1. 팩 공정이란?
화성 공정(활성화 공정)을 거쳐 전기적 특성을 지닌 배터리들은 셀 단위로 납품 되거나, 사용 하고자 하는 어플리케이션의 전압대와 용량에 맞게 모듈 또는 팩으로 패키징 되어 납품 되게 됩니다. 사용되는 구조에 맞게 외부 케이스를 적용하고 BMS(Battery Management System)등 필수 부품을 추가하여 ‘4대 공정(전극 공정 → 조립 공정 → 활성화 공정 → 팩 공정)’ 중 마지막 단계 ‘팩 공정’ 단계가 진행되게됩니다.
2.Cell 연결(모듈화)
이번 시간은 가장 많이 쓰는 원통형 배터리(NCM타입)를 예로 들어 설명하겠습니다.
‘팩 공정’시 가장 먼저 이루어져야 할 작업이 셀의 용량 및 개수 선정 입니다. 전압은 보통 NCM의 경우 3.7V내외, 용량은 작게는 1.4~4.4Ah까지 셀 공정 방법이나 양극재의 종류에 따라 천차만별 입니다. 전기차(EV) 같은 경우 400V대가 넘어가기 때문에 하나의 셀을 1직렬로만 나열해도 100개가 넘는 전지가 필요합니다. 용량까지 증대 시키기 위해 병렬 연결이 추가되면 배로 늘어나게 되는 것입니다.
그런 다음, 팩 설계를 ‘MTM(Module To Module)’로 할 것인지, CTC(Cell To Cell/Cell To Chassis)로 설계 할 것인지 선정이 필요합니다. 에너지 밀도의 장점을 살리기 위해 ‘CTC’로 선택할 경우 필요한 모든 셀을 한번에 용접 해야하고, ‘MTM’의 경우 또 모듈 단위로 쪼개어 용접을 진행하게됩니다.
3.Module 연결
준비 한 Cell을 모두 니켈판과 스팟 용접으로 이어준 후 ‘Module’단위의 재료가 나오면 최종 펙 단위로 합성을 하게 됩니다. 셀 용접 시 밖으로 꺼내 놓은 ‘와이어링 하네스’를 모두 BMS에 연결 시켜주고 히팅 필름과 외부 밸런싱 모듈등을 추가로 연결하여 펙을 완성하게 됩니다. 펙 내부에 최종 입,출력을 위한 릴레이 또는 외부에 PDU(Power Distribution Unit)를 따로 배터리펙과 분리하여 관리 할 수도 있습니다. 이 모든 동작과 더불어 입 출력 컨트롤을 하게 되는 부분이 바로 BMS 입니다. 셀이 많아질수록 BMS PCB의 갯수도 증가하게됩니다.
위 사진은 현대차’아이오닉5’의 배터리 팩 내부 모습으로 배터리 용량이 72.6kWh로 약 30개의 모듈이 연결된 형태 입니다. 두번째 줄을 보면 두 칸이 비어 있는데 더 높은 트림의 자동차 배터리 제작시 모듈 두개가 추가 장착 가능하도록 설계가 되어있는 모습입니다. 계산 해보면 모듈당 용량은 각2.42kWh이며 셀 용량은 약 200Wh로 파악됩니다.