2.1 차단용량 설비의 구성

대용량 이차전지에 사용되는 과전류 보호소자의 차단용량 특성을 확인하기 위해서는 퓨즈의 용단 후 발생하는 잔류 아크가 전압에 대하여 영구아크 및 점화로 이어지는지의 여부 판단이 중요 하며, 이때 영구 아크의 발생은 보호소자의 폭발로 이어진다. 때문에 용단 후 아크에 대한 적합한 차단용량 시험을 위해서는 그림 4와 같이 보호소자 용단 후 직류 전원에 입력한 정격 전압이 보호소자 양단에 인가되는 회복 전압 단계에서 시스템 전압을 연속적으로 인가하여 잔류 아크 폭발을 확인하는 시스템 구성이 필요하다.

그림 4. 잔류 아크 폭발 시험을 위한 차단용량 시험 동작

Fig. 4. Breaking capacity test operation for post-arcing explosion test

이를 위해서 일반적인 차단용량 시험의 최대 전류 전압인 1,500V 8,000A 용량으로 DC 파워 서플라이를 구성 할 시, 설비의 전력 용량은 12MW로 높은 시스템 구성비용뿐만 아니라 운영을 위한 변압기 설치 용량, 전력 사용량에 따른 유지 보수비용 등이 과도하게 발생하여 시험 접근이 어렵게 된다. 때문에 순차적으로 차단용량 시험과 포스트 아킹 시험에서 인가되는 전력을 분석하여 제어를 통해 회로상에서 나타나는 용단 후 전압의 이동 동작을 구현하는 방법으로 시스템을 제작 하였다. 잔류 아크 확인 시험과 최대 전력 차단 용량 시험의 전력 운영 도해를 분석하면 그림 5의 플로우 차트와 같고, 인가 과정과 같이 적용 과전류 보호소자의 저항을 기반으로 최대 전류 인가를 위한 출력 검사를 시작으로 최종 잔류 아크에 대한 폭발동작에 이르는 시험간 설비의 운전과정을 나타내었다.

그림 5. 회복 전압 인가형 직류 차단용량 시험 플로우 차트

Fig. 5. Flow chart of operation recovery voltage injected type DC breaking capacity test

이와 같은 과전류 보호소자 차단용량 시험 시스템을 구성하기 위하여 대전류 저전압 직류 파워 서플라이 334A, 25V 설비 24대와 고전압 저전류 직류 파워 서플라이 50A, 1,500V 설비를 통합하여 주제어기와 출력 전압 측정기, 전류 DAQ를 실시간 캔 통신으로 정보와 제어 체계를 구성 하였다.

그리고 고속 대전류 출력 동작에 대비한 센싱 회로의 2.5 kV 내전압 절연 회로를 구성하고, 16Bit ADC 소자(분해능 65,535 Level)를 적용하여 고속 데이터 전송을 위한 임베디드 시스템 회로를 그림 6과 같이 구성 하였다.

그림 6. 고속 데이터 전송 임베디드 회로 구성

Fig. 6. High-speed data transmission embedded circuit

또한 통신에서 고속 대용량 데이터 처리를 위하여 이더넷(Ethernet) 기반의 고속 통신을 사용하여 전압 인가 제어 및 영구아크 측정을 위한 통신 단자와 연동하였다. 구성한 시스템의 전체 구성도는 그림 7과 같다.

그림 7. 회복 전압 인가형 직류 차단용량 시험 설비 구조

Fig. 7. Recovery voltage application type DC breaking capacity test equipment structure

2.2 회복 전압 인가형 차단용량 설비의 적합성 시험

설계와 같이 제작된 회복 전압 인가형 차단용량 및 잔류 아크 폭발 시험 설비를 사용하여 IEC60127 초소형 퓨즈와 ISO 8820-8 전기 자동차용 퓨즈에서 정의한 차단용량 시험을 수행 하였다. 시험은 IEC 60127-2 sheet 3에 정의된 지연 동작형 낮은 차단 용량 유리관 퓨즈와 IEC 8820-8 400V 차단용량 6KA 퓨즈를 대상으로 동작과 차단에서 제작 설비의 적합성을 실험 하였다^[8]. 이때 제작설비의 성능 유의미한 차이 확인을 위하여 1,500V, 8,000A 전체 부하를 사용하는 DC 파워 시스템과 비교 시험을 실시하였고 모든 측정 결과는 표준 션트를 이용하여 측정 하였다. 실험을 위한 각 퓨즈 군은 정격전류에 따라 최소 20개~30의 예비 시료를 제작하였고 모든 퓨즈의 전기저항을 측정하고 저항 값을 시료에 표시하였다. 이후 DC 전원공급 장치를 사용하여 I-T 특성시험을 진행하였고, 인가전류에 따라 퓨즈가 동작되는 시간을 측정하여 시험결과를 도출하였다. 동작 실험에 사용된 전원공급장치 전류는 ICE60127-1에 명시된 직류 정전류에서 최대 전압이 1,500V 이내가 되도록 유지하였다. 실험을 위한 파워서플라이는 BOB社 SGI 8,000/1,500, 측정에 사용된 오실로스코프 Tektronix社 DPO 3022, 저저항계측기는 Hiyoki社 3227 mΩ Hitester를 사용하였다. 시험 설비 형상과 제작 하여 시험한 고정구는 그림 8과 같다.

그림 8. 시험 설비 및 지그

Fig. 8. Test equipment structure and test jig.

2.3 시험 결과

시험을 위한 과전류 보호소자 샘플은 IEC 60127-1 초소형 퓨즈 시험 규정에 의해 모든 시료의 전압 강하 값을 기록하고 가장 높은 전압강하 값을 보유한 샘플이 1번 가장 낮은 전압 강하 값을 보유한 샘플이 마지막 번호로 하여 샘플을 정리하였다.

그림 9의 전압강하 측정 결과로부터 시험에 사용되는 유리관 퓨즈와 EV 퓨즈는 모두 정격 전류에 대하여 100mV 이하의 전압 강하 값을 보유하여 “퓨즈는 회로 설계의 영향이 없이 단지 보호의 역할만을 수행”해야 하는 과전류 보호소자 원칙에 만족하며, 또한 최대 전압강하 샘플과 최소 전압강하 샘플의 차이가 각각 유리관 퓨즈의 경우 최대 전압강하 값이 60.88mV, 최소 전압 강하 값이 58.19mV로 최대와 최소 전압강하 차이가 4.418%로 퓨즈 표준에 따른 15% 이내를 만족 하였다. 동일한 방법으로 EV 퓨즈 또한 1.285% 차이를 나타내어 시험을 진행하기 적합한 퓨즈로 판단할 수 있다.

설비의 차단용량 시험의 활용성뿐만 아니라 동작특성에서 기존 직류 파워 서플라이와의 유의미한 차이 확인을 위하여 설정 전류 전압에 대한 전력 출력 일정성과 보호소자의 동작 특성 시험에 중요한 변수 요인으로 작용하는 전류 상승시간(Rising time)과 전압 상승 시간을 측정하였다.

그림 9. 시험 퓨즈 전압 강하 기본 특성 확인

Fig. 9. Fuse voltage drop basic characteristics

그림 10의 측정 결과로부터 회복 전압 인가형 차단용량 시험 설비의 경우 인가 전류가 상승함에 따라 설비의 전류 상승 시간이 증가함을 확인 할 수 있었지만, 과전류 보호소자 중 빠른 동작 특성을 확인하기 위한 설비의 전류상승 시간 기준인 4ms 이내의 전류 상승 시간을 보유하여 시험에 적합한 것으로 판단할 수 있다. 반면 기존 설비는 100A 이하 낮은 전류 인가에 대한 전류 상승 시간은 만족한 반면, 100A 이상의 높은 전류 인가에 대해 전류 상승 시간이 증가하여 빠른 동작 특성의 과전류 보호소자를 시험 할 수 없는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 기존 일반적인 DC 파워 서플라이의 경우 인가 전류 상승시간의 기준이 20ms 이하로 빠른 동작 특성의 과전류 보호소자를 제외한 기기와 부품에 대하여 사용가능하다^[9].

그림 10. 시험 설비 인가 전류 상승 시간 비교 결과

Fig. 10. Test equipment applied current rising time comparison result

그림 11은 보호소자의 용단 후 보호소자 양단에 인가되는 전압 상승 속도를 측정한 결과이다. 일반적으로 과전류 보호소자 동작에 의해 인가되는 회복 전압의 경우 전기적 부하에 의한 보호소자의 저항 상승으로 인하여 미소한 전압 상승이 발생한 후 용단에 이르며, 급격히 시스템 전체의 전압이 보호소자 양단에 인가되게 된다. 하지만 그림 11의 결과에서도 나타나는 것과 같이 보호소자의 용단 형상과 가용체의 완전 용단 불완전 용단 등의 상태에 따라 회복 전압이 인가되는 시점과 인가전압 상승 시간이 일정하지 않음을 알 수 있다.

그림 11. 기존 시험 설비 회복 전압 상승 시간 분석

Fig. 11. Analysis of recovery voltage rise time of typical test equipment

즉, 결과로부터 설비의 성능이 아닌 과전류에 대한 보호소자의 동작 형상과 속도에 따라 전압 상승 시간이 결정됨을 알 수 있고 이와 같은 특성을 고려하여 인가 회복 전압상승 시간은 시스템에서 조정 결정할 수 있도록 프로그램을 설정 하였다. 이상과 같은 고용량 파워 서플라이와 동일한 전류 전압 인가 동작을 구현하여 최대 250배 에너지에 이르는 차단용량 시험을 각 시스템을 통해 수행 하여 회복 전압 인가형 차단용량 시험 설비의 성능을 검증 하였다.

시험은 최대 동일 제품의 동일 일시, 공정, 위치에서 생산된 퓨즈 제품에 대하여 차단용량 시험과 잔류 아크 폭발 시험을 실시하여 결과의 차이를 확인 하는 방법으로 성능을 검증하였다. 표 1에 시험 시료의 종류와 정격 전류전압 그리고 차단 용량 시험을 위해 인가한 전류 전압을 정리하였다.

퓨즈의 동작 특성을 정의하는 정격전류의 160%~1,000% 동작 속도에 대한 기존 설비와의 비교를 위해 각 샘플의 용단 시험 수행 후 I-T 커브 차이를 비교하였다. 이는 제작된 전류원의 동작 신뢰성을 확인하기 위함이고 파워서플라이의 용단 시험간 인가전류의 일정성과 입력 전류까지의 상승 시간, 돌입전류 발생 및 이에 따른 영향 등을 판단하는 방법이다.

그림 12. 설비 전류 일정성 비교를 위한 용단 시험

Fig. 12. I-T test for equipment current constancy comparison

그림 12의 저전류 10A 퓨즈와 대저류 300A 퓨즈의 I-T 커브 비교 시험 결과로부터 일반적인 DC 파워 서플라이와 회복 전압 인가형 차단용량 시험 설비의 용단 시험 성능 유의미한 차이가 없음을 확인 할 수 있다. 이는 퓨즈의 동작 특성 구간에 해당하는 정격전류의 1.6배~10배 전류인가 시 기존 설비와 개발 설비간의 동작 시간이 최대 5% 이내에서 차이가 발생하고 이는 제품의 오차 범위인 15% 이내의 값으로 시험 설비의 차이로 판단 할 수 없는 수치이다.

그림 13. 돌입전류 인가에 따른 퓨즈 폭발 전류

Fig. 13. Fuse explosion current according to inrush current application

그림 13은 퓨즈 차단 용량 이상의 돌입 전류 인가에 따른 보호소자의 폭발 시점을 나타낸 그래프이다. 동일 로트(lot)의 동일 제품에 대한 회복 전압 인가형 차단용량 시험 설비의 인가 전류 전압이 시험에 적합한 것인가를 기존 직류 전원 인가 장치와 비교하였다. 시험 결과로부터 IEC 8820 EV 퓨즈 300A 표준 시료와 IEC 60127 카트리지 퓨즈 10A 표준시료에서 각각 EV 퓨즈는 7,900A 전류와 카트리지 퓨즈는 138A 전류에서 최대 차단용량 전류가 나타났다. 그리고 기존 파워 서플라이와 회복 전압 인가형 파워 서플라이에서 유의미한 차단용량 차이가 나타나지 않아 시험에 적합함을 판단할 수 있다.

그림 14. 회복 전압 속도에 다른 잔류 아크 폭발 전류

Fig. 14. Post arcing explosion current according to recovery voltage rising time

그림 14는 잔류 아크에 의한 퓨즈 차단 용량을 시험한 결과로 기존 파워 서플라이의 회복전압 상승 시간과 비교하여 상대적으로 빠른 회복 전압 상승 시간 인가, 동일한 회복전압 상승 시간 인가, 느린 회복 전압 상승 시간 인가에 따른 차단 용량의 변화를 측정 하였다. 시험 샘플 중 300A EV 퓨즈의 경우 모든 전류 전압 조건에서 잔류아크 폭발이 발생하지 않는 것으로 확인 되어 시험 결과는 10A 카트리지 퓨즈를 대상으로 정리 하였고, 회복 전압은 IEC 60127과 60269에 따른 정격 전압의 1.02배~1.05배에 이르는 전압으로 표 1에 표기 하였다. 시험 결과로부터 기존의 일반적인 대전력 파워 서플라이의 회복 전압 인가 속도인 1.5ms 일 때 17A~29A 범위에서 잔류아크 폭발이 발생 하였고, 회복 전압 인가 방식 설비에서 동일한 회복 전압 속도 인가 시 동일한 과전류 범위에서 잔류아크 폭발이 발생하였다. 그리고 더 빠른 회복전압 인가 속도인 1ms 라이징 타임에서는 17A~35A 과전류 범위에서 잔류아크 폭발이 발생하였고, 상대적으로 느린 회복전압 인가 속도 2ms 라이징 타임에서는 19A~24A 과전류범위에서 잔류아크 폭발이 발생함을 확인 하였다. 이와 같은 시험의 결과로부터 돌입 전류 차단 용량 시험과 잔류아크 차단용량 시험에서 회복 전압 인가형 차단용량 시험 설비를 사용한 차단용량 시험이 가능함을 확인할 수 있고, 전류 전압 인가 속도에 대한 조정이 가능한 특성은 가혹 조건과 특수 조건의 시험도 가능하여, 낮은 용량의 직류 전원 설비에서도 높은 차단용량 시험이 가능한 시스템 설계 방법으로 판단된다.