Docol EV 설계 콘셉트

Docol® EV 설계 콘셉트는 EV(전기 자동차)를 위해 새로운 AHSS 솔루션을 만드는 가상 플랫폼입니다. 그 첫 번째 임무는 무엇보다 기둥 측면 충격 등으로 인한 충돌 인트루전으로부터 EV 배터리 팩을 보호할 수 있는 혁신적인 차체를 설계하는 것입니다.

Docol EV 설계 콘셉트는 Robert Ström이 개발했습니다. Ström은 자동차 엔지니어링과 충돌 시뮬레이션 분야에서 16년 경력의 베테랑으로, SSAB로 이직하기 전에 BMW에서 근무했습니다.

“Docol EV 설계 콘셉트”란 무슨 뜻인가요?”
EV 배터리 팩은 주행거리를 늘리기 위해 커지고 있어, 자동차 설계 엔지니어에게는 충돌이 발생했을 때 배터리 셀을 보호하는 방법을 해결해야 하는 과제가 주어집니다. 즉, 매우 까다로운 기둥 측면 충격 테스트에서도 셀에 인트루전이 발생해서는 안 됩니다. EV 콘셉트는 BEV를 위해 혁신적인 아이디어와 AHSS 솔루션에 대한 근본적인 연구를 육성하는 “가상 플랫폼” 입니다.

Docol EV 콘셉트의 예를 하나 들어 주세요.
당사는 Docol 1700 마르텐사이트를 3D 롤 성형하여 빔으로 만든 후 메시 패턴으로 용접한 바닥 구조물을 갖는 독특한 AHSS 배터리 인클로저를 위해 설계와 초기 프로토타입을 결합시켰습니다.

3D 롤 성형이란 무엇인가요?
3D 롤 성형 기계를 사용할 경우 롤은 성형 공정에서 모든 방향으로 움직일 수 있습니다. 3D 롤 성형을 이용하여 한 부분은 고정되어 있고 다른 한 부분은 유동적인 빔을 만들었습니다. 그 다음에는 빔 하나를 유사한 프로파일에 직각이 되도록 배치할 수 있습니다 이때 위가 아래로 가도록 뒤집어 배치할 수 있어 Z 방향으로 높이가 두 배가 되지 않습니다. BEV OEM 업체에 해당하는 핵심적인 요점을 말하자면 배터리 인클로저가 높을 경우, 이로 인해 차실 공간이 줄어들거나 차량이 더 높아지고 유선형 형태가 줄어듭니다.

이 배터리 하중 지지 설계의 또 다른 장점이 있나요?
3D 빔의 메시는 인클로저 바닥판과 배터리 트레이 사이의 지정된 간격을 유지하여, 차량 밑에서 오는 충격으로부터 배터리를 보호합니다. 그리고 “그루브”가 빔의 길이 방향으로 나 있어, X 및 Y 방향의 하중 경로가 중단되지 않기 때문에 가장 강력해 집니다.

body in white

이 그림에서 차실 아래에 있는 청색 빔은 배터리 인클로저의 바닥 “메시” 구조입니다 - Docol 1700M(마르텐사이트)으로 된 3D 롤 성형 빔의 크로스 패턴으로 제작됨. X-방향의 프로파일은 Y-방향의 프로파일과 동일하지만, 뒤집어 놓아 메시의 높이가 절반으로 줄어들었습니다.

prototype of battery enclosure

기둥 측면 충격 테스트 시뮬레이션 이후의 Docol EV 콘셉트 배터리 인클로저. 1700M 빔이 충격 흡수 효과를 증명해야 하는 실 구조를 기둥이 안으로 밉니다.

설계에서 이 배터리 인클로저 콘셉트를 충격에 강하게 만드는 또 다른 요소들이 있습니까?
배터리 트레이 가장자리에 1700M 강종으로 제작된 프레임이 있어 충격으로부터 보호할 뿐만 아니라 구조를 안정적으로 만듭니다. 또한 배터리 인클로저 트레이는 철강으로 제작되었으며, 배터리 팩 공간을 최적화 하기 위해 완벽한 수직(90°) 측벽을 갖고 있습니다. 또한 트레이는 충돌 사고 시 및 그 이후 배터리 셀 액체가 밖으로 누출되는 것을 방지합니다.

배터리 인클로저 전체의 예상 무게는 얼마나 되나요?
가장 낮은 배터리 인클로저 무게는 75 kg가 될 것입니다. 이 무게는 1742 x 1320 x 120 mm 크기의 배터리 팩의 경우입니다.

그 외 다른 EV 콘셉트로는 어떤 것이 있나요?
내연 기관이 장착된 자동차와 달리 EV는 자동차의 실을 통해 더 많은 충격을 흡수해야 합니다. 그 이유는? 1) EV 배터리 무게, 2) 뻣뻣한 EV 언더바디, 3) 절대로 EV 배터리 팩 인트루젼이 발생해서는 안 된다는 요구사항.

압출된 알루미늄이 더 많은 충격 에너지를 흡수하는 효율적인 방법이라고 하지 않나요?
그렇습니다, 그렇지만 AHSS와 비교해 볼 때 엄청난 가격 프리미엄이 있습니다. 당사는 EN AW-6082 T6으로 제작되었고 외벽 두께가 4.5 mm이며 리브 두께는 3 mm인 압출된 알루미늄 실 빔의 성능에 도달하려고 노력했습니다. 이에 따라 SSAB는 실 빔 프로파일을 Docol CR 1700M 강종을 2D 롤 성형하여 다양하게 설계한 후 수많은 시뮬레이션을 실행했습니다. 그렇지만 여기에서 중요한 것은 당사는 각각의 1700 M 프로파일 벽 두께를 조정하여 6082 T6 알루미늄 실 빔과 같은 무게가 되도록 했다는 점입니다.

그래서 무엇을 알아내셨나요?
당사는 성능이 가장 우수한 프로파일을 찾았습니다: 이 프로파일의 충돌 성능은 알루미늄 빔의 충돌 성능과 유사합니다. 한번 더 말하자면, 양 재료의 무게는 같습니다: AHSS 대 알루미늄.

Docol 1700M 실 빔 프로토타입을 테스트해 보셨나요?
예, 초기 프로토타입 테스트를 했습니다. 테스트 결과가 좋았습니다. 그렇지만 프로파일 제작에 사용된 용접부가 균열 없이 변형을 처리할 수 있을 만큼 충분히 연성을 가지는지 확인하기 위해 더 많은 테스트를 실시해야 합니다.

현재 진행 중인 EV 콘셉트로는 또 어떤 것이 있나요?
측면 충돌 시 EV 배터리 팩을 인트루젼으로부터 보호하는 가장 효율적인 방법은 차실 바닥 바로 아래에 있는 크로스 멤버가 변형되지 않도록 하는 것입니다. 크로스 멤버는 강해야 하며 에너지를 흡수해서는 안 됩니다. 그 대신 측면 충돌의 힘을 차량 한 편에서 맞은 편으로 전달해야 합니다.

그렇다면 크로스 멤버용으로 다양한 AHSS 프로파일을 실험해 보셨나요?
그렇습니다, 여기에도 Docol 1700M을 사용했습니다. 다양한 프로파일 설계 간에 커다란 성능 차이가 있습니다. 예를 들어 모든 빔 프로파일의 무게가 동일할 경우, 반경이 큰 빔의 성능이 가장 좋습니다.

그렇지만 AHSS 강종의 항복점이 매우 높지 않나요? 그래서 반경이 크고 벽이 얇은 빔의 경우 국부 좌굴 문제가 발생하지 않을까요?
맞습니다, 그렇지만 국부 좌굴을 방지하는 방법 중 하나는 그루브를 사용하여 프로파일의 넓은 세그먼트의 폭을 좁히는 것입니다. 그루브는 힘이 이동할 수 있는 반경을 더 많이 제공합니다. 시뮬레이션 결과를 보면 최적화된 크로스 멤버에서는 충돌 하중 전달 성능이 정사각형 프로파일의 2배에 달한다는 것을 알 수 있습니다. 이 응용 분야에서 중요한 것은 충격 흡수가 아니라 최대 하중입니다. 충돌이 발생할 경우, 이 최대 하중을 초과해서는 안 됩니다.

다음 EV 콘셉트는 무엇인가요?
당사는 OEM 업체 자체의 이익을 위해, 배터리 전기 자동차의 중요한 구성품에 AHSS 강종을 사용할 것을 적극 권장합니다. 이를 통해 고가의 알루미늄이나 그 외 다른 CO2 집약적 재료와 같이 무게를 줄일 수 있습니다. 또한 당사는 OEM 기업들이 AHSS 재료 활용도를 높여 추가 절감을 실현할 수 있기를 바랍니다. 당사는 자동차 설계자들에게 측면 충돌 시뮬레이션과 같은 AHSS 시뮬레이션을 제공합니다. 예를 들어 플로어 크로스 멤버의 성능을 두 배로 향상시키는 방법 등 주요 안전 구성품의 성능을 향상시키는 방법을 보여 드리겠습니다.

끝으로 당사는 EV 배터리 인클로저의 공간 효율성을 높이는 3D 롤 성형과 같은 혁신적인 새로운 AHSS 강종 설계 및 생산 방식을 보여 드리겠습니다. 압축 상태에서 작동하는 크로스 메시를 제작하는 데 있어 3D 롤 성형 AHSS와 같은 혁신적인 요소들은 설계자가 축방향 하중 성능을 횡방향뿐만 아니라 종방향으로도 극대화 하는 방법에 이를 수 있는 길을 열어 줍니다.

BEV를 설계하실 때 AHSS 강종으로 처리하길 원하시는 해결 과제가 있습니까? 다음 프로젝트를 위해 저희와 일찍 상의 하시는 것이 좋습니다.

180