Comparative Analysis of 18650 Lithium-Ion Cylindrical Cells for Electric Vehicle (EV) and Battery Energy Storage System (BESS)

전기자동차와 에너지 저장장치 출력 특성에 적합한 원통형 리튬이온 셀 비교 분석

이 평 연

, 김 종 훈

, 최 연 옥

, 김 창 진

*충남대학교, 전기공학과

**조선대학교, 전기공학과

Comparative Analysis of 18650 Lithium-Ion Cylindrical Cells for Electric Vehicle (EV) and Battery Energy Storage System (BESS)

Pyeong-Yeon Lee

, Jonghoon Kim

, Youn-Ok Choi

, Chang-Jin Kim

*

Department of Electrical Engineering, Chungnam National University, Daejeon, Korea

**

Department of Electrical Engineering, Chosun University, Gwangju, Korea

Abstract : This research elaborately performed the comparative analysis of 18650 lithium-ion cylindrical cells that suitable for electric-powered application such as electric vehicle (EV) and battery energy storage system (BESS).

For this, two kinds of 18650 lithium-ion cylindrical cells with high-power and high-energy characteristics are well considered (two high-power and two high-energy lithium-ion cells). According to electrochemical characteristics in lithium-ion cells, some internal parameters including discharge capacity, open-circuit voltage, and discharge/charge resistances are respectively measured. From various experimental results implemented, this research surely provides useful solutions for selection of 18650 lithium-ion cylindrical cells with the purpose of the EV and BESS.

Keyword : High-power lithium-ion cell, High-energy lithium-ion cell, State-of-charge (SOC), Electric vehicle (EV), Battery energy storage system (BESS).

1. 서 론

1)

환경오염으로 인한 심각성을 해결하기 위해, 전 세계 는 다양한 신재생에너지 정책 제시 및 이를 위해 폭넓 은 연구를 진행하고 있다. 특히, 신재생에너지의 저장 및 이의 효율적 사용을 위해 배터리의 필요성이 더욱 부각되고 있다. 요즈음, 환경오염 방지 및 에너지/파워 밀도 측면에서 리튬이온(lithium-ion) 배터리의 장점 이 더욱 돋보이고 있으며, 대표적인 전력구동 어플리케 이션인 전기자동차(electric vehicle; EV)와 에너지

†Corresponding Author 성 명 : 김 종 훈

소 속 : 충남대학교 전기공학과

주 소 : 대전 유성구 대학로 99 충남대학교 전 화 : 042-821-5657

E-mail : [email protected]

저장장치(battery energy storage system; BESS) 에 널리 사용되고 있다(Figure 1)[1]-[5].

Figure 1. Electric-powered application; left(electric vehicle; EV), right(battery energy storage system;

BESS).

EV와 BESS는 부하의 요구사항(전류프로파일)에 따 라 다양한 출력특성을 가진다. EV의 경우, 높은 지대를 자주 운행해야 할 경우 순간의 고출력이 자주 요구되며,

이 가능하다[6][7].

본 연구에서는, 전기자동차와 에너지 저장장치 출력 특성에 적합한 18650 원통형 리튬이온 셀 선택을 위한 다양한 전기화학적 특성실험 수행 및 분석을 수행하며, 이를 통해 전력구동 어플리케이션에 맞는 최적의 리튬 이온 셀 선택 정보를 제공한다. 원통형 리튬이온 고출 력(high-power)셀과 고에너지(high-energy)셀의 전 기화학적 특성실험(방전용량, 개방전압 open- circuit voltage; OCV, 방전/충전저항) 및 데이터 분석이 체 계적으로 실시되었다. 고출력 셀의 실험을 위해 삼성 SDI의 18650-20R(2.0Ah)와 18650-20S (2.0Ah) 를 사용하였고, 고에너지 셀의 실험을 위해 삼성SDI의 18650-35E(3.4Ah)와 LG화학의 18650 -B4(2.6Ah) 를 사용하였다. 참고로, 18650 원통형 리튬이온 셀은 국내외 다양하게 출시되고 있으며, 본 연구에서는 국내 의 원통형 셀로 한정하였다[8][9].

2. 본 론 2.1 리튬이온 셀 및 실험장비 소개

Figure 2. 18650 lithium-ion cylindrical cell;

high-power(INR18650-20R), high-energy(INR18650-35E).

서론에서 언급했던 대로, 본 연구에서는 18650 타 입의 2개 고출력 원통형 셀과 2개 고용량 원통형 셀이 사용되었다. 이 중, Figure 2는 고출력 셀과 고용량 셀을 나타낸다(INR18650-20R, 18650-35E). 총 4 가지 원통형 셀의 스펙 시트를 Table 1에 하나로 정리 하였다.Table 1에서 두드러지는 것은 고출력 셀의 경우 상 온(25℃)에서 방전 시 순간 최대출력이 10C를 넘으며, 고용량 셀의 경우 이와 달리 순간 최대출력이 3C를 넘 지 않는다. 고출력 셀은 순간 최대출력이 가능하지만 이로 인한 리튬이온 배터리 내부에 손상이 있어 장시간 사용이 제한된다는 단점이 있다. 또한, 고출력 셀의 무 게는 고용량 셀보다 가벼운데, 이는 원통형 내부를 구 성하는 물질의 차이로 예상된다. 본 연구에서 제시한 모든 셀은 인산철(LiFePO4)와 달리 배터리 동작영역 에서 히스테리시스(hysteresis) 특성이 나타나지 않으 므로 비슷한 동작 전압범위를 갖는다.

고출력 및 고용량 원통형 리튬이온 셀의 충방전 실험

록 실험의 효율성을 높였다. 추가적으로, 고출력 및 고용 량 리튬이온 셀의 주파수 특성을 확인하기 위하여 임피 던스 특성 추출을 위한 ZIVE SP5 Electorhcemical Station를 구축하였다.

Table 1. Specification of 18650 high-power and high-energy lithium-ion cylindrical cells

High-power High-energy 20R 20S B4 35E Rated capacity 2.0Ah 2.0Ah 2.6Ah 3.4Ah Nominal voltage 3.6V 3.7V 3.6V 3.6V

Max.voltage(c) 4.2V 4.2V 4.2V 4.2V EOCV(d) 2.5V 2.5V 2.75V 2.65V Max.current(d;25℃) 11.0C 15.0C 2.0C 2.3C Max.current(d;50℃) 10.0C 13.0C 1.5C 2.0C Weight 45.0g 45.6g 48.0g 50.0g Temperature(oper.) -20-75 -20-60 -20-60 -10-60

Temperature(sto.) -30-65 -20-60 -20-60 -20-60

Figure 3. Experimental setup.

Figure 4. Experimental zig for simultaneous experiments of 8 lithium-ion cell.

2.2 고출력(high-power) 리튬이온 셀 실험 및 분석 고출력 셀의 여러 실험을 통해 이의 실험데이터 분석 및 전기화학적 특성을 알고자 한다. 이를 위해, 정전류 (constant current; CC) 방전 및 정전류-정전압 충 전(CC-CV) 방식을 이용한 전류적산법 기반 방전용량 을 측정하였다. 방전용량 측정을 위해 state-of – charge (SOC) 100%에서 전류의 크기 1C를 만방전 압까지 적용하였고, 방전모드와 충전모드 사이에 1시간 의 휴지기간(rest)를 두어 전기화학적 안정 상태 (equilibrium)에 도달하게 하였다. Figure 5는 방전 용량 측정을 위한 INR18650-20R의 전류프로파일 및 충방전 전압데이터를 나타낸다. 측정한 방전용량은 1.94862Ah로서 실제 정격용량(2.0Ah)보다 작은 값이 측정되었음을 알 수 있다. 정격용량은 배터리 제조회사 에서 사용자에게 제공하는 기준 용량 값으로서 배터리 출시 이후 약간의 자가방전(self-discharge)으로 인해 방전용량이 저하되었음을 확인하였다.

Figure 5. CC-CV scheme and discharging/charging voltage for measurement of the discharge capacity of

a high-power lithium-ion cell(INR18650-20R).

Figure 6. Current profile and discharging/charging voltages for measurement of the OCV and

HPPC-based discharging/charging resistances(INR18650-20R).

Figure 6은 개방전압 및 방전/충전저항을 측정하기 위한 전류프로파일 및 충방전 전압데이터를 나타낸다.

만충 후에 방전용량 기반 SOC10%별 방전 실시 및 hybrid pulse power characterization(HPPC)를 토 대로 방전/충전저항을 측정한다(Figure 7). SOC 9개 영역에서 OCV 및 방전/충전저항을 측정한 결과를 Table 2에 나타내었다. Figure 9의 방전/충전저항의 경우 SOC 영역에 상관없이 방전저항에 비해 충전저항 의 크기가 작으며, 이는 방전/충전 시퀀스 수행 시 리 튬이온의 전해질에서의 이동도 및 전극 접착도의 차이 이다. 고출력 셀(INR18650-20S)의 동일 실험절차에 따른 실험결과를 Figures 10-11에 나타내었다.

Figure 7. Hybrid pulse power characterization(HPPC).

Figure 8. Open-circuit voltage(OCV) of a INR18650-20R.

Figure 9. Discharge/charge resistances(INR18650-20R).

Table 2. Open-circuit voltage(OCV) and discharging/charging resistances of a INR18650-20R

SOC[%] OCV Discharging

resistance[Ω] Charging resistance[Ω]

90 4.06311 0.04675 0.04220 80 3.95537 0.05090 0.04213 70 3.85679 0.05293 0.04283 60 3.76997 0.05168 0.04659 50 3.68042 0.03884 0.03758 40 3.63343 0.03829 0.03555 30 3.60609 0.04041 0.03688 20 3.57801 0.04409 0.04221 10 3.49058 0.04832 0.04588

Figure 10. Open-circuit voltage(OCV) of a INR18650-20S.

Figure 11. Discharge/charge resistances(INR18650-20S).

Table 3. Open-circuit voltage(OCV) and discharging/charging resistances of a INR18650-20S

SOC[%] OCV Discharging

resistance[Ω] Charging resistance[Ω]

90 4.07851 0.029774 0.023321 80 4.02663 0.042685 0.032728 70 3.92012 0.040891 0.031016 60 3.84261 0.038716 0.038174 50 3.73426 0.033114 0.030243 40 3.65309 0.032886 0.028841 30 3.59481 0.034362 0.030551 20 3.51881 0.036776 0.035221 10 3.41245 0.041202 0.033038 INR18650-20S의 1.96284Ah의 방전용량 결과를 토대로 OCV 및 방전/충전저항을 측정하였다. 20R의 결과와 마찬가지로 대체로 선형적인 OCV 및 충전저항 보다 큰 방전저항을 볼 수 있다. INR18650-20R 대비 방전/충전저항의 크기가 작음을 Figure 9와 11를 통해 알 수 있으며, 이는 같은 고출력 원통형 셀이라 할지라 도, 순간의 C-rate가 큰 고출력 셀의 방전/충전저항의 크기가 작음을 확인할 수 있다. 순간의 높은 출력을 내 야 하는 만큼 배터리 내부의 방해요소가 적어야 하므로 위의 실험결과는 충분한 타당성이 있음을 알 수 있다.

2.3 고용량(high-energy) 리튬이온 셀 실험 및 분석 고출력 원통형 셀의 실험 절차를 고용량 원통형 셀에 동일하게 적용하였다. 이를 위해, INR18650-35E (3.4Ah)와 ICR18650-B4(2.6Ah)를 적용하였다.

INR18650-35E의 측정된 방전용량(Figure 12) 3.37104Ah을 이용하여 OCV 및 방전/충전저항을 구 하기 위한 전류프로파일과 충방전 전압데이터(Figure 13)를 측정하였고, 이의 결과를 Figure 14와 Table 4에 나타내었다. ICR18650-B4의 추가실험을 실시하 였고 이의 실험결과 분석을 INR18650-35E와 비교하 였다. 고출력 원통형 셀과 마찬가지로 충전저항보다 방

전저항의 크기가 크다. 특이사항은, 낮은 SOC10% 영 역에서 현저히 내부저항의 크기가 크며, 다른 SOC 영 역에서는 유사한 내부저항을 가진다.

Figure 12. CC-CV scheme and discharging/charging voltage for measurement of the discharge capacity of

a high-energy lithium-ion cell(INR18650-35E)

Figure 13. Current profile and discharging/charging voltages for measurement of the OCV and

HPPC-based discharging/charging resistances(INR18650-35E).

Figure 14. Open-circuit voltage(OCV) of a INR18650-35E.

Figure 15. Discharge/charge resistances(INR18650-20S).

Table 4. Open-circuit voltage(OCV) and discharging/charging resistances of a INR18650-35E

SOC[%] OCV Discharging

resistance[Ω] Charging resistance[Ω]

90 4.07877 0.056403 0.054274 80 4.01596 0.064134 0.061902 70 3.91171 0.060326 0.060266 60 3.82156 0.058992 0.056721 50 3.72586 0.063504 0.058309 40 3.64639 0.062732 0.058494 30 3.57375 0.062924 0.060962 20 3.46161 0.075036 0.058676 10 3.30952 0.101701 0.090176

Figure 16. Open-circuit voltage(OCV) of a ICR18650-B4.

Figure 17. Discharge/charge resistances(ICR18650-B4).

Table 5. Open-circuit voltage(OCV) and discharging/charging resistances of a ICR18650-B4

SOC[%] OCV Discharging

resistance[Ω] Charging resistance[Ω]

90 4.04265 0.085348 0.080118 80 3.93248 0.087342 0.080998 70 3.83162 0.087518 0.082118 60 3.74022 0.084873 0.086579 50 3.66346 0.081113 0.077769 40 3.62119 0.085808 0.081468 30 3.59266 0.092796 0.087342 20 3.55726 0.102193 0.094211 10 3.46052 0.201563 0.099021 실험결과를 통해, 고용량 원통형 셀이 고출력 셀보다 내부저항의 크기가 큼을 알 수 있으며, 같은 고용량 셀 이라 할지라도, 정격용량이 큰 경우 충전/방전저항의 크기가 작음을 확인할 수 있다. 고출력 원통형 셀의 순 간 출력을 방해하는 요소는 내부저항으로서, 이의 크기 가 클 경우, 출력이 제한되어 어플리케이션의 안정적인 운용이 제한될 수 있다. 고용량 원통형 셀의 경우 NMC 계열로서 니켈-망간-코발트 화합물이 사용되고, 고출력 원통형 셀은 NCA 계열로서 니켈-코발트-알루 미늄 화합물이 사용되어 내부저항 크기를 결정하는 요 인으로 망간과 알루미늄의 차이를 들 수 있으며, 셀 내 화합물의 내부 조합 구성도 추가 요인으로 고려될 수 있다. 동일 C-rate와 시간을 적용 시, 가용한 에너지의 양이 많을 경우 정격용량이 큼을 의미하며 이는 곧 원 통형 셀의 내부저항이 작음을 의미한다(양극과 음극에 서의 Li+ 이동도).

이 모든 실험결과로부터, 전기자동차와 에너지 저장 장치의 출력 특성에 따라 원통형 리튬이온 셀 기반 배 터리팩의 차등 설계가 불가피하며, 이를 통해 최적의 배터리팩 설계 및 효율적인 배터리관리시스템을 구현하 기 위한 중요 정보를 제공한다.

형 셀의 경우 장시간 운용이 가능한 장점이 있다. 각각 의 방전용량을 토대로, 개방전압 및 방전/충전저항을 측정하여 내부의 전기화학적 특성의 체계적인 분석을 실시하였다. 실험 결과를 통해, 고출력 원통형 셀의 내 부저항이 고용량 원통형 셀보다 작음을 확인할 수 있으 며, 동일 목적의 셀일 시(고출력 혹은 고용량), 졍격용 량이 클수록 내부저항이 작음을 알 수 있다. 이 논문을 통해, 어플리케이션의 부하 특성에 따른 원통형 셀 선 택 및 이의 직병렬조합 최적화를 통해 어플리케이션의 효율적 운용 보장이 가능하다.

감 사

이 논문은 2014년 교육부와 한국연구재단의 지역혁 신창의인력양성사업(NRF-2014H1C1A1066713) 지 원 및 2016년 미래창조과학부와 한국연구재단의 한국 형발사체개발사업(NRF-2016M1A3A1A02021173) 의 지원을 받아 수행된 연구입니다.

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