Ep2에서 보조배터리의 형상과 주요 사양에 대해 알아보았다. 보조배터리 형상에 맞는 배터리 종류가 사용되었으며 보호 IC를 탑재하여 안전기능이 적용되어 있고 KC인증을 취득으로 사용함에 있어 안전하다고 강조하고 있었다.
이번 장에서는 보조배터리 내부의 안전기능과 KC인증이 무엇인지 알아보고자 한다.
지난 시간에 보조배터리 종류와 사양을 논의하면서 한 업체에서 아래와 같이 보조배터리 내부 구성에 대해 투명 케이스로 공개하였다.
보조배터리의 위쪽 초록색 기판 위에 여러 Chip들이 부착되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 시스템을 BMS라고 하며, BMS는 Battery Management System의 약자이다. 리튬 이온 배터리의 안전성 때문에 보조배터리 팩은 셀 단독으로 사용하지 못하며 내부에 이런 보호 시스템을 탑재하고 있다.
Cell(1개 or 여러 개) + BMS = Battery
리튬 이온 Cell은 아주 민감하기 때문에 BMS 기능으로 안전한 환경에서 사용될 수 있는 것이다. 우선 R사의 안전기능은 아래와 같이 5가지 보호 기능으로 나타나 있다. 사실상 2번 과충전보호는 4번 과전압보호와 동일한 기능이라고 볼 수 있다. BMS에서 과충전보호를 하기 위해서는 전압을 Sensing 하고 과충전 상태를 판단하기 때문이다.
1. 과열보호(Over Temperature Protection)
2. 과충전보호(Over Charging Protection)
3. 과전류보호(Over Current Protection)
4. 과전압보호(Over Voltage Protection)
5. 회로단락보호(Short Circuit Protection)
이런 안전 기능이 배터리의 어떤 상황에서 어떻게 동작하는지 파악할 필요가 있다. 리튬 이온 배터리는 Cell 내부 양극과 음극 사이에서 산화, 환원과 같은 화학적 반응이 일어나지만, 배터리 외부에서 바라보면 어떤 전압에서 얼마만큼의 전류가 흘러들어 가거나(충전) 나오는(방전) 현상이 지속적으로 일어나고 있다.
충/방전 상황 속에서 안전 기능은 배터리의 화재나 폭발을 보호하기 위하서 Reaction을 하게 되는데 그 Reaction은 보조배터리의 충/방전 차단이다.(이것 이외에는 안전 기능은 없다고 볼 수 있다. 배터리 화재가 발생하는 상황이라면 내부에서 자체적으로 진화하는 것은 물리적으로 불가능하기 때문이다.)
따라서 1번OTP, 2번 OVP, 3번 OCP, 4번 OVP는 충/방전 상황에서 전압, 전류, 온도가 정상적인 범위를 벗어나면 전류를 차단하여 충/방전을 중단하는 기능이라고 할 수 있다. 5번 SCP 기능은 충/방전 상황이 아닌 보관 또는 운송 중에 보조배터리 충전포트가 내외부에서 Short가 발생할 경우 전류가 흐르기 때문에 이 전류를 차단하는 기능이어서 앞선 기능들과는 상황 자체가 다르다.
다음으로 X사의 보조배터리 구성과 보호 기능에 대해 알아보자. 보조배터리 외부 케이스를 분해하면 아래와 같이 Cell과 BMS를 확인할 수 있다.
슬림한 디자인으로 파우치형 10000mAh의 중국산 리튬 폴리머 배터리를 사용하였으며, IS16046 인증을 받은 mark를 확인할 수 있다. 이 인증은 한국의 KS인증과 유사한 인도의 2차 전지 안전인증이다.(영상 제작자가 인도인이서 배터리에 IS인증 mark가 보이는 것 같다.)
셀 1개가 10000mAh로 보조배터리 용량이 20000mAh 또는 30000mAh로 늘어나면 이 셀을 공용으로 사용하여 겹겹이 병렬로 결합하는 구조로 설계된다.
BMS 구조에 대해 분석하면 보호 IC가 뒷면에 있어서 보이지 않지만 셀의 양극과 음극이 PCB에 Soldering 되어 충방전 path를 통해 충전포트(USB or C-type)로 연결된다. 오른쪽 하단에는 온도센서 wire가 보여 Thermistor는 셀 쪽에 부착된 것으로 보인다.
X사의 안전기능은 8가지를 적용하여 그 가짓수는 R사보다 많은 것을 확인할 수 있었는데 자세히 알아보자.
1. 과입력 보호 - 충전 상황에서 과전압/과전류를 차단하는 기능으로 OVP와 OCP기능
2. 과열보호 - OTP 기능
3. 역입력 보호 - 충전포트에서 USB는 역입력이 불가능하며, C-type은 pin을 대칭 설계하여 방향성이 없음
4. 과방전 보호 - UVP(Under Voltage Protection) 기능
5. 과전류 보호 - OCP 기능
6. 전압 보호 - OVP 기능
7. 과출력 보호 - 방전 상황에서 과전류를 차단하는 기능으로 OCP 기능
8. 과류 방지 - SCP 기능
R사와 X사의 안전기능을 들여다보니 그 상황과 동작 Mechanism은 동일하였다. 결론적으로 보조배터리 업체에서 가짓수로 안전기능을 더 뛰어나다고 홍보한다면 그건 말장난에 불가하다는 것을 알 수 있다.
"안전기능은 배터리의 전압, 전류, 온도가 너무 과하지 않게
안정적인 상태를 유지해 주는 기능이다."
안전기능은 개발자가 배터리의 정상상태를 고려하여 개발단계에서 적용한 설계인자이다. 주로 BMS 개발자가 Cell 개발자와 함께 설계 parameter를 논의하게 된다.(예를 들어 OVP 설정 값이 4.25V가 맞는지 전압 측정 오차를 고려하였을 때 최대 전압은 몇인지를 분석해야 한다.)
지금부터는 설계 이후에 제품의 안전기능이 정상동작하는지 검증하는 항목은 무엇이며 어떤 목적으로 검증하는지 알아보자.
한국의 경우, ‘KC 인증 마크(Korea Certification mark)’ 제도를 통해 국내에서 사용되는 배터리 제품의 안전성과 적합성을 평가·검증하고 있다. KC 인증 마크가 없는 제품을 유통하고 판매하는 것은 전기생활용품안전법에 따라 불법으로 간주하며, 국가표준기술원에서도 KC 인증 마크가 없는 배터리 사용 금지에 대해 공시하고 있다.
보조배터리로 KC 인증을 받기 위해서는 KC62133-2라는 규격에 명시되어 있는 항목을 국가기관시험소에서 진행하여 Pass 되어야 한다. 이 KC62133-2는 IEC62133-2와 유사한 규격으로 어쩌면 동일하다고 할 수 있다. KC규격은 한국의 국가기술표준이어서 Global적으로 사용되는 리튬이자전지의 규격을 사용하여 국내의 전문가와 기관이 제정한 문서이기 때문이다.
IEC62133-2 규격은 아래 링크를 참조하세요.
IEC 62133-2
IEC62133은 이차전지(충전 가능한 배터리)의 안전성에 관한 국제 표준이다. 주로 소형 휴대용 전자기기에 사용되는 리튬 이온 및 니켈계 전지에 적용되며, 이 표준은 배터리 셀과 팩의 Safety 요구사
wrightbro.tistory.com
자세한 시험 절차와 방법은 위의 IEC62133-2 규격에서 알 수 있지만 보조배터리의 KC인증을 위한 시험방법은 아래와 같다. 앞서 말했듯이 IEC규격과 동일한 시험 항목이다.
보조배터리는 총 5개 항목을 Pass 해야 KC인증을 취득할 수 있다.
7.2.2 케이스 변형 시험
7.3.2 외부 단락시험
7.3.3 자유낙하 시험
7.3.6 과충전 시험
7.3.8 기계적 시험
전문가들이 셀과 배터리의 시험항목과 조건을 구분하여 국제규격을 제정하였다. 그 목적에 맞게 시험 대상을 구분하였을 것이고 시험 방법도 문서 내에 적혀있다.(자세하게 적혀 있지는 않고 통상적으로 관례에 따라 시험을 해오고 있다.)
25년 1월 에어부산 항공기 기내 화재 사건이 발생하였고 그 원인에 대해 밝혀진 것은 없지만 이러한 사태가 벌어진 전제를 나열하면 다음과 같다.
1. 보조배터리가 KC인증을 받지 않았다.
2. KC인증을 받은 보조배터리이지만 일부 보조배터리의 결함으로 우연하게 발생한 화재 사건이다.
3. KC인증을 받은 보조배터리이지만 시험을 잘 못 진행하여 시험소가 결함을 검출하지 못하였다.
4. KC인증을 받은 보조배터리이지만 시험방법과 조건이 불충분하다.
5. KC인증을 받은 보조배터리이지만 시험항목이 실사용 조건을 대변하지 않는다.
이러한 전제들을 바탕으로 다음 장에 기내 화재 사건의 원인이 무엇이고 재발방지 방법은 어떤 것들이 있을지 알아보도록 하겠다.
'배터리 > 이슈' 카테고리의 다른 글
| 항공기 기내 화재 사건_에어부산 Ep2 (0) | 2025.03.10 |
|---|---|
| 항공기 기내 화재 사건_에어부산 Ep1 (0) | 2025.02.11 |