에너지 저장용 고성능 리튬 배터리가 필요로 하는 안전 인증은 무엇인가?

UL 1973: 리튬 배터리 모듈 및 팩을 위한 핵심 안전 인증

적용 범위, 적용 대상 및 고정형 에너지 저장 시스템에 대한 주요 요구사항

UL 1973은 에너지 저장 시스템(ESS) 및 무정전 전원 공급 장치(UPS)와 같은 정지형 응용 분야를 위해 설계된 리튬 배터리 모듈 및 팩에 대한 북미 지역의 주요 안전 가이드라인입니다. 기본적으로 이 표준은 전기적 결함, 열 스트레스 상황, 잠재적 화재와 같은 일반적인 문제에 대해 설계가 견딜 수 있는지를 검증합니다. 이 표준에는 주목할 만한 여러 가지 중요한 요구 사항이 있습니다. 첫째, 이상 상황 발생 시 위험한 아크 방전이 일어나지 않도록 강력한 전기적 절연이 필요합니다. 또한 사용 재료는 연소에 저항해야 하며 적절한 차단 기능을 갖추어야 합니다. 기계 부품은 일상 운영 중 발생하는 일반적인 진동 및 충격에도 견뎌야 합니다. 열 관리 시스템 역시 정상 범위를 크게 벗어난 온도 변화 조건에서도 제대로 작동해야 합니다. UL 1973 인증을 획득한다는 것은 이러한 배터리가 전 세계의 상업용 건물 및 공장에서 안전하게 작동함을 의미합니다. 더 나아가, 제조사가 UL 9540과 같은 전체 시스템 수준의 고위험 인증을 취득하기 전에 반드시 UL 1973 테스트를 통과해야 합니다.

중대한 오용 테스트: 과충전, 단락 회로, 열 순환, 기계적 충격

UL 1973 인증을 획득하기 위해 리튬 배터리 시스템은 최악의 고장 조건을 재현하도록 설계된 엄격한 오용 시뮬레이션을 거쳐야 합니다. 이러한 테스트에는 다음이 포함됩니다:

• 과충전 : 안전 한계를 초과한 충전을 통해 보호 회로의 작동 효과를 검증합니다.
• 단락 : 단자 간 직접 연결을 통해 열폭주 억제 성능을 평가합니다.
• 열 사이클링 : –20°C에서 +60°C까지 반복적인 열 노출을 통해 성능 저하 정도를 평가합니다.
• 기계적 충격 : 운송 중 발생할 수 있는 응력 또는 물리적 손상을 시뮬레이션하는 충격 테스트입니다.

2022년 개정판 기준에 따르면, 인증 통과를 위해서는 화재, 폭발, 전해액 누출이 전혀 발생해서는 안 되며, 이는 시스템이 극한 조건 하에서도 치명적인 고장을 일으키지 않고 견딜 수 있음을 입증합니다.

UL 9540A: 리튬 배터리 시스템 내 열폭주 전파 검증

셀 단위에서 시스템 전체에 이르는 화재 전파 테스트 프로토콜 및 데이터 해석

UL 9540A는 단일 배터리 셀에서 시작하여 여러 모듈과 유닛으로 구성된 전체 시스템에 이르기까지, 고장 발생 시 열이 어떻게 확산되는지를 분석함으로써 작동한다. 기본적으로 이 시험 절차는 과충전, 단락회로 유도, 또는 물리적 압력 가하기와 같은 방법을 통해 제어된 방식으로 열 폭주(thermal runaway) 조건을 인위적으로 유발한다. 이 과정의 각 단계에서 시스템이 문제를 억제하여 악화되지 않도록 할 수 있는지 여부를 점검한다. 계층 구조 내 어느 지점에서든 확산이 차단된다면, 그 이상의 시험을 진행할 필요가 없다. 그러나 열이 실제로 확산될 경우, 기술자들은 온도 상승 정도, 배출되는 가스의 종류, 방출될 수 있는 입자, 그리고 고장이 구성 요소 간에 전파되는 데 걸리는 정확한 시간 등을 측정한다. 2024년에 발표된 최신 버전에서는 고온 환경에서 다양한 리튬 이온 배터리의 시험에 대한 개선된 기준과, 합격 및 불합격 판정 기준에 대한 보다 명확한 규정 등 중요한 변경 사항을 포함한다. 예를 들어, 현재 한 가지 요구사항은 배터리가 셀 간에 문제를 최소 60분 이상 억제해야 안전 기준을 충족한다는 것이다. 이러한 모든 시험은 화재 확산 속도, 유독성 연기의 배출량, 폭발 가능성 등에 관한 수치 데이터를 담은 상세한 보고서를 생성한다. 이러한 데이터는 지방 당국이 소방 관련 규제를 수립하거나 기업이 시설 내 잠재적 위험을 모델링하려 할 때 필수적인 자료가 된다.

UL 9540A가 화재 안전 ESS 설계 및 위험 완화 전략에 미치는 영향

UL 9540A 시험 데이터는 엔지니어들이 실제 현장에서 화재 위험을 실질적으로 줄이는 데 있어 어떤 선택을 내리는지에 큰 영향을 미친다. 시스템 설계 시 전문가들은 열전달 수치와 화재 확산 속도를 분석하여, 열 차단재를 보다 효과적으로 설계하고, 환기구의 형상을 최적화하며, 설치 공간 내 서로 다른 구성 요소들을 적절히 격리함으로써 열사건이 최대한 하나 또는 두 개의 모듈 내에서만 제한되도록 한다. 가스 감지기는 온도가 섭씨 150도 이상으로 치솟기 이전, 즉 위험 수준에 도달하기 훨씬 전에 억제 시스템을 작동시키도록 설정된다. 2024년에 발표된 최신 개정안은 건물 옥상 및 주차장 등 공간이 협소하고, 사고 발생 시 인근 건물 내 거주자들이 신속하게 대피하기 어려운 환경에 설치되는 장비에 대한 안전 기준을 크게 강화하였다. 작년 산업 통계에 따르면, UL 9540A 지침을 준수하는 시설은 이를 따르지 않는 시설보다 약 74% 적은 화재를 기록하였다. 소방관들도 구체적인 상황에 대응하기 위한 대응 계획 수립 시 이러한 화재 확산 보고서를 참조한다. 또한 검사관들은 이 모든 정보를 바탕으로 NFPA 855에서 요구하는 적절한 간격 유지 및 공기 흐름 조건을 충족하는지 여부를 점검함으로써, 이론적 위험 평가를 현장에서 실제로 적용 가능한 안전 조치로 전환한다.

IEC 62619 및 EN 62619: 리튬 배터리 안전을 위한 글로벌 산업 표준

상용 ESS 응용 분야를 위한 성능, 오남용 내성 및 규격 준수 요구사항

IEC 62619 표준 및 그 유럽 대응 표준인 EN 62619는 정지형 에너지 저장 시스템(ESS)에 사용되는 산업용 리튬 배터리에 대한 필수 안전 규정을 제시합니다. 이러한 국제적으로 인정된 지침은 배터리가 작동 중 스트레스를 받더라도 신뢰성 있게 작동해야 함을 요구합니다. 이는 여러 차례 충방전 사이클을 거친 후에도 용량을 유지하고, 약 60도 섭씨까지 열적으로 안정성을 확보해야 함을 포함합니다. 또한 이 표준은 표준화된 시험을 통해 배터리가 다양한 형태의 과부하 상황을 어떻게 견뎌내야 하는지를 명시합니다. 예를 들어, 최대 충전 전압의 1.5배에 달하는 과전압 조건을 견뎌야 하며, 저항이 100 밀리오옴 미만으로 떨어지는 외부 단락 회로에서도 생존해야 하고, 100 킬로뉴턴 이상의 기계적 압축력에 견뎌야 하며, 열 폭주를 효과적으로 억제해야 합니다. 준수를 달성하기 위해 제조업체는 백업 전압 모니터링 시스템, 화재 확산을 막는 수동 방화 장치, 수 밀리초 이내에 작동하는 고속 차단 메커니즘 등 여러 가지 내장 안전 기능을 반드시 적용해야 합니다. 이러한 요구사항을 준수하는 것은 EU의 ‘배터리 규정(Batteries Regulation)’에 따라 CE 마크를 획득하기 위해 실제로 필수적인데, 이 규정은 25개 이상의 다양한 안전 측면에 대한 준거 증거를 요구합니다. 2023년 실시된 ‘산업용 에너지 저장 감사(Industrial Energy Storage Audit)’에 따르면, IEC/EN 62619 표준을 준수하는 기업은 실제 현장 적용에서 약 40% 적은 결함률을 보고하고 있어, 대규모 전력망 적용에 훨씬 더 적합합니다.

UL 9540: 리튬 배터리 및 BMS 안전성을 통합한 시스템 수준 인증

UL 9540이 리튬 배터리, 열 관리 및 제어를 포함한 전체 에너지 저장 시스템의 안전성을 어떻게 검증하는가

UL 9540 표준은 완전한 에너지 저장 시스템 전체에 대한 철저한 안전성 검사를 시스템 수준에서 수행합니다. 이 표준은 배터리 모듈 자체를 넘어서 열 관리 시스템, 배터리 관리 시스템(BMS), 외함(엔클로저), 그리고 이러한 구성 요소들이 제어 로직을 통해 어떻게 상호 작동하는지를 포함하여 전반적인 시스템을 평가합니다. 일반적인 표준 테스트는 주로 개별 부품에 초점을 맞추지만, UL 9540은 전기적 결함과 극단 기상 조건이 동시에 발생하는 것처럼 실제 환경에서 함께 나타나는 문제 상황 속에서 전체 시스템이 어떻게 작동하는지를 실제로 테스트합니다. 또한, 때때로 관찰되는 위험한 열 연쇄 반응과 같은 상황도 고려합니다. 가장 중요한 것은 모든 안전 기능이 유기적으로 협력하여 제대로 작동함을 입증하는 것입니다. 즉, 정상적인 충·방전 작동 중에도 시스템을 안정적으로 유지하고, 열 관련 문제를 적절한 외함 내부로 효과적으로 차단하며, 심각한 이상 상황 발생 시 자동으로 시스템을 정지시키고, 배터리 관리 시스템(BMS)이 냉각 장비와 원활하게 통신할 수 있도록 해야 합니다. 이러한 종합적 테스트 방식은 서로 다른 구성 요소 간 인터페이스에서 발생할 수 있는 약점을 찾아내는 데 도움이 됩니다. 2023년 화재 안전 보고서에 따르면, 이 인증을 획득한 시스템은 열 관련 사고가 약 47% 감소한 것으로 나타났습니다. 또한, UL 9540 인증 취득은 승인 절차를 가속화할 뿐만 아니라, 상업용 규모 및 대규모 유틸리티급 리튬 이온 배터리 설치에 대해 중요한 보호 계층을 구축하는 데 기여합니다.

자주 묻는 질문

UL 1973 인증이란 무엇인가요?

UL 1973 인증은 정지형 에너지 저장 시스템 및 무정전 전원 공급 장치(UPS)에 사용되는 리튬 배터리 모듈 및 팩을 위한 안전 기준으로, 전기적 고장, 열 스트레스 및 잠재적 화재 상황에도 견딜 수 있음을 보장합니다.

리튬 배터리 시스템의 경우 왜 중대한 오남용 테스트가 중요한가요?

과충전, 단락, 열 순환, 기계적 충격과 같은 중대한 오남용 테스트는 리튬 배터리 시스템이 치명적인 실패 없이 극한 조건을 견딜 수 있음을 확인하여, 안전 요구사항을 충족하도록 합니다.

UL 9540A는 에너지 저장 시스템 설계에 어떤 영향을 미치나요?

UL 9540A는 열 전달 및 화재 확산에 관한 데이터를 제공하며, 이는 화재 위험을 최소화하는 시스템 설계에 필수적이며, 열 차단재 배치 및 위험 완화 전략 수립을 안내합니다.

IEC 62619 및 EN 62619 표준이란 무엇인가요?

IEC 62619 및 EN 62619는 상업용 에너지 저장 시스템에 사용되는 산업용 리튬 배터리에 대한 필수 안전 요구사항을 규정하는 국제 표준으로, 성능 신뢰성 및 오남용 내성 등을 포함합니다.

UL 9540 인증은 무엇을 의미합니까?

UL 9540 인증은 리튬 배터리, 열 관리 시스템, 제어 장치를 포함한 전체 에너지 저장 시스템의 안전성을 평가하며, 모든 구성 요소가 위험을 최소화하기 위해 효과적으로 협동하여 작동함을 보장합니다.