논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544218304213
[출처] Linfeng Zheng, Jianguo Zhu, Dylan Dah-Chuan Lu, Guoxiu Wang, Tingting He,Incremental capacity analysis and differential voltage analysis based state of charge and capacity estimation for lithim-ion batteries,Energy,Volume 150,2018,Pages 759-769,ISSN 0360-5442,https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.03.023.
※ The picture and content of this article are from the original paper.
[논문 요약]
Incremental capacity analysis and differential voltage analysis based state of charge and capacity estimation for lithium-ion batteries
ICA와 DVA를 활용하여 LFP배터리의 SOC/SOH를 추정하는 논문입니다.
여기서 Capacity estimation이라는 논문제목때문에 SOH는 추정안한다고 생각하실수도있는데, 논문을 읽다보면 이 capacity estimation이 곧 available capacity(SOH)를 의미합니다.
LFP의 2Phase 특성에서 기인한 OCV Plateau 특성때문에 정확한 SOC를 보정하는 테크닉들이 많이 발표되고 있습니다.
본 논문도 그중하나로, ICA를 활용한 특정 SOC Point에서의 보정 가능성에 대해 언급하고 있습니다.
Contents
Aging과 Capacity는 항상 논란의 여지를 낳습니다. 뭐냐면, 이 '용량'의 기준을 뭐로할것인가? 입니다.
상온에서 1/3C 정도를 기준으로 Low cut-off voltage부터 Upper cut-off voltage까지의 CC 및 조건별 CV가 우리가 말하는 Nominal Capacity입니다.
그런데, 열화가 되거나 저온이되면 상온만큼 용량이 나올수가없죠. 예를들어 상온에서 100Ah정도 나오는 셀은 80Ah정도밖에 안나온다고 해보시죠
그러면 상온용량기준으로는 저온/열화시 최대 충전 SOC는 80%입니다.(80Ah/100Ah)
그런데 본 논문에서는 열화시켜도 SOC를 0~100%로 균일하게 표기하고있죠. 이말은, 열화도별 용량을 다시재서 재환산했다는말입니다.
그러면 여기서 문제가 생깁니다.
그럼 그 80Ah라는건 1/3C-rate로 해야할텐데 C-rate의 기준용량은 또 어떻게 측정되는가??
즉, 뫼비우스의 띠처럼 닭이먼저냐 달걀이 먼저냐같은 질문이 됩니다.
C-rate 기준을 정하려면 용량을 알아야되는데, 용량을 알려면 C-rate기준을 알아야한다. 라는 질문이 끝없이 반복하는것입니다. 이에 대한 대책으로 보통은 C-rate의 기준은 25'C 상온 Capacity를 기준으로 한다고하는데, 그러면 100Ah기준 1/3C-rate는 80Ah기준으로는 고율에 해당합니다. 따라서 이게 엄밀하게 정확한 용량이 맞냐고 하면 물음표가 생기죠.
따라서, 이런 류의 논문들은 어떤 측정기준을 사용했으며, C-rate 기준은 무엇이고 SOC의 분모는 무엇이며.. 이러한 부분들에 대해서 명확하게 표기를 해주어야한다고 생각합니다.
Anyway, 본 논문은 열화된 용량을 기준으로 Normalizing 해서 사용하는것 같습니다.
보시면 1st FP, 2nd FP(Feature Point) 가 있는데요, 먼저 1st FP는 열화에 따라서 크게 바뀌지 않는 SOC 영역이라고 합니다. 보면 0~1800 cycle 동안 Peak 위치가 거의 변하지 않고 SOC 12%정도를 가리키고 있는것을 확인하실 수 있습니다.
2nd FP는 SOH와 관련이 있다고합니다.
확대해서그리면, 상기와 같이 Capacity 와 2nd FP의 위치 SOC간에 Linear한 관계가 있다고합니다. 이를 통해 Capacity estimation을 1%내외오차로 할 수 있다고합니다.
세번째 FP는 SOC 92~3%부근입니다. 이부분또한 열화에따라 큰 편차가 없다는것을 확인하실 수 있습니다.
따라서, 정리요약하자면 SOC추정을 위한 SOH와 관련없는 ICA SOC Point 2개를 찾았고 SOH와 Linear한 1개 SOC Point를 찾았다는것입니다. 이 Point들간의 △Capacity나 각 Point의 Capacity간 Ratio들을 통해서 정합성있게 SOC/SOH를 추정하는 기법에대해 서술하고 있습니다. 다만, 포인트는 이 세가지 FP가 어떻게 결정되었고 실험결과 저자가 의도한대로 동작한다는 점입니다.
Results
재미있는 논문이였습니다.
다만, 상기서술한바와 같이 조금더 구체적인 실험설명, 그리고 온도/열화 모드를 다양하게 고려해서 정리했으면 더욱더 완성도가 높지않았을까 하는 생각이 들었습니다.
참조
[1] Linfeng Zheng, Jianguo Zhu, Dylan Dah-Chuan Lu, Guoxiu Wang, Tingting He,Incremental capacity analysis and differential voltage analysis based state of charge and capacity estimation for lithim-ion batteries,Energy,Volume 150,2018,Pages 759-769,ISSN 0360-5442,https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.03.023.
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