WO2024071814A1 - 전지셀의 진단 장치 및 방법 - Google Patents

전지셀의 진단 장치 및 방법 Download PDF

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WO2024071814A1
WO2024071814A1 PCT/KR2023/014291 KR2023014291W WO2024071814A1 WO 2024071814 A1 WO2024071814 A1 WO 2024071814A1 KR 2023014291 W KR2023014291 W KR 2023014291W WO 2024071814 A1 WO2024071814 A1 WO 2024071814A1
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impedance
battery
battery cell
bus bar
diagnostic device
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PCT/KR2023/014291
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송재환
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주식회사 엘지에너지솔루션
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte

Definitions

  • the present invention relates to a diagnostic device and method for a battery cell, and more specifically, to a diagnostic device and method for a battery cell that can diagnose the state of a battery cell.
  • the overall performance of the battery pack may be deteriorated and stable operation may not be provided.
  • Embodiments of the present invention seek to provide a battery cell diagnostic device and method that can diagnose the state of a battery cell.
  • a battery cell diagnostic device includes a reference cell module including at least one reference cell made of a super capacitor; a measuring device that measures the reference impedance of the reference cell and the battery impedance of the battery cell; It may include a processor that compares the battery impedance and the reference impedance to determine whether there is an abnormality in the battery cell.
  • the reference cell module includes a housing having an internal space formed to accommodate the at least one reference cell; a protective cover covering the internal space; It may include a first bus bar and a second bus bar spaced apart with the protective cover interposed therebetween.
  • At least one of the first bus bar and the second bus bar may protrude beyond the protective cover.
  • the reference cell includes a body accommodated in the internal space and storing charges; a first conductive terminal disposed on the body and electrically connected to the first bus bar; It may include a second conductive terminal disposed on the body to be spaced apart from the first conductive terminal and electrically connected to the second bus bar.
  • the reference cell module includes a first conductive bar disposed inside the housing and bent from the first bus bar; It may further include a second conductive bar disposed inside the housing to face the first conductive bar and bent from the first bus bar.
  • the first bus bar may be electrically connected to the first conductive terminal through the first conductive bar
  • the second bus bar may be electrically connected to the second conductive terminal through the second conductive bar.
  • the battery cell diagnosis device may further include a charger/discharger that charges and discharges the reference cell and is in electrical contact with the first bus bar and the second bus bar.
  • the charger/discharger may be seated on the protective cover.
  • the length of the charger and discharger may be the same as the separation distance between the first bus bar and the second bus bar.
  • the battery cell may include a lithium ion battery cell that generates electricity using a redox reaction.
  • the processor determines the battery cell as a good product when the difference between the battery impedance and the reference impedance is within a threshold, and when the difference between the battery impedance and the reference impedance exceeds the threshold, the processor determines the battery cell to be a good product. can be judged as defective.
  • the impedance meter remeasures the battery impedance of the battery cell determined to be defective, and the processor measures the battery cell when the difference between the remeasured battery impedance and the reference impedance exceeds a threshold. is determined to be defective, and if the difference between the remeasured battery impedance and the reference impedance is within a threshold, it may be determined that the measurement environment of the diagnostic device is abnormal.
  • the impedance measuring device remeasures the reference impedance when it is determined that the measurement environment is abnormal, and the remeasured reference impedance may be updated in memory.
  • the reference cell module may be formed in the form of a portable kit.
  • a battery cell diagnosis method includes measuring reference impedance for at least one reference cell including a super capacitor; measuring battery impedance for a battery cell including at least one battery cell; It may include comparing the battery impedance with the reference impedance to determine whether there is an abnormality in the battery cell.
  • the present invention it is possible to determine whether there is an abnormality in the battery cell based on the reference impedance measured using a reference cell that has higher charge/discharge efficiency and a longer lifespan than the battery cell. Reliability can be improved by maintaining the reference impedance of the reference cell at a reliable level for a long period of time compared to the battery impedance of the battery cell.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a battery cell diagnosis device according to the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing the reference cell module shown in Figure 1.
  • Figure 3 is an exploded perspective view showing the reference cell module shown in Figure 2.
  • Figure 4 is a flowchart showing a method for diagnosing a battery cell according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a graph showing the reference impedance and battery impedance measured using an impedance meter according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a flowchart showing a battery cell diagnosis method according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a battery cell diagnosis device according to the present invention.
  • a battery cell diagnostic device may include a charger/discharger 320, an impedance meter 330, a processor 360, and a memory 340.
  • the charger/discharger 320 may charge or discharge the reference cell module 310 when measuring the reference impedance of the reference cell module 310.
  • One end of the charger/discharger 320 may be connected to the positive terminal of the reference cell module 310, and the other end may be connected to the negative terminal of the reference cell module 310.
  • the reference cell module 310 may include at least one reference cell.
  • the reference cell may be an energy storage device with higher charge/discharge efficiency and longer lifespan than the battery cell.
  • the reference cell may be a super capacitor.
  • the charger/discharger 320 may charge or discharge the battery cell module 350 when measuring the battery impedance of the battery cell module 350.
  • One end of the charger/discharger 320 may be connected to the positive terminal of the battery cell module 350, and the other end may be connected to the negative terminal of the battery cell module 350.
  • the battery cell module 350 may include at least one battery cell.
  • a battery cell may be a battery cell that generates electricity using a redox reaction.
  • the battery cell may be a lithium ion battery cell.
  • the charger/discharger 320 may be configured to apply an alternating current voltage to the reference cell module 310 in order to measure the reference impedance of the reference cell module 310.
  • the charger/discharger 320 can charge the reference cell module 310 by applying an alternating voltage while changing the frequency.
  • the impedance meter 330 may be configured to measure the internal impedance (or reference impedance) of the reference cell module 310.
  • the charger/discharger 320 may charge and discharge the reference cell module.
  • the impedance meter 330 may be configured to measure the internal impedance of the reference cell module 310.
  • the impedance meter 330 can measure the battery impedance of the battery cell module 350 as well as the reference impedance of the reference cell module 310 including a plurality of supercapacitors.
  • the impedance meter 330 may measure the reference impedance and battery impedance using, for example, electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
  • EIS electrochemical impedance spectroscopy
  • Reference impedance and cell impedance can be measured simultaneously or sequentially.
  • a plurality of impedance measuring instruments 330 may be provided to measure each of the reference impedance of the reference cell module 310 and the battery impedance of the battery cell module 350.
  • the memory 340 may store the reference impedance for each frequency.
  • the memory 340 may be divided into a plurality of frequencies within a certain frequency range, and the corresponding reference impedance for each divided frequency may be stored in a preset form.
  • the reference impedance is a value that can be compared with the battery impedance of the battery cell module 350, and may be a value obtained in advance through at least one prior measurement.
  • the reference impedance may be remeasured at regular intervals and updated periodically.
  • the processor 360 may determine whether there is an abnormality in the battery cell module 350 based on the comparison result between the battery impedance and the reference impedance. If the difference between the battery impedance measured using the impedance meter 330 and the reference impedance stored in the memory 340 is within a preset threshold, the processor 360 may determine the battery cell module 350 to be a good product. If the difference between the battery impedance measured through the impedance meter 330 and the reference impedance stored in the memory 340 exceeds a preset threshold, the processor 360 may determine the battery cell module 350 to be defective. .
  • FIG. 2 is a perspective view showing the reference cell module shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is an exploded perspective view showing the reference cell module shown in FIG. 2.
  • the reference cell module 110 (e.g., the reference cell module 310 of FIG. 1 ) according to one embodiment may be formed in the form of a portable kit.
  • the reference cell module 110 includes a reference cell 200, a housing 140, first and second conductive bars 121 and 131, first and second bus bars 120 and 130, and a protective cover 150. It can be included.
  • the housing 140 may include at least one internal space 141 in the form of a groove or hole. At least one reference cell 200 may be accommodated in the internal space 141 of the housing 140.
  • the housing 140 may be formed to surround the side and bottom surfaces of the reference cell 200, or may be formed to surround the side of the reference cell 200. When a plurality of reference cells 200 are accommodated in the housing 140, the plurality of reference cells 200 may be connected in series, in parallel, or in series and parallel.
  • the first and second bus bars 120 and 130 may be electrically connected to a charger/discharger (eg, charger/discharger 340 of FIG. 1).
  • the first bus bar 120 may be electrically connected to the positive terminal of the charger and discharger, and the second bus bar 130 may be electrically connected to the negative terminal of the charger and discharger.
  • the first bus bar 120 and the second bus bar 130 may be formed to protrude beyond the protective cover 150 .
  • the first bus bar 120 may protrude from the first conductive bar 121.
  • the second bus bar 130 may protrude from the second conductive bar 131.
  • the first bus bar 120 and the second bus bar 130 may be spaced apart with the protective cover 150 therebetween.
  • the separation distance between the first bus bar 120 and the second bus bar 130 may correspond to (e.g., is the same as) the length of the charger/discharger seated on the protective cover 150.
  • the first conductive bar 121 and the second conductive bar 131 may be disposed inside the housing 140 made of an insulating material.
  • the first conductive bar 121 and the second conductive bar 131 may be arranged to face each other.
  • the first conductive bar 121 may be bent from the first bus bar 120.
  • the second conductive bar 131 may be bent from the second bus bar 130.
  • the first conductive bar 121 may be formed of the same conductive material as the first bus bar 120 and may be integrated with the first bus bar 120.
  • the second conductive bar 131 may be formed of the same conductive material as the first bus bar 130 and may be integrated with the second bus bar 130.
  • the first conductive bar 121 is formed of the same or different conductive material as the first bus bar 120 and is electrically connected to the first bus bar 120 through a fastening member (e.g., bolt and/or nut).
  • a fastening member e.g., bolt and/or nut
  • the second conductive bar 131 may be formed of the same or different conductive material as the second bus bar 130 and may be electrically connected to the second bus bar 130 through a fastening member (e.g., bolt and/or nut).
  • the protective cover 150 may be combined with the housing 140 to form a plate-shaped structure that covers the internal space 141 where the reference cell 200 is accommodated.
  • the protective cover 150 and the housing 140 may be joined by welding or fastened using fastening members (eg, bolts and/or nuts) with corresponding edge portions in contact with each other.
  • the protective cover 150 and housing 140 may cover the reference cell 200 up, down, left and right.
  • the reference cell 200 can be physically protected through the protective cover 150 and the housing 140.
  • the protective cover 150 and the housing 140 may be formed of an insulating material with a predetermined strength.
  • the reference cell 200 may include a body 210, a first conductive terminal 220, and a second conductive terminal 230.
  • the first conductive terminal 220 may be a positive terminal
  • the second conductive terminal 230 may be a negative terminal.
  • the body 210 is formed in a shape corresponding to the internal space 141 of the housing 140 and can be accommodated in the internal space 141 of the housing 140.
  • the first conductive terminal 220 is disposed on the body 210 and may extend in one direction from one side of the body 210.
  • the first conductive terminal 220 may be electrically connected to the first bus bar 120 through the first conductive bar 121.
  • the second conductive terminal 230 is disposed on the body 210 to be spaced apart from the first conductive terminal 220 and may extend in one direction from one side of the body 210.
  • the second conductive terminal 230 may be electrically connected to the second bus bar 130 through the second conductive bar 131.
  • the reference cell 200 may be a super-capacitor that has the advantage of better charge/discharge efficiency and longer cycle life than a battery cell (e.g., a lithium-ion battery cell).
  • Super capacitors are capable of rapid charging and discharging and have high charging and discharging efficiency and semi-permanent cycle life characteristics. Super capacitors can store dozens of times more energy per unit area than regular capacitors.
  • a super capacitor is a capacitor with a large storage capacity, so it is called an ultra capacitor or ultra-high capacity capacitor.
  • a supercapacitor may be composed of an electrode attached to a conductor and an electrolyte solution impregnated therewith. It can be used to create a pair of charge layers (electrical double layers) with different signs at the interface of the electrode.
  • super capacitors can be energy storage devices that use the simple movement of ions to the interface between electrodes and electrolyte or the charging phenomenon caused by surface chemical reactions.
  • the impedance of a super capacitor does not change even after repeated charging and discharging, nor does it change due to deterioration over time, so it can be more reliable than a lithium-ion battery cell.
  • Figure 4 is a flowchart showing a method for diagnosing a battery cell according to the first embodiment of the present invention.
  • an impedance meter may measure the impedance of a reference cell module (e.g., reference cell module 310 in FIG. 1) including a super capacitor.
  • the measured impedance of the reference cell module may be stored as a reference impedance in a memory (eg, memory 340 of FIG. 1).
  • the impedance meter may measure the battery impedance of a battery cell module (e.g., the battery cell module 350 of FIG. 1) including a lithium ion battery cell.
  • the processor may compare the measured battery impedance with a reference impedance stored in memory.
  • the processor may determine whether the difference between the battery impedance and the reference impedance stored in the memory is included in the threshold.
  • the battery cell module may be determined to be a good product.
  • the battery cell module may be determined to be defective.
  • Figure 5 is a diagram showing the reference impedance and battery impedance measured using an impedance meter according to the first embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis can be said to be the real component (Zreal) of the impedance
  • the vertical axis can be said to be the imaginary component (Zimag) of the impedance.
  • the units of the horizontal and vertical axes may be m ⁇ or ⁇ .
  • each point can be said to be an impedance point according to each frequency. As the frequency changes, the real and imaginary values of impedance change, and the intersection point can be displayed as a point on coordinates, that is, an impedance point.
  • the processor may obtain the battery impedance by frequency for the battery cell and the reference impedance by frequency for the reference cell from an impedance meter (e.g., the impedance meter 330 of FIG. 1).
  • the processor may compare the battery impedance point with a reference impedance point corresponding to the same or similar frequency. If the battery impedance point is the same as the reference impedance point or is within a threshold (or error range), the processor may determine the battery cell to be a good product with no problems. If the battery impedance point is outside the range between the reference impedance point and the threshold, the processor may determine that the battery cell is defective. In this way, the processor can diagnose the performance of the battery cell based on the obtained impedance points for each week.
  • Figure 6 is a flowchart showing a battery cell diagnosis method according to a second embodiment of the present invention.
  • an impedance meter may measure the impedance of a reference cell module (e.g., reference cell module 310 in FIG. 1) including a super capacitor.
  • the measured impedance of the reference cell module may be stored as a reference impedance in a memory (eg, memory 340 of FIG. 1).
  • the impedance meter may measure the battery impedance of a battery cell module (eg, battery cell module 350 in FIG. 1) including a lithium ion battery cell.
  • the processor may compare the measured battery impedance with a reference impedance stored in memory.
  • the processor may determine whether the difference between the measured battery impedance and the reference impedance stored in the memory is included in the threshold.
  • the battery cell module may be determined to be a good product.
  • the impedance measuring device may remeasure at least one of the battery impedance of the battery cell module and the reference impedance of the reference cell module.
  • an impedance meter can remeasure the battery impedance of a battery cell module.
  • the processor may compare the remeasured battery impedance with the reference impedance stored in memory.
  • the processor may re-determine whether the difference between the remeasured battery impedance and the reference impedance stored in the memory is included in the threshold.
  • the processor may determine the battery cell module to be defective.
  • the processor may determine that the measurement environment of the diagnostic device is abnormal. If the measurement environment is determined to be abnormal, the inspector can check for abnormalities in the reference cell module, battery cell module, and diagnostic device. If it is determined that the reference cell module is abnormal, the reference cell module can be inspected. After inspection of the reference cell module, the impedance meter 330 remeasures the reference impedance, and the remeasured reference impedance may be updated in memory.
  • the above-mentioned battery cell module can be applied to various devices. It can be applied to transportation methods such as electric bicycles, electric vehicles, and hybrids, but is not limited to this and can be applied to various devices that can use battery cell modules.

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Abstract

본 발명은 전지셀 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전지셀 진단 장치는 슈퍼 커패시터로 이루어진 적어도 하나의 기준셀을 포함하는 기준셀 모듈과; 상기 기준셀의 기준 임피던스와, 상기 전지셀의 전지 임피던스를 측정하는 측정기와; 상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스를 비교하여 상기 전지셀의 이상 유무를 판단하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

전지셀의 진단 장치 및 방법
관련 출원과의 상호인용
본 출원은 2022년 09월 30일자 한국특허출원 제10-2022-0125853호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 전지셀의 진단 장치 및 진단 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전지셀의 상태를 진단할 수 있는 전지셀의 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 노트북, 비디오 카메라, 휴대용 전화기와 같은 휴대용 전자 제품의 수요가 급격하게 증대되고, 전기 자동차, 에너지 저장용 축전지, 로봇, 위성 등의 개발이 본격화됨에 따라, 그 구동 전원으로 사용되는 이차 전지에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있다.
전지팩에 포함되는 복수의 전지셀 중 적어도 어느 하나의 전지셀에서 성능저하가 발생되거나 고장이 발생되면 전지팩의 전체 성능을 저하시켜 안정된 동작을 제공하지 못하는 현상이 발생될 수 있다.
따라서, 최근에는 전지셀의 성능을 진단하여 전지셀의 이상 유무를 판별할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 전지셀의 상태를 진단할 수 있는 전지셀의 진단 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전지셀 진단 장치는 슈퍼 커패시터로 이루어진 적어도 하나의 기준셀을 포함하는 기준셀 모듈과; 상기 기준셀의 기준 임피던스와, 상기 전지셀의 전지 임피던스를 측정하는 측정기와; 상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스를 비교하여 상기 전지셀의 이상 유무를 판단하는 프로세서를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기준셀 모듈은 상기 적어도 하나의 기준셀을 수납하도록 내부 공간이 형성된 하우징과; 상기 내부 공간을 커버하는 보호 커버와; 상기 보호 커버를 사이에 두고 이격되는 제1 버스바 및 제2 버스바를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는 상기 보호 커버보다 돌출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기준셀은 상기 내부 공간에 수용되며, 전하가 저장되는 바디와; 상기 바디 상에 배치되며, 상기 제1 버스바와 전기적으로 연결되는 제1 도전 단자와; 상기 바디 상에 상기 제1 도전 단자와 이격되게 배치되며, 상기 제2 버스바와 전기적으로 연결되는 제2 도전 단자를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기준셀 모듈은 상기 하우징의 내측에 배치되며 상기 제1 버스바로부터 절곡되는 제1 도전 바와; 상기 하우징의 내측에 상기 제1 도전 바와 마주보도록 배치되며 상기 제1 버스바로부터 절곡되는 제2 도전 바를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 버스바는 상기 제1 도전 바를 통해 제1 도전 단자와 전기적으로 연결되며, 상기 제2 버스바는 상기 제2 도전 바를 통해 상기 제2 도전 단자와 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전지셀 진단 장치는 상기 기준셀을 충전 및 방전시키며 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바와 전기적으로 접촉하는 충방전기를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 충방전기는 상기 보호 커버 상에 안착될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 충방전기의 길이는 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바의 이격 거리와 동일할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전지셀은 산화환원 반응을 이용하여 전기를 생성하는 리튬 이온 전지셀을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는 상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치 이내인 경우 상기 전지셀을 양품으로 판정하고, 상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치를 초과하는 경우 상기 전지셀을 불량으로 판정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 임피던스 측정기는 상기 불량으로 판정된 전지셀의 전지 임피던스를 재측정하고, 상기 프로세서는 상기 재측정된 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치를 초과하는 경우, 상기 전지셀을 불량으로 판정하고, 상기 재측정된 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치 이내인 경우, 상기 진단 장치의 측정 환경 이상으로 판정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 임피던스 측정기는 상기 측정 환경 이상으로 판정된 경우, 상기 기준 임피던스를 재측정하며, 상기 재측정된 기준 임피던스는 메모리에 업데이트될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기준셀 모듈은 휴대가 가능하는 키트 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전지셀 진단 방법은 슈퍼 커패시터를 포함하는 적어도 하나의 기준셀에 대한 기준 임피던스를 측정하는 단계와; 적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지셀에 대한 전지 임피던스를 측정하는 단계와; 상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스를 비교하여 상기 전지셀의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 전지셀보다 충방전 효율이 높고 수명이 긴 기준셀을 이용하여 측정된 기준 임피던스를 기반으로 전지셀의 이상 유무를 판별할 수 있다. 기준셀의 기준 임피던스는 전지셀의 전지 임피던스에 비해 장기간 신뢰성이 있는 수준을 유지함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 전지셀의 임피던스값의 변화를 통해서 측정환경의 이상 유무를 판별할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전지셀의 진단 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 기준셀 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 기준셀 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전지셀의 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 임피던스 측정기를 통해 측정된 기준 임피던스 및 전지 임피던스를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전지셀의 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전지셀의 진단 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 전지셀의 진단 장치는 충방전기(320)와, 임피던스 측정기(330)와, 프로세서(360) 및 메모리(340)를 포함할 수 있다.
충방전기(320)는 기준셀 모듈(310)의 기준 임피던스 측정시, 기준셀 모듈(310)을 충전 또는 방전시킬 수 있다. 충방전기(320)의 일단은 기준셀 모듈(310)의 양극 단자에 연결되고, 타단은 기준셀 모듈(310)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 기준셀 모듈(310)은 적어도 하나의 기준셀을 포함할 수 있다. 기준셀은 전지셀보다 충방전 효율이 높고 수명이 긴 에저니 저장 장치일 수 있다. 예를 들어, 기준셀은 슈퍼 커패시터일 수 있다.
충방전기(320)는 전지셀 모듈(350)의 전지 임피던스 측정시, 전지셀 모듈(350)을 충전 또는 방전시킬 수 있다. 충방전기(320)의 일단은 전지셀 모듈(350)의 양극 단자에 연결되고, 타단은 전지셀 모듈(350)의 음극 단자에 연결될 수 있다. 전지셀 모듈(350)은 적어도 하나의 전지셀을 포함할 수 있다. 전지셀은 산화환원 반응을 이용하여 전기를 생성하는 전지셀일 수 있다. 예를 들어, 전지셀은 리튬 이온 전지셀일 수 있다.
충방전기(320)는 기준셀 모듈(310)의 기준 임피던스 측정하기 위해, 기준셀 모듈(310)에 대하여 교류 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 충방전기(320)는 주파수를 변화시키면서 교류 전압을 인가함으로써 기준셀 모듈(310)을 충전시킬 수 있다. 이러한 충전 과정에서 임피던스 측정기(330)는 기준셀 모듈(310)의 내부 임피던스(또는, 기준 임피던스)를 측정하도록 구성될 수 있다. 다른 예로, 충방전기(320)는 기준셀 모듈을 충전 및 방전시킬 수 있다. 이러한 충방전 과정에서, 임피던스 측정기(330)는 기준셀 모듈(310)의 내부 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다.
임피던스 측정기(330)는 복수개의 슈퍼커패시터를 포함하는 기준셀 모듈(310)의 기준 임피던스뿐만 아니라, 전지셀 모듈(350)의 전지 임피던스를 측정할 수 있다. 임피던스 측정기(330)는 예를 들어, 전기화학 임피던스 스펙트로스코피(Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)를 이용하여, 기준 임피던스 및 전지 임피던스를 측정할 수 있다.
기준 임피던스 및 전지 임피던스는 동시에 또는 순차적으로 측정될 수 있다. 이외에도 임피던스 측정기(330)는 기준셀 모듈(310)의 기준 임피던스 및 전지셀 모듈(350)의 전지 임피던스 각각을 측정할 수 있도록 복수개 구비될 수 있다.
메모리(340)는 기준 임피던스를 주파수 별로 저장할 수 있다. 메모리(340)는 일정 주파수 범위 내에서 복수의 주파수로 구분하고, 구분된 각 주파수마다 그에 대응되는 기준 임피던스가 미리 설정된 형태로 저장될 수 있다. 기준 임피던스는 전지셀 모듈(350)의 전지 임피던스와 비교될 수 있는 값으로서, 적어도 1번의 사전 측정을 통해 미리 얻어진 값일 수 있다. 메모리(34)에는 기준 임피던스가 일정 주기로 재측정되어 주기적으로 업데이트될 수 있다.
프로세서(360)는 전지 임피던스와 기준 임피던스의 비교결과를 기준으로, 전지셀 모듈(350)의 이상 유무를 판단할 수 있다. 임피던스 측정기(330)를 통해 측정된 전지 임피던스와, 메모리(340)에 저장된 기준 임피던스 간의 차이가 미리 설정된 임계치 이내일 경우, 프로세서(360)는 전지셀 모듈(350)을 양품으로 판정할 수 있다. 임피던스 측정기(330)를 통해 측정된 전지 임피던스와, 메모리(340)에 저장된 기준 임피던스 간의 차이가 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우, 프로세서(360)는 전지셀 모듈(350)을 불량으로 판정할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 기준셀 모듈을 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 기준셀 모듈을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 기준 셀 모듈(110)(예: 도 1의 기준셀 모듈(310))은 휴대가 가능하는 키트 형태로 형성될 수 있다. 기준 셀 모듈(110)은 기준 셀(200)과, 하우징(140)과, 제1 및 제2 도전 바(121,131)와, 제1 및 제2 버스바(120,130)와, 보호 커버(150)를 포함할 수 있다.
하우징(140)은 홈 또는 홀 형태의 내부 공간(141)을 적어도 1개 포함할 수 있다. 하우징(140)의 내부 공간(141) 내에는 적어도 하나의 기준셀(200)이 수용될 수 있다. 하우징(140)은 기준셀(200)의 측면 및 하부면을 감싸도록 형성되거나, 기준셀(200)의 측면을 감싸도록 형성될 수 있다. 하우징(140)에 기준셀(200)이 복수개 수용되는 경우, 복수개의 기준셀(200)은 직렬 연결, 병렬 연결 또는 직병렬 연결될 수 있다.
제1 및 제2 버스바(120,130)는 충방전기(예: 도 1의 충방전기(340))와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 버스바(120)는 충방전기의 양극 단자에 전기적으로 연결되고, 제2 버스바(130)는 충방전기의 음극 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 버스바(120) 및 제2 버스바(130)는 보호 커버(150)보다 돌출되게 형성될 수 있다. 제1 버스바(120)는 제1 도전 바(121)로부터 돌출될 수 있다. 제2 버스바(130)는 제2 도전 바(131)로부터 돌출될 수 있다. 제1 버스바(120) 및 제2 버스바(130)는 보호 커버(150)를 사이에 두고 이격될 수 있다. 제1 버스바(120) 및 제2 버스바(130)의 이격 거리는 보호 커버(150) 상에 안착되는 충방전기의 길이에 대응(예: 동일)될 수 있다.
제1 도전 바(121) 및 제2 도전 바(131)는 절연 재질로 형성되는 하우징(140)의 내측에 배치될 수 있다. 제1 도전 바(121) 및 제2 도전 바(131)는 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 제1 도전 바(121)는 제1 버스바(120)로부터 절곡될 수 있다. 제2 도전 바(131)는 제2 버스바(130)로부터 절곡될 수 있다. 일 예로, 제1 도전 바(121)는 제1 버스바(120)와 동일한 도전 재질로 형성되어 제1 버스바(120)와 일체화될 수 있다. 제2 도전 바(131)는 제1 버스바(130)와 동일한 도전 재질로 형성되어 제2 버스바(130)와 일체화될 수 있다. 다른 예로, 제1 도전 바(121)는 제1 버스바(120)와 동일하거나 다른 도전 재질로 형성되어 제1 버스바(120)와 체결 부재(예: 볼트 및/또는 너트)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 도전 바(131)는 제2 버스바(130)와 동일하거나 다른 도전 재질로 형성되어 제2 버스바(130)와 체결 부재(예: 볼트 및/또는 너트)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
보호 커버(150)는 하우징(140)과 결합되어 기준셀(200)이 수용된 내부 공간(141)을 덮는 하나의 판상형 구조로 형성될 수 있다. 보호 커버(150)와 하우징(140)은 서로 대응하는 모서리 부위들이 접촉된 상태에서, 용접 등에 의해 결합되거나 체결 부재(예: 볼트 및/또는 너트)를 통해 체결될 수 있다. 보호 커버(150) 및 하우징(140)은 기준셀(200)을 상하좌우로 커버할 수 있다. 보호 커버(150) 및 하우징(140)을 통해 기준셀(200)을 물리적으로 보호할 수 있다. 보호 커버(150) 및 하우징(140)은 소정의 강도를 가지는 절연 재질로 형성될 수 있다.
기준 셀(200)은 바디(210)와, 제1 도전 단자(220) 및 제2 도전 단자(230)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 도전 단자(220)는 양극 단자일 수 있으며, 제2 도전 단자(230)는 음극 단자일 수 있다.
바디(210)에는 전하가 저장될 수 있다. 바디(210)는 하우징(140)의 내부 공간(141)과 대응되는 형상으로 형성되어 하우징(140)의 내부 공간(141)에 수용될 수 있다.
제1 도전 단자(220)는 바디(210) 상에 배치되며, 바디(210)의 일측에서 일방향으로 연장될 수 있다. 제1 도전 단자(220)는 제1 도전 바(121)를 통해 제1 버스 바(120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 도전 단자(230)는 바디(210) 상에 제1 도전 단자(220)와 이격되게 배치되며, 바디(210)의 일측에서 일방향으로 연장될 수 있다. 제2 도전 단자(230)는 제2 도전 바(131)를 통해 제2 버스 바(130)와 전기적으로 연결될 수 있다.
기준 셀(200)은 전지셀(예: 리튬이온 전지셀)보다 충방전 효율이 좋으며 사이클 수명이 긴 장점을 가지는 슈퍼 커패시터(Super-Capacitor)일 수 있다. 슈퍼 커패시터는 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성을 가지고 있다. 슈퍼 커패시터는 일반 커패시터 대비 단위면적당 수십 배 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 슈퍼 커패시터는 축전용량이 큰 커패시터이므로, 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고 한다. 슈퍼 커패시터는 도전체에 부착된 전극과 그에 함침된 전해질 용액으로 구성될 수 있다. 전극의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용할 수 있다. 슈퍼 커패시터는 화학 반응을 이용하는 전지셀과 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 에너지 저장장치일 수 있다. 슈퍼 커패시터의 임피던스는 충방전이 반복되더라도 변동이 없으며, 시간 경과에 따른 퇴화에 의해서도 변동이 없으므로 리튬 이온 전지셀보다 신뢰성이 높을 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전지셀의 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
동작 S11에서, 임피던스 측정기(예: 도 1의 임피던스 측정기(330))는 슈퍼 커패시터를 포함하는 기준 셀 모듈(예: 도 1의 기준셀 모듈(310))의 임피던스를 측정할 수 있다. 측정된 기준 셀 모듈의 임피던스는 메모리(예: 도 1의 메모리(340))에 기준 임피던스로 저장될 수 있다.
동작 S12에서, 임피던스 측정기는 리튬 이온 전지셀을 포함하는 전지셀 모듈(예: 도 1의 전지셀 모듈(350))의 전지 임피던스를 측정할 수 있다.
동작 S13에서, 프로세서(예: 도 1의 프로세서(360))는 측정된 전지 임피던스와, 메모리에 저장된 기준 임피던스를 비교할 수 있다. 프로세서는 전지 임피던스와, 메모리에 저장된 기준 임피던스의 차이가 임계치에 포함되는지의 여부를 판단할 수 있다.
동작 S14에서, 비교 결과, 전지 임피던스와 기준 임피던스 간의 차이가 미리 설정된 임계치 이내일 경우, 전지셀 모듈은 양품으로 판정될 수 있다.
동작 S15에서, 비교 결과, 측정된 임피던스와 기준 임피던스 간의 차이가 임계치를 벗어날 경우(또는, 초과한 경우), 전지셀 모듈은 불량으로 판정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 임피던스 측정기를 통해 측정된 기준 임피던스 및 전지 임피던스를 나타내는 도면이다.
도 5에서, 가로축은 임피던스의 실수 성분(Zreal)이고, 세로축은 임피던스의 허수 성분(Zimag)이라 할 수 있다. 가로축과 세로축의 단위는, mΩ 또는 Ω일 수 있다. 그리고, 각 점들은 각각의 주파수에 따른 임피던스 포인트라 할 수 있다. 주파수의 변화에 따라 임피던스의 실수값과 허수값이 달라지게 되어, 그 교점이 좌표 상의 점, 즉 임피던스 포인트로 표시될 수 있다.
도 5를 참조하면, 프로세서는 임피던스 측정기(예: 도 1의 임피던스 측정기(330))로부터 전지셀에 대한 주파수별 전지 임피던스 및 기준셀에 대한 주파수별 기준 임피던스를 수신하여 획득할 수 있다. 프로세서는 전지 임피던스 포인트와 동일 또는 유사한 주파수에 해당하는 기준 임피던스의 포인트를 서로 비교할 수 있다. 전지 임피던스 포인트가 기준 임피던스 포인트와 동일하거나 임계치(또는, 오차 범위) 이내에 있는 경우, 프로세서는 전지셀을 이상이 없는 양품으로 판단할 수 있다. 전지 임피던스 포인트가 기준 임피던스 포인트와 임계치 이내의 범위를 벗어나는 경우, 프로세서는 전지셀을 이상이 있는 불량으로 판단할 수 있다. 이와 같이, 프로세서는 획득한 주별수별 임피던스 포인트를 기초로 전지셀의 성능을 진단할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 전지셀의 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
동작 S21에서, 임피던스 측정기(예: 도 1의 임피던스 측정기(330))는 슈퍼 커패시터를 포함하는 기준 셀 모듈(예: 도 1의 기준셀 모듈(310))의 임피던스를 측정할 수 있다. 측정된 기준 셀 모듈의 임피던스는 메모리(예: 도 1의 메모리(340))에 기준 임피던스로 저장될 수 있다.
동작 S22에서, 임피던스 측정기는 리튬 이온 전지셀을 포함하는 전지셀 모듈(예: 도 1의 전지셀 모듈(350))의 전지 임피던스를 측정할 수 있다.
동작 S23에서, 프로세서(예: 도 1의 프로세서(360))는 측정된 전지 임피던스와, 메모리에 저장된 기준 임피던스를 비교할 수 있다. 프로세서는 측정된 전지 임피던스와, 메모리에 저장된 기준 임피던스의 차이가 임계치에 포함되는지의 여부를 판단할 수 있다.
동작 S24에서, 비교 결과, 측정된 전지 임피던스와 기준 임피던스 간의 차이가 미리 설정된 임계치 이내일 경우, 전지셀 모듈은 양품으로 판정될 수 있다.
동작 S25에서, 비교 결과, 측정된 전지 임피던스와 기준 임피던스 간의 차이가 임계치를 벗어날 경우, 임피던스 측정기는 전지셀 모듈의 전지 임피던스 및 기준셀 모듈의 기준 임피던스 중 적어도 어느 하나를 재측정할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 측정기는 전지셀 모듈의 전지 임피던스를 재측정할 수 있다.
동작 S26에서, 프로세서는 재측정된 전지 임피던스와 메모리에 저장된 기준 임피던스를 비교할 수 있다. 프로세서는 재측정된 전지 임피던스와, 메모리에 저장된 기준 임피던스의 차이가 임계치에 포함되는지의 여부를 재판단할 수 있다.
동작 S27에서, 비교 결과, 재측정된 전지 임피던스와 기준 임피던스 간의 차이가 임계치를 벗어날 경우, 프로세서는 전지셀 모듈을 불량으로 판정할 수 있다.
동작 S28에서, 비교 결과, 재측정된 전지 임피던스와 기준 임피던스 간의 차이가 임계치 이내인 경우, 프로세서는 진단 장치의 측정 환경의 이상으로 판정할 수 있다. 측정 환경 이상으로 판정된 경우, 검사자는 기준셀 모듈, 전지셀 모듈 및 진단 장치의 이상 여부를 점검할 수 있다. 기준셀 모듈의 이상으로 판정되는 경우, 기준셀 모듈은 점검될 수 있다. 기준셀 모듈의 점검 후, 임피던스 측정기(330)는 기준 임피던스를 재측정하고, 재측정된 기준 임피던스는 메모리에 업데이트될 수 있다.
전술한 전지셀 모듈은 다양한 디바이스에 적용될 수 있다. 전기 자전거, 전기 자동차, 하이브리드 등의 운송 수단에 적용될 수 있으나 이에 제한되지 않고 전지셀 모듈을 사용할 수 있는 다양한 디바이스에 적용 가능하다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.
[부호의 설명]
110, 310: 기준셀 모듈
120,130: 버스바
140: 하우징
150: 보호 커버
200: 기준셀
320: 충방전기
330: 임피던스 측정기
340: 메모리
350: 전지셀 모듈
360: 프로세서

Claims (15)

  1. 전지셀의 상태를 검사하는 진단 장치에 있어서,
    슈퍼 커패시터로 이루어진 적어도 하나의 기준셀을 포함하는 기준셀 모듈과;
    상기 기준셀의 기준 임피던스와, 상기 전지셀의 전지 임피던스를 측정하는 측정기와;
    상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스를 비교하여 상기 전지셀의 이상 유무를 판단하는 프로세서를 포함하는 전지셀 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준셀 모듈은
    상기 적어도 하나의 기준셀을 수납하도록 내부 공간이 형성된 하우징과;
    상기 내부 공간을 커버하는 보호 커버와;
    상기 보호 커버를 사이에 두고 이격되는 제1 버스바 및 제2 버스바를 포함하는 진단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바 중 적어도 어느 하나는 상기 보호 커버보다 돌출되는 진단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준셀은
    상기 내부 공간에 수용되며, 전하가 저장되는 바디와;
    상기 바디 상에 배치되며, 상기 제1 버스바와 전기적으로 연결되는 제1 도전 단자와;
    상기 바디 상에 상기 제1 도전 단자와 이격되게 배치되며, 상기 제2 버스바와 전기적으로 연결되는 제2 도전 단자를 포함하는 진단 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준셀 모듈은
    상기 하우징의 내측에 배치되며 상기 제1 버스바로부터 절곡되는 제1 도전 바와;
    상기 하우징의 내측에 상기 제1 도전 바와 마주보도록 배치되며 상기 제1 버스바로부터 절곡되는 제2 도전 바를 더 포함하는 진단 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 버스바는 상기 제1 도전 바를 통해 제1 도전 단자와 전기적으로 연결되며,
    상기 제2 버스바는 상기 제2 도전 바를 통해 상기 제2 도전 단자와 전기적으로 연결되는 진단 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 기준셀을 충전 및 방전시키며 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바와 전기적으로 접촉하는 충방전기를 더 포함하는 진단 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 충방전기는 상기 보호 커버 상에 안착되는 진단 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 충방전기의 길이는 상기 제1 버스바 및 상기 제2 버스바의 이격 거리와 동일한 진단 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지셀은 산화환원 반응을 이용하여 전기를 생성하는 리튬 이온 전지셀을 포함하는 진단 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치 이내인 경우 상기 전지셀을 양품으로 판정하고,
    상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치를 초과하는 경우 상기 전지셀을 불량으로 판정하는 진단 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 임피던스 측정기는
    상기 불량으로 판정된 전지셀의 전지 임피던스를 재측정하고,
    상기 프로세서는
    상기 재측정된 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치를 초과하는 경우, 상기 전지셀을 불량으로 판정하고,
    상기 재측정된 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스의 차이가 임계치 이내인 경우, 상기 진단 장치의 측정 환경 이상으로 판정하는 진단 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 임피던스 측정기는
    상기 측정 환경 이상으로 판정된 경우, 상기 기준 임피던스를 재측정하며,
    상기 재측정된 기준 임피던스는 메모리에 업데이트되는 진단 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준셀 모듈은 휴대가 가능하는 키트 형태로 형성되는 진단 장치.
  15. 전지셀의 상태를 진단하는 진단 방법에 있어서,
    슈퍼 커패시터를 포함하는 적어도 하나의 기준셀에 대한 기준 임피던스를 측정하는 단계와;
    적어도 하나의 전지셀을 포함하는 전지셀에 대한 전지 임피던스를 측정하는 단계와;
    상기 전지 임피던스와 상기 기준 임피던스를 비교하여 상기 전지셀의 이상 유무를 판단하는 단계를 포함하는 전지셀 진단 방법.
PCT/KR2023/014291 2022-09-30 2023-09-20 전지셀의 진단 장치 및 방법 WO2024071814A1 (ko)

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