[논문]대용량 이차전지 보호 시스템용 전류 감지 동작형 보호소자의 저융점 금속 가용체 설계

김은민; 강창룡

doi:10.4313/jkem.2018.31.6.427

대용량 이차전지 보호 시스템용 전류 감지 동작형 보호소자의 저융점 금속 가용체 설계
Design of Low-Melting Metal Fuse Elements of Current Sensing Type Protection Device for Large Capacity Secondary Battery Protection System 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.6, 2018년, pp.427 - 432

Abstract ▼ AI-Helper

High-capacity secondary batteries can cause explosion hazards owing to microcurrent variations or current surges that occur in short circuits. Consequently, complete safety cannot be achieved with general protection that is limited to a mere current fuse. Hence, in the case of secondary batteries, it is necessary for the protector to limit the inrush current in a short circuit, and to detect the current during microcurrent variations. To serve this purpose, a fuse can be employed for the secondary battery protection circuit with current detection. This study aims at designing a protection device that can stably operate in the hazardous circumstances associated with high-capacity secondary batteries. To achieve the said objective, a detecting fuse was designed from an alloy of low melting point elements for securing stability in abnormal current states. Experimental results show that the operating I-T and V-T characteristic constraints can be satisfied by employing the proposed current detecting self-contained low melting point fuse, and through the resistance of the heating resistor. These results thus verify that the proposed protection device can prevent the hazards of short circuit current surges and microcurrent variations of secondary batteries.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 대용량 ESS 안전한 사용을 위하여, 정격 전류의 20% 이하, 비교적 적은 전류 변화를 감지 후 능동적으로 동작하는 보호회로에 적합한 퓨즈와 퓨즈 가용체를 개발하여 제시하였다.
본 연구는 이차전지의 이상전류 발생에 따른 폭발및 화재를 방지하기 위하여 정격 전류의 125% 이하 미소 전류 변화와 완전단락 전류에 동시에 동작하는 전류 감지 동작형 보호회로의 퓨즈를 제작하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

실험은 각 합금에 따라 제품을 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 20 개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기 저항을 측정하고 주기하였다. 이후 파워서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 동작되는 시간을 분석하여 시험결과를 도출하였다.
대용량 이차전지 보호소자에 사용될 금속 가용체는 발열 저항의 열에 의해 용단이 가능한 금속으로 설계가 가능하며, 때문에 표 1과 같이 접합 용가재에서 적용하는 주석(Sn) 계열의 저융점 금속을 적용하였다. 접합 저융점 금속이 퓨즈 가용체로 사용되기 위한 조건은 과전류 및 과전압에 의해 퓨즈 가용체가 용단 후충분한 절연거리를 확보할 것과 전류가 유입되어 퓨즈 가용체를 용단하는 한류형 퓨즈 특성을 만족할 것 등의 특성이 필요하다.
실험은 각 합금에 따라 제품을 제작하여 모든 시료의 불량 단선 여부 등을 확인하였다. 각 시료군은 최소 20 개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기 저항을 측정하고 주기하였다.
또한, 회로 내에 이상상태로 인한 정격 전류의 20% 이내 미소 전류 상승이 지속적으로 유입될 경우 전류를 센싱하여 전류의 흐름 방향을 FET 소자 방향으로 변경하게 된다. 이때, 발열 저항에 적용된 전압에 의해 발열 저항의 온도가 상승하게 되고 해당 열로 인해 퓨즈의 가용체를 용단하는 동작 특성을 함께 구성하였다.
각 시료군은 최소 20 개 이상의 예비 시료를 확보하고 모든 시료의 전기 저항을 측정하고 주기하였다. 이후 파워서플라이를 사용하여 전기적 특성 실험을 실시하였고, 전류에 따라 동작되는 시간을 분석하여 시험결과를 도출하였다. 동작 실험간 파워 서플라이 전류는 ICE60127-1에 정의된 DC 정전류에서 변동 전압이 60 V 이내가 되도록 유지하였다.

대상 데이터

실험은 파워 서플라이 BOB사 SGI 330/150, 오실로스코프 Tektronix사 DPO 3022, 저항계측기 Hiyoki사 3,227 mΩ Hitester를 사용하였다.
접합 저융점 금속이 퓨즈 가용체로 사용되기 위한 조건은 과전류 및 과전압에 의해 퓨즈 가용체가 용단 후충분한 절연거리를 확보할 것과 전류가 유입되어 퓨즈 가용체를 용단하는 한류형 퓨즈 특성을 만족할 것 등의 특성이 필요하다. 해당 특성을 구현하기 위하여 저융점 합금의 공정조성 합금을 선택하였고 상용 적용되어 일반적인 금속을 대상으로 시험하였다.

성능/효과

실험 결과로부터 제작된 가용체 합금금속의 조성을 확인하기 위해 미세조직 분석을 수행하였으며, 설계한 합금의 조성이 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 각 저융점 가용체를 적용한 전류 감지형 이차전지 보호회로용 퓨즈의 I-T, V-T, T-T 커브의 한계를 확인하였고, 실험 결과로부터 제작 퓨즈는 통전 전류의 미소 전류 변화와 돌입 모두에 동작하며, 가용체의 합금과 발열 저항의 사용에 따라 동작범위와 시간의 이동이 가능하였다. 이와 같은 특성으로 인해 전류 감지형 보호회로용 저융점 금속 가용체 적용 퓨즈는 이차전지의 메인 퓨즈로의 적용에 적합함을 확인하였다.
4Ag 합금 가용체로 제작된 전류 감지 동작형 퓨즈의 발열 히터 저항의 변경에 따른 용단 범위의 이동을 나타내었다. 결과로부터 기존 6 V에서 10 V까지 동작하던 가용체 조건을 최대 19 V까지 동작 가능함을 저항 변경을 통해 확인하였고 결과를 이용하여 전류 감지 동작의 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한 기존에 한 개의 발열 저항 히터를 구성하는 전류 감지 동작 구조에서 히터를 2개 혹은 3개를 구성한 동작 구성 시 그림 11 과 같이 한쪽 히터의 용단 후 나머지 히터의 발열을 이용한 발열 범위를 넓힐 수 있다.
02초의 동작 시간을 가지는 일반 동작형 퓨즈 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그리고 Sn-Ag, Pb-Sn 합금으로 갈수록 작 특성은 동일하고 정격 전류가 각각 180 A, 200 A로 상승한 결과를 확인할 수 있다. 동일 재료에서 체적을 변경하면, I-T 커브의 이동이 가능하기 때문에 가공이 없는 세 합금에 대해서는 일반 동작 (slow-blow)형 특성을 만족함을 확인하였다.
그림 7의 결과로부터 전류 감지 동작형 퓨즈의 한계 전류 동작 특성이 Sn-Bi 합금은 정격 전류 약 120 A이고 정격 전류의 약 1,000% 인가 전류에서 0.02초의 동작 시간을 가지는 일반 동작형 퓨즈 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 그리고 Sn-Ag, Pb-Sn 합금으로 갈수록 작 특성은 동일하고 정격 전류가 각각 180 A, 200 A로 상승한 결과를 확인할 수 있다.
그리고 Sn-Ag, Pb-Sn 합금으로 갈수록 작 특성은 동일하고 정격 전류가 각각 180 A, 200 A로 상승한 결과를 확인할 수 있다. 동일 재료에서 체적을 변경하면, I-T 커브의 이동이 가능하기 때문에 가공이 없는 세 합금에 대해서는 일반 동작 (slow-blow)형 특성을 만족함을 확인하였다.
이차전지는 단락 돌입 전류의 상황 외에도 미소 전류 변화에 대한 화재 및 폭발이 발생할 수 있으며, 일반적인 수동동작 한계 전류형 퓨즈로는 안전을 확보할 수 없다. 때문에 완전단락돌입 전류에서의 한계 전류형 동작과 미소 전류 변화 상황에서의 전류 감지 동작의 특성을 모두 만족하는 보호소자가 이차전지에서 필요 하고 전류 감지형 이차전지 보호회로용 퓨즈가 연구의 결과로부터 적용이 적합함을 확인하였다.
실험 결과로부터 제작된 가용체 합금금속의 조성을 확인하기 위해 미세조직 분석을 수행하였으며, 설계한 합금의 조성이 양호하게 제작되었음을 알 수 있었다. 각 저융점 가용체를 적용한 전류 감지형 이차전지 보호회로용 퓨즈의 I-T, V-T, T-T 커브의 한계를 확인하였고, 실험 결과로부터 제작 퓨즈는 통전 전류의 미소 전류 변화와 돌입 모두에 동작하며, 가용체의 합금과 발열 저항의 사용에 따라 동작범위와 시간의 이동이 가능하였다.
이상과 같은 본 연구의 결과로부터 대용량 이차전지의 화재 및 폭발에 대한 안전을 확보하기 위하여 적용한 전류 감지형 퓨즈는 기본 보호 특성을 만족하며, 미소 전류 변화 상황에 대응할 수 있는 적절한 보호소자 설계가 이루어졌다고 판단할 수 있다.
이상의 결과로부터 제작된 퓨즈의 동작은 정격 전류의 110% 이상 낮은 과전류의 발생에 따라 감지 회로가 동작하여 발열 저항에 의해 모든 조건에서 10s 이내에 동작하였고, 단락돌입과전류는 10ms ~ 20s 이내에 모두 동작하여 ESS를 안전하게 보호함을 확인할 수 있다. 제작된 전류 감지 동작형 보호회로용 퓨즈의 실제 동작 특성은 전류 특성과 전압 특성이 중첩되는 그림 12와 같이 넓은 이상상태 범위에서 안전을 확보할 수 있다.
따라서 이 합금의 조직은 Sn이 10% 이상 첨가되어 있기 때문에 Pb기지에 고용되고 남은 Sn이 입자 형상으로 존재하고 있는 조직으로 되어 있는 것을 알 수 있다 [8]. 이상의 금속 미세조직 사진 결과로부터 합금이 올바르게 제작 되었음을 확인할 수 있다.
각 저융점 가용체를 적용한 전류 감지형 이차전지 보호회로용 퓨즈의 I-T, V-T, T-T 커브의 한계를 확인하였고, 실험 결과로부터 제작 퓨즈는 통전 전류의 미소 전류 변화와 돌입 모두에 동작하며, 가용체의 합금과 발열 저항의 사용에 따라 동작범위와 시간의 이동이 가능하였다. 이와 같은 특성으로 인해 전류 감지형 보호회로용 저융점 금속 가용체 적용 퓨즈는 이차전지의 메인 퓨즈로의 적용에 적합함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이온 전지의 부작용에는 어떠한 것이 있는가?	전기 자동차 및 ESS의 에너지 저장 시스템으로 사용되고 있는 대용량 리튬이온 전지는 단위 질량과 부피당 높은 에너지 밀도와 대전류의 공급이 가능하여 에너지 저장 시스템 중 가장 주목받고 있다 [1]. 하지만 리튬이온 전지의 경우 사용 중 이차전지 내부에서 지속적인 충전과 방전 동작의 반복으로 인하여 의도하지 않은 원인의 과전류, 과전압, 과부하 등과 같은 상황이 지속될 수있으며, 화재와 폭발로 이어질 위험이 있다 [2].
	일반적인 한류형 퓨즈가 사용되는 이차전지의 문제점은 무엇인가?	하지만 현재 규격에 정의된 일반적인 한류형 퓨즈의 경우 그림 2와 같이 모두 유입되는 전류에 의해 수동 동작하는 형태의 퓨즈로, 그 특성상 빠른 동작 특성이 정격 전류의 125% 이상일 때, 지연 동작 특성의 퓨즈는 정격 전류의 160%일 때 최초로 용단이 시작되어야 하며 이전의 전류에서는 동작하지 않아야 한다 [5]. 즉 퓨즈를 통과하여 이차전지로 정격 전류의 150%의 전류가 계속해서 유입하여도 퓨즈는 동작하지 않는 상태가 되고, 이차전지는 유입되는 높은 전류에 의해 내부 활물질 혹은 분리막 등이 손상을 받는다. 때문에 이차 전지를 보호하기 위한 메인 동작 퓨즈는 돌입 전류를 보호하기 위한 퓨즈의 역할과 미소 전류 변화에 동작 하는 이상전류 감지 동작의 특성을 가져야 한다.
	대용량 리튬이온 전지의 장점은?	전기 자동차 및 ESS의 에너지 저장 시스템으로 사용되고 있는 대용량 리튬이온 전지는 단위 질량과 부피당 높은 에너지 밀도와 대전류의 공급이 가능하여 에너지 저장 시스템 중 가장 주목받고 있다 [1]. 하지만 리튬이온 전지의 경우 사용 중 이차전지 내부에서 지속적인 충전과 방전 동작의 반복으로 인하여 의도하지 않은 원인의 과전류, 과전압, 과부하 등과 같은 상황이 지속될 수있으며, 화재와 폭발로 이어질 위험이 있다 [2].

참고문헌 (8)

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원문보기 상세보기
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상세보기
E. M Kim, S. H. Kim, and D. K. Cho, Trans. Korean. Inst. Elect. Eng., 63, 1538 (2014). [DOI: https://doi.org/10.5370/KIEE.2014.63.11.1538]

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W. F. Smith and H. B. Han, Structure and Properties of Engineering Alloys, 4th ed. (Ko-Bo, Seoul, 2010) p. 242.
N. S. Kim, Y. T. Lim, and J. T. Jin, Manufacturing Processes for Engineering Materials, 3th ed. (Pearson Education Korea, Seoul, 2007) p. 769.
D. A. Poter, K. E. Easterling, and M. Y. Sherif, Phase Transformation in Metals and Alloys, 3rd ed. (Garland Science, London, 2010) p. 213.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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