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마르포스의 전기 자동차 생산용 측정 솔루션 ① – 배터리 셀, 팩 분야

전기 자동차 배터리 측정을 위한 토탈 솔루션

배터리 셀, 모듈, 프레임, 팩, 트레이를 위한 헬륨 및 에어 리크 테스트

내연기관용 측정 솔루션의 세계적인 기업 마르포스(MARPOSS)는 배터리의 생산 공정의 모든 단계에서 리크 테스트 및 리크 감지를 위한 토탈 솔루션을 제공한다. 배터리에 대한 고품질 요구사항을 충족하기 위해서는 측정 및 테스트 기술이 생산 프로세스에 체계적으로 적용되어야 하는데, 이를 통해 생산 효율성을 높이고 불량을 감소시키며, 안전과 성능에 대한 요구를 충족할 수 있기 때문이다.

마르포스는 개별 배터리 셀의 헬륨 진공 테스트와 배터리팩에 사용되는 냉각 튜브 및 호스와 같은 부품의 헬륨 리크 감지 또는 에어를 이용한 압력 감쇠/ 유량 테스트, 대형 배터리 모듈, 팩, 하우징(전원 전자장치 포함)의 최종 조립 후 압력 감쇠/유량 테스트 또는 헬륨을 사용한 리크 테스트 등을 모두 제공한다.

배터리, 리크 테스트는 기본
전기 자동차의 2차 전지 배터리 셀 안에 누설이 발생하면 전해액이 공기 중으로 나오게 되고 수분과 접촉 시 불화수소산(Hydrofluoric Acid)이 형성되는데, 인체에 노출될 경우 심각한 상해를 유발할 수 있다. 또한, 습기가 배터리 셀 안으로 들어올 경우 역시 불화수소산이 생성되어 배터리가 파괴될 수도 있는데, 이 과정에서 1,000℃가 넘는 고온의 화재를 유발할 수도 있다. 이 때문에 배터리 부분품 및 최종 팩 어셈블리까지 리크 테스트는 필수적이다. 배터리에 사용할 수 있는 리크테스트는 에어리크 테스트와 헬륨 리크 테스트가 있다.

헬륨 리크 테스트
헬륨(He)은 수소(H) 다음으로 두 번째로 가벼운 원소로, 헬륨을 사용한 리크 테스트의 경우 E-09mbar.l/s까지 검출이 가능해 에어 리크 테스트 대비 매우 정밀하다. 헬륨은 공기 중에서 다른 기체와 반응하지 않는 불활성 가스로, 폭발성이 있는 수소에 비해 안전하다. 또한, 헬륨은 무색, 무취, 무미, 무독성 가스이며 주변에 분산될 경우에도 어떠한 문제를 일으키지 않는다. 배터리 검사용으로 이용되는 헬륨 추적 가스 방식 검사는 ~10-2~10-6scc/s 수준에서 측정이 가능하다. 헬륨을 사용한 진공 챔버, 축적 챔버 또는 스니핑 테스트 방식의 리크 테스트를 사용한다.

양산에서의 각형 배터리 완성품 8개 셀을 동시에 테스트할 수 있는 마르포스의 더블 챔버 머신
양산에서의 각형 배터리 완성품 8개 셀을 동시에 테스트할 수 있는 마르포스의 더블 챔버 머신

에어 리크 테스트
에어 리크 테스트는 주로 주입한 공기의 압력 감쇠 정도로 누출을 판단하는 압력 감쇠(Pressure Decay) 방식을 사용한다. 에어 리크 테스트 경우 E-02mbar.l/s 수준의 누출까지 측정할 수 있다. 부품 1개를 측정하는 직압식과 레퍼런스 부품과 비교 측정하는 차압식이 있다. 배터리 검사를 위해서는 압력 감쇠 및 유량 테스트 방식이 사용되는데 ~10-1~10-3scc/s 수준에서 측정이 가능하며, 압력 감쇠 또는 유량 측정 방식의 리크 테스트를 사용한다.

압력 감쇠 및 유량 테스트에 사용되는 마르포스의 Provaset T3
압력 감쇠 및 유량 테스트에 사용되는 마르포스의 Provaset T3

배터리 셀 리크 테스트

전기 자동차에 사용되는 배터리 셀
전기 자동차에 사용되는 배터리 셀

하이브리드 및 전기 자동차에 사용되는 배터리 셀을 위한 새로운 리크 테스트 요구 사항은 모든 단일 배터리 셀은 전해액 누출 방지는 물론 습기 및 외기의 침투로부터 안정적으로 보호되어야 하는 것이다. 이를 위해 배터리 셀은 10-3~10-6scc/s 범위의 미세한 누설을 감지하는 헬륨 진공 테스트로 검사해야 한다. 마르포스는 전극을 조립한 후의 단계와 전해액 주입 후 단계 모두에서 검사가 가능한 솔루션을 제공한다.

  1. 전극 조립 전

전극 조립 전 검사에는 진공 챔버 내 헬륨을 추적 가스로 사용하는 리크 테스트를 사용한다. 누설이 있는 부품이 다음 조립 작업으로 보내지는 것을 방지하기 위해서다. 스테이션 내부의 전용 툴링은 셀을 밀봉하고 추적 가스(헬륨)를 채우는 데 사용된다. 배터리 셀에 대해 감지하는 일반적인 누설량의 범위는 10-4~10-6scc/s이다.

 전극 조립 전 시행되는 리크 테스트
전극 조립 전 시행되는 리크 테스트
  1. 전극 조립 후

셀 하우징에 전극을 삽입한 후 배터리의 타입에 따라 셀은 커버로 밀봉된다. 이때 다음의 전해액 주입을 위한 한 개의 채널은 개방되어 있다. 이 단계에서 추적 가스(헬륨)를 사용해 셀 커버 용접의 누설 가능성을 감지하기 위한 테스트를 수행할 수 있다.

전극 조립 후 수행하는 리크 테스트
전극 조립 후 수행하는 리크 테스트
  1. 완성된 각형 배터리 셀 테스트 (주입 및 밀봉 전)

전해액 주입 및 밀봉 전, 각형(Prismatic) 배터리 셀에 대한 다량의 검사가 가능하다. 동일 진공 챔버에서 8개 셀을 동시에 테스트할 수 있어 공정 시간 최적화가 가능한 솔루션이다. 마르포스의 더블 챔버 솔루션을 통해 한 개의 챔버가 테스트 중일 때 다른 챔버에서 로드/언로드 할 수 있기 때문에 질량 분석기와 진공 펌프의 사용이 최적화되어 총 사이클 타임이 단축된다. 배터리 셀을 밀봉하고 고정구(fixture) 뒷면에 헬륨을 공급하는 툴링을 해주고, 테스트 중 셀의 변형 가능성을 제한하도록 하는 플라스틱 프레임을 사용한다.

 마르포스의 더블 챔버 머신에서 양산 중인 각형 배터리 완성품 8개 셀을 동시 테스트하고 있다.
마르포스의 더블 챔버 머신에서 양산 중인 각형 배터리 완성품 8개 셀을 동시 테스트하고 있다.
  1. 전해액 주입 및 밀봉 후 (헬륨 주입)

전해질 충진 중 및 밀봉 전에, 종종 셀 내부에 헬륨과 같은 불활성 가스를 첨가하거나 헬륨으로 포화된 환경에서 밀봉 작업을 수행 할 수 있다. 이때 배터리 셀에 대해 감지되는 일반적인 누설량의 범위는 10-4~10-6scc/s이다.

전해질 충진 중 및 밀봉 전 리크 테스트
전해질 충진 중 및 밀봉 전 리크 테스트
  1. 전해액 주입 및 밀봉 후 (헬륨 주입 없음)

전해액에 헬륨을 첨가하는 것이 허용되지 않거나 가능하지 않은 경우에 사용할 수 있는 테스트로 Bombing 기술로 인해 가능한 솔루션이다. Bombing 방식은 먼저 고압 헬륨으로 채워진 Bombing 챔버 안에서 배터리 셀을 장시간 노출한 후 셀에 누설이 있으면 압력 차에 의하여 셀 내부로 헬륨이 리크 포인트를 통해 이동된다. 이후 배터리 셀을 진공 챔버로 이동시켜 진공 챔버와 연결된 질량 분석기를 통해 제품 내부의 헬륨을 검출하는 방식이다. 단, 이 방식은 미세 리크를 감지할 수 없다.

전해액 주입 및 밀봉 후 헬륨을 주입하지 않는 테스트
전해액 주입 및 밀봉 후 헬륨을 주입하지 않는 테스트

배터리 모듈 및 팩 리크 테스트

전기 자동차용 배터리 모듈
전기 자동차용 배터리 모듈

개별 배터리 셀이 대형 배터리 모듈 또는 배터리 팩으로 결합되는 경우, 생산 시 냉각 회로의 기밀성이 보장되어야 한다. 단락(Short circuits)을 일으킬 위험이 있기 때문으로, 외부에서 배터리 모듈과 팩에 물이나 오염 물질이 침투할 수 없어야 한다.  시험 압력이 높을 수 있기 때문에 압력 감쇠 또는 유량 테스트를 사용하는 에어 테스트 방식이 적절하다. 부품의 실제 기능 동작에 보다 잘 맞춘 테스트 조건을 제공하기 위해 음압(내부 진공)에서 테스트를 수행하는 것을 권장한다. 물과 글리콜 혼합물을 매체로 냉각할 때 ~10-1~10-3scc/s 범위 내의 누설률이 적용된다.

배터리 모듈 에어 리크 테스트
배터리 모듈 에어 리크 테스트

배터리 쿨링 서킷 및 쿨링 플레이트

배터리 쿨링 튜브, 호스 및 플레이트
배터리 쿨링 튜브, 호스 및 플레이트

배터리 모듈 및 팩에는 일반적으로 물-글리콜(Water-Glycol) 혼합물 또는 차량의 에어컨 시스템에서 나온 냉매 가스로 작동되는 여러 개의 냉각(Cooling) 채널과 플레이트가 포함된다. 유사한 냉각 회로가 전력 제어 유닛에도 존재한다. 일반적으로 배터리는 장기적인 냉각이 보장되어야 하고 또한 냉각 매체의 누출로 인해 단락이 발생할 수 있기 때문에 누출 방지 시스템이 요구된다.

에어 리크 테스트를 사용하면 주로 글리콜 쿨링 시스템의 경우 압력 감쇠 또는 유량 테스트 방식으로 진행한다. 이 경우 ~10-1~10-5 scc/s  범위 내의 누설률이 적용되며 주요 냉매 가스의 손실이 없다.
냉매 가스 플레이트의 경우는 더 미세한 누설을 감지하기 위해 진공 챔버 내에서 헬륨을 사용한 테스트를 사용할 수 있다.

쿨링 서킷을 위한 에어 리크 테스트
쿨링 서킷을 위한 에어 리크 테스트
진공 챔버 내부에서 헬륨 테스트
진공 챔버 내부에서 헬륨 테스트

배터리 트레이 및 팩 어셈블리 리크 테스트

 

배터리 프레임
배터리 프레임
배터리 팩
배터리 팩

완성된 배터리 팩 어셈블리는 일반적으로 하우징 유닛에 장착되며 공압을 이용한 압력 감쇠, 유량 테스트 또는 헬륨 추적 가스 방식을 모두 사용할 수 있다. 부품의 완전 방진 및 단기 침수 방지를 위해 검사되어야 하며 ~10-1~10-3scc/s의 범위 내의 누설률이 적용된다. 배터리 트레이 및 팩과 같은 큰 부품의 테스트에는 에어 테스트 방식의 사용 가능성에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 매개 변수가 있다. 예를 들어 내부 자유 부피가 매우 크고, 10-3scc/s의 누설 임계 값을 가지며, 매우 낮은 테스트 압력, 또한 시험 제품에 허용되는 최대 압력 또한 매우 낮은 특성을 가진다. 이에 맞는 테스트 방식을 결정해야 한다.

배터리 팩 조립 완제품의 글로벌 씰링 테스트
배터리 팩 조립 완제품의 글로벌 씰링 테스트

글로벌 테스트 방식을 사용할 경우 자동화 생산라인에서의 사이클 타임을 최소화할 수 있다. 에어 방식 또는 높은 테스트 감도를 위한 헬륨 축적 챔버 방식을 적용한다. IP67/68/69K 실링 조건을 보장하기 위해 진공 챔버에서 헬륨 가스를 추적 가스로 누출을 테스트하는 것이다.

[참고] 글로벌 테스트 방식

진공 챔버 내부에 로딩된 배터리 팩을 헬륨으로 가압시켜 누설된 헬륨을 진공 챔버에 연결된 질량 분석기로 측정하는 방식이다. 이 시험은 인적 오류에 영향을 받지 않아 객관적이다. 누설 측정 영역은 5.0E-03mbar.l/s~5.0E-08mbar.l/s이다. 

배터리 프레임을 검사하기 위해 마르포스는 리크 전용 머신을 제공한다. 실링 기구부에 대한 리툴링 시간을 단축하고 제품 타입에 따른 로봇 프로그래밍이 가능한 유연한 솔루션으로 스니핑 로봇을 추가하는 방식으로 사이클 시간을 단축할 수도 있다.

리크 지점 위치 파악 완제품 배터리 팩 어셈블리용 로봇 스니핑 자동화 머신
리크 지점 위치 파악 완제품 배터리 팩 어셈블리용 로봇 스니핑 자동화 머신

 

마르포스의 ‘전기 자동차 측정 솔루션’ 관련 기사 보기

① 배터리 셀, 팩 분야배터리 누설 측정을 위한 토탈 솔루션

② 배터리 필름 분야전기 자동차 배터리 측정을 위한 토탈 솔루션

③ 모터 분야: 전기 자동차 모터 측정을 위한 토탈 솔루션

④ 트랜스미션 분야: 전기 자동차 트랜스미션 측정을 위한 토탈 솔루션

About 이상준 기자

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