KR102579043B1 - 배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처 - Google Patents

Abstract

배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처는, 각각의 배터리 셀의 개별적인 임피던스 추출을 위해, 개별적으로 신호 생성 및 신호 수집 기능의 수행이 가능하도록 마련되는 EIS IC(Electrochemical Impedance Spectroscopy Integrated Circuit)가 병렬 구조로 마련되는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 모듈; 및 EIS 모듈을 별도로 마련되는 데이터 처리장치의 데이터 버스에 연결하기 위해 마련되는 인터페이스;를 포함한다. 이에 의해, 대규모 병렬 방식으로 배터리의 임피던스를 추출할 수 있어, 배터리의 신뢰성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처{Architecture for measurement system designed for massive impedance extraction of battery systems}

본 발명은 배터리 시스템의 임피던스 측정 시스템용 아키텍처에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처에 관한 것이다.

현재 다양한 분야에서 널리 이용되는 리튬 이온 배터리는 그 활용 범위를 더욱 넒히기 위해, 신뢰성 부족 문제를 해결해야 하는 과제가 존재한다.

구체적으로, 2020년 쉐보레(Chevrolet)의 볼트 EV와 현대자동차의 코나(Kona)를 리콜하게 된 이유 역시 이러한 배터리의 신뢰성 부족 문제에서 야기된 것으로 볼 수 있다.

배터리와 관련된 많은 케이스들은, 조사 결과 관리자의 남용이나 잘못된 배터리 관리 또는 BMS(배터리 관리 시스템)의 구현이 제대로 이뤄지지 않아 발생된 것으로 결론나는 경우가 다수이다.

이러한 문제들은, 더 나은 배터리 관리 시스템과 관리자 교육을 통해 해결될 수 있다. 그러나 일부 다른 경우에는, 제조 과정에서 감지되지 못한 배터리 결함에 의해 발생될 수 있다.

이러한 배터리 결함의 경우, 단순한 테스트 방법으로는 이를 감지하거나 개선하기 어렵다. 도 1은, 배터리에서 발생될 수 있는 결함 사례들이 예시된 도면이다.

특히, 배터리의 내부에서 발생되는 결함의 경우, 배터리를 분해하기 전에는 감지할 수 없어, 배터리 내부에서 발생되는 결함을 감지하기 위한 방안의 모색이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 각각의 배터리 셀의 개별적인 임피던스 추출을 수행하는 EIS 모듈이 데이터 처리장치의 데이터 버스에 병렬 구조로 연결되어, 대규모 병렬 방식으로 배터리의 임피던스를 추출할 수 있는 임피던스의 측정 시스템용 아키텍처를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처는, 각각의 배터리 셀의 개별적인 임피던스 추출을 위해, 개별적으로 신호 생성 및 신호 수집 기능의 수행이 가능하도록 마련되는 EIS IC(Electrochemical Impedance Spectroscopy Integrated Circuit)가 병렬 구조로 마련되는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 모듈; 및 EIS 모듈을 별도로 마련되는 데이터 처리장치의 데이터 버스에 연결하기 위해 마련되는 인터페이스;를 포함한다.

그리고 EIS 모듈은, 각각의 EIS IC와 인터페이스를 연결하기 위해 마련되는 SPI 버스(Serial Peripheral Interface Bus);를 더 포함할 수 있다.

또한, SPI 버스는, 복수의 채널이 마련되고, 각 채널에 각각의 EIS IC가 개별적으로 연결되어, 각 채널에 개별적으로 연결된 각각의 EIS IC가 각각의 배터리 셀에서의 임피던스 추출 작업이 병렬적으로 수행 가능하도록 할 수 있다.

그리고 각각의 EIS IC는, 신호 생성, 신호 증폭, 신호 수집, 신호 처리 및 보고 기능을 수행하는 모놀리식 집적회로(Monolythic IC)로 구현될 수 있다.

또한, EIS 모듈당 최대 채널 수는, SPI 버스의 최대 데이터 속도와 생성된 데이터 양 사이의 비율에 의해 결정될 수 있다.

그리고 EIS 모듈에서 생성되는 데이터의 최대값은, 임피던스가 추출되는 최대 주파수와 임피던스 추출 라인의 분해능(resolution)에 의해 결정될 수 있다.

또한, EIS 모듈은, 임피던스 추출 작업 수행 후, 인터페이스를 통해, 추출 결과를 데이터 처리장치에 보고하고, 인터페이스는, 보고할 데이터 양과 각 채널별 데이터 속도에 따라 임피던스 추출 작업을 수행할 EIS IC의 수를 제한할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 대규모 병렬 방식으로 배터리의 임피던스를 추출할 수 있어, 배터리의 신뢰성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 배터리에서 발생될 수 있는 결함 사례들이 예시된 도면,
도 2는, 종래의 EIS 장치의 구조가 예시된 도면,
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 임피던스 측정 시스템용 아키텍처의 설명에 제공된 도면,
도 4는, 상기 도 3에 도시된 임피던스 측정 시스템용 아키텍처의 EIS 모듈이 단일 모듈로 구현된 모습이 예시된 도면, 그리고
도 5는, 상기 도 3에 도시된 임피던스 측정 시스템용 아키텍처가 EIS 모듈의 확장이 가능하도록 구현된 모습이 예시된 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

종래에는 배터리의 결함을 진단하기 위해 저항 검사부터 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 측정까지 다양한 방법들이 개발되었다.

이러한 종래의 기술 중 EIS(임피던스 분광법, Electrochemical Impedance Spectroscopy)는, 교류(AC) 전원을 인가하여, 전류의 응답 특성(주파수 함수)을 해석하여, 임피던스를 측정하는 기술이다.

여기서, 임피던스 Z는, 교류회로에서 특정 주파수(w)의 전압(V)과 전류(I)의 비를 나타내는 것을 의미한다.

(수식) Z(w)=V(w)/I(w)

EIS는, 매우 낮은 구현 비용으로 배터리의 전기화학 특성을 분석할 수 있다는 장점을 갖고 있으나, 시스템의 확장성이 제한되며, 임피던스 측정 시 관리자의 개입이 필요하다는 단점이 존재하여 그 한계가 존재한다.

도 2는, 이러한 종래의 EIS 기술이 적용된 측정 장치(이하에서는 'EIS 측정 장치'로 총칭하기로 함)의 구조가 예시된 도면이다.

도 2를 참조하면, 종래의 EIS 측정 장치는, 하나 이상의 신호 발생기와 하나 이상의 데이터 수집 라인으로 구성되며, 정보를 수집, 처리 및 연결된 컴퓨터에 보고하는 데이터 처리장치(11)에 연결될 수 있다.

이러한 종래의 EIS 측정 장치는 확장성이 제한되기 때문에, 배터리의 생산 라인에 배치되는 경우, 배터리를 구성하는 복수의 배터리 셀에 대하여 각각 임피던스를 측정해야 하기 때문에, 배터리 셀의 수에 맞춰, 복수의 측정 장치가 준비되어야 하며, 각 측정 장치별로 관리자의 개입이 필요하여, EIS 측정 장치를 운영하는 운영비가 증가하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 시스템의 임피던스 측정 시스템용 아키텍처의 설명에 제공된 도면이고, 도 4는, 상기 도 3에 도시된 임피던스 측정 시스템용 아키텍처의 EIS 모듈(100)이 단일 모듈로 구현된 모습이 예시된 도면이며, 도 5는, 상기 도 3에 도시된 임피던스 측정 시스템용 아키텍처가 EIS 모듈(100)의 확장이 가능하도록 구현된 모습이 예시된 도면이다.

본 실시예에 따른 배터리의 임피던스 측정 시스템용 아키텍처는, 대규모 병렬 방식으로 배터리의 임피던스를 추출하기 위해 마련된다.

이를 위해, 임피던스 측정 시스템용 아키텍처는, 각각의 배터리 셀의 개별적인 임피던스 추출을 수행하는 EIS 모듈(100)이 데이터 처리장치(11)의 데이터 버스에 병렬 구조로 연결될 수 있다.

구체적으로, 임피던스 측정 시스템용 아키텍처는, 각각의 배터리 셀의 개별적인 임피던스 추출을 위해, 개별적으로 신호 생성 및 신호 수집 기능의 수행이 가능하도록 마련되는 EIS IC(110)가 병렬 구조로 마련되는 EIS 모듈(100) 및 EIS 모듈(100)을 별도로 마련되는 데이터 처리장치(11)의 중앙 데이터 버스에 연결하기 위해 마련되는 인터페이스(200)를 포함할 수 있다.

또한, EIS 모듈(100)은, 복수의 EIS IC(110) 이외에, 각각의 EIS IC(110)와 인터페이스(200)를 연결하기 위한 SPI 버스(120)가 추가로 마련될 수 있다.

여기서, 각각의 EIS IC(110)는, 신호 생성, 신호 증폭, 신호 수집, 신호 처리 및 보고 기능을 수행할 수 있는 모놀리식 집적회로(Monolythic IC)로 구현될 수 있다.

SPI 버스(120)는, 복수의 채널이 마련되고, 각 채널에 각각의 EIS IC(110)가 개별적으로 연결되어, 각 채널에 개별적으로 연결된 각각의 EIS IC(110)가 각각의 배터리 셀에서의 임피던스 추출 작업이 병렬적으로 수행 가능하도록 할 수 있다.

즉, 배터리 셀의 임피던스를 측정하기 위해 채널당 하나의 EIS IC(110)가 사용되어, 임피던스 측정 시스템용 아키텍처에 연결된 모든 배터리 셀의 임피던스를 동시에 추출할 수 있어, 높은 효율성을 확보할 수 있다.

이때, SPI 버스(120)의 채널은 SPI 유형의 동일한 데이터 버스에 연결된 모듈로 다시 그룹화될 수 있다.

또한, EIS 모듈(100)당 최대 채널 수는, SPI 버스(120)의 최대 데이터 속도와 생성된 데이터 양 사이의 비율에 의해 결정될 수 있다.

구체적으로, SPI 버스(120)에는 비트/초(예: X 비트/초)로 표시되는 최대 데이터 속도가 설정될 수 있으며, 이때, SPI 버스(120)의 채널은, 초당 특정 수의 비트를 생성할 수 있어, 최대 채널 수는 Y/X 관계로 정의될 수 있다.

그리고 EIS 모듈(100)에서 생성되는 데이터의 최대값은, 임피던스가 추출되는 최대 주파수와 임피던스 추출 라인의 분해능(resolution)에 의해 결정될 수 있다.

즉, EIS 모듈(100)에서 생성되는 데이터는 각 주파수(또는 각 주파수의 모듈 및 위상)에서 임피던스의 실수 및 허수 값을 포함하는 세 개의 열로 구성되는 테이블에 기록될 수 있어, 빈도 값이 많을수록 테이블이 커지게 되며, 각 값의 크기는 획득 라인의 해상도와 연결될 수 있다.

따라서, 데이터 수집 라인의 분해능은 비트 단위로 결정될 수 있으며, 이때, 비트가 많을수록 해상도가 높아지게 된다.

여기서, EIS 모듈(100)에서 생성되는 데이터의 크기는 아래 수식을 통해 산출될 수 있다.

(수식)

한편, EIS 모듈(100)은, 임피던스 추출 작업 수행 후, 인터페이스(200)를 통해, 추출 결과를 데이터 처리장치(11)에 보고할 수 있다.

구체적으로, 인터페이스(200)는, 시스템 온 모듈(10)에 마련되는 데이터 처리장치(11)와 연결되기 위한 AXI 버스(12) 및 SPI 버스(120)와 각각 연결되어, 각각의 EIS IC(110)로부터 생성되는 데이터가 동시에 데이터 처리장치(11)로 전달되도록 할 수 있다.

AXI 버스(12)는 데이터 전송 속도가 SPI 버스(120)보다 몇 배 더 빠르기 때문에 하나의 AXI 버스(12)가 인터페이스(200)를 통해, 병렬 구조로 구현되는 복수의 SPI 버스(120)와 연결되어도, 원활하게 데이터를 전송할 수 있다.

그리고 AXI 버스(12)는 도 5에 예시된 바와 같이 병렬 구조로 구현되는 복수의 인터페이스(200)에 연결되는 방식으로, 확장성을 확보할 수 있다.

즉, 하나의 AXI 버스(12)에 복수의 인터페이스(200)가 연결될 수 있으며, 이때 각각의 인터페이스(200)에는, 복수의 SPI 버스(120)가 연결되는 계층 구조를 가질 수 있다.

이때, 인터페이스(200)는, 보고할 데이터 양과 각 채널별 데이터 속도에 따라 임피던스 추출 작업을 수행할 EIS IC(110)의 수를 제한할 수 있다.

이를 통해, 단일 SPI 모듈의 기능보다 더 많은 임피던스 측정 채널이 필요한 경우, 적은 비용으로 동일한 용량의 더 많은 SPI 모듈을 임피던스 측정 시스템용 아키텍처에 추가할 수 있다.

더욱이, 수백 개의 SPI 버스(120)의 채널을 관리하는데 하나의 시스템 온 모듈(10)만 필요하기 때문에, 이를 관리하기 위한 한 명의 관리자만 필요하여, 운영 비용을 절감시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

10 : 시스템 온 모듈(System On Module)
11 : 데이터 처리장치(Processing core)
12 : AXI 버스 (Advanced eXtensible Interface Bus)
100 : EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 모듈
110 : EIS IC(Electrochemical Impedance Spectroscopy Integrated Circuit)
120 : SPI 버스(Serial Peripheral Interface Bus)
200 : 인터페이스

Claims (7)

1. 각각의 배터리 셀의 개별적인 임피던스 추출을 위해, 개별적으로 신호 생성 및 신호 수집 기능의 수행이 가능하도록 마련되는 EIS IC(Electrochemical Impedance Spectroscopy Integrated Circuit)가 병렬 구조로 마련되는 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 모듈; 및
   EIS 모듈을 별도로 마련되는 데이터 처리장치의 데이터 버스에 연결하기 위해 마련되는 인터페이스;를 포함하며,
   EIS 모듈은,
   각각의 EIS IC와 인터페이스를 연결하기 위해 마련되는 SPI 버스(Serial Peripheral Interface Bus);를 더 포함하고,
   SPI 버스는,
   복수의 채널이 마련되고, 각 채널에 각각의 EIS IC가 개별적으로 연결되어, 각 채널에 개별적으로 연결된 각각의 EIS IC가 각각의 배터리 셀에서의 임피던스 추출 작업이 병렬적으로 수행 가능하도록 하며,
   EIS 모듈당 최대 채널 수는,
   SPI 버스의 최대 데이터 속도와 생성된 데이터 양 사이의 비율에 의해 결정되고,
   EIS 모듈에서 생성되는 데이터의 최대값은,
   임피던스가 추출되는 최대 주파수와 임피던스 추출 라인의 분해능(resolution)에 의해 결정되며,
   EIS 모듈은,
   임피던스 추출 작업 수행 후, 인터페이스를 통해, 추출 결과를 데이터 처리장치에 보고하고,
   인터페이스는,
   보고할 데이터 양과 각 채널별 데이터 속도에 따라 임피던스 추출 작업을 수행할 EIS IC의 수를 제한하며,
   EIS 모듈에서 생성되는 데이터는,
   각 주파수에서 임피던스의 실수 및 허수 값을 포함하는 테이블에 기록되며,
   테이블에 기록되는 각 값의 크기는, 획득 라인의 해상도와 연결되며,
   데이터 수집 라인의 분해능은, 비트 단위로 결정되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   각각의 EIS IC는,
   신호 생성, 신호 증폭, 신호 수집, 신호 처리 및 보고 기능을 수행하는 모놀리식 집적회로(Monolythic IC)인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 대규모 임피던스 추출을 위해 설계된 측정 시스템용 아키텍처.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제