임피던스 스펙트럼을 이용한 배터리 진단

Battery Diagnosis with Electrical Impedance Spectroscopy

2014년 07월호 지면기사  /  글│전 경 석, 한일프로텍 볼프강 슈미트 (Wolfgang Schmid), BRS Messtechnik GmbH



배터리 상태를 진단하는데 임피던스 측정, 즉 EIS(Electrical Impedance Spectroscopy) 방식이 사용된다. 주파수별로 배터리 상태에 따라 변하는 임피던스 특성을 이용해 배터리의 충전 및 건강상태를 손쉽게 판단할 수 있다.

배터리 진단

사용자 입장에서 2가지의 배터리 상태에 관심을 갖게 된다. 하나는 얼마만큼의 에너지가 배터리에 저장돼 있는지를 나타내는 충전상태(State of Charge, SoC)이며, 다른 하나는 배터리를 얼마나 더 사용할 수 있는지를 짐작케 하는 배터리의 건강상태(State of Health, SoH)이다.


일반적으로 충전과 방전을 되풀이 하면서 소요되는 시간, 온도, 전압을 측정해 배터리 상태를 평가하는 기준으로 삼는다. 그러나 전압만으로는 배터리 내부의 상세한 특성까지 반영하지 못하는 단점이 있다.

임피던스는 전극에서 화학(산화-환원)반응을 일으킬 때 전기 전달을 방해하는 원인으로 해석되며, 배터리 분석을 정확하고 신속하게 수행하기 위하여 임피던스 분광법(EIS)이 사용된다.



배터리 특성과 임피던스

배터리 내부의 전기화학 프로세스는 그림 1과 같은 전기적 모델로 표현된다.
이와 같은 전기적 모델은 여러 개의 구성요소, 즉 저항, 콘덴서(Capacitor), 인덕터(Inductor), Time Delay 등으로 구성되며 복합적이고 비선형적인 특성을 지니고 있어 실질적으로 배터리를 분석하는데 그림 2의 간소화된 임피던스 모델이 사용된다.

여기서 Z는 배터리의 종합 임피던스를 뜻하며, 실수 R_real과 허수 R_imag로 구분된다.
Rs는 배터리 내부(전극, 전해질)의 옴(Ohm) 저항을 의미하며, 전압/전류의 변화 주기가 클수록 배터리 특성에 지배적인 영향을 미친다. 그래서 Rs는 AC 저항이라고도 불린다. Rs 값은 배터리의 노화현상으로 인해 성능이 떨어질수록 상승한다. 따라서 Rs는 배터리의 SoH를 판단하는 기준이 된다. 리튬이온(Li-ion) 배터리의 경우 1 kHz 부근에서 Rs가 검출된다(그림 3).


Rs와 SoH의 관계는 배터리 종류, 크기와 형태에 따라 상대적으로 달라지기 때문에 시범적으로 동종 배터리를 사전에 조사해 평가 기준을 정의해 사용하면서 Rs와 SoH의 상호관계를 지속적으로 업데이트 하는 방식이 적용된다.
Rp는 배터리 내의 전기화학계 반응속도, Cp는 전극과 전해질 사이의 전기이중층에 의한 축전기 기능을 상징한다. 따라서 Rp와 Cp는 배터리의 충전상태(SoC)를 나타내는 기준이 된다.

배터리의 임피던스는 온도에 따라 비교적 예민하게 반응하기 때문에 정확한 분석결과를 얻기 위해 온도 보정이 이뤄져야 한다.

그림 4는 새(new) 리튬이온 배터리와 사용한(old) 배터리의 Rs 변화를 보여준다. 노화현상이 증가하면 배터리의 Rs 값이 오른쪽으로 커지는 것을 볼 수 있다.

그림 5는 리튬이온 배터리의 충전상태에 따라 달라지는 임피던스 모습을 보여주며, 방전이 심화될수록 DC 저항 Rp가 커지는 것을 확인할 수 있다.

그림 6은 한 리튬이온 배터리의 SoC와 임피던스의 허수인 R_imag의 관계를 보여준다.
배터리의 SoC 및 SoH 상태 외에도 주파수 특성의 임피던스 형태를 통해 손상된 배터리를 가려낼 수 있다(그림 7


임피던스 스펙트럼 분석장비

주파수에 따른 임피던스 분석장비는 배터리 상태를 신속하게 평가할 수 있는 기반을 제공한다.
약 1 kHz의 주파수에서 측정되는 AC 특성은 배터리의 노화상태를 평가하고 저주파수(약 1 Hz)에서 측정되는 DC 특성은 배터리의 충전상태를 판단하는 데 사용된다.
임피던스 측정을 이용한 배터리 진단의 장점은 다음과 같다.

-- 신속한 품질검사
-- 신속하고 정확한 배터리 진단
-- 손상 입은 배터리의 품별
-- 배터리 상태에 최적화된 충전방식으로
-- 배터리 수명 극대화
-- 정확한 충전상태를 통해 배터리 주행거리/사용시간의 정확한 예측
-- 배터리 사용 중에도 잔여 수명 예측

독일 BRS Messtechnik(www.brs-messtechnik.de)사는 각종 배터리 진단장비를 개발했으며, 이 진단 장비들은 연구개발, 생산, 정비 업무에 폭넓게 사용된다.
이 장비는 리튬 배터리뿐만 아니라 납축전지의 진단에도 사용된다.

한일프로텍(www.hanilprotech.com)은 BRS 사의 협력 파트너로서 한국을 비롯해 아시아 지역의 고객지원을 책임지고 있으며, 공동개발에도 적극적으로 참여할 계획이다. 공동개발의 1차 결과로서 BRS 사 진단장비를 모바일(Smartphone) 환경에서도 손쉽게 접근할 수 있는 UI(User Interface)를 개발했다. 

참고문헌
[1] “Batteriediagnose mit spektraler Impedanzmesstechnik ”, Wolfgang Schmid/BRS Messtechnik MESSN UND TESTEN AUTOMOTIVE 11.2011
[2] “Gleichartige Batteriezellen gruppieren”, Wolfgang Schmid/BRS Messtechnik Energy 2.0, Ausgabe. 2013
[3] Application Note 11: “Akku-Diagnose, BRS Messtechnik”, 5/2013
[4] Application Note 10: “Online-Analyse fur Prustand und Erprobung” BRS Messtechnik, 5/2013
[5] Application Note 9: “Modul-Fertigungstests”, BRS-Messtechnik, 5/2013

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