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Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers

ISO Journal TitleJ Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng.




Energy storage system, Lithium-ion, Overcharge voltage

1. 서 론

1.1 연구의 배경

전지는 1차 전지(Primary Cell)와 2차 전지(Secondary Cell)로 구분할 수 있으며 1차 전지는 방전 후 재사용이 불가능한 전지, 2차 전지는 방전 후 충전을 통해 재사용이 가능한 전지를 의미한다. 이 2차 전지는 양극재 원료에 따라 납축전지(Lead-Acid), 리튬이온전지(Lithium-Ion) 등으로 분류할 수 있다. 납축전지는 주로 자동차나 기차의 엔진시동용 배터리와 지게차, 광산용 축전차, 생산현장의 물류 운반용 AGV(Auto Guide Vehicle)등의 운송용, 예비전원 용도로 사용되며, 동 사용분야의 전지 시장 내 비중은 약 80%(2014년 기준), 리튬이온전지는 스마트폰, 노트북, Tablet PC, 전기차(xEV) , ESS(Energy Storage System) 등의 용도로 적용되며, 전지 시장 내 비중은 12%(2014년 기준) 수준이다. 화석 연료 고갈에 대한 우려와 지구 환경 오염에 대한 우려가 커짐에 따라 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle), 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle), 순수 전기자동차(Battery Electric Vehicle), 에너지저장시스템(ESS) 등의 새로운 응용 분야에서는 리튬이온전지가 주도적으로 사용되고 있다. 특히, 이차전지는 제조업과 정보통신기술의 연결로 촉발되는 4차 산업혁명의 대표적인 융합기술이며 우리나라의 대표적인 전방산업이다. 오늘날 리튬이온전지의 기술적 진보는 2010년 에너지 밀도가 kg당 150Wh에서 현재는 250Wh로 60% 이상 향상되었고 2020년에는 kg당 290Wh 까지 향상되어 500km 이상 주행 가능한 전기자동차 생산이 되고 있으며 향후 계속적으로 기술적 혁신과 시장에서의 성장세가 이어질 것으로 전망되어 기존 납축전지 시장을 급속하게 대체해 나갈 것이다. 따라서 리튬이온전지는 고효율, 고성능 및 우수한 충방전 특성과 용량 확장성, 에너지 변환효율, 친환경적으로 타 경쟁기술 대비 많은 장점을 가지므로 차세대 에너지 기술을 선도하고 있으며 이에 관련된 연구는 다양하게 이루어지고 있다. 리튬이온전지의 불꽃방전에 의한 폭발위험성에 관한 연구[1], 리튬이온 배터리의 SOC에 따른 배터리 손실분석[2], 단일 배터리 셀의 전기화학-열적 거동을 고려한 리튬 이온 배터리 모듈의 열유동 분석[3], 기계-전기화학-열전달의 다중물리 해석을 통한 리튬전지 열거동 분석[4], 전기화학적 특성을 고려한 파우치형 리튬 이온 전지 열 모델링[5], 납축전지와 리튬전지에 의한 전기모터 출력특성 분석 연구[6], 리튬이온 배터리의 열관리가 전기자동차 주행거리에 미치는 영향[7], 리튬이온 전지 에너지 저장장치의 효율 향상을 위한 충전 방법 고찰[8], 리튬전지 전용 자동 블리스터 포장기 메카니즘 연구[9], 리튬전지 충방전용 직류-직류 변환기의 효율에 관한 연구[10], 압입 조건에서 내부단락에 의한 열폭발 해석을 위한 Multi-layered 리튬이온배터리의 구조-전기화학-열 다중물리 모델링[11], 본질안전 방폭인증용 배터리 단락시험장비 개발 및 성능평가[12], 다중물리 해석을 통한 이차전지 발열 해석[13], 외부충격에 의한 리튬이차전지 발화폭발 사고분석 및 평가해석[14], 전동휠체어용 리튬전지 성능비교 연구[15], 가스 폭발사고 방지를 위한 방폭형 전기 기기[16], 내압방폭구조전기기기의 인증 과정에서의 문제점 분석[17], 방폭형 전기설비설계[18], 원통형 밀폐 용기의 내부 구조에 따른 폭발 압력 특성 연구[19], 저압전기설비의 내압방폭 인증절차에 대한 고찰[20], 절연된 부스트 변환기와 포워드 변환기를 이용한 리튬전지 충방전용 직류-직류 변환기의 설계[21], 자동차 ISG 1248V 리튬전지 운영기술 개발을 통한 연비개선[22], 전기기계ㆍ기구의 폭발방지[23], 최대실험안전틈새(MESG)와 폭발압력의 상관관계에 대한 연구[24], 태양전지셀의 본질안전 방폭성능 평가[25] 등과 같이 리튬배터리 개발과 응용을 위한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다.

1.2 연구의 목적 및 방법

광산에서 갱내 채탄 운반을 위한 축전차의 동력원으로 사용되고 있는 저효율 고비용의 납축전지를 고효율 친환경의 리튬전지로 사용할 수 있는 연구 및 대체가능한 기술개발이 현재까지는 이루어지지 않고 있어 이를 리튬이온 배터리로 사용할 수 있도록 대체함으로써 작업 환경에서의 작업자의 안전성을 확보하고 전지의 수명연장으로 인한 축전차의 운용 효율성을 증대시킬 수 있을 뿐 아니라 납축전지의 충방전시 발생하는 수소가스로 인하여 별도의 장소와 인원을 배치함으로써 발생하는 비용 손실을 줄일 수 있다. 이를 구현하기 위하여 본 기술개발은 석탄광산에서 필수적으로 요구되는 메탄가스 폭발 환경과 고온, 분진, 상대습도 90%이상의 고습도 상황에 대응되는 고 강성 및 고 기밀성의 방폭 프레임 등을 적용하여 안전성을 확보할 수 있는 방폭형 리튬전지의 제작이 가능하도록 연구와 개발을 하였다.

2. 구조

2.1 축전차 시스템 구조

Fig. 1은 축전차로써 전기 기관차로 분류되며 가공선식과 축전지식으로 구분되다. 주요 시스템 구조는 Fig. 1과 같이 차체, 전동기, 제어기, 저항기, 감속장치, 주행부, 제동장치, 전원장치, 경보장치, 전조등으로 구성되고 후미에 여러대의 광차를 연결하여 갱도에서 광물을 운반하는 역할을 한다.

Fig. 1. Battery locomotive system

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2.2 축전차용 축전지 구조

Fig. 2는 본 연구에 사용된 광산용 축전차의 동력원인 방폭형 축전지 구조를 설명하고 있으며, 가스 및 가연성분진에 의한 폭발 환경에서도 견딜 수 있는 강성의 구조물개발과 가연성가스와 점화원이 될 수 있는 영역을 내·외부적으로 상호작용을 차단 할 수 있는 구조의 기밀성의 구조물과 광산의 각종 고온, 고습도 및 화합물들에 노출에 따른 부식성을 차단 할 수 있는 내식성 재료를 요구하고 있다.

Fig. 2. Battery locomotive system

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2.3 관련이론

구동 소요 동력은 축전차량의 무게와 광차의 무게를 더한 것을 기준으로 잡았다. 목표 차량의 공개된 무게는 1,840kg 이다. 광차 8량 1,000kg으로 계산했으며, 이는 RCAR(Research Council for Automobile Repairs)에서 자동차 충돌실험에 사용하는 더미의 표준 무게에서 근거했다. 즉, 전체 무게는 1,840Kg + 8,000kg = 9,840Kg이 되었다. 속도의 기준은 위의 무게를 10초 이내에 정지상태에서 시속 5km로 구동시키는 것을 목표하였다. 다음 식을 통해 동력 소요를 계산하였다.

$ P =\dfrac{E}{s}=\dfrac{1}{2}mv^{2}/s\\ =\dfrac{1}{2}9,\: 840Kg(\dfrac{10km\times 1,\: 000m}{3600s\times 1km})^{2}\dfrac{1}{10s}\\ = 3,\: 796.29W $

최종적으로 3.79kW가 구동에 소요될 것으로 예상되었다. 축전차의 일반적인 운행에 부족함이 없는 수준이라 판단된다.

3. 실험방법

3.1 과충전 전압시험

Fig. 3은 과충전 전압시험으로 시험품의 상태 방전조건으로 SOC 0%로 방전된 후 주위 온도로 안정화하여 시험품의 시험환경조건을 25℃, 23.7%.R.H, 1002hPa, 방전전류 100A, 방전종료전압 72V, 시험기준은 전지시스템의 보호장치 과충전전압을 검출하여 충전이 종료되어야 하며, 전지시스템의 전체 기능은 설계와 같이 작동하면서 발화 및 폭발이 없어야 한다.

Fig. 3. Overcharge voltage test

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Fig. 4. Overcharge voltage test

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Fig. 4는 과충전 전압시험 결과로 Table 1과 같이 발화 및 폭발이 없었으며 전자시스템도 양호하다.

Table 1. Overcharge voltage test results

시험전압

[V]

시험종료전압

[V]

목표최대

충전전류[A]

시험시간

[h]

시험결과

78.36

85.58

216

1

발화 및 폭발없음

전자시스템 양호

3.2 과충전 전류시험

Fig. 5는 과충전 전류시험으로 관리 및 취급의 효율성이 매우 낮기 때문에 성능손실 및 사용수명 단축이 발생 되지 않도록 과충전 전류제어 시험을 실시한다.

Fig. 5. Overcharge current control

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Fig. 6은 과충전 전류시험 후 1시간 관찰로 안정성 시험을 실시한다

Fig. 6. Overcharge current control

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3.3 배터리 과열시험

Fig. 7은 배터리의 과열제어로 감시 및 안전장치를 통한 사고예방 및 사전 대처에 적합함을 시험하기 위해 90분간 시험하여 안전성을 확인하였다.

Fig. 7. Battery overheating control

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3.4 충·방전 시험

납축전지는 장시간의 충전 특성에 따른 가용 수요량 증가로 관리의 어렴움이 있다. 배터리 System Mount용 고감쇠 진동실험은 별도의 공간과 관리인력이 많이 필요하다.

Fig. 8. Equivalent circuit model of lithium ion battery

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Fig. 8은 배터리팩을 구성하는 단일 셀에 대한 기본적인 RC Ladder로 구성되는 전기적회로(Electrical Equivalent Circuit Model)를 나타낸다. 배터리의 용량은 배터리가 완전히 충전 될 때로부터 도출될 수 있는 최대 충전량으로 정의된다.

(1)
$SOC = SOC_{0}-\dfrac{1}{Q}\int idt$

(1)에서 볼 수 있듯이, SOC(State of Charge)는 충전량을 나타내는 지표로 사용되며 열역학적으로 양극과 음극에 리튬이온이 인터칼레이션(Intercalation) 되는 총량을 의미한다. 전기적 등가회로의 파라미터 중, OCV(Open Circuit Voltage)는 단일 셀의 실제 용량을 기반으로 한 SOC에 따른 Rest 이후 전류가 인가되지 않을 때의 안정화된 전압을 의미한다. Ri는 오믹 저항(Ohmic Resistance)으로 열적 거동모델에서 발열량에 대한 가장큰 지표이며 R 1와 C 1은 각각 분극 저항(Polarization Resistance)과 커패시턴스(Polarization Capacitance)를 나타낸다. 저항은 방전곡선에서 추출하였으며 전류가 인가 될 때 순간적으로 발생하는 전압 강하를 통하여 도출하였으며, 비선형적으로 나타나는 전압 강하를 통하여 R1과 C1을 도출하고 이를 Fig. 9Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 9. Resistance of lithium-ion battery

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Fig. 10. 25℃ Battery charge/discharge test

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Fig. 11은 방전방향의 전류를 일정하게 흘려주는 경우 전지의 전압이 감소하고 전압 감소가 특정전압(cutoff voltage)이하일 경우 방전을 중단하게 되며 이 시간 동안 방전된 양으로부터 용량을 측정하여 안정된 용량을 확인하게 된다.

Fig. 11. Battery charge/discharge test

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3.5 충전유지 및 충전복구 시험

Fig. 12는 충방전 과정에서 저항이 특정 값 이상으로 증가한 전지에 대해 기존 사용 전압보다 낮은 전압으로 방전시켜 리튬 이온의 삽입 탈리량을 증가시켜 리튬이온 전지의 충전복구에 대한 시험을 하였다.

Fig. 12. Charge maintenance and charge recovery test

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4. 실험결과 및 고찰

4.1 광산 사용환경 및 축전차 전지의 사용현황 분석

리튬이온 전지는 오늘날 휴대용 기기들을 비롯하여 EV, ESS 등 대용량 전지는 산업 전 분야에서 다양한 형태를 활용되고 있으며 향후에도 지속적으로 많은 수요가 예상된다. 리튬 전지를 사용하는 데에 따라 다양하고 많은 장점이 있음에도 아직 광업현장에선 할용되고 있지 못하는 것은 광산 환경에서의 상시 발생하는 메탄가스의 분출에 따른 폭팔에 대한 안전성 확보 및 열악한 고온, 고습한 사용 환경 등의 특수성에 기인한다. 따라서, 개발을 하는데 있어서 사용 환경 대한 정확한 분석과 DATA 수집은 아주 기본적이고 중요한 개발 요소이다. 이러한 분석은 개발의 방향을 정확히 선정하고 이에 맞은 정확한 요소 기술들을 개발해나가는데 핵심적인 요소이다

4.2. 배터리 사용환경 조사

기술의 개발을 위하여 수요업체를 수 차레 방문하여 제안 기술에 관련된 시설물과 갱내 현장 조사를 함으로써 축전차의 사용 현항 및 방폭형 밧데리의 실사용 환경에 대한 조사 및 평가를 실시 하였고 조건은 Table 2와 같다.

Table 2. Comparison of technical differences between lead acid batteries and lithium batteries

최대 온도 / 습도

+ 36℃ / RH92%

1일 사용 횟수(회)

7

실사용 시간 (hour)

3

최대경사도

2.5

최대 화물 적재량(Ton)

8

모터용량(KW)

13 X 2

4.3. 갱내 충전소 현황분석

사용현황으로는 Fig. 13과 같이 충전기 1대에 축전지 1조를 연결하여 사용하고 있으며 평균 충전시간이 10시간이상 진행하기 때문에 익일 사용분을 충전하고 있었다. 이에 따른 문제점으로 첫 번째 2교대 운전 시 추가적인 축전지 1조를 별도 구성 및 보유하여야 되므로 축전차 1대에 축전지 2조를 구성하여야 하고, 두 번째는 갱내 온, 습도 환경 및 납축전지 특성에 따른 자가 방전율이 월 5%이상 되기 때문에 관리에 어려움이 많아 효율성 떨어지는 현상이 발생하며 세 번째는 갱내에는 이러한 충전소가 여러개소 존재하므로 공간 활용의 효율성이 떨어 진다. 네 번째는 충전 시 동시에 여러대의 축전지를 충전 시 가스발생량이 상승하여 위험성 증가 및 작업자의 보건위생에 부정적인 요인을 주고 있음을 분석하였다. 이에 따른 개발방향 제시로 충천 시간을 2시간 30분 이내 만 충전을 실현함으로써 배터리 수량을 감소시킬 수 있고 향후 충전 장치를 동시에 여러 대를 구현할 수 있는 전력제어 기술과 충전 상태를 실시간 감시 할 수 있는 Interface 기술 구현과 더불어 외부에 있는 중앙통제실에서 24시간 상황을 확인 할 수 상시감시 체계에 대한 연구가 추가적으로 필요함을 제시한다.

Fig. 13. Current status of charging stations in mines

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4.4. 전력현황 및 선로 조사

Fig. 14는 전력사용 환경이며 Table 3과 같이 전력현황이 조사되었고 또 광산용 축전차 운송의 1차 광물 운송을 목적으로 제작되었기 때문에 선로에서 발생하여 차체로 인입되는 진동을 분산시킬 수 있는 별도의 저감 장치가 없어 진동이 축전차 내에 그대로 전달된다. 일반구간과 곡면구간 통과 시 많은 진동이 발생하여 축전차로 내부로 인입되고 있었으며 특히 파상선로 구간을 운행 시 진동의 양은 큰폭으로 증가됨을 알 수 있었다. 이에 따른 문제는 배터리가 지속적인 Stress에 노출 및 인입됨으로 축전차에 부착되어 있는 장치 및 배터리의 플라스틱 전조물의 지속적인 Stress를 받아 파손 위험성이 증가되고 방전효율 및 가스 발생량이 증가 할 수 있어 사용수명 단축 될 수 있다고 판단되기에 이에 대한 개발방향 제시로 배터리 함체에 외부 진동에 대응 할 수 있는 진동 저감 대책이 필요 하다고 조사되었다.

Fig. 14. Current status of power facility use

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Table 3. Power status survey

1차 전압

440 VAC

2차 충전기 인입

220VAC

충전기 출력전압

112VDC

Current

108A

충전기 정격 전류용량

150A

납축전지 사양

공칭전압/1EA

2V

수량

42개

용량

900AH

충전전압

112VDC

종지전압

71.4VDC

4.5. 각 상황별 부하변동 조사

축전차의 운행 시 발생하는 에너지 소모량을 측정하여 개발 제품의 사용 용량을 확인, 분석하고 특성등에 맞게 설계에 반영하여야 하며 개선방향으로 일반적인 현황은 Table 4Table 5와 같으나 개발 시 각 광업소별로 방문하여 각종 계측기를 사용하여 현지 사용현황에 대한 정밀 조사를 다시 실시하고 비교 분석 후 정확한 연구개발 사양을 재검증하여 설계에 반영하기 위해 Fig. 15와 같이 각 상황별 부하변동 조사를 실시하였다.

Table 4. Investigation of load changes according to cargo loading

구 분

용량(A)

초기 기동 시

380

화물적재 후 역주행 시

640

적재 후 경사로 운행 시

640

Table 5. Investigation of load changes according to track passage conditions

구 분

용량(A)

일반구간 운행

105

곡면구간 운행

240

파상선로 운행

370

Fig. 15. Investigate load changes for each situation

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5. 실험방법

5.1. 고효율의 방열 구조를 갖는 전지모듈 설계/제작 기술개발

목표 성능을 확보하기 위해서는 전지의 에너지 변환(충,방전)에 따라 전지 내부에서 발생하는 열을 최단 시간 내에 효율적으로 배출할 수 있어야 한다. 전지팩은 다수의 리튬이온전지 cell의 직병렬 조합으로 이루어져 있기 때문에 열의 정체는 전지의 노화를 가속화시켜 전지의 안전성을 학보하기 어렵고, 사용 수명에 매우 부정적인 영향을 미치기에 연구개발하려는 갱내의 채탄 운반용 방폭형 축전차 전지는 단위Cell, 단위Module, 전지팩 등에서 발생되는 열을 효율적으로 배출시켜줄 수 있는 고효율의 방열구조 가지고 있는 제품을 설계하고 이를 기반으로 단위Cell, Module, 전지팩의 방열 구조물을 제작 검증하는 것이 기술개발의 핵심이기에 Fig. 16과 같이 온도, 전류량에 따른 OCV 결과 및 배터리 셀 내부의 온도 분포 Simulation 검증을 위한 테스트를 실시하여 25℃환경에서 안전온도 이내의 방열성능을 확인하였으며, Fig. 17Fig. 18은 조립상의 열 전달 및 온도 분포 등을 분석하고 조립 시 열 접근, 열접점 분석 및 Simulation을 통한 안전한 특정손실 등을 확인하였고 Fig. 19Fig. 20은 열흐름 해석을 통한 재설계 및 성능 평가(부하별/ 온도별)를 하여 열발생이 없음을 확인하였다.

Fig. 16. OCV results according to temperature and current amount and simulation verification of temperature distribution inside the battery cell

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Fig. 17. Specific losses for single cells, cell modules, and battery packs

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Fig. 18. Analyzing heat transfer and temperature distribution during assembly, thermal approach during assembly, thermal contact analysis and simulation

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Fig. 19. Redesign and performance evaluation through heat flow analysis (by load/temperature)

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Fig. 20. Development of manufacturing and assembly technology for unit modules with highly efficient heat dissipation tanks

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5.2. 전력제어 알고리즘 및 통합제어 Platform 설계/제작 기술개발

BMS(Battery Management System)는 축전자의 배터리 제어의 최적화를 통하여 주행거리 향상 및 안전성을 확보하여주는 역할을 한다. BMS 기술은 첫 번째로 열에 약한 배터리를 균등 냉각하여 동일한 성능 구현이 가능토록 하여주는 열관리 제어와 두 번째로는 배터리의 각 상태를 판단하여 최적 효율 점에서 작동토록 하여주는 배터리 충전상태(SOC)제어의 역할을 하며, BMS는 고강성/고기밀성의 방폭구조의 프레임과 더불어 전지의 불안정성을 극복하고 목표 성능을 확보하기 위한 전지의 각 모듈 단위의 실시간 감시 기술과 신호처리 기술도 함께 개발하여 획득된 신호의 유효 성분을 Master Controller로 피드백하여 전지의 저항, 전압, 전류 온도 변화에 따라 능동적으로 전력 제어가 가능한 알고리즘을 개발하고 실시간 감시기술과 능동적 제어 알고리즘을 이용한 통합 제어 Platform을 개발함으로서 열악한 환경에서도 우수한 응답성을 달성할 수 있도록 하고자 연구개발 하였으며, Fig. 21은 아날로그 인터페이스 회로설계 기술개발과 제작으로 안정성까지 확보하였다.

Fig. 21. Analog interface circuit design technology development and production

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5.3. 방폭 구조의 고강성 및 고밀폐, 충격흡수형 전지 메인프레임 설계/제작 기술개발

석탄 광산은 석탄층과 더불어 메탄가스층이 잠재적으로 존재하는 상시 위험성이 노출된 작업 환경이다. 그동안 각종 탄광사고 중 폭팔사고 대부분은 가연성 가스인 메탄가스(CH4)가 주변의 점화원에 의하여 폭발 및 발화하는 원인에서 기인하였고 이에 따라 석탄광산에서 사용되는 모든 기기들은 이러한 메탄가스의 점화원으로 부터 회피될 수 있는 구조로 제작되어 있는 방폭기기들을 사용하고 있다. 본 연구개발의 목표성능을 달성하기 위해 Fig. 22와 같이 가스 및 가연성분진에 의한 폭발 환경에서도 견딜 수 있는 강성의 구조물개발과 가연성가스와 점화원이 될 수 있는 영역을 내·외부적으로 상호작용을 차단 할 수 있는 구조의 기밀성의 구조물과 광산의 각종 고온, 고습도 및 화합물들에 노출에 따른 부식성을 차단 할 수 있는 내식성 재료의 연구개발이 핵심기술이며, Fig. 23은 가스 폭발력에 대한 변형의 최소화와 기밀성을 유지하기 위한 유한요소 해석절차 및 기법이고 Fig. 24는 구조설계/해석 및 신뢰성/안전성 설계를 위한 디자인을 실시하였다.

Fig. 22. Development of a high-stiffness, high-damping, high-precision frame structure that can maintain rigidity in a methane gas explosion situation in the pit, maintain airtightness in case of flooding, and absorb vibration

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Fig. 23. Development of finite element analysis procedures and techniques to minimize deformation due to gas explosion force and maintain airtightness

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Fig. 24. Structural design/analysis and reliability/safety design

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5.4. 배터리 System Mount용 고감쇠 진동시스템 설계

축전차는 차체에 붙어있는 금속 재질의 휠(Whell)과 레일(Rail)을 활용해서 운행되고 있으며 현 재 국내의 대한석탄 공사에서도 동일한 형태의 축전차를 사용하고 있으며 이를 활용하여 인력 및 채탄, 일반광석 등을 싫고 광산 내부에서 광범위하게 활용되고 있다. 축전차는 광산내부 궤도의 경로에 따라 운행 시 레일(Rail)과 휠(Whell)접속면의 마찰에 따라 다양한 형태의 진동이 발생하고 있으며 이는 축전차의 내구성에 많은 영향을 주고 있으며, 특히 일반구간의 운행때 보다 곡면부 통과구간이나 레일의 파상마모 구간 운행 시 발생하는 불규칙적인 진동은 일반구간보다 많은 진동을 발생시키고 있으며 이는 축전차와 축전차에 Mount되어 있는 배터리 내구성 및 안전성을 저해 할 수 있는 커다란 위험요소로 작용한다. 따라서 이를 회피할 수 있는 방법은 주기적으로 삭정작업을 하는 방법과 손상된 레일(Rail)을 교환하는 방법인데 삭정작업은 방폭구역인 석탄광산 환경에서는 현실적으로 불가능한 일이며 레일(Rail)의 교체는 많은 시간과 비용부담이 요구되어 광산 운영상 경제적인 한계성이 있기 때문에 현실적으로는 레일(Rail)을 한계수명까지 사용하고 교체할 수 밖에 없어 파상마모 개소와 마모율은 계속적으로 증가 할 것이다. 따라서 이를 회피할 수 있는 Fig. 25의 진동 저감기술 개발은 장비를 지속적으로 안전하게 사용 할 수 있게 하는 중요한 요소 기술이다.

Fig. 25. Prototype production of high-efficiency vibration reduction device

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5.5. 고성능/고안전성 갱내 운반용 방폭형 축전지 전체 완제품 개발

각 부문별 요소 기술들을 모두 통합하여 완제품 설계를 진행하고 시제품 제작을 진행한다. 시제품 제작의 완성도를 높이기 위하여 시제품 제작 시 부품 및 완제품 신뢰성검증 (IQC/OQC/PQC)방법을 개발하고 이에 따른 조립기술 및 공정기술을 개발하여 제품생산에 대한 방법을 표준화 시킨다. 시제품 제작은 아래와 같이 공인기관에 시험 및 테스트로 Fig. 26은 과충전 전압제어, Fig. 27은 과충전 전류제어, Fig. 28은 배터리 과열제어, Fig. 29는 25℃에서 배터리 충방전시험, Fig. 30은 저장전 SOC 100% 충전시험, Fig. 31은 충전복구 시험에 따라 안전하게 보호됨을 성능평가 후 Fig. 32와 같이 센서 및 모듈 완제품 조립으로 Fig. 33과 같이 갱내 운반용 축전차 방폭형 축전지 완제품을 개발 완료하였다.

Fig. 26. Overcharge voltage control

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Fig. 27. Overcharge current control

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Fig. 28. Battery overheating control

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Fig. 29. 25℃ Battery charge/discharge test

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Fig. 30. SOC 100% charging test before storage

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Fig. 31. Charge maintenance and charge recovery test

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Fig. 32. Assembling finished sensors and modules

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Fig. 33. Completed storage battery explosion-proof storage battery for underground transportation

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6. 결 론

리튬이온전지를 에너지원으로 모터를 구동한다는 기술적인 유사성과는 별도로 석탄 광산의 사용 환경조건(IECEX 60079-1 d IP67∼68 Group1)을 만족하는 고도의 방폭 성능과 고 기밀성을 가지고 있으며, 축전차 운행 시 선로(Rail)에서 발생되는 진동을 저감시킬 수 있는 방진 장치와 배터리 내부에서 발생 할 수 있는 화재에 대하여 능동적으로 대처 할 수 있는 방재 장치 등으로 기술적인 요소를 배터리 자체에 모두 갖춘 개발제품이라는 점에서는 기술적으로 전기자동차의 배터리와 차별성을 갖고있다.

석탄 광산의 사용조건(IECEX 60079-1 d IP67 Group1)을 만족하는 리튬이온 전지를 동력원으로 사용하는 세계 최초의 축전차용 방폭형 축전지이다. 현재 리튬이온 전지는 모바일기기를 비롯하여, 전기자동차(EV), 무정전전원공급장치(UPS), 대체에너지(태양광, 풍력 등) 분야, 대용량 에너지저장장치(ESS)의 많은 분야에서 급속도로 공급 및 활용되고 있으며 향후에도 지속적으로 전 산업 분야에 확산되고 있다. 하지만, 아직까지 국내를 비롯하여 전 세계적으로 광산용 축전차의 동력원으로 사용하고 있는 납축전지를 대체하여 리튬이온전지를 동력원으로 사용하는 축전차용 리튬이온식 방폭형 축전지는 개발 및 상용화되어 있는 사례는 없다. 이러한 독창성에 기인하여 제안 기술이 상용화 된다면 시장을 선도 할 수 있는 기반을 조성할 수 있고 고부가가치의 이익을 실현이 가능하며 글로벌 제품으로 수출 증대를 기대 할 수 있다.

또한, 친환경 녹색성장 산업이므로 정부 정책에 부합되며 최첨단 친환경 제품을 사용하므로 공기업으로 또는 대용량의 수요기업의 이미지 재고에 도움이 될 것 이다. 리튬이온전지 산업은 4차 산업 혁명의 중심 산업이며 휴대용 제품에서부터 전기자동차/잠수함 추진동력 등 국방분야/항공기, 인공위성 등 우주항공분야/통신시설 및 전력저장 시설 등 에너지 저장분야 등의 산업 전반적인 분야에 이용되고 있으며 향후 지속발전 가능한 대표적인 대한민국 전방사업이라 할 수 있다.

References

1 
C. H. Lee, S. W. Jee, and S. K. Kim, “A study on the explosion hazard by spark discharge of the Lithium-ion battery,” Journal of the Korean Institute of Gas, vol. 14, no. 3, pp. 14-20, 2010.URL
2 
S. H. Kim, “Battery loss analysis according to Li-ion battery SOC,” in Proceedings of KIIEE Annual Conference, pp. 48-48, 2017.URL
3 
S. H. Kim, D. H. Kim, and J. S. Hong, “Thermal-flow analysis for Lithium-ion battery module considering electrochemical thermal behavior of unit cell,” Korean Society of Mechanical Engineers Spring and Autumn Conference, pp. 650-652, 2018.URL
4 
G. S. YOO, “Analysis of lithium battery thermal behavior through multiphysics analysis of mechanical-electrochemical- heat transfer,” Auto Journal, vol. 42, no. 10, pp. 16-21, 2020.URL
5 
D. H. Kim, S. H. Kim, and J. S. Hong. “Thermal modeling of pouch-type Lithium-ion battery considering electrochemical characteristics,” Korean Society of Mechanical Engineers Spring and Autumn Conference, pp. 596-597, 2018.URL
6 
J. H. Choi, et al., “Study on power characteristics of electric driving motor by Pb and Lithium battery,” Korean Society of Automotive Engineers Spring Conference, pp. 2367-2370, 2011.URL
7 
C. E. Park, S. W. Yoo, Y. H. Jeong, and K. B. Kim, “Effect of thermal management of Lithium-ion battery on driving range of electric vehicle,” Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 18, no. 5, pp. 22-28, 2017.DOI
8 
J. W. Yang, W. C. Kim, J. W. Shim, and K. Hur, “Study on charging methodology to enhance efficiency of Li-ion battery ESS,” in Proceedings of the Korean Institute of Electrical Engineers conference, pp. 312-314, 2013.URL
9 
S. H. Jeong and K. H. Lee, “A study on the mechanism of automatic blister packaging for Lithium battery,” in Proceedings of the KSMPE Conference, pp. 203-206, 2004.URL
10 
H. S. Kim, D. Y. Koo, S. Y. Lee, and S. C. Hong, “A study on the efficiency of DC-DC converter to charge and discharge Lithium battery,” Power Electronics Conference, pp. 205-206, 2010.URL
11 
D. C. Lee, J. H. Byeon, S. M. Song, and C. W. Kim, “Mechanical-electrochemical-thermal multiphysics modeling of multi-layered Li-ion batteries for thermal runaway analysis by internal short-circuit under indentation conditions,” Korean Society of Mechanical Engineers Spring and Autumn Conference, pp. 3064-3065, 2018.URL
12 
G. T. Park, et al., “Development and performance test of battery short test for certificating intrinsically safety explosion-proof,” Korean Society of Mechanical Engineers Spring and Autumn Conference, pp. 63-65, 2016.URL
13 
K. S. Yoo, “Study for a heat generation phenomena in Li-ion battery based on multiphysics analysis,” Korean Society of Mechanical Engineers Spring and Autumn Conference, pp. 19-19, 2020.URL
14 
S. H. Lee, et al., “Failure analysis of a failed lithium-ion battery by external impact,” Korean Analytical Science Society Conference, pp. 45-45, 2016.URL
15 
E. P. Hong, Y. Heo, K. T. Nam, and M. S. Mun, “A study on the performance comparison of Lithium battery for powered wheelchair,” Korean Society of Precision Engineers Spring Academic Conference, pp. 947-948, 2015.URL
16 
C. H. Lee, “Explosion-proof electrical equipment to prevent gas explosion accidents,” Journal of the Korean Institute of Gas, vol. 1, no. 1, pp. 23-29, 1977.URL
17 
C. S. Cho and Y. H. Jeong, “An analysis of problems in accreditation process for Flameproof Enclosure type Electric Equipment,” Korean Institute of Electrical Engineers Electrical Equipment Section Spring Conference, pp. 167- 169, 2012.URL
18 
C. S. Min, “A study on the electrical facilities design with explosion proof,” Korean Institute of Electrical Engineers conference, pp. 84-89, 2016.URL
19 
U. N. Son, S. M. Son, S. K. Lee, and G. H. Kang, “Study on the characteristics of explosion pressure based on the internal structure of a cylindrical enclosure,” Journal of Advanced Marine Engineering and Technology, vol. 43, no. 3, pp. 204-211, 2019.URL
20 
C. S. Cho, “A study for certification approval procedure of flameproof enclosure “d” of low-voltage electric facility,” in Proceedings of KIIEE Annual Conference, pp. 171-175, 2011.URL
21 
H. S. Kim, D. T. Chung, and S. C. Hong, “Design of DC-DC converter to charge and discharge Lithium battery using isolated boost converter and forward converter,” The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, vol. 15, no. 6, pp. 441-450, 2010.DOI
22 
S. H. Kim, G. D. Jung, T. S. Kim, and H. J. Kim, “Fuel efficiency improvement through technical development of The vehicle operationg ISG 12/48V Lithium-ion Battery,” Korean Society of Automotive Engineers Fall Conference, pp. 1,280-1,285, 2017.URL
23 
W. H. Lee and S. G. Choi, “Preventing explosions of electrical machines and appliances,” The Korean Institute of Electrical Engineers, vol. 42, no. 2, pp. 48-59, 1993.URL
24 
K. Y. Hwang, W. C Shin, and T. K. Lee, “A study on the correlation of MESG and explosion pressure,” Journal of the Korean Institute of Gas, vol. 20, no. 1, pp. 29-39, 2016.DOI
25 
C. H. Lee, S. W. Jee, and S. K. Kim, “The intrinsic safety evaluation of solar photovoltaic cell,” Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, vol. 25, no. 7, pp. 49-54, 2011.URL

Biography

Byeong-Chul Yu
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He received his M.A. Hanyang University Graduate School of Engineering. He is doing his Ph.D. Student Seoul National University of Science and Technology. Research interests Lithium-ion battery, Lithium-ion battery fire measures.