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인디애나주 뉴베리에 위치한 배터리 이노베이션 센터(BIC)는 상용 및 국방 분야 고객을 위한 안전하고 신뢰할 수 있는 경량 배터리의 신속한 개발, 테스트, 검증 및 상용화에 중점을 둔 비영리 협업 기관입니다.

테스트 프로세스에 포함된 광범위한 혹사 테스트를 통해, 배터리를 최악의 사용 시나리오에 노출하여 그로 인한 안전 문제를 파악하고 해결합니다.

이러한 테스트로부터 최대한 많은 데이터를 수집하기 위해 BIC는 다른 기술로는 포착할 수 없는 열 세부 정보를 보여주는 FLIR 고속 열화상 카메라를 사용합니다.

 

고속 열화상 이미징으로 기록한 배터리 관통 테스트.

업계에서 BIC의 중요한 역할

 BIC는  폭넓고 깊이 있는 지식을 바탕으로 업계 선도 기업, 학계 및 정부 기관과의 협력을 통해고객이 제품을 최대한 안전하게 만들 수 있도록 결과 기반 데이터를 제공합니다. BIC는 차세대 첨단 에너지 저장을 위한 업계 전문가 훈련을 돕기 위해 배터리 제조, 배터리 설계, 배터리 테스트 및 평가의 모든 작업을 수행합니다.

최근 배터리에 대한 수요가 급증해지며, 배터리 모델이 이러한 요구를 충족하기 위해 진화함에 따라 배터리의 성능과 안전성을 검증하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이들의 고객은 신생 기업부터 신흥 기술의 선두에 서 있는 최대 규모의 글로벌 OEM 및 제조업체에 이르기까지 다양합니다. 

BIC 연구소의 기술자가 배터리 테스트를 모니터링하기 위해 고속 열화상 카메라를 설치하는 이미지

사고 발생은 불가피한 것이지만 사고가 발생했을 때, 배터리가 어떻게 반응하는지 화재로 번진다면 얼마나 빨리, 주변 물질에 불이 붙을 가능성은 얼마나 되는지를 아는 것이 중요합니다.

최악의 시나리오를 반복 실험하여 데이터를 수집하면 예상되는 결과를 찾을 수 있습니다.

 

열전대의 한계

일반적으로 배터리 인증 업계에서는 두 개의 서로 다른 와이어로 구성된 저렴한 온도 센서인 열전대를 온도 테스트에 사용합니다.

그러나, BIC에서 수행되는 배터리 테스트의 종류에 대해서는 여러 가지 제한이 있습니다. 열전대의 주요 문제점은 한 번에 한 지점만 측정할 수 있다는 것입니다.

“열전대만 사용하면 접촉점 온도 판독값이 표시됩니다. 이는 바로 그 위치만 판독한다는 의미입니다”

실제로 핫 스팟이 어디에 있는지 알지 못해 열전대의 배치도 테스터의 주관적으로 편향될 수 있습니다. 테스터가 생각하는 부착 위치와 관련된 측정값만 얻는 것입니다.

 

단락 시뮬레이션을 위한 혹사 테스트

배터리가 가해지는 혹사 테스트 중 하나는 단락을 시뮬레이션하고 배터리가 과열되어 화재 또는 폭발을 일으킬 수 있는 관통 테스트입니다.

네일 핀 테스트를 실시하면서 열전대만 사용할 수 있다면, 셀 전체에 흐르는 온도 프로파일을 확인하기 위해서만 셀 전체에 천 개의 열전대를 배치해야 할 것입니다.

배터리 혹사 테스트 중 사용되는 네일의 클로즈업.

배터리 설계 시에 단락과 확산되는 열이 어떻게 가스를 축적하고, 이러한 가스 및 기타 셀 물질이 배출되는 위치 및 뜨거운 정도를 엔지니어가 이해하는 것이 중요합니다. 배터리 화재를 항상 막을 수는 없지만 그로 인한 피해와 범위를 완화하고 안전한 경로로 유도할 수는 있습니다.

이 테스트 결과는 열전대와 일반 열화상카메라만으로는 포착할 수 없습니다. 이물질이 나오는 것을 볼 수 있지만, 물질이 대기에 닿는 즉시 식을 수 있습니다.

고속 열화상카메라를 사용하면 노출 속도를 조절할 수 있어 5, 6, 700°C 이상의 온도, 가끔은 그 이상의 높은 온도로 나오는 물질을 포착할 수 있습니다.

 

전체적인 모습을 보여주는 FLIR 고속 열화상

온도 데이터를 수집하기 위해 지점에 직접 배치해야 하는 열전대와 달리 열화상 이미징은 배터리의 모든 지점에 대한 동시 데이터를 제공합니다.

열화상 이미징을 통해, 배터리가 혹사 테스트에 노출되었을 때 배터리 외부가 어떻게 변화하는지는 물론 내부에서 일어나는 반응과 열이 어떻게 진행되는지를 쉽게 파악할 수 있습니다. 온도가 어떻게 전파되는지 즉시 파악할 수 있으며, 열전대가 그 위치에 없더라도 핫 스팟이 생기는지 바로 알 수 있습니다.

 

고속 열화상 이미징은 관통 테스트 중 배터리의 열 확산 을 포착합니다.

 

결과적으로 열화상 이미징은 단순한 합격/불합격 인증보다 훨씬 많은 정보를 제공합니다.

 열은 모든 프레임에서 많은 양의 데이터를 제공할 뿐만 아니라 테스트 중에 발생하는 사항을 시각적으로 이해할 수 있는 방법을 제공합니다.