The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences (한국전자통신학회논문지)

Korea Institute of Electronic Communication Science (한국전자통신학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Evaluation of Heat Transfer Mechanisms and Damage Assessment through Fire Testing of Lithium-Ion Batteries

리튬이온 배터리의 화재 시험을 통한 열 전달 메커니즘 및 손상 평가

  • Received : 2024.06.08
  • Accepted : 2024.08.12
  • Published : 2024.08.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

This study aims to evaluate battery damage and heat transfer mechanisms through fire tests on lithium-ion batteries, and to explore ways to improve the efficiency and safety of battery management systems (BMS). Temperature changes in each sector are measured at points T1, T2, and T3 observing and recording the reactions of surrounding cells for 10 minutes after applying electricity to the ignition electrode. The results show that the batteries in sectors A and B fully ignite, causing severe physical damage, while the batteries in sector C do not ignite and sustain minimal damage. This confirms that the distance between sectors plays a crucial role in reducing ignition and heat propagation. The study suggests that considering the distance between sectors in the design of thermal management systems for lithium-ion batteries can significantly mitigate ignition and heat spread. Future experiments with various battery models and conditions will further propose the ways to enhance the efficiency and safety of BMS.

본 논문은 리튬이온 배터리의 화재 시험을 통해 배터리 손상 및 열 전달 메커니즘을 평가하고, 배터리 관리 시스템(BMS)의 효율성과 안전성을 향상시키기 위한 방안을 모색한다. 각 섹터의 온도 변화는 T1, T2, T3 지점에서 측정하며, 발화 전극에 전기 투입 후 10분 동안 주변 셀들의 반응을 관찰하고 기록한다. 시험 결과, A 섹터와 B 섹터의 배터리는 완전 발화하여 심각한 물리적 손상을 입고, C 섹터의 배터리는 발화되지 않고 큰 손상을 입지 않는다. 이를 통해 섹터 간 간격이 발화 및 열 전파를 저감하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 확인한다. 본 논문은 리튬이온 배터리의 열 관리 시스템 설계 시 섹터 간 간격을 고려하여 발화 및 열 전파를 저감할 수 있는 중요한 설계 요소임을 시사하며, 향후 다양한 배터리 모델과 조건을 통해 추가적인 시험을 수행하여 BMS의 효율성과 안전성을 더욱 향상시킬 방안을 제안한다.

Keywords

Acknowledgement

본 과제(결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다.(2021RIS-002) 이 논문은 2024년도 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 기본사업으로 수행된 연구입니다.(과제번호:K24L3M3C5)

References

  1. J. Y. Joo, Y. J. Lee, K. W. Park, and J. C. Oh, "Battery Level Calculation and Failure Prediction Algorithm for ESS Optimization and Stable Operation," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 15, no. 1, 2020, pp. 71-78. https://doi.org/10.13067/JKIECS.2020.15.1.71
  2. J. H. Lee, J. W. Kim, H. J. Yoon, and W. C. Seo, "Study on-Gas-generating Property Of Lithium Polymer Drone batteries" J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 18, no. 1, 2023, pp. 195-204. https://doi.org/10.13067/JKIECS.2023.18.1.195
  3. S. D. Yeo, C. K. Han, T. I. Cho, K. R. Lee, and S. K. Kim, "A Study on Stable Operation of Li-ion Battery Charging/Discharging System," The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences , vol. 11, no. 4, 2016, pp. 395-402. https://doi.org/10.13067/JKIECS.2016.11.4.395
  4. J. G. Lee, G. M. Bak, E. S. Lee, B. Jin, and Y. C. Bae, "Remaining Useful Life of Lithium-Ion Battery Prediction Using the PNP Model," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 18, no. 6, 2023, pp. 1151-1156. https://doi.org/10.13067/JKIECS.2023.18.6.1151
  5. J. Y. Joo, Y. J. Lee, K. W. Park, and J. C. Oh, "ESS optimization and stable operation for battery level calculation and failure prediction algorithm," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 15, no. 1, 2020, pp. 71-78. https://doi.org/10.13067/JKIECS.2020.15.1.71
  6. H. G. Oh and C. W. Kim, "Developed Stand-alone PMS for ESS Safety Operation," The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences , vol. 14, no. 2, 2019, pp. 351-360. https://doi.org/10.13067/JKIECS.2019.14.2.351
  7. J. Doe, "Study on Tracking Changes in Battery User Patterns Using Linear Regression and ARIMA Models," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 17, no. 3, 2022, pp. 423-431. https://doi.org/10.13067/JKIECS.2022.17.3.423
  8. J. Zhang and J. Lee, "A review on prognostics and health monitoring of Li-ion battery," J. of Power Sources, vol. 196, no. 15, 2011, pp. 6007-6014. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.09.006
  9. S. M. Rezvanizaniani, Z. Liu, Y. Chen, and J. Lee, "Review and recent advances in battery health monitoring and prognostics technologies for electric vehicle (EV) safety and mobility," J. of Power Sources, vol. 256, 2014, pp. 110-124. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.01.085
  10. X. Hu, S. Li, H. Peng, and F. Sun, "A comparative study of equivalent circuit models for Li-ion batteries," J. of Power Sources, vol. 198, 2012, pp. 359-367. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.10.013