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Nikkei X-TECH_2022.7.29

‘EV 배터리 화재를 막아라’, 열쇠를 쥐고 있는 일본의 검사 기술
HIOKI, 배터리 제조 단계에서 검사 통해 해결

최근 몇 년 간 전기자동차(EV) 화재 사고가 잇따르고 있다. 발생 건수는 적지만 이러한 사고는 소비자의 구매욕에 영향을 줄 수 있다. EV로의 전환을 추진하고 있는 자동차업체와 EV 전용 리튬이온 배터리를 공급하는 업체에게 배터리 발화로 인한 화재 사고 근절은 매우 중요한 과제이다. 배터리의 제조 단계에서 발화 원인을 얼마나 줄일 수 있느냐가 과제를 해결할 열쇠가 될 것이다.

EV의 화재 사고 발생 빈도는 하이브리드차(HEV)나 내연기관(ICE)차보다 적다는 지적이 있다. 예를 들어 올 6월, 미국의 자동차보험 비교사이트 오토인슈어런스EZ(Auto Insurance EZ)는 미국 국가교통안전위원회(NTSB) 데이터를 바탕으로 실시한 조사 결과를 발표했다. 이 조사 결과에 따르면, 미국의 판매량 10만대 당 화재 발생 건수는 ICE 차량이 약 1,500대, HEV가 약 3,500대인 반면 EV는 약 25대였다.

그러나 앞으로 EV 판매를 늘려나가고 싶은 자동차업체들에겐 한 번의 화재 사고가 브랜드 실추를 야기시켜 경쟁에서 뒤처지게 할 위험이 있다. 차량용 배터리 업체들도 점유율 확보 경쟁이 과열되고 있는 가운데, 자사 배터리로 인한 발화로 차량에 화재가 발생할 경우 자동차업체가 조달처를 변경할 리스크도 증가하게 된다.

차량용 배터리의 발화에는 다양한 원인이 있다고 알려져 있지만, 대표적인 것이 배터리셀에 있어서의 콘타미네이션(Contamination, 금속 이물질의 혼입)이다. 배터리 제조 과정에서는 세퍼레이터에 사용되는 금속 부스러기 등이 셀 안에 혼입될 수 있다.

이것이 내부 단락(쇼트)을 일으키고 화학 반응이 급격히 진행되면서 일정한 온도에 도달할 경우, 열의 폭주에 의해 발화하게 된다. 배터리업체들은 콘타미네이션 검출에 비용을 투입하고 있지만, 찾아내는 것은 용이하지 않다고 한다.

최근에는 콘타미네이션과 함께 셀이나 팩 용접부의 품질 불량이 배터리 발화의 원인으로 주목받고 있다. 배터리의 제조 공정에는 용접이 필요한 부분이 몇 가지 있다. 만약 용접이 불충분할 경우, 통전 시 저항값이 커져 발열하게 된다. 이러한 부분에 큰 전류가 흐르게 되면 발열에서 발화로 이어질 수 있다. 또한 용접 시 발생하는 스퍼터 입자가 셀 안에 혼입되면 콘타미네이션처럼 작용할 수도 있다고 한다.

이러한 문제를 배터리 제조 단계에서의 검사를 통해 해결하려는 곳이 배터리 계측기 대기업 히오키(HIOKI)이다. 히오키는 올해 안에 셀의 절연 상태를 검사하는 '절연 저항 시험기' 신제품과 셀과 팩의 용접 품질을 검사하는 '용접 저항계' 등 배터리용 계측기 제품 3가지를 시장에 투입할 예정이다. EV 화재 사고 발생 이후 배터리 업체로부터 안전성을 보장할 수 있는 검사 장치에 대한 요구가 증가하고 있다고 한다.

히오키는 “안전한 배터리를 공급하기 위한 검사에 사용해주었으면 한다. 화재 사고로 이어지는 잠재 불량을 줄이는데 기여할 수 있을 것이다”(히오키 고객마케팅부 필드 디자인과의 사토(佐藤) 리더)라고 말한다. 신제품은 발매 전이지만, 벌써 문의가 많이 들어오고 있다고 한다.

“EV 배터리 화재 사고가 발생할 때마다 상담이 들어오고 있다”라고 히오키 고객마케팅부 필드디자인과 분석팀의 기모토(木本) 총괄 리더는 말한다. 히오키는 판매하는 배터리의 내부 저항을 측정하는 계측기가 배터리업계에서 디팩트 스탠더드(사실상의 표준)로 자리잡고 있어 배터리 업체들과의 관계는 깊다고 한다.

이번 절연 저항 시험기는 전해액을 주액하기 전 셀에 일정한 전압을 가해 전류나 전압의 변화를 측정하고 절연되었는지를 검사하는 장치이다. 히오키의 신제품은 이전 세대 제품이나 타사의 계측기에 비해 콘타미네이션 검출 성능이 높다. 기모토 리더는 "콘타미네이션을 최소화하면 열 폭주 요인을 상당히 저감할 수 있다는 것이 업계에서 지표가 되고 있다"고 지적한다.

용이한 콘타미네이션 검출을 위해 히오키가 이번 신제품부터 채택한 것은 히오키의 독자적인 검출 방법이다. 일정 시간 내의 전류 및 전압의 피크값을 기록하는 '피크 홀드'와 초당 500만개의 디지털 샘플링을 복합한 방식이다. 이를 통해 기존의 오실로스코프(Oscilloscope) 및 기록계를 이용한 파형 계측에서 발생하던 샘플링 타이밍이나 분해능에 의한 검출 누락을 줄일 수 있다고 한다.

절연 저항 시험기로 콘타미네이션의 검출을 위해 감시하는 것은 충전 중의 전압 및 충전 후 정상 상태의 전압과 전류의 미세한 변동이다. “이러한 것들은 매우 빠른 신호로, 기존 제품이나 타사가 사용하는 오실로스코프나 기록계로는 측정이 불가능하다”(사토 리더)라고 한다.

또 하나의 신제품인 용접 저항계는 용접 부분의 저항값을 측정하는 계측기이다. 저항값이 낮을수록 열에 의한 손실이나 발화 위험이 적다고 할 수 있다. 히오키는 지금까지도 용접 상태의 좋고 나쁨을 저항값 측정을 통해 판별하는 장치를 개발해왔다. 용도는 전자부품과 커넥터, 하네스, 모터용 등이 중심이었지만, 이번에 배터리용으로도 전개해나갈 방침이다. 상정하는 검사 대상은 전극 시트와 전극 탭의 용접, 배터리팩에 있어서의 버스바 용접 등이다.

히오키에 따르면, 최근 배터리팩 용접 검사 수요가 높아지고 있다. 배터리는 “용접 덩어리”(기모토 리더)로, 셀 수나 셀이 나열된 열(列)의 수가 많을수록 필요한 버스바의 용접 수도 늘어난다.

국내 자동차업체의 현행 EV로서 일반적인 400V 시스템의 경우, 셀 하나를 3.7V로 계산하면 1열로 연결한 경우라도 버스바의 수는 110~120개에 달한다. 유럽을 중심으로 확산되고 있는 800V 시스템을 채택하는 EV에는 최소 약 200개의 셀이 필요하고 그만큼 버스바의 용접 수도 많아질 것이라고 한다.

배터리의 품질은 자동차업체가 EV로 전환하기 위한 열쇠를 쥐고 있다. EV의 판매 증가와 함께 배터리 발화로 인한 화재의 건수도 증가해버린다면, 유저의 불안은 커질 수 밖에 없을 것이다. 배터리 업체와의 관계를 활용해 EV의 화재 방지에 기여할 수 있는 새로운 검사 기술이 EV의 보급에 불가결하다고 말할 수 있다.

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