을 선택하여 배터리 트레이의 수명 주기 내내 라벨이 선명하고 읽기 쉬운 상태로 유지되도록 합니다.

B.경고 신호

l 고전압 위험은 배터리 트레이와 주변 구역에 명확하게 표시되어 유지 관리 인력이 전기 안전에 주의를 기울이고 작동 절차를 준수하도록 상기시킵니다.

l 특히 고전압 커넥터와 노출된 위치 근처에서 안전한 작동 거리를 표시하여 사람들에게 적절한 거리를 유지하도록 상기시킵니다.

C.작동 가이드

l 접지 조치의 적절한 구현을 보장하기 위해 배터리 시스템과 트레이의 접지 위치를 명확하게 표시하십시오.

l 저전압 또는 무전원 조건에서 작동하도록 설계되어야 하는 안전한 테스트 지점과 유지 관리 액세스 지점을 식별하십시오.

l 기본 작동 및 안전 지침은 올바른 작동 프로세스를 안내하기 위해 트레이의 중요하지 않은 영역에 간략하게 나열할 수 있습니다.

당사는 열설계와 경량화에 관한 기술과 정보를 정기적으로 업데이트하여 참고할 수 있도록 공유해 드리겠습니다

Walmate에 관심을 가져주셔서 대단히 감사합니다