3.1 AC IR 측정 메커니즘

AC IR은 주파수를 가변하면서 측정하는 방법과 특정 주파수에서 측정하는 방법이 있으나, 본 논문에서는 여러 국제표준에 제시되어 있는 1kHz 주파수에서 측정하는 AC IR 방법을 적용한다. 여기서, AC IR은 간편하고 신속한 측정 방법으로 배터리 셀 제조공정 등에서 사용되고 있으며, 입고 및 출고 검사 등에도 널리 사용되고 있고, 휴대용 기기에 사용되는 배터리를 대상으로 하는 IEC 61960-3과 ESS를 포함하는 산업용 배터리의 IEC 62620 표준 내 셀 등에도 적용되고 있다. 한편, 본 논문에서는 그림 2와 같이 IEC 62620의 AC IR 측정 방법을 바탕으로 1kHz의 주파수를 갖는 교류 전류($I_{a}$)를 배터리에 인가하여, 배터리 양단에서 측정된 전압($U_{a}$)에 의하여 내부저항($R_{a}$)을 식(1)과 같이 산정한다⁽¹²⁾. 여기서, 교류 전류는 피크 전압이 20mV 이하로 유지되도록 해야한다.

여기서, $R_{a}$ : AC IR 내부 저항, $U_{a}$ : 교류 RMS 전압, $I_{a}$: 1kHz 교류 RMS 전류

그림. 2. 배터리 AC IR 측정 방법

Fig. 2. Measurement method for AC IR of battery

한편, AC IR 측정방법은 그동안 대부분 휴대용 소형기기에 사용되는 셀 및 소형 팩 단위로만 사용되었으므로, 중대형 모듈 혹은 팩 단위의 고전압 배터리 측정 방법에 대한 다양한 연구가 요구되고 있으며, 특히 중대형 배터리의 재사용을 위한 중대형 셀 및 이를 활용한 모듈 및 팩 등에 대한 측정 방법이 시급한 상황이다. 또한, AC IR 측정 방법은 높은 주파수의 AC 전류원을 이용하는 만큼 리액턴스 성분까지 측정할 수 있는 장점이 있으므로, 접속부가 존재하는 중대형 모듈과 팩 단위의 고전압 배터리의 열화를 정확하게 측정할 수 있다.

3.2 DC IR 측정 메커니즘

DC IR 측정 방법은 일정한 직류 전류를 주입한 후 전압 변동을 측정하여 해당 전류에 의하여 저항을 계산하는 방식이다. 그림 3과 같이 짧은 시간동안 전류($I_{1}$)로 방전하여 전압($U_{1}$)을 측정하고, 다시 증가된 방전전류($I_{2}$)로 전압($U_{2}$)을 측정하여, 상기의 전압 변동분을 바탕으로 식(2)과 같이 저항($R_{dc}$)을 산정한다.

그림. 3. 배터리 DC IR 측정 방법

Fig. 3. Measurement method for DC IR

여기서, $R_{dc}$ : 내부 저항, $U_{1}$, $U_{2}$ : 측정된 전압, $I_{1}$, $I_{2}$: 방전 전류

상기와 같이 방전을 수행하면서 측정하는 방법 외에 충전을 수행하며 내부저항을 구하기도 한다. 하지만, DC IR 방법은 내부저항 측정 중에 배터리가 직류전류에 의하여 부분적으로 충전, 방전이 이루어지므로 SOC(state of charge)가 변동되어 반복 측정 시 오차가 발생하고, 충·방전 설비 준비 및 전류 경로 형성을 위한 고정 등 시험 준비 시간 소요 등의 단점이 있다. 그러나, DC IR 측정 방법은 실제 사용 조건과 동일하게 전류를 흘리면서 측정할 수 있으므로 사용상 고전류 특성 및 이에 따른 열화를 측정할 수 있으며, 인버터 등과 연결된 대용량 배터리의 경우 별도의 시험설비를 연결하지 않고 현장평가가 가능하다는 점에서 AC IR 측정 방법에 비해 장점을 가지고 있다. 한편, DC IR 측정 방법은 소형 및 중대형 셀과 팩 단위로 활용되어 왔으나, 재사용 배터리의 SOC, SOH(state of health), 온도 등과 같은 조건에 따른 측정값의 신뢰성에 대한 연구가 요구되고 있다.

4.1 배터리 셀 내부저항 시험장치 구현

중대형 배터리 셀의 내부저항 측정을 위한 시험장치의 구성은 그림 4와 같다. 즉, 내부저항 시험 장치는 배터리 셀 외부로 도출된 양극과 음극에 내부저항 측정을 위한 AC 및 DC 전류를 인가하여 일정 시간 동안의 전압 변동에 따른 저항을 측정하며, AC 및 DC 전원부, 계측부, 리튬이온배터리 셀 등으로 구성된다. 여기서, AC 전원부는 3.1절의 메커니즘에 따라 1kHz의 AC 전류를 배터리에 인가하며, DC 전원부는 3.2절의 메커니즘에 따라 서로 다른 c-rate로 충·방전을 수행한다. 또한, 계측부는 충·방전 전류 및 리튬이온배터리의 양단 전압을 측정하며, 이를 바탕으로 배터리 셀 내부의 열화에 따른 내부저항 변동을 계측할 수 있다. 한편, 배터리의 내부저항은 다양한 조건에 의해 열화될 수 있으므로, 본 논문에서는 SOC, SOH, 온도 등의 변수에 따른 내부저항을 평가하여, 배터리 셀의 성능 및 안전성을 판단한다.

그림. 4. 배터리 셀 내부저항 측정 구성도

Fig. 4. Configuration of measurement for cell internal resistance

4.2 배터리 팩 내부저항 시험장치 구현

중대형 배터리 팩의 내부저항 시험장치는 그림 5와 같이, AC 및 DC 전원부, 계측부, 리튬이온배터리 셀, fuse, relay, BMS 등으로 이루어진 배터리부로 구성된다. 여기서, 이 장치는 배터리 팩 외부로 연결된 커넥터와 고전류 도선의 양극과 음극에 내부저항 측정을 위한 전류를 인가하여 전압 변동에 따른 저항을 측정하도록 구성한다. 또한, 배터리 팩 단위 내부저항 측정의 경우, 셀의 시험과는 다르게 전원부에서 인가된 전류가 배터리 팩 내부의 연결부, relay 및 fuse 등을 통과하므로 배터리 셀의 열화와 더불어 배터리 전류 경로 내 이상을 감지할 수 있다. 즉, 배터리 팩 내부에는 전기적 연결을 위한 수많은 접속부가 있는데, 해당 부분이 열화 등을 통해 접촉 불량이 발생하는 경우 내부저항으로 나타날 수 있다. 한편, 배터리 셀 뿐만 아니라 연결부 및 기타 소자의 저항 특성 역시 온도 등의 조건에 영향을 받을 수 있으므로, 본 논문에서는 SOC, SOH, 온도 등의 파라미터에 따른 내부저항을 평가하여, 배터리 팩의 성능 및 안전성을 판단한다.

그림. 5. 배터리 팩 내부저항 측정 구성도

Fig. 5. Configuration of measurement for pack internal resistance

5.1 시험 조건

본 논문에서는 상용화된 NMC 계열 중대형 배터리로 각 조건별 내부저항 측정을 통해 배터리의 내부저항 특성을 제시한다. 즉, 배터리의 충전도와 열화도를 반영하여 SOC 및 SOH별 내부저항 특성을 제시하고, 온도에 따른 비저항 특성 및 내부 화학적 변화를 고려하여 온도별 특성도 분석한다. 또한, 셀 또는 모듈의 연결부의 열화 특성을 반영하여 배터리 접속부 열화에 따른 내부저항 특성도 제시한다. 각 시험별 조건에 따라 SOC를 설정하는 방법은 IEC 62660-1에 따라 표준 충전 후 안정화 시간을 거쳐 방전하는 절차에 따라 수행한다.여기서, SOC에 따른 내부저항 측정을 위한 SOC 선정값은 관련 국제표준을 바탕으로 표 1과 같이 상정한다. 즉, AC IR 측정을 위한 SOC의 경우, IEC 62620에 명기된 50%와 운용범위의 최대값, 최소값인 100%, 0%와 운송 및 보관에 일반적인 25%로 상정하고, DC IR의 측정을 위한 SOC는 UL 1974와 IEC 12405-4에서 지정한 최소값인 20%와 최대값 80%, IEC 62620에서 지정한 50%으로 상정한다. 한편, 본 논문에서는 기존 연구의 원통형 셀이 아닌, 상용화된 NMC 계열 중대형 모듈 혹은 팩 단위의 배터리를 국제표준에 근거하여 특성을 분석한다.

한편, SOH에 따른 내부저항 측정을 위해, IEC 62620에서 제시한 절차에 따라 용량 측정을 수행한 후 내부저항을 측정한다. 또한, 온도에 따른 내부저항 측정을 위해 일반적으로 자동차용 배터리의 운용온도 범위인 0℃에서 50℃를 10℃ 단위로 적용하고, 접속부 열화에 따른 내부저항 측정을 위해 모듈 간 체결부의 토크값을 조절하는 방식으로 열화 상황을 상정한다. 본 논문에서는 기존 연구에서 일반적으로 다루는 원통형 셀로 분석된 내부저항이 아닌, 상용화된 NMC 계열 중대형 배터리로 특히 모듈 혹은 팩 단위의 배터리를 국제표준에 근거하여 특성을 분석한다.

5.2 SOC에 따른 내부저항 특성

SOC에 따라 배터리의 AC IR 측정 방법에 의한 내부저항 특성은 표 2와 같다. 실제 상용화된 전기자동차의 배터리로 SOC 0% 일 때 측정값을 기준점으로 시험한 결과, SOC가 높아질수록 AC IR 측정값이 다소 감소하는 경향은 있으나, 최대 3% 정도로 DC IR에 비하여 감소폭이 크지 않음을 알 수 있다. 특히, SOC 0%와 25%에서 측정된 AC IR의 내부저항 분포도는 모두 1.8% 이내임을 알 수 있다.

한편, SOC에 따라 배터리의 DC IR 측정 방법에 의한 내부저항 특성은 표 3과 같다. 실제 상용화된 전기자동차의 배터리로 SOC 20% 일 때 측정값을 기준점으로 시험한 결과, SOC 50%일 때 DC IR 측정값이 최대값 대비 5% 내외 분포도를 나타내고 있다. 반면에 SOC 20% 및 80%인 경우, SOC 50%보다 높은 DC IR 측정값을 가지는데, 이는 전압-전류 방전곡선 내 SOC 50%가 상대적으로 기울기가 작은 평탄한 구간에 위치하는 리튬이온배터리 특성에 기인한 것으로 평가된다. 따라서, SOC에 따른 AC IR과 DC IR에 의한 측정값이 다소 큰 분포도를 보이므로, 내부저항 측정 시 특정 SOC 범위를 지정하여 측정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

5.3 SOH에 따른 내부저항 특성

AC IR 측정 방법에 의하여 SOH를 고려한 배터리의 내부저항 특성은 그림 6과 같다. 실제 상용화된 전기자동차의 배터리로 초기 SOH 100%의 AC IR 측정값을 기준점으로 시험한 결과, SOH가 낮아질수록 AC IR 측정값은 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 배터리 셀 열화에 따른 내부저항이 증가하는 특성을 AC IR 측정을 통해 확인할 수 있는데, 열화가 진행됨에 따라 AC IR 측정값이 초기 대비 7% 내외로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

그림. 6. SOH 조건에 따른 배터리 AC IR 특성

Fig. 6. AC IR characteristics according to SOH conditions

한편, DC IR 측정 방법에 의하여 SOH를 고려한 배터리의 내부저항 특성은 그림 7과 같다. 실제 상용화된 전기자동차의 배터리로 초기 SOH 100%의 DC IR 측정값을 기준점으로 시험한 결과, SOH가 낮아질수록 DC IR 측정값은 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 배터리 셀 열화에 따른 내부저항이 증가하는 특성을 DC IR 측정을 통해 확인할 수 있는데, 열화가 진행됨에 따라 DC IR 측정값이 초기 대비 50% 이상 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, SOH에 따른 AC IR 측정값에 비해 DC IR 측정값이 더 큰 분포도가 발생하여, 배터리 셀 자체 열화를 진단하는데 있어 DC IR 측정 방법이 더욱 효과적인 것을 알 수 있다.

그림. 7. SOH 조건에 따른 배터리 DC IR 특성

Fig. 7. DC IR characteristics according to SOH conditions

5.4 온도 조건에 따른 내부저항 특성

배터리의 온도 조건에 따른 AC IR 측정 방법에 의한 내부저항 특성은 그림 8과 같다. 실제 상용화된 전기자동차의 배터리로 상온(25℃) 기준 AC IR 측정값을 기준점으로 시험한 결과, 온도별로 방치시간에 관계없이 AC IR 측정값이 포화되는 것을 확인할 수 있고, 온도가 증가함에 따라 내부저항 값이 낮아지는 것을 알 수 있다. 이는 배터리 팩 내부의 도체와 배터리 셀의 비저항계수(ρ)가 온도 증가에 의해 작아짐에 따라 전체 저항이 감소하는 것으로 보인다. 따라서, AC IR 측정 방법은 상온 대비 최대 6% 정도의 분포도가 발생하여, 내부저항 측정 시 명시된 온도조건을 준수해야 함을 알 수 있다.

그림. 8. 온도 조건에 따른 배터리 AC IR 특성

Fig. 8. AC IR characteristics with ambient temperature conditions

한편, 배터리의 온도 조건에 따른 DC IR 측정 방법에 의한 내부저항 특성은 그림 9와 같다. 실제 상용화된 전기자동차의 배터리로 0℃ 기준 DC IR 측정값을 기준점으로 시험한 결과, 온도가 증가함에 따라 내부저항 값이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 온도별로 최대 70% 정도의 분포도를 가지는데, 이는 AC IR과 동일하게 배터리 팩 내부의 도체와 배터리 셀의 비저항계수에 기인하는 요인과 더불어 실제 전류가 흐르며 충·방전이 이루어지는 DC IR에서는 배터리 화학적 특성이 더 크게 작용한 것으로 평가된다. 따라서, DC IR 측정 방법은 상온 대비 최대 70% 내외의 분포도가 발생하여, 내부저항 측정 시 더욱 엄격하게 명시된 온도조건을 준수해야 함을 알 수 있다.

그림. 9. 온도 조건에 따른 배터리 DC IR 특성

Fig. 9. DC IR characteristics with ambient temperature conditions

5.5 배터리 접속부 열화에 따른 내부저항 특성

표 4는 접속부 열화를 모사하기 위해 모듈 사이를 연결하는 접속부의 토크값 변경하여 접속부를 열화시킨 후, AC/DC IR 측정 방법에 의하여 내부저항 특성을 나타낸 것이다. 실제 상용화된 전기자동차의 배터리로 정상상태의 측정값을 기준점으로 접속부 열화 전후를 비교한 결과, DC IR 측정값은 SOC에 관계 없이 1% 미만의 증가율을 보이는 반면, AC IR은 최대 319%의 증가율을 나타내고 있다. 따라서, 배터리 셀을 연결하는 접속부 열화를 확인하는데 AC IR 측정 방법이 DC IR보다 효과적임을 확인할 수 있다.