KR101363195B1

KR101363195B1 - 배터리 열화 판정 디바이스, 배터리 열화 판정 방법 및 배터리 열화 판정 시스템

Info

Publication number: KR101363195B1
Application number: KR1020120080845A
Authority: KR
Inventors: 류우타 다나카
Original assignee: 요코가와 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-02-12
Also published as: KR20130012569A; JP2013026114A; EP2551688B1; CN102901928A; JP5278508B2; US20130030736A1; CN102901928B; US9043176B2; EP2551688A1

Abstract

배터리 열화 판정 디바이스는 AC 임피던스 측정 데이터를, 저항과 정위상 엘리먼트 (constant phase element) 가 병렬 연결된 적어도 하나의 회로 블록을 포함하는 등가 회로 모델에 피팅 (fitting) 하고, 등가 회로 모델의 회로 정수들을 획득하도록 구성된 피팅 모듈, 기준 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 정위상 엘리먼트의 인덱스인 P 값들을 보관하도록 구성된 P 값 보관 모듈, 및 배터리 열화 정도들과 등가 회로 모델의 회로 정수들 사이의 상관관계를 참조하여, P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 판정 대상 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초하여 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정을 수행하도록 구성된 열화 판정 모듈을 포함한다.

Description

배터리 열화 판정 디바이스, 배터리 열화 판정 방법 및 배터리 열화 판정 시스템{BATTERY DEGRADATION DETERMINATION DEVICE, BATTERY DEGRADATION DETERMINATION METHOD AND BATTERY DEGRADATION DETERMINATION SYSTEM}

관련 출원(들)의 상호 참조

본 출원은 2011년 7월 25일에 출원된 일본 특허 출원 제 2011-161762 호의 우선권의 이익을 주장하며, 상기 일본 특허 출원의 내용들은 여기에 참조로서 포함된다.

기술 분야

본 개시물은 배터리에 대한 AC 임피던스 측정 데이터에 기초하여 배터리 열화 정도를 판정하는, 배터리 열화 판정 디바이스, 배터리 열화 판정 방법 및 배터리 열화 판정 시스템에 관한 것이다.

2차 배터리 또는 연료 전지와 같은 배터리는 다수의 재충전 사이클, 사용 환경, 저장 조건 등에 따라 열화되며, 결국 그 사용 수명 (service life) 이 다하면 쓸모없어진다. 이러한 이유로, 배터리 열화 정도를 판정하기 위한 다양한 방법들이 이전에 제안되었으며, 예를 들면, 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 배터리의 등가 회로 모델에 피팅 (fitting) 함으로써 획득된 회로 정수 (circuit constant) 에 기초하여 열화 정도를 판정하는 방법이 알려져 있다.

등가 회로 모델로서, 도 9 에 도시한 바와 같이 RC 병렬 회로 블록들의 2 개의 스테이지들이 저항 R1 에 연결된 RC 2-스테이지 모델이 널리 사용되어 왔다. RC 병렬 회로 블록의 미지의 회로 정수들은 R 과 C 이며, 이들의 수는 하나의 스테이지당 2 이며, RC 2-스테이지 모델의 미지의 회로 정수들의 수는 그렇게 크지 않기 때문에 피팅을 용이하게 수행할 수 있다.

통상적으로 AC 임피던스 특성은 복합 임피던스 특성으로서 나이퀴스트 다이어그램 (Nyquist diagram) 에 의해 나타내진다. 도 10 에 도시한 바와 같이, RC 2-스테이지 모델이 등가 회로 모델로서 사용되면, 변형된 아크 형상의 복합 임피던스 특성을 가진 배터리에 대한 피팅 에러는 커지는 경향이 있다. 여기서, 도 10 에서, 파선은 실제로 측정된 복합 임피던스 특성을 나타내는 한편, 실선은 RC 2-스테이지 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초한 복합 임피던스 특성을 나타낸다.

실제 배터리는 좀처럼 완전한 반원 형상들에 의해 나타내진 복합 임피던스 특성을 갖지 않으며, 많은 경우들에서 도 10 의 파선으로 도시한 바와 같은 변형된 아크 형상의 복합 임피던스 특성을 갖는다. 이러한 이유로, RC 2-스테이지 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초한 열화 판정 결과가 항상 충분히 적합하다고 할 수 없다.

일본 미심사 특허 출원 공보 제 2004-241325 호

일반적으로, 피팅 에러는 RC 병렬 회로 블록들의 3 개 이상의 스테이지들이 연결된 등가 회로를 사용함으로써, 변형된 아크 형상의 복합 임피던스 특성에 대하여 감소될 수 있다. 그러나, 피팅될 미지의 회로 정수들의 수는 증가한다.

또한, 하나 이상의 R 과 정위상 엘리먼트 (Constant Phase Element; CPE) 병렬 회로 블록들을 사용하면 피팅 에러를 변형된 아크 형상의 AC 임피던스 특성에 대하여 감소시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 여기서, [식 1] 로 나타낸 바와 같이, CPE 는 임피던스

로 나타내진 비선형 엘리먼트이며, 여기서 CPE 인덱스로서의 P 및 CPE 정수로서의 T 가 회로 정수들로서 사용된다.

[식 1]

피팅 에러는, 예를 들어, 도 11 에 도시한 바와 같이 R 과 CPE 병렬 회로 블록들의 2 개의 스테이지들이 존재하는 등가 회로 모델을 사용함으로써 도 12 에 도시한 바와 같이 변형된 아크 형상의 복합 임피던스 특성에 대하여 감소될 수 있다. 또한, 파선은 실제로 측정된 복합 임피던스 특성을 나타내는 한편, 실선은 도 12 에서 R 과 CPE 병렬 회로 블록들의 2 개의 스테이지들이 연결된 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초한 복합 임피던스 특성을 나타낸다.

그러나, R 과 CPE 병렬 회로 블록에서 피팅될 미지의 회로 정수들은 R, P 및 T 이며, 이들의 수는 하나의 스테이지당 3 이며, 피팅될 미지의 회로 정수들의 수는 RC 2-스테이지 모델과 비교하여 2-스테이지 모델에서도 증가된다.

피팅될 미지의 회로 정수들의 수가 증가하면, 피팅은 복잡해지고, 일부의 경우들에서는, 복수의 획득된 솔루션들로 인해 배터리 열화 정도를 판정하는 것이 불가능해지거나 또는 어려워진다. 이러한 이유로, 등가 회로 모델의 미지의 회로 정수들의 수를 증가시키지 않고 피팅 에러를 감소시키는 기술이 요망되었다.

본 발명의 하나 이상의 예시적인 실시형태들은 배터리 열화 정도를 판정하기 위해 사용되는 등가 회로 모델의 미지의 회로 정수들의 수를 증가시키지 않고 피팅 에러를 감소시키는, 배터리 열화 판정 디바이스, 배터리 열화 판정 방법 및 배터리 열화 판정 시스템을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 배터리 열화 판정 디바이스는 :

AC 임피던스 측정 데이터를, 저항과 정위상 엘리먼트가 병렬 연결된 적어도 하나의 회로 블록을 포함하는 등가 회로 모델에 피팅하고, 그 등가 회로 모델의 회로 정수들을 획득하도록 구성된 피팅 모듈;

기준 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 정위상 엘리먼트의 인덱스인 P 값들을 보관하도록 구성된 P 값 보관 모듈; 및

배터리 열화 정도들과 등가 회로 모델의 회로 정수들 사이의 상관관계를 참조하여, P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 판정 대상 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초하여 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정을 수행하도록 구성된 열화 판정 모듈을 포함한다.

열화 판정 모듈은, 획득된 회로 정수들에 의한 피팅 에러가 기준값 이상인 경우 판정 대상 배터리의 사용이 적합하지 않다는 것을 판정하도록 구성될 수도 있다.

배터리 열화 판정 디바이스는 :

피팅 모듈에 의한 피팅 이전에 회로 정수들의 초기값들을 설정하도록 구성된 피팅 초기값 설정 모듈을 더 포함할 수도 있으며,

피팅 초기값 설정 모듈은, AC 임피던스 측정 데이터가 나이퀴스트 다이어그램으로서 표현되는 경우, Zim=0 인 제로 크로싱 포인트 (zero crossing point) 및 dZim/dZre 의 주파수 특성 다이어그램의 변곡점 및 제로를 이용한 타원형 근사 (elliptical approximation) 를 이용하여 초기값들을 설정하도록 구성된다.

본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 배터리 열화 판정 방법은 :

기준 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를, 저항과 정위상 엘리먼트가 병렬 연결된 적어도 하나의 회로 블록을 포함하는 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 정위상 엘리먼트의 인덱스인 P 값들을 보관하는 단계; 및

배터리 열화 정도들과 등가 회로 모델의 회로 정수들 사이의 상관관계를 저장한 데이터베이스를 참조하여, P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 판정 대상 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초하여 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정을 수행하는 단계를 포함한다.

배터리 열화 판정 방법은 :

복수의 알려진 열화 정도들과, P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 열화 정도가 알려진 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들 사이의 상관관계를 기록함으로써 데이터베이스를 작성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 예시적인 실시형태들에 따르면, 배터리 열화 정도를 판정하기 위해 사용되는 등가 회로 모델의 미지의 회로 정수들의 수를 증가시키지 않고 피팅 에러를 감소시키는, 배터리 열화 판정 디바이스, 배터리 열화 판정 방법 및 배터리 열화 판정 시스템을 제공하는 것이 가능하다.

본 발명의 상기 및 다른 양태들은 첨부 도면들과 함께 설명된 다음의 예시적인 실시형태들에 대한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1 은 일 실시형태에 따른 배터리 열화 판정 시스템의 구성을 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2 는 배터리 열화 판정 디바이스의 배터리 열화 판정 동작의 개요를 도시한 플로우차트이다.
도 3 은 배터리 열화 정도를 판정하기 위해 사용되는 등가 회로 모델의 P 값들을 설정하기 위한 프로세싱의 세부적인 절차를 도시한 플로우차트이다.
도 4 는 기준 배터리의 AC 임피던스의 측정 결과로서 획득된 나이퀴스트 다이어그램을 도시한 다이어그램이다.
도 5 는 P2 초기값과 P3 초기값의 설정을 도시한 다이어그램이다.
도 6 은 등가 회로 모델의 회로 정수들과 열화 정도 사이의 상관 데이터를 작성하기 위한 프로세싱의 세부적인 절차를 도시한 플로우차트이다.
도 7 은 회로 정수와 출력 열화량 사이의 상관관계의 예를 도시한 다이어그램이다.
도 8 은 판정 대상 배터리의 열화 정도를 판정하기 위한 프로세싱의 세부적인 절차를 도시한 플로우차트이다.
도 9 는 RC 2-스테이지 모델의 예를 도시한 다이어그램이다.
도 10 은 측정값들과, RC 2-스테이지 모델의 피팅 결과를 도시한 다이어그램이다.
도 11 은 R 과 CPE 병렬 회로 블록들의 2 개의 스테이지들이 존재하는 등가 회로 모델을 도시한 다이어그램이다.
도 12 는 측정값들과, R 과 CPE 병렬 회로 블록들의 2 개의 스테이지들이 존재하는 등가 회로 모델의 피팅 결과를 도시한 다이어그램이다.
도 13 은 상기 실시형태에 따른 배터리 열화 판정 디바이스의 하드웨어 구성을 도시한 개략적인 다이어그램이다.

도면들을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해 설명할 것이다. 도 1 은 일 실시형태에 따른 배터리 열화 판정 시스템의 구성 (configuration) 을 도시한 블록 다이어그램이다. 도면에 도시한 바와 같이, 배터리 열화 판정 시스템 (10) 은 배터리 열화 판정 디바이스 (100), 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 및 AC 임피던스 측정 디바이스 (300) 를 포함한다. 배터리 열화 판정 시스템 (10) 은 상기 컴포넌트들을 포함하는 단일 디바이스로서, 또는 각각 독립적인 디바이스들의 세트로서 구성될 수도 있다. 열화 판정 대상 배터리는 리튬 이온 배터리와 같은 2차 배터리인 것이 바람직하지만, 본 발명은 연료 전지와 같은 다른 배터리들의 열화 판정에 적용될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 배터리에 대한 충전 상태 (State Of Charge; SOC) 판정에 적용될 수 있다.

본 실시형태에 따르면, 각각에서 저항 R 과 정위상 엘리먼트 (Constant Phase Element; CPE) 가 병렬 연결된 하나 이상의 회로 블록들을 포함하는 등가 회로 모델이 피팅을 위해 사용된다. 그렇게 해서, 피팅 에러는 변형된 아크 형상의 복합 임피던스 특성에 대하여 감소된다.

구체적으로, 도 11 에 도시한 바와 같이, 저항 R1, 저항 R2 와 CPE2 가 병렬 상태인 회로 블록, 저항 R3 과 CPE3 이 병렬 상태인 회로 블록, CPE4, 및 저항 R5 와 코일 L5 가 병렬 상태인 회로 블록이 서로 연결된 등가 회로 모델이 사용된다. 그러나, 본 발명은 이런 등가 회로 모델에 제한되지 않으며, 저항 R 과 CPE 가 병렬 상태인 하나 이상의 회로 블록들이 포함되는 한은 임의의 등가 회로 모델이 적용가능하다.

AC 임피던스 측정 디바이스 (300) 는 측정 대상 배터리 (400) 의 AC 임피던스를 측정하고, 측정 결과를 기록하고 있으며, AC 임피던스 측정 모듈 (310), AC 임피던스 측정 조건 설정 모듈 (320) 및 측정 데이터 저장 모듈 (330) 을 포함하는 장치이다. AC 임피던스 측정 모듈 (310) 은 AC 전압 또는 AC 전류를 배터리 (400) 에 인가하고 사용자로부터 AC 임피던스 측정 조건 설정 모듈 (320) 에 의해 수신된 측정 조건에 기초하여 전류 또는 전압을 측정함으로써 AC 임피던스를 산출한다. 측정은 복수의 주파수들에 대해 수행되고, 그 측정 결과는, 예를 들면, 메모리 영역으로서의 측정 데이터 저장 모듈 (330) 에, 나이퀴스트 다이어그램 데이터로서 저장된다.

그러나, AC 임피던스를 측정하는 방법은 위에서 언급한 예에 제한되지 않으며, 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 복수의 주파수 신호들이 중첩된 전압 파형 또는 전류 파형이 전류 파형 또는 전압 파형을 측정하기 위해 적용될 수도 있으며, 전압 파형 또는 전류 파형은 각각의 주파수 컴포넌트에 대한 비율 (ratio) 을 획득하기 위해 각각 이산 푸리에 변환 (DFT) 될 수도 있다. 또한, 별도로 획득된 나이퀴스트 다이어그램 데이터는 AC 임피던스를 측정하지 않고 측정 데이터 저장 모듈 (330) 에 저장될 수도 있다.

회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 는 등가 회로 파라미터들로서의 회로 정수들과 배터리 열화 (용량 열화, 출력 열화 등) 정도 사이의 상관관계를 기록하는 데이터베이스이다. 열화 판정 대상 배터리의 AC 임피던스를 측정하고, 이렇게 획득된 복합 임피던스 특성을 등가 회로 모델에 피팅하여 회로 정수들을 획득하며, 이렇게 획득된 회로 정수들에 기초하여 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 를 참조함으로써 배터리 열화 정도를 판정하는 것이 가능하다.

배터리 열화 판정 디바이스 (100) 는 컴퓨터 프로그램들에 기초하여 작동하는 PC 와 같은 정보 프로세싱 장치를 사용하여 구성될 수 있다. 배터리 열화 판정 디바이스 (100) 는 컨트롤러 (110), 입력 및 출력 모듈 (120), 피팅 초기값 설정 모듈 (130), 피팅 모듈 (140), P 값 보관 모듈 (150) 및 열화 판정 모듈 (160) 을 포함한다.

컨트롤러 (110) 는 배터리 열화 판정 디바이스 (100) 의 각각의 기능적 모듈로 하여금 후술될 절차를 통해 작동하도록 함으로써 배터리 열화 판정 프로세싱을 제어한다. 입력 및 출력 모듈 (120) 은 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 로의 데이터 입력 및 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 로부터의 데이터 출력과, AC 임피던스 측정 디바이스 (300) 의 측정 데이터 저장 모듈 (330) 로부터의 데이터 판독을 제어한다. 입력 및 출력 모듈 (120) 은 또한 사용자에 의해 수행된 조작 및 설정을 수신하며, 배터리 열화 판정 결과를 도면들에는 도시되지 않은 디스플레이 디바이스 등에 출력한다.

피팅 초기값 설정 모듈 (130) 은 측정 데이터 저장 모듈 (330) 로부터 획득된 나이퀴스트 다이어그램 데이터로부터 소정의 알고리즘에 기초하여 등가 회로 모델의 회로 정수들의 초기값들을 설정한다.

피팅 모듈 (140) 은 피팅 초기값 설정 모듈 (130) 에 의해 설정된 초기값들을 이용하여 등가 회로 모델의 회로 정수들의 피팅을 수행한다. 피팅 알고리즘으로서, 다양한 알려진 알고리즘들이 채용될 수 있다.

P 값 보관 모듈 (150) 은 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정 프로세싱 이전에 소정의 조건 하에서 미리 획득된 P 값들을 보관하는 메모리 영역이다.

열화 판정 모듈 (160) 은, 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 를 참조하여, 열화 측정 대상 배터리의 복합 임피던스 특성을 등가 회로에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들로부터 배터리 열화 정도를 판정한다. 열화 정도는 용량 열화량, 출력 열화량 등을 이용한 다양한 방식들에 의해 표현될 수 있다.

다음에, 본 실시형태에 따른 배터리 열화 판정 디바이스 (100) 의 배터리 열화 판정 동작에 대해 설명할 것이다. 도 2 는 배터리 열화 판정 동작의 개요를 도시한 플로우차트이다.

본 실시형태에 따르면, 배터리 열화 정도를 판정하기 위한 등가 회로 모델의 P 값들이 먼저 설정된다 (S10). 즉, 등가 회로 모델의 P 값들은 실제 배터리 열화 판정 이전에 설정되고, 설정된 P 값들은 등가 회로 모델의 피팅을 수행하기 위한 고정된 값들로서 사용된다. 그렇게 해서, CPE 정수 T 는 CPE 에서 유일한 미지의 회로 정수이며, 따라서 R 과 CPE 병렬 회로 블록들을 포함하는 등가 회로 모델에서도 미지의 회로 정수들의 수를 CR 병렬 회로 블록들에서와 동일한 수까지 감소시키는 것이 가능하다. 따라서, 미지의 회로 정수들의 수를 증가시키지 않고 피팅 에러를 감소시키는 것이 가능하다.

여기서, P 값들은 배터리의 특성이 크게 손상되지 않는 정도까지의 열화 정도, SOC, 온도 등에 상관없이 동일한 유형의 배터리에서의 정수값들로 간주될 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었기 때문에, 열화 판정 대상 배터리의 피팅을 수행하기 위해 사전-설정된 P 값들이 사용된다.

다음에, 열화 정도가 알려진 배터리의 회로 정수들은 설정된 P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 피팅함으로써 획득되며, 등가 회로 모델의 회로 정수들과 열화 정도 사이의 상관 데이터가 작성된다 (S20). 상이한 열화 정도들에 대한 상관 데이터가 작성되고, 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 에 기록된다.

그 후, 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정은 설정된 P 값들 및 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 에 기록된 상관 데이터에 기초하여 반복적으로 수행될 수 있다 (S30).

이러한 프로세싱의 세부적인 절차에 대해 설명할 것이다. 먼저, 도 3 의 플로우차트를 참조하여, 배터리의 열화 정도를 판정하기 위해 사용되는 등가 회로 모델의 P 값들을 설정하기 위한 프로세싱 (S10) 의 세부적인 절차에 대해 설명할 것이다.

이러한 프로세싱에서, P 값들을 설정하기 위한 기준 배터리가 준비되고, 복수의 솔루션들 또는 디버전트 (divergence) 솔루션을 유발하지 않고 P 값들이 특정될 수 있는 복합 임피던스의 획득을 허용하는 배터리 상태로 컨디셔닝된다 (S101). 복수의 솔루션들 또는 디버전트 솔루션을 유발하지 않고 P 값들이 특정될 수 있는 복합 임피던스 특성은, 예를 들면, 저 주파수 영역의 방향으로 넓어지는 선의 형상을 가지며, 일반적으로 소정의 열화 상태, 저온 및 낮은 SOC (충전 상태) 와 같은 조건 하에서 넓어지는 선의 형상을 가진 특성이다. 전술한 바와 같이 이러한 조건이 변화하는 경우에도 P 값들은 정수인 것으로 간주될 수 있기 때문에, 용이한 피팅을 허용하는 배터리 상태는 임의로 설정될 수 있다. 반대로, 피팅은 일부 경우들에서는 근접 아크들을 가진 복합 임피던스 특성에 대해 디버전트이며, 따라서 이러한 복합 임피던스 특성에 의해 수반된 배터리 상태는 회피된다.

그런 다음, AC 임피던스 측정 디바이스 (300) 를 이용하여 기준 배터리의 AC 임피던스를 측정한다 (S102). 획득된 측정 데이터는 측정 데이터 저장 모듈 (330) 에 나이퀴스트 다이어그램으로서 저장된다.

다음에, 피팅을 위한 초기값이 피팅 초기값 설정 모듈 (130) 을 이용하여 기준 배터리의 획득된 나이퀴스트 다이어그램에 대해 설정된다 (S103). 초기값은, 예를 들면, 아래의 알고리즘에 기초하여 설정될 수 있다. 또한, 도 4 에 도시한 나이퀴스트 다이어그램은 기준 배터리의 AC 임피던스의 측정 결과로서 획득되었다고 가정한다.

R1 초기값에 관하여, 나이퀴스트 다이어그램의 제로 크로싱 포인트에서의 Zre 인 Zre0 이 획득되며, Zre0 은 R1 초기값으로 간주된다.

P2 초기값 및 P3 초기값에 관하여, 도 5 에 도시한 바와 같은 dZim(f)/DZre(f) 의 주파수 특성이 획득되며, dZim(f)/DZre(f) 가 제로가 되는 포인트 또는 변곡점이 보다 고주파수로부터 순서대로 검색되며, 제 1 주파수 및 제 2 주파수는 각각 f1 및 f2 로 간주된다. 그러나, 변곡점이 먼저 나타나면, 변곡점에서의 주파수가 사용되며, 제로는 일단 무시된다.

그런 다음, [식 2] 에 의해 나타낸 바와 같이 P2 초기값은 dZim(f1) 과 DZre(f1)-Zre0 사이의 비율로부터 획득된다.

[식 2]

다음에, Zre 가 Zre(f2)-Zim(f2)×3/4, Zre(f2)-Zim(f2)/4, Zre(f2)+Zim(f2)/4 및 Zre(f2)+Zim(f2)×3/4 가 되는 포인트들에서의 Zim 이 획득된다. 데이터 포인트가 없는 경우, 선형 보간이 수행될 수도 있다.

획득된 4 개의 데이터 포인트들에 기초하여, Zre 방향과 평행한 장축을 가진 타원이 알려진 방법에 의해 근사된다. 그런 다음, [식 3] 으로부터 P3 초기값이 획득되며, 여기서, b 는 획득된 타원의 장축의 길이를 나타내고, a 는 획득된 타원의 단축을 나타낸다.

[식 3]

또한, R2 초기값은 R2=(Zre(f1)-Zre0)×2 로서 획득되고, T2 초기값은 T2=1/[(2πf1)^P2×R2] 로서 획득되고, R3 초기값은 R3=b 로서 획득되며, T3 초기값은 T3=1/[(2πf2)^P3×R3] 으로서 획득된다. 각각의 회로 정수의 초기값을 설정하기 위해 다른 알고리즘이 사용될 수 있다는 것은 당연하다.

도 3 의 설명으로 돌아가서, 초기값들이 설정되면, 피팅 모듈 (140) 은 설정된 초기값들을 이용하여 등가 회로 모델의 피팅을 수행한다 (S104). 저주파수 영역의 방향으로 넓어지는 형상을 가진 나이퀴스트 다이어그램을 획득하도록 기준 배터리가 컨디셔닝되었기 때문에, 알려진 알고리즘을 이용하여 피팅을 수행함으로써 각각의 회로 정수를 용이하게 획득하는 것이 가능하다.

그런 다음, 피팅에 의해 획득된 회로 정수들 중에서 P 값들 (P2, P3) 은 P 값 보관 모듈 (150) 에 저장되고 (S105), 배터리 열화 정도를 판정하기 위한 등가 회로 모델의 P 값들을 설정하기 위한 프로세싱 (S10) 은 완료된다.

다음에, 도 6 의 플로우차트를 참조하여, 등가 회로 모델의 회로 정수들과 열화 정도 사이의 상관 데이터를 작성하기 위한 프로세싱 (S20) 의 세부적인 절차에 대해 설명할 것이다.

먼저, 용량 열화 및 출력 열화와 같은 열화 정도가 알려진 배터리가 선택된다 (S201). 그런 다음, 선택된 배터리는 열화 정도를 판정하기 위한 임피던스 측정 조건을 충족하도록 컨디셔닝되고 (S202), AC 임피던스 측정 디바이스 (300) 를 이용하여 AC 임피던스가 측정된다 (S203). 소정의 온도, 소정의 SOC 등이 열화 정도를 판정하기 위한 임피던스 측정 조건으로서 설정될 수 있다. 획득된 측정 데이터는 나이퀴스트 다이어그램으로서 측정 데이터 저장 모듈 (330) 에 저장된다.

다음에, 피팅을 위한 초기값들이 피팅 초기값 설정 모듈 (130) 을 이용하여 알려진 열화 정도를 가진 배터리의 획득된 나이퀴스트 다이어그램에 대해 설정된다 (S204). 초기값들은 전술한 프로세싱 (S103) 에서 이용한 것과 동일한 알고리즘에 기초하여 설정될 수 있다. 그러나, P 값들은 고정된 값들이기 때문에 P 초기값들을 산출할 필요는 없다.

그런 다음, 피팅 모듈 (140) 은 P 값 보관 모듈 (150) 에 저장된 P 값들을 고정된 회로 정수들로서 이용하고, 설정된 초기값들을 이용하여 등가 회로 모델의 피팅을 수행한다 (S205). P 값들은 고정된 회로 정수들이기 때문에, 미지의 회로 정수들의 수는 RC 2-스테이지 모델에서와 동일하다. 따라서, 알려진 알고리즘을 이용하여 피팅을 수행함으로써 각각의 회로 정수를 용이하게 획득하는 것이 가능하다.

획득된 회로 정수들은 알려진 배터리 열화 정도와 관련되고, 상관 데이터로서 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 에 등록된다 (S206).

상기 프로세싱은 상이한 열화 정도들을 가진 배터리들에 대해 반복적으로 수행되며 (S207: 아니오), 등록된 상관 데이터 항목들의 수가 충족되면 (S207: 예), 등가 회로 모델의 회로 정수들과 열화 정도들 사이의 상관 데이터를 작성하기 위한 프로세싱 (S20) 은 완료된다. 도 7 은 회로 정수 R3 과 출력 열화량 사이의 상관관계의 예를 도시한 다이어그램이다. 도면에 도시한 바와 같이, 등가 회로 모델의 R 은, 충방전 사이클이 반복될수록 커진다는 것이 알려져 있다.

다음에, 도 8 의 플로우차트를 참조하여, 판정 대상 배터리의 열화 정도를 판정하기 위한 프로세싱 (S30) 의 세부적인 절차에 대해 설명할 것이다.

먼저, 열화 판정 대상 배터리는 열화 정도를 판정하기 위한 임피던스 측정 조건을 충족하도록 컨디셔닝된다 (S301). 구체적으로, 온도, SOC 등은 등가 회로 모델의 회로 정수들과 열화 정도들 사이의 상관 데이터를 작성하기 위한 프로세싱 (S20) 에서와 동일한 레벨들로 컨디셔닝된다.

그런 다음, 판정 대상 배터리의 AC 임피던스가 AC 임피던스 측정 디바이스 (300) 를 이용하여 측정된다 (S302). 획득된 측정 데이터는 측정 데이터 저장 모듈 (330) 에 나이퀴스트 다이어그램으로서 저장된다.

다음에, 피팅을 위한 초기값들이 피팅 초기값 설정 모듈 (130) 을 이용하여 판정 대상 배터리의 획득된 나이퀴스트 다이어그램에 대해 설정된다 (S303). 초기값들은 전술한 프로세싱 (S103) 에서 이용한 것과 동일한 알고리즘에 기초하여 설정될 수 있다. 그러나, P 값들은 고정된 값들이기 때문에 P 초기값들을 산출할 필요는 없다.

그런 다음, 피팅 모듈 (140) 은 P 값 보관 모듈 (150) 에 보관된 P 값들을 고정된 회로 정수들로서 이용하고, 설정된 초기값들을 이용하여 등가 회로 모델의 피팅을 수행한다 (S304). P 값들은 고정된 회로 정수들이기 때문에, 미지의 회로 정수들의 수는 RC 2-스테이지 모델에서와 동일하다. 따라서, 알려진 알고리즘을 이용하여 피팅을 수행함으로써 각각의 회로 정수를 용이하게 획득하는 것이 가능하다.

그런 다음, 열화 판정 모듈 (160) 은 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스 (200) 를 참조하여 획득된 회로 정수들에 기초하여 판정 대상 배터리의 열화 정도를 판정한다 (S305). 판정 결과는 도면들에 도시되지 않은 디스플레이 디바이스, 인쇄 디바이스 등에 출력되며 (S306), 판정 대상 배터리의 열화 정도를 판정하기 위한 프로세싱 (S30) 은 완료된다.

본 실시형태에서 피팅 에러가 감소될 수 있지만, P 값들을 포함한 특성은 변동하며, 배터리가 열화 후 쓸모없는 상태에 있을 때 피팅 에러는 더 커진다.

이러한 이유로, 열화 판정 모듈 (160) 은 피팅 결과로서 획득된 회로 정수들을 이용하여 산출된 복합 임피던스 특성과 측정 결과로서 획득된 복합 임피던스 특성 사이의 제곱 오차 (square error) 를 획득할 수도 있으며, 제곱 오차가 사전 설정된 기준값 이상이 되는 경우 배터리의 사용이 적합하지 않다는 것을 나타내는 판정 결과를 입력 및 출력 모듈 (120) 을 통하여 출력할 수도 있다.

이하에서, 본 실시형태에 따른 배터리 임피던스 측정 디바이스가 하드웨어 컴포넌트들과 관련하여 설명될 것이다.

도 13 은 본 실시형태에 따른 배터리 열화 판정 디바이스 (100) 의 하드웨어 구성을 도시한 개략적인 다이어그램이다. 도 13 에 도시한 바와 같이, 배터리 열화 판정 디바이스 (100) 는 CPU (1), 판독기 (reader) (2), 메모리 (3), 저장 디바이스 (4), 통신 유닛 (5) 및 사용자 인터페이스 (6) 를 포함한다. CPU (1) (예를 들면, 프로세서) 는 도 1 에 도시된 컨트롤러 (110), 입력 및 출력 모듈 (120), 피팅 초기값 설정 모듈 (130), 피팅 모듈 (140), P 값 보관 모듈 (150) 및 열화 판정 모듈 (160) 의 역할을 할 수도 있다.

메모리 (3) 는 ROM, RAM 또는 플래쉬 (flash) 메모리와 같은 임의의 유형의 메모리일 수도 있다. 메모리 (3) 는 CPU (1) 가 프로그램을 실행하는 경우에 CPU (1) 의 작업 메모리의 역할을 할 수도 있다. 저장 디바이스 (4) 는 CPU (1) 에 의해 실행될 프로그램들 및/또는 각각의 컴포넌트들에 의해 생성된 데이터 (예를 들면, P 값들) 를 저장하도록 구성된다. 저장 디바이스 (4) 는 하드 디스크 드라이브 (HDD) 또는 솔리드 스테이트 드라이브 (solid state drive) (SSD) 와 같은 임의의 유형의 저장 디바이스일 수도 있다. CPU (1) 로 하여금 배터리 열화 판정 디바이스 (100) 에 의해 수행된 각각의 동작을 실행하도록 하는 명령들을 포함한 프로그램이 저장 디바이스 (4) 또는 블루-레이 디스크 (Blu-ray Disc) (상표), DVD, CD, 플로피 디스크, 플래쉬 메모리 또는 광자기 (MO) 디스크와 같은 컴퓨터 판독가능 매체에 저장될 수도 있다. 판독기 (2) 는 상기 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 프로그램을 메모리 (3) 로 판독하도록 구성된다. 프로그램은 또한 통신 유닛 (5) 을 통하여 네트워크 (예를 들면, 인터넷) 상에서 다른 디바이스 (예를 들면, 서버) 로부터 다운로드될 수도 있다. 도 13 에 도시된 이러한 구성을 이용하여, CPU (1) 는, 판독기 (2) 로부터 판독되거나 또는 통신 유닛 (5) 을 통하여 다운로드된 프로그램에 따라 배터리 열화 판정 디바이스 (100) 에 의해 수행된 각각의 동작을 구현하도록 구성된다.

본 실시형태에 따라 열화 정도를 판정함에 있어서, 전술한 바와 같이 각각에서 저항 R 과 CPE 가 병렬 상태인 회로 블록들을 포함하는 등가 회로 모델을 사용하여 피팅이 수행되며, 피팅 에러를 감소시키는 것이 가능하다. 따라서, 판정 결과의 적합성 (appropriateness) 이 향상될 수 있다. 더욱이, P 값들은 CPE 의 회로 정수들 중에서 고정된 값이며, 따라서 피팅될 미지의 회로 정수들의 수는 RC 모델에서와 동일하며, 이는 피팅을 용이하게 한다.

10 : 배터리 열화 판정 시스템
100 : 배터리 열화 판정 디바이스
110 : 컨트롤러
120 : 입력 및 출력 모듈
130 : 피팅 초기값 설정 모듈
140 : 피팅 모듈
150 : P 값 보관 모듈
160 : 열화 판정 모듈
200 : 회로 정수-열화 정도 상관 데이터베이스
300 : AC 임피던스 측정 디바이스
310 : AC 임피던스 측정 모듈
320 : AC 임피던스 측정 조건 설정 모듈
330 :측정 데이터 저장 모듈
400 : 배터리

Claims

배터리 열화 판정 디바이스로서,
AC 임피던스 측정 데이터를, 저항과 정위상 엘리먼트 (constant phase element) 가 병렬 연결된 적어도 하나의 회로 블록을 포함하는 등가 회로 모델에 피팅 (fitting) 하고, 상기 등가 회로 모델의 회로 정수들 (circuit constants) 을 획득하도록 구성된 피팅 모듈;
기준 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 상기 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 상기 정위상 엘리먼트의 인덱스인 P 값들을 보관하도록 구성된 P 값 보관 모듈; 및
배터리 열화 정도들과 상기 등가 회로 모델의 상기 회로 정수들 사이의 상관관계를 참조하여, 상기 P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 판정 대상 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 상기 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초하여 상기 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정을 수행하도록 구성된 열화 판정 모듈을 포함하는, 배터리 열화 판정 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 열화 판정 모듈은, 상기 획득된 회로 정수들에 의한 피팅 에러가 기준값 이상인 경우 상기 판정 대상 배터리의 사용이 적합하지 않다는 것을 판정하도록 구성되는, 배터리 열화 판정 디바이스.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 피팅 모듈에 의한 피팅 이전에 상기 회로 정수들의 초기값들을 설정하도록 구성된 피팅 초기값 설정 모듈을 더 포함하며,
상기 피팅 초기값 설정 모듈은, AC 임피던스 측정 데이터가 나이퀴스트 다이어그램 (Nyquist diagram) 으로서 표현되는 경우, Zim=0 인 제로 크로싱 포인트 (zero crossing point) 및 dZim/dZre 의 주파수 특성 다이어그램의 변곡점 및 제로를 이용한 타원형 근사 (elliptical approximation) 를 이용하여 상기 초기값들을 설정하도록 구성되는, 배터리 열화 판정 디바이스.
배터리 열화 판정 방법으로서,
기준 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를, 저항과 정위상 엘리먼트 (constant phase element) 가 병렬 연결된 적어도 하나의 회로 블록을 포함하는 등가 회로 모델에 피팅 (fitting) 함으로써 획득된 상기 정위상 엘리먼트의 인덱스인 P 값들을 보관하는 단계; 및
배터리 열화 정도들과 상기 등가 회로 모델의 회로 정수들 (circuit constants) 사이의 상관관계를 저장한 데이터베이스를 참조하여, 상기 P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 판정 대상 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 상기 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초하여 상기 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정을 수행하는 단계를 포함하는, 배터리 열화 판정 방법.
제 4 항에 있어서,
복수의 알려진 열화 정도들과, 상기 P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 열화 정도가 알려진 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 상기 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들 사이의 상관관계를 기록함으로써 상기 데이터베이스를 작성하는 단계를 더 포함하는, 배터리 열화 판정 방법.
배터리 열화 판정 시스템으로서,
배터리의 AC 임피던스를 측정하도록 구성된 AC 임피던스 측정 디바이스;
상기 AC 임피던스 측정 디바이스로부터 획득된 AC 임피던스 측정 데이터를, 저항과 정위상 엘리먼트 (constant phase element) 가 병렬 연결된 적어도 하나의 회로 블록을 포함하는 등가 회로 모델에 피팅 (fitting) 하고, 상기 등가 회로 모델의 회로 정수들 (circuit constants) 을 획득하도록 구성된 피팅 모듈을 포함하는 배터리 열화 판정 디바이스; 및
배터리 열화 정도들과 상기 등가 회로 모델의 상기 회로 정수들 사이의 상관관계를 저장하도록 구성된 데이터베이스를 포함하며,
상기 배터리 열화 판정 디바이스는,
상기 AC 임피던스 측정 디바이스로부터 획득된 기준 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 상기 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 상기 정위상 엘리먼트의 인덱스인 P 값들을 보관하도록 구성된 P 값 보관 모듈; 및
상기 데이터베이스를 참조하여, 상기 P 값들을 고정된 값들로서 사용하여 상기 AC 임피던스 측정 디바이스로부터 획득된 판정 대상 배터리의 AC 임피던스 측정 데이터를 상기 등가 회로 모델에 피팅함으로써 획득된 회로 정수들에 기초하여 상기 판정 대상 배터리에 대한 열화 판정을 수행하도록 구성된 열화 판정 모듈을 포함하는, 배터리 열화 판정 시스템.