WO2023080673A1 - 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템 Download PDF

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WO2023080673A1
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value
impedance
cell voltage
cell
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김영환
김정완
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for estimating the impedance spectrum of a battery, and a system including the same, and more particularly, to a battery impedance spectrum value in a cell unit from a battery impedance spectrum measurement value in a pack or module unit.
  • SoC state of charge
  • SoH state of life
  • the impedance spectrum of the battery cell is conventionally measured by electrical impedance spectroscopy (EIS).
  • a battery provided in a pack or module form is disassembled into cells, and the positive (+) and negative (-) leads of each disassembled cell are disassembled. It is measured by connecting the EIS measuring device to
  • An object of the present invention to solve the above problems is to provide a high-efficiency and low-cost battery impedance spectrum estimation device for estimating a battery impedance spectrum value in a cell unit from the impedance spectrum measurement value of a battery assembly in a pack or module unit.
  • Another object of the present invention to solve the above problems is to provide a high-efficiency and low-cost battery impedance spectrum estimation method for estimating the battery impedance spectrum value in a cell unit from the impedance spectrum measurement value of the battery assembly in a pack or module unit. is to do
  • Another object of the present invention to solve the above problems is to provide a high-efficiency and low-cost battery impedance spectrum estimation system for estimating a battery impedance spectrum value in a cell unit from the impedance spectrum measurement value of a battery assembly in a pack or module unit. is to provide
  • An apparatus for estimating the impedance spectrum of a battery cell for achieving the above object includes a memory and a processor that executes at least one command stored in the memory, wherein the at least one command includes a battery assembly A command for acquiring an electrical impedance spectroscopy (EIS) measurement value, modeling an equivalent circuit model (ECM) of the battery assembly based on the EIS measurement value, and determining initial parameter values for the equivalent circuit A command to convert at least one of the initial parameter values using a predefined conversion constant to derive a first parameter value, and to calculate a first cell voltage value based on the first parameter value, the battery cell Command for obtaining a second cell voltage value, measured by charging or discharging for , comparing the first cell voltage value and the second cell voltage value, and correcting the conversion constant based on the comparison result A command, a command for calculating a final parameter value based on the corrected conversion constant, and a command for obtaining an estimated EIS value for the battery cell by applying the final parameter value to the
  • EIS electrical imped
  • the initial parameter value of the equivalent circuit may include a parameter value for at least one of a resistor, a capacitor, an inductor, and a constant phase element (CPE).
  • CPE constant phase element
  • the conversion constant may be a constant for converting an equivalent circuit of the battery assembly into an equivalent circuit of the battery cell.
  • the command to calculate the first cell voltage value converts the equivalent circuit into an impedance function over time, and applies the initial parameter value to the impedance function to obtain an internal impedance; and A command for calculating the first cell voltage value by multiplying the internal impedance by a current value may be included.
  • the impedance function may be a function obtained by converting the equivalent circuit into a function related to time using a predefined differential equation.
  • the second cell voltage value may be a cell voltage value measured by a discharge pulse current of the battery cell.
  • the command to correct the conversion constant may include a command to correct the conversion constant so that a difference between the first cell voltage value and the second cell voltage value is minimized.
  • a method for estimating an impedance spectrum of a battery cell includes obtaining an electrical impedance spectroscopy (EIS) measurement value of a battery assembly, based on the EIS measurement value, the battery assembly.
  • EIS electrical impedance spectroscopy
  • Modeling an equivalent circuit model (ECM) of and determining initial parameter values for the equivalent circuit converting at least one of the initial parameter values using a predefined conversion constant to derive a first parameter value and calculating a first cell voltage value based on the first parameter value, obtaining a second cell voltage value measured by charging or discharging the battery cell, the first cell voltage value and Comparing the second cell voltage value and correcting the conversion constant based on the comparison result, calculating a final parameter value based on the corrected conversion constant, and applying the final parameter value to the equivalent circuit and obtaining an EIS estimation value for the battery cell.
  • ECM equivalent circuit model
  • At least one initial parameter value of the equivalent circuit may include a parameter value for at least one of a resistor, a capacitor, an inductor, and a constant phase element (CPE).
  • CPE constant phase element
  • the conversion constant may be a constant for converting an equivalent circuit of the battery assembly into an equivalent circuit of the battery cell.
  • the calculating of the first cell voltage value may include converting the equivalent circuit into an impedance function over time and obtaining an internal impedance by applying the initial parameter value to the impedance function; and
  • the method may include calculating the first cell voltage value by multiplying an internal impedance by a current value.
  • the impedance function may be a function obtained by converting the equivalent circuit into a function related to time using a predefined differential equation.
  • the second cell voltage value may be a cell voltage value measured by a discharge pulse current of the battery cell.
  • the correcting of the conversion constant may include correcting the conversion constant so that a difference between the first cell voltage value and the second cell voltage value is minimized.
  • a system for estimating the impedance spectrum of a battery cell is an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) device for measuring the impedance spectrum value of a battery assembly, a battery cell
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • a battery cell impedance estimator for obtaining an EIS estimation value of the battery cell by calculating a first cell voltage for the battery cell, and a battery charge/discharge measuring device for measuring a second cell voltage due to charging or discharging of the battery cell.
  • the battery cell impedance estimator models an equivalent circuit model (ECM) of the battery assembly based on the measured value of the EIS device, and calculates at least one initial parameter value of the equivalent circuit.
  • ECM equivalent circuit model
  • a first parameter value by converting at least one of the initial parameter values using a predefined conversion constant; calculate the first cell voltage based on the first parameter value;
  • the conversion constant is corrected by comparing the cell voltage value and the second cell voltage value measured by the battery charge/discharge measuring device, a final parameter value is calculated based on the corrected conversion constant, and the final parameter value is Applied to the equivalent circuit, the estimated EIS value for the battery cell is obtained.
  • An apparatus and method for estimating the impedance spectrum of a battery according to embodiments and experimental examples of the present invention, and a system including the same are an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) apparatus for measuring the impedance spectrum value of a battery assembly in units of packs or modules, and packs or By estimating the battery impedance spectrum value in a cell unit by obtaining a measured value from a battery charge/discharge measuring device that measures a specific parameter value by charging or discharging by applying a pulse current to a battery assembly in a module unit, It is possible to provide an apparatus and method for estimating the impedance spectrum of a high-efficiency and low-cost battery, which can be non-destructively measured without disassembly, so that reassembly is easy and cost is reduced, and a system including the same.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • FIG. 2 is a block diagram of a system for estimating the impedance spectrum of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • FIG 4 is an image of a battery charge/discharge measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of an impedance spectrum estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for estimating an impedance spectrum of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a Nyquist Plot graph showing impedance measurement results for each frequency of a battery assembly in a pack or module unit using an electrochemical impedance spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a battery assembly obtained based on the impedance measurement result in FIG. 7 .
  • FIG. 9 is a first cell voltage value calculated using an impedance function to which a first parameter is applied and a discharge pulse current measured by applying a discharge pulse current to the battery assembly to explain a method for estimating the impedance of a battery cell according to an experimental example of the present invention. It is a graph comparing the second cell voltage values.
  • FIG. 10 is a third cell voltage value calculated using an equivalent circuit model to which a final parameter value is applied and a discharge pulse current applied to the battery assembly to explain a method for estimating the impedance of a battery cell according to an experimental example of the present invention. It is a graph comparing one second cell voltage value.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
  • the term “and/or” includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • FIG. 2 is a block diagram of a system for estimating the impedance spectrum of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the system (S) for estimating the impedance spectrum of a battery cell measures the impedance spectrum and charge or discharge data according to the application of a pulse current to the battery assembly, and the battery cell.
  • the impedance spectral value of the unit can be estimated.
  • the battery assembly may include a battery provided in a pack or module form.
  • the impedance spectrum estimation system (S) of the battery cell includes an electrical impedance spectroscopy (EIS) device 1000, a charge/discharge measurement device 3000, and an impedance spectrum estimation device ( 5000) may be included.
  • EIS electrical impedance spectroscopy
  • charge/discharge measurement device 3000 charge/discharge measurement device 3000
  • impedance spectrum estimation device ( 5000) may be included.
  • the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) device 1000 measures the impedance of the battery assembly
  • the charge/discharge measurement device 3000 measures the cell voltage of the battery for the battery assembly
  • the impedance spectrum estimation device Reference numeral 5000 may estimate an impedance spectrum value in units of battery cells based on measured values from the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) device 1000 and the charge/discharge measurement device 3000 .
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) apparatus 1000 may be connected to a battery assembly provided in a pack or module unit to measure an impedance spectrum of the battery assembly.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) device 1000 may be connected to positive (+) and negative (-) leads of a battery pack or module to measure an impedance spectrum of the battery pack or module.
  • the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) apparatus 1000 may transmit the impedance spectrum measurement value of the battery pack or module to the impedance spectrum estimation apparatus 5000 to be described later.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • the system (S) for estimating the impedance spectrum of a battery cell measures the impedance spectrum of a battery assembly in units of packs or modules using an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) apparatus 1000, corrects it, and By estimating the impedance spectrum value of each battery cell unit, it is possible to provide a high-efficiency and low-cost battery cell impedance spectrum estimation system (S) that is easy to reassemble and cost-saving by non-destructive measurement.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • FIG 4 is an image of a battery charge/discharge measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • the battery charge/discharge measuring device 3000 may be connected to a battery assembly provided in a pack or module unit.
  • the battery charge/discharge measurement apparatus 3000 may measure the cell voltage of the battery by applying a pulse current to the battery to charge or discharge the battery.
  • the battery charge/discharge measuring device 3000 is connected to the positive (+) and negative (-) leads of the battery assembly and applies a pulse current to the battery assembly in the form of a pack or module to charge or discharge the battery.
  • the cell voltage according to can be measured.
  • the battery charge/discharge measuring device 3000 may transmit a cell voltage measurement value according to battery charging or discharging to an impedance spectrum estimating device 5000 to be described later.
  • FIG. 5 is a block diagram of an impedance spectrum estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • an impedance spectrum estimating device 5000 is a battery assembly in the form of a pack or module measured from an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) device 1000 and a charge/discharge measuring device 3000.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • a battery impedance spectrum in units of cells may be estimated by receiving an impedance spectrum measurement value and a cell voltage measurement value for .
  • the impedance spectrum estimating apparatus 5000 of a battery cell will be described in more detail for each hardware configuration. It may include an output interface device 500 and a storage device 600 .
  • each of the components 100, 200, 300, 400, 500, and 600 included in the impedance spectrum estimation apparatus 5000 may communicate with each other by being connected by a bus 700. there is.
  • the memory 100 and the storage device 600 may include at least one of a volatile storage medium and a non-volatile storage medium. there is.
  • the memory 100 and the storage device 600 may include at least one of a read only memory (ROM) and a random access memory (RAM).
  • the memory 100 may include at least one command executed by the processor 200 .
  • the at least one command may include a command for acquiring an Electrical Impedance Spectroscopy (EIS) measurement value of the battery assembly, and an equivalent circuit model (ECM) of the battery assembly based on the EIS measurement value.
  • EIS Electrical Impedance Spectroscopy
  • ECM equivalent circuit model
  • the battery cell It may include a command for obtaining an EIS estimation value for .
  • the processor 200 may mean a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which methods according to embodiments of the present invention are performed.
  • CPU central processing unit
  • GPU graphics processing unit
  • dedicated processor on which methods according to embodiments of the present invention are performed.
  • the processor 200 may execute at least one program command stored in the memory 100 .
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method for estimating an impedance spectrum of a battery cell according to an embodiment of the present invention.
  • the processor 200 in the apparatus 5000 for estimating the impedance spectrum of a battery cell may acquire an impedance spectrum measurement value for the battery assembly in units of packs or modules (S1000).
  • the processor 200 may receive an impedance spectrum value (EIS measurement value) measured from a battery assembly in a pack or module unit from the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) apparatus 1000 .
  • EIS measurement value an impedance spectrum value measured from a battery assembly in a pack or module unit from the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) apparatus 1000 .
  • FIG. 7 is a Nyquist Plot graph showing impedance measurement results for each frequency of a battery assembly in a pack or module unit using an electrochemical impedance spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • an impedance spectrum measurement value of a battery assembly (pack or module) obtained by the processor 200 may be expressed as an impedance output value according to a frequency.
  • Z' may be a real value of impedance (Z_re), and Z'' may be an imaginary value of impedance (Z_im).
  • the processor 200 models (Equivalent Circuit Model, ECM, S2000) an equivalent circuit of the battery assembly in units of packs or modules based on the obtained EIS measurement value, and performs at least one initial value of the modeled equivalent circuit.
  • Parameter values may be determined (S3000). A method of modeling an equivalent circuit of a battery and determining initial parameter values of the modeled equivalent circuit will be described in more detail with reference to FIG. 8 below.
  • FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a battery assembly obtained based on the impedance measurement result in FIG. 7 .
  • the processor 200 may model the equivalent circuit of the battery to have the same impedance as the impedance spectrum measurement value of the battery assembly in units of packs or modules.
  • the amplitude and phase components representing the output characteristics of the impedance spectrum may be expressed as a combination of at least one of a resistor, a capacitor, and an inductor.
  • the battery equivalent circuit model in units of packs or modules includes at least one of resistors (R0, R1, R2, R3, and R4), capacitors (C1, C2, C3, and C4), inductor (L1), and constant phase element (CPE). It can be expressed as a single parameter.
  • CPE may be an impedance parameter that makes an intermediate impedance characteristic value between a capacitor and a resistor.
  • the battery equivalent circuit model has an impedance (P1) according to the electrolyte, an impedance (P2) of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) device, an impedance (P3) according to the SEI layer, and between the electrode and the electrolyte interface. It can be expressed as the sum of the impedance (P4) and the wargburg (diffusion) impedance coefficient (P5) according to the charge transfer of .
  • the impedance P2 of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) device may include resistance generated by a cable of the measuring device.
  • the processor 200 may determine initial parameter values of the modeled equivalent circuit.
  • the processor 200 determines at least one of a resistor, a capacitor, an inductor, and a CPE in an equivalent circuit model of the battery, based on the measured value of the impedance spectrum of the battery in units of packs or modules, as shown in Table 1 below. It is possible to determine the initial parameter values of
  • the processor 200 may infer values of variables based on the graph of impedance measurement results for each frequency in FIG. 7 and the equivalent circuit model in FIG. 8 accordingly. Thereafter, the processor 200 obtains a graph of impedance measurement results per frequency for the values of the inferred variables, and compares it with the graph of impedance measurement results per frequency according to FIG. 7 to obtain a pattern similar to the graph in FIG. Values of visible variables can be determined as initial parameter values.
  • L1 EIS device inductance (Line Inductance)
  • R3 Charge Transfer Resistance (Rct)
  • the processor 200 may divide the initial parameter value by a conversion constant (n-Factor) to obtain a first parameter value in units of battery cells (S4000 ).
  • n-Factor a conversion constant
  • the conversion constant (n-factor) may be a constant for converting the initial parameter value obtained on the basis of a battery assembly in a pack or module unit into a battery cell unit.
  • the initial value of the conversion constant (n-Factor) may be defined based on the number of battery cells included in a battery assembly (pack or module). For example, as shown in [Table 2], the initial values (R1, R2, R3) of some of the conversion constants (n-factors) are defined based on the number of battery cells (20) included in the module. It can be.
  • the conversion constant may be corrected based on a comparison result between the first cell voltage value and the second cell voltage value in step S8000 to be described later. Accordingly, the initial value of the conversion constant does not have to be defined as an exact value. However, as shown in [Table 2] above, it is preferable to define an approximate value for converting an assembly-unit parameter into a battery cell-unit.
  • the initial value of the conversion constant may be input by a manager or may be defined as a pre-stored value corresponding to the number of battery cells.
  • the processor 200 may calculate the internal impedance function according to the time of the battery (S5000).
  • the processor 200 may arrange an equivalent circuit (ECM, see FIG. 8) of a battery assembly (pack or module) as a function of time using a differential equation.
  • ECM equivalent circuit
  • the processor 200 expresses V(t) as E(t) based on [Equation 3] extracted from [Equation 2], and organizes it into [Equation 4] for E(t).
  • the processor 200 may obtain [Equation 5] by arranging [Equation 4] into an equation for the impedance R.
  • the processor 200 uses a differential equation for the LR parallel component in the equivalent circuit model according to FIG. An impedance function can be obtained.
  • L1 EIS device inductance (Line Inductance)
  • R3 Charge Transfer Resistance (Rct)
  • the processor 200 may apply the first parameter value in units of battery cells to the impedance function.
  • W 6 is a Wargburg impedance, which is related to the diffusion rate of ions and may be inversely proportional to the square root of the frequency. Accordingly, the processor 200 may calculate the internal impedance of the battery in units of cells.
  • the processor 200 may calculate the first cell voltage value by multiplying the internal impedance of the battery by the current value (S6000).
  • the battery's internal impedance may act as the battery's internal resistance value.
  • the processor 200 may obtain a second cell voltage value measured by the pulse current of the battery (S7000).
  • the second cell voltage value may be a cell voltage value measured by applying a discharge pulse current from the charge/discharge measuring device 3000 to the battery assembly in units of packs or modules.
  • FIG. 9 is a first cell voltage value calculated using an impedance function to which a first parameter is applied and a discharge pulse current measured by applying a discharge pulse current to the battery assembly to explain a method for estimating the impedance of a battery cell according to an experimental example of the present invention. It is a graph comparing the second cell voltage values.
  • the first cell voltage value is a conversion defined based on the number of cells generally accommodated inside a battery assembly (pack or module). Since it is calculated using a constant, it can be confirmed that a slight difference occurs between the first cell voltage value and the second voltage value actually measured by applying the discharge pulse current.
  • the processor 200 may correct the conversion constant (n-factor) such that a difference between the first cell voltage value and the second cell voltage value for each cell is minimized in order to more accurately calculate the impedance of the battery cell. (S8000).
  • the conversion constant (n-factor), as described above, may be a value that divides at least one initial parameter constituting the equivalent circuit of the battery assembly in units of packs or modules in order to estimate a value in units of cells.
  • the processor 200 corrects the conversion constant applied to the initial parameter of the equivalent circuit model to a value that minimizes the difference between the first cell voltage value and the second cell voltage value, thereby providing a more precise battery cell unit.
  • a final parameter value may be obtained (S9000).
  • the processor 200 may correct equivalent circuit parameter values for each battery cell, as shown in Table 3 below.
  • ECM Parameter The final parameter value of the first cell The final parameter value of the second cell ... Final parameter value of the 20th cell R0 0.000341065 0.00036 0.000326 L1 4.99e-07 4.99e-07 5.04e-07 R1 0.012943 0.012943 0.013327 R2 0.000100021 7.6e-05 7.00e-05 C2 4.322 4.322 4.73 R3 0.000179 0.000179 0.000138 C3 33.92 33.92 33.43 CPE1 9479.115474 9425.035 9667.56 R4 4.27E-06 2.50e-05 8.77E-05 C4 509.1 509.1 496.5
  • FIG. 10 is a third cell voltage value calculated using an equivalent circuit model to which a final parameter value is applied and a discharge pulse current applied to the battery assembly to explain a method for estimating the impedance of a battery cell according to an experimental example of the present invention. It is a graph comparing one second cell voltage value.
  • the third cell voltage may be a value calculated by multiplying a current value by an internal impedance to which a final parameter is applied to an impedance function according to an embodiment of the present invention.
  • the third cell voltage value calculated using the final parameter value in which the conversion constant is corrected is the actual discharge pulse current. It can be confirmed that the second cell voltage value is similar to the value measured by applying the pulse current.
  • the processor 200 may estimate an impedance spectrum for each battery cell by individually applying the corrected final parameter value of each battery cell unit to an equivalent circuit model (S10000).
  • the processor 200 substitutes the impedance spectrum measurement value obtained from the battery assembly in units of packs or modules into the corrected equivalent circuit model to which the corrected final parameter value is applied, and calculates the impedance spectrum estimation value for each battery cell.
  • the corrected final parameter values may be converted into impedance spectrum values (Zre, Zim) and used.
  • An apparatus and method for estimating the impedance spectrum of a battery according to embodiments and experimental examples of the present invention, and a system including the same are an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) apparatus for measuring the impedance spectrum value of a battery assembly in units of packs or modules, and packs or By estimating the battery impedance spectrum value in a cell unit by obtaining a measured value from a battery charge/discharge measuring device that measures a specific parameter value by charging or discharging by applying a pulse current to a battery assembly in a module unit, It is possible to provide an apparatus and method for estimating the impedance spectrum of a high-efficiency and low-cost battery, which can be non-destructively measured without disassembly, so that reassembly is easy and cost is reduced, and a system including the same.
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • Operations of the methods according to the embodiments and experimental examples of the present invention can be implemented as computer-readable programs or codes on a computer-readable recording medium.
  • a computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored.
  • computer-readable recording media may be distributed to computer systems connected through a network to store and execute computer-readable programs or codes in a distributed manner.
  • the computer-readable recording medium may include hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, and flash memory.
  • the program command may include high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like as well as machine code generated by a compiler.
  • a block or apparatus corresponds to a method step or feature of a method step.
  • aspects described in the context of a method may also be represented by a corresponding block or item or a corresponding feature of a device.
  • Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device such as, for example, a microprocessor, programmable computer, or electronic circuitry. In some embodiments, one or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

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Abstract

본 발명의 실시예 및 실험예에 따른 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 상기 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템은 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 값을 측정하는 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치 및, 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리에 펄스 전류를 인가하여 충전 또는 방전에 의한 특정 파라미터 값을 측정하는 배터리 충방전 측정 장치로부터 측정 값을 획득하여, 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 값을 추정함으로써, 셀 단위로의 배터리의 분해 없이, 비파괴 측정이 가능하여 재조립이 용이하고 비용이 절감되는, 고효율 및 저비용의 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템을 제공할 수 있다.

Description

배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템
본 출원은 2021년 11월 03일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2021-0149820호 및 2022년 11월 03일 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2022-0145075호의 출원일의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 팩 또는 모듈 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 측정 값으로부터 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 값을 추정하는, 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
운용 중이거나 재사용되는 배터리의 경우, 상태를 진단하는 것이 무엇보다 중요하다.
일반적으로, 배터리의 상태를 진단하기 위해서는 배터리의 충전 상태(SoC) 및 수명 상태(SoH) 등을 확인한다.
이러한, 배터리의 충전 상태(SoC) 및 수명 상태(SoH)를 확인하기 위해, 종래에는 전기 화학적 임피던스 분광법(Electrical Impedance Spectroscopy, 이하 EIS)에 의해 배터리 셀(Cell)의 임피던스 스펙트럼을 측정하고 있다.
종래의 EIS 장치를 이용한 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 측정은 도 1에서와 같이, 팩 또는 모듈 형태로 제공되는 배터리를 셀 단위로 분해하고, 분해된 각각의 셀의 양극(+)과 음극(-) 리드에 EIS 측정 장치를 연결하여 측정된다.
일반적으로, 배터리 팩에서 모듈 단위로의 분해 시에는 배터리 모듈 간에 연결을 위해 사용되는 버스바를 제거하여 분해함으로써 비파괴 분해가 가능하다. 그러나, 배터리 모듈에서 셀 단위의 분해 시에는 레이저 또는 초음파를 이용하여 셀 리드의 용접을 파괴하여 분해해야 함으로, 셀 리드를 교체하지 않는 이상 배터리 모듈로의 재조립이 어려우며, 셀 리드 교체를 위해서는 배터리 셀을 부품 단위로 분해하여 재조립해야하는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 측정 값으로부터 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 값을 추정하는, 고효율 및 저비용의 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 측정 값으로부터 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 값을 추정하는, 고효율 및 저비용의 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또다른 목적은 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 측정 값으로부터 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 값을 추정하는, 고효율 및 저비용의 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치는 메모리 및 상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 수행하는 프로세서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령은, 배터리 어셈블리의 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 측정 값을 획득하도록 하는 명령, 상기 EIS 측정 값을 바탕으로, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로(Equivalent Circuit Model, ECM)를 모델링하고, 상기 등가회로에 대한 초기 파라미터 값들을 결정하도록 하는 명령, 상기 초기 파라미터 값들 중 적어도 하나를 기정의된 변환 상수를 이용해 변환하여 제1 파라미터 값을 도출하고, 상기 제1 파라미터 값을 기초로 제1 셀 전압 값을 산출하도록 하는 명령, 상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전에 의해 측정된, 제2 셀 전압 값을 획득하도록 하는 명령, 상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 상기 변환 상수를 보정하도록 하는 명령, 상기 보정된 변환 상수를 바탕으로 최종 파라미터 값을 산출하도록 하는 명령, 및 상기 최종 파라미터 값을 상기 등가회로에 적용하여, 상기 배터리 셀에 대한 EIS 추정 값을 획득하도록 하는 명령을 포함한다.
여기서, 상기 등가회로의 초기 파라미터 값은, 저항, 커패시터, 인덕터, CPE(Constant Phase Element) 중 적어도 하나에 대한 파라미터 값을 포함할 수 있다.
또한, 상기 변환 상수는, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로를 상기 배터리 셀의 등가회로로 변환시키기 위한 상수일 수 있다.
한편, 상기 제1 셀 전압 값을 산출하도록 하는 명령은 상기 등가회로를 시간에 대한 임피던스(Impedance) 함수로 변환하고, 상기 임피던스 함수에 상기 초기 파라미터 값을 적용하여 내부 임피던스를 획득하도록 하는 명령, 및 상기 내부 임피던스에 전류 값을 곱하여 상기 제1 셀 전압 값을 산출하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
이때, 상기 임피던스 함수는 기정의된 미분 방정식을 이용하여 상기 등가회로를 시간에 관한 함수로 변환한 함수일 수 있다.
한편, 상기 제2 셀 전압 값은 상기 배터리 셀의 방전 펄스 전류에 의해 측정된 셀 전압 값일 수 있다.
또한, 상기 변환 상수를 보정하도록 하는 명령은, 상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값의 차이가 최소화되도록 상기 변환 상수를 보정하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법은, 배터리 어셈블리의 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 측정 값을 획득하는 단계, 상기 EIS 측정 값을 바탕으로, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로(Equivalent Circuit Model, ECM)를 모델링하고, 상기 등가회로에 대한 초기 파라미터 값들을 결정하는 단계, 상기 초기 파라미터 값들 중 적어도 하나를 기정의된 변환 상수를 이용해 변환하여 제1 파라미터 값을 도출하고, 상기 제1 파라미터 값을 기초로 제1 셀 전압 값을 산출하는 단계, 상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전에 의해 측정된, 제2 셀 전압 값을 획득하는 단계, 상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값을 비교하고, 비교 결과에 기초하여, 상기 변환 상수를 보정하는 단계, 상기 보정된 변환 상수를 바탕으로 최종 파라미터 값을 산출하는 단계 및 상기 최종 파라미터 값을 상기 등가회로에 적용하여, 상기 배터리 셀에 대한 EIS 추정 값을 획득하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 등가회로의 적어도 하나의 초기 파라미터 값은, 저항, 커패시터, 인덕터, CPE(Constant Phase Element) 중 적어도 하나에 대한 파라미터 값을 포함할 수 있다.
또한, 상기 변환 상수는, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로를 상기 배터리 셀의 등가회로로 변환시키기 위한 상수일 수 있다.
한편, 상기 제1 셀 전압 값을 산출하는 단계는, 상기 등가회로를 시간에 대한 임피던스(Impedance) 함수로 변환하고, 상기 임피던스 함수에 상기 초기 파라미터 값을 적용하여 내부 임피던스를 획득하는 단계, 및 상기 내부 임피던스에 전류 값을 곱하여 상기 제1 셀 전압 값을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 임피던스 함수는 기정의된 미분 방정식을 이용하여 상기 등가회로를 시간에 관한 함수로 변환한 함수일 수 있다.
한편, 상기 제2 셀 전압 값은 상기 배터리 셀의 방전 펄스 전류에 의해 측정된 셀 전압 값일 수 있다.
또한, 상기 변환 상수를 보정하는 단계는, 상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값의 차이가 최소화되도록 상기 변환 상수를 보정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 실시예에 따른, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템은, 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 값을 측정하는 전기 화학적 임피던스 분광(Electrical Impedance Spectroscopy, EIS) 장치, 배터리 셀에 대한 제1 셀 전압을 산출하여, 상기 배터리 셀의 EIS 추정 값을 획득하는 배터리 셀의 임피던스 추정 장치 및 상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전에 의한 제2 셀 전압을 측정하는 배터리 충방전 측정 장치를 포함하고, 상기 배터리 셀의 임피던스 추정 장치는, 상기 EIS 장치의 측정 값을 바탕으로, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로(Equivalent Circuit Model, 이하 ECM)를 모델링하고, 상기 등가회로의 적어도 하나의 초기 파라미터 값들을 결정하며, 상기 초기 파라미터 값들 중 적어도 하나를 기정의된 변환 상수를 이용해 변환하여 제1 파라미터 값을 도출하고, 상기 제1 파라미터 값을 기초로 상기 제1 셀 전압을 산출하며, 상기 산출된 제1 셀 전압 값 및 상기 배터리 충방전 측정 장치로부터 측정된 상기 제2 셀 전압 값을 비교하여, 상기 변환 상수를 보정하며, 상기 보정된 변환 상수를 바탕으로 최종 파라미터 값을 산출하고, 상기 최종 파라미터 값을 상기 등가회로에 적용하여, 상기 배터리 셀에 대한 상기 EIS 추정 값을 획득한다.
본 발명의 실시예 및 실험예에 따른 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템은 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 값을 측정하는 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치 및 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리에 펄스 전류를 인가하여 충전 또는 방전에 의한 특정 파라미터 값을 측정하는 배터리 충방전 측정 장치로부터 측정 값을 획득하여, 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 값을 추정함으로써, 셀 단위로의 배터리의 분해 없이, 비파괴 측정이 가능하여 재조립이 용이하고 비용이 절감되는, 고효율 및 저비용의 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 배터리 셀에 연결된 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치의 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충방전 측정 장치의 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 추정 장치의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학적 임피던스 분광 장치를 이용한 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 주파수 별 임피던스 측정 결과를 나타낸 Nyquist Plot 그래프이다.
도 8은 도 7에서의 임피던스 측정 결과를 바탕으로 획득한 배터리 어셈블리의 등가 회로도이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 배터리 셀의 임피던스 추정 방법을 설명하기 위해, 제1 파라미터가 적용된 임피던스 함수를 이용하여 산출된 제1 셀 전압 값 및 배터리 어셈블리에 방전 펄스 전류를 인가하여 측정한 제2 셀 전압 값을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 배터리 셀의 임피던스 추정 방법을 설명하기 위해, 최종 파라미터 값이 적용된 등가회로 모델을 이용하여 산출된 제3 셀 전압 값 및 배터리 어셈블리에 방전 펄스 전류를 인가하여 측정한 제2 셀 전압값을 비교한 그래프이다.
1000: 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치
3000: 배터리 충방전 측정 장치
5000: 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치
S: 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템
100: 메모리 200: 프로세서
300: 송수신 장치 400: 입력 인터페이스 장치
500: 출력 인터페이스 장치 600: 저장 장치
700: 버스
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템의 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템(S)은 배터리 어셈블리를 대상으로 임피던스 스펙트럼 및 펄스(Pulse) 전류 인가에 따른 충전 또는 방전 데이터를 측정하여, 배터리 셀 단위의 임피던스 스펙트럼 값을 추정할 수 있다. 여기서, 배터리 어셈블리는 팩 또는 모듈 형태로 제공되는 배터리를 포함할 수 있다.
실시예에 따라 보다 구체적으로 설명하면, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템(S)은 전기 화학적 임피던스 분광(Electrical Impedance Spectroscopy, EIS) 장치(1000), 충방전 측정 장치(3000) 및 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)를 포함할 수 있다.
이때, 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000)는 배터리 어셈블리를 대상으로 임피던스를 측정하고, 충방전 측정 장치(3000)는 상기 배터리 어셈블리를 대상으로 배터리의 셀 전압을 측정하며, 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)는 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000) 및 충방전 측정 장치(3000)로부터 측정된 측정 값을 바탕으로, 배터리 셀 단위의 임피던스 스펙트럼 값을 추정할 수 있다.
하기에서는 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템(S)의 각 구성별 특징을 도면을 이용하여 보다 자세히 설명하겠다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치의 이미지이다.
도 3을 참조하면, 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000)는 팩 또는 모듈 단위로 제공되는 배터리 어셈블리와 연결되어 상기 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000)는 배터리 팩 또는 모듈의 양극(+)과 음극(-) 리드에 연결되어, 상기 배터리 팩 또는 모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정할 수 있다.
이후, 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000)는 후술될 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)로 배터리 팩 또는 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 값을 송신할 수 있다.
종래의 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치는 팩 또는 모듈 단위로 제공되는 배터리 어셈블리를 셀 단위로 분해한 배터리 셀에 연결하여 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼을 측정했으나, 셀 단위로의 배터리의 분해 시 셀 리드의 용접부를 파괴해야 함으로, 측정 후 재조립이 어려운 단점이 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템(S)은 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000)를 이용한 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼을 측정하고, 이를 보정하여 배터리 셀 단위의 임피던스 스펙트럼 값을 추정함으로써, 비파괴 측정에 의해 재조립이 용이하고 비용이 절감되는, 고효율 및 저비용의 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템(S)을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충방전 측정 장치의 이미지이다.
도 4를 참조하면, 배터리 충방전 측정 장치(3000)는 팩 또는 모듈 단위로 제공되는 배터리 어셈블리와 연결될 수 있다.
이후, 배터리 충방전 측정 장치(3000)는 상기 배터리에 펄스(Pulse) 전류를 인가하여, 배터리의 충전 또는 방전을 수행함으로써 배터리의 셀 전압을 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 배터리 충방전 측정 장치(3000)는 배터리 어셈블리의 양극(+)과 음극(-) 리드에 연결되어, 팩 또는 모듈 형태의 상기 배터리 어셈블리에 펄스 전류를 인가함으로써, 배터리 충전 또는 방전에 따른 셀 전압을 측정할 수 있다.
이후, 배터리 충방전 측정 장치(3000)는 후술될 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)로 배터리 충전 또는 방전에 따른 셀 전압 측정 값을 송신할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 추정 장치의 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)는 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000) 및 충방전 측정 장치(3000)로부터 측정된 팩 또는 모듈 형태의 배터리 어셈블리에 대한 임피던스 스펙트럼 측정 값 및 셀 전압 측정 값을 수신하여, 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼을 추정할 수 있다.
배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)를 하드웨어 구성별로 보다 자세히 설명하면, 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)는 메모리(100), 프로세서(200), 송수신 장치(300), 입력 인터페이스 장치(400), 출력 인터페이스 장치(500) 및 저장 장치(600)를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)에 포함된 각각의 구성 요소들(100, 200, 300, 400, 500, 600)은 버스(bus, 700)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000)의 상기 구성들(100, 200, 300, 400, 500, 600) 중 메모리(100) 및 저장 장치(600)는 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(100) 및 저장 장치(600)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
이 중에서도 메모리(100)는, 프로세서(200)에 의해 실행되는 적어도 하나의 명령을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 적어도 하나의 명령은, 배터리 어셈블리의 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 측정 값을 획득하도록 하는 명령, 상기 EIS 측정 값을 바탕으로, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로(Equivalent Circuit Model, ECM)를 모델링하고, 상기 등가회로에 대한 초기 파라미터 값들을 결정하도록 하는 명령, 상기 초기 파라미터 값들 중 적어도 하나를 기정의된 변환 상수를 이용해 변환하여 제1 파라미터 값을 도출하고, 상기 제1 파라미터 값을 기초로 제1 셀 전압 값을 산출하도록 하는 명령, 상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전에 의해 측정된, 제2 셀 전압 값을 획득하도록 하는 명령, 상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 상기 변환 상수를 보정하도록 하는 명령, 상기 보정된 변환 상수를 바탕으로 최종 파라미터 값을 산출하도록 하는 명령, 및 상기 최종 파라미터 값을 상기 등가회로에 적용하여, 상기 배터리 셀에 대한 EIS 추정 값을 획득하도록 하는 명령을 포함할 수 있다.
프로세서(200)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다.
프로세서(200)는 앞서 설명한 바와 같이, 메모리(100)에 저장된 적어도 하나의 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 따른 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템을 설명하였다. 이하에서는, 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템 템 중 하나인, 임피던스 스펙트럼 추정 장치의 프로세서 동작에 따른 의한 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법에 대해 보다 자세히 설명하겠다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치(5000) 내 프로세서(200)는 팩 또는 모듈 단위의 상기 배터리 어셈블리를 대상으로 임피던스 스펙트럼 측정 값을 획득할 수 있다(S1000).
실시예에 따르면, 프로세서(200)는 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치(1000)로부터 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리로부터 측정된 임피던스 스펙트럼 값(EIS 측정 값)을 수신할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학적 임피던스 분광 장치를 이용한 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 주파수 별 임피던스 측정 결과를 나타낸 Nyquist Plot 그래프이다.
도 7를 참조하면, 프로세서(200)에 의해 획득된 배터리 어셈블리(팩 또는 모듈)의 임피던스 스펙트럼 측정 값은 주파수에 따른 임피던스 출력 값으로 나타낼 수 있다. 여기서, Z'는 임피던스의 실수값(Z_re)이며, Z''는 임피던스의 허수값(Z_im)일 수 있다.
이후, 프로세서(200)는 획득된 상기 EIS 측정 값을 바탕으로, 팩 또는 모듈 단위인 상기 배터리 어셈블리의 등가회로를 모델링(Equivalent Circuit Model, ECM, S2000)하고, 모델링한 등가회로의 적어도 하나의 초기 파라미터 값을 결정할 수 있다(S3000). 배터리의 등가회로를 모델링하고, 모델링된 등가회로의 초기 파라미터 값을 결정하는 방법은 하기 도 8을 참조하여 보다 자세히 설명하겠다.
도 8은 도 7에서의 임피던스 측정 결과를 바탕으로 획득한 배터리 어셈블리의 등가 회로도이다.
도 8을 참조하면, 프로세서(200)는 팩 또는 모듈 단위인 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 측정 값과 동일한 임피던스를 갖도록, 상기 배터리의 등가회로를 모델링할 수 있다.
실시예에 따르면, 임피던스 스펙트럼의 출력 특성을 나타내는 진폭 및 위상 성분은 저항, 캐패시터 및 인덕터 중 적어도 하나의 조합으로 표현될 수 있다. 다시 말해, 팩 또는 모듈 단위의 배터리 등가 회로 모델은 저항(R0, R1, R2, R3, R4), 커패시터(C1, C2, C3, C4), 인덕터(L1) 및 CPE(Constant Phase Element) 중 적어도 하나의 파라미터로 표현될 수 있다. 여기서, CPE는 커패시터와 저항의 중간 임피던스 특성 값을 만드는 임피던스 파라미터일 수 있다. 예를 들어, 배터리 등가회로 모델(ECM)은, 전해질에 따른 임피던스(P1), 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치의 임피던스(P2), SEI 층에 따른 임피던스(P3), 전극과 전해액 계면 사이에서의 전하 이동에 따른 임피던스(P4) 및 wargburg(확산) 임피던스 계수(P5)의 합으로 표현될 수 있다. 여기서, 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치의 임피던스(P2)는 측정 장치의 케이블에 의해 발생되는 저항을 포함할 수 있다.
이후, 프로세서(200)는 모델링 된 등가 회로의 초기 파라미터 값을 결정할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 프로세서(200)는 팩 또는 모듈 단위인 배터리의 임피던스 스펙트럼 측정 값을 바탕으로, 하기 [표 1]과 같이, 배터리의 등가회로 모델 내 저항, 커패시터, 인덕터 및 CPE 중 적어도 하나의 초기 파라미터 값을 결정할 수 있다.
실시예에 따르면, 프로세서(200)는 도 7에서의 주파수 별 임피던스 측정 결과 그래프 및 이에 따른 도 8에서의 등가회로 모델을 바탕으로 변수들의 값을 유추할 수 있다. 이후, 프로세서(200)는, 상기 유추된 변수들의 값에 대한 주파수별 임피던스 측정 결과 그래프를 획득하여, 이를 도 7에 따른 주파수 별 임피던스 측정 결과 그래프와 비교함으로써, 도 7에서의 그래프와 유사한 패턴을 보이는 변수들의 값을 초기 파라미터 값으로 결정할 수 있다.
ECM Parameter 초기 파라미터 값
R0 0.0069
L1 4.0044e-07
R1 0.26
R2 0.00186
C2 4.405
R3 0.0032
C3 32.28
CPE1 1362
R4 0.033
C4 470.5
R0: 전해질 저항(Electrolyte Resistance)
L1: EIS 장치의 인덕턴스(Line Inductance)
R1: EIS 장치의 저항(Resistance)
R2: SEI층(Solid Electrolyte Inthephase Layer)의 저항(Resistance)
C2: SEI층(Solid Electrolyte Inthephase Layer)의 캐패시턴스(Capacitance)
R3: 전하 이동 저항(Charge Transfer Resistance, Rct)
C3: 계면(Double Layer)에서의 캐패시턴스(Capacitance)
CPE1, R4, C4: wargburg(확산) 임피던스 계수
다시 도 6을 참조하면, 프로세서(200)는 하기 [표 2]와 같이, 상기 초기 파라미터 값을 변환 상수(n-Factor)로 나누어, 배터리 셀 단위의 제1 파라미터 값을 획득할 수 있다(S4000).
여기서, 변환 상수(n-factor)는 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리를 기준으로 획득된 상기 초기 파라미터 값을 배터리 셀 단위로 변환하기 위한 상수일 수 있다. 실시예에 따르면, 상기 변환 상수(n-Factor)의 초기 값은 배터리 어셈블리(팩 또는 모듈)에 포함된 배터리 셀의 개수에 기초하여 정의될 수 있다. 예를 들어, 하기 [표 2]와 같이, 변환 상수(n-factor)들 중 일부의 초기 값(R1, R2, R3)은, 모듈에 포함된 배터리 셀의 개수(20개)에 기초하여 정의될 수 있다.
한편, 하기 [표 2]에서와 같이, 인덕터(L1) 및 커패시터(C1, C2, C3, C4)는, 하기 임피던스(R)의 값의 변화에 미치는 영향이 미미(하기 [수학식 1] 참조)하기 때문에, 변환 상수(n-factor)가 정의되지 않아도 무방하다.
ECM Parameter 초기 파라미터 값 n-Factor 제1 파라미터값
R0 0.0069 20.745 0.0003326
L1 4.0044e-07 - 4.0044e-07
R1 0.26 20 0.013
R2 0.00186 20 0.000093
C2 4.405 - 4.405
R3 0.0032 20 0.00016
C3 32.28 - 32.28
CPE1 1362 1/7 9534
R4 0.033 2200 0.000015
C4 470.5 - 470.5
또한, 변환 상수는, 후술될 S8000 단계에서 제1 셀 전압 값 및 제2 셀 전압 값과의 비교 결과에 기초하여 보정될 수 있다. 이에 따라, 변환 상수의 초기 값은 정확한 값으로 정의되지 않아도 무방하다. 다만, 상기 [표 2]와 같이, 어셈블리 단위의 파라미터를 배터리 셀 단위로 변환하기 위한 근사치로 정의되는 것이 바람직하다.
실시예에서, 변환 상수의 초기 값은, 관리자에 의해 입력되거나, 또는 배터리 셀의 개수에 대응하여 기저장된 값으로 정의될 수 있다.
이후, 프로세서(200)는 배터리의 시간에 따른 내부 임피던스 함수를 산출할 수 있다(S5000).
보다 자세히 설명하면, 프로세서(200)는 미분 방정식을 이용하여, 배터리 어셈블리(팩 또는 모듈)의 등가회로(ECM, 도 8 참조)를 시간에 관한 함수로 정리할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(200)가 등가회로 내 RC 병렬 성분(P2, P3, P4)을 시간에 관한 함수로 정리하는 방법을 보다 자세히 설명하면, 프로세서(200)는 옴의 법칙(V=IR)을 이용하여, RC 병렬 성분을 전류(I)에 관한 [수학식 1]으로 정리할 수 있다.
Figure PCTKR2022017127-appb-img-000001
IR: 저항(Resistance)에 걸리는 전류
Figure PCTKR2022017127-appb-img-000002
IR: 저항(Resistance)에 걸리는 전류
IC: 캐패시턴스(Capacitance)에 걸리는 전류
IO: 방전 전류
C: 캐패시턴스(Capacitance)
이후, 프로세서(200)는 [수학식 2]로부터 추출된 [수학식 3]을 기초로, V(t)를 E(t)로 표현하여, E(t)에 관한 [수학식 4]로 정리할 수 있다.
Figure PCTKR2022017127-appb-img-000003
Figure PCTKR2022017127-appb-img-000004
이후, 프로세서(200)는 [수학식 4]를 임피던스(R)에 관한 식으로 정리하여 [수학식 5]를 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2022017127-appb-img-000005
이와 같이, 프로세서(200)는 도 8에 따른 등가회로 모델에서의 LR 병렬 성분도 미분 방정식을 이용하여, 상기 RC 병렬 성분과 같이 정리하면, 하기 [수학식 6]과 같이 등가회로 모델로부터 시간에 대한 임피던스(Impedance) 함수를 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2022017127-appb-img-000006
R0: 전해질 저항(Electrolyte Resistance)
L1: EIS 장치의 인덕턴스(Line Inductance)
R1: EIS 장치의 저항(Resistance)
R2: SEI층(Solid Electrolyte Inthephase Layer)의 저항(Resistance)
C2: SEI층(Solid Electrolyte Inthephase Layer)의 캐패시턴스(Capacitance)
R3: 전하 이동 저항(Charge Transfer Resistance, Rct)
C3: 전극 및 전해액 계면(Double Layer)에서의 캐패시턴스(Capacitance)
CPE1, R4, C4: wargburg 와버그(확산) 임피던스 계수
t: 시간
K: 상수
W: wargburg 와버그(확산) 임피던스 계수
이후, 프로세서(200)는 임피던스 함수에 상기 배터리 셀 단위의 제1 파라미터 값을 적용할 수 있다. 이때, W6는 와버그(Wargburg) 임피던스로, 이온의 확산 속도와 관계되며, 주파수의 제곱근에 반비례 할 수 있다. 이에 따라, 프로세서(200)는 셀 단위의 배터리의 내부 임피던스를 산출할 수 있다.
이후, 프로세서(200)는 배터리의 내부 임피던스에 전류 값을 곱하여 제1 셀 전압 값을 산출할 수 있다(S6000). 다시 말해, 배터리의 내부 임피던스는 배터리의 내부 저항 값으로 작용할 수 있다.
또한, 프로세서(200)는 배터리의 펄스(Pulse) 전류에 의해 측정된 제2 셀 전압 값을 획득할 수 있다(S7000). 여기서, 제2 셀 전압 값은, 충방전 측정 장치(3000)로부터 팩 또는 모듈 단위인 상기 배터리 어셈블리에 방전 펄스(Pulse) 전류를 인가하여 측정된 셀 전압 값일 수 있다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 배터리 셀의 임피던스 추정 방법을 설명하기 위해, 제1 파라미터가 적용된 임피던스 함수를 이용하여 산출된 제1 셀 전압 값 및 배터리 어셈블리에 방전 펄스 전류를 인가하여 측정한 제2 셀 전압 값을 비교한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 제1 셀 전압 값과 제2 셀 전압 값을 비교한 결과, 제1 셀 전압 값은 배터리 어셈블리(팩 또는 모듈) 내부에 일반적으로 수용되는 셀의 개수에 기초하여 정의된 변환 상수를 이용하여 산출되므로, 제1 셀 전압 값은 방전 펄스 전류를 인가하여 실제 측정된 제2 전압 값과 미세한 차이가 발생함을 확인할 수 있다.
이에, 프로세서(200)는, 보다 정밀한 배터리 셀의 임피던스 산출을 위해, 각 셀 별로 제1 셀 전압 값 및 제2 셀 전압 값의 차이가 최소화되도록 상기 변환 상수(n-factor)를 보정할 수 있다(S8000).
여기서, 변환 상수(n-factor)는, 앞서 설명한 바와 같이, 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 등가회로를 구성하는 적어도 하나의 초기 파라미터를, 셀 단위의 값으로 추정하기 위해 나누는 값일 수 있다. 다시 말해, 프로세서(200)는, 등가회로 모델의 초기 파라미터에 상기 적용된 변환 상수를, 제1 셀 전압 값 및 제2 셀 전압 값의 차이가 최소화되도록 하는 값으로 보정함으로써, 보다 정밀한 배터리 셀 단위의 최종 파라미터 값을 획득할 수 있다(S9000).
예를 들어, 배터리 어셈블리(팩 또는 모듈)가 20개의 셀들로 구성될 경우, 프로세서(200)는 하기 [표 3]와 같이, 배터리 셀 별로 각각 등가회로 파라미터 값을 보정할 수 있다.
ECM Parameter 제1 셀의 최종 파라미터 값 제2 셀의 최종 파라미터 값 ...
제20 셀의 최종 파라미터 값
R0 0.000341065 0.00036 0.000326
L1 4.99e-07 4.99e-07 5.04e-07
R1 0.012943 0.012943 0.013327
R2 0.000100021 7.6e-05 7.00e-05
C2 4.322 4.322 4.73
R3 0.000179 0.000179 0.000138
C3 33.92 33.92 33.43
CPE1 9479.115474 9425.035 9667.56
R4 4.27E-06 2.50e-05 8.77E-05
C4 509.1 509.1 496.5
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 배터리 셀의 임피던스 추정 방법을 설명하기 위해, 최종 파라미터 값이 적용된 등가회로 모델을 이용하여 산출된 제3 셀 전압 값 및 배터리 어셈블리에 방전 펄스 전류를 인가하여 측정한 제2 셀 전압값을 비교한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 제3 셀 전압은 본 발명의 실시예에 따라 임피던스 함수에 최종 파라미터가 적용된 내부 임피던스에 전류 값을 곱하여 산출된 값일 수 있다.
실시예에 따르면, 제3 셀 전압 및 실제 방전 펄스 전류를 입력하여 측정한 제2 셀 전압 값을 비교한 결과, 변환 상수가 보정된 최종 파라미터 값을 이용하여 산출된 제3 셀 전압 값은 실제 방전 펄스 전류를 인가하여 측정된 제2 셀 전압 값과 유사함을 확인할 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 프로세서(200)는 보정된 상기 배터리 셀 단위의 최종 파라미터 값을 등가회로 모델에 개별 적용하여, 배터리 셀 별 임피던스 스펙트럼을 추정할 수 있다(S10000).
실시예에 따르면, 프로세서(200)는 보정된 최종 파라미터 값이 적용된, 보정된 등가회로 모델에 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리로부터 획득한 임피던스 스펙트럼 측정 값을 대입하여, 배터리 셀 별 임피던스 스펙트럼 추정 값을 획득할 수 있다. 이때, 보정된 최종 파라미터 값은 임피던스 스펙트럼 값으로 변환(Zre, Zim)되어 사용될 수도 있다.
이상 본 발명의 실시예 및 실험예에 따른 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템을 설명하였다.
본 발명의 실시예 및 실험예에 따른 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템은 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 값을 측정하는 전기 화학적 임피던스 분광(EIS) 장치 및 팩 또는 모듈 단위의 배터리 어셈블리에 펄스 전류를 인가하여 충전 또는 방전에 의한 특정 파라미터 값을 측정하는 배터리 충방전 측정 장치로부터 측정 값을 획득하여, 셀 단위의 배터리 임피던스 스펙트럼 값을 추정함으로써, 셀 단위로의 배터리의 분해 없이, 비파괴 측정이 가능하여 재조립이 용이하고 비용이 절감되는, 고효율 및 저비용의 배터리의 임피던스 스펙트럼 추정 장치 및 방법, 그리고 이를 포함하는 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예 및 실험예에 따른 방법의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터로 읽을 수 있는 프로그램 또는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 프로그램 명령은 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 측면들은 장치의 문맥에서 설명되었으나, 그것은 상응하는 방법에 따른 설명 또한 나타낼 수 있고, 여기서 블록 또는 장치는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징에 상응한다. 유사하게, 방법의 문맥에서 설명된 측면들은 또한 상응하는 블록 또는 아이템 또는 상응하는 장치의 특징으로 나타낼 수 있다. 방법 단계들의 몇몇 또는 전부는 예를 들어, 마이크로프로세서, 프로그램 가능한 컴퓨터 또는 전자 회로와 같은 하드웨어 장치에 의해(또는 이용하여) 수행될 수 있다. 몇몇의 실시예에서, 가장 중요한 방법 단계들의 하나 이상은 이와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 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.

Claims (15)

  1. 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치로서,
    상기 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치는,
    메모리; 및
    상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 수행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 명령은,
    배터리 어셈블리의 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 측정 값을 획득하도록 하는 명령,
    상기 EIS 측정 값을 바탕으로, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로(Equivalent Circuit Model, ECM)를 모델링하고, 상기 등가회로에 대한 초기 파라미터 값들을 결정하도록 하는 명령,
    상기 초기 파라미터 값들 중 적어도 하나를 기정의된 변환 상수를 이용해 변환하여 제1 파라미터 값을 도출하고, 상기 제1 파라미터 값을 기초로 제1 셀 전압 값을 산출하도록 하는 명령,
    상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전에 의해 측정된, 제2 셀 전압 값을 획득하도록 하는 명령,
    상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 상기 변환 상수를 보정하도록 하는 명령,
    상기 보정된 변환 상수를 바탕으로 최종 파라미터 값을 산출하도록 하는 명령, 및
    상기 최종 파라미터 값을 상기 등가회로에 적용하여, 상기 배터리 셀에 대한EIS 추정 값을 획득하도록 하는 명령을 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 등가회로의 초기 파라미터 값은,
    저항, 커패시터, 인덕터, CPE(Constant Phase Element) 중 적어도 하나에 대한 파라미터 값을 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 변환 상수는,
    상기 배터리 어셈블리의 등가회로를 상기 배터리 셀의 등가회로로 변환시키기 위한 상수인, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 셀 전압 값을 산출하도록 하는 명령은,
    상기 등가회로를 시간에 대한 임피던스(Impedance) 함수로 변환하고, 상기 임피던스 함수에 상기 초기 파라미터 값을 적용하여 내부 임피던스를 획득하도록 하는 명령, 및
    상기 내부 임피던스에 전류 값을 곱하여 상기 제1 셀 전압 값을 산출하도록 하는 명령을 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 임피던스 함수는,
    기정의된 미분 방정식을 이용하여 상기 등가회로를 시간에 관한 함수로 변환한 함수인, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 셀 전압 값은,
    상기 배터리 셀의 방전 펄스 전류에 의해 측정된 셀 전압 값인, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 변환 상수를 보정하도록 하는 명령은,
    상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값의 차이가 최소화되도록 상기 변환 상수를 보정하도록 하는 명령을 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 장치.
  8. 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법으로서,
    배터리 어셈블리의 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 측정 값을 획득하는 단계;
    상기 EIS 측정 값을 바탕으로, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로(Equivalent Circuit Model, ECM)를 모델링하고, 상기 등가회로에 대한 초기 파라미터 값들을 결정하는 단계;
    상기 초기 파라미터 값들 중 적어도 하나를 기정의된 변환 상수를 이용해 변환하여 제1 파라미터 값을 도출하고, 상기 제1 파라미터 값을 기초로 제1 셀 전압 값을 산출하는 단계;
    상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전에 의해 측정된, 제2 셀 전압 값을 획득하는 단계;
    상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값을 비교하고, 비교 결과에 기초하여, 상기 변환 상수를 보정하는 단계;
    상기 보정된 변환 상수를 바탕으로 최종 파라미터 값을 산출하는 단계; 및
    상기 최종 파라미터 값을 상기 등가회로에 적용하여, 상기 배터리 셀에 대한 EIS 추정 값을 획득하는 단계를 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 등가회로의 적어도 하나의 초기 파라미터 값은,
    저항, 커패시터, 인덕터, CPE(Constant Phase Element) 중 적어도 하나에 대한 파라미터 값을 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 변환 상수는,
    상기 배터리 어셈블리의 등가회로를 배터리 셀의 등가회로로 변환시키기 위한 상수인, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 셀 전압 값을 산출하는 단계는,
    상기 등가회로를 시간에 대한 임피던스(Impedance) 함수로 변환하고, 상기 임피던스 함수에 상기 초기 파라미터 값을 적용하여 내부 임피던스를 획득하는 단계; 및
    상기 내부 임피던스에 전류 값을 곱하여 상기 제1 셀 전압 값을 산출하는 단계를 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 임피던스 함수는,
    기정의된 미분 방정식을 이용하여 상기 등가회로를 시간에 관한 함수로 변환한 함수인, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 셀 전압 값은,
    상기 배터리 셀의 방전 펄스 전류에 의해 측정된 셀 전압 값인, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 변환 상수를 보정하는 단계는,
    상기 제1 셀 전압 값 및 상기 제2 셀 전압 값의 차이가 최소화되도록 상기 변환 상수를 보정하는 단계를 포함하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 방법.
  15. 배터리 어셈블리의 임피던스 스펙트럼 값을 측정하는 전기 화학적 임피던스 분광(Electrical Impedance Spectroscopy, EIS) 장치;
    배터리 셀에 대한 제1 셀 전압을 산출하여, 상기 배터리 셀의 EIS 추정 값을 획득하는 배터리 셀의 임피던스 추정 장치; 및
    상기 배터리 셀에 대한 충전 또는 방전에 의한 제2 셀 전압을 측정하는 배터리 충방전 측정 장치를 포함하고,
    상기 배터리 셀의 임피던스 추정 장치는,
    상기 EIS 장치의 측정 값을 바탕으로, 상기 배터리 어셈블리의 등가회로(Equivalent Circuit Model, 이하 ECM)를 모델링하고, 상기 등가회로의 적어도 하나의 초기 파라미터 값들을 결정하며,
    상기 초기 파라미터 값들 중 적어도 하나를 기정의된 변환 상수를 이용해 변환하여 제1 파라미터 값을 도출하고, 상기 제1 파라미터 값을 기초로 상기 제1 셀 전압을 산출하며,
    상기 산출된 제1 셀 전압 값 및 상기 배터리 충방전 측정 장치로부터 측정된 상기 제2 셀 전압 값을 비교하여, 상기 변환 상수를 보정하며,
    상기 보정된 변환 상수를 바탕으로 최종 파라미터 값을 산출하고,
    상기 최종 파라미터 값을 상기 등가회로에 적용하여, 상기 배터리 셀에 대한 상기 EIS 추정 값을 획득하는, 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼 추정 시스템.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101759532B1 (ko) * 2015-11-05 2017-07-19 주식회사 에스피엠 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법
KR20200117794A (ko) * 2019-04-05 2020-10-14 주식회사 엘지화학 배터리 관리 장치 및 방법
US20200386820A1 (en) * 2019-04-11 2020-12-10 Advanced Measurement Technology Inc Battery monitoring and testing system and methods thereof
KR102280292B1 (ko) * 2019-06-13 2021-07-21 숭실대학교산학협력단 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치
WO2021170866A1 (de) * 2020-02-28 2021-09-02 TWAICE Technologies GmbH Verfahren und batteriemanagementsystem zur überwachung eines batteriesystems durch impedanzbestimmung
KR20210149820A (ko) 2019-04-12 2021-12-09 가부시끼가이샤 사따께 체분리 장치의 운전 감시 시스템
KR20220145075A (ko) 2021-04-21 2022-10-28 강석준 Led 소자를 보호하는 led조명장치

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101759532B1 (ko) * 2015-11-05 2017-07-19 주식회사 에스피엠 배터리의 내부 임피던스를 추정하는 방법
KR20200117794A (ko) * 2019-04-05 2020-10-14 주식회사 엘지화학 배터리 관리 장치 및 방법
US20200386820A1 (en) * 2019-04-11 2020-12-10 Advanced Measurement Technology Inc Battery monitoring and testing system and methods thereof
KR20210149820A (ko) 2019-04-12 2021-12-09 가부시끼가이샤 사따께 체분리 장치의 운전 감시 시스템
KR102280292B1 (ko) * 2019-06-13 2021-07-21 숭실대학교산학협력단 폐 배터리 모듈의 임피던스 스펙트럼 측정 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치
WO2021170866A1 (de) * 2020-02-28 2021-09-02 TWAICE Technologies GmbH Verfahren und batteriemanagementsystem zur überwachung eines batteriesystems durch impedanzbestimmung
KR20220145075A (ko) 2021-04-21 2022-10-28 강석준 Led 소자를 보호하는 led조명장치

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