가정에서의 전동 기기 충전 안전

미국의 언더라이터스 연구소(UL) 인증은 전동 스쿠터 및 전동 자전거의 충전에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 정부 당국은 전동 모빌리티 기기의 충전 안전성을 높이기 위해 UL 인증 제품의 필요성을 강조하고 있습니다. UL 인증이란 무엇이며, 왜 더 안전한 사용자 경험을 창출하는 데 중요한 역할을 할까요?

UL 인증

언더라이터스 연구소는 다양한 제품의 안전 기준을 설정하는 미국의 독립 기관입니다. 이 기준은 전기 배선에 사용되는 원재료에서부터 수처리와 같은 과정, 그리고 휴일 조명과 같은 최종 제품에 이르기까지 광범위한 항목을 포함합니다.

UL은 정부 기관이 아니며, 그 기준을 기업이나 산업에 강제할 권한이 없습니다. 그러나 이러한 기준을 개발하는 과정에서 수행되는 엄격한 테스트로 인해, 관련 업계와 제품에서는 이를 최선의 관행으로 간주하고 있습니다. 예를 들어, 건축 규정에서는 관련 UL 기준을 자주 참조합니다. 최근 뉴욕 시의회는 전동 모빌리티 충전기와 관련된 UL 기준을 의무화했습니다.

만약 제품이 손상을 일으킬 경우, 기업은 손해 배상 청구로 인해 소송을 당할 수 있습니다. 소송 과정에서 기업은 문제의 원인과 제품이 안전하다고 믿었던 이유를 설명할 수 있습니다. 관련 UL 기준을 준수하여 제품을 제조하면, 기업은 UL의 광범위한 테스트, 연구 및 입증된 경험을 바탕으로 안전한 운영을 입증받을 수 있습니다. UL 준수가 없는 경우, 기업의 방어는 자체 연구와 테스트에만 의존하게 되며, 이는 포괄적이지 않을 수 있고 도전받기 쉽습니다.

전동 모빌리티 기기를 충전하는 것은 까다로울 수 있습니다.

미국에서는 많은 전동 스쿠터 렌탈 회사가 기그 워커(유연한 근무 시간을 갖는 독립 계약자)를 이용해 스쿠터를 충전합니다. 기그 워커는 앱을 사용하여 충전이 필요한 스쿠터를 찾아 이를 수거하고, 가정에서 가정용 전원으로 충전한 후 충전이 완료되면 다시 거리로 반환합니다.

많은 전동 스쿠터는 서비스에 신속하게 복귀할 수 있도록 교체 가능한 배터리 팩으로 설계되어 있습니다. 렌탈 회사는 재충전된 스쿠터를 운영에 다시 투입할 때마다 비용을 지불합니다. 이 모델은 종종 여러 대의 스쿠터가 가정 환경에서 동시에 충전되는 결과를 초래합니다. 또한, 스쿠터나 전동 자전거의 개인 소유자도 도난 방지를 위해 기기를 실내로 가져오는 경우가 많습니다. 거리 주차장이 있어도, 내부 전원 소켓을 사용하여 외부로 연장 코드를 연결하는 경우가 흔합니다.

전기 배선과 차단기가 규격에 맞고 적절한 안전 시스템이 사용된다면, 단일 전동 자전거나 스쿠터를 충전하는 것은 안전 문제를 일으키지 않을 것입니다. 전동 스쿠터는 일반적으로 20A 콘센트에서 충전하도록 설계되었으며, 16A의 연속 부하를 처리할 수 있습니다. 이 정격은 연속 16A 부하에 1.25의 계수를 곱하여 20A로 계산됩니다. UL 인증 충전기는 20A 회로에서 연속적으로 16A만을 소비합니다. 반면, UL 인증이 없는 충전기는 더 높은 전류를 소비할 수 있으며, 여러 충전기가 연장 코드에 동시에 연결되면 쉽게 과부하 상황에 처할 수 있습니다.

과부하된 콘센트는 배선이 손상되고 시간이 지남에 따라 열화될 수 있습니다. 케이블이나 단자에서 고저항 노드가 형성될 수 있으며, 이는 화재 위험을 증가시킵니다. 특히 여러 대의 전동 스쿠터를 동시에 충전하는 경우, 특히 스쿠터 회사의 배터리를 동시에 충전하는 사람에 의해 위험이 더욱 커질 수 있습니다.

법적 조치와 소비자 안전

미국에서 소비자 제품 안전 위원회(CPSC)는 이제 모든 소매업체, 수입업체, 유통업체가 제정된 UL 안전 기준을 준수해야 한다고 요구하고 있으며, 이는 소비자가 안전 문제나 해결책에 대해 잘 알지 못한다는 점을 인식한 것입니다. 뉴욕 시의회도 이에 동참하여 모든 전동 자전거, 전동 스쿠터 및 개인 모빌리티 장치가 UL 또는 다른 국가적으로 인정받은 실험실에서 인증을 받아야 한다는 법안을 통과시켰습니다. 뉴욕의 많은 아파트 건물, 특히 공공 주택에서는 이제 세입자들이 UL 인증 충전기만 사용하도록 요구하고 있습니다. 이러한 법적 조치로 인해 전동 모빌리티 장치 제조업체는 광고 및 웹사이트에서 UL 인증을 눈에 띄게 표시하여 소비자에게 UL 안전 기준에 대해 교육하게 되었습니다.

배터리 과부하는 배터리 전기차(BEV) 애플리케이션에서 화재의 주요 원인입니다. 2024년 5월 UL 표준 및 참여 보고서에 따르면, 약 50%의 전동 모빌리티 장치 소유자가 자신들의 배터리가 리튬 이온 배터리라는 사실을 모른다고 합니다. 리튬 이온 배터리는 30년 동안 사용되어 왔으며, 과학 및 공학 커뮤니티에서는 그 특성을 잘 이해하고 있지만, 일반 대중은 안전하게 사용하는 방법에 대한 교육을 받지 못했습니다. 이러한 지식 부족은 화재 위험을 증가시키는 행동으로 이어집니다. 같은 보고서에 따르면, 49%의 전동 모빌리티 소유자가 자택의 화재 출구를 막는 방식으로 기기를 충전하고 있다고 합니다. 사용자는 또한 배터리가 완전히 충전된 후에도 계속 충전기에 연결된 상태로 두거나, 충전기를 함께 모아서 충전하거나, 밤새 충전하거나, 충전 중에 방치하는 등 배터리 화재 위험을 높이는 습관을 가지고 있습니다.

UL 기준은 안전한 환경을 조성하는 데 도움이 됩니다.

UL에는 리튬 이온 배터리 안전과 관련된 80개 이상의 기준이 있으며, 이 중 3개는 전동 자전거 및 전동 모빌리티 장치에서 리튬 이온 배터리와 직접 관련이 있습니다: UL2271, UL2272, UL2849. 이 기준은 다양한 중요한 기능과 운영 조건에 대한 규칙을 제정하여 열 과부하로 인한 화재 위험을 줄이는 데 도움을 줍니다.

• UL2271: 이 기준은 경형 전기차량(LEV) 배터리 팩의 설계, 구성 및 테스트 요구 사항을 설정합니다. 이 기준은 배터리가 과충전, 과방전, 단락, 불균형 충전 및 정의된 최대 온도에서 안전하게 작동할 수 있도록 전기, 기계 및 환경 테스트를 포함합니다. 배터리는 테스트 후 폭발, 화재, 파열, 전기 충격 위험을 초래하거나 보호 기능을 상실해서는 안 됩니다. 보호 회로는 전원 상실 시에도 계속 작동할 수 있는 중복 기능을 갖추고 있어야 합니다. 이 기준은 애프터마켓 배터리뿐만 아니라 LEV에 원래 설치된 배터리에도 적용됩니다.

• UL2272: 이 기준은 개인 전동 모빌리티 장치의 전기 시스템의 전반적인 안전에 중점을 둡니다. 이 기준은 장치 전체의 설계, 구성 및 테스트 표준을 설정하고, 전기 및 화재 위험, 내구성 및 안정성에 대한 장치의 안전성을 테스트합니다. 전기 테스트는 UL2271의 테스트와 유사하지만, 배터리뿐만 아니라 시스템 전체에 적용됩니다.

• UL2849: 이 기준은 전동 자전거의 전기 시스템에 특화된 것입니다. 이 기준은 배터리 팩과 시스템 전체를 포함하며, 다른 전동 모빌리티 장치에서 경험하는 것과 동일한 범위의 안전 문제를 다룹니다. 이 기준은 애프터마켓 부품을 포함하지 않기 때문에, UL2271도 소비자 안전을 보장하는 데 중요합니다.

UL2849는 배터리뿐만 아니라, 안전을 보장하기 위한 전체적인 전기 시스템 접근 방식을 다룹니다:

배터리 셀

• 전기적 또는 환경적 감수성
• 기계적 무결성

배터리 팩

• 화재 확산 방지
• 배터리 관리 시스템 기능 안전성

전동 모터

• 재료 및 전기 안전성
• 제어 시스템 기능 안전성

배터리 충전기

• 감전 또는 화재 위험 없음
• 가정 전력 요구 사항과 호환

전동 자전거

• 배터리 한계 내에서 충전 및 방전
• 배터리 한계 내의 온도
• 응용 및 환경으로 인한 불리한 조건에 대한 감수성
• 호스트 또는 충전기에 오류가 발생하면 충전 중단

Power Integrations는 UL 충전 기준을 충족하는 설계를 지원합니다.

Power Integrations는 전동 스쿠터 및 전동 자전거 충전에 적합한 고집적 고전압 오프라인 전력 변환 IC를 제공합니다. 설계 예시DER-930는 180W, 20V, 9A 전원으로, Power Integrations의 3가지 제품, InnoSwitch™4-CZ PowiGaN™ INN4177-H189, ClampZero™ CPZ1076M, HiperPFS™-5 PFS5177F를 사용합니다.

이 설계는 최대 부하 시 최대 95%의 효율을 제공하여 열 손실을 줄이고 솔루션을 더 시원하고 컴팩트하게 유지합니다. 이는 전동 모빌리티 솔루션의 주요 특징입니다. 안전 기능으로는 과전압 보호, 과전류 보호 및 통합 열 보호 기능이 포함됩니다. 이러한 기능은 전동 모빌리티 설계의 UL 기준을 충족하는 데 중요합니다.

과열 보호

열 보호 기능을 통해 충전기는 온도 상승을 감지하고 화재와 같은 열적 이벤트를 방지하기 위한 조치를 취할 수 있습니다. 열 차단 회로는 기본 스위치의 다이 온도를 감지하여 과열 상태가 감지되면 스위칭을 중단합니다. 큰 열 이력 현상으로 인해 스위치가 재활성화되기 전에 충전기가 안전한 온도로 돌아가는 것이 보장됩니다. 이력 복구 또는 래치 오프(AC 전원 공급을 수동으로 사이클링해야 함)와 같은 다양한 온도 응답이 가능합니다. 이력 응답은 온도가 두 번째 낮은 임계값 아래로 떨어질 때까지 스위치가 다시 켜지지 않도록 합니다. 래치 오프 응답은 AC 주 전원 공급 장치를 사이클링하여 BP 제어 핀을 다른 임계값 아래로 낮추어 기본 측을 활성화해야 합니다.

과전압, 저전압 및 과전류 보호

출력 전압 보호는 메인 트랜스포머의 바이어스 권선을 사용하여 InnoSwitch4-CZ IC의 기본 바이패스 핀으로 전류를 구동합니다. 바이어스 권선에 걸리는 전압은 전원 공급 장치 출력 전압을 추적합니다. 바이어스 권선 출력과 기본 바이패스 핀 사이에 연결된 제너 다이오드는 2차 과전압 장애를 안정적으로 감지하고 선택한 장애 응답 유형에 따라 기본 측 컨트롤러를 래치 오프 또는 자동 재시작 상태로 전환할 수 있습니다.

InnoSwitch4-CZ는 ISENSE(IS) 핀과 2차 접지(GND) 핀 사이의 외부 전류 감지 저항기를 통해 출력 전류를 조절하며, 이 저항기에 걸리는 전압은 내부 기준 ISV(TH)(약 35mV)와 비교됩니다.

과전압 및 과전류 보호를 통해 충전기는 원하는 범위를 벗어난 작동 조건을 안전하게 관리하여 배터리와 전력 변환 단계를 보호합니다. Power Integrations는 이러한 안전 기능을 장치에 통합하여 설계자가 신속하게 강력하고 안전한 솔루션을 생성할 수 있도록 지원하며, 시장 출시 시간을 단축하고 UL 안전 기준을 충족하는 작업을 간소화합니다.

결론

UL과 같은 독립 기업이 만든 안전 기준은 안전하고 신뢰할 수 있는 제품을 만들기 위한 중요한 도구입니다. 이러한 기준은 소비자를 보호할 뿐만 아니라 제조업체가 강력한 시장 평판을 구축하고 전체 시장의 수준을 높이는 데 기여합니다. Power Integrations와 같은 회사는 통합된 안전 기능을 갖춘 솔루션을 설계하여 설계 커뮤니티가 설계를 발전시키고, 계속 발전하는 시장의 요구를 충족하며, 궁극적으로 소비자의 안전을 보장할 수 있도록 지원합니다.