KR102280292B1 - 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 - Google Patents

폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 Download PDF

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Abstract

폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치가 개시된다.
폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치는 섭동 신호를 발생시켜 폐 배터리 모듈로 인가하고, 상기 섭동 신호에 대한 상기 폐 배터리 모듈의 응답 신호를 측정하며, 상기 응답 신호를 이용하여 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 디스플레이 한다.

Description

폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{METHOD OF EVALUATING IMPEDANCE SPECTROSCOPY FOR USED BATTERY MODULE, RECORDING MEDIUM AND APPARATUS FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐 배터리 모듈의 잔존수명 평가를 위한 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것이다.
자동차용 배터리는 초기 용량의 80% 이하가 되면 교체하게 되며, 근간 폐 배터리의 수가 폭발적으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 이러한 자동차용 배터리를 폐기할 경우 생기는 환경오염 문제로 인하여 국내외에서는 배터리 생산자에게 재활용 의무를 부여하는 생산자 책임 재활용 제도를 도입하는 추세이며, 이로 인하여 배터리 재사용에 대한 관심이 증가하고 있다.
자동차용 배터리 모듈은 초기 용량 대비 80% 이하가 되면 주행 범위를 상당히 제한하게 되지만, 에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)에 사용되기에는 충분한 용량을 갖는다. 그러나 자동차용 배터리 모듈의 재사용 시 배터리 모듈 간의 불균형으로 인해 전체 에너지 저장 시스템 성능의 저하를 일으킬 수 있다.
따라서 폐 배터리의 재활용을 위해서는 그 잔존수명에 대한 정확한 평가가 선행되어야 하며 이에 배터리의 내부 임피던스를 측정할 수 있는 장치의 개발은 매우 중요한 의미를 갖는다.
한편 배터리 팩의 임피던스를 측정하는 제품 및 기술들은 이미 많지만 모두 상용 배터리를 대상으로 할 뿐, 폐 배터리의 임피던스를 측정하기 위한 시스템 및 방법에 대한 실제 제품은 찾아보기 어렵다.
또한, 임피던스 스펙트럼 측정 방법으로는 일정 주파수의 주기적 여기 신호를 인가하고, 주파수 응답 분석기(FRA)와 같은 위상 감지 장치로 스펙트럼을 측정하는 것이 널리 사용되고 있으나, 상기와 같은 측정방법은 신호 발생기 및 위상 감지기 등과 같은 고가의 장치를 사용해야 되고, 또한 과도특성 효과를 제거하기 위하여 최소한 2주기의 신호를 필요로 함은 물론 복수의 주파수에 대한 스펙트럼이 필요한 경우에 순차적으로 측정을 진행하므로 측정에 소요되는 시간이 길어지는 문제점이 있다.
본 발명의 일측면은 전기화학적 임피던스 분광법(EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy)을 이용하여 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하여 도시하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치는 섭동 신호를 발생시켜 폐 배터리 모듈로 인가하는 섭동 유도부, 상기 섭동 신호에 대한 상기 폐 배터리 모듈의 응답 신호를 측정하는 센서부, 상기 응답 신호를 이용하여 상기 섭동 신호의 주파수 별로 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 응답 신호 처리부 및 상기 섭동 신호의 주파수 별 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)의 형태로 디스플레이 하는 임피던스 스펙트럼 측정부를 포함한다.
한편, 상기 응답 신호 처리부는, 상기 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 상기 응답 신호의 크기 및 위상을 산출하여 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출할 수 있다.
또한, 상기 응답 신호 처리부는, 상기 응답 신호와 같은 위상의 동상 성분 및 상기 응답 신호와 90도 위상차가 나는 이상 성분으로 나뉘는 기준 신호를 생성하고, 상기 응답 신호에 상기 기준 신호를 각각 곱하여 상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 산출하며, 상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분에 각각 평균값을 취하여 노이즈가 제거된 상기 응답 신호를 산출할 수 있다.
또한, 상기 센서부는, 션트(shunt) 저항을 이용하여 상기 폐 배터리 모듈의 응답 전류를 측정하는 전류 측정부 및 저항 분배 회로를 이용하여 상기 폐 배터리 모듈의 응답 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전압 측정부는, 2개의 단자로 전류를 인가하고 2개의 단자로 전압을 측정하는 4-단자 프로브 측정방식으로 상기 응답 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 스펙트럼 측정부는, 상기 임피던스 스펙트럼에 해당하는 등가 회로 모델을 구성하는 소자의 파라미터를 산출하여 디스플레이할 수 있다.
한편 본 발명의 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은 폐 배터리 모듈의 잔존 수평 평가를 위한 임피던스 스펙트럼 측정 장치에서의 임피던스 스펙트럼 측정 방법에 있어서, 섭동 신호를 발생시켜 폐 배터리 모듈로 인가하는 단계, 상기 섭동 신호에 대한 상기 폐 배터리 모듈의 응답 신호를 측정하는 단계, 상기 응답 신호를 이용하여 상기 섭동 신호의 주파수 별로 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 단계 및 상기 섭동 신호의 주파수 별 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)의 형태로 디스플레이 하는 단계를 포함한다.
한편, 상기 응답 신호를 이용하여 상기 섭동 신호의 주파수 별로 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 단계는, 상기 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하는 단계 및 노이즈가 제거된 상기 응답 신호의 크기 및 위상을 산출하여 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하는 단계는, 상기 응답 신호와 같은 위상의 동상 성분 및 상기 응답 신호와 90도 위상차가 나는 이상 성분으로 나뉘는 기준 신호를 생성하는 단계, 상기 응답 신호에 상기 기준 신호를 각각 곱하여 상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 산출하는 단계 및 상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분에 각각 평균값을 취하여 노이즈가 제거된 상기 응답 신호를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 섭동 신호에 대한 상기 폐 배터리 모듈의 응답 신호를 측정하는 단계는, 2개의 단자로 전류를 인가하고 2개의 단자로 전압을 측정하는 4-단자 프로브 측정방식으로 상기 폐 배터리 모듈의 응답 전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 섭동 신호의 주파수 별 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)에 커브 피팅하여 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 디스플레이 하는 단계는, 상기 임피던스 스펙트럼에 해당하는 등가 회로 모델을 구성하는 소자의 파라미터를 산출하여 디스플레이 하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체일 수 있다.
본 발명에 따르면 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정의 높은 정확도를 확보할 수 있으며, 이를 이용하여 산출한 폐 배터리 모듈의 잔존수명을 에너지 저장장치 구성을 위한 그레이딩(Grading)에 반영하는 경우 에너지 저장장치의 전체 시스템 성능을 보장할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치의 동작을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 나이퀴스트 플롯(Nyquist Plot)을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 나이퀴스트 플롯에 해당하는 등가 회로 모델의 일 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치의 제어 블록도이다.
도 5는 도 4에 도시된 센서부의 세부 블록도이다.
도 6은 도 4에 도시된 임피던스 스펙트럼 측정부에서 출력하는 화면의 일 예이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치와 상용 장비를 이용하여 측정한 임피던스 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치의 동작을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치(이하, 임피던스 스펙트럼 측정 장치)(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 측정하여 출력할 수 있다.
본 실시예에서 폐 배터리 모듈(2)은 자동차용 배터리로 초기 용량 대비 80% 이하 용량의 배터리 모듈인 것으로 정의한다. 이러한 폐 배터리 모듈(2)은 전기차의 주행 범위를 제한하여 폐기되어야 하는데, 폐기로 인한 환경 파괴를 방지하고자 에너지 저장장치(ESS: Energy Storage System)로 재사용된다. 폐 배터리 모듈(2)로 에너지 저장장치를 구성하는 경우, 비슷한 잔존수명을 갖는 폐 배터리 모듈(2)을 선택하는 것이 중요하다. 폐 배터리 모듈(2) 간의 성능 불균형은 전체 시스템의 성능을 저하시키기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있으며, 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 배터리 셀, 슈퍼 커패시터 등의 전기화학적 장치의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스를 측정하고 그에 따른 파라미터를 산출하며, 신규 배터리 모듈의 파라미터와 비교하여 폐 배터리 모듈(2)의 잔존수명 등을 예측할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 이러한 폐 배터리 모듈(2)의 잔존수명을 에너지 저장장치 구성을 위한 그레이딩(Grading)에 반영하여 에너지 저장장치의 전체 시스템 성능을 보장할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy)으로 폐 배터리 모듈(2)의 내부 임피던스 측정을 위한 전기화학적 임피던스 분광 장치(EIS Instrument)라 할 수 있다.
전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 비파괴적인 검사 방법으로 측정 대상에 대해 작은 섭동을 유도하고, 유도된 섭동에 대한 응답으로부터 AC 임피던스 스펙트럼을 측정하며, 측정된 AC 임피던스를 물리적으로 설명이 가능한 임피던스 모델로 커브 피팅(Curve-Fitting)함으로써 배터리의 파라미터를 추출하여 배터리의 노화나 성능 상태를 추정하는 기술이다. 이러한 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 서로 다른 프로세스와 관련된 임피던스는 서로 다른 시상수(Time Constant)를 갖는다는 것에 기초하며, 측정의 유효성 보장을 위해 선형성(Linearity), 인과성(Causality), 안정성(Stability) 및 유한성(Finite)의 네 가지 조건을 만족하여야 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)에서 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)에 기초한 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼 측정 단계에 대해 간략히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 섭동 신호를 발생시켜 폐 배터리 모듈(2)로 인가할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 NI사의 DAQ Board 및 LabVIEW로 구성된 소프트웨어를 이용하여 주파수 변경을 통한 정현 파형의 섭동 전압을 발생시킬 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 Power OP-Amp를 이용하여 섭동 전압을 섭동 전류(IAC)로 변환하고, 폐 배터리 모듈(2)로 인가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 섭동 신호에 대한 폐 배터리 모듈(2)의 응답 신호를 측정할 수 있다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 전압 응답 신호(VAC) 및 전류 응답 신호(IAC)를 각각 측정하기 위한 센싱 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 응답 신호를 이용하여 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 전압 및 전류 응답 신호를 DAQ Board로 인가하여 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 LabVIEW로 구성된 소프트웨어를 이용하여 폐 배터리 모듈(2)의 전압 및 전류 응답 신호로부터 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 임피던스 모델로 커브 피팅할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 임피던스 등가 회로 모델을 이용하여 커브 피팅할 수 있다.
일반적으로 널리 사용되는 리튬이온 배터리의 임피던스 스펙트럼은 나이퀴스트 플롯으로 나타낼 수 있다. 이와 관련하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 나이퀴스트 플롯(Nyquist Plot)을 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 나이퀴스트 플롯에 해당하는 등가 회로 모델의 일 예이다.
도 2를 참조하면, 나이퀴스트 플롯은 두 개의 반원(SEI 및 charge Transfer)과 발산되는 직선(Diffusion)의 형태를 나타낼 수 있다.
도 3은 나이퀴스트 플롯으로의 커브 피팅에 필요한 전기적 모델의 한 종류로, Adapted Randles ECM(AR-ECM)에 해당한다.
도 3을 참조하면, Adapted Randles ECM(AR-ECM)에서 인덕턴스(L)는 고주파에서 전극의 다공성과 배터리와 연결된 리드선에 의한 성분을 나타내고, 옴 저항(Rs)은 전해질 저항, 접촉 저항 및 전자 접촉 등을 나타낸다.
또한 Adapted Randled ECM(AR-ECM)에서 저항 성분(RSEI) 및 이중층(CPESEI)은 도 2의 첫 번째 반원이 나타내는 것으로, 내부 전극에 생성되는 고체전해질 계면(SEI: Solid Electrolyte Interface)에서의 전하전달에 해당하는 필름 저항을 나타낸다.
또한 Adapted Randled ECM(AR-ECM)에서 저항 성분(Rct) 및 이중층(CPEdl)은 도 2의 두 번째 반원이 나타내는 것으로, 전극물질 계면에서의 리튬이온의 산화 및 환원반응을 나타내는 전하이동 저항성분 및 이중층을 나타낸다.
도 3에 도시된 이중층(CPE)은 전극의 다공성 및 비틀림 특성을 나타내며 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00001
수학식 1에서 Q는 시상수(Time constant)를 의미하며, n은 0과 1 사이의 실수이다. 이중층(CPE)은 N=0인 경우 순수한 저항이고 n=1인 경우 순수한 커패시터와 같은 역할을 한다.
또한 Adapted Randled ECM(AR-ECM)에서 와버그 임피던스(ZW)는 도 2의 직선 형태가 나타내는 것으로, 고체 상태의 리튬 이온의 확산 과정을 모델링 하는 데 사용되며 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00002
수학식 2에서, RW는 와버그 저항을 의미하며, 도 2와 같이, 낮은 주파수 영역에서 45도 각도의 직선 형태로 나타나는 것으로 이해할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 나이퀴스트 플롯을 생성하여 실시간으로 출력할 수 있으며, 나이퀴스트 플롯에 따른 폐 배터리 모듈(2)의 각 파라미터들을 산출하여 제공할 수 있다.
이에 더하여 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈(2)의 잔존수명을 예측하는데 이용될 수 있으며, 잔존수명에 따라 복수의 폐 배터리 모듈(2)을 그레이딩하여 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치의 제어 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 섭동 유도부(10), 센서부(30), 응답 신호 처리부(50) 및 임피던스 스펙트럼 측정부(70)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 도 4에 도시된 구성요소보다 많은 구성요소에 의해 구현될 수 있고 그보다 적은 구성요소에 의해 구현될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 정보의 입출력이 가능한 장치로, 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 도 4에 도시된 섭동 유도부(10), 센서부(30), 응답 신호 처리부(50) 및 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(1)에서 실행되는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 전기화학적 임피던스 분광법(EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy)으로 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있다.
이하 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)의 각 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.
섭동 유도부(10)는 섭동 신호를 발생시켜 폐 배터리 모듈(2)로 인가할 수 있다.
예를 들면, 섭동 유도부(10)는 NI사의 DAQ Board 및 LabVIEW로 구성된 소프트웨어를 이용하여 주파수 변경을 통한 정현 파형의 섭동 전압을 발생시킬 수 있다. 그리고 섭동 유도부(10)는 Power OP-Amp를 이용하여 섭동 전압을 섭동 전류(IAC)로 변환하고, 폐 배터리 모듈(2)로 인가할 수 있다.
여기에서, Power OP-Amp를 통해서 변환되는 섭동 전류(IAC)는 섭동 전압과 궤환 저항의 곱에 대한 입력 저항과 센싱 저항의 곱의 비율에 따라 크기가 변할 수 있으며, 이때, 센싱 저항의 크기는 궤환 저항 또는 입력 저항 중 적어도 하나의 저항의 크기와 비교하여 작게 나타날 수 있다.
이와 관련하여, 입력 저항은 Power OP-Amp의 반전 입력 단자 및 비반전 입력 단자에 각각 일측이 연결될 수 있으며, 비반전 입력 단자에 연결되는 입력 저항의 다른 일측으로부터 섭동 전압이 입력되고, 반전 입력 단자에 연결되는 입력 저항의 다른 일측은 접지될 수 있다.
또한, 궤환 저항은 반전 입력 단자 및 비반전 입력 단자에 각각 일측이 연결될 수 있으며, 이에 따라, 반전 입력 단자 및 비반전 입력 단자는 입력 저항과 궤환 저항이 각각의 접점에서 연결되는 것으로 이해할 수 있다.
이때, 반전 입력 단자와 하나의 접점에서 연결되는 입력 저항 및 궤환 저항은 비반전 입력 단자와 하나의 접점에서 연결되는 입력 저항 및 궤환 저항과 다른 저항인 것으로 이해할 수 있다.
한편, 비반전 입력 단자와 입력 저항의 일측에 연결되는 궤환 저항의 다른 일측은 센싱 저항에 연결되며, 이때, 센싱 저항의 다른 일측은 반전 입력 단자와 입력 저항에 연결되는 궤환 저항의 다른 일측과 Power OP-Amp의 출력 단자의 접점에서 연결될 수 있다.
이에 따라, 섭동 전류(IAC)는 센싱 저항에 흐르는 전류인 것으로 이해할 수 있으며, 폐 배터리 모듈(2)은 비반전 입력 단자와 센싱 저항의 접점에 연결되어, 섭동 전류(IAC)가 인가되는 것으로 이해할 수 있다.
센서부(30)는 섭동 신호에 대한 폐 배터리 모듈(2)의 응답 신호를 측정할 수 있다.
응답 신호는 응답 전류 및 응답 전압으로 나뉠 수 있다.
센서부(30)는 응답 전류 및 응답 전압을 각각 측정하여 후술하는 응답 신호 처리부(50)로 전달할 수 있다. 이와 관련하여 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 도 4에 도시된 센서부의 세부 블록도이다.
도 5를 참조하면, 센서부(30)는 전류 측정부(31) 및 전압 측정부(33)를 포함할 수 있다.
전류 측정부(31)는 폐 배터리 모듈(2)의 응답 전류를 측정할 수 있다.
예를 들면, 전류 측정부(31)는 션트(shunt) 저항을 포함하여 폐 배터리 모듈(2)의 응답 전류를 측정할 수 있다.
전압 측정부(33)는 폐 배터리 모듈(2)의 응답 전압을 측정할 수 있다.
예를 들면, 전압 측정부(33)는 저항 분배 회로를 포함하여 폐 배터리 모듈(2)의 응답 저항을 측정할 수 있다. 여기서 저항 분배 회로는 4-단자 프로브 측정방식을 구현하기 위한 회로일 수 있다. 4-단자 프로브 측정방식은 2개의 단자로는 전류를 흘려 주고 2개의 다른 단자로 전압을 측정하는 방식이다. 폐 배터리 모듈(2)의 경우 임피던스의 크기가 수십mmΩ에서 수mmΩ으로 매우 작기 때문에 측정 프로브 단자의 저항에 영향을 많이 받는 편이다. 따라서 전압 측정부(33)는 4-단자 프로브 측정방식을 채택하여 리드선의 저항에 의한 영향을 최소화하면서 폐 배터리 모듈(2)의 응답 전압을 측정할 수 있으며, 이는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 산출의 정확도를 높일 수 있을 것이다.
응답 신호 처리부(50)는 응답 신호를 이용하여 섭동 신호의 주파수 별로 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스를 산출할 수 있다.
응답 신호 처리부(50)는 DAQ Board에 구성될 수 있으며, 센서부(30)로부터 각각 응답 전류 및 응답 전압을 인가 받을 수 있다. 응답 신호 처리부(50)는 Digital Lock-in AMP를 포함하여 센서부(30)로부터 인가 받은 응답 전류 및 응답 전압을 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 이하의 설명에서 응답 전류 및 응답 전압을 응답 신호로 통칭하여 설명한다.
응답 신호 처리부(50)는 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 응답 신호의 크기 및 위상을 산출하여 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스를 산출할 수 있다.
구체적으로는, 응답 신호 처리부(50)는 응답 신호와 같은 위상의 동상 성분 및 응답 신호와 90도 위상차가 나는 이상 성분으로 나뉘는 기준 신호를 생성할 수 있다.
예를 들면, 응답 신호 처리부(50)는 N 개의 샘플링 데이터를 갖는 n번째의 응답 신호를 획득할 수 있는데, 이러한 응답 신호에는 잡음이 포함될 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00003
수학식 3에서 M(n)은 N 개의 샘플링 데이터를 갖는 n 번째의 응답 신호를 나타내고, fm 및 fs는 각각 측정 주파수 및 샘플링 주파수를 나타내며, k(n)은 잡음 신호를 나타낸다.
응답 신호 처리부(50)는 수학식 3과 같은 응답 신호로부터 아래 수학식 4와 같은 기준 신호를 생성할 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00004
응답 신호 처리부(50)는 응답 신호(M(n))에 기준 신호(rp(n) 및 rQ(n))를 각각 곱하여 응답 신호(M(n))의 실수 성분 및 허수 성분을 산출할 수 있다.
예를 들면, 응답 신호 처리부(50)는 수학식 3에 수학식 4에 기재된 응답 신호와 같은 위상의 동상 성분의 기준 신호를 곱하여 아래 수학식 5와 같이 응답 신호의 실수 성분을 산출하고, 수학식 3에 수학식 4에 기재된 응답 신호와 90도 위상차가 나는 이상 성분의 기준 신호를 곱하여 아래 수학식 6과 같이 응답 신호의 허수 성분을 산출할 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00005
Figure 112019118298889-pat00006
응답 신호 처리부(50)는 응답 신호의 실수 성분(Mreal(n)) 및 허수 성분(Mimag(n))에 각각 평균값을 취하여 노이즈가 제거된 응답 신호를 획득할 수 있다. 응답 신호의 실수 성분(Mreal(n)) 및 허수 성분(Mimag(n))에 각각 평균값을 취하는 경우 교류 성분은 0으로 수렴하여 직류 성분만 남게 된다. 따라서 응답 신호 처리부(50)는 노이즈가 제거된 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 획득할 수 있을 것이다.
예를 들면, 응답 신호 처리부(50)는 아래 수학식 7 및 8과 같이 노이즈가 제거된 응답 신호의 실수 성분(Mreal(n)) 및 허수 성분(Mimag(n))을 획득할 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00007
Figure 112019118298889-pat00008
응답 신호 처리부(50)는 노이즈가 제거된 응답 신호의 실수 성분(X(n)) 및 허수 성분(Y(n))을 이용하여 응답 신호의 크기 및 위상값을 산출할 수 있다.
예를 들면, 응답 신호 처리부(50)는 아래 수학식 9와 같이 수학식 7 및 8을 이용하여 응답 신호의 크기(A) 및 위상값(
Figure 112019118298889-pat00009
)을 산출할 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00010
응답 신호 처리부(50)는 응답 신호의 크기(A) 및 위상값(
Figure 112019118298889-pat00011
)으로부터 폐 배터리 모듈(2)의 섭동 신호의 주파수 별 임피던스를 산출할 수 있다.
또한, 응답 신호 처리부(50)는 수학식 9에 따라 계산되는 응답 신호의 크기(A) 및 위상값(
Figure 112019118298889-pat00012
)을 아래 수학식 10에 대입하여 폐 배터리 모듈(2)의 주파수 별 임피던스를 산출할 수 있다.
이때, 응답 신호 처리부(50)는 전류 측정부(31)에서 측정되는 응답 전류에 대해 응답 전류의 크기 및 응답 전류의 위상 값을 계산할 수 있고, 응답 신호 처리부(50)는 전압 측정부(33)에서 측정되는 응답 전압에 대해 응답 전압의 크기 및 응답 전압의 위상 값을 계산할 수 있는 것으로 이해할 수 있다.
Figure 112019118298889-pat00013
이와 같이 응답 신호 처리부(50)는 노이즈가 제거된 응답 신호의 크기 및 위상값을 산출하고, 이를 이용하여 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스를 산출할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 측정하고, 이를 나이퀴스트 플롯의 형태로 디스플레이할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 주파수 별 임피던스 스펙트럼을 나타내는 나이퀴스트 플롯과 등가 회로 모델을 이용하여 커브 피팅할 수 있다. 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 등가 회로 모델을 나타내는 도 3과 같은 각 소자의 파라미터를 폐 배터리 모듈(2)의 파라미터로 산출할 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 임피던스 스펙트럼 측정부에서 출력하는 화면의 일 예이다.
도 6을 참조하면, 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 나이퀴스트 플롯을 출력할 수 있다. 이를 위해 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 디스플레이 모듈을 포함하여 구현되거나 별도의 디스플레이 모듈과 유선 또는 무선 연결될 수 있다.
임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 나이퀴스트 플롯뿐만 아니라 나이퀴스트 플롯과 등가 회로 모델을 이용하여 폐 배터리 모듈(2)의 파라미터들을 산출하여 출력할 수 있다.
아울러 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 파라미터들과 신규 배터리 모듈의 파라미터들을 비교하여 폐 배터리 모듈(2)의 잔존수명을 예측할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2) 별 잔존수명을 저장한 데이터베이스를 구축할 수 있다. 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 잔존수명의 차이가 미리 설정된 기준치 이하인 폐 배터리 모듈(2)을 그룹으로 묶어 관리하고, 잔존수명의 오름차순 또는 내림차순으로 폐 배터리 모듈(2)을 나열하여 관리할 수 있다. 이에 따라 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 에너지 저장장치에 사용될 수 있도록 잔존수명이 유사한 복수의 폐 배터리 모듈(2)의 정보를 제공할 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)와 실질적으로 동일한 구성 하에서 진행될 수 있다. 따라서 도 4의 장치(1)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고 반복되는 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법의 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 섭동 유도부(10)는 폐 배터리 모듈(2)로 섭동 신호를 인가할 수 있다(S100).
섭동 유도부(10)는 정현 파형의 섭동 전압을 발생시킬 수 있다. 그리고 섭동 유도부(10)는 섭동 전압을 섭동 전류로 변환하고, 폐 배터리 모듈(2)로 인가할 수 있다.
센서부(30)는 폐 배터리 모듈(2)의 응답 신호를 측정할 수 있다(S200).
센서부(30)는 섭동 신호에 대한 폐 배터리 모듈(2)의 응답 신호를 측정할 수 있다. 응답 신호는 응답 전류 및 응답 전압으로 나뉠 수 있다.
응답 신호 처리부(50)는 응답 신호를 이용하여 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스를 산출할 수 있다(S300).
응답 신호 처리부(50)는 센서부(30)로부터 각각 응답 전류 및 응답 전압을 인가 받을 수 있다. 응답 신호 처리부(50)는 센서부(30)로부터 인가 받은 응답 전류 및 응답 전압을 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 응답 신호 처리부(50)는 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 응답 신호의 크기 및 위상을 산출하여 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스를 산출할 수 있다.
구체적으로는, 응답 신호 처리부(50)는 응답 신호와 같은 위상의 동상 성분 및 응답 신호와 90도 위상차가 나는 이상 성분으로 나뉘는 기준 신호를 생성할 수 있다. 응답 신호 처리부(50)는 응답 신호에 기준 신호를 각각 곱하여 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 산출할 수 있다. 응답 신호 처리부(50)는 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분에 각각 평균값을 취하여 노이즈가 제거된 응답 신호를 획득할 수 있다. 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분에 각각 평균값을 취하는 경우 교류 성분은 0으로 수렴하여 직류 성분만 남게 된다. 따라서 응답 신호 처리부(50)는 노이즈가 제거된 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 획득할 수 있을 것이다.
응답 신호 처리부(50)는 노이즈가 제거된 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 이용하여 응답 신호의 크기 및 위상값을 산출할 수 있다. 응답 신호 처리부(50)는 응답 신호의 크기 및 위상값으로부터 폐 배터리 모듈(2)의 섭동 신호의 주파수 별 임피던스를 산출할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 임피던스 스펙트럼을 산출할 수 있다(S400).
임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 주파수 별 임피던스를 도시하여 나이퀴스트 플롯의 형태로 출력할 수 있다. 임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 등가 회로 모델을 나타내는 도 3과 같은 각 소자의 파라미터를 폐 배터리 모듈(2)의 파라미터로 산출할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 측정부(70)는 폐 배터리 모듈(2)의 나이퀴스트 플롯과 등가 회로 모델을 이용하여 폐 배터리 모듈(2)의 파라미터들을 산출하여 출력할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법의 효과에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정의 높은 정확성을 갖는다. 이를 검증하기 위해 Bexel사의 파우치 셀 4 개를 직렬 연결하여 공칭 용량은 32Ah, 공칭 전압은 14.8V의 폐 배터리 모듈을 제작하였다. 그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)와 상용 장비(BIM2)로 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1) 및 상용 장비 모두 섭동 전류는 충전 전하량의 5%이내인 2Ap-p로 선정하여 선형성을 보장하였고, 측정 시 폐 배터리 모듈의 단자전압은 14.921V이고, 상온(24.5도)에서 실험을 진행하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치와 상용 장비를 이용하여 측정한 임피던스 스펙트럼을 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)에서 측정한 임피던스 스펙트럼과 상용 장비를 이용하여 측정한 임피던스 스펙트럼이 거의 동일함을 확인할 수 있다.
통상적으로 전기화학적 임피던스 분광 장치(EIS Instrument)의 정확도를 판단하는 데에 재현성이 중요한 요소로 고려된다. 재현성은 같은 시험조건에서 동일한 측정 대상을 테스트하였을 때에 동일한 결과가 나오는지를 확인하는 것이며 아래 수학식 11에 따라 Reduced Chi-Square로 계산된다.
Figure 112019118298889-pat00014
본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)에서 측정한 임피던스 스펙트럼과 상용 장비를 이용하여 측정한 임피던스 스펙트럼 측정 결과의 상관관계를 수학식 11에 따라 계산한 결과 그 값은 1.8443%로 두 장비의 측정 결과의 상관관계가 매우 밀접하여 거의 동일하다는 것을 알 수 있다.
즉 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치(1)는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정의 높은 정확도를 확보할 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은 어플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치
2: 폐 배터리 모듈

Claims (12)

  1. 섭동 신호를 발생시켜 폐 배터리 모듈로 인가하는 섭동 유도부;
    상기 섭동 신호에 대한 상기 폐 배터리 모듈의 응답 신호를 측정하는 센서부;
    상기 응답 신호를 이용하여 상기 섭동 신호의 주파수 별로 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 응답 신호 처리부; 및
    상기 섭동 신호의 주파수 별 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)의 형태로 디스플레이 하는 임피던스 스펙트럼 측정부를 포함하고,
    상기 임피던스 스펙트럼 측정부는,
    상기 임피던스 스펙트럼에 해당하는 등가 회로 모델을 구성하는 소자의 파라미터를 산출하여 디스플레이 하되, 상기 폐 배터리 모듈의 파라미터들과 신규 배터리 모듈의 파라미터들을 비교하여 폐 배터리 모듈의 잔존수명을 예측하고,
    폐 배터리 모듈별 잔존수명을 저장한 데이터베이스를 구축하여 상기 잔존수명의 차이가 기 설정된 기준치 이하인 폐 배터리 모듈을 그룹으로 묶어 관리하고, 상기 잔존수명의 오름차순 또는 내림차순으로 폐 배터리 모듈을 나열하여 관리하는 것을 특징으로 하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응답 신호 처리부는,
    상기 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 상기 응답 신호의 크기 및 위상을 산출하여 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 응답 신호 처리부는,
    상기 응답 신호와 같은 위상의 동상 성분 및 상기 응답 신호와 90도 위상차가 나는 이상 성분으로 나뉘는 기준 신호를 생성하고, 상기 응답 신호에 상기 기준 신호를 각각 곱하여 상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 산출하며, 상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분에 각각 평균값을 취하여 노이즈가 제거된 상기 응답 신호를 산출하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    션트(shunt) 저항을 이용하여 상기 폐 배터리 모듈의 응답 전류를 측정하는 전류 측정부; 및
    저항 분배 회로를 이용하여 상기 폐 배터리 모듈의 응답 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 측정부는,
    2개의 단자로 전류를 인가하고 2개의 단자로 전압을 측정하는 4-단자 프로브 측정방식으로 상기 응답 전압을 측정하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 장치.
  6. 삭제
  7. 폐 배터리 모듈의 잔존 수명 평가를 위한 임피던스 스펙트럼 측정 장치에서의 임피던스 스펙트럼 측정 방법에 있어서,
    섭동 신호를 발생시켜 폐 배터리 모듈로 인가하는 단계;
    상기 섭동 신호에 대한 상기 폐 배터리 모듈의 응답 신호를 측정하는 단계;
    상기 응답 신호를 이용하여 상기 섭동 신호의 주파수 별로 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 단계; 및
    상기 섭동 신호의 주파수 별 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)의 형태로 디스플레이 하는 단계를 포함하고,
    상기 섭동 신호의 주파수 별 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼을 나이퀴스트 플롯(Nyquist plot)의 형태로 디스플레이 하는 단계는,
    상기 임피던스 스펙트럼에 해당하는 등가 회로 모델을 구성하는 소자의 파라미터를 산출하여 디스플레이 하는 단계를 포함하며,
    상기 소자의 파라미터를 산출하여 디스플레이 하는 단계에서는,
    산출된 상기 폐 배터리 모듈의 파라미터들과 신규 배터리 모듈의 파라미터들을 비교하여 폐 배터리 모듈의 잔존수명을 예측하고, 폐 배터리 모듈별 잔존수명을 저장하여 상기 잔존수명의 차이가 기 설정된 기준치 이하인 폐 배터리 모듈을 그룹으로 묶어 관리하고, 상기 잔존수명의 오름차순 또는 내림차순으로 폐 배터리 모듈을 나열하여 관리하는 것을 특징으로 하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 응답 신호를 이용하여 상기 섭동 신호의 주파수 별로 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 단계는,
    상기 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하는 단계; 및
    노이즈가 제거된 상기 응답 신호의 크기 및 위상을 산출하여 상기 폐 배터리 모듈의 임피던스를 산출하는 단계를 포함하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 응답 신호에서 직류 성분만 남겨 노이즈를 제거하는 단계는,
    상기 응답 신호와 같은 위상의 동상 성분 및 상기 응답 신호와 90도 위상차가 나는 이상 성분으로 나뉘는 기준 신호를 생성하는 단계;
    상기 응답 신호에 상기 기준 신호를 각각 곱하여 상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분을 산출하는 단계; 및
    상기 응답 신호의 실수 성분 및 허수 성분에 각각 평균값을 취하여 노이즈가 제거된 상기 응답 신호를 산출하는 단계를 포함하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 섭동 신호에 대한 상기 폐 배터리 모듈의 응답 신호를 측정하는 단계는,
    2개의 단자로 전류를 인가하고 2개의 단자로 전압을 측정하는 4-단자 프로브 측정방식으로 상기 폐 배터리 모듈의 응답 전압을 측정하는 단계를 포함하는 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
  11. 삭제
  12. 제7항에 따른 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023080673A1 (ko) * 2021-11-03 2023-05-11 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102628845B1 (ko) * 2021-01-28 2024-01-25 충남대학교산학협력단 배터리노화분석장치 및 방법, 그를 포함하는 배터리관리장치, 그리고, 배터리분석모델 생성방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101555322B1 (ko) * 2014-04-21 2015-09-23 주식회사 넥스트스퀘어 배터리 재자원화를 위한 충방전 시스템 및 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080010175A (ko) * 2006-07-26 2008-01-30 한동호 무정전 전원 장치를 위한 배터리 감시 시스템 및 방법
KR101759532B1 (ko) * 2015-11-05 2017-07-19 주식회사 에스피엠 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법
KR102176606B1 (ko) * 2016-06-14 2020-11-09 한국자동차연구원 고전압 배터리 팩의 건전 상태 추정이 가능한 저가의 임피던스 분광 시스템 및 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101555322B1 (ko) * 2014-04-21 2015-09-23 주식회사 넥스트스퀘어 배터리 재자원화를 위한 충방전 시스템 및 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
전기화학적 전력 기기의 모델링을 위한 저가의 임피던스 분광 시스템의 개발(전력전자학회논문지, 2008.02.공개)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023080673A1 (ko) * 2021-11-03 2023-05-11 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템

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