작성자: Jake Sanders, 제품 개발 관리자, Donaldson 통합 벤팅솔루션 부문
전기 및 하이브리드 자동차가 증가함에 따라 차량(Automotive) 업계에서 리튬 이온 배터리의 중요성이 점점 커지고 있습니다. 충전식 배터리는 단위 볼륨당 더 높은 에너지비를 제공하며, 팩 형태로 효율적으로 배치하여 차량에 동력을 공급할 수 있습니다. 가전제품에 사용되는 소형 리튬 이온 배터리와 달리, 차량 리튬 이온 배터리는 온도 및 압력 변동에 대처할 수 있는 적절한 벤팅 시스템은 물론, 혹독한 외부 조건으로부터 차량을 강력하게 보호할 수 있어야 합니다.
2단 인클로저 보호 벤팅 시스템은 차량 배터리 요구사항을 충족하는 데 있어서 효과가 입증되었습니다. 1단계에서는 압력을 균일하게 조절하고 물과 오염물의 유입을 막습니다. 2단계 벤팅은 압력과 열이 급격하게 축적될 경우 벤트를 완전히 개방하여 팽창 가스를 내보내고 나머지 셀이 더 손상되는 것을 방지합니다. 대부분의 경우 단일 벤트 어셈블리는 이 두 가지 기능을 모두 수행할 수 있습니다.
인클로저 보호 벤팅 시스템이 필요한 이유
배터리 인클로저는 일반적으로 먼지, 잔해 및 습기(예: 비, 눈, 세차 스프레이)로부터 배터리를 보호하도록 고안된 금속 또는 플라스틱 밀봉 커버입니다. 이러한 요인 중 하나가 배터리 셀과 보조 전자 장치를 손상시킬 수 있으므로, 효과적인 인클로저는 이러한 잠재적 유해 물질이 배터리에 유입되는 것을 차단합니다. 전기 차량용 배터리 팩은 그림 1과 같이 여러 개의 모듈 안에 수백 개의 셀을 포함하고 있습니다.
배터리 인클로저는 오염물을 차단할 뿐 아니라 인클로저 내부와 주변 대기 사이의 압력 차를 견뎌야 합니다. 이러한 압력 차는 주변 온도 변화, 셀의 발열, 대기압 변화로 인해 정상적으로 차량이 작동할 때도 크게 변동될 수 있습니다. 차량 탑승자는 산악 지형에서 주행할 때 "귀가 먹먹한 느낌"을 받는 것처럼, 배터리 인클로저도 고도가 변화하면 비슷한 압력 변동을 겪습니다.
보호 커버가 무너지거나 손상되는 것을 방지하기 위해 인클로저는 벤팅 시스템을 통해 내부 압력과 외부 압력을 균일하게 조절하는 동시에 급격한 압력 축적(소위 "열 폭주 thermal runaway")으로 인해 발생하는 가스를 배출할 수 있어야 합니다. 압력이 점진적으로 또는 급격하게 축적될 경우 씰이 응력을 받아 누출 및 잠재적인 폭발이 발생할 수 있습니다.
벤팅 시스템의 구체적인 효과는 차량 리튬 이온 배터리의 내부를 살펴보면 더 잘 이해할 수 있습니다. 배터리 팩은 일반적으로 개스킷으로 연결부가 밀봉된 두 개의 섹션으로 구성됩니다. 인클로저의 벤팅이 제대로 이루어지지 않을 경우, 여러 번의 작은 압력 차가 발생한 후 인클로저에 누출이 생길 수 있습니다. 때로 8년 보증을 제공하는 전장부품 제조업체에서는 배터리 인클로저가 최소한 그 기간만큼 유지될 것이라고 생각할 수 있습니다. 적절한 벤팅은 씰에서 발생하는 압력차의 횟수와 강도를 줄여주므로 씰과 인클로저의 수명을 연장합니다.
1단계 벤팅
수동형 배기라고도 하는 1단계 벤팅은 일반적으로 팽창형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 벤트를 사용하여 압력을 균일화하고 오염물이 인클로저에 유입되는 것을 차단합니다. 그림 2에 보이는 것처럼, ePTFE 멤브레인은 육안으로 보면 불투명해 보이며 물, 먼지, 용제 및 기타 오염물에 대한 인그레스 보호 기능을 제공합니다. 그럼에도 1 미크론 미만의 멤브레인 기공을 통해 가스가 통과해 압력이 균일하게 조절됩니다.
예상되는 오염물 노출 유형에 따라 이물질 및/또는 습기를 다양한 수준으로 차단할 수 있도록 벤트를 설계할 수 있습니다. 일반적인 배터리 인클로저는 먼지, 침수, 고압 살수를 차단하고, 최대 수압이 690 밀리바인 물에 저항할 수 있도록 설계될 수 있습니다.
그림 3에서는 1단계 벤팅을 통해 압력 차가 감소하는 모습을 확인할 수 있습니다. 추운 날에 시동을 걸어 고속으로 주행하는 차량을 대략적으로 시뮬레이션하기 위해 배터리 인클로저를 60분 동안 온도가 50°C까지 상승하는 환경에 노출시키는 경우, 벤팅 시스템 없이는 압력 차가 최대 180 밀리바까지 증가하게 됩니다. 벤트 어셈블리의 직경이 50 mm인 인클로저에서는 10 밀리바 미만의 압력 차가 있습니다.
2단계 벤팅
1단계 벤팅은 점진적인 압력 변화는 견디지만, 열 폭주 시 급격하게 축적되는 압력은 견디지 못합니다. 능동형 벤팅 시스템이라고도 하는 2단계 벤팅은 벤트를 완전히 개방해 팽창 가스를 통제된 방식으로 빠르게 배출시켜서 제어되지 않은 인클로저 폭발뿐 아니라 나머지 셀이 더 손상되는 것을 방지하여 이러한 상황을 해결합니다.
2단계 벤팅은 대개 ePTFE 멤브레인과 기계적 기능이 통합된 형태로 제공됩니다. 이를 통해 열작용 시, ePTFE 소재가 수동적으로는 압력을 조절할 수 없는 속도로 가스가 팽창할 경우 빠르게 가스를 배출시킵니다. 기본적으로 벤트는 급격하게 가스와 열이 생성되는 열 폭주가 발생할 때 치명적인 고장을 일으킬 수 있는 초과 압력으로부터 인클로저를 보호합니다.
그림 4는 수동형 및 능동형이 결합된 벤팅 시스템이 어떻게 인클로저 파열을 방지할 수 있는지 보여 줍니다. 1,500 밀리바의 압력에서 파열될 수 있는 인클로저에는 500 밀리바에서 개방되는 능동형 벤팅 시스템이 탑재되어 있을 수 있습니다. 이 결합 시스템은 압력 차를 파열 압력보다 훨씬 낮은 약 750 밀리바로 제한합니다. 벤팅이 되지 않을 경우 인클로저는 빠르게 파열됩니다.
2단계 벤트를 통합하려면, 설계자는 가스가 방출되는 속도와 벤트가 완전히 개방되는 압력 수치를 고려해야 합니다. 그런 다음, 기본적으로 인클로저가 파열하기 전에 견딜 수 있는 최대 압력인 폭발 압력이하의 압력을 유지하도록 벤트를 설계해야 합니다.
설계할 때 고려해야 할 또 다른 부분은 인클로저에 돌이킬 수 없는 형태 변화인 소성 변형을 유발시킬 수 있는 압력입니다. 이러한 변형이 일어나면 꼭 안전 문제가 발생하는 것은 아니지만, 인클로저가 손상됩니다. 금속 인클로저는 폭발 압력보다 훨씬 더 낮은 압력에서 소성 변형이 일어납니다. 플라스틱 인클로저는 폭발 압력에 가까운 압력에서 소성 변형이 일어납니다. 결과적으로, 올바른 벤팅 설계를 위해서는 인클로저 재질의 차이를 감안해야 합니다.
열 폭주가 발생할 경우 배터리를 정비하거나 교체해야 합니다. 2단계 벤팅은 배터리 수명이 아닌 안전에 더 초점을 맞춥니다. 고농도 축적을 피하고 폭발을 유발할 수 있는 공기 중의 잔유물을 차단하기 위해서는 가스를 배출시켜 열을 줄이고 유해 화학물질을 점진적으로 분산시켜야 합니다.
요약/결론
전기 자동차에 동력을 공급하는 주요 수단인 리튬 이온 배터리의 예를 통해 알맞은 벤팅 시스템의 중요성이 부각되었습니다. 적절하게 설계된 벤팅 시스템은 정상 작동 조건에서 압력을 균일화하는 동시에 오염물을 차단해 주므로 인클로저와 배터리 수명을 더 연장해 줍니다. 드문 경우이지만 배터리에 발열이 있고 습기 및 잔해 차단이 그다지 중요하지 않은 경우에도 벤팅 시스템은 즉각적으로 압력을 완화시켜 잠재적인 폭발과 기타 치명적인 결과를 방지할 수 있어야 합니다. 광범위한 차량 벤팅 요구사항을 해결하기 위해서는 2단 벤팅 시스템을 사용하는 것이 중요합니다.
참고 자료
