자동차 산업에서 비용 절감, 효율성 개선, 품질 보증을 보장하면서, 넓은 스팬, 빠른 반복, 풍부한 제품 라인과 같은 시장 수요에 대처하기 위해 제품 표준화-차량 플랫폼화는 의심할 여지 없이 좋은 전략입니다. 배터리 플랫폼화를 통해 동일한 배터리 팩 솔루션을 다른 모델에 맞게 매치하거나 동일한 유형의 배터리 셀과 유사한 구조로 구성된 배터리 팩 솔루션을 매치할 수 있습니다. 즉, 가능한 한 많은 부품을 표준화할 수 있어 개발 주기를 단축하고 비용을 절감하며 생산 라인을 간소화하고 생산 효율성을 개선할 수 있습니다.

첫 번째: 배터리 플랫폼화

배터리 플랫폼 솔루션은 제품의 전반적인 계획, 비용 절감 및 생산 용량 최적화에 도움이 됩니다. 차량 플랫폼의 배터리 플랫폼 전략에 따라 플랫폼의 각 모델 요구 사항의 교차점과 대역폭을 고려하고 가능한 한 적은 배터리와 배터리 솔루션을 사용하여 가능한 한 많은 모델과 호환되도록 해야 합니다. 순수 전기 프로젝트의 아키텍처 개발에서 통합 전원 배터리 팩을 합리적으로 배치하는 것이 중요합니다. 특정 작업 요소에는 전원 및 전원 성능 요구 사항, 충돌 안전, 레이아웃 위치 및 공간 등이 포함됩니다.

1-공간적 크기 경계 및 배터리 셀 표준화

l 사용 가능한 배터리 팩 위치

현재 주류 파워 배터리 레이아웃은 바닥 아래에 있으며, 앞 좌석 아래, 뒷 좌석 아래, 중간 채널, 발판 등이 있습니다. 이 레이아웃은 사용 가능한 면적을 극대화하고, 차량의 중심을 낮추고, 차량의 핸들링 안정성을 개선하고, 충돌력 전달 경로를 최적화할 수 있습니다.

그림 1: 전기 자동차 개발 중 배터리 팩 레이아웃

l 배터리 팩 공간 레이아웃의 진화

분할 배터리 팩: JAC 통웨이 시리즈와 같은 분할 배터리 팩 공간 레이아웃을 채택했습니다. 에너지 모듈은 두 개의 배터리 팩으로 구성되어 있으며, 하나는 원래 연료 탱크 위치에 배치되고 다른 하나는 예비 타이어가 보관되는 트렁크에 배치됩니다.

또한 엔지니어들은 연료 자동차의 원래 구조 내에서 사용 가능한 공간을 끊임없이 탐색하고 있으며, 그 결과 "工" (공), "T", "土" (투) 모양의 배터리 팩 레이아웃이 등장하게 되었습니다.

이러한 유형의 설계는 전통적인 연료 차량의 사소한 수정입니다. 공간이 매우 제한적이며, 적재할 수 있는 배터리 팩의 부피와 무게가 매우 제한되어 용량을 늘리기 어렵고 순항 범위가 높지 않습니다.

통합 배터리 팩: 이것은 새로운 제품 디자인 개념입니다. 전체 차량의 디자인은 핵심 구성 요소인 배터리 팩을 중심으로 이루어집니다. 배터리 팩은 모듈식으로 설계되었으며 차량 섀시에 평평하게 놓여 사용 가능한 공간을 극대화합니다.

l 배터리팩 설치 지점 레이아웃

배터리 팩의 합리적인 배치는 매우 중요하며, 설계의 제한 요인으로는 지상고, 통행성, 충돌 안전, 전력 요구 사항 및 기타 여러 측면이 있습니다.

그림 2: 배터리 팩 크기 설계 제약

차량 플랫폼은 플랫폼 내에서 각 차량 모델의 범주, 레벨 및 위치를 정의한 다음 차량의 크기와 휠베이스를 결정해야 합니다. 차량 레이아웃은 차량 공간에 따라 X, Y 및 Z 방향으로 배터리 팩의 크기 봉투를 분해합니다. 배터리는 차량의 주어진 봉투 내에 배치되어 차량의 다양한 시스템 간에 간섭이 없도록 해야 합니다. 자중 지수는 배터리 팩의 시스템 품질 요구 사항을 분해할 수 있습니다.

배터리 크기 측면에서, 파워 배터리 팩의 설계는 차량 공간 및 자중과 같은 엄격한 기준 지표를 피할 수 없으며, 이는 배터리 셀 설계에 대한 한계가 있음을 의미합니다. 이 한계에 의해 제약을 받으면 배터리 셀 크기는 특정 범위에 집중될 것입니다. 예를 들어, 정사각형 배터리 셀의 길이는 150-220mm, 너비는 20-80mm, 높이는 약 100mm입니다. 배터리 셀 크기 사양의 변화 추세는 차량 플랫폼화와 배터리 표준화 간의 보완 관계의 결과입니다.

그러나 다양한 자동차 제조업체의 배터리 플랫폼 전략, 차량 모델 및 표준화에 대한 이해가 다르기 때문에 현재 제품 솔루션에 상당한 차이가 있습니다. 예를 들어 BYD의 표준화 전략은 크기가 960*13.5(14)*90(102)mm로 고정되어 있고 단일 셀 전압이 3.2/3.3V인 블레이드 배터리를 완전히 대체하는 것입니다.

2- 내구성 경계 및 배터리 용량 솔루션 개발

전원 배터리는 차량이 주행할 수 있는 에너지를 제공합니다. 배터리 용량, 방전 깊이, 에너지 밀도는 사용 가능한 전력량에 영향을 미칩니다. 다양한 모델의 요구를 충족하기 위해 모델 간의 전력 소비 차이가 중요한 관심사가 되었습니다. 차량의 순항 범위는 전기 구동, 배터리, 자중, 풍저항, 기계적 저항, 저전압 전력 소비, 에너지 회수와 같은 요인의 영향을 받습니다. 전력 소비 차이가 큰 모델 간에 배터리 솔루션을 공유할 가능성은 약하므로 배터리 크기, 품질, 전력, 전력 성능 최적화를 포함한 개인화된 배터리 전력 솔루션을 개발하여 순항 성능 요구 사항을 충족해야 합니다.

차량 제조 플랫폼의 순수 전기 범위의 제약 하에서 배터리에 필요한 순 방전은 다양한 모델의 전력 소비에 영향을 받습니다. 플랫폼에서 각 모델의 전력 소비 분포를 확인하여 전력 소비 대역폭을 배터리 수요 분포로 추가로 변환한 다음 플랫폼에 필요한 배터리 전력 계획을 결정해야 합니다.

3-전력 성능 경계

배터리에 해당하는 변수는 다양한 SOC와 온도에서 배터리의 전력-전압 특성입니다. 배터리의 전력은 차량의 전력 시스템의 전력 요구 사항에 해당하고 전압은 구동 모터의 정격 전압 요구 사항에 해당합니다.

일반적으로 전체 차량 플랫폼에 대한 배터리 솔루션의 평가는 상온 및 고출력에서 100km 가속 시간과 그에 따른 배터리 표시기 분해부터 시작하여 점차적으로 전체 범위와 모든 작동 조건에 대한 배터리 표시기 분해로 확장됩니다.

두 번째: 배터리 박스 개발

1- 배터리 통합 및 모듈화

배터리 모듈의 설계를 최적화하고, 배터리 팩의 통합과 모듈성을 개선하고, 비활성 부품을 줄이고, 배터리 팩의 에너지 밀도를 높입니다.

현재 인기 있는 배터리 팩 통합 기술에는 CTP, CTB, CTC 및 기타 형태가 포함됩니다. 통합 기술의 발전에 따라 부품의 모양, 재료 및 조합이 변경되었습니다. 전반적인 방향은 통합 및 통합입니다. 독립 부품의 수를 줄이고 하나의 큰 부품을 사용하여 여러 부품을 대체함으로써 더 크고 기능적인 구성 요소가 형성됩니다.

2-배터리 박스 디자인

배터리 케이스는 전원 배터리 시스템 조립체의 캐리어로, 제품의 안전한 작동과 보호에 중요한 역할을 하며, 전체 차량의 안전에 직접적인 영향을 미칩니다. 배터리 케이스의 구조 설계에는 주로 배터리 케이스의 상부 쉘, 하부 쉘 및 기타 구성 요소에 대한 쉘 재료 선택과 제조 공정 솔루션 선택이 포함됩니다. 배터리 케이스의 상부 커버는 주로 밀봉 역할을 하며 많은 힘을 받지 않습니다. 배터리 케이스의 하부 케이스는 전체 전원 배터리 시스템 제품의 캐리어이며, 배터리 모듈은 주로 하부 케이스에 배치됩니다. 따라서 배터리 케이스 내부에 내장된 홈 및 배플과 같은 구조적 조치가 있어야 차량 주행 시 배터리 모듈이 안정적으로 고정되고, 앞뒤, 좌우, 상하 방향으로 움직임이 없어 측벽과 상부 커버에 충격을 주지 않고 배터리 케이스의 수명에 영향을 미치지 않습니다.

그림 3: 배터리 하부 박스 솔루션, a-스킨 프레임, b-FSW 용접 + 프레임, c-FSW 용접 + 프레임

l 배터리팩 설치 지점 구조 설계 및 연결 고정

배터리 팩 설치 지점은 일반적으로 전면과 후면을 통과하는 장착 빔 구조를 채택하고, 프런트 엔드는 전면 캐빈 세로 빔에 연결되어 효과적이고 일관된 폐쇄 빔 구조를 형성합니다. 설치 지점은 배터리 팩의 중량 분포에 따라 합리적으로 배치됩니다. 배터리 팩과 차량은 볼트 고정, 기계적 고정 + 접착 조인트 하이브리드 연결, 스냅온 연결 등 다양한 방식으로 고정됩니다.

그림 4: 배터리 팩 레이아웃 및 설치 섹션

파워 배터리 팩은 일반적으로 여러 개의 리프팅 러그 구조를 통해 차량에 설치됩니다. 파워 배터리 팩 자체의 큰 무게 외에도 리프팅 러그는 돌길과 깊은 움푹 들어간 곳과 같이 차량의 움직임으로 인한 도로 자극을 견뎌야 합니다. 이러한 내구성 있는 작업 조건과 오용 조건은 리프팅 러그 구조의 강도에 대한 요구 사항을 더 높여줍니다.

그림 5: 다양한 리프팅 러그 연결 솔루션: a 용접 리프팅 러그 b 알루미늄 압출 프레임 리프팅 러그

l 배터리 박스 안전 및 보호 구조

기계적 강도 및 보호: 배터리 상자는 내부의 배터리를 기계적 충격과 충격으로부터 보호하기에 충분한 기계적 강도를 가져야 합니다. 배터리 상자는 다양한 조건에서 배터리의 안전을 보장하기 위해 진동, 압출 및 기계적 충격을 견딜 수 있어야 합니다.

충돌 보호: 배터리 케이스의 설계는 특히 측면 충돌 및 바닥 충돌의 경우 충돌 안전을 고려해야 합니다. 일반적으로 알루미늄 또는 강철로 만들어지고 외부 프레임을 통해 하부 트레이에 연결되어 구조적 강성을 제공하고 충돌 에너지 흡수 기능을 향상시킵니다. 또한 배터리 케이스의 변형과 배터리 셀의 손상을 방지하기 위해 적절한 충돌 흡수 구조를 설계해야 합니다.

방수, 방진 및 내식성: 배터리 상자는 방수 및 방진이 필요하며 일반적으로 IP67 레벨 밀봉 개스킷을 사용하여 기밀성을 보장합니다. 또한 부식 방지 조치도 고려해야 하며, 예를 들어 외부에 PVC 코팅을 뿌려 내식성을 강화합니다.

폭발 방지 및 압력 방출 설계: 배터리가 폭발하면 에너지는 균형 잡힌 폭발 방지 밸브와 같은 장치를 통해 집중적이고 방향성 있는 방식으로 방출되어 고객 객실로 유입되는 것을 방지해야 합니다. 또한 장비의 전체 파열을 방지하기 위해 폭발 방지 조치(부분적 구조 파괴 등)를 취해야 합니다.

l 밀봉 설계

배터리 박스의 상부 커버와 하부 케이스 사이의 밀봉 표면 설계는 밀봉 성능에서 중요한 역할을 하며, 그 설계는 배터리 박스 구조 및 밀봉 링과 함께 설계되어야 합니다. 밀봉 표면은 가능한 한 동일 평면에 유지되어야 하며, 너무 많은 곡선 구조를 피해야 합니다. 상부 커버와 하부 케이스는 볼트로 연결되므로 많은 수의 볼트를 사용하므로 구멍의 동축성을 보장하는 것이 특히 중요합니다. 볼트 구멍 위치를 합리적으로 배열하는 동안 위치 치수는 가능한 한 둥글어야 하며 X 및 Y 방향으로 대칭적으로 배열되어야 합니다. 연결 볼트 수의 선택은 밀봉 수준과 분해 및 조립 작업 부하량을 기준으로 종합적으로 고려해야 합니다.

그림 6: 상단 및 하단 상자 밀봉 설계, 1-배터리 상단 커버 2-밀봉 개스킷 3-배터리 하단 커버 4-금속 도관

l 전기 안전 및 단락 보호

연결 신뢰성: 배터리 상자 내부의 커넥터는 배터리 상자의 과전류 용량과 전기/기계 연결의 신뢰성을 보장하기 위해 올바른 극성 연결을 가져야 하며 완화 조치 등이 포함되어야 합니다.

전기 절연 및 전압 저항 설계: 모듈 설계는 이중 절연 보호를 채택합니다. 배터리 셀 자체에는 배터리 셀 블루 필름 층과 배터리 셀 상단 패치가 있어 절연 및 전압 저항 요구 사항을 충족합니다. 절연 및 전압 저항 보호는 엔드/사이드 플레이트와 배터리 셀 사이, 배터리 셀과 하단 장착 표면 사이에 설정됩니다.

l 열 관리 설계

배터리 열 관리 개발은 배터리 온도 제어, 냉각판, 배관 시스템 등의 설계를 포함하여 배터리 팩 시스템 설계 및 개발의 전체 주기를 통해 진행됩니다. 배터리 열 관리 시스템 설계의 주요 목표는 공간 레이아웃, 설계 비용, 경량화 등을 고려하면서 가열 또는 냉각 제어를 통해 배터리 시스템이 비교적 적합한 작동 온도에서 작동하도록 하는 동시에 셀 간의 온도 차이를 줄여 일관성을 보장하는 것입니다.

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

Walmate에 관심을 가져주셔서 대단히 감사합니다