논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775316308916
[출처] Williard, Nick & He, Wei & Osterman, Michael & Pecht, Michael. (2013). Comparative Analysis of Features for Determinig State of Health in Lithium-Ion Batteries. International Journal of Prognostics and Health Management. 4. 10.36001/ijphm.2013.v4i1.1437. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.07.036.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
Comparative Analysis of Features for Determinig State of Health in Lithium-Ion Batteries
PHM이라고해서 최근 배터리쪽에서도 많이 주목을 받고있는데요, PHM이라고 직접적으로 부르는 경우는 드물지만 Health Index라고 보시면 되실것같습니다. 배터리 RUL Prediction, Extracting Health Index... 표현방식은 다양하지만 결과적으론 내구예측이나 배터리 이상상태진단과 관련된 연구입니다.
이중, 개인적으론 가장 원시적인 방법이라 판단되는 CCCT/CVCT라는 방법에 관해 직접 실험하며 SOH와의 관계성을 본 논문으로, 10년도 됬고 오래된 논문이라 정리하지않으려했지만 한가지 인사이트를 주는 부분이 있어 적어보게되었습니다.
또한, 최근 눈여겨보고있긴한데 Maryland대학교가 상당히 오래전부터 꽤나 유의미하고 다양한 배터리 연구들을 꾸준히해오고 있는것 같습니다. 유명한 배터리 Open Source 데이터도 Maryland께 많습니다.
Purpose
CCCT(Constant Current Charging Time), CVCT(Constant Voltage Charging Time)을 Health Index로 두어 SOH와의 관계성을 찾아내는 논문입니다. 일단 ESS같은 Passive한 제품이 아닌이상 CC로 컨트롤하는경우는 전혀 없으며, 설령 Multi Step CC로 동작하는 구간이 있더라도, 어디 SOC부터 충전을 시작했느냐에따라 분극이 반응하는 정도와 충전속도가 다르기때문에 항상 0~100%까지 CC-Cutoff voltage CV로 쓰는 제품이 아닌이상 현실적용은 불가능한 논문입니다.
하지만 의외로 CVCT가 SOH와 안맞는 부분이 있는데, 논문에서는 실험적으로 확인했지만 설명력이 떨어져 제가 아는 지식을 기반으로 논문을 재해석하여 Insight를 강제로 얻어보았?습니다.
Contents
논문의 기본적 기조는 심플합니다.
특정 동일한 C-rate로 충전을 하게되면, CC구간동안은 열화될수록 시간이 짧아지게 될것이고(Internal Resistance가 높아지고, Capacity Fading이 발생하기때문에) CVCT또한 길어질것이라고합니다.(CCCT에서 들어가는 용량이 작기때문에 CV에서 더욱 밀어넣을것으로 생각)
제가 인사이트를 얻었다는 부분은 바로 CVCT입니다.
CVCT그래프를 보면, 열화가 됨에 따라 시간이 길어지다가 갑자기 급격하게 시간이 줄어드는 부분이 발생합니다.
이것은 실험데이터이기에 반론의 여지가 없습니다.
이 원인에 대해서 필자는 Thermal Noise나 각종 센싱데이터에서 발생하는 노이즈에의해 이렇게되었다하고 대충 얼버무리며 넘어가는데 제 생각은 다릅니다.
SOH는 본디 SOHc(Capacity SOH)와 SOHr(Internal Resistance SOH)로 구분해야합니다.
그런데 상기와 같은 상황에서는 SOHr 증가량보다 SOHc증가량이 더 큰관계로 열화가 되었음에도 CVCT시간이 늘어나게 된것으로 보입니다.
즉, SOHr이 늘어서 CCCT구간에서 cut-off voltage에 빨리도달해서 용량이 제대로 차지 않았습니다. 이것만 생각하면 뒷부분에서 CV에서 최대한 전류 de-rating하는 속도를 내리며 천천히 꽉꽉채워넣어 CVCT시간이 길어지는게 맞습니다만,
SOHc가 SOHr보다 더 많이 열화되었다면 어떨까요?
즉, 애초에 물을 담을 수 있는 물통의 사이즈 자체가 쪼그라든것입니다.
그러면 CCCT에서 SOHr증가량 때문에 물이 덜담겼다고 하더라도, 물통의 사이즈 자체가 작기때문에 CVCT에서 시간이 줄어들 수도 있게 됩니다.
필자는, SOHr과 SOHc가 동일한 정도만큼 변했을것이다 라는 아카데믹한 명제안에 갖혀있기때문에, 실험결과에 대한 해석을 정밀하게 해내지 못한것 같습니다.
Results
논문의 결론은 이렇습니다.
제가 위에서 설명한 메커니즘때문에 발생한 현상에 의해 CVCT는 SOH의 지표로써 성능이 떨어진다.
하지만 CCCT는 SOH와 관계가 높다. 이것입니다.
SOH는 엄밀하게는 SOHr과 SOHc를 구분해서 제어해야하는데, 그렇지 못할 경우 이 논문과 같은 이해오류를 범할 수 있다는것을 확인할 수 있는, 어쩌면 반면교사같은 인사이트를 주는 논문이였습니다.
참조
[1] Williard, Nick & He, Wei & Osterman, Michael & Pecht, Michael. (2013). Comparative Analysis of Features for Determinig State of Health in Lithium-Ion Batteries. International Journal of Prognostics and Health Management. 4. 10.36001/ijphm.2013.v4i1.1437. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.07.036.
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