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ESS 리튬배터리의 과충전 및 외부수열에 따른 화재위험성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Fire Risks Due to Overcharge and External Heat of ESS Lithium Battery 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.4, 2019년, pp.59 - 69  

김시국 (호서대학교 소방방재학과) ,  최수길 (호서대학교 소방방재학과 대학원) ,  진세영 (호서대학교 소방방재학과 대학원) ,  방석성 (천안동남소방서)

초록
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본 논문은 ESS 리튬배터리의 과충전 및 외부수열에 따른 화재위험성에 관한 실험적 연구이다. 과충전 실험결과 벤트 발생 후 가연성 가스 및 연기가 서서히 증가되다 착화가 발생했고, 충전된 에너지가 한순간에 급격히 방출되면서 화염분출 및 불티를 동반한 폭발적인 연소형태가 나타났다. 반면, 외부수열 실험결과 벤트 발생 후 엄청난 양의 가연성 가스 및 연기가 다량 배출되다 착화되어, 방출된 에너지로 인해 충전된 에너지양 자체가 급격히 감소되어 화염발생 후 과충전과 비교했을 때 소극적인 연소형태가 나타났다. 소손특성 분석결과 육안 및 X-ray 검사를 통해 과충전과 외부수열(외부화염)의 차이점을 찾을 수 있었다. 즉, 과충전의 경우 내부 극판이 완전히 파괴되어 부서지고, 극판에서 천공이 관찰되었으나, 외부수열의 경우 내부 전극판의 소손정도가 심하지 않고 형태를 유지하고 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present article relates to an experimental study on fire risks due to overcharge and external heat of ESS lithium battery. According to the experimental results of overcharge, ignition occurred as combustible gas and smoke was slowly increased after occurrence of venting, and an explosive combus...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 즉, 밀폐된 ESS실 내부에서 다른 요인에 의해 1차적으로 화재가 발생한 후 2차적으로 화염 또는 고온의 복사열에 노출되어 리튬배터리 화재가 일어나는 상황을 가정하였다. 또한, ESS 리튬배터리의 화재감식기법에서도 현재 전기적인 과충전과 외부수열에 의한 명확한 감식기법이 제시되지 않았기 때문에 본 실험을 통해 차이점을 확인하고자 하였다.
  • 본 논문은 ESS 리튬배터리의 과충전 및 외부수열에 따른 화재위험성에 관한 실험적 연구로 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 실험은 전기적 원인이 아닌 외부수열에 의한 ESS 리튬배터리의 화재위험성을 확인하기 위해 진행하였다. 즉, 밀폐된 ESS실 내부에서 다른 요인에 의해 1차적으로 화재가 발생한 후 2차적으로 화염 또는 고온의 복사열에 노출되어 리튬배터리 화재가 일어나는 상황을 가정하였다.
  • 본 절에서는 과충전에 의한 리튬배터리의 온도상승을 온도센서가 감지하고 설정된 온도이상 상승하면 과충전 전류를 차단하고 리튬배터리에 부착된 냉각소자(펠티에소자)에 의해 리튬배터리의 열폭주 현상을 방지하는 방법을 고안하였다. Figure 10은 ESS 리튬배터리의 과충전에 의한 열폭주를 방지하기 위해 임시로 구성한 보호회로 및 장치를 나타낸 것이다.

가설 설정

  • 또한, 기존의 모듈단위로 부착되어 과전류 및 과전압을 제한하는 BMS의 경우 안전인증 항목이 존재하지 않았고(8,9), 최근 들어 ESS 리튬배터리 화재가 급증하면서 관련 규정들이 제정되고 있다. 이에 본 실험에서도 ESS 리튬배터리의 모듈단위 보호회로인 BMS가 설계오류 및 물리적충격 등에 의해 고장 난 이상상태를 가정하여 실험을 진행하였다.
  • 본 실험은 전기적 원인이 아닌 외부수열에 의한 ESS 리튬배터리의 화재위험성을 확인하기 위해 진행하였다. 즉, 밀폐된 ESS실 내부에서 다른 요인에 의해 1차적으로 화재가 발생한 후 2차적으로 화염 또는 고온의 복사열에 노출되어 리튬배터리 화재가 일어나는 상황을 가정하였다. 또한, ESS 리튬배터리의 화재감식기법에서도 현재 전기적인 과충전과 외부수열에 의한 명확한 감식기법이 제시되지 않았기 때문에 본 실험을 통해 차이점을 확인하고자 하였다.
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참고문헌 (12)

  1. Y. S. Yoon, J. H. Choi, Y. L. Choi, Y. T. Shin and J. B. Kim, "A Study on the Economic Analysis Method of Energy Storage System", Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 19, No. 3, pp. 596-606 (2015). 

  2. K. Y. Lim, "Economic Analysis Through the Case Study of BEMS Connected with PV Power Generation and ESS", Master's Thesis, Yonsei University, p. 8 (2018). 

  3. K. M. Park, J. H. Kim, J. Y. Park and S. B. Bang, "A Study on the Fire Risk of ESS through Fire Status and Field Investigation", Fire Science and Engineering, Vol. 32, No. 6, pp. 91-99 (2018). 

  4. National Fire Agency 119, "National Fire Data System" https://www.nfds.go.kr/ (2017-2019). 

  5. S. K. Shin, H. B. Park and J. H. Choi, "A Study on Actual Survey and Establishment of Related Standards for Responding to ESS Fire", Proceedings of 2018 Autumn Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 109-110 (2018). 

  6. H. S. Kim and S. Y. Kim, "A Basic Study on the Prevention and Response of ESS Fire", Proceedings of 2018 Autumn Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 209-210 (2018). 

  7. H. S. Lee and S. K. Kim, "Experimental Study on the Explosion and Fire Risks of Mobile Phone Batteries", Fire Science and Engineering, Vol. 30, No. 4, pp. 111-120 (2016). 

  8. http://www.elenews.co.kr/news/articleView.html?idxno13525 (2018). 

  9. http://pdf.electimes.com/201808/20_3460_2.pdf (2018). 

  10. UL 9540A, "Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems" (2016). 

  11. J. Y. Song and C. S. Huh, "Proposal Protection Algorithm of Dendritic Lithium for Battery Second Use ESS", Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers, Vol. 31, No. 6, pp. 422-426 (2018). 

  12. S. Cummings and J. K. Lee, "ESS Fire Prevention Method by OFF-gas early detection", http://tfactory.kr/user_files/tfactory/sub3/Off-%EA%B0%80%EC%8A%A4%EC%A1%B0%EA%B8%B0%EA%B2%80%EC%B6%9C%EC%97%90%EC%9D%98%ED%95%9CESS%ED%99%94%EC%9E%AC%EC%98%88%EB%B0%A9%EB%B0%A9%EC%95%88.pdf (2019). 

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