[논문]임피던스를 이용한 배터리 모니터링 기술

심재홍; 김재동

임피던스를 이용한 배터리 모니터링 기술
Development of a Battery Monitoring Technology using Its Impedance 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.10 no.4, 2011년, pp.25 - 29

심재홍 (한국산업기술대학교 메카트로닉스공학과) , 김재동 ((주)웬스정밀)

Abstract ▼ AI-Helper

Emerging demands for rechargeable battery for various applications needs more effective battery management system such as the prediction of the usable time about a battery. Many prediction methods have been suggested but none of them come into bounds of reliability. In this paper, we proposed a new prediction algorithm for the remaining capacity of a rechargeable battery by using the transformed curve based on its impedance. Hardware for monitoring a battery was designed and made. Through a series of experiment, we showed the effectiveness of the proposed prediction algorithm of a battery's remaining capacity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 배터리사용 시스템이 동작 중에 정전이나 배터리 전원계통에 이상시 또는 외부충격이나 열화로 인해 배터리 용량의 급격한 감소로 배터리 잔존 용량이 크게 부족할 때나 충전장치 고장 등 극한환경에 처했을 때 이에 유연하게 대처하고 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 배터리사용 시스템의 에너지관리를† 효율적으로 할 수 있도록 배터리의 잔존용량 측정 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 배터리의 잔존용량 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 배터리의 임피던스를 측정해서 그 변화를 기반으로 배터리의 성능을 분석하는 방법을 제안하였다. 배터리 방전특성곡선에 변환커브 알고리즘을 적용하여 일정 부하상태에서 현재의 배터리 정보(전압, 전류, 온도, 임피던스)를 바탕으로 배터리의 잔존 용량과 사용가능시간을 예측하였다.

제안 방법

(7) 예측 에러를 최소화하기 위해 (5), (6) 잔여 용량 예측방법을 동시에 적용해서 평균한다. 배터리의 온도가 증가하면 임피던스는 감소한다.
Fig. 9에서 표시된 것과 같이 전압, 전류, 온도는 배터리로부터 직접 데이터를 취득해서 ADC(AnalogDigital Converter)를 통해서 병렬통신으로 플랫폼으로 전달되지만 임피던스는 DAC를 통해 유기된 교류전류를 배터리에 인가하고 여기서 유기되는 전압을 측정함으로서 임피던스를 계산하였다.
이 방법은 간단하지만 전지의 열화특성이 고려되지 않아 측정오차가 매우 크다. 두 번째 방법은 충방전 전하연산법으로 전지에 충전된 전하량에서 방전되는 전하량을 감산하여 잔존용량을 예측한다. 이 방식은 오차 성능은 개선되나 전지열화특성이 고려되지 않아 정밀도는 20% 이하로 낮다.
본 논문에서는 배터리의 잔존용량 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 배터리의 임피던스를 측정해서 그 변화를 기반으로 배터리의 성능을 분석하는 방법을 제안하였다. 배터리 방전특성곡선에 변환커브 알고리즘을 적용하여 일정 부하상태에서 현재의 배터리 정보(전압, 전류, 온도, 임피던스)를 바탕으로 배터리의 잔존 용량과 사용가능시간을 예측하였다. 제안된 알고리즘을 구현하기 위해 배터리 모니터링 H/W를 설계, 제작하였다.
이때, 임피던스와 온도에 배터리의 효율관계를 적용한다. 배터리 제조사에서 제공하는 종지특성(임피던스) 및 충방전 사이클에 따른 충방전 특성을 고려하여 DB를 구축한다.
본 논문에서는 배터리사용 시스템이 동작 중에 정전이나 배터리 전원계통에 이상시 또는 외부충격이나 열화로 인해 배터리 용량의 급격한 감소로 배터리 잔존 용량이 크게 부족할 때나 충전장치 고장 등 극한환경에 처했을 때 이에 유연하게 대처하고 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 배터리사용 시스템의 에너지관리를† 효율적으로 할 수 있도록 배터리의 잔존용량 측정 정확도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 배터리 특성 분석에 있어서 가장 중요한 인자인 배터리의 임피던스를 측정해서 그 변화를 기반으로 배터리의 성능을 분석하는 방법으로서, 변환커브 (Transformed Curve) 알고리즘을 적용하여 부하상태에서 현재의 배터리 정보(전압, 전류, 온도, 임피던스)와 이를 바탕으로 계산 되어진 배터리의 잔량과 전지의 이상 유무, 배터리의 사용가능시간 예측, 충전잔여시간을 예측하고자 한다.
(6) 적분법을 사용해서 배터리의 예상되는 잔여 사용 용량(Remaining Capacity)을 계산한다. 배터리의 총용량(Total Capacity)에서 사용 전류의 적분 결과를 감산하여 잔여 용량을 산출한다.
이 방식은 오차 성능은 개선되나 전지열화특성이 고려되지 않아 정밀도는 20% 이하로 낮다. 세 번째 방법은 내부저항 측정법으로서 열화로 인한 전지 내부저항 값을 측정하여 잔존 용량을 연산한다. 그러나 이 방법은 활용 내부저항 측정이 오프라인으로 행해져서 실시간 구현이 어렵고, 측정용 계측기의 정밀도가 높아야 되므로 장치 가격이 상승되는 단점이 있다.
시스템의 일정한 부하상태에서 방전전압측정을 한번에, 전체 사이클을 하고 확실한 예측양식에 현재 작업부하의 일부 전압곡선을 변환에 사용한다, 즉 변형된 곡선의 흐름을 기반으로 통계적 방법을 적용하여 수명을 예측한다.
본 논문에서 제안한 배터리 잔존용량을 예측하기 위해 U1604 디지털 오실로스코우프에 사용하고 있는 4,500 mAh Ni-MH 배터리에 대해 실험을 수행하였다. 이 시험은 배터리를 만충전 상태에서 종지전압까지 연속 방전을 기준으로 시험하였다. 이때, 방전전류는 평균 790 mA이었다.
임피던스 측정은 Fig. 10과 같이 임피던스 프로세서 내부에 있는 DAC를 이용해서 교류 정전류를 발생시키고 이를 측정대상인 배터리에 인가해서 여기에 유기 되는 교류전압을 측정해서 임피던스를 연산하고 여기에 위상차로 발생하는 부분을 보상해서 최종 임피던스를 측정하였다.
배터리 방전특성곡선에 변환커브 알고리즘을 적용하여 일정 부하상태에서 현재의 배터리 정보(전압, 전류, 온도, 임피던스)를 바탕으로 배터리의 잔존 용량과 사용가능시간을 예측하였다. 제안된 알고리즘을 구현하기 위해 배터리 모니터링 H/W를 설계, 제작하였다. 실제 배터리의 잔존용량을 측정하기 위해 Ni-MH 배터리에 대해 제안된 알고리즘을 적용한 결과 약 96%정도의 정확도를 가지고 배터리의 사용가능시간을 예측할 수 있었다.
일반적으로 2차 전지 잔존용량 평가에 가장 많이 적용 되는 기존 방식들은 다음과 같이 세 종류로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 전지단자 전압법으로 전지의 양단 전압을 측정하여 전지의 잔존용량을 평가한다. 이 방법은 간단하지만 전지의 열화특성이 고려되지 않아 측정오차가 매우 크다.
(2)예측하고자 하는 배터리에 대한 방전 특성 곡선을 얻는다. 측정 대상 방전커브와 (1)에서 구한 방전 커브를 시간함수로 변환하고 기본 선형성을 확보한다.

대상 데이터

(4) 전압, 전류, 온도, 임피던스와 같은 배터리 사용 환경에 대한 데이터를 수집한다. 이때, 임피던스와 온도에 배터리의 효율관계를 적용한다.
본 논문에서 제안한 배터리 잔존용량을 예측하기 위해 U1604 디지털 오실로스코우프에 사용하고 있는 4,500 mAh Ni-MH 배터리에 대해 실험을 수행하였다. 이 시험은 배터리를 만충전 상태에서 종지전압까지 연속 방전을 기준으로 시험하였다.

이론/모형

(3) Fig. 5의 경우 비선형적인 특성으로 인해 수명예측을 효과적으로 하기 어렵기 때문에 보간법, 추세선, 최소 자승법(Least Square Fitting)을 이용해서 선형화를 한다.
(6) 적분법을 사용해서 배터리의 예상되는 잔여 사용 용량(Remaining Capacity)을 계산한다. 배터리의 총용량(Total Capacity)에서 사용 전류의 적분 결과를 감산하여 잔여 용량을 산출한다.

성능/효과

11에서 보는 바와 같이 2회에 걸쳐 방전 시험한 결과 종지전압까지 평균 17,034sec 사용하였다. 따라서 96.3%의 정확도를 가지고 배터리 잔존용량을 예측할 수 있었다.
본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 시험한 결과 실험대상 배터리의 잔여 사용가능 시간은 16,405 sec로 예측되었다. 실제 배터리를 Fig.
본 논문에서 제안한 알고리즘에 의해 시험한 결과 실험대상 배터리의 잔여 사용가능 시간은 16,405 sec로 예측되었다. 실제 배터리를 Fig. 11에서 보는 바와 같이 2회에 걸쳐 방전 시험한 결과 종지전압까지 평균 17,034sec 사용하였다. 따라서 96.
제안된 알고리즘을 구현하기 위해 배터리 모니터링 H/W를 설계, 제작하였다. 실제 배터리의 잔존용량을 측정하기 위해 Ni-MH 배터리에 대해 제안된 알고리즘을 적용한 결과 약 96%정도의 정확도를 가지고 배터리의 사용가능시간을 예측할 수 있었다.

후속연구

향후 본 알고리즘을 적용하여 2차 전지의 잔존 수명을 예측할 수 있는 알고리즘 개발에 대한 연구를 추가적으로 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	변환 커브기술이란?	변환 커브기술은 통계적 방법을 사용해서 임베디드 및 모바일 장치의 배터리 수명을 온오프라인으로 예측이 가능한 방법으로 기본적으로 아래와 같은 예측 기반을 두고 있다.
	배터리 모니터링을 위한 임피던스 계측기기의 특징은?	배터리 모니터링을 위한 임피던스 계측기기는 측정 대상 배터리에서 측정하는 주요 인자를 동시에 2~3가지를 측정하는 방식으로 즉 배터리의 임피던스를 배터리의 방전전압, 방전전류, 온도와 동시에 측정이 가능한 계측기기로 데이터를 취득하는 전체 시스템의 구조는 아래와 같다.
	2차 전지 잔존용량 평가에 가장 많이 사용되는 방법과 특징은?	일반적으로 2차 전지 잔존용량 평가에 가장 많이 적용 되는 기존 방식들은 다음과 같이 세 종류로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 전지단자 전압법으로 전지의 양단 전압을 측정하여 전지의 잔존용량을 평가한다. 이 방법은 간단하지만 전지의 열화특성이 고려되지 않아 측정오차가 매우 크다. 두 번째 방법은 충방전 전하연산법으로 전지에 충전된 전하량에서 방전되는 전하량을 감산하여 잔존용량을 예측한다. 이 방식은 오차 성능은 개선되나 전지열화특성이 고려되지 않아 정밀도는 20% 이하로 낮다. 세 번째 방법은 내부저항 측정법으로서 열화로 인한 전지 내부저항 값을 측정하여 잔존 용량을 연산한다. 그러나 이 방법은 활용 내부저항 측정이 오프라인으로 행해져서 실시간 구현이 어렵고, 측정용 계측기의 정밀도가 높아야 되므로 장치 가격이 상승되는 단점이 있다.

참고문헌 (5)

김의성, 이정빈, 이재신, 신치범, 최제훈, 이석범, "리튬이온 폴리머 전지의 사이클 수명 모델링," 화학공학, 제47권, 제3호, pp.344-348, 2009.
Fortis K., Aggeliki P., Christos A. and George P., "battery Lifetime Prediction Model for a WSN Platform," 2010 Fourth Int. Conf. on Sensor Technologies and Applications, pp.525-530, 2010.
Tenno, A., Tenno, R. and Sunito, T., "Battery Impedance Characterization through inspection of discharge curves and testing with short pulses," J. of Power Sources, Vol. 158, pp.1029-1033, 2006.
Jenkins, D.P., Fletcher, J. and Kane, D., "Lifetime Prediction and Sizing of Lead-acid Batteries for Microgeneration Storage Applications," IET Renewable Power Generation, Vol.2, No.3, pp.191-200, 2008.

상세보기
Ramasany, R.P, Lee, J.W. and Popov, B.N., "Simulation Capacity Loss in Carbon Electrode for Lithumion Cells During Storage," J. of Power Resources, Vol.165, No.1, pp.266-272, 2006.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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