이 주형, 숭실대학교 전기공학부 신재생에너지변환연구실
전기화학적 임피던스 분광법(EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy)은 주로 전기화학분야에서 전극반응이나 복합체의 특성을 분석하기 위한 유용한 툴로서 널리 활용되고 있다. 시스템 응답의 분석은 복합체의 성질 및 구조 그리고 거기서 일어나는 반응에 관한 종합적인 정보를 제공하므로, 응용 화학분야나 의공학 및 생체공학 분야에서도 매우 유용한 툴로 이용되고 있다. 전기화학적 전력기기의 임피던스 모델링을 수행하는 상용 장비들이 다수 개발되어 있으나 매우 고가이며, 대부분의 장비는 셀 단위 시험에 적합하게 개발되어 있으므로, 연료전지 스택이나 대용량의 배터리 및 슈퍼커패시터 모듈의 모델링에는 적용하기 어렵다. 따라서 본 솔루션에서는 이러한 고가의 수입 장비를 대체할 수 있는 저가의 전기화학 임피던스 분광 시스템을 소개한다.
본 시스템은 AC 임피던스 측정의 핵심요소인 록인앰프(Lock-in Amplifier)를 LabVEIW를 이용한 디지털 방식의 소프트웨어로 구현한 것이 특징이다. 하드웨어 개발 및 생산에 따라 제품 가격이 높아지는 것을 방지하기 위하여 측정에 필요한 하드웨어 대부분을 소프트웨어 알고리즘으로 구현하였고, LabVIEW를 이용함으로써 시간과 비용을 줄여 저가의 시스템을 개발하였다. 또한 LabVIEW가 제공하는 편리한 HMI(Human-Machine Interface) 기능을 이용하여, 측정과 동시에 그 결과를 그래픽으로 모니터링 할 수 있었다. 분석모드에서는 등가모델의 파라미터를 슬라이드 바와 연동하여, 실행 중에 사용자가 등가회로 모델의 파라미터 변화에 따른 임피던스 궤적의 변화를 실시간으로 확인하며 커브피팅(Curve Fitting)을 수행할 수 있도록 함으로써 상용장비 및 소프트웨어가 제공하지 못하는 강력한 분석 기능을 제공한다. 또한 측정에서 분석에 이르기까지 일괄적으로 수행되는 통합 환경을 통해 실험 시간도 대폭 단축시킬 수 있었다.
본 시스템은 연료전지, 배터리 또는 슈퍼 커패시터와 같은 전기화학적 전력기기의 주파수별 임피던스를 측정하여 등가 임피던스 회로 모델의 확립을 가능하게 하는 임피던스 분광시스템이다. 측정대상에 연결된 전자부하를 데이터 수집장치(DAQ 보드)로 제어함으로써 측정대상의 전류를 섭동(Perturbation) 시킨 후 간단한 전압 및 전류 센싱회로를 통해 감지된 측정 대상의 전압과 전류의 순시값을 NI PCI-6154 DAQ 보드를 통해 읽어 들여, LabVIEW 어플리케이션을 통하여 임피던스를 계산한 후 등가 임피던스 회로 모델의 파라미터를 구한다. 본 시스템은 측정에 필요한 하드웨어 대부분을 소프트웨어로 구현하여 가격을 낮추었으며, 임피던스 측정의 핵심요소인 록인앰프를 소프트웨어로 구현함으로써 하드웨어의 소요를 대폭 줄인 것을 특징으로 한다. 저가임에도 상용장비와 같은 정확도로 측정이 가능하므로 고가의 수입 장비를 대체하여 전기화학적 에너지 기기의 임피던스 측정에 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
기존 전기화학적 전력기기의 임피던스 모델링을 수행하는 상용 장비들이 다수 개발되어 있으나 대부분의 장비가 셀 단위 시험에 적합하게 개발되어 있고 가격 또한 매우 고가이므로, 연료전지 스택이나 대용량의 배터리 및 슈퍼커패시터 모듈의 모델링에는 적용하기 어려웠다. 따라서 이러한 고가의 수입 장비를 대체할 수 있는 저가의 전기화학 임피던스 분광 시스템을 필요로 하게 되었다.
시스템 구성
본 시스템의 구성은 그림 1과 같다.
연료전지, 배터리 또는 슈퍼 커패시터와 같은 전기화학적 전력기기와 이를 테스트 할 수 있는 전자부하를 직접 연결하고 전력기기로부터 특정 운전점에서 기준 주파수의 전류를 출력시키기 위해 DAQ 보드를 통해 전자부하를 제어한다. 이때 측정대상의 전류와 전압 값은 센서 및 신호처리 회로를 거친 후 A/D 변환 되어 PC로 전송된다. 전압과 전류를 동시에 검출하기 위하여 동시 샘플이 가능한 S 시리즈 데이터 수집보드를 이용하였다. LabVIEW로 개발된 어플리케이션은 데이터 수집보드를 통해 수집된 데이터를 이용하여 임피던스를 계산하고, 분석을 통해 등가회로 모델의 파라미터를 산출하는 구조를 갖고 있다. 모든 측정된 데이터는 나이퀴스트선도(Nyquist Plot)로 디스플레이 되며, 동시에 보드선도(Bode Plot) 형태로도 그려진다.
LabVIEW로 개발한 본 프로그램은, 그림2의 시스템 소프트웨어 흐름도에서와 같이 크게 DAQ Mode와 Analysis Mode로 구분할 수 있다.
먼저 DAQ Mode(그림 3)에서 적절한 전류의 옵셋과 진폭을 설정하며, 측정할 DC전류의 운전점 증가 단위와 증가 범위를 입력하고, 데이터 수집보드의 입출력 채널과 실험 데이터가 저장될 파일의 경로를 설정함으로써 환경설정을 모두 마친다. 입력된 환경설정에 따른 주파수별 정현파 신호를 데이터 수집보드를 통해 출력하며, 전자부하는 동일한 전류를 측정 대상으로부터 끌어낸다. 이때 전압과 전류는 센서회로를 통해 입력에 맞게 신호처리 되고, 데이터 수집보드를 통해 A/D 변환된 후 PC에 전송된다.
주파수별 임피던스는 그림4의 디지털 록인앰프(Digital Lock-in Amplifier)를 통하여 계산되어 실시간으로 보드선도와 나이퀴스트 선도로 그려진다. 실험은 환경설정에 따라 DC 동작점이 일정한 단위로 증가 또는 감소하며, 정해진 주파수 범위에서 실험을 반복한다.
측정을 모두 마치게 되면 분석모드(Analysis Mode) (그림 5)로 자동 변환되어 측정된 데이터의 분석을 시작한다. 적절한 등가회로 모델을 선정한 후, 프론트 패널의 Vertical Pointer Slide Bar를 이용하여 각 파라미터의 값을 변경하면 임피던스의 형태 변화와 커브피팅의 정확도를 실시간으로 관찰할 수 있다. 이 기능은 등가회로를 구성하고 있는 수동 소자의 각 파라미터 값의 변화가 임피던스 궤적의 변화에 어떤 영향을 미치는가에 대해서 사용자가 실제적인 감각을 가질 수 있도록 돕는다. 이러한 과정은 전기화학적 전력기기의 내부에 발생하는 화학반응 분석에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 분석모드를 통해 수동커브피팅(Manual Curve Fitting)을 수행하고 1% 이내의 에러율을 만족하면 과정이 완료되며, 이때 모든 파라미터들은 Microsoft사의 Excel과 호환이 가능한 형태의 파일로 저장된다.
이와 같이 분석 모드를 통한 수동 커브피팅이 완료되면 측정된 주파수별 임피던스가 3D로 표현된다(그림 6). 다수의 운전점에서 측정된 측정대상의 운전점별 임피던스를 보간하여 전 운전구간에서의 측정대상의 주파수별 임피던스가 3D 플롯으로 나타내어 진다. 본 시스템으로 산출한 모든 운전점들의 등가회로 파라미터 값은 측정대상인 전기화학적 전력기기의 고장 진단이나 수명이나 건전성을 판단하기 위한 유용한 자료로 활용될 수 있다.
본 솔루션은 LabVIEW와 NI PCI-6154를 이용하여 고가의 상용장비와 동일한 성능을 가진 저가형 장비를 빠른 시간 내에 개발함으로써 개발시간과 개발비용을 절감할 수 있었다. 특히 상용장비의 약 1/10정도의 비용으로 동일한 성능의 저가형 임피던스 분광시스템을 개발하여, EIS 실험이 필요한 곳에 널리 사용될 수 있는 가능성을 열었다. 뿐만 아니라 임피던스 측정에 있어서 핵심적인 역할을 하는 록인앰프(Lock-in Amplifier)를 디지털 방식의 소프트웨어로 구현함으로써 하드웨어를 대폭 간소화 할 수 있었다. 또한, LabVIEW가 갖고 있는 간편한 HMI 기능을 이용하여, 프로그램 사용의 편리성을 도모하였고 다양한 시각적인 효과를 이용하여 측정결과의 다각도 모니터링도 가능하도록 제작하였다.
본 솔루션은 다수의 전기화학적 전력기기에 대한 동시 측정이 필요한 곳에 활용될 수 있으며, 특히, 품질관리를 위한 생산라인이나 연구개발용으로 적용할 경우 매우 유용하다. 추후, 연료전지, 배터리, 슈퍼커패시터와 같은 전기화학적 에너지 소자의 수명 또는 건전상태(State of Health) 그리고 충전상태(State of Charge)를 판별하기 위한 응용 또는 각종 검사 장비용으로 사용이 가능할 것으로 기대된다.
이 주형
숭실대학교 전기공학부 신재생에너지변환연구실