열 관리는 현대 전기차 배터리 설계에서 가장 중요한 엔지니어링 과제 중 하나입니다.

EV 배터리 팩이 더 높은 에너지 밀도, 더 빠른 충전, 더 높은 전력 출력 및 더 컴팩트한 아키텍처로 발전함에 따라, 세포 온도를 조절하는 것은 점점 더 어려워집니다.냉각 시스템 자체는 해결책의 한 부분일 뿐이다세포, 냉각 구조물, 포장 장치 및 기타 구성 요소 사이에 배치 된 재료는 열이 얼마나 효과적으로 이동 할 수 있는지 또는 얼마나 효과적으로 차단 될 수 있는지 결정합니다.

이러한 이유로 배터리 열 관리는냉각, 열 전달, 단열, 밀폐, 열 확산 및 활성 난방하나의 냉각기술이 아니라

잘 설계된 배터리 열 관리 시스템은 일반적으로 여러 재료 기술을 사용하며 각 재료는 패키지 내의 특정 위치와 기능에 따라 선택됩니다.

리?? 이온 배터리는 작동 온도에 민감합니다. 배터리 성능, 노화 행동, 충전 능력 및 안전은 모두 온도에 영향을받을 수 있습니다.

많은 EV 배터리 열 관리 전략은 제어 된 운영 창 내에서 세포 온도를 유지하는 것을 목표로합니다.15~40°C연구 리뷰는 또한 배터리 성능에 대한 정확한 온도 조절의 중요성을 강조했습니다.안전 및 서비스 수명.

문제는 냉각 시스템이 온도가 냉각 매체에 도달할 수 있을 때만 온도를 효과적으로 조절할 수 있다는 것입니다.

액체 냉각판, 냉각 용액 채널 또는 공기 흐름은 냉각 경계 상태를 설정합니다. 그러나 셀과 냉각 시스템 사이의 모든 인터페이스는 열 저항을 도입합니다.

예를 들어:

셀 → TIM → 냉각판 → 냉각액

인터페이스에 미세한 공기의 틈이, 불충분한 압축 또는 과도한 결합 선 두께가 있는 경우열 경로는 냉각 시스템 자체에 충분한 용량이있는 경우에도 병목이 될 수 있습니다..

이 때문에 재료 선택은 배터리 열 관리 설계의 필수적인 부분입니다.

현대 배터리 팩에는 여러 가지 다른 열 및 보호 구역이 있습니다.

각 구역은 다른 기능을 수행하고 따라서 다른 재료 전략을 요구합니다.

이 구역 기반 접근 방식은 엔지니어가 먼저 정의 할 수 있기 때문에 재료 선택이 더 쉬워집니다.각 인터페이스가 달성해야 하는그리고 적절한 재료 클래스를 선택합니다.

셀과 냉각판의 인터페이스는 액체 냉각 EV 배터리의 가장 중요한 열 경로 중 하나입니다.

목표는 간단합니다.

열을 생성하는 셀과 냉각 구조 사이의 열 저항을 최소화합니다.

공기는 열전도율이 약0.026 W/m·K, 그래서 통제되지 않은 공기의 틈은 인터페이스 저항을 크게 증가시킬 수 있습니다.

열 인터페이스 재료는 이러한 틈을 채우고 더 연속적인 열 경로를 만듭니다.

가장 일반적인 세 가지 접근법은 다음과 같습니다.

• 열 패드

• 분배된 열 틈을 채우는 물질

• 열전도성 접착제

열 패드는 배터리 구성 요소와 냉각 구조 사이에 배치 된 컴플라이언스 입체 잎입니다.

그들은 실리콘 및 비 실리콘 포뮬레이션에서 사용할 수 있으며 맞춤형으로 절단 할 수 있습니다.

대표적인 장점은 다음과 같습니다.

• 진열 과정이 없습니다.

• 쉽게 설치

• 정밀 도형 기하학

• 격리 등급의 좋은 전기 단열

• 많은 응용 분야에서 재처리 가능성

• 제어 된 두께

중요한 선택 매개 변수는 다음과 같습니다.

• 열전도성

• 열항역

• 두께

• 단단함

• 압축 동작

• 다이렉트릭 강도

• 압축 세트

• 작동 온도

높은 열전도 값만으로는 좋은 응용 성능을 보장하지 않습니다.

예를 들어, 매우 단단한 패드는 뛰어난 전도성을 가질 수 있지만 친밀한 표면 접촉을 달성하기 위해 과도한 조립 압력이 필요합니다.더 부드러운 물질 은 낮은 압력 에서 더 잘 적합 할 수 있다.

따라서 엔지니어들은실제 조립 압력 및 결합 선 두께 아래 열 저항, 단지 W/m·K 등급에 따라 물질을 선택하기 보다는.

분배 된 틈 채우는 것은 인터페이스 틈이 배터리 집합에 따라 달라질 때 특히 유용합니다.

사전 절단 패드와 달리 액체 또는 젤 기반의 틈 채우는 것은 인터페이스의 실제 기하학에 맞을 수 있습니다.

이 기술은 다음과 같은 분야에 매력적입니다.

• 셀과 콜드 플레이트 인터페이스

• 셀 투 팩 아키텍처

• 대면적 배터리 모듈

• 복합 용량 스택

• 자동 생산 라인

일 부분과 두 부분의 구성이 있습니다.

일 부분 재료는 제조업체의 지정 조건에 따라 제어 된 경화로 설계되며, 두 부분 시스템은 분배 후 혼합되고 경화됩니다.

주요 장점은 다음과 같습니다.

• 탁월한 표면 적합성

• 틈을 채울 수 있는 큰 능력

• 낮은 기계적 스트레스

• 자동 분배 호환성

• 사전 절단 패드 기하학에 대한 의존도가 감소

주요 제조 고려 사항은 다음과 같습니다.

• 분배 부피

• 두 부분 시스템에서 혼합 비율

• 용량

• 치료 시간

• 장비 요구 사항

• 채권선 통제

• 재작업 전략

대용량 배터리 생산에 있어서 이러한 공정 요인은 열전도만큼이나 중요할 수 있습니다.

패드와 분비 된 빈틈 채울기 사이의 선택은 주로 인터페이스 기하학과 제조 과정에 달려 있습니다.

어느 기술도 전 세계적으로 더 낫지 않습니다.

올바른 선택은격차 범위, 허용 스택, 압축 요구 사항, 생산량 및 열 목표.

일부 배터리 인터페이스는 열 전달과 기계적 부착을 모두 필요로 합니다.

열전도성 접착제는 부품에서 열을 전달하면서 영구적인 결합을 제공할 수 있습니다.

그들은 다음을 고려할 수 있습니다.

• 영구적인 부품 부착

• 구조적 열 인터페이스

• 버스바와 관련된 애플리케이션

• 열 분산기 장착장치

• 기계적 고정 장치가 바람직하지 않은 부품

열 전도성 테이프는 가벼운 부품에 대해 더 간단한 조립 방법을 제공할 수 있습니다.

그러나, 접착제 와 테이프 는 일반적으로 열 패드 보다 재작업 하는 데 덜 편리 합니다. 따라서, 그들은 결합의 영구적 인 성격이 받아들여질 때 선택 해야 합니다.

모든 열 문제 는 수직 열 이 전달 되지 않기 때문 이 아닙니다.

큰 프리즈마틱 셀과 포스 셀 어셈블리도 표면에 온도 경사도를 경험할 수 있습니다.

이러한 상황에서는 열을 퍼뜨리는 재료가 열이 주요 냉각 인터페이스에 도달하기 전에 옆으로 열을 분산 할 수 있습니다.

그래피트 및 그래핀 기반 물질은 높은 평면 내 열 전도성을 제공할 수 있는 애니소트로프 열 물질의 예입니다.

재료 구조에 따라, 그래피트 기반 열 분산기는 매우 높은 평면 내 전도도 값을 달성 할 수 있으며, 일부 상업용 제품에서는1,000 W/m·K.

이 물질은 일반적으로 주요 TIM를 직접 대체하기보다는 열 스택의 일부로 사용됩니다.

단순화된 구조는 다음과 같습니다.

셀 → 열 분산기 → TIM → 냉장판

열 분산기는 지역 온도 농도를 줄이는 데 도움이되며 TIM는 냉각 구조에 열 접촉을 제공합니다.

위상 전환 물질 (PCM) 는 위상 전환을 거치면서 열을 흡수합니다.

이것은 열 부하가 짧은 기간 피크를 포함하는 응용 프로그램에 유용하게 사용됩니다.

예를 들어, 배터리는 다음 기간 동안 일시적으로 열 생산량이 증가할 수 있습니다.

• 빠른 충전

• 고속 가속

• 재생 제동

• 고전류 방출

PCM는 이 일시적인 열의 일부를 흡수하고 온도 상승 속도를 줄일 수 있습니다.

그러나 PCM는 활성 냉각 시스템의 대체로 간주되지 않아야합니다.

물질은 유한한 잠복 열 용량을 가지고 있습니다. 사용 가능한 단계 변화 용량이 고갈되면 PCM는 더 이상 동일한 버퍼 효과를 제공 할 수 없습니다.

따라서 PCM는 적절한 열 배척 시스템과 통합되면 가장 효과적입니다.

EV 배터리 열 관리에 관한 2024 검토 문헌은 PCM 기반 접근법을 중요한 수동 또는 하이브리드 열 관리 기술 중 하나로 식별합니다.

배터리 팩의 일부 부분은 효율적으로 열을 전달해야 하지만 다른 부분은 정반대의 역할을 해야 합니다.

세포 사이에는 열 전파를 늦추고 전기 단열을 제공하는 재료가 필요할 수 있습니다.

일반적인 재료 기술에는 다음이 포함됩니다.

에어로젤 기반의 담요는 얇은 구조에서 열 전도성이 매우 낮을 수 있습니다.

그 주요 장점은 열 절연 효율입니다.

그러나 일부 에오겔 구조가 압축, 마찰 및 취급에 민감할 수 있기 때문에 기계적 보호가 필요할 수 있습니다.

실리콘 폼은 다음의 조합을 제공합니다.

• 열 절연

• 둥지

• 압축 복원

• 환경 저항성

• 전기 단열

• 불 retardant 옵션

예를 들어, ZIITEK의 Z-FOAM800 제품군은0.06 W/m·K, UL 94 V-0 등급 및 특정 등급에 따라 약 200°C까지의 온도 기능.

미카와 세라믹 시트는 전기 단열과 고온 보호 기능을 제공할 수 있습니다.

그들은 종종 재료가 심한 열 노출에 견딜 수 있거나 배터리 구성 요소 사이의 물리적 장벽을 제공해야하는 응용 프로그램에 고려됩니다.

적절한 재료는 배터리 구조, 열 현상 시나리오 및 적용 가능한 안전 요구 사항에 달려 있습니다.

단열만으로는 모든 배터리 안전 현상을 막을 수 없습니다.

전체적인 열 방출 완화 전략은 다음을 포함할 수 있습니다.

• 배터리 관리 시스템 제어장치

• 세포 모니터링

• 열 절연

• 방화장벽

• 환기 구조

• 기계적 장벽 설계

• 냉각 시스템

• 불 retardant 물질

표준 및 시험 방법UL 2596열 도출을 대표하는 조건에서 배터리 껍질 재료의 열 및 기계적 성능을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.

중요한 것은 재료 수준의 테스트 결과가 시스템 수준의 배터리 안전에 대한 직접적인 보증으로 해석되어서는 안된다는 것입니다. 실제 성능은 재료, 기하학, 두께,셀 설계 및 최종 사용 구성.

배터리 열 관리는 환경 보호와 밀접한 관련이 있습니다.

배터리 장치는 내부 구성 요소를 물, 먼지, 습도, 진동 및 온도 순환으로부터 보호해야합니다.

따라서 밀착 재료는 요구 된 사용 기간 동안 압축 및 밀착 힘을 유지해야합니다.

중요한 사양은 다음과 같습니다.

• 압축 세트

• 물 흡수

• 온도 범위

• 화염 retardance

• 튼튼성 및 찢기성

• 다이렉트릭 강도

• 환경 저항성

• 도형 절단 허용량

화염 retardant을 필요로 하는 응용 프로그램에서,UL 94 V-0OEM 및 시스템 요구 사항에 따라 지정될 수 있습니다. UL는 UL 94 V 등급을 정의된 시험 조건에 기초한 재료의 염화성 분류로 설명합니다.

침입 보호 요구 사항IP67 또는 IP68또한 배터리 상자 및 OEM 사양에 따라 적용될 수 있습니다.

실리콘 폼은 단 하나의 재료로 밀폐, 완충 및 단열 기능을 결합 할 수 있습니다.

예를 들어, ZIITEK의 Z-FOAM800 시리즈는 배터리 칸막이를 밀폐하고 열 보호를 위해 설계된 등급을 포함합니다.UL 94 V-0 방화 retardance 및 넓은 온도 저항성, 등급에 따라 정확한 값.

배터리 응용 프로그램에서는 엔지니어들은 압축 세트만으로 기반한 밀착 물질을 선택하는 대신 전체 밀착 디자인을 평가해야합니다.

재료, 굴레 기하학, 압축 비율, 허용도 및 환경 노출 모두 장기간 밀폐 성능에 영향을 미칩니다.

배터리 열관리는 단순히 열을 제거하는 것이 아닙니다.

낮은 온도 환경에서 배터리는 충전 전에 또는 충전 중에 가열되어야 할 수도 있습니다.

낮은 온도는 사용 가능한 전력과 충전 성능을 감소시킬 수 있습니다. 충분히 낮은 온도에서 리?? 이온 전지를 충전하면 리?? 접착의 위험이 증가 할 수 있습니다.세포 화학과 충전 조건에 따라.

따라서 유연한 난방 요소는 배터리 팩에 통합되어 적절한 작동 범위로 셀 온도를 올릴 수 있습니다.

일반적인 기술에는 다음이 포함됩니다.

폴리마이드 난방기는 다음과 같이 제공합니다.

• 얇은 구조

• 가벼운 무게

• 높은 유연성

• 맞춤형 난방 패턴

• 좋은 온도 저항성

실리콘 고무 난방기는:

• 유연한 구조

• 좋은 환경 저항성

• 기계적 내구성

• 맞춤형 난방 구역

• 배터리 팩 구조와 호환성

지테크의 핫 히터 솔루션은 폴리마이드 및 실리콘 기반 히터 기술을 포함하며,전력 밀도 1 ∼2 W/cm2, 설계와 응용에 따라

난방 시스템은 과도한 온도 경사 또는 과열을 피하기 위해 온도 센서 및 제어 알고리즘과 함께 설계되어야합니다.

셀-투-팩 (CTP) 아키텍처는 전통적인 모듈 구조를 줄이거나 제거합니다.

IDTechEx는 CTP 설계가 기존 모듈과 관련된 인터페이스의 일부를 제거하기 때문에 사용되는 TIM의 양을 크게 줄일 수 있다고 보고했습니다.

그러나 TIM 계층의 수를 줄이는 것은 신중한 인터페이스 엔지니어링의 필요성을 제거하지 않습니다.

일부 CTP 설계에서, 남은 셀-콜드 플레이트 인터페이스는 더욱 중요해집니다.

엔지니어들은 다음을 관리해야 할 수 있습니다.

• 더 큰 인터페이스 영역

• 더 큰 차원 변동

• 세포 확장

• 압축 요구 사항

• 장시간 기계적 안정성

• 열항역

• 자동화된 적용

결과적으로 소재가 줄어드는 경향은 실제로 나머지 재료에 대한 성능 요구 사항을 증가시킬 수 있습니다.

재료 선택은 제품 카탈로그보다는 열 구조로 시작해야합니다.

실제적인 선택 과정에는 다음 단계가 포함됩니다.

열 생성 셀과 냉각 매체 사이의 모든 인터페이스를 확인합니다.

예를 들어:

셀 → TIM → 냉각판 → 냉각액

그 다음 열을 차단, 퍼뜨리거나 밀폐하거나 활발하게 생성해야 하는 다른 영역을 식별합니다.

결정합니다.

• 허용되는 최대 세포 온도

• 셀 사이의 최대 온도 차이

• 열 생산율

• 목표 열 저항

• 인터페이스 영역

• 예상 온도 범위

열전도성만 선택 기준으로 사용하지 마십시오.

조치:

• 최소 격차

• 최대 간격

• 평면성

• 표면 거칠성

• 구성 요소 허용량

• 압축 범위

이 정보는 열 패드, 빈틈 채우기, 접착제 또는 다른 인터페이스 기술이 적합하는지 여부를 결정합니다.

다음 과 같은 점 들 을 고려 해 보십시오.

• 압축력

• 압축 세트

• 세포 확장

• 진동

• 충격

• 시어 운동

• 장기적 스트레스 완화

TIM는 배터리 팩의 기계적 수명 내내 작동해야 합니다.

그 위치에 따라 재료는 다음을 필요로 할 수 있습니다.

• 전기 단열

• 다이렉트릭 강도

• 화염 retardance

• 낮은 연소

• 낮은 배출가스

• RoHS 준수

• REACH 준수

재료 레벨 등급은 항상 실제 OEM 및 시스템 요구 사항에 따라 확인되어야 합니다.

기술적으로 우수한 재료는 효율적으로 제조 할 수 없다면 여전히 적합하지 않을 수 있습니다.

평가:

• 도어 절단 능력

• 분배 속도

• 혼합 요구 사항

• 치료 시간

• 자동화 호환성

• 재료 사용

• 재공사 요구 사항

• 유효기간

많은 EV 배터리 생산을 위해 제조 공정 호환성은 전체 비용에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

마지막으로, 실제 배터리 스택에서 물질을 테스트합니다.

관련 평가는 다음을 포함할 수 있습니다.

• 열순환

• 진동

• 압축 노화

• 습성 노화

• 열항역

• 합병성

• 압축 세트

• 전기 단열

• 화재 및 확산 관련 시험

열 인터페이스 재료의 경우 ASTM D5470은 열 전도성 전기 단열 재료의 열 전달 특성을 측정하는 일반적으로 사용되는 방법 중 하나입니다.

압력, 두께 및 테스트 구성을 포함한 시험 조건은 항상 기재되어야합니다. 열 임피던스가 실제 인터페이스 조건에 크게 의존하기 때문입니다.

EV 배터리 프로그램에 필요한 재료를 선택하기 전에 공급자에게 몇 가지 실용적인 질문을 던지는 것이 좋습니다.

광고된 W/m·K 값에만 의존하지 마십시오.

다음 과 같이 요청 하십시오.

• 시험 방법

• 압력

• 연결선 두께

• 온도

• 샘플 구성

실제 간격 범위에서 압축 곡선과 성능을 요청합니다.

틈을 채우기 위해 다음을 물어보십시오.

• 분배장비

• 혼합 비율

• 용량

• 치료 프로파일

• 분배 정확도

요청 데이터:

• 열순환

• 고온 노화

• 습도

• 압축 세트

• 펌프 또는 마이그레이션

• 접착성 안정성

배터리 디자인은 종종 사용자 정의가 필요합니다.

• 두께

• 기하학

• 단단함

• 열전도성

• 합병성

• 화염 retardance

• 전기 단열

지원자를 구성하고 변환할 수 있는 공급자는 개발 시간을 줄일 수 있습니다.

EV 배터리의 열 구조는 한 가지 재료로 해결되는 경우는 거의 없습니다.

일반적인 패키지는 다음을 결합 할 수 있습니다.

열 패드 + 열 젤 + 단열 + 방화장치 + 밀폐 폼 + 열 분산기 + 열 필름

각 재료는 다른 기능을 합니다.

예를 들어 ZIITEK는 전기차와 신에너지 애플리케이션에 대한 열 인터페이스 재료, 실리콘 폼 밀폐 재료 및 유연한 난방 솔루션을 제공합니다.현재 EV 포트폴리오에는 셀과 콜드 플레이트 인터페이스에 대한 열 젤이 포함됩니다., TIF 시리즈 열 패드, Z-FOAM800 실리콘 스폼 및 Kheat 난방 용액.

통합 재료 접근 방식의 가치는 단순히 더 많은 제품을 갖는 것이 아닙니다.전체 열, 기계, 전기 및 환경 스택업하나의 시스템으로

보편적 최고의 TIM는 존재하지 않습니다. 열 패드는 제어 된 틈과 간단한 조립에 적합하지만 분비 된 열 틈 채우는 것은 변수 틈과 복잡한 기하학에 유리합니다.올바른 선택은 열 저항에 달려 있습니다, 간격, 압축, 전기 단열, 제조 공정 및 신뢰성 요구 사항

액체 냉각 배터리에는 열을 생성하는 부품과 냉각 구조 사이의 제어 된 열 인터페이스가 필요합니다.열 젤틈을 채우기, 접착제 또는 다른 TIM 기술.

열 패드는 사전 완화 된 고체 인터페이스 재료이며 열 젤 또는 격차 채우는 액체 또는 젤 형태로 분배되며 실제 인터페이스 기하학에 적합합니다.패드는 일반적으로 다루기 쉽다, 젤은 변수 또는 더 큰 틈에 더 나은 적합성을 제공 할 수 있습니다.

단열 재료는 옆 열 전달을 줄이고 인접한 세포 사이의 열 전파를 느리게 할 수 있습니다. 응용 프로그램에 따라 실리콘 폼, 에어로겔,미카 및 세라믹 시트도 고려될 수 있습니다..

일반적으로, PCM는 단계 전환 동안 유한량의 열을 흡수하고 따라서 단기 열 피크를 버퍼할 수 있습니다.그것은 지속적으로 열을 제거하지 않으며 일반적으로 적절한 열 거부 메커니즘으로 작동해야합니다..

열 필름 은 낮은 온도 에서 작동 하는 동안 조절 된 열 을 공급 한다. 특히 추운 기후 에서, 충전 전 또는 충전 도중 세포 를 적절 한 온도 로 끌어올리는 데 도움 이 된다.

보편적인 W/m·K 목표가 없습니다. 열 성능은 열 전도성, 두께, 접촉 저항, 압력, 인터페이스 기하학 및 전체 열 경로에 달려 있습니다.실제적 인 조립 조건 하 에서 열 저항 은 종종 전도성 만 보다 더 유용 합니다..

중요한 매개 변수로는 압축 세트, 온도 범위, 물 흡수, 불 retardance, 변압 성질, 환경 저항 및 실제 장막 압축 설계가 있습니다.IP 요구 사항은 시스템 수준에서 평가되어야 합니다..

일부 재료 공급업체는 열 패드, 열 젤, 실리콘 폼,열 분산기 및 열 필름은 재료 자격 및 시스템 통합을 단순화 할 수 있습니다.그러나 각 재료는 아직 특정 배터리 설계 및 OEM 요구 사항에 따라 검증되어야합니다.

EV 배터리 열 관리는 점점 더재료 공학 과제는 냉각 시스템 과제만큼이나.

냉각 구조는 열이 어디로 갈 수 있는지 결정합니다. 재료는 열이 그 목적지에 얼마나 효율적으로 도달하는지 결정하고 대신 열이 차단, 확산, 밀폐 또는 생성되어야합니다.

현대 EV 배터리 팩의 경우 효과적인 열 관리에는 다음의 조율된 조합이 필요할 수 있습니다.

열 인터페이스 재료

• 열 분산 물질

• 열 절연

• 화재 장벽

• 밀봉 재료

• 열 필름

따라서 가장 신뢰할 수 있는 재료 선택 전략은 단일 "최고" 열 물질을 찾는 것이 아닙니다. 대신 엔지니어들은 배터리의 전체 열 경로를 지도로 만들어야 합니다.각 구역의 요구 사항을 정의합니다., 현실적인 조건에서 열 및 기계적 성능을 평가하고 생산 전에 전체 조립을 검증합니다.

배터리 아키텍처가 셀 투 팩, 더 높은 에너지 밀도 및 더 빠른 충전으로 발전함에 따라 이러한 통합 재료 접근의 중요성은 계속 증가 할 것입니다.