2부. 기술 : 알루미늄 압출 + 마찰교반용접이 주류, 레이저용접 및 FDS가 미래 방향으로 부상
1. 다이캐스팅 및 스탬핑과 비교하여 알루미늄 압출 성형 프로파일을 제작한 후 용접하는 것이 현재 배터리 상자의 주류 기술입니다.
1) 배터리팩 하부 쉘의 드로잉 깊이는 스탬핑 알루미늄판에 의해 용접되어 배터리팩의 진동 및 충격 강도가 부족하고, 기타 문제로 인해 자동차 기업은 차체와 섀시의 강력한 통합 설계 능력을 가져야 합니다.
2) 다이캐스팅 방식의 주조 알루미늄 배터리 트레이는 전체 일회성 성형을 채택합니다. 단점은 알루미늄 합금이 주조 과정에서 언더캐스팅, 균열, 저온 단절, 함몰, 기공 등의 결함이 발생하기 쉽다는 것입니다. 주조 후 제품의 밀봉성이 좋지 않고, 주조 알루미늄 합금의 연신율이 낮아 충돌 후 변형되기 쉽습니다.
3) 압출 알루미늄 합금 배터리 트레이는 현재 주류를 이루는 배터리 트레이 설계 방식으로, 프로파일을 접합하고 가공하여 다양한 요구 사항을 충족시키며 설계가 유연하고 가공이 편리하며 수정이 쉬운 장점이 있습니다. 성능 압출 알루미늄 합금 배터리 트레이는 강성이 높고 진동 저항성이 뛰어나며 압출 및 충격 성능이 뛰어납니다.
2. 구체적으로, 배터리 상자를 형성하기 위한 알루미늄 압출 공정은 다음과 같습니다.
박스 본체의 바닥판은 알루미늄 막대를 압출한 후 마찰 교반 용접으로 형성되고, 바닥 박스 본체는 4개의 측면판을 용접하여 형성됩니다. 현재 주류를 이루는 알루미늄 프로파일은 일반 6063 또는 6016을 사용하며, 인장 강도는 기본적으로 220~240MPa입니다. 고강도 압출 알루미늄을 사용할 경우 인장 강도가 400MPa 이상에 도달할 수 있어 일반 알루미늄 프로파일 박스 대비 무게를 20~30% 줄일 수 있습니다.
3. 용접기술 또한 끊임없이 업그레이드 되고 있으며, 현재 주류는 마찰교반용접이다.
프로파일 접합이 필요하기 때문에 용접 기술은 배터리 박스의 평탄도와 정확도에 큰 영향을 미칩니다. 배터리 박스 용접 기술은 기존 용접(TIG 용접, CMT)과 현재 주류를 이루는 마찰 용접(FSW), 더욱 발전된 레이저 용접, 볼트 자가 조임 기술(FDS), 그리고 접합 기술로 나뉩니다.
TIG 용접은 불활성 가스의 보호 하에 텅스텐 전극과 용접물 사이에 생성된 아크를 이용하여 모재를 가열 용융하고 와이어를 충전하여 고품질 용접부를 형성합니다. 그러나 박스 구조의 발전으로 박스 크기가 커지고, 프로파일 구조가 얇아지고, 용접 후 치수 정확도가 향상됨에 따라 TIG 용접은 불리한 위치에 있습니다.
CMT는 새로운 MIG/MAG 용접 공정으로, 큰 펄스 전류를 사용하여 용접 와이어 아크를 부드럽게 생성하고, 소재의 표면 장력, 중력 및 기계적 펌핑을 통해 연속 용접을 형성합니다. 입열이 적고, 비산이 없으며, 아크 안정성이 뛰어나고, 용접 속도가 빠른 등 다양한 장점을 가지고 있어 다양한 소재 용접에 활용될 수 있습니다. 예를 들어, BYD와 BAIC 모델의 배터리 패키지 하부 박스 구조는 대부분 CMT 용접 기술을 채택하고 있습니다.
4. 기존 용융 용접은 큰 열 입력으로 인해 변형, 기공 발생, 낮은 용접 접합 계수 등의 문제가 있었습니다. 따라서 용접 품질이 더 높고 효율적이고 친환경적인 마찰 교반 용접 기술이 널리 사용되고 있습니다.
FSW는 회전하는 믹싱 니들과 샤프트 숄더, 그리고 모재 사이의 마찰로 발생하는 열을 열원으로 사용하여, 믹싱 니들의 회전과 샤프트 숄더의 축방향 힘을 통해 모재의 가소화 흐름을 유도하여 용접 접합부를 형성합니다. 고강도와 우수한 밀봉 성능을 갖춘 FSW 용접 접합부는 배터리 박스 용접 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 지리(Geely)와 샤오펑(Xiaopeng)의 여러 모델에 적용된 배터리 박스는 양면 마찰 교반 용접 구조를 채택하고 있습니다.
레이저 용접은 높은 에너지 밀도의 레이저 빔을 사용하여 용접할 소재 표면에 조사하여 소재를 용융시키고 견고한 접합부를 형성합니다. 레이저 용접 장비는 초기 투자 비용이 높고, 투자 회수 기간이 길며, 알루미늄 합금 레이저 용접의 난이도가 높아 널리 사용되지 않았습니다.
5. 용접 변형이 상자 크기 정확도에 미치는 영향을 완화하기 위해 볼트 자체 조임 기술(FDS)과 접합 기술을 도입했는데, 대표적인 기업으로는 독일의 WEBER와 미국의 3M이 있습니다.
FDS 접합 기술은 장비 중앙의 샤프트를 조여 모터의 고속 회전을 유도하고, 플레이트의 마찰열과 소성 변형을 유도하는 셀프 태핑 나사와 볼트를 접합하는 냉간 성형 공정입니다. 일반적으로 로봇과 함께 사용되며 높은 자동화 수준을 자랑합니다.
신에너지 배터리 팩 제조 분야에서는 이 공정이 주로 프레임 구조 상자에 적용되며, 접합 공정을 통해 상자의 밀봉 성능을 확보하는 동시에 충분한 접합 강도를 확보합니다. 예를 들어, NIO 자동차 모델의 배터리 케이스는 FDS 기술을 사용하여 양산 생산되었습니다. FDS 기술은 분명한 장점을 가지고 있지만, 높은 장비 비용, 용접 후 돌출부 및 나사 비용 등의 단점도 있으며, 작동 조건 또한 적용에 제약이 됩니다.
3부. 시장 점유율: 배터리 박스 시장 공간은 크고 복합 성장률이 빠릅니다.
순수 전기 자동차의 판매량이 지속적으로 증가하고 있으며, 신에너지 자동차용 배터리 박스 시장 규모도 빠르게 확대되고 있습니다. 신에너지 자동차의 국내 및 글로벌 판매량 추정치를 바탕으로, 신에너지 자동차용 배터리 박스의 국내 시장 규모는 신에너지 자동차용 배터리 박스의 단위당 평균 가격을 가정하여 산출했습니다.
핵심 가정:
1) 2020년 중국 신에너지차 판매량은 125만 대입니다. 3부 및 위원회가 발표한 자동차 산업 중장기 발전 계획에 따르면, 2025년 중국 신에너지 승용차 판매량은 634만 대, 신에너지차 해외 생산은 807만 대에 이를 것으로 추정하는 것이 합리적입니다.
2) 순수 전기차 국내 판매량은 2020년 77%를 차지하며, 2025년에는 판매량이 85%에 이를 것으로 추정합니다.
3) 알루미늄 합금 배터리 박스와 브라켓의 투자율은 100%로 유지되며, 자전거 한 대의 가격은 3000위안입니다.
계산 결과: 2025년까지 중국 및 해외 신에너지 승용차용 배터리 박스 시장 규모는 각각 약 162억 위안, 242억 위안으로 추산되며, 2020년부터 2025년까지 연평균 성장률은 각각 41.2%, 51.7%가 될 것으로 전망됩니다.
게시일: 2022년 5월 16일
