셀 불균일성을 고려한 배터리 모듈의 새로운 건강 상태 평가 지표에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 불균일한 배터리 셀들로 구성된 배터리 모듈의 건강 상태를 평가하기 위한 새로운 지표를 제안한다. 배터리 셀은 충방전을 반복함에 따라 용량 감소 및 내부 저항 증가의 노화가 진행되며, 서로 다른 노화 과정에 기인한 셀 불균일성은 배터리 모듈의 수명을 단축시키는 근본적인 요인으로 작용한다. 따라서, 배터리 시스템에서 건강 상태 감시 및 관리는 필수적이다. 하지만, 배터리 건강 상태 추정 및 평가하는 방법들은 대부분 배터리 셀을 대상으로 하고 있으며, 이러한 연구들은 셀 불균일성을 반영하지 못하기 때문에, 배터리 모듈로 확장 적용하는 것에는 한계가 있다. 본 논문에서는 배터리 모듈의 건강 상태를 셀 불균일성의 관점에서 분석하고, 이를 평가할 수 있는 지표를 제안하였다. 이를 위해, 먼저 배터리 셀 불균일성을 정의하고, 해당 특성이 모듈의 노화 가속에 미치는 영향을 분석하여, 셀 밸런싱의 필요성을 기술하였다. 셀 불균일성의 정도를 셀 밸런싱 의존도와 연관시켜, 모듈의 등가 용량 및 셀들의 상대적인 잔여 유효 수명 분석 방법을 제시하고, 분석된 특성들을 기반으로 구성된 새로운 모듈의 건강 상태 지표가 모듈의 상대적인 잔여 유효 수명 동안 출력할 수 있는 총 방전 전류의 크기를 대표할 수 있도록 하였다. 또한, 노화에 따른 최대 출력 전류 및 전압 강하와 관련한 보조적인 평가 지표도 함께 제시하였다. 마지막으로 셀 용량 추정에 입자 군집 최적화 기법을 적용하여, 제안된 지표 산출에 활용할 수 있도록 하였다. 제안된 지표들과 셀 용량 추정 기법의 성능들은 다양한 상황을 가정한 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.