​미리 충전하기: EV 생산 시 배터리 셀 품질 테스트​

검증 엔지니어는 다양한 테스트를 통해 배터리 셀의 품질과 성능의 여러 측면을 검증합니다. 테스트마다 서로 다른 목적과 장단점이 있습니다. 

육안 검사

육안 검사는 주관적이기도 하고 인적 오류가 발생하기 쉽지만 물리적 결함이나 비정상적인 상태를 확인할 수 있는 간단한 테스트입니다. 검사자는 전극 코팅, 용접 무결성, 셀 구조를 확인할 수 있습니다.

배터리 셀 제조에서 자동화가 보편화됨에 따라, 카메라와 컴퓨터 비전 알고리즘을 갖춘 로봇 시스템은 빠른 속도로 일관성을 유지하면서 정밀하게 육안 검사를 수행할 수 있습니다. 자동 육안 검사는 품질 관리 프로세스를 간소화하고 검사 기능을 향상하며 제조 효율성을 높이는 유용한 도구입니다.

DCIR 임피던스 테스트

직류 내부 저항 (Direct Current Internal Resistance, DCIR) 테스트는 직류 흐름에 대한 저항을 측정합니다. 배터리에 상대적으로 높은 강도의 전류 펄스를 주입하여 셀의 저항 응답을 측정합니다. 배터리가 여러 충전 상태에 있을 때 펄스가 적용되어 충전 및 방전 상태 둘 다에서 셀 범위의 응답을 맵핑합니다. 이 과정을 통해 셀의 내부 상태와 그 기능에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

DCIR은 가장 포괄적인 분석을 제공하지는 않지만, 내부 저항의 기준 측정값을 얻는 빠르고 간단한 방법입니다. 교류 내부 저항 (Alternating Current Internal Resistance, ACIR) 및 전기화학 임피던스 분광법 (Electrical Impedance Spectroscopy, EIS) 테스트는 배터리 임피던스에 대한 더 자세한 정보를 제공하지만, 시간이 더 많이 소요되고 특수 장비가 필요합니다. 

ACIR 임피던스 테스트

직류에 대한 저항을 측정하는 DCIR과 달리, ACIR은 교류 전류가 흐르는 상태에서 배터리의 임피던스를 평가합니다. 사인파 전류가 셀에 가해지고 전압 반응이 특정 주파수 (일반적으로 1kHz)에서 측정됩니다. 

엔지니어는 전압 응답을 분석하여 셀의 AC 역학을 특성화하고 중요한 결함을 감지할 수 있습니다. 결과는 다양한 전기화학적 프로세스, 노화 효과 및 여러 주파수에서의 내부 저항 변화에 대한 정보를 보여줍니다.

EIS 임피던스 테스트

EIS 테스트는 가장 발전된 유형의 임피던스 테스트입니다. ACIR 테스트와 같이 하나의 주파수와 진폭에 사인파를 가하는 대신 여러 주파수 (일반적으로 0.1Hz~10kHz 또는 그 이상)에서 자극을 적용합니다. 

ACIR 및 DCIR 테스트에서 감지되지 않는 결함은 EIS 테스트에서 캡처되는데, 더 넓은 스펙트럼과 더 넓은 주파수 범위에서 성능을 평가하기 때문입니다. 이 방법을 사용하면 조기 노화와 같은 문제를 식별할 수 있습니다. 이러한 인사이트는 랩의 진단 기능을 향상시키고 배터리 동작에 대한 깊은 인사이트를 제공합니다. 

OCV 테스트

개방 회로 전압 (Open Circuit Voltage, OCV) 테스트는 로드가 적용되지 않고 배터리 외부로 전류가 흐르지 않을 때 셀 전압을 측정합니다. 이 간단한 비간섭 테스트는 셀이 올바르게 활성화되었는지 여부를 나타내고 시간이 지남에 따라 셀의 성능이 저하되는 양상을 특성화합니다. 그러나 이 테스트는 셀의 내부 상태에 대한 제한된 인사이트를 제공합니다. OCV가 너무 낮거나 너무 높은 셀은 셀에 품질 문제가 있음을 나타냅니다.

OCV 테스트는 구성, 팩 조립 및 배터리 수명 주기 전반에 걸쳐 셀의 누출 전류를 추정하고 성능을 평가하고 상태를 확인하는 데 종종 사용됩니다. 예를 들어, OCV 테스트는 팩 조립 중 셀을 정렬하고 일치시키는 데 사용됩니다.

누출 테스트  

누출 테스트는 누출, 셀 손상 또는 열화를 조기에 감지하는 데 유용하며, 배터리 셀과 팩 품질을 평가하기 위해 다양한 방식으로 수행됩니다. 가장 일반적으로, 기후가 제어되는 환경에서 셀이 노화되도록 두고 OCV 테스트를 주기적으로 수행하여 누출을 감지합니다. 

업계에서는 첨단 방법을 연구하고 있습니다. 예를 들어, 셀에 전압을 가하면 전압 안정화를 위해 전류가 추가로 공급됩니다. 전압 안정화에 필요한 추가 전류는 내부 누출 전류의 추정치입니다. 안타깝지만 이 방법은 시간이 많이 소요되고 반복 가능한 결과를 생성하지 못합니다.  

연구 중인 또 다른 방법은 EIS 테스트와 비슷합니다. 다양한 충전 상태에서 전류 프로파일이 다른 셀을 스캔하고 응답을 측정합니다. 이 접근 방식은 더 많은 기대를 받고 보다 일관된 결과를 제공하지만, 아직 개발 중입니다.

대부분의 사람들은 품질을 안전 및 성능과 연관지어 생각합니다. 물론 이는 의심할 여지 없이 매우 중요합니다. 하지만 배터리 셀의 품질 역시 생산 규모를 확대하고 고객의 요구에 대응하는 데 매우 중요합니다.

McKinsey는 전 세계 배터리 생산업체가 2030년 목표를 달성하는 데 필요한 용량의 약 10%만 보유하고 있다고 추정했습니다. 더 우수한 배터리의 가용성과 생산은 자동차 산업이 계속해서 올바른 방향으로 나아가고 예상 수요를 충족하게 하는 데 있어서 매우 중요합니다. 

생산 과정에서 가능한 한 조기에 적절한 테스트를 수행하면 결함이 있을지 모르는 제품에 값비싼 원자재를 투입하기 전에 문제를 감지할 수 있습니다. 그러나 많은 수량, 긴 테스트 시간, 생산 라인이 차지하는 공간 때문에 배터리 셀 테스트는 기존의 생산 과제를 더욱 복잡하게 만듭니다.

하드웨어, 소프트웨어, 자동화로 구성된 통합 테스트 솔루션을 사용하면 동향을 분석하고 테스트 프로세스의 중요한 단계를 식별하며 워크플로를 간소화하고 병목 현상을 해소할 수 있습니다. 테스트 현대화에 투자하면 재작업을 줄이는 동시에 생산 처리량을 높이고 폐품과 원자재 비용을 절감할 수 있습니다. 

성장과 혁신을 시도하면서 동시에 현재 시장의 요구에 부응하기란 어렵습니다. 배터리 기술은 업계 당사자들이 테스트 데이터를 분석하고 표준을 수립하는 것보다 더 빠르게 변화하고 있습니다. 

배터리 업계의 현재 테스트 절차 중 상당 부분이 기존 기술에서 발전했는데 새롭게 등장하는 배터리 기술 때문에 테스트 방식에 변화가 필요해졌습니다. 기술이 발전하면 그에 따라 테스트 전략과 시스템을 지속적으로 평가하는 것이 중요합니다.

초자동화, 인공 지능, 머신 러닝은 당장 조치가 필요한 장기적인 테스트 전략의 필수 요소입니다. 이러한 기술을 통합하면 정확성과 효율성을 높이고 투자하는 배터리 공급업체의 비즈니스 성과를 정량화할 수 있습니다.

조각화된 시스템은 종종 일관성 없는 데이터 저장 방식과 수동 분석으로 이어집니다. 시간이 지나면 이 때문에 근본 원인 효율적으로 분석하고 문제를 해결하며 혁신하는 조직의 역량에 제약이 발생합니다. 

방대한 양의 데이터를 연결하고 수집하는 능력이 향상되면서 조각화 문제를 해결하기 위해 고급 분석이 사용되고 있습니다. 고급 분석은 통계, 머신 러닝, 운영 연구 기법을 활용하여 대규모 데이터 세트에서 패턴을 발견하고 인사이트를 얻으며 결과를 예측하는 데이터 분석 접근 방식입니다. 

고급 분석을 통해 셀 레벨에서 팩 레벨에 이르기까지 생산 라인 전반에서 막대한 데이터를 추적하면 테스트 결과를 연결 및 분석하여 데이터에 기반해 결정하고 결함을 방지하며 배터리 성능을 향상시킬 수 있습니다. 강력한 배터리 분석 솔루션은 수집, 집계, 분석을 간소화하여 긴급한 위험 신호와 장기적인 동향을 파악할 수 있도록 합니다. 

아주 작은 변수와 환경적 요인도 배터리 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 테스트 결과에서 노이즈를 줄이고 결함을 더 잘 감지하려면 철저하게 컨트롤해야 합니다. 테스트 하드웨어, 소프트웨어, 프로세스에 일관성이 있으면 다양한 배치, 제품 또는 공급업체 간에 결과의 비교 가능성 및 재현성을 높이는 데 도움이 됩니다.

또한 표준화는 국내는 물론 국제 규제 요건과 감사를 충족하는 데 있어서 매우 중요합니다. 

배터리는 복잡하고 시장은 경쟁적이며 기술은 빠르게 발전하고 있습니다. 최신 배터리 셀 품질 테스트 전략은 자동화, 최적화된 작업 흐름 및 강력한 데이터 분석을 통해 고성능 배터리를 더 빠르게 납품하는 데 매우 중요합니다.

테스트 접근 방식을 현대화하는 기업은 배터리 셀 품질을 개선할 수 있으며 경쟁이 치열하고 빠르게 진화하는 시장에서 테스트를 차별화를 위한 전략적 이점으로 삼을 수 있습니다.

NI의 광범위한 배터리 셀 품질 테스트 가이드에서는 배터리 생산의 기본 사항을 설명하고 테스트 방법을 비교하며 고급 테스트 솔루션에 대해 설명합니다. 이 백서는 테스트 엔지니어와 플랜트 관리자에게 기초 지식과 새로운 추세를 설명하면서 미래 지향적인 배터리 셀 품질 테스트 전략을 제시합니다. 

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