전기 자동차(EV)는 자동차 산업 변혁의 핵심 방향으로 자리 잡았습니다. EV는 배터리를 동력원으로 사용하기 때문에 배터리 트레이는 배터리 시스템의 정상적이고 안전한 작동을 보장하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 현재 널리 사용되는 배터리 트레이는 강철 배터리 트레이, 다이캐스트 알루미늄 배터리 트레이, 압출 알루미늄 배터리 트레이의 세 가지 유형이 있습니다. 이 중 압출 알루미늄 배터리 트레이가 가장 높은 평가를 받고 있습니다.
강철 트레이와 비교했을 때, 알루미늄은 동일 부피당 밀도가 낮고 무게가 가벼워 에너지 절약에 도움이 되는 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 또한 알루미늄은 내식성과 내후성이 뛰어나 가혹한 외부 환경에서도 견딜 수 있습니다. 뿐만 아니라 우수한 가공성과 가소성 덕분에 생산 비용을 효과적으로 절감할 수 있습니다. 다이캐스팅 알루미늄 트레이와 비교했을 때, 압출 알루미늄 트레이는 설계가 더 유연하고 수정 및 개선이 용이합니다. 압출 알루미늄 트레이는 다이캐스팅 트레이에 비해 다양한 크기와 폭넓은 적용 범위를 자랑합니다. 따라서 압출 알루미늄 배터리 트레이는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
자동차 배터리 트레이 개요
배터리 팩은 전기차의 핵심 에너지원으로, 차량 전체에 구동력을 공급합니다. 배터리 모듈을 지지하는 배터리 트레이는 이러한 모듈의 안전과 보호에 매우 중요합니다. 전기차 배터리 트레이는 주로 하부 트레이와 상부 커버로 구성됩니다. 배터리 하부 트레이는 일반적으로 알루미늄 합금 프로파일을 마찰교반용접(FSW) 방식으로 접합하여 제작됩니다. 주요 구조 부품으로는 하판, 프레임, 장착 브래킷 등이 있으며, 용접이 주요 접합 방식입니다. 트레이는 외부 충돌이나 압축으로부터 배터리를 보호하기 위해 우수한 진동 저항성, 기계적 충격 저항성, 압축 저항성을 갖춰야 할 뿐만 아니라, 최소 IP67 등급(GB/T 4208-2017 기준)의 방수/방진 등급과 염수 분무 부식 시험, 고온/저온 충격 시험 요건을 충족해야 합니다.
자동차 배터리 트레이용 재료
전기 자동차(EV) 개발은 환경 오염 및 에너지 문제를 해결하는 효과적인 방법입니다. 순수 전기 자동차에서 배터리 팩은 차량 공차 중량의 약 30%를 차지하며, 배터리 하부 트레이는 팩 무게의 약 20~30%를 차지합니다. 따라서 하부 트레이의 경량화 및 비용 효율적인 구조 설계와 제조는 전기 자동차의 생산 비용을 효과적으로 절감하고 주행 거리를 늘릴 수 있습니다.
6XXX 시리즈 알루미늄 합금은 응력 부식 균열에 강하고 용접성이 뛰어나 알루미늄 배터리 트레이에 이상적입니다. 프로파일의 구조 설계를 합리적으로 수행함으로써 구조적 강성과 강도를 확보하면서 재료 사용량을 줄일 수 있습니다. 컴퓨터 지원 엔지니어링(CAE) 시뮬레이션을 결합하여 캐비티 구조와 벽 두께를 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 진동 내구성, 충격 저항, 측면 압축 저항 등 안전 성능을 검증할 수 있으며, 안전성을 저해하지 않으면서 경량화를 더욱 효과적으로 달성할 수 있습니다.
알루미늄 배터리 트레이의 구조
알루미늄 배터리 트레이는 압출 알루미늄 프로파일로 제작되며, 용접을 통해 접합되어 완전한 일체형 프레임 구조를 형성합니다. 판금 프로파일 캐비티의 밀봉판 역할을 하는 특정 영역에 사용됩니다. 체결 부품에는 육각형 리벳 너트, 프레스핏 스터드, M12×1D 또는 M8×1.25D 와이어 나사산 인서트가 포함됩니다.
알루미늄 배터리 트레이의 주요 구성 요소는 바닥판, 좌우 측면 빔, 전/후면 측면 빔 및 모듈 장착 빔입니다. 네 개의 측면 빔은 바닥판과의 용접에 유리한 세 가지 다른 L자형 단면 프로파일을 사용합니다. 두 개의 모듈 장착 빔은 바닥판과 전/후면 측면 빔 사이의 용접 이음매 위에 위치하여 배터리 모듈의 지지면 및 연결 지점 역할을 합니다. 트레이의 상단 플랜지를 따라 여러 개의 육각형 리벳 너트가 설치되어 상단 덮개를 연결하고 밀폐 공간을 형성합니다. 브래킷과 프레스핏 스터드로 구성된 소화기 장착 베이스는 전면 측면 빔의 안쪽에 용접됩니다. 트레이의 바깥쪽 하단에는 6개의 M12×1D 와이어 나사산 인서트가 균일하게 분포되어 트레이를 차량에 고정합니다. 또한, 두 개의 모듈 장착 빔 각각에는 6개의 M8×1.25D 와이어 나사산 인서트가 설치되어 세 개의 배터리 모듈을 나란히 연결합니다.
배터리 트레이 공정 및 생산
알루미늄 배터리 트레이는 주로 가공된 알루미늄 압출재를 용접하여 제작됩니다. 구조는 하판과 프레임으로 구성됩니다. 하판은 일반적으로 마찰교반용접(FSW)을 이용하여 2~4개의 알루미늄 압출재를 접합하여 만듭니다. 프레임은 일반적으로 MIG(금속불활성가스), TIG(텅스텐불활성가스) 또는 CMT(냉간금속이송) 등의 용접 방식을 사용하여 4~6개의 알루미늄 프로파일 빔을 용접하여 제작됩니다. 하판과 프레임은 FSW, MIG, TIG 또는 CMT 용접을 통해 접합되어 배터리 트레이 조립체를 형성합니다. 압출재의 단면 설계는 CAE 시뮬레이션 결과, 압출 가능성 및 선택된 접합 방식을 고려해야 합니다.
용접 변형을 최소화하기 위해 용접 시뮬레이션 기술을 사전에 활용하여 결과를 예측하고 용접 순서 및 매개변수를 최적화합니다. 특수 용접 지그 및 고정 장치를 설계하여 치수 정확도와 조립 정밀도를 보장함으로써 생산 비용을 절감하고 생산 주기를 단축하며 효율성을 향상시킵니다.
트레이의 품질은 엄격한 테스트를 통해 보장됩니다. 용접 품질 검사, 좌표 측정기(CMM)를 이용한 치수 정확도 검사, 기밀성 테스트 장비를 이용한 밀봉 성능 검사, 환경 챔버를 이용한 내식성 검사, 그리고 진동, 충격 및 압축 테스트 장비를 이용한 강성/강도 검사가 포함됩니다. 이러한 테스트를 모두 완료해야만 트레이의 성능과 품질을 보장할 수 있습니다.
자동차 배터리 트레이 제조 공정
원재료인 알루미늄 압출재는 개별 부품의 대략적인 길이에 맞춰 절단되거나, 원하는 모양으로 직접 절단됩니다. 가공 및 연삭 과정을 거치면 개별 부품이 완성됩니다. 알루미늄 배터리 트레이의 전체 공정에는 절단, 레이저 절단, 가공, 연삭, 조립/가공, 용접, 기밀성 검사, 프레스 리벳팅, 블라인드 리벳팅 및 접착 접합이 포함됩니다.
개별 부품 가공
모든 개별 부품은 다음 과정을 거쳐야 합니다. CNC 가공 치수 공차를 충족하기 위해 판금은 레이저 절단으로 가공되며, 이는 높은 효율성을 제공하고 비정밀 조립 요구 사항을 충족합니다. 프로파일은 CNC 톱질로 가공되며, 이는 효율적이고 비용 효율적이며 대부분의 용도에 충분한 정확도를 제공합니다. 복잡한 형상이나 고정밀 영역에는 3축 CNC 가공 센터가 사용됩니다. 개별 부품의 품질은 최종 배터리 트레이의 조립 정밀도, 치수 공차, 평탄도 및 표면 마감에 직접적인 영향을 미칩니다.
조립
부품 간 조립 정밀도는 후속 용접 품질에 상당한 영향을 미치며, 알루미늄 배터리 트레이의 밀봉 요구 사항을 충족하는 데 핵심적인 요소입니다. 특히, 하단 플레이트의 냉각수 포트와 밀봉 블록 사이의 맞춤은 냉각 채널 용접에 결정적인 역할을 합니다. 트레이의 기밀성은 전면, 후면 및 측면 빔의 조립 및 용접에 달려 있습니다. 부품 간 간격이 너무 크면 용접이 불가능해질 수 있으며, 약한 부분을 제대로 고정하지 않으면 심각한 열 변형이 발생하여 치수에 영향을 줄 수 있습니다. 조립 과정에서 부품은 다기능 플랫폼에 평평하게 놓이고, 고정 장치로 고정되며, 초기 치수를 검사한 후 최종 용접을 위해 가접 용접을 수행합니다.
용접
조립 치수가 확인되면 주요 응력 지점에 가접 용접을 실시하여 부품을 고정하고 최종 완전 용접 공정 중 변형을 최소화합니다. 이 최종 단계는 알루미늄 배터리 트레이의 밀봉 무결성을 보장하는 "마무리" 단계입니다. 어느 위치에서든 용접 결함이 발생하면 기밀성 테스트에서 불합격으로 이어질 수 있습니다.
기밀성 테스트
기밀성 시험은 수로 시험과 트레이 본체 시험의 두 부분으로 나뉩니다. 수로 시험에서는 퀵 커넥트 피팅을 사용하여 수로에 약 400kPa의 압력을 가합니다. 트레이는 수조에 3분 동안 완전히 잠깁니다. 기포가 지속적으로 발생하면 불합격, 기포가 발생하지 않으면 합격입니다. 트레이 본체 시험에서는 누출 감지기를 사용하여 내부를 3,500 ± 500Pa까지 가압합니다. 안정화 기간 후 60초 동안 시험을 진행하며, 압력 강하가 38Pa 이하이면 합격으로 간주합니다.
일체형 가공
모듈 장착면의 평탄도 0.3mm, 상단 육각형 구멍 위치 0.5mm, 하단 평탄도 0.5mm와 같이 높은 기하학적 공차를 요구하는 형상은 용접 전에 개별 부품에 가공할 경우 누적 오차, 조립 편차 및 용접 변형으로 인해 보장할 수 없습니다. 따라서 이러한 정밀 요구 사항을 충족하기 위해 용접 후 일체형 가공 방식을 사용합니다.
리벳 팅
리벳팅에는 블라인드 리벳팅과 프레스 리벳팅이 있습니다. 블라인드 리벳팅에서는 리벳 건을 사용하여 알루미늄 배터리 트레이의 상단 플랜지에 육각형 리벳 너트를 설치하고, 최종 조립 시 상단 커버와 볼트로 연결합니다. 프레스 리벳팅에서는 프레스 기계를 사용하여 알루미늄 프로파일의 가소성을 이용해 강철 프레스핏 스터드와 알루미늄 브래킷을 접합하는데, 이는 작은 부품들을 트레이 본체에 부착하는 데 적합합니다.
치수 검사
검사는 수동 측정과 CMM을 통해 수행됩니다. 선형 치수는 품질 검사원이 캘리퍼스와 줄자를 사용하여 확인하고, 위치 및 평탄도와 같은 기하학적 공차는 CMM을 통해 검증합니다.
하부 플레이트 워터 포트 밀봉
냉각수 순환 경로인 하부 플레이트의 품질과 밀봉은 알루미늄 배터리 트레이 가공에 매우 중요합니다. 하부 플레이트는 밀봉 블록을 프로파일 베이스에 조립 및 용접하여 형성됩니다. 압출 프로파일 내부의 여러 개의 캐비티는 냉각 채널 역할을 합니다. 프로파일의 한쪽 끝은 서로 연결되지 않은 입구와 출구를 연결하고, 다른 쪽 끝은 포트를 밀봉하여 캐비티들이 서로 연결되도록 합니다. 이렇게 하여 입구에서 캐비티를 통해 출구로 흐르는 순환 고리가 형성되어 배터리를 효과적으로 냉각합니다.
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