KR101144684B1 - 전지 특성 평가 장치 - Google Patents

Abstract

전지의 전류-전압 특성에 기초하여, 등가 회로 모델에 대한 회로 상수를 동정하도록 구성된 전지 특성 평가 장치에 있어서, 임의의 전류 파형을 복수의 미소 시간 구간에 있어서의 스텝 함수로 분할하여 출력하는 전류 파형 분할부와, 이들 스텝 함수와 전압 실측값과 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 연산하여 출력하는 회로 상수 최적화부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 특성 평가 장치가 제공된다.

Description

전지 특성 평가 장치{APPARATUS FOR EVALUATING CHARACTERISTICS OF CELL}

본 발명은, 전지 특성 평가 장치에 관한 것으로, 상세하게는, 전지의 등가 회로 모델에 있어서의 회로 상수 동정값의 고정밀도화에 관한 것이다.

도 6 은, 전지 특성을 평가하기 위한 전류 및 전압 측정에 사용되는 종래의 회로예를 나타내는 블록도이다. 측정 대상인 전지 (1) 와 직렬로 부하 (2) 와 전류계 (3) 가 접속됨과 함께, 전지 (1) 와 병렬로 전압계 (4) 가 접속되어 있다.

전류계 (3) 는 부하 (2) 의 온/오프에 따라 변화되는 전지 (1) 의 출력 전류의 상승이나 하강의 실측값을 측정하고, 전압계 (4) 는 부하 (2) 의 온/오프에 따라 변화되는 전지 (1) 의 출력 전압의 상승이나 하강의 실측값을 측정한다. 또한, 이들의 구체적인 측정 순서에 대해서는, 특허문헌 1 에 기재되어 있다.

도 7 은, 도 6 의 측정 결과에 기초하여 전지의 특성 평가를 실시하는 전지 특성 평가 장치의 종래예를 나타내는 블록도이다. 입력부 (5) 에는, 전류계 (3) 에 의한 전류 실측값 데이터 (IM), 전압계 (4) 에 의한 전압 실측값 데이터 (VM) 및 미리 작성되어 있는 전지 (1) 의 표준적인 등가 회로 모델 데이터 (EM) 가 입력된다.

회로 상수 최적화부 (6) 는, 전압 연산부 (6a) 와 판정부 (6b) 로 구성되어 있고, 입력부 (5) 로부터 입력되는 전류계 (3) 에 의한 전류 실측값 데이터 (IM), 전압계 (4) 에 의한 전압 실측값 데이터 (VM) 및 등가 회로 모델 데이터 (EM) 에 기초하여 전지 (1) 의 등가 회로 모델의 회로 상수를 동정값 (FV) 으로서 최적화하고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 출력부 (7) 에 출력한다.

회로 상수 최적화부 (6) 에 있어서, 전압 연산부 (6a) 에는 전류계 (3) 에 의한 전류 실측값 데이터 (IM) 와 등가 회로 모델 데이터 (EM) 및 판정부 (6b) 로부터 회로 상수 (CC) 의 후보가 입력되고, 전압 계산값 (VC) 이 계산되어 판정부 (6b) 에 출력된다.

판정부 (6b) 에는 전압계 (4) 에 의한 전압 실측값 데이터 (VM) 및 전압 연산부 (6a) 에서 계산된 전압 계산값 (VC) 이 입력되고, 이들 전압 실측값 데이터 (VM) 와 전압 계산값 (VC) 은 비교되어 최적값인지의 여부가 판정된다. 최적이 아니면 비교 결과로부터 새로운 회로 상수 (CC) 를 생성하여 전압 연산부 (6a) 에 입력하고, 다시 전압을 계산시킨다. 이상의 처리를 회로 상수가 최적값으로 판정될 때까지 반복하여 실행한다. 이와 같이 하여 등가 회로 모델의 회로 상수로서 최적화된 동정값 (FV) 을 출력부 (7) 에 출력한다.

출력부 (7) 는, 회로 상수 최적화부 (6) 에서 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수의 동정값 (FV) 에 기초하여, 전지 (1) 의 특성 곡선을 생성하여 도시되지 않은 표시부에 표시한다.

도 8 은, 전지 (1) 의 특성을 나타내는 등가 회로예도이다. 도 8 의 등가 회로는, 직류 전원 (E) 과, 저항 (R1) 과, 저항 (R2) 과 콘덴서 (C1) 의 병렬 회로와, 저항 (R3) 과 콘덴서 (C2) 의 병렬 회로가 직렬 접속되어 있다.

회로 상수 최적화부 (6) 는, 등가 회로 모델 데이터 (EM) 로서 도 8 과 같은 회로 데이터가 입력되면, 전압의 계산값과 실측값의 차이가 작아지도록, 저항의 저항값 (R1, R2, R3), 콘덴서의 용량값 (C1, C2) 을 각각 산출한다.

특허문헌 1 에는, 전지의 내부 임피던스를 측정하는 방법 및 장치의 구성이 기재되어 있다.

특허문헌 2 에는, 전지의 내부 임피던스 측정시에, 분극에 의한 응답 전압의 영향을 제거하는 수법이 설명되어 있다.

일본 공개특허공보 2003-4780호 일본 공개특허공보 2005-100969호

그런데, 전지 (1) 의 임피던스의 저주파 영역에서는, 확산의 영향으로 워버그 임피던스 (War-burg Impedance) 를 볼 수 있다. 이 워버그 임피던스는, 도 9 에 나타내는 바와 같이 주파수 영역에 있어서의 임피던스로서 구할 수는 있어도, 그것을 시간 영역으로 변환하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 종래의 등가 회로에 있어서의 워버그 임피던스도, 저항과 콘덴서 및 인덕턴스로 표현되고 있었다.

그러나, 워버그 임피던스에 의한 전압 강하 곡선은, 저항과 콘덴서의 조합에 의해 재현할 수 있는 것은 아니다. 그럼에도 불구하고 직류 전원과 저항과 콘덴서로 동정을 실시하면, 도 10 에 나타내는 바와 같이 저항의 저항값이나 콘덴서의 용량값이 현실에 입각하지 않을 만큼 큰 값이 되어, 회로 상수 동정의 의미를 이루지 않게 된다.

본 발명은, 이와 같은 문제를 해결하는 것으로, 그 목적은, 워버그 임피던스를 고려하여, 전지의 등가 회로 모델에 있어서의 회로 상수 동정값의 정밀도를 높일 수 있는 전지 특성 평가 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 전지의 전류-전압 특성에 기초하여, 등가 회로 모델에 대한 회로 상수를 동정하도록 구성된 전지 특성 평가 장치에 있어서, 임의의 전류 파형을 복수의 미소 시간 구간에 있어서의 스텝 함수로 분할하여 출력하는 전류 파형 분할부와, 이들 스텝 함수와 상기 전압 실측값과 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 연산하여 출력하는 회로 상수 최적화부를 구비한 전지 특성 평가 장치가 제공된다.

본 발명에 의하면, 전지의 전류-전압 특성에 기초하여, 등가 회로 모델에 대한 회로 상수를 동정하도록 구성된 전지 특성 평가 장치에 있어서, 임의의 전압 파형을 복수의 미소 시간 구간에 있어서의 스텝 함수로 분할하여 출력하는 전압 파형 분할부와, 이들 스텝 함수와 상기 전류 실측값과 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 연산하여 출력하는 회로 상수 최적화부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 특성 평가 장치가 제공된다.

본 발명의 전지 특성 평가 장치에 의하면, 워버그 임피던스를 고려하여, 전지의 등가 회로 모델에 있어서의 회로 상수를 임의의 전류 파형에 의해 고정밀도로 동정할 수 있어, 고정밀도의 전지 특성 평가를 실시할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 블록도.
도 2 는 임의 파형 전류를 스텝 함수로 분해하는 동작 설명도.
도 3 은 전원부를 제외한 도 2 의 회로에 있어서의 스텝 응답의 중첩에 의한 재합성의 설명도.
도 4 는 전지의 특성을 나타내는 워버그 임피던스를 포함하는 등가 회로예도.
도 5 는 워버그 임피던스 (W1) 가 단독으로 직렬 접속된 등가 회로도.
도 6 은 전지 특성을 평가하기 위한 전류 및 전압 측정에 사용되는 종래의 회로예를 나타내는 블록도.
도 7 은 도 6 의 측정 결과에 기초하여 전지의 특성 평가를 실시하는 전지 특성 평가 장치의 종래예를 나타내는 블록도.
도 8 은 전지의 특성을 나타내는 등가 회로예도.
도 9 는 워버그 임피던스의 설명도.
도 10 은 워버그 임피던스를 저항과 콘덴서로 근사한 예의 설명도.

발명을 실시하기 위한 형태

이하, 본 발명에 대해, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 1 은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 블록도이고, 도 7 과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 있다.

도 1 에 있어서, 전류 파형 분할부 (8) 는, 임의의 전류 파형의 실측값 (IM) 을, 도 2 에 나타내는 바와 같이 각각 다른 시간축을 갖는 복수의 스텝 함수로 분할한다. 도 2 는, 전류 파형의 상승 영역을 n 개의 스텝 함수 (I₁～I_n) 로 분해하고, 하강 영역을 m 개의 스텝 함수 (I_n+1～I_n+m) 로 분해한 예를 나타내고 있다. 이들 스텝 함수 (I₁～I_n+m) 를 회로 상수 최적화부 (6) 에 입력한다.

회로 상수 최적화부 (6) 에 있어서, 도 7 의 전압 연산부 (6a) 대신에, 스텝 응답 연산부 (6c) 와, 이 스텝 응답 연산부 (6c) 의 응답 연산 결과 (V₁～V_n+m) 를 가산하는 전압 가산부 (6d) 가 형성되어 있다.

스텝 응답 연산부 (6c) 에는, 등가 회로 모델 데이터 (EM) 와 판정부 (6b) 로부터의 회로 상수 (CC) 의 후보 및 전류 파형 분할부 (8) 로부터의 전류에 대응한 스텝 함수 (I₁～I_n+m) 가 입력된다. 이로써, 스텝 응답 연산부 (6c) 는, 스텝 함수 (I₁～I_n+m) 로서 주어진 전류에 대한 스텝 응답 전압 (V₁～V_n+m) 이 연산되고, 그 연산 결과인 스텝 응답 전압 (V₁～V_n+m) 은 전압 가산부 (6d) 의 입력 단자에 입력된다.

전압 가산부 (6d) 는, 스텝 응답 연산부 (6c) 의 연산 결과인 스텝 응답 전압 (V₁～V_n+m) 을 가산하여 전압 계산값 (VC) 을 구한다. 그리고, 계산된 전압 계산값 (VC) 을 판정부 (6b) 에 출력한다.

판정부 (6b) 에는 전압계 (4) 에 의한 전압 실측값 데이터 (VM) 및 전압 가산부 (6d) 에서 가산된 전압 계산값 (VC) 이 입력되고, 이들 전압 실측값 데이터 (VM) 와 전압 계산값 (VC) 은 비교되어 최적값인지의 여부가 판정된다. 최적이 아니면 비교 결과로부터 새로운 회로 상수 (CC) 를 생성하여 스텝 응답 연산부 (6c) 에 입력하고, 다시 전압을 계산시킨다. 이상의 처리를 회로 상수가 최적값으로 판정될 때까지 반복하여 실행한다. 이와 같이 하여 등가 회로 모델의 회로 상수로서 최적화된 동정값 (FV) 을 출력부 (7) 에 출력한다.

출력부 (7) 는, 회로 상수 최적화부 (6) 에서 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수의 동정값 (FV) 에 기초하여, 전지 (1) 의 특성 곡선을 생성하여 도시되지 않은 표시부에 표시한다.

도 2 에 대해, 상세하게 설명한다. (A) 에 나타내는 임의 파형의 전류 (I(t)) 는, (B)～(H) 에 나타내는 바와 같이 상승 영역 (p) 이 n 개의 스텝 함수로 분해되고, 하강 영역 (n) 이 m 개의 스텝 함수로 분해되어 있다. 이것을 식으로 나타내면 이하와 같이 된다. 단, u(t) 는 진폭 (1) 의 단위 스텝 함수로 한다.

I(t) = I₁?u(t-b₁)+I₂?u(t-b₂)+I₃?u(t-b₃)+…+I_n?u(t-b_n)-I_n+1?u(t-b_n+1)-I_n+2?u(t-b_n+2)-…-I_n+m?u(t-b_n+m) = I₁?u(t₁)+I₂?u(t₂)+I₃?u(t₃)+…+I_n?u(t_n)-I_n+1?u(t_n+1)-I_n+2?u(t_n+2)-…-I_n+m?u(t_n+m) (1)

여기서, u(t) 는, 시간 t_i (i = 1～n+m) 에 있어서 u(t_i) = 0 (t_i < 0), 1 (t_i

0) 이다.

이 (1) 식에 있어서, I_i(t_i) (i = 1～n) 은 각각을 라플라스 변환함으로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.

I_i(s) = L(I_i?u(t-b_i)) = I_i?(1/s) (2)

I_i(t_i) (i = n+1～n+m) 도 동일하게 라플라스 변환함으로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.

I_i(s) = -L(I_i?u(t-b_i)) = -I_i?(1/s) (3)

이들 전류 신호가 임피던스 (Z(s)) 에 흐름으로써 전압으로 변환되므로, 각각의 전류에 의한 전압 (V_i(s)) (i = 1～n+m) 은, 이하와 같이 나타내어진다.

V_i(s) = Z(s)?I_i?1/s

(i=1～n)

V_i(s) = -Z(s)?I_i?1/s (4)

(i = n+1～m)

다음으로, 임피던스 (Z) 에 스텝 전류가 흘렀을 때의 전압 과도 응답 신호 (V_i(t_i)) 는, 상기 (4) 식을 라플라스 변환함으로써 얻어진다.

V_i(t_i) = L[V_i(s)] = I_i?L[Z(s)?1/s]

(i = 1～n)

V_i(t_i) = L[V_i(s)] = -I_i?L[Z(s)?1/s] (5)

(i = n+1～m)

따라서, n+m 개로 분리한 스텝 응답을 재합성함으로써, 임의의 전류 파형을 임피던스 (Z) 에 흘렸을 때의 과도 응답 전압 파형 (V(t)) 은, 다음과 같이 나타낼 수 있다.

V(t) = V₁(t₁)+V₂(t₂)+V₃(t₃)+…+V_n(t_n)-V_n+1(t_n+1)-V_n+2(t_n+2)-…-V_n+m(t_n+m) (6)

이로써, 입력이 임의의 전류 파형이어도, 전지의 전압 응답을 계산할 수 있다. 도 3 은, 전원부를 제외한 도 1 의 회로에 있어서의 스텝 응답의 중첩에 의한 재합성의 설명도이다. 도 3 에 있어서, (A) 는 임의 전류 파형의 스텝 함수를 나타내고, (B) 는 각각의 스텝 응답을 나타내고, (C) 는 스텝 응답의 중첩을 나타내고 있다.

도 4 는, 전지의 특성을 나타내는 워버그 임피던스를 포함하는 등가 회로예도이다. 도 4 에 있어서, 직류 전원 (E) 과, 저항 (R1) 과, 저항 (R2) 과 콘덴서 (C1) 의 병렬 회로와, 저항 (R3) 과 물질 확산을 나타내는 워버그 임피던스 (W1) 의 직렬 회로와 콘덴서 (C2) 의 병렬 회로가 직렬 접속되어 있다.

이와 같이 구성함으로써, 워버그 임피던스를 등가 회로에 포함시킬 수 있고, 전지의 동정 정밀도가 높아지고, 전류-전압 특성을 보다 현실에 가깝게 할 수 있다.

또, 워버그 임피던스 이외의 회로 상수에 대해서도 현실적인 값이 얻어진다.

또한, 상기 실시예에서는, 워버그 임피던스가 병렬로 접속된 등가 회로 모델에 대해 설명했지만, 도 5 에 나타내는 바와 같이 워버그 임피던스 (W1) 가 단독으로 직렬 접속된 등가 회로에 대해서도 용이한 계산으로 실시할 수 있다.

도 5 에 있어서, RLC 회로가 직렬 접속되어 있는 회로 블록에 있어서의 전압에 대해서는 종래의 방법을 적용하고, 워버그 임피던스 블록에 있어서의 전압에 대해서는 본 발명의 방법을 적용한다.

이 경우, 워버그 임피던스 블록 (W1) 의 시간 영역의 전압 (Vw) 은,

에 의해 구할 수 있고, 계산이 간단해진다. 여기서, σ 는 확산을 나타내는 상수, Γ 는 감마 함수이다.

도 5 의 등가 회로 전체의 전압은, 워버그 임피던스 (W1) 의 블록에 있어서의 전압과 RLC 회로의 블록에 있어서의 전압의 합으로서 구한다. 그리고, 각각의 방법으로 연산한 전압을, 전압 실측값과 비교하여 평가한다.

또, 입력 전류가 직사각형파이어도, 본 발명의 방법으로 계산할 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는 전류를 변화시켜 실측된 응답 전압에 동정시키고 있지만, 전압을 변화시켜 실측된 전류값에 동정시켜도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 워버그 임피던스를 고려하여, 전지의 등가 회로 모델에 있어서의 회로 상수를 고정밀도로 동정할 수 있고 고정밀도의 전지 특성 평가를 실시할 수 있는 전지 특성 평가 장치를 실현할 수 있어, 전지의 각종 파라미터의 효율적인 해석에 바람직하다.

5 : 입력부
6 : 회로 상수 최적화부
6b : 판정부
6c : 제 1 스텝 응답 연산부
6d : 제 2 스텝 응답 연산부
6e : 전압 가산부
7 : 출력부
8 : 전류 검출부

Claims (8)

1. 전지의 전류-전압 특성에 기초하여, 등가 회로 모델에 대한 회로 상수를 동정 (同定) 하도록 구성된 전지 특성 평가 장치에 있어서,
   교류 주파수 성분을 포함하는 임의의 전지 실측 전류 파형 데이터를 복수의 미소 시간 구간에 있어서의 스텝 함수로 분할하여 출력하는 전류 파형 분할부와,
   이들 스텝 함수와 전압 실측값과 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 연산하여 출력하는 회로 상수 최적화부를 포함하며,
   상기 등가 회로 모델은, 워버그 임피던스 (War-burg Impedance) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전지 특성 평가 장치.
2. 전지의 전류-전압 특성에 기초하여, 등가 회로 모델에 대한 회로 상수를 동정 (同定) 하도록 구성된 전지 특성 평가 장치에 있어서,
   교류 주파수 성분을 포함하는 임의의 전지 실측 전류 파형 데이터를 복수의 미소 시간 구간에 있어서의 스텝 함수로 분할하여 출력하는 전류 파형 분할부와,
   이들 스텝 함수와 전압 실측값과 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 연산하여 출력하는 회로 상수 최적화부를 포함하며,
   상기 회로 상수 최적화부는,
   상기 전류 파형 분할부로부터 출력되는 상기 복수의 스텝 함수와 상기 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 상기 복수의 스텝 함수에 대응한 스텝 응답 전압을 연산 출력하는 스텝 응답 연산부와,
   상기 스텝 응답 연산부로부터 연산 출력되는 상기 스텝 응답 전압을 가산하여 전압 계산값을 출력하는 전압 가산부와,
   상기 전압 계산값과 상기 전압 실측값이 입력되고, 이들 전압 실측값과 전압 계산값을 비교하여 최적값인지를 판정하고, 최적이지 않으면 비교 결과로부터 새로운 회로 상수를 생성하여 상기 각 스텝 응답 연산부에 입력하고, 다시 전압을 계산시키는 판정부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 특성 평가 장치.
3. 전지의 전류-전압 특성에 기초하여, 등가 회로 모델에 대한 회로 상수를 동정하도록 구성된 전지 특성 평가 장치에 있어서,
   교류 주파수 성분을 포함하는 임의의 전지 실측 전압 파형 데이터를 복수의 미소 시간 구간에 있어서의 스텝 함수로 분할하여 출력하는 전압 파형 분할부와,
   이들 스텝 함수와 전류 실측값과 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 연산하여 출력하는 회로 상수 최적화부를 포함하며,
   상기 등가 회로 모델은, 워버그 임피던스 (War-burg Impedance) 를 포함하는 는 것을 특징으로 하는 전지 특성 평가 장치.
4. 전지의 전류-전압 특성에 기초하여, 등가 회로 모델에 대한 회로 상수를 동정하도록 구성된 전지 특성 평가 장치에 있어서,
   교류 주파수 성분을 포함하는 임의의 전지 실측 전압 파형 데이터를 복수의 미소 시간 구간에 있어서의 스텝 함수로 분할하여 출력하는 전압 파형 분할부와,
   이들 스텝 함수와 전류 실측값과 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 최적화된 등가 회로 모델의 회로 상수를 연산하여 출력하는 회로 상수 최적화부를 포함하며,
   상기 회로 상수 최적화부는,
   상기 전압 파형 분할부로부터 출력되는 상기 복수의 스텝 함수와 상기 등가 회로 모델 데이터가 입력되고, 상기 복수의 스텝 함수에 대응한 스텝 응답 전류를 연산 출력하는 스텝 응답 연산부와,
   상기 스텝 응답 연산부로부터 연산 출력되는 상기 스텝 응답 전류를 가산하여 전류 계산값을 출력하는 전류 가산부와,
   상기 전류 계산값과 상기 전류 실측값이 입력되고, 이들 전류 실측값과 전류 계산값을 비교하여 최적값인지를 판정하고, 최적이지 않으면 비교 결과로부터 새로운 회로 상수를 생성하여 상기 각 스텝 응답 연산부에 입력하고, 다시 전류를 계산시키는 판정부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전지 특성 평가 장치.
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