배터리 열 인터페이스 패드, 갭 필러 패드 또는 열 전도성 패드라고도 하는 EV 배터리 열 패드는 배터리 셀 또는 모듈과 그 아래의 냉각판 사이에 배치되는 부드럽고 압축 가능한 열 전도성 소재 시트입니다. 그 기능은 간단해 보입니다. 배터리 셀의 열을 냉각 시스템으로 전달하는 것입니다. 그러나 그들이 해결하는 엔지니어링 과제는 결코 사소한 것이 아닙니다. 배터리 셀은 모듈 전반에 걸쳐 높이와 표면 평탄도에 작은 변화를 일으키는 치수 공차로 제조됩니다. 규정을 준수하는 중간층이 없으면 셀과 냉각판 사이의 단단한 금속 간 접촉은 각 표면의 꼭대기만 덮고 대부분의 인터페이스 영역은 공극으로 남게 되며 공기는 열 전도율이 매우 낮습니다.
열 패드는 양쪽 표면을 동시에 적당한 압축으로 맞춰줌으로써 이러한 미시적 및 거시적 간격을 채웁니다. 이러한 긴밀한 접촉은 인터페이스의 열 접촉 저항을 극적으로 감소시켜 셀 케이싱에서 패드를 거쳐 액체 냉각 베이스 플레이트까지 저항이 낮은 열 경로를 생성합니다. 실질적으로 패딩되지 않은 인터페이스와 적절하게 지정된 열 패드의 차이는 급속 충전 주기 동안 35°C 또는 55°C에서 작동하는 셀 간의 차이를 의미할 수 있습니다. 이는 배터리 수명, 충전 속도 성능 및 열 폭주에 대한 안전 여유에 중대한 영향을 미치는 온도 차이입니다.
열 관리를 넘어, EV 배터리 열 패드 또한 생산 차량 배터리 팩에서 똑같이 중요한 보조 기능도 수행합니다. 냉각판이 접지되거나 다른 전위에 있는 설계에서 전지 케이스와 냉각판 사이에 전기 절연을 제공합니다. 충전 및 방전 중에 셀이 부풀어오를 때 팽창 응력을 흡수합니다. 리튬 이온 셀은 충전 주기를 통해 2~5%까지 팽창할 수 있으며, 호환 레이어가 없으면 이러한 팽창으로 인해 모듈 구조에 기계적 응력이 축적되어 셀 케이싱이 손상되거나 버스바가 분리될 수 있습니다. 오른쪽 열 패드는 동시에 열 전달 구성 요소, 전기 절연체 및 기계적 완충 장치입니다.
열 전도성(W/m·K로 표시)은 모든 열 패드의 헤드라인 사양이며 구매자가 비교하는 첫 번째 수치입니다. 그러나 전도성만 가지고는 배터리 팩에서 패드가 어떻게 작동하는지 전체를 알 수는 없습니다. 두께, 압축 동작, 표면 접촉 품질 모두 상호 작용하여 인터페이스의 실제 열 저항을 결정합니다. 이는 주어진 열 부하에서 셀 온도가 냉각수 온도 이상으로 얼마나 상승하는지 직접적으로 결정하는 매개변수입니다.
열 인터페이스 저항(cm²·K/W 또는 m²·K/W로 측정)은 패드의 벌크 전도성과 두께 및 표면 접촉 품질을 결합합니다. 0.5mm 두께로 압축된 3W/m·K의 중간 전도성을 갖는 패드는 2mm 두께로 압축된 6W/m·K의 더 높은 전도성을 갖는 패드보다 성능이 뛰어납니다. 왜냐하면 두꺼운 패드가 열을 전도할 수 있는 재료가 더 많기 때문입니다. 관계는 다음과 같습니다. 열저항 = 두께 / (전도도 × 면적) . 이는 조립 공차가 잘 제어되고 간격이 작은 배터리 팩에서 얇고 중간 정도의 전도성 패드가 두껍고 전도성이 높은 패드보다 더 나은 열 성능을 제공하는 경우가 많으며 비용도 저렴하고 무게도 더 가볍다는 것을 의미합니다.
EV 배터리 열 패드 시장의 실제 전도도 값 범위는 저전력 애플리케이션에 사용되는 기본 갭 필링 패드의 경우 1.5W/m·K부터 주류 자동차 배터리 팩 설계의 경우 3~6W/m·K, 고성능 고속 충전 및 모터스포츠 애플리케이션의 경우 최대 8~15W/m·K이며 열 저항을 최소화하는 것이 비용에 관계없이 지배적인 설계 제약 조건입니다. 약 10W/m·K 이상에서는 열 페이스트 또는 상변화 재료가 경쟁하기 시작하지만 둘 다 견고한 열 패드가 생산 라인 환경에서 제공하는 것과 동일한 규정 준수, 조립 용이성 및 재작업성의 조합을 제공하지 않습니다.
EV 배터리 열 패드의 기본 재료는 온도 범위, 화학적 호환성, 장기 안정성, 압축성 특성 및 배터리 조립 환경에 오염 위험을 초래하는지 여부를 결정합니다. 세 가지 소재 계열이 자동차 배터리 열 패드 시장을 지배하고 있으며, 각각은 다양한 설계 요구 사항에 적합한 특정 강점을 가지고 있습니다.
실리콘 매트릭스 열 패드는 자동차 산업 전반에 걸쳐 가장 널리 사용되는 유형입니다. 실리콘은 본질적으로 넓은 작동 온도 범위(일반적으로 -60°C ~ 200°C), 수년간의 열 사이클링 동안 압축력과 갭 필링 성능을 유지하는 탁월한 장기 탄성, 우수한 화학적 불활성 및 배터리 팩 재료에 대한 표준 UL94 V-0 가연성 요구 사항과의 호환성을 제공합니다. 열전도성 필러(산화알루미늄, 질화붕소, 질화알루미늄 또는 이들의 조합)는 원하는 전도성 수준을 달성하기 위해 실리콘 매트릭스 전체에 분산됩니다. 실리콘 매트릭스의 부드러움과 순응성은 낮은 조립 압력에서도 긴밀한 표면 접촉을 보장하므로 실리콘 패드는 대부분의 배터리 모듈 설계에서 사용할 수 있는 적당한 조임력에 매우 적합합니다.
EV 응용 분야에서 실리콘 기반 열 패드의 주요 제한 사항은 실리콘 가스 방출입니다. 실리콘 소재는 고온에서 저분자량 실록산 화합물을 휘발성 유기 화합물(VOC)로 방출합니다. 밀봉된 배터리 팩에서 이러한 실록산 화합물은 전기 접점, 센서 요소 및 셀 단자에 침전되어 잠재적으로 접촉 저항 문제를 일으키거나 셀 환기 메커니즘을 방해할 수 있습니다. 이것이 바로 일부 자동차 OEM, 특히 엄격한 실리콘 오염 제어 프로그램을 보유한 OEM이 배터리 팩 내부 표면에 실리콘이 없는 열 인터페이스 재료를 지정하는 이유입니다.
비실리콘 열 패드는 대체 폴리머 매트릭스(폴리우레탄, 아크릴, 폴리올레핀 또는 왁스 기반 재료)를 사용하여 열 전도성 필러를 운반합니다. 이러한 재료는 실리콘 가스 방출 문제를 완전히 제거하므로 많은 일본 및 유럽 자동차 제조업체를 포함하여 엄격한 무실리콘 조립 요건을 갖춘 OEM에서 점점 더 많이 지정하고 있습니다. 폴리우레탄 기반 열 패드는 우수한 압축성과 배터리 팩 내부에 적합한 적당한 온도 범위(일반적으로 -40°C ~ 130°C)를 제공합니다. 아크릴 기반 열 패드는 대용량 배터리 팩 조립 중에 취급 및 다이컷팅이 더 용이한 더 단단하고 치수가 안정적인 시트를 제공합니다. 무실리콘 설계의 단점은 일반적으로 실리콘에 비해 온도 범위가 더 좁고 장기적 탄성이 감소한다는 것입니다. 이는 패드 두께와 압축 설계에서 반드시 고려해야 합니다.
상변화 열 인터페이스 재료(PCM)는 정의된 전이 온도(일반적으로 50~70°C)에서 고체에서 액체로 전환되고 냉각되면 다시 고체로 전환되는 특수 범주입니다. 액체 형태의 PCM은 미세한 표면 형상으로 흘러들어 거의 완벽한 접촉을 달성하고 인터페이스 저항을 극적으로 최소화합니다. 상변화 패드는 조립이 용이하도록 견고한 시트로 제공되며 서비스 중 첫 번째 열 사이클 후에 열적으로 최적화됩니다. 이 제품은 고체 형식 열 인터페이스 재료에서 사용할 수 있는 가장 낮은 인터페이스 저항 값을 달성하며 고속 충전 중 온도 상승을 최소화하는 것이 주요 경쟁 차별화 요소인 고성능 배터리 팩에 사용됩니다. 이들의 한계는 액상이 반복적인 열 순환을 통해 인터페이스 밖으로 재료가 이동하는 것을 방지하기 위해 적절한 봉쇄 형상이 필요하다는 것입니다.
| 재료 유형 | 일반적인 전도도 | 온도 범위 | 실리콘 프리 | 주요 장점 |
|---|---|---|---|---|
| 실리콘 기반 패드 | 1.5~10W/m·K | -60°C ~ 200°C | 아니요 | 넓은 온도 범위, 우수한 장기 탄력성 |
| 폴리우레탄 패드 | 1.5~6W/m·K | -40°C ~ 130°C | 예 | 아니요 outgassing, good compressibility |
| 아크릴 패드 | 2~8W/m·K | −40°C ~ 125°C | 예 | 견고하고 생산 시 취급이 용이함 |
| 상변화 물질 | 3~12W/m·K | -40°C ~ 150°C | 다양함 | 첫 번째 사이클 후 최저 인터페이스 저항 |
압축 시 열 패드의 동작은 장기간 배터리 팩 성능을 위한 벌크 전도성 등급보다 훨씬 더 중요합니다. 데이터시트의 열전도율 값은 특정 테스트 압력(일반적으로 10psi(69kPa) 이상)에서 측정됩니다. 이는 조립된 배터리 모듈에서 패드가 겪는 실제 압축 응력과 상당히 다를 수 있습니다. 테스트 압력 이하로 압축된 패드는 데이터시트에서 제시하는 것보다 훨씬 더 높은 열 저항을 갖습니다. 과도하게 압축된 패드는 세포 팽창 조절에 대한 순응도가 감소할 수 있습니다.
올바르게 지정하려면 두 가지 압축 관련 속성이 중요합니다. 압축 세트 지속적인 압축 후 패드가 얼마나 많은 영구 변형을 축적하는지 측정합니다. 이는 하중을 받은 상태에서 정의된 기간 이후 손실된 원래 두께의 백분율로 표시됩니다. 압축률이 높다는 것은 사용 중에 패드가 점차 얇아져 간격을 채우는 능력과 세포 팽창을 추적하는 능력이 모두 감소한다는 것을 의미합니다. 수십만 번의 충전 주기로 10~15년 동안 작동할 것으로 예상되는 배터리 팩의 경우 압축 세트는 최악의 온도 및 부하 조건에서 20% 미만이어야 합니다. 압축 하중 편향 은 적용된 압력과 패드 두께 변화 사이의 관계를 설명합니다. 이 곡선은 모듈의 클램핑 구조가 설계 압축 지점에서 셀에 과도한 응력을 생성하는지 또는 열 패드에 불충분한 접촉 압력을 생성하는지 여부를 결정합니다.
높은 전도성 값을 달성하기 위해 경질 세라믹 필러(예: 질화알루미늄 또는 질화붕소)를 많이 함유한 열 전도성 패드는 가볍게 채워진 실리콘 패드에 비해 압축성이 감소하는 경우가 많습니다. 이는 근본적인 재료 교환입니다. 필러가 많을수록 전도성은 증가하지만 매트릭스 변형성은 감소합니다. 이러한 고전도성 패드를 사용하는 배터리 팩 설계자는 모듈 클램핑 설계가 셀이 견딜 수 있는 최대 압축 부하(일반적으로 셀 형식에 따라 100~500kPa 범위의 최대 스택 압력으로 셀 제조업체에서 지정)를 초과하지 않고 필요한 표면 접촉을 달성하기 위해 적절한 조립 압력을 생성하는지 확인해야 합니다.
대부분의 EV 배터리 팩 아키텍처에서 냉각판은 접지 전위 또는 정의된 섀시 기준 전압에 있는 반면 셀 케이스는 배터리 팩 고전압에 있습니다. 이들 사이의 열 패드는 배터리 관리 시스템의 절연 모니터링 기능을 트리거하거나 최악의 경우 감전 위험을 초래할 수 있는 누설 전류, 단락 및 접지 결함을 방지하기 위해 안정적인 전기 절연을 제공해야 합니다. 열 전도성이면서 전기 절연이라는 이중 역할은 대부분의 우수한 열 전도체(금속, 흑연)가 우수한 전기 전도체이기도 하므로 열 인터페이스 재료의 주요 엔지니어링 역설 중 하나입니다.
해결책은 비금속 열전도성 필러, 특히 육방정계 질화붕소(hBN), 산화알루미늄(Al2O₃), 질화알루미늄(AlN)을 사용하는 데 있습니다. 이 충진재는 벌크 상태에서 20~300W/m·K의 열전도도를 가지지만 전기 절연체입니다. 폴리머 매트릭스에 높은 부피 비율로 분산되면 이러한 필러는 열 전도성 네트워크를 생성하는 반면 절연 폴리머 매트릭스는 전기적 절연을 유지합니다. 잘 구성된 EV 배터리 열 패드는 다음과 같은 절연 강도를 달성합니다. 10~30kV/mm 101² Ω·cm를 초과하는 체적 저항률을 제공하여 현재 자동차 배터리 팩(400V 및 800V 시스템)의 최대 작동 전압보다 편안한 마진을 제공합니다.
절연 내력은 공칭 두께가 아닌 생산 시 발생하는 최소 압축 패드 두께에서 검증해야 합니다. 조립된 모듈에서 2mm 패드를 1.5mm로 압축하면 압축된 패드의 유전체 내전압은 전체 두께보다 25% 낮습니다. 날카로운 금속 가장자리 근처에 사용되는 패드(냉각판 기능, 셀 엔드 캡, 버스바 가장자리)도 기하학적 불연속성에서 발생하는 국부적인 전계 강화에 대해 평가해야 하며, 이는 균일 전계 내력 등급보다 훨씬 낮은 전압에서 국부적인 절연 파괴를 일으킬 수 있습니다.
생산 차량에 사용되는 EV 배터리 열 패드는 기본 열 및 전기 사양을 훨씬 뛰어 넘는 포괄적인 재료 인증 테스트를 통과해야 합니다. 자동차 OEM 재료 표준은 승용차에 설치된 배터리 팩의 재료 고장으로 인한 안전 결과를 반영하여 일반 산업 요구 사항보다 훨씬 더 엄격합니다.
배터리 팩 내부의 모든 재료는 최소 요구 사항으로 UL94 V-0 가연성 분류를 충족해야 합니다. V-0은 점화 불꽃을 제거한 후 10초 이내에 연소 물질이 떨어지지 않고 시험편이 스스로 소화된다는 것을 의미합니다. 많은 OEM에서는 FMVSS 302(내부 가연성에 대한 연방 자동차 안전 표준) 또는 배터리 열폭주 상황을 보다 면밀히 시뮬레이션하는 OEM별 화재 테스트 프로토콜에 대한 추가 테스트를 요구합니다. 표준 조건에서 UL94 V-0을 통과한 열 패드는 전도성 또는 압축 특성을 변경하기 위해 재료 구성을 수정하는 경우 재인증이 필요할 수 있습니다. 가연성 동작은 필러 함량 및 유형에 민감하며, 열 성능을 개선하는 변경 사항은 신중하게 관리하지 않으면 때때로 난연성을 감소시킵니다.
배터리 팩 내부 소재는 최악의 작동 열 흡수를 시뮬레이션하는 고온 조건에서 휘발성 유기 화합물(VOC) 방출에 대해 테스트되었습니다. 문제는 실리콘 오염뿐만 아니라 셀 통풍구에 침전되거나 전해질 흡수를 차단하거나 밀봉된 팩 인클로저 내부에 가연성 증기 농도를 생성할 수 있는 유기 화합물입니다. VDA 278(열 탈착 분석) 및 VDA 270(악취 평가)은 독일 자동차 공급망에서 사용되는 표준 테스트 방법입니다. JASO M902는 일본 OEM에 대한 유사한 요구 사항을 다루고 있습니다. 공급업체는 대량 생산 소싱 전에 필요한 PPAP(생산 부품 승인 프로세스) 문서의 일부로 이러한 VOC 프로토콜에 대한 제3자 실험실 테스트 데이터를 제공해야 합니다.
EV 배터리 열 패드의 장기 신뢰성 테스트에는 일반적으로 최소 냉간 흡수 온도(-40°C)와 최대 작동 온도(85°C~105°C) 사이의 500~1,000사이클 열 사이클링이 포함되며, 동시에 열 저항 및 압축 부하 응답의 변화를 간격으로 측정합니다. 승인 기준에 따르면 전체 테스트 기간 동안 열 저항은 초기 값에서 10~20% 이상 증가하지 않아야 합니다. 이는 차량의 의도된 10~15년 사용 수명 동안 필러 입자 침전, 폴리머 사슬 절단 또는 산화 경화를 통해 품질이 저하되는 재료를 제거하는 엄격한 요구 사항입니다.
새로운 배터리 팩 설계를 위해 EV 배터리 열 패드를 지정하려면 후보 재료를 평가하기 전에 전체 기능 요구 사항을 포착하는 체계적인 접근 방식이 필요합니다. 전도성에만 초점을 맞추고 압축 동작, 전기 절연 또는 화학적 호환성을 간과하면 사용 중 요구 사항을 충족하지 못하거나 생산 조립 문제가 발생하는 적격 재료로 이어집니다.
모듈 구조 치수가 확정되기 전인 배터리 팩 개발 프로그램 초기에 열 패드 공급업체를 참여시키면 패드 두께와 압축 설계를 모듈 클램핑 아키텍처와 함께 최적화할 수 있습니다. 이러한 시스템 수준 접근 방식은 패드의 기계적 동작을 고려하지 않고 최종 모듈 설계에 패드 사양을 개조하는 것보다 지속적으로 더 나은 열 성능을 제공하고 총 조립 비용을 낮춥니다.
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