KR20230039583A - 전기화학적 임피던스 분광 시스템 - Google Patents

전기화학적 임피던스 분광 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 배터리의 임피던스를 측정하기 위한 전기화학적 임피던스 분광 시스템이 개시된다.
일 예로, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 결합되어, 충방전 전류를 인가하는 전기화학적 임피던스 분광 시스템에 있어서, 충방전 전류를 공급하는 충방전부; 상기 충방전부와 배터리 모듈의 사이를 연결하는 배선으로부터 분기되어, 상기 배터리 모듈의 전압을 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 상기 배터리 모듈의 전압을 수집하는 데이터 수집부를 포함하고, 상기 센싱부는 상기 배터리 모듈의 전압을 인가받고 리플을 제거하는 리플 제거부를 포함하는 전기화학적 임피던스 분광 시스템이 개시된다.

Description

전기화학적 임피던스 분광 시스템{Electrochemical Impedance Spectroscopy System}
본 발명은 배터리의 임피던스를 측정하기 위한 전기화학적 임피던스 분광 시스템에 관한 것이다.
전기화학적 임피던스 분광 시스템(Electrochemical Impedance Spectroscopy System, 이하 'EIS')은 리튬 이온 배터리와 같은 재충전가능한 배터리들을 테스트하기 위해 사용되어 왔다.
EIS는 전극들과 배터리들의 동역학의 반응들을 관찰하기에 아주 적합하다. EIS에서, 주파수들의 범위에 걸친 배터리의 임피던스가 측정된다. 배터리의 에너지 저장 및 발산 특성들은 결과적인 주파수 응답 곡선을 검사함으로써 드러날 수 있다. 옴 저항 및 전하 전달 저항과 같은 임피던스 파라미터들은 예를 들어, 배터리의 주파수 응답의 나이퀴스트 선도로부터 평가될 수 있다.
EIS로 측정될 수 있는 다른 파라미터들은 전극과 전해질 사이의 계면에서의 반대 극성의 2개의 층들의 형성인 이중층 효과와 관련될 수 있다. 또한, EIS로 측정가능한 또 다른 파라미터들로서, 배터리 충전, 방전 중에 변화하고 또한 배터리 수명, 건강 상태 및 온도에 의존하는 확산 및 반응 파라미터들도 알려져 있다.
본 발명은 배터리의 임피던스를 측정하기 위한 전기화학적 임피던스 분광 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 결합되어, 충방전 전류를 인가하는 전기화학적 임피던스 분광 시스템에 있어서, 충방전 전류를 공급하는 충방전부; 상기 충방전부와 배터리 모듈의 사이를 연결하는 배선으로부터 분기되어, 상기 배터리 모듈의 전압을 측정하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 상기 배터리 모듈의 전압을 수집하는 데이터 수집부를 포함하고, 상기 센싱부는 상기 배터리 모듈의 전압을 인가받고 리플을 제거하는 리플 제거부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 리플 제거부는 상기 배터리 모듈의 전압에 대해 직류 성분만 선별하여 상기 배터리 모듈의 전압으로부터 리플을 제거할 수 있다.
그리고 상기 리플 제거부는 로우패스 필터로 구성될 수 있다.
또한, 상기 센싱부는 상기 배터리 모듈의 전압에서 상기 리플 제거부를 통과한 전압을 오프셋으로 인가하여, 통해 최종 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 데이터 수집부는 상기 충방전부로부터 트리거 신호를 인가받아 상기 최종 전압과 동기화를 수행할 수 있다.
또한, 상기 충방전기는 상대적으로 고전압을 생성하는 고전압 충전기 및 상기 고전압 충전기에 직렬로 연결되고 상대적으로 저전압을 생성하는 고속 충방전기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고전압 충전기는 직류 전압을 생성하고, 상기 고속 충방전기는 교류 전압을 생성할 수 있다.
또한, 상기 고전압 충전기에 병렬로 연결된 고전압 방전기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 고전압 방전기는 전자 부하로 구성될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈에 충방전 전류를 인가하는 동안 상기 고전압 방전기를 통해 흐르는 전류는 0[A]가 되지 않을 수 있다.
또한, 상기 고전압 방전기에 대해 보정 전류가 설정되어, 상기 배터리 모듈에 충방전 전류를 인가하는 동안, 상기 고전압 방전기에 상기 보정 전류가 상시 인가될 수 있다.
또한, 상기 배터리 모듈 및 다수개의 상기 배터리 모듈이 상호간에 전기적으로 연결되어 형성된 배터리 팩에 대해 동시에 충방전 전류를 인가하여 배터리의 임피던스를 측정할 수 있다.
본 발명에 의한 전기화학적 임피던스 분광 시스템은 별도의 오프셋 전원이나 프로그램이 없이도 정확한 전압 파형을 측정할 수 있고, 고전압이 가능한 EIS 발생기를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 배터리 팩 내의 배터리 모듈과 충방전부의 연결 관계를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 리플 제거부의 구성을 도시한 예시적인 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 충방전부의 충전 동작을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 충방전부의 방전 동작을 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 배터리 모듈과 충방전부에서 전압 및 전류를 도시한 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템의 효과를 비교하기 위한 나이키스트 선도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 배터리 모듈과 충방전부에서 전압 및 전류를 도시한 예시 파형이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용된다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소는 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 배터리 팩 내의 배터리 모듈과 충방전부의 연결 관계를 도시한 구성도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 리플 제거부의 구성을 도시한 예시적인 회로도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템(10)은 배터리 팩(100), 충방전부(200), 센싱부(300), 데이터 수집부(400)를 포함할 수 있다.
여기서, 배터리 팩(100)은 내부에 다수의 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)을 포함할 수 있다. 또한, 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)은 상호간에 직렬로서 연결될 수 있으나, 당업자의 설계에 따라 병렬, 직병렬로 구성되는 것도 가능하다. 이러한 배터리 팩(100)은 제품의 특성에 따라 배터리 랙으로 명칭될 수도 있다.
또한, 배터리 팩(100)은 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n) 내에 구성되는 충방전 단자(120) 및 셀 모니터링부(130)를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 배터리 모듈(110_1) 내지 110_n) 중 첫번째에 위치한 구성을 중심으로 설명하도록 한다.
배터리 모듈(110_1)은 내부에 배열된 다수의 배터리 셀(미도시)을 포함할 수 있다. 각 배터리 셀은 상호간에 직렬로 연결됨이 일반적이며, 역시 당업자의 설계에 따라 병렬, 직병렬로 구성되는 것도 가능하다. 배터리 셀은 통상의 리튬 이온 전지와 같은 충방전이 가능한 이차 전지로서 구성될 수 있다.
또한, 충방전 단자(120)는 배터리 모듈(120)에 충방전 전류가 인가되기 위해 배터리 모듈(110_1) 각각에 구비될 수 있다. 충방전 단자(120)는 예를 들어, 서로 다른 극성의 제 1 및 제 2 외부 단자(121, 122), 서로 다른 극성의 제 1 및 제 2 내부 단자(123, 124)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 외부 단자(121)와 제 1 내부 단자(123)는 같은 극성, 제 2 외부 단자(122)와 제 2 내부 단자(124)도 역시 같은 극성을 갖도록 구비될 수 있다. 또한, 제 1 외부 단자(121)와 제 1 내부 단자(123)의 사이에는 퓨즈(125)가 구비되어, 과충전 또는 과방전시 전류를 차단할 수 있다. 다만, 이러한 퓨즈(125)는 제 2 외부 단자(122)와 제 2 내부 단자(124)의 사이에 구비되는 것도 가능하다.
한편, 셀 모니터링부(130)는 배터리 모듈(110_1)의 내부에 구비되어, 모듈 내의 셀 각각의 전압 및 전류를 감지할 수 있다. 또한, 셀 중 일부에서 이상 전압 또는 전류가 검출되는 경우, 충방전부(200)와 통신하여 배터리 모듈(110_1)에 공급되는 충방전 전류를 차단되도록 할 수 있다.
충방전부(200)는 배터리 팩(100)에 연결되어, 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)에 대해 충방전 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 충방전부(200)는 광학화학적 임피던스 분광 특성(EIS) 측정을 위해, 0.1[Hz]에서 1[kHz] 범위의 고속충방전 사인(sine) 형태의 전압이나 전류 파형을 베터리 팩(100)에 공급하고, 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n_)은 물론 다수개의 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)을 포함하여 구성된 전체 배터리 팩(100)의 전압이나 전류를 측정 및 분석할 수 있다.
배터리 팩(100) 내에서 직렬 연결된 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)들을 동시에 측정하기 위해, 충방전부(200)는 전류 파형을 공급하고, 응답하는 전압을 측정함으로써 배터리 팩(100) 뿐만 아니라 모듈(110_1 내지 110_n)을 한번에 동시에 측정할 수 있다. 또한, 이를 위해, 충방전부(200)는 각 주파수 별로 데이터 수집부(400)에 대해 트리거 신호(Trig)를 전달할 수 있다.
충방전부(200)는 배터리 팩(100)에 대해 배선을 통해 연결될 수 있다. 예를 들어, 가장 첫번째 배터리 모듈(110_1)의 제 1 외부 단자(121)에 충방전부(200)의 양극 단자, 가장 마지막 배터리 모듈(110_n의 제 2 외부 단자(125)에 충방전부(200)의 음극 단자가 배선(201, 202)을 통해 연결될 수 있다. 또한, 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)은 상호간에 별도의 배선(203)을 통해 연결되어, 배터리 모듈(110_1 내지 110_n) 전체가 충방전부(200)의 충방전 전류를 인가받게 된다.
한편, 도 2를 함께 참조하면, 충방전부(200)는 고전압 충전부(210), 고전압 방전부(220), 고속 충방전부(230) 및 를 포함할 수 있다.
여기서, 고전압 충전부(210)는 배터리 팩(100)의 충전에 필요한 기본적인 고전압을 인가하기 위한 목적으로 활용될 수 있다. 배터리 팩(100)에는 다수의 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)이 포함되어 있고, 각 모듈(110_1 내지 110_n)에는 다수의 배터리 셀들이 포함되어 있기 때문에, 배터리 팩(100)의 충전 전압은 기본적으로 고전압, 예를 들어 51[V]일 수 있다. 그리고 고전압 충전부(210)는 이중에서 일정 전압, 예를 들어 40[V]의 전압을 유지하여 배터리 팩(100)에 인가할 수 있다.
고전압 방전부(220)는 고전압 충전부(210)에 대해 병렬로 연결될 수 있다. 고전압 방전부(220)는 전자 로드(electrical load)로 구성될 수 있다. 전자 로드는 정밀한 전원 공급을 위해 필요하며, 특히 프로그래밍을 통해 다양한 범위에서 부하 설정이 가능하고, 인가되는 전압의 변화에도 불구하고 흐르는 전류량을 일정하게 유지하는 기능을 수행할 수 있다. 이에 따르면, 고전압 충전부(210)로부터 인가되는 전류가 고전압 방전부(220)에 인가되는 때, 전류량을 일정하게 유지할 수 있기 때문에 최종적으로 배터리 팩(100)으로 전달되는 전류량을 유지하는 것이 가능하다.
고속 충방전부(230)는 고전압 충전부(210) 및 고전압 방전부(220)의 병렬 가지에 대해 직렬로 연결될 수 있다. 고속 충방전부(230)는 EIS 발전기로 구성될 수 있다. EIS 발생기는 고전압을 충분히 견딜 수 있는 절연 특성을 갖고, 고전압 충전부(210)나 고전압 방전부(220)에 비해 상대적으로 저전압을 생성하지만, 고속으로 전류 제어를 수행할 수 있다. 따라서, 고전압 충전부(210)와 고전압 방전부(220)는 고속 제어 기능이 없이 고전압을 생성하는 역할을 하면 되고, 직렬 연결된 고속 충방전부(230)를 통해 저전압을 고속으로 제어할 수 있게 되어, 배터리 팩(100)에 대해 인가되는 전압을 원활하게 제어할 수 있다.
센싱부(300)는 배터리 팩(100)의 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)에 각각 결합되는 리플 제거부(310) 및 센서(320)를 포함할 수 있다. 또한, 센싱부(300)는 충방전부(200)에서 배터리 팩(100)에 연결되는 배선(201, 202)에 연결된 리플 제거부(330) 및 센서(340)를 더 포함할 수 있다. 센싱부(300)는 배터리 팩(100) 또는 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)의 전압 파형을 검출하고, 해당 전압 파형을 데이터 수집부(400)에 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
특히, 센싱부(300)는 배터리 팩(100) 또는 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)으로부터 전압 및 전류를 인가받되, 이 중에서 리플 제거부(310)를 통해 리플이 제거된 고전압 성분만을 추출할 수 있다.
도 3을 함께 참조하면, 리플 제거부(310)는 예시적으로 첫번째 배터리 모듈(110_1)의 제 1 및 제 2 외부 단자(121, 122)에 연결될 수 있다. 리플 제거부(310)는 예를 들어, 로우패스 필터(Lowpass filter)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 것과 같이 제 1 외부 단자(121)는 직렬로 연결된 다이오드(D1) 및 제 1 저항(R1)에 연결되고, 이후 병렬 가지를 형성하는 커패시터(C1) 및 제 2 저항(R2)를 통과하도록 하여, 제 1 외부 단자(121)와 제 2 외부 단자(122)의 양단에서의 전압 중 리플 성분이 제거되도록 할 수 있다.
또한, 센싱부(300)는 센서(320)의 한 단자에 배터리 팩(100) 또는 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)의 전압이 인가되도록 하고, 다른 단자에는 리플이 제거된 고전압 성분이 인가되도록 하여 오프셋(offset)으로 사용함으로써 상쇄되도록 할 수 있다. 따라서, 센서(320)에서는 리플에 해당되는 해당되는 수십[mV]의 크기를 갖는 싸인 형태의 전압 파형만을 추출하여 감지할 수 있다.
이러한 센싱부(300)의 구성을 통하면, 수십 내지 수백[V]를 갖는 배터리 팩(100) 또는 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)의 전압 중에서, 수십 [mV]의 전압 파형만을 정밀하게 측정하는 것이 가능하다. 또한, 센싱부(300)는 별도의 고정밀 고전압 발생기를 이용한 오프셋을 필요로 하지 않기 때문에 제조 비용을 줄일 수 있고, 분석 소프트웨어에서 별도의 오프셋 제거 기능을 필요로 하지 않아 연산량을 줄일 수 있는 장점이 있다.
데이터 수집부(400)는 센싱부(300)의 센서(320)에 연결될 수 있다. 데이터 수집부(400)는 각 센서(320)로부터 배터리 팩(100) 및 각 배터리 모듈(110_1 내지 110_n)의 전압 및 전류 파형의 데이터를 인가받고, 이를 분석할 수 있다. 특히 데이터 수집부(400)는 앞서 충방전부(200)로부터 수신하는 트리거 신호를 통해 충방전부(200)의 충방전 전압 및 전류에 대해 센서(320)의 전압 및 전류 파형을 동기화함으로써, 정확한 임피던스 측정을 분석할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템의 동작을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 충방전부의 충전 동작을 도시한 구성도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 충방전부의 방전 동작을 도시한 구성도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 배터리 모듈과 충방전부에서 전압 및 전류를 도시한 그래프이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 배터리 모듈과 충방전부에서 전압 및 전류를 도시한 예시 파형이다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)에 대해 충방전부(200)를 통한 충전을 수행하는 경우, 고전압 충전기(210)와 고속 충방전기(230)에서 생성된 전류가 배터리 팩(100)에 인가될 수 있다. 구체적으로, 고전압 충전기(210)에서 생성된 전압(V1)은 고속 충방전기(230)에서 생성된 전압(V2)와 직렬로 충전 전압(Vbat)을 생성하며, 배터리 팩(100)에 인가될 수 있다.
또한, 고전압 충전기(210)의 전류(I1)는 고전압 방전기(220)에 일부 전류(ILoad)가 분기되어 흐르고, 나머지 전류는 고속 충방전기(230)의 전류(I2)와 합쳐져서 역시 배터리 팩(100)에 충전 전류(Ibat)로서 인가될 수 있다.
이 때, 상술한 바와 같이, 고전압 충전기(210)에서 생성된 전압(V1)과 전류(I1)는 고속 충방전기(230)에서 생성된 전압(V2)과 전류(I2)에 비해 큰 값을 갖는 직류 성분이기 때문에, 충전 전압(Vbat)과 충전 전류(Ibat)에서 상대적으로 많은 비중을 차지할 수 있다. 또한, 고속 충방전기(230)에서는 상대적으로 낮은 전압(V2)과 전류(I2)를 생성하지만, 고속의 싸인(sine) 파형을 생성함으로써, 교류 파형의 최종 충전 전압(Vbat) 및 충전 전류(Ibat)를 생성할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 배터리 팩(100)에 대해 충방전부(200)를 통한 방전을 수행하는 경우, 고전압 방전기(220)와 고속 충방전기(230)를 통해, 충전 시와 반대 방향으로 방전 전류(Ibat)가 배터리 팩(100)으로부터 고전압 방전기(220)로 인가될 수 있다. 구체적으로, 배터리 팩(100)의 전압(Vbat)은 고전압 방전기(220)의 전압(VLoad) 및 고속 충방전기(230)의 전압(V2)으로 각각 분배될 수 있다. 또한, 이러한 동작을 통해, 고전압 방전기(220) 및 고속 충방전기(230)는 방전 동작의 부하로서 동작할 수 있다.
또한, 고전압 충전기(210)의 전류(I1)는 고전압 방전기(220)로 흘러서 고전압 방전기(220)의 전류(ILoad)는 고속 충방전기(230)의 전류(I1)와 고전압 충전기(210)의 전류(I2)가 합쳐진 형태를 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 4 및 도 5에서의 충방전 동작에 사용된 전압과 전류들이 그래프로서 도시되어 있다. 도 6의 그래프에서 횡축은 전압(V)이고, 종축은 전류(I)를 의미한다. 또한, 1사분면은 전압과 전류가 모두 양의 부호(+)를 구비하여 충전 동작, 4사분면은 전압은 양의 부호(+)이고 전류는 음의 부호(-)를 구비하여 방전(또는 부하로서의 싱크(sink)로도 지칭) 동작을 의미할 수 있다.
그리고 고전압 충전기(210)에서의 전압(V1) 및 전류(I1)에 대해, 충전기 자체의 생성 전류(Isource)에 비해 보정 전류(Idelta)가 더 추가된 양의 전류(I1)가 세팅되어 있고, 고전압 방전기(220)에서의 전압(V2) 및 전류(I2)에 대해, 방전기 자체의 소모 전류(ILoad)에 비해 보정 전류(Idelta)가 더 추가된 양의 전류(I2)가 세팅되어 있다. 이러한 세팅의 결과, 고전압 방전기(220)의 전류는 항상 0[A]가 되지 않으며, 적어도 보정 전류(Idelta)만큼의 전류가 흐르게 된다. 이러한 세팅의 결과, 고전압 방전기(220)에서 전류가 0[A]로 스위칭될 때 발생되는 노이즈 성분이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있다. 따라서, 충방전부(200)에서 생성되는 최종 전압과 전류의 성분에서 노이즈를 포함한 리플이 생성되는 것을 줄이는 장점을 갖는다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템의 효과를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템의 효과를 비교하기 위한 나이키스트 선도이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템에서 배터리 모듈과 충방전부에서 전압 및 전류를 도시한 예시 파형이다.
도 7a를 참조하면, 통상의 전기화학적 임피던스 분광 시스템을 이용한 임피던스 측정 결과가 나이키스트 선도로 도시되어 있다. 또한, 도 7b를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 전기화학적 임피던스 분광 시스템을 이용한 임피던스 측정 결과가 역시 나이키스트 선도로서 도시되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 전기 화학적 임피던스 분광 시스템을 이용한 경우, 통상의 시스템 사용에 비해 임피던스의 측정 결과에 불규칙한 노이즈가 없어서 정밀한 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 배터리 모듈(110_1)의 전압(또는 충전, 방전 전압, Vbat)과 DC 필터링 후의 전압, 배터리 전류(또는 충전, 방전 전류, Ibat), 고전압 방전기(220)의 전압(VLoad), 고속 충방전기(230)의 전압(V2)이 함께 도시되어 있다. 도시된 것처럼, 각 전압과 전류의 파형은 동일 위상을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 전기화학적 임피던스 분광 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10; 전기화학전 임피던스 분광 시스템 100; 배터리 팩
110_1 내지 110_n; 배터리 모듈 120; 충방전 단자
130; 셀 모니터링부 200; 충방전부
210; 고전압 충전부 220; 고전압 방전부
230; 고속 충방전부 300; 센싱부
310, 330; 리플 제거부 320, 340; 센서
400; 데이터 수집부

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈에 결합되어, 충방전 전류를 인가하는 전기화학적 임피던스 분광 시스템에 있어서,
    충방전 전류를 공급하는 충방전부;
    상기 충방전부와 배터리 모듈의 사이를 연결하는 배선으로부터 분기되어, 상기 배터리 모듈의 전압을 측정하는 센싱부;
    상기 센싱부로부터 상기 배터리 모듈의 전압을 수집하는 데이터 수집부를 포함하고,
    상기 센싱부는 상기 배터리 모듈의 전압을 인가받고 리플을 제거하는 리플 제거부를 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리플 제거부는 상기 배터리 모듈의 전압에 대해 직류 성분만 선별하여 상기 배터리 모듈의 전압으로부터 리플을 제거하는 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 리플 제거부는 로우패스 필터로 구성된 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱부는 상기 배터리 모듈의 전압에서 상기 리플 제거부를 통과한 전압을 오프셋으로 인가하여, 통해 최종 전압을 측정하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 수집부는 상기 충방전부로부터 트리거 신호를 인가받아 상기 최종 전압과 동기화를 수행하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충방전기는 상대적으로 고전압을 생성하는 고전압 충전기 및 상기 고전압 충전기에 직렬로 연결되고 상대적으로 저전압을 생성하는 고속 충방전기를 포함하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 고전압 충전기는 직류 전압을 생성하고, 상기 고속 충방전기는 교류 전압을 생성하는 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 고전압 충전기에 병렬로 연결된 고전압 방전기를 더 포함하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고전압 방전기는 전자 부하로 구성되는 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈에 충방전 전류를 인가하는 동안 상기 고전압 방전기를 통해 흐르는 전류는 0[A]가 되지 않는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 고전압 방전기에 대해 보정 전류가 설정되어, 상기 배터리 모듈에 충방전 전류를 인가하는 동안, 상기 고전압 방전기에 상기 보정 전류가 상시 인가되는 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈 및 다수개의 상기 배터리 모듈이 상호간에 전기적으로 연결되어 형성된 배터리 팩에 대해 동시에 충방전 전류를 인가하여 배터리의 임피던스를 측정하는 시스템.
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