열 폭주 열이 한 셀에서 다음 셀로 자유롭게 이동하도록 허용되면 로컬 배터리 오류가 모듈 수준 전파로 확대되어 결국 전체 배터리 팩을 위협할 수 있습니다.
따라서 운모의 가장 효과적인 사용은 셀 사이의 얇은 장벽, 모듈 주변의 더 큰 열 및 전기 장벽, 팩 뚜껑, 벽, 모선 및 기타 중요한 인터페이스의 내화 단열재 등 각 수준에서 다릅니다. 운모는 활성 냉각 물질이 아닙니다. 주요 역할은 열 전달을 지연시키고, 유전체 분리를 유지하며, 비정상적인 고온 현상이 발생하는 동안 주변 구조물을 보호하는 것입니다.
두 개의 셀이 촘촘하게 포장된 경우 직접적인 표면 간 열 전달로 인해 고장난 셀이 인접 셀을 빠르게 가열하고 셀 간 열 전파 위험이 증가할 수 있습니다.
해결책은 배터리 아키텍처에서 열 및 유전체 분리가 필요한 인접한 셀 사이에 얇은 운모 시트, 운모 라미네이트 또는 가공된 운모 기반 장벽을 설치하는 것입니다. 장벽은 전도성 셀 표면과 주변 구조 사이의 전기 절연을 유지하면서 추가적인 열 저항을 생성합니다.
경질 운모 및 운모 라미네이트는 고온에서 전기 절연 기능을 유지하고 열 발생 중에 열 전달을 늦추는 데 도움이 될 수 있기 때문에 배터리 셀 사이의 장벽으로 사용됩니다.[1]
셀 수준 운모는 크고 평평한 표면이 서로 마주보는 프리즘형 및 파우치 셀 레이아웃에서 특히 실용적입니다. 원통형 셀 아키텍처는 대신 셀 간격 및 환기 방향에 따라 모양의 장벽, 슬리브, 링, 스페이서 또는 기타 열 전파 재료를 사용할 수 있습니다.
운모는 설계된 세포 배출 경로를 막아서는 안 됩니다. 측면 열 전파를 늦추지만 뜨거운 가스를 다른 중요한 구성 요소로 방향을 바꾸는 장벽은 다른 실패 모드를 생성할 수 있습니다.
개별 셀에 열 장벽이 있는 경우에도 심각한 상황이 발생하면 모듈 프레임, 버스바, 엔드 플레이트, 인접 셀 그룹 및 전기 구성 요소가 극심한 열에 노출될 수 있습니다.
해결책은 더 큰 운모 구성 요소를 모듈 측면 장벽, 엔드 플레이트 절연, 모선 절연, 상단 보호 및 셀 그룹 간의 열 분리로 사용하는 것입니다. 이 수준에서 운모는 더 이상 하나의 셀 인터페이스만 보호하지 않습니다. 이는 모듈의 열 전파 및 전기 절연 아키텍처의 일부가 됩니다.
운모 구성 요소는 일반적으로 셀, 모듈 및 전도성 부품 사이의 전기 절연뿐만 아니라 EV 배터리 시스템 내부의 열 장벽 및 내화 보호에도 사용됩니다.[2]
배터리 잔량 |
일반적인 운모 위치 |
주요 기능 |
주요 설계 위험 |
|---|---|---|---|
셀 |
인접한 셀 사이 |
셀 간 열 전달이 느리고 유전체 절연 제공 |
통풍로를 막거나 과도한 두께 사용 |
기준 치수 |
모듈 벽, 엔드 플레이트, 부스바 및 셀 그룹 경계 |
더 작은 구역 내에 열을 가두어 전기 인터페이스를 보호합니다. |
압축, 냉각 또는 조립 방해 |
팩 |
팩 뚜껑, 측벽, 모듈 간 장벽 및 HV 구성 요소 |
인클로저 보호 및 팩 수준 전파 지연 |
무게, 포장 공간 및 불완전한 적용 범위 |
모듈 수준의 자료 선택에는 압축도 고려해야 합니다. 일부 배터리 아키텍처는 파우치 또는 각형 셀에 대한 제어된 압력이 필요합니다. 즉, 자체적으로 화재 방지 및 압축 관리를 모두 제공할 것으로 기대되기보다는 견고한 운모 시트가 보다 적합한 패드와 결합될 수 있음을 의미합니다.
열 이벤트가 모듈을 벗어나면 뜨거운 가스, 화염, 입자 및 복사열이 배터리 덮개, 외함 벽, 고전압 버스바, 배선, 커넥터 또는 인근 차량 구조물을 공격할 수 있습니다.
해결책은 팩 뚜껑 아래쪽, 주변 벽, 모듈 간 인터페이스, 부스바 영역 및 고전압 전기 부품을 포함하여 중요한 팩 경계 주위에 더 큰 운모 시트와 모양의 부품을 사용하는 것입니다. 팩 레벨 운모는 배터리 내부 고장 영역과 인클로저 또는 차량 사이에 최종 열 및 유전체 장벽을 제공합니다.
산업 응용 분야에는 셀 및 모듈 장벽, 배터리 팩 내부 주변의 절연, 팩 뚜껑 보호, 버스바 및 배선과 같은 구성 요소 주변의 유연한 운모 절연이 포함됩니다.[3]
팩 수준은 일반적으로 셀 수준 장벽보다 더 넓은 표면 적용 범위를 요구하므로 무게, 두께, 고정, 진동 저항, 컷아웃, 통풍구 및 조립 공차가 더 중요해집니다.
가장 두꺼운 운모 시트를 모든 곳에 추가하는 것이 자동으로 가장 안전한 디자인은 아닙니다. 열 장벽은 가스 배출, 압력 완화, 냉각판, 전기 간극, 서비스 용이성 및 전체 팩 질량과 함께 작동해야 합니다.
모든 배터리 수준에서 동일한 운모 두께와 기하학적 구조를 사용하면 불필요한 질량이 추가되는 동시에 가장 중요한 열 경로가 충분히 보호되지 않을 수 있습니다.
운모를 하나의 범용 배터리 절연 시트로 취급하기보다는 각 위치의 고장 모드에 따라 운모를 선택하는 것이 올바른 해결책입니다. 셀 배리어는 로컬 전파 제어를 우선시하고, 모듈 배리어는 더 큰 전기 및 구조 영역을 보호하며, 팩 배리어는 인클로저와 차량 인터페이스를 보호합니다.
단순화된 설계 논리는 다음과 같습니다.
셀 수준: 열이 인접한 셀로 직접 이동하는 것을 중지합니다.
모듈 수준: 하나의 셀 그룹이 전체 모듈을 손상시키는 것을 방지합니다.
팩 수준: 모듈 수준의 열과 화염이 인클로저와 주변 차량을 공격하는 것을 방지합니다.
너무 얇은 운모 시트는 충분한 열 지연을 제공하지 못할 수 있으며, 불필요하게 두꺼운 시트는 팩 무게, 비용, 스택 높이 및 조립 난이도를 증가시킵니다.
해결책은 열 전파 테스트, 유전체 요구 사항, 기계적 제약, 노출 시간 및 장벽 위치를 통해 두께를 결정하는 것입니다. 모든 EV 배터리에 적합한 단일 운모 두께는 없습니다.
필요한 구성은 셀 화학, 셀 형식, 저장된 에너지, 간격, 예상 열유속, 배출 가스 방향, 보호된 면의 허용 온도, 운모 등급, 바인더 시스템 및 재료가 단독으로 사용되는지 또는 다층 장벽의 일부로 사용되는지 여부에 따라 달라집니다.
이러한 이유로 재료 선택은 일반 카탈로그에서 단순히 '1mm 운모' 또는 '2mm 운모'를 지정하는 것이 아니라 대표적인 배터리 테스트를 기반으로 해야 합니다.
운모, 에어로겔 및 실리콘 폼을 상호 교환 가능한 재료로 취급하면 각 재료가 단열, 압축, 밀봉 및 화재 방지 문제의 서로 다른 조합을 해결하기 때문에 열 성능이 저하될 수 있습니다.
더 나은 솔루션은 종종 운모가 고온 유전체 및 화염 보호 기능을 제공하는 반면 다른 재료는 낮은 열 전도성, 컴플라이언스, 쿠션 또는 밀봉 기능을 제공하는 다층 설계입니다. 실제 배터리 아키텍처와 남용 테스트 결과를 중심으로 재료 조합을 선택해야 합니다.
운모는 구조적 열 장벽과 전기 절연이 필요한 곳에 특히 유용합니다. 에어로겔 기반 소재는 매우 낮은 열 전도성을 제공할 수 있는 반면, 실리콘 폼은 압축 회복 및 간격 조절 기능을 제공할 수 있습니다.
하나의 재료가 모든 배터리 팩 기능을 수행할 것으로 기대해서는 안 됩니다.
배터리 형상을 확인하기 전에 평평한 운모 시트를 주문하면 통풍구가 막히고, 조립 공간이 불량하고, 재료가 갈라지고, 열 경로가 드러나지 않거나 버스바 및 냉각 구조가 간섭될 수 있습니다.
올바른 해결책은 실제 셀, 모듈 또는 팩 CAD와 열 폭주 시나리오에서 운모 구성 요소를 설계하는 것입니다. 프로토타입 절단 전에 두께, 컷아웃, 구멍, 가장자리 거리, 굽힘 요구 사항, 접착제, 장착 방법, 유전체 요구 사항 및 허용 치수 공차를 정의해야 합니다.
제공할 엔지니어링 정보:
셀 형식, 운모 위치, CAD 도면, 필요한 두께 범위, 최대 치수, 유전체 타겟, 열 차단 타겟, 접착 요구 사항, 압축 요구 사항, 작동 온도 및 해당 배터리 남용 테스트 사양을 보냅니다.
운모 시트는 실험실 화염 테스트에서 살아남을 수 있지만 뜨거운 입자가 장벽을 우회하거나 진동 중에 조인트가 열리거나 덮이지 않은 가장자리와 패스너를 통해 열이 전달되는 경우 배터리 내부에서는 여전히 작동하지 않습니다.
해결책은 대표적인 열 폭주, 전기, 기계 및 환경 조건에서 재료와 조립된 배터리 아키텍처를 모두 검증하는 것입니다. 재료의 가연성만으로는 셀, 모듈 또는 팩 설계가 열 전파를 제어할 수 있음을 입증하지 못합니다.
UL Solutions는 EV 배터리 남용, 화재 및 열 전파 테스트를 수행하고 일반적으로 사용되는 배터리 테스트 프레임워크 중 UL 2580, GB 38031, SAE J2464, SAE J2929, UN 38.3 및 UNECE R100을 포함한 표준을 나열합니다.[4]
ISO 6469-1은 전기로 추진되는 도로 차량에 사용되는 재충전 가능 에너지 저장 시스템에 대한 안전 요구 사항을 지정하는 반면, UNECE의 규정 번호 100은 열 전파 및 위험한 배터리 사고로부터의 탑승자 보호를 구체적으로 다루고 있습니다.[5][6]
EV 배터리용 맞춤형 운모 시트가 필요하십니까?
프로토타입 검토를 위해 셀, 모듈 또는 팩 CAD, 운모 설치 위치, 두께 목표, 유전체 요구 사항, 열폭주 목표, 최대 치수, 컷아웃, 접착제 구성, 샘플 수량 및 연간 수요를 준비합니다.
정확한 설치 수준을 먼저 정의하면 올바른 운모 등급, 두께, 형상 및 제조 공정을 선택하는 것이 훨씬 쉬워집니다.
운모는 주로 셀, 모듈, 모선 및 배터리 팩 구조 주변의 고온 전기 절연, 열 장벽, 화재 방지 및 열 폭주 전파 제어에 사용됩니다.
예. 얇은 운모 시트 또는 가공된 운모 장벽은 배터리 설계에 추가 유전 절연 및 열 전파 저항이 필요한 인접한 셀 사이에 설치할 수 있습니다.
일반적인 위치에는 셀 그룹 경계, 모듈 측벽, 엔드 플레이트, 모선, 상단 보호 및 유전체 절연이 필요한 전기 전도성 구조가 포함됩니다.
운모는 팩 뚜껑 아래, 인클로저 벽을 따라, 모듈 사이, 부스바 및 고전압 구성 요소 주변, 열 또는 전기 장벽이 필요한 기타 위치에서 사용할 수 있습니다.
열 폭주가 발생하지 않는다는 것을 보장할 수 있는 재료는 없습니다. 운모는 열 전달을 늦추고, 단열을 유지하며, 인접한 구성 요소로의 전파를 줄이거나 지연시키는 데 도움이 되는 수동적 장벽으로 사용됩니다.
아니요. 두께가 두꺼울수록 일부 설계에서는 차단 기능이 향상되지만 무게, 포장 공간, 비용 및 조립 난이도가 높아집니다. 특정 배터리 아키텍처에 대해 두께를 검증해야 합니다.
최종 검증 수준은 재료가 사용되는 방식을 반영해야 합니다. 셀 수준 스크리닝은 유용하지만 전파 경로, 배출 가스, 인클로저 형상 및 주변 구성 요소가 시스템 동작을 변경하기 때문에 모듈 및 팩 수준 테스트가 여전히 필요할 수 있습니다.
15년 자동차 배터리 부품 관점
15년간의 자동차 부품 및 와이어 하네스 제조 경험을 바탕으로 온도 등급이나 두께만으로 운모를 선택하지 않습니다. 첫 번째 질문은 항상 부품이 어디에 있는지(셀, 모듈 또는 팩)입니다.
셀 장벽은 환기를 방해하지 않고 국부적인 열 전달을 제어해야 합니다. 모듈 장벽은 전기 및 구조적 인터페이스를 보호해야 합니다. 팩 장벽은 인클로저와 주변 차량을 보호해야 합니다. 신뢰할 수 있는 설계는 운모 등급, 두께, 모양, 고정 방법 및 검증 테스트를 정확한 실패 경로에 일치시키는 것에서 비롯됩니다.
[1] Elmelin — EV 배터리 안전 및 셀 장벽을 위한 운모 절연
[2] Elmelin — 배터리 열 및 전기 절연을 위한 운모 구성 요소
[3] Electrolock — EV 배터리의 열폭주 방지: 운모의 역할
[4] UL 솔루션 — EV 배터리 남용, 화재 및 열 전파 테스트
