콜드 플레이트 및 용접: 열 관리

액체 냉각 배터리 팩에서 용접은 밀봉 무결성과 제조 신뢰성을 좌우하는 핵심 제어 지점 중 하나입니다. 채널 형상, 열전도성 물질(TIM) 및 접촉 계면, 냉각수 루프, 그리고 완성된 플레이트의 검증 방식 등 냉각 성능을 결정하는 다른 요소들과 함께 중요한 역할을 합니다. 냉각 플레이트는 셀에서 흐르는 냉각수로 열을 전달하는데, 이 열 전달 경로는 커버와 베이스 사이의 접합부가 밀봉되어 계면을 통해 열이 효과적으로 전달될 때만 작동합니다. 이 글에서는 액체 냉각 플레이트 접합 방법인 마찰 교반 용접, 진공 브레이징, 가스 차폐 용접에 대해 다룹니다. 또한 알루미늄이 이러한 작업에 적합한 소재이면서도 동시에 까다로운 소재인 이유와 플레이트 출하 전 용접 품질 검증 방법에 대해서도 설명합니다. 이 글의 범위는 셀에서 냉각수로 전달되는 열 전달 경로에 국한되며, 셀 화학, 배터리 관리 시스템(BMS) 제어 또는 차량 에너지 전략은 다루지 않습니다.

배터리 팩에 사용되는 액체 냉각판의 문제점

액체 냉각판이 팩에 결합되기 전에는 세 가지 제약 조건에 따라 성능이 결정됩니다. 바로 설계 결합, 제조 정밀도, 그리고 사용 중 누출 위험입니다. 이 각각의 요소는 냉각판이 결합된 후가 아니라 결합되기 전에 엔지니어가 내리는 결정과 직결됩니다.

설계는 유체 역학, 열 전달 및 구조적 배치를 조화롭게 고려해야 합니다. 열 분포도에서 효율적으로 보이는 채널 패턴이라도 압력 강하를 증가시켜 더 큰 펌프를 필요로 하거나 가장 온도가 높은 부분의 유량을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 유동 저항과 온도 균일성은 하나의 문제로 인식하고 검증해야 합니다. 왜냐하면 하나를 사후에 수정하면 대개 다른 하나에 악영향을 미치기 때문입니다.

제조 정밀도와 비용은 서로 상반되는 방향으로 작용합니다. 엄격한 채널 공차와 고순도 알루미늄은 가공 시간과 불량품 발생 위험을 증가시킵니다. 이 단계에서 선택되는 접합 공정은 판재의 단위당 비용과 수명 동안의 누출 특성에 큰 영향을 미칩니다.

일반적인 열교환기보다 액체 냉각수 누출 위험이 훨씬 더 중요합니다. 작동 중인 배터리 팩 내부의 액체 순환 시스템은 냉각수 누출이 안전 사고로 이어질 수 있으므로, 연결부 무결성 및 압력 테스트가 승인 기준에서 최우선 순위에 있습니다. 냉각 안정성 자체는 유량, 압력 강하 및 입구 온도가 설계 범위 내에 유지되는 것에 달려 있으므로, 배터리 팩은 설정 후 그대로 두는 것이 아니라 지속적인 모니터링이 필요합니다.

액체 냉각판이 사용되는 곳

냉각판 구조의 적합 여부는 선호도가 아닌 적용 분야에 따라 결정됩니다. 아래 네 그룹은 냉각 원리는 같지만 열유속, 압력 및 포장 방식이 다릅니다.

• 전기차용 고용량 배터리 팩에 사용되는 콜드 플레이트는 배터리 셀의 열을 관리하여 충전, 방전 및 고속 충전 과정 전반에 걸쳐 셀 온도와 팩의 균일성을 유지합니다.
• 에너지 저장 팩. 고정형 시스템에서 플레이트는 셀을 최적 범위 근처에 유지하여 어레이가 장기간 충방전 과정에서 안전하고 효율적으로 작동하도록 합니다. 이는 핵심적인 요소입니다. 배터리 에너지 저장 시스템 재생에너지 및 전력망과 연계되어 있습니다.
• 고열유속 전력 전자 장치. 인버터 및 IGBT 열교환기, 또한, 태양광 발전 변환 냉각 외에도 부품의 열유속이 집중되는 부분에 냉각판을 사용하십시오.
• 공정 냉각 부품. 동결 건조기 및 냉각기 열 교환 부품은 정밀한 온도 제어가 중요한 액체 냉각판을 사용합니다.

구조는 일반적으로 몇 가지 유형으로 나뉘며, 접합 방식이 그에 따라 달라지기 때문에 이러한 분류가 중요합니다. 진공 브레이징 플레이트는 복잡한 내부 핀 형상에 적합하고, 마찰 교반 용접 플레이트는 접합 강도가 중요한 가공 또는 압출 채널에 적합하며, 노출 튜브 플레이트는 냉각수 튜브를 플레이트 본체에 압입하거나 접착하여 구조를 단순화하고, 드릴 통로 플레이트는 알루미늄 또는 구리 솔리드에 긴 드릴 구멍을 뚫어 제작합니다. 비용과 신뢰성은 이러한 유형들을 고정적으로 규정하는 기준이 아닙니다. 구조, 재료, 밀봉 및 생산 조건에 따라 달라집니다. 이러한 유형 중에서 선택하는 것은 중요합니다. 다양한 종류의 냉각판 냉각수 통로를 어떻게 형성하고 밀봉할 것인지에 대한 선택입니다.

알루미늄을 사용하는 이유와 용접이 어려운 이유는 무엇일까요?

알루미늄은 열 전도율 자체보다는 무게 대비 전도율과 성형성 덕분에 냉각판에 사용되는 소재로 자리매김했습니다. 알루미늄의 열 전도율은 스테인리스강보다 몇 배나 높아 열을 효율적으로 방출할 수 있습니다. 구리는 단위 부피당 열 전도율이 더 높지만, 알루미늄은 단위 질량당 전도율과 복잡한 채널 형태로 가공 및 성형이 용이하다는 점에서 우위를 점합니다. 냉각판의 무게가 가벼울수록 열 관리 및 구조적 통합에 필요한 비용을 절감할 수 있지만, 소재 선택은 거기서 끝납니다. 차량 주행 거리와 직접적인 연관은 없습니다.

알루미늄은 성형이 용이한 특성을 지니지만, 그 특성 때문에 용접이 깨끗하게 하기가 더 어렵습니다. 이러한 어려움의 대부분은 다음 세 가지 요인에 의해 발생합니다.

• 낮은 융점과 높은 열전도율은 열영향부를 넓게 퍼뜨립니다. 용융 용접 시, 이러한 특성은 용접 풀이 응고될 때 기공 및 균열 발생을 유발합니다.
• 표면에는 매우 단단한 산화막이 거의 즉시 형성됩니다. 산화알루미늄은 모재보다 훨씬 높은 온도에서 녹기 때문에 접합 전에 제거해야 하며, 그렇지 않으면 용접부에 갇히게 됩니다.
• 열팽창 계수가 높으면 용접 중 변형이 더 많이 발생하므로 얇은 커버는 평탄도를 유지하기 위해 고정 장치와 공정 제어가 필요합니다.

이 세 가지 제약 조건은 모두 관리 가능하며, 제조업체는 이러한 제약 조건을 극복하기 위해 접합 공정을 선택합니다. 표면 처리, 고정 장치 및 고체 상태 접합은 모두 알루미늄의 장점을 유지하면서 가열 시의 거동을 제어하기 위해 존재합니다.

접합 공정: 마찰교반용접, 진공 브레이징, 가스 차폐 브레이징

모든 냉간 성형판에 적합한 단일 접합 방법은 없습니다. 부피, 압력, 채널 복잡성, 합금 종류 및 누출 허용 오차에 따라 결정됩니다. 또한 접합 방식을 명확히 구분하는 것도 도움이 됩니다. 마찰 교반 용접과 가스 차폐 용접은 금속 자체를 접합하는 반면, 진공 브레이징은 별도의 용가재를 사용하여 부품을 접합합니다.

마찰교반용접(FSW)은 고체 상태 용접 공정입니다. 회전하는 공구가 알루미늄을 녹이지 않고 교반하여 접합합니다. NASA에 따르면, 마찰교반용접은 융접이 어려운 알루미늄 합금을 접합하고 고강도의 거의 결함 없는 접합부를 만들어냅니다. 용접협회(Welding Institute)는 1991년에 이 기술을 발명하고 특허를 받았으며, NASA는 이후 발사체용 알루미늄 탱크에 이 기술을 적용했습니다. 금속이 액화되지 않기 때문에 FSW는 융접에서 문제가 되는 기공 및 응고 균열을 대부분 방지합니다. 가공 또는 압출된 판재와 반복 생산에 적합하지만, 견고한 고정 장치, 접근성이 좋은 용접선, 그리고 용접부 침투 불량 및 루트 또는 계면 결함에 대한 자체적인 제어가 필요합니다.

진공 브레이징은 모재인 알루미늄 아래에서 녹는 용가재를 사용하여 판재를 접합하는 기술입니다. 모세관 현상에 의해 용가재가 진공로 내부로 스며들어 접합부를 형성합니다. 이 기술의 강점은 복잡한 내부 형상에 있으며, 한 번의 용광로 공정으로 넓은 표면적에 걸쳐 조밀하게 접히거나 어긋난 형태의 핀을 접합할 수 있다는 점입니다. 하지만 용광로 설치 비용이 높고, 공정 시간이 길며, 용가재 합금에 따라 접합부의 전도성이 제한된다는 단점이 있습니다.

가스 차폐 용접은 차폐 가스 분위기 하에서 수행되는 아크 융합 공정입니다. 비교적 저렴하고 압력 저항성이 우수하지만, 용접봉 사용량과 열 입력량이 증가하여 변형이 발생하기 쉽고, 종종 추가적인 공정 제어 또는 용접 후 처리가 필요합니다.

프로세스	범주	일반적인 사이즈	주요 절충점
마찰교반용접	고체 용접	기계 가공/압출 채널, 반복 가능한 부피	견고한 고정; 접근 가능한 용접선; 용접되지 않은 뿌리 제어
진공 브레이징	브레이징(용매)	복잡한 내부 핀, 높은 표면적 밀도	용광로 비용 및 사이클 시간; 전도도는 충전재에 의해 결정됨
가스 차폐 용접	아크 융합 용접	압력 저항이 필요한 저비용 구조물	높은 열 입력 및 변형; 충전재 및 재작업

마찰교반용접(FSW)은 방법에 따라 공정 제어 방식이 다르므로 단일 매개변수 세트는 존재하지 않습니다. FSW는 공구 회전, 이송 속도, 하중, 고정 장치에 의해 좌우되고, 진공 브레이징은 용광로 온도, 진공도, 용접봉 선택에 의해 좌우되며, 가스 차폐 용접은 열 입력, 용접봉, 차폐 가스에 의해 좌우됩니다. 비용 또한 동일한 분기 논리를 따릅니다. 용광로 기반 브레이징은 장비 및 사이클 타임 비용이 발생하지만 복잡하고 다품종 생산 작업에 유리한 반면, 교반 용접은 공구 비용 비중이 높아 반복 가능한 판재 설계에 유리합니다. 냉간 판재 제조업체가 접합 강도, 압력 또는 사이클 타임 수치를 제공하는 경우, 이러한 수치는 일반적인 상수가 아니라 특정 판재 및 공정에 따른 공급업체 데이터로 간주해야 합니다.

용접 결함이 냉간 압연판 성능을 저하시키는 방법

검사에서 불합격 판정을 받은 접합부는 밀봉 상태와 열 전달 경로, 이 두 가지를 각각 위협합니다. 이 두 가지를 분리해서 관리하기 때문에 추후 검사가 선택 사항이 아닌 것입니다.

접합부가 약하거나 불완전하면 누출 및 구조적 문제가 우선 발생합니다. 접합 강도가 낮으면 균열과 냉각수 누출이 발생하기 쉽고, 배터리 팩 내부에서 이는 구조적 무결성을 손상시키고 열 발생으로 이어질 수 있습니다. 변형 및 결정립 성장은 치수 문제를 야기합니다. 얇은 커버가 휘어지면 셀 및 열 인터페이스와의 균일한 접촉에 필수적인 평탄도가 깨져 냉각 불균형과 과열 지점이 발생할 수 있습니다. 접촉 불량이나 결함이 있는 접합부는 접합면의 열 저항을 증가시킬 수 있으며, 이는 전도 경로에서 접합부의 위치에 따라 가장 큰 영향을 미칩니다. 이러한 이유로 제조업체는 접합 매개변수를 인증된 범위 내로 유지합니다. 또한 접합 공정에서 필러와 보호 가스를 사용하는 경우, 습관적으로 선택하는 대신 합금에 맞는 가스를 사용합니다.

냉간 용접부 검사: 비파괴 검사 방법

비파괴 검사는 생산된 판재를 절단하지 않고 표면, 표면 근처 및 내부 접합부를 검사하는 방법입니다. 이는 공정 검증 및 압력 또는 누출 시험을 보완하는 것이며, 이러한 시험들을 대체하는 것은 아닙니다. 또한 모든 중요한 결함이 내부에 있는 것은 아닙니다. 검사 방법은 찾고자 하는 결함에 따라 선택되며, 동일한 판재에 대해 여러 가지 결함을 동시에 검사하는 경우도 많습니다.

• 육안 검사는 표면의 건전성, 균일성, 눈에 보이는 균열 및 다공성을 판단하는 검사이며, 첫 번째 단계이므로 접합부 내부를 볼 수는 없습니다.
• 방사선 검사(RT)는 X선 또는 감마선 에너지를 사용하여 내부의 다공성, 개재물 및 균열을 드러내고 영구적인 이미지 기록을 남기므로 복잡한 형상에도 유용하지만 속도가 느립니다.
• 초음파 검사(UT)는 접합부에 고주파 음파를 보내고 내부 결함에서 반사되는 반향음을 판독하는 검사 방식으로, 두꺼운 부재 및 한쪽 면에서만 접근 가능한 경우에 적합합니다.
• 액체 침투 검사(PT)는 표면의 미세한 결함 속으로 염료를 끌어들이는 방식으로 비자성 알루미늄에 적합합니다.
• 와전류 검사는 유도 전류를 통해 표면 근처의 결함을 찾아냅니다.

알루미늄에 특화된 주의 사항 하나는 자분 탐상 검사가 강자성 물질에 의존하기 때문에 강철 용접부에 적용되는 것과는 달리 알루미늄 냉간판에는 적용할 수 없다는 점입니다. 따라서 침투 탐상 검사나 체적 탐상 검사가 그 역할을 대신합니다. Trumonytechs는 각 용접 후 용접 이음매를 검사하고 검사관 앞에서 이음매와 형상에 맞는 검사 방법 또는 여러 방법의 조합을 선택합니다. 그런 다음 압력 및 누출 테스트를 통해 판재가 포장되기 전에 밀폐 루프가 실제 사용 조건에서도 제대로 작동하는지 확인합니다.

배낭에 맞는 콜드 플레이트 연결 옵션 비교

접합 방식을 결정할 때는 판재의 채널 설계와 누출 허용 오차를 먼저 고려한 후, 합금 종류, 두께, 용접선 접근성, 생산량, 접합부 검사 방법 등을 감안하여 공정을 검토해야 합니다. 누출이 허용되지 않는 가공 또는 압출 판재의 경우, 용접선에 접근 가능하고 용접 뿌리를 확인할 수 있다면 고체 접합 방식이 적합한 경우가 많습니다. 밀도가 높은 내부 핀이 필요한 판재는 브레이징 방식이 적합한데, 이는 용광로 브레이징을 통해 교반 용접으로는 불가능한 형상을 구현할 수 있고, 용가재의 전도율 제한은 감수해야 하기 때문입니다. 비용이 가장 중요한 요소이고 압력 요구 조건이 중간 정도인 경우에는, 변형 및 재작업을 고려했을 때 가스 차폐 용접이 실용적인 해결책이 될 수 있습니다.

어떤 공정을 사용하든 접합부는 반드시 검증해야 하며, 추측해서는 안 됩니다. 내부 기공이나 불완전한 용융은 표면에서 보이지 않으며, 알루미늄의 경우 검사 방법은 비자성 재질에 맞춰야 합니다. 접합부를 정확하게 만들고 합격 여부를 확인하는 것이 알루미늄 냉간 성형판이 제 역할을 제대로 수행하는 핵심입니다. 배터리 열 관리적합한 밀봉, 압력 및 결함 한도 내에서 셀에서 열을 방출합니다. Trumonytechs는 공급 시 플레이트 설계 및 용도에 맞는 접합 및 검사 방식을 적용합니다. 수냉식 플레이트 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 팩용.

자주 묻는 질문

추가 자료

• NASA — 마찰교반용접 — 정부(T1). FSW는 알루미늄 용융 용접에서 나타나는 용융 관련 기공 및 변형을 방지하는 고체 상태 공정이라는 점을 뒷받침합니다.
• NASA — 마찰 교반 용접 — 정부(T1). FSW가 용접이 어려운 알루미늄 합금을 접합하고 고강도의 거의 결함 없는 접합부를 생성한다는 것을 지지하며, 이 공정을 용접 연구소(1991)에 귀속시킵니다.

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