KR102630936B1 - 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기 및 방법 - Google Patents
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Abstract
고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기는, 제공되는 GUI를 통해 명령이 전달되면, DAC부 및 ADC부를 초기화하는 초기화부; 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성하는 DAC부; 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득하는 ADC부; 및 획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 도출하는 임피던스 측정부;를 포함한다. 이에 따라, 별도의 외부 전원 공급 없이 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 휴대용 EIS 기기를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 전원 공급 없이 리튬 이온 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 저가형 휴대용 EIS((Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기기에 관한 것이다.
리튬 이온(Li-ion) 배터리는 높은 에너지, 높은 전력, 긴 사이클 수명 및 높은 충방전 효율의 장점으로 인해 에너지 저장 발전소 및 전기 자동차(EV)와 같은 대형 에너지 저장 시스템(ESS; large energy storage systems)에 널리 사용된다. 또한, 최근 전기 자동차 시장의 급속한 확장과 전기 자동차의 핵심 구성 요소로서 배터리가 더 많은 관심을 받고 있다.
배터리 성능은 EV의 안전성과 신뢰성에 직접적인 영향을 미치므로 관리 기술이 매우 중요하다. 그 중에서 배터리의 SOH(State of Health; 건강 상태)를 추정하고 RUL(Remaining Useful Life; 잔여 사용 수명)을 예측하는 방법이 초점이 되었으며, 이는 시간에 따른 신뢰성과 최적의 성능을 보장하는데 필수적이다.
전기 이동성과 관련된 대부분의 문헌에서 EV 배터리의 수명 종료(EOL, end of life)는 공칭 값(nominal value)에서 셀 용량이 20 % 감소하는 것으로 정의된다. 하지만, 여전히 많은 양의 에너지를 저장할 수 있으며 최근에 2차 수명 배터리(SLB)로 불리는 다른 애플리케이션에서 작동할 수 있다.
EV에서 사용한 배터리를 수집하고 배터리 팩의 SOH를 검사하여 남은 용량을 추정하고, 배터리는 다음과 같은 경우 2차 수명 애플리케이션에서 유용하게 사용할 수 있다. 배터리의 SOH가 40 % 이상이면 용도 변경을 위해 재활용할 수 있다. SLB 애플리케이션을 위한 새로운 시스템을 만들기 위해 모듈 또는 셀로 나눌 수 있다. SLB 모듈 또는 셀은 특정 애플리케이션에 필요한 에너지와 전력을 얻기 위해 직렬 또는 병렬로 다시 연결할 수 있다. 2차 수명 후에는 배터리를 재활용하여 원료를 회수한다.
배터리의 SOH를 추정하기 위해 EIS는 편리성, 신속성 및 정확성을 장점으로 하는 진단 기술 중 하나이다. EIS는 비교적 짧은 기간에 상당한 양의 정보를 제공하는 비파괴 기술이다. 또한, EIS 기술은 생산 라인의 품질 보증, 충전 상태(SOC), SOH, 내부 온도 모니터링 및 RUL 추정을 포함한 배터리 상태 추정과 같은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있다.
리튬 이온 배터리 시스템의 전력 공급 능력을 이해하기 위해 EIS를 사용하면 많은 이점이 있다. 응용 화학, 생물 의학, 물리 세포 및 기타 여러 공학 분야를 포함한 다양한 분야에서 활용되는 유용한 도구이다. 또한, 연료 전지, 슈퍼 커패시터 및 배터리와 같은 전력원을 유용한 도구로 모델링하고 진단할 수 있다.
그러나, 지금까지 개발된 포터블형 상용 EIS 장비는 거의 없으며, 외부전원을 필요로 하는 정치형 장비는 상당히 비싸고 주로 저전압 기기의 임피던스를 측정하도록 설계되어 있다는 문제가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기는, 제공되는 GUI를 통해 명령이 전달되면, DAC부 및 ADC부를 초기화하는 초기화부; 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성하는 DAC부; 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득하는 ADC부; 및 획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 도출하는 임피던스 측정부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 DAC부는, DC 신호에 중첩되는 2개의 정현파 스위프 기준 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 DAC부는, 섭동 신호를 제어하기 위해, 스위치, 비교기, 전류 센서 및 증폭기를 포함하는 제어 로직을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 DAC부는, 전류 센서의 피드백을 통해 스위치의 게이트 전압을 생성된 정현파 스위프 기준 신호와 비교하여 섭동 신호를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 ADC부는, 수동 고역 통과 필터와 능동 저역 통과 필터 및 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 휴대용 임피던스 분광기는, USB 포트를 통해 외부 장치와 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 휴대용 임피던스 분광기는, 외부 장치에서 특정 주파수의 임피던스를 실시간으로 표시할 수 있도록 계산된 임피던스 결과를 외부 장치로 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 휴대용 임피던스 분광기는, 마이크로콘트롤러, 고전압 보호 회로, 신호 조절 회로 및 감지 회로 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은, 배터리 팩과 연결된 휴대용 임피던스 분광기에 명령이 전달되면, DAC부 및 ADC부를 초기화하는 단계; DAC부를 통해 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성하는 단계; ADC부를 통해 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득하는 단계; 및 획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 도출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 정현파 섭동 신호를 생성하는 단계는, 전류 센서의 피드백을 통해 스위치의 게이트 전압을 생성된 정현파 스위프 기준 신호와 비교하여 섭동 신호를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은, 외부 장치에서 특정 주파수의 임피던스를 실시간으로 표시할 수 있도록 계산된 임피던스 결과를 외부 장치로 전송하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기에 따르면, 별도의 외부 전원 공급 없이 최대 1000V까지 리튬 이온 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 저가형 휴대용 EIS 기기를 제공할 수 있다.
기존 상용 기기는 정현파 섭동 전류를 생성하기 위해 외부 전력이 필요하지만, 본 발명에서 제안된 EIS 기기는 배터리의 임피던스 스펙트럼이 방전 중에만 측정되기 때문에 외부 전력이 필요하지 않다. 또한, 본 발명에서 제안된 EIS 기기는 USB 케이블을 통해 공급될 수 있는 회로 동작을 위해 적은 전력만 필요하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기의 블록도이다.
도 2는 배터리의 등가 회로 모델(ECM)의 일례를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 배터리의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯의 다른 주파수 영역에서 관련된 화학 반응을 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 휴대용 임피던스 분광기를 포함하는 EIS 시스템의 예시 블록도이다.
도 5는 본 발명에서 섭동 전류를 제어하기 위해 사용될 수 있는 고정밀 전류 싱크의 예시 도면이다.
도 6은 켈빈(Kelvin) 선 연결을 사용하여 본 발명의 EIS 기기에 연결하는 예시를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 사용되는 MCU의 DLA 기반 EIS 알고리즘과 LabVIEW 소프트웨어 기반 GUI의 예시를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에서 임피던스를 계산하기 위한 DLA의 예시 블록도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 EIS 기기와 상용 EIS 기기의 임피던스 측정 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 휴대용 임피던스를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법의 흐름도이다.
도 2는 배터리의 등가 회로 모델(ECM)의 일례를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 배터리의 나이퀴스트(Nyquist) 플롯의 다른 주파수 영역에서 관련된 화학 반응을 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 휴대용 임피던스 분광기를 포함하는 EIS 시스템의 예시 블록도이다.
도 5는 본 발명에서 섭동 전류를 제어하기 위해 사용될 수 있는 고정밀 전류 싱크의 예시 도면이다.
도 6은 켈빈(Kelvin) 선 연결을 사용하여 본 발명의 EIS 기기에 연결하는 예시를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 사용되는 MCU의 DLA 기반 EIS 알고리즘과 LabVIEW 소프트웨어 기반 GUI의 예시를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명에서 임피던스를 계산하기 위한 DLA의 예시 블록도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 EIS 기기와 상용 EIS 기기의 임피던스 측정 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 휴대용 임피던스를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법의 흐름도이다.
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 실시예에 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 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기의 블록도이다.
본 발명에 따른 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기(10, 이하 EIS 기기)는 배터리의 SOH(State of Health; 건강 상태), RUL(Remaining Useful Life; 잔여 사용 수명) 등의 배터리 상태를 진단하기 위해 외부 전원 공급 없이 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 휴대용 기기이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 EIS 기기(10)는 초기화부(110), DAC부(130), ADC부(150) 및 임피던스 측정부(170)를 포함한다.
본 발명의 상기 EIS 기기(10)는 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 초기화부(110), 상기 DAC부(130), 상기 ADC부(150) 및 상기 임피던스 측정부(170)의 구성은 상기 EIS 기기(10)에서 실행되는 상기 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
상기 EIS 기기(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 초기화부(110), 상기 DAC부(130), 상기 ADC부(150) 및 상기 임피던스 측정부(170)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
상기 EIS 기기(10)는 이동성을 갖는 휴대용 기기이다. 상기 EIS 기기(10)는, 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
상기 EIS 기기(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 상기 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.
배터리의 SOH(State of Health; 건강 상태)는 배터리의 RUL(Remaining Useful Life; 잔여 사용 수명)을 나타내므로 배터리 사용 과정에서 중요한 매개 변수이다.
한편, EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy; 전기화학 임피던스 분광법)는 배터리 상태를 관찰하는데 널리 사용되는 기술이다. 특정 주파수에서 측정된 임피던스는 기본 화학 반응과 밀접하게 관련되어 있으므로 배터리 상태를 평가하는데 사용할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 리튬 이온 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위해 마이크로컨트롤러 장치(예를 들어, ARM Cortex-M4 MCU)를 기반으로 저가형 휴대용 EIS 기기(10)를 제공한다.
MCU는 내장 DAC 모듈을 사용하여 정현파 스위프 섭동 신호를 생성한다. 또한, 전압 및 전류 신호의 이중 채널 수집을 수행하고 DLA(Digital Lock-in Amplifier)를 사용하여 임피던스를 계산하고, 그 결과를 PC 등 외부 장치에 전송할 수 있다.
일 실시예에서, LabVIEW를 사용하여 EIS 정보를 실시간으로 표시하는 인터페이스를 제공한다. 본 발명에서 제안된 EIS 기기(10)는 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 최대 1000V까지 측정하는데 적합하다. 상기 EIS 기기(10)의 측정 주파수 범위는 1Hz ~ 1Khz로 설계하였다. 또한, 개발된 기기의 성능을 입증하기 위해 삼성 SM3 배터리 팩과 벡셀 파우치 모듈의 임피던스를 측정하여 상용 기기에서 얻은 것과 비교하였다.
상기 EIS 기기(10)는 제공되는 GUI를 통해 명령이 전달되면, 상기 초기화부(110)를 통해 상기 DAC부(130) 및 상기 ADC부(150)를 초기화하고, 서로 다른 주파수에서 작은 진폭의 사인파를 가진 배터리의 임피던스 스펙트럼을 섭동 신호로 측정한다.
이는 배터리 내부의 내부 전기 화학 공정에 관한 유용한 정보를 제공하며, 추후 배터리의 등가 회로 모델(ECM)의 매개 변수를 추출하는데 사용할 수 있다. 또한, 배터리의 노화, 상태 및 용량에 관한 유용한 정보를 사용하여 더 나은 성능과 긴 수명 주기를 위해 배터리를 관리할 수 있다.
상기 DAC부(130)는 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성한다.
배터리의 등가 회로 모델(ECM)의 예시를 도 2에 나타내었다. 나이퀴스트(Nyquist) 플롯의 서로 다른 주파수 영역에서 관련된 화학 반응은 도 3에 나타내었다.
고주파 EIS는 배터리 및 측정 장치의 유도 성분을 반영하는 직선이다. 가로축의 교차점은 테스트에 사용된 전해질, 전극 및 와이어의 저항에 해당하는 저항 임피던스(Rs)을 나타낸다. 리튬 이온 배터리의 노화는 다양한 현상의 조합으로 인해 발생한다. 미세 균열의 형성, 가스 발생, 바인더 분해, 집 전체 부식, 전해질 고갈이 모두 배터리 노화 및 성능 저하의 원인으로 보고되고 있다.
따라서, 이러한 다양한 과정을 구별하고 노화의 특성을 식별하는 것은 어렵다. 많은 경우 EIS를 사용하여 Rs를 측정하는 것은 배터리의 노화를 평가하는 유용한 방법이다. 나이퀴스트(Nyquist) 플롯에서 중간 주파수 영역의 아크는 전극과 전해질 사이의 계면에서 Li+의 전하 전달 저항에 의해 발생하며, 아래의 수학식 1과 같이 전하 전달 내부 저항(Rct)과 상등 요소(Constant phase element; ZCPE)의 병렬 회로로 표시된다.
[수학식 1]
여기서, Q는 시간 상수이고, n은 0과 1 사이의 실수이다. Rct는 실온에서 총 셀 저항에서 가장 큰 값을 가지며, 리튬 이온 배터리의 전력 밀도는 주로 Rct에 의존한다. 저주파 영역은 아래의 수학식 2에 의해 주어진 Warburg 임피던스(ZW)로 표현되는 고체 확산 임피던스로 해석된다. 여기서, Q는 물질 전달 계수이다.
[수학식 2]
배터리의 내부 프로세스를 조사하는데 사용할 수 있는 다양한 종류의 전기 화학적 분석 방법이 존재한다. 그러나, EIS 분석의 경우 한 번의 실험으로 배터리 셀의 등가 회로 모델의 각 구성 요소에서 중요한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 배터리를 손상시키지 않는 비파괴 방식이며, 측정을 수행하는데 소요되는 시간이 상대적으로 짧다는 장점이 있다.
정확한 회로 모델이 설정되면, 분석을 통해 리튬 이온 배터리의 ECM에서 각 구성 요소의 매개 변수 값을 얻을 수 있다. 배터리의 크기에 관계없이 측정이 용이하기 때문에 본 발명에서 제안된 EIS 기기(10)는 LIB의 열화 메커니즘을 조사할 수 있는 효율적인 분석 도구가 될 수 있다.
도 4는 도 1의 휴대용 임피던스 분광기를 포함하는 EIS 시스템의 예시 블록도이다.
본 실시예의 시스템(1)에서 EIS 기기(10)는 USB 포트를 통해 PC 등 외부 장치(3)에 연결된 플러그 앤 플레이 장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 시스템(1)은 LabVIEW로 제어된다.
주변 PCB 보드(5)에는 MCU, 전류 제어 로직, 고전압 보호, 신호 조절 및 감지 회로 등이 포함될 수 있다. 배터리 팩을 섭동시키기 위해 예를 들어, MCU의 12 비트 DAC를 사용하여 아래의 수학식 3 및 수학식 4에 표시된 것처럼 DC 신호에 중첩되는 정현파 스위프 기준 신호를 생성한다.
[수학식 3]
[수학식 4]
본 발명에서 사용된 주파수 범위는 1Hz ~ 1kHz이며 디케이드(decade) 당 6개 및 3개 주파수이다. 측정된 전압 및 전류 신호는 두 개의 개별 16 비트 ADC에 의해 배터리 팩에서 수집될 수 있다. 획득된 신호의 높은 정확도를 위해 200kHz 샘플링 주파수가 사용될 수 있다.
섭동 전류를 제어하기 위해 고정밀 전류 싱크가 사용될 수 있다. 제어 로직은 도 5와 같이 스위치, 비교기, 전류 센서 및 증폭기로 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 스위치의 게이트 전압은 전류 센서에서 피드백을 받아 DAC에서 생성된 입력 기준 신호(Vref)와 비교하여 제어된다. Vref에 양의 전압이 가해지면 비교기의 출력 전압이 높아져 스위치가 켜지고 전류가 구동된다.
전류가 상승하면 전류 센서의 전압도 상승하고 비교기에 대한 전압 피드백은 Vref가 될 때까지 증가한다. Vref의 입력 신호가 정현파일 때 스위치를 통해 정현파 전류를 생성한다. 피드백의 이득은 입력 기준 신호의 감도를 감소시킨다.
배터리 팩은 도 6과 같이 Four-Wire Kelvin 연결을 사용하여 본 발명의 EIS 기기에 연결될 수 있다. Four-Wire 커넥터는 와이어 저항을 제거할 수 있으며, 이 구조는 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
상기 ADC부(150)는 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득한다.
배터리 양단의 전압은 DC를 차단하고, ADC가 필터링된 AC만 획득할 수 있도록 하는데 사용되는 수동 고역 통과 필터와 능동 저역 통과 필터를 사용하여 측정될 수 있다. 또한, 전류는 감지 저항에 의해 감지되고 연산 증폭기를 통해 증폭될 수 있다.
상기 임피던스 측정부(170)는 획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 측정한다. 상기 임피던스 측정부(170)는 획득한 전류 및 전압 데이터로 필요한 주파수 성분만 추출하고 특정 주파수에서의 임피던스는 DLA에 의해 계산될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 소프트웨어는 도 7과 같이 MCU의 DLA 기반 EIS 알고리즘과 LabVIEW 소프트웨어 기반 GUI로 구성될 수 있다.
LabVIEW 소프트웨어에 기반한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 배터리 팩 임피던스를 표시하고 평가하기 위해 제공된다. 이에 따라, 소프트웨어의 단순성으로 인해 작업자가 측정을 수행하기 전에 복잡한 교육이 필요하지 않다.
예를 들어, 실행 버튼을 누르면 시스템이 배터리 팩을 섭동시키기 위해 원하는 진폭의 정현파 스위프 신호를 생성하기 시작하고, 그 결과 전류 및 전압 파형이 MCU에 의해 수집된다. 원하는 주파수 성분이 DLA를 통해 추출되어, 해당 특정 주파수의 임피던스가 PC 등의 외부 장치(3)를 통해 실시간으로 표시될 수 있다.
획득된 신호는 아래의 수학식 5로 표시된다.
[수학식 5]
여기서, A는 측정된 신호의 진폭이고, Θ는 초기 위상이다. 신호는 샘플링 주파수 fs = Nf에서 이산화된다. 여기서, f는 측정된 신호의 주파수이고 N은 샘플 수이다. 샘플링 시간 간격은 ts = 1/(Nf) 이다. 두 개의 기준 신호는 아래의 수학식 6 및 수학식 7로 표현된다. 여기서, B는 기준 신호의 진폭이다.
[수학식 6]
[수학식 7]
측정된 신호에 두 개의 기준 신호, 즉 차 주파수(difference frequency) 항(DC 신호)과 합 주파수(sum frequency) 항(기준 신호 주파수의 두 배)과 곱하면, 각각 아래의 수학식 8과 수학식 9가 도출된다.
[수학식 8]
[수학식 9]
두 출력은 저역 통과 필터를 통과하여 각각 아래의 수학식 10 및 수학식 11과 같은 두 개의 DC 신호들이 도출된다.
[수학식 10]
[수학식 11]
획득한 신호의 진폭과 위상은 각각 아래의 수학식 12 및 수학식 13을 사용하여 획득된다.
[수학식 12]
[수학식 13]
획득한 전압 및 전류 신호의 진폭(Av 및 AI)과 위상(Θv 및 ΘI)을 얻기 위해 두 개의 개별 DLA가 사용된다. 임피던스 Z는 아래의 수학식 14를 사용하여 계산할 수 있다. 임피던스를 계산하기 위한 DLA의 블록도의 예시는 도 8에 도시된다.
[수학식 14]
이하에서는, 본 발명에서 제안된 EIS 기기(10)의 성능과 정확성을 검증하기 위해 삼성 SM3 ZE 배터리 팩과 벡셀 파우치 모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하여 실험을 수행한 결과를 설명한다.
본 발명의 EIS 기기(10)는 USB 케이블과 4 선 Kelvin 연결 케이블을 통해 PC와 배터리 팩에 각각 연결된다. 아래의 표 1은 배터리 팩 및 파우치 모듈의 사양을 보여준다.
[표 1]
본 발명의 성능을 검증하기 위해 시판되는 기기를 사용하여 결과를 비교한다. 도 9에서 보는 바와 같이, 삼성 SM3 ZE 배터리 팩을 본 발명의 EIS 기기(10)와 상용 기기에서 측정한 임피던스 스펙트럼은 서로 잘 일치하며 0.728 %의 카이 제곱을 보여준다. 도 10은 카이 제곱이 0.662 %인 Bexel 파우치 모듈의 결과를 보여주며, 이를 통해 본 발명에서 제안된 EIS 기기(10)의 측정 정확도를 확인할 수 있다.
본 발명에서는 별도의 외부 전원 공급 없이 최대 1000V까지 리튬 이온 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 저가형 휴대용 EIS 기기를 제공한다.
기존 상용 기기는 정현파 섭동 전류를 생성하기 위해 외부 전력이 필요하지만, 본 발명에서 제안된 EIS 기기는 배터리의 임피던스 스펙트럼이 방전 중에만 측정되기 때문에 외부 전력이 필요하지 않다. 또한, 본 발명에서 제안된 EIS 기기(10)는 USB 케이블을 통해 공급될 수 있는 회로 동작을 위해 적은 전력만 필요하다는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 휴대용 임피던스를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은, 도 1의 EIS 기기(10)와 실질적으로 동일한 구성을 사용하여 진행될 수 있다.
따라서, 도 1의 EIS 기기(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 실시예에 따른 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
본 발명은 리튬 이온 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위한 저가형 휴대용 EIS 기기를 사용하여 정현파 스위프 섭동 신호를 생성한다. 또한, 전압 및 전류 신호의 이중 채널 수집을 수행하고 DLA(Digital Lock-in Amplifier)를 사용하여 임피던스를 계산하고, 그 결과를 PC 등 외부 장치에 전송할 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은, 배터리 팩과 연결된 휴대용 임피던스 분광기에 명령이 전달되면, DAC부 및 ADC부를 초기화한다(단계 S10).
명령은 LabVIEW 소프트웨어에 기반한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해 제공될 수 있으며, GUI는 배터리 팩 임피던스를 표시하고 평가하기 위해 제공된다. 이에 따라, 소프트웨어의 단순성으로 인해 작업자가 측정을 수행하기 전에 복잡한 교육이 필요하지 않다.
예를 들어, 실행 버튼을 누르면 시스템이 배터리 팩을 섭동시키기 위해 원하는 진폭의 정현파 스위프 신호를 생성하기 시작하고, 그 결과 전류 및 전압 파형이 MCU에 의해 수집된다. 원하는 주파수 성분이 DLA를 통해 추출되어, 해당 특정 주파수의 임피던스가 PC 등의 외부 장치를 통해 실시간으로 표시될 수 있다.
이후, DAC부를 통해 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성한다(단계 S30). 이때, 전류 센서의 피드백을 통해 스위치의 게이트 전압을 생성된 정현파 스위프 기준 신호와 비교하여 섭동 신호를 제어할 수 있다.
ADC부를 통해 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득한다(단계 S50).
이 경우, 배터리 양단의 전압은 DC를 차단하고, ADC가 필터링된 AC만 획득할 수 있도록 하는데 사용되는 수동 고역 통과 필터와 능동 저역 통과 필터를 사용하여 측정될 수 있다. 또한, 전류는 감지 저항에 의해 감지되고 연산 증폭기를 통해 증폭될 수 있다.
획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 도출한다(단계 S70).
측정된 임피던스는 배터리 내부의 내부 전기 화학 공정에 관한 유용한 정보를 제공하며, 추후 배터리의 등가 회로 모델(ECM)의 매개 변수를 추출하는데 사용할 수 있다. 또한, 배터리의 노화, 상태 및 용량에 관한 유용한 정보를 사용하여 더 나은 성능과 긴 수명 주기를 위해 배터리를 관리할 수 있다.
또한, 외부 장치에서 특정 주파수의 임피던스를 실시간으로 표시할 수 있도록 계산된 임피던스 결과를 외부 장치로 전송할 수 있다.
이와 같은, 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법은 애플리케이션으로 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, DVD와 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 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 리튬 이온 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 휴대용 EIS 기기를 제안하였다. 측정 가능한 주파수 범위는 1Hz ~ 1kHz 으로 설계하였으며, 본 발명의 EIS 기기는 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 최대 1000V까지 측정할 수 있다. 또한, 재사용을 위해 EV 배터리 팩의 RUL을 평가하는데 활용할 수 있다.
실험 결과, 본 발명의 EIS 기기가 상용 기기로서 우수한 정확도를 가지고 있음이 검증되었다. 본 발명의 EIS 기기는 5V USB 전원 공급 장치만 사용하며 별도의 외부 전원 공급 장치가 필요하지 않다. 본 발명의 EIS 기기는 플러그 앤 플레이 장치 형태일 수 있으며, 배터리의 SOH(State of Health; 건강 상태) 및 RUL(Remaining Useful Life; 잔여 사용 수명) 등 배터리의 상태를 측정하는 응용 분야에 유용하게 활용될 수 있다.
10: 휴대용 임피던스 분광기
110: 초기화부
130: DAC부
150: ADC부
170: 임피던스 측정부
1: 시스템
3: 외부 장치
5: 주변 PCB 보드
110: 초기화부
130: DAC부
150: ADC부
170: 임피던스 측정부
1: 시스템
3: 외부 장치
5: 주변 PCB 보드
Claims (11)
- 제공되는 GUI를 통해 명령이 전달되면, DAC부 및 ADC부를 초기화하는 초기화부;
설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성하는 DAC부;
섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득하는 ADC부; 및
획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 도출하는 임피던스 측정부;를; 포함하고,
상기 DAC부는,
DC 신호에 중첩되는 2개의 정현파 스위프 기준 신호를 생성하고,
섭동 신호를 제어하기 위해, 스위치, 비교기, 전류 센서 및 증폭기를 포함하는 제어 로직을 포함하고,
전류 센서의 피드백을 통해 스위치의 게이트 전압을 생성된 정현파 스위프 기준 신호와 비교하여 섭동 신호를 제어하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 ADC부는,
수동 고역 통과 필터와 능동 저역 통과 필터 및 연산 증폭기를 포함하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
- 제1항에 있어서,
USB 포트를 통해 외부 장치와 연결되는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
- 제6항에 있어서,
외부 장치에서 특정 주파수의 임피던스를 실시간으로 표시할 수 있도록 계산된 임피던스 결과를 외부 장치로 전송하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
- 제1항에 있어서,
마이크로콘트롤러, 고전압 보호 회로, 신호 조절 회로 및 감지 회로 중 적어도 하나를 더 포함하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
- 배터리 팩과 연결된 휴대용 임피던스 분광기에 명령이 전달되면, DAC부 및 ADC부를 초기화하는 단계;
DAC부를 통해 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성하는 단계;
ADC부를 통해 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득하는 단계; 및
획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 도출하는 단계;를; 포함하고,
상기 DAC부를 통해 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성하는 단계는,
DC 신호에 중첩되는 2개의 정현파 스위프 기준 신호를 생성하고,
섭동 신호를 제어하기 위해, 스위치, 비교기, 전류 센서 및 증폭기를 포함하는 제어 로직을 포함하고,
전류 센서의 피드백을 통해 스위치의 게이트 전압을 생성된 정현파 스위프 기준 신호와 비교하여 섭동 신호를 제어하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
- 삭제
- 제9항에 있어서,
외부 장치에서 특정 주파수의 임피던스를 실시간으로 표시할 수 있도록 계산된 임피던스 결과를 외부 장치로 전송하는 단계;를 더 포함하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
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Non-Patent Citations (1)
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| GUL RAHIM et al., "A Portable Impedance Spectroscopy Instrument for the Measurement of the Impedance Spectrum of High Voltage Battery Pack", 전력전자학회 2020년도 추계학술대회 논문집, 203-205 페이지 (2020.11.27)* |
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