Envalior, 2023 SPE EAV 컨퍼런스에서 전기차(EV) 안전성과 신뢰성 향상 방안 발표

2023년 4월, 미국 미시간주 트로이에서 플라스틱 엔지니어 협회(SPE)가 2023 전기 및 자율주행차(Electric & Autonomous Vehicle, EAV) 컨퍼런스를 개최했습니다. 응용 개발 엔지니어 Keith Kauffmann은 기존 Envalior 및 Lanxess Performance Materials 소속으로, 전기 파워트레인 내 안전성과 신뢰성을 높일 차세대 소재(Next Gen Materials)에 대해 발표 세션을 진행했습니다.

Society of Plastics Engineers (SPE)는 2023년 4월 미국 미시건주 트로이에서 2023년 전기 및 자율주행차(EAV) 컨퍼런스를 개최하였습니다. Envalior의 Application Development Engineer인 Keith Kauffmann은 (기존 Envalior 및 Lanxess Performance Materials 소속) 산업 전문가 700명 이상이 참석한 3일간의 컨퍼런스에서 "전기 파워트레인 안전성 및 신뢰성 향상을 위한 차세대 소재"에 대한 세션을 발표하였습니다.

Kauffmann의 발표는 전기차(EV)가 요구되는엔지니어링 열가소성 플라스틱의 성능과 Envalior에서 EV(전기차) 애플리케이션의 성능 요구를 충족하는 소재를 개발하기 위한 지속적인 연구 및 설계에 대해 다룹니다.

신규 애플리케이션과 트렌드는 업계 내 새로운 기회를 창출합니다.

업계가 내연기관(ICE) 차량에서 EV(전기차)로 전환함에 따라 파워트레인 아키텍처와 연료 공급원이 휘발유에서 충전으로 변화하고 있습니다. 배터리 팩, 드라이브 모터, 고전압 커넥터가 EV 파워트레인의 주요 구성 요소가 됨에 따라, 이러한 모든 애플리케이션에 사용되는 소재에 기술적 영향이 발생합니다. 예시:

EV의 전체 차량 작동 온도가 하락하여, 고온으로 인한 부품의 산화 분해가 감소합니다.
배터리 팩이 주행 중이 아니더라도 지속적인 냉각이 필요하므로, 물/글리콜 용액에의 장기 노출 시간이 길어집니다.
마모 및 마찰 문제의 감소 – EV 역시 모터 및 베어링에 의해 마모와 마찰이 존재하지만, ICE 기술에 비해 그 정도가 덜합니다.
기존의 엔진 윤활유와 같이 플라스틱 파워트레인 부품에 오일 저항성이 요구되는 전통적인 오일 사용량의 감소.
고출력 밀도의 E-motor 냉각을 위한 오일 사용량 증가

EV에 대한 추가적인 기술적 영향으로는 고전압 배터리 시스템으로 인해 요구되는 높은 CTI(비교적 추적 지수) 소재와 우수한 전기 절연 성능이 있습니다.

트렌드는 더욱 빠른 충전 속도와 400V에서 800V 이상의 상위 전압 플랫폼으로 전환되고 있습니다. 이에 따라 절연 성능 요구가 높아지고 보다 효과적인 냉각이 필요하게 되었습니다.

“더 낮은 전류는 발열 손실을 감소시킵니다.이러한 접근 방식은 최대 충전 속도를 더 오랜 시간 동안 유지할 수 있게 하며, 충전 속도를 높이는 가장 효과적인 방법 중 하나는 전류 대신 전압을 증가시키는 것입니다. 따라서, 우리는 더 높은 전압의 배터리 시스템을 채택하는 추세를 목격하고 있습니다. 하지만, 충전 전력의 균형을 맞추기 위해 전류와 전압을 조절하더라도, 급속 충전은 국부적인 고온 발생으로 인해 냉각 및 고절연 재료가 필요할 수 있습니다.”라고 Kauffmann이 설명했습니다.

기술 동향에 또 다른 영향을 미치는 요소는 E-motor의 오일 냉각 요구입니다. 모터 내의 플라스틱 부품은 장기적인 E-motor 오일 노출에 대한 내성이 필요합니다.

“연료 전지와 EV 아키텍처를 고려할 때, CTI(Comparative Tracking Index) 노화 전후, 오일 노화, 전기적 부식, 장기간 냉각수 노출 등 다양한 유형의 도전 과제들을 반드시 고려해야 합니다.”라고 Kauffmann이 덧붙였습니다. “절연 및 기계적 특성을 유지하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해서는 적절한 온도 범위에서 장기 노화가 미치는 영향에 대한 이해가 필요합니다.”

고전압 부품의 열충격 사이클링에서의 크랙 문제 해결

오버몰딩된 버스바의 주요 이슈 중 하나는 열충격 사이클링에 따른 크랙 발생입니다. 누설전류 방지를 위해 크랙의 발생을 반드시 막아야 합니다. 많은 EV 부품에서 플라스틱은 금속, 일반적으로 구리에 오버몰딩됩니다. 플라스틱과 구리의 CLTE(선팽창계수) 차이로 인해 열사이클 중 플라스틱 내부 응력이 쌓이면서 크랙이 발생할 수 있습니다.

첫 번째 막대 차트는 PPS의 CLTE(기계 방향 및 횡방향)를 나타내고, 두 번째 막대 차트는 PPS의 두 방향에서의 열 응력 값을 보여줍니다.

Envalior는 열 균열의 원인을 이해하며, 이는 최적의 글라스 방향성, 부품 설계 및 금형 설계를 통해 해결할 수 있습니다.Kauffmann이 언급하였습니다.

자동차 전자 응용 분야에서 신뢰성 확보

커넥터, 센서, ECU 및 PCU에서 할라이드(Halide) 함량 관리가 필수적입니다. 커넥터는 EV 아키텍처에서 점차 중요한 역할을 하며, 단자 신뢰성은 매우 중요합니다. 고온, 고습, 반응성 가스, 전기적 잠재력, 시간과 같은 요인은 부식의 주요 원인이 됩니다. 화염 저항 성능 향상을 위해 사용되는 무기 할라이드 및 이온성 첨가제는 열 및 습도에 장기간 노출 시 산을 형성하여 전기 접점에 부식을 유발할 수 있습니다. 이는 전자 부품의 고장을 야기하며, 차량의 안전 기능에 영향을 줄 수 있습니다.

자동차 전자 응용 분야에서 신뢰성 확보

커넥터 및 센서의 경우, 할라이드 함량을 100ppm 이하로 유지하는 것이 목표이며, 더 중요한 응용 분야에서는 50ppm 이하를 요구합니다. Kauffmann은 다음과 같이 밝혔습니다. "당사의 FR 소재는 표준적으로 20-30ppm 범위에 있습니다."

Kauffmann은 이어서 "많은 전기차 플라스틱 응용 분야에서 UL94 난연성 시험 요구 사항에 대한 고려가 증가하고 있으며, 특히 소재가 HV 부품 근처에 있을 때 더욱 중요하게 다루어지고 있습니다. UL94 V0 소각 등급이 일반적으로 요구되며, 때때로 5VA 등급이 필요할 수도 있습니다."라고 언급했습니다.

Envalior는 PA6, PA66, PA46, PA410, PPS 및 PPAs를 포함하여 V0 등급을 충족하는 할로겐 무함유 소재를 여러 가지 보유하고 있습니다.