[Abusive Test]배터리 팩, 모듈 네일 침투 시험(Battery, Module, Pack, Nail, Pin, Penetration Tester, thermal runaway)

 

목차

• 배터리 팩, 모듈 네일 침투 시험 소개
• 배터리 준비 및 실험 설정
• 표준 네일 침투 테스트(SNP, Standard Nail Penetration Test)
• 네일 침투 실험 조건별 설정
• 실험 데이터 측정 및 기록

 

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참조 논문>> Nail Penetration Test Analysis for Internal Short Circuit in Large Capacity Lithium-ion Batteries by China Electric POWER Research Institute

 

 

 

배터리 팩, 모듈 네일 침투 시험 소개

 

리튬이온 배터리 에너지 저장 시스템에서 내부 단락(Internal Short Circuit, ISC) 결함은 주요한 안전 문제이며, 급격한 발열과 열폭주(thermal runaway)를 유발할 수 있습니다. 이러한 ISC 결함을 모사하기 위해 '네일 침투(Nail Penetration, NP) 테스트'가 널리 사용됩니다. 그러나 네일 침투 속도(nail stepping rate), 강철 못의 형태(shape of steel nails), 배터리의 초기 충전 상태(State of Charge, SOC), 직렬 및 병렬 연결(Series and Parallel Connection, SPC) 등 다양한 요소들이 배터리의 전압 및 온도에 미치는 영향은 아직 완전히 이해되지 않았습니다.

 

현재까지 대부분의 네일 침투 테스트는 열 및 전기 전도성이 우수한 강철 못을 사용하여 소용량 배터리 셀(보통 0.5Ah~10Ah)을 관통하는 방식으로 진행되었습니다. 하지만 이러한 방식은 배터리에서 발생하는 열이 작은 용량의 테스트 셀을 통해 쉽게 전달되고 소산되므로, 온도 반응이 실제 산업 환경에서의 반응과 차이가 있을 수 있습니다. 이는 실제 산업 응용에서 큰 한계를 초래할 수 있습니다.

 

이 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 120Ah 용량의 대형 리튬이온 배터리 셀을 사용하여 네일 침투 테스트를 수행하였습니다. 이를 통해 다양한 실험 조건이 배터리의 전압 및 온도에 미치는 영향을 비교·분석하고, 보다 현실적이고 재현 가능한 ISC 실험 방법을 설계하는 데 기여하고자 합니다.

 

 

 

배터리 준비 및 실험 설정

(1) 사용된 배터리

 

실험에서는 120Ah 용량의 대형 리튬이온 배터리 셀을 사용하였습니다. 이 배터리는 CATL LFP 48173170E 모델로, 양극재(LiFePO₄)와 알루미늄 셀 케이스를 포함한 사각형 형태의 배터리입니다.

이 배터리는 실험 전 최소 5회 이상 충·방전 사이클(pre-cycling test)을 수행하여 성능이 일정한지를 확인한 후 사용되었습니다.

 

(2) 실험 환경

• 모든 실험은 폭발 방지 챔버(explosion-proof chamber, EPC) 내에서 수행되었습니다.
• 실험 장치는 TGS02A-M006 모델의 네일 침투 테스트 시스템을 사용하였으며, 실시간 데이터 측정(전압 및 온도 기록) 및 영상 촬영을 병행하였습니다.
• 실험 환경 온도는 25℃로 일정하게 유지하였습니다.

 

(3) 배터리 모듈 구성

• 단일 셀(single cell)뿐만 아니라 1P3S(1직렬 3병렬) 및 2P2S(2직렬 2병렬) 구조의 배터리 모듈도 실험에 포함되었습니다.
• 배터리들은 알루미늄 플레이트를 이용하여 탭(tab) 부분에서 용접하여 연결하였습니다.

 

 

 

 

표준 네일 침투 테스트(SNP, Standard Nail Penetration Test)

• SNP는 중국 국가 표준(GB 38031-2020)에 따른 전기차용 배터리 안전 기준을 준수하여 진행되었습니다.
• 100% SOC(완전 충전된 상태)의 배터리를 사용하여 실험을 수행했습니다.
• 못은 6mm 직경, 60° 각도의 원뿔형 강철 못을 사용하였으며, 0.1mm/s의 속도로 배터리를 관통하도록 설정되었습니다.
• 네일이 배터리 두께의 80%까지 침투하거나, 감압 밸브(decompression valve)가 작동할 때까지 실험을 지속했습니다.
• 배터리 표면에는 열전대(thermocouples)와 전압 센서(voltage monitoring units)를 부착하여 실시간 데이터 수집을 수행하였습니다.

 

 

네일 침투 실험 조건별 설정

실험은 여러 가지 변수에 따라 나누어 수행되었으며, 표준 네일 침투 테스트(SNP)를 기준으로 다양한 실험이 진행되었습니다.

 

 

(1) 네일 침투 속도 테스트 (Nail Stepping Rate Test)

• 네일 침투 속도에 따라 배터리의 반응이 어떻게 달라지는지를 연구하기 위해 4가지 속도를 설정함.
  • #2-1 (기준 실험): 0.1mm/s, 30초마다 1mm씩 멈춤 (SNP와 동일)
  • #2-2: 0.1mm/s, 멈추지 않고 지속적으로 침투
  • #2-3: 0.1mm/s, 1mm 전진 후 0.5mm 후퇴 반복
  • #2-4: 1mm/s, 멈추지 않고 지속적으로 침투

 

(2) 강철 못의 형태 테스트 (Shape of Nails Test)

• 못의 크기와 형태에 따른 영향을 분석하기 위해 3가지 형태의 못을 사용함.
  • #3-1 (기준 실험): 6mm 직경, 원뿔형 강철 못
  • #3-2: 3mm 직경, 원뿔형 강철 못
  • #3-3: 6mm 직경, 둥근(blunt) 강철 못 (배터리 케이스를 미리 뚫어둠)

 

 

 

(3) 배터리 초기 충전 상태 테스트 (Initial SOC of Battery Under Test, BUT)

• 배터리의 초기 충전 상태가 내부 단락에 미치는 영향을 분석하기 위해 4가지 SOC 상태에서 실험을 수행함.
  • #4-1 (기준 실험): 100% SOC
  • #4-2: 75% SOC
  • #4-3: 50% SOC
  • #4-4: 25% SOC

 

(4) 직렬 및 병렬 연결 테스트 (SPC of Module Test)

• 배터리 모듈의 직렬/병렬 연결 방식이 내부 단락에 미치는 영향을 분석함.
  • #5-1 (기준 실험): 단일 셀(SNP와 동일)
  • #5-2: 1P3S (1 직렬 3 병렬)
  • #5-3: 2P2S (2 직렬 2 병렬)

 

 

실험 데이터 측정 및 기록

• 네일 침투 테스트의 전체 과정이 비디오로 기록되었습니다.
• 실시간 전압 및 온도 데이터는 HIOKI 84330-21 오실로스코프를 이용하여 모니터링되었습니다.
• 실험 장치는 폭발 방지 챔버(EPC) 내부에서 원격으로 조작되었으며, 주요 장비는 외부의 마스터 컨트롤 룸(MCR, Master Control Room)에서 제어되었습니다.

 

 

 

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