논문 전문 : https://www.nature.com/articles/s41598-017-18424-5
[출처] Barai, A., Uddin, K., Widanage, W.D. et al. A study of the influence of measurement timescale on internal resistance characterisation methodologies for lithium-ion cells. Sci Rep 8, 21 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-017-18424-5
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문요약]
A study of the influence of measurement timescale on internal resistance characterisation methodologies for lithium-ion cells
최근 개인적으로 듣도보도 못한 저널의 논문을.. 제목과 Abstract만 보고 혹해서 몇번 읽고 실망한 이후로, 저널을 좀 걸러서 봐야겠다는 생각이 문득 들어 읽게된 논문입니다.
제 블로그를 감사하게도 상당히 많은 엔지니어 혹은 학생분들께서 들러주시고 댓글이나 방명록으로 피드백을 많이주시는데요.. 최근 논문리뷰글을 보시면 아시겠지만 Internal resistance추정에 꽂혀있습니다.
이 논문도 그래서 읽게되었는데, 개인적으로 연구하고 있던 분야와 근본적인 연구이유에서 상당한 유사성을 느껴 흥미롭게 읽은 논문입니다.
Purpose
본 논문은 배터리 모델링 혹은 Internal Resistance를 추정/측정할때 Timescale을 어느정도로 해야 가장 효과적인지에 대해 연구한 논문입니다. 뿐만 아니라, C-rate도 다변화시켜가며 각각의 인자들이 IR추정에 어떤 영향을 주는지, 어떤 C-rate와 Timescale을 써야 가장 좋은 추정값이 나올지에 대해 정리해놓았습니다.
Contents
본 논문은, EIS측정값을 Reference로 하며 크게 3가지 접근방식으로 저항을 구하고 정확도를 비교합니다.
① DC Signal을 통한 저항 추정
② AC Signal(보통 Galvanostatic)을 통한 저항 추정
③ Multisine Pulse를 통한 저항 추정
1번은, 일반적인 n-order RC ECM(Equivalent Circuit Model)의 저항값을을 구할때 주로 사용하는 기법인 HPPC라고 보시면 됩니다. 다만, HPPC에서 Pulse를 인가할때 몇초간 유지하는게 가장 합리적인지, C-rate는 몇으로 하는게 가장 합리적인지를 연구합니다.
필자는 1C, 2C, 5C, 15C(Maximum C-rate)까지 모두 진행해보는데, 일단 15C-rate는 짧은시간일지라도 SOC변화량이 너무 커서 저항을 추정하기 적합하지 않았다고합니다. 또한, 발열량이 너무 커서 저항값이 흔들릴 수 있다고합니다. 특히 저항을 직접 옴의 법칙으로 구할때는 분모가 전류이기에 전류값이 너무 크면 저항이 낮게 나오는 경향도 있었다고합니다. 아무래도 전압변화량의 속도가 전류변화량의 속도만큼 따라가지 못하다 보니, 전류값을 너무 크게해서 Pulse를 인가하면 실제 저항과는 상당히 괴리감이 있는 값이 나올 수 있을것 같습니다.
2번은 EIS입니다.
EIS를 통해 충분한 Relaxation을 취한 후, 실측을 하는 방식인데, 이는 장비로 직접 측정하는 것이기에 정확도 부분에서 크게 이견을 낼 부분은 없지만, 일관성 있는 Nyquist Plot데이터를 얻기 위해서는 0.05C-rate이하로 써야한다고합니다. 1C-rate에 가까운 전류로 해보았는데 inductive, conductive 유도전류가 생겨 노이즈가 많이 발생했다고 합니다.
다만, 여기서 말하는 EIS를 통한 저항추정은 EIS로 직접 찍고 끝내는것이 아니라, 이 데이터를 통해 CPE와 같은 ECM에 피팅을 하여 저항을 얻어낸 것을 의미합니다.
3번은 Multisine Pulse와 Step Pulse를 통한 저항추정입니다.
논문에서 ref를 강조하는 논문 중 하나인데, 읽어보려다가 2개부작의 논문으로 나뉘어져 있어 아직 못본 논문입니다.
쉽게 말하면, HPPC와 같은 Pulse에 여러 Sine함수를 섞어서 저항을 추정한다는것인데, 마치 1번과 2번의 혼합과 같은 느낌입니다.
크게 상기 3가지방법론을 통해 다양한 방식으로 IR을 구해보며, EIS로 직접 실측한 저항과 비교를하여 정확도를 비교합니다.
Results
결과적으로 필자는 HPPC 및 전류인가를 통한 저항추정을 할때는 10초가 가장 적절하며, 여러 C-rate에 대해서는 케미컬마다 달라질 수 있으나 충전은 2C, 방전은 1C Pulse가 성능이 좋았다고 합니다. 일반적으로 1C로 진행하는데는 다 이유가 있었던것 같습니다.
전류인가시간이 너무 길어지면 배터리 내부 화학반응이 짧게 인가할때 대비 많이 진행되어 내부저항이 높게 나올 수 있으며, 전류인가시간이 너무 짧으면 배터리 내에서 발생하는 관측이 필요한 현상들이 제대로 일어나지 않아 추정 저항의 정확도가 흔들릴 수 있다고합니다.
즉 요점은, "적당한 C-rate와 적당한 시간을 주는게 내부저항 추정에 가장 좋더라" 입니다.
참조
[1] Barai, A., Uddin, K., Widanage, W.D. et al. A study of the influence of measurement timescale on internal resistance characterisation methodologies for lithium-ion cells. Sci Rep 8, 21 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-017-18424-5https://doi.org/10.37934/arfmts.88.2.123132
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