에어로겔 장벽이 너무 얇으면 고장난 셀의 열이 이웃 셀에 너무 빨리 도달할 수 있습니다. 불필요하게 두꺼운 경우 팩은 귀중한 셀 볼륨을 잃고 비용이 추가되며 셀 압축을 변경할 수 있습니다.
EV 배터리에는 보편적인 에어로겔 두께가 없습니다. 셀 화학, 열폭주 에너지, 사용 가능한 간격, 압축, 허용되는 보호면 온도 및 모듈 검증 결과 중에서 올바른 값을 선택해야 합니다. 프리즘형 및 파우치 셀의 경우 엔지니어링 장벽은 두께가 몇 밀리미터에 불과한 경우가 많지만 최종 값은 실제 배터리 아키텍처에서 입증되어야 합니다.
'모든 배터리에 2mm 에어로겔이면 충분합니다'와 같은 고정된 규칙을 사용하면 위험도가 낮은 모듈에서 고에너지 셀을 제대로 보호하지 못하거나 공간을 낭비할 수 있습니다.
올바른 해결책은 실제 압축 조건에서 필요한 열 저항으로 두께를 정의하는 것입니다. 셀 형식, 화학, 저장된 에너지, 간격, 통풍구 방향, 압축력, 장벽 구성 및 인접 셀의 허용 온도가 모두 결과에 영향을 미칩니다.
Aspen Aerogels는 자사의 자동차 셀 장벽이 포함한 특정 목표를 위해 설계되었으며 열 전도성, 두께 및 압축 반응을 장벽 두께가 보편적인 수치가 아닌 응용 분야에 따른 설계 매개변수임을 강조합니다.[1]
셀 크기, 압축, 열 경로 및 환기를 고려하지 않고 성공적인 2~3mm 테스트 결과를 인용하면 완전히 다른 배터리 팩에 대한 잘못된 신뢰를 만들 수 있습니다.
일부 프리즘형 또는 파우치 셀 설계에서는 기술적으로 몇 밀리미터도 실행 가능하지만 전체 모듈 테스트를 통해 필요한 전파 지연이 확인된 경우에만 가능합니다. 두께는 재료 구성 및 압축 상태와 분리될 수 없습니다.
Aspen은 사용하는 미니 모듈 예제를 발표했습니다 . 약 50% 변형률로 압축된 2.35mm PyroThin 장벽을 두 개의 62Ah 프리즘형 셀 사이에 해당 특정 테스트에서 인접한 셀은 열폭주에 들어가지 않았지만 Aspen은 또한 미니 모듈이 실제 팩에서 발견되는 일부 2차 열 경로를 격리했다고 지적했습니다.[2]
따라서 2.35mm 결과는 유용한 엔지니어링 사례이지 보편적인 EV 사양이 아닙니다.
압축되지 않은 두께에 의해서만 선택된 장벽은 셀이 부풀어 오르고 모듈이 차량 수명 전반에 걸쳐 재료를 압축하면 매우 다르게 작동할 수 있습니다.
해결책은 수명 시작 및 수명 종료 압축 두께와 열 성능을 모두 평가하는 것입니다. 각형 및 파우치 셀은 사이클링 중에 크기가 변경될 수 있으므로 장벽은 열 저항을 유지하면서 압축 패드 역할을 할 수도 있습니다.
Aspen은 특히 기계적 성능, 압축 피로 및 압축 시 열전도율을 셀 간 장벽의 중요한 설계 요소로 식별합니다.[3]
열 전도성만으로 두께를 선택하면 실제 열 폭주 전파를 지배할 수 있는 다른 열 경로와 기계적 제약이 무시됩니다.
엔지니어는 장벽 두께를 동결하기 전에 완전한 셀 간 인터페이스를 평가해야 합니다. 가장 중요한 입력은 다음과 같습니다.
디자인 요소 |
중요한 이유 |
가능한 두께 효과 |
|---|---|---|
세포화학 |
열 폭주 동작 및 에너지 방출을 변경합니다. |
다른 열 저항이 필요할 수 있음 |
셀 용량 |
저장된 에너지가 높을수록 열 문제가 증가할 수 있습니다. |
장벽 요구 사항을 높일 수 있음 |
압축 |
최종 장벽 두께와 메커니즘을 변경합니다. |
압축 상태를 평가해야 함 |
사용 가능한 셀 갭 |
체적 에너지 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다 |
사용 가능한 최대 두께를 제한합니다. |
벤트 방향 |
뜨거운 가스는 세포 표면 장벽을 우회할 수 있습니다. |
다른 곳에서는 추가 보호가 필요할 수 있습니다. |
전파대상 |
필요한 지연 또는 비전파 성능을 정의합니다. |
최종 검증된 건설 추진 |
모든 셀 장벽의 크기를 초과하면 팩 에너지 밀도가 감소하고 모듈 크기와 비용이 증가하며 의도된 셀 압축 시스템을 방해할 수 있습니다.
올바른 해결책은 적절한 설계 마진으로 열 전파 및 기계적 요구 사항을 충족하는 최소한의 검증된 구성을 사용하는 것입니다. 대용량 EV 팩에서는 수십 또는 수백 개의 셀 인터페이스에서 반복되는 1밀리미터의 추가 부분도 팩 크기에 실질적인 영향을 미칠 수 있습니다.
이것이 에어로겔이 세포 간 장벽에 매력적인 이유 중 하나입니다. 제조업체는 상대적으로 얇고 가벼운 구조에 매우 높은 열 저항성을 설계할 수 있습니다.[4]
LFP, NMC 및 기타 셀 화학에 동일한 장벽 설계를 사용하면 열 폭주 동작, 셀 에너지, 환기 및 팩 아키텍처의 주요 차이점을 간과할 수 있습니다.
장벽은 실제 세포 화학 및 유발 세포 행동에 맞게 조정되어야 합니다. Aspen은 자사의 셀 장벽이 LFP, NMC 및 신흥 고체 시스템을 포함한 다양한 화학 물질을 위해 설계되었으며 특정 응용 분야에 최적화된 두께 및 강성 프로파일을 가지고 있다고 지적합니다.[5]
화학은 중요하지만 유일한 매개변수는 아닙니다. 셀 용량, 기하학적 구조, 충전 상태, 간격, 압축, 냉각 및 주변 구조는 전파 동작을 실질적으로 변화시킬 수 있습니다.
모듈 수준 테스트에서 쿠폰 테스트로 표현되지 않은 전도성, 복사 또는 배출 가스 열 경로가 밝혀지면 재료 데이터시트만으로 생산 두께를 동결하면 재설계 비용이 많이 들 수 있습니다.
재료 계산 및 셀 수준 테스트를 사용하여 시작 두께를 정의한 다음 연속 출시 전에 모듈 또는 팩 수준에서 전체 구성을 검증합니다. 실제 배터리에는 기본 셀 표면 장벽을 우회할 수 있는 탭, 모선, 냉각판, 압축 구조, 틈, 패스너, 단열재 및 환기 경로가 포함되어 있습니다.
Aspen은 마찬가지로 배터리 모듈과 팩이 복잡한 시스템이며 수명이 다할 때까지 셀 장벽 성능에 대한 일률적인 테스트는 없다고 말합니다.[3]
주변 전기 패키징을 확인하지 않고 셀 장벽 두께를 늘리면 모듈 스택 크기가 변경되고 부스바, 감지 와이어, 커넥터 또는 고전압 하니스 라우팅에 추가적인 스트레스가 가해질 수 있습니다.
올바른 해결책은 전기 상호 연결 시스템과 함께 에어로겔 두께를 검토하는 것입니다. 셀 간격의 변화는 버스바 형상, BMS 감지 와이어 길이, 커넥터 위치, 절연 간격 및 모듈 주변의 고전압 케이블 라우팅을 변경할 수 있습니다.
이러한 이유로 열 장벽 변화를 고립된 재료 대체물로 취급해서는 안 됩니다. 툴링이 동결되기 전에 셀 간격, 압축, 운모 절연, 부스바, 실리콘 패드, BMS 배선 및 HV 하니스 인터페이스를 함께 확인해야 합니다.
에어로겔 세포 장벽을 정의해야 합니까?
엔지니어링 검토를 위해 셀 화학, 용량, 셀 치수, 사용 가능한 간격, 압축 요구 사항, 목표 두께 범위, 통풍구 방향, 열 전파 요구 사항, 모듈 CAD 및 주변 부스바 또는 배선 레이아웃을 준비합니다.
최종 생산 두께가 출시되기 전에 샘플 평가를 통해 열 성능과 압축된 기계적 거동을 모두 확인해야 합니다.
보편적인 두께는 없습니다. 엔지니어링된 셀 장벽의 두께는 몇 밀리미터에 불과하지만 최종 값은 재료, 셀 설계, 압축 및 필요한 열 전파 성능에 따라 달라집니다.
일부 설계에서는 충분할 수도 있고 다른 설계에서는 부적절할 수도 있습니다. 실제 셀 화학, 에너지, 압축, 열 경로 및 모듈 아키텍처를 사용하여 두께를 검증해야 합니다.
에어로겔 구조에 따라 다릅니다. 기계적 변형은 두께를 변화시키고 열적 거동에 영향을 미칠 수 있으므로 자동차 셀 장벽은 실제 압축 상태에서 특성화되어야 합니다.
아니요. 두께가 두꺼워지면 열 저항이 향상될 수 있지만 팩 에너지 밀도가 감소하고 셀 압축이 변경되며 비용이 증가하고 부스바 또는 배선 형상에 영향을 미칠 수 있습니다.
둘 다 유용할 수 있습니다. 셀 수준 테스트는 스크린 배리어 성능에 도움이 되지만, 전체 배터리 시스템에 추가 열 전달 및 배출 가스 경로가 존재하므로 모듈 및 팩 수준 검증이 중요합니다.
15년간의 자동차 배터리 및 와이어 하네스 관점
15년간의 자동차 부품 및 와이어 하네스 경험을 바탕으로 저는 배터리 스택을 이해하기 전에는 에어로겔 장벽을 단순히 '2mm' 또는 '3mm'로 지정하지 않았습니다.
올바른 두께는 압축, 패키징, 부스바, 감지 와이어 및 고전압 라우팅 요구 사항을 충족하면서 셀 간 열 전달을 제어하는 최소 검증 구조입니다. EV 배터리 팩에서는 방열재와 전기적 상호 연결이 함께 설계되어야 합니다.
[1] 아스펜 에어로겔 — PyroThin Airgel 세포 간 열 장벽
[2] Aspen Aerogels — 세포 간 열 전파 미니 모듈 테스트
[3] Aspen Aerogels — 열 장벽 설계, 압축 및 검증
