‘임피던스 스펙트럼을 이용한 배터리 진단(1)’은 2014년 7/8월호 106페이지에 게제되었습니다.

임피던스 스펙트럼을 활용한 배터리 진단은 복잡하고 불투명한 배터리 상태를 신속하고도 정확하게 진단해주는 기술로 주목 받고 있다. 독일 BRS사 제품인 임피던스 스펙트럼 분석장비 BIM은 콤팩트한 하드웨어, 다양한 배터리 분석기능에 편리한 사용자 인터페이스까지 제공하고 있어 다양한 종류의 배터리를 진단하는데 활용되고 있다. 현재 BIM의 휴대성을 높이기 위해 스마트폰 기반의 사용자 인터페이스를 한일프로텍에서 개발해 제공하고 있다.

올바른 배터리 관리는 배터리 수명은 물론 배터리에 대한 신뢰를 높여주며, 운영비용을 절감시켜주는 효과를 가져온다. 특히, 여러 배터리 셀을 하나의 패키지로 묶어 사용할 경우 같은 종류(특성)와 상태의 배터리 셀을 사용하는 것이 배터리를 오랫동안 효율적으로 사용할 수 있는 비결이다(그림 1a, 그림 1b).

임피던스 스펙트럼은 배터리 종류를 막론하고 화학반응에 의해 전기 에너지가 생성되는 배터리의 상태를 진단하는데 사용되며, 본 글에서는 독일 BRS사의 배터리 임피던스 측정장비 BIM을 사용해 리튬배터리를 진단한 사례를 소개한다.


배터리 진단의 이해

배터리 모델
배터리 내부의 전기 화학 프로세스는 그림 2와 같은 전기적 모델로 표현된다.
배터리의 전기적 반응은 Ohm 저항, Capacitance, Inductance로 표현되며, 복합적이고 비선형적인 특성을 지니고 있어 실질적으로 배터리를 분석하는데 그림 3과 같은 간소화된 임피던스 모델을 사용한다.



여기서 Rs는 배터리 내부 Ohm 저항을 의미하며 배터리의 노화상태(State of Health, SoH)의 기준이 된다. Rp는 배터리 내의 전기화학 반응속도, 그리고 Cp는 전극과 전해질 사이의 전기 이중층에 의한 축전기 기능을 의미하며, 이들은 배터리 충전상태(State of Charge, SoC)의 기준이 된다. Z는 배터리의 종합 임피던스를 뜻한다.

임피던스 측정에 앞서 배터리가 충전이나 부하로 인해 배터리 내의 화학반응을 유발시켰다면 일정 시간의 안정화 과정을 거쳐야 올바른 진단결과를 얻을 수 있다는 점을 유의해야 한다.

배터리 임피던스
주파수에 따라 변하는 배터리의 임피던스에 그림 3의 전기적 모델을 적용하면 그림 4와 같은 Nyquist 선도를 구할 수 있다.



Nyquist 선도가 주파수 1 kHz 부근에서 실수(R_real)축과 교차하는 지점의 내부 저항 Rs는 AC 저항이라고 불리며, 배터리의 노화상태, 즉 SoH를 나타내는 기준이 된다.

그림 5는 특정 Li-Polymer 배터리에서 측정한 건강상태(SoH)에 따른 임피던스 변화를 보여준다. 이때 배터리 전압은 3.95~4.01 V, 온도는 17.8~18.4 ℃ 였으며, 현실적으로 동일한 조건에서 건강상태가 다른 배터리의 임피던스 측정이 이루어졌다고 할 수 있다.

AC 저항 Rs가 커질수록 배터리의 노화가 진행되었다는 것을 의미하며, 노화상태의 판단은 기준(Reference) 배터리의 방전특성 비교를 통해 실질적으로 이뤄진다.



그림 6은 특정 Li-ion 배터리의 충전상태에 따른 임피던스 변화를 보여주며, 배터리 충전상태가 낮을수록 임피던스 변화는 큰 원을 그린다는 것을 표 1을 통해 관찰할 수 있다.




배터리 테스트의 종류

1) 허용 오차 테스트(Tolerance Test)
동일한 종류의 배터리라 할지라도 제조사 및 생산과정에 따른 배터리 특성의 오차가 있을 수 있어 일정한 품질을 유지하기 위하여 오차(Tolerance) 테스트가 필요하다.
허용 오차 테스트는 테스트 대상 배터리가 기준치의 오차 범위 내에 들어있는지 판단하는 테스트로 다음과 같은 방법이 사용된다(그림 7).
- 배터리의 특성을 대표적으로 나타내는 단일 주파수에서의 내부저항 비교
- 임피던스 모델 즉 파라미터(Rs, Rp, Cp) 비교
- Nyquist 선도 비교

2) 진단 테스트(Diagnosis Test)
진단 테스트는 기준이 되는 배터리의 부하특성을 활용해 측정 대상 배터리의 SoH와 SoC를 분석하는 테스트이다(그림 8). 진단기준은 배터리 종류에 따라 달라진다.

3) 용량 테스트(Capacity Test) 
배터리의 적합성을 판단하기 위하여 완충된 배터리에 일정한 부하를 걸어 최종 방전 전압까지 소모되는 전류(Discharge Current)를 적분하여 배터리의 전하용량을 평가하는 방법이다(그림 9). 이 과정은 보통 많은 시간이 소요된다. 그러나 노화상태가 진행될수록 배터리의 내부저항이 상승한다는 사실을 이용하면, 몇 초 내에 배터리의 잔여용량을 질적으로 예측할 수 있다. 이때 그 결과는 배터리의 충전상태에 거의 영향을 받지 않는다.

배터리 테스트의 목적

1) 적합성 검증
사용용도에 적합한 배터리를 선택하기 위하여 검증하려는 배터리에 일정한 프로파일의 부하를 걸어 충분한 전하용량이 제공되는지 검토한다(그림 10).
2) 배터리 분류
배터리 패키지의 성능과 수명을 최대화하기 위하여 같은 특성과 상태를 가진 배터리 셀을 선별해 그룹화하는 것이 중요하다. 배터리의 조합 적합성을 평가하는데 SoH, SoC, 임피던스 등이 고려된다(그림 11).
 3) 품질 관리
임피던스 특성을 정기적으로 점검하여 배터리/패키지의 상태변화를 관리하는 것이 안전하고 효율적인 배터리 운영을 위해 중요하다(그림 12). 품질관리를 통해 배터리의 교체시기도 사전에 예측할 수 있게 된다(그림 13).
4) 온라인 진단
평가 기준을 마련하여 배터리의 충전 및 노화 상태를 온라인에서 신속하고 간편하게 분석할 수 있다.

5) A/S 서비스 진단
신속하고 정밀한 진단을 통해 배터리의 충전상태(SoC)와 노화상태(SoH)는 물론 배터리의 결함여부도 밝혀질 수 있다(표 2).
임피던스 스펙트럼을 활용한 배터리 진단은 복잡하고 불투명한 배터리 상태를 신속하고도 정확하게 진단해주는 기술로 주목 받고 있다. 독일 BRS사 제품인 임피던스 스펙트럼 분석장비 BIM은 콤팩트한 하드웨어, 다양한 배터리 분석기능에 편리한 사용자 인터페이스까지 제공하고 있어 다양한 종류의 배터리를 진단하는데 활용되고 있다. 현재 BIM의 휴대성을 높이기 위해 스마트폰 기반의 사용자 인터페이스를 한일프로텍에서 개발해 제공하고 있다. 이외에도 BIM을 기반으로 사용자 편의 및 요구에 따른 배터리 진단장비의 Customizing이 가능하다. 






참고자료

[1] 전경석, 볼프강 슈미트(Wolfgang Schmid): 임피던스 스펙트럼을 이용한 배터리 진단,
[2] BRS Messtechnik: BIM1/BIM2/BIM3/BIM300 Battery Impedance Meters, Instruction Manual