전기 자동차의 항속과 용량을 향상시키기 위해,동력 배터리 팩은 단층 배치에서다층 적층 구조로 바뀌고 있다.이 전환은에너지 밀도를 현저하게 향상시켰고, 새로운 구조적 도전을 가져왔다.이 글은 핵심 난제, 주류 방안, 미래 기술 방향 등 세 가지 방면에서 토론을 전개할 것이다.

1 - 핵심 과제:다층 스택의 역학적 난제

배터리 팩을 단일 레이어에서다중 레이어로 확장하는 것은 단순한 중첩과는 거리가 멀다.그것은 내부의 역학 환경과 외부의하중 경로를 재구성하여 네 가지 핵심 과제를 가져옵니다.

a.수직 방향하중의 급증과재료 크리프의 위험

・다층 구조에서셀,모듈러및구조물의 무게는 층별로 누적됩니다.하층이 받는정적 압축 하중은 최상층보다 훨씬 높다.

・이러한 지속적인고압 응력은 재료의장기 성능, 특히항변 성능(일정한 응력하에서 시간에 따른 재료의 느린소성 변형) 에 심각한 시험이 된다.

・층간지지또는셀 고정 부품에크리프가 발생하면사전 조임력 이완을 초래하여셀 순환 수명과계면 접촉 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.따라서경량화와 우수한크리프 방지 특성을 모두 갖춘 재료를 찾는 것이 중요합니다.

b.팽창력,중첩효과와구조적 안정성

・리튬 이온 배터리는 충 · 방전 시 전극 재료의 부피 변화로 인해 호흡 효과가 발생하여 셀이 팽창합니다.다층 적층 구조에서,팽창력은 층별로 누적되어 하층모듈러가 엄청난 압력을 받게 한다.

・이러한주기적 응력은상자 팽창,밀봉 실효,구조물 압출,셀 단락, 그리고배터리 성능 감쇠를 가속화하기 쉽다.효과적인 제어는내장 센서,실시간 모니터링과디지털 시뮬레이션에 의존하여구조 최적화 설계를 지도해야 한다.

c.공간 활용과에너지 밀도의 핵심 모순

・중력과팽창력에 대응하려면대들보를 늘리고판재를 두껍게 하는 등구조 강화가 필요하지만, 이는 귀중한 공간을 차지하고 중량을 증가시켜부피 에너지 밀도와중량 에너지 밀도를 높이는 핵심 목표와 충돌한다.

・해결책은구조 최적화와고효율 재료응용에 있으며, 이는배터리 팩에서다중 재료 혼합 설계로의 전환을 추진한다.

d.충돌 하중 전달 경로및안전 중복업그레이드

・배터리 팩 높이 증가,측면 충돌또는바닥 충돌시의역학적 부하를 악화시켰다 ; 그키높이 구조는레버리지 효과를 확대하여연결점 강도와배터리 팩 자체 강성에 대한 더 높은 요구를 제기했다.

・충격 방지 재료와일체화 설계를 채택하여전력 전달과에너지 흡수를 최적화하고,극한 작업 상태하의셀 안전을 보장하며, 나아가배터리-차체 일체화(CTC) 기술 발전을 추진하여배터리 팩이차체 구조의 중요한 구성 부분이 되도록 한다.

2 - 메인스트림 (MainStream) 구조 시나리오 비교 분석

도전에 대처하기 위해 업계는 다양한 혁신 방안을 모색했습니다.

a.일체형 다이캐스트 트레이 (One-piece Die-cast Tray)

・장점:집적도가 높고,부품 수를 줄이며,전체 강성,일관성과밀폐성을 향상시킨다.공정 은냉각,리브및마운트 포인트를 쉽게 통합할 수 있도록복잡한 형상을 지원합니다.전체 구조는복잡한 응력을 관리하는 데 유리하다.

・과제:전체 다이 캐스팅 다층 프레임은장비,금형및공정에 대한 요구 사항이 매우 높고 비용이 많이 듭니다.충돌 후 복구가 어렵거나 불가능합니다.전체 강성 구조는층간 차이 팽창력을 관리하는유연성이 부족할 수 있습니다.

b.다단계 프레임 모듈화(Multi-level Frame Modular)

・장점:설계 제조의 유연성,생산,유지보수및교체의 용이성.천연은다중 재료 혼합 설계에 적합하며, 서로 다른계층에 대해성능과비용을 최적화할 수 있다.복합재료, 준등방성 적층의 이념을 참고하여전체역학적 반응을 최적화하고응력을 분산시킨다.

・도전:부품과연결부가 많고,조립이 복잡하다,누적 공차가정밀도와사전 조임력에 영향을 준다.대량의연결 인터페이스(볼트,리벳) 는잠재적 실효 지점이며 무게를 증가시킨다.

c.하이브리드 머티리얼 샌드위치 스트럭처(하이브리드 머티리얼 샌드위치 스트럭처)

・장점: 탁월한경량화 효율과 매우 높은비강성(고강도 패널+폼/벌집 알루미늄과 같은경량 심재).강력한굽힘 성능,심재는단열과에너지 흡수 특성을 겸비하고,열 안전과충돌 안전을 향상시킨다.다기능 통합추세에 부합합니다.

・과제:제조 공정은 복잡하고 비용이 많이 든다.'패널'과'심재'의'계면 결합 강도'와'장기 내구성'이 관건이다.심재 는 우수한압축 크리프 성능을 갖추어야 한다.

d.생체 모방 벌집 구조

・장점: 이론적으로는극한의 경량화,높은 강성및압축 강도를 실현하는 이상적인생체 모방 설계(벌집 육각형모방).균일한 지지를 제공하고,충격 흡수 능력이 강하다.

・과제:제조는 매우 복잡하고 비용이 많이 들며,냉각 시스템과 같은통합 난이도가 높다.현재 더 많은최전방 연구단계에 있으며, 대규모상업화 응용은 여전히 시간이 걸린다.

3 - 핵심 기술 돌파 방향

앞으로다층 스택 설계 난제를 해결하는 핵심 돌파구는 다음과 같습니다.

a.경량화와강성 균형의재료와공정 혁신

・재료:CFRP,알루미늄 합금,마그네슘 합금을 지속적으로 최적화한다.낮은 크리프,높은 절연,좋은 열 전도,가공하기 쉬운새로운다기능 중합체및복합 재료를 개발합니다.

・공예:선진 연결 기술(저항 스폿 용접,레이저 용접,초음파 용접) 을 발전시켜 신뢰성, 경량의다중 재료 연결을 실현한다.

그림 1: 배터리 트레이 로봇 레이저 용접

b.팽창력 적응관리

강성 대항에서유연성 적응으로 발상을 전환하고,동적 응답 시스템을 창조하여셀이수명 주기내에서최적의 응력 환경에 놓이게 한다.

c.층간 연결과통합 혁명

・연결 기술:볼트,기계적 연결에서구조 접착제,접착및고급 용접으로 진화하여 보다 균일한응력 분포,양호한 밀봉및피로 방지 성능을 실현한다.

・궁극의 통합:CTC/CTB(Cell-to-Chassis/Body) 는 미래의배터리 팩 통합의 중요한 방향입니다.'독립형 케이스'를 없애고'셀'이나'모듈러'를'섀시'에 직접 통합함으로써'다중 스택'자체를'대들보'나'바닥'과 같은'차체 구조물'로 만들어'공간 제약'을 근본적으로 해결하고'배터리 구조 기능'을 극대화한다.이 기술을 실현하려면배터리,구조,열 관리와안전등 여러 분야의심도 있는 협동이 필요하며, 구조는 곧 기능 이념의궁극적 형태이다.

그림 2: 동력 배터리 팩 배터리 트레이

다층 쌓기는배터리,에너지 밀도를 향상시키기 위한 필연적인 선택이지만,구조,팽창력,안전의 큰 도전을 가져왔다.파국의 길은'재료 혁신','생체모방 구조 최적화','팽창력','스마트 매니지먼트'에 있다.결국배터리 팩은차체와깊이 융합되어 일체화된 에너지 섀시가 될 것이다.

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