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[기술기고] 주요 전기차 배터리 제조 과제(그리고 이를 극복하는 방법)

전기차(EV) 제조업체들은 새로운 모델을 시장에 출시하기 위해 경쟁하고 있지만, 충전 시간 단축 또는 배터리 중량 감소 요구 충족과 같은 여러 과제에 직면해 있다. 성능 및 지속 가능성과 관련된 많은 문제는 배터리 제조 프로세스 자체에 있으므로 몇 가지 주요 과제와 이를 극복하는 방법에 대해 알려드리려고 한다.

[기술기고] 주요 전기차 배터리 제조 과제(그리고 이를 극복하는 방법) - 산업종합저널 에너지

안전 요구 사항 충족
온도 관리는 주요 과제 중 하나다. 성능을 유지하고 과열을 방지하려면 배터리 셀을 특정 온도 범위 내에서 작동해야 한다. 이러한 이유로 열 전도성 간극 메움 페이스트가 도포된다. 그러나, 너무 많은 양의 페이스트를 사용하면 기포가 형성돼 열 전도성이 손상될 수 있다.

충돌 시 EV 배터리를 보호하기 위해 측면 브레이스로 셀 스택을 보강할 수 있다. 그러나 스폿 용접과 같은 일반적인 접합 기법은 민감한 배터리 셀을 손상시킬 수 있는 열 및 용접 비산물을 발생하므로 적합하지 않다.

배터리를 구성하는 셀 및 모듈이 전기적으로 충전돼 있고 DC 전압 수준이 몇 백에서 수천에 이르기 때문에 EV 배터리 생산 중에 작업자의 안전이 매우 중요하기에 위험 평가를 수행해야 한다. 작업자는 EV 배터리 어셈블리에 대한 안전 작업 방법에 대한 교육을 받고 최대 1,000V(IEC 60900)의 전기 배터리 작업에 필요한 특수 공구를 제공받아야 한다.

품질 보호
어떤 산업에서든 혁신을 위한 경쟁은 품질 수준을 낮출 수 있다. 배터리 제조 중 발생한 결함을 감지하지 못하면 EV 산업 분야에서 막대한 비용이 소요되는 리콜이 발생한다. 여기에는 셀 결합, 배터리 씰링 또는 고강도 강철 및 알루미늄과 같이 접합해야 하는 다양한 물질의 도포 결함이 포함됐다.

비용 상승
대용량 배터리 생산 라인의 비용 절감을 생각하면 모든 것이 도움이 된다. 재작업, 불량품 및 재료 낭비를 줄이는 방법을 생각해 봐야 한다. 특히, 디스펜싱 응용 분야에서는 최적화 가능성이 높다.

EV 배터리를 안전, 내구성 및 성능에 맞게 최적화
국제 에너지 기구(International Energy Agency)의 지속 가능한 개발 시나리오에서는 매년 36%씩 글로벌 EV 성장률을 예상하고 있다. 오는 2030년에는 2억 4천500만 대에 달할 것으로 내다봤다. 이는 현재 수준보다 30배 이상이며 EV의 수요가 빠르게 증가함에 따라 CO2 배출을 줄이기 위한 중요한 요소인 경량화의 필요성으로 인해 재료, 배터리 시스템 및 접합 기술 측면에서 생산과 관련해 차량 제조업체에 다양한 새로운 과제를 제시한다.

배터리의 무게가 상당하기 때문에 자동차 엔지니어들은 새로운 전기 자동차를 가능한 한 가볍게 만드는 동시에 주행 가능 거리를 증가시키는 새로운 기술을 개발해야 한다. 경량화와 함께 자동차 구동 트레인에 사용되는 다양한 유형의 배터리는 안전성, 내구성 및 성능을 위해 최적화할 필요가 있다.

EV 배터리 제조 과제 극복
성능 요구 사항을 충족하고 환경에 미치는 영향을 제한하려면 EV 배터리의 중량, 용량 및 충전 시간을 개선해야 한다. EV 배터리 제조 프로세스를 처음부터 올바르게 수행하는 것이 주요 관심사다.

안전 제일
안전성은 셀 생산을 위한 원료에서 시작한다. 머신 비전 솔루션을 사용해 분리기 필름 또는 전극 코팅의 결함을 찾을 수 있다. 손상된 경우에는 단락이 발생할 수 있다.

내화층을 추가한다. 배터리 셀에 열이 가해지면 배터리 커버를 통해 화상을 입을 위험이 있다. 적당한 두께의 내화성 소재를 커버에 한 층 덧대어 불을 최대한 오래 가둬야 한다.

배터리 트레이와 커버를 밀봉해 배터리의 습기를 차단하고 유해 가스로부터 운전자를 보호한다. 비드 검사 용액과 함께 고정밀 도포 시스템을 사용해 취약한 지점과 누출을 야기할 수 있는 틈새, 기포 또는 씰링 상의 물질 축적을 방지해야 한다.

라이브 배터리 구성 요소에 대한 작업을 수행하려면 감전 방지용 특수 장비가 요구된다. 우리는 차량 제조업체가 최대 1,000V(IEC 60900)의 전기 배터리 작업을 하는 동안 완전 절연 소켓과 퀵 체인지 어댑터, 절연 도구 커버 및 휴대용 전기 조립 공구의 미끄러짐 방지 등 다양한 조치를 통해 위험을 완화할 수 있도록 지원하고 있다.

품질 저하 없음
EV 배터리 제조 품질은 원료부터 시작한다. 분리기 필름/코팅 검사는 추가 가공 전에 재료의 결함을 포착할 수 있도록 도움을 줄 수 있다. 전체 인라인 생산 속도로 모든 배터리 셀에 표면 손상이 있는지 검사하고 생산성에 영향을 미치지 않도록 해야 한다.

수동 공구로 작업할 때 작업자가 최고 수준의 품질을 제공할 수 있어야 한다. 공정 제어 및 볼트 위치 지정은 체결 공구를 정확하게 배치하고 올바른 순서로 조이는 데 도움이 된다.

이 솔루션은 자동 접합 기술로 작업할 때 추가적인 품질 보증 기능을 제공해야 한다. 플로우 드릴 고정 구멍 감지 및 센터링은 프로세스에서 결합 요소의 직립을 보장한다. 자체 천공 리벳팅은 모든 마모 징후를 포착하기 위해 예방 다이 검사가 필요하다. 디스펜싱 시스템에는 항상 비드 검사가 포함돼야 한다.

비용 감시
간극 메움 도포를 위해서는 상당한 양의 비용이 드는 열 화합물이 필요하다. 도포 테스트는 부품을 측정하고, 필요한 재료를 계산하고, 도포량을 조정하고, 결과를 제어하는 시스템과 함께 '스마트 조정' 간극 메움 도포를 사용할 때 최대 20%의 자재 절감 효과가 있다.

기존 펌프는 배럴에 상당한 양의 자재를 남긴다. 배럴에 남은 자재를 최소화하고 퍼징 작업을 최소화하는 혁신적인 시스템을 사용해야 한다. 이를 통해 연간 최대 백만 유로를 절약하면서 펌프를 가동할 수 있다.

재작업은 특히 수동 조임의 경우에 막대한 비용을 발생시키는 요인이다. 볼트 위치 조정을 포함하는 체결 솔루션을 사용하면 재작업이나 작업자 안내로 결함 및 스크랩을 줄일 수 있다.

기술이 뒷받침하는 지속 가능성
저항성 스폿 용접 대신 자체 천공 리벳 선택: 배터리 트레이를 접합하려면 스폿 용접 또는 자체 천공 리벳팅과 같은 다양한 접합 기술을 사용할 수 있다. 자체 천공 리벳팅은 깨끗한 냉간 접합 프로세스를 제공하며 에너지 효율이 높다. 평균 배터리 트레이에 500개의 알루미늄 조인트가 있는 경우, 자체 천공 리벳팅을 사용하면 저항성 스폿 용접보다 트레이당 약 9.575kWh를 덜 사용하며, 15만 개의 트레이에서 연간 1천5t의 CO₂를 절약할 수 있다.

블로우 피드 대신 플로우 드릴 체결 매거진 솔루션 선택: 플로우 드릴 체결을 위해서는 짧은 사이클 시간에 많은 체결 부품을 처리해야 한다. 블로우 피드 표준 시스템에서는 고정 장치를 튜브를 통해 운반하려면 압축 공기가 필요하며 이는 높은 에너지 소비를 의미한다. 매거진 솔루션은 표준 블로우 피드 시스템에 비해 공기 소비량의 66%를 줄일 수 있으며 이를 통해 연간 최대 50M/T(미터톤)의 CO₂ 배출량을 줄일 수 있다. <기고=아트라스콥코코리아 박선영 차장>


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