Li-Ion 전지 Pack 의안전설계 ( 주 ) 일본IBM Portable Systems 제4선진제품개발三戶敏嗣
Note PC 용 Li-Ion 전지 Pack 의안전설계 1. 배경 Note PC에있어서 Li-Ion은가격이비교적비싸지만경량, 충전감각과사용시간이비례하는등의이점이 User로부터호평을얻어점차사용비율이높아지고있다. 성능향상뿐아니라 Cost 저감도진행되어양산시 18650 단전지 1Cell의시가는약 $5( 550) 정도이다. 또한한정된 Maker로수요를충분히만족시키지못하는생산수량때문에, 신규참여하는 Maker의증대와각사의증산에힘입어공급이증가하고많은기기 Maker와누구라도사용할수있는시대가되어가고있다. 게다가 CoO2 Graphite 로 1.5Ah, 325Wh/L의용량이표준이되고연내에는 1.6~1.7Ah가실현되며더욱이 Ni 酸과 Sn Amolphos를채용하여 2.0Ah에 400Wh/L이상의전지가양산준비중이다. 향후용량이적은전지는더욱더가격이하락하며한편으로는고용량화가진행되어기술유무로 Maker도차별화되는상황이다. 그러나기본적인전지구조, 구성은동일하여가연성유기용매를사용하는점과과충전, 과방전보호회로 (Safety Unit) 를사용하는점에는변함이없다. 또한정전압충전이가능한특성때문에단순한충전기구성이가능하여 Set Maker로부터공급되는정품충전기이외의충전기에의한과충전사고도발생되고있다. 또한당사에서도몇몇 Li-Ion Pack 개발중에얼마간의 Trouble을경험했다. 금번에는 Note PC 개발경험으로부터 Li-Ion 전지 Pack의안전성에대하여종합하여서술한다. 2. Note PC의전지예 ThinkPad의경우기종별로Li-Ion전지가분류되어사용된다. - 최고 기종 : ThinkPad 760/765 - 보급 기종 : ThinkPad 310/380 - 경량박형기종 : ThinkPad 560/535 특수한경우를제외하고는최고기종에는최신기술과최고 Energy Density의전지, 보 급기종에는 Energy Density뿐아니라 Cost Performance도우수한전지, 경량박형기종 에는작은 Size에중량Energy Density가우수한전지를선택한다. 기종에따라서는 전지의 Grade up이가능한설계를요구하는경우도있다. 이러한조건들에따라 ThinkPad에는Li-Ion 전지가최고기종과경량박형기종에, 보급기종에도상위 Model에 사용된다. ThinkPad Battery 97 Model Chemistry Size Voltage Capacity ThinkPad 760 Li-Ion 17500 10.8V 3.0Ah ThinkPad 560 Li-Ion 17500 10.8V 2.2Ah ThinkPad 535 Li-Ion 17500 10.8V 2.2Ah ThinkPad 380 Li-Ion 18650 10.8V 2.6Ah Ni-MH 4/3A 8.4V 3.5Ah ThinkPad 310 Ni-MH 4/3A 10.8V 3.5Ah < 표.1> '97 ThinkPad 전지
3. 전지의안전성규격 Li-Ion 2차전지에관한국제적인공업규격은아직제정되어있지않다. 기본적으로 UL1642를사용하고일본의축전지공업회 (SBA) 의 Li-Ion 2차전지안전성평가기준 Guide Line을모두채용하고있다. 매우잘정리된 Guide Line이기는하지만설명중에끊어진것처럼단전지대상으로되어있기때문에실제의 Pack, 기기설계에있어서는충분한내용은아니다.NotePC본체는 IEC950을사용하지만 Li-Ion 전지 Pack 에관한구체적인서술은없다. 그러나 Energy Contained Device라하여일부부품은특별히취급을한다. 지금의각종경험에서 2차전지 Pack은 2중보호를기본으로한 100V/200V와동일한위험전압과동등부품으로취급한다. 기본적사고는 1개의부품이파손되어도다른하나의부품이보호하는구조의설계이다. 예를들면 Thermostat 이파손되어도직렬접속된 Poly Switch가과전류를보호하는것과충방전제어 FET가단락되어도다른하나의과전압 IC가동작하는것이다. 전지내부에도보호장치가있지만이것은외부회로에의해보호가되지않았을경우의최종적보호장치로적극적으로신뢰할수있는Pack의설계에있어서는동작불가한것으로간주한다. 4. Li-Ion전지 Pack의안전설계 94년 12월개발중에지금까지의 NiCd/NiMH 전지의경험을근본으로설계한 Li-Ion 전지 Pack이실온, 만충전상태보존중자연발열이일어나 Case가녹는사고가발생하였다. 전지 Maker에있어서는처음있는경험으로철저한원인규명, 재현실험, 대책을수립, 실시하고또한동시에타사의 Li-Ion 전지와 Pack도 Test 하였다. 이러한 Test의결론은 Li-Ion 전지는지금까지의 NiCd, NiMH 전지와는다른매우어려운전지라는점이었다. 해석의결과최종적원인은전지자체가아닌보호회로기판상의누설전류가원인으로추정되어가능한각종대책을추가하여 95년 5월에발표, 출하한것이 ThinkPad 755CX이다. 게다가각사의전지구조와특성, 안전변, 전류차단기구의상이점뿐아니라전지안전성에도상당히다른점이있다는것을알았다. 또한안전회로의설계상이점도알게되었다. 이러한작업을통하여전지 Cell만의안전성뿐이아닌충방전 System 전체를검증하고신중히설계할필요가있다는것을통감하였다. 1) 충전회로 2) 방전회로 3) 보호회로 IC, 부품 4) 단전지의안전성평가 5) Pack 조립공정 6) Case 설계 7) System의동작조건 8) 품질관리 9) 사용부품, 재료 10) 전지 Pack의평가
AC-DC Adaptor 16V 2.2A CVCWCC 35W, 90~265V AC Logic,HDD,LCD etc. Charge DC-DC 12.6V 2.0A CVCC DC-DC Converter] 8.1V DC IN 3.5V 5V 12V Out Battery Pack Li-Ion 10.8V 3.0Ah NiMH 8.4V 3.5Ah CHG Control Communication / FG Data < 그림.1 > Note PC 전원 System 예 PWR Control Power Management IC (KBD Control) (H8, Hitachi) AC-DC Adaptor 16V 2.2A CVCWCC 35W, 90~265V AC Logic,HDD,LCD etc. Battery Pack Li-Ion 10.8V 3.0Ah NiMH 8.4V 3.5Ah Charge DC-DC 12.6V 2.0A CVCC Over Charge CHG Control Communication / FG Data < 그림.2 > 추정되는고장개소 DC-DC Converter] 8.1V DC IN 3.5V 5V 12V Out PWR Control Power Management IC (KBD Control) (H8, Hitachi) CHG Current T-Fuse (+) VH VM Protection IC VL VG < 그림.3 > 추정되는전지 Pack 내부의고장 (-)
1) 충전회로 AC-DC Adaptor, DC-DC 충전회로에있어서하나의부품이파손 ( 단락, 개방 ) 된경우에흐르는최대전류, 인가된최대전압을상정한 Test를실시할필요가있다. 간단히말하면 AC-DC Adaptor의출력을직접, 안전회로, 안전소자를제거한 Pack에인가한다. Adaptor의출력특성에따라다르겠지만전지는 Adaptor의출력전류에의해과충전된다. 단전지와는달리전지상호간의온도상승영향에의해전지는임계온도점을넘을가능성이높게된다. 전지내부가약 140 전후의임계온도를초과하게되면전지내, 외부의보호기능으로는반응을제어할수없으므로전지는파열하게된다. 최근에는 Air Line Adaptor라는항공기기에사용되는 Adaptor Service가미국을중심으로시작되고있다. DC 입력 Connector만적합하다면어떤전압, 전류, 전력의 Adaptor가삽입되었는지알수없다. 특히 Li-Ion 전지는 3, 4 직렬구성이있어 15V 또는 20V 전후전압의 Adaptor를사용하는경우가많다. 저전압기종에고전압의 Adaptor가삽입되면문제가발생할가능성이있다. Voltage CV Voltage CV CW CC CC 0 Current 0 Current CV Constant Voltage CW Constant Wattage CC Constant Current < 그림.4 > AC-DC Adaptor 출력예 2) 방전회로 Note PC에있어서전지는과충전이되는사용 Mode는없다. 그러나 PCMCIA Card 를삽입하여 Suspend 상태로장기간보존한경우등에전지 Pack은과방전되는경우가있다. 전지의용량이커서이를초과한적은없지만 Suspend 전류도가능한적게하는노력이필요하다. 현재통상 50~100mW 정도이다. 동작시간은짧게되지만 Suspend 상태에들어가는전압을약 3.2~3.3V 정도이상으로높게설정하므로서약數週간 System은 Suspend 상태를유지할수있다. 전지의과방전보호회로가동작하지않는시간이길어지게되면전지는비교적단시간에급속재충전을시작하는것이가능하여전지가충전되지않는다는 Claim은줄어들게된다. 또한 DC-DC Converter 의 Power off시에누설전류를가능한적게하는것도중요하다. 과방전보호회로는약 2.5V/Cell 이하에서동작하고회로의누설전류는수십μA이하인것이바람직하다. Li-Ion 전지는과방전보호회로를동작시키지않고비교적높은전위로유지하는것이가능하다면 Trickle 충전전류로약 15분이내에급속충전가능전압까지복귀시키는것이가능하여전지의충전불가문제는없어진다.
3) 보호회로 IC, 부품 Li-Ion 전지의개발초기와는달리 Mitsumi, Seiko, Murata등많은Maker에서전용 IC 가발매되고있다. 사용되는전지의특성에맞는보호전압, 검출시간등을선택할필요가있다. 기본적으로는보호IC와 P-Ch 또는 N-Ch FET를사용한회로가사용된다. 회로는 1차보호IC 또는 FET가파손되어도또하나의 IC가동작하는등의 2중보호구성으로할필요가있다고여겨지고있다.2차보호회로는통상의사용환경에서는동작하지않도록설정한다. SONY Chemical과 Uchihashi에서공급되는저항이붙은온도 Fuse와전압보호IC를조합하여구성하고일단한번동작하면다시사용할수없게되는회로구성도고려되고있다. 또 FET는도중에불완전한단락고장을일으킨경우에 200 이상온도가상승하기때문에기판을태워전지 Pack의사고로간주된다. 온도Fuse는 FET 근처에도배치할필요가있다. 전지주전력회로에삽입하는것은온도 Fuse, Thermostat(Breaker), Poly Switch가있다. 각각동작온도, 전류정격, 동작형태 ( 가역, 비가역 ) 등이다르기때문에특징에맞춰사용할필요가있다. 전지는기기로부터의열충격도고려하여 1차보호는전지표면온도로약 75 전후에서동작시키고 2차는 100 전후의온도에서보호한다. 전압및온도각각 2단계보호회로구성이바람직하다. 또한 Thermistor로온도를검출하여전기적신호로충전, 방전을제어하는것도가능하다. 4) 단전지안전성평가기본적으로는축전지공업회의기준에따라 Test하면문제는없다고판단된다. 그러나 Pass된전지라도실제로시장에서시장에서사고가일어나고있는점을생각하면 Cell이 Test에합격하는것뿐아니라사용자의입장에서 Test를하지않으면안전성은확보되지않는다고생각한다. 지금까지의경험으로실제사고를반영한 Test로 Soft Nailing Test를실시하고있다. 통상 UL등에서는 5mm Nail에의한관통Test를실시하고있지만충전된전지를 Jig에고정하여 Nail을관통시키면전극전체가일순간에단락되어버리는것과전지 Cell의발열이 Jig에전달되어버리기때문에실제의사용상태에있어서층간단락을상정할수없다고생각한다. 실제의 Pack에서는병렬접속된인근전지로부터의 Energy도더해지는것을고려하여 Pack의만충전상태에서국부단락을 Test하는것이유효하지않은가생각한다. 그래서나무판위에서관통도중에 Nail을멈추는방법 ( 대략전지의 2~5층을관통 ) 으로실시하고있다. 이방법은기술적으로도나름대로입증된 Test라는견해를 Maker로부터얻었기때문에현재도계속 Test를채용하고있다. 이외에전류차단기구가들어있지않은 Cell을채용하기위해과충전 Test를실시한다. 이것은 Pack 상태에서병렬접속된전지의 Spot 용접이떨어져충전전류가 1Cell의전지에집중적으로흐르는것을상정한 Test이다. AC-DC Adaptor로직접Pack에충전하는간단한방법이다. 최근에알게된것으로 CID( 전류차단기구 ) 를채용한전지에도과충전에서파열된것이있었다. 試作용으로 CID의압력설정이높았다라는설명이었으나약 15kg / cm2의최적치로개선시켜도과충전에서파열되었다. 각종조합과측정으로부터알게된것은전해액의첨가제가원인이라는것이었다. 또과충전전압파형을조사해보면파열의조금전에전압이저하되는기간이있었다는점이다. Impedance가떨어지기때문에이전압저하기간중에 Energy가저장
되어물론과충전전류에의해전지내부온도가임계온도를초과해버린것으로추정된다. 전류차단변이있기때문에안전하다는말은틀렸다고인식되었다. 또보호회로에의해심방전을방지하고있지만장기간의방치, 보존을상정한과방전 Test가있다. 이것은 Li-Ion전지가과방전상태가되면동의석출이있어전극간단락등의위험이있다고알려져있기때문이다. 그러나만충전된전지를출하하여, 고객이 Note PC를구입, Manual을보지않고LCD Cover를열었을때매력적인 Message가튀어나오기를바라는요구는뿌리깊고, 이요구에대하여전지가완전과방전된상태에서도안전성을확보하기위해현재는 27일간의강제방전후에 Trickle 충전을실시하여급속충전가능전압까지복귀되는것을확인하고있다. 금속 Li의석출과그후의 Cycle 열화가없는지도모두확인하고전해액의개선으로요구를달성하고있다. 어떠한항목도전지 Maker만의 Data에의존하기보다는 User의입장에선관점에서 Test를실시할필요성이있다. 5) 조립공정 NiCd, NiMH 전지와달리보호회로기판을반드시필요로하는 Li-Ion 전지 pack의특징때문에과거의전지 Pack 조립공정과는다른관리가필요하다. 정전기대책은물론이고기판의취급과납땜의관리등실제제조 Line에서의불량원인을해석하고설계에반영하는것이필요하다. 전지 Cell에불필요한열을가하지않고납땜 Point 마무리작업성향상, 납땜 Land를넓게, 납땜통소를적게, 납땜기의온도관리, 땜납의성분확인등기본적이지만중요한항목이다. 6) Case 설계각종전지 Cell의상정된고장 Mode에서 Case는설계된다. 우선낙하강도는 76cm에서기능장해가없을것,1m에서안전상위험이없을것을기준으로견고한목판에낙하 3회를확인한다. 도전성전해액이분출하여보호회로에묻고다른전지의 Energy 에의해회로기판이연소되는사고를방지하기위해전지Cell과회로간에격벽을설계하고있다. 또한서서히새어나오는휘발성의전해액을상정하여외부로새어나갈수있는구멍을얼마간설계하고있으며전지의 (+) 극에서새어나온전해액에의해발생하기때문에전지의 (-) 측을회로기판측에향하도록하는전지 Cell의배열도필요하다고생각된다.Case재질은전해액에침식되지않는 PC, XYRON등을사용한다. 7) System의동작조건전지는본체를통하여충전, 방전되지만본체의 Power Management Control을잘파악, 설계하지않으면문제가생긴다.NotePC에서는전력을저감시키기위한많은 FET Switch를설계하여 ON/OFF를자주반복하지만Suspend 상태에서통상동작상태가되는경우와Set 동작중충전중인 AC-DC Adaptor의뽑으면직접 AC-DC의전압이전지에인가되어제어되고있는 FET가파손되는경우가있다. 여러가지동작 Mode에서의조합 Test를반복하지만기능도비약적으로향상하고있기때문에실제에있어전체상태를검증하는것은어려운것이현실이다. 그래서전지에서는 System에서의최악의경우를상정한과전압, 과전류, 과부하, 이상온도, 장기보존등의
Test 를실시하며또여기에견딜수있는전지 Pack 을설계할필요가있다. 8) 품질관리 100% 전수검사를했어도공장에서불량이발견되는경우가있다. 그대부분은기기와의결합에서일어나며전지 Pack 자체의결함은적다. 그러나전지문제로분류된것을해석하여보면접속은되어있으나떨어져가고있는 Spot 용접과회로기판의땜납이었다. 단전지그자체보다는 Pack 조립공정에서의문제가많다는점에입각한품질관리및재발방지의 Pack 설계를할필요가있다. 9) 사용부품, 재료발암성과오존층을파괴시키는물질을사용해서는않된다. 또한 Li-Ion은가연성의전해액을사용하기때믄에전지 Case, 회로기판, 배선재, Label은 UL94V0, VW-1, 94VTM0에상당하는자기소화성의난연재료를사용하여야하는것이최소한의요구이다. 10) 전지 Pack의평가실제사고에서가장빈번한단자간출력단락은당연히실시하고동시에 FET의 ASO 도충분히margine이있는것을확인한다. 전류제한회로가동작하기직전과연속대전류방전등에내부 FET와온도Fuse의동작도확인한다. 또한도중에알수없는부하의단락을상정하여 10A/sec의부하전류상승률로출력을단락하여문제유무를확인하고있다. 이것은완전단락보다부품에있어서는가혹한조건인경우가많다. 또지금까지경험해온문제를근거로실시하는제품안전 Review는중요한평가항목중하나이다. 4. FG 부착 2중보호전지 Pack 이상의설계방침과잔존용량계 (FG, FUEL GAUGE) 를조합한경우의전지 Pack구성예를표시한다. 이전에는 FG의통신기능유무를하나의보호로생각하는것이가능하였지만전지 Pack 출하수량의증대에수반하여순정충전기이외의충전기로충전되는경우가많이발생되고있다. 전체미승인충전기를규제하는것은사실상불가능하기때문에통신의유무에관계없이전지를보호할수있는회로구성이필요해지고있다. 당연전지 Cell과 Pack에대한Test방법도보다엄격하게상향시킬필요가있지만아주특수한Test방법은개발일정을지연시키기만할뿐으로바람직하지않다. 단기간에효율적으로각종 Test를실시하는것이중요하다. 향후에도전지의고용량화경쟁과안전성의딜레마가개발의관건이되는것은사실이다.
Thermostat Thermistor Fuel Gauge CPU OTP/MASK VP Voltage Amp VH VM VL VG Overvoltage Self Kill Circuit VH VM VL VG Current Sense Resistor Thernal Fuse for Over Voltage Protector < 그림.5 > FG 부착보호회로 5. 결론간단히 Note PC용 Li-Ion전지 Pack의안전성설계에대하여종합하여보았지만전지자체도나날이개량되고있다.Li-Ion전지를특별히위험한전지라고생각하고싶지는않다. 예를들어말하면가솔린같은것이다. 대단히연소되기쉬운위험한연료이지만일상에서보통으로사용되어지고있다. 그러나 Gasoline Stand로담배불을붙이는사람은없다. 그것은누구라도그행위가위험하다는것을인식하고있기때문이다. 위험물을사용하고있다는것을말하려는것이아니라전지 System 설계자는확실히 Li-Ion전지의안전성과특성을인식하여설계할필요가있다는것이다. 그리고 User가안심하고사용할수있는제품을공급하는것이중요하다고생각한다. 천만다행으로현재까지는 100만 Pack 이상의 Li-Ion전지 Pack을전세계에출하하였으나시장에서의사고는 1건도발생하지않았다. Engineer로서하루라도더이기록이유지되기를바라며개발을해나가고싶다고생각한다. --이상--