심층 연산자 네트워크(DeepONet)를 이용한 리튬이온 배터리 열폭주 예측

정진호,곽은지,김준형,오기용 한국비파괴검사학회 2023 한국비파괴검사학회지 Vol.43 No.2

The development of lithium-ion batteries (LIBs) has rapidly increased owing to their significant advantages. However, LIBs have several concerns related to their safety, including fires and explosions, and they suffer from the thermal runaway phenomenon, which limit their applications. This study proposes a deep operator network (DeepONet) for predicting the thermal runaway phenomenon of LIBs under a variety of thermal operational and abuse conditions. In particular, the DeepONet aims to use the functional mapping derived from a heating curve to predict the evolution of surface temperature and the dimensionless concentrations of the dominant components of LIBs, such as the anode, cathode, electrolyte, and solid-electrolyte interphase. Temperature evolution under various thermal operational and stress conditions was simulated using the high-fidelity finite element analysis (FEA) method, because thermal runaway measurements in batteries are complicated. A comparison of the DeepONet, high-fidelity FEA model, and experimental results revealed that the DeepONet has high accuracy and robustness under various thermal operational and abuse conditions. Moreover, the proposed surrogate model was considerably faster than the FEA model. Thus, the proposed surrogate model is thought to be effective for the thermal, power, and energy management of battery management systems during application. 최근 리튬이온 배터리의 다양한 장점 덕분에 리튬이온 배터리 사용량이 급격히 증가함에 따라 배터리 관련 다양한 사고사례가 급격히 증가하고 있다. 특히 리튬이온 배터리의 열폭주 현상은 폭발 및 화염으로 인하여 인명사고를 유발할 수 있기 때문에 더욱 예측 및 관리가 필요하다. 본 연구는 다양한 열 운전조건 및 남용 조건에서 배터리의 열폭주 현상을 예측하기 위한 심층 연산자 네트워크(DeepONet)를 제안한다. 구체적으로, 제안하는 심층 연산자 네트워크는 배터리에 인가되는 다양한 열 운전조건에 대한 배터리의 온도와 양극, 음극, 전해질 그리고 고체 전해질 계면의 농도 변화를 예측 가능한 모델이다. 본 연구에서 배터리의 열폭주 현상의 측정은 상당히 제한적이기 때문에 본 연구에서는 열폭주 현상을 모사 가능한 정밀한 유한 요소모델을 기반으로 다양한 열 작동 및 남용 조건에서의 데이터를 생성하고 제안 신경망을 학습하였다. 학습된 심층 연산자 네트워크는 실제 열폭주 실험결과 및 다양한 열 운전조건에서의 유한 요소 분석 결과를 통해 정확성과 견고성을 검증하였다. 제안 기법은 데이터 생성을 위해 사용한 정밀 유한요소해석 모델과 비교하여 빠르지만 동일한 정확도를 갖기 때문에, 배터리 관리 시스템에 탑재하여 효과적인 열, 전력 및 에너지 관리에 사용 가능할 것으로 사료된다.

항공기 시스템 열관리 모델링 및 엔진 연료윤활계통 열 부하 특성 분석

김영진(Youngjin Kim),손창민(Changmin Son) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

본 연구에서는 대형 상업용 항공기에 적용 가능한 시스템 레벨 열관리 아키텍쳐를 구성하고, Fuel Thermal Management System 중에서 연료시스템에 대한 모델링을 수행하였다. 상용프로그램인 AMESim을 이용하여 모델링을 수행하였으며, 높은 바이패스 비를 가지는 two-spool, 터보팬 엔진을 대상으로 임무 프로파일에 따른 엔진 연료와 윤활계통과의 열 부하 특성을 확인하였다. 연료시스템의 각 구성품별 시간 변화에 대한 연료의 온도변화 및 연료펌프에서 low Pressure pump와 high pressure pump 사이의 열전달 특성에 따른 low pressure pump 출구의 연료 온도변화 특성을 확인하였다. 연료의 열부하량은 엔진으로 유입되는 연료량에 크게 좌우되며, 연료량이 증가하는 Take Off 및 Climb 구간보다는 연료량이 급격히 감소하는 Descent, Flight Idle, Ground Idle 구간에서 증가하는 것으로 나타났다. 또한, low pressure pump와 high pressure pump 사이의 열전달이 반영되었을 경우 Cruise, Descent 구간에서 low pressure pump의 후단에서의 연료 온도는 각각 11.7%, 30.9% 증가하는 것으로 나타났다. In the present study, an architecture of system level thermal management of a commercial aircraft is built for modeling and simulation of fuel system, which is a key part of Fuel Thermal Management System. The study shows thermal interactions between fuel and engine lubrication oil through the mission profile for a high bypass ratio, two-spool turbofan. For the system modeling, a commercial tool, AMESim is used. Fuel temperature is monitored as it flow through each sub-components of fuel system during the mission. As the low and high pressure pumps are installed in the same housing, it is important to investigate the effect of thermal interaction between low pressure pump and high pressure pump. Heat load in fuel system strongly depends on fuel flow rate and is significantly increased for the periods of take off and climb with increase of fuel flow rate rather than for the periods of descent, flight idle and ground idle. Due to the thermal interaction in pump housing, fuel temperature at the outlet of low pressure pump was increased 11.7%, and 30.9% than the case without thermal interaction for cruise and descent, respectively.

가정용 연료전지 시스템의 열관리 해석을 위한 시스템 운전 모델 개발

유상석(Sangseok Yu),이영덕(Youngduk Lee),안국영(Kookyoung Ahn) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.1

이온교환막 연료전지는 전세계적인 에너지 고갈 문제와 온실효과에 대한 대응책의 하나이다. 특히, 이온교환막 연료전지는 전기화학반응에 의해 전기를 생산함과 동시에 열을 발생하기 때문에 가정용으로 적용하기에 적당하다. 가정용 연료전지의 열관리 목적은 연료전지가 최적조건에서 운전할 수 있도록 적절히 온도를 제어해 주는 것으로, 본 연구에서는 부하 변화 시 가정용 연료전지 시스템의 응답 특성과 열관리 특성을 알아보기 위한 해석 모델을 개발하였다. 열관리 해석 모델은 연료전지의 온도를 조절하기 위한 펌프와 열교환기로 구성된 1차측, 주택에 온수를 공급하기 위한 탱크와 펌프 계통의 2차측으로 구성되었다. 부하를 순차적으로 증가시킬 때와 감소시킬 때를 구분하여 열관리 계통의 응답특성을 확인하였다. 결과적으로 탱크의 초기 승온에 많은 시간이 소요되기 때문에 부하를 다단으로 오랜 시간 동안 서서히 증가시키면서 시스템 응답 특성을 확인하였다. 또한, 본 연구에서는 가정용 연료전지의 부하 변화시의 열관리 특성을 고려한 운전 전략에 대해서도 조사하였다. A PEMFC(proton exchange membrane fuel cell) is a good candidate for residential power generation to be coped with the shortage of fossil fuel and green house gas emission. The attractive benefit of the PEMFC is to produce electric power as well as hot water for home usage. The thermal management of PEMFC for RPG is to utilize the heat of PEMFC so that the PEMFC can be operated at its optimal efficiency. In this study, thermal management system of PEMFC stack is modeled to understand the dynamic response during load change. The thermal management system of PEMFC for RPGFC is composed of two cooling circuits, one for controling the fuel cell temperature and the other for heating up the water for home usage. The different operating strategy is applied for each cooling circuit considering the duty of those two circuits. Even though the capacity of PEMFC system (1kW) is enough to supply hot domestic water for residence, heat-up of reservior takes some hours. Therefore, in this study, time schedule of the simulation reflects the heat-up process. Dynamic responses and operating strategies of the PEMFC system are investigated during load changes.

가정용 연료전지 시스템의 열관리 해석

유상석(Sangseok Yu),이영덕(Youngduk Lee),안국영(Kookyoung Ahn) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.11

A PEMFC(proton exchange membrane fuel cell) is a good candidate for residential power generation to be cope with the shortage of fossil fuel and green house gas emission. The attractive benefit of the PEMFC is to produce electric power as well as hot water for home usage. Typically, thermal management of vehicular PEMFC is to reject the heat from the PEMFC to the ambient air. Different from that, the thermal management of PEMFC for RPG is to utilize the heat of PEMFC so that the PEMFC can be operated at its optimal efficiency. In this study, dynamic thermal management system is modeled to understand the response of the thermal management system during dynamic operation. The thermal management system of PEMFC for RPGFC is composed of two cooling circuits, one for controling the fuel cell temperature and the other for heating up the water for home usage. Dynamic responses and operating strategies of the PEMFC system are investigated during load changes.

하이브리드 자동차의 효율적 배기열회수시스템 개발을 통한 연비 개선

이재헌(Jaeheon Lee),온형석(Hyungseok Ohn),최재형(Jaeyoung Choi),김석준(Seokjoon Kim),민병순(Byungsoon Min) 한국자동차공학회 2011 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2011 No.11

Since the propulsion systems of vehicle have changed from a single energy source based on conventional internal combustion engine to hybrid system including more electrical system such as full type of hybrid electric vehicle or plug-in hybrid electric vehicles, a new transition associated with vehicle thermal management arises. The success of improved fuel economy is the proper integration of thermal management components which are appropriately performed to reduce friction and wasted energy. The thermal management systems of vehicle are able to balance the multiple needs such as heating, cooling, or appropriate operation within specified temperature ranges of propulsion systems. More efficient thermal management systems are required to improve the fuel economy in the hybrid electric vehicles because of the driving of electric traction motor and the increase of engine off time. The decrease of engine operation time may not sustain the proper temperature ranges of engine and gearbox. As an engine starts at low ambient temperature, heat from the wasted heat of exhausted gas can be supplied to engine and gearbox at initial warm-up. This research describes the one of cost effective thermal management solutions recovering exhaust gas heat exchanging system with coolant and gear box oil simultaneously. It is more advantageous to increase the temperature of the engine oil or gear box oil rather than to increase the coolant temperature. Consequently, the experimental result of this system improved 2.5% of fuel economy at UDDS drive cycles. The main benefit using exhaust gas heat recovery system is fuel economy improvement. However, to practically apply recent thermal management technologies in commercial use, not only improved performance for the low energy density but also cost in a viable vehicle package are necessary in general. Developed exhaust gas heat recovery system of integrated heat exchanger type is 6 times more competitive than coolant only type’s and more effective solution than Rankine cycle type’s in passenger vehicle.

냉매 사이클을 이용한 배터리 냉각/승온 시스템 연구

윤태경(Taekyung Yoon),이용찬(Yongchan Lee),박태민(Taemin Park),이순종(Soonjong Lee),이원석(Wonsuk Lee),김연호(Yeonho Kim),김재연(Jaeyeon Kim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

최근 자동차 시장은 환경문제, 에너지 자원 문제 등에 의해 점차 친환경 차량으로 넘어가는 추세에 있으며, 그에 따라 전기자동차(Electric Vehicle)가 미래의 운송수단으로 각광받고 있다. 전기자동차는 충전 또는 방전이 가능한 다수의 2차 전지(Cell)가 하나의 팩(Pack)으로 구성된 배터리를 주 동력원으로 사용하며 이러한 배터리는 크기와 용량에 따라 전기자동차 뿐만 아니라 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)용 배터리 컨테이너에도 적용된다. 이러한 배터리는 충전 또는 방전 시 전력의 크기가 매우 크며, 배터리의 발열량 또한 크다. 배터리의 성능과 수명은 배터리 온도에 영향을 받기 때문에 배터리 성능, 수명향상을 위한 배터리열관리 방안은 에너지 효율 측면에서 매우 중요한 문제이다. 이와 관련하여 당 사는 냉매사이클 내부에서 순환하는 냉매의 상 변화 시에 발생하는 열 에너지를 이용하여 배터리를 효율적으로 승온 또는 냉각 시키도록 하는 시스템을 고안하였고, 해당 시스템을 모듈화 하여 배터리 승온과 냉각 각각의 모드에 따른 성능을 해석을 통해 분석하였다. 배터리열관리 시스템은 압축기(Compressor)와 판형 열 교환기(Plate Heat Exchanger), 사방밸브(4Way Valve), 팽창밸브(Electronic Expansion Valve, EXV), 기액분리기(Accumulator)로 구성되며, 사방밸브의 모드에 따라 판형 열 교환기는 응축기와 증발기의 역할을 번갈아가며 수행하게 된다. 팽창밸브의 개도량과 종류를 변경하여 조건 별 성능해석을 진행하였으며, 이중관(Internal Heat Exchanger, IHX) 유무에 따른 해석결과와 비교분석 하였다. 본 연구는 배터리 용량에 관계없이 공용으로 사용 가능한 배터리열관리 시스템의 모델을 제시하며, 점차 발전하는 배터리 분야에서 열관리에 대한 방안을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

원통형 18650 LiFePO4 배터리의 충⋅방전 주기 동안의 열 거동

정인아,강창우,안성필 대한기계학회 2024 大韓機械學會論文集B Vol.48 No.5

본 연구에서는 2차원 전기-열적 모델을 이용하여 충·방전 주기 동안 원통형 18650 LiFePO4 배터리의 열적 거동을 예측을 수행한다. 강제대류 조건에서 충전율(C-rate)과 배터리 표면에서의 대류 열전달계수를 변화시키며 배터리 내부의 온도 분포를 분석한다. 특정 충 · 방전 횟수 이후 배터리는 일정한 온도 범위를 갖는 정상상태에 도달한다. 충전율(C-rate)이 커지면 배터리 내부 발생열은 증가하며 이는 곧 배터리의 온도 상승으로 이어진다. 반면, 대류 열전달 계수가 커지면 배터리 내부 발생열을 주위로 더욱 효과적으로 소산하여 배터리 온도가 감소한다. 본 연구 결과로 LiFePO4 배터리의 안전한 운용을 위해서 대류 열전달 계수가 최소 10 W/m2K 이상인 강제 대류 조건에서 배터리가 작동되어야 함을 확인할 수 있다. A two-dimensional electro-thermal model is used to predict the thermal behavior of a cylindrical 18650 LiFePO4 battery during charge and discharge cycles. Under a forced convection, current rate and convective heat transfer rate on the surface of the lithium-ion battery are varied to analyze the temperature distributions in the battery. After several charge and discharge cycles, the battery achieves a steady-state with a constant temperature range. The maximum temperature in the battery increases with the increase in the current rate that enhances the heat generation, whereas the increasing convective heat transfer rate reduces the temperature of the battery by dissipating the heat to the surroundings. The thermal behavior shows that the LiFePO4 battery should be operated under forced convection conditions with a convective heat transfer rate of at least 10 W/m2K for safe battery driving.

PRT 차량의 열/유동 해석 및 성능 평가

강석원(Seok-Won Kang),권순박(Soon-Bak Kwon),정락교(Rag-Gyo Jeong),김백현(Baek-Hyun Kim) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.5

수요응답형 순환교통시스템(PRT: Personal Rapid Transit)은 친환경적이고 지속 가능한 개인(혹은 소규모 그룹) 맞춤형 신 교통시스템으로 최근 주목 받고 있다. 한국형 PRT차량은 유도급전에 의해 충전되고 전기모터에 의해 구동된다. 전기 구동 차량의 하부에 있는 주요 기기들의 작동 허용 온도를 유지하고 냉/난방 기기의 효율적인 운영을 통한 실내 열적쾌적성 향상은 차량의 신뢰성 및 성능과 연관된다. 이에 본 연구에서는 차량 하부의 주요 전장품의 열 관리와 실내 쾌적성 평가를 목표로 전산유체역학(CFD) 해석을 수행하였다. 그 결과, 정차 중 급전장치 및 콘덴서로부터 발생하는 열이 축적되어 온도가 급격히 상승하는 문제가 있었고, 이는 전면부의 공기유입구 및 전륜부에 기류유도판을 추가로 설치하여 저감할 수 있었다. 또한, 혹서기/혹한기 조건에서 차량의 초기설계 형상에 대해 냉난방 성능을 평가하였다. The Personal Rapid Transit(PRT) system has recently attracted much attention in future transportation developments due to its possibilities as green and sustainable transport solutions for demandresponsive mobility services. Korean PRT system is an electric vehicle powered by inductive power transfer. Most importantly, the thermal management strategies to maintain an operating temperature as well as to provide optimized thermal comfort to passengers are very challenging, and these issues are related to reliability and system performance. In this study, computational fluid dynamics(CFD) simulations were carried out to assess the thermal performance of the vehicle. As a result, the high thermal loads from pick-up coil and condenser were observed during charging mode, but it was demonstrated that heat accumulation was attenuated by utilizing the flow separator and additional air intake hole. In addition, the predictions of thermal comfort under hot summer and cold winter conditions were performed by evaluation based on the predicted mean vote(PMV) and predicted percentage of dissatisfied(PPD) indices.

멀티 코어 프로세서의 온도관리를 위한 방안 연구 및 열-인식 태스크 스케쥴링

최정환(Jeonghwan Choi) 한국정보과학회 2008 정보과학회논문지 : 시스템 및 이론 Vol.35 No.7·8

최신의 마이크로프로세서 설계에서는 전력 관련 문제들이 중요한 고려사항이 되었다. 온-칩(On-chip) 온도 상승은 이와 관련하여 중요한 요소로 부각 되었다. 이를 적절하게 처리하지 않을 경우 냉각 비용과 칩 신뢰성에 부정적인 결과를 초래한다. 이 논문에서 우리는 시간적/공간적인 핫 스폿(Hot spot) 완화를 위한 설계들과 열 시간 상수, 작업부하 변동, 마이크로프로세서의 전력 분배 사이의 보편적인 상충관계(Trade off)들을 조사한다. 우리의 방안은 작업부하의 실행위치/순서를 변경하고 동시실행 스레드의 수를 조절하여 시스템의 공간 및 시간적인 열 틈새(Heat slack)에 영향을 줌으로써, 운영체계(OS)와 이미 시스템에 존재하는 하드웨어의 지원만으로 적절한 시간제한내에 작업부하를 조절함으로써 온-칩 온도를 낮출 수 있다. Power-related issues have become important considerations in current generation microprocessor design. One of these issues is that of elevated on-chip temperatures. This has an adverse effect on cooling cost and, if not addressed suitably, on chip reliability. In this paper we investigate the general trade-offs between temporal and spatial hot spot mitigation schemes and thermal time constants, workload variations and microprocessor power distributions. By leveraging spatial and temporal heat slacks, our schemes enable lowering of on-chip unit temperatures by changing the workload in a timely manner with Operating System (OS) and existing hardwaresupport.

수소연료전지 자동차 열관리 시스템의 상호 영향도 분석을 위한 실험적 연구

이무연,원종필,조중원,이호성 한국수소및신에너지학회 2011 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.22 No.6

This paper is aiming to estimate the mutual influence of the stack cooling performances with the operation modes of the thermal management system for the hydrogen fuel cell vehicles. The heat capacity of the thermal management system was measured by varying the operating modes such as stack cooling heat exchanger only (Mode 1), stack cooling and electric devices cooling heat exchangers (Mode 2), and stack cooling and electric devices cooling heat exchangers with an operation of the condenser (Mode 3).As the results, Performance of the thermal management system (TMS) at Mode 3 decreased up to 34.0%, compared with the result of the Mode 1. In addition, in order to optimize the performance of TMS, the entropy change of stack cooling heat exchanger using irreversibility analysis technique was analyzed with the relationship between entropy generation and entering air velocity of the thermal management system.