[논문]고출력 리튬이온 배터리의 RUL을 위한 내부 파라미터 변화 비교분석

김윤상; 김종훈; 이평연; 장민호

고출력 리튬이온 배터리의 RUL을 위한 내부 파라미터 변화 비교분석
Internal parameter comparative analysis for the RUL of high-power lithium-ion battery 원문보기

김윤상 (조선대학교 전기공학과, 항공우주연구원) , 김종훈 (조선대학교 전기공학과, 항공우주연구원) , 이평연 (조선대학교 전기공학과, 항공우주연구원) , 장민호 (조선대학교 전기공학과, 항공우주연구원)

본 논문에서는 사이즈가 다른 고출력 원통형 리튬이온 배터리의 Remaining Useful Life(RUL)을 방전용량 기반으로 전기적 특성분석을 실시하였다. 우선, 배터리의 충/방전이 계속될 시 용량이 어떻게 변화하는지 실험해보았으며, 만충 전압(Fully Charged)에서 만방 전압(Fully Discharged) 까지의 각각의 State-Of-Charge(SOC)에서 Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) Test를 이용해 충전 저항과 방전 저항을 구하여, 용량과 저항의 관계를 파악하였으며, 배터리 RUL을 알기 위한 기본 정보를 확보했다.

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문제 정의

배터리의 수명 예측에 가장 중요한 부분인 용량에서 알아보겠다. 최초의 셀의 용량은 만충 상태에서 만방 상태까지 일정한 전류로 방전을 실시했을 때 방전 전류의 총량을 말한다.
충/방전을 계속 하게 되면 배터리의 사용가능한 용량이 줄어들게 되며,내부 저항이 증가하게 되어 출력이 줄어드는 경향을 보인다. 본 연구에서는 사이즈가 다른 3가지의 배터리 단위셀을 이용하여 각각 얼마나 용량 및 저항이 감소/증가하는 지를 확인해 보았다. 출력 및 배터리의 최적의 사용을 위해 수명 예측은 굉장히 중요한 비중을 두고 있다.

제안 방법

출력 및 배터리의 최적의 사용을 위해 수명 예측은 굉장히 중요한 비중을 두고 있다. 그로써 사이즈가 다른 배터리 단위셀을 이용하여 RUL을 위한 기본적인 정보를 얻고 전기적 특성을 알아보았다.
배터리의 SOC에 따라서 충/방전 저항이 다르기 때문이다. 배터리 18650-HE2, 21700-30T, 26650-MNKE 총 3가지 크기가 다른 셀을 이용하여 SOC 90-10[%] 까지 10% 단위로 각각의 충/방전 저항을 HPPC Test로 구하였다. 밑의 표 5는 내부 저항이 가장 조금 증가한 21700-30T를 예시로 하였다.
만충과 만방은 배터리에 무리가 되지 않는 범위 안에서 사용할 수 있는 에너지를 최대로 받은 상태/내보낸 상태를 말한다. 본연구에서는 18650-HE2, 21700-30T, 26650-MNKE 총 3가지 셀에 1 [C-rate] 로 충/방전을 실시 했으며, 표 2 는 다음과 같은 셀의 C-rate별 전류를 나타낸다. 여기서 C-rate는 정격 전류로 충/방전을 실시 하였을 때 만충/만방에서 만방/만충에 까지 1시간이 걸리는 정격 전류 값을 1 [C-rate]라 한다.
사이즈가 다른 고출력 원통형 리튬 이차전지를 가지고 충/방전 Test와 HPPC Test 통하여 배터리의 RUL의 기본정보를 알아보았다. 충/방전이 진행되는 동안 용량은 점차적으로 감소하는 것을 볼 수 있었으며, 내부 저항도 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

배터리 18650-HE2, 21700-30T, 26650-MNKE 총 3가지 크기가 다른 셀을 이용하여 SOC 90-10[%] 까지 10% 단위로 각각의 충/방전 저항을 HPPC Test로 구하였다. 밑의 표 5는 내부 저항이 가장 조금 증가한 21700-30T를 예시로 하였다.
배터리의 수명을 나타내는 State Of Health(SOH)는 State-Of Charge(SOC)와 같이 배터리의 동작 성능을 알아볼 수 있다. 본 연구는 18650-HE2, 21700-30T, 26650-MNKE 총 3가지 크기가 다른 셀을 이용하여 만충/만방전을 실시하여 용량을 구하였으며, 셀의 기본 정보는 표1 과 같이 나타내었다.

성능/효과

그림 1, 2, 3을 보면 Cycle에 따라서 용량이 점차 감소하는 그래프를 보이고 있다. 200사이클을 적용한 셀 용량의 변화율을 보면 26650-MNKE 가 충/방전에 따라 용량이 조금 줄어드는 모습을 볼 수 있었다.
충/방전이 진행되는 동안 용량은 점차적으로 감소하는 것을 볼 수 있었으며, 내부 저항도 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 용량 면에서는 26650-MNKE 배터리 단위셀이 우수 하였으며, 내부 충전 저항의 면에서는 21700-30T 배터리 단위셀이 우수 하였다. 배터리의 출력 및 수명이 사이클에 영향을 받고 그로써 RUL 및 수명예측을 분석 할 수 있었다.
사이즈가 다른 고출력 원통형 리튬 이차전지를 가지고 충/방전 Test와 HPPC Test 통하여 배터리의 RUL의 기본정보를 알아보았다. 충/방전이 진행되는 동안 용량은 점차적으로 감소하는 것을 볼 수 있었으며, 내부 저항도 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 용량 면에서는 26650-MNKE 배터리 단위셀이 우수 하였으며, 내부 충전 저항의 면에서는 21700-30T 배터리 단위셀이 우수 하였다.

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