KR20220097151A - Portable impedance spectroscopy instrument and method for measurement of impedance spectrum of high voltage battery pack - Google Patents

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Abstract

A portable impedance spectroscopy instrument for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack comprises: an initialization unit initializing a DAC unit and ADC unit when a command is delivered through a provided GUI; a DAC unit generating sine wave perturbation signals according to frequencies different from each other according to set perturbation amplitudes; an ADC unit acquiring a voltage and current waveform generated by the sine wave perturbation signals; and an impedance measurement unit deriving impedance at a certain frequency based on the acquired voltage and current waveform. Accordingly, the present invention may provide a portable EIS device capable of measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack without a separate external power supply.

Description

고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기 및 방법{PORTABLE IMPEDANCE SPECTROSCOPY INSTRUMENT AND METHOD FOR MEASUREMENT OF IMPEDANCE SPECTRUM OF HIGH VOLTAGE BATTERY PACK}PORTABLE IMPEDANCE SPECTROSCOPY INSTRUMENT AND METHOD FOR MEASUREMENT OF IMPEDANCE SPECTRUM OF HIGH VOLTAGE BATTERY PACK

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.The present invention relates to a portable impedance spectrometer and method for measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack, and more particularly, to an inexpensive portable EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy) capable of measuring the impedance spectrum of a lithium ion battery pack without an external power supply. It's about the device.

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. Lithium-ion (Li-ion) batteries are widely used in large energy storage systems (ESS), such as energy storage power plants and electric vehicles (EVs), due to their advantages of high energy, high power, long cycle life, and high charging and discharging efficiency. widely used in In addition, with the recent rapid expansion of the electric vehicle market, batteries as a key component of electric vehicles are receiving more attention.

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.Battery performance directly affects the safety and reliability of EVs, so management skills are very important. Among them, a method of estimating the state of health (SOH) of a battery and predicting the remaining useful life (RUL) has become the focus, which is essential to ensure reliability and optimal performance over time.

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. In most literature related to electric mobility, the end of life (EOL) of an EV battery is defined as a 20% reduction in cell capacity from a nominal value. However, it can still store large amounts of energy and work in another application, more recently called secondary life batteries (SLBs).

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.By collecting used batteries from EVs and examining the SOH of the battery packs to estimate the remaining capacity, the batteries can be useful in secondary life applications when: If the SOH of the battery is greater than 40%, it can be recycled for re-use. It can be divided into modules or cells to create new systems for SLB applications. SLB modules or cells can be reconnected in series or parallel to obtain the energy and power required for a particular application. After the secondary life, the battery is recycled to recover the raw material.

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.To estimate the SOH of a battery, EIS is one of the diagnostic techniques with advantages of convenience, speed and accuracy. EIS is a non-destructive technology that provides a significant amount of information in a relatively short period of time. In addition, EIS technology can be used in a variety of applications such as quality assurance in production lines, battery health estimation including state of charge (SOC), SOH, internal temperature monitoring and RUL estimation.

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. There are many advantages to using EIS to understand the power delivery capability of a lithium-ion battery system. It is a useful tool used in a variety of fields including applied chemistry, biomedical science, physical cells, and many other fields of engineering. In addition, power sources such as fuel cells, supercapacitors and batteries can be modeled and diagnosed as useful tools.

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.However, there are few portable commercial EIS equipment developed so far, and stationary equipment requiring an external power source is quite expensive and has a problem in that it is mainly designed to measure the impedance of low-voltage equipment.

KRKR 10-2013-0083220 10-2013-0083220 AA KRKR 10-2016-0103332 10-2016-0103332 AA KRKR 10-1429292 10-1429292 B1B1

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a portable impedance spectrometer for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack.

본 발명의 다른 목적은 상기 휴대용 임피던스 분광기를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack using the portable impedance spectrometer.

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.A portable impedance spectrometer for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack according to an embodiment for realizing the object of the present invention includes: an initialization unit that initializes a DAC unit and an ADC unit when a command is transmitted through a provided GUI; a DAC unit for generating a sinusoidal perturbation signal according to different frequencies according to the set perturbation amplitude; ADC unit for acquiring voltage and current waveforms generated by the perturbation signal; and an impedance measuring unit deriving an impedance at a specific frequency based on the obtained voltage and current waveforms.

본 발명의 실시예에서, 상기 DAC부는, DC 신호에 중첩되는 2개의 정현파 스위프 기준 신호를 생성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the DAC unit may generate two sinusoidal sweep reference signals superimposed on the DC signal.

본 발명의 실시예에서, 상기 DAC부는, 섭동 신호를 제어하기 위해, 스위치, 비교기, 전류 센서 및 증폭기를 포함하는 제어 로직을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the DAC unit may include a control logic including a switch, a comparator, a current sensor, and an amplifier to control the perturbation signal.

본 발명의 실시예에서, 상기 DAC부는, 전류 센서의 피드백을 통해 스위치의 게이트 전압을 생성된 정현파 스위프 기준 신호와 비교하여 섭동 신호를 제어할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the DAC unit may control the perturbation signal by comparing the gate voltage of the switch with the generated sinusoidal sweep reference signal through the feedback of the current sensor.

본 발명의 실시예에서, 상기 ADC부는, 수동 고역 통과 필터와 능동 저역 통과 필터 및 연산 증폭기를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the ADC unit may include a passive high-pass filter, an active low-pass filter, and an operational amplifier.

본 발명의 실시예에서, 상기 휴대용 임피던스 분광기는, USB 포트를 통해 외부 장치와 연결될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the portable impedance spectrometer may be connected to an external device through a USB port.

본 발명의 실시예에서, 상기 휴대용 임피던스 분광기는, 외부 장치에서 특정 주파수의 임피던스를 실시간으로 표시할 수 있도록 계산된 임피던스 결과를 외부 장치로 전송할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the portable impedance spectrometer may transmit the calculated impedance result to an external device so that the external device can display the impedance of a specific frequency in real time.

본 발명의 실시예에서, 상기 휴대용 임피던스 분광기는, 마이크로콘트롤러, 고전압 보호 회로, 신호 조절 회로 및 감지 회로 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the portable impedance spectrometer may further include at least one of a microcontroller, a high voltage protection circuit, a signal conditioning circuit, and a sensing circuit.

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.In the method for measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack using a portable impedance spectrometer according to an embodiment for realizing another object of the present invention, when a command is transmitted to a portable impedance spectrometer connected to the battery pack, the DAC unit and the ADC unit are initialized to do; generating a sinusoidal perturbation signal according to different frequencies according to the perturbation amplitude set through the DAC unit; acquiring voltage and current waveforms generated by the perturbation signal through the ADC unit; and deriving an impedance at a specific frequency based on the obtained voltage and current waveforms.

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.In an embodiment of the present invention, the generating of the sinusoidal wave perturbation signal may include comparing the gate voltage of the switch with the generated sinusoidal sweep reference signal through feedback of the current sensor to control the perturbation signal.

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.In an embodiment of the present invention, the method for measuring the impedance spectrum of the high voltage battery pack may further include transmitting the calculated impedance result to an external device so that the external device can display the impedance of a specific frequency in real time. .

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. According to such a portable impedance spectrometer for measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack, it is possible to provide a low-cost portable EIS device capable of measuring the impedance spectrum of a lithium ion battery pack up to 1000 V without a separate external power supply.

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.Existing commercial devices require external power to generate a sinusoidal perturbation current, but the EIS device proposed in the present invention does not require external power because the impedance spectrum of the battery is measured only during discharge. In addition, the EIS device proposed in the present invention has the advantage that only a small amount of power is required for the operation of the circuit that can be supplied through the USB cable.

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.
1 is a block diagram of a portable impedance spectrometer for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing an example of an equivalent circuit model (ECM) of a battery.
FIG. 3 is a diagram for showing chemical reactions related to different frequency domains of the Nyquist plot of the battery of FIG. 2 .
FIG. 4 is an exemplary block diagram of an EIS system including the portable impedance spectrometer of FIG. 1 ;
5 is an exemplary diagram of a high-precision current sink that can be used to control the perturbation current in the present invention.
6 is a diagram showing an example of connecting to an EIS device of the present invention using a Kelvin line connection.
7 is a diagram showing an example of the DLA-based EIS algorithm of the MCU used in the present invention and the LabVIEW software-based GUI.
8 is an exemplary block diagram of a DLA for calculating an impedance in the present invention.
9 and 10 are graphs showing impedance measurement spectra of the EIS device of the present invention and the commercial EIS device.
11 is a flowchart of a method for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack using the portable impedance of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.

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.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0012] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기의 블록도이다.1 is a block diagram of a portable impedance spectrometer for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack according to an embodiment of the present invention.

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. The portable impedance spectrometer (10, hereinafter EIS device) for measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack according to the present invention is a battery state such as SOH (State of Health) and RUL (Remaining Useful Life) of the battery. It is a portable device that can measure the impedance spectrum of a high-voltage battery pack without an external power supply for diagnosing it.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 EIS 기기(10)는 초기화부(110), DAC부(130), ADC부(150) 및 임피던스 측정부(170)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , an EIS device 10 according to the present invention includes an initialization unit 110 , a DAC unit 130 , an ADC unit 150 , and an impedance measuring unit 170 .

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. In the EIS device 10 of the present invention, software (application) for performing impedance spectrum measurement of a high voltage battery pack may be installed and executed, and the initialization unit 110, the DAC unit 130, and the ADC unit ( 150) and the configuration of the impedance measuring unit 170 may be controlled by software for measuring the impedance spectrum of the high voltage battery pack executed in the EIS device 10 .

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.The EIS device 10 may be a separate terminal or a part of a module of the terminal. In addition, the initialization unit 110 , the DAC unit 130 , the ADC unit 150 , and the impedance measuring unit 170 may be configured as an integrated module or one or more modules. However, on the contrary, each configuration may be formed of a separate module.

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. The EIS device 10 is a portable device having mobility. The EIS device 10 includes other devices such as a device, an application, a terminal, a user equipment (UE), a mobile station (MS), a wireless device, and a handheld device. can be termed as

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.The EIS device 10 may execute or manufacture various software based on an operating system (OS), that is, the system. The operating system is a system program for software to use the hardware of the device, and may include all mobile computer operating systems such as Android OS, iOS, Windows Mobile OS, Bada OS, Symbian OS, and BlackBerry OS.

배터리의 SOH(State of Health; 건강 상태)는 배터리의 RUL(Remaining Useful Life; 잔여 사용 수명)을 나타내므로 배터리 사용 과정에서 중요한 매개 변수이다. The State of Health (SOH) of a battery represents the Remaining Useful Life (RUL) of the battery, and thus is an important parameter in the battery usage process.

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. Meanwhile, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is a technique widely used to observe the state of a battery. The impedance measured at a specific frequency is closely related to the underlying chemical reaction and can therefore be used to evaluate battery health.

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. To this end, the present invention provides a low-cost portable EIS device 10 based on a microcontroller device (eg, ARM Cortex-M4 MCU) to measure the impedance spectrum of a lithium ion battery pack.

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. The MCU uses a built-in DAC module to generate a sinusoidal sweep perturbation signal. In addition, it is possible to perform dual channel acquisition of voltage and current signals, calculate the impedance using a digital lock-in amplifier (DLA), and transmit the result to an external device such as a PC.

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.In one embodiment, an interface is provided for displaying EIS information in real time using LabVIEW. The EIS device 10 proposed in the present invention is suitable for measuring the impedance spectrum of the battery pack up to 1000V. The measurement frequency range of the EIS device 10 was designed to be 1 Hz to 1 Khz. In addition, to prove the performance of the developed device, the impedances of the Samsung SM3 battery pack and the Bexel pouch module were measured and compared with those obtained from commercial devices.

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. When a command is transmitted through the GUI provided, the EIS device 10 initializes the DAC unit 130 and the ADC unit 150 through the initialization unit 110, and a sine wave of small amplitude at different frequencies. Measure the impedance spectrum of the battery with the perturbation signal.

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. This provides useful information about the internal electrochemical processes inside the battery and can be used to extract the parameters of the equivalent circuit model (ECM) of the battery in the future. In addition, useful information about the aging, condition and capacity of the battery can be used to manage the battery for better performance and longer life cycle.

상기 DAC부(130)는 설정된 섭동 진폭에 따라 서로 다른 주파수에 따른 정현파 섭동 신호를 생성한다.The DAC unit 130 generates a sinusoidal perturbation signal according to different frequencies according to the set perturbation amplitude.

배터리의 등가 회로 모델(ECM)의 예시를 도 2에 나타내었다. 나이퀴스트(Nyquist) 플롯의 서로 다른 주파수 영역에서 관련된 화학 반응은 도 3에 나타내었다.An example of an equivalent circuit model (ECM) of a battery is shown in FIG. 2 . The chemical reactions involved in different frequency domains of the Nyquist plot are shown in FIG. 3 .

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. The high-frequency EIS is a straight line that reflects the inductive components of the battery and measuring device. The intersection of the horizontal axis represents the resistive impedance (R s ) corresponding to the resistance of the electrolyte, electrode, and wire used in the test. The aging of lithium-ion batteries is caused by a combination of various phenomena. Formation of microcracks, gas generation, binder decomposition, current collector corrosion, and electrolyte depletion are all reported as causes of battery aging and performance degradation.

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. Therefore, it is difficult to distinguish these different processes and to identify the characteristics of aging. In many cases, measuring R s using EIS is a useful way to evaluate the aging of a battery. In the Nyquist plot, the arc in the intermediate frequency region is caused by the charge transfer resistance of Li + at the interface between the electrode and the electrolyte, and as shown in Equation 1 below, the charge transfer internal resistance (R ct ) and the equivalent factor (Constant phase element; Z CPE ) is represented as a parallel circuit.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

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.where Q is a time constant and n is a real number between 0 and 1. R ct has the largest value in the total cell resistance at room temperature, and the power density of lithium-ion batteries mainly depends on R ct . The low-frequency region is interpreted as a solid diffusion impedance expressed by the Warburg impedance (Z W ) given by Equation 2 below. where Q is the mass transfer coefficient.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

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. There are various types of electrochemical analysis methods that can be used to investigate the internal processes of batteries. However, in the case of EIS analysis, important information can be obtained from each component of the equivalent circuit model of a battery cell in one experiment. In addition, it is a non-destructive method that does not damage the battery, and has the advantage that the time required to perform the measurement is relatively short.

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.Once the correct circuit model is established, the analysis can obtain the parameter values of each component in the ECM of the lithium-ion battery. Since the measurement is easy regardless of the size of the battery, the EIS device 10 proposed in the present invention can be an efficient analysis tool to investigate the degradation mechanism of the LIB.

도 4는 도 1의 휴대용 임피던스 분광기를 포함하는 EIS 시스템의 예시 블록도이다.FIG. 4 is an exemplary block diagram of an EIS system including the portable impedance spectrometer of FIG. 1 ;

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. In the system 1 of this embodiment, the EIS device 10 may be a plug-and-play device connected to an external device 3 such as a PC through a USB port. For example, the system 1 is controlled by LabVIEW.

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.The peripheral PCB board 5 may include an MCU, current control logic, high voltage protection, signal conditioning and sensing circuitry, and the like. To perturb the battery pack, for example, an MCU's 12-bit DAC is used to generate a sinusoidal sweep reference signal superimposed on the DC signal as shown in Equations 3 and 4 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

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.The frequency range used in the present invention is 1 Hz to 1 kHz, with 6 and 3 frequencies per decade. The measured voltage and current signals can be collected from the battery pack by two separate 16-bit ADCs. For high accuracy of the acquired signal, a 200 kHz sampling frequency can be used.

섭동 전류를 제어하기 위해 고정밀 전류 싱크가 사용될 수 있다. 제어 로직은 도 5와 같이 스위치, 비교기, 전류 센서 및 증폭기로 구성될 수 있다. A high-precision current sink can be used to control the perturbation current. The control logic may be composed of a switch, a comparator, a current sensor, and an amplifier as shown in FIG. 5 .

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.Referring to FIG. 5 , the gate voltage of the switch is controlled by receiving feedback from the current sensor and comparing it with the input reference signal (V ref ) generated by the DAC. When a positive voltage is applied to V ref , the output voltage of the comparator increases, turning on the switch and driving the current.

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.As the current rises, the voltage across the current sensor also rises and the voltage feedback to the comparator increases until V ref . When the input signal of V ref is sinusoidal, it generates a sinusoidal current through the switch. The gain of feedback reduces the sensitivity of the input reference signal.

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. The battery pack may be connected to the EIS device of the present invention using a Four-Wire Kelvin connection as shown in FIG. 6 . The Four-Wire connector can eliminate wire resistance, and this structure can improve the accuracy of the measurement.

상기 ADC부(150)는 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득한다.The ADC unit 150 acquires voltage and current waveforms generated by the perturbation signal.

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. The voltage across the battery can be measured using a passive high-pass filter and an active low-pass filter used to block DC and allow the ADC to acquire only filtered AC. Also, the current may be sensed by a sense resistor and amplified through an operational amplifier.

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.The impedance measuring unit 170 measures the impedance at a specific frequency based on the obtained voltage and current waveforms. The impedance measuring unit 170 may extract only necessary frequency components from the acquired current and voltage data, and the impedance at a specific frequency may be calculated by DLA.

본 발명에서 사용되는 소프트웨어는 도 7과 같이 MCU의 DLA 기반 EIS 알고리즘과 LabVIEW 소프트웨어 기반 GUI로 구성될 수 있다.The software used in the present invention may be composed of the DLA-based EIS algorithm of the MCU and the LabVIEW software-based GUI as shown in FIG. 7 .

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.A graphical user interface (GUI) based on LabVIEW software is provided to display and evaluate battery pack impedance. Accordingly, due to the simplicity of the software, no complicated training is required before operators can perform measurements.

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. For example, when the run button is pressed, the system starts generating a sinusoidal sweep signal of the desired amplitude to perturb the battery pack, resulting in current and voltage waveforms collected by the MCU. A desired frequency component may be extracted through the DLA, and the impedance of the specific frequency may be displayed in real time through the external device 3 such as a PC.

획득된 신호는 아래의 수학식 5로 표시된다.The obtained signal is expressed by Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00005
Figure pat00005

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.Here, A is the amplitude of the measured signal, and Θ is the initial phase. The signal is discretized at the sampling frequency f s = Nf. where f is the frequency of the measured signal and N is the number of samples. The sampling time interval is t s = 1/(Nf). The two reference signals are expressed by Equations 6 and 7 below. Here, B is the amplitude of the reference signal.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00006
Figure pat00006

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00007
Figure pat00007

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.If the measured signal is multiplied by two reference signals, that is, a difference frequency term (DC signal) and a sum frequency term (double the reference signal frequency), Equation 8 and Equation 8 below, respectively 9 is derived.

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00008
Figure pat00008

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00009
Figure pat00009

두 출력은 저역 통과 필터를 통과하여 각각 아래의 수학식 10 및 수학식 11과 같은 두 개의 DC 신호들이 도출된다.The two outputs are passed through the low-pass filter to derive two DC signals as shown in Equations 10 and 11 below, respectively.

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00010
Figure pat00010

[수학식 11][Equation 11]

Figure pat00011
Figure pat00011

획득한 신호의 진폭과 위상은 각각 아래의 수학식 12 및 수학식 13을 사용하여 획득된다.The amplitude and phase of the acquired signal are obtained using Equations 12 and 13 below, respectively.

[수학식 12][Equation 12]

Figure pat00012
Figure pat00012

[수학식 13][Equation 13]

Figure pat00013
Figure pat00013

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.Two separate DLAs are used to obtain the amplitudes (A v and A I ) and phases (Θ v and Θ I ) of the acquired voltage and current signals. Impedance Z can be calculated using Equation 14 below. An example of a block diagram of a DLA for calculating impedance is shown in FIG. 8 .

[수학식 14][Equation 14]

Figure pat00014
Figure pat00014

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.Hereinafter, in order to verify the performance and accuracy of the EIS device 10 proposed in the present invention, the results of performing an experiment by measuring the impedance spectra of the Samsung SM3 ZE battery pack and the Bexel pouch module will be described.

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. The EIS device 10 of the present invention is respectively connected to a PC and a battery pack through a USB cable and a 4-wire Kelvin connection cable. Table 1 below shows the specifications of the battery pack and pouch module.

[표 1][Table 1]

Figure pat00015
Figure pat00015

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.Results are compared using commercially available instruments to verify the performance of the present invention. As shown in FIG. 9 , the impedance spectrum measured by the EIS device 10 of the present invention and the commercial device of the Samsung SM3 ZE battery pack agrees well with each other and shows a chi-square of 0.728%. 10 shows the result of the Bexel pouch module having a chi-square of 0.662%, through which the measurement accuracy of the EIS device 10 proposed in the present invention can be confirmed.

본 발명에서는 별도의 외부 전원 공급 없이 최대 1000V까지 리튬 이온 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있는 저가형 휴대용 EIS 기기를 제공한다. The present invention provides a low-cost portable EIS device capable of measuring the impedance spectrum of a lithium-ion battery pack up to 1000V without a separate external power supply.

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. Existing commercial devices require external power to generate a sinusoidal perturbation current, but the EIS device proposed in the present invention does not require external power because the impedance spectrum of the battery is measured only during discharge. In addition, the EIS device 10 proposed in the present invention has the advantage that only a small amount of power is required for the operation of the circuit that can be supplied through the USB cable.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 휴대용 임피던스를 이용한 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법의 흐름도이다.11 is a flowchart of a method for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack using the portable impedance of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.

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. The impedance spectrum measurement method of the high voltage battery pack using the portable impedance spectrometer according to the present embodiment may be performed using substantially the same configuration as the EIS device 10 of FIG. 1 .

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.Accordingly, the same components as those of the EIS device 10 of FIG. 1 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted. Also, the method for measuring the impedance spectrum of the high voltage battery pack using the portable impedance spectrometer according to the present embodiment may be executed by software (application) for performing the impedance spectrum measurement of the high voltage battery pack using the portable impedance spectrometer.

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. The present invention generates a sinusoidal swept perturbation signal using a low-cost portable EIS instrument for measuring the impedance spectrum of a lithium-ion battery pack. In addition, it is possible to perform dual channel acquisition of voltage and current signals, calculate the impedance using a digital lock-in amplifier (DLA), and transmit the result to an external device such as a PC.

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). Referring to FIG. 11 , in the method of measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack using a portable impedance spectrometer according to the present embodiment, when a command is transmitted to a portable impedance spectrometer connected to the battery pack, the DAC unit and the ADC unit are initialized (step 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.Commands may be provided through a graphical user interface (GUI) based on LabVIEW software, the GUI being provided to display and evaluate the battery pack impedance. Accordingly, due to the simplicity of the software, no complicated training is required before operators can perform measurements.

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. For example, when the run button is pressed, the system starts generating a sinusoidal sweep signal of the desired amplitude to perturb the battery pack, resulting in current and voltage waveforms collected by the MCU. A desired frequency component may be extracted through the DLA, and the impedance of the specific frequency may be displayed in real time through an external device such as a PC.

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.Thereafter, a sine wave perturbation signal according to different frequencies is generated according to the perturbation amplitude set through the DAC unit (step S30). In this case, the perturbation signal may be controlled by comparing the gate voltage of the switch with the generated sinusoidal sweep reference signal through the feedback of the current sensor.

ADC부를 통해 섭동 신호에 의해 생성된 전압 및 전류 파형을 획득한다(단계 S50).The voltage and current waveforms generated by the perturbation signal are acquired through the ADC unit (step 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. In this case, the voltage across the battery can be measured using a passive high-pass filter and an active low-pass filter used to block DC and allow the ADC to acquire only filtered AC. Also, the current may be sensed by a sense resistor and amplified through an operational amplifier.

획득된 전압 및 전류 파형을 기초로 특정 주파수에서의 임피던스를 도출한다(단계 S70). An impedance at a specific frequency is derived based on the obtained voltage and current waveforms (step 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. The measured impedance provides useful information about the internal electrochemical process inside the battery and can be used to extract the parameters of the equivalent circuit model (ECM) of the battery in the future. In addition, useful information about the aging, condition and capacity of the battery can be used to manage the battery for better performance and longer life cycle.

또한, 외부 장치에서 특정 주파수의 임피던스를 실시간으로 표시할 수 있도록 계산된 임피던스 결과를 외부 장치로 전송할 수 있다.In addition, the calculated impedance result may be transmitted to the external device so that the impedance of a specific frequency can be displayed in real time.

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. Such a method of measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack using a portable impedance spectrometer may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that may be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.

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. The program instructions recorded in the computer-readable recording medium are specially designed and configured for the present invention, and may be known and available to those skilled in the computer software field.

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. Examples of the computer-readable recording medium include hard disks, magnetic media such as floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magneto-optical media such as floppy disks. media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

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.Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules for carrying out the processing according to the present invention, and vice versa.

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.Although the above has been described with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below You will understand.

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. The present invention proposes a portable EIS device capable of measuring the impedance spectrum of a lithium ion battery pack. The measurable frequency range is designed to be 1Hz to 1kHz, and the EIS device of the present invention can measure the impedance spectrum of the battery pack up to 1000V. It can also be used to evaluate the RUL of an EV battery pack for reuse.

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. As a result of the experiment, it was verified that the EIS device of the present invention has excellent accuracy as a commercial device. The EIS device of the present invention uses only a 5V USB power supply and does not require a separate external power supply. The EIS device of the present invention may be in the form of a plug-and-play device, and is usefully used in applications for measuring the state of the battery, such as the state of health (SOH) and the remaining useful life (RUL) of the battery. can be

10: 휴대용 임피던스 분광기
110: 초기화부
130: DAC부
150: ADC부
170: 임피던스 측정부
1: 시스템
3: 외부 장치
5: 주변 PCB 보드
10: Handheld Impedance Spectrometer
110: initialization unit
130: DAC unit
150: ADC unit
170: impedance measuring unit
1: system
3: External device
5: Peripheral PCB board

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; 포함하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
an initialization unit that initializes the DAC unit and the ADC unit when a command is transmitted through the provided GUI;
a DAC unit for generating a sinusoidal perturbation signal according to different frequencies according to the set perturbation amplitude;
ADC unit for acquiring voltage and current waveforms generated by the perturbation signal; and
an impedance measuring unit for deriving an impedance at a specific frequency based on the obtained voltage and current waveforms; A portable impedance spectrometer for measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack.
제1항에 있어서, 상기 DAC부는,
DC 신호에 중첩되는 2개의 정현파 스위프 기준 신호를 생성하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
The method of claim 1, wherein the DAC unit,
Handheld impedance spectrometer for impedance spectral measurement of high voltage battery packs, generating two sinusoidal swept reference signals superimposed on a DC signal.
제2항에 있어서, 상기 DAC부는,
섭동 신호를 제어하기 위해, 스위치, 비교기, 전류 센서 및 증폭기를 포함하는 제어 로직을 포함하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
The method of claim 2, wherein the DAC unit,
A portable impedance spectrometer for impedance spectrum measurement of a high voltage battery pack comprising a control logic comprising a switch, a comparator, a current sensor and an amplifier to control the perturbation signal.
제3항에 있어서, 상기 DAC부는,
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.
The method of claim 3, wherein the DAC unit,
Handheld impedance spectrometer for impedance spectrum measurement of high voltage battery packs, which controls the perturbation signal by comparing the gate voltage of the switch with a generated sinusoidal sweep reference signal via feedback from a current sensor.
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.
According to claim 1, wherein the ADC unit,
Portable impedance spectrometer for impedance spectral measurement of high voltage battery packs, comprising a passive high-pass filter and an active low-pass filter and an operational amplifier.
제1항에 있어서,
USB 포트를 통해 외부 장치와 연결되는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기.
According to claim 1,
Portable impedance spectrometer for impedance spectrum measurement of high voltage battery packs, connected to an external device via USB port.
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.
7. The method of claim 6,
A portable impedance spectrometer for measuring the impedance spectrum of a high voltage battery pack that transmits the calculated impedance result to an external device so that the external device can display the impedance of a specific frequency in real time.
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.
The method of claim 1,
A portable impedance spectrometer for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack, further comprising at least one of a microcontroller, a high voltage protection circuit, a signal conditioning circuit and a sensing circuit.
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; 포함하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
Initializing the DAC unit and the ADC unit when a command is transmitted to the portable impedance spectrometer connected to the battery pack;
generating a sinusoidal perturbation signal according to different frequencies according to the perturbation amplitude set through the DAC unit;
acquiring voltage and current waveforms generated by the perturbation signal through the ADC unit; and
deriving an impedance at a specific frequency based on the obtained voltage and current waveforms; Including, a method for measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack.
제9항에 있어서, 상기 정현파 섭동 신호를 생성하는 단계는,
전류 센서의 피드백을 통해 스위치의 게이트 전압을 생성된 정현파 스위프 기준 신호와 비교하여 섭동 신호를 제어하는, 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정 방법.
The method of claim 9, wherein generating the sinusoidal perturbation signal comprises:
A method for measuring an impedance spectrum of a high-voltage battery pack, comprising controlling a perturbation signal by comparing a gate voltage of a switch with a generated sinusoidal sweep reference signal through feedback from a current sensor.
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.
10. The method of claim 9,
Transmitting the calculated impedance result to an external device so that the impedance of a specific frequency can be displayed in real time from the external device; further comprising, a method of measuring an impedance spectrum of a high voltage battery pack.
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