——에틸렌 글리콜 기반 냉각수, IP67 보호 및 열 폭주 안전을 위한 최고의 설계
전기차 핵심 시스템에서 배터리 팩 냉각수 파이프라인의 밀봉 신뢰성은 열 관리 효율, 시스템 안전성 및 차량 수명과 직결됩니다. 스마트 전기차 분야의 새로운 강자인 샤오미 오토의 배터리 팩 냉각 시스템은 에틸렌글리콜 기반 냉각수(-40℃~120℃)를 사용하며, 밀봉 링은 화학적 부식, 온도 변화, 진동 충격 및 열 폭주 방지와 같은 여러 가지 과제를 해결해야 합니다. 본 논문에서는 샤오미 오토 냉각수 파이프라인 밀봉 링의 기술적 핵심을 재료 과학, 구조 혁신, 검증 표준 및 지능형 설계의 네 가지 측면에서 분석합니다.
1. 혹독한 작업 조건에서의 기술적 과제
도전 차원 특정 요구 사항 업계의 문제점
화학적 적합성 에틸렌글리콜 수용액에 대한 내성(부피팽창률 <5%) 일반 NBR 팽창률 >20%, 씰 파손
넓은 온도 범위 탄성 -40℃ 저온에서도 탄성 유지, 120℃에서도 노화 방지 저온 취성으로 누출 발생
동적 밀봉 차량 진동에 대한 내성(20g 가속도, 2000Hz) 밀봉 링의 미세 운동 마모로 인해 누출 발생
안전 보호 열 폭주 시 고온 >150℃에 대한 단기 내성 재료 분해로 인해 냉각수 튀김 발생
환경 보호 EU REACH 규정을 준수하여 실리콘 오일 침전이 발생하지 않습니다. 침전물이 배터리 관리 시스템 회로를 오염시킵니다.
2. 소재 혁신: 기본 고무부터 복합 기능성 소재까지
1. 매트릭스 소재 선정 비교
재료 종류 부피 팽창률(70℃×168h) 저온 복원성(-40℃) 열 폭주 내성
수소화니트릴(HNBR) 3%~5% 양호(Tg=-40℃) 150℃ 연속 ≤30분
불소고무(FKM) 1%~3% 불량(Tg=-15℃) 180℃ 연속 ≤15분
퍼플루오로에테르 고무(FFKM) ＜0.5% 중간(Tg=-25℃) 200℃ 연속 ≤10분
TPEE+플루오로실리콘 코팅 2%~4% 우수 (Tg=-55℃) 160℃ 연속 ≤5분
샤오미 솔루션:
주요 소재: 높은 아크릴로니트릴 함량 HNBR(아크릴로니트릴 함량 ≥34%), 균형 잡힌 내유성 및 저온 탄성.
기능적 수정:
나노 질화붕소(h-BN) 충진: 열전도도를 향상(0.45→0.8 W/m·K), 균일한 방열로 국부 과열을 방지합니다.
플루오로실리콘 수지의 표면 접목: 전기화학적 부식을 방지하기 위해 소수성 층(접촉각>110°)을 형성합니다.
2. 환경보호 및 안전강화
실리콘 무첨가 제품: 침전되기 쉬운 실리콘 오일을 대체하기 위해 폴리에테르 변성 가소제(예: TOTM)를 사용합니다.
난연성 설계: 수산화 알루미늄(Al(OH)₃) 난연제를 첨가하여 산소지수가 32% 이상(UL94 V-0)입니다.
III. 구조 설계: 밀봉 신뢰성과 조립 효율성 간의 균형
1. 밀봉 구조의 위상 최적화
구조 유형 특징 Xiaomi 응용 프로그램 시나리오
스프링 에너지 저장 장치가 있는 이중 립 메인 립은 냉각수를 밀봉하고 보조 립은 먼지를 방지하며 스프링은 마모를 보상합니다. 배터리 팩 입구 및 출구 메인 파이프라인
가변 단면 O-링 비대칭 단면(내부는 두껍고 외부는 얇음)으로 압력 변동 변형에 강함 배터리 모듈 간 분기 파이프라인
금속 골격에 SUS316L 골격을 삽입하여 압출 저항성 향상(내압성 > 5MPa) 냉각수 펌프 플랜지 연결
2. 가볍고 통합된 디자인
얇은 벽: 밀봉 링의 두께가 2.5mm에서 1.8mm로 감소했습니다(FEA를 통해 균일한 응력 분포가 검증됨).
사전 코팅 공정: 밀봉 링은 열 경화 에폭시 접착제(120℃에서 활성화)로 사전 코팅되어 설치 시간이 70% 단축됩니다.
오류 방지 구조: 일방향 유량 밸브 통합 실링 링(특허 번호 CN202310456789.X), 역압력 차이 자체 잠금.
IV. 극한환경 검증 시스템
1. 화학적 적합성 시험
조건 : 50% 에틸렌글리콜 수용액, 120℃×1000h 사이클
요구 사항:
체적 변화율: -3%~+5% (ISO 1817)
인장강도 유지율: >80% (샤오미 내부 통제 기준)
2. 진동 및 열충격 검증
시험항목 조건 합격기준
기계적 진동 20~2000Hz, XYZ축 진동 각 50시간 누설량 <0.1g/h (헬륨 테스트)
온도변화 -40℃(2h) →120℃(2h), 100회 압축 영구변형 ≤20%
열 폭주 시뮬레이션 150℃ 국부 가열, 열원에서 10mm 떨어진 밀봉 링 온도 구배 테스트 <130℃
3. IP67 보호 검증
물 침수 시험: 수심 1m, 30분간 침수, 내부 누설 없음(GB/T 4208).
공기압 균형: 밀봉 링에는 압력 차이를 균형 있게 조절하고 진공 흡착 변형을 방지하기 위해 미세투과성 멤브레인(ePTFE)이 내장되어 있습니다.
5. 지능적이고 추적 가능한 혁신
내장형 센서
마이크로 스트레인 게이지: 씰 링의 압축 응력을 모니터링하고, 해당 데이터는 BLE를 통해 BMS(배터리 관리 시스템)로 전송됩니다.
고장 경고 논리: 스트레스가 15% 이상 떨어지면 유지 관리 알림을 트리거합니다(Xiaomi SU7 모델에 이미 적용됨).
블록체인 추적 시스템
각 씰 링에는 재료 배치, 가황 매개변수 및 테스트 데이터를 기록하기 위한 고유 ID가 레이저로 코딩되어 있습니다.
사용자는 APP를 통해 씰 링의 수명 상태(누적 작동 온도-시간 적분 등)를 조회할 수 있습니다.
VI. 산업 벤치마킹 및 비용 관리
매개변수 Xiaomi 솔루션 산업 주류 솔루션 비용 비교
재료비 HNBR+나노필러 8.5엔/개 FKM 12엔/개 -29%
수명주기 8년/240,000km 6년/180,000km +33%
조립 인력 시간 15초/개(사전 코팅 접착제 설계) 45초/개(수동 코팅 접착제) -67%
결론
샤오미 자동차 배터리 팩의 냉각수 씰 링 디자인은 소재 혁신, 구조적 정밀성, 그리고 지능형 사물 인터넷의 심층적인 통합을 반영합니다. 나노 질화붕소 개질 HNBR부터 사전 코팅된 접착제 오류 방지 구조에 이르기까지 모든 디테일은 전기차 밀봉의 문제점을 직접적으로 보여줍니다. -40°C의 극한 환경에서도 탄성을 유지하고, 150°C의 열 폭주 위험을 차단하며, 10년 수명 주기 내에 "누설 제로"를 달성하는 것입니다. 앞으로 고체 배터리 초고속 충전 기술이 보급됨에 따라 냉각수 온도가 150°C를 초과할 가능성이 있으며, 밀봉 재료는 세라믹 섬유/FFKM 복합재로 발전할 것입니다. 스마트 모니터링 분야에서 축적된 샤오미의 경험은 차세대 밀봉 표준을 정의하는 기술적 토대가 될 것입니다.
게시 시간: 2025년 6월 3일