배터리 혹사 테스트에 고속 열화상 이미징을 사용하는 배터리 이노베이션 센터

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 Teledyne FLIR 고속 열화상 카메라를 사용합니다.

BIC의 프로그램 이사인 Ashley Gordon은 “테스트를 실시할 때, 가능한 많은 데이터를 수집하여 데이터가 정확하다는 확신을 갖기를 원한다”고 설명합니다. 고속 열화상 이미징을 사용하여 가능한 가장 포괄적이고 정확한 데이터를 수집할 수 있습니다.

고속 열화상 이미징으로 기록한 배터리 관통 테스트.

업계에서 BIC의 중요한 역할

폭넓고 깊이 있는 지식을 바탕으로 업계 선도 기업, 학계 및 정부 기관과의 협력을 통해 BIC는 고객이 제품을 최대한 안전하게 만들 수 있도록 결과 기반 데이터를 제공합니다. BIC의 사장 겸 CEO인 Ben Wrightsman은 “저희는 차세대 첨단 에너지 저장을 위한 업계 전문가 훈련을 돕기 위해 배터리 제조, 배터리 설계, 배터리 테스트 및 평가의 모든 작업을 수행합니다”라고 말합니다.

그는 “테스트가 절대적으로 중요하다”며 최근 배터리에 대한 수요가 급증한 이유를 설명합니다. 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. Gordon은 “전기 자동차 분야나 EV 분야에는 많은 고객을 보유하고 있으며 이들은 안전에 정말 집중하고 있다”고 말합니다. “이들은 차세대 기기를 도입하여 그리드 저장 장치용으로 우리 기기를 더 오래 사용할 수 있도록 하며, 더 안전한 배터리를 만들어 사용하는 사람들이 위험에 빠질 가능성을 줄이려고 합니다.

“소비자 제품부터 EV 및 그리드 저장 장치에 이르기까지 모든 제품을 보고 있으며… 현재 배터리용으로 사용되는 모든 화학 물질을 처리할 수 있습니다.”

BIC 연구소의 기술자인 Rodney Kidd는 배터리 테스트를 모니터링하기 위해 고속 열화상 카메라를 설치합니다.

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 알 수 있습니다”라고 Gordon은 설명합니다.

2020년 말에 확보한 BIC의 고속 열화상 카메라는 데이터 수집 방식의 핵심이 되었습니다.

열전대의 한계

BIC의 연구 책임자인 James Fleetwood 박사는 “열화상 카메라를 보유하기 전에는 부피가 큰 열전대와 더 일반적인 IR 장치를 사용했다”고 말합니다. 일반적으로 업계에서는 두 개의 서로 다른 와이어로 구성된 저렴한 온도 센서인 열전대를 온도 테스트에 사용합니다. 그러나, 특히 BIC에서 수행되는 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”라고 BIC 연구소 기술자인 Rodney Kidd는 설명합니다.

열전대의 배치도 편향될 수 있습니다. “이는 자기 충족적인 피드백입니다”라고 Fleetwood 박사는 말합니다. “실제로는 핫 스팟이 어디에 있는지 알지 못합니다. 여러분이 생각하는 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”라고 Kidd는 말합니다.

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. Kidd는 “배터리 화재를 항상 막을 수는 없지만 그로 인한 피해와 범위를 완화하고 안전한 경로로 유도할 수는 있다”고 설명합니다.

“이는 이전에 열전대와 일반 IR 카메라만으로는 포착할 수 없었던 것입니다”라고 Kidd는 말합니다. 이물질이 나오는 것을 볼 수 있지만, 물질이 대기에 닿는 즉시 식을 수 있습니다. 그는 “고속 카메라를 사용하면 속도를 늦출 수 있어 5, 6, 700°C 이상의 온도, 가끔은 그 이상의 높은 온도로 나오는 물질을 포착할 수 있다”고 설명합니다.

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. “이는 전체적인 모습을 제공하며 분석을 통해 우리가 수행하려는 다음 테스트를 생각해 내는 데 도움이 될 수 있는 훨씬 더 많은 데이터 포인트를 수집하고 있습니다”라고 Gordon은 말합니다.

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

고속 열화상 이미징은 관통 테스트 중 배터리의 열 확산을 포착합니다.

결과적으로 열화상 이미징은 단순한 합격/불합격 인증보다 훨씬 많은 정보를 제공합니다. Fleetwood 박사는 “열 프로파일은 시스템에 불이 붙었는지 붙지 않았는지 보다 열 관리 시스템이 어떻게 작동하는지에 대해 훨씬 더 많은 것을 알려줍니다”라고 말합니다. 열은 모든 프레임에서 많은 양의 데이터를 제공할 뿐만 아니라 테스트 중에 발생하는 사항을 시각적으로 이해할 수 있는 방법을 제공합니다. “저는 일반적으로 모든 사람이 수천 개의 숫자와 일반 그래프가 포함된 Excel 시트를 통해 자신의 프로필을 보여주는 이미지(비디오)를 이해할 수 있다고 생각합니다.”

Teledyne FLIR 고속 열화상 이미징 솔루션에 대해 자세히 알아보기: www.flir.com/instruments/science/high-speed-ir/