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리튬배터리 내부 저항 측정
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리튬 배터리 내부저항 증가 주 원인은? 전기차 폭발과 화재 기술적으로 줄일수 있나?
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첫 작성: 9월 28일 토
1차 업데이트: 9월 29일 일
2차 업데이트: 9월 30일 월
3차 업데이트: 10월 2일 화
4차 업데이트: 10월 3일 수 : 파워포인트 PDF 파일 끝에 첨부
5차 업데이트: 10월 6일 일
6차 업데이트: 10월 12일 토
7차 업데이트: 10월 20일 토
8차 업데이트: 10월 23일 수
발표자: 이응재 용인송담대학교 자동차기계과 교수
해체 시연: 김민정 용인송담대학교 자동차기계과 겸임교수
리튬폴리머 배터리는 원통형, 각형 및 파우치형 3종류가 사용된다. 모양은 각가 다르지만 그 세부 구성을 살펴보면 거의 동일함을 알 수 있다.
리튬 금속 산화물 양극과 탄소 음극, 합성수지형 분리막 및 솔벤트성 전해질로 구성되어 있다. 나배터리 셀 하나당 2.1V 이지만 리튬 셀은 4.2V 전압을 발생한다. 유기 솔벤트성 전해질의 역할은 리튬 이온의 원활한 이동을 촉진하기 위해서이다.
원통형 및 각형 셀은 별도의 가스배출을 위한 벤트 구조를 가지고 있으나 파우치는 봉투 형상에서 배가 불러지는 특성이 있으며 압력이 초과되면 터지는 특성이 있다.
리튬 셀에서 유독한 가스 발생은 리튬 배터리 방전 시 발열 반응에 기인하며 심해지면 제어할 수 없는 열폭주(Thermal Runaway)를 일으킨다. 일차적으로 유독가스가 높은 압력으로 분출되며 이어서 전기 화염성 스파크가 튀자 마자 화염 확산을 통해 대류형 화염으로 발전한다. 수초 이내 순식간에 화재로 발생한다.
원인은 양극과 음극이 접촉하게 되는 제조 품질 불량과 충돌 사고에 의한 배터리 관통(송곳, 호미, 짱돌, 삽질, 망치질, 총알) 에 기인하며 때로는 과충전도 원인이 될 수 있다.
이 블로그는 절대 탁상공론이 아니며 실제로 2010∼2012년까지 용인송담 대학교에서 제작했던 2대의 전기차 제작 경험을 바탕으로 전기차 폐배터리 해체를 위한 안전지침을 해설하고자 한다.
마티즈를 개조하여 납배터리로 300V를 구현하였다. 당시 LS산전에서 시제작 판매하였던 인버터를 사용하였다.
제작된 마티즈 전기차 실험 유튜브 동영상 참조 바라며 필요 없으면 넘어가세요.
하지만 불행하게도 2010년 당시에 동일한 인버터를 사용하여 개조 전기차를 제작했던 벤처기업 레오모터스의 차량이 하남 나들목에서 화재가 나 전소했던 사례가 있었으며 이 후로 LS 산전의 인버터 생산이 중단되었다. 그때나 지금이나 리튬배터리 화재는 진화가 불가능하며 다 탈 때까지 안전 조치 후 기다려야 한다. 물이나 거품 소화기는 전혀 도움이 안되며 그래도 경제성이 있는 소화용 재료로는 건조한 모래로 덮어 버리는 것이 최상이다. 모래는 2500도를 넘어 철판도 녹여 버리는 테르밋 용접도 충분히 버틸 수 있는 특성이 있다.
이어서 2011년에 폭발 위험성이 적은 330V 고압리튬인산철 배터리 팩을 자체 제작하여 클릭 차량을 개조하여 전시하였다.
그 후로 전기차 실험 작업이 중단되었는데 2019년 9월 재활용업 협회 측의 갑작스런 요청으로 고압 리튬배터리 팩 안전회수 에 관한 교육 문의가 있었고 시연 대상 차량인 현대 아이오닉스의 전기 배선 구조를 검토한 결과 클릭 개조 전기차의 리튬배터리 팩과 구조가 흡사하다는 판단으로 안전 교육 및 시연을 수락 시행하게 되었다.
2011년에는 망해버려 미국의 공기업이 되어 버린 GM 이 개발한 플러그인 Volt의 측면 충돌 시험 차량 시험 후 수일 후 충격에 의한 내부 호학작용에 의해 열폭주가 일어나 전소되는 사고가 있었다.
다음은 전기차로 유명한 Tesla 의 S3 초기 화재 사건이다.
전기차 인버터의 콘덴서 특성
전기차에서 인버터란 300V 의직류 전압을 입력하여 대형 콘덴서에 전기 에너지를 가득 저장한 후에 IGBT 칩에 의해 3상 220V를 만들어 BLDC 모터를 구동하는 파워트레인 구성품이다
전기차 시동을 걸면 인버터 회로에 내장되어 있는 대형 콘덴서는 Key on 시에 공급되는 300V 이상의 고전압을 막바로 연결할 수 없어 바로 옆에 설치되어 있는 작은 소세지 굵기의 10Ω 저항을 통해 예비로 충전 시킨다. 이 과정을 PreCharging 이라고 하며 PRA 라고한다.
이때의 전류는 최대 30A 정도이다. 어느 정도 95% 이상 콘덴서가 충전되면 고압 리튬배터리 팩과 직접 연결이 이루어져도 안전해진다.
전기차의 시동을 끌 때에는 콘덴서에 저장된 전하들이 그대로 남아 있으며 주변회로로 흐르면서 잔류전류로 소모되어 사라지는데 최소 5분은 걸린다.
정확히 5분의 시간이 흐른 후 탈거 작업을 시작한다. 물론 보호장구를 완전히 착용한 상태라야 한다.
전기차 고압 배터리 팩 탈거를 위한 안전 수칙
전기차의 고압 리튬 배터리 팩 및 부품을 탈거하기 전에 반드시 안전 보호장구를 입고 건물 접지선을 설치하도록 하자. 건물 접지선을 설치하여 한쪽은 플러그에 꽂고 집게로 된 다른 한쪽은 전기차에 물리도록 하자.
가장 우선적으로 검전기를 사용하여 전기가 흐르고 있는지 염탐해 보자. 전기가 흐르고 있으면 불이 들어오고 소리가 난다.
5분 정도 기다려서 소리가 멈추면 좋으나 계속 불이 켜져 있고 소리가 나더라도 작업을 안할 수는 없다. 그 때 즉각 해야 하는 작업이 금속으로 이루어진 전기차 차체를 접지시키는 작업이다.
전기차 내부에 문제가 발생하였을 경우 배터리 팩 내부의 리튬 셀들은 엄청난 양의 전기 에너지를 머금고 있어 설사 흐르지 않는다 해도 둘러 싼 금속하우징에 정전기(고인 전기)를 발생 시킬 수도 있다. 아울러 금속 차체와 단단히 체결되어 있는 고압 리튬 배터리 팩 시스템이 체결되어 있을 때는 정전기를 띄지 않는다 해도 차체로부터 분리 탈거하는 순간에 눈에 보이지 않을지라도 작은 전기 스파크들이 발생하면서 차체와 고압 리튬 배터리 팩 간에 서로 극성이 반대가 되는 정전기(고인 전기)를 발생할 수도 있다.
건물 접지선이란?
고압배터리 또는 인버터 주변에 발생할 수 있는 강한 정전기(고인 전기)든 흐르는 전기든 2개의 집게와 전원플러그 접지선을 연결하여 만든 배선을 콘센트에 꽂아 건물 접지선을 통해 해소시키도록 하자. 이 간단한 장치야 말로 언제 발생할지도 모르는 고압 배터리 작업자를 지켜주는 안전장치이다. 선 굵기는 PC 전원선 굵기 정도면 충분하고 그 보다 좀 가늘어도 된다.
건물 접지선 설치는 건물 주공 검사 시 필수 체크 항목이다.
100A 수준 건물 접지선을 제작하려면
시동용 점프 케이블이 100A 10초 수준을 견딘다. 전원 콘센트를 이용할 것이 아니라 건물 접지선과 리프트 금속 구조와 직접 시공해 버리는 편이 좋을 것이다.
전기차 고압 배터리 안전회수를 보호복 착용
고압배터리 해체를 위한 복장은 확학물질 발생까지 견디어야 하는 소방대원 복장 수준이다.
전기 충격, 감전 방지 불똥에 의한 화재 방지, 유독물 비산, 가스 흡입 회피가 가능해야 한다.
보호장구 및 고압 리튬 배터리 회수를 위한 업체의 준비 사항은 환경부의 매뉴얼을 철저히 준수하여야 한다.
상기 환경부 제공 메뉴얼은 아래와 같이 PDF 파일로 사이트에 저장되어 있으니 다운받아 활용하시기 바랍니다.
전기차 배터리 안전회수 및 해체 보관 매뉴얼(배포용)-I.pdf 파일: 전체 개론
http://blog.daum.net/ejleep1/881
전기차 배터리 안전회수 및 해체 보관 매뉴얼(배포용)-II.pdf 파일: 현대 아이오닉 BMW I3, 르노 삼성 SM3
http://blog.daum.net/ejleep1/882
전기차 배터리 안전회수 및 해체 보관 매뉴얼(배포용)-III.pdf 파일: 혼다 어코드 하이브리드, 기아 소울까지
http://blog.daum.net/ejleep1/883
현대 아이오닉 고압 배터리 팩 회수 과정 요약
0. 보호장구 착용 여부를 재확인한다.
환경부 매뉴얼에 기재 되어 있지 않지만 작업 시작 전에 차체 및 배터리에 발생할지도
모르는 정전기 포함 각종 누설 전기를 실시간으로 제거할 수 있도록 건물 접지를 차체와
고압배터리에 설치한다.
1. 시동전기 스위치를 확실히 끄면 디스플레이도 함께 꺼진다. 스마트 키는 적어도 5m 이상 거리 밖에 둔다.
2. 12V 납배터리는 음극 즉 처체 접지선부터 분리한다. 이어서 12V 양극선도 분리한다.
12V 배터리가 완전히 분리되면 BMS 도 완전히 작동을 멈춘다. 하지만 인버터 내장
콘덴서 전기 에너지 해소를 위한 5분의 시간을 정확히 지키도록 한다.
3. 트렁크 시트 밑에 위치한 안전 플러그 열어서 제거한다.
4. 하체 작업을 통해 후륜 축을 탈거한다.
5. 아이오닉 바닥에서 고압 배터리 팩의 앞 부분인 PRA 와 고압 케이블 연결을 해체하자
본넷을 열고 엔진룸(모터룸)모터와 연결된 고전압 연결부위를 해체하자.
고압 배터리 팩을 회수하기 위해 체결 구조를 살펴보자.
안전 플러그를 탈거하고 나면 배터리 팩이 둘로 분할되어 끓어진 상태가 되었으므로 대단히 안전해진다. 특히 앞 부분의 +그리고 - 연결 부위는 절연 테이프로 감싸 안전을 도모한다.
다음은 아이오닉 고압 배터리의 내부 구조이다.
배터리 팩 회수 후 팔레트 위 절연 매트 상에 안치 후 전선 끝 부분 절연 테이프 작업 후 방수 비닐로 포장하고 박스로 덮는다.
BMW i3 고압 배터리 팩 안전회수
중량이 192Kg 으로 아이오닉스 보다 가벼우며 형상이 평평하다. 아울러 BMW i3 의 하부에서 후륜 축 작업 없이 해체가 가능하다. 단 에어컨 냉매를 사용한 냉각 방식을 채택했기 때문에 공조 라인 분해가 추가필요하다.
고압 배터리 해체 과정에서 후륜 축 제거 작업이 필요 없으며 형상이 평평하므로 정확하게 중심을 받쳐서 내리면 된다. 다음 그림을 참조하자.
BMW i3 차량의 고압 리튬 배터리 팩 해체작업은 인선 모터스에서 제공하는 아래 url 주소의 동영상을 참조하자. 이 부분도 환경부 매뉴얼에 상세히 기술되어 있음을 참조하자.
https://tv.naver.com/v/2808286
문의 사항이 있으시면 한국자동차해체재활용협회 채널을 이용해 주시기 바랍니다.
10월 25일 시흥 발표 자료 PDF 파일 첨부
진주 해체시연 관련 뉴스 보도 해설은 아래 url 주소를 찹조하세요.
http://blog.daum.net/ejleep1/873
파워포인트 PDF 파일 첨부
EV배터리해체__04.pdf
충청 예산 지부에서 배터리팩 분해 교육 유튜브 영상입니다. 재활용 협회 회원분이 올려 주신 듯 합니다. 감사드립니다.
www.youtube.com/watch?v=l87HiXWuDhM
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