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리튬이온축전지 산업기술기준
개발
노대석
한국기술교육대
목 차
I. 리튬이온전지의 국내외 기술기준 분석
II. 원전용 전원공급장치 부하특성 분석(신고리3호기)
III. 리튬이온전지의 특성분석
IV. 원전용 리튬이온전지의 기술(검증)규격서
I. 리튬이온전지 국내외
기술기준 분석
 국내 리튬이온전지 기술기준
• 대한전기협회 KEPIC 기준(납축전지)
- 납축전지(KEPIC EEG 1000)
- 축전지 용량계산/설치 기술기준(KEPIC EEG 1100)
- 축전지 정비/시험/교체 기술기준(KEPIC ENF 3400)
- 축전지 검증 기술기준(KEPIC END 3500)
• 한국전지산업협회 단체표준(리튬이온전지) : 일본 산업용
리튬이온전지 규격[SBA 1101] 반영
- 배터리저장장치용 리튬이온전지 1부:안전성, KBIA10104-01
- 배터리저장장치용 리튬이온전지 2부:성능시험, KBIA10104-02
• 지능형전력망협회 단체표준(에너지저장장치)
- 단상저압연계용 전기저장장치 요구사항 및 시험방법1부(SGSF04-2013-02)
- 삼상저압연계용 전기저장장치 요구사항 및 시험방법2부(SGSF04-2013-03)
- 삼상고압연계용 전기저장장치 요구사항 및 시험방법3부(제정중)
5
 국내 리튬이온전지 기술기준(KBIA)
6
 국내 리튬이온전지 기술기준(KBIA)
7
 국내 전기저장장치(ESS)표준 시험내용(KSA)
시험계열
1. 기본일반
독립형
계통연계
계통연계형
(분산형연동)
형
(분산형 연동)
○
○
○
○
5.1.4/6.2.2
○
○
○
○
기능정보 및 시각화
5.1.5/6.2.3
○
○
○
○
IP보호등급시험
5.1.6/6.2.4
△
△
△
△
직접접촉보호시험
5.1.7/6.2.5
○
○
○
○
절연저항측정
5.1.8/6.2.6
○
○
○
○
절연내력시험
5.1.9/6.2.7
○
○
○
○
공간거리 및 연면거리
5.1.10/6.2.8
○
○
○
○
볼 프레셔시험
5.1.11/6.2.9
○
○
○
○
글로우와이어 시험
5.1.12/6.2.10
○
○
○
○
기계적충격시험
5.1.13/6.2.11
○
○
○
○
5.1.1/6.2.12
○
○
○
○
시험 명
시험항목
독립형
표기 및 식별
5.1.2/5.1.3/6.2.1
단자 와 접속
비상스위치
동작시험
8
 국내 전기저장장치(ESS) 시험내용(KSA)
충전기능시험
5.2.1/6.3.1
○
○
○
방전기능시험
5.2.2/6.3.2
○
○
○
2. 기본성능
용량확인시험
5.2.3/6.3.3
○
○
○
○
시험
효율시험
5.2.4/6.3.4
○
○
○
○
자기방전율시험
5.2.5/6.3.5
△
△
△
△
휴지기간시험
5.2.5/6.3.5
△
△
△
△
전자기적합성시험
5.3/6.4
○
○
○
○
4 신재생 전
충전 시험
5.4/6.5
×
○
×
○
원 연동시험
방전 시험
5.4/6.5
×
○
×
○
3. 전자기적
합성 시험
○
9
 국내 전기저장장치(ESS) 시험내용(KSA)
연계용량 및 역전력
5.5.1/6.6.1
○
○
○
○
동기화시험
5.5.2/6.6.2
×
×
○
○
전압변동허용시험
5.5.3/6.6.3
×
×
○
○
5. 계통
역률시험
5.5.4/6.6.4
○
○
○
○
연계시험
분리시간시험
5.5.5/6.6.5
×
×
○
○
주파수변동허용시험
5.5.6/6.6.6
×
×
○
○
직류검출시험
5.5.7/6.6.7
×
×
○
○
단독운전방지시험
5.5.8/6.6.8
×
×
○
○
통신적합성시험
5.5.9/6.6.9
×
×
△
△
계전기시험
10
 국내 전기저장장치(ESS) 시험내용(KSA)
계측기능시험
5.6/6.7.1
○
○
○
○
계산기능시험
5.6/6.7.2
○
○
○
○
표시/경보기능시험
5.6/6.7.3
○
○
○
○
6.BMS
전지과충전보호시험
5.6/6.7.4
○
○
○
○
성능시험
전지과방전보호시험
5.6/6.7.5
○
○
○
○
배터리 균등화 시험
5.6/6.7.6
○
○
○
○
과열보호시험
5.6/6.7.7
○
○
○
○
랙간 제어기능시험
5.6/6.7.8
○
○
○
○
○ 은 필수시험항목, △ 는 선택시험항목, × 는 해당 없음
11
 리튬이온전지 관련 국제기준
12
 리튬이온전지 관련 국제기준
13
 리튬이온전지 관련 국제기준
14
 리튬이온전지 관련 국제기준(IEC TC120)
15
 리튬이온전지 관련 국제기준(IEC TC120)
16
 리튬이온전지 관련 국제기준(IEC TC120)
컨비너 국가
(Candidate)
의결 전
의결 후
WG 1 : Terminology
WG 1 : Terminology
PT 6XXX : system aspects & gap
PT 6XXX : system aspects & gap
미국
analysis
analysis
(Mr. Franks)
WG 2 : Parameters and Testing
WG 2 : Parameters and Testing
일본
Methods
Methods
(Mr. Honzawa)
WG 3: Planning and Installation
WG 3: Planning and Installation
WG 4: Environment
WG 4: Safety and Environmental
Issues
WG 5: Safety
이탈리아
(Mr. Noce)
독일
(Mr. Schmitt)
한국
(Mr. Rho)
프랑스
(Mr. Demissy)
17
 리튬이온전지 관련 국제기준(IEC TC120)
• 2012. 11 IEC TC120 발족
• 2013. 5 1차총회, 일본 동경
• 2013. 11 2차총회, 독일 프랑크푸르트
• 2014. 5 3차총회, 이탈리아 밀라노
• 2014. 9 워킹그룹별 회의, 프랑스 파리
• 2014. 11 일본, 동경 (IEC 전체 총회)
• 2015. 3 워킹그룹별 회의, 미국 시카고
• 2015. 3 워킹그룹별 회의, 한국, 제주도
• 2015. 5 워킹그룹별 회의, 독일, 베를린
• 2015. 3 워킹그룹별 회의, 네들란드, 암스텔담
• 2015. 11 4차총회, 미국, 워싱턴 DC
18
 국내 리튬이온전지 시험 및 인증기준
19
 국내 리튬이온전지 시험센터
<전기연구소의 MW급 EES 시스템 성능평가 시험장치 개념도>
20
 국내 리튬이온전지 시험센터
<전기연구소의 MW급 EES 시스템 성능평가 시험종류 개념도>
21
 국내 리튬이온전지 시험센터
<전기연구소의 500KW급 EES 태양광 PCS 성능평가장치 개념도>
22
 국내 리튬이온전지 시험센터
<KTL의 100KW급 EES 시스템 성능평가 시험장치 개념도>
23
 국내 리튬이온전지 시험센터
<POSCO ICT 1.5MW 급 ESS 자체시험설비 : 비공인시험가능>
24
 국외 리튬이온전지 시험센터
<DNV KEMA, 네덜란드 1MW급 Grid Simulator 시험장치>
- 위치 : 네덜란드 Arnhem
- 2007 년도에 1MW급 Grid Simulator, 측정시스템을 구축
- 변압기방식이 아닌 IGBT 방식의 Grid Simulator 사용
- 전압/주파수 보호기능시험, 고조파시험, 상불평형시험, 순간전압 및 순간
전압강화시험 및 효율시험이 가능
25
 국외 리튬이온전지 시험센터
<미국, NREL- NWTC 7MVA급 Grid Simulator 시험장치 개념도>
- 풍력발전 관련 연구개발 및 공인전문시험기관
- 최근 MW급 Utility-scale 대용량 분산전원(풍력, 태양광, EES 등)
의 전력계통 연계관련 연구개발 및 공인시험 등을 목적으로 IGBT
기반의 7MVA Grid Simulator를 구축
26
 국외 리튬이온전지 시험센터
<독일, VDE 설비외관도>
-
VDE: Association of Electrical, Electronic & Information
Technologies, 독일 전기, 전자 인증전문 업체 (battery testing lab)
- 시험장비 : 온도(-70도에서 450도), 습도, 진동, 온도/습도/진동 일페형
시험, IP시험, 먼지누수, 충격, 화재, 1MW급 EES 시험장비(충방전 가속시
험 가능)
27
II. 원전용 전원공급장치
부하득성분석(신고리3호기)
28
 신고리 3호기 전원공급장치 단선도
<전기연구소의 MW급 EES 시스템 성능평가 시험장치 개념도>
29
 Safety용(Class-1E급) 전원공급장치 단선도
<CLASS 1E 9-841-E140-001 (DC 125V Line) 1/2>
30
 Non-Safety용(Non-Class급) 전원공급장치 단선도
<NON-CLASS 1E 9-841-E140-004 (DC 125V Line) ½>
31
 Non-Safety용(Non-Class급) 전원공급장치 단선도
<NON-CLASS 1E 9-841-E140-004 (DC 250V Line)
2/2>
32
 Safety용(Class-1급) 부하특성(1/2)
Continuous loads
Class 1E
Ch.A
Class 1E
Ch.B
Non-continuous loads
Load description
Load in ampere
Solenoid valve loads
27.2
Inverter
595
Medium & low voltage switchgear
0.8
EDG control current
15
AFW Steam_driven PP turbine governor control
1
Total
639
Solenoid valve loads
30.9
Inverter
595
Medium & low voltage switchgear
0.8
EDG control current
15
AFW Steam_driven PP turbine governor control
1
Total
642.7
Load description
Load in ampere
None
None
33
 Safety용(Class-1급) 부하특성(2/2)
Class 1E
Solenoid valve loads
6.6
Inverter
595
Medium & low voltage switchgear
0.8
No load current of the SI and SDS inverter
48
Total
650.4
Solenoid valve loads
9.4
Inverter
595
Medium&low voltage switchgear
0.8
No load current of the SI and SDS inverter
48
Total
653.2
None
Ch.C
Class 1E
None
Ch.D
34
 Non-Safety용(Non-1급) 부하특성(1/2)
Continuous loads
Non-1E
Non-continuous loads
Load description
Load in ampere
Solenoid valve loads
51.3
Inverter
595
IPS Inverter
357
Medium&low voltage switchgear
8.4
Annunciator
44.1
Total
1055.8
Solenoid valve loads
28.5
Inverter
595
IPS Inverter
357
Medium&low voltage switchgear
7.8
Annunciator
36.3
Total
1024.6
Div.1
Non-1E
Div.2
Load description
Emergency
Lighting
Load in ampere
81.3
ELOP
34.8
Total
116.1
Emergency
Lighting
87.6
ELOP
69.6
Total
157.2
35
 Non-Safety용(Non-1급) 부하특성(2/2)
Inverter
178.5
TBN Bldg
RAD Bldg
Total
178.5
Solenoid valve loads
48.4
Inverter
119
Low voltage
0.7
Annunciator
8.8
Total
176.9
Inverter
119
Medium & low voltage
switchgear
AAC Bldg
EBOP
174
ESOP
123.6
Total
297.6
Emergency
Lighting
Total
21
21
0.7
None
AAC generator control
15
Annunciator
1.2
Total
135.9
36
 원전용 전체 부하특성
37
 원전용 전원공급장치 배터리용량산정 예
CLASS 1E 9-841-E140-001 (DC 125V Line)
- 2800AH(2h) 116 / CH. A&B
- 4200AH(8h) 174 / CH. A&B
- (1400AH X 2 Sets)of( 2.05V X 58 in parallel) - (1400AH X 3 Sets)of( 2.05V X 58 in parallel)
- Capacity : 350 kwh
- Capacity : 600 kwh
NON-CLASS 9-841-E140-004 (DC 125V Line)
NON-CLASS 9-841-E140-004 (DC 250V Line)
- 3600AH(2h) 116 / CH. A&B
- 3200AH(2h) 116 / CH. A&B
- (1800AH X 2 Sets)of( 2.05V X 58 in parallel) - Capacity : 800 kwh
- Capacity : 450 kwh
NON-CLASS 9-841-E140-003 (DC 125V Line)
- 3600AH(2h) 116 / CH. A&B
- (1800AH X 2 Sets)of( 2.05V X 58 in parallel)
- Capacity : 450 kwh
38
 전원공급장치 구성도(정상상태)
 전원공급장치 구성도(보수유지상태)
39
 전원공급장치 구성도(전체)
40
 Class별 충전기 특성
41
 Class별 인버터 특성
42
 Class별 납축전지(1400AH, 2V) 사양서
43
 Class별 납축전지(1400AH, 2V) 사양서
BATTERY SPECIFICATION (PS-1400E(ED) 2V, 1400AH)
44
III. 원전용 리튬이온전지 특성분석
45
목 차
1. 리튬이온전지와 연축전지 특성분석
2. 국내외 리튬이온전지 적용현황분석
3. 리튬이온전지 종류와 특성분석
4. 리튬이온전지의 충방전 및 전지수명특성분석
5. 원전에 적합한 리튬이온전지의 특성분석
46
1. 리튬이온전지와 연축전지 특성분석
47
 고율방전 특성
48
 사용온도 특성
49
 사용공간(면적, 부피, 중량)
50
 코스트 경쟁력
51
 운용비용(보수유지)
52
 수명 특성
53
 UPS고효율화 측면(DC고전압화)
54
2. 국내외 리튬이온전지의 적용현황분석
55
삼천포화력발전소 교체 사례
개선 後
개선 前
구분
사양
납축전지
2V_2600Ah(PS-2600)
리튬이온축전지
비고
252V_24Ah
수량
총 용량
116 CELL (직렬)/ 2,600Ah
60 STACK (병렬)/ 1,440Ah
무 게(Kg)
26,680
4,800
납축의 17.99%
설치면적(㎡)
32.57(1180 X 6900mm X 4)
16.81(1520 X 5530mm X 2)
납축의 51.60%
개선효과
병렬구성으로
시스템 안정성확보
1. 환경개선 : 유해가스, 폭발성가스 배출 전무로 쾌적하고 안전한 환경조성
2. 유지관리 편리성, 안전사고 예방효과 :
- 원격감시 적용으로 사무실에서 축전지 상태 및 BMS기능으로 유지보수 불필요
- 황산 취급 및 고중량(셀당 무게약 230KG) 축전지 취급으로 인한 안전사고 위험 해소
3. 시스템 안정성 향상 : 병렬시스템 구성으로 일부 전지 이상 시에도 안정적인 전원공급
56
리튬이온축전지 용량산정-154kV 변전소 전원공급용
I1=205.06A
I(A)
방
전
전
류
I3=64.06A
I2=50.06A
1
119 120
T(분)
= (205.06[A] X 1/60[h]) + (50.06[A] X 118/60[h]) + (64.06[A] X 1/60[h])
= 102.93[Ah] X 35[%] (수명 15년(15%), 온도0 ℃(20%))
= 138.95[Ah]
• 기존 납축전지 330[Ah] 대신 리튬이온축전지(48Ah/1set) 3Set 144[Ah]로 구성
57
 리튬이온전지 설치현황
주요 거래처
적용분야 (또는 적용현장)
발전사 본설비, UPS Back-up용
- 한국서부발전 : 서인천발전본부, 평택발전본부, 삼랑진발전본부, 태안화력본부
발전사
한국전려
- 한국동서발전 : 당진화력본부, 동해화력발전처, 호남화력발전처
- 한국남동발전 : 삼천포화력본부
- 한국수력원자력 : 청평수력, 보성강수력, 팔당수력, 화천수력, 원자력(통신)
- 한국전력공사 : 의사당, 용운, 용산, 송포 변전소
KT
LG
삼성물산
서버 룸 Back-up용
- KT 분당 ICC, KT 영동 ICC, KT 목동 ICC
LG트윈타워, LG오창공장
Green Tomorrow (Zero Energy House)
58
 리튬이온전지 설치현황
한전 용운변전
소
일산열병합발
전처
국회의사당변전소
KT 영동 ICC
KT 목동 ICC
화천수력발전
소
청평수력발전
소
팔당수력발전
소
정류기
동해화력발전처
서인천발전본부
교체
전
교체
전
교체
후
교체
후
삼성물산 제로에너지하우스
평택발전본부
태안발전본부
울진원자력본
부
당진화력본부
월성원자력본
부
영광원자력본
부
축전지
보성강수력발전
소
호남화력발전처
삼천포화력본부
교체
전
삼랑진발전본
부
교체
후
59
 리튬이온전지 설치현황
60
3. 리튬이온전지 종류와 특성분석
61
 리튬이온전지 용어정의
* NCM : Li(NiCoMn)O2 cathode material
* LFP : LiFePO4 cathode material
* LCO : LiCoO2 cathode material
* NCA : LiNiCoAlO2 cathode material
* LMO : LiMn2O4
* SFL : Safety Functional Layer
* SiOx : Silicon Oxide Anode material
62
 리튬이온전지 비교분석 (용량별)
항목
18650 Cell
중대형 Cell
▣ 안전규격승인
• UL1642
• KC
• IEEE1725
• IATA/UN
• PSE (JIS C8712,
C8714)
• 국제안전규격승인
부재
▣ 표준형 Cell적용
• 18650 Standard Size
• 비 표준형 Type
▣ Energy Density
• 18650 (100%)
• 각형 (85%)
• Pouch (75%)
▣ Cell Balance부분
• 40~60Cell 병렬구조
• 1Cell 직렬구조
▣ 생산성 및 양산품질
• 6억 Cell/년 (SDI)
• Pilot 단계
▣ 요구성능(Flexibility)
• LCO, NCM, LFP,
NCA
• LMO Base (저장특성
문제)
비고
GS YUASA 중대형
각형
보잉 787 Issue
BYD 전기차 인명사
고
• 1Cell Balance 취약
63
 리튬이온전지 비교분석 (타입별)
LCO
NCM
NCA
LMO
LFP
▣ 표준 충전전압
4.20V
4.30V
4.35V
4.20V
4.20V
4.20V
3.60V
▣ 표준 방전전압
2.75V
2.75V
2.50V
2.75V
2.0V
▣ 충전전압 여유도 (Ripple)
하
하
하
하
▣ 수명특성
중
상
중
중
상
▣ 저장특성
중
상
상
하
상
▣ 안전성 (활물질 안전성)
중
중
중
증
상
▣ 출력(출력반응속도)특성
Without PTC Cell적용
중
상
상
상
상
*
*
*
*
100%
▣ 에너지밀도
중
중
상
중
하
▣ Cost 경쟁력 $/Wh
상
상
중
상
하
항목
▣ 납축전지 전압 호환성
상
(4.40V)
64
 리튬이온전지 비교분석 (타입별)
65
 리튬이온전지 비교분석 (타입별)
LCO
NCM
LFC
66
 Specification
67
 배터리 출력 Performance
▶ 방전 Curve 평탄화로 인한 출력특성 안정화 성능을 나타냄
▶ 2C~30C 고율방전에 따른 출력 효율 90%~100% Performance 확보
68
 High Temp. Discharge특성(85degC)
Test Condition
Step1 : 0.2C 2.00V Cut-off @ 25degC
Step2 : 1.0C 3.60V 0.05C Cut-off @ 25degC
Step3 : 1.0C 2.00V Cut-off @ 25degC
Step4 : 1.0C 3.60V 0.05C Cut-off @ 25degC
Step5 : Aging time 2HRS @ 85degC
Step6 : 2.0C 2.00V Cut-off @ 85degC
NO
Capacity
Watt
Cell Temp
Before
After
Rate (%)
Before
After
Rate (%)
Before
After
Delta
2.0C #1
1067
1112
104.3%
3.404
3.563
104.7%
85.4
86.7
1.3
2.0C #2
1065
1068
100.3%
3.401
3.422
100.7%
85.4
86.5
1.1
2.0C #3
1064
1090
102.4%
3.396
3.493
102.8%
85.4
86.9
1.5
2.0C #4
1069
1093
102.1%
3.415
3.503
102.5%
85.6
87.0
1.4
2.0C #5
1069
1113
104.2%
3.410
3.568
104.7%
84.5
86.4
1.9
Average
1067
1095
102.7%
3.405
3.510
103.1%
85.3
86.7
1.4
69
 LFP 배터리 충전전압 vs. 충전효율 분석
▶ LFP 기준 충전 전압 3.60V충전을 100% 설정
▶ 3.40V 충전시 기준전압 충전용량대비 90%이상 충전 가능
▶ CC구간 90%이상 충전되며, CV구간에서는 10%수준 충전됨
4.40
4.30
4.20
4.10
4.00
3.90
3.80
3.70
3.60
3.50
3.40
3.30
3.20
3.10
3.00
2.90
2.80
2.70
2.60
2.50
1200
3.40V Charge
3.45V Charge
3.50V Charge
3.55V Charge
3.60V Charge
3.65V Charge
3.70V Charge
3.75V Charge
3.80V Charge
1000
800
Current(mA)
Voltage(V)
LFP Charging Profile Analysis
600
400
200
CC 충전 구간
CV 충전 구간
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Time(min)
70
 장수명 Performance
▶ 기준(3.60V) 충전전압대비 과충전 전압(3.8V~4.4V)수명 Cell열화 Factor없음
▶ 충전전압 Ripple여유도 확보 및 7000Cycles 수명확보
71
 장기저장 Performance
원전 비상전원으로 10~20년 Target 사용 가능한 배터리 Solution적용
Self Discharge 가속 Factor 검증으로 25℃ → 85℃ 검증
아레뉘우스 법칙 열화 Factor가속계수는 64배 (25℃ vs. 85℃)
85℃ 220일 = 상온 14,080일(38년) / Battery End of Life : 열화률 50% 적용
극한 고온환경에서의 배터리 Performance 확보
85℃ Storage Recovery Capacity Profile (%)
110%
100%
90%
80%
Capacity(%)
▶
▶
▶
▶
▶
25℃ 180일 Recovery Capacity
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220
Time (Day)
7272
 배터리 부동충전 Performance
▶ UPS 부동충전 적용성 검증으로 안전성 확보 여부 판단
▶ 60℃ 고온 가속Test 환경에서의 550일 부동충전 시험으로 Performance 확보
▶ Cell CID Open 및 Cell절연 파괴 문제 발생하지 않음
4.0
50
3.9
45
3.8
40
3.7
35
3.6
30
R11Q 3.80V
3.5
25
3.4
20
R11Q 3.80V curr
3.3
15
3.2
10
3.1
5
3.0
0
0
50
100
150
200
250 300 350
Time(Day)
400
450
500
550
Current(mA)
Voltage(V)
Trickle Charge @60℃550Days (R11Q)
600
73
 배터리 과방전(“0”V) 후 정상회복여부 확인
▶ 배터리 과방전 Mode상황 “0”V 장기 방치 했을 경우 정상 회복 가능성 확인
▶ 배터리 “0”V 상태로 30일 유지 후 회복용량 100% 구현
Test Condition
Step1
Step2
Step3
Step4
Step5
Step6
:
:
:
:
:
:
1.0C 14.40V 0.025C Cut-off @ 25degC
1.0C 8.00V Cut-off @ 25degC
1.0C 14.40V 0.05C Cut-off @ 25degC
10W 0V 30Days Cut-off @ 25degC
1.0C 14.40V 0.025C Cut-off @ 25degC
1.0C 8.00V Cut-off @ 25degC
Capacity
2000mAh
2200mAh
2200mAh
2600mAh
2600mAh
2800mAh
3000mAh
Chemistry
NCM+LMO(6:4)
NCM523
NCM+LMO(7:3)
LCO 4.20V
LCO+NCM
LCO 4.30V
LCO 4.35V
Cu Corrosion
0.08V
-0.19V
-0.17V
0.28V
0.08V
0.25V
0.24V
1100mAh
LFP
-0.24V
1500mAh
1500mAh
NCA
NCM+LMO
-0.11V
0.05V
No
Before(mAh)
After(mAh)
Recovery Rate(%)
5Days
4356.12
4412.00
101.3%
15Days
4360.09
4417.29
101.3%
30Days
4391.70
4454.22
101.4%
74
 극한 안전성 실험1 (외부열원)
▶ 외부 열원으로부터 안전성 확보여부 검증 (250℃ 60min Hot Plate Test)
▶ 발화/폭발 현상 없으며, 누액현상만 발생함
Temperature setting
11min : electrolyte leakage
12min : smoke & leakage
Test Start
after 8min : a little smoke
15min : no more reaction
60min : Test End
75
 극한 안전성 실험2 (기계적)
▶ 외부 기계적 충격에 의한 안전성 확보여부 검증
▶ 충돌, 압축, 관통, 압괴(절단) Test 검증결과 Safe Mode 확보
충돌 (15.8￠ 9.1KG, 610mm)
압축 (13KN)
관통 (2.5￠ 100mm/sec)
압괴 (절단)
76
 극한 안전성 실험3 (침수)
▶ 배터리 & System 침수 발생에 따른 안전성 확보여부 검증
▶ 침수 발생에 따른 배터리 & System안전성 확보함.
▶ 24HR 침수 후 안전성 변화 검토결과 Normal Mode로 Safe하며,
▶ 24HR 침수된 Cell을 30A 50V과충전 결과 발화/폭발 현상 없음
Overcharge(30A/50V)
60
150
50
Voltage (V)
40
90
30
60
20
30
10
0
0
0
2
4
6
Time (min)
8
Current(A) / temperature(℃)
120
10
77
 극한 안전성 실험4 (전기적)
▶ 고압 과충전 발생에 따른 안전성 확보 여부 검증
▶ 10V/Cell, 100V/Cell, 300V/Cell, 600V/Cell
▶ 600V/Cell 과충전 Mode까지 Cell Self Protection 동작으로 Safe Mode확보함
1.0C 10V
1.0C 100V
1.0C 300V
1.0C 600V
78
 극한 안전성 실험5 (연쇄반응 억제)
▶ 연쇄발화방지 제어 가능한 설계 반영여부 검증
※ “한 개의 Cell을 인의적으로 강제 발화시켜 관찰한 결과 연쇄반응억제 구현함.
※ 중대형 배터리의 경우 Thermal Runaway에 대한 제어가 난해.
 18650 2.6Ah vs. 중대형 50Ah ( 2.6Ahx3.7Vx3600sec =34KW vs. 666KW)
L1
L4
L1
L1
L1
L4
L1
L1
Thermal Runaway Testing
79
5. 원전용 리튬이온전지의 적합성 조건
80
 리튬이온전지 CTQ (Critical to Quality) 항목
▶ 원전 Back-up 전원은 안전성(안정성)을 최우선하는 설계 및 관리운영 필요
▶ 원전 Back-up 전원은 안전성 문제 발생시 국가비상사태가 발생하는 Risk존재함
 Battery Safety 국제규격 인증제품 적용
 Battery 극한 환경노출 안전성 확보(전기적, 기계적, 열노출 )
안전 부분
 Thermal Runaway Module 설계반영
 Pack Safety 규격승인(CE,UL)
 Pack 극한 환경노출 안전성 확보 (침수, 지진, 낙뢰)
 Battery System Emergency 구축 및 다단계 전원 Back-up 설계
 Battery 15~20년 Calendar Life 특성 확보
 Battery 2000Cycles Life 특성확보 (100Cycles/년 Max)
성능 부분
 Battery 85℃ 극한 고온환경에서의 저장 및 방전특성 확보
 Battery 과방전 후 회복용량 90%이상 확보
 Module 단위 500Cycles Life특성확보 (Cell조합 Balance확인)
 Monitoring System구축 (전압, 전류, 온도, 저항, SOC, SOH)
 BMS 상태 육안관리 (정상,비정상 Display)
관리 부분
 배터리 열화 육안관리 (Impedance 변화 Display)
 2회/년 1HR 방전 및 충전 실사용 Test진행
81
 용량에 따른 적합성
•
리튬이온전지는 단전지 기준으로 용량에 따라 국제적으로 통용되고 있는
18650셀과 최근 활발히 연구 개발되어 상용화되고 있는 중대형셀로 분류할 수
있음.
•
전자의 18650셀은 국제적인 기술기준(UL1642, IEEE1725, JIS C8712 등)으로부
터 안전규격 승인을 받아 매년 수십억개의 셀이 양산되고 품질도 관리되고 있
지만, 중대형셀은 아직 파일럿단계로 국제적인 안전규격승인이 미비한 상태로
세계적으로 사고 사례(보잉787, 전기자동차사고 등)가 보고되고 있음.
•
에너지밀도(density) 측면에서도 18650셀을 기준(100%)으로 중대형셀은 7586% 수준으로 낮은 편이고, LMO베이스의 중대형셀은 LCO, NCM, LFP, LMO
등 많은 타입을 보유한 18650셀에 비하여 요구성능도 제한적임.
•
따라서 원전용 리튬이온전지로서는 18650셀에 맞추어 적용방안 및 기술기준
을 개발하는 것이 적당하다고 판단됨.
82
 활성물질(양극재)에 따른 적합성
•
LFP형 리튬이온전지가 다른 타입에 비하여 에너지밀도와 가격경쟁력 측면에
서 불리하지만, 수명 및 저장, 출력특성, 충전전압여유도 등이 뛰어나고, 특히
활물질의 안전성 측면에서 가장 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수 있음.
•
또한, NCM 타입도 LFP에 비하여 안전성이나 수명 측면에서 약간 불리한 특성
을 지니고 있지만, 에너지밀도나 중량 측면에서 우수한 특성을 가지고 있음을
알 수 있음.
•
따라서 원전용 리튬이온전지로서는 LFP와 NCM 타입의 리튬이온전지를 대상
으로 다양한 시험을 거쳐 기술기준을 작성하는 것이 합리적이라고 판단됨.
83
 LFP 리튬이온전지 사양
84
 Safety Design (Cell & Pack Level)
▶ Cell 안전성 및 Pack (Energy Storage) 안전성 Solution 확보
Cell Level
•
•
•
•
•
•
•
•
Safety Vent
CID (Current interrupt device)
Separator shout down
UL1642
KC
IEEE1725
IATA/UN
PSE (JIS C8712, C8714)
Pack Level
•
•
•
•
•
•
•
External Short
Mechanical Abuse
Electric Abuse
Thermal Abuse
LIB
Propagation protection (thermal architecture : Hardware Mechanical Design)
Over charge protection (safety circuitry : BMS)
Over discharge protection (safety circuitry : BMS)
Over temperature protection (safety circuitry : BMS)
Short circuit protection ( fusing and safety circuitry : Tray & Master Fuse)
Mechanical protection (structural support : Steel Case)
CE Safety & Reliability Approval
85
 LFP 리튬이온전지 사양(출력성능)
86
 LFP 리튬이온전지 사양(Rate Capability)
87
 LFP 리튬이온전지 사양(Rate Capability)
Current
Capacity (Ah) Energy (Wh) DCH. Time (min.) % of 2A Capacity
% of 2A Time
2A
1.109
3.48
33.26
100%
100.00
4A
1.102
3.38
16.53
99.37
49.70
6A
1.100
3.31
11.00
99.19
33.07
10A
1.096
3.19
6.57
98.93
19.75
15A
1.091
3.06
4.37
98.38
13.14
20A
1.083
2.94
3.25
97.66
9.77
30A
1.050
2.63
2.10
94.68
6.31
88
IV. 원전용 리튬이온전지
기술규격서
89
목 차
1. 기술규격서 단위 정의
2. 기술규격서 단위 용량 및 시험종류
3. 기술규격서 요구조건
90
1. 원전용 리튬이온전지의 단위 정의
91
 리튬이온전지전지 용어정의
•
리튬이온전지 용어 정의 : KSC IEC 60050-482 기준
•
셀(Cell) : 셀은 단전지라고 부르며, 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하여
다시 변환할 수 있는 전기화학장치로 이차전지 시스템 구성을 위한 전지의
최소 단위임
•
모듈(Module)이란 하나 또는 복수의 리튬이차전지 단전지가 직렬 또는
병렬로 연결되어 있으며 독립운영이 불가능한 장치를 말하며, 요구 전압을
만족하기 위하여 셀을 병렬 또는 직렬로 연결하여 구성함
•
랙(Rack)은 하나 또는 복수의 리튬이차전지 모듈이 직렬 또는 병렬로
연결되어 있으며 마스터 BMS가 장착된 장치임
•
전지시스템(System)은 전지제어장치와 연결된 독립 운영이 가능한 장치로,
외함 속에 하나 또는 그 이상의 모듈 혹은 랙이 직렬 또는 병렬로 연결되어
있는 집합체를 말함
92
 리튬이온전지 단위(셀/모듈/랙)
1.69kWh모듈
20.28kWh 랙
93
 Standard Tray Design
Tray configuration
Tray Specification
Spec
11Q (LFP)
Cell model
8S-60P
Composition
Nominal Voltage 26V
Voltage (V)
SOC 100% Operating
Design
(Ah)
Capacity
(KWh)
Dimension
Weight (Kg)
Cycles Life
Calendar Life
Operating Temp
Operating 20V ~ 28.8V
60Ah
1.56KWh
430 x 88 x 635(2U)
About 30kg
3,000Cycles↑
15years
-20~70℃
94
 Standard Rack Design
Rack configuration
Rack Specification
Spec
11Q (LFP)
Cell model
40S-180P (Tray 5S3P)
Configuration
Voltage (V)
Nominal Voltage 130V
SOC 100% Operating
Operating 100V~ 144V
(Ah)
Capacity
(KWh)
Max
(A)
180A
(W)
23.4KW
Charge
Discharge
Dimension
23.4KWh
W600 x D760 x H2100
Weight (Kg)
470kg
Master BMS
BM300
Communication
[ Standard Tray 15EA ]
180Ah
Design
Back-up Time
TCP/IP or CAN
4HR (0.25C Rated Condition)
95
2. 원전용 리튬이온전지의 단위용량 및
시험종류
96
 기술기준 규격용 용량선정
•
500-1,000kWh급의 원전용 2차전지 시스템을 구성
•
단전지(Cell, DC3-4V) : 18650타입의 리튬이온 단전지(3.5AH)로
하기의 성능 요구사항을 만족해야 함
•
모듈(Module, DC40V정도) : 단전지의 직병렬 조합과 서브 BMS를
포함한 2kWh 내외의 용량으로 하기의 요구사항을 만족해야 함
•
랙(Rack, DC125V) : 모듈의 직병렬조합과 마스터 슬레이브를 갖춘
시스템 차원의 최소기준인 20kWh 내외의 용량으로 하기의 하기
성능 요구사항 만족해야 함
97
 리튬이온전지 단위별(셀/모듈/랙) 시험규격
98
 리튬이온전지 시험종류(1)
인정시험
구분
시험 및 검사항목
일반
셀
모듈
랙
구조 및 외관검사
○
○
○
1)외부단락시험
○
성능
시험
3)과충전시험
○
4)강제방전시험
○
5)외부단락 제어 확인시험
○
6)과방전 제어 확인시험
○
7)과충전 전압제어 확인시험
○
8)과대충전 전류제어 확인시험
○
9)과열제어 확인시험
○
1)용량측정시험
○
○
2)에너지 밀도시험
○
○
3)저장시험
○
○
4)사이클 수명시험
○
○
5)효율시험
뱅크 FAT SAT
○
○
○
2)충돌시험
안전
시험
검수시험
○
○
○
○
99
 리튬이온전지 시험종류(2)
보호
회로
시험
절연
시험
전자기
시험1)
PMS
연계
시험
1)과전압 보호회로
○
○
2)저전압 보호회로
○
○
3)과열 보호회로
○
○
4)저열 보호회로
○
○
5)과전류 보호회로
○
○
6)전압 불평형
○
○
7)온도 불평형
○
○
○
○
1)절연저항 시험
○
2)내전압 시험
○
1)정전기 내성시험 (ESD)
○
○
2)전기자기 방사내성 시험
○
○
3)써지 내성시험
○
○
4)전기적 빠른 과도현상 내성시험
○
○
5)무선주파수 전도내성시험
○
○
1)BMS 통신 확인 시험
○
2)보호장치 연동시험
○
3)PMS 연계충방전시험
○
4)주파수조정 시그날 추종시험
○
100
 시험대상 및 견적
• 리튬이온전지 성능 및 안전성시험 견적
1) 시험대상 : 리튬단전지, 모듈, 랙시스템(전지시스템)
2) 요청 내용
- 성능/안전성시험(KBIA) 항목별 소요기간 및 견적
- 환경/검증시험(열화, 방사선, 내진, EMC) 항목별 소요기간 및 견적
- BMS기본성능시험
• 시험의뢰기관
1) 자동부품연구원 이흥종연구원(010-3237-4777)
2) 한국산업기술시험원(KTL) 전현종 선임연구원(02-860-1435)
3) KERI 김용성연구원
4) KTR 김미성박사
• 시험기간 및 비용
1) 일본S마크시험(총4개월) : 셀(2천만), 모듈(3천만), 랙(3.5천만)
2) KBIA안전성시험(총3.5개월) : 셀(3천만), 모듈(2.5천만),
랙(2천만)
3) KBIA성능시험(총3-4개월) : 셀(1천만), 모듈(2천만)
4) 환경(검증)시험(3-6개월) : 랙(4-5천만)
101
3. 원전용 리튬이온전지의
기술규격서(안)
102
 리튬이온전지 일반요구조건
부문
요구 조건
- Battery Safety 국제규격 인증제품 적용
- Battery 극한 환경노출 안전성 확보(전기적, 기계적, 열노출 )
안전
- Thermal Runaway Module 설계반영
- Pack Safety 규격승인(CE, UL)
- Pack 극한 환경노출 안전성 확보(침수, 지진, 낙뢰)
- Battery System Emergency 구축 및 다단계 전원 Back-up 설계
- Battery 15~20년 Calendar Life 특성 확보
- Battery 2000Cycles Life 특성확보(100Cycles/년 Max)
성능
- Battery 85℃ 극한 고온 환경에서의 저장 및 방전특성 확보
- Battery 과방전 후 회복용량 90%이상 확보
- Module 단위 500Cycles Life 특성 확보(Cell조합 Balance확인)
- Monitoring System구축 (전압, 전류, 온도, 저항, SOC, SOH)
유지
- BMS 상태 육안관리 (정상, 비정상 Display)
보수
- 배터리 열화 육안관리 (Impedance 변화 Display)
- 2회/년 1HR 방전 및 충전 실사용 Test진행
103
 상세요구조건(1)
(1) 단전지에 대하여 전 구간의 방전량(SOC)에 대하여 평탄한 전압특성으로
안정적인 성능을 보이고, 2C - 30C Rate의 고율방전에서도 90-100%(5
개 셀 평균치)의 방전량(Ah)을 확보하여 출력효율이 안정되어야 한다. 또
한, 고온(85℃) 환경 하에서도 단전지의 안정적인 방전특성(100%, 5개 셀
평균치)을 가져야 함.
(2) 각 충전전압(3.4V – 3.8V, 0.5V step)에 대하여, 기준전압 충전용량대비
90%이상 충전이 가능하고, CC구간에서 90%이상 충전되며, CV구간에서
는 10%정도의 수준으로 충전되어야 함.
(3) 충전조건(3.8V-4.4V, 3C, 1/20C Cut-off) 및 방전조건(3C, 2V Cut-off)
에 대하여 기준(3.60V) 충전전압대비 과충전 전압(3.8V~4.4V)에 대하여
단전지의 열화요인이 나타나지 않아야 하고, 충전전압 Ripple 여유도를 확
보할 뿐만 아니라 약 7,000사이클 이상의 수명을 확보해야 함.
104
 상세요구조건(2)
(4) 과방전 후에 정상회복특성을 가져야 할뿐만 아니라 “0”V 상태로
30일동안 유지 후에도 100%의 정상상태 용량으로 회복할 수 있는
기능을 가져야 함.
(5) 60℃ 고온 가속 Test 환경에서 550일 부동충전 시험을 통하여
정 상동작 기 능을 확보하 고 , C e l l C I D O p e n 및 C e l l 절연 파괴
문제가 발생하지 않아야 함.
(6) 외부열원 및 과충전, 내부단락, 충돌, 네일링 등의 안전성 평가에
대하여 일정 수준의 성능을 만족해야 한다. 또한, 24시간
침수 후 Normal Mode로 안전해야 하며, 24시간 침수된 Cell을 30A,
50V로 과충전시험을 실시해도 발화나 폭발 현상이 없어야 함.
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 상세요구조건(3)
(7) 모듈과 랙, 전체 시스템용의 BMS에서 SOC/SOH의 예측오차를 5%
이내로 유지해야 하며, 셀 발란싱(Cell Ballancing)은 3시간 휴지기
간 이후 3% 이내로 유지해야 한다. 이를 위하여 전비수명 예측모
델링방법을 보완하고, 병렬연결 안정화기술을 업그레이드해야 함.
(8) 모듈과 랙, 전체 시스템에 대한 기기검증조건을 만족해야 한다. 기
기검증은 안전 관련기기가 정상 및 비정상 운전조건과 가상 설계
기준사건 동안 계통 성능요건을 충족하기 위해 요구에 따라 운전
이 가능함을 보증하기 위한 증거의 생성 및 유지 과정으로서 기기
검증은 내환경검증과 내진검증으로 구별된다. 온도, 압력, 방사선,
상대습도, 전자파 장해/무선주파수 장해(EMI/RFI)와 전력, 서
지
,
침수 등의 내환경검증과 지진부하에 대해 구조적 건전성
(Structure Integrity), 내압력 건전성(Pressure Integrity), 운전성
(Operability)에 대한 기기의 내진검증의 요구조건(형식시험, 운전
경험, 조합방법 등)을 만족해야 함. 기기검증에 대한 일반적인 순
서는 다음과 같음.
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 상세요구조건(4)
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