에너지저장장치의 액침식 냉각소화에 사용되는 절연유체의 냉각성능 관한 연구

A Study on the Cooling Performance of Dielectric Fluids used for Immersion Cooling Extinguishment of Energy Storage Systems

정부의 신재생에너지 보급 확대 정책에 의해 에너지저장장치(ESS)가 급격하게 증가하였으며, 이와 더불어 2018~2020년 동안 다수의 ESS 화재가 발생하였다. ESS 화재는 배터리 셀 수준의 열폭주(Thermal runaway)가 근접한 다른 배터리로 전이되면서 대형 화재로 발전하기 때문에 다양한 냉각기술을 활용하여 열폭주를 차단하는 연구가 진행되고 있다. 최근 주목받고 있는 ESS 냉각기술 중 하나인 액침식 냉각소화는 절연성 냉각유체 내부로 배터리를 침지하여 사용하는 기술로, 질식효과와 냉각효과가 복합적으로 작용한다. 이 연구는 액침식 냉각소화에 사용되는 절연유체(Dielectric fluid)의 냉각성능을 실험하였으며 이를 바탕으로 6 kWh급 배터리 팩을 대상으로 억제 가능한 발열 수준을 분석하였다. 6 kWh급 배터리 팩(셀: 336개)의 발열량은 전산해석을 통해 0.5~1.5C 범위에서 계산하였으며 해석 대상은 21700-50E 원통형 리튬이온배터리이다. 냉각유체로는 유기용매 성분의 NOVEC 7300과 합성 탄화수소인 AC-100 제품을 사용하였다. 실험은 절연유체의 냉각성능을 측정하기 위해 대기조건(25℃, 40% RH)에서 해당 배터리 팩 규모에 맞는 소형 장치(펌프, 라디에이터, 냉각팬)를 사용하였다. 해석 및 실험결과, 방전율 0.5, 1, 1.5C 조건에서 6 kWh급 배터리 팩의 발열량은 각각 158, 302, 427 W로 계산되었고 AC-100과 NOVEC 7300의 냉각성능은 해당 발열량 조건보다 각각 최대 29%, 79% 높았다. 따라서 절연유체를 활용하는 액침식 냉각기술을 적용시 소형 장치만으로도 방전율 1.5C 조건에서 6 kWh급 배터리 팩의 발열을 충분히 제어하였다.