논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013468613005707
[출처] Yan Ji, Chao Yang Wang,Heating strategies for Li-ion batteries operated from subzero temperatures, Electrochimica Acta,Volume 107,2013,Pages 664-674,ISSN 0013-4686, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.03.147.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
This article is more of an intuitive understanding than academic analysis.
[논문 요약]
Heating strategies for Li-ion batteries operated from subzero temperatures
최근 북미 한파와 관련하여, 전기차들의 활용성에 대한 의구심이 커져가고 있습니다.
극저온의 경우 저항이 아주 큰 관계로 하한전압에 빠르게 도달할 뿐만 아니라, 히팅을 하기위한 Components들 또한 결국 고전압 배터리를 필요로 하기에 별도 외부전원을 통한 온도상승이나, 혹은 자체 발열을 통한 방식 등 여러 Breakthru를 찾고자 하고 있습니다. 본 논문은 10년도 더 전에 나온것이나, 개괄적인 연구 방식론들에 대해 잘설명되어있고 현재까지도 Mainstream은 이 범위를 벗어나지 못하고 있습니다.
Contents
본 논문에서 제안하는 3가지 발열 방식입니다.
개인적으로 2번,3번은 추가 HW를 달아야하기에 1번을 선호합니다만, 셋중 발열성능이 제일 떨어지는 관계로 염두에만 두고있습니다.
또한, 본 논문은 2Ah수준의 코인셀로 실험한것이기에 상용화된 ESS 혹은 EV용 대용량셀과는 큰차이가 납니다.
(본 저자또한 이 내용을 논문에 포함하고 있습니다.)
① 배터리 자체 발열을 통한 승온
배터리의 자체발열을 통해 승온하는 경우로, CC 방전/ CV방전으로 케이스를 나누어 검증했습니다.
일단, CC방전은 당연히 C-rate가 높을수록 발열량이 높은데 4C-rate의 경우 -20도에서 0도까지 120초만에 발열이 되었다고합니다. 이건 코인셀이라 가능한것이지, 대용량셀, 배터리 시스템단위에서는 불가능하며 실제로 4C-rate라는 수치는 특정 조건에서나 사용가능하지 셀의 열화에 아주 영향을 많이 줄 정도로 높은 전류입니다.
즉, 산업계와는 전혀 관계없이 그냥 코인셀만들어서 검증을 해본것입니다.
두번째로는, CV방전입니다. NCM/Graphite셀을 썻음에도 2.2V CV를 걸었다는점에서 역시 안전은 크게 생각하지 않는것을 추측할수있습니다. CV방전 기준이 낮을수록 발열량이 높은것을 확인했는데, 이또한 2.2V CV시 약 120초정도만에 -20도에서 20도까지 40도가 승온되는 기적(;;)을 보여줍니다.
CV방전이란 컨셉은 꽤나 재미있지만, 실제 필드에서 사용되는 배터리 셀의 스펙/환경을 고려할때 1번방식으로는 셀 자체발열에의한 승온보다 외부 조건에의한 열 영향이 더커서 미미한 발열이거나 온도가 바뀌지 않을것으로 추정됩니다.
② AC Heater를 통한 승온
이 부분이 High Frequency Battery Heating이라고 하면 가장 많이 나오는 연구 주제입니다.
일반적으로 고주파 히팅이라고하면 마치 배터리 셀에 HPPC같은 실험을 아주 빠른 주파수로 함으로써 발열을 유발할것이라 생각하지만 그렇지 않습니다. 고주파펄스 제어는 배터리의 Health에 아주 악영향을 줄 뿐만 아니라, 굳이 그렇게하는것보다 높은 C-rate일정하게 유지하는게 더욱 발열에 좋기때문입니다.
따라서, 고주파 히팅이라고 하면 배터리에 고주파를 인가하는것이 아닌, 상기와 같이 AC Heater에 고주파를 인가하여 유도전류를 통해 발열을 하는 방식입니다.
여기서 AC Heater가 뭐냐고하면, 간단하게 높은 저항의 Coil이라고 보시면 됩니다.
코일은 페러데이의 전류법칙을 통해 유도기전력을 발생하는데, 코일의 권선수 (몇번 감았는가), 자기Flux(ψ), 시변량(dt)와 연관되어 있습니다. 여기서 코일의 권선수는 증가시키는데 한계가 있습니다. 판매하는 시제품에 Component가 들어갈때는 비용과 면적을 고려해야하기때문입니다. 자기 Flux또한 마찬가지입니다. 이는 자속과 자기면적의 곱인데 면적을 무한정으로 크게하여 배터리의 발열을 위해 배터리보다 더 큰 코일을 만들순 없습니다. 따라서, 여기서 가장 컨트롤하기 쉬운 변수는 dt입니다. 이 dt는 고주파제어를 할수록 작아지게 되고, 이는 유도기전력이 상승함을 의미합니다.
따라서, 고주파제어를 통해 Coil(AC Heater)의 유도기전력을 증가시키고 이를 통해 배터리에 유도전류를 발생시킴으로써 발열을 하는 방식입니다.
※ 주파수를 무한정으로 올린다고해서 좋진 않습니다. Skin effect라는 전자기적 현상에 의해 너무 높은 고주파의 경우 도체의 표면에만 유도전류를 발생시킴으로써 오히려 전류 유도의 성능이 낮아지는 경우도 있습니다.
본 기술에서 AC Heater의 유도전류를 어떻게 극대화할꺼냐, 배터리의 발열에 어떤 영향을 미치는가에 대한 연구는 다양하게 수행되고 있습니다. 하지만, 산업계입장에서는 추가적인 HW가 들어간다는점, 또한 이 HW가 아주 많이들어가야한다는점에서 비용적/공간적 제약이 있기때문에 적용하기에는 한계점이 있습니다.
③ 배터리 시스템 내 DC-DC Converter를 통한 승온
이부분은 실용성과 별개로, 아이디어가 참 재미있습니다. 본 논문의 저자도 1/2번의 한계점을 언급하며 3번이 산업계에 적용하기 좋다고하는데, 저는 그렇게 생각하지 않지만 어쨋든 참신한 아이디어입니다.
아이디어인 즉슨, 배터리 시스템 내 배터리 셀을 100개로 가정하고, 50개/50개 두그룹으로 나눕니다.
그리고 이 두 그룹 사이에 DC-DC Converter를 달고, 두 그룹간에 일부로 전위차를 발생시킴으로써 서로간 전류가 흐르도록 하는데, 이것을 고주파로 아주 빠르게하면 발열이 빠르게 된다는것입니다.
즉, 외부 충/방전기 없이 배터리 시스템 내 자체적으로 그룹간 주거니받거니하면서 충방전을 반복하는 방식이죠
결과는 다음과 같습니다. 1초 Pulse 기준으로는 약 200초정도만에 -20도~20도까지 승온이 되었습니다. 본 그림에서 파란색,초록색,빨간색으로 나눠진 부분은 Amplitude 제어의 차이입니다.
즉, DC-DC Converting을 할때 전위차를 많이 줄수록 Amplitude차이가 커서 발열량이 증대되는데, 2.2V까지 최대한 낮은 전압까지 전압 Fluctuating을 줄때는 80초정도만에 -20도~20도에 도달하게 됩니다.
전위제어를 한다는 부분, 전류 Fluctuation이 심하며, 본 논문에서 제안하는 주파수방식은 너무 정밀하다는점(10Hz 수준), 추가적인 HW가 비싸다는점(정밀 컨버터), 공간적 부분 등... 산업계에서 적용하기 힘든 이유는 셀수없이 많지만, 아이디어는 재미있습니다.
Results
재미있고 유쾌한 논문이였습니다.
10년전 논문임에도 잘정리되어있어서 그런지(딱히 특출난 방법이 연구되지 않아서그런지), 2번방식은 현재까지도 많이 연구되고 있으며 3번은 비현실적이긴 하지만 아이디어상으로는 참신했습니다.
참조
[1] Yan Ji, Chao Yang Wang,Heating strategies for Li-ion batteries operated from subzero temperatures, Electrochimica Acta,Volume 107,2013,Pages 664-674,ISSN 0013-4686, https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.03.147.
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