[논문 전문] : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030626191630808X
[출처] Kotub Uddin, Andrew D. Moore, Anup Barai, James Marco, The effects of high frequency current ripple on electric vehicle battery performance, Applied Energy, Volume 178, 2016, Pages 142-154, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.033.
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[논문 요약]
The effects of high frequency current ripple on electric vehicle battery performance
본 연구의 핵심은 EV 구동 환경에서 인버터에서 발생하는 고주파 전류 리플(high-frequency current ripple)이 배터리의 열/전기화학적 거동과 수명에 부정적인 영향을 줄 수 있다는 부분을 정리한 것입니다.
이전에도 Frequency Charging에 대해 여러가지 논문을 정리했었는데, 역시나 논문마다 의견이 정 반대입니다.
어떤 논문은 Frequency Charging을 하면 오히려 내구에 좋아진다, 오히려 안좋아진다가 팽팽하게 의견 대립을 하고 있는데 저는 후자에 가까운 편이긴 하지만, 그래도 아직은 이 방법론에 대한 희망의 끈을 놓지는 않은 상태입니다.
Contents
본 논문은 일부로 Pulse Frequency 형태의 전류를 배터리에 주입하는것이 아니라, EV 구동환경에서 고주파 전류 리플이 왜 생길 수 밖에 없는지에 대해서부터 설명합니다. 모터 구동을 위해서는 인버터의 PWM 제어가 필요한데요, 이때 빠른 속도로 Switching을 해야되기때문에 발생한 Jitter Noise성 리플이 배터리로 인가되는 전류에도 중첩될 수 있기 때문이라고 합니다.
다만, 저는 저자와의 생각과 다른점은 논리적으로는 말이 되는 환경이지만, 사실 이렇게 온도자체가 흔들릴정도의 High Frequency Ripple이 영향을 주진 않습니다. (줘서도 안되구요)
미루어 짐작컨데 이 논문의 결과를 도출하며 논문을 작성하기 위해 목적을 어느정도 거품붙여서 작성한게 아닌가라는 생각이 있습니다.
Anyway, 상기 그래프를 보시면 AC Ripple을 포함한 DC 방전 시 발열량에 의한 온도차이가 1400초만에 최대 3'C가까이도 나는것을 보실 수 있는데요
이것이야 셀 스펙마다 차이가 날 수 있는것이지만, 기존 KAIST 문건우 교수님 연구실에서 출간된 Frequency Chaging 관련 논문에서와 같은 결론임을 확인하실 수 있습니다.
본 논문의 저자는, 이 발열증가가 고주파 리플이 임피던스를 통해, DC에서는 없는 Additional Joule Heating이 있다고 하는데, 이 또한 문건우 교수님 연구실 논문과 동일한 논리입니다.
상기 Nyquist Plot기준으로도 R0로 충전하면 임피던스가 제일 작은데, 어떠한 주파수를 추가하든 결국 임피던스는 Imaginary 성분 추가에 의해 벡터의 크기가 커질 수 밖에 없기때문입니다.
두번째 주요 포인트로는 효율 저하와 에너지 손실 증가입니다.
리플 전류는 유효한 에너지 전달에는 거의 기여하지 않으면서 손실만 증가시키는 성분이기 때문에(임피던스 증가에 의해) 동일한 조건에서 배터리 효율이 낮아진다고 합니다.
이부분도 워낙 논문들간 왈가왈부하고 있는 부분인데, 어떤 논문들은 단방향 CC 충전 중 Anode 쪽에 쌓인 Stress가 Frequency형태의 전류를 통해 Tension을 풀었다 줬다 하는방식이기에 Mechanical한 Stress를 덜줘서 효율이 올라간다는 사람도 많습니다.
세번째 포인트는 열화 가속 가능성입니다.
본 논문에서는 고주파 리플이 전극/전해질 계면에서의 미세한 전기화학 반응을 반복적으로 자극하여, 장기적으로는 SEI 성장, LLI, LAM을 가속할 수 있다고하며, 발열량 차이에 의해서도 더욱 그럴 수 있다고합니다.
이부분 또한 논쟁거리가 많습니다. 위에서 말씀드린바와 같이 Anode쪽 Stress를 줄일 수 있다고 해석하는 사람과, 반대로 그러한 Tension을 풀었다 줬다 하는 과정에서 전극계면쪽에 Fatigue Failure(피로파괴)가 발생하여 장기 열화에는 더욱 안좋아질 수 있다고 해석하는 사람이 있기 때문입니다. (본 연구는 후자입니다.)
리플 전류가 있는 경우의 Nyquist Plot에 대해 비교한 것인데요,
사이클이 증가할수록 확연하게 임피던스가 증가하는것을 육안으로도 확인할 수 있을정도입니다.
또한, Frequency Charging에 대해 주파수별로도 정리를 해놓았는데요,
저자는 저주파계열에서는 평균 전류를 바꾸고, SOC Trajectory를 바꾸고 전극 내 농도 분포를 직접적으로 바꾸는 영향이 있다고합니다.
여기서 되게 재미있는 말을 하는데요, "저주파 전류만으로는 추가적인 비정상 발열이나 급격한 열화를 설명하기 어렵다" 라고합니다.
Nyquist Plot상으로는 저주파에서 임피던스가 매우 크게 나온다고하면서 이러한 결론을 내리는게 논리적으로 이해는안되지만, 제 생각에는 저자가 이건 "의도한" 저항증가로 보는것 같습니다.
고주파 리플은 평균 SOC 변화에는 직접적으로 기여하진 않지만, 손실과 발열 그리고 Fatigue Failure에 영향을 준다고 합니다.
실험결과도 전반적으로 고주파쪽에서 더욱 가속 열화가 되는것 처럼 보이는데,
이를 통해 저자는 저주파보다 고주파 제어시 더욱 문제가 있을 수 있다고 합니다.
Results
전반적으로 저자가 말하고자 하는 논리에 대해서는 잘 정리된 논문입니다.
리플 전류 발생 시, 임피던스/발열/열화에 나누어 영향성을 분석했으며, 저주파/고주파로도 구분하여 정리를 했습니다.
이 주제 자체가 워낙 Hoy potato이고 해석이 분분하나 저는 본 저자와 비슷한 의견을 가지고 있기에 재미있게 읽었습니다.
참조
[1] Kotub Uddin, Andrew D. Moore, Anup Barai, James Marco, The effects of high frequency current ripple on electric vehicle battery performance, Applied Energy, Volume 178, 2016, Pages 142-154, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.033.
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