[IEEE-2021] Battery

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졸업 논문 전문: https://ieeeexplore.ieee.org/document/9584562

(원천) J. 에스톨 외., “셀의 가격, 임피던스, 비에너지 및 C-rate를 고려한 최첨단 18650 원통형 배터리 셀의 배터리 임피던스 모델링 및 종합 비교”, 2021 IEEE 환경 및 전기 공학 국제 회의 및 2021 IEEE 산업 및 상업 전력 시스템 유럽(EEEIC / I&CPS 유럽)이탈리아 바리, 2021, pp. 1-8, doi: 10.1109/EEEIC/ICPSEurope51590.2021.9584562.

※ 이 글의 이미지와 내용은 원문을 그대로 가져왔습니다.

(논문 요약)
셀 가격, 임피던스, 특정 에너지 및 C-rate를 고려한 최첨단 18650 원통형 배터리 셀의 배터리 임피던스 모델링 및 종합 비교

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이 백서에는 원통형 배터리의 임피던스, 에너지 및 가격이 요약되어 있습니다.

시중에 판매되는 벌크 원통형 전지의 가격을 비교한 점에서 매우 흥미로운 논문이었습니다.

목적

Warburg 임피던스를 포함한 18650 배터리의 모델링, 임피던스 모델을 생성할 때 어떤 모델이 가장 효과적인지 제시, 가격, C-rate 및 에너지 밀도 측면에서 여러 회사의 라운드 셀을 포괄적으로 비교.

내용물

임피던스 모델을 공부하다가 우연히 발견한 글입니다.

Cells’ Price라는 제목에 끌렸는데 모델링에 대한 큰 통찰력을 준 예상치 못한 논문이었습니다.


일반적으로 임피던스 모델은 N차 RC-ECM 모델에 Warburg 임피던스를 더한 형태로 나온다.

여기에서 Warburg 임피던스를 가장 효율적으로 추가할 수 있는 위치를 분석했습니다.

논문이 정확하게 포착한 요점은 모델의 모든 회로 요소가 온도 및 SOC/SOH 종속 경향을 갖는다는 것입니다.

이 때문에 정확한 모델링이 어렵고 이 작업도 한계를 모두 극복하지는 못했지만, 임피던스를 따르는지를 보면 정확도가 98.5% 정도였다고 한다.

위 그림의 왼쪽 모델은 1Hz 미만의 확산 임피던스를 억제하고 스위치 온/오프 또는 솔더 조인트에 의해 유발되는 5kHz 이상의 고주파 성분을 유도하는 데 한계가 있었다고 합니다.

이 문제를 해결하기 위해 Warburg 임피던스(저주파 문제에 대한 해결책)를 추가했으며, 인덕턴스를 직렬이 아닌 새로운 저항(고주파 문제에 대한 해결책)과 병렬로 배치하여 임피던스 추정 정확도를 높였습니다. 크게 개선되었습니다.

다음 비교도 인상적이었습니다.


가격 및 각종 서비스와 관련하여 다양한 배터리 셀 제조사 및 모델을 직접 명명하고 비교합니다.

논문은 각 음극 및 정전 용량과 같은 보다 자세한 사양을 모두 나열할 뿐만 아니라 각각에 대한 임피던스 모델을 생성하고 모든 매개 변수를 구성합니다.

그 결과 18650 셀과 비슷한 크기임에도 불구하고 가격이나 성능이 다른 부분에서 임피던스, 내부 저항, 에너지 밀도, 양극재 등 부분에서 차이가 컸다. 고가의 셀이었으나 성능이 낮았던 것은 배터리 셀 안전을 위한 다른 보조 소재가 많았기 때문이다.

따라서 단위 셀당 가격이 아닌 에너지 밀도당 가격을 보면 보다 정확하게 분석할 수 있다고 한다.

(보호회로가 있는 세포라는 말도 있다.)

결과

논문의 모든 삽화가 제공되지 않았기 때문에 저작권상의 이유로 출판된 삽화를 중심으로 배열했습니다.

실제로 종이를 한 번 출력해 보면 가격 비교, 내부 장비, 임피던스 모델 파라미터 값 등 모든 것이 세세하게 정리되어 있어 매우 흥미롭다.

원통형은 최근 테슬라를 필두로 18650 21700 46800으로 주류화를 시도하고 있다.

아직 원통형 자체에 대해서는 회의적이지만 어떤 배터리 규격이 파우치인지, 각형인지, 원통형인지에 따라 양산 단가가 크게 떨어질 수 있어 연구 동향을 꾸준히 모니터링하고 있다.

참조

(하나) J. 에스톨 외., “셀의 가격, 임피던스, 비에너지 및 C-rate를 고려한 최첨단 18650 원통형 배터리 셀의 배터리 임피던스 모델링 및 종합 비교”, 2021 IEEE 환경 및 전기 공학 국제 회의 및 2021 IEEE 산업 및 상업 전력 시스템 유럽(EEEIC / I&CPS 유럽)이탈리아 바리, 2021, pp. 1-8, doi: 10.1109/EEEIC/ICPSEurope51590.2021.9584562.