KR101531638B1 - 배터리 내부저항 측정 방법 - Google Patents

배터리 내부저항 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리에 전류를 인가하여 배터리의 내부저항을 측정하는 직류 내부저항 측정법을 이용하는 배터리 내부저항 측정 방법에 있어서, 배터리에 충방전 전류를 인가하는 전류 패턴을 배터리 등가 임피던스 모델의 등가 파라메타에 따라 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 내부저항 측정 방법{METHOD FOR MEASURING INTERNAL RESISTANCE OF BATTERY}
본 발명은 배터리 내부저항 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배터리에 대한 등가 임피던스 모델의 등가 파라메타에 따라 충방전 전류를 인가하는 시간을 조절하여 배터리의 내부저항을 측정하는 배터리 내부저항 측정 방법에 관한 것이다.
현재 자동차업계에서는 가솔린이나 중유를 주연료로 사용하여 이의 연소에 의한 폭발력으로 동력을 얻도록 된 차량 대신에 공해 발생이 적은 차량을 개발하기 위하여 연구가 진행되고 있는데, 이러한 연구의 하나로써 전력에 의해 움직이는 전기자동차의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
전기 자동차는 구동 연료로서 일반적으로 2차 전지인 리튬-이온 전지를 사용하고 있으며, 전지에서 출력되는 전원으로 동력 발생 장치를 구동시키고, 이를 동력 전달 장치를 통해 구동휠로 전달하여 구동휠을 회전시킴으로써 자동차를 구동시키게 된다.
이러한 전기 자동차의 배터리 성능은 배터리의 내부저항과 밀접한 관계가 있다. 이에 따라 배터리의 내부저항을 측정하기 위한 다양한 방법이 제시되었으며, 이들 방법 중 널리 사용되는 직류 내부저항 측정법(Direct Current-internal Resistance;DC-IR)은 배터리의 내부저항을 정확하게 측정하는데에는 한계가 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허공개번호 10-2004-0003336호(2004.01.31.)의 '임피던스 스펙트럼으로부터 모사된 등가회로 모델의 특정저항 인자 연산을 이용한 2차 전지의 용량 선별 방법'에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리에 대한 등가 임피던스 모델의 등가 파라메타에 따라 충방전 전류를 인가하는 시간을 조절하여 배터리의 내부저항을 측정하는 배터리 내부저항 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 내부저항 측정 방법은 배터리에 전류를 인가하여 배터리의 내부저항을 측정하는 직류 내부저항 측정법을 이용하는 배터리 내부저항 측정 방법에 있어서, 상기 배터리에 충방전 전류를 인가하는 전류 패턴을 배터리 등가 임피던스 모델의 등가 파라메타에 따라 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전류 패턴은 상기 배터리에 충방전 전류를 인가하는 시간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 등가 파라메타는 상기 배터리의 등가 임피던스 모델의 RC 시상수인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 충방전 전류를 인가하는 시간은 상기 RC 시상수의 설정 배수 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전류 패턴은 상기 배터리에 인가되는 충방전 전류의 휴지 기간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 배터리에 대한 등가 임피던스 모델의 RC 시상수에 따라 충방전 전류를 인가하는 시간을 조절하여 배터리의 내부저항을 정확하게 측정한다.
본 발명은 복잡한 계산 과정을 수행하거나 별도의 장비를 구비할 필요없이 손쉽게 배터리의 내부저항을 측정할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리에 대한 등가 임피던스 모델의 회로도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전류의 전류 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부저항 측정 장치의 블럭 구성도이다.
도 4 는 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 얻은 각 등가 파라메타의 참조값이 타당한지를 시뮬레이션한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부저항 측정 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리에 대한 등가 임피던스 모델의 회로도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 충방전 전류의 전류 패턴을 나타낸 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부저항 측정 장치의 블럭 구성도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리에 대한 등가 임피던스 모델은 배터리 전압원(VOCV), 직렬 저항(RS) 및 2개의 RC 병렬 회로를 포함하는 R-RC-RC 등가 모델이다.
이들 RC 병렬 회로 중 하나는 전하이동저항(Rct;Charge Transfer Resistance)과 이중층 전기용량(Cdl;Double Layer Capacitance)이 병렬되고, 다른 하나는 저항(Rd)과 커패시터(Cd)가 병렬 연결된다.
등가 임피던스 모델에 대한 내부저항 측정 방법으로는 직류 내부저항 측정법(Direct Current-internal Resistance;DC-IR)과 교류 내부저항(AC-IR;Alternative Current-internal Resistance) 측정법이 제시되었는데, 본 실시예에서는 직류 내부저항 측정법을 예시로 설명한다.
직류 내부저항 측정법은 충방전 전류 및 휴지 기간을 갖는 전류 프로파일을 배터리에 인가하고, 이후 C-rate별 충방전 전류 패턴에 대한 종지 전압을 I-V 그래프로 정리하여 커브피팅(curve fitting)하며, 이때 추출한 추세선의 기울기로부터 배터리의 내부저항을 측정하는 방식이다.
등가 임피던스 모델을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 내부저항 측정법은 배터리에 인가하는 충방전 전류를 RC 시상수 보다 긴 시간 동안 인가하여 배터리 저항성분에만 기인한 단자 전압을 측정할 수 있도록 함으로써, 이를 토대로 배터리의 내부저항을 측정한다.
즉, 도 2 에 도시된 바와 같이 충전전류와 방전전류를 등가 파라메타에 근거하여 RC 시정수의 설정 배수 이상의 시간 동안 인가한다.
도 2 에서, 직류 내부저항 측정법에 따라, 1C, 3C, 5C 및 7C의 충전 전류(Charging)와 방전 전류(Discharging)를 RC 시정수의 설정 배수 이상의 시간 동안 인가하고, 그 휴지 기간을 설정 배수 이상으로 유지한다.
여기서, 설정 배수는 3배가 채용될 수 있는데, 이는 등가 임피던스 모델의 등가 파라메타, 즉 Rd와 Cd에 의한 RC 시상수에 따라 결정될 수 있다.
따라서, RC 시정수가 50s일 경우, 충전 전류와 방전 전류를 150s 이상 동안 인가하고, 이때 휴지기간을 150s 이상으로 유지한다.
이와 같이, RC 시상수의 3배 이상의 시간 동안 충방전 전류를 인가하는 이유는 출력전압이 정상상태의 10% 이내로 수렴될 수 있어 배터리 내부저항에 근접한 값을 추정해 낼 수 있기 때문이다.
이는 상기한 RC 시상수에 비해 긴 시간 동안 전류를 인가하면 배터리의 저항성분에만 기인한 단자전압을 측정할 수 있기 때문이다.
참고로, Rct와 Cdl에 의한 RC 시상수는 Rd와 Cd에 의한 RC 시상수에 비해 매우 짧기 때문에 상대적으로 무시 가능하다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부저항 측정 장치의 블럭 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부저항 측정 장치는 배터리 접속단자(10), 전류 인가부(20), A/D 변환부(30) 및 연산부(40)를 포함한다.
배터리 접속단자(10)는 배터리의 각 단자에 접속되어 배터리에 충전 전류와 방전 전류가 인가되도록 한다.
전류 인가부(20)는 배터리에 1C와 3C, 5C 및 7C의 충전전류와 방전전류를 RC 시정수의 설정 배수 이상의 시간 동안 인가하고, 이때 충전전류와 방전전류간에는 RC 시정수의 설정 배수 이상의 휴지 기간을 둔다.
A/D 변환부(30)는 배터리의 각 단자에 인가되는 충전 전류와 방전전류 및 출력전압을 아날로그 디지털 변환한다.
연산부(40)는 A/D 변환부(30)로부터 출력된 충전 전류와 방전전류 및 출력전압을 처리하여 내부저항을 측정한다. 이러한 연산부(40)는 A/D 변환부(30)로부터 충전전류와 방전전류 및 출력전압을 입력받으면, C-rate별 충방전 전류 패턴에 대한 종지 전압을 I-V 그래프로 정리하여 커브피팅(curve fitting)한 후, 이때 추출한 추세선의 기울기로부터 배터리의 내부저항을 측정한다.
즉, 전류 인가부(20)가 휴지 기간을 설정 배수 이상을 두고 배터리 접속단자(10)를 통해 1C, 3C, 5C 및 7C의 충전 전류와 방전 전류를 RC 시정수의 설정 배수 이상의 시간 동안 인가한다. 이때, A/D 변환부(30)는 충전 전류와 방전전류 및 출력전압을 아날로그 디지털 변환하고, 연산부(40)는 A/D 변환부(30)를 통해 입력된 충전 전류와 방전전류 및 출력전압을 통해 배터리의 내부저항을 측정한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부저항 측정 방법에 따른 실험예를 도 4 를 참조하여 설명한다.
도 4 는 전기화학적 임피던스 분광법을 이용하여 얻은 각 등가 파라메타의 참조값이 타당한지를 시뮬레이션한 실험 결과를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1 에 도시된 배터리의 등가 임피던스 모델에서의 배터리 내부 임피던스의 참조값(Reference Value)은 하기의 표 1 과 같다.
등가 임피던스 모델의 각 등가 파라메타의 참조값
등가 파라메타 참조값
RS[Ω] 1.15mΩ
Rct[Ω] 1.33mΩ
Cdl[F] 2.39F
Rd[Ω] 4.50mΩ
Cd[F] 11000F
여기서, 각 등가 파라메타의 참조값은 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy;EIS)으로 얻어진다.
우선, 등가 파라메타의 타당성을 검증하기 위해 Matlab/simulink를 이용하여 모델링한 배터리의 등가 임피던스 모델을 검증한다. 검증 절차는 시뮬레이션으로 구성된 배터리의 등가 임피던스 모델에 실제 실험과 동일한 전류를 인가한 뒤, 실제 실험을 통해 측정된 배터리의 출력 전압과 시뮬레이션된 배터리의 출력전압을 비교한다.
도 4 는 직류 내부저항 측정법에 따른 전류 패턴에 대한 전압 검증 결과로써, 실제 측정된 전압과 계산된 전압이 매우 유사하게 나타남을 알 수 있으며, 이를 통해 추출된 등가 파라메타의 참조값이 타당성을 가지는 것으로 볼 수 있다.
직류 내부저항 측정법을 토대로 한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부저항 측정 방법과 종래의 직류 내부저항 측정법을 통해 측정된 배터리 내부저항은 하기의 표 2 와 표 3 과 같다.
종래의 직류 내부저항 측정법에 따라 측정된 내부저항
방법 내부저항
종래의 직류 내부저항 측정법 3.20mΩ
EIS를 이용한 직류 내부저항 측정법 6.98mΩ
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 내부 저항 측정에 따라 측정된 내부저항
방법 내부저항
본 발명의 배터리 내부저항 측정 방법 6.00mΩ
EIS를 이용한 직류 내부저항 측정법 6.98mΩ
표 2 를 참조하면, EIS를 이용한 직류 내부저항 측정법으로 측정된 내부저항은 6.98mΩ인 반면에, 종래의 직류 내부저항 측정법으로 측정된 내부저항은 3.20mΩ으로써, 큰 차이를 보임을 알 수 있다.
반면에, 표 3 을 참조하면, EIS를 이용한 직류 내부저항 측정법으로 측정된 내부저항은 6.98mΩ인 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 내부저항 측정법으로 측정된 내부저항은 6.00mΩ으로써, 종래의 내부저항 측정 방법에 비해 높은 정확도를 보임을 알 수 있다.
이러한 본 발명은 배터리에 대한 등가 임피던스 모델의 RC 시상수에 따라 충방전 전류를 인가하는 시간을 조절하여 배터리의 내부저항을 정확하게 측정한다.
본 발명은 복잡한 계산 과정을 수행하거나 별도의 장비를 구비할 필요없이 손쉽게 배터리의 내부저항을 측정할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 배터리 접속단자 20: 전류 인가부
30: A/D 변환부 40: 연산부

Claims (5)

  1. 배터리에 전류를 인가하여 배터리의 내부저항을 측정하는 직류 내부저항 측정법을 이용하는 배터리 내부저항 측정 방법에 있어서,
    상기 배터리에 충방전 전류를 인가하는 전류 패턴을 배터리 등가 임피던스 모델의 등가 파라메타에 따라 조절하고,
    상기 전류 패턴은 상기 배터리에 인가되는 충방전 전류의 휴지 기간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부저항 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 패턴은 상기 배터리에 충방전 전류를 인가하는 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 내부저항 측정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 등가 파라메타는 상기 배터리의 등가 임피던스 모델의 RC 시상수인 것을 특징으로 하는 배터리 내부저항 측정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 충방전 전류를 인가하는 시간은 상기 RC 시상수의 설정 배수 이상인 것을 특징으로 하는 배터리 내부저항 측정 방법.
  5. 삭제
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