배터리 펄스 충전 최적화를 위한 충전 주기에 관한 연구

Abstract

This paper is a study on charging cycle for optimization of battery pulse charging(PCH). It is common to charge the battery with a constant current(CC) or power such as constant current / constant voltage(CC/CV) and a constant voltage(CV) charging method which charges the battery for a long time. In this method, an increase in the charging time causes the lithium ions in the electrode to be continuously accumulated, causing concentration polarization, and lithium plating occurs, which affects battery charge capacity and lifetime. In order to shorten the charging time, the rapid charging method is being studied. It is known that the fast charging method using the constant current is the fastest. However, it’s method can adversely affect lifetime or internal parameters of battery due to lots of charging. PCH methods such as PWM and PAM have been introduced to overcome the disadvantages of the CC/CV, or CC charging method.

In this paper, among the PWM charging methods, we investigated the optimum ratio of the discharging time to charging time(DTCT), and analyzed proceed the chargeability test and analyze the battery life and internal parameters using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). For this study, a pulse charger and an EIS module are fabricated and pulse charging of On_time / Off_time type is performed here. In order to verifying the effect of battery lifetime using PCH method, we analyze the lifetime and internal parameters of battery by measuring the impedance using the EIS module every 50 times while charge / discharge the battery 500 times by applying the CC, and PCH method.

| 본 논문은 배터리 펄스 충전 최적화를 위한 충전주기에 관한 연구이다. 현재 정전류/정전압과 같은 일정 전류나 일정 전력으로 충전하다가 긴 시간 동안 충전하는 일정 전압 충전방식을 이용하여 충전하는 것이 일반적이다. 이 방식의 경우 충전시간의 증대로 전극 내의 리튬이온이 지속적으로 축척되어 농도 분극현상이 일어나며, 리튬 플레이팅이 발생 되어 배터리 충전량과 수명에 영향을 미친다. 또한, 최근에 충전시간을 단축하기 위하여 급속충전 방식을 활용하고 있으며, 대표적으로는 정전류를 활용한 급속충전 방식이 가장 빠르다고 알려져 있다. 그러나 정전류 급속 충전은 많은 전하량에 의해서 배터리의 수명이나 내부 파라미터에 악영향을 미치게 된다. 이러한 정전류/정전압 충전방식의 단점과 정전류 충전의 단점을 보완해주는 PWM, PAM 같은 펄스형 충전방식이 등장하였다.

본 논문에서는 PWM 충전방식 중에서도 충전시간 대비 방전시간(DTCT)을 비교하여 급속 충전 가능성 실험을 진행하고, 전기화학법 임피던스 분광법(EIS)을 활용하여 배터리의 수명 및 내부 파라미터를 분석한다. 본 연구를 위해서 펄스 충전기 및 EIS 모듈을 제작하고, 여기에 3가지 On_time/Off_time 종류의 펄스 충전을 수행한다. 펄스 충전방식을 이용한 배터리 수명에 대한 영향을 검증하기 위하여, 정전류, 펄스 충전방식을 적용하여 배터리를 500회 충·방전을 수행하면서 50회마다 EIS 모듈로 임피던스를 측정하여 배터리의 수명 변화 값과 내부 파라미터를 분석하였다.