Development of a Fast Charging System Utilizing Charge Profile and Cell Balance Control Technology for Large Capacity Lithium-ion Batteries :충전프로파일 및 셀 밸런스 제어기술을 활용한 대용량 리튬이온 배터리 고속충전시스템 개발

Gani Dogara Yunana

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자료유형: 학위논문

저자정보: Gani Dogara Yunana (강원대학교, 강원대학교 대학원)

지도교수: Park Chan Won

발행연도: 2020

저작권: 강원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수2

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

Development of a Fast Charging System Utilizing Charge Profile and Cell Balance Control Technology for Large Capacity Lithium-ion Batteries

Gani Doga , a Yunana 전기전자공학과 2020.01 학위논문

2019

Development of a 1.5kW-class Fast Charging System Utilizing Charge Profile and Cell Balance Control Technology

Gani Doga , a Yunana , Jae Young Ahn 외 2명 대한전기학회 학술대회 논문집 2019.07 학술대회자료

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리튬이온 전지는 여러 가지 장점 때문에 다양한장비와 장치에 사용되며 오늘날 에너지 저장의대명사가 되었다. 특히 높은 에너지 밀도와 가벼운장점으로 인해 최근 급성장하는 e-모빌리티 산업에서 에너지 공급원으로 많이 사용하고 있다. 그러나 e-모빌리티 분야는 연료 구동 차량과 달리 셀의 특성으로 인해 운전 거리 제한과 긴 충전 시간의 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 대부분 제품들이 급속 충전을 채택하고 있다. 하지만 급속 충전은 셀의 구성요소를 손상시키는 과정에 노출시켜 수명을 단축시키고 안전한 사용을 저해할 우려가 있다. 이러한 원인들 중에 높은 충전율에서의 연속적인 충전과 방전이 Dendrite 형성을 초래하는 lithium plating이 있다. 이러한 덴드라이트는 성장하면서 분리기를 침투하여 음극에 도달할 수 있으며, 이로 인해 배터리가 단락 열폭주가 발생하고 최악의 경우 폭발을 일으킬 수 있다.
최근의 연구에 따르면 덴드라이트 형성은 전류 레벨에 따라서 발생하며, 셀의 노화함에 따라 이러한 레벨이 낮아진다는 것을 보여주었다. 본 논문은 이 정보를 바탕으로 배터리 수명을 유지하면서 대용량 리튬이온 배터리를 높은 충전율로 충전할 수 있는 방법과 급속충전 시스템을 제시한다. 제안된 방법에서는 리튬이온전지를 다양한 충전 프로파일 하에서 충전하였으며, 셀의 전극에 손상을 초래하는 조건을 획득하여 급속충전 시 한계치로 사용한다. 배터리 수명에 이러한 조건들이 낮아지는 점을 고려해 그에 따라 대응하도록 시스템을 설계했다. 또한 불균형한 셀이 배터리 팩에서 야기되는 위험을 제거하기 위해 셀 밸런싱 기술을구현하였다. 이러한 방식으로 덴드라이트를 억제하는 충전 프로파일을 고안하여의 수명을 개선하고자 하였다.
설계된 고속 충전 시스템에는 1.5KW 디지털 SMPS, 내장된 600W 배터리 팩 및 제안 된 충전 방법 및 셀 밸런싱 기술이 구현 된 Intelligent BMS가 포함된다.
제안 된 충전 방법 및 시스템의 신뢰성을 확인하기 위해 빠른 충전, 온도 및 500 사이클 테스트를 포함한 여러 테스트를 수행했으며 결과는 만족스러웠다.

Lithium-ion cells have become the epicenter of energy storage across various technological devices due to their many advantages. Their high energy density yet lightweight characteristics have made them the go-to source for energy supply in the growing e-mobility industry. However, unlike conventional vehicles, e-mobility vehicles suffer from limited range and long charging times due to the nature of the cells. Many industries employ fast charging to solve this problem. On the contrary, fast charging exposes these cells to certain cell degradation processes that damage the cell’s components, reducing its lifetime and making them unsafe for use. Amongst these processes is lithium plating, through which continuous charge and discharge at high C-rates, results in dendrite formation. These dendrites can grow, penetrate through the separator and reach the cathode, thereby shorting the battery causing thermal runaway and, in the worst-case scenario, an explosion.
Recent studies have shown that dendrite formation occurs at different current (A) levels and that these levels lower as the cells age. Based on this information, this thesis presents a method and a fast-charging system designed to charge high capacity lithium-ion batteries, at a high charge rate while still maintaining the battery life. In the proposed method, lithium-ion cells were charged under various charge profiles, and the conditions that bring about damage to the cell’s electrodes are obtained and used as a limit during fast charging. Considering the fact that these limits lower with the age of the battery, the system was designed to respond accordingly. Furthermore, cell balancing technology is also incorporated to eliminate the dangers to which unbalanced cells bring about in a battery pack. In this way, the battery is charged using a dendrite suppressed charge profile, thereby maintaining its lifetime.
The fast-charging system designed includes a 1.5KW digital SMPS, a built-in 600W battery pack, and an Intelligent BMS to which the proposed charging method and cell balancing technology are implemented. Multiple tests, including fast charge, temperature, and 500-cycle tests, were conducted to confirm the credibility of the proposed charging method and system, and the results were satisfactory.

#Fast Charging #Charge Profile #Cell Balancing #Dendrite Formation #Lithium-ion Batteries #Lithium Plating

Table of Contents
List of Figures
List of Tables
1. Introduction 1
1.1 Research Background and Purpose/Motivation 1
2. System Configuration 5
2.1 Working Principle of the Lithium-Ion Cell 5
2.2 Causes of Reduction in a Battery''s Max Capacity over Time 7
2.3 Method of Solving Challenge 12
3. 1.5kW Fast Charging System with inbuilt Battery 15
3.1 System Components 16
3.1.1 Profile Generator 16
3.1.2 Data Storage Device 18
3.1.3 Fast Charge Controller 19
3.1.4 Charging Circuit (1.5kW PSFB Digital SMPS) 19
3.1.5 Intelligent BMS 25
3.1.6 Battery Pack 27
3.2 Pictures of the 1.5kW Fast Charging System 30
4. Software 33
4.1 Method of Charge and Discharge using Charge Profile 33
4.1.1 Threshold Value Setting Stage 33
4.1.2 Charge Profile Selection Stage 34
4.1.3 Charge Power Supply Stage 34
4.1.4 Battery Charging Stage 35
4.2 Flowchart of Overall System 36
5. Tests and Results 37
5.1 Fast Charge Test and Results 37
5.2 Temperature Test and Results 39
5.3 Cell Balancing Test and Results 40
5.4 500-Cycle Test and Results 42
5.5 Power Factor Measurement Test and Results 44
5.6 Power Efficiency Measurement Test and Results 46
6. Conclusion 48
7. Reference 51
Abstract 54

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