[논문]리튬이온 배터리의 잔여 수명 예측을 위한 다중 건전성 모니터링 지표 연구

권상욱; 김규태; 윤성현; 임철우; 김종훈

문제 정의

이로 인해 CV 충전 영역에서의 건전성 지표는 배터리가 노화될수록 실제 노화 상태와의 오차가 발생하며, 이는 건전성 지표로써 부적합함을 의미한다. 따라서 본 논문은 노화에 따라 비교적 선형적으로 변화하는 CC 충전 구간에서 추출하였고, CC 충전용량 및 충전 시간을 건전성 지표로써 제안한다.
충전 구간은 부하에 따라 변동되는 방전 구간과 다르게 충전방식에 따라 일정하게 충전된다. 따라서 비교적 일정한 조건의 충전 영역에서 건전성 지표 추출이 요구되며, 이에 따라 본 논문은 충전 영역에 한정하여 제안한다.

제안 방법

대용량 배터리 시스템 운용 및 배터리 건전성 예측 및 관리 연구를 위한 사전 연구로써 건전성 지표를 정의 및 구분하고 사이클 노화 데이터를 통해 검증하였다. 향후 연구로써는 실제 어플리케이션에서의 성능 평가 및 온도 데이터를 포함한 건전성 지표 연구가 요구된다.
본 논문에서는 제안한 건전성 지표 성능 검증을 위하여 NMC(Nickel manganese cobalt) 계열의 18650 원통형 배터리 사이클 노화 실험을 진행하였다. 실험 환경 조건은 항온 항습챔버 내부에서 상온(25℃) 조건을 유지하며 진행되었으며, 실험 프로파일의 경우 표 1에 나타난 원통형 배터리 사양에 따라 1C-rate(2.
본 논문은 충전 구간에서의 건전성 지표를 배터리 내부 물리적 특성 반영 여부에 따라 물리적 건전성 지표와 간접적 지표로 나누어 정의하였으며, 총 300 사이클의 원통형 배터리 노화 실험 데이터를 통하여 방전 용량과의 상관관계를 검증하였다.
두 번째 방법은 신호의 통계적 변화량을 통해 노화의 지표로써 나타내며, 전압의 평균값 변화(mean voltage falloff)가 대표적이다. 세 번째 방법은 신호 처리를 통해 노화에 따라 변화하는 신호 특징을 추출하는 방법으로 웨이블릿 변환(Wavelet transform), 정보 엔트로피(Shannon entropy), 샘플 엔트로피(Sample entropy)와 같은 방법이 사용되며, 본 논문은 샘플 엔트로피를 건전성 지표로써 검증 및 제안한다. 샘플 엔트로피는 신호의 외란, 이상 신호와 같은 복잡함(Complexity) 정도를 수치 변환하는 방법으로써, 신호의 복잡함이 적을수록 0에 가까운 값으로 나타난다.
물리적 건전성 지표는 노화에 따라 나타나는 배터리 내부 전기적/화학적 변화를 물리적으로 대변할 수 있는 지표로써, 노화에 따른 충전 전압 곡선과 함께 그림 1에 나타냈다. 제안하는 건전성 지표는 총 2가지로 나눌 수 있으며, 첫 번째는 CC(Constant current) 충전과 CV(Constant voltage) 충전의 관계, 2번째는 부분 충전 용량(Partial charge capacity)이다. 첫 번째 CC 충전과 CV 충전의 경우 노화가 진행될수록 CC 충전 용량은 감소하고, CV 충전용량은 증가하는 경향을 그림 1을 통해 확인할 수 있으며, 이는 배터리 내부 부반응으로 인한 활성 리튬의 감소 및 SEI(Solid electrolyte interphase) 층의 증가로 인한 내부 저항 증가 현상에 기인한다.

대상 데이터

5V까지 만방을 1 사이클로 정의하였다. 총 300 사이클의 실험을 진행하였으며, 262 사이클에서 초기 용량 대비 80%까지 감소하여 수명 임계점(End of life; EOL)에 도달하였다.

데이터처리

그림4, 5에서 나타난 수명 임계 제한선까지 모든 지표가 비교적 선형적으로 감소하거나, 증가하는 경향이 있으며, 수명 임계점 이후로 비선형적으로 분포하는 것을 확인할 수 있다. 건전성 지표의 성능 평가는 방전 용량을 기준으로 진행하였으며, 초기 용량 대비 80%까지 도달하는 262 사이클을 수명 임계점(End of life; EOL)으로 정의하고 수명 임계점까지 건전성 지표 변화량 계산 및 방전 용량을 기준으로 피어슨 상관분석을 진행하였다. 방전 용량 기준 상관분석 결과 물리적 건전성 지표는 0.

성능/효과

첫 번째 방법은 일정 조건에서의 전류, 전압 변화량을 지표로써 사용하는 방법이며, 동일한 전류 조건에서 특정 전압부터 다른 특정 전압까지 일정한 전압 구간에서의 충전 시간(Time interval of equal charging voltage difference; TIECVD), 특정 전압부터 일정한 시간 동안의 전압 변화량(Voltage interval of equal charging time difference; VIECTD), CV 충전 구간에서 일정 시간 동안의 전류 감소량(CV current difference)으로 구분할 수 있다. 두 번째 방법은 신호의 통계적 변화량을 통해 노화의 지표로써 나타내며, 전압의 평균값 변화(mean voltage falloff)가 대표적이다. 세 번째 방법은 신호 처리를 통해 노화에 따라 변화하는 신호 특징을 추출하는 방법으로 웨이블릿 변환(Wavelet transform), 정보 엔트로피(Shannon entropy), 샘플 엔트로피(Sample entropy)와 같은 방법이 사용되며, 본 논문은 샘플 엔트로피를 건전성 지표로써 검증 및 제안한다.
제안하는 건전성 지표는 총 2가지로 나눌 수 있으며, 첫 번째는 CC(Constant current) 충전과 CV(Constant voltage) 충전의 관계, 2번째는 부분 충전 용량(Partial charge capacity)이다. 첫 번째 CC 충전과 CV 충전의 경우 노화가 진행될수록 CC 충전 용량은 감소하고, CV 충전용량은 증가하는 경향을 그림 1을 통해 확인할 수 있으며, 이는 배터리 내부 부반응으로 인한 활성 리튬의 감소 및 SEI(Solid electrolyte interphase) 층의 증가로 인한 내부 저항 증가 현상에 기인한다. 하지만 CV 충전용량의 경우 노화가 진행될수록 용량 감소량보다 저항 증가량에 영향을 받게 되며, 노화 초기 증가 경향에서 감소 경향으로 비선형적으로 변화한다.
9404 이상으로 높은 상관관계를 확인할 수 있으며, 정확한 수치는 표 2에 나타내었다. 표 2에서 나타난 EOL은 초기 대비 수명 임계점에서의 수치를 의미하며, 물리적 건전성 지표는 80% 이하로 변화량이 적은 반면 간접적 건전성 지표는 최대 375% 변화율로 물리적 건전성 지표보다 배터리 노화에 따라 민감하게 변화하는 지표인 것을 확인할 수 있다.

후속연구

대용량 배터리 시스템 운용 및 배터리 건전성 예측 및 관리 연구를 위한 사전 연구로써 건전성 지표를 정의 및 구분하고 사이클 노화 데이터를 통해 검증하였다. 향후 연구로써는 실제 어플리케이션에서의 성능 평가 및 온도 데이터를 포함한 건전성 지표 연구가 요구된다.

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