오늘날의 진화하는 설계 트렌드와 자동차 산업 표준은 새로운 전기차 모델의 외관, 내구성 및 성능에 영향을 미치고 있으며, 심지어 배터리 팩 벤트 설계에도 영향을 주고 있습니다. 전기 자동차(EV)에 대한 소비자 수요가 지속적으로 증가함에 따라 더 강력한 출력과 더 긴 주행 거리를 제공하는 혁신적인 배터리에 대한 수요도 증가하고 있습니다.
배터리가 더욱 정교해지면서 외부 환경으로부터 배터리를 보호해야 할 필요성이 그 어느 때보다 커졌습니다. 배터리 팩 엔지니어들은 차량 응용 분야를 잘 이해하고 있으며, 이를 적절한 벤팅 기술과 결합하여 전기차 성능 향상에 기여하고 있습니다.
다음은 Donaldson이 차량 배터리 팩 성능을 극대화하는 솔루션을 설계할 때 반영하는 5가지 중요한 고려 사항입니다.
1. 압력 균일화 제공
온도 및 고도 변화는 팩 인클로저 내부의 압력 변화를 일으킬 수 있습니다. 벤트는 인클로저 내외부로 공기가 흐를 수 있도록 하여 압력을 균일하게 유지하는 데 도움을 줍니다. 공기 흐름이 빠를수록 균일화가 더 빠르게 진행되고, 최대 압력 차가 낮아집니다. 압력이 운영 시스템에 축적되면 가장 약한 부분을 확인할 수 있으므로, 적절하게 설계된 벤트가 차량 내 민감한 구성요소의 압력을 낮춰 적절한 공기 흐름을 유지해 줍니다.
또한 압력 변화율도 고려해야 합니다. 압력 변화는 주변 환경 조건, 충전 및 방전으로 인한 배터리 팩 내부의 온도 변화에 의해 발생하는 경우가 많습니다. 압력 변화율이 증가할수록 더 높은 공기 흐름이 요구됩니다.
변동하는 압력 변화에 대응하기 위해서는 개발 초기 단계에서 벤트의 크기와 개수, 멤브레인 유형, 공기 흐름 특성, 외부 조건을 고려해야 합니다. 적절한 유형과 개수의 배터리 팩 벤트를 설치하면 다양한 작동 조건에서 팩 내부 압력을 관리하는 데 도움이 될 수 있습니다.
2. 인그레스 보호 설계
배터리 팩의 압력 수준을 관리하는 데 공기 흐름 요구 사항이 매우 중요하지만 오염물의 유입을 막기 위한 인그레스 보호 기능도 중요한 고려 사항입니다. 설계 및 시험 단계에서 활용되는 핵심 매개변수는 인그레스 보호(IP) 등급으로, 이는 이물질과 습기에 대한 인클로저의 밀봉 성능을 나타냅니다.
배터리 벤트가 보호해야 하는 대표적인 오염 물질에는 물(분사 및 침수), 오일, 먼지, 모래 입자가 포함됩니다. Donaldson의 2단 배터리 벤트는 고유한 본체 디자인과 독자적인 필트레이션 여과지인 Tetratex™ ePTFE 멤브레인을 활용하여 탁월한 배터리 팩 보호 기능을 제공합니다.
인그레스 보호 성능이 높아질수록 비상 가스 배출 유량은 감소할 수 있으므로, 적절한 벤팅솔루션은 인그레스 보호와 가스 배출 유량 간의 최적의 균형을 찾아야 합니다.
3. 예외적인 상황 고려
전기차 배터리 팩과 인클로저는 극단적인 작동 조건에서 발생하는 예외적 상황에 대응할 수 있도록 설계됩니다. 예외적인 상황은 드물게 발생하지만, 배터리 팩 손상 위험을 줄이고 부품 고장이나 많은 비용이 드는 수리를 방지하기 위해 벤팅솔루션을 최적화하는 것이 중요합니다.
다음은 Donaldson은 자사 제품을 시험하는 몇 가지 예외 상황 시나리오입니다.
- DC 고속 충전 – 이 충전 프로세스는 일반 충전소보다 훨씬 빠르며 전기차 배터리에 추가적인 열과 압력을 발생시킵니다.
- 언덕 오르기 – 오르막 경주라는 경쟁 스포츠는 급격한 고도 변화를 일으키며, 차량 배터리의 압력과 온도를 상승시킵니다.
- 수중 주행 – 오프로드에서 개울을 통과할 경우 따뜻한 배터리 팩이 열 충격을 받아 차가운 물로 인한 급격한 진공 현상이 발생할 수 있습니다.
- 항공 운송 – 항공기로 차량을 운송할 경우 고도 변화에 따른 기압 변화의 영향을 받습니다.
- 암석 충격 – 차량 하부에 돌이나 단단한 이물질이 충돌하면 배터리 팩 내부의 압력이 급격히 상승할 수 있습니다.
Donaldson의 테스트 프로세스에는 포괄적인 설계 고장 모드 및 영향 분석이 포함됩니다. 이 분석에서는 발생 가능한 예외 상황의 심각도와 빈도를 살펴보고 검증 계획에서 이를 추적합니다.
또한 Donaldson은 고객과 협력하여 차량이 겪을 수 있는 극한 상황과 갑작스러운 예외 상황에서도 주행 성능을 유지하는 데 필요한 요구 사항을 파악합니다.
4. 비상 가스 배출 상황 완화
예외적인 상황과 마찬가지로, Donaldson은 열 폭주와 같은 비상 가스 배출 상황에서 배터리 팩 내부 압력을 관리할 수 있도록 배터리 팩 벤트를 설계합니다. 열 폭주는 압력이 우려할 수준까지 상승해 팩에서 가스를 즉시 방출해야 하는 상황을 말합니다.
Donaldson의 2단 벤팅솔루션은 이러한 긴급 상황을 관리하는 데 도움이 되도록 설계되었습니다. 이와 같은 상황이 발생하면 2단계가 완전히 열려 급격히 팽창하는 가스를 제어된 방식으로 배출합니다. 이 메커니즘은 배터리 셀이나 팩 인클로저의 추가 손상을 방지하는 데 도움이 됩니다.
5. 전체 온도 범위 검증 수행
Donaldson은 다양한 작동 온도에서 작동할 수 있도록 배터리 팩 벤트를 설계합니다. Donaldson의 엔지니어링 팀은 벤트가 파열 압력, 비상 가스 배출, 압력 주기, 열 주기, 열 흡수, 열 충격 및 진동을 어떻게 처리하는지 확인하기 위해 광범위한 극한 온도 조건에서 정기적으로 테스트를 수행합니다.
2단 벤팅솔루션
2단 벤팅은 전기차 배터리 설계를 최적화하는 데 도움이 됩니다. 1단계에서는 압력을 균일하게 조절하고 물과 오염물의 유입을 막습니다. 2단계 벤팅은 압력과 열이 급격하게 축적될 경우 벤트를 완전히 개방하여 팽창 가스를 내보내고 나머지 셀이 추가적으로 손상되지 않도록 합니다. 대부분의 경우 단일 벤트 어셈블리는 이 두 가지 기능을 모두 수행할 수 있습니다.
Donaldson의 2단 벤팅솔루션은 열 폭주 발생 시 밀폐 및 보호, 압력 균일화, 효과적인 벤틸레이션 및 가스 완화 기능을 제공합니다.
Donaldson은 압력 변동, 액체 및 유해 오염물을 차단하는 벤트를 10억 개 이상 공급해 왔습니다. 자동차 배터리 팩 벤트부터 실외 조명, 보청기에 이르기까지 Donaldson의 차별화된 솔루션은 빠르게 성장하는 EV 및 하이브리드 차량 시장을 포함한 다양한 산업 분야에서 핵심 부품 요구 사항을 충족하고 산업 제조 공정을 지원하고 있습니다.
