[논문]리튬 2차전지 모듈의 전장운용을 위한 안전성 평가기법 연구

유은지

doi:10.9766/kimst.2014.17.3.378

문제 정의

본 연구 결과는 다양한 전장 운용 모사 환경에서 리튬 2차전지의 군적용 가능성을 검토하였다는 점에서의의를 가진다. 또한 전지 안전성 평가 방법 및 기준을 정확히 모사함으로써 민수용 전지의 군용 활용을 위한 안전성 평가 기법의 새로운 기준을 제시하였다.
1). 본 논문에서는 60 Ah급 리튬 2차전지 모듈의 군용 운용 가능성을 검증하기 위하여 군용안전성 평가항목을 선별하여 평가하였다. 이를 위해 전장운용 환경을 모사 반영함에 있어서 필수적으로 검증이 필요한 탄자충격, 파편충격, 급속가열, 완속가열 시험에 대해 MIL-STD-2105D 규격을 바탕으로 한 안전성 시험기법을 연구하였고, 2차전지 모듈의 안전성 평가에 적용하였다.
본 연구 결과는 다양한 전장 운용 모사 환경에서 리튬 2차전지의 군적용 가능성을 검토하였다는 점에서의의를 가진다. 또한 전지 안전성 평가 방법 및 기준을 정확히 모사함으로써 민수용 전지의 군용 활용을 위한 안전성 평가 기법의 새로운 기준을 제시하였다.
완속가열시험은 전지 모듈이 포함되어 있는 쉘터내에 장시간 고열이 유입되는 전장 상황을 모사하여 이에 대한 안전성을 확인하는데 목적이 있다.
탄자충격시험은 전시상황에서 탄자에 의해 전지 모듈이 영향을 받을 경우 전지 모듈의 안전성을 검증하는데 목적이 있다. 전지 모듈은 전원을 공급하기 위한 목적으로 각종 통신장치 및 병사와 근접한 거리에 위치하고 있다.
파편충격시험은 전시 상황에서 파편이 매우 빠른 속도로 전지 모듈에 충격을 가할 경우 전지 모듈의 반응도를 파악하는데 목적이 있다. 전지 모듈이 쉘터내부 또는 외부에 노출되어 있을 시, 폭격에 의한 1차 피해 외에도 포탄이나 기타 파편에 의해 2차적으로 손상이 가해질 수 있기 때문에 이에 대한 안전성 검증이 필수적이다.

가설 설정

3 ℃/hr의 속도로 반응이 일어날 때까지 가열하여 전지 모듈의 반응현상을 확인하였다. 본 시험에서는 단전지 시험 결과를 바탕으로 전지 모듈의 반응 시작점을 130～180℃로 가정하였다.

제안 방법

지금까지 리튬 2차전지를 군용 전원으로 활용하기 위해서 전장 운용 환경을 모사 반영한 안전성 평가 및 검증을 실시하였다. MIL-STD-2105D, STANAG 규격을 수정반영하여 탄자충격, 파편충격, 급속가열, 완속가열 시험의 평가를 수행하였다. 군용 안전성 평가 결과, 탄자충격과 파편충격 시험은 폭연 등급, 급속가열과 완속가열 시험은 연소 등급으로 MIL 규격에 의거한 안전성 판정 기준을 모두 만족하였다(Table 2).
세부적인 리튬 2차전지 모듈의 사양은 Table 1에 정리하였다. 또한 60 Ah급 2차전지 모듈의 요구건 만족 여부를 판단하기 위해 기본기능 및 성능검사를 진행하였고, MIL-STD-810F^[2] 규격을 근거로 하여 고온저장/동작, 저온저장/동작, 습도, 진동, 충격 시험에 대한 환경적합성 평가를 완료하였다.
또한, 오작동으로 인한 열폭주 상황에서 전지 안전성을 확보하기 위해 벤트 구조를 적용하였다. 전지 내부에서 발생된 가스로 인해 내부 압력이 상승하는 경우, 내부 압력보다 취약하게 설계된 벤트가 찢어지면서 압력을 배출한다.
가열 시작 후 전지 모듈은 15분 이상 화염에 노출되어야 하고, 점화 후 2개의 열전대로 측정했을 때 30초 이내에 화염의 온도가 550 ℃에 도달해야 하며, 시험 중 평균 화염의 온도는 최소 800 ℃ 이어야 한다. 모듈 전압 및 반응온도는 BMS 기능이 정상적으로 작동하지 않을 것을 감안하여 외부 계측기로 측정하였다. 이상의 시험장치 구성은 Fig.
이 때문에 모듈 구조는 발열체로부터 발생된 열을 전도에 의해 케이스까지 이동시키고, 자연대류에 의해 냉각이 되도록 설계되었다. 방열판 구조 및 FET(field effect transistor)위치는 열해석 시뮬레이션을 통해 최적화하였다.
벤트는 설정압 2 ± 1 bar로 설계하였고, 모듈케이스 상부 전면에 설치하여 가스 분출 시 사용자가 신속히 확인 가능하도록 제작하였다.
규정된 방법은 파편의 비행 속도에 따라, 고속 파편 표준 절차(2530±60 m/s)와 저속 파편 표준 절차(1830±60 m/s)의 두 가지로 분류된다. 본 시험에서는 실제 전장 환경에서 파편 비행속도와 유사한 조건인 대체 절차를 적용하여 저속 파편 표준 절차에 따라 시험을 진행하였다. 파편의 속도는 시험 전 총구 전방에 위치한 프로텍터들 사이에 브레이크 스크린을 설치하여 파편이 이 구간을 통과하는 시간으로 측정하였다.
에 규정된 방법을 사용하였고, 본 시험에서는 표준 절차 시험법을 응용하였다. 승온 방법은 Fig. 11의 온도 패턴을 따르는데, 전지 모듈을 5 ℃/min으로 60 ℃까지 예열하여 8시간 이상 유지하거나 또는 전지 모듈 내부와 가열로의 온도가 열적 평형에 도달한 이후, 3.3 ℃/hr의 속도로 반응이 일어날 때까지 가열하여 전지 모듈의 반응현상을 확인하였다. 본 시험에서는 단전지 시험 결과를 바탕으로 전지 모듈의 반응 시작점을 130～180℃로 가정하였다.
시험 시 탄자의 속도는 850±20 m/s이고, 시험 전 총구와 총구전방 3 m 지점에 위치한 프로텍터(protector)에 브레이크 스크린(break screen)을 설치하여 탄자가 이 구간을 통과하는 시간을 측정하여 속도를 계산하였다.
탄자충격시험 때와 유사한 방법을 적용하여, 관통방향은 가장 반응이 격렬할 것으로 예측되는 전지 모듈 중앙의 수직면으로 구성하였다. 시험은 완전 충전된 전지 모듈에 1발을 사격하여 진행하였다. 파편충격시험 전후의 모듈 전압 및 온도는 CAN통신을 통해 측정하였고, BMS의 손상을 대비하여 외부계측기도 함께 이용하였다.
시험은 완전 충전된 전지 모듈이 탄자의 비행 방향과 평행 방향으로 위치한 상태에서 600±50 round/min의 간격으로 각각 3발을 사격하여 전지 모듈의 반응성을 확인하였다.
가열로 안에서 전지 모듈은 각 면으로부터 최소 200 mm 간격을 두어 정중앙에 설치하고, 받침대를 이용하여 가열로 높이의 중앙에 위치하도록 설정하였다. 열전대는 K-type을 사용하여 전지 모듈 외부와 내부 방열판 부분 및 가열로 내부의 온도를 측정하였다. 시험장치 구성은 Fig.
연소속도는 7 mm/min.이고, 연료는 예상반응시간의 150 % 동안 연소될 수 있는 양으로 마진을 두어 설계하였다. 연료 삽입 후 점화는 전기식 착화기를 사용하여 원격으로 진행하였다.
전장에서 전지 모듈은 먼지나 모래 등의 이물질이나 강우․강설 등의 기후 조건에 노출되기 쉽다. 이러한 외부 환경으로부터 전지를 보호하기 위해서 모듈 케이스의 구조를 완전 밀폐형으로 설계하였다. 하지만 밀폐구조 내부의 전지 조립체나 제어소자 등에서 발열이 일어나는 경우, 대류에 의한 냉각이 원활하지 않아 전지 모듈 내부의 온도가 상승할 수 있다.
본 논문에서는 60 Ah급 리튬 2차전지 모듈의 군용 운용 가능성을 검증하기 위하여 군용안전성 평가항목을 선별하여 평가하였다. 이를 위해 전장운용 환경을 모사 반영함에 있어서 필수적으로 검증이 필요한 탄자충격, 파편충격, 급속가열, 완속가열 시험에 대해 MIL-STD-2105D 규격을 바탕으로 한 안전성 시험기법을 연구하였고, 2차전지 모듈의 안전성 평가에 적용하였다.
시험은 완전 충전된 전지 모듈이 탄자의 비행 방향과 평행 방향으로 위치한 상태에서 600±50 round/min의 간격으로 각각 3발을 사격하여 전지 모듈의 반응성을 확인하였다. 전장에서 탄자의 비행 방향과 각도가 불균일함을 감안하여, 관통방향은 가장 가혹한 조건인 모듈 내 단전지 면의 수직방향으로 설정하였다.
전지 모듈은 단열이 되도록 제작된 가열로(또는 밀폐형 공간)에 넣어 실험을 수행하였고, 가열방법은 1kW급 전기히터를 사용하여 가열로의 내부 각 모서리에 1개씩 설치하였다. 가열로 안에서 전지 모듈은 각 면으로부터 최소 200 mm 간격을 두어 정중앙에 설치하고, 받침대를 이용하여 가열로 높이의 중앙에 위치하도록 설정하였다.
전지 모듈은 상용 리튬 폴리머 전지를 사용하되 군용 운용 환경 및 요구 조건을 반영하여 설계하였다. 전장에서 전지 모듈은 먼지나 모래 등의 이물질이나 강우․강설 등의 기후 조건에 노출되기 쉽다.
이후 전지 내 전극과 전해액이 연쇄적으로 반응하여 모듈 방열판(TC #2), 모듈 사출물 케이스(TC #3)과 같이 발열이 진행되다가 약 440초 이후에는 전지 내 반응물이 소진되면서 서서히 온도가 내려갔을 것으로 판단된다. 전지 설계 단계에서 벤트 구조(vent system)를적용하여 연소가스를 안전하게 외부로 배출시키고자 하였으나 본 시험에서는 작동하지 않았다. 탄자에 의한 관통 면으로 가스가 과량 배출되면서 벤트 구조를 작동시킬만한 내부압력을 형성시키지 못하였고, 이로 인해 벤트가 열리지 못한 것으로 판단된다(Fig.
지금까지 리튬 2차전지를 군용 전원으로 활용하기 위해서 전장 운용 환경을 모사 반영한 안전성 평가 및 검증을 실시하였다. MIL-STD-2105D, STANAG 규격을 수정반영하여 탄자충격, 파편충격, 급속가열, 완속가열 시험의 평가를 수행하였다.
탄자충격시험 때와 유사한 방법을 적용하여, 관통방향은 가장 반응이 격렬할 것으로 예측되는 전지 모듈 중앙의 수직면으로 구성하였다. 시험은 완전 충전된 전지 모듈에 1발을 사격하여 진행하였다.
탄자충격시험 전후의 모듈 전압과 온도는 BMS에서 측정한 값을 CAN(Controller Area Network) 통신으로 획득하였으며, BMS의 손상을 대비하여 외부에 설치된 계측기로 모듈 전압과 온도를 측정하였다. Fig.
본 시험에서는 실제 전장 환경에서 파편 비행속도와 유사한 조건인 대체 절차를 적용하여 저속 파편 표준 절차에 따라 시험을 진행하였다. 파편의 속도는 시험 전 총구 전방에 위치한 프로텍터들 사이에 브레이크 스크린을 설치하여 파편이 이 구간을 통과하는 시간으로 측정하였다. 파편은 14.
시험은 완전 충전된 전지 모듈에 1발을 사격하여 진행하였다. 파편충격시험 전후의 모듈 전압 및 온도는 CAN통신을 통해 측정하였고, BMS의 손상을 대비하여 외부계측기도 함께 이용하였다. 시험장치 구성은 Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 60 Ah급 리튬 2차전지 모듈은 리튬 폴리머전지를 직병렬로 연결시킨 2차전지 조립체, 전지의 상태를 감시하기 위한 BMS(Battery Management System), 전력제어를 위한 소자 등으로 구성되어 있다.
시험 연료는 액체 탄화수소 계열의 JP-4, JP-5, JP-8(전투기용 항공유)나 Jet A-1(여객기용 항공유) 또는 상용 등유로 규정하고 있으며, 본 시험에서는 JP-8을 사용하였다. 전지 모듈은 완전 충전된 상태에서 가열로 벽면으로부터 각각 1 m 이상의 거리를 두어 정중앙에 위치시키고, 연료가 채워진 높이로부터 0.
의 규격 중에서 표준 절차를 준용하여 시험하였다. 충격시험에 사용된 탄자는 캘리버(caliber)50(12.7 mm) 철갑탄(AP탄, Armor Piercing)으로 전차, 군함, 콘크리트 벙커를 관통시킬 용도로 만들어진 탄환이다. 시험 시 탄자의 속도는 850±20 m/s이고, 시험 전 총구와 총구전방 3 m 지점에 위치한 프로텍터(protector)에 브레이크 스크린(break screen)을 설치하여 탄자가 이 구간을 통과하는 시간을 측정하여 속도를 계산하였다.
파편의 속도는 시험 전 총구 전방에 위치한 프로텍터들 사이에 브레이크 스크린을 설치하여 파편이 이 구간을 통과하는 시간으로 측정하였다. 파편은 14.3 mm 원뿔형 파편(conical fragment)와 지름 20 mm 사봇(sabot)으로 구성된다. 이 때 파편을 감싸고 있는 사봇은 파편을 총구에 밀착시켜 추진제의 폭발력을 파편에 전달하는 역할을 한다.

이론/모형

시험방법은 MIL-STD-2105D와 STANAG 4240^[7]에 규정된 절차를 응용하였고, 본 시험에서는 표준액체연료/외부연소 시험법을 이용하였다. 시험에 사용된 가열로는 넓은 수평 면적을 확보하여 화염을 충분히 발생시키고, 발생한 열의 약 90% 이상을 전지 모듈에 전달할 수 있도록 설계해야 한다.
시험절차는 MIL-STD-2105D와 STANAG 4382^[8]에 규정된 방법을 사용하였고, 본 시험에서는 표준 절차 시험법을 응용하였다. 승온 방법은 Fig.
탄자충격시험의 방법 및 절차는 MIL-STD-2105D[3]와 STANAG 4241^[4]의 규격 중에서 표준 절차를 준용하여 시험하였다. 충격시험에 사용된 탄자는 캘리버(caliber)50(12.
파편충격시험 절차는 MIL-STD-2105D와 STANAG4496^[6]을 바탕으로 진행하였다. 규정된 방법은 파편의 비행 속도에 따라, 고속 파편 표준 절차(2530±60 m/s)와 저속 파편 표준 절차(1830±60 m/s)의 두 가지로 분류된다.

성능/효과

MIL-STD-2105D, STANAG 규격을 수정반영하여 탄자충격, 파편충격, 급속가열, 완속가열 시험의 평가를 수행하였다. 군용 안전성 평가 결과, 탄자충격과 파편충격 시험은 폭연 등급, 급속가열과 완속가열 시험은 연소 등급으로 MIL 규격에 의거한 안전성 판정 기준을 모두 만족하였다(Table 2).이로 미루어볼 때 민수용 리튬 2차전지 모듈의 안전성 평가에 대한 재연성이 충분히 검증될 경우 군용전원으로 적용될 가능성이 높다고 판단된다.
급속가열시험 결과, 점화 후 19.5초 경과 시 전지모듈 중앙부의 화염 온도가 550 ℃에 도달하였고, 연료가 점차 연소되면서 102초 경과 이후에 전지 좌측 및 중앙부 화염 온도가 1000 ℃ 이상을 기록하였다(Fig. 9). 전지 모듈 전압은 점화 후 약 203초 경과 시점에서 0 V에 도달하였고, 이 시점의 화염온도는 전지 중앙부 기준 1015 ℃로 측정되었다.
본 시험 결과로 볼 때, 급속가열시험 결과는 연소등급으로 안전성 판정 기준을 만족하였으며 전지 모듈의 폭굉이나 폭발현상은 나타나지 않았다.
시험결과, 첫 번째로 발사된 탄자는 전지 모듈 최외곽의 모듈 케이스를 뚫고 단전지들과 BMS를 수직으로 관통하여 모듈 밖으로 나왔다. 관통 직후 과량의 연기가 관통면 및 전지 케이스 사이로 분출되었다.
완속가열시험 결과 연소가스 발생 수준의 연소 등급으로 안전성 판정 기준을 만족함으로써 본 전지 모듈의 안전도가 높고 열적 취약성이 적음을 확인하였다.
고온의 가스가 모듈 외부로 분출되면서 케이스를 둘러싼 가스켓이 모듈 밖으로 튀어 나왔고, 내부 사출물이 녹아 모듈 케이스 사이로 흘러 나왔다. 전체적으로 볼 때 모듈 외관은 부풀음으로 인해 물리적으로 변형이 발생하였으나, 압력에 의해서 모듈 케이스의 파편이 발생하거나 기계적으로 파괴되는 현상은 없었다. 파편이 명중된 직후, BMS의 기능이 정지되어 CAN 통신 계측이 중단되었고, 외부계측기로 측정한 전압 및 온도를 Fig.
탄자충격으로 인한 화염은 발생하지 않았고, 관통부 및 가스가 분출된 주변 부분의 모듈 사출물 케이스가 녹아내리는 현상이 관찰되었다. 초고속 카메라를 통해 탄자가 BMS를 관통하는 시간은 0.3 msec 이내로 계측되었으며, 관통 직후 BMS의 제어회로 및 계측 케이블과 회로 기판이 손상되면서 전지모듈과의 CAN 통신이 정지되었다. 외부 계측기로 측정한 결과 (Fig.
탄자충격시험 결과는 파편이 인명에 치명적 손상을 주지 않는 수준의 폭연 등급으로 안전성 판정기준을 만족하였다.
파편충격시험 결과는, 파편이 인명에 치명적 손상을 주지 않는 수준의 폭연 등급으로 안전성 판정기준을 만족하였다.

후속연구

군용 안전성 평가 결과, 탄자충격과 파편충격 시험은 폭연 등급, 급속가열과 완속가열 시험은 연소 등급으로 MIL 규격에 의거한 안전성 판정 기준을 모두 만족하였다(Table 2).이로 미루어볼 때 민수용 리튬 2차전지 모듈의 안전성 평가에 대한 재연성이 충분히 검증될 경우 군용전원으로 적용될 가능성이 높다고 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대한민국에서 군용전지로 이용하는 것은 어떤 방식의 전지인가?	특히 가장 기본적인 전력 공급원으로 사용되는 전지(battery)는 전장의 극한 환경 조건에서도 동작이 될 수 있는 높은 신뢰성을 보장해야 한다. 이와 같은 이유로 대한민국을 포함한 선진국에서는 에너지밀도가 높고 저온특성, 고율방전특성이 우수한 Li/SOCl2 1차전지를 군용전지로 사용하고 있다. 그러나 Li/SOCl2 전지는 방전 중에 SO2 기체가 발생되어 전지 파열이 일어날 수 있으며, 재사용이 불가능하여 폐기량이 많다는 단점이 있다.
	Li/SOCl2 전지의 문제점은 무엇인가?	이와 같은 이유로 대한민국을 포함한 선진국에서는 에너지밀도가 높고 저온특성, 고율방전특성이 우수한 Li/SOCl2 1차전지를 군용전지로 사용하고 있다. 그러나 Li/SOCl2 전지는 방전 중에 SO2 기체가 발생되어 전지 파열이 일어날 수 있으며, 재사용이 불가능하여 폐기량이 많다는 단점이 있다. 최근 들어 전지 기술의 발달과 함께 기존의 1차전지를 대체하여 성능이 우수한 2차전지의 기술 소요가 증가하고 있다.
	무기체계용 전자장비의 운용을 위해 전력공급원으로 사용되는 것은 주로 무엇이며 어떤 운용조건을 보장해야하는가?	이러한 무기체계용 전자장비의 운용을 위해서는 전력의 안정적인 공급이 필수적이다. 특히 가장 기본적인 전력 공급원으로 사용되는 전지(battery)는 전장의 극한 환경 조건에서도 동작이 될 수 있는 높은 신뢰성을 보장해야 한다. 이와 같은 이유로 대한민국을 포함한 선진국에서는 에너지밀도가 높고 저온특성, 고율방전특성이 우수한 Li/SOCl2 1차전지를 군용전지로 사용하고 있다.

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