에너지 저장 침지 액냉기술은 선진적인 배터리 냉각 방법으로 액체의 고효율적인 열전도 특성을 이용하여 배터리를 빠르고 직접적이며 충분히 냉각시켜 안전하고 고효율적인 환경에서 배터리 작동을 보장한다. 기본 원리는 에너지 저장 배터리를 절연, 무독성 및 방열 능력이 있는 액체에 완전히 침지시키는 것이다. 이러한 기술은 액체를 배터리와 직접 접촉시켜 열교환을 함으로써 배터리가 충방전 과정에서 발생하는 열을 빠르게 흡수하고 이를 외부 순환 시스템으로 방출하여 냉각시키는 기술이다.

단일 침지식 액냉 에너지 저장 시스템 원리 안내도

침지식 액냉 에너지 저장 Pack 박스는 배터리 팩의 운반 및 적절한 환경에서 배터리 셀의 작동을 보장하는 핵심 구성 요소로서 주로 배터리 팩 및 냉각수 운반, 안전 보호, 전도 및 열교환 기능을 담당한다. 따라서 시스템의 효율적이고 안전하며 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해 박스 구조 설계에서 기밀성, 냉각 효율, 안전성, 재료 선택 및 가공 공정 등 다방면을 종합적으로 고려해야 한다. 박스 구조 설계는 전체 액냉 시스템의 기초이다.

1-균일한 하중 수용력

침지식 액냉 에너지 저장 Pack하부박스는 바닥판과 측판으로 구성되며 바닥판은 기초 지지대이고 측판은 바닥판 주위에 고정되어 함께 박스의 본체 프레임을 구성한다. 박스의 크기는 액냉 시스템의 전반적인 요구와 하중을 종합적으로 고려하여 조정할 수 있고, 큰 사이즈의 박스 설계에서 내부 칸막이 또는 공정 구조를 합리적으로 설정할 수 있으며 큰 공간을 여러 개의 작은 공간으로 분할하여 응력 면적을 증가시켜 균일한 하중 수용력을 향상시킬 수 있다. 내부 구조상에서 지지 핀, 보강 리브를 추가하여 국부적인 하중 수용량을 향상시킬 수 있고 박스 내부에 균질 하중 구조를 설치함으로써 각 모서리의 하중 균형을 맞출 수도 있다.

또한 균일한 하중 수용력에 대한 소성 변형의 영향을 줄이기 위해 높낮이가 다른 가공면을 동일한 평면으로 설계하여 공작기계 조정 횟수를 줄이고 높이 차이로 인한 변형을 피할 수 있다. 또 박스의 폭이나 높이를 증가시켜 하중을 분산시키고 변형을 줄일 수도 있다.

그 외에 액냉 러너와 박스 바닥판의 일체화 설계는 교반 마찰 용접 또는 레이저 용접을 통해 접합을 완성할 수 있는데 이러한 설계는 전체 구조적 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.

단일 침지식 액냉 에너지 저장 Pack 하부박스 구조 안내도

2-열교환 설계

열 전도 능력은 침지식 액냉 에너지 저장 기술의 중요한 부분으로 그 설계 목표는 고온 환경에서 배터리가 효과적으로 열을 방출할 수 있도록 하여 성능과 안전성을 유지하는 것이다.

박스의 재료는 열전도 성능이 높아야 한다. 일반적으로 사용되는 재료는 알루미늄 합금, 구리, 알루미늄 기반 복합 재료이다. 박스 설계는 또한 환경 온도 변화의 영향을 고려해야 하며 적절한 두께의 보온층은 박스 내부 온도가 비교적 일정한 범위 내에서 유지되도록 하여 시스템의 전체 효율성을 향상시킬 수 있다.

박스의 구조 설계는 열전도 능력에 직접적인 영향을 미친다. 합리적으로 러너를 배치하고 박스 내부에서의 원활한 액체 흐름을 보장하며 접촉 면적을 최대한 증가하는 것이 박스의 열전도 능력을 향상시키는 주요 방법이다. 박스 내부에 여러 개의 러너를 설치하여 냉각수의 순환 경로를 증가시켜 방열 효과를 높일 수 있다. 

                                             방안 1 풀 침지+단일+판 교환                  방안2 풀 침지+단일+박스 교환

액냉 시스템에는 냉각 매체, 열전도 구조, 액냉 파이프라인과 지지 구조가 포함된다.

방안 1에서 동일한 또는 다른 유형의 냉각수를 선택하여 액냉판 러너 챔버와 박스의 빈 챔버에 각각 채울 수 있으며, 두 챔버는 모두 밀봉되고 서로 연결되어 있지 않는다. 박스의 빈 챔버에서 배터리 모듈이 냉각수에 완전히 잠겨 충분히 접촉되어 있고 냉각이 흐르지 않으며, 액체의 열전도성이 좋은 특성을 이용하여 배터리 표면의 열을 흡수하고 온도 상승을 낮춘다. 액냉판에서 냉각수는 급수 헤더에서 여러 개의 러너로 나뉘고 병렬로 액냉판으로 들어간 다음 배수 헤더에서 합류하여 흘러나오며, 주로 열을 밖으로 내보내 열을 방출하는 역할을 한다.

방안 2에서 온도가 낮은 냉각수가 아래 또는 측면으로부터 유입되고 온도가 높은 것은 위에서 유출되어 냉각수가 배터리 팩 내에서 순환하여 흐르므로 열을 효과적으로 균일하게 분배하고 전체적인 냉각 효율을 높이며 배터리 셀 또는 배터리 팩 온도의 일관성을 유지할 수 있다.

냉각 효과를 더욱 향상시키기 위해 액체 흐름과 순환 방식을 최적화하고 열 용량이 높은 냉각수를 선택하며 액체의 온도 분포를 개선하는 등 다양한 최적화 조치를 취할 수 있다. 이러한 조치는 열의 축적과 에너지 손실을 줄이고 배터리가 효율적인 냉각 상태에서 작동하도록 보장할 수 있다.

3-밀봉 설계

액냉식 pack박스의 경우, 선진적인 밀봉 재료와 구조 사용을 통해 완전 밀봉 설계를 할 수 있다. 밀봉 설계는 기밀성뿐만 아니라 액체 매체의 밀봉도 고려하여 배터리 셀이 모든 방향에서 누출 현상이 없도록 해야 한다.

설계는 구체적인 적용 요구 사항에 따라 적절한 밀봉 형식과 형태를 선택해야 한다. 또한 씰의 누출 자유도, 내마모성, 매체와 온도 호환성, 낮은 마찰 등 요인도 고려해야 하며, 세부 사양에 따라 적절한 밀봉 유형과 재료를 선택해야 한다.

또한 용접 공정의 선택도 밀봉 성능에 큰 영향을 미친다. 다양한 재료와 두께에 대해 적절한 용접 방법을 선택하면 용접 품질을 효과적으로 향상시켜 시스템의 전체 강도와 밀봉성을 보장할 수 있다.

단일 침지식 액냉 에너지 저장 Pack 하부박스 완제품 안내도

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