초록 ▼

Ⅰ. 연구의 필요성과 목적
- 리튬이온 배터리 기술의 발전과 응용분야 확대에도 불구하고, 안전성 문제는 여전히 심각한 이슈로서, 발화/폭발 등 지속적인 인적/물적 피해가 발생하고 있다. 2019년 International Battery Seminar& Exhibit에서 발표된 바에 의하면, 최근 5년간 미국 내 리튬배터리 과열/화재 사고가 25,000건 이상에 달하는 것으로 보고되었다 (그림 1 참조).
- 배터리는 충/방전시 내부의 복합적인 화학반응에 의해 에너지를 저장하고 방출하는 “화학 시스템”에 해당한다. 이 과정

Ⅰ. 연구의 필요성과 목적
- 리튬이온 배터리 기술의 발전과 응용분야 확대에도 불구하고, 안전성 문제는 여전히 심각한 이슈로서, 발화/폭발 등 지속적인 인적/물적 피해가 발생하고 있다. 2019년 International Battery Seminar& Exhibit에서 발표된 바에 의하면, 최근 5년간 미국 내 리튬배터리 과열/화재 사고가 25,000건 이상에 달하는 것으로 보고되었다 (그림 1 참조).
- 배터리는 충/방전시 내부의 복합적인 화학반응에 의해 에너지를 저장하고 방출하는 “화학 시스템”에 해당한다. 이 과정에 수반되는 부수적인 반응 등은 배터리 내부의 화학적 상태 변형(전극 표면이나 벌크 구조 등)을 야기하며, 변형의 정도는 배터리의 여러 가지 성능지표(용량, 노화수준, 위험성 등)와 직결되는 요소이다. 예상치 못한 부반응이나 소재의 분해 등이 발생하는 경우, 배터리의 잔여 수명이 감소되고 심각한 안전성 이슈를 유발하기도 한다. 특히 저온/급속충전 조건에서 배터리내 전극 표면에 발생하는 석출 현상은, 지속될 경우 배터리 내부 단락으로 이어지고 이는 발화/폭발의 직접적인 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 따라서 배터리 내부의 화학적 변형을 직접적으로 모니터링 할 수 있다면, 배터리의 상태를 보다 정확하게 진단하고 효과적으로 관리할 수 있을 것이다.
- 그러나 현재의 상용 배터리들은 배터리관리시스템 (BMS) 모듈을 장착하여, 배터리의 전압/전류/온도를 모니터링하고 과전압/과전류 등을 차단하는 등의 전기적 파라미터만을 분석하여 배터리를 관리하기 때문에, 화학적 특성을 반영하지 못하는 방식이라 할 수 있으며, 실사용 환경에서 발생할 수 있는 다이내믹한 화학적 거동을 제대로 반영할 수 없다. 발화/폭발 등을 일으키는 화학적인 불량이나 열화 현상에 전혀 대응할 수 없다.
- 이러한 배터리의 내부 특성을 분석할 수 있는 가장 진보된 기술로서, 교류 임피던스를 이용한 “전기화학 임피던스 분광법 (EIS)”이 있으며, 이를 통해 배터리의 출력저하, 용량감소, 잠재적인 발화/폭발 위험성, 잔여 수명 등을 진단할 수 있음이 밝혀져서, 배터리에 대한 EIS 기술 적용의 필요성이 점차 대두되고 있다. 다만 EIS를 전기차급 배터리 팩 내의 개별 셀에 대해서 측정할 수 있는 기술의 부재로, BMS 기술로서 구현되지는 못하고 있다.
- 또한, 배터리를 전기적/열적 등가회로로 나타내는 기존의 모델링 방식들은, 적용가능한 주파수 범위에 제약이 있으며, 온도/SoC/노화정도에 따른 배터리 내부상태의 변화를 종합적으로 고려하지 못하고 있다. 따라서 SoC/용량/발열량에 대한 대략적인 값을 제공하는 수준에 머무르고 있으며, 화학적 열화 현상 진단에 필요한 정확도를 갖고 있지 않다.
- 전기차급 배터리에서 셀단위의 EIS 정보를 획득할 수 있다면, 등가회로에 의존하지 않는 임피던스 기반 배터리 모델링을 할 수 있게 되고, 그로부터 정확한 배터리 상태 진단이 가능함으로써, 궁극적으로 배터리 내부단락 및 석출 현상에 의한 안전성 이슈에 대한 해법이 될 수 있음.
- 사용 중인 상용 배터리에서 EIS를 측정하고 이를 기반으로 내부단락 및 석출 현상의 진행 정도를 진단하는 기술은, 비파괴적 화학 분석 기술에 해당하며, 그 중요성 측면에서, 배터리 관리기술의 새로운 지평을 여는 학술적으로나 경제적으로 혁신적인 일이라고 할 수 있음.
- 전기차급 배터리에서 EIS를 기반으로 정확한 배터리 모델을 추출하는 기술은, 열관리 및 안전성 측면에 대한 새로운 장을 여는 혁신적이고 도전적인 배터리 관리기술의 탄생을 의미함.

(출처 : 본문 4p)

Abstract ▼

Electric Vehicle (EV) are getting more and mre popular, but the batetries are dangerous and current diagnosis methods often cannot detect failure occuring inside the cells, leading to number of infamous self-ignitions. To address this problem novel diagnosis methods must be intergated in the Battery

Electric Vehicle (EV) are getting more and mre popular, but the batetries are dangerous and current diagnosis methods often cannot detect failure occuring inside the cells, leading to number of infamous self-ignitions. To address this problem novel diagnosis methods must be intergated in the Battery Management System (BMS) of the EV and in the production lines of the battery factories. Among the existing method, two contenders are of interest, Electro-chemical Impedance Spectroscopy, and Themrodynamic anlaysis. These two methods have been tested in laboratory but due to the lack of existing embedded/industry ready solution, these methods are stuck in laboratory. Therefore, this project proposes the development of
1. A prototype of EIS module to embed in a BMS for real-time diagnosis of EV cells.
2. A temperature monitoring algorithm based EIS for EV cells
3. A proof of concept of EIS and thermodynamic based fault diagnosis for EV cells

(source : 보고서 초록 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• Ⅰ. 연구의 필요성과 목적 ... 4
• Ⅱ. 선행연구 혹은 관련연구 ... 5
• Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위 ... 5
• 가. EIS measurement ... 6
• 나. Temperature estimation ... 9
• 다. B. Proposed work ... 10
• 라. Lithium diagnosis ... 12
• Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획 ... 15
• 끝페이지 ... 16