KR101051017B1 - Super capacitor performance evaluation method and parametric measurement device for super capacitor performance evaluation. - Google Patents
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Abstract
슈퍼커패시터 성능 평가 방법 및 슈퍼커패시터 성능 평가를 위한 파라미터 측정 장치에 관한 기술이 개시된다. 이러한 기술에 따르면, 슈퍼커패시터에 대한 임피던스 정보를 입력 받는 단계; 및 상기 임피던스 정보 및 상기 슈퍼커패시터의 등가 회로를 이용하여, 상기 등가 회로에 대한 파라미터를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 임피던스 정보는 기 설정된 복수의 주파수에서의 임피던스 값이며, 상기 파라미터는 상기 등가 회로의 등가 직렬 저항값 또는 전극 임피던스 값인 슈퍼커패시터 성능 평가 방법이 제공된다.Disclosed are a method of evaluating a supercapacitor performance and a parameter measuring apparatus for evaluating supercapacitor performance. According to this technique, a step of receiving impedance information on a supercapacitor; And generating a parameter for the equivalent circuit using the impedance information and the equivalent circuit of the supercapacitor, wherein the impedance information is an impedance value at a plurality of preset frequencies, wherein the parameter is the equivalent circuit. A method for evaluating supercapacitor performance is provided, which is equivalent series resistance value or electrode impedance value.
슈퍼커패시터, 임피던스 Supercapacitors, impedance
Description
본 발명은 슈퍼 커패시터 성능 평가 방법 및 슈퍼 커패시터 성능 평가를 위한 파라미터 측정 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a super capacitor performance evaluation method and a parameter measuring apparatus for super capacitor performance evaluation.
슈퍼커패시터(supercapacitor)는 전력밀도가 높고 사이클 수명이 길다. 이러한 슈퍼커패시터의 특성으로 인하여, 슈퍼커패시터는 신재생 에너지원의 동특성 보상이나 순간적인 고출력을 요구하는 응용 분야에 널리 사용되고 있다. 그리고 풍력발전, 전기자동차 및 철도, UPS 시스템과 같은 대용량의 시스템에서 슈퍼커패시터는 다수의 셀을 포함하는 모듈로 구성되어 사용된다. Supercapacitors have high power density and long cycle life. Due to the characteristics of these supercapacitors, supercapacitors are widely used in applications requiring dynamic power compensation or instantaneous high output of renewable energy sources. And in high-capacity systems such as wind power generation, electric vehicles, railways, and UPS systems, supercapacitors are used as modules containing multiple cells.
성능이 균일하지 않은 슈퍼커패시터가 모듈에 사용될 경우, 슈퍼커패시터 모듈의 성능이 최적화 될 수 없으며, 추후 슈퍼커패시터 모듈 사용 시에 슈퍼커패시 터 모듈의 고장 원인이 될 수 있다. 따라서 슈퍼커패시터 생산 단계에서 불량한 슈퍼커패시터를 선별하여 배제시키고 균일한 성능을 갖는 슈퍼커패시터만을 출고하는 것이 매우 중요하다. If a supercapacitor whose performance is not uniform is used in the module, the performance of the supercapacitor module may not be optimized, and it may cause a failure of the supercapacitor module when the supercapacitor module is used later. Therefore, it is very important to select and exclude the poor supercapacitors in the production stage of the supercapacitors and to release only the supercapacitors having uniform performance.
슈퍼커패시터의 성능을 결정하는 대표적인 요인으로는 자연 방전률, 정전용량(capacitance) 및 등가직렬저항(ESR) 등이 있다. 슈퍼커패시터를 SOC(State of Charge) 100%까지 충전시키고, 이후 24시간정도 방치하면서 슈퍼커패시터의 단자전압을 측정하여 슈퍼커패시터의 자연 방전율을 측정할 수 있으며, IEC(International Electrotechnical Commission) 62391-1 규정에 의거하여 SOC가 80%에서 40%가 되도록 슈퍼커패시터를 정전류 방전시키고, 정전류 방전에 인한 슈퍼커패시터의 전압변화 측정을 통해 슈퍼커패시터의 정전용량 값을 계산할 수 있다. 또한 중요한 평가요소 중 하나인 등가직렬저항의 경우, 계측기와 같은 별도의 장비를 이용함으로써 특정 주파수에서의 등가직렬저항 값을 측정할 수 있다.Representative factors that determine the performance of a supercapacitor include natural discharge rate, capacitance, and equivalent series resistance (ESR). Charge the supercapacitor up to 100% of SOC (State of Charge), and measure the terminal capacitor voltage of the supercapacitor by leaving it for 24 hours, and measure the natural discharge rate of the supercapacitor. IEC (International Electrotechnical Commission) 62391-1 regulations Based on this, the supercapacitor may be discharged to a constant current so that the SOC becomes 80% to 40%, and the capacitance value of the supercapacitor may be calculated by measuring the voltage change of the supercapacitor due to the constant current discharge. In addition, in the case of equivalent series resistance, which is one of the important evaluation factors, the equivalent series resistance value at a specific frequency can be measured by using a separate device such as a measuring instrument.
하지만 전술된 방법에 따라 슈퍼커패시터의 성능을 평가하는 경우, 평가 시간이 상당히 길고, 동시에 여러가지 성능 평가 요인을 구할 수 없기 때문에 슈퍼커패시터 생산성이 저하될 수 있는 문제가 있다. However, when evaluating the performance of the supercapacitor according to the above-described method, there is a problem that the evaluation time is considerably long, and at the same time, the performance of the supercapacitor may be reduced because various performance evaluation factors cannot be obtained.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 슈퍼커패시터 성능 측정에 대한 정확도를 유지하면서 보다 단시간에 슈퍼커패시터의 성능을 평가하기 위한 슈퍼커패시터 성능 평가 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the above problems, and an object thereof is to provide a supercapacitor performance evaluation method for evaluating the performance of a supercapacitor in a shorter time while maintaining the accuracy of the supercapacitor performance measurement.
또한 본 발명은 슈퍼커패시터 성능 평가에 따른 시간을 감소시킬 수 있는 슈퍼커패시터 성능 평가를 위한 파라미터 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a parameter measuring apparatus for evaluating the performance of the supercapacitor, which can reduce the time according to the evaluation of the supercapacitor performance.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 슈퍼커패시터에 대한 임피던스 정보를 입력받는 단계; 및 상기 임피던스 정보 및 상기 슈퍼커패시터의 등가 회로를 이용하여, 상기 등가 회로에 대한 파라미터를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 임피던스 정보는 기 설정된 복수의 주파수에서의 임피던스 값이며, 상기 파라미터는 상기 등가 회로의 등가 직렬 저항값 또는 전극 임피던스 값인 슈퍼커패시터 성능 평가 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object is a step of receiving the impedance information on the supercapacitor; And generating a parameter for the equivalent circuit using the impedance information and the equivalent circuit of the supercapacitor, wherein the impedance information is an impedance value at a plurality of preset frequencies, wherein the parameter is the equivalent circuit. The present invention provides a method for evaluating supercapacitor performance which is equivalent series resistance value or electrode impedance value.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 섭동 전류가 유도되는 복수의 슈퍼커패시터를 이용하여, 상기 복수의 슈퍼커패시터 각각에 대한 전류 값 및 전압 값을 측정하는 측정부; 및 상기 측정된 전류 값 및 전압 값을 슈퍼커패시터 성능 평가 장치로 전송하는 전송부를 포함하며, 상기 슈퍼커패시터 성능 평가 장치는 상기 측정된 전류 값 및 전압 값을 이용하여, 복수의 슈퍼커패시터 각각에 대한 임피 던스 정보를 생성하고, 상기 임피던스 정보 및 슈퍼커패시터의 등가 회로를 이용하여, 상기 등가 회로에 대한 등가 직렬 저항값 또는 전극 임피던스 값을 생성하는 슈퍼커패시터 성능 평가를 위한 파라미터 측정 장치를 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object is a measurement unit for measuring the current value and the voltage value for each of the plurality of supercapacitors using a plurality of supercapacitors in which perturbation current is induced; And a transmission unit which transmits the measured current value and the voltage value to a supercapacitor performance evaluation device, wherein the supercapacitor performance evaluation device uses the measured current value and the voltage value to represent an impedance for each of the plurality of supercapacitors. The present invention provides a parameter measuring apparatus for evaluating supercapacitor performance for generating redundancy information and generating an equivalent series resistance value or an electrode impedance value for the equivalent circuit using the impedance information and the equivalent circuit of the supercapacitor.
본 발명에 따르면, 슈퍼커패시터에 대한 임피던스 정보와 슈퍼커패시터에 대한 등가회로를 이용하여, 슈퍼커패시터 성능 측정에 대한 정확도를 유지하면서 보다 단시간에 슈퍼커패시터의 성능을 평가할 수 있다.According to the present invention, the performance of the supercapacitor can be evaluated in a shorter time while maintaining the accuracy of the supercapacitor performance measurement by using the impedance information for the supercapacitor and the equivalent circuit for the supercapacitor.
또한 본 발명에 따르면, 복수의 슈퍼커패시터에 대한 전류 값 및 전압 값을 한번에 측정함으로써, 보다 단시간에 슈퍼커패시터 성능 평가에 필요한 파라미터를 측정할 수 있다.In addition, according to the present invention, by measuring the current value and the voltage value for the plurality of supercapacitors at one time, it is possible to measure the parameters necessary for evaluating the supercapacitor performance in a shorter time.
이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. The above objects, features, and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, and in describing the present invention, a detailed description of well-known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. If it is determined that the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가 시스템(100)을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a supercapacitor
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가 시스템(100)은 슈퍼커패시터(101), 임피던스 측정장치(103) 및 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the supercapacitor
임피던스 측정장치(103)는 슈퍼커패시터(101)의 임피던스를 측정하는 장치로서, 예를 들어 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy)을 이용하여 슈퍼커패시터(101)의 임피던스를 측정할 수 있다. 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy)은 주파수가 다른 미소한 교류신호를 대상물질에 부여하여 임피던스를 계측하는 방법이다. The impedance measuring
슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 임피던스 측정장치(103)에 의해 측정된 임피던스 정보 및 슈퍼커패시터(101)의 등가회로를 이용하여 등가회로에 대한 파라미터를 생성한다.The supercapacitor
슈퍼커패시터(101)의 물리적 특성을 반영하는 슈퍼커패시터(101)의 등가회로는 일반적으로 등가직렬저항과 슈퍼커패시터(101)의 전극 임피던스로 구성될 수 있다. 등가회로 및 임피던스는 슈퍼커패시터(101)의 물리적 특성을 반영하기 때문에, 슈퍼커패시터(101)의 임피던스 정보를 이용하여 등가회로의 등가직렬저항값 및 전극 임피던스 값을 산출할 수 있다. 여기서, 파라미터는 등가회로의 등가직렬저항값 및 전극 임피던스값이다. 전극 임피던스는 전극의 CPE(Constant Phase Element)를 나타내는 것으로서, 등가회로의 파라미터를 통해 슈퍼커패시터(101)의 성능이 측정, 평가될 수 있다. The equivalent circuit of the
즉, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 슈퍼커패시터(101)의 제1임피던스 정보 및 슈퍼커패시터(101)의 등가회로를 이용하여, 슈퍼커패시터(101) 성능 측정 요인인 등가회로의 파라미터 값을 생성할 수 있다. 결국, 본 발명에 따르면, 슈퍼커패시터에 대한 충방전 및 자연방전 실험 등이 없이, 슈퍼커패시터의 성능을 평가할 수 있으므로 슈퍼커패시터 성능 측정에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있으며, 슈퍼커패시터 생산 단계에서 불량한 슈퍼커패시터를 효과적으로 선별할 수 있음으로써 출하되는 제품의 불량률을 낮출 수 있다.That is, the supercapacitor
한편, 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)가 파라미터를 생성하기 위한 구체적인 방법은 도 3 내지 도 6에서 보다 자세히 설명하기로 한다.Meanwhile, a detailed method for generating the parameter by the supercapacitor
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서는 도 1의 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)의 슈퍼커패시터 성능 평가방법이 일실시예로서 설명된다.2 is a view for explaining a supercapacitor performance evaluation method according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, the supercapacitor performance evaluation method of the supercapacitor
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가방법은 단계 S201로부터 시작된다.As shown in Fig. 2, the method for evaluating supercapacitor performance according to the present invention starts from step S201.
단계 S201에서 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 슈퍼커패시터에 대한 임피던스 정보를 수신 즉, 입력받는다. 임피던스 정보는 기 설정된 복수의 주파수에서의 임피던스 값으로서, 도 1의 임피던스 측정장치(103)로부터 임피던스 정보를 입력받을 수 있다. In step S201, the supercapacitor
단계 S203에서 슈퍼 커패시터 성능 평가 장치(105)는 임피던스 정보 및 슈퍼커패시터의 등가 회로를 이용하여, 등가 회로에 대한 파라미터를 생성한다. 등가 회로에 대한 파라미터는 등가 회로의 등가 직렬 저항값 또는 전극 임피던스의 전극저항과 CPE 값으로서, 전술된 바와 같이, 등가 회로에 대한 파라미터는 슈퍼커패시터의 성능을 평가할 수 있는 요소이다. In operation S203, the supercapacitor
본 발명에 따르면, 슈퍼커패시터 성능 평가를 위해 슈퍼커패시터를 장시간 동안 충방전시켜 정전용량을 측정하거나, 계측기를 이용하여 등가직렬저항 값을 측정하는 등의 실험없이, 슈퍼커패시터에 대한 임피던스 정보를 이용하여 등가회로의 파라미터를 추출하고 분석함으로써, 등가직렬저항에 의한 충방전 손실 및 자연 방전율을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 측정할 수 있다. 따라서 슈퍼커패시터 성능 평가에 소요되는 시간을 감소시킬 수 있다. According to the present invention, to evaluate the performance of the supercapacitor, by measuring the capacitance by charging and discharging the supercapacitor for a long time, or by measuring the equivalent series resistance value using a measuring instrument, by using the impedance information on the supercapacitor By extracting and analyzing the parameters of the equivalent circuit, charge and discharge losses and natural discharge rates due to equivalent series resistance can be measured by computer simulation. Therefore, the time required for evaluating supercapacitor performance can be reduced.
그리고 이 때, 생성되는 등가회로의 등가직렬저항 값 또는 전극 임피던스 값은 임피던스 정보와 등가회로를 이용함으로써 이하 도 3내지 도 6에서 후술되는 바와 같이, 측정 결과에 있어서 높은 정확도가 제공될 수 있다. In this case, the equivalent series resistance value or the electrode impedance value of the generated equivalent circuit may be provided with high accuracy in the measurement result, as described below with reference to FIGS. 3 to 6 by using the impedance information and the equivalent circuit.
이하, 도 3 내지 도 6을 이용하여, 본 발명에 따른 구체적 실시예를 설명하기로 한다. 이하에서는 도 1의 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)가 2.7V 2600F 규격의 슈퍼커패시터의 성능을 평가하는 방법이 일실시예로서 설명된다. Hereinafter, specific embodiments according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6. Hereinafter, a method of evaluating the performance of the supercapacitor of the 2.7V 2600F standard by the supercapacitor
먼저, 임피던스 정보는 기 설정된 복수의 주파수에서의 임피던스 값으로서, 전기 화학적 임피던스 분광법에 의해 임피던스 측정장치(103)에서 생성될 수 있다. 보다 구체적으로 측정대상인 슈퍼커패시터 양단에 Potentiostat 및 Bipolar Power Supply를 연결하여 슈퍼커패시터를 충방전하고, 슈퍼커패시터에 전압 섭동(perturbation)을 인가할 수 있다. 이 때, 슈퍼커패시터에는 섭동 전류가 유도되며 기 설정된 복수의 주파수에서의 임피던스 값이 구해질 수 있다. 또한 이 때, 임피던스 측정장치(103)의 선형성 보장을 위해 인가된 섭동 전압의 크기는 슈퍼커패시터의 충전 전하량의 2%이하로 제한될 수 있다. Potentiostat 및 Bipolar Power Supply는 임피던스 측정장치(103)에 포함되거나 또는 별도의 장치로 구성될 수 있다.First, the impedance information may be generated in the
슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 임피던스 측정장치(103)로부터 입력된 제1임피던스 정보를 도 3에 도시된 슈퍼커패시터 등가회로에 커브피팅하여 등가회로에 대한 파라미터를 생성할 수 있다. 도 3에서 Rs는 등가직렬저항을 나타내며, Zpore는 전극 임피던스를 나타내며, 슈퍼커패시터 등가회로에 대한 전체 임피던스(ZSC)는 하기의 [수학식 1]과 같이 표현된다. The supercapacitor
[수학식 1]에서 Re는 전극 임피던스(Zpore)에 포함된 전극 저항(Re)이며, 1/(jw)dQd는 CPE(Constant Phase Element)이다. 여기서, 'd'는 0과 1사이의 유리수 이며, 'd'에 따라 CPE는 저항과 정전용량 값을 포함할 수 있다.In
즉, 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 [수학식 1]을 사용하여 임피던스 정보를 등가회로에 커브피팅하여 등가회로에 대한 파라미터를 생성할 수 있다. 일반적으로 등가직렬저항(Rs) 값은 나이키스트 임피던스 스펙트럼에서 50Hz 근처에서 나타나며, 정전용량은 후술되는 [수학식 2]를 이용하여 각각의 주파수 별로 계산될 수 있으며, 0.01Hz 이하에서 큰 값으로 수렴한다. That is, the supercapacitor
도 4 및 도 5는 종래의 슈퍼커패시터 성능 평가 방법과 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가 방법을 비교하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로 도 4에서 실선은 슈퍼커패시터 충전 후 방치에 의한 자연 방전실험에 따른 결과를 나타내며, 빨간색 점선은 본 발명에 따른 평가 방법에서 얻어진 등가회로에 대한 파라미터를 이용하여 자연 방전률을 계산한 결과를 나타낸다. 그리고 도 5에서 실선은 슈퍼커패시터 충방전 실험에 따른 결과를 나타내며, 빨간색 점선은 본 발명에 따른 평가 방법에서 얻어진 등가회로에 대한 파라미터를 이용하여 얻어진 충방전 손실 결과를 나타낸다.4 and 5 are diagrams for comparing the conventional supercapacitor performance evaluation method and the supercapacitor performance evaluation method according to the present invention. More specifically, in FIG. 4, the solid line represents the result of the natural discharge experiment by the left after charging the supercapacitor, and the red dotted line is the result of calculating the natural discharge rate using the parameters for the equivalent circuit obtained in the evaluation method according to the present invention. Indicates. In FIG. 5, the solid line represents the result of the supercapacitor charge / discharge experiment, and the red dotted line represents the charge / discharge loss result obtained using the parameters for the equivalent circuit obtained in the evaluation method according to the present invention.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 실선과 빨간색 점선이 거의 일치하여 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가방법의 정확도가 종래 방법과 차이가 없음을 알 수 있다. 한편, 일반적인 정전류에 의한 슈퍼커패시터 방전실험은 SOC 80%~40%의 방전곡선으로 슈퍼커패시터의 정전용량을 계산하기 때문에 평균적으로 약 SOC 60% 에서의 정전용량 값이 계산되게 된다. 따라서 도 4 및 도 5에서 이용된 임피던스 정보는 일실시예로서, 슈퍼커패시터의 SOC가 60%일 때에 수행된 전기화학적 임피던스 분광법에 따른 임피던스 정보이다. As shown in FIG. 4 and FIG. 5, the solid line and the red dotted line almost match, and thus the accuracy of the supercapacitor performance evaluation method according to the present invention is not different from the conventional method. On the other hand, in the general capacitor supercapacitor discharge experiment, the capacitance of the supercapacitor is calculated using the SOC 80% to 40% discharge curve, so that the capacitance value at about SOC 60% is calculated on average. Therefore, the impedance information used in FIGS. 4 and 5 is, for example, impedance information according to electrochemical impedance spectroscopy performed when the SOC of the supercapacitor is 60%.
전술된 바와 같이, 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 임피던스 정보를 등가회로에 커브 피팅을 통해 등가회로에 대한 파라미터를 생성할 수 있다. 이 때, 임피던스 정보 생성에 사용되는 기 설정된 주파수는 0.01Hz이하의 소정 구간의 저주파를 포함할 수 있다. 이하에서 설명되는 추가 실시예에 따르면 슈퍼커패시터의 특성 주파수로부터 기 설정된 범위내의 2개 이상의 특정 주파수에 대한 임피던스 정보만을 이용하여 기하학적인 방법으로 등가회로에 대한 파라미터를 생성한다. 저주파의 특성상 저주파 영역에서 임피던스 측정에는 상당한 시간이 필요하나 이하 설명되는 실시예는 2개 이상의 특정 주파수의 성분을 중첩시켜 한번에 인가하고 임피던스를 계산함으로써 슈퍼커패시터 성능을 평가할 수 있기 때문에 성능 평가 시간을 더욱 단축시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 중첩된 2개 이상의 특정 주파수의 성분을 통해 얻어진 임피던스를, 필터를 이용하여 주파수에 따라 필터링함으로써 주파수 각각에 대한 임피던스가 한번에 측정될 수 있다. 필터는 예를 들어, Digital Lock-in Amplifier가 사용될 수 있다.As described above, the supercapacitor
도 6은 추가 실시예를 설명하기 위한 도면으로서, 슈퍼커패시터의 나이키스트 임피던스 스펙트럼과 추가 실시예에 따라 구해진 빨간색 직선이 함께 도시되어 있다.FIG. 6 is a diagram for explaining a further embodiment, in which a Nyquist impedance spectrum of a supercapacitor and a red straight line obtained according to the further embodiment are shown together.
도 6의 임피던스 스펙트럼에 따르면, 특성 주파수(슈퍼커패시터 다공성 전극의 임피던스 특성곡선과 CPE의 특성곡선이 교차하는 곳에서의 주파수, characteristic frequency)를 중심으로 고주파 영역에서 임피던스 값은 45°정도의 점근선에 수렴하며, 저주파 영역에서 임피던스 값은 90° 정도의 점근선에 수렴함을 알 수 있다. 따라서 도 6의 실시예에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 슈퍼 커패시터의 특성 주파수로부터 기 설정된 주파수 범위 내에 존재하며, 특성 주파수보다 높은 2개 이상의 제1샘플 주파수 및 특성 주파수보다 낮은 2개 이상의 제2샘플 주파수에 대한 임피던스 정보를 이용하여, 등가회로에 대한 파라미터를 생성할 수 있다.According to the impedance spectrum of FIG. 6, the impedance value in the high frequency region around the characteristic frequency (the frequency where the impedance characteristic curve of the supercapacitor porous electrode and the characteristic curve of the CPE intersect) is about 45 ° asymptote. In the low frequency region, the impedance value converges to an asymptote of about 90 °. Therefore, the supercapacitor
도 6에서는 2개의 제1샘플 주파수(H1, H2)가 및 2개의 제2샘플 주파수(L1, L2) 이용되고, 측정과 연산의 정밀도를 높이기 위해 4개의 주파수 중 가장 낮은 주파수는 다른 주파수의 공배수가 되는 경우가 일실시예로서 설명된다. In FIG. 6, two first sample frequencies H1 and H2 and two second sample frequencies L1 and L2 are used, and the lowest of four frequencies is a common multiple of another frequency in order to increase the accuracy of measurement and calculation. The case is described as an embodiment.
제1샘플 주파수(H1, H2) 및 제1샘플 주파수(H1, H2)에 대한 임피던스 값으로부터 얻어진 제1직선과 실수축의 교점은 임피던스 값 중 허수값을 포함하지 않는 등가직렬저항(Rs)을 나타낸다. 여기서, 제1직선은 제1샘플 주파수에 대한 임피던스 값을 이용하여 생성되는 직선을 나타낸다. 즉, 제1직선은 제1샘플 주파수에 대한 임피던스 값만을 이용하여 생성된 기 설정된 주파수 범위의 근사화된 임피던스 값일 수 있다.The intersection of the first straight line and the real axis obtained from the impedance values for the first sample frequencies H1 and H2 and the first sample frequencies H1 and H2 has an equivalent series resistance R s that does not include an imaginary value among the impedance values. Indicates. Here, the first straight line represents a straight line generated by using an impedance value with respect to the first sample frequency. That is, the first straight line may be an approximated impedance value of a preset frequency range generated using only an impedance value for the first sample frequency.
그리고 제2샘플 주파수(L1, L2) 및 제2샘플 주파수(L1, L2)에 대한 임피던스 값으로부터 얻어진 제2직선과 실수축의 교점은 Rs+Re/3를 나타낸다. 상기 [수학식1]에서 coth 함수를 테일러 급수로 전개하여 2번째 항까지 취할 경우, 실수 성분은 Rs+Re/3가 될 수 있다. 여기서, 제2직선은 제2샘플 주파수에 대한 임피던스 값을 이용하여 생성되는 직선이며, 기 설정된 주파수 범위의 근사화된 임피던스 값일 수 있다. 즉, 제2직선은 제2샘플 주파수에 대한 임피던스 값을 이용하여 생성되는 근사화된 임피던스 값을 나타내며, 기 설정된 주파수 범위의 근사화된 임피던스 값일 수 있다. 제1샘플 주파수(H1, H2)를 이용해 등가직렬저항(Rs)을 구할 수 있으므로 전극 임피던스 값에 포함된 전극 저항 값(Re)을 구할 수 있다.The intersection of the second straight line and the real axis obtained from the impedance values for the second sample frequencies L1 and L2 and the second sample frequencies L1 and L2 represents R s + R e / 3. In the
그리고 제2샘플 주파수(L1, L2) 및 제2샘플 주파수(L1, L2)에 대한 임피던스 값으로부터 얻어진 제2직선과 90° 점근선과의 각도로부터 [수학식 1]의 'd'를 구할 수 있다. 그리고 가장 낮은 주파수(L2)에서의 임피던스 정보와 전극 임피던스 중 정전용량을 나타내는 [수학식 2]를 이용하면, CPE(ZL2)를 구할 수 있다. In addition, 'd' of
결국, 등가직렬저항(Rs), 전극 저항 값(Re), 'd' 및 CPE(ZL2)를 모두 구할 수 있으므로 [수학식 1]에 의해 슈퍼커패시터의 임피던스 정보를 알 수 있으며, [수학식 3]에 의해 슈퍼커패시터의 정전용량을 구할 수 있다.As a result, since equivalent series resistance (R s ), electrode resistance value (R e ), 'd' and CPE (Z L2 ) can be obtained, the impedance information of the supercapacitor can be known by [Equation 1]. Equation 3] can calculate the capacitance of the supercapacitor.
즉, 본 발명에 따르면, 4개의 특정 주파수에 대한 임피던스 정보만을 이용하여 기하학적인 방법으로 등가회로에 대한 파라미터를 생성할 수 있다.That is, according to the present invention, the parameters for the equivalent circuit can be generated by a geometric method using only impedance information for four specific frequencies.
도 6에서 설명된 일실시예에 따라 도 2의 단계 S203의 슈퍼커패시터 성능 평가방법을 보다 구체적으로 정리하면 다음과 같다. According to an embodiment described in FIG. 6, the supercapacitor performance evaluation method of step S203 of FIG. 2 is described in more detail as follows.
슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 제1샘플 주파수에 대한 임피던스 값을 이용하여, 상기 기 설정된 주파수 범위의 근사화된 제1임피던스 값을 생성하고, 근사화된 제1임피던스 값을 이용하여, 등가직렬저항(Rs) 값을 생성한다. 이 때, 단계 S201의 임피던스 정보는 기 설정된 복수의 주파수에서의 임피던스 값이며, 기 설정된 복수의 주파수는 슈퍼커패시터의 특성 주파수로부터 기 설정된 주파수 범위 내에 존재하며, 특성 주파수보다 높은 2개 이상의 제1샘플 주파수를 포함한다.The supercapacitor
또한 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 제2샘플 주파수에 대한 임피던스 값을 이용하여, 기 설정된 주파수 범위의 근사화된 제2임피던스 값을 생성하고, 등가직렬저항 값 및 근사화된 제2임피던스 값을 이용하여, 전극 임피던스 값에 포함 된 전극 저항 값을 생성한다. 이 때, 기 설정된 복수의 주파수는 상기 슈퍼커패시터의 특성 주파수로부터 기 설정된 범위 내에 존재하며, 특성 주파수보다 낮은 2개 이상의 제2샘플 주파수를 포함한다.In addition, the supercapacitor
또한 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)는 등가 직렬 저항 값, 상기 전극 저항 값 및 근사화된 제2임피던스 값을 이용하여 슈퍼커패시터의 정전용량을 생성한다. In addition, the supercapacitor
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가 시스템(700)을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a diagram for describing a supercapacitor
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터 성능 평가 시스템(700)은 Potentiostat 및 Bipolar Power Supply(701), 파라미터 측정장치(703) 및 슈퍼커패시터 성능 평가장치(705)를 포함한다. As shown in FIG. 7, the supercapacitor
파라미터 측정장치(703)는 섭동 전류가 유도되는 복수의 슈퍼커패시터(SC1 내지 SCn)를 이용하여, 복수의 슈퍼커패시터 각각에 대한 전류 값 및 전압 값을 측정하는 측정부 및 측정된 전류 값 및 전압 값을 슈퍼커패시터 성능 평가장치(705)로 전송하는 전송부를 포함한다. 즉, 파라미터 측정장치(703)는 Potentiostat 및 Bipolar Power Supply(701)에 의해 섭동 전류가 유도되는 복수의 슈퍼커패시터로부터 동시에 다수의 슈퍼커패시터에 대한 파라미터를 입력받을 수 있다. 따라서 후술되는 슈퍼커패시터 성능 평가장치(705)에 의해 동시에 다수의 슈퍼커패시터에 대한 성능이 측정될 수 있으므로 성능 측정 시간이 더욱 감소될 수 있다.The
이 때, 측정부는 커패시터의 특성상, 직렬 연결된 상기 복수의 슈퍼커패시터 각각의 양단으로부터 전류 값 및 전압 값을 측정하는 것이 바람직하다. 그리고 전송부는 측정된 전류 값 및 전압 값을 샘플링하여 디지털 신호 형태로 슈퍼커패시터 성능 평가장치(705)로 전송할 수 있다.At this time, it is preferable that the measurement unit measures the current value and the voltage value from both ends of each of the plurality of supercapacitors connected in series due to the characteristics of the capacitor. The transmitter may sample the measured current and voltage values and transmit the measured current and voltage values to the supercapacitor
슈퍼커패시터 성능 평가장치(705)는 측정된 전류 값 및 전압 값을 이용하여, 복수의 슈퍼커패시터 각각에 대한 임피던스 정보를 생성하고, 임피던스 정보 및 슈퍼커패시터의 등가 회로를 이용하여, 등가 회로에 대한 파라미터, 즉 등가 회로에 대한 등가 직렬 저항값 또는 전극 임피던스 값을 생성한다. 즉, 도 7의 슈퍼커패시터 성능 평가장치(705)는 도 1의 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105)와 달리, 파라미터 측정장치(703)로부터 수신된 측정된 전류 값 및 전압 값을 이용하여, 복수의 슈퍼커패시터에 대한 등가회로의 파라미터를 추가적으로 생성할 수 있다. 슈퍼커패시터 성능 측정장치(705)는 Digital Lock-in Amplifier를 이용하여 시험 주파수 대역의 신호를 추출한 후에 임피던스 정보를 생성하고 임피던스 스펙트럼을 생성할 수 있다.The
한편, 도 1의 슈퍼커패시터 성능 평가장치(105) 역시 직렬로 연결된 복수의 슈퍼커패시터 각각에 대한 임피던스 정보를 입력 받을 수 있으며, 임피던스 정보를 이용하여 복수의 슈퍼커패시터 각각에 대한 등가회로의 파라미터를 생성할 수 있다.Meanwhile, the supercapacitor
이상은 본 발명이 프로세스적 관점에 의해 설명되었으나, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가 방법을 구성하는 각 단계는 장치적 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 평가 방법에 포함된 각 단계는 슈퍼커패시터 성능 평가 장치에 포함된 구성 요소로 이해될 수 있다. Although the present invention has been described in terms of process, each step constituting the method for evaluating the performance of the supercapacitor according to the present invention can be easily understood from the viewpoint of device. Therefore, each step included in the supercapacitor performance evaluation method according to the present invention may be understood as a component included in the supercapacitor performance evaluation apparatus.
즉, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 평가 장치는 슈퍼커패시터에 대한 임피던스 정보를 입력받는 정보 입력부 및 임피던스 정보 및 슈퍼커패시터의 등가 회로를 이용하여, 등가 회로에 대한 파라미터를 생성하는 정보 생성부를 포함한다. 여기서, 임피던스 정보는 기 설정된 복수의 주파수에서의 임피던스 값이며, 등가 회로에 대한 파라미터는 등가 회로의 등가 직렬 저항값 또는 전극 임피던스 값이다. That is, the apparatus for evaluating a supercapacitor according to the present invention includes an information input unit for receiving impedance information on the supercapacitor and an information generator for generating a parameter for the equivalent circuit using the impedance information and the equivalent circuit of the supercapacitor. Here, the impedance information is an impedance value at a plurality of preset frequencies, and the parameter for the equivalent circuit is an equivalent series resistance value or electrode impedance value of the equivalent circuit.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 슈퍼 커패시터 성능 평가 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체(CD, DVD와 같은 유형적 매체뿐만 아니라 반송파와 같은 무형적 매체)를 포함한다.Meanwhile, the method of evaluating the supercapacitor performance according to the present invention as described above can be prepared by a computer program. And the code and code segments constituting the program can be easily inferred by a computer programmer in the art. In addition, the written program is stored in a computer-readable recording medium (information storage medium), and read and executed by a computer to implement the method of the present invention. And the recording medium includes all types of recording media (intangible medium such as a carrier wave as well as tangible media such as CD and DVD) readable by a computer.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended to be equivalent to the technical idea and claims of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 슈퍼커패시터 측정 시스템을 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining a supercapacitor measuring system according to a first embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 슈퍼커패시터 측정 방법을 설명하기 위한 도면,2 is a view for explaining a supercapacitor measuring method according to an embodiment of the present invention;
도 3은 슈퍼커패시터의 등가회로를 나타내는 도면,3 is a diagram showing an equivalent circuit of a supercapacitor;
도 4 및 도 5는 종래의 슈퍼커패시터 성능 측정 방법과 본 발명에 따른 슈퍼커패시터 성능 측정 방법을 비교하기 위한 도면,4 and 5 are views for comparing the conventional supercapacitor performance measurement method and the supercapacitor performance measurement method according to the present invention,
도 6은 슈퍼커패시터의 나이키스트 임피던스 스팩트럼과 추가 실시예에 따라 구해진 빨간색 직선이 함께 도시되어 있는 도면,6 is a diagram showing a Nyquist impedance spectrum of a supercapacitor and a red straight line obtained according to a further embodiment;
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 슈퍼 커패시터 측정 시스템을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a super capacitor measuring system according to a second embodiment of the present invention.
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