전기 자동차용 동력 축전지 안전 요구

5월 27일,"중화인민공화국 표준화법"과"강제성 국가표준 관리방법"에 따라 공업정보화부는"전기자동차용 동력축전지 안전요구"강제성 국가표준에 대한 의견 (이하'의견청취고') 을 공개적으로 청취하였으며, 의견청취 마감일은 2024년 7월 27일이다.

GB 38031-2020"전기차용 동력축전지 안전요구"는 우리 나라 전기자동차분야의 첫 강제성국가표준의 하나로서 2020년 5월에 발표된이래 제품생산을 규범화하고 기술진보를 인도하며 정부관리를 지탱하는 등 면에서 중요한 역할을 하였다.GB 38031-2020은 실제 응용 작업 시나리오에서 출발하여 배터리 팩과 시스템에 대한 안전 요구를 강화하였고, 열 확산 안전 요구를 제기하였으며, 배터리 단일 열 통제 불능으로 인한 위험에 대한 기업의 중시 정도를 향상시켰으며, 제품 열 통제 불능 사고를 낮추는 데 적극적인 역할을 하였다.신에너지자동차 보유량이 빠르게 증가함에 따라 전기차 화재 사고는 여전히 종종 발생한다.최근 몇 년 동안 전기 자동차 안전 사고에 대한 경험 총결을 통해, 업계는 실제 응용 장면에서의 동력 전지의 실효 메커니즘에 대해서도 진일보한 인식을 가지게 되었다.이에 근거하여 GB 38031"전기차용 동력축전지 안전요구"를 개정, 보완하여 안전요구를 한층 더 높이고 동력전지 안전최저선을 튼튼히 구축하여 소비자의 생명재산안전을 수호할 필요가 있다.

"의견청취고" 에 따르면 새로운 국가표준은 GB 38031-2020"전기차용동력축전지안전요구"를 대체하게 되는데 주요기술변화는 다음과 같다.

(1) 범위

이 표준은 전기자동차용 동력축전지의 안전요구와 시험방법을 규정하였으며 적용범위도 동력축전지로 명확히 해야 하며 전기자동차에 동력을 제공하지 않는 축전지를 포함하지 말아야 한다. 례를 들면 12V 저압보조전원이다.이밖에 업종의 기술발전을 고려할 때 표준범위는 나트륨이온전지, 리튬금속전지 등 신형의 동력축전지를 포함할수 있어야 한다.이에 따라 원문에서'본 기준은 전기차용 리튬이온전지와 니켈수소전지 등 충전식 에너지저장장치에 적용'을'본 문서는 전기차용 동력축전지에 적용'으로 변경했다.

(2) 예외 종료 조건 요구 사항

고도안전요구(5.2.10)와 시험방법(8.2.10)에서 시험조작인원과 실험실의 안전을 보호하기 위하여 제조업체가 이상종지조건을 제공해야 하며 이상종지조건을 촉발해서는 안된다고 규정하였다.시험항목 간 통일을 유지하기 위해 습열순환(5.2.5, 8.2.5), 온도충격(5.2.8, 8.2.8), 염무(5.2.9, 8.2.9) 등 환경류 안전테스트에 동일한 요구를 했다.

(3) 온도충격시험

온도충격시험 (8.2.8) 에서 먼저 저온이냐 먼저 고온이냐를 규정하지 않아 실제 테스트 집행 시 절차가 통일되지 않자 온도충격시험 온도 안내도를 보완해 연구개발 및 테스트 인원이 집행할 수 있도록 했다.

(4) 염무시험

염무시험(8.2.9)에서 원래의 표준에서의 시험방법은 GB/T 28046.4-2011의 5.5.2의 시험방법을 참고하여 한 순환의 4시간과 5시간 사이에 저압상전감시를 진행하도록 규정하였다.그러나 GB/T 28046.4-2011 중 염무 시험의 중점은 4시간과 5시간 사이에 규정된 작업 모드에서 장치/시스템의 기능 상태를 고찰하는 것이고, GB 38031의 중점은 제품 시험 후의 안전 상태를 고찰하는 것이기 때문에 4시간과 5시간 사이의 저압 상전 모니터링은 실질적인 의미가 없으며, 작업팀의 토론을 거쳐 확정하여 이 조건을 삭제한다.

(5) 배터리 시스템 보호 시험

원 표준에서 5대 보호류 시험방법은 UN GTR 20에서 전환되였는데 안전요구에는 시험후의 절연저항이 100º/V 이상이여야 한다고 규정되였고 ISO 6469-1: 2019에서는 전지시스템에 교류회로가 포함되고 ISO 6469-3의 추가교류보호에 부합되지 않을 경우 절연저항이 500º/V 이상이여야 한다고 규정하였다.GB 18384-2020에서도 직류 회로의 절연 저항은 100 오메가/V 이상이어야 하고, 교류 회로의 절연 저항은 500 오메가/V 이상이어야 한다고 규정되어 있다.따라서 보호 클래스 테스트에서 AC 회로가 있는 경우 절연 저항은 500 오메가/V 이상이어야 합니다.또 과온보호(8.2.11)에서는 시험대상 SOC가 규정돼 있지 않아 시험 전 시료 SOC는 6.1.10에서 정한 최고 작업하전 상태를 기본으로 참고해 조정한다.다만 연속적인 충·방전을 통해 시험 대상자의 온도를 최대한 빠르게 올리도록 하는 과온보호시험 조건에 규정돼 있어 시험 전 SOC 조정 필요성은 낮고, 실무진 검토를 거쳐 확인한 결과 과온보호시험 대상자의 SOC는 한정하지 않고 정상적인 작업 범위에 부합하면 된다.

(6) 배터리 팩 또는 시스템 압출 시험

HEV 배터리와 같은 객차 내에 설치된 배터리 팩이나 시스템의 경우, 차량 본체의 구조 강도를 통해 배터리 팩이나 시스템이 충돌하지 않도록 어느 정도 보장하거나 배터리 팩이나 시스템에 대한 충돌을 약화시킬 수 있다.EVS GTR 및 UN R100에서는 배터리 팩이나 차량을 선택하여 시험할 수 있도록 규정되어 있다.이에 따라 8.4.2.1 시험대상에'객차 내에 설치된 배터리 팩이나 시스템의 경우 차체 구조물을 가지고 시험할 수 있도록 한다'가 추가됐다.또한 차체 구조를 가지고 테스트를 진행하는 경우, 차체 구조가 불규칙하기 때문에 30% 형 변수를 마감 조건으로 하는 것은 테스트 실행에 난이도가 존재하기 때문에 차체 구조 부품을 가지고 압출하는 경우, 압출 압력이 100kN에 도달하는 것을 마감 조건으로 명확히 해야 한다.또한 기존 표준에서 마감 조건에 도달한 후 10min을 유지한다는 표현에 대해 유지력인지 변위인지 명확하지 않으며, 작업팀의 토론을 거쳐 현재 변위 10min을 유지하도록 수정되었고, 배터리 단일 계층 표현도 동기화를 유지한다는 것을 확인하였다.

(7) 외부 화재 시험

원래 표준에는 직접 연소 70s + 간접 연소 60s가 정의되어 있었지만, 테스트 수행 과정에서 연소 시작 및 종료의 타이밍에 대한 이해상의 편차가 존재하여 일부 기업은 샘플이 처음 접촉/화염을 떠날 때 타이밍이 시작/종료되어야 한다고 생각하여 실제 연소 시간이 표준 요구와 맞지 않게 되었다.이에 대해 8.2.7.1.3에서는'연소 시간은 시험 대상과 유반이 모두 정지 상태일 때 시작 또는 종료해야 한다'고 덧붙였다.

(8) 열 확산 분석 및 검증, 안전 요구, 촉발 방법, 판정 논리 등을 포함한다.(자세한 내용은 첨부 파일 참조)

(9) 배터리 단일 충전 후 안전

2022년부터 전문연구팀이 충전후 안전을 둘러싸고 여러차례 전문토론을 전개했다.충전기, 배터리 관리 시스템의 무력화로 인한 과충전, 과류에 대해서는 현행 GB 38031에서 이미 단일 과충전, 시스템 과충전 보호, 과류 보호 테스트를 실시하여 고찰하였다.장기적인 순환이 배터리의 추가 안전 위험을 초래하는지에 대해 업계는 일정한 이견이 존재한다.일부 기업은 고속 충전 순환 후 배터리 안전 경계가 좁아지고 안전성이 떨어지는 테스트 데이터를 제공했다.일부 기업은 배터리의 설계단이 모두 이미 사용 장면에서 충전과 방전 작업 상황을 고려하여 충분한 보호 구간을 남겨 둔 후 제품 응용 구간을 방출했다고 생각한다.노화 상태에서는 배터리 활성물질이 부분적으로 소모되고 배터리 에너지가 감소한다.따라서 충전 순환 후 배터리는 일반 배터리에 비해 추가 안전 위험이 없다고 생각한다.기초조는 장기적인 고속충전이 동력전지에 존재할수 있는 잠재적위험을 종합적으로 고려하여 기존의 연구수치와 결부하여 의견청취원고방안을 기초하였다.

'에너지 절약 및 신에너지자동차 기술 로드맵 2.0'과 결합하여 고속 충전형 동력 배터리 충전 배율 요구에 대하여 시험 대상을 20% SOC-80% SOC 충전 시간 15분 미만의 배터리 단일체 (외부 충전 불가 하이브리드 전기차에 사용되는 배터리 단일체 제외) 로 설정한다;순환 횟수는 12만km, 고속 충전량은 400km로 300회로 설정됐다.고속 충전 순환 후 내부 부반응이 심해지고 심지어 리튬 분석 문제까지 발생하는 것을 고려할 때 국부적인 성능 열화가 존재한다.이러한 국부적인 성능 저하는 대전류 방전 과정에서 고임피던스 부분 (즉, 부반응이 심한 지역) 의 온도 상승이 현저하게 나타나며, 외부 단락 테스트 시 장기 고속 충전 순환의 배터리 내부 부반응 집결지나 리튬 분석 구역은 온도 상승이 높은 상황에서 반응 속도를 격화시켜 배터리에 불이 발생하기 때문에 고속 충전 순환 후 외부 단락 테스트를 진행하도록 설정하고 의견 수렴 단계를 통해 업계 의견을 더 수렴하고 검증 또는 최적화 방안을 진행하여 더욱 최적화한다.

(10) 배터리 팩 또는 시스템 하단 보호

최근 몇 년 동안 신에너지 자동차의 하단 충돌로 인한 동력 전지 화재 사고 중 비중이 비교적 높으며, 현행 기준에는 이 장면에 대한 테스트 항목이 없다.현재 업계에서 널리 인정받는 하단 충돌 작업 상황은 스크래치 작업 상황 (X방향) 과 밑바닥 작업 상황 (Z방향) 의 두 종류로 나뉜다.스크래치 작업 상황은 차량이 정면으로 장애물을 충돌하는 장면에 대응하고, 밑바닥 작업 상황은 주로 비석, 지면 장애물 등 이물질이 차량 아래에서 충돌하는 장면에 대응한다.다수의 기업은 상기 두 가지 작업 상황 시험의 필요성을 인정하는데, 전기의 주요 이견은 시험 대상이 배터리인지 완성차인지에 있다.완성차 테스트는 실제 장면에 더 부합하지만 테스트 비용, 주기가 비교적 길다.배터리 테스트는 더욱 간편하지만 완성차의 실제 섀시 배치, 마운트 강도, 품질 분포 특징을 구현하기 어렵다.업계의 여러 차례 토론을 거쳐 완성차의 실제 작업 상황에 따라 배터리 바닥 충돌 시험 방안을 개발해야 한다는 데 의견이 일치했다.스크래치 작업 상황 시험 결과는 완성차 바닥 보호판, 서스펜션, 바닥 간격, 충돌 방지 빔 등 요소와 강한 관련이 있으므로 완성차 등급 테스트를 통해 실시하고 후속 관련 완성차 표준 개정에서 더욱 연구할 것을 건의한다.베이스 작업 상황에 기반한 하단 충돌 시험은 제조업체가 배터리 팩이나 완성차 수준에서 실시할 수 있도록 허용할 수 있다.

하단 충돌 시험 방안의 사전 토론에서 업계 내에서는 심사 목적 (안전 테스트/신뢰성 테스트), 충돌 에너지 등에 대해 일정한 이견이 존재한다.기초팀은 전단계 업종토론상황에 비추어 현재 이미 수집한 실차와 전지패킷데이터 및 검증시험상황에 근거하여 의견청취방안을 기초하였으며 의견청취단계에서 실차데이터와 업종의견을 진일보 수집하고 검증테스트를 전개하여 의견청취방안을 진일보 확인하거나 최적화할 계획이다.