리튬계열 전지는 다른 이차전지에 비해 평균전압 및 에너지 밀도가 높으며 가볍고 수명이 긴 장점으로 인해 휴대용 전자기기에 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 전기 자동차용으로 높은 수요가 예측되고 있다. 전기 자동차용 리튬 전지의 경우 운행 가능 거리의 정확한 계산이 요구되며, 또한 크랭킹이 불가능한 상태로 방전이 되지 않아야 하므로 충전상태에 대한 정확한 정보는 신뢰성 있는 운전을 위한 필수적인 요소가 된다. 본 논문에서는 AC 임피던스를 이용하여 리튬 폴리머 전지의 충전상태(SOC: State of Charge)를 추정하는 새로운 방법에 관해 제안한다. 제안된 방법에서는 주파수 별로 측정된 임피던스를 등가 임피던스 모델에 커브 피팅하여 파라미터를 추출하고, 추출된 파라미터를 이용하여 충전상태를 추정하였다. 제안된 방법에 의해 추출된 파라미터를 통해 리튬전지의 SOC 추정이 가능함을 증명하였고, 다수의 제조사에서 제작된 비슷한 용량의 리튬 폴리머 전지를 대상으로 한 실험을 통해 제안된 방법의 유용함을 검증하였다.
리튬계열 전지는 다른 이차전지에 비해 평균전압 및 에너지 밀도가 높으며 가볍고 수명이 긴 장점으로 인해 휴대용 전자기기에 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 전기 자동차용으로 높은 수요가 예측되고 있다. 전기 자동차용 리튬 전지의 경우 운행 가능 거리의 정확한 계산이 요구되며, 또한 크랭킹이 불가능한 상태로 방전이 되지 않아야 하므로 충전상태에 대한 정확한 정보는 신뢰성 있는 운전을 위한 필수적인 요소가 된다. 본 논문에서는 AC 임피던스를 이용하여 리튬 폴리머 전지의 충전상태(SOC: State of Charge)를 추정하는 새로운 방법에 관해 제안한다. 제안된 방법에서는 주파수 별로 측정된 임피던스를 등가 임피던스 모델에 커브 피팅하여 파라미터를 추출하고, 추출된 파라미터를 이용하여 충전상태를 추정하였다. 제안된 방법에 의해 추출된 파라미터를 통해 리튬전지의 SOC 추정이 가능함을 증명하였고, 다수의 제조사에서 제작된 비슷한 용량의 리튬 폴리머 전지를 대상으로 한 실험을 통해 제안된 방법의 유용함을 검증하였다.
Lithium batteries are widely used in mobile electronic devices due to their higher voltage and energy density, lighter weight and longer life cycle compared to other secondary batteries. In particular, high demand for lithium batteries is expected for electric cars. In case of lithium batteries used...
Lithium batteries are widely used in mobile electronic devices due to their higher voltage and energy density, lighter weight and longer life cycle compared to other secondary batteries. In particular, high demand for lithium batteries is expected for electric cars. In case of lithium batteries used in electric cars, driving distance must be calculated accurately and discharging should not be done below the level of making it impossible to crank. Therefore, accurate information about state of charge (SOC) becomes an essential element for reliable driving. In this paper, a new method of estimating the SOC of lithium polymer batteries by using AC impedance is proposed. In the proposed method, parameters are extracted by fitting a curve of impedance measured at each frequency on the equivalent impedance model and extracted parameters are used to estimate SOC. Experiments were conducted on lithium polymer batteries with similar capacities made by different manufacturers to prove the validity of the proposed method.
Lithium batteries are widely used in mobile electronic devices due to their higher voltage and energy density, lighter weight and longer life cycle compared to other secondary batteries. In particular, high demand for lithium batteries is expected for electric cars. In case of lithium batteries used in electric cars, driving distance must be calculated accurately and discharging should not be done below the level of making it impossible to crank. Therefore, accurate information about state of charge (SOC) becomes an essential element for reliable driving. In this paper, a new method of estimating the SOC of lithium polymer batteries by using AC impedance is proposed. In the proposed method, parameters are extracted by fitting a curve of impedance measured at each frequency on the equivalent impedance model and extracted parameters are used to estimate SOC. Experiments were conducted on lithium polymer batteries with similar capacities made by different manufacturers to prove the validity of the proposed method.
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문제 정의
따라서, 이 두 가지 방법은 모두 많은 계산량과 제한적인 신뢰성 때문에 실제 시스템에서는 거의 사용되지 않고 있다. 본 논문에서는 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 리튬 폴리머 전지의 충전상태를 추정하는 새로운 방법을 제안하였고 다수의 제조사에서 제작된 비슷한 용량의 리튬 폴리머 전지를 대상으로 한 실험을 통해 제안된 방법의 유용함을 검증하였다.
여기서는 다수의 제조사에서 만들어진 리튬 폴리머 배터리를 이용한 실험을 통해 전하전송저항(Rct)이나 시정수를 이용하여 SOC의 추정이 가능함을 검증하여 동일한 방법을 제조사에 관계없이 적용할 수 있음을 확인하기 위한 실험을 실시하였다.
향후 휴대용 전자기기를 비롯하여 하이브리드 자동차 또는 순수 전기 자동차등의 응용에 광범위한 사용이 기대되는 리튬 폴리머 전지의 충전상태 추정하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 EIS실험을 통해 배터리의 AC 임피던스 스펙트럼을 측정하고 등가모델을 이용해 파라미터를 추출하였고 모델의 파라미터와 SOC와의 상관관계를 분석하였다.
제안 방법
2V 및 3V로 BNK사 배터리과 동일하고, 공칭용량은 각각 1800mAh 및 1350mAh이다. 두 제조사 배터리의 정격용량을 알기 위해 앞 절에서 서술한 방법으로 충/방전 실험을 실시하여 정격용량을 확인하였고, 이를 기준으로 방전시간에 따라 리튬 폴리머 배터리의 충전상태를 계산하였다. EIS를 이용하여 측정된 임피던스 스펙트럼은 그림 4의 등가회로를 이용해 커브피팅 하여 등가회로의 파라미터를 추출하였다.
등가회로의 파라미터 값을 이용하여 배터리의 SOC 를 추정하기 위해 SOC에 따른 Rct와 시정수의 변화를 3차식으로 근사화하였다. 각 제조사별 리튬 전지의 SOC에 따른 Rct와 시정수의 변화에 대한 추세선의 정확도는 최소 자승법을 통해 계산한 결과 98%이상의 정확도를 보임을 확인하였다.
리튬 폴리머 배터리의 등가회로는 여러 종류가 있지만 본 논문에서는 앞서 설명한 부동화(Passivation) 현상, 전하전송(Charge Transfer) 현상, 확산(Diffusion) 현상을 각각 나타내는 ZARC(Rf//Qf), Rct//Cdl병렬회로 그리고 ZW와 내부저항 RΩ를 포함하는 등가회로를 이용하여 리튬 폴리머 배터리의 임피던스 스펙트럼을 분석하였다(그림 4).
임피던스 측정 실험은 상온(25℃)에서 진행하였고 매 20%의 충전 단계 별로 20%∼100%의 범위에서 실험을 진행하였다. 매 충전단계 마다 2시간의 방치 기간을 갖고 EIS실험을 통해 AC 임피던스를 측정하였다.
먼저 전지의 정격용량을 확인하기 위한 충 방전 실험을 진행하였다. 충전 최대 전압 4.
배터리의 AC 임피던스 스펙트럼을 얻기 위한 실험 장비로 BPS 1000FL 을 사용하였으며, 임피던스의 측정은 10mHz∼1kHz 사이의 주파수에서 진행되었다.
2V의 정전압 모드로 변경하여 전류가 0A에 도달할 때까지 충전하는 CC-CV 충전법을 통해 배터리를 충전하였다. 이후 IEC 62133규정에 의거하여 리튬 폴리머 배터리를 0.2C의 정전류로 최대전압 4.2V에서 방전종지전압 3.0V까지 방전하면서 전하량을 측정하였다. 충전과 방전사이의 방치기간은 2시간으로 정하여 실험을 진행하였고, 정격용량에 이르지 못할 경우 5차례까지 충 방전을 실시하여 측정된 값 중 최대값을 정격용량으로 산정하였다.
임피던스 측정 실험은 상온(25℃)에서 진행하였고 매 20%의 충전 단계 별로 20%∼100%의 범위에서 실험을 진행하였다.
향후 휴대용 전자기기를 비롯하여 하이브리드 자동차 또는 순수 전기 자동차등의 응용에 광범위한 사용이 기대되는 리튬 폴리머 전지의 충전상태 추정하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 EIS실험을 통해 배터리의 AC 임피던스 스펙트럼을 측정하고 등가모델을 이용해 파라미터를 추출하였고 모델의 파라미터와 SOC와의 상관관계를 분석하였다. 분석한 결과 Time Constant를 이용하면 리튬 폴리머 전지의 SOC를 정확히 추정할 수 있음을 알 수 있었으며, 서로 다른 제조사가 만든 배터리에 문제없이 적용되어 98% 이상의 정확도로 SOC를 추정할 수 있음을 보였다.
먼저 전지의 정격용량을 확인하기 위한 충 방전 실험을 진행하였다. 충전 최대 전압 4.2V까지 1C의 정전류 모드로 충전을 하고 이 후 4.2V의 정전압 모드로 변경하여 전류가 0A에 도달할 때까지 충전하는 CC-CV 충전법을 통해 배터리를 충전하였다. 이후 IEC 62133규정에 의거하여 리튬 폴리머 배터리를 0.
0V까지 방전하면서 전하량을 측정하였다. 충전과 방전사이의 방치기간은 2시간으로 정하여 실험을 진행하였고, 정격용량에 이르지 못할 경우 5차례까지 충 방전을 실시하여 측정된 값 중 최대값을 정격용량으로 산정하였다.[18] 실험에 사용된 전지는 BNK에서 제작된 상용 리튬 폴리머 전지로 공칭 전압, 최대전압, 방전종지전압 및 공칭용량은 각각 3.
대상 데이터
충전과 방전사이의 방치기간은 2시간으로 정하여 실험을 진행하였고, 정격용량에 이르지 못할 경우 5차례까지 충 방전을 실시하여 측정된 값 중 최대값을 정격용량으로 산정하였다.[18] 실험에 사용된 전지는 BNK에서 제작된 상용 리튬 폴리머 전지로 공칭 전압, 최대전압, 방전종지전압 및 공칭용량은 각각 3.7V, 4.2V, 3V 및 1600mAh이다.
실험 대상 배터리로는 Aenergy 및 Sony사 배터리 중 BNK사 배터리과 비슷한 용량의 상용 리튬 폴리머 배터리를 선정하였으며, 공칭 전압, 최대전압 및 방전 종지전압은 3.7V, 4.2V 및 3V로 BNK사 배터리과 동일하고, 공칭용량은 각각 1800mAh 및 1350mAh이다. 두 제조사 배터리의 정격용량을 알기 위해 앞 절에서 서술한 방법으로 충/방전 실험을 실시하여 정격용량을 확인하였고, 이를 기준으로 방전시간에 따라 리튬 폴리머 배터리의 충전상태를 계산하였다.
성능/효과
BNK사 배터리의 경우 SOC의 변화에 따른 Rct파라미터나 시정수의 변화 추세를 이용하여 SOC를 추정할 수 있음을 확인하였다.
Re(Z)≈0.75mΩ정도에서 임피던스 스펙트럼이 실수축과 교차하는 것을 확인할 수 있으며, 1kHz∼20Hz의 주파수 범위에서 작은 반원이 하나 존재하고, 20Hz∼0.1Hz의 주파수 범위에서 또 하나의 큰 반원이 존재하는 것을 확인 할 수 있다.
와 시정수의 변화를 3차식으로 근사화하였다. 각 제조사별 리튬 전지의 SOC에 따른 Rct와 시정수의 변화에 대한 추세선의 정확도는 최소 자승법을 통해 계산한 결과 98%이상의 정확도를 보임을 확인하였다. 따라서, 이 추세선의 수식을 이용하면 리튬 폴리머 배터리의 SOC를 정확히 추정할 수 있음을 알 수 있다.
1Hz의 주파수 범위에 큰 반원이 나타나는 형태이다. 두 배터리도 방전이 진행됨 에 따라 임피던스 플롯의 작은 반원은 그 크기에 큰 변화가 없었고 큰 반원의 반경이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 0.1Hz보다 작은 주파수에서는 와버그 임피던스가 나타나 BNK사 배터리의 임피던스와 형태가 매우 유사함을 알 수 있다.
또한, 파라미터의 SOC별 추세선을 수치 해석적으로 도출하였는데 각 파라미터와 SOC와의 관계를 비교해본 결과, 그림에 표시된 바와 같이 전하전송저항(Rct) 단독으로 SOC의 추정이 가능하며, 전하전송저항과 전기이중층 커패시턴스의 곱인 시정수를 이용하여서도 정확한 SOC의 추정이 가능함을 알 수 있다.
파라미터 및 시정수와 SOC와의 관계를 그림 7과 같이 그래프로 나타내보았다. 분석 결과 3개 제조사 모두 Rct의 파라미터와 SOC와의 관계가 비슷한 추세를 보임을 알 수 있으며, Rct와 Cdl의 곱인 시정수를 이용하여서도 SOC를 추정할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 그림에서 보듯이 Rct만을 이용하는 것 보다 시정수를 이용할 경우 SOC별 파라미터 값의 변화가 더 뚜렷하여 추정의 정확도를 더욱 높일 수 있음을 알 수 있다.
제안된 방법은 EIS실험을 통해 배터리의 AC 임피던스 스펙트럼을 측정하고 등가모델을 이용해 파라미터를 추출하였고 모델의 파라미터와 SOC와의 상관관계를 분석하였다. 분석한 결과 Time Constant를 이용하면 리튬 폴리머 전지의 SOC를 정확히 추정할 수 있음을 알 수 있었으며, 서로 다른 제조사가 만든 배터리에 문제없이 적용되어 98% 이상의 정확도로 SOC를 추정할 수 있음을 보였다. 추후 제안된 방법을 구현하기 위한 간단한 하드웨어를 개발하고 알고리즘을 간략화 하여 실제 배터리에 적용 가능한 회로 및 알고리즘을 개발할 계획이다.
충전 상태별 임피던스를 관찰해보면, 리튬전지의 SOC가 줄어드는 경우 작은 반원은 그 크기가 거의 변하지 않고 일정한 반면, 큰 반원은 그 반경이 점점 커지는 것을 확인 할 수 있다. 이것은 전지의 방전이 진행됨에 따라 내부 임피던스가 커짐에 따라 나타나는 현상이며, 따라서 등가 임피던스 모델에서 저주파 영역의 반원을 나타내는 등가 임피던스 회로의 파라미터를 추출하여 분석하면 충전 상태를 추정 할 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
분석한 결과 Time Constant를 이용하면 리튬 폴리머 전지의 SOC를 정확히 추정할 수 있음을 알 수 있었으며, 서로 다른 제조사가 만든 배터리에 문제없이 적용되어 98% 이상의 정확도로 SOC를 추정할 수 있음을 보였다. 추후 제안된 방법을 구현하기 위한 간단한 하드웨어를 개발하고 알고리즘을 간략화 하여 실제 배터리에 적용 가능한 회로 및 알고리즘을 개발할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
리튬계열 전지의 장점은?
리튬계열 전지는 다른 이차전지에 비해 평균전압 및 에너지 밀도가 높으며 가볍고 수명이 긴 장점으로 인해 휴대용 전자기기에 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 전기 자동차용으로 높은 수요가 예측되고 있다. 전기 자동차용 리튬 전지의 경우 운행 가능 거리의 정확한 계산이 요구되며, 또한 크랭킹이 불가능한 상태로 방전이 되지 않아야 하므로 충전상태에 대한 정확한 정보는 신뢰성 있는 운전을 위한 필수적인 요소가 된다.
전류 적산법의 단점은?
이차전지 충전상태의 추정을 위해 많이 사용되는 방법은 전류 적산 (Coulomb Counting)법이며 배터리의 충/방전 전류를 적산하여 충전량을 계산하는 방법이다. 정확한 전류센서가 사용되면 매우 정확하고 신뢰성 있는 정보를 얻을 수 있으나 이 방법은 큰 값의 충/방전 전류가 매우 짧은 시간 동안 교차하는 동적 시스템에서는 오차가 누적 되어 적용이 어렵게 되는 단점이 있다.[5]
전기 자동차용 리튬 전지의 요구사항은?
리튬계열 전지는 다른 이차전지에 비해 평균전압 및 에너지 밀도가 높으며 가볍고 수명이 긴 장점으로 인해 휴대용 전자기기에 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 전기 자동차용으로 높은 수요가 예측되고 있다. 전기 자동차용 리튬 전지의 경우 운행 가능 거리의 정확한 계산이 요구되며, 또한 크랭킹이 불가능한 상태로 방전이 되지 않아야 하므로 충전상태에 대한 정확한 정보는 신뢰성 있는 운전을 위한 필수적인 요소가 된다. 본 논문에서는 AC 임피던스를 이용하여 리튬 폴리머 전지의 충전상태(SOC: State of Charge)를 추정하는 새로운 방법에 관해 제안한다.
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