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      EIS Simulation

    ◎ EIS(전기화학 임피던스 분광법) Simulation - 사용법

     

    자료실에서 EIS Curvefitting demo 프로그램을 다운로드하면 사용 가능 합니다.

    다양한 회로가 구성되어 있어 회로를 통해 시뮬레이션 및 예제 데이터를 통해 Curvefitting에 의한 파리미터 추출값을 확인 하실 수 있습니다. 


    EIS Curvefitting이 궁금하시다면 아래의 링크로 이동 

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=669&Sub_No=8


    EIS에 대해 전반적인 이해가 필요하시다면 아래의 링크로 이동 

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=172&Sub_No=8


    배터리 임피던스의 이해가 필요하시다면 아래의 링크로 이동

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=204&Sub_No=8

    WizSIM 프로그램을 이용하면, 전기화학 임피던스 EIS에 대한 Simulation과 Curve Fitting을 할 수 있다. 

    그 중, Simulation을 할 때, WizSIM을 사용하는 방법에 대해 다루겠다. 


    사용자는 등가회로의 파라미터 값들을 찾아낼 수 있다. 

    Curve Fitting 전에, 등가 회로를 먼저 선택해야 한다. 

    등가 회로에 사용될 수 있는 소자에는 resistor (R), inductor (L), capacitor (C), 

    warburg (W), constant phase element (Q), gerischer (G), 그리고 FSW (T)가 있다.

      

    Curve Fitting을 하기 전, WizSIM Studio프로그램의 전반적인 기능들에 대한 지식이 필요하다.

    WizSIM Studio프로그램과 기능들에 대한 설명은 홈페이지 EIS Curve Fitting에 대한 자료에 설명이 되어있다.


    전반적인 프로그램 설명 및 임피던스 Curve fitting에 대한 설명을 보려면 아래의 링크 클릭

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=669&Sub_No=8

     

     

    [ WIZSIM Studio 소프트웨어 UI]

     

     

    □ CurveFitting Simulation 과정 

     

    1. CurveFitting Simulation 소프트웨어 설명

    [WizSIM Studio Simulation UI 자료]

    (1) Data Laod의 빨간색 박스에서 체크박스 Simulation Activate 클릭하여 Simulation Parameter 테이블 활성화 Simulation Load 버튼을 클릭하면 테이블에서 소자 모델의 값에 의해서 임피던스 Nyquist Plot 및 Bode plot의 그래프가 그려진다.

     

    (2) Curve fitting Control Panel에서 회로 선택이 가능하며 선택된 회로의 소자 파라미터가 Simulation Parameter 테이블 Model 항목으로 표시됨

     

    (3) 시작 주파수, 끝나는 주파수, 데이터 개수를 정하는 파라미터 값

     

      

    2. Simulation 소프트웨어 완료


    [WizSIM Studio Simulation 그래프 자료1]


    [WizSIM Studio Simulation 그래프 자료2]

     

    □ EIS Simulation 예시 

     

    - 간단한 EIS Simulation을 해보도록 하자.

    - 아래의 그림과 같이 등가회로 선택, 주파수 범위 선택, 파라미터 소자값 입력하고 Simulation Load 버튼을 클릭하면 회로에 대한 그래프가 그려짐

    - 등가회로 Simulation을 통해 소자들의 R, L, C 등 파라미터 값들에 의해 임피던스가 어떠한 영향이 나타나고 그려지는지 알아보려고 한다.



    ▷ R(저항) 회로


    - R(저항) 파라미터 값 100으로 입력

    - R(저항)성분만 존재하기 때문에 Zre, Zohm에 100ohm 값으로만 나타나고 Zim, phase는 0값을 나타남- R(저항) 파라미터 값 100으로 입력

    - R(저항)성분만 존재하기 때문에 Zre, Zohm에 100ohm 값으로만 나타나고 Zim, phase는 0값을 나타남

     

    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]

    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]

     


    ▷ L(인덕터) 회로


    - L(인덕터) 파라미터 값 1uH으로 입력

    - L(인덕터)성분은 전류가 전압보다 π/2[rad]=90º 만큼 뒤쳐져서 흐른다.

    - Nuquist plot에서 L(인덕터) 성분은 Zim의 +쪽 방향에서 나타난다.

    - 위상차를 바꾸는 성분이 되기도 하지만 근본적으로 캐패시터와 인덕터가 존재하는 

      회로도에서 전압과 전류의 위상 차가 발생하는 이유가 있다.



    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]



    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]


    ▷ C(커패시터) 회로


    - C(커패시터) 파라미터 값 1uF으로 입력

    - C(커패시터) 성분은 전류가 전압보다  π/2[rad]=90º 만큼 앞서게 흐른다

    - Nuquist plot에서 C(커패시터) 성분은 Zim의 -쪽 방향에서 나타난다.

    - 저항과 다르게 캐패시터는 주파수에 영향을 받아, Phase의 변화가 생긴다.

     

     

    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]

     


    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]

     

    ▷ R, L, C 직렬 회로

    - R = 1ohm, L = 1mH, C = 30nF 파라미터 값 입력

    - 주파수와 단위를 아래와 같이 한 후 시뮬레이션을 해보면(C가 직렬이므로

      낮은 주파수에서는 거의 Open이므로 Stop 주파수를 1000(1KHz)로 한다.)

    - 높은 주파수에서 L에 의해 임피던스가 크며 낮은 주파수에서는 C에 의해

      임피던스가 크다. L, C에 의한 임피던스가 사라지고 순수 저항치만 남는 지점을 

      공진 주파수라 한다.

     

     

    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]


    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]

     

     

    ▷ R, L, C 병렬 회로

     

    - L = 10uH, R1 = 100ohm, C1 = 2uF, R2 = 200ohm 파라미터 값 입력

    - 주파수 1MHz ~ 0.1Hz로 시뮬레이션

    - 주파수가 높으면 캐패시터의 영향은 거의 받지 않으므로 L 성분과 R성분만 남는다.        Zreal 축에서 RS값과 +Zimage 값이 나타난다.

    - 점점 주파수가 낮아질수록 커패시터의 영향을 받아, -Zimage 값이 상승한다.

      그 후에 주파수가 0으로 수렴할 때엔 그에 따른 리액턴스 값의 영향이 적어지므로 

      –Zimage 값은 감소하고 Zreal 값만 남아 Rs값이 도출된다.

     

     

    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]


    [Simulation 임피던스 Nyqusit plot, Bode plot]


    ▷ 두 개의 R, L, C 병렬 회로

     

    - L = 0.1uH, R1 = 10ohm, C1 = 100uF, R2 = 30ohm, C2 = 10000uF, R3 = 60ohm 파라미터 값 입력

    - 주파수 1MHz ~ 0.1Hz로 시뮬레이션

    - 상분리를 통해 두 개의 병렬회로를 구성하여 그래프를 나타냄  

     

     

    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]

     

     

     

    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]

     

     

    - 아래의 그림은 위와 같이 등가회로를 똑같이 구성하였음

    - 파라미터 값을 C2 = 500uF로 변경하여 Simulation을 해봄

    - 결과를 보면 아래와 같이 상분리가 확실히 나타나지 않는다.

    - 상분리의 경우 두 커패시터의 용량 차이가 클수록 잘 나타난다.

    - 커패시터의 용량은 전극(계면) 면적과 관련 있다.



    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]


     

    ㈜위즈맥 전기화학 계측기 기본모델


    기초적인 전기화학 실험이 가능한 Potentiostat/Galvanostat/EIS


    기능으로 구성된 고성능 모델


     


     

    측정 시료의 내부 상태 변화를 해석하기 위한


    임피던스 Curvefitting 프로그램


    배터리 분야에서 필수적인 응용 프로그램


    내부상태 파라미터 추출을 통해 노화 상태, 충전상태, 고장유무

    수명 예측의 판단이 가능한 전기화학 고성능 모델 및 프로그램

     


     


     

    ㈜위즈맥 전기화학 충방전기 시스템


     


    - 배터리 테스트를 위한 고성능 다채널 배터리 충방전기 시스템

     

    - Potentiostat/Galvanostat/EIS 회로로 구성된 배터리

      충방전기 시스템

     

    - 기본은 8채널로 구성되어 있으며 Rack 과 호환되어 최대 64

      채널까지 확장 가능한 장비(8채널 * 8)

     

    - 전류 범위는 최소 100mA ~ 10A 까지 포괄적이며 저전류, 중전류, 고전류 모델로 구성되어 코인셀, 파우치 등 시료에 따라 제품 구성이 가능

     





    - 충방전기 시스템에 제공되는 다기능 맞춤형 소프트웨어


    - 8채널별 프로그램 관리, 최대 64채널 관리 프로그램


    - 사용자가 직접 배터리 테스트의 절차를 편집 및 테이블 형식으로 시퀀스를 편집 가능한 특성을 가짐 





    ▷ R, L, C, W 병렬 회로

     

    - L = 1uH, R1 = 100ohm, C1 = 2uF, R2 = 200ohm 파라미터 값 입력 

    - 주파수 1MHz ~ 0.1Hz로 시뮬레이션 

    - 전해질내의 이온들의 확산(Diffusion) 속도에 관계된 임피던스이다.

    - 확산속도는 상대적으로 느려 높은 주파수에서는 영향이 작아 보이지 않고 낮은 

      주파수에서 특성이 나타난다.

    - 와버그 임피던스의 경우 약 45도 기울기로 Zimage 값이 증가하는 특성을 가지고 있다.


     


    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]

     


    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]

     

    ※ 시료를 측정하면 확산(Diffusion) 영역이 나타날 수 있는데 Curvefitting을 통해 확산의

       표현은 W(와버그)로 표현이 가능하다.


    ※ 와버그의 경우 항상 45도 기울기로 Zimage를 표현하는 특징이 있지만 모든 확산을 

       표현하기에는 한계가 있다.


    ※ 실제 전해질 내에서 확산 영역이 어떻게 반응할지는 아무도 모르기 때문에 임피던스 

       Curvefitting을 할 때 W(와버그)로만 표현하기에는 한계가 있어 확산을 표현하기 위한 

       다른 파라미터 값들이 존재한다.

     

    ※ 확산을 표현하기 위한 다른 파라미터는 Q, G, T 가 존재하며 시뮬레이션을 통해 

       임피던스 변화가 어떻게 되는지 알아보려고 한다

     

     

    [Q, G, T 소자의 임피던스 식]

     

     

     

    ▷ R, L, C, Q 병렬 회로

    - L = 0.1uH, R1 = 100ohm, C1 = 2uF, R2 = 200ohm, Qy = 0.01, Qn = 0.5 파라미터 값 입력

    - Q는 전해질내의 이온들의 확산(Diffusion) 속도에 관계된 임피던스 파라미터이다.

    - 아래의 그림과 같이 파라미터의 입력 값대로 임피던스 Nyquist plot을 보면

      와버그 임피던스와 같은 확산을 기울기로 표시하는 파라미터 이다.

    - 와버그와 같은 특성을 가지고 있지만 차이점은 Q값의 Y, N 값의 변경으로 인해 

      기울기를 변화할 수 있다.

     

    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]


    [Simulation 임피던스 Nyqusit plot, Bode plot]

     

     

    - 입력된 파라미터의 Qy, Qn 값 변화를 통해 임피던스의 Nyquist plot의 변화를

      확인해보자.

    - 아래의 그림과 같이 L, R, C, Qy 값은 고정하고 Qn 값만 변경을 하였을 때 

      확산영역에서 기울기 값에 의해 임피던스 Nyquist plot의 변화를 볼 수 있다. 

    - Qn 값이 커질수록 기울기의 변화가 위로 올라가는 특징을 보여준다.



    [Qn 파라미터 값에 의한 임피던스 Nyquist plot 변화]

     

    - 아래의 그림은 L, R, C, Qn = 0.5 값을 고정하고 Qy 값만 변경을 하였을 때

      확산영역에서 변화하는 임피던스 Nyquist plot 그래프를 보여준다.

    - Qy 값이 커질수록 확산영역의 임피던스 값이 낮아지고 Qy 값이 낮을수록

      확산영역의 임피던스 값이 커지는 것을 볼 수 있다.


    [Qy 파라미터 값에 의한 임피던스 Nyquist plot 변화]

     

    ▷ R, L, C, G 병렬 회로

    - L = 0.1uH, R1 = 100ohm, C1 = 2uF, R2 = 200ohm, Gy = 0.01, Gk = 0.6 파라미터 값 입력

    - G는 전해질내의 이온들의 확산(Diffusion) 속도에 관계된 임피던스 파라미터이다. 

    - 확산(Diffusion)영역에서 저주파수로 갈수록 Real 성분 쪽으로 기우는 경우가 있는데 

      이런 경우는 G를 사용한다.

     



    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]



    [ Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]


    - 입력된 파라미터의 Gy, Gk 값 변화를 통해 임피던스의 Nyquist plot의 변화를 확인해보자.

    - 아래의 그림과 같이 L, R, C, Gy 값은 고정하고 Gk 값만 변경을 하였을 때

      확산영역에서 변화하는 임피던스 Nyquist plot 그래프를 보여준다. 

    - Gk 값이 커질수록 Zreal 방향으로 기우는 영향이 더욱더 커짐


    [Gk 파라미터 값에 의한 임피던스 Nyquist plot 변화]


    [Gy 파라미터 값에 의한 임피던스 Nyquist plot 변화]


    ▷ R, L, C, T 병렬 회로

    - L = 0.1uH, R1 = 100ohm, C1 = 2uF, R2 = 200ohm, Ty = 0.01, Tk = 1.5 파라미터 값 입력

    - T는 전해질내의 이온들의 확산(Diffusion) 속도에 관계된 임피던스 파라미터이다.

    - 확산(Diffusion)영역에서 저주파수로 갈수록 Image 성분 쪽으로 기우는 경우가 있는데 

      이런 경우는 T를 사용한다.

    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]



    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]


    - 입력된 파라미터의 Ty, Tk 값 변화를 통해 임피던스의 Nyquist plot의 변화를

      확인해보자.

    - 아래의 그림과 같이 L, R, C, Ty = 0.01 값은 고정하고 Tk 값만 변경을 하였을 때 

      확산영역에서 변화하는 임피던스 Nyquist plot 그래프를 보여준다.

    - Tk 값이 낮아질수록 Zimage 방향으로 기우는 영향이 더욱더 커짐

     

     


    [Tk 파라미터 값에 의한 임피던스 Nyquist plot 변화]


    - 아래의 그림은 L, R, C, Tk = 1.5 값을 고정하고 Ty 값만 변경을 하였을 때

      확산영역에서 변화하는 임피던스 Nyquist plot 그래프를 보여준다.

    - Ty 값이 커질수록 확산영역의 임피던스 Zreal, Zimage 값이 작아지고 Ty 값이

      낮을수록 확산영역의 임피던스 Zreal, Ziamge 값이 커지는 것을 볼 수 있다.

     

     

    [Ty 파라미터 값에 의한 임피던스 Nyquist plot 변화]

     

     

    지금까지 등가회로 Simulation을 통해 소자들의 R, L, C, W, Q, T의 파라미터 값들에 

    의한 임피던스 영향을 간단하게 알아보았다. ㈜위즈맥 Curvefitting 소프트웨어인 

    WizSIM 프로그램은 간단한 등가회로 뿐만 아니라 더욱더 복잡하고 다양한 회로선택이 

    가능하여 Simulation을 해볼 수 있다. 또한, 사용자가 직접 회로를 입력하여 등가회로를 

    Simulation 할 수 있는 기능들이 있다.


    최대 400watt 고전류 전기화학

    배터리 테스트 시스템

    내부상태 파라미터 추출을 통해 노화 상태, 충전상태, 고장유무

    수명 예측의 판단이 가능한 전기화학 고성능 모델 및 프로그램

    배터리 SOC, SOH 측정 및 분석이 가능한 시스템




     



     

     

    ▷ 그 외 다양한 등가회로 예시

     - Curvefitting 프로그램에서 다양한 등가회로를 통해 몇 가지 외의 임피던스 

       Nyquist plot을 그려보려고 한다.

     [그 외 회로 임피던스 Nyquist plot 예시 자료1]



    [그 외 회로 임피던스 Nyquist plot 예시 자료2]


    [그 외 회로 임피던스 Nyquist plot 예시 자료3]


    [그 외 회로 임피던스 Nyquist plot 예시 자료4]


    [그 외 회로 임피던스 Nyquist plot 예시 자료5]

     

     

    □ 임피던스 CurveFitting 프로그램

    - 임피던스를 분석하는 근본적인 목적은 시료의 임피던스를 측정하고 Nyquist plot 데이터

      를 분석하여 시료 내부 상태의 등가회로를 추출하여 전기적인 특성, 전기화학의 시료 

      특성을 알 수 있어 배터리 분야에서 많이 사용되고 있다.

     

    - ㈜위즈맥의 WizSIM 프로그램은 EIS 측정법을 이용하여 측정된 임피던스 Nyquist plot 

      데이터를 CurveFitting하기 위한 추종 가능한 등가회로를 선택하고 R, L, C, W 등 

      등가회로의 실제 파라미터 값을 추출하여 내부상태 구조 해석 및 파라미터 값 유출이 

      가능한 프로그램이다.



    [임피던스 커브피팅 프로그램 개념도]


    - 실제 배터리의 임피던스를 측정하고 내부상태를 해석하기 위해서는 등가회로

      구조를 파악하는게 가장 중요하다.

    - 배터리의 실제 등가회로는 도선, 도전제, 용액저항, 집전체 등 다양한 요소들로 

      구성하고 있어 복잡한 등가회로를 파악하는데는 한계가 있다.

    - 저항 및 캐패시터가 너무 낮거나 기여도가 작은 도선, 집전체, anode 간의 요소들은 

      영향이 미미하여 구별하기가 어려운 등가회로는 삭제하고 실제로 영향을 많이 주는 

      Cathode 내부 물진간의 등가회로 간략화가 필요하다.

    - 등가회로 간략화를 하고 커브피팅 프로그램을 적용하여 Fitting을 하게 되면 실제 

      측정된 배터리를 대표하는 등가회로를 구성하고 내부 소자 파라미터 값을 

      유추할 수 있다.

     

    [등가회로 간략화 자료]

     

    - 임피던스 Nyquist plot 측정 데이터를 통해 등가회로를 구성하고 커브피팅 프로그램을 

      통해 파라미터 값을 유추하면 내부 상태 변화의 의미를 파악할 수 있어 간단한 

      등가회로를 통해 알아보려고 한다.

    - 배터리 내부의 등가회로를 아래와 같이 구성할 수 있다고 가정한 상태에서 

      Simulation을 통해 내부상태를 해석해 보려고 한다.

    - L1 = 0.1uH, Rs = 1ohm, C1 = 10uF, R1 = 1.5ohm, C2 = 15900uF, R2 = 3,

      Qy = 0.2, Qn = 0.8 파라미터 값을 설정함



    [Simulation 회로 및 파라미터 셋팅]


    - 다음과 같은 임피던스 Nyquist plot의 데이터를 얻을 수 있다.


    [Simulation 임피던스 Nyquist plot, Bode plot]

    - 간략화된 등가회로를 보면 아래와 같이 내부상태 예측이 가능하다.

    - 아래의 그림에서 왼쪽은 배터리 내부의 사진, 오른쪽은 간략화된 등가회로를 뜻하고 

      파라미터를 유추하여 파라미터 별로 배터리 내부 상태의 변화를 표현하였다.

     


    [내부 상태 예측 자료]


    - 파라미터 별로 값을 변경하여 임피던스 Nyquist plot 변화를 알아보려고 한다.

    - 파란색 그래프가 기존데이터, 빨간색이 파라미터 별로 값을 변경한 그래프이다.

     














     

    등가회로 구조를 통해 임피던스 파라미터 별 Nyqusit plot 데이터를 이용하여 변화를 

      유추해보면 배터리의 임피던스 상관관계 파악이 가능해 내부상태 변화를 파악이 

      가능하다.

     

     

    - 예를 들어 손상된 배터리의 임피던스 변화, 노화 상태, 충전 상태에 따라 파라미터 

      소자들의 값이 변화가 다르기 때문이다파라미터 값 변화를 통해 배터리 고장유무

      수명 상태를 유추가 가능하다.



    ㈜위즈맥 전기화학 계측기 

    MultiChannel 모델

    Potentiostat/Galvanostat/EIS 동시 측정이 가능한

    고성능 다채널 시스템





    ㈜위즈맥 전기화학 계측기 포터블

    MultiChannel 모델

    저전류 범위와 소형 사이즈의

    전기화학 계측기 터블 시리즈

    바이오, 수질, 가스센서 등 

    저전류 범위에 맞춤형 모델



     



    전기화학 데이터 분석 알고리즘 항목

     

    수학 분석법에
    대해 
    더 자세히 알고 싶다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=670&Sub_No=8

     

    일반 전기화학 분석법에 대해 더 자세히 알고 싶다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=671&Sub_No=8

     

    부식 분석법에 대해 더 자세히 알고 싶다면 

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=672&Sub_No=8

     








     

     

    CV실험의 구체적인 방법 및 절차에 대해서 궁금하다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=257&Sub_No=8

    전기화학을 더 이해하기 위하여 전기화학 전극과 전기화학 셀에 대하여 이해가 필요 하다.


    전기화학 전극( Electrochemistry Electrode ) 및 셀의 더 자세한 자료를 원하신다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=366&Sub_No=8

    PotentioStat를 이용하여 분석을 하기 위해서는 분석법에 대한 이해가 더 필요할 수 있다.


    전기화학 분석법의 더 자세한 자료를 원하신다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=189&Sub_No=8

    또한 전기화학 전극의 종류와 특성에 대해 설명한 자료가 있다.


    기준 전극( Reference Electrode ) 의 더 자세한 자료를 원하신다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=135&Sub_No=8

     

    카운터 전극( Counter Electrode ) 의 더 자세한 자료를 원하신다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=137&Sub_No=8

     

    워킹 전극( Working Electrode ) 의 더 자세한 자료를 원하신다면

    http://www.wizmac.com/2015/lecture/board01_view.htm?No=136&Sub_No=8

     

     


    전기화학 전문기업이 직접 개발 공급하는 ㈜위즈맥

    전기화학 솔루션 개발

    전기화학을 이용한 제품 개발 솔루션 제공

    임피던스 측정 솔루션

    다양한 전기화학 솔루션

     

     

     

     

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