[IEEE-2016] Battery Impedance Analysis Considering DC Component in Sinusoidal Ripple-Current Charging

논문 전문 : https://ieeexplore.ieee.org/document/7317770

[출처]  S. -Y. Cho, I. -O. Lee, J. -I. Baek and G. -W. Moon, "Battery Impedance Analysis Considering DC Component in Sinusoidal Ripple-Current Charging," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 3, pp. 1561-1573, March 2016, doi: 10.1109/TIE.2015.2497661.

 

※ 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.

---

 

[논문 요약]
Battery Impedance Analysis Considering DC Component in Sinusoidal Ripple-Current Charging

 

 

KAIST에서 나온 아주 멋진 논문입니다.

논문 리뷰를 하면서, 대부분 비판적인 스탠스로 보는편이라 이런 이야기를 잘 하지 않는 편인데, 논리적 흐름과 내용이 완벽에 가깝다고 생각될정도로 멋진 논문입니다.

뿐만아니라, 본 논문이 나온지 8년가량 되었다는 점에서, 당시 기준으로 상당히 선구적인 연구로도 생각됩니다.

 

본 논문은 Abstract부터 잘 정리되어 있습니다.

"In comparison with the constant current (CC)- constant voltage (CV) carging, the charging time, charging amount, and charging effciency of the SRC-CV charging are not significantly different from those of the CC-CV Charging."

이 문장이 모든것을 말해주고 있으며, 저와 의견도 동일한데요. Frequency Pulse를 주면서 충전을하면 충전시간을 더욱 줄일수있다 이런식으로 광파는 논문/업체들이 많은데 충전량이란 결국 Q=I*t로 얼마나 큰 전류가 얼마의 시간동안 인가되었느냐입니다. 이것을 Frequency로 흔들어서 준다고해도 결국 전류가얼마 들어갔냐이기때문에 큰 차이는 없습니다.

 

다만, 본 논리를 말하는 사람들은 Frequency로 전류를 흔들면서 충전하면 순간적으로 Lithium Concentration이 감소되고 계면에 쌓인 리튬의 텐션이 풀려서 저항이 낮아지는것처럼 동작하고, 이 때문에 특정 전압까지 더욱 긴시간동안 넣을수있다고하는데요. 

논리적으로는 말이되어보입니다만, 실제로 실험을 해보면 전혀 그렇지못합니다. 뿐만 아니라, 급변하는 Frequency 전류로 충전을 하는게 내구에 좋은 영향을 줄수도 없습니다. 

즉, 저도 본 논문과 동일한 의견이며 본 논문은 이에 대해 논리적인 Impedance 해석을 진행하여 이론적으로도 나아질수없음을 설명합니다. 

 

- 유사 연구 논문 참조

https://limitsinx.tistory.com/333

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

 

Contents

 

 

Frequency Response라고하면 Sinusoidal로 할수도, Pulse로 할수도, 삼각파로 할수도.. 다양한 신호들로 제어를 할 수 있습니다. 하지만, 실제 환경 조건 및 Converter/Inverter 토폴로지를 생각하면 완벽한 Pulse파보다는 sinusoidal이나 어느정도의 변화 Gradient가 있는 신호를 사용하게 마련입니다. 본 논문도 이를 인지하고 다양한 파형에 대해 충전 프로토콜을 검증했습니다.

 

본 논문에서 가장 인사이트있었고, 재밌었던 부분입니다.

AC 충전시 이론적으로 충전 효율이 떨어질 수 밖에 없는 부분에 대해 기술되어 있습니다.

위의 Nyquist Plot을 보시면 결국 저항의 관점에서는 Real Impedance만 존재할때가 총 임피던스가 가장 작습니다. (R0)

이때 y축을 Absolute Impedance로 바꾸어서 그리면 (b)와 같이나오는데, 약 2000Hz지점이 Imaginary가 없는지점이며 약 80mohm정도가 나옵니다.

 

 

 

따라서, AC 충전으로 이득을 얻으려면 CCCV충전할때 걸리는 저항 성분이 80mohm보다 커야합니다. 그렇다면 AC충전시의 저항이 상대적을 작기때문에 발열도 적어지고 충전시간이 단축 될 수 있습니다.

하지만, 이것은 어디까지나 "AC"일때입니다. "AC"로 충전하면 배터리는 충전이 되지 않죠. DC에 AC를 섞어야지만 충전이됩니다. 따라서, AC충전일때만해도 임피던스가 80mohm인데 여기서 DC 저항까지 고려하면 현실적으로 CCCV 충전할때 대비 이득을 얻기 어렵다는것이 본 논문의 논리적인 해석입니다.

정말 깔끔하고 군더더기 없는 설명입니다. 

 

 

그리고 Sector-D부터 나오는 "Validty of Electrical Second-Order RC Model in SRC and PRC Charging"창에서는 소제목처럼 2RC-ECM으로, CC전류와 다양한 AC,Ripple에 대해 시뮬레이션 기반 검증을 수행합니다.

Nyquist Plot에서 유추한바와 같이 2000Hz로 AC 충전할때 Polarization이 가장 낮게나왔으며, 2kHz -> 2Hz까지 저주파 제어를 할수록 점차 Polarization이 커지는것을 Fig.7에서 확인할 수 있습니다. (Open안된 Figure)

 

 

SRC Phase Charging과 PRC Phase Charging도 CCCV대비 그렇게 파워풀한 Method라고 하지 않으며 논문에서는 정확하게 "the SRC and PRC are inefffective in improving the charging amounts and charging efficiency"라고 못박아버립니다.

심지어, 뒷부분에는 "Therefore, the ac component of the charging does not show any remarkable benefit in the charging performance" 라고까지 정리합니다.

 

Results

 

논문의 기승전결이 확실하고, "이 방식은 이론적으로 적합하지 않다."를 정리한 논문입니다.

"이런 기술 어때요?" 라고 말하는 논문들과는 연구방향성 자체가 다른만큼, 더욱 철저하고 확실하게 이론에대한 논리적 연결성을 확실하게 합니다.

Frequency 충전으로 이득을 보겠다는 연구자/제안서가 간혹 오는데요(물리적으로 진동을 주겠다는 연구도 있습니다.), 저는 본 논문과 같이 이에대해 그렇게 좋게 보지 않습니다. 본 논문에서는 크게 다루지 않았지만 열화관점에서도 열세일것으로 생각됩니다.

 

 

참조

[1] S. -Y. Cho, I. -O. Lee, J. -I. Baek and G. -W. Moon, "Battery Impedance Analysis Considering DC Component in Sinusoidal Ripple-Current Charging," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 3, pp. 1561-1573, March 2016, doi: 10.1109/TIE.2015.2497661.