Q. 리튬전지를 어떻게 불에 견딜 수 있게 만들었나? 보통 리튬전지는 불에 취약한걸로 알고 있는데.
내화성 설계는 기본적으로 배터리 자체가 높은 온도에서도 작동할 수 있게 만들어졌고, 화염이 직접적으로 영향을 주지 않도록 여러 겹에 걸쳐 보호되도록 만들어서 튼튼한 것임. 자동차는 경량화 때문에 이렇게 만들 수 없지만 잠수함은 중량에 크게 제약이 되는건 아니니까...내구성에 많이 신경 써서 만들었음.
사실 이 내화성 테스트할때 정말 위험해서 테스트 시설 관계자들도 뜯어말릴 정도였는데, 저 정도 크기의 리튬 배터리는 화재가 나면 대형사고가 터지기 때문임. 그래도 테스트를 했음. 안전을 위해 충전되지 않은 상태로, 일단 화염이 직접 영향을 주는 바닥 부분에는 배터리 팩을 넣지 않고 윗 칸에만 넣고 테스트를 했음. 그리고 통과하면 하나씩 추가하면서, 여러 번에 걸쳐서 테스트해서 결국 안전성을 검증할 수 있었음. 체계개발 들어가서 더 해야되는 테스트가 있는지 확인 중인데, 일단 지금 상태에서도 실제 체계적용이 가능한 수준이라고 생각함.
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KSS-3 Batch-2 리튬전지팩 화재 전이 방지 시험
함정에서 화재 발생 시 화염은 함정 내부로 급속히 전파되며, 함정의 전력원인 리튬전지팩 설치 공간인 함 하부의 동력 전달장치 공간까지 미치게 된다. 함 하부의 동력 전달 장치 공간은 여타 장비와 달리 굉장히 좁은 공간이며, 각각의 장치들이 밀집되어 있어, 화염은 구조물 외부에 직접적으로 가해진다고 정의된다. 따라서, 일반 화재 시 발생되는 화염의 최대 온도인 900℃ 기준으로 평가 방법을 설계해야 할 것이다. 그러나, 현재 함정 내 장비에 대한 연소 평가의 안전성 평가 기준이 정의되어 있지 않다. 따라서, 본 연구에서는 자동차안전기준시행세칙의 배터리팩 연소안전 시험평가 방법을 선정하여 시험방법을 정의하였다.
리튬전지팩 내부는 전원 소스인 리튬전지파트와 전원 관리장치로 구성되어있다. 따라서, 구조물 설계 시 직접적으로 노출된 장치를 외부의 화염으로부터 보호할 수 있도록, 6면을 막는 압력용기 구조로 설계되었다. 또한, 소재는 용융온도 1400℃인 STS 계열로 선정하였다. 물론 철강 판재도 용융점이 1500℃이나, 열전도도 및 열팽창율, 비열 성능이 높은 STS 계열로 선정되었다. 또한, 커버의 조립부는 CR 재질의 고무로 실링을 진행하였고, 실링의 파손을 방지하기 위하여, 특정 간격을 유지한 볼트조립 구조로 설계하였다. 상부에 플라스틱으로 적용된 극주 커버는 난연 최상위 등급 재질로 설계하여 열변형을 최소화하였다. 이러한 구조물 설계로, IP44 기준의 방진 설계가 적용되어, 화재 시 화염이 구조물 내부로 전이될 수 없도록 진행하였다.
본 시험평가에 적용할 시제를 준비하여, 팩 전압을 SOC 95% 이상인 794Vdc로 충전하였다. 이후, 시제 형상에 맞게 제작된 지그에 안착하였다.
정확한 온도와 시간에 맞춰 시험평가를 진행하였으며, 화염의 평균 온도를 측정하였을 때 863℃로 확인되었다. 연소안전 시험 진행 동안, 리튬전지팩의 구조물은 화염을 내부로 전이하는 것을 방지하였고, 구조물은 발화 및 폭발 없이 완료되었다. 또한, 구조물의 파손 상황을 확인하였을 때, 외함의 용융 흔적이 없었고, 실링부도도 파손을 확인할 수 없었으며, 플라스틱 재질로 적용된 상부 극주 브라켓도 일부 녹는 현상 외 불이 붙지 않아, 극주의 고정 역할에 문제가 없었다. 연소 후 1시간 관찰 평가 단계에서도 구조물 내 설치된 배터리 손상은 없었으며, 최종 리튬전지팩 전압 상태도 초기 전압인 794Vdc를 유지한 것을 확인하였다.
이로써, 함정에서 발생 할 수 있는 화재 상황에서 안정적으로 운용할 수 있는 리튬전지팩을 제작할 수 있게 되었다.
출처 : 함정용 리튬전지팩 구조물의 화재 전이 방지 설계 및 시험(한국군사과학기술학회 2019 추계학술대회)
작성일 : 19-11-08 18:13
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