Docol® EV 설계 콘셉트

배터리 전기 자동차의 고유한 차체 관련 해결 과제들에 대응하여 SSAB는 Docol® 초고장력을 이용한 차세대 설계 솔루션 육성을 위해 새로운 “가상 플랫폼”을 개발하였습니다.

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EV 설계 솔루션을 위한 가상 플랫폼

Docol EV 설계 콘셉트는 전기 자동차의 안전과 중량, 공간 활용을 비용 효율적으로 향상시키고, AHSS 강종을 이용하여 가장 중요한 하중 전달 경로를 위해 차체 형상을 최적화 하는 방법을 보여 줍니다. 현재 EV 콘셉트에는 혁신적인 아이디어가 포함되어 있습니다:
  • 3D 롤포밍 AHSS 강종으로 제작된 EV 배터리 케이스
  • 충돌로 인한 EV 배터리 팩 침입(intrusion)을 최소화 하기 위한 플로어 크로스 빔 최적화
  • EV 실(로커 패널)을 위한 충격 흡수용 빔 최적화

3D 롤포밍 프로파일을 이용한 EV 배터리 케이스 높이 줄이기

EV 배터리 인클로저 프로토타입
이미지 1: 이러한 배터리 케이스의 부분 프로토타입에는 Docol EV 설계 콘셉트의 핵심적인 아이디어가 사용되었습니다: 충격 흡수용 실 빔(기둥 측면 충격 테스트 이후 모습); 충격을 전달하는 플로어 크로스 멤버; 3D 롤포밍된 배터리 지지 구조(아래의 이미지 2 참조). 측면 충격 테스트에서는 배터리 팩에 침입(intrusion)이 발생해서는 안 됩니다. 크기가 1742 x 1320 x 120 mm인 배터리 팩용인 이 케이스 무게는 75 kg까지 낮출 수 있습니다.
Docol EV 콘셉트 배터리 인클로저 설계 분해조립도
이미지 2: Docol EV 콘셉트 배터리 케이스 설계 분해조립도.
배터리 캐이스를 위한 Docol EV 설계 콘셉트에서 매우 독특한 구성품은 메시(mesh) 패턴으로 배열된 3D 롤 성형으로 제작된 하부의 하중 지지 구조물입니다. 메시는 인클로저 바닥판과 배터리 트레이 사이의 지정된 간격을 유지하여 Z-방향에서 오는 충격(즉 차량 밑에서 오는 충돌 충격)으로부터 배터리를 충분히 보호합니다.
유사한 2D 프로파일과 직각을 이루는 2D 롤 성형 프로파일을 사용하여 메시를 제작한 경우, 메시 높이를 두 배로 올려야 합니다. 이 문제는 3D 롤포밍 기술을 사용하여 해결할 수 있습니다. 3D 롤포밍 기계를 사용할 경우 롤은 성형 공정에서 모든 방향으로 움직일 수 있습니다. 따라서 이미지 3에서 볼 수 있듯이, 프로파일을 일부는 고정시키고, 다른 일부는 유동적인 상태가 되도록 할 수 있습니다. 그러면 프로파일을, 유사하지만 뒤집어 놓은 프로파일에 직각이 되도록 배치할 수 있어 높이를 Z-방향으로 두 배로 높일 필요가 없습니다.
배터리 인클로저 구조를 보여 주는 3D 렌더링
이미지 3: 이 그림에서 차실 아래에 있는 청색 빔은 배터리 케이스의 바닥 “메시” 구조입니다 - Docol 1700M(마르테사이트)으로 된 3D 롤포밍 빔의 크로스 패턴으로 제작됩니다. X-방향의 프로파일은 Y-방향의 프로파일과 동일하지만, 뒤집어 놓아 메시의 높이가 절반으로 줄어들었습니다.
3D 롤 성형 기술 및 스웨덴 볼렝에 Ortic AB에서 촬영한 사진
이미지 4: 3D 롤포밍 기술 및 스웨덴 볼렝에의 Ortic AB에서 촬영한 사진. www.ortic.se
그루브가 빔의 길이 방향으로 고정되어 있어, X 및 Y 방향의 하중 경로가 중단되지 않기 때문에 가장 강력해 집니다. 3D 롤포밍 생산은 지극히 유연합니다, 이는 하중 지지 구조물에 있는 각 크로스 빔 사이의 간격을 3D 롤포밍 기계의 소프트웨어를 통해 변경할 수 있다는 것을 뜻합니다. 3D 롤포밍은 비용 효율적이며 매우 유연합니다 - 또한 높은 수준의 재료 활용도를 구현할 수 있습니다.

배터리 케이스의 트레이는 연강으로 제작되었으며, 배터리 팩 공간을 최적화 하기 위해 완벽한 수직(90°) 측벽을 갖고 있습니다. 또한 트레이는 충돌 사고 시 및 그 이후 배터리 셀이 밖으로 누출되는 것을 방지합니다.

배터리 트레이를 둘러 싼 프레임은 충격으로부터 보호할 뿐만 아니라 구조를 안정시킵니다. 프레임에서 그루브가 있는 면은 Docol 마르텐사이트 1700Mpa 강종으로 기존의 2D 롤 성형 방식을 사용하여 제작되었으며, 비용 효율적인 다이 캐스트 코너로 네 개의 면이 연결되어 있습니다.

EV 실 로커(sill rocker) 구조를 위한 충격 흡수용 AHSS 빔 설계

내연 기관이 장착된 자동차와 달리 EV는 자동차의 실(sill)을 통해 더 많은 충격을 흡수해야 합니다. 그 이유는? 1) EV 배터리 무게, 2) 뻣뻣한 EV 언더바디, 3) 절대로 EV 배터리 팩 침입(intrusion)이 발생해서는 안 된다는 요구사항. 실(sill)에 압출된 알루미늄을 사용하는 것은 더 많은 충격을 흡수하는 효율적인 방법으로 간주되어 왔지만, 이 경우 가격이 높습니다.

압출된 알루미늄 실(sill) 빔의 성능에 도달하기 위해 SSAB는 Docol CR 1700M 강종으로 제작된 2D 롤 성형 실(sill) 빔을 이용한 시뮬레이션을 실시했습니다. 압출된 알루미늄 합금은 EN AW-6082 T6이며, 외벽 두께는 4.5 mm이고, 리브 두께는 3 mm입니다.

실 빔 2D 롤 성형이 가능한 설계 방법은 무한하며, 이미지 6에는 그 중에서 일반적인 설계 일부가 나와 있습니다. (SSAB는 이보다 더 많은 실 빔 프로파일 시뮬레이션을 실시했지만, 여기에는 나와 있지 않습니다.)
기둥 측면 충격 테스트 시뮬레이션
이미지 5: 기둥 측면 충격 테스트 시뮬레이션: Docol CR 1700M 빔이 충격 흡수 효과를 증명해야 하는 실 구조를 기둥이 안으로 밉니다.

서로 다른 9개의 Docol 1700M 빔 프로파일에 대한 적용되는 힘 대 변위를 보여 주는 그래프
이미지 6: EV 실/로커 구조에 사용된 서로 다른 9개의 Docol 1700M 빔 프로파일에 대한 적용되는 힘 대 변위 그래프. 여기에서 테스트한 실 빔의 프로파일 및 최우수 성능의 프로파일을 확인하시려면, Docol 연락처.
각 설계 프로파일의 벽 두께를 조정하여 Docol 1700M 실 빔 (sill beam)의 무게가 6082 T6 알루미늄 실 빔의 무게와 같도록 했습니다.

힘 대 변위 시뮬레이션에 따르면 AHSS 강종 크로스 섹션은 적절하게 기능을 발휘하려면 리브(rib) 형태가 있어야 합니다. 따라서 이러한 모든 프로파일에는 일종의 내부 구조가 있습니다. 제작 비용을 낮추고 단순화시키기 위해, 많은 수의 시뮬레이션에서는 서로 용접된 정사각형 튜브를 사용하였습니다.

용접된 정사각형 튜브를 이용한 접근 방식은 효과가 있는 것처럼 보이지만 인접한 리브(rib)의 두께가 두 배가 됩니다. 또한 시뮬레이션에 따르면 프로파일의 외부 쉘(shell) 두께는 리브의 두께보다 중요합니다.

SSAB는  리브(rib)가 단일 벽으로 구성된 프로파일에서는 외벽을 더 두껍게 할 수 있으며, 알루미늄과 무게가 동일할 경우, 알루미늄 빔과 유사한 충돌 성능을 제공한다는 것을 확인했습니다.

Docol 1700M AHSS로 충격 흡수용 실/로커 빔을 제작하면 균열 없이 충돌 변형을 견뎌낼 수 있을까요? 초기의 Docol 시제품을 보면 가능한 일입니다. 그렇지만 이러한 모든 정사각형 튜브 프로파일에는 특정 유형의 용접이 필요하며, SSAB는 빔의 용접부가 균열 없이 변형을 처리할 수 있을 만큼 충분히 연성을 가지는지 확인하기 위해 더 많은 테스트를 실시해야 합니다.

효율적인 충돌 하중 전달을 위한 AHSS 플로어 크로스 멤버 설계

측면 충돌 시 EV 배터리 팩을 침입(intrusion)으로부터 보호하는 가장 효율적인 방법은 차실 바닥 바로 아래에 있는 크로스 멤버가 변형되지 않도록 하는 것입니다. 따라서 크로스 멤버는 강해야 하며 에너지를 흡수해서는 안 됩니다 - 그 대신 측면 충돌의 힘을 차량 한 편에서 맞은 편으로 전달해야 합니다: 이미지 7 참조.
최상의 성능/무게/비용 비율을 위해 크로스 멤버는 시트(sheet) 형태의 얇은 AHSS 판재로 제작해야 합니다, 물론 이 판재를 압축된 상태로 사용하는 것은 쉽지 않을 수 있습니다. (설계 안내서 참조: 고장력강을 이용한 구조 설계 및 제작.)

SSAB는 다양한 프로파일을 이용하여 - 그렇지만 모두 Docol CR 1700M으로 제작됨 — 크로스 빔 시뮬레이션을 실시했으며, 성능 면에서 커다란 차이를 확인했습니다. 정사각형 프로파일의 경우, 반경이 얼마나 커야 하는가 하는 질문을 하게 됩니다. 보통 수준으로 넓게 확산된 가공 경화 영역이 있는 커다란 반경이 고도의, 그렇지만 매우 국부적인 가공 경화 영역이 있는 작은 반경보다 나을까요? 아래의 이미지 8에 있는 시뮬레이션 결과를 보면 15xt(mm 단위의 반경 x 크로스 멤버 두께)의 성능이 1xt보다 우수합니다. 크로스 멤버 Docol 1700M 두께를 조정하여 서로 다른 빔 프로필의 총무게를 서로 동일하게 만들었습니다.
플로어 크로스 멤버를 지나는 측면 충돌 하중 경로와 크로스 멤버 최적화 설정을 보여 주는 2개의 사진
이미지 7: 좌측 이미지: 플로어 크로스 멤버를 지나는 측면 충돌 하중 경로.
우측 이미지: 크로스 멤버 최적화 설정.
시뮬레이션된 Docol CR 1700M 크로스 멤버의 힘 변위 곡선을 보여 주는 그래프
이미지 8: 시뮬레이션된 Docol CR 1700M 크로스 멤버의 힘 변위 곡선. 라벨은 mm 단위의 반경 x 빔 두께를 나타냅니다. 여기에서 테스트한 크로스 빔의 프로파일 및 최우수 성능의 프로파일을 확인하시려면, Docol 연락처.
AHSS 강종은 항복점에 매우 높기 때문에, 압축 상태에서 작동하는 넓고 얇은 부품의 경우 “국부 좌굴” 현상을 고려해야 합니다: SSAB의 설계 안내서 참조. 국부 좌굴을 방지하는 방법 중 하나는 그루브(groove)를 사용하여 프로파일에서 넓은 면의 폭을 좁히고 재료 활용도를 높이는 것입니다.

이미지 8을 보면 명확히 알 수 있습니다: 1) 큰 반경이 작은 반경보다 우수합니다, 또한 2) 그루브는 국부 좌굴을 제거하여 커다란 효과를 나타냅니다 — 그루브는 힘이 이동할 수 있는 반경을 더 많이 제공합니다. 주목해야 할 점은 프로파일에 그루브가 1개 이상 있는 경우 표면적이 넓어져 동일한 무게를 유지하려면 두께가 더 얇은 게이지 Docol 1700M을 사용해야 한다는 것입니다.

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.

Docol EV 설계 콘셉트의 다음 단계는 무엇일까요?

당사는 OEM 기업 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 메시(cross mesh)를 제작하는 데 있어 3D 롤포밍 AHSS와 같은 혁신적인 요소들은 설계자가 축방향 하중 성능을 횡방향뿐만 아니라 종방향으로도 극대화시키는 방법에 이를 수 있는 길을 열어 줍니다.

BEV를 설계하실 때 AHSS 강종으로 처리하길 원하시는 해결 과제가 있습니까? 다음 프로젝트를 위해 저희와 상의하시는 것은 이르면 이를 수록 좋습니다.
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