[전문가칼럼] ESS의 계통연계와 독립운영 구동에서의 화재 및 폭발 위험 상황 분석 연구

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[전문가칼럼] ESS의 계통연계와 독립운영 구동에서의 화재 및 폭발 위험 상황 분석 연구

2019년 4월 1일 (월) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2019년 4월호 - 전체 보기 )

ESS의 계통연계와 독립운영 구동에서의 화재 및 폭발 위험 상황 분석 연구
- 이차전지의 이상상태나 고장이 없는 위험 상황-

출처 : 전기전자재료학회논문지 2018년 제31권 6호 외 2편

이차전지 기반의 ESS는 단락 돌입 전류의 상황 외에도 미소전류변화, 전류변화 없는 온도 상승, 낙뢰 과전압, 과충전, 과방전 등 7가지에 이르는 계통 연결 및 독립 운영 시 발생하는 위험 상황에 의해 화재 및 폭발이 발생할 수 있다. 때문에 ESS의 화재 및 폭발을 방지하기 위해서는 단순히 특정 안전부품의 특성강화나 ESS 운영체계의 정밀도 상승을 통한 허용오차 감소 및 오작동 방지 등 1차원적 접근에서 해답을 찾기 어려운 실정이다. 이에 본 연구를 통하여 이차전지 셀 불량이 없는 에너지저장장치에서 발생할 수 있는 화재 원인과 운전상 회로 고장의 경향, 환경(온도)의 위험 등을 검토하여 각 위험 상황에 적합한 보호 부품 및 시스템을 설계·제시하였다. 이는 다양한 ESS의 시스템 계통 오작동 화재 발생 상황에 대한 예방적 보호시스템 적용 방법을 검토하기 위한 연구로 ESS 안전을 위한 규격 및 표준 도출을 목적으로 하였다.

글 : 김은민(서울대학교 전력연구소 선임연구원 공학박사)
강창룡(부경대학교 금속공학과 교수)

1. 서론
1) 에너지저장장치의 사용
전 세계적으로 온실가스의 배출 억제와 수입 원유 사용 감소를 위하여 신재생 에너지가 각광받으며 실용 보급되고 있다. 신재생 에너지는 입지 환경이나 자연조건에 크게 영향을 받으므로 출력 변동이 심하고 에너지 생산 시점과 수요 시점 간의 시간차가 발생하게 되기 때문에 신재생 에너지의 실용 보급을 위해서는 에너지저장시스템의 발전이 필수 필요 기술로 판단되고 해당 분야의 연구가 진행 중이다. 또한 이차전지의 소형 대용량화, 고효율화가 신성장 산업으로 각광받으며 관련 부품 시장도 새로운 특성을 요구받고 있다. 최근에는 반도체 부품과 IC가 고밀도 실장화가 가능해지며, 이차전지를 적용한 전자기기의 흐름 하에서 소형화된 여러 전기기기를 빠르게 보급할 수 있게 되었다. 이러한 시장 동향을 바탕으로 주변기기뿐만 아니라 내부의 전자부품과 구동 시스템들도 이차전지 기반의 전기 기기의 요구 특성을 만족하기 위하여 구조적, 특성적 변화가 추진되고 있다. 이 중 이차전지의 대용량화 및 고효율화가 신성장 산업으로 각광받음으로써 관련 안전 보호 시스템 시장도 새로운 특성이 요구되고 있다. 이는 기존 전력 구조에서의 보호 시스템이 수행하던 한 방향 동작에서 입출력이 반복되는 양방향 동작으로의 전반적 개선이 필요하게 되었음을 의미한다.

2) ESS에서의 화재 발생 경향
충전과 방전이 반복되는 ESS의 특성과 폭발의 위험이 있는 내부 활물질, 보호소자의 보호 한계 등의 이유로 인하여 최근 전 세계적으로 에너지저장장치 화재 및 폭발 사고가 꾸준히 증가하고 있는 추세다. 이에 따라 국내외 연구진들이 ESS에 사용되는 이차전지의 안전을 확보하기 위한 방법을 연구 중이다. 현재까지 알려진 이차전지에서의 화재 및 폭발 사고는 일반 송배전 전력체계와 달리 전류, 전압에 의한 소손(화재) 뿐만 아니라, 이차전지의 4대 핵심소재인 양극 활물질, 음극활물질, 분리막, 전해액의 상호 작용에 의한 폭발 등 사고 유형이 다양해 1개의 보호 시스템으로 전체 사고를 막을 수 없음이 확인되었다. 화재 및 폭발에서 가장 불안정한 리튬이온전지의 위험 동작 유형과 각각의 보호 체계는 [표 1]과 같다. 이중 배터리 관리 시스템의 동작 제어에 해당하는 과충전과 과방전을 제외한 미소전류변화, 완전단락 돌입전류, DC 계열 아크방전, 셀온도 상승, 낙뢰 과전압 유입은 회로의 이상 동작 상태로 수동의 보호소자가 작동하여 각각의 상황에서 안전을 확보해야 한다.

일반적으로 에너지저장시스템에 사용되는 이차전지는 직류 기반의 전기적 에너지를 화학적 에너지로 변환시켜 저장하고, 필요시 전원 회로에 공급시켜 사용할 수 있는 축전지의 개념으로 정의된다. 때문에 전류를 저장하는 이차전지 내부 셀은 항상 화학적 반응 요소를 가지고 있고, 전기영동에 의한 이차전지 화재 발생 프로세스는 순차적으로 충격 및 전기영동 현상에 의한 분리막 손상, 충전 방전 동작 시 전류의 지속적 이동, 이차전지 전해질이 분해되어 가스 발생, 가스의 압력이 분리막을 이동시켜 전해액 혼합, 전해액이 혼합된 후에도 충전은 계속 유지, 폭발 및 화재 발생의 과정으로 이루어진다. 즉 실질적인 이차전지의 화재 및 폭발사고 원인은 궁극적으로 전류에 의한 것이 대부분이며, 상기 이차전지의 화재 및 폭발 사고 과정에서 분리막의 이동 혹은 전류의 유입 두 요소 중 하나의 요소만 조정할 수 있으면 이차전지 사고의 많은 부분을 방지할 수 있다.

2. 본론
1) 과충전, 과방전 화재 요인 방지
전력을 측정하고 제어하며 최적화하는 것은 전기 기반 시스템에서 기본적인 요소로, 효율의 최대화, ESS의 수명연장, 고장 시 시스템 구성요소 보호와 같은 역할을 위해 부하 전류의 정확한 센싱을 필요로 한다.

전류 측정을 위해 사용되는 전류 센서는 [그림 1]과 같이 라인 전류를 고정저항에 흘려 전압강화를 통해 측정하는 션트 방식과 자기장을 이용하는 마그네틱 홀 전류 측정 방식이 있다. 상대적으로 홀 측정 방식은 자기력과 해석 회로가 필요하기 때문에 PCB(Printed Circuit Board)상에서 상당한 면적을 차지한다. 특성적 차이로 인하여 더 정밀하고 작동 원리가 간단한 전류 분배 션트 고정 저항기가 센서 기반부품으로 많이 적용된다. 특히 최근 친환경 이동수단으로 각광받고 있는 전기 자동차의 에너지저장시스템과 ESS의 경우 에너지저장장치로 사용하고 있는 리튬이온 대용량 전지의 화재 위험을 방지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management system : 이하 BMS)을 적용 중이고, BMS 구성 부품 중 전류 센싱과 감지의 기능을 하는 대전력 션트 고정 저항기에서 이차전지의 관리가 시작된다.

[그림 1] 션트를 이용한 전류 분배

이중 BMS의 핵심 역할이라 할 수 있는 이차전지의 정확한 진단을 통한 파워 저장 공급 제어, 차량 기동을 위한 기본적인 전원과 운전자의 편의를 위해 요구되는 부수적인 전원 관리, 그리고 최적의 균형 조건에서 ESS 및 자동차용 이차전지의 성능을 유지하는 역할 등은 모두 BMS 구성 부품 중 전류 센싱과 감지의 기능을 하는 대전력 션트 고정 저항기에서 시작된다. [그림 2]에 표시한 션트 저항에서의 전류 전압 감지에서부터 각 셀의 과충전 및 과방전이 판단되고 이에 따른 셀 밸런싱 충전과 이차전지 사용 가능 영역에서의 충·방전 제어가 가능해 진다. 즉, 이차전지로의 충전 혹은 방전 전류가 유입될 시 BMS를 포함한 션트 고정 저항기를 통해 통전이 발생하게 되며, 특정 셀의 밸런싱이 위험 전압 이상으로 상승할 시 해당 전류 전압을 감지하여 제어부에 밸런싱 동작 명령이 내려진다. 이런 셀 밸런싱 동작을 통해서 각 셀은 [그림 3]의 그래프와 같이 이차전지에서 사용하지 않는 용량 과충전과 용량 과방전 상황을 최소화 혹은 제거할 수 있어 결과적으로 이차전지의 수명과 안전성을 상승시킬 수 있다.

[그림 2] 대용량 2차전지의 BMS 모듈 구성 블록 다이어그램

[그림 3] 이차전지의 유효사용 부분

BMS에 적용되는 션트는 적용 회로 상에 증가한 통전 전류량의 발열 문제로 인해 정격전력이 높아야 하며, 효과적으로 전류를 분배하기 위해 저항이 낮아야 하고, 발열에 의한 온도상승으로 인한 저항 값의 변화를 낮추기 위해 낮은 저항온도계수를 가져야 한다. 그리고 구조적 특성과 낮은 저항으로 인해 일반적인 다른 션트 저항에서는 요구되지 않는 열기전력에 대한 단자와 저항금속의 전위차 발생이 제한된다. 이종 금속 간의 용접 접합으로 설계된 BMS용 션트 저항은 전류 통전 혹은 주변 온도의 변화로 인하여 소재의 온도가 상승하면, 저항금속과 단자금속 간에 온도 상승에 의한 온도차가 발생해 제백효과(Seebeck Effect)에 의한 전자의 이동으로 전위차가 발생하게 된다. 일반적인 저항일 경우 해당 현상의 영향이 없지만 BMS용 션트 저항은 감지의 기능에 심각한 오류를 수반하게 되어 열기전력(Thermo Electromotive Force: 이하 EMF특성)의 제한이 필요하며, 저항온도계수(Temperature Coefficient of Resistance: 이하 T.C.R)와 함께 BMS용 션트 저항의 핵심 요구 특성으로 관리된다.

2) 단락과전류, 돌입 전류, 미소전류 변화 방지
일반적으로 이차전지 기반 ESS의 사고가 가장 많이 발생하는 충전 상황에서의 회로 단락, 케이블 문제, 돌입 전류 등은 이미 이차전지가 도입되는 시점에서부터 위험성이 인지되었고 메인퓨즈, 차단기, 과전류 동작형 스위치 등의 적용으로 화재 및 폭발을 방지하고 있다.

하지만 현재 규격에 정의된 일반적인 한류형 퓨즈는 유입되는 전류에 의해 수동 동작하는 형태의 퓨즈이다. 그 특성상 빠른 동작 특성이 정격 전류의 125% 이상일 때, 지연 동작특성의 퓨즈는 정격 전류의 160%일 때 최초로 용단이 시작되어야 하며, 이전의 전류에서는 동작하지 않아야 한다. 즉 퓨즈를 통과하여 이차전지로 150%의 정격 전류가 계속해서 유입하여도 퓨즈는 동작하지 않는 상태가 되고, 이차전지는 유입되는 높은 전류에 의해 내부 활물질 혹은 분리막 등이 손상을 받는다. 특히 이와 같은 화재 및 폭발 현상은 낮은 통전 전류를 사용하는 휴대폰, 이어폰, 휴대용 선풍기 등에서는 나타나지 않지만, 저용량 ESS에서부터 상대적으로 높은 통전 전류에 해당하는 노트북, 전동드릴, 퀵 보드 등 통전 전류량 8A~20A 영역에서 사고가 지속적으로 발생하는 실정이다. 때문에 이차전지를 보호하기 위한 메인 동작 퓨즈는 돌입전류를 보호하기 위한 퓨즈의 역할과 미소전류 변화에 동작하는 이상전류 감지동작의 특성을 가져야 한다. 즉, 이차전지용 전류감지 동작 퓨즈가 도입됨으로써, 이차전지로 흐르는 미세한 전류 변화를 감지하여 기존의 수동동작 퓨즈가 동작하지 않던 이상전류의 미세한 변화에 능동적으로 동작할 수 있다.

[그림 4] 자기제어 보호장치 회로

완전단락 돌입전류 및 미소 과전류 유입, 두 가지의 위험에서 안전한 보호 동작을 만족하기 위한 방법으로 IC-FET 회로를 이용한 전류감지 회로를 구성할 수 있다. 적용 보호회로는 [그림 4]와 같이 일반으로 전압과 전류가 정상 작동할 경우 전류 충전 방향으로 회로가 정상 작동하게 된다. 그리고 완전 단락 돌입전류 및 과전류가 발생할 경우 순간적으로 발생하는 화재 위험에 퓨즈 가용체가 한류형 퓨즈 동작을 하여 용단하게 된다. 또한, 회로 내에 이상상태로 인한 정격전류의 20% 이내 미소전류 상승이 지속적으로 유입될 경우, 전류를 센싱하여 전류의 흐름 방향을 FET 소자 방향으로 변경하게 된다. 이때, 발열저항에 적용된 전압에 의해 발열 저항의 온도가 상승하게 되고 해당 열로 인해 퓨즈의 가용체를 용단하는 동작특성을 [그림 5]와 같이 함께 구성할 수 있다.

[그림 5] 전류감지 보호장치, (a)대용량 ESS, (b)소형 ESS

3) 전류변화 없는 온도 상승 화재 방지
일반적으로 이차전지 기반 ESS의 사고가 가장 많이 발생하는 충전 상황에서의 회로 단락, 돌입 전류 등은 이미 이차전지가 도입되는 시점에서부터 위험성이 인지되었고, 메인퓨즈, 차단기, 이상전류 감지형 보호소자 등의 적용으로 화재 및 폭발을 방지하고 있다. 하지만 전류의 변화 및 과전류, 과전압을 수반하지 않고 평시 동작에서 폭발이 가능한, 온도 상승 상황의 경우 휴대 제품을 사용하는 중 이차전지가 폭발할 수 있음에도 불구하고 보호소자의 적용이 이루어지고 있지 않아 인명의 피해로 직결되고 있다. 그렇기 때문에 이차전지 보호회로의 경우 메인 전류 감지형 보호 퓨즈 이외에도 온도감지 동작 제어형 리셋터블 퓨즈가 필수적으로 포함되어야한다. 여러 이차전지 위험 상황에서 보호의 체계가 각각 다르지만 특히 셀의 온도 상승의 경우 전류량의 변화를 수반하지 않기 때문에 보호소자인 퓨즈와 차단기가 동작하지 않는다. 이로 인해 셀의 온도 상승에서 이차전지가 충전 혹은 방전을 지속할 경우 이차전지 내부 활물질과 전해액의 상호작용에 의한 폭발 및 화재 사고가 발생하게 되고 이를 이상전류 발생이 없는 화재 및 폭발로 규정할 수 있다. 하지만, 일반적으로 온도 퓨즈의 적용은 완전한 회로의 단락으로 고장 상태를 유지하게 되어 온도가 하락한 후에 사용이 불가능하기 때문에 리셋터블 퓨즈를 적용한다. 이 퓨즈를 활용해 이차전지의 온도가 설정한 온도 이상이 되면 충전 혹은 방전을 수행하던 이차전지의 회로를 열어 전류의 통전을 막아 폭발을 방지하고, 온도가 하락하면 다시 회로를 연결하여 정상적인 통전을 수행하게 한다. 이와 같은 복귀형 퓨즈의 동작 안전성을 확보하기 위해서는 특정 온도에서의 응답속도, 재현성, 스위칭 속도 등이 안정되어야 하며, 통전 중인 회로를 분리시킬 때 포스트 아크에 의한 화재를 방지하기 위해 절연성과 단락 이격거리를 지켜야 한다.

온도 감지 리셋터블 보호소자의 동작은 [그림 6]과 같이 열팽창 계수가 다른 두 금속 면을 분리가 되지 않도록 접합하여 온도 상승에 따라 열팽창률이 작은 금속 쪽으로 금속이 휘어지는 특성을 이용한 것으로 온도와 동작속도는 접합된 두 재료의 열팽창계수 차이 및 두께 등에 따라 다르다.

[그림 6] 바이메탈 모션의 기초

일반적으로 바이메탈의 열팽창계수가 낮은 금속은 인바 합금(Invar alloy)으로 명명된 Fe- 36%Ni를 기본으로 스테인리스 인바, 슈퍼 인바 등 열팽창 계수가 적어 고온용 재료로 사용하는 금속이 적용된다. 이를 [그림 7]과 같이 온도가 상승하면 인바 합금 쪽으로 휘어지는 바이메탈의 특성상 스위치를 들어올리기 위하여 인바합금을 스위치 쪽으로 향하게 하고 온도를 상승시키면 회로가 오픈 상태가 된다.

[그림 7] 리셋터블 퓨즈의 작동

이와 같은 원리를 이용하여 인바합금에 접착될 열팽창 계수가 큰 금속의 합금 종류와 두께를 조정하면, 원하는 온도에서 일정한 속도로 동작하도록 제작할 수 있다. 또한 바이메탈을 이용하여 온도의 상승에 대하여 충전·방전 동작만 제어해 주는 방법은 기존의 온도 용단형 퓨즈와 달리 퓨즈의 교체가 필요 없고, 이차전지의 주변온도에 민감하게 반응해 안전하게 이차전지를 사용할 수 있다.

하지만 일반적인 한류형 퓨즈와 바이메탈을 이용한 리셋터블 퓨즈의 가장 큰 동작 특성적 차이는 한계 전류형 퓨즈 동작의 가능여부이다. 한류형 퓨즈 가용체의 재료와 선경이 결정되면, 퓨즈 가용체의 고유 에너지를 확인할 수 있는 I-T curve의 하단부는 이동이 어렵다. 해당 영역은 인가되는 전류에 의해 퓨즈가 용단하는 시간이 퓨즈 가용체가 인가 전류와 내부 저항에 의해 상승한 온도를 이동시키는 시간보다 빠른 영역이기 때문이다. 그리고 로그 스케일의 I-T 커브에서 해당 불변 영역은 정격전류의 10배 이상 높은 이상전류 유입에도 퓨즈의 용단 시간이 비례적으로 더 빨라지고, 절연거리가 커지는 것을 나타낸다. 하지만 [그림 8]의 메인 퓨즈 I2T 값의 비교에서 확인할 수 있듯이, 한류형 퓨즈의 경우 유입되는 전류의 양이 증가하여도 이에 따라 동작속도와 절연거리가 비례적으로 증가하기 때문에 돌입전류에 대한 안전성이 우수함을 확인할 수 있다.

[그림 8] 한류형 퓨즈와 리셋터블 퓨즈 간의 I2T 곡선 비교

반대로 리셋터블 퓨즈의 경우 최초 동작 미소전류변화 및 온도변화에 대한 동작속도가 충분히 빠르기 때문에 미소 과전류 발생 상황이나 온도상승 상황에서 안전을 확보할 수 있지만, 돌입 전류에 대한 반응속도가 충분히 빠르지 못하기 때문에 메인 퓨즈(과전류 방지용)와 함께 적용되어야 한다.

4) DC 방전 감지 및 낙뢰 화재 방지
ESS가 연계된 직류마이크로그리드에서 화재의 위험성으로 높은 것 중에 하나가 직류 아크이다. 직류아크는 단락사고처럼 크지 않아 일반적으로 과전류 차단기로는 검출이 어려워서 특히 위험하다. 직류아크는 직렬아크와 병렬아크로 크게 나뉘는데, 직렬 아크사고는 병렬 아크사고에 비해 사고로 인한 부하 전류의 변화가 소폭에 불과하여 검출이 더욱 어렵다. 직류시스템에서의 아크는 한번 발생하면 교류보다 자연소호가 어렵기 때문에 위험도가 높고 전로 어느 지점에서나 발생할 가능성이 있어, 넓은 범위에 걸쳐 운용되는 마이크로그리드 시스템의 경우 아크사고에 대한 보호는 필수적이다. 하지만 직류아크를 차단하는 직류아크차단기에 대한 제품 개발이 이루어지고 있지 않아 전적으로 해외 제품을 수입하고 있는 상황이다. 이에 4차 산업이 확대됨에 따라 지속적으로 증가하는 직류전원시스템의 시장을 고려하여 직류아크차단기에 대한 연구가 필요한 때이다.

또 다른 위험요소로 낙뢰에 의한 과전압을 들 수 있다. 태양광발전시스템 혹은 풍력발전시스템은 야외에 설치되는 조건으로 인하여 낙뢰에 직접적으로 노출되어 있다. 적절한 피뢰시스템을 구축한다고 하더라도 건축물과 같이 일반적인 전기기기보다 절연내력이 낮은 전력변환장치들이 사용되는 직류전원시스템에서 낙뢰에 의한 피해가 더 클 수 있다. 따라서 피뢰시스템에 대한 국제 표준인 IEC 62305에 따라 피뢰시스템을 구축하여 낙뢰에 의한 피해를 최소화해야 한다. 태양광발전시스템의 안정적 운영에 있어 피뢰시스템 중에서 최근 가장 관심이 높은 것은 접지시스템이다. 직류전원시스템에서는 기존의 교류접지시스템보다 구성요소의 안전성을 위해 관련 표준인 IEC 60364-1, ITU-T, L.1200 등을 충분히 고려하여야 한다.

3. 결론
ESS의 화재 및 폭발 사고를 방지하기 위한 방법 중 가장 효과적인 방법은 사고의 원인이 되는 분리막의 이동을 막는 방법과 분리막이 이동한 후에 유입되는 전류를 막는 방법이다. 그리고 과충전 및 과방전 방지를 위한 이차전지의 안전한 동작에 핵심이 되는 BMS의 오동작을 최소화한 감지 동작의 시작이 되는 션트 저항의 열기전력은 낮을수록 안전을 확보할 수 있다. 또한 DC 아크 방전은 시스템 검사를 통해, 낙뢰 보호는 SPD 접지를 통해 구성되어야 한다.

유입되는 이상전류를 차단하는 방법은 고전적 안전 설계로부터 과전류 보호 소자인 퓨즈를 사용하지만, 현재 사용하는 일반적인 한류형 퓨즈의 경우 비교적 적은 전류량 변화(정격전류의 105~120%)에 응답하지 못한다. 다시 말해 평시 통전용량이 200A 이상인 ESS 시스템에서 전류의 10% 과전류가 발생한다는 것은 거의 20A 이상의 높은 전류가 이차전지 쪽으로 유입되지만 해당 이상전류는 고전적인 한류형 퓨즈가 반응할 수 있는 영역이 아니다. 한류형 퓨즈 중 민감한 동작에 속하는 빠른 동작형 퓨즈의 경우에도 정격전류의 125%에서 최초 용단이 시작되고, 지연 동작형 퓨즈는 정격 전류의 160%에서부터 용단이 시작된다. 이와 같은 고전적 한류형 퓨즈의 동작 응답 문제를 해결하기 위한 방법으로 한류형 퓨즈와 전류 감지형 차단기 즉, 리셋터블 전류 차단기를 동시에 적용하는 방법과 IC 와 FET를 이용한 전류 감지 형태의 보호 시스템에서 능동동작 기능을 가지는 과전류 보호 소자(이차전지 능동동작 퓨즈)를 사용하는 방법이 동시에 논의 중이다. 전류감지 후 동작하는 능동동작과 과전류 유입에 대하여 수동적이고 안전하게 반응하는 한류형 동작을 동시에 수행할 수 있는 보호 소자가 이차전지 기반의 에너지저장시스템에서 안전을 확보할 수 있고, 해당 퓨즈는 셀과 근접하여 위치시키고 퓨즈 동작 후에는 셀의 이상을 나타내는 것이기 때문에 해당 셀과 함께 폐기하여 안전을 확보할 수 있다.

일반적인 전력 체계에서의 전기 전자 회로라면 고장수리 등의 방법을 통해 해당 상황이 위험하지 않도록 할 수 있지만, ESS의 경우 내부의 활물질과 분리막, 내부 전극 등에 비교적 낮은 전류량이라도 과전류가 지속적으로 유입이 되면 화재 및 폭발로 이어진다. 즉, 내부 활물질 및 분리막 등은 이상상태가 발생하면 수리가 불가능한 영역으로 교체가 필요하다. 중소형 이차전지와 같이 전류의 유입 방전량이 적은 시스템에서의 미소전류변화는 적은 변화일지 모르나, 통전 전류가 대용량화됨에 따라 10%의 변화율은 이차전지에 상당한 위험이 되는 변화율이 된다. 다시 말해 적은 전류 변화를 수반하는 사소한 셀 내부의 문제도 여러 위험 요소를 내포하기 때문에 미소전류변화에 대한 동작 제어가 대용량 이차전지에서는 필수적으로 도입되어야 한다.

하지만 최근 전력산업의 패러다임 변화로 인한 저전력, 고효율화 방향은 전력의 소모량뿐만 아니라 전력의 파형과 제어 방식 등에서 여러 가지 변화를 가져왔고 이에 따라 제품에 유입되는 전류 및 전압의 형태가 다양화되고 있어, 적용 부품의 전반적인 기능과 특성의 변화도 이끌게 되었다. 특히 대용량 이차전지 내 외부에서 발생하는 이상상태에 따른 과전류 혹은 과전압 유입 시 1차적으로 동작하여 화재 및 폭발을 막는 보호소자는 다변화하는 전력 체계에 따라 기능의 다양화가 우선적으로 요구된다. 이와 같은 이상상태 및 이상전류의 다변화에 대응하기 위한 보호 시스템의 동작도 다변화가 필요하다. 이를 위해 위험에 따른 안전 시스템의 동작, 감지 시스템에 따른 반응의 동작, 위험 시간에 따른 동작을 검토하여 넓은 범위의 안전 설계 방향을 제시하였다.

이는 다양한 ESS의 시스템 계통 오작동 화재 발생 상황에 대한 예방적 보호시스템 적용 방법을 검토하기 위한 연구로 ESS 안전을 위한 규격 및 표준 도출을 목적으로 하였다.