본 연구에서는 철도 터널 화재상황 시 고온 열환경에서 승객 대피 임무를 수행하는 피난관제 로봇의 핵심 부품인 리튬이온배터리의 열안전성을 평가하기 위해 시뮬레이션 기법을 사용하였다. 실제 리튬이온배터리 셀로부터 시뮬레이션에 필요한 열적·전기화학적 파라미터 값을 추출하고, 이를 기반으로 개발된 단위 셀 및 모듈 단위의 3D 열-전기화학 모델(Thermo-Electrochemical Model)을 개발하였다. 철도 터널 화재 시 약 250 °C의 고온 노출 상황을 가정하고 리튬이온배터리의 열안전성을 분석하기 위하여 열폭주(Thermal Runaway, TR) 전 단계인 자가발열단계 (Self-Heating Stage, SHS)의 기준온도에 도달하는 시간을 개발 모델로 예측하였다. 특히, 본 연구에 사용된 피난관제 로봇이 250 °C 외부온도에 노출되었을 때 배터리 셀이 SHS 기준온도(132 °C)에 도달하는 데까지 약 4 분이 걸리는 것으로 계산되었고, 이는 실제 화재 상황에서 승객 대피 임무를 수행하는데 매우 부족한 시간이라 볼 수 있다. 따라서, 본 연구는 철도터널용 피난관제 로봇의 전지부 열안전성 확보를 위한 리튬이온배터리 셀 및 모듈의 모델링 플랫폼을 제공하고자 한다.

In this study, a simulation technique was used to evaluate the thermal safety of a lithium-ion battery (LIB)—a core component of an evacuation guide robot designed to perform passenger evacuation missions in high-temperature environments during railway tunnel fires. Thermal and electrochemical parameters required for the simulation were extracted from a physical LIB cell, and 3D thermo-electrochemical models for both unit cells and modules were developed. Assuming an exposure to a high temperature of approximately 250 °C during a tunnel fire, the time required to reach the self-heating stage (SHS) temperature—the pre-thermal runaway stage—was calculated through simulation to analyze the LIB’s thermal safety. The results indicated that when the evacuation guide robot was exposed to an ambient temperature of 250 °C, it took approximately 4 minutes for the battery cell to reach the SHS reference temperature (132 °C), representing a very short window to complete passenger evacuation in an actual fire scenario. Therefore, this work provides a useful prognostic thermo-electrochemical model platform to ensure the thermal safety of LIB systems in railway tunnel evacuation guide robots.