[STAR-CCM+] STAR-CCM+ 2502를 통한 배터리 열 폭주 화학 시뮬레이션

 

이것은 배터리가 과열(예: "오븐에 넣고 무슨 일이 일어나는지 보세요")이나 충격 손상(예: "이것에 못을 박아 봅시다")에 어떻게 반응하는지 이해하는 데 필수적인 테스트입니다. 이러한 테스트에 대해 더 자세히 이야기하기 전에, 잠깐 뒤로 물러나서 열 폭주가 무엇이고 왜 중요한지 다시 살펴보겠습니다.

Thermal Runaway: 요약

배터리의 열 폭주는 배터리 셀이 통제할 수 없이 과열되는 위험한 현상입니다. 배터리가 일정량의 열을 받는 자체 유지 피드백 루프가 발생하고, 이를 해결하지 않으면 배터리 셀 내부에서 일련의 화학 반응이 발생합니다.

이러한 반응은 더 많은 열과 가스를 방출하여 배터리 내부에 엄청난 압력이 쌓일 수 있습니다. 매우 뜨겁고(1000 o C 이상!) 가연성 배출 가스가 배터리 셀에서 방출됩니다. 이러한 가스가 발화하면 화재가 다른 배터리 셀로 번지고 전기 자동차, 재산에 치명적인 손상이 발생할 수 있으며 물론 생명에 큰 위험이 있습니다.

열 폭주 사건의 폭력적인 본질을 보여주는 이 짧은 비디오를 보십시오.

이러한 시나리오는 피해야 하며, 열 폭주 사건이 발생하더라도 안전한 작동을 보장하도록 설계된 배터리 시스템이 필요하다는 것은 분명합니다. 실제로 현재 셀 제조업체와 전기 자동차 제조업체가 준수해야 하는 다양한 국가 및 국제 규정이 있습니다.

가속 속도 열량측정법(ARC)

배터리가 열 폭주 현상을 겪을 때 배터리의 동작을 이해하는 가장 직관적인 방법은 열 폭주 원인을 재현하고 배터리가 어떻게 동작하는지 보는 것입니다. 과열의 경우 배터리의 열 방출을 이해하는 일반적인 방법은 가속 속도 열량측정("ARC") 테스트입니다. 이러한 테스트는 명확한 통찰력을 제공하지만 몇 가지 문제가 있습니다. 주로 테스트 자체가 비싸고 테스트 시설에 대한 액세스가 필요하며 배터리 셀의 물리적 프로토타입이 필요하다는 것입니다! 물론, 여기서 시뮬레이션이 적합하고 설계 주기 초기에 안전을 염두에 두고 빠른 설계 반복을 허용할 수 있습니다.

Simcenter STAR-CCM+는 이미 3D 셀 설계 부터 폭주 이벤트 중 전체 배터리 팩 및 열 전파 에 이르기까지 배터리 모델링 및 배터리 안전을 위한 광범위한 모델과 기능을 갖추고 있습니다 .

2502 릴리스에서 우리는 또 다른 수준의 기능을 추가하고 있습니다. 주로 균질 다상 복합 화학(HMMC) 모델을 사용하여 자세한 셀 수준 열 폭주를 모델링하는 기능입니다. 꽤 긴 내용인 듯하니 설명하겠습니다.

열 폭주 화학

배터리 셀의 내부를 고려하면 여러 가지 고체(양극, 음극 및 분리막)와 액체 전해질이 있습니다. 열 폭주 반응이 발생하면 이러한 구성 요소가 반응하여 분해되어 수소 및 메탄과 같은 가연성 가스를 방출할 수 있습니다. 이로 인해 여러 상이 모두 서로 반응합니다. 즉, 다상입니다.

이러한 복잡성을 포착하기 위해, 우리는 열 폭주 사건의 초기 단계를 자세한 화학 모델링으로 모델링할 수 있는 프레임워크를 개발했습니다. 이를 통해 설계자는 열 폭주 사건 중에 발생하는 기본 반응을 명확하게 모델링할 수 있습니다. 반응은 균일한 혼합물로 간주되어 혼합물 다상 모델과 함께 간단하고 쉽게 설정할 수 있습니다. 또한, 이 모든 것이 잘 입증된 복잡한 화학 솔버 위에 구축되어 표준 Chemkin 파일 가져오기를 사용하여 반응을 쉽게 정의하고 상내 및 상간 반응을 고려할 수 있습니다. 이를 통해 배터리의 동작을 심층적으로 이해할 수 있는 고유한 모델링 기능을 제공합니다.

예를 들어 SEI 분해/생산, 전도성 염 분해, 불화수소 생산 및 음극 분해에 대한 반응을 직접 설정할 수 있습니다 . 위의 열 폭주 테스트를 위한 가져온 반응 예를 참조하세요.

가열-대기-탐색

새로운 모델링 도구를 무장하고 ARC 테스트 시뮬레이션에 적용하여 어떻게 수행되는지 살펴보겠습니다. ARC 테스트에는 Heat-Wait-Seek(HWS)라고 하는 초기 배터리 가열 기간이 포함되며, 이 기간 동안 배터리는 발열 반응이 시작되는지 기다리기 전에 점차 가열됩니다. 이러한 반응이 시작되면 배터리에 더 이상 열이 가해지지 않고 열 폭주가 시작될 때까지 계속 반응/자체 가열됩니다.

리튬이온 배터리의 열적 오용 중 반응과 상 전이의 상호작용을 밝혀내다 https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230881

Simcenter STAR-CCM+ 내부에 이 물리 기능을 갖는 것의 좋은 점은 자동화 기능을 활용할 수 있다는 것입니다. ARC 테스트 프로세스는 스크립팅 없이 Simulation Operations 및 Stages를 사용하여 쉽게 구현할 수 있습니다. 그리고 그 결과는 훌륭합니다.

보시다시피, 우리의 새로운 HMMC 모델은 발열 반응과 열 폭주 모두의 시작을 정확하게 포착할 수 있습니다.

이러한 거동을 정확하게 포착할 수 있게 되면 엔지니어가 설계 프로세스에서 훨씬 일찍 안전하고 비용 효율적인 방식으로 방열판과 같은 효과적인 대책이나 완화 전략을 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 이 시뮬레이션에서 예측된 열 생성은 더 큰 팩 수준 모델에서 정확하게 계산된 열원으로 직접 사용하거나 예측된 배출 가스 구성을 추가 연소 분석에 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션이 배터리 설계 주기에서 얼마나 중요한지에 대한 훌륭한 예입니다.

Simcenter STAR-CCM+ 2502에서 이를 테스트할 때 느껴지는 따뜻하고 기분 좋은 느낌은 열 폭주 현상의 시작이 아니라 , 안전하고 효율적이며 정확한 설계 프로세스의 시작일 가능성이 큽니다.

[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/thermal-runaway-cell-chemistry-cfd/