ESS의 운용환경에 따른 리튬이온배터리의 열폭주에 관한 수학적 모델링에 관한 연구

유현상; 최성문; 김지명; 김윤호; 이나경; 노대석

doi:10.5762/KAIS.2023.24.12.850

주제분류

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저널정보

한국산학기술학회
한국산학기술학회 논문지 학술저널
한국산학기술학회논문지 제24권 제12호
2023.12 850 - 860 (11page)
DOI : 10.5762/KAIS.2023.24.12.850

저자정보

유현상 (한국기술교육대학교)
최성문 (한국기술교육대학교)
김지명 (한국기술교육대학교)
김윤호 (한국기술교육대학교)
이나경 (한국기술교육대학교)

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최근, 정부의 녹색성장 및 탄소중립 정책에 따라, 대용량 ESS(energy storage system)의 보급이 급속히 확산되고 있지만, 2017년 8월에 발생한 ESS 화재를 시작으로 현재까지 총 50건의 화재사고가 발생하고 있는 실정이다. 한편, ESS는 수많은 리튬이온배터리의 직·병렬 조합으로 구성되고, 이 중 열화된 셀이 열적, 전기적 및 기계적 요인들에 의하여 온도가 상승하면, 내부 화학반응에 의한 추가 발열로 인해 열폭주가 발생할 가능성이 있다. 여기서, 리튬이온배터리의 내부 화학반응은 ESS의 운용환경에 따라 분해반응의 속도 및 발열에 차이가 있을 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 리튬이온배터리의 열폭주 발생 메커니즘을 제시하고, 열폭주에 대한 수학적 정식화를 기반으로 수치해석 상용 프로그램인 MATLAB/SIMULINK를 이용하여, 리튬이온배터리의 열폭주 평가 모델링을 제시한다. 이를 바탕으로, ESS의 운용환경을 고려한 리튬이온배터리의 열폭주 특성을 평가한 결과, 배터리 온도상승률 및 대류 열전달계수가 증가함에 따라 배터리 내부 화학반응이 가속화되어 짧은 시간 내에 열폭주가 발생하며, 충·방전 C-rate가 높을수록 열폭주 발생이 다소 빨라짐을 알 수 있다. 또한, 온도상승률 및 대류 열전달계수가 C-rate보다 열폭주 발생시간에 더 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.

Recently, according to the government"s green growth and carbon-neutral policy, the installation of large-capacity energy storage systems(ESS) is rapidly spreading, but a total of 50 ESS fire accidents have occurred that began in August 2017. ESS is composed of series-parallel connection with numerous Li-ion batteries, and when the temperature of deteriorated cell increases due to thermal, electrical and mechanical stress, thermal runaway can be occurred according to additional heat generated by an internal chemical reaction. Where, internal chemical reaction and heat generation in Li-ion battery have different characteristics depending on the operation conditions of ESS such as increase rate of temperature, convective heat transfer coefficient and C-rate of charging and discharging. Therefore, this paper presents a mechanism of thermal runaway in Li-ion battery and proposes an evaluation modeling and test device of thermal runaway based on the mathematical formularization using MATLAB/SIMULINK. From the simulation results based on the proposed mechanism and modeling according to operation conditions of ESS, it is confirmed that in the case of high increase rate of temperature and convective heat transfer coefficient, internal chemical reaction is rapidly occurred and occurrence time of thermal runaway is significantly shortened. And also, in the case of high C-rate of charging and discharging, occurrence time of thermal runaway is shortened. And also, the impact of increase rate of temperature and convective heat transfer coefficient are more critical than the C-rate of charging and discharging.

#ESS #Li-ion Battery #Thermal Runaway #Operation Conditions #Mathematical Formularization #MATLAB/SIMULINK