[논문]신규 보호회로 적용을 통한 저전류 장비용 군 리튬전지 안전성 개선

윤성기; 조유습

doi:10.4313/jkem.2019.32.3.256

신규 보호회로 적용을 통한 저전류 장비용 군 리튬전지 안전성 개선
Safety Improvement of Military Primary Lithium Batteries by New Protection Circuit for Low Current System 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.3, 2019년, pp.256 - 261

윤성기 (국방기술품질원 지휘정찰센터) , 조유습 (국방기술품질원 지휘정찰센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The use of military lithium batteries in this field accelerates the generation of internal pressure because the active materials, lithium and the electrolyte, react to form sulfur dioxide gas. This also reduces the amount of electrolyte. In this condition, batteries can 'vent' or 'explode' especially when completely discharged. Such venting and explosion can be regarded as a safety accident, as toxic gases and shrapnel are ejected from the batteries which can harm the user. A DTaQ was carried out in 2017 as a quality problem solution project to solve this safety issue. A protection circuit was thereby developed, which included a micro controller unit (MCU) which can stop battery usage when in an over-discharging state by sensing its low-voltage condition. In 2018, this concept was expanded to lithium batteries for the remote controlled ammunition system. This paper reports results of the improved performance.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Reaction priciple of Li/SOCl₂ battery.
그림 Fig. 2. Discharge profile of Li/SOCl₂ battery.
그림 Fig. 3. Explosion mechanism of Li/SOCl₂ battery.
표 Table 1. Main characteristics of Li/SOCl₂ battery.
그림 Fig. 4. Interruption concept of new protection circuit.
그림 Fig. 5. New designed protection circuit for BA-6822AK.
그림 Fig. 6. New designed protection circuit for BA-6823AK.
표 Table 2. Current usage of target system.
그림 Fig. 7. Operational test of designed protection circuit for BA-6822AK/6823AK.
표 Table 3. Test result of battery by korean defense standard.
표 Table 5. Test result of circuit operation in the system (BA-6823AK).
표 Table 4. Test result of circuit operation in the system (BA-6822AK).

AI 본문요약
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문제 정의

군용 리튬전지의 과방전에 의한 벤팅 및 파열 현상을 해결하고자 군 및 관련 기관은 안전성 개선 활동을 수행하여 왔다. 다이오드, FET소자, IC소자 등을 이용한 다각적 설계를 통해 안전성을 확보하고자 노력하였다. 개선방법은 전지가 과방전으로 인해 저전압 구간에 진입하였을 때 출력단을 차단하여 더 이상의 방전을 막고 장비가 OFF됨에 따라 사용자가 전지를 교체하도록 유도하는 방식이다.
따라서 국방기술품질원에서는 이와 같은 품질문제해결을 위해 근본적인 원인 분석과 연구 끝에 MCU(micro controller unit)와 같은 능동소자 및 탑재 소프트웨어를 포함한 신규 과방전 보호회로를 개발하여 검증 및 시험하였다 [1]. 본 논문에서는 저전류 군용장비의 리튬전지인 BA-6822AK 및 BA-6823AK용 과방전 보호회로에 대한 설계 및 시험에 대한 결과를 제시한다.
본 신규 과방전 보호회로는 군용 리튬전지의 야전운용 중 파열과 같은 안전사고 및 사용자 불만, 품질이슈사항을 해결하고자 2017년부터 국방기술품질원에서 연구 개발하였다. 군용 리튬전지의 파열은 기본적으로 사용자가 야전에서 리튬전지를 과하게 방전하여 사용함에 따라 발생하고, 과방전 상태에서는 전지가 저전압에 이른다.
군용 리튬전지의 파열은 기본적으로 사용자가 야전에서 리튬전지를 과하게 방전하여 사용함에 따라 발생하고, 과방전 상태에서는 전지가 저전압에 이른다. 이 때문에 과거에도 이점에 착안하여 보호회로를 통해 이와 같은 문제를 해결하려고 시도하였다. 그러나 기술적 한계로 군용 리튬전지의 고유특성인 초기전압지연에서의 전지 거동과 과방전에서의 전지 거동을 구별하지 못하여 사실상 개선의 효과가 미비하였다.

가설 설정

군용 1차 리튬전지의 전기적 특성은 다음과 같다. 첫째로 출력전압이 일정하다는 것이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 군용 리튬전지의 출력은 용량이 다할 때까지 3.

제안 방법

신규 과방전 차단회로의 성능을 확인하기 위하여 회로 단위의 기본성능을 확인 후 국방규격에 따라 전지단위의 용량 및 환경시험 등의 시험평가를 수행하였다. 과방전 보호회로 단품의 성능을 검증한 후, 전지에 장착하여 전지의 기본성능을 확인하였다.
당시 단위전지용 전압차 계측부인 shunt저항에서 장비의 사용전류를 정확히 파악하지 못한 것이 원인으로, 주장비의 사용전류를 정확하게 정의할 필요가 있었다. 따라서 우선적으로 주장비의 사용전류를 측정하였다. 그 측정 결과는 표 2와 같으며, 실제 사용전류가 극히 낮음에 따라 단위전지용 과방전 보호회로에서 작동되지 않았음을 확인하였다.
또한 주장비에 전지를 각각 장착하여 체계호환성 시험을 수행하였다. 시험 결과, 과방전 보호회로 및 전지의 성능이 한 가지 항목을 제외한 국방규격을 만족하였다.
그러나 기술적 한계로 군용 리튬전지의 고유특성인 초기전압지연에서의 전지 거동과 과방전에서의 전지 거동을 구별하지 못하여 사실상 개선의 효과가 미비하였다. 본 연구개발 시 기존의 과방전 보호회로를 개선하여 초기전압지연/과방전 시 전지 거동 구별, 과방전 차단된 전지의 재사용 불가 등 우수한 기능을 신규로 탑재하여 구현하였다. 기 연구된 단위전지 및 4직렬 보호회로의 개념을 기반으로 주장비의 사용전류를 측정하여 2직렬 및 3직렬용 과방전 보호회로를 설계 및 구현하였고, 국방규격 시험 및 체계호환성 시험을 실시한 결과 보호회로가 성공적으로 동작하였다.
신규 과방전 차단회로의 성능을 확인하기 위하여 회로 단위의 기본성능을 확인 후 국방규격에 따라 전지단위의 용량 및 환경시험 등의 시험평가를 수행하였다. 과방전 보호회로 단품의 성능을 검증한 후, 전지에 장착하여 전지의 기본성능을 확인하였다.
회로지령탄약은 대표적인 저전류 사용장비로, 2017년 전력화평가 간 리튬전지에 의해 안전사고가 발생하였다. 원격운용통제 제어기를 운용하던 병사가 장비에서 저전압 경보를 인식하고, 과방전된 전지를 신품으로 교체한 후 여전히 장비에서 저전압이 감지(초기전압 지연으로 인한 저전압 현상)되자, 전지의 특성이 민수용과 유사할 것이라고 오인하고 기존의 과방전된 전지를 재사용하며 장비의 작동 여부를 점검하였다. 곧이어 재사용된 과방전 전지가 폭발하면서 전지 및 원격운용통제 제어기가 파손되었다.
이와 더불어 민수용 전지 사용 경험에 따라 운용자가 과방전 및 내압 상승 심화상태의 전지를 장비에서 작동하여 과방전 파열이 일어난 것이 원인이다. 이 사고로 인해 회로지령탄약 전력화 평가 후속조치로 전지 안전성개선이 요구되었고, 국방기술품질원에서 연구 개발하던 리튬전지용 신규 보호회로의 적용을 시도하였다. 당시 연구되던 과방전 보호회로는 1직렬 단위전지용 보호회로로서, 단위전지의 전압(3.
기존에 설계된 보호회로를 개선하는 방향으로 큰 틀을 잡았으며 보다 많은 기능이 포함되게 하였다. 첫째로 그동안 문제가 되었던 초기전압지연현상으로 인한 대기시간 소거를 위해, 스마트 소자를 이용하여 과방전으로 인한 저전압을 판단할 수 있게 하였다. 다시 말해, 초기에 발생하는 저전압현상은 무시하고 일정 사용시간 이후 저전압 발생 시 회로를 짧은 시간 내에 차단하는 기능을 부여하였다.
그 측정 결과는 표 2와 같으며, 실제 사용전류가 극히 낮음에 따라 단위전지용 과방전 보호회로에서 작동되지 않았음을 확인하였다. 해당 결과를 토대로, 전류 적산 기능 활성화를 위한 shunt 저항값을 도출하였다. 주장비 사용전류 계측 결과에 따라 설계된 과방전 보호회로는 4직렬 보호회로와 마찬가지로 단위전지 및 2, 3직렬 단위전지 전압값을 개별적으로 동시에 감시하는 방식이다.

성능/효과

시험 결과, 과방전 보호회로 및 전지의 성능이 한 가지 항목을 제외한 국방규격을 만족하였다. 각 전지의 과방전 상태인 단위전지 0.5 V 또는 집합전지 6.0 V 및 4.0 V에서 정상적으로 배터리가 차단되어 보호회로가 정상적으로 작동하였음을 확인하였다. BA-6823AK 전지에서는 54℃ 4주 저장 후, -32℃ 저온 방전 시험의 요구 규격인 72시간에 못 미치는 65시간가량 방전됨에 따라 규격을 만족하지 못하였다.
따라서 우선적으로 주장비의 사용전류를 측정하였다. 그 측정 결과는 표 2와 같으며, 실제 사용전류가 극히 낮음에 따라 단위전지용 과방전 보호회로에서 작동되지 않았음을 확인하였다. 해당 결과를 토대로, 전류 적산 기능 활성화를 위한 shunt 저항값을 도출하였다.
본 연구개발 시 기존의 과방전 보호회로를 개선하여 초기전압지연/과방전 시 전지 거동 구별, 과방전 차단된 전지의 재사용 불가 등 우수한 기능을 신규로 탑재하여 구현하였다. 기 연구된 단위전지 및 4직렬 보호회로의 개념을 기반으로 주장비의 사용전류를 측정하여 2직렬 및 3직렬용 과방전 보호회로를 설계 및 구현하였고, 국방규격 시험 및 체계호환성 시험을 실시한 결과 보호회로가 성공적으로 동작하였다. 본 연구결과는 소요군에 안전한 전지 운용 및 관리의 기반이 될 수 있을 뿐 아니라, 4직렬 군용 리튬전지에 이어 기타 전원공급원에도 이와 같은 보호회로를 성공적으로 적용될 수 있음을 다른 무기체계에서 확인했다는 점에서 그 효용과 품질적 가치가 매우 크다고 판단된다.
현재 이 불합격은 단위전지의 불량으로 예상되고 있어 현재까지도 원인 분석 중이다. 다만, 과방전 보호회로가 2017년과 달리 2018년 제작품에서 설계한 의도대로 정상 동작하였고, 이로 인해 신규 보호회로의 적용이 가능함을 검증하였다. 향후 보호회로 및 전지를 추가로 제작 및 재시험하여 체계에 전면 적용할 예정이다.
주장비 사용전류 계측 결과에 따라 설계된 과방전 보호회로는 4직렬 보호회로와 마찬가지로 단위전지 및 2, 3직렬 단위전지 전압값을 개별적으로 동시에 감시하는 방식이다. 단위전지 전압이 0.5 V 이하에서 차단되도록 구현되었으며 기존 연구된 4직렬 과방전 보호회로의 기능을 업그레이드하여 초기전압지연에 의한 저전압 지속 시에도 부하를 차단하는 기능을 부여하여 안전성을 보다 강화하였다.
실제로, 2017년에 회로지령탄약 주장비에서 1직렬 단위전지용 과방전 보호회로는 작동하지 않았다. 따라서 단위전지용 보호회로는 회로지령탄약용 리튬전지에 사용할 수 없다는 결론을 도출하였고 장비별/전지별 상이한 전용 과방전 보호회로를 각각 개발해야 함을 식별하였다.
기 연구된 단위전지 및 4직렬 보호회로의 개념을 기반으로 주장비의 사용전류를 측정하여 2직렬 및 3직렬용 과방전 보호회로를 설계 및 구현하였고, 국방규격 시험 및 체계호환성 시험을 실시한 결과 보호회로가 성공적으로 동작하였다. 본 연구결과는 소요군에 안전한 전지 운용 및 관리의 기반이 될 수 있을 뿐 아니라, 4직렬 군용 리튬전지에 이어 기타 전원공급원에도 이와 같은 보호회로를 성공적으로 적용될 수 있음을 다른 무기체계에서 확인했다는 점에서 그 효용과 품질적 가치가 매우 크다고 판단된다.
셋째, 자가 방전율이 매우 적다. 리튬염화황산 전지는 기본적으로 음극에 부동화막이라 불리는 염화리튬막이 생기는데, 이 피막이 리튬의 반응을 억제한다.
또한 주장비에 전지를 각각 장착하여 체계호환성 시험을 수행하였다. 시험 결과, 과방전 보호회로 및 전지의 성능이 한 가지 항목을 제외한 국방규격을 만족하였다. 각 전지의 과방전 상태인 단위전지 0.
해당 안전사고는 앞서 언급한 군용리튬전지의 위험한 특성이 모두 나타나 있다. 첫째로 과방전에 의한 파열이 발생하였고 둘째, 초기전압지연 현상에 따라 신품 전지가 저전압으로 인식되었다. 이와 더불어 민수용 전지 사용 경험에 따라 운용자가 과방전 및 내압 상승 심화상태의 전지를 장비에서 작동하여 과방전 파열이 일어난 것이 원인이다.

후속연구

다만, 과방전 보호회로가 2017년과 달리 2018년 제작품에서 설계한 의도대로 정상 동작하였고, 이로 인해 신규 보호회로의 적용이 가능함을 검증하였다. 향후 보호회로 및 전지를 추가로 제작 및 재시험하여 체계에 전면 적용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	군용 1차 리튬전지의 반응원리는 무엇인가	군용 1차 리튬전지의 각 양/음극과 반응원리는 다음과 같다. 양극은 염화황산(SOCl2)액 및 소량의 첨가물(AlCl 등)로 이루어지며 전체 반응에서 양극 역할을 한다. 방전반응에 직접 참여하여 전지 사용 시 그 양이 점점 소진된다.
	군용 1차 리튬전지의 특성은 무엇인가	그러나 이처럼 주의를 요해야 할 전지를 민수용 전지에 익숙한 군이 사용하면서 크고 작은 사고가 매년 발생하고 있다. 군용 1차 리튬전지는 사용하면 할수록 활물질 반응에 의해 전해액은 줄어들고, 반응가스가 생성되어 내부 압력이 높아지는 특성이 있다. 특히 리튬전지 단위전지(셀)의 사용말기 전압인 2.
	군용 리튬전지 사용시 주의해야하는 이유는 무엇인가	군용 1차 리튬전지 또는 ‘전지, 재충전불가식’(이하 ‘리튬전지’)으로 불리는 전지는 대부분 Li/SOCl2 (리튬/염화황산)전지이다. 이 전지의 음극 활물질은 반응성이 크고, 높은 전압 특성(셀 전압 3.6 V)을 가능케 하는 리튬이며, 양극은 독성/부식성 액체인 염화황산액이다. 다시 말해 군용 리튬전지는 우리가 흔히 건전지라 부르는 전지와는 전혀 다른 습식 전지이며, 불안정한 활물질을 포함하므로 주의해서 사용해야 한다 [1,2].

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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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