KR20230028709A - 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
배터리와 같은 전기화학소자의 엔트로피를 측정하기 위해, 측정대상 전기화학 소자의 외부에서 교류 전기신호를 인가하면서 전기화학 소자의 임피던스를 계측하여 전기화학 소자 내부의 온도 정보를 추출한다. 추출된 온도 정보를 이용하여 전기화학소자의 엔트로피 값을 산출한다. 이를 위해, 배터리의 온도 정보의 신호처리를 통해 저항 발열에 의한 비가역적 열량과 엔트로피 발열에 의한 가역적 열량을 구한다. 그런 다음 비가역적 열량과 가역적 열량 간의 비율과, 비가역적 열량의 절대값 크기 조합에 기초하여 열역학 법칙에 따라 전기화학소자의 엔트로피를 산출한다.
Description
본 발명은 전기화학 전지 기술분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 소자에서, 특히 리튬이온 배터리, 납축전지 등의 2차 전지를 포함하는 전기화학 전지에 대하여 엔트로피를 측정하는 기술에 관한 것이다.
리튬 이온 배터리는 고출력 및 고에너지 특성으로 현재 다양한 어플리케이션의 에너지원으로 사용되고 있으며 그 활용 범위는 더욱 넓어질 것으로 예상된다. 하지만, 배터리의 용량 감소와 안전성 문제는 리튬이온 배터리에서 풀어야 할 과제이다.
그런데, 배터리의 엔트로피 변화(ΔS) 정도가 배터리의 용량감소 및 안전성의 지표로 활용될 수 있음이 밝혀져 이에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 알려진 바에 의하면, 배터리의 엔트로피 프로파일은 배터리를 사용함에 따라 변화한다는 특성이 있다. 변화하는 엔트로피(differential entropy)는 배터리의 노화상태 및 위험성을 예측하는 지표로 사용할 수 있다. 열역학에서 엔트로피는 물질의 무질서한 정도를 의미하며, 화학 반응 시스템의 온도변화와 열에너지의 출입을 연관 짓는 파라미터에 해당한다. 또한 반응의 진행 정도, 속도, 반응 경로의 특정, 수율(yield) 등을 결정하는 핵심 파라미터로서 작용한다. 배터리의 엔트로피는 하나의 값으로 정의된 것이 아니라 배터리의 충전 상태(State of Charge: SoC) 별로 따로 측정하는 것이며, 0% ~ 100% 내에서 원하는 단계 별로 측정하여 SoC에 따른 엔트로피 프로파일(profile)이 측정된다.
배터리의 엔트로피 측정에 있어서 전기화학적 열역학 계측(Electrochemical Thermodynamics Measurement: ETM)이 가장 표준적인 측정 기법으로서 받아들여지고 있다. ETM을 이용한 ΔS 측정은 일반적으로 다음과 같은 과정으로 진행된다.
먼저, 배터리 온도 25℃와 0% SoC에서 완화(relaxation)를 통한 화학적 평형상태의 방회로전압(open circuit voltage: OCV)을 측정한다. 이후 배터리의 온도를 20℃, 15℃, 10℃로 변경하고 각 온도에서의 OCV를 측정하여, 온도에 따른 OCV의 기울기를 측정한다. 이 과정은 지정된 SoC(배터리 충전 잔량; State of Charge) 단계별로 수행되고, 결과적으로 전체 SoC에서의 엔트로피 변화가 측정된다.
한편, ETM으로 배터리의 ΔS를 측정하기 위해서는 배터리가 전기적/화학적/열적 평형상태에서 측정된 OCV와 온도 변화에 대한 OCV의 변화수준을 측정하는 것을 전제로 한다. ETM에 전제되는 전기적/화학적/열적 평형상태 달성을 위해서는 장시간이 소요된다. 그러므로 ETM의 성능이나 단점 등을 개선할 수 있는 전열 임피던스 분광법(electrothermal impedance spectroscopy: ETIS), 칼로리측정계(Calorimetry) 등의 다양한 엔트로피 측정법이 개발되어, 배터리/이차전지 등의 특정 SoC에서의 엔트로피 값, 혹은 엔트로피 프로파일 획득을 위해서 사용되고 있다.
이러한 측정 기술들의 적용에 의해 얻어지는 엔트로피 값 및 엔트로피 프로파일은, 열역학 제2법칙에 따라, 특정 온도에서 해당 전자 소자를 출입하는 전류량과 발열량의 비율이라는 의미를 갖는다. 따라서 엔트로피는 특정 전자 소자의 충/방전 시 발열량을 예측하는 데 활용되고 있다.
또한, 통계학적으로 엔트로피는 물질의 무질서한 정도를 의미하는 파라미터에 해당하며, 이차전지의 전극과 같은 결정성 물질에서는 결정 구조의 위상(phase) 에 따라 엔트로피 값이 고유하게 결정됨이 알려져 있다. 특히 온도나 SoC의 변동으로 인해 물질의 위상전이(phase transition)가 발생하는 경우, 이는 엔트로피 값의 변화로 나타난다. 따라서 엔트로피의 관찰을 통해 전기화학 셀내 물질의 상태진단에 활용할 수 있다.
기존 엔트로피 측정기술들의 경우 실험실 수준에서 단일 셀에 대한 엔트로피를 측정하는 데에서 고안을 멈추었고, 휴대 전자기기나 전기자동차 등에 들어가는 대량의 배터리들에 대한 의미 있는 측정기술로서 상용화되지 못하고 있다. 특히, 해당하는 각각의 측정 기술들에 있어서, 온도센서, 열량센서, 온도변경장치, 열량계 등의 부가 장치가 필수적으로 요구되는데, 이 점은 대용량/대규모 셀들에 산업적으로 적용하는 데 있어서 가장 큰 제한 요소가 된다.
대표적인 기존 엔트로피 측정기술들의 예시로서 언급된 ETM, ETIS, Calorimetry 등의 기술들은 모두 상기한 부가 장치의 적용이 필수적이다. ETM의 경우 셀의 온도를 강제적으로 변경시켜 주는 장치가 요구된다. ETIS의 경우 정밀한 온도센서의 부착이 요구되며, Calorimetry의 경우 열량계가 요구된다. 측정대상 소자 외부에 장착/부착되어야 하는 장치들로 인하여 배터리 등의 생산 공정에서 적용하는 것이 용이하지 못한 한계가 있다. 그에 따라, 온도변경 장치나 온도센서, 열량계 등의 장착/부착 없이, 배터리에 전압/전류를 인가하는 것으로부터 엔트로피를 측정할 수 있는 기술이 요구되는 실정이다.
본 발명의 일 목적은 측정대상 전기화학소자에 전기 신호를 인가하면서 임피던스 계측을 통한 온도 정보 추출에 기초하여 전기화학소자의 엔트로피를 간단하게 측정할 수 있는 방법과 이를 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법은 측정대상 전기화학 소자의 외부에서 전기적 신호를 인가하면서 상기 전기화학 소자의 임피던스를 계측하여 상기 전기화학 소자 내부의 온도 정보를 추출하는 단계; 및 추출된 온도 정보를 이용하여 상기 전기화학소자의 엔트로피 값을 산출하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 '온도 정보를 추출하는 단계'는, 상기 전기화학소자에 전기적 신호를 인가하면서, 상기 전기화학소자의 전압과 전류를 계측하는 단계; 계측된 전압과 전류를 이용하여 상기 전기화학소자의 임피던스를 구하는 단계; 및 구해진 임피던스로부터 상기 전기화학소자의 온도 정보를 구하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 임피던스로부터 상기 전기화학소자의 온도 정보를 구하는 단계는, 상기 임피던스에서 등가 직렬저항 값을 도출하는 단계; 및 상기 도출된 직렬저항 값의 변화로부터 상기 전기화학소자의 온도 정보를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 '엔트로피 값을 산출하는 단계'는, 상기 온도 정보의 신호처리를 통해 저항 발열에 의한 비가역적 열량과 엔트로피 발열에 의한 가역적 열량을 구하는 단계; 및 상기 비가역적 열량과 상기 가역적 열량 간의 비율과, 상기 비가역적 열량의 절대값 크기 조합에 기초하여 열역학 법칙에 따라 상기 전기화학소자의 엔트로피를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자의 엔트로피를 산출하는 단계는, 열역학법칙에 따라 엔트로피 값을 도출할 때 요구되는 절대온도(T) 값을 상기 전기화학소자의 내부 임피던스로부터 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 비율을 구하는 것은, 상기 전기화학소자의 온도 데이터를 푸리에 변환 또는 필터링과 같은 디지털 신호처리를 통해 주파수 f 성분과 주파수 2f 성분으로 분리하는 단계, 여기서 f는 상기 전기적 신호의 주파수임; 및 관계식 ΔTi/ΔTr = 2Qi'/Qr'를 이용하여(단, ΔTi는 비가역적 열량 Qi에 의한 온도성분이고, ΔTr는 가역적 열량 Qr에 의한 온도성분임) 비가역적 열량 Qi과 가역적 열량 Qr 간의 비율을 구하는 단계를 통해 이루어질 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피를 산출하는 단계에서, 관계식 Qi' = Qi_AC' = Real(z(t)) * (-1/2) * A2 cos(2wt+2k)를 이용하여 상기 전기화학소자의 저항성분에 의한 시간당 발열량의 교류성분(Qi_AC')을 상기 비가역적 열량(Qi')으로 산출할 수 있다. 여기서 Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위이다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A * sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피 ΔS는 관계식 ΔS = (-A*F/T) * (ΔTi/ΔTr) * (Real(z(t)) * cos(2wt+2k)/sin(wt+k))을 이용하여 산출될 수 있다. 여기서 T는 상기 전기화학소자의 온도, F는 패러데이 상수, Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위이다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자는 배터리이고, 상기 전기적 신호를 상기 배터리에 인가하는 동안에 상기 배터리는 사용 중이지 않은 상태, 사용 중인 상태, 충전/방전 중인 상태 중 어느 한 가지일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호는 소정 주파수를 갖는 교류 전기신호일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자의 임피던스는 상기 전기화학소자의 주파수 특성을 분석하는 것을 통해 계측될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자의 온도 정보는 상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 사이의 상관관계에 근거하여 상기 임피던스로부터 산출될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 상관관계는 자연과학 이론에 따른 방정식으로 규정되거나 또는 상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 간의 상관관계에 관한 다수의 계측 실험을 통해 정해질 수 있다.
한편, 상기 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치는, 전기적 신호를 생성하여 측정대상 전기화학소자에 인가하는 전기신호 발생부; 상기 전기화학 소자의 임피던스를 계측하여 상기 전기화학 소자 내부의 온도 정보를 추출하도록 구성된 계측유닛; 및 추출된 온도 정보를 이용하여 상기 전기화학소자의 엔트로피 값을 산출하도록 구성된 엔트로피 연산유닛을 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 계측유닛은, 상기 전기화학소자의 전압과 전류를 계측하는 계측부; 상기 계측부가 계측한 전압과 전류 신호를 이용하여 상기 전기화학소자의 임피던스를 산출하는 임피던스 연산부; 및 상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 간의 상관관계에 기초하여, 상기 전기화학소자의 임피던스로부터 상기 전기화학소자의 온도를 구하도록 구성된 온도 연산부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 온도연산부는, 상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 사이의 상관관계에 관한 자연과학적 이론에 따른 방정식에 근거하여 프로그램된 이론기반 연산부, 상기 상관관계에 관한 실험 데이터에 기초하여 만들어진 룩업테이블, 상기 상관관계에 관한 실험데이터를 학습하여 얻어진 온도추정모델을 포함하는 신경망 기반 연산부 중 적어도 어느 한 가지를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 엔트로피 연산유닛은, 상기 온도 정보의 신호처리를 통해 저항 발열에 의한 비가역적 열량과 엔트로피 발열에 의한 가역적 열량을 구하고, 상기 비가역적 열량과 상기 가역적 열량 간의 비율과, 상기 비가역적 열량의 절대값 크기 조합에 기초하여 열역학법칙에 따라 상기 전기화학소자의 엔트로피를 산출하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기신호 발생부에서 상기 전기화학소자로 인가되는 상기 전기적 신호는 소정 주파수를 갖는 교류 전기신호일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A * sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피 연산유닛은 관계식 Qi' = Qi_AC' = Real(z(t)) * (-1/2) * A2 cos(2wt+2k)를 이용하여 상기 전기화학소자의 저항성분에 의한 시간당 발열량의 교류성분(Qi_AC')을 상기 비가역적 열량(Qi')으로 산출할 수 있다. 여기서 Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위이다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A * sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피 연산유닛은 상기 엔트로피 ΔS를 관계식 ΔS = (-A*F/T) * (ΔTi/ΔTr) * (Real(z(t)) * cos(2wt+2k)/sin(wt+k))을 이용하여 산출할 수 있다. 여기서 T는 상기 전기화학소자의 온도, F는 패러데이 상수, Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 엔트로피 측정기술은, 기존의 전기화학 소자에 통상적으로 적용되는 용량측정, 직류저항 측정, 교류저항 측정 등과 동일하게, 측정대상인 전기화학소자 양단에 전기적 신호를 인가하고, 전압/전류를 측정하는 방식으로 엔트로피를 측정할 수 있는 기술이다. 그러므로 산업적 목적으로 일반적인 배터리/연료전지 등의 전기화학 소자의 품질검사 및 상태 진단 등에 매우 유용하게 응용될 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 기존 기술로는 엔트로피 측정이 곤란하거나 용이하지 않은 경우에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 부가장치의 적용에 소요되는 시간/비용을 절감함으로써, 기존 기술보다 신속하고 저 비용의 엔트로피 측정기술이 될 수 있다.
나아가, 본 발명은 부가장치가 갖는 물리적 한계를 제거함으로써, 엔트로피 측정결과의 정확성을 개선할 수 있다. 특히 부가장치의 물리적 한계로서 다음과 같은 요소들이 측정결과의 부정확성의 원인이 될 수 있다. 온도측정에 있어서, 온도센서의 열전달 지연시간, 온도센서의 열저항 및 열용량 성분, 온도측정에 있어서, 온도센서 자체에서 발생하는 전기적/열적 잡음(noise) 등과, 온도변경에 있어서, 외부 온도변경 장치의 온도조절의 부정확성, 그리고 열량계 사용에 있어서, 열량계 자체의 검정/교정(calibration) 작업의 부정확성 등은 엔트로피 측정 결과의 부정확성을 야기할 수 있다. 본 발명은 이러한 한계들을 극복할 수 있으므로 기존기술에 비해 엔트로피를 더 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전기화학 소자의 엔트로피 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 계측유닛의 예시적인 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전기화학 소자의 엔트로피 측정 방법의 수행 절차를 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 엔트로피 연산유닛에서 수행되는 엔트로피 값 연산 과정을 예시한다.
도 2는 도 1에 도시된 계측유닛의 예시적인 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전기화학 소자의 엔트로피 측정 방법의 수행 절차를 도시한 흐름도이다.
도 4는 도 1에 도시된 엔트로피 연산유닛에서 수행되는 엔트로피 값 연산 과정을 예시한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 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 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용 된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 발열체 및 전기화학 소자(배터리, 연료전지, 슈퍼커패시터 등)의 엔트로피를 추출하는 방법으로서, 엔트로피 측정 대상인 전기화학소자에 전압이나 전류를 입력하고 그에 따른 전기화학소자의 임피던스의 변화를 측정하고, 그 측정된 임피던스의 변화에 기초하여 해당 전기화학 소자의 엔트로피를 추출할 수 있다.
이를 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 엔트로피 측정 방법은 측정 대상인 전기화학 소자에 전기적 신호를 인가하고, 그 전기화학 소자로부터 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 측정된 전압 및 전류를 이용하여 임피던스 값을 측정할 수 있다. 측정된 임피던스 값으로부터 해당 전기화학 소자의 온도에 대한 정보를 구할 수 있고, 그 온도의 신호처리를 통해 저항발열과 엔트로피 발열로 이루어진 발열성분을 구분하고, 상기 저항발열과 상기 엔트로피 발열의 발열성분들의 비율과 상기 저항발열의 절대값 크기 조합에 따라 엔트로피를 추출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학소자의 엔트로피 측정 시스템(10)의 구성을 예시한다.
도 1을 참조하면, 전기화학 엔트로피 측정 시스템(10)은 전기신호 발생부(20), 계측유닛(40), 그리고 엔트로피 연산유닛(50)을 포함할 수 있다. 전기신호 발생부(20)는 전압과 전류를 생성하여 전기화학 소자(30)에 인가할 수 있도록 구성될 수 있다. 전기화학소자(30)가 충전과 방전이 가능한 배터리인 경우, 충전기(15)가 그 배터리에 연결될 수 있다.
계측유닛(40)은 전기화학소자(30)의 전압과 전류를 측정하고, 그 측정된 전압과 전류를 이용하여 전기화학 소자(30)의 임피던스를 산출하며, 그 산출된 임피던스와 상기 측정된 전압과 전류를 이용하여 온도를 산출하도록 구성될 수 있다. 엔트로피 연산유닛(50)은 전기화학 소자(30)의 전류와 전압 그리고 온도를 이용하여 엔트로피를 산출하도록 구성될 수 있다. 계측대상인 전기화학소자(30)의 대표적인 예인 배터리, 특히 충전 및 방전이 가능한 배터리(30-1)일 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 계측유닛의 구성을 예시한다. 도면에는 계측대상인 전기화학소자(30)가 배터리, 특히 충전 및 방전이 가능한 배터리(30-1)인 경우로 예시되어 있다.
도 2를 참조하면, 계측유닛(40)은 계측부(41)와 계측데이터 처리부(43)를 포함할 수 있다. 계측부(41)는 배터리(30-1)의 전압과 전류를 측정할 수 있다. 계측부(41)는 배터리(30-1)의 전류를 측정하는 전류센서와 전압을 측정하는 전압센서를 포함할 수 있다. 계측부(41)는 또한, 전류센서 및 전압센서가 계측한 전류신호 및 전압신호를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그 디지털 변환기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 계측부(41)는 측정 대상인 배터리(30-1)에 장착될 수 있다. 계측부(41)는 배터리(30-1)의 전류 및 전압을 실시간(또는 준-실시간)으로 측정할 수 있다. 예컨대, 초당 수 회 내지 수십 회 이상의 샘플링 속도로 계측할 수 있다. 전압 및 전류에 대한, 적정 범위(18650 단일 셀의 경우, 약 5볼트, 5암페어) 내에서의 자유로운 조절이 가능한 전압, 전류 계측 장비를 준비하고 이를 배터리(30-1)에 장착할 수 있다. 또는, 계측부(41)는 전류 또는 전압 중 하나에 대해서만 자유로운 조절이 가능할 수 있다. 또는, 계측부(41)는 전압 또는 전류 값은 제공하지 않고, 임피던스 측정 기능을 포함하는 방식으로 구성될 수도 있다.
계측데이터 처리부(43)는 임피던스 연산부(44)와 온도 연산부(45)를 포함할 수 있다. 임피던스 연산부(44)는 계측부(41)가 측정한 배터리(30-1)의 전류 값과 전압 값을 이용하여 배터리(30-1)의 임피던스를 산출할 수 있다. 이를 위해, 임피던스 연산부(44)는 연산기와 연산을 위한 프로그램을 포함할 수 있다. 연산기는 그 연산 프로그램을 실행하여 그 전류 값과 전압 값을 입력 데이터로 이용하여 임피던스를 구하는 연산을 수행할 수 있다.
온도 연산부(45)는 배터리(30-1)의 임피던스 값으로부터 배터리(30-1)의 온도를 추정할 수 있다. 일반적으로, 배터리의 온도는 배터리 내부 화학 물질들에 영향을 끼치고, 이는 배터리의 주파수 응답에 영향을 주게 되고, 결과적으로 배터리의 임피던스에 온도가 반영되는 것으로 알려져 있다. 이에 따르면, 배터리의 임피던스와 배터리의 온도 사이의 상관관계를 이용하여 배터리(30-1)의 온도를 추정할 수 있다.
배터리(30-1)의 임피던스와 온도 간의 상관관계는 일예로 자연과학(물리학/화학/열역학) 이론에 기초한 방정식으로 규정될 수 있다. 구체적으로, 임피던스의 직렬저항 성분 (R_series, R_zero 등으로 불림)의 경우 아레니우스 방정식의 활성화 에너지(Ea)가 일정하되 온도가 변하는 조건을 적용함으로써 온도와의 상관관계가 특정될 수 있고, 임피던스의 이중층 커패시턴스 성분 (Cdl)은 이온의 확산 속도와 관련되므로, Gouy-Chapman 또는 Stern의 전기화학 이론과, Boltzmann distribution, Poisson equation 등의 통계/열역학 방정식을 적용함으로써 상관관계를 특정할 수 있다. 더욱 정확한 상관관계 규정에는, 충전상태(SOC) 또는 전압에 따른 임피던스의 변동을 Nernst equation 등을 통해 고려하고, 전극의 모양을 반영하는 Levich equation, Koutecky-Levich equation, Eisenberg equation 등을 적절히 추가 적용할 수 있다.
그 방정식에 기초한 연산 알고리즘에 따라 작성된 프로그램으로 구현된 이론기반 연산부(48)가 온도연산부(45)의 일부로서 포함될 수 있다.
다른 예로는 배터리에 대한 계측 실험들을 통해 실험적으로 결정될 수도 있다. 일예로, 배터리(30-1)의 임피던스와 온도 간의 상관관계에 관한 다수의 계측 실험을 통해 얻어진 데이터에 기초하여 배터리(30-1)의 임피던스와 온도 간의 상관관계 룩업 테이블(look-up table: LUT)(46)이 구축되어 온도연산부(45)의 일부로서 포함될 수 있다. 다른 예로, 배터리(30-1)의 임피던스와 온도 간의 상관관계에 관한 다수의 계측 실험 데이터를 신경망 기반 기계학습 또는 딥러닝을 통해 학습하여 온도 추정 모델을 구축하고, 그 온도 추정 모델을 포함하는 신경망기반 연산알고리즘에 따라 작성된 프로그램으로 구현된 신경망 기반 연산부(47)가 온도연산부(45)의 일부로서 포함될 수도 있다. 온도 연산부(45)는 이론기반 연산부(48), 신경망 기반 연산부(47), 임피던스와 온도 간의 상관관계 룩업 테이블(LUT)(46) 중 적어도 한 가지를 포함할 수 있다.
온도연산부(45)는 임피던스 연산부(44)로부터 임피던스를 입력으로 받거나 또는 계측부(41)로부터 전압 및 전류 데이터를 제공받을 수 있다. 온도연산부(45)는 룩업 테이블(46) 및/또는 신경망 기반 연산알고리즘(47) 및/또는 이론 기반 연산알고리즘(48)에 따라 작성된 프로그램과 그 룩업 테이블 및/또는 프로그램을 실행하여 온도 추정값을 산출할 수 있는 연산기를 포함할 수 있다. 온도연산부(45)의 연산기는 임피던스 연산부(44)의 연산기는 단일 연산기로 구성되거나 또는 별도의 연산기로 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 계측유닛(40)은 적어도 배터리(30-1)의 구성요소로부터 발생한 열을 측정할 수 있는 한, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
계측데이터 처리부(43)와 엔트로피 연산유닛(50)은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 연산기는 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.
본 발명에 있어서, 엔트로피는 충/방전으로 화학 반응이 일어남에 따른 '단위 몰 당 엔트로피의 변화(ΔS)'를 의미한다. 이는 배터리 등의 전기화학 소자 내부에서 일어나는 가역적 화학반응의 '단위 몰 당 * 온도 당 발열량 [J/(mol*K)]'에 해당하는 값이며, 로 표현될 수 있다. 그런데 전기화학 소자에서 화학반응의 속도(시간당 몰, [mol/sec])가 '전류/(패러데이상수(F) * 이온전하량(Q))'에 해당한다는 점을 고려하면, 본 발명에서의 '엔트로피'는 '단위 전류 당 * 온도 당 가역적 발열률 [W/(A*K)]'에 해당하는 물리량으로도 해석될 수 있다.
배터리 또는 일반적인 전기 회로에 전류(I)를 흘리면, 직류 저항성분(R)에 의해 I²*R 에 해당하는 주울 열(Joule heat)이 발생한다. 본 발명에 있어서 그 주울 열을 비가역적 열(irreversible heat), 저항 열, 또는 저항발열이라 하고, Qi로 표시한다. 이는 배터리의 충전 및 방전 시 내부 저항에 의해 발생하는 '단위 몰당 줄 열 [J/mol]'을 의미한다. 또한, 하나의 배터리에 대하여 전기적/화학적/열적 조건(SoC, 온도, 전압 등)에 따라 다수의 저항발열 값들이 존재할 수 있다.
본 발명에 있어서, 가역적 열 (Reversible Heat, Qr), 또는 엔트로피 열 또는 엔트로피 발열은 임의의 화학 반응에서 엔탈피 변화(Enthalpy, ΔH)가 발생할 때, 열역학의 깁스 자유 에너지(Gibbs energy, ΔG)의 정의로부터 ΔG = ΔH - TΔS 가 성립하며, 이때 TΔS에 해당하는 열량을 가역적 열, Qr 로 정의한다. Qr은 Qi와 같은 단위로서, '단위 몰 당 열량변화 [J/mol]'를 의미한다.
엔트로피 발열 값의 부호는 양의 부호(+) 이거나 음의 부호(-)일 수 있다. 음의 부호를 갖는 경우 흡열(외부의 열이 배터리로 흡수됨; 대체로 온도 하락)을 의미한다. 또한, 하나의 배터리에 대하여 전기적/화학적/열적 조건(SoC, 온도, 전압 등)에 따라 다수의 엔트로피 발열 값들이 존재할 수 있다.
도 3의 흐름도는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전기화학 소자의 엔트로피 측정 방법의 수행 절차를 도시한다. 도 3을 참조하여, 배터리(30-1)에 대한 엔트로피 추출에 적용하는 경우를 예로 하여 본 발명에 따른 전기화학소자의 엔트로피 측정방법의 실시예를 구체적으로 설명한다.
우선 전기신호 발생부(20)가 전기적 신호를 생성하여 배터리(30-1)에 인가할 수 있다(S10 단계).
이를 위해, 엔트로피 측정 대상인 배터리(30-1)에는 전압과 전류를 측정할 수 있는 계측부(41)가 미리 장착될 수 있다.
측정대상 전기화학소자가 배터리인 경우를 고려한다. 그 배터리에 전기적 신호를 인가한다. 여기서, 전기적 신호라 함은 펄스 신호 또는 정현파 신호 등 소정의 주파수를 갖는 교류 전기신호(전류 또는 전압)일 수 있다.이 때, 그 배터리는 사용 중이지 않은 상태, 또는 사용 중인 상태, 또는 충/방전 중인 상태일 수 있다. 충/방전 중인 배터리에 전기적 신호를 인가한다는 것은, 본래의 충/방전량 만큼의 전압이나 전류 바이어스가 존재하는 상황에서 추가적으로 펄스 또는 교류성분 등의 전기적 신호가 더해짐을 의미한다. 예를 들어, 충/방전중인 배터리에 교류 정현파 신호가 인가되는 경우를 가정한다. 시간 t에 대한 함수로서, 배터리의 충/방전 전류 F(t)라 하고, 추가적으로 인가하는 정현파 전류를 A sin(wt+k)라 하자. 그 충/방전 중인 배터리에 그 정현파 전류를 인가하면, 그 배터리에는 F(t) + A sin(wt+k) 에 해당하는 전류가 인가된다는 뜻이다. 전기적 신호로서는, 교류 주파수 성분을 포함하고 있는 모든 전류 신호가 잠재적으로 사용되어질 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
이와 같이, 배터리에 전류가 흐르면 그 내부에서는 전기화학 반응이 일어난다. 전기화학 반응 자체의 특성, 또는 그 특성과 배터리의 내부저항과의 복합적인 영향에 의해 배터리는 특정한 전압을 나타낸다. 배터리의 전압이나 전류가 시간에 따라 변화하는 경우, 이러한 전기적 변화는 배터리 내부에서 흡열 또는 발열반응을 일으킬 수 있다. 그에 따라 배터리에서는 열의 출입이 발생하여, 배터리의 온도 변화가 나타나게 된다.
전기적 신호를 배터리(30-1)에 인가하는 동안에, 배터리(30-1)의 전압과 전류를 측정할 수 있다(S20 단계).
엔트로피 추출을 위한 계측은 계측부(41)가 장착된 배터리(30-1)를 일정한 온도가 유지되는 항온챔버(temperature chamber)에 넣은 상태로 수행될 수 있다. 다른 예로, 항온챔버를 사용하지 않고 상온에서, 또는 사용 중이거나 미사용 중, 충/방전 중인 전기/전자 기기에 배터리(30-1)가 장착된 상태에서 계측을 수행할 수도 있다.
전기신호 발생부(20)가 배터리(30-1)에 전기적 신호를 인가하는 과정과 거의 동시에, 배터리(30-1)의 전압과 전류를 측정하여 데이터를 얻는다. 측정은 배터리(30-1)의 단자를 통해 이루어질 수 있다. 전압과 전류의 측정은 계측유닛(40)에 의해 수행될 수 있다. 다른 예로, 측정 대상 배터리에 관여하는 다른 장치들에 의해 얻어질 수도 있다. 예를 들어, 배터리(30-1)가 계측부(41) 및 충전기(15)에 동시에 연결되어 있는 경우, 전압이나 전류의 정보는 그 계측부(41)에 의해 측정될 수도 있지만, 충전기(15)에서 측정되어 계측데이터 처리부(43)로 전달될 수도 있다.
다음으로, 임피던스 연산부(44)는 계측된 배터리(30-1)의 전압 데이터 및 전류 데이터를 이용하여 배터리(30-1)의 임피던스를 연산할 수 있다(S30 단계).
계측된 배터리(30-1)의 전압 데이터 및 전류 데이터는 계측부(41)를 통해 제공될 수 있다. 전기신호 발생부(20)의 전기적 신호가 인가되는 배터리(30-1)의 내부에서는, 해당 신호가 갖는 주파수 성분에 의해 독특한 주파수 응답이 발생한다. 일반적으로 배터리의 주파수 특성은 배터리의 종류, 형태, 화학적 상태, 충전 상태 등에 따라 상이하므로, 이를 고려하여 적절한 신호처리 기술을 적용할 수 있다. 해당 주파수 특성을 분석하여, 배터리의 임피던스를 주파수의 함수로 얻을 수 있다.
온도 연산부(45)는 배터리(30-1)의 온도를 구할 수 있다(S40 단계).
예시적인 실시예에서, 외부에서 전기적 신호를 전기화학소자(30)인 배터리(30-1)에 입력하고, 가해진 전기적 신호에 의한 배터리(30-1)의 온도변화를 측정하고, 그 온도변화를 이용하여 엔트로피를 구할 수 있다. 온도 연산에는 임피던스 연산부(44)가 구한 임피던스 값을 이용하거나 또는 계측부(41)가 계측한 전류 및 전압 데이터를 이용할 수도 있다. 임피던스 값으로부터 배터리(30-1)의 온도 추정값을 구하는 처리는 계측유닛(40)의 온도 연산부(45)에서 수행될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 배터리(30-1)의 온도 추정값은 배터리의 임피던스와 배터리의 온도 사이의 상관관계에 기초하여 구할 수 있다. 일반적으로, 배터리가 나타내는 현재 온도는 배터리 내부 화학 물질들에 영향을 끼치고, 이는 배터리의 주파수 응답에 영향을 주어, 결과적으로 배터리의 임피던스에 온도 정보가 반영된다는 점이 알려져 있다. 앞에서 언급하였듯이, 배터리의 임피던스와 배터리의 온도 사이의 상관관계는 일예로 물리학, 화학, 열역학 방정식 등 자연과학적 이론에 따른 방정식에 근거하여 프로그램된 이론기반 연산부(48)를 이용하여 이론적으로 유도될 수 있다. 다른 예로는, 상기 상관관계는 배터리나 실험용 셀 등에 대한 측정 결과로부터 얻어진 실험 데이터에 기초하여 만들어진 룩업 테이블(46)이나 신경망 기반 연산부(47)를 이용하여 결정될 수도 있다.
예시적인 다른 실시예에서, 배터리(30-1)의 임피던스 정보로부터 배터리(30-1)의 온도 정보를 구하는 것은 그 임피던스 정보에서 등가 직렬저항 값을 도출하고, 그 도출된 직렬저항 값의 변화로부터 배터리(30-1)의 온도 정보를 추정하는 것에 의해서도 이루어질 수 있다. 배터리(30-1)의 등가 직렬저항값은 온도의 크기와 대응관계를 가지는데, 그 관련 데이터를 실험적으로 얻고 룩업테이블로 만들어 사용함으로써 직렬저항값으로부터 온도 정보를 구할 수 있다.
이처럼, 예시적인 실시예에 의하면, 별도의 온도변경 장치나 배터리(30-1)의 온도를 측정하는 온도센서를 사용하지 않고, 해당 전기화학소자(30) 즉, 배터리(30-1)의 임피던스 계측값을 이용하여 간단히 온도를 산출할 수 있다.
다음으로, 엔트로피 연산유닛(50)은 앞서 구해진 배터리(30-1)의 온도와 전류 및 전압 데이터를 이용하여 엔트로피 값을 산출하는 연산을 수행할 수 있다(S50, S60, S70 단계). 이와 관련하여, 도 4는 엔트로피 연산유닛(50)에서 수행되는 엔트로피 값 산출 과정을 도시한다.
먼저, 가역적 열량(엔트로피 발열)과 비가역적 열량(저항발열)의 비율을 구할 수 있다(S50 단계).
구체적으로, 배터리(30-1)의 온도 변화량, ΔT는 두 가지 열의 성분에서 기인할 수 있다. 하나는 가역적 열 (또는 엔트로피 발열) Qr에 의한 온도성분 ΔTr이고, 나머지 하나는 비가역적 열(또는 저항열) Qi에 의한 온도성분 ΔTi이다. 배터리(30-1)의 온도 변화량 ΔT 은 다음과 같이 이 두 가지 온도성분을 합한 값으로 결정된다.
ΔT = ΔTr + ΔTi
(1)
배터리(30-1)에 인가되는 전기적 신호가 정현파 전류인 경우, 그 전류는 시간에 따라 방향이 바뀌는 특성을 가지며, 비가역적 열 Qi 및 가역적 열 Qr도 시간에 따라 크기가 달라진다(주파수 성분이 있다). 정현파 전류의 주파수를 f라 가정할 때, 비가역적 열 Qi는 f의 주파수를 가지고, 가역적 열 Qr는 2f의 주파수를 갖는다. 그 결과, 가역적 열 Qr에 의한 배터리(30-1)의 온도성분 ΔTr의 주파수는 2f이며, 비가역적 열 Qi에 의한 배터리(30-1)의 온도성분 ΔTi의 주파수는 f이다.
온도측정장치로 배터리(30-1)의 온도를 실제로 측정하면, 두 가지 온도성분이 합해진 값 ΔT = ΔTr + ΔTi 로서 측정될 것이다. 그러므로 계측유닛(40)에서 제공되는 배터리(30-1)의 온도 데이터를 디지털 신호처리(DSP) 등을 통하여 분리하는 처리를 수행할 수 있다(S82 단계). 측정된 온도 데이터는 푸리에 변환 (FFT 또는 DFT) 또는 아날로그 필터, 디지털 필터 등을 통하여, 주파수 f 성분과 주파수 2f 성분으로 분리된다.
배터리에서 발생하는 시간당 열량은 dQ/dt = Q'로 나타낼 수 있다. 발열의 두 가지 성분 Qi 및 Qr 또한 시간(t)에 대해 미분하여 Qi' 및 Qr' 으로 나타낼 수 있다. 배터리처럼 닫힌계에서 계 바깥으로의 열 전달함수를 G(f)라 하면, 표면온도 변화(ΔT)는 다음과 같은 관계를 갖는다.
ΔT = Q'/G(f)
(2)
배터리의 열용량을 C, 외부로의 열저항을 R이라 가정함으로써 간단한 RC 회로로 근사하는 것이 가능하다. 이때, 열 전달함수 G(f)는 주파수에 대한 함수로서 2G(f) = G(2f)의 관계가 성립한다. 그리고 ΔT = Q'/G(f) 으로부터, 비가역적 열량 Qi에 의한 온도성분 ΔTi와 가역적 열량 Qr에 의한 온도성분 ΔTr는 다음과 같이 쓸 수 있다.
ΔTi = Qi'/G(f),
(3)
ΔTr = Qr'/(2G(f))
(4)
위 두 식에서, 앞의 식을 뒤의 식으로 나누면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.
ΔTi/ΔTr = 2Qi'/Qr'
(5)
따라서 분리된 두 온도성분의 크기 비율 ΔTi/ΔTr 을 계산하면, 그로부터 열량비율 Qi'/Qr' 을 추정할 수 있다(S84 단계).
다음으로, 엔트로피 연산유닛(50)은 저항발열량에 해당하는 비가역적 열량을 산출할 수 있다(S60 단계 또는 S85 단계).
저항은 임피던스의 실수 성분에 해당한다. 이 점을 이용하여, 앞서 S30 단계에서 구한 임피던스 z(t)의 실수 성분으로부터 저항의 단위시간당 발열량은 i2(t)*Real(z(t)) 으로 계산할 수 있다. 임피던스 z(t)는 상대적으로 긴 시간 (정현파의 수십 주기) 동안 거의 일정하다고 가정할 수 있다. 즉, z(t)는 꽤 넓은 범위의 t에 대해 일정하다. i(t)는 정현파이므로, i(t) = A * sin(wt + k) 으로 표현될 수 있다. 여기서, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변이이다.
저항성분에 의한 시간당 발열량 dQi/dt는 다음과 같다.
dQi/dt = Qi' = A2(sin(wt+k))2 * Real(z(t))
= Real(z(t)) * (1/2) * A2(1-cos(2wt+2k))
(6)
저항성분에 의한 시간당 발열량 dQi/dt는 2f의 주파수를 갖는다. 다만 '시간당 발열량' 중에서 직류성분은 열전도나 대류 등에 의해 배터리 외부로 흩어지게 되고, 실제 온도변화를 유발하는 것은 교류성분이다. 그러므로 저항성분에 의한 시간당 발열량 dQi/dt의 교류성분만을 분리해 내면 다음과 같다.
Qi_AC' = Real(z(t)) * (-1/2) * A2cos(2wt+2k)
(7)
따라서 배터리에 인가되는 전류를 i(t) = A * sin(wt + k) 으로 설정할 때, 이론적으로 계산된 저항 발열량 즉, 비가역적 열량 Qi'는 아래 식으로 표현될 수 있다.
Qi' = Qi_AC' = Real(z(t))*(-1/2)*A2cos(2wt+2k)
(8)
끝으로, 엔트로피 연산유닛(50)은 엔트로피 값을 산출할 수 있다(S70 단계).
위에서, 배터리에 인가되는 전류를 i(t) = A * sin(wt + k)으로 설정할 때, 저항 발열량 Qi'는 Qi' = Real(z(t)) * (-1/2) * A2 * cos(2wt + 2k) 으로 추정된다. 또한, 단계 S84에서 온도비율 ΔTi/ΔTr 로부터 비가역적 열량과 가역적 열량 간의 비율 Qi'/Qr' 을 도출할 수 있다. 그 구체적인 과정은 다음과 같다.
배터리(30-1) 내부의 화학반응에 의한 단위 몰 당 엔트로피 변화는 ΔS이고, 전자 1C의 엔트로피 변화는 ΔS/F로 쓸 수 있다. 여기서, F는 패러데이 상수(9.6485 x 104 C/mol)를 나타낸다. 열역학 제2법칙에 따르면 계를 빠져나가는 '가역적 열량' Qr 은 Qr = T*ΔS 으로 계산되므로, 특정 온도 T에서 전자 1C에 의한 가역적 열량은 T*ΔS/F이다. 열역학 방정식을 기반으로 엔트로피값을 도출하는 과정에서 요구되는 절대온도(T) 값을 배터리 내부 임피던스로부터 도출할 수 있다. 전류(I)는 시간당 전하량을 의미한다. 따라서 특정 온도 T에서의 시간당 가역적 열량 dQr/dt = Qr'은 다음과 같다. 아래 식과 같이 가역적 열량 Qr'과 엔트로피의 관계를 구할 수 있다.
dQr/dt = Qr' = I * T * ΔS/F
(9)
전기화학소자(20)에 인가되는 전류 I를 I = i(t) = A * sin(wt + k) 으로 설정하면, 가역적 열량 Qr'는 다음과 같다. 아래 식으로 엔트로피 발열량(가역적 열량)을 구할 수 있다(S87 단계).
Qr' = A sin(wt+k) * T * ΔS/F
(10)
앞에서 구한 바와 같이, 비가역적 열량 Qi' 는 Qi' = Real(z(t)) * (-1/2) * A2 * cos(2wt + 2k)이고, 가역적 열량 Qr'과 비가역적 열량 Qi' 간의 비율은 Qi'/Qr' = ΔTi / ΔTr = 2Qi'/Qr' 의 관계가 있다. 그러므로 배터리(30-1)에 i(t) = A sin(wt + k) 전류를 입력하는 상황에서, ΔTi/ΔTr을 측정하고 임피던스 z(t), 온도 T에 대한 값을 알고 있다면,
ΔTi/ΔTr = 2Qi'/Qr'
= 2(Real(z(t)) * (-1/2)A2cos(2wt+2k))/(A sin(wt+k) * T * ΔS/F)
(11)
이다. 이로부터 역으로 엔트로피 다음의 관계가 성립한다.
ΔS = (-A*F/T) * (ΔTi/ΔTr) * (Real(z(t)) * cos(2wt+2k)/sin(wt+k)) (12)
이 관계식에 근거하여 엔트로피 ΔS 값을 추출할 수 있다(S89 단계).
이상에서 설명한 것처럼, 본 발명의 실시예들에 따른 엔트로피 측정기술은 측정대상인 전기화학소자 양단에 전기적 신호를 인가하고, 전압/전류를 측정하는 방식으로 간단하게 엔트로피를 측정할 수 있다. 별도의 부가장치를 적용할 필요가 없으므로, 시간 및 비용 절감을 도모할 수 있고 신속하게 측정할 수 있다. 그러므로 산업적 목적으로 일반적인 배터리/연료전지 등의 전기화학 소자의 품질검사 및 상태 진단 등에 매우 유용하게 응용될 수 있다.
본 발명은 전기화학소자 예컨대 배터리의 엔트로피 측정에 응용될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10: 전기화학 엔트로피 측정 시스템
20: 전기신호 발생부
30: 전기화학소자
40: 계측유닛
50: 엔트로피 연산유닛
20: 전기신호 발생부
30: 전기화학소자
40: 계측유닛
50: 엔트로피 연산유닛
Claims (20)
- 측정대상 전기화학 소자의 외부에서 전기적 신호를 인가하면서 상기 전기화학 소자의 임피던스를 계측하여 상기 전기화학 소자 내부의 온도 정보를 추출하는 단계; 및
추출된 온도 정보를 이용하여 상기 전기화학소자의 엔트로피 값을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 '온도 정보를 추출하는 단계'는,
상기 전기화학소자에 전기적 신호를 인가하면서, 상기 전기화학소자의 전압과 전류를 계측하는 단계; 계측된 전압과 전류를 이용하여 상기 전기화학소자의 임피던스를 구하는 단계; 및 구해진 임피던스로부터 상기 전기화학소자의 온도 정보를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법. - 제2항에 있어서, 상기 임피던스로부터 상기 전기화학소자의 온도 정보를 구하는 단계는, 상기 임피던스에서 등가 직렬저항 값을 도출하는 단계; 및 상기 도출된 직렬저항 값의 변화로부터 상기 전기화학소자의 온도 정보를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 '엔트로피 값을 산출하는 단계'는,
상기 온도 정보의 신호처리를 통해 저항 발열에 의한 비가역적 열량과 엔트로피 발열에 의한 가역적 열량을 구하는 단계; 및 상기 비가역적 열량과 상기 가역적 열량 간의 비율과, 상기 비가역적 열량의 절대값 크기 조합에 기초하여 열역학 법칙에 따라 상기 전기화학소자의 엔트로피를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법. - 제4항에 있어서, 상기 전기화학소자의 엔트로피를 산출하는 단계는, 열역학법칙에 따라 엔트로피 값을 도출할 때 요구되는 절대온도(T) 값을 상기 전기화학소자의 내부 임피던스로부터 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 비율을 구하는 것은,
상기 전기화학소자의 온도 데이터를 푸리에 변환 또는 필터링과 같은 디지털 신호처리를 통해 주파수 f 성분과 주파수 2f 성분으로 분리하는 단계, 여기서 f는 상기 전기적 신호의 주파수임; 및 관계식 ΔTi/ΔTr = 2Qi'/Qr'를 이용하여(단, ΔTi는 비가역적 열량 Qi에 의한 온도성분이고, ΔTr는 가역적 열량 Qr에 의한 온도성분임) 비가역적 열량 Qi과 가역적 열량 Qr 간의 비율을 구하는 단계를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법. - 제4항에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피를 산출하는 단계에서, 관계식 Qi' = Qi_AC' = Real(z(t)) * (-1/2) * A2 cos(2wt+2k)를 이용하여 상기 전기화학소자의 저항성분에 의한 시간당 발열량의 교류성분(Qi_AC')을 상기 비가역적 열량(Qi')으로 산출하며, 여기서 Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A * sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피 ΔS는 관계식 ΔS = (-A*F/T) * (ΔTi/ΔTr) * (Real(z(t)) * cos(2wt+2k)/sin(wt+k))을 이용하여 산출되고, 여기서 T는 상기 전기화학소자의 온도, F는 패러데이 상수, Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학소자는 배터리이고, 상기 전기적 신호를 상기 배터리에 인가하는 동안에 상기 배터리는 사용 중이지 않은 상태, 사용 중인 상태, 충전/방전 중인 상태 중 어느 한 가지인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호는 소정 주파수를 갖는 교류 전기신호인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학소자의 임피던스는 상기 전기화학소자의 주파수 특성을 분석하는 것을 통해 계측되는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 전기화학소자의 온도 정보는 상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 사이의 상관관계에 근거하여 상기 임피던스로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 상관관계는 자연과학 이론에 따른 방정식으로 규정되거나 또는 상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 간의 상관관계에 관한 다수의 계측 실험을 통해 정해지는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 방법.
- 전기적 신호를 생성하여 측정대상 전기화학소자에 인가하는 전기신호 발생부;
상기 전기화학 소자의 임피던스를 계측하여 상기 전기화학 소자 내부의 온도 정보를 추출하도록 구성된 계측유닛; 및
추출된 온도 정보를 이용하여 상기 전기화학소자의 엔트로피 값을 산출하도록 구성된 엔트로피 연산유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치. - 제14항에 있어서, 상기 계측유닛은,
상기 전기화학소자의 전압과 전류를 계측하는 계측부; 상기 계측부가 계측한 전압과 전류 신호를 이용하여 상기 전기화학소자의 임피던스를 산출하는 임피던스 연산부; 및 상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 간의 상관관계에 기초하여, 상기 전기화학소자의 임피던스로부터 상기 전기화학소자의 온도를 구하도록 구성된 온도 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치. - 제15항에 있어서, 상기 온도연산부는,
상기 전기화학소자의 임피던스와 온도 사이의 상관관계에 관한 자연과학적 이론에 따른 방정식에 근거하여 프로그램된 이론기반 연산부, 상기 상관관계에 관한 실험 데이터에 기초하여 만들어진 룩업테이블, 상기 상관관계에 관한 실험데이터를 학습하여 얻어진 온도추정모델을 포함하는 신경망 기반 연산부 중 적어도 어느 한 가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치. - 제14항에 있어서, 상기 엔트로피 연산유닛은, 상기 온도 정보의 신호처리를 통해 저항 발열에 의한 비가역적 열량과 엔트로피 발열에 의한 가역적 열량을 구하고, 상기 비가역적 열량과 상기 가역적 열량 간의 비율과, 상기 비가역적 열량의 절대값 크기 조합에 기초하여 열역학법칙에 따라 상기 전기화학소자의 엔트로피를 산출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 전기신호 발생부에서 상기 전기화학소자로 인가되는 상기 전기적 신호는 소정 주파수를 갖는 교류 전기신호인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A * sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피 연산유닛은 관계식 Qi' = Qi_AC' = Real(z(t)) * (-1/2) * A2 cos(2wt+2k)를 이용하여 상기 전기화학소자의 저항성분에 의한 시간당 발열량의 교류성분(Qi_AC')을 상기 비가역적 열량(Qi')으로 산출하고, 여기서 Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 전기화학소자에 인가되는 상기 전기적 신호가 정현파 전류 i(t) = A * sin(wt+k)일 때, 상기 엔트로피 연산유닛은 상기 엔트로피 ΔS를 관계식 ΔS = (-A*F/T) * (ΔTi/ΔTr) * (Real(z(t)) * cos(2wt+2k)/sin(wt+k))을 이용하여 산출하고, 여기서 T는 상기 전기화학소자의 온도, F는 패러데이 상수, Real(z(t))은 상기 전기화학소자의 임피던스의 실수 성분이고, A는 진폭, w는 라디안 주파수, k는 위상변위인 것을 특징으로 하는 전기화학소자의 엔트로피 측정 장치.
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