- 먼저 적극적인 기계적 지지와 기계적 자체 유지를 통해 하중 경로를 정의한 다음 작동 및 모니터링을 구성합니다.
- 결함이 발생한 후에는 부하를 유지하고 위험한 동작을 중지하며 해제를 금지하고 안전한 복구 경로를 제공합니다.
- 압력, 밸브, 잠금, 센서, 통신, 불일치 및 의도하지 않은 해제 명령에 대한 오류 주입 사례를 개발합니다.
- 해당 안전 요구 사항을 추적할 수 있는 기록을 통해 시뮬레이션 및 대리 부하부터 실제 배터리 팩까지 단계적으로 진행됩니다.
00 임원 요약
트랙션 배터리 팩은 무겁고 중력 중심이 복잡합니다. 인클로저, 씰링 면, 고전압 연결 및 냉각 인터페이스는 기계적 손상에 민감하며 손상된 셀은 추가적인 위험을 초래할 수 있습니다. 공기 또는 전기 전원의 손실, 불완전한 잠금, 잘못된 센서 신호 또는 의도하지 않은 릴리스는 낙하를 일으키고 인클로저, 절연 또는 냉각 시스템을 손상시킬 수 있습니다. GB 38031-2025는 2026년 7월 1일부터 시행되며 전기차에 사용되는 견인 배터리에 대한 안전 요구 사항을 명시합니다 [1]. 배터리 제품의 안전성을 다루며 핸들링 지그의 기계적 안전 설계를 대체하지 않습니다. 따라서 공구 설계는 기계적 손상과 비정상적인 에너지 이벤트를 제어해야 합니다.
오류 방지 아키텍처는 확실한 기계적 지지, 기계적으로 자체 유지되는 잠금 장치, 지지형 부하 해제 인터록 및 다중 신호를 사용하는 진단 기능을 결합합니다. 무거운 하중을 유지하는 것은 주로 마찰이나 지속적인 공기압에 의존해서는 안 됩니다. 기계적 부하 경로와 닫힌 상태, 잠긴 상태는 명시적이어야 합니다. 압력, 위치, 잠금 및 하중 상태를 함께 모니터링하여 릴리스 전에 지지력을 확인해야 합니다. 안전 관련 제어 기능은 ISO 13849-1:2023에 따라 설계되고 ISO 13849-2:2012 [2][3]에 따른 분석 및 테스트를 통해 검증될 수 있습니다. 필요한 성능 수준은 특정 위험 평가에 따라 결정됩니다.
주요 결과
- 무거운 배터리 팩은 주요 부하 경로로서 기하학적 지지와 기계적 자체 유지 기능을 사용해야 합니다. 단일 공압, 진공 또는 마찰 기능이 유일한 낙하 방지 조치가 되어서는 안 됩니다.
- 오류 방지 동작은 진단 가능한 복구 경로를 보존하면서 부하를 유지하고 위험한 동작을 중지하며 해제를 억제하는 것을 목표로 합니다. 결함 후에도 계속 생산하는 것이 목표가 되어서는 안 됩니다.
- 결함 주입은 센서 막힘, 신호 단락/열림, 밸브 막힘, 파이프 파열, 압력 강하, 통신 중단, 레시피 불일치 및 잘못된 해제 명령을 다루어야 합니다.
- 저에너지에서 고에너지로, 대체 부하를 실제 배터리 팩으로, 단일 결함을 정당한 결함 조합으로 진행합니다.
- 검증 기록은 완전한 추적성을 제공하기 위해 각 안전 요구사항을 결함 가정, 테스트 단계, 원시 신호, 평가 및 시정 조치 결과에 연결해야 합니다.
01연구 범위 및 안전 목표
본 연구는 조립, 검사, 수리 및 라인측 전달 동안 배터리 모듈, 하부 인클로저, 배터리 트레이 및 완전한 견인 배터리 팩을 위한 전용 지그를 다루고 있습니다. 캐리어는 공압식 매니퓰레이터, 리프팅 장치, 로봇 또는 특수 목적 기계일 수 있습니다. 범위에는 셀 전기화학 설계, BMS 알고리즘 인증 및 운송 규정을 제외한 지그 및 제어 인터페이스가 포함됩니다.
안전 목표는 4가지 카테고리로 분류됩니다: 하중 낙하 및 압착 위험으로부터 인원을 보호합니다. 배터리 팩 하우징, 밀봉 표면 또는 제품 한계를 넘어서는 인터페이스의 취급 손상을 방지합니다. 단일 지그 결함으로 인해 위험한 방출이 직접 발생하는 것을 방지합니다. 비정상적인 상황에서 하중을 안전한 지지대로 전달하기 위한 정의된 단계를 제공합니다. ISO 12100은 기계 수명 주기 전반에 걸쳐 위험 식별과 위험 감소를 요구하며[4], ISO/TR 20218-1은 로봇 엔드 이펙터의 설계 및 통합에 대한 안전 지침을 제공합니다[5].
| 안전 기능 | 트리거 조건 | 목표 반응 | 필수기록 |
|---|---|---|---|
| 그립/지지 확인 | 픽업 전 | 확인 없이 리프팅을 금지합니다. | 위치, 압력/힘, 잠금 상태 |
| 부하 유지 | 공기 공급 중단, 전력 손실, 밸브 고장 | 유해한 방출이 없습니다. 모션이 중지되었습니다. | 유지 시간, 변위 및 구조적 조건 |
| 지원되는 로드 릴리스 | 허용된 방향으로 지지되는 작업물 | 이러한 점검 후에만 잠금 해제/클램핑 해제가 허용됩니다. | 지원신호, 위치 및 명령기록 |
| 불일치 방지 | 배터리 모델/지그/레시피가 일치하지 않습니다. | 클램핑 및 리프팅 억제 | ID, 레시피 버전, 연동 로그 |
| 이상상태 회복 | 모든 안전 관련 결함 | 제어된 설정 또는 유지 관리 상태에 들어갑니다. | 복구 단계 및 인증 기록 |
02내하중 아키텍처 및 오류 방지 원칙
02.1 적극적인 기계적 지원
배터리 팩 하부의 구조적 영역과 비접촉 영역으로부터 지지 경로를 정의한다. 지지 암, 포크 지지대, 하중 지지 구멍이나 측면 레일을 통한 위치 지정 또는 제품 공급업체가 승인한 기계적 그립 지점을 선호합니다. 실린더나 모터가 지그를 닫거나 배치하거나 잠그는 경우 구조는 에너지 손실 후에도 하중 유지를 고려해야 하며 모든 유지 기능을 즉시 잃어서는 안 됩니다.
마찰 클램핑에 의해 힘이 전달되는 경우, 최소 마찰 계수, 접촉 재료, 표면 상태 및 클램핑력에 대한 검증 가능한 데이터를 얻습니다. 또한 인클로저, 냉각판, 밀봉면 및 코팅에 대한 클램핑 효과를 평가합니다. 고부하 유지의 경우 먼저 확실한 기계적 지지력을 평가하십시오. 조임력을 높이는 것만으로는 위험을 해결하는 적절한 방법이 아닙니다.
02.2 하중 사례 및 계산 예
F_eq = m · (g + a_z) + F_shock
F_design = S_L · F_eq추가 충격 부하 없이 배터리 팩 질량이 650 kg이고 최대 상향 가속도 0.25g을 가정합니다. 등가 수직 하중은 대략 7.97 kN입니다. 예시 안전계수 S_L=2.0을 사용하면 설계 수직 하중은 약 15.9 kN입니다. 4개의 이상적이고 균일하게 로드된 지지점은 평균적으로 점당 약 4.0kN을 운반합니다. 실제 설계에서는 무게 중심 오프셋, 동일하지 않은 지지 강성, 제조 공차, 경사, 제동 및 한 지지점의 오류도 고려해야 합니다. 이 예는 프로젝트 부하 등급도 권장 안전 계수도 아닙니다.
무게 중심이 오프셋되면 정적 평형 또는 유한 요소 분석을 사용하여 각 지지 반력을 계산합니다. 총 부하를 균등하게 나누지 마십시오. 다양한 길이, 질량 및 액세서리 구성의 배터리 팩 전체에서 단일 지지대의 최대 반응을 비교하고 이를 지지대 설계를 위한 입력으로 사용합니다.
02.3 잠금 및 해제
닫힌 후, 잠금 메커니즘은 검증 가능한 기계적 상태를 제공해야 합니다. 구동 에너지가 손실되면 부하를 유지하거나 최소한 위험한 방출을 방지해야 합니다. 해제하려면 작업물이 지지되고, 지그가 허용된 위치에 있고, 동작이 중지되었으며, 개인 구역이 안전하고, 작동 명령이 유효한지 확인해야 합니다. 모든 센서 충돌은 실제 피드백을 소프트웨어 기본값으로 대체하는 대신 보수적인 상태로 이어집니다.
03공압, 전기 및 제어 안전 아키텍처
ISO 4414:2010은 기계의 공압 시스템 및 구성요소에 적용되며 의도된 사용과 관련된 심각한 위험을 다룹니다[6]. 배터리 팩 지그의 경우 공압 설계에서는 라인 파열, 피팅 분리, 밸브 스풀 고착, 공급 압력 변동, 잔류 에너지 및 유지 관리 격리를 해결해야 합니다. 공기 저장소 또는 압력 유지 장치는 용량 손실만 지연시킬 수 있습니다. 이는 자동으로 안전한 하중 유지를 구성하지 않습니다.
진단은 공급 압력, 액츄에이터 챔버 또는 중요한 회로의 압력, 잠금 위치, 조/지지 암 위치, 작업물 존재, 지지 하중 상태, 하중/중량 타당성 및 통신 상태를 다루어야 합니다. 가능한 경우 물리적으로 다양한 신호를 사용하십시오. 동일한 기계 대상에서 파생되거나 동일한 케이블로 전달되는 두 개의 신호는 그 중 두 개가 있다는 이유만으로 독립적인 중복으로 처리될 수 없습니다.
Lift_Enable = Load_Present ∧ Clamp_Closed ∧ Lock_Confirmed ∧ Pressure_OK ∧ Recipe_Match
Release_Enable = Supported ∧ Safe_Position ∧ Motion_Stopped ∧ Operator_Command ∧ Diagnostics_OK이들 논리식은 기능적 관계를 기술한다. 성과 수준을 보여주지는 않습니다. 프로젝트에서 선택한 표준[2][3]에 따라 안전 관련 제어 아키텍처, 진단 적용 범위, 공통 원인 실패 조치 및 소프트웨어를 설계하고 검증합니다.
04위험 분석 및 FMEA
| 실패 모드 | 국소적 원인 | 잠재적인 결과 | 설계 제어 | 검증방법 |
|---|---|---|---|---|
| 주 공기 공급 장치의 갑작스러운 손실 | 메인 헤더의 공기 손실 또는 분리된 피팅 | 클램핑력이 감소하고 하중이 미끄러집니다. | 기계적 지지, 자체 유지 잠금 장치, 체크 밸브 및 모니터링 | 공기 손실 결함 주입 |
| 단일 가지 파열 | 호스가 마모되었거나 피팅이 손상됨 | 단일 조 파손 및 편심 하중 | 구역 격리, 지원 지점 중복성 및 압력 모니터링 | 지정된 위치에 누출이 발생합니다. |
| 밸브 스풀이 해제 위치에 고착됨 | 오염, 기계적 고장 | 부주의한 클램핑 해제 | 해제 격리, 두 조건 허용 및 기계적 유지 | 모의 판막 발작 |
| 불완전한 잠금 | 공차, 이물질, 정렬불량 | 부하 운반 중 단선 | 독립적인 잠금 피드백 및 확실한 기계적 유지 | 부분 잠금 상태 테스트 |
| 센서가 높게 붙어 있음(1) | 라인 단락, 소프트웨어 정지 | 고정되지는 않았지만 들어올릴 수 있음 | 보완 신호 및 타이밍/타당성 진단 | 신호는 강제로 1으로 설정됩니다. |
| 센서가 낮게 멈춤(0) | 개방 회로, 목표 편차 | 해제 금지 또는 부정확한 결함 진단 | 개방회로 진단 및 유지관리 상태 | 신호가 0으로 강제 설정됩니다. |
| 잘못된 모델 레시피 | 바코드 판독, 네트워크 또는 운영자 오류 | 잘못된 하중 전달 지점 및 간섭 | 기계적 오류 방지, ID 일관성, 버전 관리 | 불일치 주입 |
| 의도하지 않은 해제 명령 | 인간-기계 인터페이스 또는 프로그램 오류 | 매달린 하중이 떨어졌습니다. | 지지-확인 인터록, 위치 제한, 듀얼 액션 | 부하가 정지된 상태에서 발행된 해제 명령 |
| 통신 중단 | 버스 장애, PLC 재시작 | 상태를 알 수 없음 | 부하 유지; 동작이 중지되었습니다. 방출 억제 | 주입 분리/재시작 |
| 비정상적인 부하 | 두 개의 팩이 함께 뭉쳐졌거나 이물질 또는 무게 중심이 비정상적임 | 구조물 또는 리프팅 기어의 과부하 | 무게 타당성 검사 및 더블픽 방지 | 대리 부하 테스트 |
FMEA를 오류 트리 또는 안전 요구 사항 매트릭스와 결합하여 로드 드롭 상단 이벤트를 분석하고 "긍정적인 기계적 지원 없음 + 잠금 오류 + 의도하지 않은 해제 명령" 또는 "공통 원인 센서 오류 + 소프트웨어 진단 없음"과 같은 최소 절단 세트를 식별합니다. 단일 결함으로 인해 주요 이벤트가 발생할 수 있는 경우 구조적 변경에 우선순위를 두십시오. 발생 점수를 줄이는 것만으로는 충분하지 않습니다.
05오류 주입 검증 전략
ISO 13849-2:2012는 분석 및 테스트를 통해 안전 기능, 카테고리 및 성능 수준의 검증을 지정합니다[3]. 오류 주입은 검증의 한 부분입니다. 완전한 설계 검토, 구성 요소 데이터, 계산 및 소프트웨어 검증도 필요합니다. 테스트하기 전에 위험 평가, 테스트 영역 제외, 대리 부하 설계, 긴급 지원 및 복구 계획을 완료하십시오.
05.1 단계적 테스트
- 모델 및 논리 단계: 상태 기계 및 경보 응답을 확인하기 위해 시뮬레이션 또는 오프라인 논리에 입력을 강제합니다.
- 저에너지 벤치 단계: 배선, 밸브 및 압력 결함을 주입하기 위해 빈 지그 또는 경량 대용물을 사용합니다.
- 정격 대리 하중 단계: 동일한 형상 및 질량의 비배터리 하중으로 유지, 변위 및 구조를 확인합니다.
- 실제 배터리 팩 단계: 통제된 위험 및 승인 하에 초기 단계에서 다루지 않은 인터페이스 및 제품 보호 항목만 테스트합니다.
- 현장 통합 단계: 매니퓰레이터, 리프팅 장비, 컨베이어, 고정 장치 및 안전 시스템과의 연동을 확인합니다.
05.2 오류 주입 매트릭스
| 아니요. | 주입된 결함 | 분사시기 | 예상되는 시스템 상태 | 주요기록 |
|---|---|---|---|---|
| - 그래, 그래 01 | 주공기 공급을 차단한다 | 들어올린 후/움직이는 동안 정지됨 | 부하 유지; 위험한 모션이 중지되었습니다. 방출 억제 | 압력, 변위, 정지시간 |
| - 그래, 그래 02 | 단일 분기에서의 급속한 누출 | 최악의 경우 방향 | 결함을 격리하고, 경보를 발령하고, 제어된 설정을 허용하는 조건을 유지합니다. | 구역 압력 및 지지 반응 |
| - 그래, 그래 03 | 잠금 피드백이 높게 고정됨(1) | 닫기 전 | 리프팅은 허용되지 않습니다. | 입출력 및 알람로그 |
| - 그래, 그래 04 | 잠금 피드백이 낮게 유지됨(0) | 부분적으로 잠긴 상태 | 타당성 진단이 시작됩니다. 들어올리는 것은 허용되지 않습니다 | 위치, 압력, 신호 모순 |
| - 그래, 그래 05 | 밸브 해제 명령이 활성 상태로 멈춤 | 부하 정지 | 물리적 또는 제어 계층은 위험한 방출을 방지합니다. | 밸브 전류, 압력, 잠금 상태 |
| - 그래, 그래 06 | 허위 지원 확인 신호 | 지원되는 배치 이전 | 이중/다양한 검사 거부 해제 | 지지대, 위치, 하중 변화 |
| - 그래, 그래 07 | 컨트롤러 재시작/통신 끊김 | 취급 중 | 출력은 정의된 안전 상태에 진입합니다. 부하 유지 | 재시동 시간, 출력 상태 |
| - 그래, 그래 08 | 잘못된 배터리 모델/레시피 | 픽업 전 | 레시피 불일치가 감지되었습니다. 움직임이 금지됨 | ID, 레시피 버전, CRC/서명 |
| - 그래, 그래 09 | 비상 정지 | 최대 신뢰할 수 있는 작동 속도 | 부하를 해제하지 않고 정지 | 피크 가속도, 구조/하중 변위 |
| - 그래, 그래 10 | 잘못된 유지보수 해제 작동 | 로드 미지원 | 허가 및 기계적 조건에 따라 달라질 수 있음 | 권한, 단계, 잠금 상태 |
각각의 경우에 대해 3가지 가능한 결과, 즉 "합격", "실패" 및 "엔지니어링 검토 필요"를 미리 정의하십시오. 하중 낙하 여부 외에도 최대 변위, 잠금 변경, 경보 가시성, 복구에 안전 기능 우회가 필요한지 여부, 배터리 팩의 숨겨진 손상 여부를 기록합니다.
06승인기준 및 근거기록
적어도 기준의 카테고리와 그 작동 조건을 지정하여 프로젝트 위험 평가 및 기술 합의로부터 수용 기준을 도출합니다. 일반적인 범주에는 정격 및 최악의 부하, 개별 지지 반응, 허용되는 엔클로저 변형, 유지 시간, 최대 미끄러짐, 가속 정지, 오류 감지 시간, 경보 및 재설정, 해제 허용 및 유지 관리 격리가 포함됩니다. 값은 배터리 팩, 캐리어 및 개인 노출 조건을 반영해야 합니다. 보편적 가치를 적용해서는 안 됩니다.
| 음반 카테고리 | 대표적인 문서 | 품질 요구사항 |
|---|---|---|
| 요구사항 | 안전 요구 사항 사양, 고객 인터페이스, 제품 금지/제한 구역 | 고유 번호, 버전 및 소스 |
| 분석 | 하중계산, 유한요소, FMEA/FTA, PL 평가 | 가정은 명백하며 최악의 작동 조건은 추적 가능합니다. |
| 디자인 | 도면, BOM, 공압 회로/전기 다이어그램, 소프트웨어 버전 | 분석장비와 물리적 장비가 일치함 |
| 검증 | 테스트 계획, 원본 곡선, 사진, 로그 | 오류, 시간 기반 및 평가 기준이 완전히 기록되었습니다. |
| 출시 승인 | 편차, 완료된 시정 조치, 승인 및 유지 관리 요구 사항 | 해결되지 않은 문제에 대해 정의된 제한사항 |
오류-응답 시퀀스 및 관계가 분석될 수 있도록 명령, 밸브 작동, 압력 변화, 잠금 변위 및 캐리어 정지 신호를 공통 시간 기반으로 기록합니다. HMI 스크린샷만으로는 이 검증에 충분하지 않습니다.
07안전한 복구, 유지관리 및 변경
비정상적인 복구는 설계 중에 정의되어야 합니다. 일반적인 단계에는 캐리어 중지, 부하 유지 확인, 임시 지지대 설정, 에너지 격리, 결함 제거, 잠금 장치 재확인, 저속 설정 및 재설정 승인이 포함됩니다. 직원은 배터리 팩 아래에 서 있거나 지속적인 수동 지원에 의존해서는 안 됩니다. 기계식 잠금 장치를 수동으로 해제해야 하는 경우 도구, 승인 및 확인된 지원 조건을 통해 작업을 제어해야 합니다.
유지보수 검사에는 잠금 장치 마모, 지지 암 변형, 패스너, 호스 마모, 밸브 오염, 센서 대상, 케이블 굽힘, 접촉 패드 재료 및 교정 상태가 포함됩니다. 배터리 팩 질량, 무게 중심, 인클로저 구조, 허용된 지지점, 지그 모듈, 소프트웨어 레시피 또는 캐리어 가속을 변경하려면 영향 평가 및 필요한 재검증이 필요합니다.
08결론 및 적용 요구사항
오류 방지 설계는 구조적 하중 경로 및 기계적 유지로 시작됩니다. 공압, 전기 및 제어 시스템은 상태 확인, 결함 진단 및 제어된 방출을 제공합니다. 고장 발생 시에는 생산 택트타임을 유지하기보다는 위험물질 방출을 방지하고 안전한 복구가 가능한 상태로 진입해야 합니다. 결함 주입 사례는 안전 요구 사항, FMEA/FTA, 제어 논리 및 실제 구조와 일치해야 하며 검토 가능한 승인 기준 및 시정 조치 결과도 있어야 합니다.
자격을 갖춘 전문가는 해당 규정, 표준, 고객 요구 사항 및 실제 위험에 따라 프로젝트 적용 사례을 설계하고 승인해야 합니다. GB 38031, ISO 13849 성능 수준에 대한 제품 적합성, 제3자 검사 및 고객 승인에는 각각 관련 평가 및 테스트 기록이 필요합니다. 이 보고서는 연구 방법과 검증 계획을 제공합니다.
참고문헌
- GB 38031-2025 전기 자동차용 전원 배터리에 대한 안전 요구 사항. https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/std/newGbInfo?hcno=3AB693FAFF5D9716DF61C61D6FD2187A
- ISO 13849-1:2023. 기계의 안전 - 제어 시스템의 안전 관련 부분 - 1부: 설계의 일반 원칙. https://www.iso.org/standard/73481.html
- ISO 13849-2:2012. 기계 안전 - 제어 시스템의 안전 관련 부분 - 2부: 검증. https://www.iso.org/standard/53640.html
- ISO 12100:2010. 기계의 안전 - 설계의 일반 원칙 - 위험 평가 및 위험 감소. https://www.iso.org/standard/51528.html
- ISO/TR 20218-1:2018. 로봇공학 - 산업용 로봇 시스템을 위한 안전 설계 - 1 파트: 엔드 이펙터. https://www.iso.org/standard/69488.html
- ISO 4414:2010. 공압 유체 동력 - 시스템 및 해당 구성 요소에 대한 일반 규칙 및 안전 요구 사항. https://www.iso.org/standard/44790.html
- ISO/TR 14121-2:2012. 기계 안전 - 위험 평가 - 2부: 실제 지침 및 방법의 예. https://www.iso.org/standard/57180.html
- 미국 교통부/NHTSA. 자동차 충전용 에너지 저장 시스템의 안전 관리. https://rosap.ntl.bts.gov/view/dot/38221/dot_38221_DS1.pdf
- 헬드(Hold), M.; Bronnimann, R. 안전한 전지, 안전한 배터리? FMEA, FTA 및 실제 실험을 이용한 배터리 화재 조사. 마이크로 전자공학 신뢰성 64, 2016. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2016.07.051
