전기 차량의 배터리 팩 제조 과정

배터리 팩은 순수 전기 차량(EV)의 매우 중요한 하위 조립품이자, 조립하기 가장 복잡한 부품 중 하나입니다. 조립을 시작하기 전에 먼저 개별 배터리 전지를 테스트해야 합니다. 다음으로, 종종 협동 로봇(코봇)을 통해 배터리 모듈을 조립하여 버스바, 쿨링 어셈블리, 배터리 관리 및 기타 하위 시스템을 포함한 완전한 배터리 팩에 통합합니다. 마지막으로 조립품의 모든 소자가 적절하게 조합되었는지 확인하기 위해 자동 외관 검사 시스템이 필요합니다.

이 기사에서는 EV 배터리 팩의 복잡성과 연결된 하위 조립품을 검토합니다. 여기에는 여러 배터리 전지 모듈, 전기적으로 효율적인 경량의 버스바, 배선 하네스 상호 연결 및 능동 냉각 시스템에 대한 필요성이 포함됩니다. 그런 다음 배터리 전지 테스트 시스템의 일부로 사용할 수 있는 National Instruments의 데이터 취득 장치, 배터리 팩 조립품에 사용할 수 있는 Omron Automation의 코봇, 임베디드 소프트웨어를 갖추고 있고 자동 검사 플랫폼을 제공할 수 있는 Banner Engineering의 스마트 카메라 모듈을 비롯하여 DigiKey의 대표 제품을 소개합니다.

EV 배터리 팩 구성 요소

EV 배터리 팩 설계는 제조업체마다, 경우에 따라서는 동일 제조업체에서도 EV 모델에 따라 다르므로 유연한 조립은 중요한 고려 사항이 됩니다. 모든 EV 배터리 팩에 공통적인 한 가지는 수천 개의 부품을 사용할 수 있다는 것입니다.

EV 배터리 팩은 최종 팩에 조립되는 수많은 배터리 모듈로 구성됩니다(그림 1). 모듈 및 팩의 아키텍처는 EV 구동렬에 더 높은 전압을 제공하도록 진화하고 있습니다. 400V_DC가 표준이었지만 최대 900V_DC의 전압도 점점 자주 등장합니다. 전압 향상의 주요 이점은 더 빨라진 충전 속도입니다. 더 빠르게 충전되면 EV 구동기의 주행거리 불안을 줄일 수 있지만 배터리 팩의 조립이 더 까다로워지고 잠재적 위험성도 늘어납니다.

그림 1: 배터리 모듈은 EV 배터리 팩의 기본 구성 요소입니다. (이미지 출처: National Instruments)

모듈의 배터리 전지는 대개 함께 용접되며 일반적으로 모듈은 완전한 배터리 팩을 형성하기 위해 대형 버스바에 볼트 접합됩니다. 팩 보다는 모듈의 아키텍처가 EV 설계 간의 차별화 요소인 경우가 많습니다. 모든 경우에서 배터리 시스템은 열 관리가 필요합니다. 대부분 냉각이 필요하지만 효율적인 배터리 작동을 위해 주변 온도가 너무 낮을 경우 발열이 필요할 수도 있습니다. 열 관리 시스템은 소형 팩의 경우 수동 소자일 수 있지만, 대형 팩의 경우에는 개별 전지를 냉각하기 위해 액체를 순환시키는 위상 변경 장치 및 펌프를 사용하는 능동 열 관리가 필요합니다.

배터리 관리 시스템(BMS)은 개별 배터리 전지의 상태와 전하 상태를 모니터링합니다. BMS에는 다양한 전압, 전류, 온도 및 기타 센서가 포함되며 대개 각 배터리 전지에 센서가 배치됩니다. BMS는 EV의 중앙 컴퓨터 시스템과 통신합니다.

모듈 레벨에는 때때로 퓨즈가 사용되지만, 전체 배터리 팩에 대해서는 항상 과전류 보호가 제공됩니다. EV를 처음으로 켤 때 잠재적인 위협이 될 수 있는 고유입 전류를 차단하도록 모터 구동 회로를 사전 충전하기 위해 대형 고전압 접촉기 및 기타 부품이 사용됩니다. 서비스 연결 해제 인터로크는 EV에서 작업 중인 서비스 기술자를 위해 배터리 팩의 높은 전압을 분리하고 안전한 환경을 제공합니다. 조립품을 완성하는 데에는 수백 개의 나사, 너트, 볼트, 커넥터 및 기타 기계 부품이 필요합니다.

배터리 팩 제조

개별 배터리 전지를 테스트하는 것은 중요한 첫 단계입니다. 이는 주로 전지가 제조되는 전문 기가팩토리의 전지 생산 공정에서의 마지막 단계입니다. 그러나 전지가 EV 생산 시설에 도착할 경우, 도입되는 배터리 전지 배치의 품질 수준을 모니터링하기 위해 실시하는 임의 품질 보장 테스트를 위한 공통 단계이기도 합니다. 고품질 배터리 전지 없이, 우수한 품질의 신뢰할 수 있는 EV 배터리 팩을 생산하는 것은 불가능합니다.

다음으로, 전지가 모듈에 조립됩니다. 모듈은 대개 약 12개 ~ 20개 전지로 구성됩니다. 모듈은 상호 연결, 충격 및 진동으로부터의 보호, 열 관리(일부 모델의 경우)를 제공하는 금속 프레임에 적층됩니다. 정밀도가 요구되는 한편, 배터리 팩 조립품이 구축됨에 따라 점점 무거워져 그 무게가 수백 파운드가 이르게 됩니다.

정밀도와 무거운 하중을 감당해야 하기 때문에 배터리 팩 조립은 종종 코봇이나 산업용 로봇을 사용하여 수행됩니다. 코봇은 무거운 하중을 처리할 수 있고 완성된 팩에 필요한 수백 개의 나사, 커넥터 및 기타 부품을 신속하고 정확하게 조립할 수 있습니다. 예를 들어, Nissan Leaf의 배터리 팩에는 48개의 모듈이 포함되어 있습니다(그림 2). 배터리 팩 조립품의 최종 단계는 복합 팩의 외관 검사를 비롯한 자동 테스트입니다.

그림 2: 이 Nissan Leaf 배터리 팩에는 48개 배터리 모듈과 수백 개의 다른 부품이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NHR division of National Instruments)

배터리 테스트 및 데이터 취득

배터리 테스트 시스템을 설계하는 제조 엔지니어라면 National Instruments의 779640-01 데이터 취득(DAQ) 장치로 전환해 볼 수 있습니다. 이 전속력 USB 2.0 DAQ에는 분리된 디지털 입력을 위한 8개의 ±60볼트 직류(V_DC) 채널, 분리된 고체 계전기(SSR) 출력을 위한 8개의 60V_DC, 30V 제곱평균(V_RMS) 채널, 32비트 카운터가 포함되어 있습니다(그림 3). 8개의 분리된 입력에는 광 커플러, 쇼트키 다이오드, 감손 모드 MOSFET 기반 전류 제한 회로가 포함됩니다. 779640-01에는 또한 디지털 필터링, 변화 감지, 프로그래밍 가능 파워업 출력, 감시 타이머가 포함되어 있습니다.

그림 3: 779640-01 DAQ에는 8개의 분리된 디지털 입력(오른쪽)과 8개의 분리된 SSR 출력(왼쪽)이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

779640-01 DAQ는 특정 입력 라인 또는 모든 입력 라인에서 한 번에 상승 에지, 하강 에지 또는 둘 모두를 포함한 변화를 모니터링할 수 있습니다. 변화가 인식되면 인터럽트가 생성됩니다. 인터럽트는 변화가 발생한 입력 라인을 나타내지 않습니다. 소프트웨어를 사용하여 라인을 판독하고 변화 알림의 원인을 확인할 수 있습니다. 디지털 필터링은 잡음 및 전자 방해(EMI)의 효과를 최소화할 수 있습니다.

디지털 필터는 광 커플러 입력에 대해 작동합니다. 광 커플러는 켜지는 속도보다 느리게 꺼지므로 상승 에지보다 느리게 상승 에지를 통과합니다. 디지털 필터는 잡음 또는 EMI에 의해 발생하는 변화를 제거하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 설계자는 프로그래밍된 필터 간격으로 필터 채널을 구성할 수 있습니다. 프로그래밍된 필터 간격의 1/2보다 짧은 펄스는 차단됩니다. 필터 간격보다 긴 펄스는 통과됩니다. 이 둘 사이의 펄스는 필터를 통과할 수도 통과하지 못할 수도 있습니다.

무거운 하중 및 반복 작업에 대한 지원

배터리 전지가 테스트를 통과하면 코봇이 배터리 모듈 및 팩 조립 프로세스의 속도를 높일 수 있습니다. 조립에는 여러 과정이 포함되며, Omron Automation의 RT6-1001321 같은 코봇은 적응성이 뛰어납니다(그림 4). RT6-1001321에는 공장 자동화 시스템으로의 통합을 가능하게 하는 통합 필드버스 어댑터가 있습니다. 코봇은 작업 정밀도가 뛰어나며 나사 돌리기, 접착, 열 전도성 그리스 바르기, 커넥터 결합 및 EV 배터리 팩을 조립하는 데 필요한 여러 다른 활동을 지원할 수 있습니다. EV 배터리 팩 조립에 적합할 수 있도록 하는 코봇의 특징에는 다음이 포함됩니다.

• 코봇 훈련의 속도를 높이는 그래픽 프로그래밍 환경.
• 결과 검사 및 측정과 조립 활동을 지원하는 통합 비전 시스템.
• 신속하게 변경할 수 있는 모듈식 엔드 이펙터를 통해 단일 코봇이 다양한 조립 공정을 수행할 수 있음.
• 코봇은 물류 및 다른 이동 로봇과 상호적으로 작동하므로 배터리 팩을 위한 완전한 제조셀을 형성할 수 있음.

그림 4: RT6-1001321 과 같은 코봇은 적응성이 뛰어나며 높은 정밀도로 반복적 작업을 신속하게 수행할 수 있습니다. (이미지 출처: Omron Automation)

다운타임 증가 및 비효율적 생산 기간을 피하면서 새로운 절차를 신속하게 학습할 수 있는 유연성과 능력은 코봇의 핵심 속성입니다. 그래픽 사용자 인터페이스를 사용하거나 단순히 코봇 암의 위치를 이동하여 단 몇 분만에 새로운 활동을 학습할 수 있습니다. 코봇은 EV 배터리 팩 조립에 일반적인 반복 잡업에 뛰어나며 무거운 하중도 정밀하게 처리할 수 있습니다. 마지막으로, 코봇은 머신 비전 및 인공 지능(AI)을 포함하여 필요한 부품을 올바른 방향으로 픽업하고 배터리 팩 조립품에 추가하며 결과를 검사할 수 있습니다.

결과 확인

배터리 팩이 올바르게 조립되었는지 확인하는 자동 외관 검사는 Banner Engineering의 VE205G1A 스마트 카메라를 사용하여 수행할 수 있습니다(그림 5). 통합된 소프트웨어는 고급 외관 검사 기능을 수행하도록 설계되었습니다. Banner의 비전 관리자 소프트웨어는 VE205G1A에 포함되어 있으며 비전 응용 제품의 개발 속도를 향상시킬 수 있도록 검사, 위치 지정, 피처 측정 및 흐름 분석, 바코드 판독과 같은 여러 도구를 제공합니다. 런타임 편집은 검사 루틴에 대한 실시간 변화를 지원하여 다운타임을 줄이고 결과 속도를 높입니다. VE205G1A 스마트 카메라의 기능에는 다음이 포함됩니다.

• 공장 자동화 시스템으로의 손쉬운 통합을 위한 EtherNet/IP, Modbus/TCP, PROFINET, RS-232 연결
• 광학적으로 분리된 6개의 입력/출력(I/O) 및 외부 광 커넥터
• 카메라 상태를 제공하고 새로운 활동으로의 빠른 전환을 가능하게 하는 2라인, 8문자 디스플레이
• 선택적인 밀봉 렌즈 덮개는 열악한 산업용 환경을 위해 IP67 등급을 제공함
• 일반적인 사용에는 다음이 포함됩니다.
  • 부품 재/부재 확인(예: 품목 개수 세기 및 레이블링 확인).
  • 부품 방향 확인 및 픽 앤 플레이스 로봇/코봇에 부품 위치 및 방향 전송.
  • 결함 감지(예: 품목의 위치 및 결함 크기 식별).
  • 조립 내 품목의 중요 치수 및 이 품목의 상대적 위치 측정

그림 5: VE205G1A 과 같은 스마트 카메라는 EV 배터리 팩 조립품의 신속한 외관 검사에 필요한 모든 기능을 제공합니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

요약

EV 배터리 팩은 복잡하고 중요한 하위 시스템입니다. EV의 성능, 신뢰성, 비용은 배터리 팩을 신속하게 효율적으로 조립하는 능력과 강한 상관 관계가 있습니다. 조립 공정은 배터리 전지가 필수 사양을 충족하는지 확인하는 것으로 시작하여, 로봇과 코봇을 사용한 자동화된 정밀 조립을 수행한 후, 스마트 자동 카메라를 사용한 최종 외관 검사로 끝납니다.