논문 전문 : https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0501802jes
[출처] Citation X. Feng et al 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A155DOI 10.1149/2.0501802jes https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104182.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
Analysis on the Fault Features for Internal Short Circuit Detection Using an Electrochemical-Thermal Coupled Model
최근 제가 생각하고 있는 연구방향성과 꽤나 흡사한 방식을 정리한 논문입니다.
저는 근본적으로 모델링을 믿지 않습니다. 화학에 대한 정확한 모델링은 현재까지의 기술력으론 할 수 없습니다. 원자단위의 움직임부터 불확실성까지 모델링을 해야하기에 사실상 배터리를 완벽하게 실제와 동일한 디지털 트윈을 구성한다는것은 이세상의 불확실성을 모두 수식으로 정리할 수 있다는 말과 동의어이기 때문입니다.
따라서, 연구자들은 "그래도 최대한 현실에 가깝게"를 모토로 모델링을 하고있습니다.
해당 논문 또한 그런 연구방법론 중 하나로, 배터리의 전기화학 모델과 열모델을 Coupling하여 시뮬레이션을 했을때 실제 배터리 셀 실험결과와 유의미한 수준으로 흡사한지 확인하고, 이를 통해 Fault Features에 대해 시뮬레이션값으로 분석하는 논문입니다.
Purpose
해당 논문은 고해상도 이미지를 제공하지 않기에, 직접 논문을 읽어야 확인가능한 내용입니다만,
상기 이미지가 전체적인 연구개요를 나타내고 있습니다.
1단계 : 배터리 셀 모델링(전기화학/열 Coupling)
2단계 : 배터리 ISC(Internal Short Circuit) 시뮬레이션 및 실제 실험을 통한 정합성 확보
3단계 : Fault Detecting (Health Index) 시뮬레이션을 통한 이상 진단 성능 확인
즉, 짧게는 현실과 동일한 수준의 배터리 모델을 구현하여, 실제 실험대신 시뮬레이션으로 Health Index(이하 HI)인자들에 대한 검증을 하겠다는 것입니다.
Contents
디테일하게는 3D Modeling으로 배터리 발열량 모델과 전기화학 모델을 Coupling 시킵니다.
Electrode나 Electrolyte에 관해 화학적 해석을 통한 미분방정식을 수립하는것은 일반적인 모델입니다만, 해당 논문에서 눈여겨봐야 할 부분은 "Internal Short Circuit"을 반영 했다는 점입니다.
물론 원시적인 방법이긴 합니다만, 뾰족한 수가 없기에 진행함에 있어 이견은 없습니다.
열모델의 수식을 자세히보면 R_ISC라고 해서 Internal Short Circuit 저항의 발열량을 따로 구해주고 있습니다. 즉, 일부로 ISC에 대한 저항을 따로 만들어 둠으로써 ISC가 생길꺼라고 가정을 해버리고 모델링을 진행하는 방법입니다.
모델링 뿐만 아니라, 이에 대한 R_ISC정합성 검증을 위해 실제 배터리 셀에도 여러가지 저항체를 직접연결하여 충방전을 실시하였습니다.
이 R_ISC는 시뮬레이션과 실제 실험시 Switch를 달아서 ON/OFF 제어를 한다고 합니다. 즉, ISC의 발생 불확실성을 스위치로라도 임의로 반영해주고자 하였습니다.
연구방식은 직접 여러상황에 대해 시뮬레이션을 한것이기에, 엄청난 노력이 들었을것 같지만 한가지 아쉬운점은 ISC라고해도 너무나 저항이 큰 것을 사용했다는 점입니다.
1.15 ~ 10.2옴의 저항을 사용하는데요, 이정도면 사실 전압편차만으로도 Fault Detecting을 할 수 있을 정도입니다.
본디, 배터리를 전기적 모델링을 하다보면 m옴 단위인 경우가 많습니다. 따라서, 저항을 너무 크게잡았기에 이건 누가봐도 문제라고밖에 할 수 없는 상황을 모사했다는 점입니다.
짧게 요약하면, 배터리 셀은 MSC(Micro Short Circuit)단계에서 조기 진단을해서 완전한 ISC가 발생하기 전에 Fault Detecting을하는게 관건인데, 해당 논문은 이미 ISC를 발생했다고 가정하고 진행했다는 것이 아쉬운 부분입니다.
Fault Detecting인자로는 SOC편차, 발열량차이를 제안했지만, 발열량은 시뮬레이션 상으로만 유추할 수 있기에 실제 필드 적용은 불가능하며 SOC편차는 저항을 너무 높게잡아 눈에띄게 차이가 날수밖에 없다는 점에서 MSC는 확인이 불가능하다는 한계점이 있습니다.
Results
ISC를 가정한 저항을 너무 높게 잡았다는 부분은 아쉽지만, 실제로 임의의 저항체를 R_ISC로 가정하여 달고 실험하고 시뮬레이션에도 반영하였다는점은 아주 큰 인사이트르 주었습니다.
MSC를 가정한다면 조금 더 낮은 저항체를 달아서 스위치 혹은 Randomize제어를 하면 충분히 모사할 수 있지 않을까라는 생각을 했습니다.
해당 논문은 COMSOL을 통해 발열량 모델과 전기화학 모델을 구성하였으며, 대부분의 논문은 AutoLion이나 Matlab Package, COMSOL 중에서 전기화학모델을 구성하는것으로 보입니다.
참조
[1] Citation X. Feng et al 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A155DOI 10.1149/2.0501802jes https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104182.
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