리튬이온 배터리 전기화학적 임피던스 모델 기반 상태 추정 연구 = A Study on the Lithium-ion Battery State Estimation Base on Electrochemical Impedance Model

국문 초록 (Abstract)

탄소 배출량 규제에 따라 전기자동차의 판매량이 매년 증가하고 있다. 전기자동차의 중요한 요소 중 하나인 배터리는 주로 고에너지, 고용량의 리튬이온 배터리를 사용하며, 배터리의 안정적인 운용을 위해 배터리 상태를 정확하게 추정하는 기능이 요구된다. 배터리 상태를 추정하기 위한 모델 기반의 방법으로는 등가회로모델 (Equivalent Circuit Model, ECM)과 전기화학적 임피던스 모델 (Electrochemical Impedance Model) 등 다양한 형태의 모델을 기반으로 배터리의 상태를 추정한다. 일반적으로 등가회로모델은 DCIR(Direct Current Internal Resistance)을 기초하여 배터리의 상태를 추정한다. 이처럼 배터리의 상태 추정을 하는 경우 배터리에 나타나는 전해질 저항과 충방전 과정에서 발생하는 반응 저항, 전극 내에서 발생하는 리튬이온 확산 저항을 설명하기에 어렵다. 따라서, 배터리의 내부 상태를 분석 가능한 전기화학적 임피던스 분광법을 기반으로 전기화학적 모델을 구성하고 배터리의 상태 추정을 진행한다. 또한 대부분의 전기화학적 모델에 관한 논문에서 한 가지 종류의 리튬이온 배터리를 시료로 전기화학적 모델 구성하고 배터리 상태 추정을 진행했다. 이러한 논문은 현재 전기자동차에서 사용하고 있는 다양한 종류(파우치형 배터리와 각형 배터리 등)의 배터리에 대한 상태 추정 결과를 비교하는 과정에서 어려움이 발생하며, 이에 따라 배터리 종류에 적합한 모델과 상태 추정 알고리즘을 적용하기 위한 많은 시간을 할애해야 한다.

따라서, 본 논문에서는 두 가지 타입(파우치형 배터리와 각형 배터리)의 리튬이온 배터리에 전기화학적 임피던스 분광법 측정을 진행하고 산출된 배터리 파라미터를 기반으로 한 전기화학적 모델을 구성하고자 하며, 구성한 전기화학적 모델에 상태 추정 알고리즘 중 하나인 확장 칼만 필터 (Extended Kalman Filter, EKF) 기법을 사용하여 배터리의 충전 상태 (State Of Charge, SOC)를 추정한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sales of electric vehicles are increasing every year under carbon emission regulations. A battery, which is one of the important elements of an electric vehicle, mainly uses high-energy and high-capacity lithium-ion batteries, and a function of accurately estimating a battery state for stable operation of the battery is required. As a model-based method for estimating a battery state, the state of a battery is estimated based on various types of models, such as an equivalent circuit model (ECM), an electrochemical impedance model, etc. In general, an equivalent circuit model estimates a battery state based on direct current internal resistance (DCIR). When estimating the state of the battery as described above, it is difficult to explain the electrolyte resistance of the battery, the reaction resistance of charging/discharging, and the diffusion resistance of lithium ions in the electrode. Therefore, an electrochemical model is constructed based on the electrochemical impedance spectroscopy capable of analyzing the internal state of the battery, and the battery state is estimated. In addition, in most papers on electrochemical models, an electrochemical model was constructed with samples of one type of lithium-ion battery, and a battery state was estimated. This paper makes it difficult to compare the state estimation results of various types of batteries (pouch-type battery, prismatic battery, etc.) currently used in an electric vehicle, and accordingly, it is required to devote a lot of time to apply the model and state estimation algorithm suitable for the battery type.
Therefore, in this paper, we measure electrochemical impedance spectroscopy in two types of lithium-ion batteries (pouch-type batteries and prismatic batteries), construct an electrochemical model based on the calculated battery parameters, and estimate the state of charge (State Of Charge, EKF) of the battery using one of the state estimation algorithms.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 내용 및 목표 3
• 제 2장 리튬이온 배터리 5
• 2.1. 리튬이온 배터리 구성 5
• 2.1.1 리튬이온 배터리 양극 5
• 2.1.2 리튬이온 배터리 음극 5
• 2.1.3 리튬이온 배터리 분리막 6
• 2.1.4 리튬이온 배터리 전해질 6
• 2.1.5 리튬이온 배터리 작동 원리 6
• 2.2. 리튬이온 배터리 타입 8
• 2.2.1 원통형 리튬이온 배터리 8
• 2.2.2 파우치형 리튬이온 배터리 9
• 2.2.3 각형 리튬이온 배터리 10
• 제 3장 배터리 상태 추정 방법 11
• 3.1 전류 적산법 11
• 3.2. Electrochemical Impedance Spectroscopy 11
• 3.2.1 Nyquist Plot 12
• 3.2.2 Warburg Impedance & CPE 14
• 3.2.3 Impedance Fitting 15
• 3.3. 상태 추정 기법 16
• 3.3.1 Kalman Filter 16
• 3.3.2 Exteneded Kalman Filter 16
• 3.4. 배터리 등가 회로 모델 18
• 3.4.1 Electrical Equivalent Circuit Model 18
• 3.4.2 Electrochemical Impedance Model 19
• 제 4장 실험 구성 25
• 4.1. 실험 구성 25
• 4.1.1 리튬이온 배터리 시료 25
• 4.1.1.1 파우치형 리튬이온 배터리 25
• 4.1.1.2 각형 리튬이온 배터리 26
• 4.1.2 배터리 충⋅방전 Cycler 장비 28
• 4.1.3 Electrochemical Impedance Spectroscopy 장비 29
• 4.2. 실험 시나리오 구성 32
• 4.3. EIS 및 OCV 결과 데이터 34
• 4.3.1 1번 채널 파우치형 배터리 결과 34
• 4.3.2 2번 채널 파우치형 배터리 결과 39
• 4.3.3 1번 채널 각형 배터리 결과 44
• 4.3.4 2번 채널 각형 배터리 결과 49
• 제5장 배터리 시뮬레이션 결과 54
• 5.1. 배터리 상태 추정 결과 및 오차 54
• 5.1.1 1번 채널 파우치형 리튬이온 배터리 54
• 5.1.2 2번 채널 파우치형 리튬이온 배터리 56
• 5.1.3 1번 채널 각형 리튬이온 배터리 59
• 5.1.4 2번 채널 각형 리튬이온 배터리 61
• 제6장 결론 및 고찰 63
• References 65
• Abstract 69