KR20200020566A - 임피던스 분광법을 이용하여 배터리 수명 진단이 가능한 배터리 상태 진단장치 및 이를 이용한 진단방법 - Google Patents

임피던스 분광법을 이용하여 배터리 수명 진단이 가능한 배터리 상태 진단장치 및 이를 이용한 진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리의 노화 정도를 진단하여 배터리의 수명과 교체주기를 예측할 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하는 측정부와, 배터리를 충전 및 방전시키는 충/방전부와, 일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부와, 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 데이터 수집부와, 상기 측정부 및 데이터 수집부를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류 성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

임피던스 분광법을 이용하여 배터리 수명 진단이 가능한 배터리 상태 진단장치 및 이를 이용한 진단방법{BATTERY MANAGEMENT APPARATUS CAPABLE OF DIAGNOSING BATTERY LIFE USING ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 리튬이온 배터리모듈의 상태 진단을 위한 장치 및 이를 이용한 방법에 관한 것으로, 특히 배터리 모듈의 노화 정도를 진단하여 배터리의 수명과 교체주기를 예측할 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단장치 및 이를 이용한 진단방법에 관한 것이다.
배터리에 의해 구성되는 전동장치(전기 자동차, 하이브리드 자동차, 전기 오토바이, 골프장의 카트 등) 등을 구동하기 위하여 대용량의 전력을 발생할 수 있는 대용량의 배터리(배터리 모듈)가 사용될 수 있다. 특히, 신재생에너지의 보급과 함께 스마트 그리드(smart grid)의 핵심으로 전력의 저장 및 품질, 그리고 에너지 사용의 효율을 극대화시킬 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS, energy storage system)에 대한 관심도 증가하고 있다.
에너지 저장 시스템(ESS)은 다수의 배터리 셀들(Battery Cells)을 가지는 대용량의 배터리 모듈(BatteryModule)을 포함할 수 있고, 남는 전력(남는 에너지)을 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전력계통(grid)에 저장하는 기술로서 전력의 품질과 효율성을 최적화할 수 있는 시스템을 말한다.
상기 배터리 모듈을 보다 효율적이고 안정적으로 관리하는 장치가 배터리 관리 시스템이다. 배터리 관리 시스템은 다수개의 배터리 셀들에 연결되어 각 배터리 셀의 전압 값을 A/D 컨버터(analog to digital converter)를 통해 읽어 들인 후 배터리 셀의 충전 또는 방전을 제어할 수 있다.
배터리(배터리 셀)의 잔존용량(state of charge, SOC) 산출 방법에는 사용 전류(Ampere)와 시간(hour)의 관계에서 사용된 용량을 구하여 잔존용량을 산출하는 전류 적산법(Ah법), 또는 배터리의 내부 임피던스와 잔존용량의 관계에서 잔존용량을 계산하는 임피던스 측정법이 있을 수 있다.
상기 전류 적산법은 방전 전류와 시간의 곱으로 잔존용량을 추정하는 방법으로서, 전류 또는 시간의 오차 누적으로 인해 시간이 가면 갈수록 잔존용량 에러(에러율)가 커질 수 있다. 도 1 은 종래의 전류 적산법의 에러율을 설명하는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 잔존용량의 추정값 1은 전류 또는 시간이 실제 값보다 작게 측정되었을 경우 산출되는 값을 지시하며 잔존용량의 추정값 1은 시간의 경과에 따라 잔존용량의 정확한 실제 값과의 차이가 커질 수 있다. 잔존용량의 추정값 2는 전류 또는 시간이 실제 값보다 크게 측정되었을 경우 산출되는 값을 지시하며 잔존용량의 추정값 2는 시간의 경과에 따라 잔존용량의 정확한 실제 값과의 차이가 커질 수 있다.
또한 상기 임피던스 측정법은 배터리를 충전 또는 방전하고 있을 경우, 즉 전류가 흐르고 있을 경우에는 배터리의 내부 임피던스가 변하기 때문에 배터리의 잔존용량을 정확하게 계산(측정 또는 추정)할 수 없는 문제점이 있을 수 있다.
이처럼, 종래의 배터리 관리 시스템(BMS)의 경우 배터리의 수명(State of Health: SOH)을 배터리의 충전상태(SOC)와 임피던스를 측정해 나타내는 경우가 많았으나, 이러한 방법은 배터리의 수명을 판단함에 있어 계산상의 오류로 인해 정확성과 신뢰성을 저하시키는 문제점을 나타내고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배터리의 노화 정도를 진단하여 배터리의 수명과 교체주기를 예측할 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단장치 및 이를 이용한 진단방법을 제공하는 것을 목적으로 있다.
또한, 배터리의 충전상태와 임피던스를 이용하고, 추가적으로 고조파적 특성을 분석하여 배터리의 수명 판단의 정확성과 신뢰도를 향상시킬 수 있는 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단장치 및 이를 이용한 진단방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단장치는, 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전 상태를 측정하는 측정부와, 배터리를 충전 및 방전시키는 충/방전부와, 일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부와, 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 데이터 수집부와, 상기 측정부 및 데이터 수집부를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부를 포함하여 구성되는데 있다.
또한, 상기 임피던스 측정부는, 랜들 등가회로 모델을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고조파 측정부는, 배터리와 직렬로 연결되는 1옴의 저항, 배터리에 DC전원을 공급하여 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지시키는 전압원, 배터리에서 전류값과 1옴의 저항에서의 전압값을 측정하여 고조파 분석을 실시하는 계측기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리의 진단방법은, 전류 주입부에서 배터리에 인가되는 일정 전류를 기반으로 배터리의 충전과 방전을 수행하는 단계, 측정부를 통해 배터리의 충전과 방전시 전압, 충전 상태를 측정하는 단계, 상기 측정된 배터리의 충전, 방전 사이클에 의한 배터리의 상태 정보를 데이터 수집부를 통해 수집하고 전압, 전류에 대한 정보를 저장하는 단계, 임피던스 측정부를 통해 상기 수집된 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 단계 및 상기 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 고조파 변화율을 측정하여 배터리의 상태를 진단하는 단계를 포함한다.
또한, 배터리의 전류의 값과 고조파 측정부에서의 1옴의 저항에서의 전압값을 이용하여 고조파의 크기가 측정되는 단계를 더 포함한다.
또한. 상기 배터리의 전류의 값과 고조파 측정부에서의 전압값은 배터리의 충전, 방전이 이루어지지 않는 상태에서 측정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 분광법을 이용하여 배터리 수명 진단이 가능한 배터리 진단장치 및 이를 이용한 진단방법 의하면, 배터리의 충전상태(SOC)와 임피던스의 측정 결과에, 추가적으로 고조파적 특성을 분석하여 배터리의 수명을 정확하고 신뢰성있게 측정할 수 있다.
또한 적은 비용으로 배터리의 수명을 측정할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 고조파 분석을 통해 배터리의 수명을 간편하게 측정할 수 있다.
도 1 은 종래의 전류적산법의 에러율을 설명하는 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 진단 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 관리장치를 이용한 진단방법을 설명하기 블럭도이다.
위 발명의 배경이 되는 기술란에 기재된 내용은 오직 본 발명의 기술적 사상에 대한 배경 기술의 이해를 돕기 위한 것이며, 따라서 그것은 본 발명의 기술 분야의 당업자에게 알려진 선행 기술에 해당하는 내용으로 이해될 수 없다.
아래의 서술에서, 설명의 목적으로, 다양한 실시예들의 이해를 돕기 위해 많은 구체적인 세부 내용들이 제시된다. 그러나, 다양한 실시예들이 이러한 구체적인 세부 내용들 없이 또는 하나 이상의 동등한 방식으로 실시될 수 있다는 것은 명백하다. 다른 예시들에서, 잘 알려진 구조들과 장치들은 다양한 실시예들을 불필요하게 이해하기 어렵게 하는 것을 피하기 위해 블록도로 표시된다. 도면에서, 구성 요소들의 크기 또는 상대적인 크기는 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 임피던스 분광법을 이용한 배터리 수명 진단이 가능한 배터리 진단장치 및 그 진단방법에 관하여 설명한다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 상태 진단장치(1)는, 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정하는 측정부(10)와, 배터리를 충전시키는 충전부(20)와, 배터리를 방전시키는 방전부(30)와, 일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부(40)와, 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 저장하는 데이터 수집부(50)와, 상기 측정부(10) 및 데이터 수집부(50)를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부(60)와, 상기 임피던스 측정부(60)에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부(70)를 포함하여 구성된다.
일례로 임피던스 측정부(60)는, 서로 직렬로 연결된 분극저항 및 와버그저항, 상기 분극저항 및 와버그저항과 병렬로 연결된 이중층 축전기, 일측에 배터리 전압이 연결되고 타측에 병렬로 연결된 이중층 축전기와 직렬 연결되는 부식저항으로 구성되는 랜들 등가회로 모델을 이용하여 임피던스 값을 측정할 수 있다.
고조파 측정부(70)는 배터리, 상기 배터리와 직렬로 연결되는 1옴(W)의 저항, DC전원공급부를 통해 배터리가 나타내는 전압값과 같은 크기로 전압을 인가시켜 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지시키는 전압원, 배터리에서 전류의 값과 1옴의 저항에서 전압값을 측정하여 고조파 분석을 실시하는 계측기를 포함하여 구성될 수 있다.
고조파 측정부(70)에서 측정되는 고조파는 임피던스의 값이 전압 성분을 전류 성분으로 나눈 값에 해당하므로, 임피던스 값의 전압과 전류를 이용하여 소프트웨어에서 설계된 측정방법으로 측정되 고조파와 비교할 수 있다. 상세히, 노후된 배터리와 정상적인 배터리의 고조파의 크기를 비교하여 측정 중인 배터리의 수명을 파악할 수 있다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 및 임피던스를 이용한 배터리 관리장치를 이용한 진단방법을 설명하기 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 전류 주입부(40)에서 배터리에 인가되는 일정 전류를 기반으로 배터리의 충전부(20) 및 방전부(30)를 제어하여 배터리의 충전 및 방전을 수행한다(S10). 상세히, 진단장치 내의 록인(lock-in) 증폭기가 소정의 데이터를 디지털-아날로그 변환기로 전송하면, 디지털-아날로그 변환기로부터의 아날로그 출력 신호에 따라 증폭기가 동작하고 배터리에 주파수별 섭동 전류가 인가된다. 측정부(10)는 인가된 전류에 대한 배터리의 전류, 전압 응답 신호를 측정하여 그 정보를 아날로그-디지털 변환기로 보낸다.
이와 같이 측정부(10)는 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전상태를 측정(S20)하여 배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태 정보를 데이터 수집부를 통해 수집하고 전류 및 전압 성분을 어레이 형식으로 저장한다(S30).
임피던스 측정부(60)는 데이터 수집부(50)를 통해 수집된 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정한다(S40). 이때, 임피던스 값은 랜들 등가 회로모델을 이용하여 측정될 수 있다.
고조파 측정부(70)를 통해 랜들 등가 회로모델을 통해 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류 성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하고 고조파 변화율을 측정(S50)하여 배터리 상태를 진단할 수 있다.
이하에서는 전압을 이용하여 고조파의 크기를 측정하는 방법에 관하여 설명한다.
배터리에서 전류의 값과 1옴의 저항에서 전압값을 측정하여 계측기를 통해 고조파 분석을 한다. 이때에는 배터리에서 충전과 방전이 일어나지 않는 상태에서 측정한다. DC 전원공급부를 통해 배터리가 나타내는 전압값과 같은 크기로 전압을 인가하여 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지할 수 있으므로 전압원을 이용하여 이와 같은 상태를 유지한다. 측정되는 임피던스의 값은 전압 성분을 전류성분으로 나눈 값(R=V/I)에 해당하므로, 임피던스 값의 전압과 전류를 이용하여 측정된 결과를 이용하여 고조파 비교를 할 수 있다.
일반적으로 배터리 임피던스 분석을 위해 널리 사용되는 방법은 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)를 이용하는 방법이다. EIS는 수천 만원대의 고가의 장비이나, 본 발명은 랜들 등가 회로 모델을 이용한 배터리 등가회로로 구성하며, 이를 통해 임피던스 측정이 가능함으로써, 적은 비용으로 고가의 EIS를 대체할 수 있는 배터리 분석 시스템을 제공할 수 있다.
배터리의 고조파 분석을 통해 기존의 배터리 등가회로보다 정확하게 배터리의 수명을 나타낼 수 있으며, 특히 고조파 분석의 경우 임피던스 측정 시스템과 달리 아주 정확한 측정을 요구하지 않는 점에서 배터리의 상태 및 수명을 측정하는데 간편한 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 배터리의 상태 진단장치 10: 측정부
20: 충전부 30: 방전부
40: 전류 주입부 50: 데이터 수집부
60: 임피던스 측정부 70: 고조파 측정부

Claims (7)

  1. 배터리의 충전, 방전시 전압, 충전 상태를 측정하는 측정부;
    배터리를 충전 및 방전시키는 충/방전부와, 일정 전류를 배터리에 인가하는 전류 주입부;
    배터리의 충전 및 방전 사이클에 의한 배터리의 상태정보를 수집하고 전류 및 전압성분을 어레이 형식으로 저장하는 데이터 수집부;
    상기 측정부 및 데이터 수집부를 통해 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 임피던스 측정부; 및
    상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 주파수 특성을 파악하여 고조파 변화율을 측정하는 고조파 측정부;를 포함하고,
    배터리의 임피던스 및 상기 고조파 측정부에서 측정된 고조파 변화율을 기반으로 배터리의 잔존용량이 측정되는 배터리의 상태 진단장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고조파 측정부는, 전압성분을 전류성분으로 나눈 값에 해당되는 임피던스 값의 전압과 전류를 이용하여 마이크로프로세서로 설계된 측정 방법으로 측정된 고조파를 비교하는 것을 특징으로 하는 배터리의 상태 진단장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는, 랜들 등가회로 모델을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 것을 특징으로 하는 배터리의 상태 진단장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고조파 측정부는, 배터리와 직렬로 연결되는 1옴의 저항, 배터리에 DC전원을 공급하여 배터리의 충전 및 방전 상태를 유지시키는 전압원, 배터리에서 전류값과 1옴의 저항에서의 전압값을 측정하여 고조파 분석을 실시하는 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리의 상태 진단장치.
  5. 전류 주입부에서 배터리에 인가되는 일정 전류를 기반으로 배터리의 충전과 방전을 수행하는 단계;
    측정부를 통해 배터리의 충전과 방전시 전압, 충전 상태를 측정하는 단계;
    상기 측정된 배터리의 충전, 방전 사이클에 의한 배터리의 상태 정보를 데이터 수집부를 통해 수집하고 전압, 전류에 대한 정보를 저장하는 단계;
    임피던스 측정부를 통해 상기 수집된 배터리의 충전상황과 임피던스 변화율을 이용하여 임피던스 값을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 임피던스 값을 기반으로 전압 및 전류성분을 각 주파수별로 측정하여 고조파 변화율을 측정하여 배터리의 상태를 진단하는 단계;를 포함하는 배터리의 상태 진단방법.
  6. 제5항에 있어서,
    배터리의 전류의 값과 고조파 측정부에서의 1옴의 저항에서의 전압값을 이용하여 고조파의 크기가 측정되는 단계를 더 포함하는 배터리의 상태 진단방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리의 전류의 값과 고조파 측정부에서의 전압값은 배터리의 충전, 방전이 이루어지지 않는 상태에서 측정되는 것을 특징으로 하는 배터리의 상태 진단방법.
KR1020180127464A 2018-08-17 2018-10-24 임피던스 분광법을 이용하여 배터리 수명 진단이 가능한 배터리 상태 진단장치 및 이를 이용한 진단방법 KR20200020566A (ko)

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