전기 자동차 배터리의 재료 솔루션

개요

EV 및 기타 eMobility 애플리케이션의 경우 배터리는 기능뿐만 아니라 시장 채택에도 매우 중요합니다. 따라서 지속적인 EV 시장 성장은 더 안전하고 안정적이며 더 빠르게 충전되고 더 넓은 충전 범위를 제공하는 배터리의 개발에 달려 있습니다. 이러한 요소로 인해 배터리와 배터리 구획은 틀림없이 EV 설계 및 개발에서 가장 필수적인 부분입니다. 그러나 몇 가지 요인이 배터리 기능과 성능을 위협합니다. 여기에는 가혹하고 예측할 수 없는 환경, 소음, 진동, 충격, 열 폭주, 과열, 먼지 및 유체 오염, 전자기 간섭 및 기타 위험이 포함됩니다. 배터리 구획은 또한 소비자 안전을 강화하고 보증 비용을 줄이기 위해 충돌 충격 솔루션이 필요합니다. 엔지니어링 재료 솔루션은 이러한 요인을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 올바르게 개발되면 배터리 성능을 향상시켜 더 나은 범위, 안전성 및 신뢰성을 얻을 수 있습니다. 이 백서는 EV 시장의 현재 동향과 예측을 다루고 배터리에 초점을 맞춘 EV의 재료 과학 설계 과제를 탐구합니다. 엔지니어가 시스템 개발을 개선하고 설계 창의성을 육성하기 위해 재료 응용 프로그램의 역할을 이해하는 데 도움이 됩니다.

전기차 시장 동향 및 전망

예를 들어 일반적인 읽기/쓰기 작업 중에 디스크 미디어를 통해 트랙에서 트랙으로 이동할 때 암 어셈블리가 빠르게 회전하여 작동되는 일반적인 하드 디스크 드라이브의 읽기/쓰기 작업이 있습니다. 각 하드 스타트 & 스톱 액션은 구조물에 부딪히고 모든 내부 공명에 활력을 불어 넣는 소형 충격 해머와 같습니다. 이것은 시스템에 읽기/쓰기 헤드의 이러한 원치 않는 움직임을 신속하게 소멸시키기에 충분한 댐핑이 없는 정도로 문제가 됩니다. 궁극적으로 오프 트랙 오류가 발생하여 장치의 성능이 저하 될 수 있습니다.

이 예에서 더 자세히 설명하면, 일반적인 하드 디스크 드라이브에는 여기 소스의 집합이 적용됩니다: 디스크 플래터를 7500 또는 10000RPM으로 회전시키는 회전 스핀들 모터, 암 액추에이터 어셈블리를 회전시키는 회전식 작동 보이스 코일 모터, 원치 않는 교란을 생성하는 암 피봇 또는 스핀들 베어링의 베어링 효과, 및 공기가 방사 디스크로부터의 난류 기류로부터 여기 유도되어 암/서스펜션 성분 위로 공기를 밀어낸다. 목표는 다양한 디자인 선택을 통해 소스 수준에서 이러한 여기력을 제어하는 것입니다. 예를 들어, 드라이브 산업이 보다 정밀한 유체 다이내믹 베어링으로 변경되면 드라이브에 의해 발생하는 유휴 소음이 크게 개선되었습니다. 더 높은 품질 표준에 따라 제조된 더 나은 품질의 부품은 부품 공차를 강화하여 변동을 줄여 여기 수준을 더욱 낮추는 데 도움을 줍니다. 공기 유도 진동은 오늘날 만들어진 고속 드라이브의 부산물이지만, 이 소스조차도 난류 공기 흐름을 최소화하는 데 도움이 되는 공기 교정 장치를 사용하여 제어할 수 있으므로 디스크 플래터 및 액추에이터에 대한 광대역 여기의 원천을 줄일 수 있습니다.

일반적으로 여기 소스 수준을 최소화하기위한 전략에는 힘 수준을 줄이기 위해 경량 구성 요소를 사용하고, 구성 요소 간의 불균형과 불일치를 최소화하고, 원치 않는 변동을 제거하는보다 정확한 제조 방법이 포함됩니다. 왕복 하중의 감소는 움직이는 부품의 질량을 줄이거나 관성 카운터 저울을 사용하여 달성 할 수 있습니다. 기어드 부품의 경우 높은 접촉률(>2.0) 선택, 적절한 윤활, 기어 재료 선택, 톱니 프로파일 및 표면 마무리, 샤프트 정렬은 모두 우수한 기어 설계 및 작동에 영향을 미치는 요소입니다. 다른 방법에는 더 나은 NVH 특성 (즉, 냉각 수요를 제어하기 위해 종종 적극적으로 제어되는 느린 속도로 실행되는 냉각 팬의 "조용한 모드"또는 덜 강력한 구성 요소로 인해 냉각하는 데 더 오래 걸리는 자동차 에어컨)의 이익을 위해 속도 또는 전력의 희생이 이루어지는 실제 작동 프로파일의 수정이 포함됩니다. 또는 더 긴 탐색 시간을 희생하여 흥분 수준을 최소화하기 위해 천천히 감속하는 하드 드라이브).

EV 및 Emobility 배터리의 주요 엔지니어링 과제

미국 도로에서 차량의 평균 연령은 12.1 년으로, 2001의 10 년 미만에서 증가했습니다. 자동차는 그 어느 때보 다 더 길고 힘들게 운전되며 비, 자외선, 얼음 및 도로 소금, 정지 및 이동 교통, 제대로 관리되지 않은 도로 등과 같은 환경 적 요인으로 인한 수년간의 학대에 맞서 수년을 견뎌야합니다.

이러한 요인을 복합화하는 것은 차량 자체입니다. 그 어느 때보 다 훨씬 더 복잡하며 값 비싼 컴퓨터 전자 장치, 센서 및 기타 장비가 탑재되어 있습니다.

과제: 열 보호

EV는 완전히 다른 시스템 설계로 ICE 차량과는 완전히 다른 냉각 요구 사항을 가지고 있습니다. 안전을 보장하고 소비자 채택을 촉진하기 위해 EV 및 배터리 제조업체는 리튬 이온 배터리에 대한 고유 한 과제 인 열 폭주를 방지하고 관리하기위한 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다. 배터리 제조업체는 운모, 세라믹 섬유, 기타 재료 및 스마트 시스템 설계에 의존하여 이러한 열 폭주 이벤트를 방지합니다.

과제: 전기 부족

절연층을 적용하면 중요한 내부 부품 간의 스파크 전압을 방지하여 전기 부족이나 화재를 예방할 수 있습니다.

Boyd는 유연한 인쇄 회로 및 리튬 이온 셀 서브어셈블리와 같은 기타 고전압 부품에서 단락을 방지하는 엄격한 공차 제어 기능을 갖춘 다층 스택 구성을 포함한 접착 테이프 제품을 제공합니다. 이중 코팅 테이프를 압축 패드 및 기타 재료와 전기적으로 절연하는 결합은 전기 부족을 방지하고 도로 진동 또는 충돌 충격 에너지를 흡수하는 다기능 솔루션을 만듭니다. 알루미늄 냉판 및 기타 금속 구조물과 같은 액체 냉각 시스템 구성 요소에 적용되는 단일 코팅 절연 테이프는 열 시스템에 전기적 성능을 추가합니다.

과제: 먼지 및 유체 오염

배터리 팩을 밀봉하면 액체, 가스 및 먼지 입자 침입(치명적인 고장을 일으키거나 배터리 수명이 단축될 수 있는 오염 물질)으로부터 리튬 이온 셀을 보호합니다. 씰은 압축 세트 및 힘 편향, 조립 효율, 소음/진동/가혹도(NVH) 및 기타 기계적 요인을 고려하면서 성능을 최적화하고 방수를 제공해야 합니다.

디스플레이 씰과 본딩 솔루션은 배터리 팩에 없지만 소비자 운전 경험에 여전히 중요합니다. Boyd's는 혁신적인 감압 접착제와 아크릴 폼으로 설계되어 디스플레이 어셈블리를 평생 동안 보호합니다. 매우 엄격한 허용 오차는 "제로 갭"성능을 달성하여 먼지 및 액체 오염에 대한 탁월한 보호 기능을 제공합니다. 우리는 단순화 된 고객 조립, DFM (설계 대 제조) 처리량 및 재료 최적화를 위해 이러한 솔루션을 설계합니다.

당사의 씰 및 개스킷 포트폴리오에는 수백 가지의 폼, 폴리머, 접착제 및 기타 옵션이 포함되어 있습니다. 당사는 이러한 소재 전문 지식과 DFM 대량 생산 기능을 결합하여 배터리 팩 및 디스플레이 어셈블리 오염 보호를 위한 고성능 작동 조건을 초과하는 맞춤형 설계를 제공합니다.

과제: 충격과 충돌

배터리 팩은 충돌 충격, 가혹한 도로 상태 및 극한의 온도로부터 보호되어야 합니다. 리튬 이온 셀 사이에 겹쳐진 견고하고 탄력있는 압축 패드를 배치하면 충전 사이클링으로 인한 팽창력을 보상합니다. 배터리 모듈 주위에 배치할 때 이 패드는 충돌 충격, 극한의 도로 상태 및 진동 확장으로부터 기계적 에너지를 흡수하여 소비자 안전을 강화하고 보증 비용을 절감함으로써 충격 보호 장벽 역할을 합니다.

Boyd는 다양한 폐쇄 및 오픈 셀 폼을 제공합니다. 이는 광범위한 온도 및 환경 노출 응용 분야의 요구를 충족하기 위해 다양한 성능 특성을 제공합니다. 폼은 EV 배터리의 전기 절연을 위해 유전체 필름을 통합하는 단일 및 이중 코팅 테이프와 결합 할 수 있습니다.

이러한 폼 솔루션은 쉬운 조립과 효율적인 설치를 촉진하면서 기술적 과제를 해결함으로써 총 소유 비용을 절감합니다.

과제: 열 관리

EV 설계 및 기능이 첨단 전자 장치를 크게 통합하도록 진화함에 따라 EV 엔지니어는 열 시스템 혁신을 위해 전통적인 전자 시스템 열 관리 시장 리더로 전환하고 있습니다.

EV 배터리 설계자는 배터리 셀 전체에서 균일한 온도를 유지하려고 합니다. 그들은 더 빠른 충전 / 방전 사이클을 가능하게하고, 배터리 과열을 줄이며, 치명적인 배터리 이벤트가 발생할 때 격리하거나, 더 나은 아직, 그러한 이벤트가 발생하지 않도록하면서이 작업을 수행해야합니다. Boyd의 복잡한 재료 조립품은 리튬 이온 배터리 셀-셀 냉각과 충격 흡수 및 열/화염 격리 솔루션을 통합하여 열 폭주를 방지하는 주요 기계적, 열적, 환경적 요인을 해결합니다.

열 인터페이스 재료(TIM)는 액체 냉각 시스템의 콜드 플레이트와 배터리 모듈 간의 열 전달을 촉진하여 열 저항을 줄여 열 시스템 효율을 극대화합니다. 이 제품은 인터페이스 내부, 통과 및 외부로 유입되는 열 흐름의 저항을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 민감한 부품으로부터 열을 끌어당기면 전력 밀도와 효율성이 향상됩니다.

Boyd의 제조 역량은 여러 공급업체의 원자재를 결합하여 재료 구성의 최적화된 다층 스택업을 생성하여 엔지니어가 설계 유연성을 높일 수 있도록 지원합니다. 이러한 재료는 복합 재료 및 재료가 UL® 94 V-0 및 기타 난연성 요구 사항을 충족 할 수있게 해주는 난연성 접착제와 결합 할 수 있으며 쉬운 릴리스 라이너가있는 단일 및 이중 코팅 테이프 및 강한 유전 특성을 가진 필름 층과 결합 할 수 있습니다.

당사의 액체 알루미늄 냉간 플레이트는 견고한 구조 지원(RSS) 및 고효율 냉각을 제공하여 오늘날 최고 성능의 배터리 모듈 및 팩을 제공합니다. 낮은 높이와 가벼운 무게로 인해 더 강력한 배터리와 더 넓은 범위의 차량을위한 추가 설계 공간이 생깁니다.

과제: 전자기 간섭

이음새와 개구부는 불량 에너지파가 장치에 들어가거나 나가는 길을 제공하여 전자기 간섭(EMI)을 일으킵니다. EMI 차폐는 전자 오작동 감수성을 줄이고 이러한 원치 않는 파동을 차단하거나 흡수하여 배터리 성능, 안전성 및 신뢰성을 향상시킵니다. 일반적으로이 차폐는 먼저 반사 표면이있는 전자기파를 편향시킵니다. 이것은 쉴드를 가열하여 EMI/RFI 실드의 적당한 전기 및 열 전도도 필수 특성을 만듭니다.

Boyd의 LectroShield 금속 호일, 전도성 폼, 엘라스토머 및 접착제는 간섭 에너지를 관리하도록 설계되었습니다. 그 결과 신뢰성과 효율성이 향상되었습니다.

Boyd의 EV 배터리 보호 재료 솔루션