논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775315011210
[출처] Minggao Ouyang, Mingxuan Zhang, Xuning Feng, Languang Lu, Jianqiu Li, Xiangming He, Yuejiu Zheng,
Internal short circuit detection for battery pack using equivalent parameter and consistency method,Journal of Power Sources,Volume 294,2015,Pages 272-283,ISSN 0378-7753, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.06.087.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
Internal short circuit detection for battery pack using equivalent parameter and consistency method
최근 Minggao Ouyang 교수님의 논문을 많이 보고있는데, 그 이유는 셀관점에서가 아닌 배터리 시스템 관점에서 어떻게 불량셀을 걸러낼것이냐에 관해 많이 연구하시기 때문입니다.
셀로 CC 충방전하면서 Cycle별 특정 파라미터 모니터링하면서 노화/이상 진단한다는 식의 논문은 천지에 널려있고, 99%의 확률로 실제 필드에서는 쓸모없는 경우가 많습니다.
하지만, 이 교수님의 논문들은, 물론 학자이시기에 Academic한 부분에 집중하시긴 했으나 Industry에서 어떤 Needs를 가지고 있는지는 이해를 하고 그것에 가깝게 쓰고자 하시는것 같습니다. (따로 관리하는 회사도 있으신것으로 알고있으니 더욱 산업에 대한 이해도가 높으실것 같네요)
Purpose
논문의 컨셉은 간단합니다.
Rint Model에 Internal Short Circuit 저항을 병렬연결하여, 모델을 해석하고 이것에 따른 저항과 OCV변화를 비교합니다.
비교하는방식은 두가지로 나뉩니다.
1. Normal Rint Model과 ISC Model 비교
→ 정상셀과 비정상 추정 셀간 저항/OCV 비교라고 보면 됩니다.
2. ISC Model을 가정하고, 배터리 시스템 내 평균 셀 OCV/R과 특정 셀의 OCV/R 비교
→ 1번과 같이 정상/비정상 비교가 아닌, 팩내 평균치와 특정셀의 비교라고 보면 됩니다.
Contents
Rint Model에 ISC Resistance를 병렬연결하여 새로운 ISC Model 을 만듭니다.
이후, 전기/수학적으로 회로를 해석하여 수식을 전개해나가는데, 여기까지는 별다른 내용이 없습니다.
단, 제가 한가지 염려되는 부분은 Rint Model은 일반적으로 배터리의 전기화학 성분을 모사하기에 너무나도 간단한 모델이라는 점입니다.
즉, 선행연구들도 많지만 Rint Model보다는 차라리 2RC Model에 ISC Resistance를 추가해주었으면 어떨까 하는 마음도 있는데요, 이부분에 대해서도 논문 저자는 간략하게 의견을 적어놓긴 했습니다.
RC-ECM도 검토했으나, 해당 논문은 Real time으로 진단을 하는것이 목적이기에 수학적 복잡성을 간소화하고자 Rint Model을 기반으로 전개해나간듯합니다.
모델을 상기와 같이 만들고 E(OCV), R(Internal Resistance)를 수학적으로 표현하여, 칼만필터 처럼 제어기법으로 RLS
Algorithm을 통해 최적화를 진행합니다. 즉, 간단하게는 커브피팅을 통해 R/E값을 찾는다고 보시면 될것같습니다.
이를 통해 추정한 E와 R을, 통계적인 기법과 변화량 추이를 통해 상기와 같은 그래프를 얻어냅니다.
그래프에서 보다시피 특정 이상셀의 저항/OCV거동이 특이하다는것을 확인할 수 있습니다.
Results
이 논문에 대해서는 아쉬운점이 몇가지 있습니다.
첫번째로는, 실험 검증에 사용된 ISC 저항이 너무 크다는것입니다.
저자는 상기와 같이 실제 셀에 ISC저항을 모사하고자 병렬 저항을 연결하고 전압을 측정했는데요
이 저항값이 1/10/100옴 이라는 점입니다.
실제로 ISC가 발생하면 저항이 0으로 수렴하기에 충분히 유의미하다고 볼 수 있지만,
ISC가 발생하기전 MSC나 혹은 그 전단계에서는 저항이 오히려 증가하는 경향을 띕니다.
(동일 저자의 Thermal Runaway features of large format prismatic lithium ion battery using extended volume accelerating rate calorimetry 논문 참고)
따라서, 이 방식은 이미 Short가 난 이후에야 발견할 수 있다는 점입니다.
두번째로는, 실제 IR과 ISC 저항의 너무 큰 차이입니다.
배터리셀의 IR을 HPPC나 EIS 같은 방법으로 추정해보면 보통은 m옴 수준입니다.
그런데 ISC랍시고, 1/10/100옴을 연결해버리면 당연히 동일 전류에 대해 전압이 달라질 수 밖에 없습니다.
즉, 이정도의 저항을 연결한다면 굳이 상기와 같은 복잡한 과정이없어도 전압모니터링만해도 바로 진단을 할 수 있지 않을까라는 생각이 듭니다.
참조
[1] Minggao Ouyang, Mingxuan Zhang, Xuning Feng, Languang Lu, Jianqiu Li, Xiangming He, Yuejiu Zheng,
Internal short circuit detection for battery pack using equivalent parameter and consistency method,Journal of Power Sources,Volume 294,2015,Pages 272-283,ISSN 0378-7753, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.06.087.
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