논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544218318073
[출처] Mina Ma, Yu Wang, Qiangling Duan, Tangqin Wu, Jinhua Sun, Qingsong Wang,
Fault detection of the connection of lithium-ion power batteries in series for electric vehicles based on statistical analysis,
Energy, Volume 164, 2018, Pages 745-756, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.09.047.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
Fault detection of the connection of lithium-ion power batteries in series for electric vehicles based on statistical analysis
원통형 배터리와 같이 수천개를 직병렬로 연결하는 경우에는 셀/모듈 하나하나 버스바와 같이 강건한 도전체로 시스템 설계를 할수가 없습니다. 특히 최근 CTP와 같은경우라고 하면 테슬라처럼 원통배터리를 쓰는 경우 와이어로 연결해야기 때문입니다. 따라서 이런 경우에 직렬연결한 배터리 셀의 물리적 연결성 문제를 진단하고자 하는 논문입니다.
하지만 원통형 배터리를 쓰는 회사가 몇 없을 뿐 아니라, 최근 테슬라도 46800처럼 원통형 셀의 사이즈를 키우고 갯수를 줄여나가고 있는 실정이라 엄청나게 유효한 논문이라고 생각되진 않습니다.
특히 배터리 시스템 충돌안전 법규와 관련해서도 버스바와 같은 강성을 가진 도전체가 유리하기도 하구요 5년전 논문인지라 배터리 업계는 5년만에 많이바뀌었다는게 체감되는 논문이기도 합니다.
하지만 이런식의 접근방식도 있었다.. 과거의 유산이지만.. 혹은 이런 인사이트로 미래에 필요할수도있으니 한번 정리해보고자합니다.
Purpose
근본적으로는 배터리 시스템 내부에 있는 여러 직렬연결된 셀들 중, 물리적으로 연결에 문제가 있는(논문에서는 Virtual Connection이라고 부름) 위치를 진단해내는 논문입니다.
Cross Voltage Checking이라는 방식을 사용하는데, 양산차에 이방식으로 센싱을 다 하기에는 무리가 있지않나..생각되지만, 실제로 퓨즈나 단선체크를 하기위해서 많이 사용되는 기법입니다.
※ Cross Voltage Check
Cross Voltage Check에 관해서는 하기 링크에 잘 정리가 되어있는데요
https://opentextbc.ca/basicmotorcontrol/chapter/crisscross-voltmeter-method/
Crisscross Voltmeter Method – Basic Motor Control
47 Crisscross Voltmeter Method When testing fuses in the power circuit supplying a three-phase motor, we use the crisscross voltmeter method. The horsepower-rated motor contacts must be open and the three-phase disconnect must be closed in order to obtain
opentextbc.ca
간략하게만 정리를 하자면, 하기 그림과 같이 직렬연결된 배터리 셀간에 +,-단자를 Cross로 체크하는 방법입니다.
예를들면, A셀의 +단자와 B셀의 +단자를 찍는것입니다.
만약 A와 B사이의 직렬연결 와이어가 미세하게 끊어졌다고하면 저항이 올라가게되어 Cross Voltage도 올라가는 방식인데
논문에서 활용한 방식에 대해서는 밑에서 더 자세하게 다루어보겠습니다.
Contents
논문의 흐름은 다음과 같습니다.
① 1RC-ECM(Equivalent Circuit Model)을 만들고, 이 모델로 추정한 Reference전압과 셀 센싱전압의 차이를 Z-Score로 정규화하여 통계분석합니다.
그리고, 이를 통해 러프하게 한번 문제가 있을 수 있는 셀들을 걸러냅니다.
② 1번에서 선발한 후보 셀들의 셀전압과 정상셀들의 Coefficient를 계산하고, 이를 통해 Fault Detection을 합니다.
③ dT/dt : 시간당 온도변화율을 지속 모니터링하며, 내부저항 혹은 접촉저항에 문제가 있을 시 다른 셀 대비 온도가 지속상승할것으로 추정합니다. ③에 해당하는 셀들은 다시 ②로 들어가 Fault Detection검증에 들어갑니다.
- 이상셀인지 아닌지 Reference를 찾는 방법 : Cross Voltage Check
Cross Voltage Check는 직접적으로 비정상셀을 진단하기 위해 사용되진 않습니다.
비정상/정상셀의 표본을 만들기 위한 방법으로 활용되는데 전체적인 개념은 상기에 정리한바와 같고
디테일 하게는 하기와 같이 그려보았습니다.
직렬 연결된 배터리 셀들의 같은 전극끼리 저항을 측정함으로써, 배터리 셀의 내부저항 증가에 의한 저항증가인지 매개체의 연결단선 문제인지를 알아냅니다.
직렬연결 중간의 매개체가 Virtual Connecting된다면 저항이 증가하여 인접한 두개셀의 전압이 급격하게 변동하는것을 감지하여 진단하는 논문입니다.
하지만, 셀의 내부저항 증가에의해서 전압이 높게찍힐수도 있습니다.
이 둘을 구분하기 위한 방안으로 인접한 두개 셀의 전압거동을 모니터링하고 둘의 경향성이 비슷한지 확인한다고합니다.
Virtual Connecting에 의한 문제면 인접한 두 배터리 셀의 전압이 함께 이상한 경향성을 띄며 움직일것이고
내부저항증가에 의한것이면 한개 셀만 거동이 이상하게 나올것이기때문입니다.
dT/dt를 분석한 자료도 있는데, 특히 몇번위치의 셀들이 온도변화량이 급격한 것을 볼 수 있습니다.
이또한 Virtual Connection이 원인일수도, 내부저항 증가 혹은 볼트 토크 약화에의한 접촉저항 증가 등 다양한 원인이 존재합니다.
따라서 dT/dt도 Fault Detection에 직접이용하진 않고 1차진단의 용도로만 활용합니다.
Results
2차진단의 Coefficient를 구하는 방법에 대해 구체적으로 정리되어있지 않아 아쉽습니다.
논문의 기조에 따르면 그래프 그려놓고, 그림에서 확인할수있다시피 특정셀의 그래프가 유독튀는것을 확인할수있으니 이걸로 진단하면 된다~라는 식이기 때문입니다.
예를들면, 특정 인접셀의 전압변화가 Mean Voltage 대비 2%이상 전압거동변화가 발생하면 그걸 진단의 기준으로 삼는다던가 이런식으로 어떤 Reference로 잡을 수 있는 기준치에 대해서도 실험분석 및 수식전개를 통해 정해주었으면 좋지않았을까 하는 아쉬움이 남습니다.
참조
[1] Mina Ma, Yu Wang, Qiangling Duan, Tangqin Wu, Jinhua Sun, Qingsong Wang,
Fault detection of the connection of lithium-ion power batteries in series for electric vehicles based on statistical analysis,
Energy, Volume 164, 2018, Pages 745-756, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.09.047.
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