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KR-102959464-B1 - METHOD FOR MEASURING DISTRIBUTION OF RELAXATION TIMES OF ELECTROCHEMICAL CELL

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Abstract

본 발명은 프로세서에 의해, 시상수 측정 범위에 기초하여 적어도 하나의 샘플링 윈도우를 결정하고, 사용자에 의해 입력되는 측정 파라미터 및 결정된 하나 이상의 샘플링 윈도우들에 기초하여 전기화학 셀에 입력 전류를 인가하고, 입력 전류에 응답하여 출력되는 전압 신호 및 전류 신호를 수신하고, 결정된 하나 이상의 샘플링 윈도우들 별로 전압 신호 및 전류 신호를 재샘플링하고, 재샘플링된 전압 신호 및 재샘플링된 전류를 분석하여 완화시간 분포를 계산한다.

Inventors

  • 홍영진
  • 이영재
  • 김종현
  • 최성호
  • 명석한
  • 정지현

Assignees

  • 주식회사 민테크

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240913

Claims (18)

  1. 프로세서에 의해, 시상수 측정 범위에 기초하여 시간 도메인에서의 샘플링 간격과 샘플 개수를 산출하여 적어도 하나의 샘플링 윈도우를 결정하는 단계; 사용자에 의해 입력되는 측정 파라미터 및 상기 결정된 하나 이상의 샘플링 윈도우들에 기초하여 전기화학 셀에 입력 전류를 인가하고, 상기 입력 전류에 응답하여 출력되는 전압 신호 및 전류 신호를 수신하는 단계; 상기 결정된 하나 이상의 샘플링 윈도우들 별로 상기 전압 신호 및 상기 전류 신호를 재샘플링하는 단계; 및 상기 재샘플링된 전압 신호 및 상기 재샘플링된 전류 신호를 분석하여 완화시간 분포를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 측정 파라미터는 예측 임피던스 크기, 측정의 선형성을 보장하기 위한 전압의 최대 변화폭, 및 시상수 측정 범위 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 완화시간 분포를 계산하는 단계는, 상기 재샘플링된 전압 신호를 비선형 근사하여 완화시간 분포를 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 에너지 저장 장치를 포함하는 것인, 완화시간 분포 측정 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 측정 파라미터는 전기화학 셀의 개방회로 전압 측정을 위한 지연시간 파라미터 및 안정성 관련 파라미터 중 적어도 하나를 더 포함하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 샘플링 윈도우들은 프로세싱 메모리의 크기에 기초하여 샘플링 간격과 샘플 개수를 결정하는 것인, 완화시간 분포 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 하나 이상의 샘플링 윈도우들은 서로 중첩되는 것을 특징으로 하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 입력 전류는 스텝(step) 함수인 것을 특징으로 하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 전기화학 셀의 상태가 안정된 이후 입력 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전압 신호 및 상기 전류 신호를 재샘플링하는 단계는, 미리 결정된 타임 딜레이에 기초하여 설정된 시간 도메인 상에서 상기 전압 신호 및 상기 전류 신호를 재샘플링하는 것을 특징으로 하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전압 신호 및 상기 전류 신호를 재샘플링하는 단계는, 디지털 필터에 의해 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 완화시간 분포를 계산하는 단계는, 상기 입력 전류에 응답하여 출력되는 전압 신호의 신호 대 노이즈 비(SNR; Signal to Noise Ratio)에 기초하여 특이값 분해법(singular value decomposition) 및 고유값 분해법(eignevalue decomposition)에 따라 완화시간 분포를 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 출력된 완화시간 분포로부터 모델 전압 및 모델 전류 신호를 계산하는 단계; 상기 수신된 전압 신호와 모델 전압 신호 사이의 제1 차이값 및 상기 수신된 전류 신호와 모델 전류 신호 사이의 제2 차이값을 계산하는 단계; 상기 제1 차이값의 단위 시간당 변화량이 제1 임계값 이하인지 여부를 판별하는 단계; 및 상기 제2 차이값의 단위 시간당 변화량이 제2 임계값 이하인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함하는 완화시간 분포 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 차이값의 단위 시간당 변화량의 제1 분산과 상기 제2 차이값의 단위 시간당 변화량의 제2 분산을 계산하는 단계; 상기 제1 분산이 제3 임계값 이하인지 여부를 판별하는 단계; 및 상기 제2 분산이 제4 임계값 이하인지 여부를 판별하는 단계를 더 포함하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 계산된 완화시간 분포로부터 임피던스 스펙트럼을 계산하여 출력하는 단계를 더 포함하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 계산된 완화시간 분포로부터 전기화학 셀의 불량 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기화학 셀의 불량 여부를 판단하는 단계는 상기 완화시간 분포의 특정 시간 상수 영역에서의 피크 특성을 추출하는 단계; 및 상기 피크 특성이 미리 설정된 임계값을 초과하거나 미달하는 경우, 상기 전기화학 셀을 불량으로 판단하는 단계;를 포함하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 피크 특성은 상기 피크의 높이(height), 피크의 폭(width), 및 피크의 면적 중 적어도 하나를 포함하는, 완화시간 분포 측정 방법.
  18. 프로세서에 의해, 사용자에 의해 입력되는 측정 파라미터에 기초하여 전기화학 셀에 입력 전류를 인가하고, 상기 입력 전류에 응답하여 출력되는 전압 신호 및 전류 신호를 수신하는 단계; 상기 측정된 전압 신호 및 상기 전류 신호를 재샘플링하는 단계; 및 상기 재샘플링된 전압 신호 및 상기 재샘플링된 전류 신호에 기초하여 특이값 분해법 (singular value decomposition) 및 고유값 분해법 (eignevalue decomposition)에 따라 완화시간 분포를 계산하는 단계를 포함하며, 상기 측정 파라미터는 예측 임피던스 크기, 측정의 선형성을 보장하기 위한 전압의 최대 변화폭, 및 시상수 측정 범위 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 완화시간 분포를 계산하는 단계는, 상기 재샘플링된 전압 신호를 비선형 근사하여 완화시간 분포를 계산하는 단계인 것을 특징으로 하는, 완화시간 분포 측정 방법.

Description

전기화학 셀의 완화시간 분포 측정 방법 {METHOD FOR MEASURING DISTRIBUTION OF RELAXATION TIMES OF ELECTROCHEMICAL CELL} 본 발명은 완화시간 분포 측정 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전기화학 셀의 상태 판별 및 모델링에 이용할 수 있는 완화시간 분포 측정 방법에 관한 것이다. 스마트폰 및 태블릿 PC 등과 같이 휴대성을 가지는 모바일 장치와, 내연기관을 사용하는 운송수단을 대체하기 위해 전기를 동력으로 사용하는 전기 자동차가 널리 보급되고 있다. 모바일 장치나 전기 자동차는 배터리 등과 같이 한정적인 전력만을 저장할 수 있는 전력 공급 장치를 사용한다. 따라서, 모바일 장치나 전기 자동차의 보급에 따라 배터리를 구성하는 전기화학 셀의 생산기술에 대한 연구가 이루어지고 있다. 전기화학 셀의 생산 수율을 개선하기 위해, 전기화학 셀의 내부 상태를 생산과정에서 사전에 판별하는 기술이 필수적이다. 이를 위해 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, 이하 EIS)이 전기화학 셀의 상태를 평가하기 위한 중요한 도구로 활용될 수 있다. 그러나 EIS는 측정 시간이 길고, 결과 해석이 복잡하다는 단점이 있어, 신속한 측정과 정확한 판별이 요구되는 상황에서 사용이 제한적일 수 있다. 이러한 EIS의 한계를 극복하기 위해, 최근에는 EIS 스펙트럼을 주파수 도메인(Frequency Domain)에서 완화시간 도메인(Relaxation Time Domain)으로 변환하여 완화시간 분포(Distribution of Relaxation Times, 이하 DRT)를 분석하는 방법이 주목받고 있다. DRT 분석을 통해 전기화학 셀 내부의 다양한 전기화학 프로세스들을 명확히 구분할 수 있으며, 각 프로세스의 특성 시간과 상대적 기여도를 파악할 수 있다. DRT는 전기화학 셀의 특성을 더욱 직관적으로 표현할 수 있어, 셀 내부의 전기화학적 과정을 보다 명확하게 이해하는 데 도움을 준다. DRT는 상대적으로 간단한 측정 장치를 사용해 빠르게 측정할 수 있어, 전기화학 셀의 상태 판별 및 모델링에 매우 효과적으로 활용될 수 있다. 특히 전기화학 셀의 제조 공정에서 불량 검출 및 내부 상태를 신속하게 판별하는 데 큰 잠재력을 가지고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, DRT 측정과 그 유효성 확인을 위한 방법 및 장치는 아직까지 거의 개발되지 않았다. 특히, 다양한 유형의 전기화학 셀에 대해 정확하고 신뢰성 있는 DRT 측정을 수행하는 방법과 측정된 DRT 데이터의 유효성을 판별하는 기술이 부족한 실정이다. 따라서, 전기화학 셀의 특성을 정확하게 분석하고 모델링하기 위해서는, 보다 정확하고 효율적인 DRT 측정 방법의 개발과 함께, 측정 결과의 유효성을 판별할 수 있는 기술의 개발이 시급히 요구된다. 이러한 기술의 발전은 전기화학 셀의 생산 공정 개선과 품질 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 완화시간 분포 측정 시스템을 보여주는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 완화시간 분포 측정 방법을 보여주는 순서도이다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 완화시간 분포 측정 방법을 보여주는 순서도이다. 도 4는 도 2의 완화시간 분포 측정 방법에서 결정되는 예시적인 샘플링 윈도우를 보여주는 그래프이다. 도 5는 도 2의 완화시간 분포 측정 방법에서 결정되는 예시적인 샘플링 윈도우를 보여주는 그래프이다. 도 6은 도 2의 완화시간 분포 측정 방법에서 입력되는 예시적인 측정 파라미터를 보여주는 개념도이다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 완화시간 분포 측정 방법을 보여주는 순서도이다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 완화시간 분포 측정 방법을 보여주는 순서도이다. 도 9는 리튬 이온 배터리에서 마이크로 단락의 생성이 완화시간 분포에 급격한 변화를 초래한다는 것을 보여주기 위한 도면이다. 도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 측정된 (a) 전압 응답 신호 (b) 계산된 완화시간 분포 (c) 잔차 신호를 보여준다. 도 11은 도 1, 도 2, 도 6, 및 도 7의 완화시간 분포 측정 방법을 수행하기 위한 전자 장치의 예시적인 구성을 보여주는 블록도이다. 이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 완화시간 분포 측정 시스템을 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면 완화시간 분포 측정 시스템(1000)은 전자 장치(1100), 신호 발생 및 측정 회로(1200), 및 전기화학 셀(1300)을 포함할 수 있다. 전기화학 셀(1300)은 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 전자 장치(1100)는 프로세서(1110)를 포함할 수 있다. 예로서, 전자 장치는 개인용 컴퓨터(Personal Computer, PC), 워크스테이션(Workstation), 노트북 컴퓨터, 이동식 장치 등 중 하나일 수 있다. 도 11을 참조하여, 프로세서(1110)를 포함하는 예시적인 전자 장치가 좀 더 구체적으로 설명될 것이다. 사용자(UE)는, 프로세서(1110)에 의해 신호 발생 및 측정 회로(1200)를 제어하는데 사용될 다양한 유형의 측정 파라미터들을 전자 장치(1100)에 입력할 수 있다. 도 6을 참조하여 사용자(UE)에 의해 입력되는 측정 파라미터들의 실시 예가 좀 더 구체적으로 설명될 것이다. 프로세서(1110)는 신호 발생 및 측정 회로(1200)와 다양한 유형의 신호를 교환할 수 있다. 프로세서(1110)는 신호 발생 및 측정 회로(1200)를 제어하기 위한 신호를 신호 발생 및 측정 회로(1200)로 출력할 수 있다. 예컨대, 프로세서(1110)는, 신호 발생 및 측정 회로(1200)에 의해 전기화학 셀(1300)에 입력 전류를 인가하기 위해, 신호 발생 및 측정 회로(1200)를 제어하기 위한 신호를 신호 발생 및 측정 회로(1200)로 출력할 수 있다. 예컨대, 입력 전류는 기준 시점 전에는 기준 값을 가지고 기준 시점 이후에 발생하는 전류 스텝(current step) 신호를 포함할 수 있다. 예컨대, 신호 발생 및 측정 회로(1200)에 의해 전류 스텝 신호가 발생하는 기준 시점은, 신호 발생 및 측정 회로(1200)의 내재된 특성, 예를 들어 신호 발생 및 측정 회로(1200)에 포함된 앰프의 슬루율(slew rate) 또는 대역폭(bandwidth)에 따라 결정되고 변할 수 있다. 이후, 프로세서(1110)는 입력 전류에 응답하여 전기화학 셀(1300)로부터 전압 신호 및 전류 신호가 출력되고, 전기화학 셀(1300)로부터 출력되는 전압 신호 및 전류 신호가 신호 발생 및 측정 회로(1200)를 통해 프로세서(1110)에 의해 수신될 수 있다. 프로세서(1110)는 수신되는 전압 신호 및 전류 신호에 기초하여 완화시간 분포를 계산할 수 있다. 신호 발생 및 측정 회로(1200)는 전기화학 셀(1300)로부터 수신되는 아날로그 신호 및 프로세서(1110)로부터 수신되는 디지털 신호를 처리하도록 구성되는 다양한 형태의 전자회로들을 포함할 수 있다. 예컨대, 신호 발생 및 측정 회로(1200)는 전류 신호나 전압 신호에 포함된 노이즈를 감소시키도록 구성되는 잡음 제거 회로를 포함할 수 있다. 신호 발생 및 측정 회로(1200)는 전기화학 셀(1300)로부터 수신되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하도록 구성되는 전자 회로, 예컨대, ADC(Analog-to-Digital Converter) 등을 포함할 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 완화시간 분포 측정 방법을 보여주는 순서도이다. S110 동작에서, 프로세서(1110)는 신호 발생 및 측정 회로(1200)를 통해 전기화학 셀(1300)로부터 전압 신호 및 전류 신호를 수신하고 획득할 수 있다. 프로세서(1110)에 의해 전기화학 셀(1300)로부터 전압 신호 및 전류 신호를 획득하기 위한 예시적인 방법이 도 2 및 도 6를 참조하여 설명될 것이므로, 이하 중복되는 내용은 생략된다. S120 동작에서, 프로세서(1110)는 S110 동작에서 획득된 전압 신호 및 전류 신호를 재샘플링할 수 있다. 프로세서(1110)는 전압 신호 및 전류 신호를 재샘플링하기 위해, 디지털 필터 회로의 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, S110 동작에서 인가되는 입력 전류가 전류 스텝 신호를 포함할 경우, 프로세서(1110)는 전류 스텝 신호가 발생하는 기준 시점과 신호 발생 및 측정 회로(1200)의 측정 기준 시점 사이의 차이에 따른 타임 딜레이를 계산할 수 있다. 프로세서(1110)는 계산된 타임 딜레이에 기초하여 설정되는 시간 도메인 상에서 디지털 필터 회로의 동작을 수행할 수 있다. 프로세서(1110)는 디지털 필터 회로의 동작을 수행함으로써, 신호 발생 및 측정 회로(1200)로부터 수신되는 전압 신호 및 전류 신호에 포함된 노이즈를 제거할 수 있다. S130 동작에서, 프로세서(1110)는 S120 동작에서 재샘플링된 전압 신호 및 전류 신호에 기초하여 전기화학 셀(1300)에 대한 완화시간 분포를 계산할 수 있다. 예컨대, 프로세서(1110)는 재샘플링된 전압 신호 및 전류 신호를 분석할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(1110)는 재샘플링된 전압 신호를 비선형 근사하여 완화시간 분포를 계산할 수 있다. 보다 바람직하게는, 프로세서(1110)는 S120 단계에서 획득되는 전압 신호의 신호 대 노이즈 비(SNR; Signal to Noise Ratio)에 기초하여 특이값 분해법 (singular value decomposition) 및 고유값 분해법(eignevalue decomposition)에 따라 완화시간 분포를 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 입력 전류가 전류 스텝 신호 인 경우, 라플라스 변환을 통해 s 도메인에서 전류 인가 함수는 가 된다. 임피던스 모델을 Voigt 회로라 가정하면, s 도메인에서 임피던스는 아래 수학식 1과 같이 표현할 수 있다. [수학식 1] 따라서, 시간 도메인에서 전압 신호는 오옴의