[논문]리튬배터리의 잔여 유효 수명 추정을 위한 배터리 모듈용 AC 임피던스 스펙트럼 측정장치

이승준; 파르한 파루크; 칸 아사드; 최우진

doi:10.6113/tkpe.2020.25.4.251

리튬배터리의 잔여 유효 수명 추정을 위한 배터리 모듈용 AC 임피던스 스펙트럼 측정장치
An AC Impedance Spectrum Measurement Device for the Battery Module to Predict the Remaining Useful Life of the Lithium-Ion Batteries 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.4, 2020년, pp.251 - 260

이승준 (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University) , 파르한 파루크 (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University) , 칸 아사드 (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University) , 최우진 (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil University)

Abstract ▼ AI-Helper

A growing interest has emerged in recycling used automobile batteries into energy storage systems (ESSs) to prevent their harmful effects to the environment from improper disposal and to recycle such resources. To transform used batteries into ESSs, composing battery modules with similar performance by grading them is crucial. Imbalance among battery modules degrades the performance of an entire system. Thus, the selection of modules with similar performance and remaining life is the first prerequisite in the reuse of used batteries. In this study, we develop an instrument to measure the impedance spectrum of a battery module to predict the useful remaining life of the used battery. The developed hardware and software are used to apply the AC perturbation to the used battery module and measure its impedance spectrum. The developed instrument can measure the impedance spectrum of the battery module from 0.1 Hz to 1 kHz and calculate the equivalent circuit parameters through curve fitting. The performance of the developed instrument is verified by comparing the measured impedance spectra with those obtained by a commercial equipment.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Process for the reuse of xEV lithium battery.
그림 Fig. 2. A nyquist impedance plot of a lithium-ion battery.
그림 Fig. 3. Equivalent circuit of lithium-ion battery.
그림 Fig. 4. Developed AC impedance spectrum measurement instrument for lithium battery modules.
그림 Fig. 5. Improved howland current pump.
그림 Fig. 6. Block diagram of the hardware in the developed AC impedance spectrum measurement instrument.
그림 Fig. 7. Block diagram of the developed software.
그림 Fig. 8. Display of EIS software.
표 TABLE I SPECIFICATION OF BATTERIES
표 TABLE II EIS TEST CONDITION
그림 Fig. 9. EIS test condition.
그림 Fig. 10. Equivalent circuit for curve-fitting.
표 TABLE III EIS TEST RESULT
표 TABLE IV CURVE-FITTING RESULT
그림 Fig. 11. Chi-Square test results with BIM2.
그림 Fig. 12. Repeatability test of the developed system.

AI 본문요약
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문제 정의

1Hz∼1kHz 주파수 범위의 임피던스 스펙트럼을 통하여 충분히 관찰할 수 있기때문이다^[14]. 본 논문에서는 배터리의 섭동을 통하여 얻어지는 전압 및 전류 정보로부터 임피던스 스펙트럼을 계산하기 위하여 LabVIEW를 이용한 디지털 록인 앰프를 구성하였다. 제안된 하드웨어는 전압·전류 센싱회로 및 신호증폭 회로로 구성되었으며 데이터 수집을 위하여 상용 DAQ Board를 사용하였으며, 측정 결과는 소프트웨어를 통하여 실시간으로 Nyquist plot을 디스플레이하며, 측정 종료와 동시에 배터리의 등가회로 모델을 이용한 커브피팅(Curve-Fitting)을 통해 파라미터값이 도출되도록 하였다.
본 논문에서는 이러한 고전압 사양의 모듈 단위 배터리의 임피던스 스펙트럼 측정에 적합한 배터리 모듈용 EIS 측정장치를 개발하였다. 상용화된 EIS 장비의 경우 전기화학 분야에서 폭넓게 사용되기 위하여 넓은 범위의 측정 주파수 범위를 구성하기 위하여 장비가 매우 고가인 반면, 제안된 장비의 경우 폐배터리 재활용에 초점을 맞추어 주파수 범위를 0.
본 논문에서는 폐배터리 잔존가치 평가를 위해 필수적인 배터리 모듈용 전기화학적 임피던스 분광장치를 개발하고 그 성능을 상용 장비와 비교하여 검증하였다. 다양한 배터리를 이용한 실험을 통해 두 장비의 임피던스 측정 성능의 차이는 신뢰 수준의 오차 범위 이내에 있음을 확인하였다.

제안 방법

각 배터리는 충전 혹은 방전이 끝난 후 3시간이 지난 평형 상태에서 실험이 진행되었으며, EIS 시험은 상온에서 0.1Hz∼1kHz의 주파수 범위에서 측정되었고, 2Ap-p의 전류를 인가하여 측정하였다.
본 논문에서는 개발된 측정 장치의 신뢰성을 검증하기 위해 상용 EIS 장비인 BRS사의 BIM2를 이용하여 동일한 배터리의 임피던스 스펙트럼을 측정한 후 측정값을 비교하였다. 개발된 장비를 이용하여 원통형과 파우치형의 배터리 셀 및 모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하였으며 각 배터리의 사양은 표 1과 같다. 이때, 원통형 배터리 셀은 Samsung NR 18650-29E를 사용하였으며 원통형 배터리 모듈은 동일 배터리를 4 직렬, 7 병렬의 구성으로 제작하였다.
개발된 측정장치는 그림 4에 나타낸 바와 같이 하드웨어와 LabVIEW로 구성된 소프트웨어의 결합으로 구성되며, 하드웨어는 섭동 회로(Perturbation Circuit), 센싱회로(Sensing Circuit), A/D 변환 회로(Analog-to-Digital Conversion Circuit) 및 D/A 변환 회로(Digital-to-Analog Conversion Circuit)로 구성된다. 소프트웨어는 우수한HMI(Human Machine Interface)를 제공하는 그래픽 언어인 LabVIEW를 이용하여 제작되었으며, 소프트웨어를 이용하여 0.
하지만 Potentiostat 방식의 경우 조건에 맞는 전류응답신호를 맞추기 위한 전압 섭동을 찾는 데에 어려움이 있기 때문에 전류섭동신호를 이용하는 Galvanotat 방식이 배터리의 AC 임피던스 스펙트럼을 측정하는 데에는 적절하다^[26]. 따라서 Galvanostat 방식을 이용하기위하여 소프트웨어 및 D/A 컨버터에서 생성된 전압 섭동을 전류로 변환시켜주며 신호를 증폭을 위해 그림 5와 같이 Power OP-Amp를 이용한 Improved HowlandCurrent Pump 회로를 구성하였으며 이 회로는 입력 신호와 피드백 신호를 서로 다르게 감지하는 차동 증폭기로 접지된 대상의 측정이 가능한 장점이 있다^[27].
본 논문에서는 개발된 측정 장치의 신뢰성을 검증하기 위해 상용 EIS 장비인 BRS사의 BIM2를 이용하여 동일한 배터리의 임피던스 스펙트럼을 측정한 후 측정값을 비교하였다. 개발된 장비를 이용하여 원통형과 파우치형의 배터리 셀 및 모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하였으며 각 배터리의 사양은 표 1과 같다.
소프트웨어는 우수한HMI(Human Machine Interface)를 제공하는 그래픽 언어인 LabVIEW를 이용하여 제작되었으며, 소프트웨어를 이용하여 0.1Hz∼1kHz의 주파수 범위에서의 섭동 신호의 크기와 Offset 전압을 설정하고 D/A 변환 회로에 전달하여 전압 섭동 신호를 생성하게 된다.
제안된 하드웨어는 전압·전류 센싱회로 및 신호증폭 회로로 구성되었으며 데이터 수집을 위하여 상용 DAQ Board를 사용하였으며, 측정 결과는 소프트웨어를 통하여 실시간으로 Nyquist plot을 디스플레이하며, 측정 종료와 동시에 배터리의 등가회로 모델을 이용한 커브피팅(Curve-Fitting)을 통해 파라미터값이 도출되도록 하였다.

대상 데이터

이때, 원통형 배터리 셀은 Samsung NR 18650-29E를 사용하였으며 원통형 배터리 모듈은 동일 배터리를 4 직렬, 7 병렬의 구성으로 제작하였다. 또한 파우치 배터리 셀은 Baxel 158309, NCM424를 사용하였으며 파우치 배터리모듈은 파우치 셀 4개의 직렬 연결로 구성하였다.
개발된 장비를 이용하여 원통형과 파우치형의 배터리 셀 및 모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하였으며 각 배터리의 사양은 표 1과 같다. 이때, 원통형 배터리 셀은 Samsung NR 18650-29E를 사용하였으며 원통형 배터리 모듈은 동일 배터리를 4 직렬, 7 병렬의 구성으로 제작하였다. 또한 파우치 배터리 셀은 Baxel 158309, NCM424를 사용하였으며 파우치 배터리모듈은 파우치 셀 4개의 직렬 연결로 구성하였다.

데이터처리

개발된 소프트웨어를 이용하여 여러 종류의 배터리의 임피던스 스펙트럼을 커브피팅하여 얻어진 파라미터값을 상용 소프트웨어를 이용하여 얻어진 파라미터값과 비교하였으며 그 결과는 표 4와 같다. 두 파라미터값들 사이의 오차는 최대 1.
개발된 소프트웨어를 이용하여 추출된 파라미터의 정확도를 검증하기 위하여 상용 소프트웨어인 Z-Man으로 피팅된 파라미터와 상대 오차값을 계산하였으며, 이때 그림 10과 같은 리튬전지의 등가회로 모델을 사용하였다.
개발된 측정장치의 측정 신뢰도 검증을 위하여 상용장비 BIM2를 이용하여 측정된 배터리의 임피던스 나이퀴스트 플롯과 개발된 측정장치를 이용하여 측정한 배터리의 임피던스 나이퀴스트 플롯을 비교하였다. 측정결과의 상관관계 비교를 위해서 식 (23)의 Reduced Chi-Square를 사용하였다.
제안된 하드웨어는 전압·전류 센싱회로 및 신호증폭 회로로 구성되었으며 데이터 수집을 위하여 상용 DAQ Board를 사용하였으며, 측정 결과는 소프트웨어를 통하여 실시간으로 Nyquist plot을 디스플레이하며, 측정 종료와 동시에 배터리의 등가회로 모델을 이용한 커브피팅(Curve-Fitting)을 통해 파라미터값이 도출되도록 하였다. 제안된 장치의 임피던스 스펙트럼 측정결과의 정확성 및 신뢰성을 확인하기 위하여 개발장비와 상용 장비를 이용하여 동일한 배터리를 대상으로 얻어진 결과값을 비교하고 결과의 유사성을 Reduced Chi-Square를 이용하여 분석하였다.

이론/모형

제안된 측정기기는 전류 섭동 신호를 이용하는 Galvanostat 방식을 채택하였는데, 일반적으로 배터리의 AC 임피던스 스펙트럼을 측정할 시 충·방전 전류의 10%의 전류 섭동을 권장한다.
주파수별로 측정된 배터리의 임피던스 스펙트럼으로부터 등가회로 모델의 파라미터를 추출하기 위해 Complex Nonlinear Least Square(CNLS) 피팅법을 이용한다^[32].
개발된 측정장치의 측정 신뢰도 검증을 위하여 상용장비 BIM2를 이용하여 측정된 배터리의 임피던스 나이퀴스트 플롯과 개발된 측정장치를 이용하여 측정한 배터리의 임피던스 나이퀴스트 플롯을 비교하였다. 측정결과의 상관관계 비교를 위해서 식 (23)의 Reduced Chi-Square를 사용하였다.
전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)은 비파괴적인 검사 방법으로 측정대상에 대하여 작은 섭동을 유도하고 그에 대한 응답으로부터 AC 임피던스 스펙트럼을 측정한다. 측정된 AC임피던스 스펙트럼은 물리적으로 설명이 가능한 리튬이온 배터리의 등가회로 모델(Equivalent Circuit Model, ECM)을 이용하여 커브피팅 함으로써 파라미터를 추출하며 이를 이용하여 배터리의 열화 상태 및 성능을 추정할 수 있다^[15]. EIS는 서로 다른 프로세스에 관련된 임피던스가 서로 다른 시상수(Time Constant)를 갖는다는 것에 기초하며, 측정의 유효성이 보장되기 위해서는 선형성(Linearity), 인과성(Causality), 안정성(Stability)그 리고 유한성(Finite)의 네 가지 조건을 만족하여야 한다^[15],[16].

성능/효과

개발된 측정 장비를 이용하여 측정된 원통형과 파우치형 배터리의 임피던스 스펙트럼은 각각 그림 11 및 그림 12와 같이 얻어졌고, 상용 장비(BIM2)를 측정기준으로 하여 제안된 시스템으로 측정한 결과값과의 오차가 2% 이내임을 알 수 있다.
본 논문에서는 폐배터리 잔존가치 평가를 위해 필수적인 배터리 모듈용 전기화학적 임피던스 분광장치를 개발하고 그 성능을 상용 장비와 비교하여 검증하였다. 다양한 배터리를 이용한 실험을 통해 두 장비의 임피던스 측정 성능의 차이는 신뢰 수준의 오차 범위 이내에 있음을 확인하였다. 본 개발 장치를 이용하면 폐배터리팩에서 분리된 배터리 모듈을 비파괴적인 방식으로 검사하여 폐배터리의 상태, 잔존 성능 및 잔존가치를 평가할 수 있으며, 나아가 xEV에서 얻어지는 폐배터리의 재사용 순환체계를 확립시키는 데에 크게 이바지할 것으로 기대된다.
따라서 측정된 배터리의 나이퀴스트 임피던스 플롯을 그림 3 및 수식 (3)을 이용하여 커브피팅 함으로써 등가회로의 파라미터 값들을 추출할 수 있으며, 이를 분석하면 배터리의 내부 상태 및 화학반응의 활성도를 파악할 수 있다.
EIS 측정 장비의 중요한 성능 중 하나는 반복성(Repeatability)인데 같은 조건에서 같은 측정 대상에 대한 측정 결과가 동일하게 나타나야 한다는 것이다. 반복성 측정 결과 또한 최대 오차값이 1.061%로 반복해서 측정한 데이터가 거의 동일한 결과값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
상용화된 EIS 장비의 경우 전기화학 분야에서 폭넓게 사용되기 위하여 넓은 범위의 측정 주파수 범위를 구성하기 위하여 장비가 매우 고가인 반면, 제안된 장비의 경우 폐배터리 재활용에 초점을 맞추어 주파수 범위를 0.1∼1kHz로 최적화하였으며, 노이즈가 포함된 미소 전압 및 전류 신호를 측정하여 분석하기 위하여 특정 주파수 성분을 정확하게 추출하는 록인 앰프를 디지털로 구현함으로써 기존 장비의 크기 및 비용을 대폭 감소시킬 수 있었다.

후속연구

본 개발 장치를 이용하면 폐배터리팩에서 분리된 배터리 모듈을 비파괴적인 방식으로 검사하여 폐배터리의 상태, 잔존 성능 및 잔존가치를 평가할 수 있으며, 나아가 xEV에서 얻어지는 폐배터리의 재사용 순환체계를 확립시키는 데에 크게 이바지할 것으로 기대된다. 또한, 개발된 기술은 폐배터리뿐 아니라 배터리의 양산 라인에 도입되어 제조되는 배터리의 품질을 관리하는 데에도 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 정밀한 측정 평가 방식이 도입된다면 생산되는 배터리의 품질을 균일화하여 제조된 배터리 모듈의 성능을 향상시키고 사고를 줄이는 데에도 일조할 수 있을 것으로 기대된다.
다양한 배터리를 이용한 실험을 통해 두 장비의 임피던스 측정 성능의 차이는 신뢰 수준의 오차 범위 이내에 있음을 확인하였다. 본 개발 장치를 이용하면 폐배터리팩에서 분리된 배터리 모듈을 비파괴적인 방식으로 검사하여 폐배터리의 상태, 잔존 성능 및 잔존가치를 평가할 수 있으며, 나아가 xEV에서 얻어지는 폐배터리의 재사용 순환체계를 확립시키는 데에 크게 이바지할 것으로 기대된다. 또한, 개발된 기술은 폐배터리뿐 아니라 배터리의 양산 라인에 도입되어 제조되는 배터리의 품질을 관리하는 데에도 매우 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 개발된 기술은 폐배터리뿐 아니라 배터리의 양산 라인에 도입되어 제조되는 배터리의 품질을 관리하는 데에도 매우 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 정밀한 측정 평가 방식이 도입된다면 생산되는 배터리의 품질을 균일화하여 제조된 배터리 모듈의 성능을 향상시키고 사고를 줄이는 데에도 일조할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배터리의 내부 저항을 측정하는 방법에는 무엇이 있는가?	배터리 Grading 시 사용되는 요소로는 배터리의 외관 상태, 내부 저항, 용량, 출력 전압 등이 있다[8]. 배터리의 내부 저항을 측정하는 방법에는 대표적으로 HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization)와EIS(Electrochemical Impedance spectroscopy) 등의 방법이 있다. 이 중 EIS는 전기화학기기의 내부 화학반응 프로세스와 그 변화를 더 깊이 이해할 수 있게 해주는 비파괴적인 방식으로, 리튬이온 배터리의 노화 메커니즘을 분석하기 위하여 사용할 수 있는 유용한 툴이다[9],[10].
	폐배터리의 잔존가치를 평가하기 위해서는 무엇을 분석해야 하는가?	폐배터리의 잔존가치를 평가하기 위해서는 배터리의 내부 임피던스를 분석해야 한다. EIS로 측정된 임피던스 스펙트럼을 실수와 허수로 나타낸 나이퀴스트 플롯과 배터리를 전기적으로 나타낸 등가회로를 이용하여 커브피팅을 수행하면 배터리 임피던스 파라미터를 추출할 수 있고 이를 통한 배터리 내부 상태에 관한 분석이 가능하다.
	EIS가 측정의 유효성이 보장되기 위해서는 네 가지 조건을 만족시켜야 한다, 이 조건들은 무엇인가?	첫 번째는 선형성(Linearity)으로 임피던스의 측정은 측정대상 시스템이 선형적으로 반응한다는 가정하에서만 유용하다. 전기화학적 시스템은 일반적으로 매우 비선형적이지만 작은 섭동 신호를 이용하는 하나의 동작점 근방에서는 선형적이라는 원리를 이용한다. 두 번째는 인과성(Causality)으로 시스템에 주어진 섭동 주파수와 동일한 주파수의 응답이 측정되어야 한다는 것이다. 그리고 세 번째는 안정성(Stability)으로 측정 기간 동안 시스템의 특성이 변하지 않아야 하며, 섭동이 제거된 후에는 원상태로 돌아와야 한다. 마지막으로, 네 번째는 유한성(Finiteness)으로 측정된 임피던스 값은 0과 무한대 사이에서 유한한 값을 가져야 한다는 것이다.

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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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