[논문]D형 리튬 1차 단위전지(Li/SOCl2)용 저가형 과방전 차단회로 개발

안만기; 정영탁; 임재성; 노태주

doi:10.9766/kimst.2018.21.5.665

D형 리튬 1차 단위전지(Li/SOCl2)용 저가형 과방전 차단회로 개발
Developments on Low Cost Protection Circuit of Discharge for D-type Non-rechargeable Lithium Batteries(Li/SOCl2) 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.5, 2018년, pp.665 - 674

안만기 (국방기술품질원 유도전자3팀) , 정영탁 (국방기술품질원 유도전자3팀) , 임재성 (국방기술품질원 유도전자3팀) , 노태주 (국방기술품질원 유도전자3팀)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a development results of a D-type non-rechargeable lithium battery($Li/SOCl_2$) on improvement in a low cost protection circuit of discharge for domestic military power source. According to this study, we describe a new design and product with 8-bit microcontroller in the protection circuit which can estimate state of health of the battery regardless of occurring an initial voltage delay. Also this paper discuss and facilitate development as solution to a safety about the non-rechargeable lithium batteries. As a result, we verified a quality of the protection circuit by a development test and evaluation(DT&E) process.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Process of explosion in non-rechargeable lithium battery
그림 Fig. 2. Discharge profile on non-rechargeable lithium battery
표 Table 1. The present state on an improvement of over-discharge protection circuit
그림 Fig. 3. Proposed architecture of over-discharge protection circuit
그림 Fig. 4. Process of 8-bit MCU with mode
표 Table 2. The development tool, program and OS
그림 Fig. 5. Initial active process at mode 0
표 Table 3. Conversion current data by 8-bit MCU at mode 1
그림 Fig. 6. Written Hex code and conversion data of EEPROM at mode 3
그림 Fig. 7. Conversion data of EEPROM with program at mode 3
그림 Fig. 8. Design for over-discharge protection circuit for 1-serial battery
그림 Fig. 9. Design for over-discharge protection circuit for 4-serial battery
그림 Fig. 10. Activities of T&E about a battery with a circuit
표 Table 4. Results of T&E about the circuit for a battery
표 Table 5. Results of T&E about a battery with the circuit
그림 Fig. 11. Activities of T&E about the battery with the equipment
표 Table 6. Results of T&E about the lithium battery, BA-6853AK
표 Table 7. Results of T&E about BA-6853AK with an equipment
표 Table 8. A comparative table of two protection circuit

AI 본문요약
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문제 정의

리튬 1차 전지의 폭발 및 파열 현상을 해결하고자 Table 1과 같이 국방기술품질원과 리튬 1차 전지 생산 업체는 연도별로 안전성 개선 활동을 수행하였다. Diode, FET 및 IC 등을 이용한 다직렬 설계를 통해 안전성을 확보하고자 노력하였다. 그러나 이와 같은 개선방식은 리튬 1차 전지의 고유특성인 장기간 저장 후 부하를 인가하였을 때 순간적으로 전압이 하강하여 정상적인 작동전압을 회복하는데 일정시간이 요구되는 초기전압지연(Initial voltage delay)현상으로 인해 차단기능에 제한사항(약 30~45초 간 대기)이 있는 것이 현실이었다.
본 논문은 소요군에서 가장 많이 사용하고 있는 리튬 1차 전지의 안전성을 개선을 위해 국방기술품질원 주관으로 전지의 성능상태(State of Health, SOH)를 추정(Estimation)하는 과방전 차단회로의 설계 및 구현결과를 기술한다. 이는 기존 리튬 1차 단위전지(BA-6001AK) 및 집합전지의 과방전 차단 성능이 제한됨에 따라 근본적인 방법으로 소요군에 보다 안전한 리튬 1차 전지 운용환경을 확보하는데 목적이 있다.
본 신규 과방전 차단회로의 개발은 양산/운용단계의 전력화장비의 야전운용 중 전지 파열과 같은 애로사항을 해결하고자 리튬 1차 단위전지의 안전성 개선을 국방기술품질원 주관으로 수행하였다. 주요 개발과정은 다음과 같다.
본 논문은 소요군에서 가장 많이 사용하고 있는 리튬 1차 전지의 안전성을 개선을 위해 국방기술품질원 주관으로 전지의 성능상태(State of Health, SOH)를 추정(Estimation)하는 과방전 차단회로의 설계 및 구현결과를 기술한다. 이는 기존 리튬 1차 단위전지(BA-6001AK) 및 집합전지의 과방전 차단 성능이 제한됨에 따라 근본적인 방법으로 소요군에 보다 안전한 리튬 1차 전지 운용환경을 확보하는데 목적이 있다.

가설 설정

5) 원가상승을 최소화하는 저가형이어야 한다.

제안 방법

1직렬 및 4직렬용 과방전 차단회로가 적용된 리튬전지 BA-6853AK(20 EA)를 Fig. 11과 같이 차기 FM무전기세트 및 암호장비 ARF-95에 장착하여 실제 운용환경에서 성능을 확인하였다. 이는 품질개선 과정에서 개선된 차단회로가 체계장비의 영향성을 확인하는 과정이다.
6) 8-bit MCU의 제한된 메모리(1 Kbyte) 내에서 전체회로의 동작을 제어할 수 있도록 최적화된 코딩작업을 수행하였다.
단위전지용 과방전 차단회로의 성능을 확인하기 위하여 회로 단위의 기본성능을 확인 후 국방규격 KDS 6135-4004 및 KDS 6135-4008에 따라 전지 단위의 용량 및 환경시험 등의 시험평가를 수행하였다. Fig. 10에서 볼 수 있듯이 시제품으로 1직렬용 540 EA 및 4 직렬용 50 EA를 제작하였으며, 과방전 차단회로 단품의 성능을 확인 후, 단위전지와 집합전지에 장착하여 기본성능확인, 환경시험 및 전자기간섭 특성 등을 확인하였다. 전자기간섭 특성은 직렬연결 시 인쇄회로기판(PCB)간 영향성을 확인하기 위해 2직렬로 연결된 상태에서 수행하였다.
리튬 1차 전지와 과방전 차단회로가 용접된 후, 단위전지의 전압 및 각 모드별 동작 여부 등을 확인하였다. 과방전 차단회로(PCB)에 대한 단품 성능확인은 외부 전원공급 후, 각 모드별 동작여부, 환경시험 및 전자기간섭 특성 등을 확인하였다. 각 시험 항목과 방법은 Table 4, Table 5 및 Table 6과 같으며, 결과는 모두 “기준 충족” 하였다.
단위전지용 과방전 차단회로의 성능을 확인하기 위하여 회로 단위의 기본성능을 확인 후 국방규격 KDS 6135-4004 및 KDS 6135-4008에 따라 전지 단위의 용량 및 환경시험 등의 시험평가를 수행하였다. Fig.
또한 영구 재사용이 불가토록 설계하였다. 따라서 Table 1의 순번 6과 같이 전지운용상태(잔여용량, 운용시간, 차단전압 등)를 상시 감시하는 능동 제어소자를 적용하였다.
리튬 1차 전지와 과방전 차단회로가 용접된 후, 단위전지의 전압 및 각 모드별 동작 여부 등을 확인하였다. 과방전 차단회로(PCB)에 대한 단품 성능확인은 외부 전원공급 후, 각 모드별 동작여부, 환경시험 및 전자기간섭 특성 등을 확인하였다.
본 과제에서 개발한 1직렬 및 4직렬용 과방전 차단회로의 기본성능은 리튬 1차 단위전지의 초기전압지연 현상을 고려하고 종지전압 도달 시 빠른 시간 내에 부하를 차단하는 것이다. 1직렬 모델은 8-bit MCU의 최소 구동전압(1.
소요군에서 가장 많이 사용하는 차기 FM무전기세트용 리튬전지 BA-6853AK에 적용할 1직렬 및 4직렬 단위전지용 과방전 차단회로를 구현하였다. 리튬전지 BA-6853AK는 송신모드에서 BA-00 구간(9.
10에서 볼 수 있듯이 시제품으로 1직렬용 540 EA 및 4 직렬용 50 EA를 제작하였으며, 과방전 차단회로 단품의 성능을 확인 후, 단위전지와 집합전지에 장착하여 기본성능확인, 환경시험 및 전자기간섭 특성 등을 확인하였다. 전자기간섭 특성은 직렬연결 시 인쇄회로기판(PCB)간 영향성을 확인하기 위해 2직렬로 연결된 상태에서 수행하였다. 1직렬 및 4직렬 차단회로와 전지 간 양호한 시험평가 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

제안하는 차단회로는 Fig. 3과 같은 구성으로, D형 단위전지의 공칭전압(3.6 V)으로 운용할 수 있는 최적화된 8-bit MCU 기반 저가형 제어장치이다.

성능/효과

1) 리튬 1차 전지의 사용 유효기간 내 소모전력을 최소화하며 전지의 과방전을 효과적으로 차단할 수 있는 우수한 회로를 구현하였다.
본 과제에서 개발한 1직렬 및 4직렬용 과방전 차단회로의 기본성능은 리튬 1차 단위전지의 초기전압지연 현상을 고려하고 종지전압 도달 시 빠른 시간 내에 부하를 차단하는 것이다. 1직렬 모델은 8-bit MCU의 최소 구동전압(1.8 V)의 한계로 종지전압(2.0 V) 설정에 제한사항이 있으나, 4직렬 모델은 구동전압에 여유가 있어 1.0 V까지 종지전압 설정이 가능하고 전압차 측정부의 전압강하도 보다 미세하게 설정할 수 있어 전류적산 오차도 상당히 줄일 수 있었다. Table 8은 두 모델의 성능을 비교한 사항으로 4직렬 기능이 더욱 우수함을 보여주고 있다.
전자기간섭 특성은 직렬연결 시 인쇄회로기판(PCB)간 영향성을 확인하기 위해 2직렬로 연결된 상태에서 수행하였다. 1직렬 및 4직렬 차단회로와 전지 간 양호한 시험평가 결과를 얻을 수 있었다.
2) 적용장비 특성에 따라 재설계가 가능한 핵심기능 (MCU 운용 소프트웨어)를 확보하였고 다직렬 구성 시에도 적용 가능함을 확인하였다.
2) 전류적산 단계(Mode 1)는 잔여용량이 전체용량에 23 % 도달 후 초기전압지연 현상이 종료된 것으로 판단한다. 8-bit MCU의 전류적산 측정 간격은 0.
각 시험 항목과 방법은 Table 4, Table 5 및 Table 6과 같으며, 결과는 모두 “기준 충족” 하였다. 2종의 집합전지에 대한 환경 시험은 외부 공인기관 및 환경시험 챔버를 활용하여 21 ℃, -32 ℃ 및 52 ℃ 조건의 고온/저온, 10~55 Hz 단위로 X축, Y축, Z축으로 95분간 진동 및 충격, 낙하, 고도 등의 특성을 확인함으로써 우수한 성과를 얻을 수 있었다.
3) 방전판단 단계(Mode 2)는 초기전압지연이 해소된 이후 상태이며, 정상적인 방전구간으로 전류적산은 수행하나 요구되는 종지전압(2.0 V)에 도달 여부만 감시한다. 다만, 적용장비 운용중에 예기치 않은 순간적인 전압강하가 발생 또는 종지전압 이하로 감시되더라도 0.
3) 야전 운용성 확인 측면에서 체계호환성 및 성능검증을 완료하였으며 원가상승을 최소화 할 수 있는 연결 방식별 이원화된 회로를 제시하였다.
3) 전압차측정부는 Shunt 저항을 사용하여 양단의 전압을 측정한다.
3) 전지 사용유효기간(5년)내 저장 중에도 소모전력을 최소화(5 % 이내)하여야 한다.
4) 차단회로는 직·병렬 구성시 활용가능토록 호환성이 있어야 하며, 일정 데이터를 기록할 수 있어야 한다.
5) 각 단계별 차단회로의 정보(방전용량, 운용시간, 차단 전압, Mode 등)는 10분 간격으로 메모리(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM)에 16진수 값(Hex code)로 기록된다. 또한 해당 값은 Fig.
5) 초기구동전압 유지부는 8-bit MCU가 초기에 동작하기 위한 구동전압을 공급하는 기능이다.
차단기능 수행 여부 및 메모리에 기록된 데이터 등을 통해 차단회로가 우수함을 확인할 수 있었다.

후속연구

다만, 본 과방전 차단회로의 설계 및 구현과정에서 기존 수동소자를 사용하는 회로 대비 생산단가가 일부 상승(약 10 %)하며, 8-bit MCU의 메모리 영역의 한계에 따른 소프트웨어 코딩제한으로, 전류 적산 및 잔여 용량 측정에 일부 오차가 발생할 가능성이 있어 이에 대한 지속적인 품질개선이 요구된다. 이러한 품질개선 활동은 소요군의 리튬 1차 전지의 안정적인 운용 및 관리에 기여했을 뿐 아니라 타 무기체계의 전원공급원 설계 시에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
다만, 본 과방전 차단회로의 설계 및 구현과정에서 기존 수동소자를 사용하는 회로 대비 생산단가가 일부 상승(약 10 %)하며, 8-bit MCU의 메모리 영역의 한계에 따른 소프트웨어 코딩제한으로, 전류 적산 및 잔여 용량 측정에 일부 오차가 발생할 가능성이 있어 이에 대한 지속적인 품질개선이 요구된다. 이러한 품질개선 활동은 소요군의 리튬 1차 전지의 안정적인 운용 및 관리에 기여했을 뿐 아니라 타 무기체계의 전원공급원 설계 시에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리튬이란 무엇인가	리튬은 지구상에서 에너지 밀도가 높으면서도 가벼운 물질로써, 전지로 활용 시 높은 전극 전위를 갖고 있어 고출력에 적합하나, 안전성에 관해 여러 이슈사항이 발생하고 있다. 따라서 리튬 1차 전지(Nonrechargeable lithium batteries, Li/SOCl2)의 시장은 높은성능 못지않게 안전성 문제 해소를 위한 기술이 요구되므로 그 진입장벽이 높다.
	차기 FM무전기용 집합전지의 폭발 원인은 무엇인가	이러한 폭발의 원인은 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 과방전(Over-discharge)에 의한 격리막 또는 전해질 고갈로 인한 급격한 내부 온도 상승과 순간적인 압력상승이다.
	1차 전지의 장단점은 무엇인가	소요군에서 사용되는 대부분의 전자장비는 D형 단위전지 직·병렬 구조의 리튬 1차 전지 12종을 탑재하고 있다. 1차 전지는 2차 전지보다 편의성, 활용성 면에서 장점을 갖고 있지만, 운용 간 안전사고(파손, 누액, 폭발(파열) 등)가 다수 발생하였다[3]. 특히, 차기 FM무전기용 집합전지(BA-6853AK)의 경우, 과거 품질 개선 이후에도 연간 사용자불만/품질정보 15건 중 약 60 %가 과방전에 의한 폭발(Explosion) 현상으로 분석 되었다[4].

저자의 다른 논문 :

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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