[Energy Storage-2023] Investigation of high-frequency pulse charging profiles with different frequencies, duty cycles and end-of-charge voltages

논문 전문 : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X23028980

[출처] Anke Parschau, David Degler, Frank Allmendinger, Kai Peter Birke, Alexander Fill,Investigation of high-frequency pulse charging profiles with different frequencies, duty cycles and end-of-charge voltages,Journal of Energy Storage,Volume 74, Part B,2023,109500,ISSN 2352-152X,https://doi.org/10.1016/j.est.2023.109500.

 

※ The picture and content of this article are from the original paper.

    All picture and figures used in this article are sourced from publicily available on the internet.

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[논문 요약]
Investigation of high-frequency pulse charging profiles with different frequencies, duty cycles and end-of-charge voltages

 

 

배터리 충전시 고주파 방식을 활용할때 배터리에 어떤식으로 영향을 줄지를 연구한 논문입니다. 

전력전자를 하시는쪽에서 이런 연구를 많이해주시고 계신데 Duty Cycle, Frequency, Current Amplitude, End of charge voltage... 다양한 변인들을 통제하며 배터리 내구나 다양한 부분들을 관찰하고 있습니다.

 

제가 이전 글에서 Pulse Charging에 관해서는 연구자간에도 갑론을박을 하고 있다하고 했었는데, 하기 링크의 논문은 긍정적인 입장입니다.

https://limitsinx.tistory.com/332

[Power Sources-2001] The effects of pulse charging on cycling characteristics of commercial lithium-ion batteries

 

하지만 본 논문은 부정적인 입장입니다. 하기 이미지의 Highlights만 보셔도 얼마나 부정적인 견해인지 한눈에 보실 수 있습니다. "Pulse charging profiles have no positive effect..."

 

 

Contents

 

Pulse Charging의 효용성에 관해서 저도 최대한 중립을 지키려고 하지만, 아무래도 연구를 하고 선행문헌을 탐색할수록 Negative한쪽으로 치우치고 있습니다. 그 이유는, 이전 논문(상기링크)에서 보실수 있는데 Positive쪽 의견인 사람들은 결과 해석을 본인들 입맛에 맞게, 본인들 유리하게 해석하려는 경향이 강한 반면, 본 논문과 같이 Negative쪽인 연구자들은 모든 변인들을 통제해놓고 건조하게 Fact로 바라보는것 같기 때문입니다.(개인 의견)

 

그런 관점에서, 본 논문에서 말하는 의견을 요약하자면 하기와 같습니다.

 

1. Pulse Charging이 DC 충전보다 긍정적이지 않다. (Abstract에서는 cannot be recommended as an innovative charging method 라고 강하게 주장)

2. 충전시간이 짧아진다는 기존의 연구는, 단지 용량이 덜 충전되었기 때문이다. (100% 공감)

3. Pulse Charging을 해서 내구가 좋아지는게 아니라, 상한치에 덜 도달하기때문에(2번 연관) 그런것이다. 이건 Pulse Charging때문이 아니다. (100% 공감)

 

거기다 저자는 단순 사각파형식의 Frequency 제어가 아니라 Sinusoidal 및 AC+DC/AC/DC 다양하게 파형을 나누어 실험을 진행했습니다.

 

저자는 충전시 방전때보다 High C-rate에 대해 더욱 조심해야하는 이유에 대해, Cathode에서 Anode로의 Diffusion 속도가 Anode 전극 표면에서의 Intercalation속도보다 빠르기때문에 Li-plating이 발생할 가능성이 높기 때문이라고합니다. (이게 가역이든 비가역이든 순간적으로는 저항 증가). 따라서 Pulse 충전 방식을 통해 순간적인 Short Relaxation을 주어 Concentration Equialization을 한다는것은 충분히 Cell의 Aging을 줄일 수 있는 방식으로 보인다고 합니다. 하지만 이는 specific한 전류/전압값이 정해지고 많은 실험을 통해 정해져야한다고 합니다.

이외에도 CVCP(Constant Voltage-Pulse Chage), CC-PC(Constant Current Pulse Charge), 저주파에서도 의외로 퍼포먼스 증가가있더라와 같은 다양한 기법들의 장단점에 대해서도 아주 잘 정리되어 있습니다.

 

 

이 논문에서 재미있는 부분은 상기 그래프입니다.

Bode Plot을 통해 주파수별 Impedance를 그린것인데요, 보시면 1kHz부분에서 ABS Impedance값이 가장 작은것을 확인하실 수 있습니다.

이는 KAIST 문건우 교수님 연구실에서 나온 Pulse Charging 관련 논문에서도 다루고있는데, 하기 Nyquist Plot에서 y축이 0인, Imaginary Impedance가 없는 부분(그림에 ohmic internal resistance)라고 되어있는 부분이 아닐까합니다.

x축이 Real Impedance이기때문에 y축을 감안하여 원점으로부터의 거리(ABS)를 고려하면 이것이 가장 타당한 해석으로 추정됩니다.

 

 

Pulse는 이런식으로 인가했습니다. x축을 보시면 1ms동안 10개 point가 있기에 0.1ms, 즉 100microsec 속도로 제어를 하고 있는것을 확인할 수 있으며, 이는 아주 좋은 resolution을 가진 장비입니다.

 

이 논문에서 가장 Insight있고 모든 결과가 집약된 부분이 Table.1인데 아쉽게도 무료 Open되어있진않네요..

이 논문을 보신다면 이부분을 꼭 보시길 권장드립니다.

 

글로만 요약해보자면, Duty Cycle이 낮을수록 발열이 낮고, 고주파일수록 Heating이 낮았으며(온도 낮음) EOCV(End of Charging Voltage)가 낮을수록 내구에 좋은 영향을 끼쳤습니다. 그리고 각각의 주파수(1kHz/0.5kHz/0.1Hz) 및 Duty Cycle(90/80/70%)에 따라 충전 용량/충전 시간도 모두 조건별로 실험해놓았는데, 대부분 큰 차이가 없었으며 오히려 충전용량대비 고주파를 인가할때 충전시간이 길어지는 부분도 있습니다.

 

즉, 저자의 Abstract Highlights처럼 Innovative Charging Method라고하기에는 큰 한계가 있다. 변인을 완벽히 통제한 상황에서 건조하게 fact만 바라보자면 안좋은 부분이 더욱 많다 라는 논리를 뒷받침하고있습니다.

 

 

Table 2/3도 실험 결과가 아주 잘요약되어있는데, 특히 Table.3은 단순 CC충전과도 결과를 비교하고 있습니다.

첫사이클과 100번째 사이클에서의 용량을 비교하는건데, 100Hz Duty 90%로 충전한 결과 첫 사이클에서는 3267mAh가 나왔으나, 100번째 사이클에서는 2308mAh가 나왔습니다. 이는 약 30%이상 열화가 되었음을 의미합니다.

하지만, 동일한 조건에서 CC충전을 한것은 3393mAh에서 2644 mAh로 약 22%열화되었으며 이는 큰 차이가 있음을 확인할 수 있습니다. 또한 EOCV를 조절했을때는 거의 열화되지 않는 모습(95%이상)을 나타내는데, 이는 Pulse Charging으로 인해 내구가 좋아지는게 아니라 EOCV를 조절하면 CC로 충전하더라도 내구가 좋아진다. 즉, Pulse Charging과 큰 관계없다 라는것을 보여주고 있습니다.

 

Table.3 하단의 논문 최종 Conclusion에서도 저자는 쐐기를 박습니다.

"In conclusion, this works shows that the investigated pulse charging methods have no positive effect compared to conventional charging moehods within the common EOCV."

 

Results

 

물론, 이게 정답이라는것은 아닙니다.

학계에서 연구되는 부분들은 대부분 소용량셀이며 EV/ESS/eVTOL/선박에 적용되는 대용량셀, 케미컬에는 다른 결과가나올수도 있습니다. 다만, 제 개인적인 의견으로는 가장 최신에 적용되는 Graphite에 Silicon을 섞는 음극을 활용시 Pulse Charging으로 인한 단점(특히 내구)는 더욱 눈에 띄게 나타나지 않을까합니다. 

 

 

 

참조

[1] Anke Parschau, David Degler, Frank Allmendinger, Kai Peter Birke, Alexander Fill,Investigation of high-frequency pulse charging profiles with different frequencies, duty cycles and end-of-charge voltages,Journal of Energy Storage,Volume 74, Part B,2023,109500,ISSN 2352-152X,https://doi.org/10.1016/j.est.2023.109500.