배터리박스 세그먼트 설계 기초, 브레인 스토밍
배터리 박스는 배터리 셀, pcb회로, bms, 전류센서, 릴레이, 쿨링팬, 에너지미터 등으로 구성된다.많은 장비들을 보관하기 위해서 규정을 충족하는 튼튼한 배터리 박스를 설계한다.
배터리 박스에서 가장 많은 부피와 무게를 차지하는건 당연히 배터리 셀이다.따라서 우리가 사용하는 2170 원통형 배터리 셀을 배치하기 위한 효율적인 방안을 떠올려야 한다.배터리 셀을 배치하기 위한 하우징을 '홀더'라고 칭하는데, 이 홀더의 형상에 따라 배터리 박스의 레이아웃이 달라진다. 홀더와 배터리를 어셈블리 시킨 팩을 '세그먼트' 라고 칭한다.[ 제61조 (축전지) ① 구동시스템에서 사용하는 전기 에너지를 저장하는 모든 셀을 축전지라고 한다. 용융염 전지나 열전 지를 제외한 모든 유형의 축전지가 허용된다. 연료전지는 금지한다. ② 축전지의 가장 기본 단위는 셀이며, 셀을 여러 개 붙인 것이 세그먼트, 이 세그먼트를 여러 개 붙인 것을 축전지팩, 축전지팩을 보호하는 박스를 축전지박스라고 한다. ③ 각 세그먼트의 최대전압은 120V를 넘을 수 없고, 최대 에너지는 6MJ을 넘을 수 없다. 최대 에너지 는 셀의 정격용량과 각 세그먼트의 최대전압의 곱으로 계산한다. 축전지팩을 세그먼트로 분할한 의 도는 축전지 정비와 관련된 위험을 줄이기 위함이다. * Max_energy [J] = Vcell,max [V] x Cnormal capacity [Ah] x Ncell,segment [No.]x 3600 [sec/hour] ④ 축전지 박스는 차량에서 분리할 수 있어야 한다. ⑤ 여분의 축전지가 사용될 경우 반드시 크기, 무게, 형태가 동일해야 하고 전기시스템 검사에서 설명 ]
우리는 배터리 세그먼트를 소형화하고 경량화 해야 한다. 그리고, 전체적인 무게 배분을 고려해야한다.해외팀의 경우에는 모듈형 홀더로 소형화를 한다.소형화와 경량화를 위해서, 셀의 규격을 변경하는 방법이 있다.하지만 셀의 규격이 일정하다는 가정 하에서는 셀의 배치와 부피를 최소화하는 방법밖에 없다.셀의 배치를 줄이기 위해서는 셀간 거리를 축소시킨다.
셀간 거리를 축소 시킨다면 발생하는 문제점은 발열이다.셀은 자체적인 발열이 발생하고, 이 발열량에 대한 해석이나 테스트 데이터가 있어야 셀간 거리를 축소시킬 수 있다. 해외팀은 그런 데이터 기반 설계가 가능하지만, 우리는 우리가 직접 해야한다.그래서 해석 가능 여부에 대한 많은 방안을 떠올려볼 필요가 있다.
그리고, 배터리 홀더 제작에 대한 전제조건은 가공비를 절감해야 한다는 것이다.예산 감축을 위해 배터리를 사출금형을 활용한 3d형상이 아닌, cnc 가공을 통한 2d 평면 형상을 활용하기로 했다. 배터리 홀더를 모듈이 아닌 일체로 뽑으면 볼트 무게도 줄여나갈 수 있다는 장점이 있다. 예상되는 문제점은 배터리 셀이 하나라도 손상될 시 교체가 불가능 하다는점,하지만 19~22까지 문제가 생겼던 적이 없었고, 여분의 세그먼트를 제작하여 교체하는 방안도 떠올려볼 수 있다.그리고 배터리 세그먼트에는 퓨즈 pcb와 바이메탈 센서, 전류센서, bms 회로도 함께 탑재된다. 이 공간을 마련해야하고, 또 분리가 가능해야 하다는 조건이 생긴다.따라서 홀더를 하나의 형상으로 제작했을 때에는 버스바의 볼트가 해제가 가능할 정도의 정비성을 확보해야 한다는 문제점이 생긴다.
우선 홀더 규격을 최소화 한다는 가정하에 셀간 거리를 1mm로 설계해봤다.
2d평면 가공으로 측면부 홀더와 상단 홀더를 설계했다.측면 홀더와 상단 홀더는 공차가 없다는 가정하에 완벽히 맞물리고, 측면 홀더를 연결하면 상단 홀더는 자연스럽게 위치가 고정된다.
2022년 모듈형 홀더의 크기보다 상당히 축소되는 것을 확인할 수 있다.셀간 거리를 1mm로 설정했을 때 셀간 거리 축소로 인해 발생하는 문제점은 역시 발열이다.사실 해외팀의 경우에는 1mm로 셀간 거리를 좁히는 경우가 많은데, 역시 확실한 데이터에 기반을 한 설계일 것이다.그리고 실질적인 발열량은 셀 자체 발열보다도 전류가 흐르는 '버스바', 그것도 직렬연결 버스바의 발열량이 크다. 버스바의 발열량을 제어하기 위해서는 니켈, 혹은 구리 버스바의 면적과 두께를 늘리는 방법이 있다. 셀간 거리를 1mm로 좁혀버리면 버스바의 두께가 제한된다는 문제점이 생긴다.여기서 버스바의 스팟용접 지점이 아니라, 버스바가 직접 셀 표면을 가로지르게 된다면 발열량 관리에 대한 문제점이 또 파생될 수 있다. 버스바와 셀의 위치는 완벽히 분리되어야 한다,
그래서 직렬연결 버스바의 발열량을 식히기 위해, 직렬 연결 버스바가 홀더 위로 연결되는 방안을 떠올려 보았다, 이렇게된다면 홀더 중심부에 있는 버스바의 볼트 분리가 불가능하다는 문제점이 파생된다.원래 조립조차 어렵다는 문제점이 있었는데, 이는 상단 pcb판에 볼트와 너를 미리 결합시키고, 그 위에 버스바와 너트를 결합시키는 방식으로 해결하고자 했다.하지만 풀림방지 체결인 u 너트를 사용하면, 볼트 나사산이 뭉개지며 재활용할 수 없다는 문제점이 생긴다. 결국 정비성에 대한 문제는 해결하지 못했고, 해결방안을 떠올리지 못한다면 직렬연결 버스바를 상단으로 올리기는 어렵다.
일단 버스바 직렬연결 상단 방식은 그대로 이어간 채로,버스바 병렬연결및 냉각 효율을 고려하여 셀간 최소거리를 4mm로 늘려보았다.그리고 셀을 교차형식으로 배치했는데, 목적은 높이를 낮추기 위함이다.
셀간 거리를 4mm로 늘린만큼 배터리 세그먼트의 전장과 저노는 확실히 늘어났다.대신 발열량 해석에 대한 리스크는 없다. 그리고 버스바를 끼울 수 있는 간격도 늘어난다.이 홀더 형상에서 파생되는 문제점은 배터리 셀의 배치 방식이다.배터리 셀이 셀간 최소거리 4mm를 유지하며 교차되는 형상이다.이렇게 교차되는 형상은 높이를 줄일 수 있다는 이점이 생기는데,문제점은 배터리 홀더의 복잡성과 버스바의 간격이 더욱 제한된다는 것이다.
배터리 셀을 수직 4mm로 배치했을 때, 그리고최소거리 4mm로 배치했을 때의 수직거리는ㄷ 대략 3.66mm다.7병렬의 경우 셀간 거리는 6번 반복되고, 즉 기대되는 높이 축소는 2.0cm 수준이다.2.0cm 수준을 무시할 수는 없는 수준이지만,버스바의 길이 제약과 복잡성을 수반해서 까지는 감내할 리스크가 더욱 크다고 판단되었다.
그래서 셀을 교차시키지 않고 수직으로 배치한 세그먼트 형상도 고려해보았다.그리고 여전히 버스바를 상단에 배치하는 형상이다.버스바는 상단 볼트와 스팟용접과 별도의 판재를 통해 끼우는 방식으로 고정이 된다.하지만 아까 설명한 내용처럼 버스바 상단의 정비성 문제를 해결할 수 없다.일단 해결방식이 없는 상태에서는 설계가 불가능하므로, 렌치가 들어갈 수 있는 최소 반경이라 판단되는 (6mm에서) 8mm의 셀간 이격거리로 수정했다.대신 높이는 4mm수준으로 유지하며 부피를 줄인다.
버스바를 옆에 배치하는것도 다양한 이점은 있다. 문제점은 앞서 언급했던 직렬 연결 버스바 냉각이다.대신 상단 pcb가 생략되므로 경량화를 이룰 수 있고, 높이는 원래 수준만큼 낮아질 것이다.그리고 버스바 형상을 'spine' 형상으로 채택하며 발열량을 완화시킬 수 있다. 세그먼트 길이자체가 좁아지므로 배터리 박스내 열의 순환이 자연스러워 지며 전체 발열량만큼은 2022 홀더보다 낮출 수 있을 것이다.
이전 홀더 형상에서 약 1.5 모듈 정도의 부피가 축소된다. 그리고 추가적인 수정사항이높이 셀간 이격거리를 2022팀 처럼 약 3.6mm수준으로 낮추고 홀더 아랫부분 잔여공간을 생략시킨다면 세그먼트의 높이가 상당히 낮아질 것이다.그리고 셀간 폭 이격거리를 렌치가 들어갈 수 있는 수준이라 하면 6mm까지 2mm 줄이고, 총 26mm 가량 감소시킬 수 있다.그리고 pcb판의 강성자체가 과설계라는 판단이 생기며 pcb판의 두께를 6mm로 축소시킬 수 있다는 방안도 떠올렸다. 그렇게된다면 배터리 폭은 2cm가량 줄어들 수 있을 것이고,현재 모듈형 홀더를 사용한 배터리 세그먼트에 비해서는 폭이 약 10cm가량까지 축소시킬 수 있다는 기대효과가 생긴다.
