배터리 팩은 신에너지 차량의 핵심 에너지원으로, 차량 전체에 구동력을 제공합니다. 우리는 일반적으로 효율성(에너지 밀도), 안전성, 제조 및 유지 관리 비용의 차원에서 배터리 팩 기술의 장단점을 평가합니다.

배터리 설계에서 단일 셀의 전압은 약 3-4V에 불과한 반면, 전기 자동차에 필요한 전압은 최소 100V입니다. 현재 신차는 700V/800V의 전압을 가지고 있으며 출력 전력은 일반적으로 200W이므로 배터리를 부스트해야 합니다. 전기 자동차의 전류 및 전압 요구 사항을 충족하려면 서로 다른 셀을 직렬 또는 병렬로 연결해야 합니다.

배터리 팩은 배터리 셀, 전자 및 전기 시스템, 열 관리 시스템 등으로 구성되며, 이는 배터리 프레임 구조(베이스 플레이트(트레이), 프레임(금속 프레임), 상부 커버 플레이트, 볼트 등)로 둘러싸여 있습니다. 이러한 구성 요소와 시스템을 보다 효율적이고 안전하게 전체로 "패키징"하는 방법은 항상 전체 산업에서 지속적인 연구와 탐구의 주제였습니다.

이전 기사: 배터리 통합 기술의 혁신과 발전

파워 배터리 그룹 기술의 기원은 1950년대로 거슬러 올라가며, 구소련과 일부 유럽 국가에서 시작되었습니다. 이 기술은 원래 부품의 물리적 유사성(범용 공정 경로)을 결정하고 효율적인 생산을 확립하기 위한 엔지니어링 및 제조 개념으로 사용되었습니다.

그룹 기술(GT)의 핵심은 생산 활동에서 관련된 것들의 유사점을 식별하고 탐색하고, 유사한 문제들을 그룹으로 분류하고, 이 문제 그룹을 해결하기 위한 비교적 통합된 최적 솔루션을 찾아 경제적 이익을 달성하는 것입니다. 전력 배터리 분야에서 그룹 기술은 주로 구조, 열 관리, 전기 연결 설계 및 배터리 관리 시스템(BMS) 기술을 포함하여 단일 셀에서 배터리 팩(Pack)으로 배터리를 통합하는 기술을 포함합니다.

자동차 분야에서 이전의 그룹화 기술은 MTP(Module To Pack)로, 셀을 먼저 모듈로 통합한 다음 모듈을 팩으로 통합하는 것을 의미합니다. 이 기술은 분리 및 교체가 가능한 모듈이 특징으로, 유지 관리성은 좋지만 그룹화 효율성은 낮습니다. 기술의 발전에 따라 그룹화 기술은 MTP에서 CTP(Cell To Pack)로 전환되었습니다. CTP 기술은 셀을 팩에 직접 통합하여 기존 모듈 구조를 제거하고 그룹화 효율성과 생산 효율성을 개선하는 기술을 말합니다. 최근 몇 년 동안 업계는 통합 효율성이 더 높은 CTC(Cell To Chassis), CTB(Cell To Body & Bracket), MTB(Module To Body)와 같은 그룹화 기술도 모색하고 있습니다.

전력 배터리 및 전기화학 에너지 저장 분야에서 리튬 배터리의 주요 기술 발전은 구조적 혁신과 재료 혁신에서 비롯됩니다. 전자는 물리적 수준에서 "셀-모듈-배터리 팩"의 구조를 최적화하여 배터리 팩의 체적 에너지 밀도를 개선하고 비용을 절감하는 목표를 달성하는 것입니다. 후자는 화학적 수준에서 배터리 재료를 탐색하여 단일 셀의 성능을 개선하고 비용을 절감하는 목표를 달성하는 것입니다. 이 글은 다양한 구조적 통합 기술이 배터리 팩 제조 기술에 미치는 영향과 배터리 팩 구조적 통합의 관점에서 혁신적 개발 방향에 초점을 맞춥니다. 전력 배터리 통합을 위한 현재 핵심 기술은 아래 그림과 같습니다.

1-MTP가 제거되었습니다

현재 전기 자동차 개발의 물결이 시작되면서 많은 석유-전기 신에너지 자동차 모델이 출시되었습니다. 이들은 전통적인 가솔린 자동차의 공간적 레이아웃과 스타일 디자인을 이어갑니다. 엔지니어들은 일정 수의 개별 배터리 셀을 직렬/병렬로 연결하여 비교적 큰 배터리 셀 모듈을 조립한 다음, 이러한 배터리 셀 모듈 몇 개를 익숙한 "MTP" 배터리 팩인 배터리 팩에 넣었습니다. 배터리 팩은 두 번 이상 "포장"해야 하기 때문에 필요한 구성 요소의 수가 매우 많고 배터리 팩은 "내부 3층, 외부 3층"으로 나타나며, 너무 많은 중복 부품이 더 많은 시스템 부피와 무게를 차지하여 "MTP" 배터리 팩의 체적 에너지 밀도와 중량 에너지 밀도가 낮아집니다. 또한 가솔린 자동차의 설계는 배터리 공간을 특별히 예약하지 않았기 때문에 배터리 시스템은 "어디에나 끼워 넣을 수 있을 뿐"이어서 제품 경쟁력과 사용자 경험이 저하됩니다.

테슬라가 대표하는 새로운 지능형 전기 자동차 플랫폼이 출시된 이후, 순수 전기 자동차는 배터리 팩을 더 효율적이고 규칙적인 방식으로 이상적인 공간 위치에 설치할 수 있게 되었고, 3가지 전기 시스템을 더 합리적으로 배치할 수 있으며, 차량의 전자 및 전기 아키텍처와 열 관리 설계를 더 효율적으로 통합할 수 있습니다. 에너지 효율성, 내구성, 지능 측면에서 차량의 제품 강점이 크게 향상되었습니다.

2-Integrated Technology 2.0 Era——CTP

MTP 구조 배터리 팩은 공간 활용에 상당한 문제가 있습니다. 배터리 셀에서 모듈로의 공간 활용도는 80%이고, 모듈에서 배터리 팩으로의 공간 활용도는 50%이며, 전체 공간 활용도는 40%에 불과합니다. 모듈 하드웨어 비용은 총 배터리 비용의 약 14%를 차지합니다. 이러한 낮은 공간 활용 구조는 신에너지 자동차의 개발 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 배터리 셀 → 모듈 → 배터리 팩 → 차체 통합 아이디어의 틀에서 차량이 제한된 섀시 공간에 최대한 많은 전력을 적재하고 볼륨 활용도를 개선하려면 각 통합 단계의 표준화를 고려해야 합니다. 주행 범위에 대한 시장 수요가 계속 증가함에 따라 단일 배터리 모듈의 볼륨이 계속 증가하여 간접적으로 CTP 솔루션이 등장하게 되었습니다.

CTP 구조 기술은 안전성, 패키징 복잡성, 비용 절감 등을 고려하여 탄생했습니다. 배터리 셀의 안전성을 보장한다는 전제 하에 CTP 기술은 내부 케이블과 구조 부품을 줄입니다. MTP 기술과 비교할 때 CTP 기술은 모듈 구조가 없으며 차량에 설치하기 전에 배터리 셀을 배터리 팩에 직접 패키징합니다.

현재 두 가지 주요 아이디어가 있습니다. 하나는 CATL로 대표되는 여러 개의 작은 모듈의 구조를 대체하는 완전한 대형 모듈로 Pack을 간주하는 것입니다. 다른 하나는 설계 중에 모듈 없는 솔루션을 사용하는 것을 고려하고 배터리 자체를 BYD의 블레이드 배터리와 같이 강도 참여자로 설계하는 것입니다.

CTP 기술의 핵심은 모듈 설계를 취소하는 것입니다. 배터리 셀은 셸과 직접 결합되어 엔드 플레이트와 파티션의 사용을 줄입니다. 그 뒤를 따르는 문제는 배터리 팩의 고정과 열 관리입니다.

사실 CTP 배터리팩의 원래 제품은 순수한 모듈 없는 디자인이 아니라, 원래의 소형 모듈을 3개의 대형 모듈과 2개의 중형 모듈로 합친 디자인이었고, 양쪽 끝에는 알루미늄 엔드 플레이트도 있어서 이론적으로는 여전히 MTP이기는 하지만, 실제로 구조적으로는 큰 개선이 있었습니다.

CTP 3.0이 도입된 후, CATL은 더욱 진보된 제조 방법을 제시하여 완전히 모듈 없는 설계를 달성했습니다. 배터리 셀은 높이를 따라 수직 방향에서 수평 위치로 변경되었습니다. 또한, 배터리 셀 사이에 새로운 냉각 솔루션이 구현되어 열을 발산할 뿐만 아니라 지지, 완충, 단열 및 온도 제어 기능도 제공합니다. 하단 셸도 제한적인 고정 기능으로 설계되었습니다.

그림 1: CATL Kirin Battery CTP2.0과 CTP3.0의 비교

3-통합기술 3.0시대——CTB, CTC

l CTB 기술

CTP 기술은 배터리 구조 혁신에서 큰 진전이지만 배터리 팩 자체에서는 돌파구를 마련하지 못했습니다. CTP 기술에서 배터리 팩은 여전히 독립적인 구성 요소입니다. CTP의 배터리 팩에 대한 간소화된 전략과 비교할 때 CTB 기술은 차체 바닥 패널과 배터리 팩 커버를 하나로 결합합니다. 배터리 커버, 도어 실, 앞뒤 빔으로 형성된 평평한 밀봉 표면은 실런트로 승객실을 밀봉하고 바닥은 설치 지점을 통해 차체와 조립됩니다. 배터리 팩을 설계 및 제조할 때 배터리 시스템은 차체 전체와 통합되어 배터리 자체의 밀봉 및 방수 요구 사항을 충족할 수 있으며 배터리와 승객실의 밀봉은 비교적 간단하고 위험을 제어할 수 있습니다.

이러한 방식으로 "배터리 팩 커버-배터리 셀-트레이"의 원래 샌드위치 구조가 "차체 하부 통합 배터리 팩 커버-배터리 셀-트레이"의 샌드위치 구조로 변형되어 차체와 배터리 커버 간의 연결로 인한 공간 손실을 줄입니다. 이 구조적 모드에서는 배터리 팩이 단순한 에너지원이 아니라 전체 차량의 힘과 전달에 구조적으로 참여합니다.

그림 2: CTB 기술 구조의 개략도

l CTC 기술

CTC 방식을 채택한 후 배터리 팩은 더 이상 독립적인 조립체가 아니라 차량 본체에 통합되어 제품 설계 및 생산 공정을 최적화하고 차량 부품 수를 줄이며 특히 배터리의 내부 구조 부품과 커넥터를 줄이며 경량이라는 고유한 이점을 가지고 공간 활용을 극대화하며 배터리 수를 늘리고 주행 거리를 개선할 수 있는 공간을 제공합니다. 전기화학 시스템 자체가 변경되지 않는 조건에서 배터리 수를 늘려 주행 거리를 늘릴 수 있습니다.

그림 3: 테슬라 CTC 기술 구조도

예를 들어, 테슬라와 다른 자동차 제조업체는 CTC 기술 모델을 연이어 출시했습니다. 셀 수준에서는 다기능 탄성 샌드위치 구조와 대면적 수냉 기술을 사용할 수 있으며, 통합 개발을 통해 배터리 팩 하단에 충돌 방지 공간 재사용 기술을 중첩하여 그룹화 효율성, 방열 및 안전성을 고려하고 셀 최적화와 차량 구조 보호의 두 가지 차원에서 CTC 기술의 적용을 촉진합니다. 차량 통합 개발 수준에서 배터리 셀은 섀시에 직접 통합되어 모듈과 배터리 팩의 링크를 제거합니다. 3대 전기 시스템(모터, 전자 제어, 배터리), 3대 부수 전기 시스템(DC/DC, OBC, PDU), 섀시 시스템(변속 시스템, 구동 시스템, 조향 시스템, 제동 시스템) 및 자율 주행 관련 모듈의 통합이 실현되고 지능형 전력 도메인 컨트롤러를 통해 전력 분배가 최적화되고 에너지 소비가 감소합니다.

4- CTP, CTB 및 CTC 기술용 배터리 박스에 대한 특정 요구 사항의 변경

기존의 배터리 팩 구조에서 배터리 모듈은 배터리 셀을 지지, 고정 및 보호하는 역할을 하는 반면, 배터리 박스 본체는 주로 외부 압출력을 견뎌냅니다. CTP, CTB 및 CTC 기술의 적용은 배터리 박스에 대한 새로운 요구 사항을 제시하며, 이는 특히 다음에 반영됩니다.

배터리 박스 본체의 강도 요구 사항이 개선되었습니다. CTP, CTB 및 CTC 구조에서 모듈 링크가 감소되거나 제거되었기 때문에 배터리 박스 본체는 외부 압출력뿐만 아니라 원래 모듈이 지탱하는 배터리 셀의 팽창력도 견뎌야 합니다. 따라서 배터리 박스 본체의 강도 요구 사항이 더 높습니다.

충돌 보호 기능: CTP 기술을 사용하여 배터리 팩의 사이드 빔을 제거한 후, 배터리는 충돌의 충격을 직접 받게 되므로 CTP 배터리 팩은 충분한 충돌 방지 기능을 갖춰야 합니다.

단열, 단열 및 방열 요구 사항: CTP 또는 CTB 및 CTC 구조는 섀시 베어링 구조 상자를 기반으로 바닥 플레이트 프로파일을 수냉 플레이트로 변경합니다. 배터리 박스 상자는 배터리 셀의 무게를 견딜 뿐만 아니라 배터리에 대한 열 관리 및 기타 기능도 제공합니다. 구조가 더 컴팩트하고 제조 공정이 최적화되었으며 자동화 정도가 더 높습니다.

감소된 유지 보수성: 고도로 통합된 설계로 인해 배터리 팩을 교체하기가 복잡합니다. 예를 들어, CTC 구조에서 배터리 셀은 수지 재료로 채워져 있어 배터리 셀을 교체하기 어렵고 수리가 거의 불가능합니다.

5- 배터리팩 통합이 전기자동차 충전 인프라에 미치는 영향

다양한 배터리 팩 통합 기술을 선택하는 것은 다양한 보상 방법을 선택하는 것을 의미합니다. CTP는 배터리 교체를 하는 경향이 있는 반면, 더 고도로 통합된 CTB/CTC는 빠른 충전을 하는 경향이 있습니다.

높은 통합은 동일한 공간에 더 많은 배터리를 수용할 수 있어 전기 자동차의 주행거리가 늘어난다는 것을 의미합니다. 사용자는 더 이상 짧은 거리를 자주 충전할 필요가 없지만 장거리 여행 중에는 빠르게 충전하는 것을 선호할 수 있습니다. 따라서 충전 인프라를 계획할 때는 이러한 변화를 고려하여 사용자 요구를 충족할 수 있도록 해야 합니다.

배터리 팩의 통합이 증가함에 따라 배터리 팩의 물리적 크기와 구조가 변경될 수 있으며, 이는 충전 인터페이스의 설계와 충전 장비의 호환성에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 배터리 팩의 통합 증가는 충전 속도와 효율성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 빠르고 안전한 충전 프로세스를 보장하기 위해 보다 효율적인 배터리 관리 시스템과 충전 기술을 개발하고 배포해야 할 수도 있습니다.

당사는 열설계와 경량화에 관한 기술과 정보를 정기적으로 업데이트하여 참고할 수 있도록 공유해 드리겠습니다.Walmate에 관심을 가져주셔서 대단히 감사합니다