5분 급속 충전을 위한 최적의 셀과 배터리 충전 프로파일

급속 충전을 제한하는 요인은 측정할 수 없는 것입니다.

5분 충전은 두 가지 조건이 맞아야 가능합니다. 이를 위해 설계된 셀과, 다섯 가지 한계 내에서 시간에 따른 전류를 정의하는 올바른 배터리 충전 프로파일이 필요합니다. 음극 전위는 완성된 셀에서 측정할 수 없습니다. Batemo Cell Model은 이를 계산하여, 선택한 리스크 수준에 맞는 최적의 급속 충전 전략을 BMS에 바로 적용할 수 있도록 제공합니다.

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충전하는 동안 내부에서부터 열이 오르는, 절단된 배터리 셀과 매끄러운 충전 프로파일이 온도 한계 아래를 유지하면서 계단식 프로파일보다 먼저 끝나는 것을 보여 주는 차트.

배터리 충전 프로파일 개발: 현재 방식과 Batemo을 활용한 방식

현재 급속 충전 프로파일은 전류를 단계적으로 높이고 수개월간 셀을 사이클링하여 도출합니다. Batemo Cell Model을 사용하면 음극 한계를 계산할 수 있으며, 허용하는 리스크 수준에 맞는 최적의 충전 전략을 BMS에 바로 적용할 수 있습니다.

21700 셀을 개방하여 권취에서 전극 및 분리막 시트를 펼친 렌더링 이미지.
음극은 권취 구조 깊숙이 위치합니다. 음극의 전위, 즉 급속 충전의 한계값은 완성된 셀에서 측정할 수 없으며, 오직 계산을 통해서만 구할 수 있습니다.
  1. 현재

    음극 한계를 추정하십시오.

    음극 표면 전위는 완성된 셀에서 측정할 수 없습니다. 알 수 없는 값으로 남기거나, 최종 셀과 다른 실험 설정에서 기준 전극을 사용해 측정하는 방법이 있지만, 이 경우 오차가 그대로 이어집니다.

    Batemo Cell Model 적용 시

    음극 한계를 계산하십시오.

    Batemo Cell Model은 음극 표면 전위를 계산하고, 급속 충전의 다섯 가지 한계를 동시에 제공합니다.

    기대 효과: 한계선택한 리스크 수준에서 물리적 한계까지 충전

  2. 현재

    전류를 단계적으로 높입니다.

    각 라운드마다 더 높은 전류로 테스트한 후, 노화 여부를 확인하기 위해 셀을 수개월간 사이클링합니다.

    Batemo Cell Model 적용 시

    음극 전위를 제어하십시오.

    배치 시뮬레이션을 통해 모든 온도, 충전 상태 및 노화 상태에 대해 음극 표면 전위를 제어하고 리튬 도금을 방지하는 프로파일을 도출합니다. 그 결과는 BMS에 직접 구현할 수 있는 충전 전략입니다.

    기대 효과: 음극이 한계 이상설계 단계부터, BMS에 바로 적용 가능

  3. 현재

    단계적 프로파일로 만족합니다.

    시행착오 방식으로는 최적값에 도달할 수 없습니다. 현재 4680 원통형 셀 기준으로, 최적화된 계단형 프로파일조차 물리적 최적값보다 약 20 % 뒤처집니다.

    Batemo Cell Model 적용 시

    최적의 프로파일을 설계합니다.

    최적 프로파일이 반드시 계단식일 필요는 없습니다. 한계가 허용하는 어떤 곡선이든 따를 수 있습니다. 전동 공구용 셀 시뮬레이션에서 0에서 80 %까지 충전하는 데 5.4 min이 걸렸고, 표준 CC-CV는 10.8 min이 걸렸습니다.

    기대 효과: 절반0에서 80 %까지의 충전 시간, 전동 공구용 셀 시뮬레이션 기준

  4. 현재

    라운드당 수개월이 소요됩니다.

    한 프로젝트 사례에서는 시행착오를 네 차례 반복하는 데 약 7개월이 소요되었으며, 8개의 프로파일이 테스트되었습니다.

    Batemo Cell Model 적용 시

    검증된 프로파일을 더 빠르게 확보하십시오.

    셀 모델 생성을 포함하여, 약 3개월 이내에 프로파일이 준비되고 실험적으로 검증되었습니다.

    기대 효과: 7 ~ 3검증된 프로파일 완성까지 소요된 개월 수 (프로젝트 사례)

  5. 현재

    테스트 라운드마다 비용을 지불합니다.

    동일한 사례에서, 소형 원통형 셀 기준으로 인건비와 측정 비용의 합계는 약 90 k€에 달했습니다.

    Batemo Cell Model 적용 시

    더 똑똑하게 테스트하십시오.

    소프트웨어, 인력 및 검증 측정 비용은 30 k€ 미만으로 유지되었습니다. 개발 비용은 약 60 % 절감되었습니다.

    기대 효과: 비용 절감동일한 예시 기준, 약 90k€ 대신 30k€ 미만

Batemo 엔지니어가 현미경과 노트북이 있는 실험실 벤치에서 작업하고 있습니다.

모든 테스트 라운드는 벤치에서 시작됩니다

셀, 지그, 열전대는 수작업으로 준비되며, 셀은 수 주에 걸쳐 사이클링됩니다. 계산된 음극 한계값을 활용하면 이러한 반복 작업의 대부분을 줄일 수 있습니다.

실제로 셀을 충전하는 데 얼마나 걸립니까?

충전 전류를 제한하는 다섯 가지 한계 중 네 가지는 측정할 수 있습니다. 다섯 번째인 음극 표면의 전위는 측정할 수 없으며, 대개 실제로 한계를 결정하는 것이 이것입니다. 이 값을 측정이 아니라 계산할 수 있을 때 어떤 일이 일어나는지 보여 드립니다.

전동 공구용 셀의 급속 충전 시뮬레이션

충전 시간 절반

0에서 80 %까지 10.8 min 대신 5.4 min.

  • Batemo 충전 프로파일
  • 표준 CC-CV

충전 상태 / %

전동 공구용 셀 시뮬레이션에서 시간에 따른 충전 상태. Batemo 충전 프로파일은 5.4 min 후에 80 %에 도달하고, 표준 CC-CV는 10.8 min 후에 도달합니다.0204060801005.4 min10.8 min

충전 전류 / C

동일한 두 프로파일의 시간에 따른 충전 전류(C)입니다.04812051015

시간 / min

25 °C에서의 전동 공구용 셀 시뮬레이션: 공랭 방식의 표준 CC-CV와 음극을 한계 이상으로 유지하는 Batemo 충전 프로파일의 비교. 10에서 80 %까지: 9.5 min 대신 4.8 min.
냉각

충전 시 발생하는 열이 셀에서 방출되는 방식.

°C

-20, 0, 25, 40, 50 °C에서 계산되며, 그 사이는 보간됩니다.

출력 셀은 더 빠르게 충전되고, 에너지 셀은 더 많이 저장합니다.

계산 방법

충전 시간은 저희 엔지니어가 실행한 시뮬레이션 격자에서 도출됩니다. 셀 설계 3가지, 냉각 방식 3가지, 주변 온도 5가지, 두 가지 충전 전략을 조합했습니다. 귀하의 설정값은 그 격자에서 읽어 옵니다. 먼저 인접한 두 셀 설계 사이를, 그다음 인접한 두 온도 사이를 보간합니다. 격자 밖에서는 외삽하지 않으며 경계값이 그대로 유지됩니다. 각 시뮬레이션은 11시간 후 종료됩니다. 셀이 충전되기 전에 충전 전류가 0.1C 아래로 떨어지면 시간은 660분 초과로 표시되며, 그러한 지점에서 혼합된 설정은 도달하지 못한 것으로 간주됩니다. 일부 지점에서는 음극 전위 프로파일이 CCCV보다 느린데, 이는 전 과정에서 음극을 도금 한계 이상으로 유지하기 때문입니다. 전력 밀도는 같은 스케일에서 셀 설계를 따릅니다.

테스트 트랙에서 교통 콘 사이를 지나는 Formula Student 레이스카의 후방 윙에 Batemo 로고가 표시되어 있습니다.
5분 급속 충전은 셀과 충전 프로파일이 함께 설계된 경우에만 가능합니다.

배터리 충전 프로파일에 관한 질문

배터리 충전 프로파일이란 무엇입니까?

배터리 충전 프로파일은 시간에 따른 충전 전류를 정의하며, 일반적으로 특정 온도에서 충전 상태 범위에 걸쳐 나타납니다. 정전류 후 정전압 방식, 단계적 방식, 또는 물리적 한계에 의해 제어되는 방식이 있습니다. 프로파일은 셀이 얼마나 빠르게 충전되는지, 그리고 충전 과정에서 얼마나 열화되는지를 결정합니다. 최적의 프로파일은 셀이 열화됨에 따라 변하며, 온도, 냉각 방식, 초기 충전 상태에 따라 비선형적으로 달라집니다. 이것이 바로 이 문제가 어려운 이유이며, 체계적으로 접근하기 위해 시뮬레이션 기반 방법이 활용되는 이유입니다.

급속 충전을 제한하는 요인은 무엇입니까?

다섯 가지 경계: 계통 전력, 충전기 전류, 셀 온도, 셀 전압, 그리고 음극. 처음 두 가지는 시스템에서, 다음 두 가지는 온도 및 전압으로 인한 셀 노화에서 비롯됩니다. 다섯 번째는 음극에서의 리튬 도금입니다. 셀 한계를 초과하면 노화가 가속되거나 안전 리스크가 발생합니다.

리튬 도금이란 무엇이며, 음극 전위가 중요한 이유는 무엇입니까?

음극 표면 전위가 리튬 기준으로 0 이하로 떨어지면, 금속 리튬이 음극에 도금됩니다. 이 과정은 부분적으로 가역적이지만, 용량은 영구적으로 손실되며 안전 문제로 이어질 수 있습니다. 따라서 음극 표면 전위는 급속 충전에서 중요한 한계값입니다. 완성된 셀에서는 어떤 센서도 음극 표면에 도달할 수 없으므로, 이 한계값은 반드시 계산을 통해 구해야 합니다.

수개월의 사이클링 없이 가장 빠른 충전 프로파일을 어떻게 찾을 수 있나요?

파라미터화 및 검증된 물리 기반 셀 모델을 사용하고, 이를 모듈 모델에 통합하여 5가지 제한 조건 내에서 충전 전류를 유지하는 배치 시뮬레이션을 실행하십시오. 이후 의도적으로 소규모로 설계된 검증 실험을 통해 결과를 확인합니다. 한 프로젝트 사례에서는 검증된 프로파일이 7개월 대신 약 3개월 만에 완성되었습니다.

계산된 프로파일은 스텝 방식 프로파일보다 얼마나 빠릅니까?

현재 4680 원통형 셀에 대한 문서화된 사례에서, 최적화된 계단형 프로파일은 물리적 최적값보다 약 20 % 뒤처집니다. 시행착오 방식으로 전류를 단계적으로 높이는 방법으로는 최적값에 도달할 수 없습니다. 다섯 가지 한계를 모두 파악하고 동시에 최적화할 수 없기 때문입니다.

프로파일 기반 모델의 정확도는 어느 정도인가요?

검증된 198개 셀에 대해 Batemo Cell Model의 중앙값 편차는 검증 실험 대비 0.8 %입니다. Batemo는 모델에 대한 보증을 제공합니다. 더 정확한 배터리 셀 모델을 제시할 수 있다면 환불해 드립니다. 모든 모델의 정확도는 본 웹사이트의 각 셀 페이지에 공개되어 있으며, 모든 모델에 대해 검증 조건에서의 정확도를 상세히 보여주는 Excel 보고서를 제공합니다. 또한 Batemo는 음극 전위 시뮬레이션의 정확도를 검증할 수 있는 추가적인 방법도 제공합니다.

급속 충전 프로파일을 개선하는 두 가지 방법

의사 결정이 필요하다면

달성해야 할 충전 시간을 알려 주십시오.

이 셀들을 측정한 엔지니어가 메시지를 읽으며, 메일함이나 전달만 하는 영업 창구가 아닙니다.

데이터가 필요하신 경우

모델링 전에 측정된 셀을 먼저 확인하십시오.

Batemo Insights는 Batemo Cell Explorer의 모든 셀에 대한 측정된 거동을 담고 있으며, 공개 Explorer가 의도적으로 보여 주지 않는 내용도 포함합니다.

또는 측정 데이터부터 시작하십시오: 공개 Batemo Cell Explorer 살펴보기 →