[논문]단상계 침지냉각 기술이 적용된 Li-ion계 배터리 발열특성에 관한 연구

김운학; 강석원; 신기석

doi:10.15683/kosdi.2022.3.31.163

[국내논문] 단상계 침지냉각 기술이 적용된 Li-ion계 배터리 발열특성에 관한 연구
A Study on Heating Characteristics of Li-ion Battery Applicated Single-phase Immersion Cooling Technology 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.18 no.1 = no.55, 2022년, pp.163 - 172

김운학 (School of Civil and Environmental Engineering, Hankyong Nationnal University) , 강석원 (School of Civil and Environmental Engineering, Hankyong Nationnal University) , 신기석 (BOSUNG POWERTEC)

초록
AI-Helper

연구목적: Li-ion 배터리의 효율적인 열관리 기술을 확보하기 위하여 Single&-phase 침지 냉각 기술을 적용한 시스템의 실험을 통하여 적용가능성을 확인하고자 하였다. 연구방법: LG-Chem에서 생산된 JH3 파우치 셀을 사용하여 14S2P 모듈을 제조하여 미국 카길사에서 생산된 식물성계 냉각유체에 침지한 후 0.3C~1C 속도로 충방전을 시행하여 열분포를 확인하였다. 연구결과: 침지냉각 기술로 배터리 모듈을 40℃ 이하의 온도로 관리할 수 있으며, 침지액의 분자구조 변화가 없다는 결과를 도출하였다. 결론: 침지냉각 방식이 Li-ion 배터리 열관리에 적용 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: To secure efficient thermal management technology for Li-ion batteries, the applicability of the system applied with single-phase immersion technology was checked through an experiment. Method: Using JH3 pouch cells produced by LG-Chem, Korea, A 14S2P module was manufactured and immersed in a vegetable-based cooling fluid produced by Cargill, USA, and then charged and discharged at a rate of 0.3C to 1C to check the heat distribution. Result: It was possible to manage and there was no change in the molecular structure of the immersion solution. Conclusion: It was confirmed that the immersion cooling method can be applied to the thermal management of Li-ion batteries.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Single-phase, liquid immersion cooling
그림 Fig. 2.Two-phase liquid immersion cooling
표 Table 1. Comparison according to the method
그림 Fig. 3. Sub-module shape
그림 Fig. 4. Immersion cooling test specimen
그림 Fig. 5. Top view of heat dissipation heatsink
표 Table 2. Potential candidate of immersion coolant
그림 Fig. 6. Forced air cooling test specimen
그림 Fig. 7. Temperature measurement method
표 Table 3. Specification of LG chem Li-ion battery JH3 cell
표 Table 4. Properties of coolant specification
그림 Fig. 8. Comparison temperature curve
표 Table 5. Immersion cooling vs forced air cooling
그림 Fig. 9. Heat distribution according to discharge rate of immersion cooling
그림 Fig. 10. Heat distribution according to discharge rate of forced air cooling
그림 Fig. 11. Comparision Temperature Curve.
그림 Fig. 12. Temperature Curve Inside Module.
표 Table 6. Comparison of heating trends for charging and discharging
표 Table 7. Vertical heat distribution inside the module
그림 Fig. 13. Changes in molecular structure according to immersion time

AI 본문요약
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가설 설정

강제공냉 방식에서 충분한 냉각팬을 가동시켜 급격한 발열 이후 신속한 발열을 충분한 공기순환을 통해 지속적으로 제거하였음에도 40℃ 이하로 떨어지지 않아 발열속도와 공기역학적인 설계에 기존의 HVAC 시스템의 보조 냉각설비가 필요할 것으로 판단되었다. JH3 셀의 저항에 의하여 발생된 총 발열량이 동일하다는 가정하에서는 급작스런 발열은 양극제와 음극제 및 분리막으로 구성된 Li-ion 셀 구조상 덴트라이트 생성에 더 큰 영향을 주게 될 확률이 높아진다고 예상할 수 있다. 침지냉각액이 충분할 경우 온도상승의 속도를 늦추고 그만큼Li-ion 셀의 안정성을 더 확보할 수 있겠으나 본 시험에서 방전률100%에서도 상승된 온도의 포화가 되지 않음에 따라 본 시험에서 투입된 12.

제안 방법

1C 방전과 충전의 온도변화를 확인하여 침지냉각 방식일 경우의 히스테리시스의 경향을 확인하였다. 방전시의 온도가 충전시보다 다소 높은 경향을 충방전율 0~100% 전반에 걸쳐뚜렷하게 나타났으며 온도의 차이는 최소 0℃에서 4.
1C-rate 보다 낮은 방전속도에서의 발열경향을 확인하기 위하여 0.3C와 0.5C의 방전시에 침지냉각방식의 Li-ion 모듈의 발열경향을 확인하였다. C-rate가 낮을수록 발열속도가 낮아지는 경향을 보였으며 0.
Li-ion 배터리에 사용되는 주요 재료들과 직접 접촉하여 상호 간의 화학반응이 없는 냉각유체를 사용하여 Single-phase 침지냉각 기술을 통한 배터리 시스템 발열제어에 관한 실험을 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
침지액의 냉각효율이 매우 우수하더라도 Li-ion 셀 및 모듈을 제조한 재료들에 의한 물리화학적 반응에 따라 절연력과 분자구조의 변화가 동반된다면 그 사용에 있어 매우 제약을 받게 된다. 별도의 시험체에서 2.4kWh급 ESS 기기를 장기적으로 침지시켜 운전한 침지액에 대하여 FT-IR 분석을 시행하였다. 년간 54회 충방전을 시행하여 일년에 한번씩샘플을 체취하여 분석한 결과에서 스펙트럼 전범위에서 동일한 피크를 보여 분자의 3년간의 분석에서 침지액의 화학적 구조변화의 차이가 없음을 확인하였다(Fig.
강제공랭 방식과 비교를 위해 제작된 비교 실험체는 동일 크기 및 용량을 갖는 배터리 모듈을 제작하여 상부에 공기흐름이 최대 82CFM 용량을 갖는 배출 팬을 모듈 상부에 10개를 취부하여 제작하였다. 비교시험을 위하여 충방전 시 발생되는 열량을 즉각적으로 배출될 수 있도록 제작하여 강제공냉방식의 최대 값에서 침지냉각 방식의 데이터가 비교될 수 있도록 하였다. Fig.
침지 냉각기술이 적용된 Li-ion 모듈은 수평으로 적층되어 용량과 전압을 맞추어 적용됨에 따라 모듈 내부의 수직열분포에 대한 분석을 시행하였다. 방전 중에는 대류에 의한 열전달에 따라 상부의 온도는 지속적으로 상승하였으며 방전 종료 이후엔 침지액 하부의 온도는 더 빠르게 낮아지고 모듈상부 외부의 온도가 가장 늦게 온도가 낮아지면서 그 속도 역시 늦어지는 것을 확인하여 침지액 내부의 잠열이 존재하고 있음을 확인하였다.
시험시 충방전은 PNE사의 배터리 모듈 사이클러를 사용하였으며 FLIR 열화상 카메라와 6채널 온도변화 인테그레이터로 방전율에 따른 시간과 온도를 동일하게 기록하여 비교하였다. 침지냉각 모듈의 전체적인 온도분포와 수직열분포의 경향조사에서는 모듈의 열체증이 가장 집중되는 중앙JH3 셀의 상, 중, 하, 절연유 상층과 모듈 커버 외부 중앙의 온도변화를 측정하였다. 침지냉각 모듈의 충방전 속도에 따른 온도 변화를 확인하기 위해서는 C-rate를 1, 0.
침지냉각 모듈의 전체적인 온도분포와 수직열분포의 경향조사에서는 모듈의 열체증이 가장 집중되는 중앙JH3 셀의 상, 중, 하, 절연유 상층과 모듈 커버 외부 중앙의 온도변화를 측정하였다. 침지냉각 모듈의 충방전 속도에 따른 온도 변화를 확인하기 위해서는 C-rate를 1, 0.5, 0.3으로 변화를 주어 확인하였다.

대상 데이터

강제공랭 방식과 비교를 위해 제작된 비교 실험체는 동일 크기 및 용량을 갖는 배터리 모듈을 제작하여 상부에 공기흐름이 최대 82CFM 용량을 갖는 배출 팬을 모듈 상부에 10개를 취부하여 제작하였다. 비교시험을 위하여 충방전 시 발생되는 열량을 즉각적으로 배출될 수 있도록 제작하여 강제공냉방식의 최대 값에서 침지냉각 방식의 데이터가 비교될 수 있도록 하였다.
침지냉각제는 미국 카길사에서 제조한 식물성유를 사용하였다. 1990년대 중반에 미국을 중심으로 개발된 식물성 절연유는 식물유지를 원료로 저분자 알코올과 촉매를 이용한 에스테르화 반응을 통해 생산되어지고 있다.

데이터처리

동일한 조건을 부여하기 위하여 모든 실험체는 일정하게 온도가 유지되는 챔버에 안정화를 시행한후에 온도의 변화가 포화된 상태임을 확인하고 시험을 실시하였다. 시험시 충방전은 PNE사의 배터리 모듈 사이클러를 사용하였으며 FLIR 열화상 카메라와 6채널 온도변화 인테그레이터로 방전율에 따른 시간과 온도를 동일하게 기록하여 비교하였다. 침지냉각 모듈의 전체적인 온도분포와 수직열분포의 경향조사에서는 모듈의 열체증이 가장 집중되는 중앙JH3 셀의 상, 중, 하, 절연유 상층과 모듈 커버 외부 중앙의 온도변화를 측정하였다.

성능/효과

(1) Li-ion 배터리의 온도관리에 Single-phase 침지냉각 기술의 적용이 가능하며 설계된 모듈에 약12.5L 정도로 적용 시에는 C-rate 1에서 최고 40℃ 정도로 관리 될 수 있음을 확인하였다.
(2) C-rate를 1보다 낮은 속도로 침지 냉각기술을 적용 할 경우에는 Li-ion 배터리의 열관리가 가능하며 충·방전 속도가 낮을수록 보다 안전한 운전이 가능함을 확인하였다.
(3) 적용된 식물성 유전유체인 침지액은 강제공냉 방식보다는 열적발산 속도가 낮음이 확인되어 적용시에 보다 효율적인 열발산에 대한 설계 보완이 필요함을 확인하였다.
(4) 침지냉각이 적용된 Li-ion ESS 시스템의 침지액 분자구조의 변화를 확인한 결과 침지액과의 상호 반응성은 거의 없으며 분자구조 변화나 물성의 변화가 없어 장기간 안정적으로 사용이 가능함을 확인하였다.
강제공냉 방식의 경우 초기 방전율 27%까지 급격한 온도상승이 발생하였고 그 이후 방전율 100%까지 하향 포화되어 40℃부근에서 정체되는 경향을 뚜렷하게 보였으며, 침지액을 적용시킨 냉각방식에서는 방전율이 100%에 이를 때 까지 점증적인 상승을 보였다. 강제공냉 방식에서 충분한 냉각팬을 가동시켜 급격한 발열 이후 신속한 발열을 충분한 공기순환을 통해 지속적으로 제거하였음에도 40℃ 이하로 떨어지지 않아 발열속도와 공기역학적인 설계에 기존의 HVAC 시스템의 보조 냉각설비가 필요할 것으로 판단되었다. JH3 셀의 저항에 의하여 발생된 총 발열량이 동일하다는 가정하에서는 급작스런 발열은 양극제와 음극제 및 분리막으로 구성된 Li-ion 셀 구조상 덴트라이트 생성에 더 큰 영향을 주게 될 확률이 높아진다고 예상할 수 있다.
4kWh급 ESS 기기를 장기적으로 침지시켜 운전한 침지액에 대하여 FT-IR 분석을 시행하였다. 년간 54회 충방전을 시행하여 일년에 한번씩샘플을 체취하여 분석한 결과에서 스펙트럼 전범위에서 동일한 피크를 보여 분자의 3년간의 분석에서 침지액의 화학적 구조변화의 차이가 없음을 확인하였다(Fig. 13).
침지 냉각기술이 적용된 Li-ion 모듈은 수평으로 적층되어 용량과 전압을 맞추어 적용됨에 따라 모듈 내부의 수직열분포에 대한 분석을 시행하였다. 방전 중에는 대류에 의한 열전달에 따라 상부의 온도는 지속적으로 상승하였으며 방전 종료 이후엔 침지액 하부의 온도는 더 빠르게 낮아지고 모듈상부 외부의 온도가 가장 늦게 온도가 낮아지면서 그 속도 역시 늦어지는 것을 확인하여 침지액 내부의 잠열이 존재하고 있음을 확인하였다. Fig.
JH3 셀의 저항에 의하여 발생된 총 발열량이 동일하다는 가정하에서는 급작스런 발열은 양극제와 음극제 및 분리막으로 구성된 Li-ion 셀 구조상 덴트라이트 생성에 더 큰 영향을 주게 될 확률이 높아진다고 예상할 수 있다. 침지냉각액이 충분할 경우 온도상승의 속도를 늦추고 그만큼Li-ion 셀의 안정성을 더 확보할 수 있겠으나 본 시험에서 방전률100%에서도 상승된 온도의 포화가 되지 않음에 따라 본 시험에서 투입된 12.5L도 적정할 수 있음을 확인하였으며, Fig. 8에 방전율에 대한 두 방식별 온도분포 열화상도를 나타내었다.

후속연구

13). 이는 Li-ion 모듈에 사용되는 재료들과 침지액 상호간에 영향을 주고받지 않고 안정적으로 사용이 가능하든 것을 의미하는 것으로 재료와 상호 반응에 대하여 사용재료에 따라 추가연구가 필요하다.

참고문헌 (8)

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Kwag, D.S. (2011). "Breakdown properties for insulation design of the environment-friendly pole transformer using the vegetable insulating oil." Journal of the KOSOS, Vol. 26, No. 6, pp. 7-12.
Lee, J.-I. (2020). "A Study on the identification technique and prevention of combustion diffusion through ESS (Energy Storage System) battery fire case." Journal of The Korean Society of Disaster Information, Vol. 16, No. 2, pp. 383-391.
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상세보기
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Park, S., Jung, D. (2013)." Battery cell arrangement and heat transfer fluid effects on the parasitic power consumption and the cell temperature distribution in a hybrid electric vehicle." Journal of Power Sources, Vol. 227, pp. 191-198.

상세보기
Qin, P., Liao, M., Zhang, D., Liu, Y., Sun, J., Wang, Q. (2019). "Experimental and numerical study on a novel hybrid battery thermal management system integrated forced-air convection and phase change material." Energy Convers Manage, Vol. 195, pp. 1371-1381.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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