전기차 배터리 팩의 측면 수냉식 설계와 하단 수냉식 설계의 차이점은 무엇인가요?

배터리는 열을 싫어합니다. 열이 너무 많으면 사용 시간이 줄어들고 세포가 노화되며 안전 위험이 높아집니다. 전력 밀도가 높아지면 올바른 수냉식 레이아웃 정말 중요합니다. 오늘날에는 하단 냉각이 포장의 주류를 이루고 있으며, 더 엄격한 제어를 위해 측면 냉각이 증가하고 있습니다. 실제로 포장에 어떤 변화가 있는지 살펴봅시다.

공간이 협소하고 검증된 모듈식 비용 효율적인 통합이 필요한 경우 하단 냉각을 선택하세요. 보다 엄격한 온도 균일성과 빠른 열 반응이 필요하고 팩에 매니폴드 및 배관을 추가할 공간이 있는 경우 측면 냉각을 선택하세요. 많은 차세대 팩은 하이브리드(상단/하단 또는 양면)를 채택하여 두 가지의 균형을 맞추고 있습니다.

간단하고 실용적인 레이아웃을 먼저 소개한 다음 실제 프로젝트에서 사용할 수 있는 열 결과, 비용 및 빠른 제조 노트를 소개하겠습니다.

1. EV 배터리 팩의 측면 수냉이란 무엇인가요?

측면 냉각은 셀의 긴 면에 각각 하나씩 두 개의 '라디에이터'가 있다고 생각하면 됩니다. 접촉 면적이 넓어지면 열이 빠져나갈 수 있는 경로가 더 많아집니다. 고속 충전 또는 높은 C-율 부하를 받는 각형 셀의 경우 이러한 추가 접촉은 모듈 전체의 온도 피크를 평평하게 하고 핫스팟을 진정시키는 큰 문제입니다. 그런데 원통형 셀의 측면 냉각 원리는 기본적으로 모양과 아이디어, 마법만 다를 뿐 기본적으로 동일합니다.

측면 냉각에서는 플레이트가 셀 사이에 끼워지거나 모듈의 양쪽에 클램핑됩니다. 접촉 면적이 넓어지면 열유속이 증가하여 피크 온도가 낮아지고 기울기가 균일해져 높은 C-율 방전 또는 고속 충전 창에 이상적입니다. 그러나 매니폴드, 파이프 벤드 및 씰이 추가되면 통합 난이도, 패키징 부피 및 잠재적 누출 지점이 증가하는 등 라우팅이 더 복잡해집니다. 최소한의 배관보다 열 정밀도를 우선시하는 프로젝트에 적합합니다.

우리는 구현했습니다. 측면 냉각 전기 픽업용 프리즘 셀 배터리 팩에 각 모듈의 양쪽 긴 면에 냉각판을 클램핑합니다. 주요 과제는 CFD가 아니라 제조 및 조립 일관성-넓은 접촉 면적에서 접촉 열 저항은 허용 오차 스택업, 셀 보잉 및 TIM 두께 변화에 따라 변동될 수 있으며, 매니폴드 라우팅과 다중 조인트는 통합의 복잡성과 밀봉 위험을 높입니다. TI는 열 실리콘 패드를 사용하여 어셈블리 편차를 흡수하고, 양쪽 사이드 플레이트를 다음과 같이 설계하는 등 실용적인 해결책을 제시했습니다. 구역화된 동일 흐름 매니폴드를 사용하여 굴곡이 짧고 반경이 넓어 압력 강하를 줄입니다. 작동 시 측면 냉각의 넓은 접촉 면적의 이점은 분명합니다: 더 낮은 피크 온도와 더 엄격한 균일성-314Ah 프리즘 셀에 대한 외부 비교 결과 측면 냉각에 확실한 이점이 있는 것으로 나타났습니다. 픽업 및 상용 플랫폼용, 생산 준비가 완료된 측면 냉각 마이크로 채널 플레이트 이미 사용 가능하며 팩 봉투 및 포트 레이아웃에 맞게 조정할 수 있습니다.

2. EV 배터리 팩의 바닥 수냉이란 무엇인가요?

하단 냉각은 액체 냉각판이 셀 또는 전체 모듈 아래에 위치하는 '단일 라디에이터' 방식을 사용합니다. 측면을 자유롭게 유지하고 트레이에 깔끔하게 쌓을 수 있으며 셀 투 팩(CTP/CTC) 구조와도 잘 어울립니다. 이러한 단순성 때문에 많은 프리즘 플랫폼에서 이 방식이 여전히 선호되는 이유입니다.

냉각수 채널을 셀 아래에 통합함으로써 바닥 냉각은 레이아웃을 단순화하고 귀중한 측면 공간을 보존합니다. 모듈식 팩 설계에 적합하며 진공 브레이징 알루미늄 플레이트를 사용하여 대량 생산에 맞게 깔끔하게 확장할 수 있습니다. 단면 접촉은 양면 균일성에 뒤처질 수 있지만 바닥판은 특히 높이/두께 제한이 지배적인 경우 더 적은 수의 씰로 더 낮은 비용으로 대부분의 EV/ESS 사양을 충족합니다.

씰 수가 적고 깔끔한 언더셀 플레이트 덕분에 패키징이 간단하고 반복 가능합니다. 제조업체는 스탬핑 또는 압출, 진공 브레이징과 같은 성숙한 공정을 통해 모듈이 쌓이지 않는 평평하고 견고한 플레이트를 제작합니다. 특히 채널 경로가 최적화된 경우(역류, 스플리터 또는 다중 구역 레이아웃) 열 성능은 일반적으로 주류 EV 및 ESS 듀티 사이클에 "충분히 양호"합니다. 양면 시스템의 절대적인 균일성에 도달하지 못할 수도 있지만, 복잡성이 적고 라인 수율이 높으면 ΔT 목표를 달성하는 경우가 많습니다.

3. 팩 공간 레이아웃은 어떻게 선택에 영향을 주나요?

CFD가 아닌 공간에서 시작하세요. 트레이 높이와 두께가 좁거나 폭이 크래시 레일로 고정되어 있다면 어느 방향으로 기울어져 있는지 이미 알고 있을 것입니다. 측면 플레이트는 매니폴드와 서비스 경로를 위한 공간이 필요하고, 하단 플레이트는 셀 아래의 "여유" 공간을 사용합니다.

하단 냉각은 일반적으로 높이/두께가 제한되어 있고 모듈 인터페이스가 표준화된 곳에서 더 컴팩트하고 통합하기 쉽습니다. 측면 냉각은 플레이트, 헤더 및 호스를 위한 측면 여유 공간과 조립 및 서비스를 위한 접근이 필요합니다. 높은 체적 효율을 추구하는 CTP/CTC 레이아웃의 경우 평평한 바닥판이 유리하며, 인클로저가 추가 폭과 매니폴드 라우팅을 허용하는 경우 더 엄격한 열 제어를 통해 측면 냉각을 정당화할 수 있습니다.

4. 열화상 결과는 실제로 어떻게 비교되나요?

열 성능은 마술이 아니라 면적과 흐름 품질에 따라 달라집니다. 측면 냉각은 더 많은 면적을 제공합니다. 하단 냉각은 더 스마트한 채널을 따라잡습니다. 세부 사항을 설계하고 정직하게 테스트하면 두 가지 모두 까다로운 사양을 충족할 수 있습니다.

연구에 따르면 양면 또는 측면 에지 냉각은 보다 균일한 열 추출이 증가하여 단면 바닥판보다 Tmax와 경사도를 더 빠르게 감소시킵니다. 그러나 채널 혁신은 그 격차를 좁혀줍니다. 바닥판의 이중층 미니채널, 스플리터 및 최적화된 뱀 모양 경로가 적당한 압력 강하에서 균일성을 크게 개선하여 대부분의 듀티 사이클에서 팩 수준의 ΔT 목표를 충족합니다.

고속 충전 중 가장 낮은 피크가 필요한 경우, 특히 셀 표면 근처의 열유속이 높은 양면 사이드 플레이트가 일반적으로 유리합니다. 하지만 잘 설계된 바닥판을 무시해서는 안 됩니다. 2층 미니 채널, 역류 레이아웃, 분할 매니폴드를 사용하면 압력 강하 없이도 경사도를 놀랍도록 낮출 수 있습니다. 하이브리드 개념(하단 + 상단 또는 버스바 냉각)도 일시적인 스파이크 동안 셀을 안정화하면서 자리를 잡아가고 있습니다. 이러한 방식은 효과가 있지만 부품과 밀봉 표면이 추가되므로 DV/PV 계획에 포함시켜야 합니다.

5. 어느 것이 구축 및 확장에 더 비용 효율적일까요?

최적화 총 시스템 비용-플레이트 가격뿐만 아니라 부품, 씰, TIM, 접합 단계, 테스트 시간, 수율 등 다양한 정보를 확인할 수 있습니다.

바닥판은 성숙한 공정(진공 브레이징, 스탬핑/압출 코어)과 더 적은 수의 씰을 활용하여 일반적으로 부품 가격을 낮추고 라인 수율을 개선합니다.

● 하단 냉각 - 비용 프로필: 부품 및 씰 수 감소 → 조립 간소화, 성숙한 스탬핑/압출 + 진공/연속 납땜 → 안정적인 수율, 더 작은 TIM 풋프린트 → 반복 비용 절감, 헬륨/EOL 테스트 기간 단축.

● 측면 냉각 - 비용이 누적되는 곳: 이중 측면 플레이트, 추가 매니폴드/피팅/O링, 더 큰 TIM 또는 규격 준수 측면 플레이트, 더 많은 용접/브레이징 및 흐름 밸런싱 단계 → 더 긴 누출/EOL 테스트, 더 낮은 수율 버퍼, 더 높은 보증 위험 관리.

● 측면 냉각이 여전히 효과가 있는 경우: 균일성으로 인해 고속 충전/높은 C-율에서 용량 감소를 방지하거나 셀 수명이 연장되면 수명 주기 가치가 추가되는 BOM 및 테스트 시간보다 더 커질 수 있습니다.

● 측면 냉각을 위한 비용 상쇄: 만들기 모듈 측벽의 두 배인 측면 플레이트 (한 부분 제거); 사용 통합 아이소플로우 매니폴드 (관절이 더 적고, 더 깨끗한 분포); 평탄도 강화 그리고 TIM을 얇게 (반복 비용 절감).

● 의사 결정 규칙: 포장이 빡빡하고 스마트 채널로 ΔT 목표를 달성할 수 있는 경우, 다음을 선택합니다. 하단 를 선택하면 최적의 $/단위 및 처리량을 얻을 수 있습니다. ΔT 여백이 중요하고 공간이 여유가 있다면 측면 (또는 선택적 양면)을 선택하고 위의 오프셋을 적용하여 비용을 관리합니다.

6. 냉각판 및 냉각 튜브 제조 옵션(신속하고 실용적인) 6.

냉각판

✅스탬프 채널 + 진공/연속 브레이징(알루미늄).

대량 생산 및 바닥 판에 이상적입니다. 씰링이 적고, 평탄도가 견고하며, 수율이 높습니다. ΔP-ΔT 균형을 위해 랜드 폭/깊이를 조정하고 역류가 균일성을 돕습니다.

✅압출 마이크로 채널 플레이트 + FSW.

더 높은 열유속 또는 압력에 적합합니다. 조밀한 채널과 강력한 조인트(FSW/CMT)로 내구성이 뛰어납니다. 양면 모듈에 적합합니다.

✅가공 채널 + 브레이징.

프로토타입을 빠르게 제작할 수 있습니다; 대량 생산에 비용이 많이 듭니다.

냉각 튜브

❌ 압출 + 절곡 + 고주파 용접(고주파 용접, HRW)

이 방법은 존재하지만 냉각 튜브가 배터리 모듈 대신 각 배터리 셀에 단단히 부착되어 냉각 튜브의 굽힘 각도에 대한 요구 사항이 매우 높고 배터리 팩의 공간 요구 사항도 증가하기 때문에 실제로 생산하기가 매우 어렵습니다.

하단 냉각은 패키징과 비용 측면에서, 측면 냉각은 공간만 허락한다면 균일성 측면에서 유리합니다. 하이브리드가 부상하고 있습니다. 공간, ΔT 목표, 수명 주기 비용, 검증을 기준으로 선택하세요.