전기 자동차(EV) 배터리 팩을 설계하는 것은 세심하게 균형 잡힌 교향곡을 조율하는 것과 같습니다. 셀은 높은 전력, 긴 사이클 수명 및 안전성을 제공해야 하고 열 관리 시스템은 좁은 온도 범위 내에서 유지해야 합니다. 이 열 오케스트라의 핵심 구성 요소 중 하나가 바로 뱀 모양의 액체 냉각 튜브. 이 압출 금속 채널은 모듈을 관통하며 원통형 셀의 굴곡을 감싸고 폐열을 흡수하는 냉각수를 운반합니다. 너무 작으면 셀이 과열되고 너무 크면 공간, 질량 및 비용이 낭비되므로 올바른 튜브 모양과 크기를 선택하는 것이 중요하다는 것을 엔지니어링 프로젝트를 진행하면서 알게 되었습니다. 이 가이드에서는 기본적인 셀 물리학을 실제 제조 제약 조건과 결합하여 세 가지 셀 크기(8650, 4680, 4695)에 사문석 튜브를 맞추는 방법을 설명합니다.
위의 개요에서는 사선형 냉각 튜브가 무엇인지 설명하고 크기 조정이 어떻게 이루어지는지에 대한 힌트를 제공했습니다. 이 글의 나머지 부분에서는 뱀형 튜브가 중요한 이유, 각 셀 형식에 맞게 크기를 정하는 방법, 어떤 재료 및 제조 옵션이 있는지, 엔지니어와 제품 구매자가 고려해야 할 설계 트레이드 오프에 대해 자세히 살펴봅니다. 각 섹션에서는 구체적인 질문에 대한 답변이 나와 있으므로 가장 관련성이 높은 주제로 바로 이동할 수 있습니다.
언뜻 보기에 뱀 모양 냉각 튜브(액체 냉각 튜브)는 배터리 모듈의 셀 사이에 있는 길고 납작한 금속 리본처럼 보입니다. 일반적으로 높은 열전도율, 내식성, 가벼운 무게를 위해 고망간 알루미늄 합금 또는 때로는 구리로 만들어집니다. 압출 공정은 튜브 내부에 세로로 긴 미세 채널을 형성하며, 냉각수는 이 채널을 통해 한쪽 끝으로 들어가고 다른 쪽 끝으로 빠져나갑니다. 외벽은 원통형 셀에 꼭 맞도록 구부러져 있어 열 교환을 위한 넓은 접촉면을 확보할 수 있습니다.
XD 써멀에서 이 튜브는 열 방출을 높이기 위해 '최적의 내부 구조'를 제공합니다, 여러 외부 양식 다양한 팩 레이아웃(튜브는 직선형, U자형 또는 다중 리본 디자인으로 제공됨)에 맞도록 제작되었으며, 정밀한 가공으로 접촉력이 우수하고 100회 % 헬륨 누출 테스트를 거쳤습니다. 가볍고 부식에 강한 알루미늄 합금으로 제작되어 10년의 수명을 보장하며 재활용이 가능합니다.
압출된 리본이 원통형 셀의 곡면을 감싸고 있어 밀접한 접촉을 보장합니다. 초기 전기차 배터리 팩은 셀의 접선에만 닿는 직선형 파이프를 사용했지만, 사선형 튜브는 셀 사이를 엮어 훨씬 더 넓은 접촉 면적을 확보합니다.
압출 내부의 여러 병렬 채널은 내부 표면적을 증가시켜 냉각수가 단위 길이당 더 많은 열을 흡수할 수 있도록 합니다. 일반적으로 연속된 사문석 사이에 한두 줄의 셀을 배치하여 열 교환 면적을 확장합니다.
제조업체는 직선형 C2P(셀 대 팩) 튜브, 구부러진 C2M(셀 대 모듈) 튜브 및 3개의 평행 리본이 있는 3방향 튜브를 제공합니다. C2P 튜브는 4680 및 4695 셀과 잘 정렬되고 용접 조인트를 최소화하기 때문에 가장 많이 사용됩니다.
본질적으로 뱀 모양 튜브는 원통형 셀의 기하학적 구조에 맞춘 길고 평평한 열교환기 역할을 하여 열 성능과 패키징 제약 조건의 균형을 맞추는 역할을 합니다.
전기차 제조업체들이 더 높은 에너지 밀도와 더 낮은 비용을 추구하면서 최근 몇 년 동안 더 큰 원통형 셀을 채택하고 있습니다. 테슬라는 부품 수와 비용을 줄이기 위해 18650(직경 18mm, 높이 65mm)에서 21700(21mm × 70mm)으로, 그리고 4680(46mm × 80mm)으로의 전환을 선도했습니다. BMW와 삼성은 현재 4695(46mm × 95mm)와 더 긴 46120 형식을 도입하고 있습니다. 셀이 클수록 더 많은 에너지를 저장하고 모듈 조립을 간소화하지만, 셀의 표면적이 부피에 따라 확장되지 않기 때문에 열 문제가 발생합니다.
| 셀 크기 |
지름 × 높이(mm) |
총 면적/부피 비율 | 측면 면적/부피 비율 |
| 18650 | 18 × 65 | 25.3 % | 22.22 % |
| 21700 | 21 × 70 | 21.9 % | 19.05 % |
| 4680 | 46 × 80 | 11.2 % | 8.70 % |
비교 결과 총 면적 대 부피 비율은 18650 셀의 경우 25.3 %에서 21700 셀의 경우 21.9 %로 떨어지고 4680 셀의 경우 11.2 %에 불과합니다. 방사형 열 방출을 좌우하는 측면 면적 대 부피 비율은 22.22 %(18650)에서 8.7 %(4680)로 떨어집니다. 즉, 4680 셀은 단위 부피당 표면적이 18650의 약 절반이므로 비슷한 C 속도로 충전 또는 방전할 때 셀이 클수록 단위 표면당 더 많은 열을 발생시킵니다.
새로운 4695 셀은 이러한 과제를 해결합니다. 2025년 3월 31일 삼성의 보도 자료에 따르면 4695 배터리의 크기는 직경 46mm, 높이 95mm이며 에너지 용량은 이전 21700 셀보다 약 6배 더 큽니다. XD Thermal의 BMW 팩 설계 분석에 따르면 4695는 BMW의 이전 세대보다 약 20개의 % 더 높은 에너지 밀도와 30개의 % 더 빠른 충전을 제공할 수 있습니다. 이렇게 큰 에너지 처리량으로 인해 열 발생이 증가하고 표면 대 부피 비율은 더욱 줄어듭니다. 따라서 안전한 온도를 유지하고 열 이탈을 방지하기 위해 더 넓고 높은 프로파일의 사문석 튜브가 필요합니다.
올바른 뱀형 튜브를 선택하는 것은 추측이 아니라 셀 형상, 팩 레이아웃, 열 부하 및 제조 가능성을 기반으로 계산된 결정입니다. 저는 설계를 시작할 때 이러한 모든 매개변수를 수집한 다음 제조업체 표를 참조하여 권장 크기를 선택합니다. 또한 모듈 내에서 튜브가 어떻게 라우팅될지, 마이크로 채널을 통한 압력 강하가 어떻게 될지도 고려합니다. 체계적인 접근 방식은 위험을 줄이고 팩 성능을 향상시킵니다.
주요 매개변수에는 너비, 높이, 리브 두께 및 곡률이 포함됩니다. 너비는 얼마나 많은 셀 면과 마이크로 채널이 들어가는지 설정하고 높이는 냉각수 부피와 강성에 영향을 줍니다. 리브 두께는 기계적 강도와 파열 압력을 보장하며, 곡률은 셀 직경과 일치해야 합니다.
당사와 같은 제조업체인 XD Thermal은 이러한 선택을 안내하는 치수 표를 제공합니다. 각 셀 크기에 대해 압출 높이, 폭, 리브 두께, 벽 두께 및 모서리 반경에 대한 범위를 지정합니다. 이러한 범위를 출발점으로 삼아 모듈 형상, 필요한 열유속 및 허용 압력 강하를 분석하여 설계를 맞춤화합니다. 그런 다음 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션과 벤치 테스트를 통해 선택한 튜브가 고전력 충전 및 방전 중에 셀 온도를 목표 범위(일반적으로 20~40°C) 내에서 유지하는지를 검증합니다. 이러한 매개 변수는 튜브의 열 전달 용량과 압력 강하를 종합적으로 정의하므로 실제 시스템에서 효과적인 냉각을 위해서는 균형을 맞추는 것이 중요합니다.
18650 셀용 냉각 튜브는 일반적으로 압출 높이가 2.2 ~ 3.2mm, 폭이 48 ~ 50mm입니다. 리브 두께는 0.28~0.43mm, 벽 두께는 0.25~0.8mm입니다. 곡률 반경은 1.1-1.6mm로 18mm 셀과 잘 접촉합니다.
18650 모듈은 많은 셀을 밀집시키기 때문에 뱀 모양 튜브가 두 개의 평행 리본으로 배열되는 경우가 많습니다(이 크기에는 3방향 튜브가 거의 사용되지 않음). 튜브와 셀 사이에 적절한 열 인터페이스 재료를 사용하면 이러한 치수는 일반적인 EV 방전 속도에서 셀 온도 상승을 섭씨 몇도 이내로 유지하기에 충분합니다. 공냉식 가전제품(노트북, 전동 공구)의 경우 18650의 작은 크기로 대류 열 방출이 가능하기 때문에 일반적으로 능동 액체 냉각이 필요하지 않습니다.
4680 셀은 직경 46mm, 높이 80mm로 18650 셀 부피의 약 7배에 달합니다. 표면적 대 부피 비율이 11.2 %에 불과하기 때문에 열이 표면에 도달하기 전에 셀 내부를 더 멀리 이동해야 합니다. 이 문제를 해결하기 위해 4680 모듈용 사문석 튜브는 더 넓고 더 많은 채널을 통합할 수 있습니다. XD Thermal은 65-75mm의 압출 폭과 2.2-3.6mm의 높이를 권장합니다. 더 높은 클램핑력과 냉각수 압력을 처리하기 위해 리브 두께는 0.30~0.60mm로 증가합니다. 모듈이 공간 제약이 있는 경우 폭 범위의 하단에서 시작할 수 있습니다. 고출력 레이싱 애플리케이션의 경우 상단으로 이동하여 튜브 높이를 높여 냉각수 용량을 늘릴 수 있습니다.
4680 모듈의 경우 저는 C2P 직선형 튜브를 선호합니다. 이 U자형 루프는 입구와 출구가 같은 쪽에 있어 용접 횟수를 줄이고 조립을 더 쉽게 할 수 있습니다. 또한 인접한 튜브 사이에 두 줄의 4680 셀을 끼워 넣을 수 있어 접촉 면적을 늘리고 균일한 온도를 유지할 수 있습니다. 열 인터페이스 재료(실리콘 패드 또는 갭 필러)는 튜브와 셀 사이의 빈 공간을 메워 핫스팟을 방지합니다xdthermal.com. 고전력 애플리케이션에서는 온도 구배를 더욱 줄이기 위해 측면 사문석 냉각과 바닥 열 스프레더 또는 침수 냉각을 결합하기도 합니다. 튜브는 셀과 정렬되어야 하고 입구/출구 매니폴드에 용접하기 쉬워야 한다는 제조 공차 및 조립 요구 사항을 고려하는 것을 잊지 마세요.
4695 셀은 46 시리즈 제품군의 최신 제품입니다. 삼성SDI의 2025년 보도 자료에 따르면 4695 배터리는 직경 46mm, 높이 95mm이며 마이크로 모빌리티 및 EV 고객을 위한 모듈로 조립됩니다. 4695는 길이가 길어졌기 때문에 4680보다 부피 대비 면적 비율이 여전히 낮으며 21700 셀의 약 6배의 에너지를 제공할 수 있습니다. BMW의 4695 모듈은 이전 BMW 팩보다 에너지 밀도가 20 % 더 높고 충전 속도가 30 % 더 빠릅니다.
이 열을 관리하기 위해 저는 폭 75~85mm, 높이 2.2~3.8mm의 더 넓은 튜브를 선택합니다. 리브 두께는 0.35~0.60mm로 유지되고 곡률 반경은 더 긴 셀에 맞게 1.1~1.9mm로 약간 커집니다. 이러한 튜브에는 냉각수 흐름 면적을 늘리기 위해 더 많은 마이크로 채널이 있을 수 있으며, 모듈 설계는 종종 3방향 냉각 튜브 또는 추가 바닥판을 사용하여 셀의 확장된 길이에 따라 균일한 온도를 보장합니다. 4695는 고속 충전 중에 더 많은 열이 발생하기 때문에 냉각수 유량과 압력 강하에 특히 주의를 기울입니다. 시뮬레이션은 최적의 유량 분포를 파악하는 데 도움이 되며, 때로는 뱀형 튜브만으로는 불충분하여 팩 바닥에 통합된 대형 플레이트인 PTOB(Pack-to-Open-Body) 냉각 구조로 보완해야 하는 경우도 있습니다. BMW의 설계는 이러한 PTOB 통합을 사용하여 테슬라의 셀 대 섀시 접근 방식보다 더 효과적인 냉각을 보장합니다.
소재 선택은 단순한 엔지니어링 디테일이 아니라 무게, 비용, 열 성능 및 내식성에 영향을 미칩니다. 제 디자인에서는 가볍고 열전도율과 내식성이 우수한 고망간 알루미늄 합금을 선택하는 경우가 많습니다.
대부분의 사문석 튜브는 3003, 3005, 6061 또는 6063과 같은 알루미늄 합금으로 만들어집니다. 망간 함량이 높으면 내식성이 향상됩니다. 공급업체는 열전도율이 더 좋지만 무게와 비용이 증가하는 구리 튜브도 제공합니다. 재질에 관계없이 튜브는 갈바닉 부식을 방지하기 위해 아노다이징 또는 변환 코팅을 거칩니다. 고주파 용접은 얇은 벽을 만드는 데 도움이 됩니다. 올바른 합금을 선택하면 내구성과 열 성능을 보장하고 전기차 소유자의 장기적인 비용과 에너지 손실을 줄일 수 있습니다.
기본 금속 외에도 제조 공정이 성능에 영향을 미칩니다. XD Thermal은 신뢰성을 보장하기 위해 압출 후 정밀 가공, 용접 및 헬륨 누출 테스트를 거칩니다. 또한 마이크로 채널 튜브는 고주파 용접을 사용하여 압출물을 헤더 파이프에 결합합니다. 이러한 공정을 통해 1MPa 이상의 파열 압력을 유지하면서 얇은 벽(0.25~0.8mm)을 달성합니다. 튜브를 지정할 때 냉각제의 화학적 특성도 고려하는데, 물-글리콜 혼합물이 일반적이지만 일부 팩은 R134a와 같은 냉매를 사용합니다. 냉각수 첨가제와의 호환성은 재료 선택과 코팅에 영향을 미칩니다. 품질을 보장하기 위해 항상 공급업체의 테스트 보고서와 인증서를 요청하세요.
냉각은 열 관리 퍼즐의 한 조각에 불과합니다. 엔지니어와 제품 구매자는 냉각수 선택, 유량, 압력, 통합 및 안전성을 고려해야 합니다. 열 시스템을 잘못 설계하면 배터리 수명이 단축되고 성능이 저하되며 심지어 위험한 고장으로 이어질 수 있습니다. 선택한 냉각 튜브가 나머지 패키징과 조화를 이루도록 하려면 전체적인 접근 방식이 필요합니다.
열 관리의 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.
● 냉각수 유형 (물-글리콜 혼합물 또는 냉매) -- 대부분의 전기차는 냉각수로 물 글리콜 혼합물을 사용하며 때로는 부식 방지제와 혼합하기도 합니다. 일부 시스템은 직접 팽창을 위해 냉매(예: R134a)를 사용합니다. 냉각수의 열 특성은 튜브 크기와 펌프 선택에 영향을 미칩니다.
● 작동 압력(1~3bar) 및 유량 -- -- 엔지니어는 열 인터페이스 재료를 사용하여 에어 갭을 메우고 접촉을 개선해야 합니다. 바닥판 또는 구조적 인클로저와 통합하면 냉각 성능이 향상됩니다. 안전 테스트(헬륨 누출, 진동 및 부식 검사)를 통해 신뢰성을 보장합니다. 추운 날씨를 위한 히터와 온도를 모니터링하는 센서도 우수한 설계에 포함됩니다. 시뮬레이션 및 실제 테스트를 통해 온도가 안전 한도 내에서 유지되는지 확인합니다. 정기적인 유지보수와 진화하는 규정을 준수하여 안전과 성능을 더욱 보장합니다.
● 열 인터페이스 재료 -- 엔지니어는 열 인터페이스 재료를 사용하여 공기 간극을 메우고 접촉을 개선해야 합니다. 튜브가 잘 설계되어 있더라도 튜브와 셀 사이에 미세한 틈이 있으면 열 저항이 발생할 수 있습니다. 실리콘 패드, 흑연 시트 또는 상 변화 재료는 이러한 간극을 메우고 열 전달을 개선합니다.
팩과 통합 -- -- 4680 및 4695 팩의 경우 바닥판, 측면판 및 모듈은 종종 팩-투-오픈 바디 설계의 일부입니다. 이 아키텍처는 차량의 섀시를 방열판으로 사용하며 사문석 튜브를 구조 부재와 통합할 수 있습니다.
● 안전 테스트(헬륨 누출, 진동 및 부식 점검) -- --. 여기에는 셀 온도를 낮게 유지하는 것과 화재를 억제하는 장벽을 설계하는 것이 모두 포함됩니다. 많은 전기차 OEM은 냉각 튜브가 최소 10년 동안 무결성을 유지하고 엄격한 진동 및 누출 테스트를 통과할 것을 요구합니다.
열 관리에는 사문석 튜브 외에도 추운 날씨 예열을 위한 히터, 온도 모니터링을 위한 센서, 전류 밸런싱을 위한 알고리즘이 포함됩니다. 유량이 많으면 온도 구배가 줄어들지만 펌프 전력과 시스템 복잡성이 증가하므로 유량이 중요합니다. 또한 엔지니어는 필요한 경우 튜브와 냉각수 라인에 접근하여 교체할 수 있도록 서비스 가능성을 고려하여 설계해야 합니다. 규제 요건은 계속 진화하고 있으며, 새로운 표준은 최대 허용 온도 상승을 지시하거나 추가적인 봉쇄 기능을 요구할 수 있습니다. 엔지니어는 최신 정보를 파악하고 공급업체와 긴밀히 협력함으로써 성능, 안전 및 비용 목표를 충족하는 시스템을 설계할 수 있습니다.
올바른 뱀형 액체 냉각 튜브를 선택하는 것은 기본적으로 튜브의 형상과 재질을 배터리 셀의 크기와 열 부하에 맞추는 것입니다. 소형 18650 셀(18mm × 65mm)은 표면적 대 부피 비율이 높기 때문에 좁은 튜브(폭 ≈48-50mm)와 잘 작동합니다xdthermal.com. 더 큰 4680 셀(46mm × 80mm)은 더 큰 열 부하를 관리하기 위해 더 넓은 튜브(65-75mm)와 더 두꺼운 리브가 필요합니다. 21700 셀의 6배에 달하는 에너지를 제공하는 최신 4695 셀(46mm × 95mm)은 더 넓은 튜브(75-85mm)와 때로는 추가 냉각판이 필요합니다. 소재 선택(고망간 알루미늄 대 구리), 튜브 형상(C2P, C2M, 3방향), 팩 아키텍처와의 통합으로 설계가 더욱 세분화됩니다. 궁극적으로 신중한 분석, 시뮬레이션 및 테스트를 통해 선택한 사문석 튜브가 셀을 시원하고 안전하게 유지하며 최상의 성능을 발휘하도록 보장합니다. 여기에 제시된 가이드라인을 따르고 시뮬레이션 및 테스트를 통해 설계를 검증함으로써 엔지니어와 구매자는 더 안전하고 오래 지속되는 EV 배터리 팩을 제작할 수 있습니다.
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