[논문 전문] : https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X16300147
[출처] Peter Keil, Andreas Jossen, Charging protocols for lithium-ion batteries and their impact on cycle life An experimental study with different 18650 high-power cells, Journal of Energy Storage, Volume 6, 2016, Pages 125-141, ISSN 2352-152X, https://doi.org/10.1016/j.est.2016.02.005.
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[논문 요약]
Charging protocols for lithium-ion batteries and their impact on cycle life-An experimental study with different 18650 high-power cells
본 논문은 배터리의 Long Life Cycle을 위해 어떤 충전 프로토콜을 사용하는것이 좋은지에 대한 실험 기반 연구입니다.
10년가까이 되가는 논문이지만, 현시점에서 보기에도 전혀 촌스러움이 없고 꼭 필요한 충전 프로파일들만 선별되어 검증되어있습니다. 충전 프로토콜을 연구하시는분들은 한번쯤 보시면 좋을법한 논문입니다.
Contents
본 논문은 크게 3가지 범주로 충전프로토콜을 나누어 Cycle 실험을 진행합니다.
1. CC(Cosntant Current) 및 MSCC(MultiStage CC)
2. PC(Pulse Charging)
3. BC(Boost Charging)
여기서 제가 가장 관심있었던것은 PC인데요, 사실 PC쪽이 연구하는사람마다 열화에 좋다 안좋다 너무 의견이 분분합니다.
어떤 논문에서는 Pulse라는것이 배터리 셀에 걸린 Tension을 순간적으로 풀어주는것이기때문에 Overpotential이 줄어서 좋다는 사람도있고, 어떤사람은 근본적으로 Pulse 방식(Frequency 제어) 충전을 했을때 임피던스가 Imaginary방향이 추가되므로 안좋을수밖에 없다.. 그럴싸하고 다들 각자의 확실한 의견이 있습니다.
Frequency 충전에 대한 논문들 리뷰도 여럿 했었는데요, 저는 부정적인 입장입니다.
일단 Application단에서 논문들 처럼 수 kHz의 전류제어를 할수가 없을 뿐 아니라(Lab scale에서나 가능하죠), 설령 그렇게 한다고해도 저는 배터리에 가해지는 Damage가 늘었으면 늘었지 줄어들거라고 생각되진 않습니다.
본 논문에서도 비슷한 논조입니다. PC는 대부분의 상황에서 좋지 않으며, 특정 주파수 Hz(본 논문에서는 1초 Pulse 이하이며 10~25Hz사이)에서는 CC충전과 '비슷'한 열화성능을 띌순 있으나, 좋아진다고 보긴 힘들다 라고 말합니다.
충전 C-rate에 대해서는 당연히 C-rate가 높을수록 성능이 좋지않다 라고 얘기하며, 상기 Figure를 토대로 설명합니다.
또한, BC는 많은 전기차업체에서 사용하는 방식인데요 (Low SOC -> High SOC Increasing)
Cell A를 보시면 제일 낮은 SOC에서 High C-rate로 충전하는 BC방식의 열화가 다른부분대비 심하게 나옵니다.
이부분은 SOC를 너무 낮게 잡았기 때문이라고 생각합니다.
사실 0%부터 충전하는 경우에는 High C-rate 때문이여서라기보다는, 0%까지 실험셋팅함에 있어서 DoD가 더 넓어지게 되죠 그리고 Low SOC와 High SOC를 많이 쓸수록(DoD가 넓을수록) 열화가 많이 되는건 당연한 Fact 이구요
그렇기때문에, 제가 생각하기에는 BC를 0~40%에서 해서 라기보다는, DOD가 넓어서 저렇게 결과가 나온것 같습니다.
본 논문의 내용을 종합 정리해보면 4가지 정도로 나눌수있습니다.
1. 충전이 방전보다 배터리의 Cycle 내구에 영향을 더 많이준다
2. High C-rate 충전은 SOC와 무관하게 열화에 Main Factor이다.
3. 배터리마다 열화의 정도가 다르다. (당연)
4. PC는 열화에 크게 도움이 되지 않으며, CC보다 악조건인 경우가 많다.
Results
10년가까이 된 논문임에도 많은 인사이트를 주는 논문입니다.
특히, PC충전에 대해 저도 다소 Negative 적인 Stance를 가지고 있기에, 같은 의견을 가진 연구논문을 만나면 반갑다는 생각도 한몫하는것 같습니다.
꼭 PC충전이 아니어도 다양한 충전 프로토콜에 대해 분석을 한 논문이기에, 이쪽 연구하시는분들은 한번 즘 읽어보시면 좋을법한 논문입니다.
참조
[1] Peter Keil, Andreas Jossen, Charging protocols for lithium-ion batteries and their impact on cycle life An experimental study with different 18650 high-power cells, Journal of Energy Storage, Volume 6, 2016, Pages 125-141, ISSN 2352-152X, https://doi.org/10.1016/j.est.2016.02.005.
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