3.1 리튬이온전지 오프가스 검출 방안

대다수의 상용화된 ESS용 리튬이온전지의 BMS는 벤팅 단계의 오프가스를 검출하기 어렵기 때문에 오프가스를 검출할 수 있는 센서시스템이 추가적으로 요구된다. 여기서, 오프가스는 다양한 성분으로 이루어진 가스이고, 사고에 따라 발생하는 성분의 종류와 순서가 다르므로, 특정 오프가스 성분 검출 센서만 사용할 경우, 오프가스 조기 검출에 실패할 가능성이 있다. 따라서, 본 논문에서는 그림 5와 같이, 다양한 성분의 가스들을 검출하는 센서에 의한 오프가스 검출 방안을 제시한다. 즉, 초기에 오프가스 성분을 검출하지 못하더라도, 이후 발생하는 오프가스 성분 검출을 통해 최대한 신속하고 정확하게 오프가스 발생을 판단할 수 있다. 이러한 다중화(redundancy) 기능을 통하여 일부 센서의 고장으로 인해 특정 성분을 검출하지 못하는 경우, 다른 정상적인 센서들에 의하여 오프가스 성분을 검출할 수 있다.

또한, 오프가스가 발생하는 벤팅 단계의 셀 내부는 고온, 고압의 환경이며, 이때 발생하는 오프가스 역시 고온 상태이다. 따라서, 발생된 오프가스는 대류현상에 의해 상승하게 되는데, 제조사마다 리튬이온전지 랙의 구성이 달라지기 때문에 벤팅 시 오프가스를 검출할 수 있는 위치가 상이하여, 획일화된 오프가스 검출 방식을 적용하면 검출 실패의 원인이 될 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 그림 6과 같이 리튬이온전지(모듈 또는 랙)에 설치된 팬의 공기 흐름을 고려한 오프가스 검출장치의 적정한 설치 위치를 제안한다. 먼저, 그림 6의 (a)는 공기 흐름이 후면에서 전면으로 이동하는 전면 배출 구조를 나타내며, 전면 상단에 오프가스 검출장치를 설치하면 효과적이며, 그림 6의 (b)는 전면에서 후면으로 공기 흐름이 이동하는 후면 배출 구조이며, 후면 상단에 오프가스 검출장치를 설치해야 한다. 또한, 그림 6의 (c)는 상단에서 하단으로 공기 흐름이 있는 하단 배출 구조로, 하단 중앙에 오프가스 검출장치를 설치해야 하며, 그림 6의 (d)는 하단에서 상단으로 공기 흐름이 있는 상단 배출 구조이기 때문에, 상단 중앙에 오프가스 검출장치를 설치해야 한다. 예를 들어, 국내 제조업체 L사의 리튬이온전지 모듈은 전면에 팬이 설치되어 있어, 전면에서 공기를 흡입하여 후면으로 배출하는 구조이므로, 오프가스 검출장치는 후면 상단, 즉 그림 6의 (b) 위치에 설치되어야 신속하고 정확하게 오프가스를 검출할 수 있다.

한편, 오프가스 구성 성분은 구두약이나 접착제, 청소용 세정제 등 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 제품에도 포함되어 있어, 유사 오프가스 성분으로 인해 오프가스 검출장치가 오동작 될 가능성이 있다. 따라서, 계통에서 운용 중인 ESS가 검출장치의 동작으로 비상정지되면 손실이 발생 될 수 있어, 유사 오프가스 대책 방안이 요구된다. 일반적으로 ESS용 리튬이온전지는 전지실과 같은 독립된 공간에 설치되어 외부와 내부를 구분할 수 있으므로, 리튬이온전지에서 발생하지 않은 유사 오프가스는 전지실 외부에서 유입되는 기체이다. 또한, 유사 오프가스를 검출하기 위해서는 출입문, 배기팬, 과압배출구 등 외기가 유입될 수 있는 위치에 오검출 방지용 오프가스 검출장치를 설치해야한다. 한편, 리튬이온전지에서 발생하는 오프가스와 외부에서 유입되는 유사 오프가스를 구분하기 위한 경우의 수를 나타내면 표 2와 같다. 여기서, 오프가스 미발생은 두 센서 모두 동작하지 않는 상태이며, 오프가스 발생은 오프가스 센서만 동작한 상태를 나타낸다. 또한, 유사 오프가스 유입은 오검출방지 센서만 동작한 상태이며, 오프가스 발생 및 유사 오프가스 유입은 두 센서 모두 동작한 상태를 나타낸다. 따라서, 오프가스 센서와 유사 오프가스 센서가 동시에 동작하는 경우, 유사 오프가스에 의한 오프가스 센서의 오동작을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

3.2 리튬이온전지 열폭주 방지용 오프가스 검출 알고리즘

상기에서 제시한 오프가스 검출 방안을 바탕으로, 리튬이온전지의 오프가스를 정확하고 신속하게 검출하기 위한 알고리즘을 구체적으로 나타내면 다음과 같다.

[Step 1] 그림 5와 같이 리튬이온전지의 오프가스 성분을 검출할 수 있는 n개의 센서로 오프가스 검출장치를 구성한다.

[Step 2] 그림 6과 같이 리튬이온전지(모듈 또는 랙)에 설치된 팬의 4가지 공기 흐름 구조에 대하여, 오프가스 검출장치가 적절하게 설치되어 있는지 확인한다. 만약 설치위치가 적절하지 않으면, [Step 1]로 돌아가 다시 설치한다.

[Step 3] 외기유입구에 설치된 유사 오프가스 검출장치에 대하여,한 개의 센서라도 오프가스를 검출하면 유사 오프가스로 판단하고 [Step 4]로 이동한다. 만약, 검출되지 않는 경우 [Step 5]로 이동한다.

[Step 4] [Step 1]에서 구성한 오프가스 검출장치에 대하여, 어느 하나의 센서라도 오프가스를 검출하면 오프가스와 유사 오프가스를 모두 검출한 것으로 판단하고 [Step 6]으로 이동한다.

[Step 5] [Step 1]에서 구성한 오프가스 검출장치에 대하여, 어느 하나의 센서라도 오프가스를 검출하면 오프가스만 검출한 것으로 판단하고 [Step 6]으로 이동한다.

[Step 6] [Step 4]에 의하여 오프가스 센서의 오동작 상태로 판정하고, [Step 5]에 의하여 오프가스 발생 상태로 판정하며, 나머지 경우는 정상상태로 판정한다.

따라서, 상기의 알고리즘을 플로우차트로 나타내면 그림 7과 같다.

4.1 오프가스 검출장치

오프가스 검출장치는 표 3과 그림 8과 같이 센서부와 DAC 변환부로 구성된다. 먼저, 그림 8의 (a)의 센서부는 표 3과 같이 먼지(PMS7003)와 산소(LOX-02-S), 연기(Keyestudio Sensor), 오프가스(Li-ion Tamer), 일산화탄소(ZE07-CO), 알코올(968-035) 용 센서로 구성된다. 여기서, 먼지 센서는 2.5㎛ ~ 10㎛ 크기의 먼지를 검출하고, 산소 센서는 0.01% 분해능을 가지며, 오프가스 센서는 기체 상태의 전지 전해질과 분해 및 반응 가스를 감지하고, 일산화탄소 센서는 0~500ppm의 일산화탄소 농도를 측정하며, 알코올 센서는 0~800ppm의 알코올 농도를 검출한다. 한편, 일반적인 센서는 아날로그 출력 값을 디지털변환 없이 사용하지만, 일부 센서는 아날로그 값으로 변환하는 DAC(digital to analog convert) 장치에 의해 구성한다. 구성한 센서 중에서, 먼지(PMS7003)와 산소(LOX-02-S), 알코올(968-035) 센서는 DAC 장치와 연동하여 측정값을 출력한다. 여기서, DAC 변환부는 그림 8의 (b)와 같이 MCU와 DAC 발생장치, 커넥터, 등으로 구성된다. 여기서, MCU는 각 센서들의 출력을 입력받아 DAC 발생장치에 전달하는 역할을 하며, 개발보드인 ARDUINO NANO로 구성한다. DAC 발생장치는 MCU의 출력 신호로부터 제어 및 모니터링부에 필요한 아날로그 전압(0 ~ 5V)으로 변환시키는 장치로, ARDUINO 개발보드와 호환성이 높은 MCP4725를 사용한다. DAC 발생장치의 아날로그 전압 출력 안정화를 위한 절연을 위하여, MCU와 DAC 발생장치간 포토커플러(PC317)를 설계 적용한다.

4.2 검출장치용 제어 및 모니터링장치

제어 및 모니터링장치는 그림 9와 같이 게이트웨이 제어부와 모니터링장치부로 구성된다. 여기서, 게이트웨이 제어부는 그림 9의 (a)와 같이 오프가스 검출장치와 보조장치부의 배기장치와 가열장치의 전원을 제공하고 상태를 관리하고 전력변환장치(smps)와 차단기 시스템으로 구성된다. 오프가스 검출장치와 보조장치부에서 사용하는 전원은 직류(DC)이며 각각 사용 전압이 다르기 때문에, 출력 전압과 용량이 상이한 전력변환장치로 구성한다. 그림 9의 (b)의 모니터장치부는 DAQ(data acquisition)와 디스플레이장치로 구성되는데, 모든 센서의 DAC 변환장치에 의하여 전압으로 출력되며, 케이블형 온도센서를 설치하여 전지 표면온도를 측정하기 위해, DAQ는 7개 채널 이상의 전압/온도센싱 모듈로 채택한다. DAQ는 1kHz 이상의 샘플링 속도 성능을 가져야하며, 각 측정채널의 전압범위는 직류 0~24V 이상 되어야 한다. 레코드 기능이 있어 센서들의 측정값을 실시간 저장하고 모니터링 하고, 이를 디스플레이장치에 그래프로 표현한다.

4.3 보조시험장치

리튬이온전지 오프가스 및 열폭주 시험을 수행하기 위한 보조시험장치는 챔버시스템부와 가열장치부, 소화장치부, 등으로 구성된다. 여기서, 챔버시스템부는 그림 10과 같이 셀의 열폭주를 고려하여 프레임을 강철 금속으로 견고하게 제작하고, 전면 도어에는 강화 유리 또는 폴리카보네이트 재질의 투명 창을 구성한다. 여기서, 도어의 창은 여닫는 역할이 아니라, 고정되어 내부 상황을 확인할 수 있는 역할을 한다. 또한, 챔버의 도어는 3중 시건장치를 장착하여 내부 시험간 열폭주로 인해 발생하는 폭발, 압력에 견딜 수 있도록 설계한다. 여기서, 챔버 내부 하단에는 리튬이온전지 및 가열장치를 고정할 수 있는 선반과 바이스 장치를 구성하고, 상단에는 오프가스 검출장치를 설치할 수 있는 선반과 브라켓을 구성한다.

한편, 가열장치부는 그림 11과 같이 구리동관, 열선, 온도 제어기로 구성된다. 그림 11의 (a)는 가열장치의 구성 다이어그램으로, 원통형 리튬이온전지를 고르게 가열하기 위한 방법을 나타낸다. 원통형 전지를 그림 11의 (b)의 구리동관(cooper pipe)에 삽입하고, 열선(heat wire)으로 구리동관을 균일하게 감싼 뒤, 열선관 연결된 온도제어기의 제어를 통해 전지를 가열한다. 여기서, 그림 11의 (c)의 온도제어기에는 목표온도와 달성시간을 설정하는 기능인 RAMP 기능이 포함되어야 한다. 리튬이온전지와 구리동관 사이에 케이블형 온도센서를 고정하고 온도제어기에 연결하여 온도 피드백을 받는다.

4.4 전체 시스템 구성

리튬이온전지 오프가스 조기검출장치의 전체 시스템은 그림 12와 같이 오프가스 검출장치와 제어 및 모니터링장치, 보조시험장치, 신호선(센싱선, 제어선, 온도제어선, 데이터계측선), 등으로 구성된다. 여기서, 신호선은 센서의 출력 값에 노이즈 영향을 최소화하기 위하여, 차폐 케이블(shielded cable) 또는 트위스트 페어 선(twisted-pair cable)으로 선정한다. 전체 시스템은 리튬이온전지 열폭주 시험이 가능하고 유해가스로부터 인체에 안전이 보장되는 장소에 구축해야 한다.

5.1 시험 조건

본 논문에서 제시한 리튬이온전지의 열폭주 방지용 오프가스 검출 알고리즘의 유효성을 검증하기 위하여, 리튬이온전지 열폭주 메커니즘 및 오프가스 검출장치 설치 위치 확인시험(시험A)과 오프가스 검출을 통한 열폭주 방지 시험(시험 B) 및 유사 오프가스 유입에 따른 오프가스 센서의 오동작 방지 시험(시험 C)을 수행한다. 또한, 시험 조건은 표 4와 같이 시험 A와 시험 B에서 SOC 100%의 국내 리튬이온전지 제조사의 원통형 전지를 사용하고, UL 9540A 6절 시험방법을 참고한다. 한편, 시험 C는 유사 오프가스 투입을 위해 DEC(diethyl carbonate) 용액의 증기를 시료로 사용하며, 외기유입구에 시료를 투입하여 오프가스의 오검출 여부를 판단한다.

먼저, 열폭주 메커니즘 및 오프가스 검출장치 설치 위치 확인 시험(시험 A)의 상세한 구성을 나타내면 그림 13과 같다. 여기서, 리튬이온전지에 열적 스트레스를 가하기 위하여, 가열장치에 원통형 리튬이온전지를 삽입하고 외부에서 가열한다. 이후 전지에서 벤팅이 발생하더라도, 계속해서 열적 스트레스를 인가하여 열폭주를 발생시킨다. 또한, 그림 14와 같이 시험장치의 공기 흐름 구조를 고려한 위치(α)와 고려하지 않은 위치(β)에 각각 오프가스 검출장치를 설치하여 시험한다.

또한, 오프가스 검출을 통한 열폭주 방지 시험(시험 B)은 그림 15와 같이 오프가스 검출장치를 적용하여 리튬이온전지의 벤팅으로 인한 오프가스 검출의 유효성을 확인한다. 상기의 시험 A와 동일한 조건으로 리튬이온전지를 외부 가열하고, 벤팅 이후 오프가스 검출장치의 센서 중 하나라도 검출되면 온도제어기의 전지 가열을 멈추고 열폭주 발생 여부를 확인한다.

한편, 유사 오프가스 유입에 따른 오프가스 센서의 오동작 방지 시험(시험 C)은 그림 16과 같이 구성한다. 즉, 외기유입구에 오검출 방지용 오프가스 검출장치를 설치한 후, 시험 시료를 두고 유사 오프가스를 유입시켜 오프가스 알람 발생 여부를 확인한다. 그리고, 시험 장소의 공기를 환기시켜 오프가스 검출장치의 동작을 초기화한 후, 리튬이온전지 근처에 시험 시료를 두어 오프가스 알람이 발생하는지 확인한다.

5.2 오프가스 검출장치 설치 위치 특성분석 (시험 A)

5.1절에서 언급한 시험 조건을 바탕으로 리튬이온전지의 외부 가열 시험 결과와 리튬이온전지 열폭주 메커니즘의 특성을 나 나타내면 각각 그림 17과 같다. 그림 17의 (a)와 같이 리튬이온전지에 스트레스를 인가한 후, 33분경에 그림 17의 (b)와 같이 소음에 의하여 리튬이온전지에서 벤팅 및 오프가스가 발생한 것을 알 수 있다. 또한, 약 7분 경과 후, 그림 17의 (c)와 같이 연기가 다량으로 배출되고, 수초 후 그림 17의 (d)와 같이 화염과 함께 열폭주가 발생함을 알 수 있다. 따라서, 스트레스(가열)-벤팅-연기발생-열폭주 단계로 리튬이온전지 열폭주 메커니즘이 발생함을 알 수 있다.

한편, 오프가스 검출장치의 설치위치에 따른 오프가스 검출 특성을 나타내면 그림 18과 같다. 여기서, α지점에 설치된 오프가스 검출장치는 적합한 위치에 설치되어 벤팅 시 오프가스를 검출함을 알 수 있지만, β지점에 설치된 오프가스 검출장치는 적합한 위치에 설치되지 않아 오프가스가 검출되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 공기 흐름을 고려하지 않은 위치에 오프가스 검출장치를 설치하면 오프가스 검출에 실패할 수 있음을 알 수 있다.

5.3 오프가스 검출장치 특성분석 (시험 B)

5.1절의 시험조건을 바탕으로 오프가스 검출장치의 동작특성을 나타내면 그림 19와 같다. 여기서, 시험 시작 후 34분경 소음과 함께 벤팅이 발생함을 알 수 있다. 또한, 약 4초 후 A 오프가스 검출센서에서 오프가스 알람이 발생되고, 벤팅 발생 4분 후, B 오프가스 검출센서에서 일산화탄소가 검출되어 오프가스 검출장치가 정상적으로 동작됨을 알 수 있다. 한편, 오프가스 검출에 의하여 외부 가열을 중지하고 39분이 지나면 전지의 표면온도가 하락하기 시작하여, 열폭주가 발생하지 않음을 알 수 있다. 따라서, 리튬이온전지의 오프가스 검출 이후 외부 스트레스 요인을 제거하면 열폭주가 발생하지 않음을 알 수 있고, 오프가스 검출장치에서 2개 센서가 오프가스를 검출하여, 복합센서로 구성된 오프가스 검출장치의 오프가스 검출 알고리즘의 유효성을 확인할 수 있었다.

5.4 오프가스 오동작 방지 특성분석 (시험 C)

5.1절의 시험 조건에 따라 오프가스 오동작 방지 시험의 특성을 나타내면 그림 20과 같다. 이 그림에서와 같이 약 5초 후, 외기유입구에 설치된 유사 오프가스 검출장치에서 유사 오프가스가 검출되고, 약 40초 후, 리튬이온전지에 설치한 오프가스 검출장치에서 오프가스가 검출됨을 알 수 있다. 따라서, 오프가스 센서와 유사 오프가스 센서가 동시에 동작하는 경우, 유사 오프가스에 의한 오프가스 센서의 오동작을 방지할 수 있음을 확인할 수 있었다.