60% 이상의 배터리 프로젝트 지연은 열 관리 계획 부족에서 비롯됩니다. 이 가이드를 통해 액체 냉각판을 숙달하는 데 도움을 드리고자 합니다. 배터리 팩. 열폭주를 방지하고 배터리 수명을 연장하려면 이것을 정확히 해야 합니다.
A 액체 냉각판 배터리 팩용은 배터리 셀에서 발생하는 열을 흡수하고 방출하는 금속 열관리 부품입니다. 내부 유로를 통해 액체 냉각제를 순환시켜 25°C에서 40°C 사이의 최적 작동 온도를 유지하여 열폭주를 방지합니다.
다음 제품에 적합한 재료 선택, 제조 공정, 시험 방법을 정확히 알고 싶으신가요? EV 혹은 에너지 저장 프로젝트인가요? 계속 읽어주세요. 저는 CNC 가공부터 마찰 교반 용접까지 모든 것을 자세히 설명할 것입니다.
액체 냉각/냉각 플레이트란 무엇인가요?
액체 냉각판은 본질적으로 내부에 빈 채널이 있는 고성능 방열판입니다.
이 플레이트들은 주변 공기에 의존하여 열을 날려 보내는 대신, 내부 경로를 통해 흐르는 액체 냉각제를 사용합니다. 플레이트의 금속 표면은 열을 발생시키는 부품과 직접 또는 간접적으로 접촉합니다.
부품이 뜨거워지면 열이 금속 판으로 전달됩니다. 흐르는 액체가 그 열을 흡수하여 라디에이터나 냉각기로 운반하고, 그곳에서 식은 후 다시 시스템을 순환합니다.
전통 가솔린 차량의 라디에이터 시스템과 비슷하게 생각하되, 얇고 세련된 정밀 가공된 금속 판으로 만들어져 민감한 전자기기나 배터리 셀에 밀착되도록 설계된 형태입니다.
냉각판은 무엇을 하는가?
쿨링 플레이트의 주요 역할은 열 방출입니다.
고전류를 시스템에 밀어넣으면 엄청난 열 에너지가 발생합니다. 그 열을 빠르게 제거하지 않으면 부품이 과열되어 성능이 저하되거나 심각하게 고장날 수 있습니다.
쿨링 플레이트는 열 브리지 역할을 합니다. 이들은 열이 빠져나갈 수 있도록 매우 높은 전도성을 가진 경로를 제공합니다.
신선하고 차가운 액체를 시스템 내에서 지속적으로 순환시킴으로써, 이 플레이트들은 넓은 표면적에 걸쳐 안정적이고 균일한 온도를 유지할 수 있습니다. 이는 약간의 온도 변화만으로도 성능 저하가 발생할 수 있는 민감한 응용 분야에서 매우 중요합니다.
배터리 팩의 냉각판의 목적은 무엇입니까?
전기차(EV)나 대형 에너지 저장 시스템에 대해 구체적으로 이야기할 때, 냉각 플레이트는 매우 중요한 안전 및 성능 부품이 됩니다.
빠른 충전이나 고방전 시 리튬 이온 배터리는 많은 열을 발생시킵니다. 이러한 배터리의 최적 작동 온도는 25°C에서 40°C 사이의 매우 좁은 범위입니다.
배터리가 너무 뜨거워지면 사이클 수명이 급격히 감소합니다. 최악의 경우 열폭주가 발생하여 화재나 폭발로 이어질 수 있습니다. .
배터리가 너무 차가워지면 효율이 떨어지고, 전기차의 주행 거리가 20%에서 30%까지 감소할 수 있습니다.
이곳에서 액체 냉각 플레이트가 등장합니다. 액체 냉각은 5~10 W/cm²의 열 방출 밀도를 달성할 수 있으며, 이는 기존 공기 냉각보다 대략 5~10배 더 효과적입니다.
800V 고속 충전 시스템이나 초고에너지 밀도 팩과 같은 최신 고전압 플랫폼의 경우, 공랭 방식만으로는 도저히 따라갈 수 없습니다. 액체 냉각 플레이트만이 이러한 첨단 배터리 팩을 안전한 온도 범위 내로 유지할 수 있는 유일한 방법일 수 있습니다.
액체 냉각 플레이트는 어떻게 작동합니까?
액체 냉각 플레이트의 물리학은 간단하지만, 엔지니어링은 매우 복잡합니다.
플레이트의 평평한 표면은 배터리 셀 또는 모듈에 부착됩니다. 종종 배터리와 플레이트 사이에는 열 패드나 페이스트와 같은 열 인터페이스 소재(TIM)가 배치되어 미세한 공기 틈을 메우고 열 전달을 향상시킵니다.
배터리 셀이 가열되면, 열 에너지가 TIM을 통해 냉각 플레이트의 금속 본체로 전달됩니다.
플레이트 내부에서는 펌프가 액체 냉각제(보통 물과 글리콜 혼합물)를 정교하게 설계된 채널 미로를 통해 밀어냅니다. 냉각제가 이 채널의 내부 벽을 흐르면서 열을 흡수합니다. 뜨거워진 냉각제는 플레이트를 빠져나와 열교환기로 이동하여 냉각되고, 다시 플레이트로 순환합니다.
유량의 중요성
액체를 판을 통해 최대한 빠르게 펌핑한다고 해서 좋은 결과를 기대할 수 없습니다.
유량은 섬세한 균형 조절이 필요합니다. 유량이 너무 느리면 냉각수가 채널 초반에 너무 많은 열을 흡수하여 과열되고, 그 결과 배터리 팩의 나머지 부분을 효과적으로 냉각할 수 없습니다.
유량이 너무 빠르면 시스템 내부에 큰 압력 강하(ΔP)가 발생합니다. 압력 강하가 크면 액체를 밀어내기 위해 더 크고 무겁고 전력을 많이 소모하는 펌프가 필요합니다. 이는 보호하려는 배터리를 소모하게 됩니다.
완벽한 유량을 찾으려면 냉각수가 온도를 균일하게 유지할 만큼 충분히 빠르게 이동하면서도 압력 강하를 관리할 수 있을 만큼 충분히 느리게 흐르도록 채널을 신중하게 설계해야 합니다.
콜드 플레이트는 무엇으로 만들어졌나요?
재료 선택은 가장 먼저 결정해야 할 사항 중 하나입니다. 선택한 재료는 냉각 플레이트의 열 성능, 무게, 제조 비용을 좌우하게 됩니다.
알루미늄 합금
알루미늄은 배터리 냉각 플레이트의 부동의 왕입니다.
가볍고 비교적 저렴하며, 150~250 W/(m·K)의 우수한 열전도성을 제공합니다.
다양한 제조 공정에는 서로 다른 알루미늄 합금이 필요합니다. 예를 들어, 압출 공정이나 CNC 가공을 사용하는 경우, 우수한 가공성 및 구조적 강도를 가진 6061 또는 6063 알루미늄을 선택할 수 있습니다.
플레이트를 스탬핑 및 브레이징하거나, 마찰 교반 용접을 사용하는 경우에는 성형성과 용접 특성이 뛰어난 3003 알루미늄이 더 나은 선택이 될 수 있습니다.
중장비 차량이나 선박의 경우, 알루미늄은 대형 배터리 팩의 전체 무게를 줄이면서 견고하고 IP67+ 등급의 인클로저를 제공하기 때문에 거의 항상 선호되는 소재입니다.
구리
구리는 알루미늄에 비해 훨씬 뛰어난 열전도성을 제공하며, 약 398 W/m·K에 달합니다. .
극한의 열 유속 상황, 예를 들어 고성능 데이터 센터 GPU 냉각과 같은 경우에는 구리가 훌륭한 선택이 될 수 있습니다. .
하지만 전기차 배터리 팩의 경우, 구리는 메인 냉각 플레이트 본체로 거의 사용되지 않습니다. 매우 무겁고 알루미늄보다 훨씬 비쌉니다. 또한 구리를 가공하면 많은 소재 폐기물이 발생하여 생산 비용이 증가합니다.
구리의 성능이 필요하지만 알루미늄의 무게가 필요하다면, 구리 튜브를 알루미늄 베이스 플레이트에 삽입하는 하이브리드 설계를 고려할 수 있습니다.
배터리 팩용 쿨링 플레이트를 어떻게 설계합니까?
냉각 플레이트 설계는 단순히 상자 안에 구불구불한 선을 그리는 것이 아닙니다. 열역학과 유체역학에 대한 깊은 이해가 필요합니다.
열 시뮬레이션(CFD) 실행
금속을 자르기 전에 반드시 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션을 실행해야 합니다.
CFD 소프트웨어를 사용하면 냉각 플레이트의 디지털 트윈을 만들 수 있습니다. 배터리의 열 발생 데이터를 입력하고, 냉각수 유량을 설정하며, 열이 시스템을 통해 어떻게 이동하는지 정확히 시각화할 수 있습니다.
CFD의 목표는 일반적으로 어떤 두 배터리 셀 간의 최대 온도 차(ΔT)를 3°C에서 5°C 이하로 유지하는 것입니다. 배터리 팩 한쪽이 다른 쪽보다 5°C 더 뜨거우면 셀의 열화 속도가 달라져 전체 팩의 수명이 단축됩니다.
싱글 루프 채널 vs. 더블 루프 채널
내부 유로를 설계할 때 일반적으로 두 가지 옵션이 있습니다: 싱글 루프 또는 더블 루프. .
싱글 루프 설계는 인렛에서 아웃렛까지 하나의 연속 경로를 특징으로 합니다. 제조가 더 간단하지만, 냉각수가 라인을 따라 이동하면서 점점 더 뜨거워지기 때문에 더 큰 온도 구배가 발생할 수 있습니다.
더블 루프 설계는 유량을 여러 개의 병렬 경로로 분할합니다. 이를 통해 신선하고 차가운 냉각수가 배터리 팩의 여러 부분에 동시에 도달할 수 있습니다. 레이아웃 공간이 허용된다면, 더블 루프 설계가 팩 전체의 온도 차이를 크게 줄이기 때문에 거의 항상 선호됩니다.
냉각판은 어떻게 생산하나요?
많은 엔지니어링 팀이 이론적으로 완벽하지만 실제로는 제조가 불가능하거나 매우 비싼 냉각 플레이트를 설계하는 실수를 저지릅니다.
제조 공정은 프로젝트가 컨셉 단계에서 대량 생산 단계로 진행됨에 따라 진화해야 합니다.
프로토타이핑 단계 (CNC 가공)
처음 1~50개의 프로토타입 유닛을 제작할 때, 시간은 가장 소중한 자원입니다.
이 단계에서는 CNC 가공에 의존해야 합니다. CNC 기계는 복잡한 채널을 알루미늄 블록에 직접 밀링할 수 있습니다.
비싼 금형이나 공구가 필요하지 않으므로 10~15일 내에 프로토타입을 받을 수 있습니다. 만약 CFD 시뮬레이션이 약간 틀렸고 채널 폭을 조정해야 한다면, CAD 파일만 업데이트하고 새로운 플레이트를 가공하면 됩니다.
단위당 비용은 높지만, 유연성은 비교할 수 없습니다.
대량 생산 단계
설계가 확정되고 수십만 개의 유닛을 생산할 준비가 되면, CNC 가공은 너무 느리고 비싸집니다.
이 단계에서는 스탬핑과 진공 브레이징, 또는 롤 본딩과 같은 금형 기반 공정으로 전환해야 합니다.
이러한 공정은 금속 스탬핑 다이를 만드는 데 막대한 초기 투자가 필요합니다. 하지만 다이가 만들어지면 기계가 하루에 수천 개의 플레이트를 생산할 수 있습니다. 이로 인해 단위당 비용이 40%에서 60%까지 급감합니다.
하이브리드 접근법
때로는 복잡한 엔지니어링 문제를 해결하기 위해 공정을 결합해야 할 때가 있습니다.
대형 에너지 저장 시스템 (ESS) 프로젝트에서는 순수 CNC 플레이트는 너무 비싸고, 순수 압출 플레이트는 복잡한 매니폴드 연결을 처리할 수 없습니다.
이런 경우에는 비용을 낮추기 위해 긴 직선 본체에는 압출 알루미늄 프로파일을 사용하고, 끝부분에는 CNC 가공으로 정밀한 씰링 홈을 파낼 수 있습니다. 마지막으로 마찰 교반 용접을 통해 전체 조립체를 밀봉할 수 있습니다.
이 하이브리드 방식은 저비용과 고정밀이라는 두 가지 장점을 모두 제공합니다.
배터리 팩용 냉각판 종류
단일 “최고의” 콜드 플레이트 구조는 없습니다. 올바른 선택은 생산량, 예산, 열 요구 사항에 전적으로 달려 있습니다. 여기에서 주요 유형을 소개합니다.
스탬핑 및 브레이징 냉각판
얇은 알루미늄 시트에 채널 모양을 스탬핑하고, 평평한 커버 플레이트를 위에 쌓아 진공 브레이징 퍼니스에서 함께 밀봉하여 만듭니다.
얇고 가벼우며 대량 생산 시 매우 경제적입니다. 이로 인해 대중 시장 승용 전기차에 가장 많이 사용됩니다.
가공 냉각판
앞서 언급한 것처럼, 이들은 CNC 밀을 사용하여 금속 블록에서 직접 가공됩니다.
믿을 수 없을 만큼 복잡한 마이크로 채널을 만들 수 있기 때문에 최고의 설계 자유도와 열 성능을 제공합니다. 하지만 높은 비용과 소재 낭비로 인해 프로토타입이나 소량, 고성능 응용에 더 적합합니다.
압출 평면 튜브 냉각판
이 공정은 뜨거운 알루미늄을 다이를 통해 밀어 내부 채널이 있는 긴 중공 프로파일을 만듭니다.
압출은 소재 낭비가 거의 없는 긴, 직선 냉각 바를 만드는 데 매우 뛰어납니다. 만약 전기 버스나 통신 랙용 대형 직사각형 배터리 팩을 제작한다면, 압출 플레이트가 매우 경제적인 선택이 될 수 있습니다.
내장 튜브 냉각판
이것은 가장 간단하고 저렴한 방법입니다. 평평한 알루미늄 판에 홈을 가공한 후, 구부린 구리 또는 알루미늄 튜브를 홈에 눌러 넣습니다.
특별한 용접 장비가 필요하지 않습니다. 하지만 열 저항이 더 높기 때문에 열이 베이스 플레이트를 통과해 튜브 벽을 지나 액체로 전달되어야 합니다. 저전력 산업 장비에는 좋은 선택일 수 있지만, 고성능 전기차에는 거의 사용되지 않습니다.
콤펜 핀 냉각판
이 플레이트는 베이스 금속을 스카이빙 또는 스탬핑하여 만들어진 매우 촘촘한 얇은 금속 핀 배열을 특징으로 합니다.
이 방식은 냉각수가 접촉할 수 있는 엄청난 표면적을 만들어 극도의 열 전달 능력을 제공합니다. 구조가 복잡하고 손상에 민감하여 대형 배터리 팩보다는 데이터 센터 GPU와 같은 국부적 고온 부위 냉각에 더 적합합니다.
다이캐스트 및 FSW 냉각판
고압 다이캐스팅을 사용하여 한 번의 작업으로 복잡한 내부 통로를 형성합니다. 모든 개방된 공동은 마찰 교반 용접(FSW)으로 밀봉됩니다.
이 방식은 구조적으로 통합되고 매우 강력한 부품을 만듭니다. 만약 중장비 광산 차량이나 배터리 인클로저가 큰 기계적 하중을 견뎌야 하는 전기 선박을 제작한다면, 이 구조가 적합합니다.
마찰 용접 (FSW)와 브레이징 비교
액체 냉각 플레이트의 두 반쪽을 밀봉할 때 일반적으로 두 가지 주요 옵션이 있습니다: 브레이징 또는 마찰 교반 용접(FSW)입니다.
진공 브레이징
브레이징 냉각 플레이트의 두 반쪽 사이에 얇은 충전 금속층을 배치합니다. 전체 조립체를 대형 진공로에 넣고 충전 금속이 녹아 부품이 결합될 때까지 가열합니다.
브레이징은 매우 복잡하고 얇은 벽 구조를 용접할 수 있기 때문에 훌륭합니다. 스탬핑 냉각 플레이트의 표준 공정입니다.
하지만 장비가 매우 비싸며(진공로는 10억 원 이상일 수 있음), 가열 사이클이 최대 8시간까지 걸릴 수 있습니다. 또한 알루미늄을 거의 용융 온도까지 가열하면 금속이 약해질 수 있어, 강도를 회복하기 위해 후처리 열처리가 필요합니다.
마찰 교반 용접 (FSW)
마찰 교반 용접 마찰 교반 용접은 완전히 다른 방식입니다. 고체 상태 접합 공정으로, 금속이 실제로 녹지 않습니다.
빠르게 회전하는 원통형 도구가 두 금속 판 사이의 이음새에 침투합니다. 마찰로 인해 강한 열이 발생해 금속이 플라스틱처럼 부드러워집니다. 도구가 이음새를 따라 이동하면서 두 금속을 실제로 교반하여 조밀하고 견고한 접합부를 만듭니다.
용융이 없기 때문에 FSW는 기공, 열 균열 또는 누수의 위험을 제거합니다. 결과적으로 만들어진 용접부는 매우 강하고 신뢰성이 높습니다.
단점은 FSW 장비가 비싸고, 회전 도구의 기계적 힘을 견딜 수 있을 만큼 베이스 금속이 충분히 두꺼워야 한다는 점입니다. 종이처럼 얇은 스탬핑 플레이트에는 적합하지 않지만, 견고하고 중장비용 배터리 인클로저에는 완벽합니다.
냉각판 테스트 방법은?
냉각 플레이트를 단순히 용접했다고 해서 제대로 작동한다고 가정할 수 없습니다. 고전압 배터리 팩 내부에서 단 한 번의 누수도 치명적인 단락을 일으킬 수 있습니다. 엄격한 테스트는 필수입니다.
청소 및 준비
어떤 테스트를 하기 전에 내부 채널이 완벽하게 청결해야 합니다.
CNC 가공이나 절단 중에 금속 칩과 절삭유가 유로의 사각지대에 쉽게 갇힐 수 있습니다. 이러한 입자가 운전 중에 떨어지면 흐름을 막거나 펌프를 손상시킬 수 있습니다.
제조업체는 고압 물총을 사용해 내부 채널을 철저히 세척한 후, 엄격한 건조 과정을 거쳐 수분이 전혀 남지 않도록 합니다.
압력 시험
냉각 플레이트는 상당한 내부 압력을 견딜 수 있어야 합니다.
파괴 압력 테스트 중 엔지니어는 플레이트가 실제로 파열될 때까지 지속적으로 유체를 주입합니다. 테스트를 통과하려면 표준 전기차 냉각 플레이트가 일반적으로 최소 1MPa(약 145psi)의 최대 압력을 견뎌야 합니다.
생산 과정에서는 모든 플레이트가 구조적 완전성을 보장하기 위해 일반적으로 약 25bar에서 정기적인 압력 테스트를 거쳐야 합니다.
밀봉 및 기밀성 테스트
플레이트가 파열되지 않더라도 미세한 누수가 있을 수 있습니다.
누수 감지의 금표준은 헬륨 누수 테스트입니다. 헬륨 원자는 매우 작기 때문에 용접에 미세한 결함이 있으면 헬륨이 이를 찾아냅니다. 고급 제조업체는 헬륨 누수율이 10^-6 또는 10^-8 Pa·m^3/s 24 미만이어야 합니다.
더 빠르고 대규모 생산 테스트를 위해 압력 강하 방법이 널리 사용됩니다 5. 플레이트에 공기를 주입하고 밀봉한 후 모니터링합니다. 설정된 시간 동안 내부 압력이 떨어지면 누수가 있다는 것을 알 수 있습니다.
열 충격 시험
배터리 팩 혹독한 환경에서 작동합니다. 밤에는 영하 40°C의 혹한에 야외에 주차될 수 있고, 다음 날에는 급속 충전 중 강한 열에 노출될 수 있습니다.
용접부가 열 팽창과 수축으로 인해 균열이 발생하지 않도록 냉각 플레이트는 열 충격 테스트를 거치며, 극한 온도(-40°C와 125°C) 사이를 빠르게 반복합니다. 이러한 혹독한 테스트 후에도 플레이트가 기밀성을 유지하면 도로에 사용할 준비가 된 것입니다.
전기차 배터리 팩에 가장 적합한 냉각판 유형은?
“최적’의 콜드 플레이트는 배터리 셀의 물리적 형식에 전적으로 달려 있습니다.
만약 각형 셀, 을 사용한다면, 일반적으로 배터리 팩 하단에 배치되는 크고 평평한 모듈 수준의 냉각 플레이트를 사용합니다. 스탬핑 및 브레이징 플레이트 또는 FSW 압출 플레이트가 이 용도에 적합합니다.
만약 원통형 셀 (예를 들어 테슬라에서 널리 사용되는 것처럼), 평평한 플레이트는 접촉 면적이 너무 작아 잘 작동하지 않습니다. 대신, 개별 원통형 셀 사이를 구불구불하게 통과하는 튜브를 사용하여 모든 셀이 냉각 파이프와 접촉하도록 합니다.
파우치 셀을 사용하는 경우, 더 작은 스탬핑 워터 냉각 플레이트를 모듈 내부에 직접 통합하여 섬세한 파우치 사이에 샌드위치 형태로 배치할 수 있습니다. .
만약 중장비 트럭, 선박, 또는 오프 하이웨이 장비를 개발하는 OEM 또는 시스템 통합업체라면, 엔지니어링 중심의 통합 허브와 협력하는 것이 좋습니다. Astraion Dynamics와 같은 회사는 자체 배터리 모듈을 가져오면 견고한 IP67+ 인클로저, 맞춤형 액체 콜드 플레이트, 고전압 통합 등 복잡한 엔지니어링을 처리해줍니다. 이는 원재료 셀 화학을 구매하는 것과 완전히 인증된 실제 차량을 배치하는 것 사이의 큰 격차를 연결해줍니다. .
자주 묻는 질문
냉각수로 물을 사용할 수 있나요?
순수한 물은 우수한 열 특성을 가지고 있지만 0°C에서 얼고 부식이 발생합니다. 동결점을 낮추고 부식 방지 특성을 추가하기 위해 물과 에틸렌 글리콜(또는 프로필렌 글리콜)을 혼합해야 합니다.
냉각판 두께는 얼마나 되어야 하나요?
제조 공정과 구조적 요구 사항에 따라 다릅니다. 스탬핑 플레이트는 매우 얇은 유로(≤3mm)를 가질 수 있어 매우 가볍습니다. 가공 또는 FSW 플레이트는 구조적 강성을 유지하기 위해 더 두껍게 제작됩니다.
맞춤형 냉각판이 필요하나요?
저전력의 표준화된 산업용 기계를 제작하는 경우, 시중에서 구입할 수 있는 임베디드 튜브 플레이트로 충분할 수 있습니다. 하지만 고밀도 전기차를 개발하는 경우 배터리 팩, 거의 확실하게 특정 셀 배치, 열 유속, 패키징 제약에 최적화된 맞춤형 플레이트가 필요합니다.
적합한 선택은 액체 냉각판 배터리의 안전성, 수명, 전반적인 성능을 좌우합니다. 이 종합적인 가이드가 소재 선택, 제조 공정, 엄격한 테스트 프로토콜을 탐색하는 데 도움이 되길 바랍니다. 현재 배터리 팩 설계에서 어떤 구체적인 열 관리 문제에 직면해 계신가요?
