Development of a Low-Cost Portable EIS Instrument for Fast Evaluation of the xEV Battery Pack and Module :xEV 배터리 팩 및 모듈의 고속 평가를 위한 저가형 포터블 EIS 장비 개발

Gul Rahim

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자료유형: 학위논문

저자정보: Gul Rahim (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: 최우진

발행연도: 2021

저작권: 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수15

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2021

A Low-Cost Multi-Channel EIS Instrument for Fast Evaluation of the Lithium-Ion Battery Cells and Modules for the Reuse of xEV Batteries

Gul Rahim , Woojin Choi 전력전자학회 학술대회 논문집 2021.07 학술대회자료

A Portable Impedance Spectroscopy Instrument for the Measurement of the Impedance Spectrum of High Voltage Battery Pack

Gul Rahim , Woo-Jin Choi 전력전자학회논문지 2021.06 학술저널

Development of a Low-Cost Portable EIS Instrument for Fast Evaluation of the xEV Battery Pack and Module

Gul Rahim 전기공학과 2021.01 학위논문

2020

A Portable Impedance Spectroscopy Instrument for the Measurement of the Impedance Spectrum of High Voltage Battery Pack

Gul Rahim , Woojin Choi 전력전자학회 학술대회 논문집 2020.11 학술대회자료

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배터리의 상태(SOH)는 배터리의 남은 내용 수명(RUL)을 나타내기 때문에 배터리 사용 과정에서 중요한 매개 변수다. EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)는 배터리 상태를 관찰하는 데 널리 사용되는 기술이다. 다른 특정 주파수에서 측정된 임피던스는 배터리 상태가 내부 화학 반응과 밀접하게 연관되어 있기 때문에 배터리 상태를 평가하는 데 사용될 수 있다. 본 논문에서는 양산형 고전압 배터리 팩의 잔여 유효 수명 예측을 위한 휴대용 임피던스 분광기 개발. 계측기는 내장 DAC 모듈을 사용하여 사인파 스위프 섭동 신호를 생성하고, 전압 및 전류 신호의 듀얼 채널 획득을 수행하고, DLA(Digital Lock-in Amplifier)를 사용하여 임피던스를 계산하고, 결과를 PC로 전송한다. LabVIEW를 사용하여 EIS 정보를 실시간으로 표시하는 인터페이스가 개발되었다. 개발된 기기는 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼을 최대 1000V까지 측정하는 데 적합하다. 계측기의 측정 주파수 범위는 1Hz ~ 1KHz입니다. 개발된 시스템의 성능을 입증하기 위해 삼성 SM3 배터리 팩과 Bexel 파우치 모듈의 임피던스를 측정하여 상용 기기가 획득한 임피던스와 비교하였다.
본 논문은 두 개의 주요 장으로 구성되어 있으며, 제1장에서는 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기 개발에 대해 설명한다. 개발된 기기와 상용 기구의 소프트웨어 개발, 하드웨어 개발, 실험 결과, 비교 등을 자세히 제공한다. 시중에서 구입할 수 있는 임피던스 분광기 기기와 비교하면 개발된 기기의 정밀도와 정확도가 입증된다. 제2장에서는 1장에서 개발한 계측기의 하드웨어와 소프트웨어를 휴대용 다채널 임피던스 분광기기로 업그레이드한다. 최대 8개의 배터리 셀을 동시에 테스트할 수 있습니다. 그것의 실험 결과와 그것의 비교는 상업 기구와 함께 보여진다. 측정 된 EIS 결과는 Kramers-Kronig 변환을 사용하여 검증된다.

The battery’s State of Health (SOH) is a critical parameter in the process of battery use since it represents the Remaining Useful Life (RUL) of the battery. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is a widely used technique in observing the state of the battery. The measured impedance at different certain frequencies can be used to evaluate the state of the battery since it is intimately tied to the underlying chemical reactions. In this thesis, a low-cost portable EIS instrument for fast evaluation to predict the remaining useful life of high voltage battery packs. The Instrument uses a built-in DAC module to generate the sinusoidal sweep perturbation signal, performs dual-channel acquisition of voltage and current signals, calculates impedance using Digital Lock-in Amplifier (DLA), and transmits the result to the PC. By using LabVIEW, an interface was developed with the real-time display of the EIS information. The developed instrument is suitable to measure the impedance spectrum of a battery pack up to 1000V. The measurement frequency range of the instrument is from 1hz to 1Khz. To prove the performance of the developed system the impedance of a Samsung SM3 battery pack and a Bexel pouch module were measured and compared to those obtained by the commercial instrument.
This thesis consists of two main chapters, in chapter 1 the Development of a Portable Impedance Spectroscopy Instrument for the Measurement of the Impedance Spectrum of High Voltage Battery Packs is discussed. Software development, hardware development, experimental results, and comparison of the developed instrument with the commercial instrument are provided in detail. The comparison with commercially available impedance spectroscopy instrument proves the precision and accuracy of the developed instrument. In Chapter 2 the up-gradation of hardware and software of the instrument developed in Chapter 1 to a low-cost multi-channel impedance spectroscopy instrument is provided. Which can test up to eight battery cells simultaneously. Experimental results and their comparison are shown with the commercial instrument. The Measured EIS results are also validated using Kramers-Kronig transformation.

#Low-Cost Portable EIS Instrument #xEV Battery Pack

CHAPTER 1 Development of Portable Impedance Spectroscopy Instrument for High Voltage Battery Packs 1
1.1 Introduction and Background 1
1.2 Development of Portable Impedance Spectroscopy Instrument 6
1.2.1 Requirements for the impedance Spectroscopy Instrument 7
1.2.2 Hardware Development 8
1.2.2.1 Digital signal processor (DSP) 8
1.2.2.2 Perturbation signal Generation and Current Control 10
1.2.2.3 High Voltage Protection Circuit 15
1.2.2.4 Voltage and Current Measurement and Acquisition 16
1.2.2.5 Software-Hardware Interface 18
1.2.2.6 PCB and CASE design 18
1.2.3 Software Development 21
1.2.3.1 Implementation of Digital Lock-In Amplifier Based Algorithm 23
1.2.3.2 Graphical User Interface 25
1.3 Experimental Results 27
1.4 Conclusions 33
CHAPTER 2 Development of A Low-Cost Multi-Channel EIS Instrument for Fast Evaluation of the Lithium-Ion Battery Cells and Modules for the Reuse of xEV Batteries 34
2.1 Introduction and Background 34
2.2 Development of Multi-channel Impedance Spectroscopy Instrument 36
2.2.1 Hardware Upgrade 36
2.2.1.1 Upgraded Voltage and Current measurement and Acquisition 37
2.2.1.2 Multi-channel Analog to Digital Converter AD7606B 39
2.2.1.3 PCB and CASE design 41
2.2.2 Software Upgrade 42
2.2.2.1 Implementation of DLA on MCU for Multi-Channel EIS 45
2.2.2.2 Graphical User Interface for Multi-Channel EIS 46
2.3 Experimental Results and its Validation 47
2.3.1 Kramers-Kronig (KK) transformation 51
2.4 Conclusions 57
REFERENCES 59

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