작동 조건에서 배터리 모듈 또는 팩의 셀 상태 모니터링 및 예측

편집자 주: 이 기사의 기반이 된 논문은 원래 2021년 11월/12월 대만 타이베이에서 개최된 2021 IEEE 제품 규정 준수 엔지니어링에 관한 국제 심포지엄 – 아시아(ISPCE-ASIA)에서 발표되었습니다. IEEE의 허가. 저작권 2021, IEEE.

수년간 운영된 전기자동차(EV)와 에너지저장장치(ESS)의 화재 사고가 증가함에 따라, EV와 ESS의 상태 모니터링 시스템은 여전히 ​​관심 주제입니다. 정적 상태에서 세포의 건강 상태를 측정하는 것은 비교적 쉬운 반면, 시스템에 포장된 세포와 작동 상태에서 상태를 측정하는 것은 정적 측정 방법으로는 다소 어렵거나 시간이 많이 걸립니다.

하지만, 직렬 블록에서 하나의 셀이 열화되면 블록 전체의 성능이 저하되고, 열화로 인해 수명 저하나 주행거리 비용 등의 경제적 우려가 발생하므로 중단 없는 건강 모니터링 시스템을 개발하는 것이 매우 중요합니다. 실제 작동 및 배터리 팩을 모듈과 셀로 분해하는 과정을 보여줍니다.

IEC/ISO는 EV 애플리케이션의 고강도 및 장수명 요구에 따른 셀 상태의 중요성을 고려하여 셀에 대한 성능 표준 IEC 62660-1:2018과 팩에 대한 ISO 12405-4:2018을 발표했습니다. 두 표준 모두 BEV(배터리 전기 자동차)뿐만 아니라 HEV(하이브리드 전기 자동차)의 동적 충전 및 방전 동작에서 셀의 성능을 강조합니다.

이러한 동적 프로필은 다음과 같은 조건을 고려했습니다.

IEC 및 ISO 표준의 그림 1 및 그림 2에 표시된 대로 실제 작동을 시뮬레이션하는 테스트 프로필이 그에 따라 생성됩니다.

그림 1: IEC 62660-1의 BEV 사이클 테스트에 대한 동적 방전 프로파일 A [1]

그림 2: IEC 62660-1의 BEV 사이클 테스트에 대한 동적 방전 프로파일 B[2]

대부분의 연구에서 언급된 바와 같이 EIS는 그림 3과 같이 배터리 구조에 대한 포괄적인 설명으로 간주되었습니다. 일반적인 EIS는 전기화학 셀에 AC 전위를 인가한 후 다양한 주파수에서 셀을 통과하는 전류를 측정하는 방식으로 수행되었습니다. 1mHz의 낮은 주파수부터 1MHz의 높은 주파수까지.

그림 3: EIS의 개념과 셀의 전기화학 구조와의 관계 [3]

반응 주파수는 전극 사이에 많은 물질 층이 있고 외부 전위는 서로 다른 진동 주파수로 설정된 소리굽쇠와 같기 때문에 세포 전기화학 구조에 대한 설명으로 간주될 수 있습니다. 각 층 재료는 고유 고유 주파수가 다르며 전압 주파수가 동일하면 공진 상태가 됩니다. 특성 주파수 피크의 진폭은 재료의 두께나 질량과 유사할 수 있습니다. 소재가 두꺼울수록 반응성이 강해집니다.

그러나 한 셀에 대해 한 번에 단일 스펙트럼은 아무런 의미가 없지만 서로 다른 작동 조건에서 층 두께가 변경될 때 셀 전체의 스펙트럼을 비교할 때 응답은 극한 조건(예: SOC 0%에서 SOC 100%) 사이에서 변경됩니다. 사용자가 원래 사용하지 않은 상태로 측정한 상태를 추정하는 데 도움이 됩니다.

단일 리튬 이온 배터리 또는 셀의 전압은 3V에 불과하므로 DC/DC 전압 변환 기술 없이 12V, 48V, 96V 또는 그 이상의 대용량 출력을 생성하려면 셀을 결합해야 합니다. 시리즈 블록으로. 그러나 전기화학 셀은 내부 저항의 차이가 있기 때문에 블록 끝에서 전압 차이가 더 커집니다. 블록 내 셀의 과전압을 방지하려면 IEC 62133, UL 2594 또는 UL 2580과 같은 모듈 안전 표준 요구 사항을 기반으로 그림 4와 같이 동일한 시리즈의 각 셀에 과전압 방지 메커니즘 또는 모니터링 시스템을 통합해야 합니다.