Development of Smart ICT-Type Electronic External Short Circuit Tester for Secondary Batteries for Electric Vehicles

전기자동차용 2차전지를 위한 스마트 ICT형 전자식 외부 단락시험기 개발

Abstract

Recently, the use of large-capacity secondary batteries for electric vehicles is rapidly increasing, and accordingly, the demand for technologies and equipment for battery reliability evaluation is increasing significantly. The existing short circuit test equipment for evaluating the stability of the existing secondary battery consists of relays, MCs, and switches, so when a large current is energized during a short circuit, contact fusion failures occur frequently, resulting in high equipment maintenance and repair costs. There was a disadvantage that repeated testing was impossible. In this paper, we developed an electronic short circuit test device that realizes stable switching operation when a large-capacity power semiconductor switch is energized with a large current, and applied smart ICT technology to this electronic short circuit stability test system to achieve high speed and high precision through communication with the master. It is expected that the inspection history management system based on data measurement, database format and user interface will be utilized as essential inspection process equipment.

1. 서론

중국과 유럽, 미국을 중심으로 전기 승용차와 상용차의 상업화가 지속적으로 증가하다, 최근 급격히 성장하고 있으며, 배터리의 성능과 안정성이 핵심 경쟁요소가 되고 있다[1]. 글로벌 전기차의 시장전망은 2019년 8.49백만대에서 2025년 22.13 백만대로 증가할 것으로 예상되며, 연평균 성장률이 25.6(%)로서 높은 수요증가가 예상된다.

최근 전기차의 화재로 인해 세계적으로 자동차 메이커의 리콜과 함께 화재요인에 대한 원인규명이 진행되면서 배터리의 안정성 확보를 위한 평가기술 기준정립과 검사공정 장비에 대한 관심이 고조되고 있다[2].

또한, 태양광 발전 및 유휴전력 저장을 위한 ESS 용 중대형 배터리의 안정성 확보에 대한 요구사항이증가하고 있다. 2~3년전부터 ESS의 수요증가와 더불어 화재사고의 귀책요인이 배터리로 주목되면서중대형 배터리의 안정성 확보에 대한 요구가 높다.

중대형 2차전지에 대한 고출력 밀도화 제조기술 개발에 관심이 집중됨과 동시에, 제조공정의마지막 검사공정에서의 재품의 안정성 평가와 이력관리를 위한 검사기준의 체계화와 검사장비의수요가 크게 증가할 것으로 예상된다[3.4].

기존의 안정성 평가시험을 위한 단락 안정성검사장비는 기계식 스위치 방식으로써 릴레이, MC와 스위치 등으로 구성되고, 단락 인가 시 대전류 통전으로 인한 접점의 융착 고장이 빈번히발생하여 반복시험이 불가능하여 경제적, 시간적비용의 소모가 너무 큰 단점이 있었다.

이러한 단점을 해결하기 위해 전자식 단락 안정성 시험시스템에 스마트 ICT 기술을 접목하여 고속 고정밀 데이터 측정과 통신에 의한 데이터베이스화와 유저 인터페이싱에 의한 검사이력관리 시스템이 향후 꼭 필요한 제조공정 장비로 자리잡을 것으로 예상된다.

본 논문에서는 기존 기계식 외부 단락 안정성시험시스템의 단점을 개선한 대용량 전력반도체스위치를 사용한 전자식 단락시험 장치를 개발하고, 이에 의한 안정적인 반복 시험과 데이터 처리방법에 대해 연구 및 개발하였다.

2. 외부 단락시험 장치의 구성

2.1 내부 및 외부 단락에 대한 안정성 확보

전기자동차는 석유 자원의 고갈, 에너지 이용 효율, 지구 온난화의 환경 문제로 인해 새로운 운송수단으로 자리를 잡고 있다. 특히 최근 배터리의 고성능, 고출력화로 인해 더욱 가파른 보급 속도를 보이고 있다.

이에 따라 글로벌 자동차 제조사는 전기차를앞 다투어 출시하고 있다. 전기자동차에는 높은전력 및 에너지밀도, 낮은 자기방전, 높은 사이클수명을 갖는 리튬 배터리가 일반적으로 사용되고 있다. 리튬 배터리가 장착된 전기자동차는 친환경운송수단으로서 뛰어난 주행 성능을 제공하지만기존의 내연기관 자동차와 비교할 때 특히 화재안전성 확보가 매우 중요한 해결 과제이다[5].

Fig. 1은 2차전지의 내부 구조를 보여주고 있다.

Fig. 1 Inner structure of secondary battery

Fig. 2는 충돌 후 전기자동차에서 화재가 발생한 사례를 나타낸다. 전기자동차에 장착된 배터리의 화재 사고는 차량 충돌로 인한 기계적 손상, 배터리 침수, 과 충·방전으로 인한 전기적 남용과 같은 상황에서 발생하고, 이러한 원인 발생 시 배터리 셀의 내부 단락(ISC, Internal Short Circuit) 또는 외부 단락(ESC, External Short Circuit)으로 인한 열 폭주(Thermal runaway)로 화재 및 폭발이 발생되는 것으로 분석되고 있다[5].

Fig. 2 An electric car with a battery fire after a crash

Fig. 3 A battery that ignited and exploded during a heat exposure test

2.2 내부 및 외부 단락에 대한 시험방법

내부 단락은 배터리의 제조 공정상 문제 또는 과 충/방전에 의한 발생 가능성이 높고, 내부 단락 고장이 발생하면 자가 방전이 심화되어 배터리의 사용 효율이 감소하고 온도가 상승하여 열 폭주의 가능성이 커진다[1]. 배터리 내부 단락 고장검출 방법은 주로 등가회로 모델을 활용하는 방법이 주로 활용되고 있다[6].

단락 저항이 포함된 전기적 등가회로에서 배터리에 내부 단락이 발생하는 경우에 대한 단락저항크기별 발생하는 전압강하, 온도상승에 대한 영향성을 먼저 분석하는 것이 중요하다. 단락 저항이포함된 전기적 등가 회로 모델링으로부터 배터리의 운용 도중 측정된 전압과 전류를 이용하여 단락 저항 크기를 추정함으로써 단락 발생을 진단하는 연구 결과가 다수 발표되었다. 하지만 배터리가 노화되면서 발생하는 셀 간 편차가 존재하는 경우, 배터리의 온도 조건이 변경되는 경우 및 배터리의 충 방전 전류 패턴이 달라지는 경우 등을고려한 진단의 정확성을 확보하기 위한 추가 연구가 요구된다.

외부 단락은 주로 배터리 침수, 부하시스템의단락 고장 등으로 인해 순간적인 과전류 통전에의해 열 폭주가 일어나면서 배터리가 소손되는 문제를 발생시킨다[7,8].

외부 단락시험은 배터리의 각 공정상의 문제점여부와 단락과 같은 과부하시의 발화 유무에 대한검증을 위해서도 많이 필요한 안정성 확인 시험이 다. 또한, 배터리 운영 시스템에서 외부 단락 현상을 사전에 예지하여 배터리를 부하에서 분리하는 보호동작을 수행하기 위해서도 단락시험은 중요한 역할을 한다.

배터리에 외부단락이 발생하는 경우 배터리는정상 동작 범위를 벗어난 급격한 과전류 통전으로온도 상승과 급격한 전압 강하 현상이 일어난다. 그러므로 외부 단락시의 전압, 전류와 온도의 변동치와 변화율의 측정 데이터를 활용한다면 외부단락 상태를 감지 및 예측할 수 있다.

본 논문에서는 전기차의 주요 화재 발생 요인중 배터리의 외부 단락을 사전에 검출하기 위한전자식 외부 단락 시험장치를 개발하고 기존의 기계식 시험장치와 비교하고자 한다.

2.3 외부 단락시험과 시험장치의 종류

배터리의 외부 단락 특성을 측정하기 위한 측정 장치와 등가회로는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4 Basic configuration of ESC tester for battery

아래의 외부 단락시험의 구성에서 전류와 전압 센서도 정확한 측정을 위해 중요하지만, 가장 중요한 부분은 순간적인 단락 대전류 통전을 안정적이면서도 이론적으로 영 저항으로 통전할 수 있게 해야 하는 스위치가 가장 중요하다.

기존의 대부분의 외부 단락시험 측정장치에서는 순간적인 대전류 통전에 대한 안정성의 이유로 스위치부를 기계식의 스위치를 사용해 왔다. 또한 부하저항은 단락시의 전류 크기를 계산하여 적정치를 삽입할 수 있다.

Fig. 5 ESC tester using mechanical switches

이러한 기계식 단락 시험기에서는 초기 스위치온과 오프시의 급격한 전압변화와 대전류로 인해면 접촉보다는 점 접촉이 일어나기 쉬우므로, 이러한 점 접촉점에 대전류 통전에 의한 아크가 발생하여 접점의 온도가 순간적으로 크게 증가하여 융착이 발생하게 된다. 그러므로 단락시험의 횟수가 제 한적이며, 주기적으로 값비싼 기계식 스위치를 교환또는 수리를 하는 비용과 시간의 단점이 발생한다.

또한 이러한 융착에 의한 외부회로의 저항이달라지므로 외부 단락 전압과 전류의 정확한 측정에도 영향을 미치게 된다.

또한 기계식 접촉으로 인해 정확한 단락 시점을 측정하기 어려워, 요즘의 스마트 ICT형 측정장비에서 단락시험 측정 데이터의 처리(acquisition) 에 불리하다.

반면에 본 논문에서 제안하는 전자식 단락시험장치는 고전압 대전력 반도체 스위칭 소자를 전자회로에 의해 제어하여 스위치-온과 오프를 하므로스위칭 시간이 매우 빠르다. 또한 ns~ms 시간동안 스위칭이 되고 전력반도체 소자의 전자 흐름에의해 대전류가 통전되므로 기계식 단락시험 장치에서와 같은 융착이 일어나지 않는다.

2.4 전자식 외부 단락시험기 개발과 측정 결과

Fig. 6은 온도 변화율 및 전압, 전류의 크기가 설정한 값보다 큰 경우 외부 단락을 검출하는 기술적 방법을 나타낸다[5]. 배터리의 외부 단락이 발생한 경우의 전압과 전류의 변화, 온도 변화를 활용한 외부 단락 검출의 알고리듬을 보여주고 있다

Fig. 6 Diagnostic alorithm for ESC anomaly detection

이러한 외부 단락에 대한 정확한 판단을 위해서는 외부 단락시험의 정확도 있는 데이터의 취득이 필요하다.

외부 단락사고를 상정하여, 외부 단락시 측정된 데이터를 기준으로 상정된 전압이 외부 단락전압보다 낮아지거나 온도 상승이 더 커지거나, 전류가 외부 단락전류보다 커지게 되면 외부 단락이 발생한 것으로 판단하여 배터리의 동작을 긴급 정지하여 추가적인 피해를 방지할 수 있다. 이를 위해서는 외부 단락시험이 필수적으로 필요하다. 또 한, 2차전지 각 공정에서의 문제점이나 불량 요인을 검출하는데도 외부 단락에 의한 대전류 통전으로 그 취약 포인트를 쉽게 찾아낼 수 있다.

기존의 기계식 외부 단락 시험기는 시간지연, 접점의 큰 저항과 불균일성, 단락의 안정성 측면에서 다소의 문제가 존재하였다. 가장 큰 문제는 기계식 스위치의 융착에 의해 반복시험의 회수가 제한적인 문제점이다.

본 논문에서 개발한 전자식 외부 단락시험 장치는 대전력용 전력용 반도체 소자를 활용함으로 써, 시간 지연 없는 빠른 단락시점의 예측이 가능하고 접촉저항이 균일하게 낮으며 반복적인 테스트가 가능한 내구성을 가진다.

이에 활용되는 전력반도체 스위칭 소자는 단락시험에 적용되는 배터리의 전압과 전류 사양에 따라 MosFET, IGBT, SCR 등을 선별하여 적용할 수 있다.

Table 1은 개발된 전자식 외부 단락시험장치의주요 사양을 보여주고 있다.

Table 1. Specification of electronic ESC tester

Fig. 7은 전자식 외부 단락시험기의 시스템 구성을 보여준다.

Fig. 7 System configuration of ESC tester

전자식 외부 단락시험기의 가장 핵심기술은 ns 의 아주 짧은 시간동안 안정적인 스위칭 온이 되길 위한 스위치 게이트-온 기술이 요구된다. 그리고 스위치-온과 오프시에 발생하는 대전류의 급격한 변동에 의한 스파이크 전압 충격에서 전력용반도체 스위치를 보호하기 위한 주변회로의 설계가 매우 중요하다.

Fig. 8은 본 연구에 활용된 전력용 반도체 스위치의 게이트 제어회로를 보여주고 있다(이 부분은대전력 스위칭의 노하우 기술로 인해 자세한 설계구조와 파라미터는 생략하고자 한다).

Fig. 8 Control circuit of electronic switch for ESC tester

전자식 단락시험장치에서는 Fig. 9와 같이 피 시험 대상 2차전지의 사양에 따라, 시험하고자 하는 외부 저항을 단락 시험용 저항기의 부하저항(2 ~60mΩ)에 2차전지의 양극 단자를 편조선를 이용하여 연결하여 단락전류를 제한할 수 있다.

Fig. 9 Connection of external resistance device with electronic ESC tester

이때, 단락전류는 주로 대전류용 CT(Current Transducer)에 의해 측정하고, 전자식 단락시험기의 스위치-온 신호와 동시에 전류와 전압특성을 측정하고 이를 DAQ 시스템에 연결하여 데이터를 축적한다.

다음의 Fig. 10은 본 연구에서 개발된 전자식 외부 단락시험기를 활용해 측정한 전압, 전류, 온도의 측정결과를 보여주고 있다. 특히 (b)는 가장 중요한 단락 초기의 과도상태의 확대한 측정 결과이다.

Fig. 10 Measured transient data of ESC test

Fig. 11은 본 연구에서 개발된 단채널형과 다채널형 외부 Connection of external resistance device with electronic ESC tester단락시험기의 배터리접점 부위를 중심으로 한 외형도를 보여주고 있다.

Fig. 11 Prototype equipment electronic ESC tester

이러한 전자식 외부 단락시험에 의해 측정된순시 전압, 전류, 온도 등의 데이터는 이더넷 통신에 의해 Fig. 12와 같은 DAQ 프로그램에 의해실시간 디스플레이와 동시에 DB에 저장되어 사용자의 효용성을 높였다.

Fig. 12 ESC tester operating program showing the main screen configuration

본 연구에서 개발된 전자식 단락시험기를 기존에 자체 제작한 기계식 단락시험기와 비교한 결과는 Table 2와 같다.

Table 2. Comparison of mechanical and electronic method ESC tester

전자식 단락시험기는 안정되고 내구성 있는 단락 상황을 인가하고 단락 시점 이후의 정확한 순시 측정이 가능한 장점이 있지만, Table 1과 같이 50,000[A] 이상의 대전류 단락에는 제한성을 가진 다. 본 연구에서는 Table 2의 전자식과 기계식의장단점을 융합한 하이브리드 외부 단락시험기도 Fig. 13과 같이 설계하고 이를 제작하였다.

이러한 하이브리드 외부 단락시험기는 보다 다양한 요구 사양의 외부 단락시험에 활용될 것으로 사료된다.

Fig. 13 Configuration diagram of hybrid ESC tester

3. 결론

기존의 2차전지의 안정성 평가를 위한 기존의 단락 시험기는 릴레이, MC와 기계식 스위치 등을 사용하여 단락시의 대전류가 통전되었을 때 접점의 융착 고장이 빈번히 발생하여 장비의 유지, 보수비용이 높으며 반복적인 시험이 불가능한 단점이 존재하였다. 이를 보완하기 위해 온도 변화율 및 전압, 전류의 크기가 설정한 값보다 큰 경우 외부 단락을 검출하는 기술적 방법과 대전력용 반도체 소자를 활용하여 짧은 지연시간과 신속한 단락시점 예측가능, 높은 내구성을 가지는 전자식 단락 시험기와 시스템 구성을 제안하였다. 나아가 기계식과 전자식의 장점을 접목한 하이브리드 외부 단락 시험기로 다양한 요구 사양의 외부 단락시험에 활용될 수 있으며 스마트 ICT 기술을 접목하여 고속, 고정밀 데이터 측정과 데이터베이스 화, 유저인터페이스에 의한 검사 이력관리 시스템이 꼭 필요한 검사공정 장비로 활용될 것으로 사 료된다.