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진동 신호 기반 리튬 이온 배터리 과방전 결함 탐지 기법(Vibration Signal-Based Overdischarge Fault Detection Method for Lithium-Ion Batteries, Battery, 시험) 본문
진동 신호 기반 리튬 이온 배터리 과방전 결함 탐지 기법(Vibration Signal-Based Overdischarge Fault Detection Method for Lithium-Ion Batteries, Battery, 시험)
FAMTECH 2024. 12. 9. 08:23
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An Overdischarge Fault Detection Method for Lithium-ion Battery Module Based on Vibration Characteristics: Xiaoxiao Zhao, QingXiong, Xiujun Huang, Jingyi Zhang, Jianghan Li, Shengchang Ji
진동 신호 기반 리튬이온 배터리 과방전 결함 탐지 기법
리튬이온 배터리(Lithium-ion Battery, LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 주기 수명 덕분에 전기자동차(EV)의 주요 에너지 저장 시스템으로 널리 사용되고 있습니다. 그러나 LIB는 화학적으로 활성 상태의 전해질을 포함하고 있어 안전성 문제가 꾸준히 제기되고 있으며, 특히 과방전(overdischarge) 결함은 매우 중요한 문제로 대두되고 있습니다. 과방전은 배터리의 전압이 허용 한계치 이하로 떨어질 때 발생하며, 내부에서 열과 가스가 발생해 배터리의 압력을 증가시키고, 이는 결국 열폭주(thermal runaway)와 같은 위험한 상황으로 이어질 수 있습니다.
기존의 과방전 탐지 방법은 주로 배터리 관리 시스템(BMS)을 통해 전압 변화를 모니터링하거나, 외부 센서를 통해 배터리 표면의 온도 변화나 가스 방출을 감지하는 방식으로 이루어졌습니다. 그러나 이러한 방법은 여러 제한점을 갖습니다. 예를 들어, 전압 감지는 대규모 셀 연결 구조에서 정확도가 떨어지고 배선이 복잡해지며, 온도 및 가스 감지는 내부에서 외부로 전달되는 데 시간이 걸리기 때문에 실시간 경고로는 적합하지 않습니다. 따라서 더 경제적이고 실용적인 과방전 진단 기술이 요구되고 있습니다.
이에 해당 연구에서는 진동 신호를 활용한 과방전 탐지 방법을 제안합니다. LIB의 충방전 과정에서 발생하는 진동 신호는 배터리 내부의 전기적, 기계적 반응을 반영하며, 이를 분석함으로써 배터리의 상태를 실시간으로 진단할 수 있습니다. 실험에서는 18650 규격의 LIB를 대상으로 정상(3.0V) 상태와 과방전(2.0V) 상태에서 발생하는 진동 신호를 측정했습니다. 분석 결과, 과방전 상태에서는 25.5kHz와 16.518.5kHz 범위에서 고주파 성분이 나타나는 반면, 정상 상태에서는 이러한 고주파 성분이 관찰되지 않았습니다. 이를 통해 진동 신호의 고주파 성분이 과방전 상태의 주요 특징임을 확인할 수 있었습니다.
이후, 실제 EV 배터리 모듈을 고려하여 4개의 셀이 직렬로 연결된 배터리 모듈을 실험 대상으로 설정했습니다. 특정 셀을 과방전 상태로 두고 모듈 표면에 부착된 진동 센서를 통해 고주파 성분을 측정한 결과, 모듈 표면에서도 과방전 상태에서만 고주파 성분이 관찰되었습니다. 이는 개별 셀마다 센서를 부착하지 않아도 모듈 전체의 상태를 모니터링할 수 있음을 보여주며, 해당 방법이 경제적이고 실용적인 솔루션임을 입증했습니다.
본 연구의 결과는 LIB의 상태를 실시간으로 모니터링하고, 과방전과 같은 결함을 효과적으로 진단하는 데 있어 진동 기반 탐지 방법이 매우 유용하다는 것을 보여줍니다. 특히, 이 방법은 비접촉 방식으로 이루어지며, 대규모 EV 배터리 모듈에도 쉽게 적용 가능하다는 점에서 EV 및 에너지 저장 시스템의 안전성을 강화할 수 있는 강력한 기술로 평가됩니다. 앞으로 진동 신호를 활용한 추가 연구가 이루어진다면, 이 방법은 LIB뿐만 아니라 다른 에너지 저장 장치에서도 활용될 가능성이 있습니다.
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