Reference

NICELAB Seminar

Algorithms for Battery Management course, Prof. Gregory Plett

Lithium Ion Battery - Basic

Lithum Ion Battery properties

• High Cost, 화재 위험 → But, 계속해서 사용하는 이유?

1. Lower Self Discharge Rate

2. Long Life ⇒ More than 500 cycles

🗯️ Lithium air, Zinc air

• 음극(-)은 공기 중에 사용, 즉 양극(+)만 구성. 부피 ↓ 무게 ↓ → 에너지 밀도 ↑
• Lithium 원자 번호 : 3 → very light! ‘궁극의 베터리’
• But, Both are in the research stage.

Functional Components of an Electrochemical Cell

• 2차 전지의 기본적 구조
  1. Negative electrode (-)
  2. Positive electrode (+)
  3. Electrolyte
  4. Separator
  5. Current Collectors

  

• Roles of each part
  1. Negative electrode
     • Discharge : 음극(-) 산화 → 전자 배출
     • Charge : 음극(-) 환원 → 잔자 수용
  2. Positive electrode
     • Discharge : 양극(+) 환원 → 전자 수용
     • Charge : 양극(+) 산화 → 전자 배출
  3. Electrolyte
     • Negative & Positive의 전자 수용 및 배출은 모두 외부 회로에서 이뤄짐
     • 이에 상응하여 내부에서는 Ion의 이동(Diffusion 현상)이 필요
     • 이동 통로 역할을 수행
     • 전자가 외부에서 이동하고 내부에서는 이동하지 않도록 부도체로 구현
  4. Separator
     • +/- 극이 서로 섞이지 않도록 물리적 격리
     • 내부 쇼트, 자가 방전 현상 방지
  5. Current Collectors
     • 내부 +/- 입자에서 나온 전자를 회로 밖으로 보내는 역할
     • 파우더를 코딩하여 구현
     • Negative electrode Current Collectors : 구리
     • Positive electrode Current Collectors : 알루미늄

Electorde Structure

• Lithium → intercalation 저장 방식 (like Sponge in water = Layer structure)

• These electrodes have two key properties

  1. Open crystals structures (빈 공간에 리튬 삽입 / 추출)
  2. Ablilty to accept compensating electrons (전자 수용 능력)

  

• Negative electrode : graphite (흑연)

  🗯️ 실리콘 (차세대 재료)

  • 흑연보다 10배 이상 리튬 저장
  • But 리튬 양에 비례하는 팽창 면에서 오히려 흑연의 성능이 더 좋음 (margin size 확보 우수)

• Positive electrode : 양극 활물질(리튬 금속 산화물 = 결합형태) (5개 종류 - LCO, NCM, NCA, LMO, LFP)

  

  • 활물질 사용 이유 : 순수 리튬은 화학반응에 예민 ⇒ 불안정 So, make it Stable!

• 아래 화학식 참조 (Left: Negative electrode Right: Positive electrode)

  

• Powder 입자

  

  💡 3가지의 복합 형태

  1. 활물질 - 화학반응에 직접 관여
  2. 도전제 - 활물질들의 전도성 ↑
  3. 바인더 - 잘 섞일 수 있도록 하는 접착제 역할 → 리튬 확산에 기여 (골고루 잘 퍼지도록)

Charge Process (Discharge is reversed form)

• During charge, Li exits surface of positive-electrode particles, gives up an electron, becoming Li+ in the electrolyte
• Meanwhile, the electron is forced (by charger) through external circuit to negative electrode
• Li+ joins with the electron, and Li enters negative-electrode particles at their surface
• Diffusion of Li in both electrodes equalizes internal concentrations (over time..)

BMS(Battery Management System)

What must a BMS do?

• Protect human safety of device’s operator
• Protect cells of battery from damage in abuse / failure cases
• Prolong life of battery
• Maintain battery in a state in which it can fulfill its functional design requirements
• Inform the application controller how to make the best use of the pack right now

💡 All Lithium-ion battery packs require at least a minimal BMS for safety!!

General BMS functionality

• Sensing and high-voltage control
  • Measure voltage, current, temperature of the each cells
  • Pre-charge for control contactor
  • Ground-fault detection
  • Thermal management
• Protection against over-charge, over-discharge, over-current, short circuit, extreme temperatures
• Interface
  • host application interface with Battery
• Performance Management
  • SOC estimation → Power-limit computation → Balance / equalize cells
  • 특정 셀만 과충전/과방전 될 수 있기 때문!
• Diagnostics (Abuse Detection : SOH estimation, SOL estimation)

🗯️ Pre-charge?

• 충전 시 전기를 인가할 때 전류가 갑자기 커지는 현상이 발생 → 스위치 자체가 납땜이 되버림
• 이를 극복하기 위해 미리 전압을 커패시터를 통해 충전하여 충전 시 전류가 튀지 않게 하는 방식.

🗯️ Over-Charge in Lithium Battery?

• Dendrite 현상
  • 리튬이 많아져서 음극으로 가지 못하고 Electrolyte에 남게됨!
  • 이후 쌓여서 뾰족하게 결정체를 이룸
  • 결정체가 분리막을 뚫고 음극으로 가 touch 하게 되면 short 현상이 일어나게 됨
  • 또한 과전류가 일어나 폭발의 위험성도 있음

🗯️ Over-Discharge in Lithium Battery?

• -극 current collector 구리막이 산화되어 전해질에 녹아들게 됨 → 내부 short 문제 발생

🗯️ Over-Current in Lithium Battery?

• 배터리 내부저항에 의해 $I^2R$에 해당하는 발열 발생
• 배터리 발열 → 전해(질) 끓어버림 / 분리막 녹아버림 → 열폭주 현상

BMS requirement 3 : Interface

• Charger Control ⇒ Battery packs are charged in two ways
  1. Random
     • Control by providing inverter power limits (e.g., regenerative braking)
  2. Plug - in
     • Control charger current, voltage, balancing with CP/CV (+ CCV).
     • Heating systems may also be required.
• Log Book Function
  • For warrantee and Diagnostic purpose, BMS must store a log of atypical/abuse events
  • Can also store Diagnostic information regarding number of charge/discharge cycles completed & SOH estimates at beginning of each driving cycle
• Range Estimation
  • Heavily influenced by environmental factors
  • 베터리 제조사의 requirement에 따라가기 때문에 (제약) 현재 자동차 제조사마다 각자의 알고리즘을 보유. (자체 BMS 알고리즘 개발 대두)

🗯️ Regenerative Braking?

• 제동 시 관성력을 통해 회전자를 돌려 전동기를 발전기 기능으로 작동하게 함으로써 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 제동 방법

🗯️ CP/CV

• 기준치를 두어 (예: 충전량 80%) 해당 기준치 아래는 일정한 Power로 충전하고, 기준치를 넘어갈 때는 일정한 전압으로 충전하는 방식
• 위 방법 외에도 다양한 방법이 있을 수 있음. 현재는 CP/CV를 많이 쓰는 경향이 있음.

BMS requirement 4 : Performance Management

• Battery applications need to know two battery quantities
  1. How much energy is available? → in battery pack
  2. How much power is available? → for immdiate future
• Must estimate these values
  • To estimate energy : cell-states-of-charge $Z_k$ (unit: %) and capacities $Q_k$
  • To estimate power : cell-states-of-charge $Z_k$ (unit: %) and resistances $R_k$

Physical basis for cell SOC

• $C_{s, max}$ is maximum theoretical concentration(농도) of lithium in electrode particle.

• $C_{s, avg,k}$ is average concentration of Li in particle at time $k$

• Present lithium stoichiometry(전극의 SOC) is $\theta_k = C_{s,avg,k} / C_{s,max}$

  💡 $\theta_k$ is a kind of electrode SOC, different from cell SOC!

• cell SOC is like :

  

How does SOC relate to cell voltage?

• Cell voltage depends on Li surface concentration in particles that contact positive and negative current collectros
• SOC depends on average concentration over entire electrode
• Average concentration is not affected by
  1. Changing temperature → changes cell voltage
  2. Resting a cell (Diffusion) → changes cell voltage
• In summary, SOC changes only due to passage of current, or due to self-discharge within the cell

How does SOC relate to cell current?

• SOC is related to cell current via

  

• $\eta$ is coulombic efficiency → 1에 근접하지만 1 이하

• Idea : SOC를 변화시키지 않는 전류들을 제외하고, 변화시키는 전류만 적분

💡 Coulombic Counting method is very hard to use because of lots of noise. (오차 누적)

What about “pack SOC”?

• pack SOC is ill-defined, so should never be used → 기준이 애매모호
• Issue : 이러한 문제는 cell balancing의 필요성을 제기함
• But we want to know battery pack’s available energy!!

Cell available power estimate

• Estimate must provide moving-window power limits
• HPPC test (Hybrid Pulse Power Characterization)
  • 이용가능 전력 추정 방법, 특정 SOC에서의 가용 출력을 측정하는 테스트
• Idea of HPPC
  • 방전 전류 인가 시 전압 강하, 충전 전류 인가 시 전압 상승 특성을 이용하여 내부 저항을 구함

  • cell resistance를 알면 배터리가 감당할 수 있는 전류의 양을 계산할 수 있음

    

🗯️ Moving-Window Power limits

• Calculate(사용 가능 전력) to enforce design limits (e.g., on cell voltage and current), predictive over $\Delta T$(일반적으로 10~20초) second future time horizon
• Update at a faster rate(사용 가능 전력) than once every $\Delta T$ second
• 즉, 매 초마다 앞으로 $\Delta T$ 초 간 사용가능 한 전력이 얼마인지를 추정!

HPPC discharge power

• For HPPC discharge power, assume simplified cell model

  

• Assume concerning only with keeping cell voltage between $V_{min}$ and $V_{max}$

• For discharge power, set $R = R_{dis, \Delta T}$ and clamp $v(t) = v_{min}$

  

• Simillar with charge power, set $R = R_{chg, \Delta T}$ and clamp $v(t) = v_{max}$

  

• HPPC test는 평형 상태를 가정 → 따라서 이 경우 power limit을 HPPC test 값보다 낮게 설정!

State-of-health(SOH) - scheme

• BMS must report a battery SOH estimate
• Two measurable indicators change as cell ages naturally
  1. Capacity decreases 20% to 30%
  2. Resistance increases 50% to 100%
• Estimating $R_k$ and $Q_k$ as the pack operators will give indicators of life

Summary

• For Battery AI, we gonna consider about SOH-estimate part (배터리의 안정성 부분에 초점)
• Sensing & Monitoring to find specific features that caused Battery Problems!