[SAE-2022] Extending the Range of Electric Vehicles Through the Use of a Dual-Chemistry Battery System

논문 전문 : https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2022-01-0704/

[출처] Potter, J., "Extending the Range of Electric Vehicles Through the Use of a Dual-Chemistry Battery System," SAE Technical Paper 2022-01-0704, 2022, https://doi.org/10.4271/2022-01-0704.

 

※ The picture and content of this article are from the original paper.

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[논문요약]
Extending the Range of Electric Vehicles Through the Use of a Dual-Chemistry Battery System

 

SAE에서 나온 논문인데 드물게 실망감을 감출수 없는 논문이였습니다. 근거부족, 논리부족에 제가 생각하기에는 좋은 저널에 Accept되는 여러방법중 하나인 비싼장비로 직접실험을 해본게 거의 Main Focus인듯한 논문이였습니다.

지극히 상식적이고(팩 하나 더 병렬연결로 추가하면 에너지가 늘어나서 주행거리 늘어나는건 당연한데) 근거 없는(일단 효율이 무조건 올라간다고합니다. 이유는 없습니다.) 논문이지만, 아이디어 자체는 최근 OEM들이 선행개발로 많이 시도는 해보고있기에 읽어본 논문입니다.

 

이종 케미컬을 동시에 제어하는 내용입니다. 최근 니켈에 대한 중국의 독점 및 말도안되는 가격상승 때문에 성능이 3원계대비 좋지않음에도 LFP가 각광을 받고있는데요

이런 LFP의 단점을 일부상쇄시키기위해 3원계 배터리시스템과 LFP 배터리시스템을 병렬연결하여 제어하고자 하는 논문입니다.

 

일단 두개 팩을 직렬/병렬연결하면 무조건 단일 팩 대비 손해를 볼수밖에 없습니다. 직접 구현도 해보았고 테슬라 Semi만해도 모델3에 들어가는 팩 4개를 연결해서 쓰는것으로 알고있는데 이건 좋아서 쓰는게 아닙니다. 단지 상용차만을 위한 BSA를 만들기에는 여러가지 문제점들이 존재하기에 원가절감 및 기타 이유들로 쓰는것이지 팩은 직/병렬 연결해서 쓰면 무조건 손해입니다.

 

따라서 이종케미컬의 배터리를 릴레이나 IGBT로 제어해서 만들기보단, 하나의 팩에 넣는 경우는 하기와 같이 있습니다.

https://www.clien.net/service/board/news/16524791

NIO, 하이브리드 셀 (NCM/LFP) 배터리 팩(CTP Type) 출시 : 클리앙

 

Purpose

이종케미컬(LTO,NCM)을 각각 팩을만들어 직/병렬 연결해보며 효율향상에 대해 탐구한 논문입니다.

병렬연결하여 동시에 출력을 내기도하고, IGBT로 제어하며 저온/High C-rate에서는 LTO를 쓰고 중간출력대에서는 NCM을 쓰기도합니다.

 

이렇게 사용하는 이유는 I^2 * R Loss(Thermal Loss)가 줄기때문이라고 하는데요

기존 2병렬 팩을 썼다고 가정하면, 2개팩을 병렬연결하면 결국 4병렬 팩을 쓰는것과 동일하니 동일한 출력을 내기위해 전류가 2배씩 줄어들기때문이라고 합니다.

 

팩 요구전류가 절반이 된건 이종케미컬/병렬보단 셀갯수가 많아졌기 때문

하지만, 이것은 어불 성설입니다. 인버터에서는 [W]단위로 요구를 하는데 동일한 배터리 셀 갯수라고 가정하면 결국

2P100S → 4P50S가 되고 결국 특정 파워를 내기위해서는 각 셀에 요구되는 전류는 동일합니다.

논문 저자의 말처럼 되려면 결국, 2P100S → 4P100S로 쓴다는 것인데 이건 결국 이종케미컬도 병렬연결도 아니고 배터리 셀 갯수가 많아졌기때문입니다.

 

시스템내 전체 셀갯수가 동일하다고 가정하면 결국 요구전류도 동일하다.

 

이런 내용은 전혀 안적혀있고, 해당 논문은 밑도끝도없이 효율이 좋아진다고 적혀있습니다..

이렇게되면 2P100S를 2병렬연결하여 4P100S를 만드는것보다 한개 팩을 4P100S로 만드는게 훨씬 효율이 좋습니다.

굳이 병렬제어를 할필요가 없다 이말이죠.

팩간 밸런싱도 필요하고, 이 둘의 전압대역이 유기적으로 컨트롤이 안될 경우 Surge Current에 의해 릴레이나 스위치가 융착되는 경우도 많습니다. 또한 Master/Slave BMS체제를 유지하게 되면 결국 둘중 더욱 보수적인 방식으로 제어를 해야하기에 충/방전 효율도 떨어지게 됩니다.

 

Contents

LTO/NCM 팩을 병렬연결하여 사용하는데, 저온 및 고출력에 유리한 LTO와 중간대 출력(고에너지성)에서 유리한 NCM의 장점만을 취하여 사용하기 때문이라고 합니다. 

두배터리는 병렬로 연결되며 IGBT로 두 팩간의 전압이 유지가 되도록 유기적으로 조절한다고 합니다.

(시뮬레이션상으론 말이 되나, 실제로도 이렇게 되는지는 의문입니다. 왜냐하면 결국 전류의 흐름은 저항의 크기에도 영향을 받기 마련입니다. 즉, LTO/NCM팩의 저항은 다를텐데 이에따라 충전시 각기다른 비율의 전류가 인가된다면 SOC100%가 되기까지걸리는 시간이 다르게 될것입니다. 물론 팩 용량도 다를꺼구요. 즉, 제어를 불안정하게 하는 요소가 너무 많고 복합적입니다.)

 

조금 다른 얘기긴 하지만, 배터리 팩 병렬연결에 관해 CATL도 EVoGO라는 모듈러 플랫폼을 발표했습니다.

http://www.waterjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=60030 

[중국] CATL, 모듈식 배터리 교체 기능 갖춘 배터리 스왑 솔루션 EVOGO 출시 - 워터저널

팩을 3분할해서 병렬연결로 꼈다뺐다하면서 쓰겠다는건데요, 이 또한 여러가지 제약상황때문에 단일 케미컬의 셀과 동일한 저항의 BSA를 쓰는것으로 추정됩니다.(컨셉만 발표)

이종 케미컬의 셀을 쓴다고 각자의 장점만 취할수있으리라 생각하면 큰 오산입니다. 각자의 단점도 고스란히 반영되는 경우가 많습니다. 예를들면, LFP/NCM 이종케미컬을 쓴다고하면 저온에서는 NCM에만 의존해야할 수 있으며 둘을 동일하게 쓰더라도 보통 LFP가 열화가 많이되기때문에 저SOC에서 내부저항이 급격하게 커져 NCM의 가용범위또한 영향을 받을 수 있습니다. 이외에도 각각의 냉각 회로구성 및 제어는 어떤식으로 할지.. 엄청나게 많은 변수가 고려되는데 그럼에도 주행거리가 늘어나고 효율이 좋다면 할것입니다. 하지만 아닙니다. 이렇게 복잡한 난제들을 모두 헤치고 설령 구현한다고 하더라도 단일케미컬/단일팩을 쓸때보다는 반드시 효율이 낮아집니다.

CATL도 이것을 알고 있을텐데, 전체 운용에서 약간 효율적 손해를 보더라도 Station Swap을 통한 BSA SOH제어/ BaaS(Battery as a Service)/AS 서비스시 모듈 교체 효율향상과 같은곳에서 이득을 보기위해 수행하는것으로 추정됩니다.

즉, 주행거리 및 에너지효율관점에선 Negative인것을 감안한다고 쓰는것입니다. 하지만 해당 논문은 배터리 팩 직/병렬 제어를 넘어 이종케미컬을 쓴다고하는데도 에너지 효율이 20%증가한다고합니다. 이유는 없습니다. 위에서 설명한 I^2*R에서 열적이득을 보기때문이라고 하는데 이또한 셀갯수가 많아서 발생하는 현상일 뿐입니다.

 

뒷부분에서는 팩 직렬연결을 해서도 단일 팩을 쓸때보다 10%정도 주행거리 향상의 이득을 봤다고 되어있는데 이것 또한 말이 안됩니다.

차량의 입장에서보면 400V팩이었다가 800V팩이었다가 왔다갔다 릴레이 제어를 하는상황입니다. 이렇게되면 인버터도 가용전압이라는게 있는데 800V위주로 설계가 되었다면 400V팩만 쓸때는 승압을 하거나 혹은 멀티인버팅을 통에 인버터의 사용전압대역을 내려야하는 상황입니다. 모든 에너지는 변환단계/가공단계가 추가되면 효율이 떨어집니다. (효율이 100%인 에너지변환은 있을수 없기때문) 

이런 부분들에 대해서는 직접적으로 어떻게 구현했는지, 어떤 문제점이 있었는지 "전혀" 논문에 없습니다. 오히려 이런것들을 어떻게 타게해나갔는지가 진짜 논문거리라고 생각하는데요

 

Results

 

여러모로 아쉬움이 많이 남는 논문이였습니다.

이종 케미컬 제어에 SAE에서 올해 나온 따끈따끈한 논문이라 상당히 많은 기대를 했는데,

원리나 근거는 전혀없고, 시뮬레이션/차량제작 해보니까 효율좋던데? 라고만 적혀있는 상황입니다.

정말로 이게 좋다면 왜 전세계 OEM들은 이걸 하지않을까요? 저희도 이기술들의 한계점을 모두 알고있는데 이렇게 눈가리고 아웅식의 결과물만 내놓고 설명과 근거도 부족한 상황이라 읽는데도 상당히 지치고 아쉬웠습니다.

이 논문에서 말하는게 거짓은 아닙니다.

팩 요구전류가 절반이 된건 이종케미컬/병렬보단 셀갯수가 많아졌기 때문

시스템내 전체 셀갯수가 동일하다고 가정하면 결국 요구전류도 동일하다.

 

 

제가 얘기하고싶은건, 2P100S팩을 두개 병렬연결해서 4P100S로 만들어 셀갯수를 2배했기때문에 효율이 올라간것으로 보이는데 이걸 마치 팩 병렬제어/이종케미컬을 써서 이득을 봤다는 식으로 적혀있기 때문입니다.

셀 갯수를 늘려 주행거리가 증대된건 지극히 당연한것이고 이론적으로는 셀갯수가 2배면 주행거리도 100%증가해야되는데 20%증가했다는건 오히려 80%에 해당하는만큼 손해를 보았다고 이해했습니다.

 

참조

 Potter, J., "Extending the Range of Electric Vehicles Through the Use of a Dual-Chemistry Battery System," SAE Technical Paper 2022-01-0704, 2022, https://doi.org/10.4271/2022-01-0704.