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전기 자동차 배터리의 안전은 어떻게 보장하는가 – 마르포스의 헬륨 리크 테스트 시스템

마르포스는 내연기관용 측정 솔루션을 제공해 왔다. 마르포스가 인수한 이탈리아 HeTech는 헬륨 추적 가스 누출 검사 역량을 바탕으로 다양한 산업군에 대한 솔루션을 내놓고 있다. 지난 인터몰드 2019에서 이 회사가 선보인 자동차용 2차 전지 리크 검사 테스트 벤치를 자세히 들여다보았다.

누출 검사 (Leak Test)
타이어에 펑크가 나 정비소에 갔더니 타이어를 물에 넣어 발생하는 공기 방울의 위치를 찾아 때워준다. 이런 방식도 누출 검사의 하나로 수몰 테스트라고 부른다. 산업 현장에서 사용되는 누출 검사는 일반 공기(질소)를 사용하는 에어 리크 테스트(Air leak test)와 헬륨과 수소 등의 추적 가스를 이용하는 추적 가스 리크 테스트(Tracer Gas Leak Test)로 나눌 수 있다.
에어 리크 테스트는 주로 주입한 공기의 압력 감쇠 정도로 누출을 판단하는 압력 감쇠(Pressure decay) 방식을 사용한다. 부품 1개를 측정하는 직압식과 레퍼런스 부품과 비교 측정하는 차압식이 있다. 에어 리크 테스트 경우 E-02 mBar.l/s 수준의 누출까지 측정할 수 있다.

헬륨 리크 테스트의 장점
추적 가스 리크 테스트 중 헬륨 리크 테스트(Helium Leak Test)의 경우는 E-09 mBar.l/s까지 검출이 가능해 에어 리크 테스트 대비 매우 정밀하다. 또한, 헬륨은 공기 중에서 다른 기체와 반응하지 않아, 폭발성이 있는 수소에 비해 안전하다. 이런 부분이 투자 비용과 고가의 헬륨 가스가 필요함에도 불구하고 헬륨 리크 테스트가 점차 확산되는 이유이다.
전기 자동차용 2차 전지의 경우 배터리 셀 내의 전해질이 누출로 인해 공기 중으로 나오면 고온의 화재를 유발할 수 있다. 이에 따라 소비자나 차량 메이커 중심으로 안정성이나 품질 규격은 강화될 수밖에 없을 것으로 쉽게 예상된다. 헬륨 리크 테스트가 검사 요구 사항으로 배터리 제조 공정의 모든 단계로 확대되고 있는 추세이다.

마르포스가 공개한 배터리 셀 검사용 헬륨 리크 테스트 장비 (인터몰드 2019)
마르포스가 공개한 배터리 셀 검사용 헬륨 리크 테스트 장비 (인터몰드 2019)

헬륨 리크 테스트 데모 장비
마르포스는 커스터마이징 방식으로 누출 검사 장비의 디자인, 설계, 설치 및 서비스 모두 제공한다. 인터몰드 2019에서는 데모를 위해 배터리 셀 검사용 헬륨 리크 테스트 장비를 선보였다. 2차 전지는 배터리 셀이 모여 모듈이 되고 팩으로 구성되어 자동차에 장착된다. 데모에서는 배터리 셀을 리크 테스트 장비에 올린 후 챔버를 차폐함과 동시에 진공상태로 만든다. 그다음 헬륨을 주입한 다음 새어 나오는 헬륨을 측정하는데 만약 누출이 있으면 헬륨이 누적되어 검출되게 된다. 이 경우 챔버를 열고 스니퍼 프로브를 이용해 어느 위치에서 누출이 일어났는지 체크한다.
실제 라인에 적용할 경우는 생산량에 따라 최대 8개의 셀까지 동시에 테스트하도록 구성할 수 있다. 또한, 생산량에 맞춰 작동 속도나 펌프 등을 다양하게 구성하여 제공할 수 있다. 고가의 헬륨 가스는 회수 시스템을 통해 재생된다.

안전 강화와 헬륨 리크 테스트
헬륨 리크 테스트가 품질 검사 규격으로 요구되어지는 분야가 늘고 있다. 자동차 산업의 경우 에어컨용 콘덴서, 증발기(Evaporator), 호스는 반드시 헬륨 전수 검사를 거쳐야 한다. 이런 경우 에어 리크 테스트를 먼저 진행한 후 헬륨 리크 테스트로 전수 검사하는 방식으로 효율화한다.
업계 관계자는 “전기 자동차용 2차 전지를 생산하는 국내 메이저 3사의 경우도 품질 강화 추세에 따른 대응으로, 현재 수행하는 에어 리크 테스트를 헬륨 리크 테스트로 전환하려는 움직임을 보이는 것으로 알고 있다”라고 전했다.

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About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.