KR20110047497A - Method for generating state-of-charge standard information of secondary battery and method for estimating state-of-charge of secondary battery using state-of-charge standard information - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 2차 전지의 충전 상태 기준 정보 생성 방법 및 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of generating charge state reference information of a secondary battery and a method of measuring a state of charge of a secondary battery using the state of charge reference information.
최근 휴대기기 기능의 다양화와 디지털 컨버전스의 추세가 진행됨에 따라 친환경 및 초경량, 고성능 에너지인 리튬 이온 전지(Lithium ion Battery) 및 리튬 폴리머 전지(Lithium Polymer Battery) 등 2차 전지가 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 고용량 전지는 전기 자동차용으로 높은 수요가 예측되고 있다. Recently, with the diversification of mobile device functions and the trend of digital convergence, secondary batteries such as lithium ion battery and lithium polymer battery, which are eco-friendly, ultra-light and high-performance energy, are widely used. High capacity batteries are expected to be in high demand for electric vehicles.
이러한 2차 전지가 전자기기에 사용될 경우, 사용 가능 시간을 계산할 필요가 있으며, 2차 전지가 중요시설이나 전산망에 전력을 공급하는 경우, 2차 전지의 방전에 의한 갑작스런 셧다운이 발생하지 않도록 할 필요가 있다. 또한, 전기 자동 차용으로 사용되는 대용량의 리튬 폴리머 전지는 크랭킹(cranking)이 불가능할 정도로 방전이 되지 않을 필요가 있으며, 리튬 폴리머 전지를 통한 운행 가능 거리가 정확히 계산되어 신뢰성이 보장될 필요가 있다. When such a secondary battery is used in an electronic device, it is necessary to calculate the usable time, and when the secondary battery supplies power to an important facility or a computer network, it is necessary to prevent sudden shutdown due to the discharge of the secondary battery. There is. In addition, a large-capacity lithium polymer battery used for an electric vehicle needs not to be discharged to such an extent that cranking is impossible, and a running distance through the lithium polymer battery needs to be accurately calculated to ensure reliability.
2차 전지의 충전 상태(state of charge)는 직접 측정이 불가능하므로 주로 단자전압이나 전류를 이용한 간접적인 방법에 의해 측정된다. 그러나 2차 전지의 비선형성으로 인해 단자 전압만으로 2차 전지의 충전상태를 정확히 측정하기는 어려우며, 특히 리튬 폴리머 전지의 경우, 충전상태 측정에 관해 정립된 방법이 많지 않다. 2차 전지의 충전 상태 측정을 위해 사용하는 대표적인 방법에는 쿨롱 카운팅(Coulomb Counting), Kalman Filter, Fuzzy Logic, Neural Network 등이 있다. Since the state of charge of a secondary battery cannot be measured directly, it is mainly measured by an indirect method using a terminal voltage or a current. However, due to nonlinearity of the secondary battery, it is difficult to accurately measure the state of charge of the secondary battery using only the terminal voltage. In particular, in the case of a lithium polymer battery, there are not many established methods for measuring the state of charge. Representative methods used to measure the state of charge of the secondary battery include Coulomb Counting, Kalman Filter, Fuzzy Logic, and Neural Network.
쿨롱 카운팅 방법은 2차 전지의 방전 전하량을 계산하는 것으로, 정확한 전류센서가 사용되면 매우 정확하고 신뢰성있는 충전 상태 정보를 얻을 수 있으나, 충/방전 전류가 매우 짧은 시간동안 교차하는 시스템은 오차가 누적될 수 있어 적용이 어렵다. Kalman Filter는 알고리즘 자체가 복잡하고 정확한 시스템 모델링이 수반되어야 하며, 정확한 추정을 위해서는 상태변수를 많이 잡아야 하는 문제가 있어 사용에 어려움이 있다. 또한 Fuzzy Logic 및 Neural Network의 방법은 경험적인 요소가 많아 정확한 측정이 불가능하고 계산량이 많으며, 신뢰성의 문제가 있어 거의 사용되지 않고 있다.The coulomb counting method calculates the discharge charge of the secondary battery, and if the accurate current sensor is used, very accurate and reliable state of charge information can be obtained.However, a system where the charge / discharge current crosses for a very short time accumulates errors. It can be difficult to apply. Kalman Filter is difficult to use because the algorithm itself has to be complicated and accurate system modeling is required, and many state variables are required for accurate estimation. Fuzzy Logic and Neural Network's methods are rarely used because they have many empirical factors, which make accurate measurements impossible, many calculations, and reliability problems.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 보다 신속하고 용이하게 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 2차 전지의 충전 상태 기준 정보 생성 방법 및 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed in order to solve the above problems, and the charging state of the secondary battery using the charging state reference information generation method and the charging state reference information of the secondary battery for measuring the state of charge of the secondary battery more quickly and easily The purpose is to provide a measurement method.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 2차 전지의 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 제1임피던스 정보를 입력받는 단계; 상기 2차 전지에 대한 등가회로 및 상기 제1임피던스 정보를 이용하여, 상기 충전 상태 단계 각각에 따른 상기 등가회로의 파라미터를 생성하는 단계; 및 상기 파라미터를 이용하여, 상기 2차 전지의 충전 상태에 따른 근사화된 파라미터를 생성하는 단계를 포함하는 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 기준 정보 생성 방법을 제공한다.The present invention for achieving the above object comprises the steps of receiving the first impedance information in each of the preset state of charge state of the secondary battery; Generating a parameter of the equivalent circuit according to each of the states of charge by using an equivalent circuit for the secondary battery and the first impedance information; And generating an approximated parameter according to the state of charge of the secondary battery using the parameter.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 충전 상태 기준 정보 및 상기 2차 전지에 대한 등가회로의 제1파라미터를 입 력받는 단계; 및 상기 충전 상태 기준 정보 및 상기 제1파라미터를 비교하여, 상기 2차 전지의 충전 상태를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 충전 상태 기준 정보는 상기 2차 전지의 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 임피던스 정보 및 상기 2차 전지에 대한 등가회로를 통해 생성된, 상기 2차 전지의 충전 상태에 따른 상기 등가회로의 근사화된 파라미터인 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법을 제공한다.In addition, the present invention for achieving the above object is a step of receiving charge state reference information for measuring the state of charge of the secondary battery and the first parameter of the equivalent circuit for the secondary battery; And comparing the state of charge reference information with the first parameter to measure the state of charge of the secondary battery, wherein the state of charge reference information includes impedance at each of the preset state of charge states of the secondary battery. A method of measuring a state of charge of a secondary battery using information and charging state reference information which is an approximated parameter of the equivalent circuit according to the state of charge of the secondary battery, generated through the equivalent circuit of the secondary battery, is provided.
본 발명에 따르면, 2차 전지의 임피던스 정보를 이용하여 2차 전지의 등가회로에 대한 파라미터를 추출하고, 추출된 파라미터를 이용하여 충전 상태 기준 정보를 생성함으로써 신속하고 용이하게 2차 전지의 충전 상태 기준 정보를 생성할 수 있으며, 충전 상태 기준 정보를 이용하여 2차 전지의 충전 상태를 측정할 수 있다. According to the present invention, the parameters of the equivalent circuit of the secondary battery is extracted using the impedance information of the secondary battery, and the state of charge of the secondary battery is quickly and easily generated by generating the charging state reference information using the extracted parameters. Reference information may be generated, and the state of charge of the secondary battery may be measured using the state of charge reference information.
먼저 본 발명에 따른 2차 전지의 충전 상태 기준 정보 생성 방법에 대한 개념을 설명하면 다음과 같다.First, a concept of a method of generating charge state reference information of a secondary battery according to the present invention will be described.
2차 전지의 임피던스 정보는 2차 전지의 내부 상태를 나타낸다. 즉, 2차 전지의 충전 상태에 따라 2차 전지의 임피던스 정보는 가변된다. 본 발명은 2차 전지의 충전 상태에 따라 가변되는 임피던스 정보를 이용함으로써, 2차 전지의 충전 상 태 측정을 위한 충전 상태 기준 정보 생성하고, 생성된 충전 상태 기준 정보를 이용함으로써 2차 전지의 충전 상태를 측정할 수 있다. 이 때, 본 발명에 따른 2차 전지의 충전 상태 기준 정보 생성 방법은 2차 전지의 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 임피던스 정보를 이용하여 2차 전지의 충전 상태에 따른 충전 상태 기준 정보를 생성함으로써, 2차 전지의 모든 충전 상태에 따른 임피던스를 측정할 필요없이 보다 신속하고 용이하게 충전 상태 기준 정보를 생성할 수 있다. The impedance information of the secondary battery indicates the internal state of the secondary battery. In other words, the impedance information of the secondary battery varies according to the state of charge of the secondary battery. The present invention generates charge state reference information for measuring the state of charge of the secondary battery by using impedance information that varies according to the state of charge of the secondary battery, and charges the secondary battery by using the generated state of charge reference information. The condition can be measured. At this time, the charging state reference information generation method of the secondary battery according to the present invention by generating the charging state reference information according to the state of charge of the secondary battery using the impedance information in each of the preset state of charge state of the secondary battery In addition, it is possible to generate the charging state reference information more quickly and easily without having to measure the impedance according to all the charging states of the secondary battery.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 2차 전지의 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 임피던스 정보 및 2차 전지에 대한 등가회로를 이용하여, 등가회로의 파라미터를 계산한다. 예를 들어, 2차 전지의 충전 상태 단계는 2차 전지의 0%에서 100%의 충전 상태를 20%씩 나눈 단계일 수 있으며, 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 임피던스 정보는 20%, 40%, 60%, 80% 및 100%의 충전 상태에서의 임피던스 정보일 수 있다. 그리고 본 발명에 따르면, 충전 상태 단계 각각에서의 파라미터를 근사화하여 2차 전지 충전 상태에 따른 즉, 0%에서 100% 충전 상태에 따른 파라미터를 추출한다. More specifically, according to the present invention, the parameters of the equivalent circuit are calculated using the impedance information in each of the preset state of charge states of the secondary battery and the equivalent circuit for the secondary battery. For example, the state of charge of the secondary battery may be a stage obtained by dividing the state of charge of the secondary battery from 0% to 100% by 20%, and the impedance information in each of the preset state of charge may be 20% or 40%. , Impedance information at 60%, 80%, and 100% state of charge. According to the present invention, the parameters of each state of charge state are approximated to extract the parameters according to the secondary battery state of charge, that is, 0% to 100% state of charge.
파라미터는 등가회로의 저항 값 또는 시정수 값일 수 있으며, 전술된 바와 같이, 2차 전지의 충전 상태에 따라 임피던스 정보는 가변되기 때문에 파라미터 역시 가변된다. 여기서, 충전 상태 기준 정보는 파라미터가 된다.The parameter may be a resistance value or a time constant value of the equivalent circuit, and as described above, since the impedance information varies depending on the state of charge of the secondary battery, the parameter also varies. Here, the charging state reference information becomes a parameter.
이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가 장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. The above objects, features, and advantages will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, and in describing the present invention, a detailed description of well-known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. If it is determined that the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지의 충전 상태 기준 정보 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of generating charge state reference information of a secondary battery according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2차 전지의 충전 상태 기준 정보 생성 방법은 단계 S101로부터 시작된다.As shown in FIG. 1, the method of generating charge state reference information of a secondary battery according to the present invention starts from step S101.
단계 S101에서 충전 상태 기준 정보 생성 장치는 2차 전지의 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 제1임피던스 정보를 수신 즉, 입력받는다. In operation S101, the apparatus for generating charge state reference information receives, that is, receives first impedance information in each of the preset state of charge states of the secondary battery.
전술된 바와 같이, 기 설정된 충전 상태 단계는 일실시예로서, 0%에서 100%의 충전 상태를 20%씩 나눈 단계일 수 있다. 그리고 제1임피던스 정보는 전기화학적 임피던스 분광법에 의해 생성된 기 설정된 주파수 범위 내의 임피던스 정보이거나, 기 설정된 주파수 범위 중 2개 이상의 주파수에 대한 임피던스 정보일 수 있다. As described above, the preset state of charge may be a step of dividing the state of charge from 0% to 100% by 20% as an embodiment. The first impedance information may be impedance information within a preset frequency range generated by electrochemical impedance spectroscopy, or may be impedance information for two or more frequencies in the preset frequency range.
단계 S103에서 충전 상태 기준 정보 생성 장치는 2차 전지에 대한 등가회로 및 제1임피던스 정보를 이용하여, 충전 상태 단계 각각에 따른 등가회로의 파라미터를 생성한다. 일반적으로 2차 전지에 대한 등가회로는 저항과 커패시터로 표현되 며, 임피던스는 저항 값과 주파수에 따른 커패시턴스 값을 포함하므로, 제1임피던스 정보를 이용하여 등가회로의 파라미터를 구할 수 있다. 충전 상태 기준 정보 생성 장치는 예를 들어, 커브 피팅(curve fitting)을 수행하여 충전 상태 단계 각각에 따른 등가회로의 파라미터를 생성할 수 있다. 등가회로의 파라미터는 등가회로의 저항 값, 커패시턴스 값 또는 시정수 값일 수 있다.In operation S103, the apparatus for generating charge state reference information generates a parameter of an equivalent circuit according to each state of charge state, using the equivalent circuit and the first impedance information for the secondary battery. In general, an equivalent circuit for a secondary battery is represented by a resistor and a capacitor. Since the impedance includes a capacitance value according to a resistance value and a frequency, a parameter of the equivalent circuit can be obtained using the first impedance information. The apparatus for generating charging state reference information may generate, for example, a parameter of an equivalent circuit according to each of the charging state steps by performing curve fitting. The parameter of the equivalent circuit may be a resistance value, capacitance value or time constant value of the equivalent circuit.
단계 S105에서 충전 상태 기준 정보 생성 장치는 충전 상태 단계 각각에 따른 등가회로의 파라미터를 이용하여, 2차 전지의 충전 상태에 따른 근사화된 파라미터를 생성한다. 즉, 충전 상태 기준 정보 생성 장치는 기 설정된 충전 상태 단계 각각에 따른 파라미터가 아닌, 0%에서 100%까지의 충전 상태에 따른 근사화된 파라미터, 즉 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 충전 상태 기준 정보를 생성한다. In operation S105, the apparatus for generating charge state reference information generates an approximated parameter according to the state of charge of the secondary battery, using the parameters of the equivalent circuit according to each state of charge state. That is, the apparatus for generating charging state reference information does not approximate the parameter according to each of the preset stages of charging state, but the approximated parameter according to the state of charge from 0% to 100%, that is, the charge state reference information for measuring the state of charge of the secondary battery. Create
충전 상태 기준 정보 생성 장치는 충전 상태 단계 각각에 따른 등가회로의 파라미터를 예를 들어, 3차 방정식의 형태로 근사화하여 근사화된 파라미터를 생성할 수 있다. 그리고 기 설정된 충전 상태 단계가 20%보다 적은 퍼센트로 나눈 단계일수록 근사화된 파라미터는 보다 정확해질 수 있다.The apparatus for generating charging state reference information may generate an approximated parameter by approximating, for example, a parameter of an equivalent circuit according to each state of charge state in the form of a cubic equation. The approximated parameter may be more accurate as the preset state of charge divided by a percentage less than 20%.
일반적으로 임피던스 정보는 기 설정된 주파수 범위, 예를 들어 10mHz ~ 1kHz의 범위에서 측정되므로 임피던스 측정에 상당한 시간이 소요되는데, 본 발명에 따르면, 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서 측정된 파라미터를 이용하여, 0%에서 100%까지의 충전 상태에 따른 파라미터를 생성할 수 있으므로 기준 정보 생성에 따른 시간이 감소될 수 있다. 그리고 충전 상태가 알려지지 않은 2차 전지의 파라미터와 충전 상태 기준 정보를 비교함으로써, 충전 상태가 알려지지 않은 2차 전지 의 충전 상태를 측정할 수 있다.In general, since impedance information is measured in a preset frequency range, for example, in a range of 10 mHz to 1 kHz, it takes considerable time to measure impedance. According to the present invention, by using a parameter measured in each of the preset state of charge stages, 0 Since the parameter according to the state of charge from% to 100% can be generated, the time for generating the reference information can be reduced. The state of charge of the secondary battery of which the state of charge is unknown may be measured by comparing the parameters of the secondary battery of which the state of charge is unknown and the state of charge reference information.
2차 전지가 전기 자동차 등에 사용될 경우, 전기 자동차에서 본 발명에 따른 충전 상태 기준 정보 생성 방법이 이용되어, 신속하고 용이하게 충전 상태 기준 정보가 생성될 수 있으며, 충전 상태 기준 정보가 이용되어 2차 전지의 충전 상태가 용이하게 측정될 수 있다. When the secondary battery is used in an electric vehicle or the like, the charging state reference information generating method according to the present invention is used in the electric vehicle, so that the charging state reference information can be generated quickly and easily. The state of charge of the battery can be easily measured.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 구체적인 제1실시예에 따른 충전 상태 기준 정보 생성 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 2 내지 도 4에서는 2차 전지가 리튬 폴리머 전지인 경우가 일실시예로서 설명된다.2 to 4 are diagrams for describing a method of generating charge state reference information according to a first embodiment of the present invention. In FIGS. 2 to 4, a secondary battery is a lithium polymer battery. do.
도 2는 BNK, Aenergy, SONY 각각에서 생산된 상용 리튬 폴리머 전지의 기 설정된 충전 상태 단계 각각에 대한 제1임피던스 정보를 나타내는 도면으로서, 임피던스 스팩트럼을 나타내는 나이키스트 임피던스 플롯이다. 그리고 BNK, Aenergy, SONY 각각의 전지의 용량은 1600mAh, 1800mAh, 1350mAh이다. FIG. 2 is a diagram illustrating first impedance information for each preset state of charge state of a commercial lithium polymer battery produced by each of BNK, Aenergy, and SONY, and is a Nyquist impedance plot showing an impedance spectrum. The battery capacity of each of BNK, Aenergy, and SONY is 1600mAh, 1800mAh, and 1350mAh.
2차 전지의 충전 상태 단계는 충방전 실험을 통해 설정될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 2차 전지의 충전은 1C의 정전류로 2차 전지가 충전되며, 2차 전지의 충전 최대 전압 4.2V가 될 때에는 정전압 모드로 바뀌어 충전이 되는 CC-CV(정전류-정전압) 충전법이 사용될 수 있다. 그리고 2차 전지의 방전은 IEC 61960규정에 따라 0.2C의 전류로 방전이 되고, 방전 종지전압 3.0V까지의 전류량이 더해져 정격 용량이 산출될 수 있다. The state of charge of the secondary battery may be set through a charge / discharge experiment. In an embodiment of the present invention, the secondary battery is charged with a constant current of 1 C. When the secondary battery is charged at a maximum voltage of 4.2 V, the secondary battery is charged to CC-CV (constant current— Constant voltage) charging method may be used. The secondary battery is discharged with a current of 0.2C according to the IEC 61960 standard, and the rated capacity can be calculated by adding the current amount up to the discharge termination voltage of 3.0V.
산출된 정격 용량으로부터 전하량에 따라 2차 전지의 충전 상태 단계가 설 정될 수 있으며, 충전 상태 단계별로 전기화학적 임피던스 분광법을 통한 제1임피던스 정보가 생성될 수 있다. 전기화학적 임피던스 분광법을 통해 10mHz~1kHz의 주파수 범위에서, 100% 충전 상태를 20% 단위로 나눈 충전 상태 단계마다 임피던스가 측정된 결과가 도 2에 도시되어 있다.The charged state stage of the secondary battery may be set according to the amount of charge from the calculated rated capacity, and the first impedance information through electrochemical impedance spectroscopy may be generated according to the charged stage. In the frequency range of 10 mHz to 1 kHz through electrochemical impedance spectroscopy, the result of measuring the impedance in each state of charge divided by 100% state of charge by 20% is shown in FIG. 2.
본 발명에 따르면, 도 2에 도시된 제1임피던스 정보 및 도 3에 도시된 등가회로를 이용하여 도 3의 등가회로의 파라미터를 구할 수 있다. 보다 구체적으로, 전기화학적 임피던스 분광법을 통한 제1임피던스 정보를 도 3의 등가회로에 커브피팅함으로써 등가회로의 파라미터를 추출할 수 있다. 추출된 파라미터를 근사화하여 2차 전지의 0%에서 100% 충전 상태에 따른 파라미터를 생성할 수 있으며, 근사화된 파라미터, 즉 충전 상태 기준 정보가 도 4에 도시된다.According to the present invention, the parameters of the equivalent circuit of FIG. 3 can be obtained by using the first impedance information shown in FIG. 2 and the equivalent circuit shown in FIG. 3. More specifically, the parameters of the equivalent circuit may be extracted by curve fitting the first impedance information through the electrochemical impedance spectroscopy to the equivalent circuit of FIG. 3. The extracted parameters may be approximated to generate parameters according to the 0% to 100% state of charge of the secondary battery, and the approximated parameters, that is, the charge state reference information, are shown in FIG. 4.
도 4는 본 발명에 따른 충전 상태 기준 정보를 나타내는 도면으로서, 도 4에서 네모와 세모는 각각 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 시정수 값과 저항 값을 나타내며, (a), (b) 및 (c) 도면 각각은 BNK, Aenergy, SONY 각각의 충전 상태 기준 정보를 나타낸다. 즉, 도 4에는, 기 설정된 충전 상태 단계 각각의 시정수 값과 저항 값을 이용한, 2차 전지의 0%에서 100%의 충전 상태에 따른 파라미터가 도시되어 있다.4 is a diagram illustrating charging state reference information according to the present invention. In FIG. 4, squares and triangles represent time constant values and resistance values in respective preset state states of charge, and (a), (b) and ( c) Each of the drawings shows charging state reference information of each of BNK, Aenergy, and SONY. That is, FIG. 4 illustrates a parameter according to the state of charge of 0% to 100% of the secondary battery using the time constant value and the resistance value of each preset state of charge state.
본 발명에 따르면, 충전 상태 측정 대상인 2차 전지의 파라미터, 예를 들어 시정수 값 또는 저항 값을 알고 있을 경우, 충전 상태 기준 정보를 이용하여 충전 상태 측정 대상인 2차 전지의 충전 상태를 측정할 수 있다. 다만, 도 4에 도시된 바와 같이, 임의의 시정수 값 또는 저항 값에 대해 동일한 충전 상태가 있을 수 있 는데, 이에 대해서는 도 8에서 보다 자세히 설명하기로 한다.According to the present invention, when the parameters of the secondary battery as the state of charge measurement, for example, time constant value or resistance value, are known, the state of charge of the secondary battery as the state of charge measurement can be measured using the state of charge reference information. have. However, as shown in FIG. 4, there may be the same state of charge for any time constant value or resistance value, which will be described in more detail with reference to FIG. 8.
한편, 도 2 내지 도 4에서는 BNK, Aenergy, SONY 각각의 리튬 폴리머 전지가 일실시예로서 설명되었으나, 다른 2차 전지 역시 리튬 폴리머 전지와 유사한 임피던스 특성을 나타내므로, 본 발명은 다른 2차 전지에도 적용될 수 있다. Meanwhile, although the lithium polymer batteries of BNK, Aenergy, and SONY have been described as examples in FIGS. 2 to 4, the other secondary batteries also exhibit similar impedance characteristics as those of the lithium polymer batteries. Can be applied.
도 5 및 도 6은 본 발명의 구체적인 제2실시예에 따른 충전 상태 기준 정보 생성 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 2 내지 도 4와 같이 2차 전지가 리튬 폴리머 전지인 경우가 일실시예로서 설명된다.5 and 6 are diagrams for describing a method of generating charge state reference information according to a second specific embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 2 to 4, a secondary battery is a lithium polymer battery. It is explained.
도 5 및 도 6은 도 1의 단계 S103을 보다 자세히 설명하기 위한 도면이다.5 and 6 are views for explaining step S103 of FIG. 1 in more detail.
단계 S103에서 충전 상태 기준 정보 생성 장치는 2차 전지의 임피던스 스펙트럼의 반원 특성 및 제1임피던스 정보를 이용하여, 충전 상태 단계 각각에 따른 등가회로의 파라미터를 생성할 수 있다. 여기서, 제1임피던스 정보는 기 설정된 주파수 범위 중 2개 이상의 주파수에 대한 임피던스 정보일 수 있다.In operation S103, the apparatus for generating charging state reference information may generate a parameter of an equivalent circuit according to each stage of charging state by using the semicircle characteristic and the first impedance information of the impedance spectrum of the secondary battery. Here, the first impedance information may be impedance information for two or more frequencies in a preset frequency range.
도 2에 도시된 임피던스 스펙트럼을 살펴보면, 2차 전지의 임피던스 정보는 저주파 영역에서 큰 반원으로 표시되는 특성을 갖는다. 이러한 2차 전지의 임피던스 특성을 이용하면, 충전 상태 단계 각각에 따른 등가회로의 파라미터를 근사화하여 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 저주파 영역에서 큰 반원으로 표시되는 임피던스 특성은 도 5에 도시된 2차 전지의 랜들 회로(Randle’s Circuit)에 따른 임피던스 특성이며, 원의 방정식을 이용하여 근사화된 파라미터를 생성할 수 있다.Looking at the impedance spectrum shown in Figure 2, the impedance information of the secondary battery has a characteristic that is represented by a large semi-circle in the low frequency region. By using the impedance characteristics of the secondary battery, it is possible to generate by approximating the parameters of the equivalent circuit according to each state of charge stage. More specifically, the impedance characteristic represented by a large semicircle in the low frequency region is an impedance characteristic according to a randle's circuit of the secondary battery illustrated in FIG. 5, and an approximated parameter may be generated using a circle equation. .
여기서, 도 3의 등가회로와 도 5의 랜들 회로에 따른 임피던스 특성을 설명 하면 다음과 같다.Here, the impedance characteristics according to the equivalent circuit of FIG. 3 and the ladle circuit of FIG. 5 will be described.
전술된 바와 같이, 도 3은 2차 전지에 대한 일반적인 등가회로를 나타내는 도면이다. RΩ은 전해질, 전극, 단자대의 저항성분 등 2차 전지의 전극과 내부를 연결하는 전체 저항을 나타내며, 도 3에서 실수축과 그래프가 교차하는 지점이다. Rf 및 Qf(Constant Phase Element, CPE)는 음극 표면에 생성되는 부동화막(Passivation Film)의 성분을 나타내며, 도 3에서 고주파 영역의 작원 반원을 나타낸다. Rct(Charge Transfer Resistance, 전하전송저항) 및 Cdl(Double Layer Capacitance, 전기이중충 커패시턴스)는 2차 전지의 전극(양극과 음극)과 전해질 사이의 계면사이의 전자 이동 반응을 나타내며, 도 3에서 저주파 영역의 큰 반원을 나타낸다. ZW(Warburg 임피던스)는 확산으로 인해 질량운반이 전하전송을 막는 특성을 나타낸다.As described above, FIG. 3 is a diagram showing a general equivalent circuit for the secondary battery. R Ω represents the total resistance connecting the electrodes of the secondary battery, such as the electrolyte, the electrode, and the resistance of the terminal block, to the inside, and is a point where the real axis and the graph intersect in FIG. 3. R f and Q f (Constant Phase Element, CPE) represent the components of a passivation film formed on the surface of the cathode, and in FIG. Rct (Charge Transfer Resistance) and C dl (Double Layer Capacitance) represent the electron transfer reaction between the electrode (anode and cathode) of the secondary battery and the interface between the electrolyte, Figure 3 Represents a large semicircle of the low frequency region. Z W (Warburg Impedance) is a property in which mass transport prevents charge transfer due to diffusion.
따라서 저주파 영역에서 큰 반원으로 표시되는 임피던스 특성은 도 3에 도시된 등가회로에서, RΩ, Rct 및 Cdl의 특성으로 근사화될 수 있으며, 도 3의 RΩ, Rct 및 Cdl는 도 5의 랜들 회로의 Rs, Rp 및 Cp와 대응된다.Therefore, impedance characteristics represented by large semicircles in the low frequency region are R Ω , in the equivalent circuit shown in FIG. 3. It can be approximated by the characteristics of R ct and C dl , and R Ω , in FIG. 3. R ct and C dl correspond to R s , R p and C p of the ladle circuit of FIG. 5.
그리고 임피던스 특성이 반원으로 나타나기 때문에 원의 방정식을 이용하여 근사화된 파라미터를 생성할 수 있다. 원의 방정식이 이용되기 때문에 기 설정된 주파수 범위 중 2개 이상의 주파수에 대한 임피던스 정보인 제1임피던스 정보를 이용하면 기 설정된 주파수 범위의 근사화된 파라미터를 생성할 수 있다. 즉, 본 발 명에 따르면, 예를 들어 10mHz~1kHz의 주파수 범위에서 2개 이상의 주파수 만을 선택하여 파라미터를 생성할 수 있다. 이 때 선택되는 주파수는 임피던스 특성이 반원으로 나타나는 주파수 영역에서 선택됨이 바람직하다.Since the impedance characteristic appears as a semicircle, an approximated parameter can be generated using the equation of the circle. Since the original equation is used, an approximated parameter of the preset frequency range may be generated by using first impedance information, which is impedance information for two or more frequencies in the preset frequency range. That is, according to the present invention, for example, a parameter may be generated by selecting only two or more frequencies in a frequency range of 10 mHz to 1 kHz. In this case, the frequency to be selected is preferably selected in the frequency domain where the impedance characteristic appears as a semicircle.
저주파의 특성상, 저주파 영역에서 임피던스 측정에는 상당한 시간이 필요하나, 본 발명에 따르면 기 설정된 주파수 범위 전체에서 임피던스를 측정하지 않고 기 설정된 주파수 범위의 임피던스 정보만을 이용하여 파라미터를 생성할 수 있으므로 보다 신속하게 충전 상태 기준 정보를 생성할 수 있다.Due to the characteristics of low frequency, the measurement of impedance in the low frequency region requires a considerable time, but according to the present invention, since the parameter can be generated using only the impedance information of the preset frequency range without measuring the impedance over the preset frequency range more quickly. The charging state reference information may be generated.
도 6에서 도시된 바와 같이, 저주파 영역에서 2차 전지의 임피던스 특성은 반원 형태를 나타내며, 도 6에서는 2개의 주파수에 대한 임피던스 정보가 이용되는 경우가 일실시예로서 설명된다.As illustrated in FIG. 6, the impedance characteristics of the secondary battery in the low frequency region are semicircular, and in FIG. 6, the case where impedance information for two frequencies is used is described as an embodiment.
도 6에서는 나이퀴스트 임피던스 플롯의 절점 주파수(cut-off frequency)로부터 좌우에 위치하는 1.48Hz, 0.32Hz가 샘플 주파수로서 이용되는 경우가 일시시예로서 설명된다. 도 6에서 1.474Hz ~ 24.54Hz 및 0.126Hz ~ 0.325Hz는 도 3의 (a), (b) 및 (c)에서 공통적으로 반원의 특성이 유지되는 샘플 주파수 선택을 위한 주파수 범위이며, 도 6에서 선택된 1.48Hz, 0.32Hz는 상기 주파수 범위 내에 포함된다. 도 6에서는 도 3의 (a), (b) 및 (c)에서 공통적으로 반원의 특성이 유지되는 주파수 범위에서 샘플 주파수가 선택되었으나, 리튬 폴리머 전지 각각에 대해 반원 특성이 나타나는 주파수 범위에서 샘플 주파수가 선택될 수 있다.In FIG. 6, the case where 1.48 Hz and 0.32 Hz located to the left and right from the cut-off frequency of the Nyquist impedance plot is used as the sample frequency will be described as a temporary example. In FIG. 6, 1.474 Hz to 24.54 Hz and 0.126 Hz to 0.325 Hz are frequency ranges for selecting a sample frequency in which semicircle characteristics are commonly maintained in FIGS. 3A, 3B, and 3C. The selected 1.48 Hz, 0.32 Hz is included in the frequency range. In FIG. 6, although the sample frequency is selected in the frequency range in which the semicircle characteristics are commonly maintained in FIGS. 3A, 3B, and 3C, the sample frequency is shown in the frequency range in which the semicircle characteristics appear for each lithium polymer battery. Can be selected.
샘플 주파수에서 측정된 두 개의 임피던스 정보, 즉 제1임피던스 정보를 (ReZ1, ImZ1)과 (ReZ2, ImZ2)로 나타낼 경우, 제1임피던스 정보를 원의 방정식인 [수학식 1]에 대입하여 등가회로의 파라미터를 얻을 수 있다. When the two impedance information measured at the sample frequency, that is, the first impedance information are represented by (ReZ 1 , ImZ 1 ) and (ReZ 2 , ImZ 2 ), the first impedance information is expressed in Equation 1, which is a circle equation. By substituting, the equivalent circuit parameters can be obtained.
[수학식 1]은 중점이 (x1,0), 반경이 r인 원의 방정식이며, [수학식 1]로부터 얻어진 x1과 r의 값을 [수학식 2]에 대입하여 랜들 회로의 Rs 및 Rp 파라미터를 구할 수 있다.[Equation 1] is an equation of a circle having a midpoint of (x 1 , 0) and a radius of r, and the value of x 1 and r obtained from [Equation 1] is substituted into [Equation 2], and the R The s and R p parameters can be obtained.
랜들 회로의 임피던스는 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있으며, [수학식 1] 및 [수학실 2]로부터 얻어진 Rs, Rp와, 주파수 및 임피던스 값을 [수학식 3]에 대입하여 Cp의 값을 계산할 수 있다. 구해진 Rp와 Cp의 곱은 회로의 시정수 값을 나타낸다. 여기서, [수학식 3]에 대입되는 주파수는 샘플 주파수 중 하나일 수 있으며, [수학식 3]에 대입되는 임피던스는 [수학식 3]에 대입되는 주파수에 대한 임피던스 일 수 있다.The impedance of the ladle circuit can be expressed as shown in [Equation 3], by substituting R s , R p and the frequency and impedance values obtained from [Equation 1] and [Equation 2] into [Equation 3]. The value of p can be calculated. The product of the obtained R p and C p represents the time constant value of the circuit. Here, the frequency substituted in [Equation 3] may be one of the sample frequencies, and the impedance substituted in [Equation 3] may be an impedance with respect to the frequency substituted in [Equation 3].
도 7은 기 설정된 주파수 범위 내의 임피던스를 이용하여 구한 시정수 값과, 도 5 및 도 6에서 설명된 방법에 따른 시정수 값을 비교한 결과를 나타내는 도면이다. FIG. 7 is a diagram illustrating a result of comparing time constant values obtained using impedances within a preset frequency range with time constant values according to the methods described with reference to FIGS. 5 and 6.
도 7에는 기 설정된 충전 상태 단계 각각의 파라미터가 표시되어 있으며, 최소자승법을 통해 분석한 결과 BNK 98.8%, Aenergy 99.01%, Sony 93.6%의 정확도를 얻을 수 있었다. 즉, 본 발명에 따르면, 기 설정된 주파수 범위 내의 임피던스를 모두 측정하지 않고, 파라미터를 구할 수 있으므로 신속하고 용이하게 충전 상태 기준 정보를 생성할 수 있으며, 정확도도 우수함을 알 수 있다. In FIG. 7, the parameters of each of the preset charging state steps are displayed. As a result of the analysis using the least-square method, the accuracy of BNK 98.8%, Aenergy 99.01%, and Sony 93.6% can be obtained. That is, according to the present invention, since the parameters can be obtained without measuring all the impedances within the preset frequency range, the charging state reference information can be generated quickly and easily, and the accuracy is also excellent.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of measuring a state of charge of a secondary battery using state of charge reference information according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 2차 전지의 충전 상태 측정 방법은 단계 S801로부터 시작된다.As shown in FIG. 8, the method for measuring the state of charge of the secondary battery according to the present invention starts from step S801.
단계 S801에서 충전 상태 측정 장치는 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 충전 상태 기준 정보 및 2차 전지에 대한 등가회로의 제1파라미터를 수신 즉, 입력받는다. 충전 상태 측정 장치는 전술된 기준 정보 생성 장치로부터 충전 상태 기준 정보를 수신할 수 있다. 즉, 충전 상태 기준 정보는 전술된 기준 정보 생성 장치에 의해 생성되는 정보로서, 2차 전지의 기 설정된 충전 상태 단계 각각에서의 임피던스 정보 및 2차 전지에 대한 등가회로를 통해 생성된, 2차 전지의 충전 상태에 따른 등가회로의 근사화된 제2파라미터이다. 제1파라미터는 전기화학적 임피던스 분광법에 의해 생성되어 충전 상태 측정 장치로 입력될 수 있으며, 파라미터는 등가회로의 시정수 값 또는 저항 값일 수 있다.In operation S801, the charging state measuring apparatus receives, that is, receives the charging state reference information for measuring the state of charge of the secondary battery and the first parameter of the equivalent circuit for the secondary battery. The charging state measuring device may receive the charging state reference information from the above-described reference information generating device. That is, the charging state reference information is information generated by the above-described reference information generating device, and is generated through an equivalent circuit for the secondary battery and impedance information in each of the preset charging state steps of the secondary battery. This is an approximated second parameter of the equivalent circuit according to the state of charge. The first parameter may be generated by electrochemical impedance spectroscopy and input to the state of charge measuring device, and the parameter may be a time constant value or a resistance value of an equivalent circuit.
단계 S803에서 충전 상태 측정 장치는 충전 상태 기준 정보 및 제1파라미터를 비교하여, 2차 전지의 충전 상태를 측정한다. 즉, 충전 상태 기준 정보는 2차 전지의 충전 상태에 따른 파라미터를 나타내는 정보이기 때문에, 측정 대상이 되는 2차 전지의 파라미터와 충전 상태 기준 정보를 비교함으로써, 2차 전지의 충전 상태를 측정할 수 있다.In operation S803, the charging state measuring apparatus compares the charging state reference information and the first parameter to measure the state of charge of the secondary battery. That is, since the charge state reference information is information indicating a parameter according to the state of charge of the secondary battery, the state of charge of the secondary battery can be measured by comparing the parameters of the secondary battery to be measured with the state of charge reference information. have.
한편, 전술된 바와 같이, 도 4에서 임의의 시정수 값 또는 저항 값에 대해 동일한 충전 상태가 있을 수 있다. 예를 들어 도 4의 (a)의 경우, 충전 상태 단계 80%를 중심으로 충전 상태 단계 60%와 충전 상태 단계 80%의 파라미터는 충전 상태 단계 80%에서 100%사이의 파라미터와 대칭적인 구조이며 이 경우, 동일한 시정수 값 또는 저항 값에 대해 동일한 충전 상태가 나타날 수 있다. On the other hand, as described above, there may be the same state of charge for any time constant value or resistance value in FIG. For example, in FIG. 4A, the parameters of the state of
이 경우, 단계 S803에서 충전 상태 측정 장치는 추가 측정 결과와의 충전 상태 변화를 이용하여 동일 충전 상태 중 하나를 결정함으로써 2차 전지의 충전 상 태를 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 제1측정 결과, 제1파라미터가 0.12이고 충전 상태가 70%와 90%로 측정되며, 시간이 지난 후 추가 측정 결과 제1파라미터가 0.15인 경우, 2차 전지가 사용중이었다면 2차 전지의 전하량은 감소하므로 제1측정 결과 충전 상태는 90%가 아닌 70%임을 알 수 있다. 즉, 도 4에서 현재 측정된 충전 상태와 이전에 측정된 충전 상태의 증감을 계산하고, 충전 상태와 제1파라미터의 기울기를 이용함으로써 충전 상태를 정확하게 측정할 수 있다. In this case, in operation S803, the state of charge measurement device may measure the state of charge of the secondary battery by determining one of the same state of charge using the state of charge with the additional measurement result. For example, in FIG. 4, when the first measurement result is 0.12 and the state of charge is measured at 70% and 90%, and after a further measurement, the first parameter is 0.15, the secondary battery is in use. If so, the amount of charge in the secondary battery is reduced, so the first measurement shows that the state of charge is 70% instead of 90%. That is, in FIG. 4, the charging state may be accurately measured by calculating the increase and decrease of the currently measured state of charge and the previously measured state of charge, and by using the state of charge and the slope of the first parameter.
이상은 본 발명이 프로세스적 관점에 의해 설명되었으나, 본 발명에 따른 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 기준 정보 생성 방법 및 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법을 구성하는 각 단계는 장치적 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 기준 정보 생성 방법 및 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법에 포함된 각 단계는 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 기준 정보 생성 장치 및 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 장치에 포함된 구성 요소로 이해될 수 있다. Although the present invention has been described by a process point of view, each step of configuring a method of generating reference information for measuring the state of charge of the secondary battery according to the present invention and a method of measuring the state of charge of the secondary battery using the state of charge reference information Can be easily understood from an apparatus point of view. Therefore, each step included in the method of generating reference information for measuring the state of charge of the secondary battery and the method of measuring the state of charge of the secondary battery using the state of charge reference information according to the present invention is reference information for measuring the state of charge of the secondary battery. It can be understood as a component included in the apparatus for measuring the state of charge of the secondary battery using the generating device and the state of charge reference information.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 기준 정보 생성 방법 및 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보 저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체(CD, DVD와 같은 유형적 매체뿐만 아니라 반송파와 같은 무형적 매체)를 포함한다.Meanwhile, the method of generating reference information for measuring the state of charge of the secondary battery as described above and the method of measuring the state of charge of the secondary battery using the state of charge reference information can be prepared by a computer program. And the code and code segments constituting the program can be easily inferred by a computer programmer in the art. In addition, the written program is stored in a computer-readable recording medium (information storage medium), and read and executed by a computer to implement the method of the present invention. And the recording medium includes all types of recording media (intangible medium such as a carrier wave as well as tangible media such as CD and DVD) readable by a computer.
본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended to be equivalent to the technical idea and claims of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 기준 정보 생성 방법을 설명하기 위한 흐름도,1 is a flowchart illustrating a method of generating reference information for measuring a state of charge of a secondary battery according to an embodiment of the present invention;
도 2 내지 도 4는 본 발명의 구체적 실시예에 따른 기준 2차 전지의 충전 상태 측정을 위한 기준 정보 생성 방법을 설명하기 위한 도면,2 to 4 are views for explaining a method of generating reference information for measuring the state of charge of the reference secondary battery according to a specific embodiment of the present invention;
도 5 및 도 6은 도 1의 단계 S103을 보다 자세히 설명하기 위한 도면,5 and 6 are views for explaining step S103 of FIG. 1 in more detail;
도 7은 기 설정된 주파수 범위 내의 임피던스를 이용하여 구한 시정수 값과, 도 5 및 도 6에서 설명된 방법에 따른 시정수 값을 비교한 결과를 나타내는 도면,7 is a view showing a result of comparing a time constant value obtained by using an impedance within a preset frequency range and a time constant value according to the method described in FIGS. 5 and 6;
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 충전 상태 기준 정보를 이용한 2차 전지의 충전 상태 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of measuring a state of charge of a secondary battery using state of charge reference information according to an embodiment of the present invention.
Claims (9)
Priority Applications (1)
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