KR20130119871A - Cell direct-current resistance evaluation system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 전지 직류 저항 평가 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a battery direct current resistance evaluation system.
예를 들어 하이브리드 전기 자동차에 사용되는 2차 전지의 성능 평가 지표의 하나로, 전지 내부의 직류 저항(DCR; Direct Current Resistance)이 있다. 이 DCR의 구체적인 시험 방법은, 예를 들어 "일본 전동차량 협회 규격 JEVS D714 하이브리드 자동차용 밀폐형 니켈ㆍ수소 전지의 직류 저항 산출 방법" (비특허문헌 1)에 의해 규정되어, 공표되어 있다.For example, one of performance indicators of a secondary battery used in a hybrid electric vehicle is a direct current resistance (DCR) inside the battery. The specific test method of this DCR is prescribed | regulated and published, for example by "The method of calculating the DC resistance of the sealed nickel-hydrogen battery for Japan Electric Vehicle Association standard JEVS D714 hybrid vehicle" (nonpatent literature 1).
도 12는, 종래의 DCR 측정 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 측정 대상인 전지(1)에는, 충방전 장치(2)와, 전압ㆍ전류 측정 장치(3)가 접속되어 있다. 12 is a block diagram showing an example of a conventional DCR measurement system. As shown in FIG. 12, the charging /
충방전 장치(2)는, 전지(1)에 충방전 펄스를 인가한다. 전압ㆍ전류 측정 장치(3)는, 충방전 장치(2)를 구동 제어한다. 또한, 전압ㆍ전류 측정 장치(3)는, 충방전 펄스 인가시에 전지(1)의 전압 및 전류를 측정한다. 전압ㆍ전류 측정 장치(3)에는, DCR 해석 장치(4)가 접속되어 있다.The charging /
이러한 구성을 갖는 전지(1)의 DCR를 측정할 때, 충방전 장치(2)는, 전지(1)에 소정 레벨의 충방전 전류 펄스를 인가한다. 예를 들어 전지(1)의 정격 용량이 20Ah인 경우, 도 13에 나타내는 바와 같은 시퀀스 파형을 갖는 충방전 전류 펄스가 전지(1)에 인가된다. 전압ㆍ전류 측정 장치(3)는, 예를 들어 도 14에 나타내는 바와 같이, 인가된 전류 펄스에 따른 방전 전류 △I에 대한 전지(1)의 응답 전압 △V를 측정한다. 그리고, DCR 해석 장치(4)는, 이들 응답 전압 △V와 방전 전류 △I의 몫을 연산함으로써, DCR(=△V/△I)을 산출한다.When measuring the DCR of the
도 15는, DCR 해석 장치(4)의 구체적인 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 측정 시각 포인트를 포함하는 DCR 측정 조건과 응답 전압이 입력부(41)를 통해 DCR 연산부(42)에 입력된다. DCR 연산부(42)는, 전술한 연산식 DCR(=△V/△I)에 기초하여, DCR 측정 조건에서 지정된 각 측정 시각 포인트에 있어서의 DCR을 산출한다. 여기서, △V는 응답 전압의 강하 폭이고, △I는 전류 펄스의 레벨이다.15 is a block diagram illustrating a specific configuration example of the
상기와 같은 종래의 DCR 측정 시스템에서는, 비교적 큰 충방전 펄스가 전지(1)에 인가된다. 이 때문에, 전지(1)의 출력에 나타나는 섭동도 커진다. 그 결과, 이하와 같은 문제가 발생할 가능성이 있다.In the conventional DCR measurement system as described above, a relatively large charge / discharge pulse is applied to the
1) 전지(1)에 충방전 펄스가 인가된 후, 전지(1)를 안정 상태로 회복시키기 위하여, 긴 휴지 시간이 마련된다. 휴지 시간을 마련하지 않으면, 측정의 재현성을 확보하기가 곤란하다. 따라서, 종래의 DCR 측정 시스템을 사용하여, 예를 들어 전지의 제조 라인에서 DCR 검사를 행하는 경우, 검사 시간이 상당히 길어진다. 이 때문에, 생산성이 나빠진다.1) After a charge / discharge pulse is applied to the
2) 측정되는 전지(1)의 용량에 따라서는, 대용량의 전원이 사용된다. 대용량의 전원을 사용하는 경우, 측정 결과가, 예를 들어 이들 기기로부터 발생하는 노이즈의 영향을 받기 쉽다. 이 때문에, 안정적인 측정을 행하기 위하여, 예를 들어 노이즈 대책이 강구된다.
2) A large capacity power supply is used depending on the capacity of the
본 발명에 있어서의 하나의 목적은, 대용량의 전원을 사용하지 않고, 단시간에 효율적으로 측정을 행할 수 있는 전지 직류 저항 평가 시스템을 제공하는 것에 있다.
One object of the present invention is to provide a battery direct current resistance evaluation system capable of measuring efficiently in a short time without using a large capacity power supply.
본 발명의 2차 전지의 내부 직류 저항을 측정하는 전지 직류 저항 평가 시스템은, 상기 2차 전지의 교류 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 수단과, 직류 저항값 해석 수단을 포함하고, 상기 직류 저항값 해석 수단은, 상기 임피던스 측정 수단의 측정 결과와, 상기 2차 전지의 등가 회로에 기초하여 연산되는 회로 정수와, 전지 직류 저항 측정 조건에 포함되는 전류값과, 개로 전압값인 OCV에 기초하여 상기 2차 전지의 응답 전압을 산출하고, 또한, 이 응답 전압과, 상기 전지 직류 저항 측정 조건에 기초하여 상기 2차 전지의 내부 직류 저항값을 산출하는 것을 특징으로 한다.The battery DC resistance evaluation system for measuring the internal DC resistance of the secondary battery of the present invention includes an impedance measuring means for measuring the AC impedance of the secondary battery, and a DC resistance value analyzing means. Is the secondary based on the measurement result of the impedance measuring means, the circuit constant calculated based on the equivalent circuit of the secondary battery, the current value included in the battery DC resistance measurement condition, and the OCV which is the open circuit voltage value. The response voltage of the battery is calculated, and the internal DC resistance value of the secondary battery is calculated based on the response voltage and the battery DC resistance measurement condition.
상기 직류 저항값 해석 수단은, 상기 2차 전지의 충전 상태인 SOC를 바꾸면서, 상기 OCV를 측정함으로써 작성된 SOC-OCV 테이블을 사용하여 상기 응답 전압을 보정해도 된다.The DC resistance value analyzing means may correct the response voltage using the SOC-OCV table created by measuring the OCV while changing the SOC that is the state of charge of the secondary battery.
상기 직류 저항값 해석 수단은, 온도를 바꾸면서 측정된 상기 OCV를 사용하여 상기 응답 전압을 보정해도 된다.The DC resistance value analyzing means may correct the response voltage using the OCV measured while changing temperature.
상기 등가 회로는, 직렬 접속된 복수의 CPE를 갖고 있어도 된다.The equivalent circuit may have a plurality of CPEs connected in series.
상기 직류 저항값 해석 수단은, 온도를 바꾸면서 측정된 상기 2차 전지의 교류 임피던스를 사용하여 상기 회로 정수를 보정해도 된다.
The said DC resistance value analysis means may correct the said circuit constant using the AC impedance of the said secondary battery measured while changing temperature.
본 발명의 전지 직류 저항 평가 시스템에 의하면, 대용량의 전원을 사용하지 않고, 단시간에 효율적으로 전지의 직류 저항을 측정할 수 있다.
According to the battery DC resistance evaluation system of the present invention, the DC resistance of the battery can be measured efficiently in a short time without using a large capacity power supply.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 직류 저항 평가 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 도 1에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4A 및 도 4B는, 도 1에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는, 도 1에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 전지 직류 저항 평가 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 7은, 도 6에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8A~도 8E는, 도 6에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 도 6에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 도 6에 나타내는 평가 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11A 및 도 11B는, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 전지 직류 저항 평가 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 12는, 종래의 DCR 측정계의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 13은, DCR 측정시에 있어서의 충방전 전류 펄스의 시퀀스 파형의 일례도이다.
도 14는, DCR 측정시의 전압ㆍ전류 파형예도이다.
도 15는, 종래의 DCR 해석 장치의 구체적인 구성예를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing a battery DC resistance evaluation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 1.
3 is a view for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 1.
4A and 4B are diagrams for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 1.
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 1.
6 is a block diagram showing a battery DC resistance evaluation system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 6.
8A to 8E are diagrams for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 6.
FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 6.
FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the evaluation system shown in FIG. 6.
11A and 11B are block diagrams illustrating a battery direct current resistance evaluation system according to still another embodiment of the present invention.
12 is a block diagram showing an example of a conventional DCR measurement system.
13 is an example of sequence waveforms of charge and discharge current pulses at the time of DCR measurement.
14 is an example of voltage and current waveforms at the time of DCR measurement.
15 is a block diagram showing a specific configuration example of a conventional DCR analyzer.
하기의 상세 설명에서는, 설명을 목적으로, 개시된 실시형태에 대한 완벽한 이해를 위해 다양하고 자세한 내용이 명기되어 있다. 그러나 하나 혹은 그 이상의 실시형태가 이와 같은 구체적인 설명 없이 실시될 수 있다. 다른 예에서는 주지의 구조와 장치들을 도면의 간략화를 위해 개략적으로 제시한다.
In the following detailed description, for purposes of explanation, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the disclosed embodiments. However, one or more embodiments may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are schematically shown for simplicity of the drawings.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 대해, 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 따른 전지 직류 저항 평가 시스템(본 시스템)의 구성을 나타내는 블록도이다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, one Embodiment of this invention is described in detail using drawing. 1 is a block diagram showing the configuration of a battery DC resistance evaluation system (this system) according to an embodiment of the present invention.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 시스템은, 전지(1)의 전기 특성을 평가한다. 본 시스템은, DCR 해석 장치(4)와, 교류 전원(5)과, 임피던스 측정 장치(6)를 갖고 있다. 측정 대상인 전지(1)에는, 교류 전원(5) 및 임피던스 측정 장치(6)가 접속되어 있다.As shown in FIG. 1, this system evaluates the electrical characteristics of the
도 1의 본 시스템과 도 12의 평가 시스템의 차이점 중 하나는, 본 시스템은, 도 12의 평가 시스템의 전압ㆍ전류 측정 장치(3) 대신에 임피던스 측정 장치(6)를 갖고 있는 것이다. 이 임피던스 측정 장치(6)는, 전지(1)의 전기 특성으로서의 임피던스를 측정한다. 그 측정 데이터(임피던스 데이터)는, DCR 해석 장치(4)에 입력된다.One of the differences between the present system in FIG. 1 and the evaluation system in FIG. 12 is that the system has an impedance measuring
도 2는, 도 1에서 사용되는 DCR 해석 장치(4)의 구체적인 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, DCR 해석 장치(4)는, 입력부(44), SOC 연산부(45), 회로 정수 연산부(46), SOC-OCV 연산부(47), 응답 전압 연산부(48), DCR 연산부(42) 및 출력부(43)를 갖고 있다. DCR 해석 장치(4)에서는, 임피던스 데이터, 등가 회로, SOC-OCV 테이블의 데이터 및 DCR 측정 조건의 데이터가 입력부(44)를 통하여 각 부에 출력된다.FIG. 2 is a block diagram illustrating a specific configuration example of the
전지 직류 저항 측정 조건(DCR 측정 조건)은, 전지(1)에 인가되는 충방전 펄스의 전류값(펄스 높이)과, 충방전 펄스의 발생 시간을 포함한다. SOC 연산부(45)는, DCR 측정 조건으로서 규정되어 있는 충방전 펄스 높이 및 펄스 발생 시간으로부터, 전지(1)의 충방전량을 산출한다. 이에 의해, 전지(1)의 충전 상태 SOC(State of Charge)값이 산출된다. 그리고, 그 연산 결과는, SOC-OCV 연산부(47)에 출력된다. SOC값의 상세한 계산 방법은, 별도 설명된다.The battery DC resistance measurement condition (DCR measurement condition) includes the current value (pulse height) of the charge / discharge pulses applied to the
회로 정수 연산부(46)는, 임피던스 측정 장치(6)에 의해 측정된 임피던스 데이터를 사용하여, 등가 회로로서 최적인 회로 정수를 산출한다. 회로 정수의 상세한 계산 방법에 대해서는, 별도 설명된다.The circuit
SOC-OCV 연산부(47)는, SOC-OCV 테이블에 기초하여 SOC값에 따른 개로 전압 OCV(Open circuit voltage)값을 산출한다. OCV값의 상세한 계산 방법은, 별도 설명된다.The SOC-
응답 전압 연산부(48)는, 전지(1)에 전류 펄스를 인가함으로써 얻어지는 응답 전압을 산출한다. 구체적으로는, 응답 전압은, 등가 회로, 회로 정수, DCR 측정 조건 및 OCV값에 따른 값이다. 응답 전압은, 전지(1)의 내부 임피던스에 전류 펄스를 인가하였을 때에 발생하는 전압 변화와 내부 기전력의 합으로 산출된다. 응답 전압의 상세한 계산 방법에 대해서는, 별도 설명된다.The
DCR 연산부(42)에는, 측정 시각 포인트를 포함하는 DCR 측정 조건과 응답 전압이 입력된다. DCR 연산부(42)는, 연산식 DCR(=△V/△I)에 기초하여, DCR 측정 조건에서 지정된 각 측정 시각 포인트에 있어서의 DCR을 산출한다. 여기서, △V는 응답 전압의 강하 폭이고, △I는 전류 펄스의 레벨이다.The
상기 서술한 계산 방법의 상세를 설명하기 전에, 각 데이터에 대해 설명한다.Before demonstrating the detail of the calculation method mentioned above, each data is demonstrated.
도 3은, 임피던스 측정 장치(6)에 의해 측정된 전지(1)의 임피던스 데이터의 일례를 나타내는 도면이다. 특성 곡선 CHa는, 임피던스의 측정 결과를 나타내고 있다. 특성 곡선 CHb는, 위상의 측정 결과를 나타내고 있다.3 is a diagram illustrating an example of impedance data of the
도 4A 및 도 4B는, 등가 회로의 설명도이다. 도 4A는, 구체적인 등가 회로예를 나타내는 도면이다. 도 4B는, 도 4A에 나타내는 회로에 있어서의 각 소자의 구체적인 회로 정수의 일례를 나타내는 리스트이다.4A and 4B are explanatory diagrams of an equivalent circuit. 4A is a diagram illustrating a specific equivalent circuit example. 4B is a list showing an example of specific circuit constants of each element in the circuit shown in FIG. 4A.
도 5는, SOC-OCV 테이블의 구체예를 나타내는 도면이다. 이 테이블은, 전지(1)의 SOC값을 0~100%의 범위에서 10%씩 바꾸면서, OCV값을 측정함으로써 작성된다.5 is a diagram illustrating a specific example of the SOC-OCV table. This table is created by measuring the OCV value while changing the SOC value of the
SOC값은, SOC 연산부(45)에 의해, 소정의 DCR 측정 조건에 기초하여 연산된다. SOC값은, 측정 시간마다 연산되는 값이다.The SOC value is calculated by the
OCV값은, SOC-OCV 연산부(47)에 의해 산출된다. OCV값은, 각 측정 시간에 있어서의 개방 회로 전압값이다.The OCV value is calculated by the SOC-
응답 전압은, 응답 전압 연산부(48)에서 산출된다.The response voltage is calculated by the
전지(1)의 전기 특성에 대해 설명한다.The electrical characteristic of the
전지(1)의 기전력은, OCV값으로서 산출된다.The electromotive force of the
전지(1)의 내부 임피던스는, 하나 혹은 복수의 회로 소자의 회로 정수에 대응한다. 각 소자의 회로 정수는, 회로 정수 연산부(46)에서 산출된다.The internal impedance of the
[응답 전압의 산출][Calculation of Response Voltage]
전지(1)에 발생하는 응답 전압 E0은, 도 6의 등가 회로에 나타내는 바와 같이, 다음의 E1과 E2의 합으로 나타낸다.Response voltage E0 which generate | occur | produces in the
a) 내부 기전력; E1a) internal electromotive force; E1
b) 내부 임피던스에 의한 전압 변화; E2b) voltage change due to internal impedance; E2
기전력의 전압 E1은, 전류의 인가 상태에 상관없는 전압이다. 그러나, 전압 E1은, SOC에 따라 변화한다. 일반적으로, 방전시에는, 전지의 단자간 전압은 저하하는 것이 알려져 있다. 이러한 전압 강하의 원인은, 내부 임피던스이며, 전류의 인가 상태는 아니다. 이 때문에, 전지(1)의 OCV를 측정함으로써, 기전력의 전압 E1을 결정할 수 있다.The voltage E1 of the electromotive force is a voltage irrespective of the applied state of the current. However, voltage E1 changes with SOC. In general, it is known that the voltage between terminals of a battery decreases during discharge. The cause of such a voltage drop is an internal impedance and is not an application state of an electric current. For this reason, the voltage E1 of electromotive force can be determined by measuring the OCV of the
내부 임피던스는, 전지(1)의 재질 및 구조에 의해 결정된다. 전지(1)로의 전류 인가시에는 전압(기전력과 동일한 방향의 전압)이 발생하고, 전지(1)의 방전시에는, 기전력의 전압과는 반대 방향의 전압이 발생한다. 동일 규격을 갖는 전지라도, 내부 임피던스에는 개체차가 있다. 이 개체차가, DCR 검사 결과의 차이로서 나타난다.The internal impedance is determined by the material and the structure of the
본 시스템에서는, 전지(1)의 기전력(도 6의 E1)과, 전지(1)의 내부 임피던스에 전류를 인가하였을 때에 발생하는 전압 변화(도 6의 E2)의 합을 응답 전압 E0으로 한다.In this system, the sum of the electromotive force of the battery 1 (E1 in FIG. 6) and the voltage change (E2 in FIG. 6) generated when a current is applied to the internal impedance of the
[내부 임피던스에 의한 전압 변화][Voltage change due to internal impedance]
시간 t에 있어서의 전류(전류 펄스) X(t)에 따른 응답 전압 e(t)가 산출된다.The response voltage e (t) corresponding to the current (current pulse) X (t) at time t is calculated.
본 시스템에서는, 전지(1)의 내부 임피던스를, 직렬로 접속된 저항 및 복수의 RC 병렬 회로를 포함하는 회로를 사용하여 근사한다. 즉, 전지(1)의 내부 임피던스는, 저항과 각 RC 병렬 회로의 임피던스의 합이다.In this system, the internal impedance of the
한편, 내부 임피던스에 걸리는 전압 e(t)는, 각 임피던스에 걸리는 전압의 합이다.On the other hand, the voltage e (t) applied to the internal impedance is the sum of the voltages applied to each impedance.
예를 들어, 도 7에 나타내는 바와 같은 직렬 회로에 걸리는 전압의 합은, 이하의 식으로 구해진다.For example, the sum of the voltages applied to the series circuit as shown in FIG. 7 is obtained by the following equation.
e(t)=eA(t)+eB(t)+eC(t)e (t) = e A (t) + e B (t) + e C (t)
예를 들어 eA(t)는, 복소수 영역 s에 있어서의 전압 EA(s)를, 역라플라스 변환함으로써 구해진다.For example, e A (t) is obtained by inverse Laplace transform of the voltage E A (s) in the complex region s.
단, s=jω이다(ω는 각주파수).Where s = jω (ω is the angular frequency).
예를 들어 EA(s)는, 다음 식으로 구해진다.For example, E A (s) is obtained by the following formula.
EA(s)=ZA(s)×I(s)E A (s) = Z A (s) × I (s)
ZA(s): s 영역에 있어서의 임피던스Z A (s): Impedance in s region
I(s): s 영역에 있어서의 전류I (s): current in the s region
[회로 정수의 산출][Calculation of Circuit Constants]
내부 임피던스를 근사하기 위하여 사용되는 회로는, 전지(1)의 임피던스를 측정하는 것, 및 그 데이터를 사용하여 회로 중의 회로 정수를 최적화하는 것에 의해 구해진다.The circuit used to approximate the internal impedance is obtained by measuring the impedance of the
최적의 회로 정수는, y-f(x)의 제곱합을 최소로 하는 회로 정수 x이다. 회로 정수 x는, 최소 제곱법에 의해 구해진다. 여기서는, 임피던스 데이터를 y로 하고, 임피던스의 계산식을 함수 f(x)로 한다. 해법의 알고리즘으로는, 예를 들어, 가우스ㆍ뉴턴법 혹은 Levenberg-Marquardt법을 이용할 수 있다.The optimal circuit constant is the circuit constant x which minimizes the sum of squares of y-f (x). Circuit constant x is calculated | required by the least square method. Here, the impedance data is y, and the impedance calculation formula is a function f (x). As the algorithm of the solution, for example, the Gaussian Newton method or the Levenberg-Marquardt method can be used.
[s 영역에서의 전류][current in s region]
DCR 평가에서는, 전지(1)에 인가되는 전류 X(t)는, 도 8A~도 8E에 나타내는 바와 같은, 시간을 변수로 하는 충방전 전류의 스텝 함수 Xk(t)의 합이다.In the DCR evaluation, the current X (t) applied to the
그리고 내부 임피던스에 걸리는 전압 e(t)는, 각 스텝 함수에 의해 발생하는 응답 전압 ek(t)의 합이다.The voltage e (t) applied to the internal impedance is the sum of the response voltages e k (t) generated by each step function.
라플라스 변환은 선형성을 갖는다. 그 때문에, 각 스텝 함수에 의해 발생하는 응답 전압을 s 영역에서 구하여 적산함으로써, 전압 e(t)를 구할 수 있다.The Laplace transform has linearity. Therefore, the voltage e (t) can be obtained by obtaining and integrating the response voltage generated by each step function in the s region.
Ik(s)는, 시간 영역에 있어서, 전류를 라플라스 변환함으로써 구해진다. 예를 들어, t=0의 경우에 △Ik만큼 변화하는 전류는, 스텝 함수를 이용하여 다음과 같이 나타내어진다.I k (s) is obtained by laplace transforming the current in the time domain. For example, the current which changes by ΔI k in the case of t = 0 is expressed as follows using a step function.
0: t<00: t <0
△Ik: t≥0ΔI k : t≥0
이것은, 단위 스텝 함수 u(t)를 이용함으로써, 다음과 같이 나타내어진다.This is represented as follows by using the unit step function u (t).
△Ik×u(t)ΔI k × u (t)
즉, 다음 식이 성립한다.That is, the following equation holds.
Ik(s)=L[△Ik×u(t)]=△Ik/sI k (s) = L [ΔI k × u (t)] = ΔI k / s
도 9는, DCR 측정에 있어서의 충방전 전류와 SOC의 변화와의 관계의 예를 나타내는 도면이다. 도 9에서는, 실선은 전류 펄스를 나타내고, 파선은 SOC를 나타내고 있다.9 is a diagram showing an example of the relationship between the charge and discharge current and the change in the SOC in the DCR measurement. In FIG. 9, the solid line represents the current pulse, and the broken line represents the SOC.
[저항에 걸리는 전압][Voltage applied to resistance]
저항의 저항값이 r일 때, 저항에 걸리는 전압 er(t)는, 다음 식에 의해 구해진다.When the resistance value of the resistance is r, the voltage e r (t) applied to the resistance is obtained by the following equation.
er(t)=r×X(t)e r (t) = r × X (t)
[RC 회로에 걸리는 전압][Voltage across RC circuit]
RC 회로의 임피던스가 Zrc(s)일 때, RC 회로에 걸리는 전압 erc(t)는, 다음과 같다.When the impedance of the RC circuit is Z rc (s), the voltage e rc (t) applied to the RC circuit is as follows.
Ik(s)가, t=tk에 있어서 △Ik 변화하는 전류의 스텝 함수인 경우, 그 응답 전압 Yrck(T)는, 이하와 같이 구해진다. 단, T=t-tk로 한다.I k (s) it is, in the case of the step function of the current to change △ I k according to t = t k, the response voltage Y rck (T) is obtained as follows. However, let T = tt k .
RC 회로의 임피던스 Zrc(s)는, 저항 R과, 정전 용량 C를 갖는 RC 병렬 회로와의 임피던스이므로, 다음과 같이 구할 수 있다.Since the impedance Z rc (s) of the RC circuit is the impedance of the resistor R and the RC parallel circuit having the capacitance C, it can be obtained as follows.
이때, α=1/C, β=-1/RC로 하면, Z(s)=α/(s-β)가 된다. 이로부터, Erck(s)는, 이하와 같이 나타내어진다.At this time, if α = 1 / C and β = -1 / RC, Z (s) = α / (s-β). From this, E rck (s) is represented as follows.
이것은, 역라플라스 변환됨으로써,This, by inverse Laplace transform,
가 된다. 이로부터, Yrck(T)는, 다음 식과 같이 나타내어진다.. From this, Y rck (T) is represented as follows.
[내부 기전력][Internal electromotive force]
도 6에 나타내는 전지(1)의 내부 기전력(전압 E1)은, OCV값으로 결정된다. 이 OCV값은, 이하의 순서에 따라 산출된다.The internal electromotive force (voltage E1) of the
1) DCR 충방전 펄스에 의한 SOC의 변화를 산출한다.1) Calculate the change of SOC by DCR charge / discharge pulse.
2) SOC의 변화에 의한 OCV값을 산출한다.2) OCV value due to SOC change is calculated.
[SOC 산출][SOC output]
DCR 측정에서는, 전지(1)에 대하여 충전 펄스 혹은 방전 펄스를 인가한다. 이 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 측정의 진척에 따라 전지(1)의 SOC가 변화한다. 시간 t에 있어서의 SOC값은, 이하의 식에 의해 산출할 수 있다.In the DCR measurement, a charge pulse or a discharge pulse is applied to the
여기서, S0은, SOC의 초기값이고, Cmax는, 전지(1)의 최대 용량이다. 또한, I(x)는, 충방전 전류이다.Here, S 0 is an initial value of SOC, and C max is a maximum capacity of the
SOC의 산출예에 대해 설명한다.The calculation example of SOC is demonstrated.
전지(1)가, 예를 들어, 2400mAh의 최대 용량을 갖고, 그 SOC가 50%(1200mAh)라고 하자. 이 전지(1)에, 2400mA로 30초간의 충전 펄스를 인가한 경우, SOC는, 이하의 식으로 계산된다.Assume that the
{1200mAh+(2400mA*0.0083)}/2400mAh=0.5083{1200mAh + (2400mA * 0.0083)} / 2400mAh = 0.5083
즉, 충전 펄스 인가 후의 SOC는, 50.83%가 된다.That is, SOC after charging pulse application is 50.83%.
마찬가지로, 전지(1)가 2400mAh의 최대 용량을 갖고, 그 SOC가 50%(1200mAh)라고 하자. 이 전지(1)에, 2400mA로 30초간의 방전 펄스를 인가한 경우, SOC는, 이하의 식으로 계산된다.Similarly, assume that the
{1200mAh+(-2400mA*0.0083)}/2400mAh=0.4917{1200mAh + (-2400mA * 0.0083)} / 2400mAh = 0.4917
즉, 방전 펄스 인가 후의 SOC는, 49.17%가 된다.That is, SOC after discharge pulse application is 49.17%.
[OCV값 산출][OCV value calculation]
OCV는, SOC에 따라 변화한다. 그 때문에, S(t)에 있어서의 OCV를 구하기 위해서는, 먼저, 전지(1)의 충전 상태를 바꾸면서 OCV를 측정한다. 이에 의해, SOC에서 테이블 추출된 OCV 테이블을 작성한다. 그리고, 이 OCV 테이블은, S(t)에 따라 참조된다. 중간값은, 예를 들어 선형보간과 같은 계산법을 이용함으로써 산출된다.OCV changes with SOC. Therefore, in order to calculate OCV in S (t), first, OCV is measured, changing the state of charge of the
OCV의 산출예에 대해, 이하에 설명한다.The calculation example of OCV is demonstrated below.
시각 t=tk에 있어서의 OCV값 e(tk)는, 다음 식을 이용함으로써 계산된다. 단, SOC값 S(tk)=50.83%이고, OCV1은, SOC가 50%인 경우의 OCV값이다. OCV2는, SOC가 60%인 경우의 OCV값이다.The OCV value e (t k ) at time t = t k is calculated by using the following equation. However, SOC value S (t k ) = 50.83% and OCV 1 is an OCV value when SOC is 50%. OCV 2 is an OCV value when SOC is 60%.
이 식에 의한 OCV값의 연산 결과는, 3.727V가 된다. 그리고, 동일 식에 의하면, SOC가 49.17%인 경우의 OCV값은, 3.706V가 된다.The calculation result of the OCV value by this formula is 3.727V. And according to the same formula, the OCV value in case SOC is 49.17% is 3.706V.
본 시스템에서는, 교류 임피던스 측정 결과에 기초하여 전지의 DCR 측정 결과가 추정된다. 이로부터, 본 시스템은, 이하의 효과를 발휘한다.In this system, the DCR measurement result of the battery is estimated based on the AC impedance measurement result. From this, the present system exhibits the following effects.
1) 교류 임피던스 측정에서는, 측정을 위하여 인가되는 교류 신호의 진폭이 작아도 안정적으로 측정할 수 있다. 이로부터, 전지(1)의 출력에 나타나는 섭동을 작게 억제할 수 있다.1) In AC impedance measurement, even if the amplitude of the AC signal applied for measurement is small, it can measure stably. From this, the perturbation which appears at the output of the
2) 이에 의해, 전지(1)를 원래 상태로 되돌리기 위한 대기 시간을 마련하지 않아도 된다. 이 때문에, 측정 시간을 단축할 수 있다. 이 때문에, 예를 들어, 제조 라인에 있어서의 검사의 효율을 높일 수 있다.2) Thereby, it is not necessary to provide the waiting time for returning the
3) 재현성이 좋은 측정을 행할 수 있다.3) Good reproducibility can be measured.
4) 전원 용량이 작아도 안정적으로 측정을 행할 수 있다.4) Even if the power supply capacity is small, stable measurement can be performed.
5) 교류 임피던스 측정에서는, 측정 결과가 FFT 처리된다. 이에 의해, 해석 대상이 되는 주파수만이 이용된다. 이 때문에, 노이즈 등의 영향이 억제된다.5) In AC impedance measurement, the measurement result is FFT processed. As a result, only the frequency to be analyzed is used. For this reason, influences such as noise are suppressed.
또한, 상기 실시예에서는, OCV 산출에 사용되는 파라미터로서, SOC가 사용되고 있다. 그러나, 이 파라미터는, SOC에 한정되지 않는다. 이 파라미터로서, 온도(셀 온도 혹은 환경 온도)가 사용되어도 된다. 이 경우, 사전에 전지(1)의 온도를 바꾸면서 OCV 데이터를 측정한다. 이 OCV 데이터로부터, 온도에 따른 OCV가 산출된다. 이에 의해, 응답 전압을 보정할 수 있다.In the above embodiment, SOC is used as a parameter used for calculating OCV. However, this parameter is not limited to SOC. As this parameter, temperature (cell temperature or environmental temperature) may be used. In this case, OCV data is measured while changing the temperature of the
또한, OCV의 산출에서는, 전지의 재료 및/또는 구조를 고려하여, 온도 테이블을 보정해도 된다.In calculating the OCV, the temperature table may be corrected in consideration of the material and / or structure of the battery.
또한, OCV의 산출에 사용되는 파라미터는, SOC와 온도 및/또는 다른 조건의 조합이어도 된다.In addition, the parameter used for calculation of OCV may be a combination of SOC and temperature and / or other conditions.
또한, 등가 회로로서, 직렬로 접속된 복수의 CPE(Constant Phase Element)를 갖는 회로를 사용해도 된다. CPE는, 전지 내부의 물질 확산에 의한 임피던스를 나타낼 수 있는 소자이다. CPE의 임피던스 Z는, 정수 P 및 T를 사용하여 일반적으로 다음과 같이 정의된다.As an equivalent circuit, a circuit having a plurality of CPEs (Constant Phase Element) connected in series may be used. CPE is an element capable of exhibiting impedance due to material diffusion in a battery. The impedance Z of the CPE is generally defined as follows using the integers P and T.
P=0.5인 경우, CPE의 임피던스는, 이하의 식으로 나타내는 와버그 임피던스와 동일하다.When P = 0.5, the impedance of the CPE is the same as the Warburg impedance represented by the following formula.
저항 혹은 RC 병렬 회로와 마찬가지로, 등가 회로 중의 CPE에 걸리는 전압이 구해진다. 이 전압을, 등가 회로의 다른 부분에 걸리는 전압과 가산함으로써, 내부 저항 전체의 응△답 전압이 구해진다.Similar to the resistor or RC parallel circuit, the voltage applied to the CPE in the equivalent circuit is obtained. By adding this voltage with the voltage applied to other parts of the equivalent circuit, the response voltage of the entire internal resistance is obtained.
[CPE에 걸리는 전압][Voltage across CPE]
CPE의 임피던스가 Zcpe(s)인 경우, CPE에 걸리는 전압 Ecpe(t)는, 다음과 같다.When the impedance of the CPE is Z cpe (s), the voltage E cpe (t) applied to the CPE is as follows.
Ik(s)가, t=tk인 경우에 △Ik만큼 변화하는 전류의 스텝 함수인 경우, 그 응답 전압 Ecpek(T)는, 이하와 같이 구해진다. 단, T=t-tk로 한다.When I k (s) is a step function of a current that changes by ΔI k when t = t k , the response voltage E cpek (T) is obtained as follows. However, let T = tt k .
CPE의 임피던스는, 정수 P 및 Q를 사용하여, 다음과 같이 정의된다. 여기서, P 및 Q는 전지 고유의 특성이며, 회로 정수로서 취급된다.The impedance of CPE is defined as follows using the constants P and Q. Here, P and Q are characteristics inherent to the battery and are treated as circuit constants.
따라서,therefore,
여기서, 다음의 역라플라스 변환이 이용된다.Here, the following inverse Laplace transform is used.
단, n>0이고, Γ(n)은 감마 함수이다. 이에 의해, Ecpe(T)는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.However, n> 0 and Γ (n) is a gamma function. Thereby, E cpe (T) can be represented as follows.
회로 정수를 결정할 때, SOC마다의 임피던스 측정 결과(SOC-임피던스 데이터)가 사용되어도 된다. 도 10은, SOC-임피던스 데이터를 사용하는 DCR 해석 장치(4)의 구체적인 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 10에서는, 도 2와 공통되는 부분에 동일한 부호가 붙어 있다. SOC-회로 정수 테이블 연산부(49a)는, 입력부(44)로부터 입력되는 SOC-임피던스 데이터 테이블 및 등가 회로 데이터에 기초하여, 각 SOC의 등가 회로에 대응한 회로 정수를 구한다.In determining the circuit constant, impedance measurement results (SOC-impedance data) for each SOC may be used. FIG. 10 is a block diagram showing a specific configuration example of a
구체적으로는, 예를 들어 도 11에 나타내는 바와 같이, 각 회로 정수를 SOC에서 테이블 추출함으로써, SOC-회로 정수 테이블을 작성한다.Specifically, as shown in FIG. 11, the SOC-circuit constant table is created by extracting each circuit constant from the SOC by the table.
SOC-회로 정수 연산부(49b)는, SOC-회로 정수 테이블과, SOC 연산부(45)로부터 산출되는 SOC값에 기초하여, SOC값에 따른 회로 정수를 산출한다.The SOC-circuit constant calculating unit 49b calculates a circuit constant corresponding to the SOC value based on the SOC-circuit constant table and the SOC value calculated from the
또한, 회로 정수의 연산에서는, 파라미터가 제한된 범위 내에 들어가도록, 예를 들어 각 SOC의 측정 데이터에 기초하여 회로 정수가 최적화된다. 그러나, 특성을 변화시키는 조건은, SOC에 한정되지 않는다. 예를 들어 온도를 조건으로 하여, 특성을 변화시켜도 된다.In the calculation of the circuit constant, for example, the circuit constant is optimized based on the measurement data of each SOC so that the parameter falls within the limited range. However, the condition which changes a characteristic is not limited to SOC. For example, you may change a characteristic on condition of temperature.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 시스템에서는, 대용량의 전원을 사용하지 않아도, 단시간에 효율적으로 저항 측정을 행할 수 있다. 본 시스템은, 예를 들어, 전지의 제조 라인에서의 DCR 검사에 바람직하다.As described above, in this system, resistance measurement can be efficiently performed in a short time without using a large power supply. This system is suitable for DCR test | inspection in the manufacturing line of a battery, for example.
또한, 본 발명의 전지 직류 저항 평가 시스템은, 이하의 제1~제5 전지 직류 저항 평가 시스템(전지 직류 저항 평가 장치)이어도 된다. 제1 전지 직류 저항 평가 시스템은, 2차 전지의 내부 직류 저항을 측정하는 전지 직류 저항 평가 시스템으로서, 측정 대상 전지의 교류 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 수단과, 이 임피던스 측정 수단의 측정 결과와 선택된 등가 회로에 기초하여 연산되는 회로 정수와 전지 직류 저항 측정 조건의 전류값과 개로 전압값(OCV)에 기초하여 상기 측정 대상 전지의 응답 전압을 산출함과 함께 내부 직류 저항값을 산출하는 직류 저항값 해석 수단을 설치한 것을 특징으로 한다.In addition, the battery DC resistance evaluation system of this invention may be the following 1st-5th battery DC resistance evaluation systems (battery DC resistance evaluation apparatus). The first battery DC resistance evaluation system is a battery DC resistance evaluation system for measuring the internal DC resistance of a secondary battery, the impedance measuring means for measuring the AC impedance of the battery to be measured, and the selected equivalent of the measurement result of the impedance measuring means. DC resistance value analysis that calculates the internal DC resistance value while calculating the response voltage of the battery to be measured based on the circuit constant calculated based on the circuit, the current value of the battery DC resistance measurement condition, and the open circuit voltage value (OCV). A means is provided.
제2 전지 직류 저항 평가 시스템은, 제1 전지 직류 저항 평가 시스템에 있어서, 상기 직류 저항값 해석 수단은, 상기 SOC를 바꾸면서 OCV 데이터를 측정하여 작성된 SOC-OCV 테이블을 사용하여 상기 응답 전압을 보정하는 것을 특징으로 한다. 제3 전지 직류 저항 평가 시스템은, 제1 전지 직류 저항 평가 시스템에 있어서, 상기 직류 저항값 해석 수단은, 온도를 바꾸면서 측정된 OCV 데이터를 사용하여 상기 응답 전압을 보정하는 것을 특징으로 한다.The second battery DC resistance evaluation system is a first battery DC resistance evaluation system, wherein the DC resistance value analyzing means corrects the response voltage using an SOC-OCV table created by measuring OCV data while changing the SOC. It is characterized by. In the third battery DC resistance evaluation system, in the first battery DC resistance evaluation system, the DC resistance value analyzing means corrects the response voltage using the OCV data measured while changing temperature.
제4 전지 직류 저항 평가 시스템은, 제1~제3 중 어느 하나의 전지 직류 저항 평가 시스템에 있어서, 상기 등가 회로로서, CPE가 직렬 접속된 회로를 사용하는 것을 특징으로 한다. 제5 전지 직류 저항 평가 시스템은, 제1~제4 중 어느 하나의 전지 직류 저항 평가 시스템에 있어서, 상기 등가 회로의 회로 정수는, 온도를 바꾸면서 측정된 임피던스 데이터를 사용하여 상기 회로 정수를 보정하는 것을 특징으로 한다.The 4th battery DC resistance evaluation system is a battery DC resistance evaluation system in any one of the 1st-3rd, The said equivalent circuit uses the circuit in which CPE was connected in series. The 5th battery DC resistance evaluation system is a battery DC resistance evaluation system in any one of 1st-4th, The circuit constant of the said equivalent circuit correct | amends the said circuit constant using the impedance data measured while changing temperature. It is characterized by.
제1~제4 전지 직류 저항 평가 시스템에 의하면, 대용량의 전원을 사용하지 않고, 단시간에 효율적으로 전지의 직류 저항을 측정할 수 있다.According to the 1st-4th battery DC resistance evaluation system, the DC resistance of a battery can be measured efficiently in a short time, without using a large capacity power supply.
상기의 상세설명은 사례를 설명하고 상세묘사를 위하여 제시되었다. 상기 제시된 내용에 입각하여 다양한 변형과 변화가 가능하다. 여기서 설명한 대상은 포괄적으로 설명하거나 혹은 개시된 명확한 형태로 제한하고자 의도하지는 않았다. 대상은 구조적 특징 및/또는 방법론적 행위에 있어서 구체적인 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구항에서 정의된 대상은 상기 설명된 구체적인 구조 또는 행위에 반드시 제한되는 것은 아니다. 그보다는, 상기 설명된 구체적 구조와 행위는 첨부된 청구항을 실행하기 위한 예시형태로 개시되었다.
The above detailed description has been presented for the purpose of illustrating the example and describing it in detail. Many modifications and variations are possible in light of the above teaching. The subject matter described herein is not intended to be exhaustive or to be limited to the precise form disclosed. Although the subject matter has been described in specific language in terms of structural features and / or methodological acts, the subject matter defined in the appended claims is not necessarily limited to the specific construct or act described above. Rather, the specific structures and acts described above are disclosed as example forms of implementing the appended claims.
Claims (7)
상기 2차 전지의 교류 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 수단과,
직류 저항값 해석 수단을 포함하고,
상기 직류 저항값 해석 수단은,
상기 임피던스 측정 수단의 측정 결과와, 상기 2차 전지의 등가 회로에 기초하여 연산되는 회로 정수와, 전지 직류 저항 측정 조건에 포함되는 전류값과, 개로 전압값인 OCV에 기초하여 상기 2차 전지의 응답 전압을 산출하고,
또한, 이 응답 전압과, 상기 전지 직류 저항 측정 조건에 기초하여 상기 2차 전지의 내부 직류 저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 직류 저항 평가 시스템.A battery DC resistance evaluation system for measuring the internal DC resistance of a secondary battery,
An impedance measuring means for measuring the AC impedance of the secondary battery;
A direct current resistance value analysis means,
The DC resistance value analysis means,
Based on the measurement result of the said impedance measuring means, the circuit constant computed based on the equivalent circuit of the said secondary battery, the electric current value contained in a battery DC resistance measurement condition, and OCV which is an open circuit voltage value, Calculate the response voltage,
The battery DC resistance evaluation system is calculated based on the response voltage and the battery DC resistance measurement conditions.
상기 직류 저항값 해석 수단은, 상기 2차 전지의 충전 상태인 SOC를 바꾸면서, 상기 OCV를 측정함으로써 작성된 SOC-OCV 테이블을 사용하여 상기 응답 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 전지 직류 저항 평가 시스템.The method of claim 1,
And said DC resistance value analyzing means corrects said response voltage using SOC-OCV table created by measuring said OCV while changing SOC which is a state of charge of said secondary battery.
상기 직류 저항값 해석 수단은, 온도를 바꾸면서 측정된 상기 OCV를 사용하여 상기 응답 전압을 보정하는 것을 특징으로 하는 전지 직류 저항 평가 시스템.The method of claim 1,
And said DC resistance value analyzing means corrects said response voltage using said OCV measured while changing temperature.
상기 등가 회로가, 직렬 접속된 복수의 CPE를 갖는 것을 특징으로 하는 전지 직류 저항 평가 시스템.The method of claim 1,
The said equivalent circuit has a some CPE connected in series, The battery direct current resistance evaluation system characterized by the above-mentioned.
상기 등가 회로가, 직렬 접속된 복수의 CPE를 갖는 것을 특징으로 하는 전지 직류 저항 평가 시스템.3. The method of claim 2,
The said equivalent circuit has a some CPE connected in series, The battery direct current resistance evaluation system characterized by the above-mentioned.
상기 등가 회로가, 직렬 접속된 복수의 CPE를 갖는 것을 특징으로 하는 전지 직류 저항 평가 시스템.The method of claim 3,
The said equivalent circuit has a some CPE connected in series, The battery direct current resistance evaluation system characterized by the above-mentioned.
상기 직류 저항값 해석 수단은, 온도를 바꾸면서 측정된 상기 2차 전지의 교류 임피던스를 사용하여 상기 회로 정수를 보정하는 것을 특징으로 하는 전지 직류 저항 평가 시스템.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
And said DC resistance value analyzing means corrects said circuit constant using the AC impedance of said secondary battery measured while changing temperature.
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