추상적인
전압 측정 오류로 인해 리튬 이온 배터리가 과충전되어 내부 가스가 생성되고 열이 발생하여 제어할 수 없는 가열이 발생할 수 있습니다. 이러한 위험을 줄이기 위해 원통형 배터리에는 압력 완화 밸브 역할을 하는 전류 차단 장치(CID)가 장착되어 있습니다. 내부 압력이 상승하면 CID는 배터리 내부 회로를 분리할 수 있습니다. 그러나 이러한 단선으로 인해 배터리의 저항이 갑자기 높아져 직렬 연결된 배터리에 심각한 문제가 발생합니다. 이 구성에서는 분리된 배터리에서 일부 또는 전체 시스템 전압이 떨어질 수 있으며 이로 인해 아크 발생 가능성이 크게 높아집니다. 이러한 유형의 아크는 빠져나가는 가연성 가스를 발화시켜 치명적인 고장을 초래할 수 있습니다.
NMC(니켈 망간 코발트), NCA(니켈 코발트 알루미늄), LFP(리튬 철 인산염) 등 세 가지 배터리 화학자를 대상으로 실시한 일련의 테스트에서 시스템 전압을 초과하는 경우 CID의 안전한 작동을 보장할 수 없는 것으로 나타났습니다. 120V. 공칭 배터리 전압의 두 배에서의 비교 테스트에서는 동일한 동작이 나타나지 않았지만 이러한 결과는 정격 전압의 두 배에서의 테스트를 권장하는 현재 안전 표준이 관련된 위험을 완전히 해결하지 못할 수 있음을 시사합니다. 추가 테스트에 따르면 배터리와 CID 사이의 직렬 연결은 본질적으로 위험한 것으로 나타났습니다. 최악의 경우 전체 시스템 전압이 단일 배터리에 집중되어 시스템 오류가 발생할 수 있기 때문입니다.
1. 소개
전기전자 공학의 발전으로 현대 생활은 스마트폰, 태블릿, 전기 자전거, 전기 자동차, 전동 공구, 가정용 에너지 저장 시스템과 같은 장치에 크게 의존하고 있습니다. IEC 61140 표준에 따라 이러한 장치는 60V AC 및 120V DC 미만의 장치와 최대 1000V AC 및 1500V DC의 전압 범위를 갖는 장치의 두 가지 전압 레벨로 나눌 수 있습니다.
전자에는 전동공구, 전기자전거, 노트북, 휴대폰 등이 포함되며, 일반적으로 전압이 극도로 낮아 안전하다고 간주됩니다. 후자는 공칭 전압이 400V DC ~ 800V DC인 전기 자동차와 같은 저전압 범위 장비라고도 합니다. 전기 자동차 및 기타 응용 분야는 최대 전압이 4.2V인 리튬 이온 배터리에서 필요한 작동 전력을 얻습니다. 일반적으로 이 전압 수준은 스마트폰에는 충분하지만 전기 자전거(36V DC)와 전기 자동차(400V DC)의 경우 각각 약 10개와 96개의 배터리를 직렬로 연결해야 합니다.
리튬 이온 배터리는 특히 과충전 반응에 민감하며, 이로 인해 배터리 내부에 가스가 형성될 수 있습니다. 각 배터리가 올바른 범위 내에서 작동하는지 확인하기 위해 배터리에 배터리 관리 시스템(BMS)을 사용하여 매개변수와 범위를 모니터링합니다. 또한 원통형 배터리에는 배터리 내부의 분해 반응으로 인한 가스 생성 및 압력 상승이 발생할 경우 배터리 내부 회로를 차단하는 데 사용되는 전류 차단 장치(CID)와 같은 수동 안전 시스템이 장착되어 있습니다.
CID의 단선으로 인해 아크 발생 위험이 증가하므로 CID가 있는 배터리를 직렬로 사용하면 위험한지 의문이 생깁니다. 예를 들어, 400V 시스템을 갖춘 전기 자동차는 단일 배터리 전압이 공칭 전압의 두 배를 초과하여 매우 높아지는 기술적 문제에 직면할 수 있습니다. 이 경우, 전기차 배터리 승인 시 진행되는 테스트는 의미가 없다. 이런 상황에서 CID를 사용하면 위험한 상황이 발생할 수 있기 때문이다.
이 질문에 대한 최선의 답을 찾기 위해 이 기사에서는 전기 및 하이브리드 전기 자동차 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 다양한 전압 수준(120V DC ~ 800V DC)에서 광범위한 테스트를 수행했습니다.
2. 이론적 배경
과충전의 결과:과충전은 배터리 애플리케이션에서 가장 중요한 상황 중 하나입니다. 완전 방전에 비해 과충전의 결과는 더 심각하여 전해질과 음극 물질의 분해는 물론 전극과 다른 배터리 구성 요소 간의 부작용으로 이어져 화재나 폭발과 같은 치명적인 배터리 고장을 초래할 수 있습니다.
과충전 이유:충전 컨트롤러 오류, BMS 오류 또는 잘못된 전압 측정 등이 포함됩니다. 예를 들어, BMS가 잘못된 전압 값을 기준으로 배터리 균형을 맞추면 궁극적으로 과충전 및 잠재적인 열폭주로 이어질 수 있습니다.
배터리의 내부 반응:배터리에 사용되는 재료와 화학물질에 따라 양극 분해 과정에서 산소가 생성됩니다(충전 상태 및 양극재에 따라 다름). 산소는 탄소 및 전해질 용매와 반응하여 일산화탄소, 이산화탄소, 수소와 같은 가연성 가스를 방출합니다. 이 경우 리튬니켈망간코발트 전극(NMC 622, NMC 811)과 리튬니켈코발트알루미늄 전극(NCA)이 임계성을 입증하는 반면, 인산철리튬 전극은 독성 일산화탄소 가스 방출이 적어 가장 안전한 소재로 꼽힌다. 전해질은 배터리에서 가스 발생을 담당하는 주요 요소이며, 각 배터리에서 가스가 형성되면 고압이 발생합니다. 리튬 이온 배터리로 환경을 밀봉함으로써 생성된 가스가 빠져나가고 안정적인 금속 쉘과 함께 가스 압력은 최대 20bar에 도달할 수 있습니다. 통제할 수 없는 고장이 발생하면 이러한 가스가 폭발할 수 있습니다.
안전 장치:에너지 저장 장비의 잠재적인 위험을 줄이기 위해 다양한 안전 장치와 제어 메커니즘이 채택됩니다. 배터리 수준에서는 PTC(Positive 온도 계수) 장치, CID(전류 차단 장치) 등 내부 안전 수단을 사용하고, 시스템 수준에서는 배터리를 지속적으로 모니터링하기 위한 외부 안전 수단으로 BMS를 사용합니다. PTC는 가열 중에 저항을 높이고 전류 흐름을 줄이는 반면, CID는 상단 디스크와 하단 디스크로 구성됩니다. 과충전으로 인해 압력이 증가하면 상단 디스크가 구부러지고 용접 조인트가 파손되어 활성 물질과의 전류 경로가 분리됩니다. CID를 트리거하는 것은 부하가 걸린 상태에서 스위치를 여는 것과 비슷하며, 이로 인해 아크가 점화될 수 있습니다. CID가 있는 원통형 배터리의 경우 18V의 전압이면 아크를 생성하기에 충분합니다. 직렬 연결에서는 단일 배터리가 이렇게 높은 전압 값에 도달하지 못할 수도 있지만 시스템에서 발생할 수 있으며, 이로 인해 배터리 하나에 전압이 집중되어 특히 위험할 수 있습니다.
테스트 표준:위험물 운송에 관한 유엔 권고 사항은 배터리 테스트에 매우 중요하며, 그 중 UN 38.3 T3은 과충전 테스트를 포함한 여러 테스트 요구 사항을 지정합니다. 이 표준에 따르면 과충전 테스트는 배터리를 남용할 경우 위험한지 여부를 판단하는 것으로, 테스트 중에는 배터리를 최대 충전 전압의 2배로 충전해야 합니다. UN ECE 규정 No. 100은 전기 자동차 배터리의 과충전 테스트를 설명하는 유럽 연합의 전기 자동차 승인에 대한 법적 근거입니다. FreedomCAR 전기 에너지 저장 시스템 남용 테스트 매뉴얼도 중요한 표준 중 하나입니다. 과충전 테스트를 위해 이 표준은 일정한 DC 충전 전류를 사용하며 전압은 정상 전압의 두 배로 설정되어야 합니다. 이러한 표준은 배터리가 모듈에 직렬로 설치되고 전압이 더 높을 수 있어 CID 연결이 끊어질 때 아크 위험이 증가하므로 실제 응용 분야의 요구 사항을 항상 충족하지는 않습니다.
3. 실험부
실험 설계:과충전 테스트에서는 화학적 특성이 다른 3개의 배터리(LFP, NMC, NCA)를 사용하여 비교 거동 분석을 수행했습니다. 이들 배터리를 선택한 이유는 LFP는 과충전 반응이 약하고, NMC 전극은 음극재로 반응성이 더 강하며, NCA 산화물은 산소를 방출해 열폭주를 유발하기 때문이다. 배터리 선택은 배터리에 CID가 있어야 한다는 주요 기준을 기반으로 합니다. 실험에 앞서 배터리 종류별 샘플을 개봉하여 검사하였다.
테스트 장치:테스트 장치에는 전원 회로와 측정 회로가 포함됩니다. 측정 회로에는 고전압 측정 모듈, 전류 클램프, 온도 센서 및 데이터 수집 장비가 포함됩니다. 전원 회로는 전압원, 부하 접촉기 및 배터리로 구성됩니다. 과충전 남용 테스트는 실외 테스트 시설에서 수행되었으며 고화질 카메라와 적외선 카메라를 사용하여 이벤트를 기록했습니다.
테스트 과정:테스트는 FreedomCAR 테스트 사양에 따라 수행되지만 배터리의 정상 작동 온도에서 수행됩니다. 시험 장비는 정격 전압의 2배로 충전되며, 배터리의 반응 상태와 관계없이 30분 후에 데이터 수집이 중단됩니다. 배터리 반응은 EUCAR 위험 수준을 사용하여 평가되었으며, 배터리 동작을 8가지 위험 수준으로 나눴습니다. 배터리의 안전한 동작을 나타내기 위해 세 가지 색상 수준을 정의하고 이진 로지스틱 회귀 분석을 수행했습니다.
테스트 매개변수:대부분의 전기 자동차는 이러한 전압 범위 내에 있으므로 120V, 400V 및 800V의 전압 레벨에서 각 배터리에 대해 10번의 테스트를 수행합니다. 위험이 전압에 비례하는지 확인하기 위해 더 높은 전압 레벨에서 이중 정격 전압이 발생하는 상황과 FreedomCar 과충전 테스트를 비교했습니다. 제조사의 배터리 데이터 시트에 따르면, 각 배터리의 전류 레벨은 NCA 및 NMC 배터리는 4A, LFP 배터리는 1.5A로 설정되어 선택되었습니다. 배터리는 CID가 충전 흐름을 중단하거나 테스트가 종료될 때까지 충전되며 각 테스트는 30분 동안 지속됩니다.
데이터 분석:SPSS 소프트웨어는 배터리의 안전성에 중점을 두고 데이터의 통계적 평가에 사용됩니다. 이진 로지스틱 회귀는 "안전함" 또는 "안전하지 않음"의 이진 표현을 기반으로 평가하는 데 사용됩니다. 테스트의 통계적 평가에는 이산(설명) 부분과 분석(추론) 부분이 포함됩니다. 테스트는 화학적 특성(이산 범주형 변수), 전압(연속 비율 척도 변수) 및 테스트 결과(이진 0-1 변수, 안전 및 안전하지 않음)의 세 가지 변수를 사용하여 설명할 수 있습니다.
4. 결과
테스트 결과 분류:원시 데이터의 개요를 제공하기 위해 테스트 시리즈에 대해 위험 수준이 3-5인 세 가지 범주가 정의되었습니다.
CID를 올바르게 트리거하는 동작:첫 번째 테스트 결과 카테고리에는 CID(위험 수준 3)의 올바른 동작에 대한 데이터가 요약되어 있습니다. 테스트한 모든 배터리는 10분 동안 과충전된 후 내부 공기압이 CID를 열 만큼 충분해 배터리 소진(전류 저하, 전압 상승)이 발생했습니다. CID는 전류 흐름을 올바르게 차단하고 배터리의 추가 과충전을 방지했으며, 안전 상태로 분류되고 위험 수준 3(녹색 안전 동작)으로 표시되었습니다.
CID가 잘못된 동작을 유발했습니다.두 번째 범주는 CID가 전류 흐름을 부분적으로 중단하여 강한 연기와 온도 상승을 초래하는 CID로 인한 잘못된 동작을 요약하고 안전하지 않은 상태 위험 수준 4(노란색의 안전하지 않은 동작)로 분류됩니다.
CID 오류로 인해 발생한 동작:마지막 범주에는 CID 오류로 인해 발생하는 데이터가 포함됩니다. CID는 전류와 전압을 잠깐 또는 완전히만 분리할 수 있으므로 배터리 과충전을 방지할 수 없어 궁극적으로 배터리 연소 또는 폭발로 이어질 수 있으며 위험 수준 5 이상의 안전하지 않은 상태(빨간색)로 분류됩니다. 안전하지 않은 행동).
5. 토론
테스트 표준의 한계:FreedomCAR의 배터리 테스트 표준에 따르면 배터리를 안전한 한계까지 밀어넣는 것은 어렵습니다. 즉, 정격 전압의 두 배로 과충전되면 배터리는 극한까지 밀어붙이지 않으며 위험한 동작을 나타내지 않습니다. 이 전압 범위(2-5V) 내에서 CID는 배터리를 점화하지 않고도 양극과 음극을 올바르게 분리할 수 있습니다. 그러나 테스트 표준은 리튬 배터리의 실제 사용을 반영하지 않습니다. 에너지 저장 시장에는 최대 800V의 전압을 갖춘 더 높은 상호 연결된 직렬 스위칭 시스템이 있습니다.
다양한 화학적 특성을 지닌 배터리의 성능:120V 시리즈 테스트 결과를 보면 NMC와 NCA 화학전지가 첫 번째로 중요한 배터리 거동을 보인 반면, LFP 화학전지는 상대적으로 안전해 위험도 5 이상의 발화나 화재가 발생하지 않았다. 400V 테스트에서 NMC 및 NCA 화학 배터리의 임계 조건은 120V 테스트에 비해 두 배로 증가했지만 LFP 배터리는 여전히 중요하지 않은 것으로 간주될 수 있습니다. 800V 테스트에서는 점화 단계에서 NMC와 NCA 배터리의 성능이 거의 동일했고, LFP 배터리는 120V 및 400V 테스트 시리즈와 비교하여 첫 번째 핵심 동작을 보였습니다.
안전하지 않은 행동의 이유:"안전하지 않음"으로 분류된 모든 배터리의 경우 에너지 공급을 중단할 수 없습니다. 즉, 충전 전류를 중단할 수 없습니다. 이는 CID가 트리거될 때 생성된 아크로 인해 충전 전류가 계속 흐르게 되어 충전 전류가 중단될 수 있기 때문일 수 있습니다. 양극과 음극 사이의 작은 접촉점으로 인해 높은 전류 밀도가 발생합니다. 또한 CID가 트리거될 때 생성되는 두 접점 사이의 거리가 매우 짧아서 항복 전압도 증가하고 아크가 발생할 수 있습니다.
6. 결론
현재 표준의 단점:모든 테스트 시리즈의 결과를 토대로 배터리 시스템의 배터리 안전성 테스트에 대한 현재 표준이 불충분하다는 결론을 내릴 수 있습니다. 직렬로 연결된 원통형 배터리의 배터리 시스템에서는 높은 시스템 전압 하에서 CID의 단선으로 인해 임계 아크가 형성되어 배터리 연소 또는 폭발이 발생할 수 있습니다. 따라서 배터리 시스템에 배터리가 직렬로 연결된 경우 정격 전압의 두 배에서 배터리 테스트를 하는 것은 배터리의 안전한 동작에 중요하지 않으며 현행 표준을 개정해야 합니다. 배터리 수준에서 수행되는 테스트는 최소한 설치 및 작동을 위해 계획된 배터리 시스템의 최대 전압 수준에 도달하는 것이 좋습니다.
CID 신청 시 고려사항:매우 높은 전압으로 배터리를 과충전하면 위험 가능성이 높아지는 것으로 나타났습니다. 따라서 CID가 있는 다수의 배터리를 배터리 시스템에 직렬로 사용하는 경우 CID를 트리거하면 치명적인 배터리 고장이 발생할 수 있으므로 해당 애플리케이션을 재고해야 합니다. 이 문제에 대한 대안적인 해결책은 이러한 높은 전압을 견딜 수 있는 CID 배터리를 설계하는 것입니다.