1. 사각쉘 배터리 모듈 개요
사각형 쉘 배터리 모듈은 에너지 분야에서 중요한 역할을 하며 고유한 기술적 이점을 통해 많은 분야에 널리 적용되었습니다.
(1) 공통응용분야 목록
전기 자동차 분야에서 사각형 쉘 배터리 모듈은 차량에 전원을 지원하는 핵심 구성 요소 중 하나입니다. 높은 에너지 밀도는 주행거리에 대한 신에너지 차량의 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 예를 들어, DJI 및 Yihang과 같은 시장의 주류 신에너지 차량 브랜드는 대부분 리튬 배터리를 전원으로 사용하며 범위는 30분 이상이므로 사용자의 촬영 요구 사항을 충족합니다. 동시에 사각형 쉘 배터리 모듈은 긴 수명, 높은 안전성, 우수한 환경 적응성 등의 특성을 갖고 있어 전력 성능, 안전성 및 비용 효율성 측면에서 신에너지 차량의 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
에너지 저장 장비 분야에서 사각형 쉘 배터리 모듈은 주로 그리드 공급과 수요의 균형을 맞추고 그리드 안정성과 신뢰성을 향상시키기 위한 대규모 에너지 저장 시스템을 구축하는 데 사용됩니다. 이러한 에너지 저장 시스템은 전력망의 낮은 부하 기간 동안 전기 에너지를 저장하고 피크 시간에 이를 방출하여 전력망의 피크 밸리 차이를 효과적으로 완화하고 전력망 운영의 경제성과 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 사각형 쉘 배터리 모듈은 재생 에너지의 안정적인 공급과 효율적인 활용을 보장하기 위해 태양광 및 풍력 발전소의 에너지 저장 시스템과 같은 재생 에너지 저장 솔루션에 널리 사용됩니다.
드론 분야에서 배터리는 드론의 핵심 부품 중 하나이며, 사각쉘 배터리 모듈은 높은 에너지 밀도, 경량, 긴 사이클 수명으로 인해 드론에 강력한 전력 지원을 제공합니다. 예를 들어 중국에서는 드론 시장이 지난 몇 년간 급격한 성장세를 보이며 항공 사진, 농업, 임업, 전기, 물류 등 다양한 분야에서 엄청난 잠재력을 보여왔다.
항공우주 분야에서는 높은 신뢰성과 안전성 이점으로 인해 사각형 쉘 배터리 모듈이 널리 사용되었습니다. 사각형 쉘 배터리 모듈의 설계 및 제조 과정에서는 제품의 신뢰성과 안정성을 향상시키는 데 중점을 둡니다. 고품질 소재, 첨단 프로세스, 엄격한 품질 관리 시스템을 사용하여 배터리 모듈은 다양한 작업 조건에서 안정적인 성능을 보장합니다.
2. 사각형 쉘 배터리 모듈 설계의 핵심 포인트
(1) 높은 에너지 밀도의 장점
정사각형 쉘 배터리 모듈의 셀 모양은 정사각형이므로 동일한 부피와 무게로 더 많은 전기 에너지를 저장할 수 있습니다. 이 디자인은 배터리 팩의 내부 공간을 최대한 활용하여 공간 활용 효율성을 향상시킵니다. 전기 자동차를 예로 들면, 고에너지 밀도 사각 쉘 배터리 모듈은 차량의 주행 거리를 크게 향상시키고 장거리 여행에 대한 사용자의 요구를 충족할 수 있습니다. 에너지 저장 장치 분야에서는 대규모 에너지 저장에 대한 수요를 충족시키기 위해 제한된 공간에 더 많은 전기 에너지를 저장할 수 있기 때문에 높은 에너지 밀도도 마찬가지로 중요합니다. 통계에 따르면 사각형 쉘 배터리 모듈을 사용하는 에너지 저장 장치는 기존 배터리에 비해 에너지 밀도를 20% 이상 높일 수 있습니다.
(2) 높은 공간 활용도의 특징
기존의 원통형 배터리와 비교하여 사각형 쉘 배터리 모듈의 사각형 디자인은 더 촘촘하게 배열될 수 있습니다. 이는 공간 낭비를 줄일 뿐만 아니라 배터리 팩이 제한된 부피 내에서 더 많은 배터리를 탑재할 수 있게 하여 전체적인 에너지 밀도를 향상시킵니다. 전기 자동차와 같이 공간이 제한된 애플리케이션 시나리오에서는 높은 공간 활용도가 특히 중요합니다. 예를 들어, 공간이 제한된 일부 소형 전기 자동차의 경우 사각형 쉘 배터리 모듈의 높은 공간 활용도를 통해 차량에 더 많은 배터리 용량을 제공하여 주행 거리를 늘릴 수 있습니다.
(3) 높은 보안 보장
정사각형 쉘 배터리 모듈은 일반적으로 강도와 인성이 높은 알루미늄과 같은 고강도 재료를 외부 쉘로 사용합니다. 이 설계는 배터리 단락, 누출 및 기타 문제를 효과적으로 방지하여 배터리의 안전성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 사각형 쉘 배터리 모듈은 레이저 밀봉 기술과 같은 첨단 기술을 채택하여 배터리 팩의 밀봉을 강화하고 배터리의 안전성을 더욱 보장합니다. 예를 들어 일부 사각형 쉘 배터리 모듈은 엄격한 안전 테스트를 거친 후 고온, 고전압, 충돌 등과 같은 극한 조건에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있으며 배터리가 폭발하거나 화재가 발생하거나 기타 위험한 상황이 발생하지 않습니다.
(4) 높은 신뢰성 성능
설계 및 제조 과정에서 사각형 쉘 배터리 모듈은 제품 신뢰성과 안정성을 향상시키는 데 중점을 둡니다. 고품질 소재, 첨단 프로세스, 엄격한 품질 관리 시스템을 사용하여 배터리 모듈은 다양한 작업 조건에서 안정적인 성능을 보장합니다. 예를 들어, 항공우주 산업에서는 배터리에 대한 신뢰성 요구 사항이 매우 높습니다. 신뢰성이 높은 사각 쉘 배터리 모듈은 열악한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있으며 항공기에 안정적인 전력 지원을 제공합니다.
(5) 고도로 맞춤화 가능
정사각형 디자인으로 인해 정사각형 쉘 배터리 모듈을 고도로 맞춤화할 수 있습니다. 정사각형 디자인의 자유도가 더 높기 때문에 다양한 애플리케이션 시나리오 및 요구 사항에 따라 맞춤 설정할 수 있습니다. 예를 들어 차량 모델, 배터리 용량, 충전 속도 등 특정 요구 사항을 충족하는 배터리 모듈을 맞춤 설정할 수 있습니다. 이러한 유연성을 통해 사각형 쉘 배터리 모듈은 시장 수요에 더 잘 적응하고 다양한 고객의 개인화된 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
(6) 환경 보호 및 지속 가능성
생산 및 사용 과정에서 사각형 쉘 배터리 모듈은 환경 보호 및 지속 가능성에 주의를 기울입니다. 많은 생산 기업은 생산 과정에서 무공해 환경 친화적인 재료를 사용하고 에너지 절약 및 배출 감소에 주의를 기울입니다. 또한 사각형 쉘 배터리 모듈은 사이클 수명과 재활용 가치가 높아 자원 소비와 환경 오염을 줄이는 데 도움이 됩니다. 통계에 따르면 사각형 쉘 배터리 모듈의 수명은 기존 배터리보다 수천 배에 달할 수 있습니다. 한편, 재활용된 사각형 쉘 배터리 모듈은 재사용이 가능하여 환경에 미치는 영향을 더욱 줄일 수 있습니다.
3. 사각형 쉘 배터리 모듈 프로세스 소개
(1) 재료준비단계
사각형 쉘 배터리 모듈 PACK 생산 라인의 프로세스는 재료 준비 단계에서 시작되며 이는 매우 중요합니다. 양극재, 음극재, 전해질 등 배터리 부품의 원자재는 건물의 초석과 같으며, 그 품질이 최종 제품의 성능을 직접적으로 결정합니다. 이 단계에서는 품질 관리가 특히 중요하며 제조업체는 모든 원자재가 높은 품질 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 엄격한 품질 검사 시스템을 구축해야 합니다. 예를 들어, 배터리 충전 및 방전 과정에서 효율적인 이온 전달을 보장하기 위해 양극 재료의 순도에 대해 엄격한 테스트가 수행됩니다. 동시에 음극재의 안정성을 평가하여 사용 중 부작용이 발생하지 않도록 하십시오. 엄격한 심사를 거친 원료만이 후속 공정 단계를 위한 견고한 기반을 마련할 수 있습니다.
(2) 배터리 셀의 제조 공정
배터리의 핵심 부품인 배터리 셀은 첨단 배터리 셀 생산 기술을 이용해 생산됩니다. 권취 또는 적층 공정은 양극재와 음극재를 정확하게 결합하여 안정적인 배터리 셀 구조를 형성할 수 있습니다. 이 과정에서는 높은 정밀도와 일관성이 요구됩니다. 예를 들어, 와인딩의 장력과 속도를 정밀하게 제어함으로써 각 배터리 셀의 내부 구조가 균일하고 일관되게 유지되어 성능의 안정성을 보장합니다. 동시에, 적층 공정에서는 배터리 셀의 에너지 밀도와 수명을 향상시키기 위해 각 재료 층의 두께와 정렬을 엄격하게 제어해야 합니다. 이 단계의 핵심은 배터리 셀의 일관성과 성능 안정성을 보장하여 후속 공정 단계에 고품질 핵심 구성 요소를 제공하는 것입니다.
(3) 세포 테스트 과정
배터리 셀 제조가 완료되면 바로 배터리 셀 테스트가 진행됩니다. 전압, 용량, 내부 저항 등 배터리 셀의 전기적 성능에 대한 포괄적인 테스트를 수행하여 기준을 충족하는 배터리 셀을 선별할 수 있습니다. 이 단계는 군인을 선발하는 것과 같습니다. 최고의 배터리 셀만이 다음 단계에 들어갈 수 있습니다. 통계에 따르면, 엄격한 테스트와 심사를 거친 배터리 셀은 후속 생산에서 더 나은 성능을 발휘할 수 있어 전체 배터리 모듈의 품질과 신뢰성이 크게 향상됩니다. 각 배터리 셀이 후속 생산에서 제대로 작동할 수 있도록 보장하여 모듈 조립을 위한 안정적인 기반을 제공합니다.
(4) 모듈 조립 공정
모듈 조립 단계에서는 고도로 자동화된 조립 장비가 중요한 역할을 합니다. 배터리 셀은 순서대로 모듈로 조립되어 셀 배열, 와이어 본딩, 절연재 추가 등의 단계가 완료됩니다. 자동화된 장비는 각 모듈의 조립 정확성과 속도를 보장하여 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 배터리 셀을 배열하는 과정에서 정밀한 기계적 위치 지정을 통해 셀 사이의 간격을 균일하게 유지하여 열 방출 및 성능 향상에 도움이 됩니다. 연결 와이어의 용접에는 견고하고 안정적인 연결을 보장하고 저항을 줄이며 에너지 전달 효율을 향상시키기 위해 고정밀 용접 장비가 필요합니다. 절연재를 추가하면 누출 및 단락을 효과적으로 방지하고 배터리 모듈의 안전성을 향상시킬 수 있습니다.
(5) 셀 매칭 기술
전반적인 성능을 향상시키기 위해 사각형 쉘 배터리 모듈 PACK 생산 라인은 셀 매칭 기술을 채택합니다. 배터리 셀의 성능을 정확하게 일치시킴으로써 충전 및 방전 과정에서 각 모듈의 일관성이 보장됩니다. 이것은 아름다운 음악을 연주하기 위해 각 악기가 조화되고 일관되어야 하는 훌륭한 밴드를 구성하는 것과 같습니다. 예를 들어, 셀 용량 및 내부 저항과 같은 매개변수를 기반으로 한 매칭을 통해 각 모듈의 셀은 충전 및 방전 중에 동시에 작동하여 에너지 손실을 줄이고 배터리 구성 요소의 전반적인 성능과 서비스 수명을 향상시킬 수 있습니다.
(6) 포장 및 품질검사 단계
모듈 조립이 완료되면 제품 포장 단계에 들어갑니다. 동시에 배터리 부품에 대한 포괄적인 품질 검사를 실시하여 제품이 품질 표준을 충족하는지 확인합니다. 포장 과정에서는 환경 친화적이고 견고한 포장재를 사용하여 운송 및 보관 중 제품이 손상되지 않도록 보호하는 동시에 환경 요구 사항을 충족합니다. 품질검사 과정에서는 제품 외관 및 기능에 대한 종합적인 검사를 진행하며, 겉감의 긁힘 여부, 견고한 연결 여부, 성능 기준 준수 여부 등을 점검합니다. 사용자가 고품질의 안정적인 배터리 제품을 받을 수 있도록 보장합니다.
(7) 완제품 테스트 과정
최종 제품 테스트는 생산 라인에서 수행되며, 전체 배터리 모듈 PACK의 전기적 성능, 안전성 및 기타 측면을 종합적으로 테스트합니다. 이 단계는 제품의 최종 테스트와 같으며, 공장을 떠나기 전 품질 수준을 확인하고 시장과 고객의 요구를 충족시킵니다. 예를 들어, 배터리 모듈의 용량, 전압, 내부 저항 및 기타 매개변수가 설계 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 전기 성능 테스트를 수행합니다. 과충전, 과방전, 단락, 고온 및 기타 조건에서의 성능을 포함한 안전 테스트를 수행합니다. 이러한 엄격한 테스트를 통과한 제품만이 시장에 출시될 수 있으며 사용자에게 안정적인 전력 지원을 제공할 수 있습니다.
4. 사각쉘 배터리 모듈 설계 사례
(1) SAIC-GM Ultium 배터리 모듈 설계
1. 세 가지 유형의 모듈 특성 소개
SAIC GM의 Ultium 배터리 모듈 설계에는 고유한 기능이 있습니다. 소프트 팩 배터리와 두께가 다른 두 개의 정사각형 쉘 셀로 구성되어 배터리 셀 기초를 형성하므로 전체 크기 측면에서 모듈이 호환됩니다. 다양한 전기 자동차 모델이든 다양한 사용 시나리오이든 유연하게 적용할 수 있습니다.
세 가지 모듈 모두 하단에 수냉식 플레이트를 통합하는 모듈 통합 냉각 방식을 채택합니다. 이 디자인은 배터리 온도를 효과적으로 낮추고 배터리 성능과 수명을 향상시킬 수 있습니다. 관련 데이터에 따르면, 모듈 통합 냉각을 사용하는 배터리 모듈은 기존 냉각 방식에 비해 배터리 온도를 10% 이상 낮출 수 있습니다.
사각형 쉘 모듈은 2단자 출력 방식을 채택하고, 소프트 팩 모듈은 단일 단자 출력 방식을 채택합니다. 이 설계를 통해 Pack은 두 개의 서로 다른 고전압 버스바 연결과 호환되며 저전압 샘플링 및 통신 회선이 없기 때문에 전체 설계가 단순화됩니다. 이는 생산 비용을 절감할 뿐만 아니라 생산 효율성도 향상시킵니다.
2. 사각형 쉘 모듈 디자인 디스플레이
SAIC General Motors는 Ultium의 사각형 쉘 배터리를 명확하게 시연했습니다. 이 배터리는 주로 두 가지 서로 다른 두께의 배터리(높이와 너비가 동일함)로 나뉩니다. 배터리 셀의 방전 밸브 설계에서는 두 가지 유형의 배터리가 서로 다른 처리를 거쳤습니다. 이 설계는 배터리의 안전성을 효과적으로 향상시키고 과충전, 과방전, 단락 및 기타 상황에서 폭발을 방지할 수 있습니다.
열 폭주 방지 측면에서는 단열재를 사용하여 각 배터리 셀 사이의 간격을 보호하고 운모 시트를 사용하여 배터리 셀 위의 압력 방출 밸브를 차단하는 등의 조치가 주로 취해집니다. 이는 배터리 모듈의 상부 커버가 플라스틱인 경우에도 배터리의 안전성을 보장합니다. 한편, 통합 냉각은 정상 및 열폭주 상태에서 배터리 셀의 열 방출을 개선하고, 배터리 온도를 낮추며, 배터리 성능과 수명을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 모듈에는 저전압 인터페이스 설계가 없으며, 돌출된 부분은 삽입된 무선 CMU의 PCBA일 수 있습니다. 이 부분은 FPC를 통해 전원이 공급되고 샘플링되며 먼저 브리지됩니다. 이 디자인은 배터리 모듈의 통합을 향상시킬 뿐만 아니라 생산 비용도 절감합니다.
3. 소프트 패키지 모듈 설계 설명
소프트팩 모듈의 디자인은 중국에서 출시된 디자인의 초점이 아니어서 분해 없이 하나의 모듈만 전시되었습니다. 소프트 팩 모듈과 사각형 쉘 모듈은 크기와 설치 지점이 동일하며 모듈의 버스 출력 인터페이스에서 동일한 터미널 출력으로 처리되었습니다. 모듈의 Z 방향 공간으로 인해 여기에는 무선 CMU의 눈에 띄는 돌출 구조가 없습니다.
소프트팩 모듈의 디자인은 배터리 셀의 애니메이션과 디자인을 보여주고 있는데, 이는 실제로 MEB 소프트팩과 폭스바겐의 사각형 쉘 디자인 간의 호환성 개념과 상당히 유사합니다. 소프트 패키지 모듈로 인해 General Motors는 서로 다른 높이와 용량으로 설계된 서로 다른 방향의 두 가지 적층 개념을 배열하여 사용자에게 더 많은 선택권을 제공했습니다.
(2) Tesla LFP 버전 Model 3 배터리 디자인
1. 모듈 호환성 설계 크기 설명
Tesla LFP 버전 Model 3 배터리 모듈은 25셀과 28셀의 두 가지 서로 다른 구성, 총 106셀의 호환 가능한 디자인을 채택하여 원래의 3진 모듈 설계와 호환되도록 두 가지 모듈 사양으로 만들어졌습니다. 이 디자인은 생산 비용을 효과적으로 절감하고 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
관련 데이터에 따르면, 이 호환 가능한 설계를 갖춘 배터리 모듈은 기존 설계에 비해 생산 비용을 20% 이상 줄일 수 있습니다. 동시에 이 디자인은 배터리의 성능과 수명을 향상시켜 다양한 전기 자동차에 대한 사용자 요구 사항을 충족할 수도 있습니다.
2. 수냉판 소개 및 설치구조 설계
수냉식 플레이트는 모듈 하단에 일체형으로 구성되어 있으며, 이 수냉식 플레이트와 어울리는 완벽한 외부 구조를 갖추고 있습니다. 한편으로는 모듈에 충분한 기계적 강도를 제공하고 다른 한편으로는 충분한 절연 거리도 갖습니다. LFP 수냉식 플레이트의 주요 기능은 저온 가열이며, 후속 NCM 버전에서는 열 방출 문제를 해결해야 합니다.
82mm 두께의 배터리 셀을 설계할 때 가장 큰 과제는 250kW의 초고속 충전을 어떻게 달성하느냐이다. 이 설계에서는 사각형 쉘 배터리 셀의 높이와 모듈의 해당 샘플링 및 절연 보드로 인해 Tesla는 CMU 샘플링 보드의 레이아웃을 조정했습니다. 원래 모듈 배치 부분이 아니라 유연한 회로 기판 확장 모드에 있습니다. 여기서는 잘라낸 부분만 사용합니다.
3. CMU 샘플링 샘플 레이아웃 조정에 대한 설명
정사각형 쉘 배터리 셀의 높이와 모듈의 해당 샘플링 및 절연 보드로 인해 Tesla는 CMU 샘플링 보드의 레이아웃을 조정하고 유연한 회로 기판 확장 모드를 채택했습니다. 이 디자인은 생산 비용을 효과적으로 절감하고 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
관련 데이터에 따르면 유연한 회로 기판 확장 모드를 사용하는 CMU 샘플링 플레이트의 레이아웃은 기존 설계에 비해 생산 비용을 15% 이상 줄일 수 있습니다. 동시에 이 설계는 배터리 모듈의 통합을 개선하고 배터리 모듈의 무게를 줄이며 전기 자동차의 주행 거리를 늘릴 수도 있습니다.
5. 사각쉘 배터리 모듈 기술 발전 동향
(1) 자동화 생산라인의 특징
1. 효율적인 생산
기술이 지속적으로 발전함에 따라 사각형 쉘 배터리 모듈 생산에서 자동화된 생산 라인의 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다. 로봇과 자동화 장비를 도입한 후 생산 효율성이 크게 향상되었습니다. 예를 들어, 배터리 셀 모듈 조립 공정에서 자동화 장비는 복잡한 작업을 매우 빠른 속도로 완료하여 생산 주기를 크게 단축할 수 있습니다. 통계에 따르면, 전통적인 수동 작업에 비해 자동화된 생산 라인은 동시에 여러 번 또는 심지어 수십 배의 작업량을 완료할 수 있어 시장에서 증가하는 배터리 모듈 수요를 충족할 수 있습니다. 이는 기업의 생산 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 빠르게 변화하는 시장 환경에 더 잘 적응할 수 있습니다.
2. 인건비 절감
자동화된 생산라인을 적용하면 다수의 작업자에 대한 의존도가 줄어들어 인건비가 절감됩니다. 전통적인 생산 방식에서는 반복적인 노동에 많은 수의 작업자가 필요하므로 인건비가 높을 뿐만 아니라 생산 효율성과 품질을 보장하기가 어렵습니다. 자동화된 생산 라인은 무인 또는 저유인 생산을 달성할 수 있으며 모니터링 및 유지 관리를 위한 소수의 기술 인력만 필요합니다. 동시에 자동화된 생산 라인의 운영이 더욱 안정적으로 이루어지고 인적 요인으로 인한 생산 변동과 오류가 줄어들어 생산 효율성과 제품 품질이 더욱 향상됩니다.
3. 제품 품질 안정성 향상
정확한 기계 작동과 엄격한 품질 관리는 자동화된 생산 라인에서 제품 일관성과 정확성을 보장하는 데 핵심입니다. 자동화 장비는 고정밀 작업으로 모든 생산 공정을 완료할 수 있어 배터리 셀 모듈의 조립 정확성과 품질을 보장합니다. 예를 들어, 와이어를 연결하는 용접 공정에서 자동화된 용접 장비는 용접 지점의 견고성과 신뢰성을 보장하고 저항을 줄이며 전기 에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 자동화된 생산 라인에서는 생산 과정에서 실시간으로 데이터를 모니터링하고 추적할 수도 있습니다. 문제가 발견되면 적시에 조정하고 처리할 수 있습니다. 이를 통해 적시에 문제를 감지하고 해결하여 제품 품질 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
4. 보안 강화
사각형 쉘 배터리 모듈의 조립 공정에는 고전압 및 고에너지 밀도 재료가 포함되며 수동 조작은 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 자동화된 생산 라인은 안전 보호 조치와 지능형 제어 시스템을 채택하여 운영 위험을 줄이고 생산 안전을 향상시킵니다. 예를 들어, 배터리 모듈 테스트 과정에서 자동화된 테스트 장비는 배터리의 전기적 성능과 안전성을 종합적으로 테스트하여 제품이 안전 표준을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 동시에 지능형 제어 시스템은 생산 공정의 안전 위험을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 비정상적인 상황이 감지되면 적시에 조치를 취해 생산 인력의 안전을 보장할 수 있습니다.
5. 유연성 향상
모듈식 설계를 통해 자동화된 생산 라인은 강력한 유연성을 가지며 다양한 제품 요구 사항 및 프로세스 변경에 따라 조정될 수 있습니다. 예를 들어, 시장 수요가 변화하면 기업은 자동화된 생산 라인의 모듈 조합을 조정하여 시장 수요에 맞는 제품을 신속하게 생산할 수 있습니다. 이러한 유연성을 통해 생산 라인은 시장 변화에 적응하고 다양한 생산 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 동시에 모듈형 설계는 생산 라인의 유지 관리 및 업그레이드를 용이하게 하여 기업의 운영 비용을 절감합니다.
6. 환경 보호 및 에너지 절약
자동화된 생산 라인은 생산 공정을 최적화하고 불필요한 에너지 낭비를 줄여 환경 보호와 에너지 절약을 달성하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 생산 과정에서 자동화된 장비는 실제 필요에 따라 에너지 소비를 합리적으로 조정하여 에너지 낭비를 피할 수 있습니다. 또한, 자동화된 생산 라인을 통해 생산 과정에서 폐기물과 오염 물질 배출을 줄일 수도 있는데, 이는 녹색 제조의 발전 추세에 부합합니다. 이는 환경 보호뿐 아니라 기업의 좋은 사회적 이미지 구축과 경쟁력 강화에도 도움이 됩니다.
(2) Square Stacking 공정의 전망
1. 적층 및 권취 공정의 비교 분석
와인딩 공정은 높은 생산 효율성과 낮은 비용으로 인해 오랫동안 전력 배터리 분야를 지배해 왔습니다. 개발 이력으로 볼 때 와인딩 기술은 소비자 배터리부터 적용되어 수동 와인딩 머신, 반자동 와인딩 머신, 완전 자동 와인딩 머신으로 개발 과정을 거쳐 생산 효율성을 크게 향상시켰습니다. 소비자용 배터리에서 동력 배터리로 발전하는 과정에서 권선 기술도 이에 따라 각형 및 원통형 배터리에 널리 사용됩니다. 현재 중국의 신에너지 차량용 각형 전력 배터리의 총 설치 용량은 약 42.25GWh로 총 설치 용량의 74.1%를 차지하며 대부분 권선 기술을 사용합니다. 이에 비해 라미네이션 공정은 현재 시장점유율이 낮은 소프트팩 배터리 분야에 주로 적용되고 있다. 라미네이팅 공정은 낮은 생산 효율성, 높은 공정 복잡성, 어려운 품질 관리, 대형 장비 설치 공간 및 높은 와트시당 투자 비율과 같은 명백한 단점을 가지고 있습니다. 현재 국내 라미네이팅 기계 산업의 효율성은 일반적으로 단일 스테이션당 개당 1-1.2초입니다. 효율성이 조각당 약 0.2초로 향상되어야만 라미네이팅 공정의 비용이 와인딩 공정과 비슷해질 수 있습니다.
2. 배터리 크기가 길어지고 스태킹의 장점이 있습니다.
전기차가 발전하면서 기업들은 전기차용 섀시, 배터리 모듈, 셀 사이즈 개발에 나서고 있다. 폭스바겐의 MEB 플랫폼은 배터리 모듈과 셀 크기가 커지고 있는 대표적인 사례다. 업계에서는 일반적으로 대형 모듈과 대형 배터리가 미래 전력 배터리의 개발 추세라고 믿고 있습니다. 배터리가 길어질수록 와인딩 공정을 달성하기가 점점 더 어려워집니다. 적층 공정은 성능면에서 상당한 이점을 가지고 있습니다. 동일한 조건에서 적층 공정을 통해 배터리 에너지 밀도는 5%, 사이클 수명은 10%, 비용은 5% 증가할 수 있습니다. 예를 들어, Honeycomb Energy의 총책임자인 Yang Hongxin은 적층 기술로 생산된 배터리의 에너지 밀도가 더 높아서 전기 자동차의 주행거리 수요를 충족할 수 있다고 소개했습니다. 수명이 길어지고 사용자 사용 비용이 절감됩니다. 비용 절감으로 인해 기업의 경쟁력이 향상되었습니다.
3. 적층 공정 생산 장비의 혁신
Honeycomb Energy는 적층 생산 장비 개발에 획기적인 발전을 이루었습니다. 현재 45도 회전 고속 라미네이팅 기계의 개발 및 도입이 완료되었으며 단일 스테이션 라미네이팅 효율은 시트당 최대 0.6초입니다. 동시에 Honeycomb은 0.45s/piece의 단일 스테이션 속도 검증과 프로토타입 개발 및 제조를 완료했습니다. 2{{1{12}}}}23개로 0.25s/piece 속도의 단일 스테이션 라미네이팅 장비를 개발할 수 있을 것으로 예상됩니다. 2023까지 0.25초 초고속 라미네이팅 공정은 라미네이팅 공정의 효율성 문제를 효과적으로 해결하고 와인딩 공정의 효율성을 능가할 것으로 예상됩니다. 예를 들어, 창저우 Jintan 공장의 Honeycomb Energy 1단계 생산 라인은 단일 스테이션 생산 효율이 개당 0.6초로 업그레이드되었으며, 생산 능력은 2021년에 4GWh에 도달할 것입니다. 2단계에서는 0.45초 만에 고속 스태킹을 달성해 2022년까지 생산능력 8GWh를 달성할 수 있다. 또한 허니콤에너지의 0.6-초 고속 라미네이팅 기술 생산 장비는 해외 기업과 협력해 생산한다. 0.45-두 번째 장비는 Honeycomb Energy가 독립적으로 설계했습니다. 관련 특허는 10개 이상 출원됐으며, 향후 장비 공급업체 2곳과 공동 개발할 예정이다.
6. 사각쉘 배터리 모듈 설계 및 공정의 어려움
(1) 나타천궁전지의 어려움
1. 구조설계 애로사항 분석
Tiangong Battery는 모듈 없는 통합 과정에서 많은 구조적 설계 어려움에 직면해 있습니다. CTC 사각형 쉘 배터리를 설계할 때 열 폭주 시 전반적인 보호가 핵심 과제입니다. 에너지 밀도가 246Wh/kg인 삼원계 배터리 셀은 엄청난 에너지를 갖고 있으며, 1kWh에 가까운 배터리 셀은 강한 열을 방출합니다. 이 문제를 해결하기 위해 Tiangong Battery는 일련의 조치를 취했습니다. 첫째, 열폭주 시 열로 인한 배터리 팩의 심각한 손상을 방지하기 위해 복합재료의 상부 커버를 보호하기 위해 한 장의 절연 시트를 사용합니다. 동시에 가장자리가 낮은 트레이를 디자인하기 위해 복합 재료 커버가 특별히 사용됩니다. 한편으로는 가장자리 커버력을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 다른 한편으로는 열 폭주 시 단열재가 커버를 손상으로부터 보호할 수 있는지 확인하는 것이 필요합니다.
또한 Tiangong Battery의 그리드 형식 모듈 설계는 구조 설계에도 어려움을 가져왔습니다. 이 설계는 전기 코어 사이에 우주 등급의 낮은 열 전도성 에어로겔 단열재를 채우는 동시에 1000도 이상의 단열, UL94 V0 난연성, 군용 산업을 달성해야 합니다. 800V 전기 절연 이중화 안전 설계, 샘플링 단락 이중화 설계, 모듈 및 단락 이중화 안전 설계를 통한 전기 보호는 물론 경량 고강도 알루미늄 프레임의 구획형 구조 보호, 더 많은 확장 구조 안전 2000N 이상, 고집적 맞춤형 대형 모듈입니다. 이러한 요구 사항은 재료 선택 및 공정 정밀도에 대한 요구가 매우 높습니다.
2. 배터리 관리 시스템의 문제점 탐색
클라우드 관리에 합류한 후 Tiangong Battery의 배터리 관리 시스템은 대량의 데이터 추출을 기반으로 한 클라우드 기반 SOH 알고리즘 추정 등의 어려움에 직면해 있습니다. 클라우드 관리에는 대량의 데이터 수집과 서버 플랫폼에 대한 고속 업로드가 필요하므로 데이터 전송의 안정성과 보안에 문제가 있습니다. 동시에, 어떻게 대용량 데이터에서 유용한 정보를 정확하게 추출하고 클라우드 기반 SOH 알고리즘 추정을 수행하여 배터리 관리를 향상시키는지도 기술적인 과제입니다.
차량 내 시스템에서 BMS 알고리즘은 도메인 컨트롤러 및 클라우드 기반 알고리즘과 결합하여 배터리를 관리하는 보다 기본적인 배터리 작동 상태를 제공해야 합니다. 이를 위해서는 충돌이나 잘못된 판단을 피하기 위해 다양한 알고리즘 간의 효율적이고 정확한 협업이 필요합니다. 더욱이, 배터리 데이터가 지속적으로 축적됨에 따라, 데이터를 어떻게 효과적으로 저장, 관리, 분석하여 배터리 관리 시스템을 지속적으로 최적화하는지도 장기적인 과제입니다.
(2) 에너지 저장형 사각쉘 배터리 팩 모듈의 레이저 용접의 어려움
1. 사각쉘 배터리 PACK 모듈 부스바 용접 난이도 설명
에너지 저장장치 각형 쉘 배터리 PACK 모듈의 부스바를 용접하는 데는 여러 가지 어려움이 있습니다. 첫째, 얇은 재료가 주요 문제입니다. 여러 조각을 쌓아 용접할 때 가상 납땜이 발생하기 쉽기 때문에 강도가 부족하고 전도성이 떨어지기 때문입니다. 얇은 재료는 용접 과정에서 열 전달이 고르지 않아 용접이 불안정해질 수 있기 때문입니다. 또한, 용접 이음새 연결 폭이 부족하면 강도도 부족해 배터리 모듈의 전반적인 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 어려움은 에너지 저장 배터리의 안전성과 신뢰성에 위협이 됩니다. 용접 품질이 규격에 미치지 못할 경우 배터리 사용 중 전류 불안정, 과열 등의 문제가 발생할 수 있으며, 심지어 안전사고까지 발생할 수 있습니다.
2. 제안된 솔루션
이러한 어려움을 해결하기 위해 일련의 솔루션이 제안되었습니다. 첫째, 들어오는 재료의 평탄도를 제어하는 것이 중요합니다. 엄격한 품질 검사 및 심사를 통해 용접 재료의 평탄도가 요구 사항을 충족하는지 확인하고 재료의 불균일로 인해 발생하는 가상 용접 문제를 줄입니다. 둘째, 성능이 뛰어난 치구를 설계하고 클램핑 간격을 조절합니다. 치구의 설계는 용접재료를 정확하게 고정할 수 있어야 하고, 용접 공정 중 안정성을 확보해야 하며, 용접 품질에 영향을 미칠 수 있는 간격이 과도하거나 불균일하지 않도록 해야 합니다.
소형 코어 파이버 레이저와 스윙 용접을 사용하는 것도 효과적인 솔루션입니다. 소형 코어 파이버 레이저는 더 높은 에너지 밀도를 제공하여 용접을 더욱 정밀하게 만듭니다. 스윙 용접은 용접 조인트의 폭을 확장하고 용접 강도를 향상시킬 수 있습니다. 이러한 솔루션의 포괄적인 적용을 통해 에너지 저장 사각형 쉘 배터리 PACK 모듈 버스바의 용접 품질을 효과적으로 향상시켜 배터리의 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.