에너지 저장 시스템 보호용 능동제어 보호소자 금속 가용체 설계

Abstract

최근 산업이 발전하면서 네트워크 기반의 휴대용 전자 제품이 큰 시장으로 자리 잡았다. 더불어 휴대용 전자기기의 구동을 위한 이차전지 시장이 함께 성장하고 있다. 또한, 이차전지의 소형 대용량화, 고효율화가 신 성장 산업으로 각광 받으며 관련 부품 시장도 새로운 특성을 요구하고 있으며7), 최근 이러한 이차전지를 적용한 전자기기의 흐름은 소형화 된 여러 휴대용 전자기기를 보급하고 있다. 전자기기에서 안정적이고 일정한 전류와 전압은 기기의 정상작동에 필수적이지만, short, 돌입전류, 완전단락 등으로 인해 전류와 전압의 이상동작은 언제든지 발생할 수 있다. 특히, 전체 저항이 낮아질 경우 정전압 특성의 전력체계에서 유입 전류의 상승으로 이어지며, 발열 및 화재를 동반하여 인명과 재산 피해까지 수반하게 된다. 전기화재 예방 및 방지를 위해 다양한 기술이 개발되어 적용되고 있다. 전자기기에 대한 안전장치의 한 가지는 전자기기의 전원 공급부에 필요한 것이 과전류 보호소자이고, 과전류 보호소자인 퓨즈를 설치하는 것으로 전자기기의 내부 혹은 외부의 요인에서 시작된 과전류를 퓨즈 가용체의 용단으로 차단해서 전자기기를 안전하게 사용할 뿐만 아니라 인명과 재산 피해까지 안전하게 보호하는 소자이다. 2015년 4월 글로벌 기후변화 대응을 위하여 에너지 신산업 활성화 및 핵심기술 개발 전략 이행 계획을 정부에서 발표했다. 에너지 신산업이란 기후변화에 대응, 에너지 안보, 수요관리 등 에너지 분야의 주요현안을 효과적으로 해결하기 위한 문제 해결형 산업이다. 에너지 신산업의 주요 사업모델은 수요자원 거래시장, ESS 통합서비스, 에너지 자립성, 전기자동차, 태양광대 대여, 제로에너지 빌딩, 발전소 온배수열, 친환경 에너지타운으로 총 8개의 사업모델을 제시했다. 8개의 에너지 신산업 중 직 간접적으로 6개의 모델이 ESS 및 에너지 저장 장치와 연계되어 있다. 이렇듯 산업이 발전하면서 ESS에 대한 관심도 높아졌다. 하지만 이러한 ESS가 충전과 방전이 반복되는 이차전지의 특성과 이차전지 내부에 폭발의 위험이 있는 내부 활물질, 보호소자의 보호 한계 등의 이유로 인하여 이차전지의 화재 및 폭발 사고가 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 일반 전력 시스템과 달리 이차전지 기반의 ESS의 화재 및 폭발 사고를 막기 위한 방법으로는 이차전지 내부에 폭발과 관련된 이차전지 4대 핵심 물질을 안정화 하는 방법과 유입되는 이상전류를 차단하는 방법을 적용한다. 이중 유입되는 이상전류를 막는 방법으로 퓨즈를 사용하고 있다. 하지만, 현재 사용하는 일반적인 한류형 퓨즈의 경우 비교적 낮은 전류량 변화에 동작하지 않는다. 한류형 퓨즈 중 민감한 동작에 속하는 빠른 동작형 퓨즈의 경우 정격전류의 125%에서 최초 용단이 시작되고, 지연 동작형 퓨즈는 정격 전류의 160%에서부터 용단이 시작된다. 일반적인 전력 체계에서의 전기 전자 회로라면 해당 상황이 위험하지 않지만 ESS의 경우 내부의 활물질과 분리막, 내부 전극 등에 비교적 낮은 전류량이라도 과전류가 지속적으로 유입이 되면 화재 및 폭발로 이어진다. 이에 본 논문에서는 ESS의 안전한 사용을 위하여, 완전 단락 돌입 전류에 대한 한류형 퓨즈의 역할과, 비교적 적은 미소전류를 감지하여 능동적으로 동작하는 차단기형 보호회로와 이와 같은 동작 형태에 적합한 보호소자 가용체를 개발하여 완전단락 돌입전류 및 단락 과전류에서 안정성과 미소전류변화에 대한 안전성을 동시에 수행할 수 있는 ESS 전용 보호소자를 개발하고자 한다.

With the rise of portable electronic devices, the market for secondary battery, which is necessary to operate portable electronic devices, has been growing together. As the market for rechargeable (secondary) batteries focuses to minimize its size and to maximize its efficiency, various reasons for fire and explosion emerge. In the case of energy storage systems, the four main(core) materials are stabilized and abnormal currents are blocked in application to prevent fire and explosion. One of methods to prevent an abnormal current from flowing in is usage of fuse. However, the conventional current type of fuse does not operate at a comparatively low current amount change (105% to 120%). In the case of electric and electronic circuits in a general electric power system, such situation is not dangerous. However, in the case of ESS, the over-current can lead to fire and explosion, if it continuously flows into the internal active material, the separator, and the internal electrode, even at a relatively low current. In this study, we propose a protection circuit for the safe use of energy storage system (ESS), which act as a breaker which operates in case of detection of a small current change, We developed an active control fuse element for ESS, which is able to achieve the stability against short-circuit inrush current and short-circuit over-current and safety against micro-current change simultaneously.