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충전 전압 특성을 이용한 리튬 이온 배터리의 잔존 수명 예측
Remaining Useful Life Prediction of Li-Ion Battery Based on Charge Voltage Characteristics 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.4 = no.331, 2013년, pp.313 - 322  

심성흠 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  강진혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  안다운 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  김선일 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  김진영 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) ,  최주호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과)

초록
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배터리는 최근 여러 분야에서 중요한 에너지원 역할을 하고 있는데, 사용 중 충방전을 거듭하면 용량이 점차 저하되며 초기 대비 80% 이하로 떨어지면 고장으로 간주되므로, 이를 예측하기 위한 수명 예측 기법이 활발히 개발되고 있다. 본 연구에서는 사용중인 배터리에 대해 충전곡선 기울기를 이용하여 배터리의 용량을 평가하고 이를 바탕으로 잔존수명을 예측하는 새로운 방법을 제안하였다. 이 과정에서 발생하는 여러 불확실성을 고려하기 위해 베이지안 접근법에 기반한 파티클 필터 방법을 활용하였고 그 결과 잔존수명을 확률분포로 구하였다. 개발된 방법을 미국 NASA Ames 연구소와 본 연구실에서 직접 수행한 배터리 충방전 시험 데이터에 대해 각각 적용한 결과 충전곡선 기울기가 용량 열화를 잘 나타내며 파티클 필터로 예측된 잔존수명 신뢰구간은 실제 수명을 잘 포함함을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Batteries, which are being used as energy sources in various applications, tend to degrade, and their capacity declines with repeated charging and discharging cycles. A battery is considered to fail when it reaches 80% of its initial capacity. To predict this, prognosis techniques are attracting att...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 8 을 보면 배터리 사이클 초기에는 충전전압곡선의 추이가 그 이후와 많이 다름을 볼 수 있다. 따라서 그 추이가 안정된 이후의 사이클을 첫 번째 사이클로 보고 분석하였다. 충전 전압 곡선의 기울기는 3.
  • 본 연구에서는 EIS 의 문제점을 극복하기 위해 배터리가 사용을 거듭할수록 충방전 시간이 감소한다는 점에 주목하고 이를 통해 용량을 추정하는 보다 쉬운 방법을 조사하였다. 이중에서 방전은 통상 임의 사용조건인 반면, 충전은 대부분 일정한 충전기에서 행해지므로 C-rate 가 고정되는 충전곡선을 대상으로 충/방전 사이클이 진행됨에 따른 충전 전압 곡선을 분석하였으며, #5 배터리의 것을 Fig.
  • 본 연구에서는 배터리 용량을 대변할 수 있는 새로운 특성치인 충전전압 기울기와 파티클 필터 기법을 활용하여 실시간으로 측정되는 데이터로부터 수명을 예측하는 기법을 제안하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 이는 온라인 데이터를 활용하여 모델 파라미터(여기서는 열화모델)를 실시간 추정하는 방법으로 최근 여러 분야에서 활발히 활용되고 있다. 본 연구에서는 이것과 비선형 커브피팅 방식과의 비교를 통해 그 우수성을 판단해보았다. 연구에 사용된 배터리 데이터는 NASA 의 것과 본 연구에서 직접 실험한 것 두 가지를 대상으로 하였다.
  • 본 연구에서는 이러한 기존 연구들의 한계를 극복하기 위해, SOH, 즉 용량을 대변하는 특성치로 충전 곡선의 기울기를 이용하는 새로운 방법을 제안하고자 한다. 이는 배터리 충전 중 전압만 모니터링 하면 쉽게 측정이 가능하므로 기울기와 용량 간의 관계식만 구축되면 편리하게 사용 가능한 방법이다.
  • (14) 이 데이터는 Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 라는 실험 방법을 이용한 임피던스 측정 데이터를 포함하고 있다. 이 실험의 목적은 Fig. 1 과 같이 충/방전 사이클이 진행됨에 따라 임피던스가 변화하는 경향과 Fig. 2 와 같은 임피던스와 용량 사이의 선형적인 관계를 이용하여 배터리의 고장 예측을 수행하는 것이었다. 하지만 이미 언급한 바와 같이 EIS 측정 장비가 매우 고가이고 난이도가 높은 실험 방법이기 때문에 실시간 고장 예측을 적용하기 어려운 접근법이었다.

가설 설정

  • 실제 사용 조건에서 방전의 사용 조건이 다양하다 하더라도 충전은 대부분의 경우 특정한 충전기에서 행해지므로 일정한 C-rate 에서 이루어 질 것이다. 본 연구에서는 방전 조건이 바뀌더라도 충전 조건이 같다면 연구 결과에 큰 영향을 안 줄 것이라는 가정을 하였는데 실제 실험에서는 방전 조건을 다양하게 부여하지 못하였다. 향후의 연구는 일반적인 사용과 같은 방전 조건에서도 이러한 방법이 잘 적용될 수 있는지에 대한 연구가 진행될 것이다.
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참고문헌 (17)

  1. Cho, M., Son, Y. M., Nah, D. B., Kil, S. C. and Kim, S. W., 2010, "Lithium-Ion Batteries for Plug-In Hybrid Electric Vehicle," Journal of Energy Engineering, Vol. 19, No. 2, pp. 81-91. 

  2. Goebel, K., Saha, B., Saxena, A., Celaya, J. R. and Christophersen, J. P., 2008, "Prognostics in Battery Health Management," IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, pp. 33-40. 

  3. Bechhoefer, E., Bernhard, A., He, D. and Banerjee, P., 2006, "Use of Hidden Semi-Markov Models in the Prognostics of Shaft Failure," American Helicopter Society 62th Annual Forum, Phenix, USA. 

  4. Orchard, M. E. and Vachtsevanos, G. J., 2007, "A Particle Filtering Approach for On-Line Failure Prognosis in a Planetary Carrier Plate," International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems, Vol. 7, No. 4, pp. 221-227. 

  5. Bolander, N., Qiu, H., Eklund, N., Hindle, E. and Rosenfeld, T., 2009, "Physics-Based Remaining Useful Life Prediction for Aircraft Engine Bearing Prognosis," Annual Conference of the Prognostics and Health Management Society, San Diego, USA. 

  6. Zhang, J. and Lee, J., 2011, "A Review on Prognostics and Health Monitoring of Li-Ion Battery," Journal of Power Sources, Vol. 196, No. 15, pp. 6007-6014. 

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  8. Chan, C. C., Lo, E. W. C. and Weixiang, S., 2000, "The Available Capacity Computation Model Based on Artificial Neural Network for Lead-Acid Batteries in Electric Vehicles," Journal of Power Sources, Vol. 87, No. 1-2, pp.201-204. 

  9. Widodo, A., Shim, M. C., Caesarendra, W. and Yang, B. S., 2011, "Intelligent Prognostics for Battery Health Monitoring Based on Sample Entropy," Expert Systems with Applications, Vol. 38, pp. 11763-11769. 

  10. Plett, G. L., 2004, "Extended Kalman Filtering for Battery Management Systems of LiPB-based HEV Battery Packs Part 3. State and Parameter Estimation," Journal of Power Sources, Vol. 134, No. 2, pp. 277-292. 

  11. Saha, B., Goebel, K., Poll, S. and Christophersen, J., 2009, "Prognostics Methods for Battery Health Monitoring Using a Bayesian Framework," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 58, No. 2, pp. 291-296. 

  12. He, W., Williard, N., Osterman, M. and Pecht, M., 2011, "Prognostics of Lithium-Ion Batteries Based on Dempster-Shafer Theory and the Bayesian Monte Carlo Method," Journal of Power Sources, Vol. 196, No. 23, pp. 10314-10321. 

  13. Williard, N., He, W., Osterman, M. and Pecht, M, 2011, "Improved SOH Estimation Through Coulomb Counting," BMS Workshop at the Prognostics and System Health Management Conference 2011. 

  14. Saha, B. and Goebel, K., 2007, "Battery Data Set," NASA Ames Prognostics Data Repository, NASA Ames, Moffett Field, CA. 

  15. Richman, J. S. and Moorman, J. R., 2000, "Physiological Time Series Analysis Using Approximate Entropy and Sample Entropy," The American Journal of Physiology Heart and Circulatory Physiology, Vol. 278, No. 6, pp. 2039-2049. 

  16. Xing, Y., Williard, N., Tsui, K.-L. and Pecht, M., 2011, "A Comparative Review of Prognostics-Based Reliability Methods for Lithium Batteries," Prognostics and System Health Management Conference 2011, pp. 1-6. 

  17. Arulampalam, M. S., Maskell, S., Gordon, N. and Clapp, T., 2002, "A Tutotial on Particle Filters for Online Nonlinear/Non-Gaussian Bayesian Tracking," IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 50, No. 2, pp. 174-188. 

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