전력 배터리 시스템의 구조 설계 및 패키징 기술 최적화

I. 전력 배터리 시스템의 구조 설계

전력 배터리 시스템의 구조는 셀, 모듈, 그리고 배터리 팩으로 구성됩니다. 셀은 가장 기본적인 단위이며, 그 구조 설계와 재료 선택은 배터리 성능에 결정적인 역할을 합니다. 현재 사용 가능한 주요 셀 유형으로는 원통형, 각형, 파우치형 셀이 있으며, 각각 에너지 밀도, 안전성, 그리고 비용 측면에서 특정 장점을 제공합니다. 예를 들어, 원통형 셀은 높은 에너지 밀도와 낮은 비용을 제공하지만 상대적으로 안전성이 낮습니다. 각형 셀은 안전성과 비용의 균형을 잘 유지합니다. 초기에 등장하여 3C 분야에 널리 사용되는 파우치형 셀은 전력 분야에서 주목을 받고 있으며 상당한 개발 잠재력을 가지고 있습니다. 모듈은 일반적으로 열 관리 시스템과 전기 연결부를 갖춘 직렬 및/또는 병렬로 연결된 일정 수의 셀로 구성됩니다. 모듈 설계는 외부 환경의 영향으로부터 셀을 보호하고 배터리 시스템의 전반적인 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 모듈 설계 시 주요 고려 사항은 안전성과 안정성을 보장하기 위해 셀 간의 열적 및 전기적 절연입니다. 다음과 같은 회사들이 있습니다. 샤먼 TOB 신에너지기술유한회사 맞춤형 서비스를 제공하는 데 특화되어 있습니다. 배터리 모듈 및 팩 생산 솔루션 모듈 레벨부터 최적의 성능과 신뢰성을 보장합니다. 배터리 팩은 일반적으로 배터리 모듈, 열 관리 시스템, 배터리 관리 시스템(BMS), 전기 시스템 및 구조 부품으로 구성된 복잡한 구조를 특징으로 하는 전력 배터리 시스템의 최종 형태를 나타냅니다. 배터리 팩의 구조 부품(예: 상단 커버, 인클로저, 하단 커버)은 안전한 절연을 제공하고 셀을 외부 충격으로부터 보호합니다. 주로 고전압 제어 박스와 고전압 인터페이스로 구성된 전기 시스템은 전력 송전 및 배전을 담당합니다. 배터리 팩 구조 설계 시에는 안전 성능을 철저히 고려해야 합니다. 예를 들어, 다층 구조와 열 절연 기술은 작동 중 열 발생을 줄일 수 있으며, 스마트 센서와 알고리즘은 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하여 과충전 또는 과방전과 같은 이상을 방지할 수 있습니다.

II. 파워 배터리 패킹 기술

신에너지 자동차 분야의 핵심 기술인 파워 배터리 패킹은 배터리 시스템의 에너지 밀도, 안전성, 그리고 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 신에너지 자동차 시장의 급속한 발전과 함께 파워 배터리 패킹 기술은 지속적인 혁신과 개선을 거듭해 왔습니다. 파워 배터리 패킹은 주로 직렬, 병렬, 그리고 하이브리드 연결의 세 가지 구성으로 이루어집니다. 직렬 연결은 고전압 요구 사항을 충족하므로 고전압 출력 시나리오에 적합합니다. 병렬 연결은 시스템의 용량과 주행 거리를 증가시킵니다. 하이브리드 구성은 두 가지 구성의 장점을 결합하여 고전압 및 고용량 요구를 동시에 충족합니다.

실제로, 파워 배터리 패키징은 여러 요소를 고려해야 합니다. 첫째, 셀 간의 불일치는 심각한 문제를 야기합니다. 제조 공정 및 재료의 차이로 인해 셀의 성능이 달라질 수 있습니다. 따라서 불일치를 최소화하고 전반적인 배터리 성능을 향상시키기 위해서는 최적화된 셀 선택 및 페어링, 그리고 첨단 BMS(배터리 관리 시스템)와 같은 조치가 필수적입니다.

TOB 뉴 에너지 포괄적인 제공 배터리 파일럿 라인 그리고 배터리 랩 라인 솔루션 고객이 이러한 과제를 테스트하고 해결하도록 지원하여 실험실에서 생산까지 일관된 셀 품질을 유지하면서 원활하게 확장할 수 있도록 합니다. 둘째, 열 관리는 냉각 및 가열 관리를 포함하는 전력 배터리 패키징의 중요한 측면입니다. 작동 중 배터리는 상당한 열을 발생시키며, 이 열을 효과적으로 방출하지 않으면 온도 상승으로 이어져 성능과 안전성을 저하시킬 수 있습니다. 공랭, 수랭, 히트 파이프 냉각, 상변화 냉각 등의 냉각 관리 기술은 배터리가 최적의 온도 범위에서 작동하도록 보장합니다. 저온 환경에서 리튬 이온 배터리는 내부 저항이 증가하고 용량이 감소합니다. 극한 조건에서는 전해질 동결 및 방전 불능이 발생하여 배터리 시스템의 저온 성능에 심각한 영향을 미치고 전기 자동차의 출력 및 주행 거리 감소로 이어질 수 있습니다. 따라서 저온 조건에서 충전하려면 일반적으로 배터리를 적절한 온도로 예열해야 합니다. 가열 관리 기술에는 내부 및 외부 방법이 있습니다. 고온 기체, 액체, 전기 가열판, 상변화 물질 또는 펠티에 효과를 사용하는 외부 가열은 비교적 안전합니다. 내부 가열은 배터리 작동 중 발생하는 줄열을 활용하지만 배터리 수명과 안전성에 미치는 영향은 불확실하며 전기 자동차에서의 적용은 제한적입니다.

마지막으로, 파워 배터리 패키징은 안전을 최우선으로 고려해야 합니다. 과충전 보호, 과방전 보호, 온도 보호 등의 조치는 이상 발생을 방지하기 위해 필수적입니다. 또한, 배터리 시스템은 관련 안전 표준 및 요건을 준수하기 위해 엄격한 테스트와 검증을 거쳐야 합니다. 이는 핵심적인 부분입니다. TOB NEW ENERGY의 통합 장비 및 시운전 서비스 .

III. 구조 설계 및 포장 기술 최적화 전략

1. 소재기술 혁신

신에너지 자동차용 배터리의 경우, 재료 과학 및 기술의 발전이 성능 향상의 핵심입니다. 재료 과학의 발전은 배터리 구조 및 패키징 기술 최적화에 중요한 역할을 합니다. 첫째, 양극재 연구는 배터리 성능 향상을 위한 중요한 돌파구입니다. 예를 들어, 고니켈 삼원계 재료는 에너지 밀도를 크게 높여 신에너지 자동차의 주행 거리를 연장합니다. 또한, 도핑 및 코팅과 같은 개질 기술은 양극재의 안정성과 안전성을 더욱 향상시킵니다. 둘째, 음극재 혁신은 전력 배터리 개발의 중요한 방향입니다. 높은 비용량과 적절한 리튬 삽입 전위를 가진 실리콘 기반 음극재는 차세대 리튬 이온 배터리 음극재로 선호되는 선택입니다. 나노스케일 및 복합 소재 접근법은 충방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창 문제를 해결하여 배터리 사이클 수명을 효과적으로 연장합니다. 그러나 탄소에 비해 실리콘 재료는 상대적으로 가격이 비싸기 때문에 대량 생산에는 비용을 고려해야 합니다. 적절한 실리콘 원료를 선택하고 적절한 나노스케일 공정을 적용하면 응용 분야의 어려움을 완화하고 실리콘 기반 음극재의 상업적 생산을 촉진할 수 있습니다.

TOB 뉴 에너지 최첨단을 제공합니다 배터리 소재 양극재와 음극재 혁신에 대한 기술 지원을 통해 이러한 R&D 및 상용화 노력을 촉진합니다. 셋째, 전해질과 분리막의 특성은 배터리 전체 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 새로운 전해질을 개발하면 내부 저항을 줄이고 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 고성능 분리막은 내부 단락 및 자가 방전을 효과적으로 방지합니다.

2. 모듈 설계 및 제조 공정 최적화

모듈 설계는 전력 배터리 패키징 기술의 핵심이며, 그 합리성과 진보성은 배터리 시스템의 전반적인 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 모듈 설계 및 제조 공정의 지속적인 혁신과 개선은 전력 배터리 성능 향상에 필수적입니다. 첫째, 모듈 설계 최적화는 구조 레이아웃과 셀 배열을 포함합니다. 합리적인 구조 레이아웃은 내부 저항과 열 저항을 줄여 에너지 전달 효율을 향상시킵니다. 과학적인 셀 배열은 외부 충격에 대한 우수한 내충격성을 보장합니다. 둘째, 제조 공정의 발전은 모듈 최적화에 필수적입니다. 첨단 용접, 캡슐화 및 테스트 기술은 생산 과정에서 안정성과 일관성을 보장합니다. 예를 들어, 레이저 용접은 접촉 저항을 줄이는 동시에 셀과 모듈 간의 정밀한 연결을 가능하게 하며, 자동화된 캡슐화 라인은 생산 효율을 높이고 인적 오류를 줄입니다. TOB 뉴 에너지 맞춤형 배터리 장비와 엔드투엔드 제공 배터리 생산 라인 솔루션 이러한 정밀한 제조 목표를 달성하기 위해서는 모듈 설계 및 제조 공정 개선 시 방열 특성을 충분히 고려해야 합니다. 방열 구조를 최적화하고 효율적인 방열 소재를 사용하면 작동 중 발열을 효과적으로 줄이고 배터리 시스템의 열 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 열 및 에너지 관리의 통합 최적화

신에너지 자동차 전력 배터리 시스템에서 열 및 에너지 관리의 통합 최적화는 성능과 안전성 향상에 핵심적인 역할을 합니다. 배터리 기술이 발전함에 따라 열 및 에너지 관리에 대한 요구가 더욱 커지고 있습니다. 열 관리의 핵심은 배터리 작동 중 발생하는 열을 효율적으로 방출하여 과열을 방지하는 것입니다. 통합 최적화 전략에는 고급 열전도성 소재 사용, 합리적인 방열 구조 설계, 지능형 온도 제어 시스템 통합 등이 있습니다. 공랭식에 비해 냉각판을 이용한 액체 냉각이 더 효율적이며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 냉각판은 상대적으로 저렴합니다. 핵심 연구 방향은 제조를 간소화하고 효율성을 높이기 위해 냉각판의 구조와 유체 역학을 최적화하는 것입니다. 최근 연구는 냉각수 채널 설계, 유동 저항 감소, 온도 균일성 향상에 중점을 두고 있습니다. 예를 들어, 일부 전문가들은 특정 조건에서 냉각 효율을 크게 향상시키는 사문석 채널 기반의 새로운 액체 냉각판을 설계했습니다. 테슬라의 4680 CTC 배터리 팩은 내부 냉각판에 사문석 디자인을 사용합니다. 다른 전문가들은 각형 배터리용 벌집 구조의 냉각판을 설계하여 냉각 채널을 늘려 열 방출을 향상시켰습니다. 상변화 물질(PCM) 기반 방열 시스템은 잠열 저장 및 방출을 통해 배터리 팩을 최적의 온도로 유지하는 수동 열 관리 시스템입니다. 에너지 소비가 없고, 움직이는 부품이 없으며, 유지 보수 비용이 낮다는 장점이 있습니다. 그러나 PCM은 열전도도가 상대적으로 낮기 때문에, PCM에 금속 소재를 내장하면 이러한 단점을 완화할 수 있습니다. 에너지 관리에서는 배터리 에너지의 합리적인 분배와 효율적인 활용에 중점을 둡니다. 정확한 에너지 관리 전략은 주행 거리를 늘리고, 에너지 변환 효율을 향상시키며, 에너지 손실을 줄일 수 있습니다. 통합 최적화에는 충전 알고리즘 최적화, 에너지 회수 시스템 통합, 그리고 지능형 에너지 스케줄링 전략 사용이 포함됩니다. 예를 들어, 일부 신에너지 자동차는 배터리 에너지를 효과적으로 활용하기 위해 실시간 배터리 상태와 사용자 습관에 따라 충전 전류와 전압을 조정하는 스마트 충전 기술을 사용합니다. 열 관리와 에너지 관리의 통합 최적화는 시너지 효과도 고려해야 합니다. 합리적인 통합을 통해 열 관리와 에너지 관리는 상호 보완적이고 상호 증진될 수 있습니다. 예를 들어, 배터리 온도가 너무 높으면 에너지 관리 시스템은 자동으로 작동을 조절하여 열 발생을 줄이고, 열 관리 시스템은 열을 신속하게 방출하여 손상을 방지합니다.

IV. 구조 설계 및 포장 기술 개발 방향

1. 높은 에너지 밀도와 긴 수명

신에너지 자동차 시장의 급속한 발전에 따라, 전력 배터리의 에너지 밀도와 수명이 연구의 초점이 되었습니다.

전력 배터리의 구조 및 패키징 기술은 더 높은 에너지 밀도와 더 긴 수명을 향해 발전하고 있습니다. 에너지 밀도 증가는 신에너지 자동차의 주행 거리 연장에 필수적입니다. 연구자들은 고니켈 삼원계 재료 및 실리콘-탄소 복합재와 같이 더 높은 에너지 밀도와 더 나은 성능 안정성을 갖춘 새로운 양극재 및 음극재를 개발하고 있습니다. 배터리 구조 최적화는 에너지 밀도를 더욱 향상시키기 위해 다층 구조 및 더 얇은 분리막을 사용하는 것과 같은 또 다른 중요한 접근 방식입니다. 리튬 이온 배터리용 니켈 함량이 높은 단결정 삼원계 양극재의 합리적 설계 및 혁신적인 제조에 대한 최근 연구는 새로운 성과를 거두었습니다. 다결정 구조와 비교하여 단결정 니켈 함량이 높은 삼원계 양극재는 압축 밀도와 안전 성능 측면에서 탁월한 이점을 제공하여 차세대 전고체 배터리 양극재로 선호됩니다. 예를 들어, 연구진은 오스트발트 숙성 법칙을 기반으로 온도, 입자 크기, 소성 시간 간의 관계를 확립하고 고품질 단결정의 크기를 정밀하게 제어하는 고온 단시간 펄스 리튬화 기술을 개발했습니다. 연구팀은 3.7μm 크기의 NCM83 단결정 입자를 성공적으로 합성하여 더욱 균일한 응력 분포를 보였습니다. 파우치형 완전 전지에서 1,000회 사이클 후 용량 유지율은 88.1%에 도달했습니다. 본 연구는 우수한 사이클 안정성을 갖춘 고비에너지 단결정 니켈 함량 삼원계 양극재의 설계 및 합성에 중요한 이론적 지침과 기술적 지원을 제공합니다.

긴 수명은 전력 배터리의 지속 가능한 개발에 필수적입니다. 연구자들은 사이클 시간을 늘리고 감쇠율을 낮추기 위해 노력하고 있습니다. 이는 제조 공정 개선, BMS 최적화, 그리고 첨단 열 관리 기술 도입을 통해 효과적으로 달성할 수 있습니다. TOB 뉴 에너지 포괄적인 배터리 생산 라인 솔루션과 R&D 지원 서비스를 통해 이러한 노력을 지원합니다.

2. 향상된 안전성 및 신뢰성

안전성과 신뢰성은 전력 배터리 구조 및 패키징 기술 개발에 있어 끊임없는 주제입니다. 향후 발전은 이러한 측면에 더욱 중점을 둘 것입니다. 재료 선정에 있어 연구진은 작동 중 열 폭주 및 단락 위험을 줄이기 위해 열 및 화학적 안정성에 더욱 집중할 것입니다. 열적으로 안정적인 양극재와 난연성 전해질을 사용하면 배터리 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 배터리 구조에서는 최적화된 셀 설계와 모듈 레이아웃을 통해 내부 응력 집중 및 잠재적 안전 위험을 줄입니다. 열 절연, 과충전 보호, 과방전 보호와 같은 다중 안전 보호 메커니즘을 도입하여 이상 발생 시 전원을 신속하게 차단하여 사고를 예방할 수 있습니다. 제조 측면에서는 더욱 엄격한 품질 관리 기준과 첨단 생산 장비를 통해 배터리의 일관성과 신뢰성을 보장합니다. 정교한 제조 공정은 결함과 고장률을 줄여 전반적인 배터리 성능을 향상시킵니다.

사물 인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능(AI)의 급속한 발전으로 전력 배터리 구조 및 패키징 기술은 점점 더 지능화되고 통합되고 있습니다. 미래에는 전력 배터리 시스템이 더욱 스마트하고 효율적으로 발전하여 신에너지 자동차의 성능 향상과 사용자 경험 최적화에 강력한 지원을 제공할 것입니다. 지능화는 전력 배터리 시스템의 주요 개발 방향입니다. 센서, 액추에이터, 컨트롤러와 같은 스마트 구성 요소를 통합하면 배터리 상태를 실시간으로 모니터링하고 정밀하게 제어할 수 있습니다. 온도, 전압, 전류를 실시간으로 모니터링하여 이상을 적시에 감지하고 처리할 수 있습니다. 충전 및 방전 프로세스를 정밀하게 제어하면 에너지 이용 효율을 최적화하고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 통합은 전력 배터리 시스템을 최적화하는 또 다른 중요한 방법입니다. 여러 기능 모듈과 구성 요소의 통합 설계는 시스템 복잡성을 줄이고 전반적인 성능을 향상시킵니다. BMS, 열 관리 시스템, 에너지 회수 시스템을 통합하면 통합 제어 및 최적화된 관리가 가능합니다. 고도로 통합된 배터리 모듈과 경량 소재를 사용하면 시스템 무게와 크기를 더욱 줄여 신에너지 자동차의 에너지 효율과 주행 거리를 향상시킬 수 있습니다.

V. 결론

본 논문은 신에너지 자동차용 동력 배터리 시스템의 구조 설계 및 패키징 기술 최적화 방안을 심층 분석하여 재료 기술, 안전성, 신뢰성, 지능성, 그리고 통합성을 포괄합니다. 이를 통해 성능 향상 및 개발 방향에 대한 핵심 요소를 제시합니다. 급속한 시장 발전과 기술 진보를 배경으로, 동력 배터리 시스템의 구조 설계 및 기술은 지속적으로 최적화되고 혁신될 것이며, 신에너지 자동차의 광범위한 적용과 지속 가능한 개발을 위한 강력한 기반을 제공할 것입니다. 샤먼 TOB 신에너지기술유한회사 맞춤형 장비 및 재료 공급부터 전체 생산 라인 제공 및 기술 지원까지 포괄적인 배터리 생산 및 연구 솔루션을 통해 이러한 진화를 지원하는 데 전념하고 있습니다.