KR101160545B1 - 이차전지 건강상태 진단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차전지를 적절한 전기회로적 모델로 특징짓고 주파수 별 임피던스를 측정하여 전기회로적 모델로 모델링하여 내부저항을 추정하며, 추정한 내부저항에 따라 간단한 상관 관계식에 근거하여 건강상태를 진단하며, 아울러, 충전 상태 및 방전 상태를 반영한 건강상태로 진단하는 이차전지 건강상태 진단장치에 관한 것으로서, 이차전지(1)의 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH:State of health) 간의 상관 관계식에 대한 정보와, 이차전지(1)의 전기회로적 모델에 대한 정보를 저장하는 메모리부(10); 순차적으로 주파수를 가변시킨 교류전원을 이차전지(1)에게 공급하는 시험전원공급부(20); 주파수 별로 이차전지(1)의 임피던스를 측정하는 임피던스측정부(30); 측정한 임피던스를 이차전지(1)의 전기회로적 모델로 모델링하여 이차전지(1)의 내부저항(Rs)를 획득하는 내부저항 추출부(40); 획득한 내부저항(Rs)에 대응되는 건강상태(SOH)를 상관 관계식에 근거하여 추정하는 건강상태 추정부(50); 를 포함하여 구성된다.

Description

이차전지 건강상태 진단장치{APPARATUS FOR MEASURING STATE OF HEALTH OF RECHARGEABLE BATTERY}
본 발명은 이차전지 건강상태 진단장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 이차전지를 적절한 전기회로적 모델로 특징짓고 주파수 별 임피던스를 측정하여 전기회로적 모델로 모델링하여 내부저항을 추정하며, 추정한 내부저항에 따라 간단한 상관 관계식에 근거하여 건강상태를 진단하며, 아울러, 충전 상태 및 방전 상태를 반영한 건강상태로 진단하는 이차전지 건강상태 진단장치에 관한 것이다.
이차전지는, 방전하더라도 반복 재충전하여 사용할 수 있는 이점을 갖는 전지로서, 이동용 기기, 전기 자동차 및 전기 저장장치 등에 널리 사용된다. 하지만, 이차전지는 충방전의 반복에 따른 열화(또는 노화)의 진행으로 인해 충방전 가능 용량이 감소하게 되며, 열화의 진행 정도에 따라 적기에 교체해야만 한다. 최근에는 전기 자동차에 사용될 이차전지로 리튬이온전지에 대한 연구가 활성화되고 있는 데, 이러한 리튬이온전지의 건강상태를 정확하게 파악하지 못하면 전기 자동차의 운전에 차질을 빚게 된다.
이러한 이차전지의 열화 정도를 건강상태(SOH:State of Health)라고 하여서, 현재의 충방전 가능한 용량을 열화가 진행되기 전 초기상태의 충방전 가능한 용량에 대한 비율로 나타낸다. 예를 들면 초기상태 100의 건강상태인 이차전지가 열화되어 85의 건강상태로 되면, 초기상태 용량의 85%만 충방전하며 사용할 수 있다. 따라서, 이차전지의 건강상태를 진단할 수 있으면, 이차전지의 교체시기도 알 수 있고, 사용중에 충방전할 용량도 조절하여 과충전이나 과방전에 의한 손상도 방지할 수 있다.
이차전지의 건강상태를 진단하는 종래 방법으로서, 공개특허 제10-2007-0003631호 '배터리 상태 추정 방법 및 장치'는 전지의 실제 운행 중 전압 및 전류를 측정하고 내부저항을 산출하고 산출한 내부저항과 대응되는 건강상태의 데이터 테이블을 작성하여서, 데이터 테이블에 근거하여 건강상태를 추정하였다. 하지만, 이 방법으로 산출되는 내부저항은 직류 전기에 의한 산출방식으로 전류 크기의 변화에 따라 편차가 커져서 정확하게 진단할 수 없었으며, 더욱이, 데이터 테이블을 작성하기도 어려웠다.
다른 종래 방법으로서, 등록특허 제10-0911317호 '배터리 전압 거동을 이용한 배터리 용량 퇴화 추정 장치 및 방법'은 전류 적산법에 의한 충전상태(SOC: State of Charge)와 개방전압 추정에 의한 충전상태(SOC)의 변화량 누산 비율을 이용하여 건강상태를 진단하였다. 하지만, 이 방법은 충전상태(SOC)의 추정에 따른 오차에 의해서 건강상태의 진단결과가 부정확하고, 건강상태를 추정하는 과정도 복잡하였다.
또 다른 종래 방법으로서, 공개특허 제10-2007-0053018호 '하이브리드차량의 배터리 노후화 계수 산출 방법'은, 실제 충전상태와 이론 충전상태의 비교로 건강상태를 진단하였으나, 이 또한 충전상태의 추정에 따른 오차로 인해 정확한 진단이 어려웠고, 계산과정도 복잡하였다.
KR 10-2007-0003631 A 2007.01.06. KR 10-0911317 B1 2009.08.11. KR 10-2007-0053018 A 2007.05.23.
따라서 본 발명의 목적은, 직류 저항 측정방식보다 내부저항을 정확하게 추정하여서, 정확한 내부저항의 추정값에 근거하여 이차전지의 건강상태를 진단할 수 있으며, 건강상태의 획득과정도 간소화되며, 이차전지의 내부 특성을 반영하여 건강상태를 진단하는 이차전지 건강상태 진단장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 이차전지(1)의 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH:State of health) 간의 상관 관계식에 대한 정보와, 이차전지(1)의 전기회로적 모델에 대한 정보를 저장하는 메모리부(10); 순차적으로 주파수를 가변시킨 교류전원을 이차전지(1)에게 공급하는 시험전원공급부(20); 주파수 별로 이차전지(1)의 임피던스를 측정하는 임피던스측정부(30); 측정한 임피던스를 이차전지(1)의 전기회로적 모델로 모델링하여 이차전지(1)의 내부저항(Rs)를 획득하는 내부저항 추출부(40); 획득한 내부저항(Rs)에 대응되는 건강상태(SOH)를 상관 관계식에 근거하여 추정하는 건강상태 추정부(50); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 상관 관계식은, 건강상태(SOH)를 내부저항(Rs)에 대한 1차함수로 표시됨을 특징으로 한다.
상기 상관 관계식은, 서로 다른 건강상태(SOH)를 갖는 복수의 이차전지들에 대해서 각각 순차적으로 가변시킨 주파수의 교류전원을 투입하면서 임피던스를 측정한 후에, 측정한 임피던스를 상기 전기회로적 모델로 모델링하여 각 이차전지 별로 내부저항(Rs)을 획득하고, 이차전지 별로 획득한 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관 관계로 얻음을 특징으로 한다.
상기 전기회로적 모델은, 저항과 커패시턴스의 병렬회로를 두개 마련하여 직렬연결한 후에 내부저항(Rs)을 직렬연결한 회로 모델임을 특징으로 한다.
상기 상관 관계식은, 이차전지의 충전 상태와 방전 상태에 대해 각각 구비되어, 이차전지를 충전한 상태에서 획득되는 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관 관계로 표현되는 제1 상관 관계식과, 이차전지를 방전한 상태에서 획득되는 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관 관계로 표현되는 제2 상관 관계식으로 메모리에 저장되고, 충전된 이차전지에 대해 제1 상관 관계식으로 획득한 충전시 건강상태, 방전된 이차전지에 대해 제2 상관 관계식으로 획득한 방전시 건강상태, 또는 충전시 건강상태와 방전시 건강상태를 평균한 건강상태 중에 어느 하나로 선택하여 건강상태를 추정함을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명은, 주파수 응답특성을 이용한 교류 임피던스의 측정으로 편차 없이 내부저항을 추정하여서, 정확히 추정한 내부저항에 근거하여 건강상태를 신빙성 있게 진단할 수 있으므로, 이차전지의 교체시기를 적기에 맞출 수 있고, 아울러, 건강상태의 진단 결과에 따라 충방전 용량을 적절히 조절하여 손상 없이 이차전지를 장기간 사용할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은, 건강상태를 내부저항에 의한 1차함수로 간단하게 구현하므로 간단한 연산으로 건강상태를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명은, 이차전지에서 중요시되는 충전 상태와 방전 상태를 반영하여 건강상태를 진단하므로, 진단 결과의 신빙성을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 건강상태 진단장치의 블록구성도 및 이차전지와의 결선상태를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에서, 이차전지의 등가 모델로 적용된 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예에서, 이차전지의 건강상태(SOH)를 추정하는 데 사용되는 상관 관계식의 도출과정을 보여주는 순서도.
도 4는, 초기용량 25mAh의 이차전지를 만충전 상태에서, 각각 상기 도 3의 상관 관계식 도출과정을 적용하여 측정한 임피던스 그래프(a) 및 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관관계를 보여주는 그래프(b).
도 5는, 초기용량 25mAh의 이차전지를 방전 종지 상태에서, 각각 상기 도 3의 상관 관계식 도출과정을 적용하여 측정한 임피던스 그래프(a) 및 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관관계를 보여주는 그래프(b).
도 6은, 초기용량 750mAh의 이차전지를 만충전 상태에서, 각각 상기 도 3의 상관 관계식 도출과정을 적용하여 측정한 임피던스 그래프(a) 및 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관관계를 보여주는 그래프(b).
도 7은, 초기용량 750mAh의 이차전지를 방전 종지 상태에서, 각각 상기 도 3의 상관 관계식 도출과정을 적용하여 측정한 임피던스 그래프(a) 및 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관관계를 보여주는 그래프(b).
도 8은, 초기용량 850mAh의 이차전지를 만충전 상태에서, 각각 상기 도 3의 상관 관계식 도출과정을 적용하여 측정한 임피던스 그래프(a) 및 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관관계를 보여주는 그래프(b).
도 9는, 초기용량 850mAh의 이차전지를 방전 종지 상태에서, 각각 상기 도 3의 상관 관계식 도출과정을 적용하여 측정한 임피던스 그래프(a) 및 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관관계를 보여주는 그래프(b).
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 건강상태 진단장치를 이용한 이차전지 건강상태 진단방법의 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성 또는 작용에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성 또는 작용을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
<이차전지 건강상태 진단장치>
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 건강상태 진단장치의 블록구성도 및 이차전지와의 결선상태를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에서 이차전지의 등가 모델로 적용된 전기 회로도이다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 건강상태 진단장치는 메모리부(10), 시험전원 공급부(20), 임피던스 측정부(30), 내부저항 추출부(40) 및 건강상태 추정부(50)를 포함하여 구성된다.
상기 메모리부(10)는, 이차전지(1)의 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH:State of health) 간의 상관 관계식에 대한 정보와, 이차전지(1)의 전기회로적 모델에 대한 정보와, 시험전원 공급부(20)에서 공급할 교류전원의 주파수에 대한 정보 등을 저장하고 있어서, 시험전원 공급부(20), 내부저항 추출부(40) 및 건강상태 추정부(50)의 동작에 필요한 정보를 제공한다.
상기 상관 관계식은, 건강상태(SOH)를 추정하기 위한 관계식으로서 내부저항(Rs)을 변수로 하는 함수이며, 후술하는 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 내부저항(Rs)을 변수로 하는 1차함수인 SOH=a+b*Rs로 표현되고, 상수 a 및 b의 값도 상기 메모리부(10)에 저장된다. 또한, 후술하는 바와 같이 본 발명의 실시예에서 상기 상관 관계식은 만충전된 상태의 이차전지에 대한 제1 상관 관계식과, 방전 종지 상태의 이차전지에 대한 제2 상관 관계식으로 이루어져서, 제1 상관 관계식 및 제2 상관 관계식의 각 상수 a 및 b를 분리하여 저장한다. 상기 상관 관계식의 상수 a 및 b에 대해서는 도 3 내지 도 9를 참조하며 후술한다. 여기서, 이차전지의 건강상태(SOH)에 대해서 간략하게 설명하면, 이차전지는 충전 및 방전을 반복함에 따라 내부에서 열화가 진행되어 초기 제작시에 갖던 충방전 용량이 서서히 감소되고, 이와 같이 열화의 정도를 건강상태(SOH:State of Health)로 표현한다. 이때, 건강상태(SOH)는 열화가 진행된 현재 상태의 충방전 가능한 용량에 초기 충방전 가능한 용량의 비율로 표현할 수 있다. 그리고, 이차전지의 열화는 내부저항(Rs)에 반영되므로, 건강상태(SOH)를 내부저항(Rs)의 값으로부터 추정할 수 있다.
상기한 주파수에 대한 정보는, 서로 다른 주파수의 교류전기를 주파수 별로 일정시간 동안 이차전지(1)에 투입하여 교류전기에 의한 응답특성, 즉, 교류전기를 시험전원으로 하여 이차전지(1)의 임피던스(impedance)를 측정하기 위한 것이다. 이는, 이차전지(1)의 내부 임피던스(internal resistance)가 저항(Resistance) 성분만 갖는 것이 아니라 커패시턴스(Capacitance)에 의한 리액턴스(reactance) 성분도 갖기 때문이다. 이에 따라, 본 발명은 도 2에 도시된 이차전지(1)의 전기회로적 모델로 이차전지(1)를 모델링하여 내부 저항(Rs)을 추정하기 위해서, 서로 다른 주파수의 교류전기로 이차전지(1)의 내부 임피던스를 측정한다.
상기 전기회로적 모델은, 도 2에 도시된 실시예와 같이, 저항과 커패시턴스의 병렬회로를 두개 마련하여 직렬연결한 후에 내부저항(Rs)을 직렬연결한 회로 모델로 이루어진다. 여기서, 실질적으로 상기 내부저항(Rs)을 구하기 위한 것이지만, 이차전지(1)는 충전량의 변화에 따라 전체적인 임피던스가 바뀌므로, 저항과 커패시턴스의 병렬회로를 내부저항(Rs)에 직렬연결한 형태로 모델링하며, 아울러, 실험적으로 보면 저항과 커패시턴스의 병렬회로를 2개로 하는 것이 적절하였다. 이때, 주파수 별 임피던스 값을 상기 전기회로적 모델로 모델링(data fitting)하면, 2개의 병렬회로에 포함된 두개의 저항(R1, R2)은 서로 다른 값으로 얻어지고, 또한, 두개의 커패시턴스(C1, C2)도 서로 다른 값으로 얻어진다. 한편, 상기 전기회로적 모델에서, 병렬회로를 구성하는 저항(R1, R2) 및 커패시턴스(C1, C2)는 이차전지(1)의 충전된 충전량에 따라 가변하므로, 본 발명의 실시예에서는, 이차전지(1)를 만충한 상태와 방전종지 상태로 하여 모델링한다.
상기 시험전원 공급부(20)는, 교류전원을 이차전지(1)에 공급하되 교류전원의 주파수를 가변시키면서 공급하기 위한 구성으로서, 전원부(22)로부터 공급받는 전기를 가변의 주파수로 변성하기 위한 주파수가변부(21)를 구비한다. 상기 주파수가변부(21)는, 상기 메모리부(10)에 저장된 주파수에 대한 정보에 따라 주파수 별로 일정 시간 동안 유지하여 각 주파수에 대한 응답특성(즉, 임피던스)을 순차적으로 임피던스 측정부(30)에서 측정할 수 있게 하며, 이를 위해 임피던스 측정부(30)와 연동된다. 이는 이차전지(1)의 내부 임피던스를 교류전기로 측정하되 교류전기의 주파수를 바꿔가며 내부 임피던스를 측정하여서, 상기 도 2에 도시된 모델의 파라미터값들(Rs, R1, R2, C1, C2)을 얻고자 함이다.
상기 임피던스 측정부(30)는, 상기 시험전원 공급부(20)로 가변의 주파수를 갖는 교류전기를 이차전지(1)에 투입할 때에 주파수 별로 이차전지(1)의 임피던스를 측정한다.
상기 내부저항 추출부(40)는, 주파수 별로 측정한 이차전지(1)의 임피던스를 상기 도 2로 도시된 전기회로적 모델로 모델링(data fitting)하여서, 전기회로적 모델의 파라미터값들(Rs, R1, R2, C1, C2)을 추출한다. 여기서, 파라미터값들(Rs, R1, R2, C1, C2) 중에 실제 관심을 갖는 파라미터는 내부저항인 Rs이다.
상기 건강상태 추정부(50)는, 상기 내부저항 추출부(40)로 추출한 내부저항(Rs)을 상기의 상관 관계식에 대입하여 내부저항(Rs)에 대응되는 건강상태(SOH)를 추정한다. 상기 건강상태 추정부(50)와 상기 내부저항 추출부(40)는 하나의 마이크로프로세서로 구성할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서, 이차전지(1)의 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH:State of health) 간의 상관 관계식은, 만충전한 상태의 이차전지(1)에 대응되는 제1 상관 관계식과 방전 종지 상태의 이차전지(1)에 대응되는 제2 상관 관계식으로 이루어지므로, 상기 시험전원 공급부(20) 및 임피던스 측정부(30)로 이루어지는 주파수별 임피던스 측정과정은, 하나의 이차전지(1)를 만충전한 상태와 방전종지 상태로 분리하여 별도로 실행한다. 그리고, 상기 건강상태 추정부(50)는, 만충전 상태에서 측정한 임피던스로부터 획득하는 내부저항(Rs)을 제1 상관 관계식에 대입하여 건상상태를 추정하고, 방전종지 상태에서 측정한 임피던스로부터 획득하는 내부저항(Rs)을 제2 상관 관계식에 대입하여 건상상태를 추정하며, 이에 따라 추정한 두개의 건강상태를 평균한 값을 최종 추정할 건강상태의 값으로 한다. 이를 위해서 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 건강상태 진단장치는 이차전지의 상태를 선택 입력할 수 있는 키입력수단을 구비한다. 즉, 키입력수단을 통해 만충전 상태 및 방전 종지 상태 중에 어느 하나를 선택할 경우에, 선택한 이차전지 상태에 대응되는 제1 상관 관계식이나 제2 상관 관계식을 사용하는 것이다.
여기서, 본 발명은, 충전된 이차전지에 대해 제1 상관 관계식으로 획득한 충전시 건강상태, 및 방전된 이차전지에 대해 제2 상관 관계식으로 획득한 방전시 건강상태 중에 어느 하나의 건강상태만 추정하도록 사용될 수 있으나, 실험적으로 보면, 만충전 상태 및 방전종지 상태에서 각각 건강상태를 추정한 후에 평균하여 얻는 값이 더욱 정확함을 확인할 수 있었다.
<상관 관계식의 도출과정>
도 3은 본 발명의 실시예에서, 이차전지의 건강상태(SOH)를 추정하는 데 사용되는 상관 관계식의 도출과정을 보여주는 순서도이다.
상기 상관 관계식 도출과정은 상관 관계식을 도출하기 위한 구성을 상기 도 1에 도시된 이차전지 건강상태 진단장치에 추가하여 구성되는 시험장치로 구현될 수 있다. 따라서, 상기 도 1의 이차전지 건강상태 진단장치를 구성하는 메모리부(10), 시험전원 공급부(20), 임피던스 측정부(30) 및 내부저항 추출부(40)와, 추가되는 관계식 도출부(미도시)를 포함하여 구성되는 시험장치를 이용하여 이루어지는 것으로 하여 하기와 같이 설명한다.
상기 상관 관계식 도출과정은, 서로 다른 건강상태(SOH)를 갖는 복수개(도 3의 N개)의 이차전지를 준비하는 이차전지 준비단계(S10); 각각의 이차전지를 충전하고 내부저항(Rs)을 구한 후에 충전시에 대응되는 제1 상관 관계식을 도출하는 제1 상관 관계식 획득단계(S20); 각각의 이차전지를 방전하고 내부저항(Rs)을 구한 후에 방전시에 대응되는 제2 상관 관계식을 도출하는 제2 상관 관계식 획득단계(S30); 로 이루어진다.
상기 이차전지 준비단계(S10)는 동일 조건에서 동일 용량으로 제작된 이차전지들로서, 충방전을 반복함에 따라 열화가 진행되어 건강상태(SOH)가 낮아지게 된 복수의 이차전지를 준비하되, 열화정도가 서로 다른 이차전지를 준비하며, 충방전을 하지 아니한 초기 상태의 이차전지도 준비하는 것이 바람직하다.
상기 제1 상관 관계식 획득단계(S20)는, 각 이차전지들에 순번(n)을 정하여 첫번째 순번의 이차전지부터 준비하고(S21), 현재 순번(n)의 이차전지가 마지막 순번(N)에 이를 때까지(S25) 순번(n)을 하나씩 올리며(S26) 다음의 충전 단계(S22), 임피던스 측정단계(S23) 및 내부저항 획득단계(S24)를 각 이차전지 별로 수행한다.
상기 충전 단계(S22)는, 현재 순번(n)의 이차전지를 만충전하고 상온에서 방치하여 안정화한 후에 시험장치에 연결하는 단계이다. 여기서, 이차전지를 만충전한 후에 방치하는 것은, 이차전지가 충전 시에 평형상태의 전압보다 높은 과전압을 갖고 충전을 종료해도 평형상태로 안정화되는 데에 시간이 필요하므로, 충전 시에 일어났던 전하전달반응을 안정화시켜 평형상태로 만들기 위함이다. 통상 1시간 방치하면 적당하다.
상기 임피던스 측정단계(S23)는, 서로 다른 주파수의 교류전기를 순차적으로 이차전지에 공급하여 각 주파수 별로 이차전지의 임피던스를 측정하는 단계로서, 상기 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 시험전원 공급부(20)와 임피던스 측정부(30)를 이용하여 이차전지의 임피던스를 주파수 별로 측정하는 과정과 동일하다.
상기 내부저항 획득단계(S24)는, 주파수 별로 측정한 임피던스를 전기회로적 모델로 모델링하여, 전기회로적 모델의 파라미터를 결정함으로써, 내부저항(Rs)를 획득하는 단계이며, 상기 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 내부저항 추출부(40)로 내부저항을 획득하는 과정과 동일하다.
이와 같이, 서로 다른 건강상태(SOH)를 갖는 각각의 이차전지에 대해서 내부저항(Rs)을 획득한 후에는, 이차전지를 만충전한 상태에서 건강상태(SOH)와 내부저항(Rs)의 상관 관계를 나타내는 제1 상관 관계식을 도출한다. 즉, 내부저항(Rs)을 변수로 하여 건강상태(SOH)를 나타내는 관계식인 제1 상관 관계식의 파라미터를 획득한다.
다음으로, 상기 제2 상관 관계식 획득단계(S30)는, 이차전지를 방전시킨 상태에서 수행한다는 점에 차이를 갖지만 상기 제1 상관 관계식 획득단계(S20)의 수행순서와 동일하다. 즉, 이차전지를 방전한 후에 상온 방치한다 점에서(S32) 차이 나지만, 주파수 별로 임피던스를 측정하고(S33) 내부저항을 획득하는(S34) 과정을 각 이차전지의 순번에 따라 수행한다는(S31, S35, S36) 점은 상기 제1 상관 관계식 획득단계(S30)에서 수행되는 것과 동일하므로 중복 설명은 생략한다. 그리고, 상기 제2 상관 관계식 획득단계(S30)는 상기 제1 상관 관계식 도출단계(S27)과 동일한 방식으로 방전 종지 상태에서의 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH)의 상관 관계를 나타내는 제2 상관 관계식을 도출한다.
다음으로, 상기와 같이 도출한 제1 상관 관계식 및 제2 상관 관계식에 대한 정보를 메모리에 저장 보관하여서, 상기 도 1을 참조하여 설명한 이차전지 건강상태 진단장치에서 활용할 수 있게 한다.
한편, 본 발명의 실시예에서는, 상기 제1 상관 관계식 획득단계(S20) 후에 제2 상관 관계식 획득단계(S30)를 수행하는 것으로 하였으나, 순서를 바꾸어 제2 상관 관계식 획득단계(S30) 후에 제1 상관 관계식 획득단계(S20)를 수행하여도 무방하다.
이하, 상술한 상관 관계식의 도출과정을 구체적인 실시예로 설명한다.
도 4 및 도 5는, 초기용량 25mAh의 이차전지에 대해서 실시한 예로서, 100% 건강상태(SOH)를 갖는 이차전지, 85% 건강상태(SOH)를 갖는 이차전지, 및 70% 건강상태(SOH)를 갖는 이차전지를 사용하였다. 여기서, 초기용량이란 이차전지의 제작시 용량을 의미하고, 100% 건강상태(SOH)의 이차전지는 열화되지 아니하여 초기용량을 충전 가능한 용량으로 갖는 것을 의미한다. 그리고, 85% 건강상태(SOH)의 이차전지는 충방전을 반복함에 따라 열화가 진행되어 초기용량의 85%만을 충전하여 사용할 수 있는 것이고, 70% 건강상태(SOH)의 이차전지는 열화가 더욱 진행되어 초기용량의 70%만을 충전하여 사용할 수 있는 것을 말한다.
도 4는, 이차전지를 만충전한 상태에서 측정한 임피던스 그래프(도 4의 a)와, 측정한 임피던스를 전기회로적 모델로 모델링하여 얻는 내부저항(Rs)을 건강상태(SOH)에 대응시켜 상관관계를 보여주는 그래프(도 4의 b)이다. 그리고, 도 5는, 이차전지를 방전 종지 상태에서의 임피던스 그래프(도 5의 a), 및 내부저항(Rs)와 건강상태의 상관관계 그래프(도 5의 b)이다. 상기 도 4의 a 및 도 5의 b에 보여진 임피던스 그래프에서 'A' 곡선은 100% 건강상태(SOH)의 이차전지에서 측정한 임피던스를 전기회로적 모델로 모델링한 곡선이고, 'B' 곡선은 85% 건강상태(SOH)의 이차전지에서 측정한 임피던스를 전기회로적 모델로 모델링한 곡선이고, 'C' 곡선은 70% 건강상태(SOH)의 이차전지에서 측정한 임피던스를 전기회로적 모델로 모델링한 곡선이며, X축은 저항(resistance) 성분이고 Y축은 리액턴스(reactance) 성분이다. 도 2의 전기회로적 모델로 모델링함에 따라 얻는 이차전지의 내부저항(Rs)의 값은 다음의 표 1과 같이 얻었다.
구분
(초기용량 25mAh 이차전지)		 전지 상태
충전 방전

Rs(내부저항)
 A (100% SOH) 0.363752 0.407927
B (85% SOH) 0.391900 0.480000
C (70% SOH) 0.451528 0.542117
그리고, 그리고, 도 4의 b 및 도 5의 b에서 보여준 것과 같이, 모델링된 전기회로적 모델로 얻는 내부저항(Rs)을 건강상태에 대응시켜서, 다음과 같이 표현되는 만충전 상태의 제1 상관 관계식과, 방전 종지 상태의 제2 상관 관계식을 얻었다.
제1 상관 관계식 :
Figure 112011007398317-pat00001
제2 상관 관계식 :
Figure 112011007398317-pat00002
이와 같이 얻은 제1,2 상관 관계식은 도 4의 b 및 도 5의 b의 그래프에서 1차함수인 직선으로 나타난다.
도 6과 도 7은, 초기용량 750mAh의 이차전지에 대해 상술한 상관 관계식의 도출과정을 수행한 결과로서, 도 6은 만충전한 상태의 이차전지에 대한 것이고, 도 7은 방전 종지 상태의 이차전지에 대한 것이다. 여기서도, 100% 건강상태의 이차전지, 85% 건강상태의 이차전지, 및 70% 건강상태의 이차전지에 대해서 실시하였고, 결과로서 얻어지는 내부저항(Rs)는 다음의 표 2와 같다.
구분
(초기용량 750mAh 이차전지)		 전지 상태
충전 방전

Rs(내부저항)
 A (100% SOH) 0.049097 0.052595
B (85% SOH) 0.062412 0.060710
C (70% SOH) 0.072671 0.095945
그리고, 만충전 상태의 제1 상관 관계식과, 방전 종지 상태의 제2 상관 관계식을 다음과 같이 얻었다.
제1 상관 관계식 :
Figure 112011007398317-pat00003
제2 상관 관계식 :
Figure 112011007398317-pat00004

도 8과 도 9는, 초기용량 850mAh의 이차전지에 대해 상술한 상관 관계식의 도출과정을 수행한 결과로서, 도 8은 만충전한 상태의 이차전지에 대한 것이고, 도 9는 방전 종지 상태의 이차전지에 대한 것이다. 여기서도, 100% 건강상태의 이차전지, 85% 건강상태의 이차전지, 및 70% 건강상태의 이차전지에 대해서 실시하였고, 결과로서 얻어지는 내부저항(Rs)은 다음의 표 3과 같다.
구분
(초기용량 850mAh 이차전지)		 전지 상태
충전 방전

Rs(내부저항)
 A (100% SOH) 0.048492 0.044660
B (85% SOH) 0.053326 0.050669
C (70% SOH) 0.055412 0.087076
그리고, 만충전 상태의 제1 상관 관계식과, 방전 종지 상태의 제2 상관 관계식을 다음과 같이 얻었다.
제1 상관 관계식 :
Figure 112011007398317-pat00005
제2 상관 관계식 :
Figure 112011007398317-pat00006

<이차전지 건강상태 진단방법>
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른 이차전지 건강상태 진단장치를 이용한 이차전지 건강상태 진단방법의 순서도이다.
이차전지 건강상태 진단방법은, 상술한 상관 관계식 도출과정에서 얻는 제1,2 상관 관계식을 메모리부(10)에 저장한 상태에서 이루어진다. 상기에서는, 25mAh, 750mAh 및 850mAh에 대해서 구체적인 실시예를 보였으나, 이차전지 건강상태 진단장치에 저장할 상관 관계식 정보는 관심 대상이 되는 이차전지에 대한 상관 관계식 정보만 저장하여도 된다. 그리고, 정확성을 위해서, 상술한 상관 관계식 도출과정에서 사용된 주파수에 대한 정보를 메모리부(10)에 저장하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 이차전지 건강상태 진단방법은, 진단 대상인 이차전지를 만충전한 상태에서 건강상태를 추정하는 충전 시의 건강상태 추정단계(S100)와; 진단 대상인 이차전지를 방전 종지한 상태에서 건강상태를 추정하는 방전 시의 건강상태 추정단계(S200)와; 충전 시의 건강상태와 방전 시의 건강상태를 평균하여 추정하고자 하는 건강상태를 획득하는 최종 건강상태 추정단계(S300); 를 포함하여 이루어진다.
상기 충전 시의 건강상태 추정단계(S100)에서는, 진단 대상인 이차전지를 만충전하고 일정 시간 동안 방치한(S110) 후에, 이차전지 건강상태 진단장치에 연결하고 시험전원 공급부(20) 및 임피던스 측정부(30)를 이용해 주파수별 임피던스를 측정하며(S120), 측정한 주파수별 임피던스 데이터를 이차전지의 전기회로적 모델로 모델링하여 내부저항(Rs)를 획득한다. 그리고, 획득한 내부저항(Rs)를 제1 상관 관계식에 대입하여 충전 시의 건강상태를 추정한다.
다음으로, 상기 방전 시의 건강상태 추정단계(S200)에서는, 진단 대상인 이차전지를 방전 종지 상태로 방전시키고 일정 시간 동안 방치한(S210) 후에, 이차전지 건강상태 진단장치에 연결하고 시험전원 공급부(20) 및 임피던스 측정부(30)를 이용해 주파수별 임피던스를 측정하며(S220), 측정한 주파수별 임피던스 데이터를 이차전지의 전기회로적 모델로 모델링하여 내부저항(Rs)를 획득한다. 그리고, 획득한 내부저항(Rs)을 제2 상관 관계식에 대입하여 방전 시의 건강상태를 추정한다.
다음으로, 상기 최종 건강상태 추정단계(S300)에서는, 제1 상관 관계식에 대입하여 얻는 충전 시의 건강상태와, 제2 상관 관계식에 대입하여 얻은 방전 시의 건강상태를 평균하여서 최종 추정하려는 건강상태를 획득한다.
한편, 이차전지의 충방전 용량은 온도에 영향을 받고, 이에 따라 측정되는 임피던스 및 내부저항도 온도의 영향을 받으므로, 이차전지 건강상태 진단장치로 이차전지의 건강상태를 추정하는 과정 중에 주파수별 임피던스를 측정하는 단계(S120, S220)는 상술한 상관 관계식 도출과정 중에 주파수별 임피던스를 측정할 때의 온도에서 실행한다. 또한, 충전 시의 건강상태 추정단계(S100)와 방전 시의 건강상태 추정단계(S200)는 서로 순서를 바꾸어 실행하여도 무방하다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따르면, 직류 시험 전원으로 내부저항을 측정하는 것이 아니라 교류 시험 전원으로 교류 저항인 임피던스를 측정하며, 아울러, 적절한 전기회로적 모델에 근거하여 이차전지의 내부저항을 정확하게 획득할 수 있으므로, 이차전지의 건강상태(SOH)를 신빙성 있게 진단할 수 있으며, 이에 따라, 이차전지의 건강상태에 따라 충방전 용량을 적절히 조절하여 배터리의 과충전 및 과방전을 방지할 수 있고, 이차전지의 교체시기도 적기에 맞출 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 건강상태를 내부저항에 대한 함수로 표현하는 상관 관계식을 1차함수로 구현하더라도 구체적인 실시예의 그래프에서 확인할 수 있듯이 상관 관계를 적절하게 나타내며, 이에 따라 정확성을 보장하면서 간단한 연산으로 건강상태(SOH)를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 충전 상태와 방전 상태에서 각각 건강상태를 추정하고, 추정한 건강상태를 평균하여 최종 건강상태의 값을 획득하므로, 충전 상태와 방전 상태를 반영한 정확한 값으로 건강상태를 진단할 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
10 : 메모리부 20 : 시험전원 공급부 21 : 주파수가변부
22 : 전원부 30 : 임피던스 측정부 40 : 내부저항 추출부
50 : 건강상태 추정부

Claims (5)

  1. 이차전지(1)의 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH:State of health) 간의 상관 관계식에 대한 정보와, 이차전지(1)의 전기회로적 모델에 대한 정보를 저장하는 메모리부(10);
    순차적으로 주파수를 가변시킨 교류전원을 이차전지(1)에게 공급하는 시험전원공급부(20);
    주파수 별로 이차전지(1)의 임피던스를 측정하는 임피던스측정부(30);
    측정한 임피던스를 이차전지(1)의 전기회로적 모델로 모델링하여 이차전지(1)의 내부저항(Rs)를 획득하는 내부저항 추출부(40);
    획득한 내부저항(Rs)에 대응되는 건강상태(SOH)를 상관 관계식에 근거하여 추정하는 건강상태 추정부(50);
    를 포함하여 구성되되,
    상기 상관 관계식은,
    서로 다른 건강상태(SOH)를 갖는 복수의 이차전지들에 대해서 각각 순차적으로 가변시킨 주파수의 교류전원을 투입하면서 임피던스를 측정한 후에, 측정한 임피던스를 상기 전기회로적 모델로 모델링하여 각 이차전지 별로 내부저항(Rs)을 획득하고, 이차전지 별로 획득한 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관 관계로 얻음을 특징으로 하는 이차전지 건강상태 진단장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상관 관계식은,
    건강상태(SOH)를 내부저항(Rs)에 대한 1차함수로 표시됨을 특징으로 하는 이차전지 건강상태 진단장치.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전기회로적 모델은,
    저항과 커패시턴스의 병렬회로를 두개 마련하여 직렬연결한 후에 내부저항(Rs)을 직렬연결한 회로 모델임을 특징으로 하는 이차전지 건강상태 진단장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 상관 관계식은, 이차전지의 충전 상태와 방전 상태에 대해 각각 구비되어, 이차전지를 충전한 상태에서 획득되는 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관 관계로 표현되는 제1 상관 관계식과, 이차전지를 방전한 상태에서 획득되는 내부저항(Rs)과 건강상태(SOH) 간의 상관 관계로 표현되는 제2 상관 관계식으로 메모리에 저장되고,
    충전된 이차전지에 대해 제1 상관 관계식으로 획득한 충전시 건강상태, 방전된 이차전지에 대해 제2 상관 관계식으로 획득한 방전시 건강상태, 또는 충전시 건강상태와 방전시 건강상태를 평균한 건강상태 중에 어느 하나로 선택하여 건강상태를 추정함을 특징으로 하는 이차전지 건강상태 진단장치.
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