EV 배터리 냉각 플레이트 설계 및 제조 가이드

작성자 BQUQ Engineering Team 검토 BQUQ Quality Engineering 2025년 6월 27일 조회수 ISO 9001:2015 인증 공장

EV 배터리 냉각 플레이트: 설계와 제조

간단한 답변: EV 배터리 냉각 플레이트는 밀폐된 알루미늄 콜드 플레이트로, 일반적으로 3003, 3005 또는 6063 합금이며, 내부 채널은 2-8 L/min의 냉각수 유량에 맞게 설계되고 셀 접촉면 전체에 걸쳐 0.05-0.2 mm의 평탄도 공차를 가집니다. 제조 방식은 압출-용접, 스탬핑-접합, 또는 플레이트에서 CNC 가공하는 방식이 있습니다. BQUQ는 하나의 ISO9001 둥관 공장에서 네 개의 생산 라인을 통해 이를 생산하며, CNC 형상에 ±0.005 mm를 유지하고, 12 근무 시간 내에 견적을 제공하며, 시제품 및 파일럿 빌드를 위한 유연한 MOQ를 제공합니다.

배터리 팩은 온도 균일성에 따라 성패가 갈립니다. 이웃 셀보다 5 °C 더 뜨겁게 작동하는 셀은 측정 가능할 정도로 더 빨리 노화되며, 길이 방향으로 15 °C 편차가 발생하는 팩은 수명 말기 용량 보증에 몇 년 일찍 도달하게 됩니다. 냉각 플레이트는 그런 일이 발생할지 여부를 결정하는 부품입니다. 또한 팩에서 제대로 제조하기 가장 어려운 부품 중 하나인데, 동시에 얇고, 평평하고, 누설이 없고, 전기적으로 절연되어야 하며, 수만 개 규모로 생산할 수 있을 만큼 저렴해야 하기 때문입니다.

이 글에서는 중요한 설계 결정과 각 결정이 제조 공정에 어떻게 매핑되는지 다룹니다.

EV 배터리 냉각 플레이트는 실제로 무엇을 합니까?

냉각 플레이트는 각형, 파우치 또는 원통형 셀 아래, 사이 또는 주위에 위치하며 흐르는 냉각수(보통 50/50 물-글리콜 혼합물, 때로는 침수 시스템용 유전체 유체)를 통해 열을 제거합니다. 세 가지 기능이 동시에 충족되어야 합니다:

열 제거율

급속 충전 팩에서 셀의 최대 발열량은 화학 조성과 C-rate에 따라 셀당 약 5-30 W입니다. 냉각 플레이트는 셀 표면이 약 45-55 °C를 초과하지 않도록 열을 빼내야 합니다. 이는 필요한 냉각수 유량, 채널 단면적 및 벽 두께를 결정합니다.

온도 균일성

이것이 보통 더 엄격한 제약 조건입니다. 잘 설계된 플레이트는 셀 간 델타-T를 3-5 °C 이하로 유지합니다. 채널 라우팅이 좋지 않으면 입구 쪽에 핫스팟이 생기고 출구 쪽에 콜드 존이 생기므로, 사형 또는 병렬 채널 레이아웃은 수력학적으로 균형을 맞춰야 합니다.

구조 및 밀봉 무결성

플레이트는 압력 용기이지만 저압 용기입니다. 파열 테스트, -40 °C에서 +85 °C까지의 열 사이클링, 진동, 그리고 10년 동안 셀이 아래로 누르는 기계적 하중을 견뎌야 합니다.

어떤 재료를 지정해야 합니까?

알루미늄이 지배적인 이유는 킬로그램당 비열 제거량 때문입니다. 구리는 열적으로 더 우수하지만 비용이 약 3~4배 더 들고 무게가 3.3배 더 나가며, 이는 모든 킬로그램이 주행 거리에 영향을 미치는 차량에서 중요합니다.

재료	일반적 용도	열전도율 (W/m·K)	비고
3003 / 3005 알루미늄	스탬핑 + 브레이징 또는 접합 플레이트	~150-160	성형성 최고, 비용 최저, 가장 일반적
6063 알루미늄	압출 채널 플레이트	~200	압출성 양호, 용접 가능, 중간 강도
6061-T6 알루미늄	CNC 가공 플레이트	~167	고강도, 가공성 양호, 높은 비용
1100 알루미늄	얇은 스탬핑 플레이트	~220	성형성 매우 우수, 낮은 강도
구리 C11000	고열유속 모듈, 버스바 냉각	~390	선별적 사용, 전체 팩에는 부적합
316L 스테인리스	특수 또는 고부식 루프	~16	드묾; 내식성만 필요 시

대부분의 승용 EV 팩에는 브레이징 또는 에폭시 접합 클로저 플레이트가 있는 3003 또는 3005 스탬핑 플레이트가 비용 최적의 답입니다. 압출 마이크로 채널 플레이트에는 6063이 표준입니다. 구리는 인버터 또는 버스바 인터페이스와 같은 고열유속 서브 모듈에 사용됩니다. 트레이드오프 계산은 구리 및 알루미늄 방열판 재료 비교를 참조하십시오.

내부 채널은 어떻게 형성됩니까?

이것이 핵심 제조 결정이며, 툴링 비용, 리드 타임 및 달성 가능한 채널 밀도를 결정합니다.

압출 다중 포트 프로파일

6063 프로파일은 8-30개의 병렬 마이크로 채널로 압출된 후 길이에 맞게 절단되고 끝 매니폴드가 장착됩니다. 채널 수력 직경은 일반적으로 1-3 mm입니다. 장점: 우수한 채널 균일성, 대량 생산 시 낮은 단위 비용, 채널 길이 방향 용접 불필요. 단점: 압출 다이 비용(참고 USD 1,500-6,000), 고정 단면, 매니폴드는 용접 또는 브레이징해야 함.

스탬핑 및 접합 / 브레이징

두 개의 얇은 시트(0.5-1.2 mm)를 일치하는 채널 패턴으로 스탬핑하고 진공 브레이징, 제어 분위기 브레이징 또는 에폭시 접합으로 결합합니다. 이는 채널 라우팅(사형, 병렬, 핀-핀 또는 가변 폭)에 완전한 자유를 제공하며 대형 파우치 셀 플레이트의 지배적인 방식입니다. 툴링은 압출보다 저렴하지만 부품당 접합 비용은 더 높습니다.

플레이트에서 CNC 가공

6061 또는 6063 솔리드 빌렛을 채널 형상으로 가공한 다음 커버 플레이트를 마찰 교반 용접 또는 레이저 용접합니다. 이 방식은 시제품, 소량 및 복잡한 3D 채널 형상에 적합합니다. BQUQ는 가공 형상에 ±0.005 mm를 유지하며, 이는 밀봉 홈 및 포트 위치에 중요합니다. 부품당 비용은 가장 높지만 CAD에서 작동 샘플까지의 경로가 가장 짧습니다.

스카이빙 및 폴딩 구조

공랭 보조 플레이트 및 일부 하이브리드 설계에는 스카이빙 핀 또는 폴딩 핀 형상이 사용됩니다. 이는 스카이빙 공정 개요에서 다룹니다.

방식	툴링 비용 (참고)	채널 자유도	최적 생산량	누설 위험
압출 + 용접 매니폴드	중-고	낮음 (고정 프로파일)	>10,000/년	중간 (매니폴드 조인트)
스탬핑 + 브레이징	중간	높음	>5,000/년	낮음
스탬핑 + 에폭시 접합	저-중	높음	500-20,000/년	저-중
CNC 가공 + 용접 리드	매우 낮음	매우 높음	1-2,000/년	중간 (리드 용접)
마찰 교반 용접	낮음	높음	100-5,000/년	매우 낮음

평탄도가 대부분의 엔지니어가 예상하는 것보다 중요한 이유는 무엇입니까?

평평하지 않은 냉각 플레이트는 적절한 접촉을 하지 못하며, 접촉 불량은 열 인터페이스 재료가 간극을 메워야 함을 의미합니다. 일반적인 열 간극 패드는 1-3 W/m·K이고 알루미늄은 150-200 W/m·K입니다. 패드 재료로 메워진 0.3 mm 간극은 약 100 mm 알루미늄에 해당하는 열 저항을 추가합니다.

실용적인 평탄도 목표:

셀 접촉면: 간극 패드가 있는 파우치 셀의 경우 총 평탄도 0.05-0.15 mm; 직접 접촉 설계의 경우 0.02-0.05 mm.
장착 인터페이스: 0.2-0.5 mm.
접촉면 표면 거칠기: Ra 0.8-1.6 µm면 일반적으로 충분하며, 얇고 낮은 모듈러스의 인터페이스를 사용하지 않는 한 더 미세한 것은 낭비입니다.

평탄도는 각 방식에 따라 다르게 달성됩니다. 스탬핑 플레이트는 브레이징 후 응력 완화와 평탄화 스테이션이 필요합니다. 압출 플레이트는 제어된 냉각과 종종 가공 패스가 필요합니다. CNC 플레이트는 픽스처가 올바르면 본질적으로 평평하지만, 빌렛의 잔류 응력이 가공 후 부품을 변형시키므로 황삭 가공, 응력 완화, 정삭 가공 순으로 진행해야 합니다.

채널과 유량은 어떻게 크기를 정합니까?

형상이 아니라 열 부하에서 시작하십시오.

1. 방출할 총 열. 최대 셀 발열량을 합산합니다. 3C 급속 충전 시 75 kWh 팩은 순간적으로 15-40 kW를 생성할 수 있습니다.

2. 허용 냉각수 온도 상승. 일반적으로 팩 전체에서 3-8 °C입니다. 델타-T가 높을수록 유량은 낮아지지만 균일성은 나빠집니다.

3. 유량. 50/50 물-글리콜(cp ≈ 3.4 kJ/kg·K, ρ ≈ 1,070 kg/m³)의 경우, 5 °C 상승으로 20 kW를 방출하려면 약 1.1 L/s, 즉 전체 팩에 대해 66 L/min가 필요하며, 이는 병렬 플레이트에 분배됩니다.

4. 채널 속도. 0.3~1.5 m/s 사이를 유지하십시오. 0.3 m/s 미만에서는 대류가 나빠지고 침전 위험이 있습니다. 1.5 m/s 초과에서는 압력 강하와 침식이 문제가 됩니다.

5. 압력 강하 예산. 대부분의 팩은 총 20-60 kPa를 허용합니다. 병렬 채널 어레이는 압력 강하를 줄이지만 균형을 맞춰야 하며, 그렇지 않으면 흐름이 가장 저항이 적은 경로로 단락됩니다.

유용한 상식 점검: 수력 직경 1 mm 채널에서 0.5 m/s의 물-글리콜의 경우 대류 열전달 계수는 일반적으로 3,000-6,000 W/m²·K 범위입니다. 이것이 벽-냉각수 저항을 결정하는 수치입니다.

냉각수 화학: 호환성 문제

알루미늄 냉각 플레이트는 불활성이 아닙니다. 부적절한 억제제 패키지가 포함된 물-글리콜은 알루미늄을 부식시키며, 루프 내 혼합 금속(알루미늄 플레이트, 구리 버스바 쿨러, 스테인리스 피팅)은 갈바닉 커플을 생성합니다.

대부분의 현장 고장을 방지하는 설계 규칙:

인정된 사양(예: ASTM D3306 유형 또는 OEM 승인 EV 냉각수)에 맞는 냉각수를 지정하고 실제 공급업체와 검증하십시오.
절연 장벽 없이 루프 내 알루미늄-구리 직접 접촉을 피하십시오.
냉각수 내 염화물 함량을 25 ppm 미만으로 유지하십시오.
내부 표면 마감 및 세정 공정을 지정하십시오. 브레이징 플럭스 잔류물은 부식 촉진제입니다. 브레이징 후 플러싱은 선택 사항이 아닙니다.
출시 전에 ASTM D2570 또는 동등한 순환 부식 프로토콜로 테스트하십시오.

냉각수 호환성 가이드에서 갈바닉 시리즈와 억제제 화학을 더 자세히 다룹니다.

누설 테스트: 실제로 결함을 잡아내는 것

공장에서 압력 테스트를 통과하고 30,000 km에서 누설되는 냉각 플레이트는 보증 재앙입니다. 계층화된 테스트 전략을 사용하십시오.

테스트	방법	일반적 감도	시기
파열	파괴될 때까지 수압	작동 압력의 2-3배에서 합격/불합격	설계 검증
압력 감쇠	공기 또는 헬륨, 가압	1×10⁻³ ~ 1×10⁻⁵ mbar·L/s (He)	100% 생산
헬륨 질량 분석	진공 챔버, 추적 가스	1×10⁻⁷ mbar·L/s	고신뢰성 / 안전 중요
유량 및 압력 강하	유량 벤치	기능적	100% 또는 AQL 샘플링
열 사이클링	-40 ~ +85 °C, 500-1,000 사이클	피로 균열 감지	인증
진동	팩 사양에 따른 랜덤 프로파일	용접 피로 감지	인증

건조 공기를 사용한 압력 감쇠는 생산의 주력입니다. 헬륨은 누설 가능성이 가장 높은 조인트(매니폴드 용접, 포트 피팅, 접합 플레이트의 주변 밀봉)에 사용됩니다.

도면에 어떤 공차와 마감을 넣어야 합니까?

스탬핑 및 브레이징 알루미늄 냉각 플레이트의 실용적인 사양 블록:

재료: 3003-H14 또는 3005, 0.8 mm 공칭
전체 평탄도 (셀 면): 0.10 mm
채널 깊이 공차: ±0.05 mm
포트 위치: ±0.15 mm
표면 마감 (접촉면): Ra ≤ 1.6 µm
내부 청정도: 유리 플럭스 잔류물 없음, 입자 ≤ 100 µm
작동 압력: 200 kPa; 파열 ≥ 600 kPa
누설률: ≤ 1×10⁻⁴ mbar·L/s 헬륨 등가
냉각수 호환성: 공급업체 사양에 따라 검증

CNC 가공 플레이트의 경우 BQUQ는 O-링 홈 및 포트 보어와 같은 중요한 형상에 일상적으로 ±0.005 mm를 유지하며, 평탄도는 황삭/응력 완화/정삭 순서로 제어됩니다. 열 사양 시트 템플릿은 누락이 없는지 확인하는 유용한 체크리스트입니다.

제조에서 어디가 잘못됩니까?

다섯 가지 고장 모드가 대부분의 생산 문제를 차지합니다:

1. 매니폴드의 용접 기공. 불충분한 표면 준비 또는 오염된 필러로 인해 발생합니다. 용접 전 세정 및 불활성 가스 커버리지 검증으로 해결하십시오.

2. 브레이징 후 변형. 비대칭 열 질량으로 인해 발생합니다. 픽스처 설계와 제어된 냉각 램프로 해결하십시오.

3. 플럭스 잔류물이 마이크로 채널을 막음. 브레이징 후 플러싱 및 입자 청정도 사양으로 해결하십시오.

4. 가공 후 평탄도 드리프트. 황삭과 정삭 작업 사이의 응력 완화로 해결하십시오.

5. 혼합 금속 조인트의 갈바닉 부식. 절연 와셔, 호환 도금 또는 혼합 금속 조인트 자체를 제거하여 해결하십시오.

설계를 끝내기보다 공장과 언제 이야기해야 합니까?

솔직한 답변은 대부분의 팀이 하는 것보다 더 일찍입니다. 채널 형상, 합금 선택 및 접합 방법은 상호 의존적이며, CAD에서 우아한 설계는 목표 비용으로 제조할 수 없을 수 있습니다. 툴링을 확정하기 전에 제조 파트너와 짧은 검토를 하는 것이 일반적으로 비용보다 더 많은 것을 절약합니다.

BQUQ는 ISO9001 아래 둥관의 한 공장에서 네 개 라인을 통해 CNC 가공, 금속 스탬핑, 맞춤 스프링 및 방열판 생산을 운영합니다. 이 조합이 여기서 중요합니다: 냉각 플레이트는 종종 스탬핑 채널 시트, CNC 가공 포트 및 밀봉 홈, 셀 압축용 스프링 또는 클립이 필요하며, 모두 하나의 공급업체, 하나의 품질 시스템, 하나의 배송으로 제공됩니다. 견적은 12 근무 시간 내에 반환되며, MOQ는 시제품 및 파일럿 볼륨에 충분히 유연합니다. 도면을 sc@bquq.com으로 보내주십시오.

자주 묻는 질문

Q: EV 배터리 냉각 플레이트에 가장 좋은 재료는 무엇입니까?

A: 스탬핑 및 브레이징 플레이트에는 알루미늄 3003 또는 3005, 압출 마이크로 채널 프로파일에는 6063입니다. 둘 다 낮은 무게와 비용으로 약 150-200 W/m·K의 열전도율을 제공합니다. 구리는 약 390 W/m·K로 더 잘 전도하지만 훨씬 무겁고 비싸므로 일반적으로 전체 팩 플레이트보다 고열유속 서브 모듈에 사용됩니다.

Q: 배터리 냉각 플레이트는 얼마나 평평해야 합니까?

A: 간극 패드를 사용하는 파우치 셀의 경우 셀 접촉면 전체에 걸쳐 총 평탄도 0.05-0.15 mm가 일반적입니다. 직접 접촉 설계의 경우 0.02-0.05 mm로 좁히십시오. 그 이유는 2 W/m·K 패드 재료로 채워진 0.3 mm 간극이 약 100 mm 알루미늄에 해당하는 열 저항을 추가하여 플레이트의 효과를 파괴하기 때문입니다.

Q: 냉각 플레이트에 필요한 냉각수 유량은 얼마입니까?

A: 열 부하에서 크기를 정하십시오. 5 °C 냉각수 상승으로 20 kW를 방출하려면 팩 전체에 약 1.1 L/s의 50/50 물-글리콜이 필요합니다. 채널 속도를 0.3~1.5 m/s 사이로 유지하고 총 압력 강하를 20-60 kPa로 예산하십시오. 0.3 m/s 미만에서는 대류가 급격히 떨어지고, 1.5 m/s 초과에서는 압력 강하와 침식 위험이 증가합니다.

Q: EV 배터리 냉각 플레이트의 누설 테스트는 어떻게 합니까?

A: 100% 생산 테스트에는 건조 공기를 사용한 압력 감쇠를 사용하고, 일반적으로 작동 압력의 1.5-2배에서 수행하며, 1×10⁻⁷ mbar·L/s의 감도가 필요한 매니폴드 용접 및 접합 주변에는 헬륨 질량 분석을 사용하십시오. 설계 인증을 위해 파열 테스트와 500-1,000 열 사이클을 추가하고, 팩 사양에 따라 진동 테스트를 추가하십시오.

Q: 냉각 플레이트를 스탬핑 대신 CNC 가공할 수 있습니까?

A: 예, 종종 작동 프로토타입으로 가는 가장 빠른 경로입니다. 6061 또는 6063 빌렛을 채널 형상으로 가공한 다음 리드를 마찰 교반 또는 레이저 용접합니다. 스탬핑보다 부품당 비용이 더 들지만 툴링이 거의 필요 없고 복잡한 3D 채널 라우팅이 가능합니다. BQUQ는 밀봉 홈 및 포트용 가공 형상에 ±0.005 mm를 유지합니다.

EV 배터리 냉각 플레이트: 설계와 제조

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