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CAE 해석을 통한 베터리 모듈단위 열폭주(thermal runaway) 시뮬레이션 기술

최종 수정일: 2021년 12월 3일


그림 1. Li-ion 배터리의 열폭주메커니즘 단계적 설명 자료


- 세계적인 기후협약 및 친환경 정책에 따른 green nobilities 시장의 확산에 따라 전기차, 수소차의 필수 동력원인 배터리의 고 출력과 빠른 응답 속도, 고효율 에너지변환 및 고 에너지 밀도 등의 장점을 바탕으로 리튬-이온 이차 전지의 시장이 확대되고 있습니다.


- 특히, ESS(Energy Storage System) 구축이활발해지면서 북미, 유럽, 일본 시장에서 급속도록 성장하고 있습니다


- 전 세계 이차 전지는 LG에너지솔루션, 삼성SDI, SK이노베이션, 포스코 케미칼 등 국내 기업이 주도하고 있으며, 시장조사업체 SNE리서치에 따르면 글로벌 이차전지 시장 규모는 전기차 보급 확대에 힘입어 2020년 461억 달러에서 오는 2030년 3517억 달러 규모로 향후 10년간 8배 이상 성장할 것으로 전망되고 있습니다.


- 리튬-이온 전지의 독특한 화재 특성은 열 폭주라는 현상을 통해 폭발현상이 발생합니다. 음극에서는 약 70~90도에서 발열 반응이 발생하기 시작하고, 양극에서는 130~150도에서 발열반응이 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 이때 배터리가 적절하게 냉각되지 않으면 온도가 지속적으로 상승하면서 열에너지 발생 속도도 증가해 폭주하게 된다. 열폭주가 발생하면 분리막이 녹아 내부 단락이 발생할 수 있는데 이렇게 되면 화재가 발생하게 됩니다. 리륨이온 전지 화재는 독성가스 방출과 동시에 열 폭주 반응으로 연쇄 폭발이 일어나 화염이 최대 1100도에 이를 만큼 매우 강해 적은 양의 물로는 소화가 불가능 합니다.

- 리튬-이온 배터리로 구성된 ESS 화재사고 발생 시 국내 화재사고 사례를 기준으로 살펴보면, 5~10MWh 배터리의 화재진화에 평균 3시간 이상이 소요되며, 리튬이 함유된 전기화재 특성으로 인해 소화약제 제한과 낮은 소화율로 화재 진화에 한계가 있음을 확인하였습니다.


- ESS는 효율적인 운영을 위해 셀 단위 전지를 하우징하여 관리하기 때문에 화재발생시 소화약 확산방지 활동에 그치는 수준입니다. 즉, 약제의 침투가 어려워 기존 소화시스템으로 대처에 한계가 있습니다.


- 이러한 이유로 ESS 화재 사전예방 및 확산방지 시스템에 대한 연구가 필요하게 됩니다.


본 연구는 CAE 시뮬레이션 기술을 이용하여 배터리 열폭주를 통한 화재 발생 메커니즘을 분석하고, 확산방지 시스템에 대한 기초 연구로 착수하게 되었습니다.


 

베터리 모듈단위 열폭주 해석적 접근


- CAE 소프트웨어를 사용하여 ESS(리튬-이온 전지)단위 열폭주 평가 결과의 정확성 향상을 위한 모듈단위 열폭주해석 접근방법 검토을 검토하였습니다.


- 이때 사용된 시뮬레이션 프로그램은 지멘스 심센터 FLOEFD 2021.2 입니다..


- 해석 모델은 아래와 같이 가정하였습니다.

1.모듈단위 열폭주 해석: Cell과 Cell 사이 냉각판 크기, 제질 및 구조에 따른 온도분포 확인 합니다.

2.모듈단위 열폭주 시 확산차단모델 해석: 열폭주시 Cell의 발열량(실험 값)을 해석의 경계조건으로 적용하여 온도분포 확인 합니다.

배터리 모듈에 대한 3D 모델링 CAE 시뮬레이션을 수행하기 위한 계산격자




리튬-이온 배터리 표면온도 분포


- 리튬-이온 배터리 내 표면 온도 분포는 아래와 같이 계산되었습니다.

고객사의 보안요청에 따라 정략적인 숫자는 삭제하였습니다.


- ESS 내 배터리 구성 셀 및 냉각판의 내부 온도 분포는 아래 그림과 같이 나타났습니다.


- 특정 셀의 시간대별 내부 온도 분포는 구성 소재의 종류에 따라 아래와 같이 얻어졌습니다.