KR100497572B1 - 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치 및 방법, 이 장치가 구비된 다채널 측정 시스템 - Google Patents

교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치 및 방법, 이 장치가 구비된 다채널 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축전지의 특성을 측정하는 소요시간을 단축시키고, 측정결과에 대한 신뢰성을 높이며, 측정 오차에 대한 분석이 가능하게 하고, 측정시스템의 구성이 간단하여 측정장비의 다채널 및 소형화가 가능하도록 하며, AC 임피던스 스펙트럼을 얻는 과정에서 DC 신호를 측정하여 수치적인 처리를 행하게 되므로 실제 측정장치의 구조는 DC 장치에 기초하고 있어 기존의 DC 충방전 시험 장치와 쉽게 결합될 수 있고, 축전지의 특성 인자들을 정밀 분석하면 구성 재료의 동역학(kinetic) 특성에 관한 유용한 정보, 예를 들어 입자의 표면 반응 저항·확산계수·전해질 평균 저항·전도 분포 저항 등 중요 동역학 특성인자의 거동에 대한 데이터를 얻을 수 있으며, 이 결과는 재료의 혼합구성 뿐만 아니라 축전지의 온도특성·열화특성·반응 안정성 등에 대한 결정적인 정보를 제공할 것이므로, 축전지셀 자체의 회로에 대한 에러를 검출하여 셀자체의 고장유무 확인이 가능하며, 실제 축전지의 설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있도록 한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치 및 방법, 이 장치가 구비된 다채널 측정 시스템에 관한 것이다.

Description

교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치 및 방법, 이 장치가 구비된 다채널 측정 시스템{PORTABLE BATTERY-PACK NON-DESTRUCTIVE TEST DEVICE USING AC IMPEDANCE MEASURMENT TECHNOLOGY AND METHOD WHICH IT USE, MULTI-CHANNEL MEASURMENT SYSTEM WITH THIS DEVICE}
본 발명은 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치 및 방법, 이 장치가 구비된 다채널 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축전지의 개방회로전압·내부저항·충전 및 방전전압·온도 특성 등의 축전지 고유특성과 비선형 구동 특성을 평가하기 위한 것으로서, 축전지의 특성을 측정하는 소요시간을 단축시키고, 측정결과에 대한 신뢰성을 높이며, 측정 오차에 대한 분석이 가능하게 하고, 측정시스템의 구성이 간단하여 측정장비의 다채널 및 소형화가 가능하도록 하며, AC 임피던스 스펙트럼을 얻는 과정에서 DC 신호를 측정하여 수치적인 처리를 행하게 되므로 실제 측정장치의 구조는 DC 장치에 기초하고 있어 기존의 DC 충방전 시험 장치와 쉽게 결합될 수 있고, 축전지의 특성 인자들을 정밀 분석하면 구성 재료의 동역학(kinetic) 특성에 관한 유용한 정보, 예를 들어 입자의 표면 반응 저항·확산계수·전해질 평균 저항·전도 분포 저항 등 중요 동역학 특성인자의 거동에 대한 데이터를 얻을 수 있으며, 이 결과는 재료의 혼합구성 뿐만 아니라 축전지의 온도특성·열화특성·반응 안정성 등에 대한 결정적인 정보를 제공할 것이므로 실제 축전지의 설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있도록 한 것이다.
일반적으로, 축전지의 구동 특성은 구성재료 및 그 조성이 나타내는 열역학적 특성(thermodynamic property)과 동역학적 특성(kinetic property)으로 결정되는데 이들은 대체적으로 비선형적인 거동을 나타내므로 체계적인 평가가 용이하지 않다.
또한, 전지의 생산시 제품 선별 공정에서 실시간 방전에 의한 용량 평가 및 재충전에 수 시간이 소요되므로 다채널 선별기에 대한 투자비는 축전지 제조에 필요한 총 설비투자의 상당부분을 차지한다.
그리고, 축전지를 포함하는 전기화학 계의 AC 특성 주파수 영역은 일반적으로 수 mHz에서 수십 kHz에 이르며 이는 계면에서의 전기화학반응 또는 확산 등 동역학 과정이 갖는 고유시상수(time constant)에 의하여 결정된다.
소전압 근사(small voltage approximation)에 의하여 각 전기화학 과정은 주파수 공간에서의 등가회로의 임피던스를 구성하는 저항, 축전기 등 회로의 특성 인자들로부터 설명될 수 있으며, 각 특성인자는 축전지의 일정한 방전 또는 충전 상태에서 실험적으로 얻어진 임피던스 스펙트럼을 근사하여 결정할 수 있다.
전지의 각 충방전 상태에서 특성 인자의 수치화(parameterization)가 실험적으로 수행되고 정상상태에서의 축전지의 기전력(개방회로전압)이 측정되면 이 결과들은 축전지의 특성을 수치적으로 표현하는 수치이미지(numerical image)로써 축전지의 구동 특성과 관계된 특성인자의 정밀 분석 및 임의의 전기적 부하 조건에서의 전지 구동 특성에 관한 시뮬레이션에 사용될 수 있다.
비선형 회로 모델의 일부 특성 인자는 축전지의 충방전 상태에 대하여 상호 의존성을 나타내는데 이러한 특성은 전지의 용량을 예측하는데 활용할 수 있다.
종래의 임피던스 스펙트럼 측정 방법으로는 일정 주파수의 주기적 여기 신호를 인가하고, 주파수 응답 분석기(FRA)와 같은 위상 감지 장치로 스펙트럼을 측정하는 것이 널리 사용되고 있으나, 상기와 같은 측정방법은 신호 발생기 및 위상 감지기 등과 같은 고가의 장치를 사용해야 되고, 또한 과도특성 효과를 제거하기 위하여 최소한 2주기의 신호를 필요로 함은 물론 복수의 주파수에 대한 스펙트럼이 필요한 경우에 순차적으로 측정을 진행하므로 측정에 소요되는 시간이 길어지는 문제점이 있다.
복수 중첩 정현파를 여기 신호로 하여 응답신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하는 측정 방법을 이용할 경우에는 위상 감지기를 사용하지 않고, 복수 주파수에 대한 스펙트럼 측정에 소요되는 시간이 주파수 응답 분석기를 사용하는 방법에 비해 짧다.
그러나, 고속 푸리에 변환방법은 측정하고자 하는 주파수 영역에 대한 최저 주파수 주기의 2배이상의 측정시간이 소요되고, 복잡한 형태의 신호 발생기와 대용량 기억장치를 필요로 하며, 인가되는 섭동 신호가 비간섭성 주파수들의 중첩으로 이루어지기 때문에 최저 주파수의 홀수배에 해당하는 주파수에서의 임피던스를 얻게 되므로, 저주파수 영역에서 임피던스 데이터의 분해능이 떨어지게 된다.
또한, 복수 중첩 정현파 대신에 펄스 전류를 사용하는 방법이 있으나, 이 경우에는 반복측정과 평균법으로도 제거되지 않고, 측정 오차를 발생시키는 주파수 에이리어싱 및 과도 효과 등으로 잡음이 매우 심하여 측정 결과의 신뢰성을 판정하거나 신뢰 구간을 설정하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 각종 전기적 회로, 선형 소자, 비선형 소자, 커패시터, 1차전지, 2차전지 및 연료전지 등과 같은 각종 전기 화학소자 등을 측정의 대상으로 하는 계로부터 양질의 광역 임피던스 스펙트럼을 이론적으로 가능한 최소 시간으로 측정할 수 있으며, 특히 측정의 정확도가 매우 높고 측정 속도가 빠르며 측정 장치가 간단한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치 및 방법, 이 장치가 구비된 다채널 측정 시스템을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연산에 필요한 메모리의 크기가 작고, 특정계의 선형성의 평가가 가능하며, 측정의 질과 측정계의 선형성을 분석함에 있어서 주파수 영역 측정값에 신뢰구간을 설정하는 등의 표준적 통계 수단을 얻을 수 있는 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치 및 방법, 이 장치가 구비된 다채널 측정 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 방법은, 소정의 신호크기와 주파수를 갖고, 직류성분과 교류성분을 포함한 합성신호로 된 인가신호를 생성하는 단계(S101)와, 상기 축전지(B)의 전압 및 전류 검출신호를 상기 인가신호에 보상하는 단계(S102)와, 상기 보상된 인가신호를 상기 축전지(B)에 인가하는 단계(S103)와, 상기 보상된 인가신호가 인가됨에 따른 상기 축전지(B)의 전압 및 전류 변화를 나타내는 응답신호를 검출하는 단계(S104)와, 상기 응답신호의 직류 바이어스를 제거하고, 측정오차 및 누설분에 대한 전압 및 전류 보상데이터를 보상하여 풀스케일 레인지(Full Scale Range)로 증폭하는 단계(S105)와, 상기 증폭된 응답신호를 가변 주파수 필터링하여 고주파 성분을 차단하는 단계(S106)와, 상기 필터링된 응답신호를 일정한 샘플링 속도로 디지털 변환하여 출력하는 단계(S107)와, 상기 인가신호 및 상기 인가신호에 따른 상기 축전지(B)의 전압 및 전류 변화를 나타내는 상기 응답신호를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변역으로 해석 가능한 매개함수로 근사하여 매개인자 값을 얻는 단계(S108)와, 근사를 통해 얻어진 매개인자 값을 사용하여 소정 주파수 영역의 임피던스 함수를 구하고, 임피던스 함수에 따라 임피던스 스펙트럼을 발생시키는 단계(S109)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
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또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치는, 측정에 필요한 인가신호를 선택하고, 시스템 내부 오차에 따른 전압 및 전류 보상신호를 제공하며, 그에 따른 응답신호를 분석하여 축전지(B)의 구동특성에 대한 데이터를 산출하는 처리장치(1)와, 상기 축전지(B)에서 출력되는 전압 및 전류를 검출하여 직류 바이어스 성분과 잡음 성분을 제거하는 검출장치(4)와, 상기 처리장치(1)에서 선택된 인가신호를 출력하는 출력장치(2)와, 상기 출력장치(2)에서 출력된 인가신호에 상기 검출장치(4)에서 검출된 검출신호를 보상하고 대역폭을 제한 또는 차단하는 대역폭제어기(3)와, 상기 대역폭제어기(3)에서 보상된 인가신호를 증폭하여 상기 축전지(B)에 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하는 전력증폭기(6)와, 상기 검출장치(4)에서 검출된 응답신호에 처리장치(1)로부터 제공된 보상신호를 보상하여 출력하는 변환장치(5) 및 상기 처리장치(1)의 입출력단에 결합되어 데이터의 고속전송을 원활히 하고 게인 및 옵셋 에러를 보정하는 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)(8')로 구성된 것을 특징으로 한다.또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치가 구비된 다채널 측정 시스템은, 측정에 필요한 인가신호를 선택하고, 시스템 내부 오차에 따른 전압 및 전류 보상신호를 제공하며, 그에 따른 응답신호를 분석하여 축전지(B)의 구동특성에 대한 데이터를 산출하는 처리장치(1)와, 상기 처리장치(1)의 입출력단에 결합되어 데이터의 고속전송을 원활히 하고 게인 및 옵셋 에러를 보정하는 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)(8') 및 상기 처리장치(1)에서 선택된 인가신호를 출력하는 출력장치(2), 상기 출력장치(2)에서 출력된 인가신호에 검출장치(4)로부터 검출되는 검출신호를 보상하고 대역폭을 제한 또는 차단하는 대역폭제어기(3), 상기 축전지(B)에서 출력되는 전압 및 전류를 검출하여 직류 바이어스 성분과 잡음 성분을 제거하는 상기 검출장치(4), 상기 검출장치(4)에서 검출된 응답신호에 상기 처리장치(1)로부터 제공된 보상신호를 보상하여 출력하는 변환장치(5) 및 상기 대역폭제어기(3)에서 보상된 신호를 증폭하여 상기 축전지(B)에 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하는 전력증폭기(6)로 구성된 단일 모듈(M)을 다수 탑재하며, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)에서 수신되는 데이터를 상기 단일 모듈(M)에 각각 전송하고, 각 단일 모듈(M)의 출력신호를 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8')로 송신하는 스위칭 장치(91)로 이루어진 멀티측정장치(9)가 포함된 것을 특징으로 한다.
이하에서 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 방법의 흐름도이다.우선, 축전지(B)의 구동특성을 측정하기 위하여 인가신호를 생성(S101)한다. 사인신호·펄스신호·스텝신호 등 소정의 신호크기와 주파수를 갖는 신호형태로 되는 인가신호는 직류성분과 교류성분이 포함된 합성신호로, 축전지(B)에 정전압 또는 정전류 등을 인가하고 그에 대한 응답으로 검출되는 신호 즉, 전압 및 전류의 변화를 검출하기 위한 것이다.인가신호는 단일 정현파 방법(Single sine wave method)이나 복수 중첩 정현파 방법(Multi sine wave method)으로 인가되어, 그 응답으로 검출되는 신호를 고속 푸리에 변환하거나 라플라스 변환을 통해 주파수 영역에서의 임피던스 함수를 도출해내고, 도출된 특성 임피던스를 이용해 구동특성 데이터를 산출하는데 사용된다.
그리고, 현재 축전지에서 출력되는 전압 및 전류에 의하여 검출되는 신호의 크기가 달라질 수 있기 때문에, 축전지(B)의 전압 및 전류 검출신호를 상기 인가신호에 보상(S102)한다.
상기 보상된 인가신호를 축전지(B)에 인가(S103)하여, 축전지(B)의 전압 및 전류 변화에 따른 응답신호를 검출(S104)한다.
상기 응답신호는 직류 바이어스 성분을 제거하고, 시스템 내부의 오차(잡음, 감쇠 등)에 따른 전압 및 전류 보상데이터를 입력받아 보상(S105)한 후, 풀스케일 레인지(Full Scale Range)로 증폭(S105)하고, 가변 주파수 필터링하여 고주파 성분을 차단(S106)한다.즉, 응답신호에서 전압 및 전류 DC 바이어스를 각각 감산하여 바이어스를 제거하고, 측정오차 및 누설분에 대한 전압을 보상하고 아날로그/디지털 변환기의 분해능을 높이기 위하여 풀스케일 레인지(Full Scale Range)로 증폭 출력하여, 출력된 신호의 고주파 성분을 차단하기 위하여 가변 주파수 필터링하는 것이다.상기 필터링된 응답신호는 일정한 샘플링 속도로 디지털 변환하여 출력(S107)한다. 이때, 응답신호는 상기 인가신호에 따른 상기 축전지(B)의 전압 및 전류 변화를 나타내는 신호가 된다.상기 인가신호 및 상기 응답신호를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변역으로 해석 가능한 매개함수로 근사하여 매개인자 값을 얻고(S108), 근사를 통해 얻어진 매개인자 값을 사용하여 소정 주파수 영역의 임피던스 함수를 구한 후, 임피던스 함수에 따라 임피던스 스펙트럼을 발생(S109)시켜 구동특성 데이터를 산출한다.
이때, 상기 구동특성 데이터를 산출하는 방법으로는 특정한 매개 함수(Carrier function)를 이용한 라플라스 변환법을 사용하며, 그 목적을 달성할 수 있는 것이면 특정한 것에 제한을 두지 않음은 물론이다.
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여기서, 상기 매개함수에 근사하고 임피던스 함수를 구하는 방법은 등록특허 제10-0317598호 ‘라플라스 변환 임피던스 측정방법 및 측정장치’에서 기재된 방법을 이용할 수 있으며, 특정한 방법에 제한하는 것은 아니다.등록특허 제10-0317598호를 참조하면, 임피던스 함수를 구하기 위하여, 시간 영역에서 여기된 인가신호에 대하여 측정된 응답신호를 통해 축전지(B)의 구동특성을 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변환 매개함수에 근사하고, 그 매개인자 값을 사용하여 소정의 주파수 영역에 대한 임피던스 스펙트럼을 제공하는 방법이 사용될 수 있다. 즉, 선택한 측정방법에 따라 제어변수를 입력하여 셋팅하고, 교류 임피던스 측정의 대상물이 되는 전기 화학소자인 축전지(B)에 정전류 또는 정전압을 여기신호로 인가하여, 시간 영역에서 인가한 여기신호에 따른 축전지(B)의 전압 및 전류의 변화[V(t) 또는 I(t)]를 입력하여 고속 푸리에 변환하거나 V(s) 또는 I(s)로 라플라스 변환하고, 라플라스 변환한 V(s) 및 I(s)로 임피던스 Z(s)=V(s)/I(s)를 계산하며, 계산한 임피던스 Z(s)의 에러 함수를 계산하는 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치의 블록도이다.처리장치(1)는 사인신호·펄스신호·스텝신호 등의 신호크기나 주파수를 선택하는 방식으로 출력장치(2)를 통한 인가신호의 출력을 제어한다.
이때, 상기 처리장치(1)에서 출력되는 인가신호는 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)를 거쳐 출력장치(2)로 인가되며, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)은 처리장치(1)의 출력단에 결합되어 데이터의 고속전송을 원활히 하고 게인 및 옵셋 에러를 보정한다.
상기 처리장치(1)의 제어에 의하여 출력장치(2)의 교류발생기(21)에서는 인가신호의 교류성분을 생성하고, 바이어스공급기(26)에서는 인가신호의 직류성분을 생성한다.
이때, 상기 교류발생기(21)에서 발생되는 교류성분의 PP(Peak to peak) 전압은 수십 ㎷ 단위이며, 필요에 따라 감쇠를 해야 하므로 PP 전압을 감쇠하기 위한 감쇠기(22)를 거치게 된다.
또한, 상기 바이어스공급기(26)에서 발생되는 직류성분은 축전지(B)의 가상 동작점을 설정하거나 DC옵셋을 ‘0’으로 설정하기 위한 것이며, 안정화 시간(settling time)동안 오실레이션(oscillation)하기 때문에 이 부분을 제거하기 위한 슬로프 리미터(27)를 거치게 된다.
상기 감쇠기(22)와 슬로프 리미터(27)를 거친 교류성분과 직류성분은 가산기(25)에서 합성되어 교류성분 및 직류성분을 포함한 인가신호가 출력된다.
상기 가산기(25)에서 출력되는 인가신호는 대역폭제어기(3)로 입력되며, 상기 대역폭제어기(3)는 검출장치(4)에서 검출되는 전압 및 전류의 검출신호를 입력받아 상기 인가신호를 보상하며, 대역폭을 제한 또는 차단하여 과부하로부터 안정한 동작을 하도록 한다.
상기 대역폭제어기(3)에서 보상된 인가신호는 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하기 위한 전력증폭기(6)에서 증폭되어 축전지(B)에 인가되며, 이때 형성되는 축전지(B)의 전압 및 전류는 검출장치(4)의 전압검출기(41)와 전류검출기(46)에 의하여 검출되고, 상기 전류검출기(46)에서 검출된 전류는 전류/전압 변환기(47)에서 전압으로 변환된다.
여기서, 상기 검출장치(4)는 교류입력만을 검출하기 위하여 직류 바이어스 전압 및 전류 성분과 잡음성분을 제거한다.
상기 검출장치(4)에서 검출된 전압 및 전류는 변환장치(5)를 거쳐 디지털신호(Digital signal)로 변환된 후, 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8')를 거쳐 처리장치(1)로 입력되며, 상기 처리장치(1)는 인가신호와 검출된 응답신호에 의하여 축전지(B)의 구동특성 데이터를 산출하게 된다.
상기 처리장치(1)는 디지털 전압 및 전류를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변환 매개함수로 근사화하고, 임피던스 스펙트럼을 발생시켜 연산결과를 분석 및 저장한다.
여기서, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)(8')에 의해 고속처리가 가능하기 때문에 측정범위를 충분히 확장할 수 있다.
그리고, 상기 변환장치(5)는 처리장치(1)로부터 시스템 내부의 오차(잡음, 감쇠 등)에 따른 전압 및 전류 보상데이터를 입력받아, DC 바이어스 전압보상DAC(Digital to Analog Converter)(51)와 DC 바이어스 전류보상DAC(51')에서 아날로그신호(Analog signal)로 변환하며, 상기 변환된 전압 및 전류 보상데이터는 검출장치(4)에서 검출된 전압 및 전류와 가산기(52)(52')에서 합성된다.
이때, 게인 및 옵셋 에러 보정기(56)(56')에서 측정오차 및 누설분에 대한 보상신호가 출력되어 상기 DC 바이어스 전압보상 DAC(51)와 DC 바이어스 전류보상 DAC(51')로 입력된다.
상기 가산기(52)(52')에서 합성된 신호는 증폭기(53)(53')에서 증폭된 후, 저대역 통과필터(54)(54')에서 필터링 되어 고주파성분이 제거되며, 상기 필터링된 신호는 전압ADC(Analog to Digital Converter)(55)와 전류ADC(55')에서 디지털신호로 변환되어 처리장치(1)로 입력된다.
또한, 상기 처리장치(1)에서 인가되는 인가신호와 보상신호 및 측정결과에 따른 데이터 산출방식 등은 처리장치(1)의 내부에 저장이 가능하고, 별도의 출력장치를 구비하여 각종입력신호 및 분석결과를 나타낼 수 있으며, 필요에 따라 원격제어장치(7)에 의하여 원하는 것을 선택할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 의한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치가 구비된 다채널 측정 시스템의 블록도이다.도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치가 구비된 다채널 측정 시스템은, 다수의 축전지(B)를 측정하기 위한 멀티측정장치(9)는 출력장치(2), 대역폭제어기(3), 검출장치(4), 변환장치(5) 및 전력증폭기(6)로 구성된 단일 모듈(M)을 다수 탑재하며, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)에서 수신되는 데이터를 상기 단일 모듈(M)에 각각 전송하고, 각 단일 모듈(M)의 출력신호를 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8')로 송신하는 스위칭 장치(91)로 구성된다.
uHz 대역의 저주파에서 MHz 대역의 고주파에 이르는 넓은 주파수 대역에서 1차 전지 및 2차 전지의 특성 임피던스 스펙트럼을 측정하고, 측정한 특성 임피던스 스펙트럼을 저항·축전지 및 전송선 등의 모형상수로 구성된 등가회로에 근사시켜 모형상수의 값을 계산하여, 실시간 방전법으로 사전 조사된 전지의 용량과 모형상수의 상관관계에 준하여 미지의 전지의 용량을 갖는 전지의 특성 임피던스 스펙트럼 분석에 의한 전지의 용량을 측정한다.
이는 실시간 방전법에 비하여 측정시간이 짧고, 충전 및 방전 상태와 정밀한 상관관계를 갖는 등가회로의 모형상수를 사용하며, 이때 전지의 내부 임피던스 값과 전지용량의 상관관계는 전지의 활물질로 사용되는 화학재료의 임피던스 응답 특성에 의하여 결정되므로, 넓은 주파수 영역의 임피던스 스펙트럼을 분석하여 모형상수를 결정하는 효율성과 신뢰성이 우수하고, 축전지셀 자체의 회로에 대한 에러를 검출하여 셀자체의 고장유무 확인이 가능하다.
이상에서 본 발명은 축전지(B)의 임피던스 측정에 대하여 설명하였으나, 모든 전기 화학소자에 적용이 가능하며, 당업자의 요구에 따라 기본 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 운반함수(Carrier function)를 이용한 라플라스 변환법(CFLT)은 Multi-wave FFT에서 사용하는 신호발생기를 사용하지 않으면서 측정의 정확도가 우수하고 측정시간이 FFT의 1/2로 단축되며, AC 임피던스 스펙트럼을 얻는 과정에서 DC 신호를 측정하여 수치적인 처리를 행하게 되므로 실제 측정장치의 구조는 DC 장치에 기초하고 있어 기존의 DC 충방전 시험 장치와 쉽게 결합될 수 있다.
또한, 축전지의 특성 인자들을 정밀 분석하면 구성 재료의 동역학 특성에 관한 유용한 정보를 얻을 수 있으며, 이러한 정보는 입자의 표면 반응 저항·확산계수·전해질 평균 저항·전도 분포 저항 등 중요 동역학 특성인자의 거동에 대한 데이터를 얻을 수 있으며, 이 결과는 재료의 혼합구성 뿐만 아니라 축전지의 온도특성·열화특성·반응 안정성 등에 대한 결정적인 정보를 제공할 것이므로, 축전지셀 자체의 회로에 대한 에러를 검출하여 셀자체의 고장유무 확인이 가능하며, 실제 축전지의 설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 방법의 흐름도.
삭제
도 2는 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치의 블록도.
도 3은 본 발명에 의한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치가 구비된 다채널 측정 시스템의 블록도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 처리장치 2 : 출력장치
3 : 대역폭제어기 4 : 검출장치
5 : 변환장치 6 : 전력증폭기
7 : 원격제어장치 21 : 교류발생기
22 : 감쇠기 25 : 믹서
26 : 바이어스 공급기 27 : 슬로프 리미터
41 : 전압검출기 46 : 전류검출기
51 : 전압보상 DAC 51' : 전류보상 DAC
52, 52' : 믹서 53, 53' : 증폭기
54, 54' : 저대역 통과필터 55 : 전압 ADC
55' : 전류 ADC

Claims (8)

  1. 축전지(B)의 구동특성을 측정하기 위한 방법에 있어서,
    소정의 신호크기와 주파수를 갖고, 직류성분과 교류성분을 포함한 합성신호로 된 인가신호를 생성하는 단계(S101)와,
    상기 축전지(B)의 전압 및 전류 검출신호를 상기 인가신호에 보상하는 단계(S102)와,
    상기 보상된 인가신호를 상기 축전지(B)에 인가하는 단계(S103)와,
    상기 보상된 인가신호가 인가됨에 따른 상기 축전지(B)의 전압 및 전류 변화를 나타내는 응답신호를 검출하는 단계(S104)와,
    상기 응답신호의 직류 바이어스를 제거하고, 측정오차 및 누설분에 대한 전압 및 전류 보상데이터를 보상하여 풀스케일 레인지(Full Scale Range)로 증폭하는 단계(S105)와,
    상기 증폭된 응답신호를 가변 주파수 필터링하여 고주파 성분을 차단하는 단계(S106)와,
    상기 필터링된 응답신호를 일정한 샘플링 속도로 디지털 변환하여 출력하는 단계(S107)와,
    상기 인가신호 및 상기 인가신호에 따른 상기 축전지(B)의 전압 및 전류 변화를 나타내는 상기 응답신호를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변역으로 해석 가능한 매개함수로 근사하여 매개인자 값을 얻는 단계(S108)와,
    근사를 통해 얻어진 매개인자 값을 사용하여 소정 주파수 영역의 임피던스 함수를 구하고, 임피던스 함수에 따라 임피던스 스펙트럼을 발생시키는 단계(S109)로 이루어진 것을 특징으로 하는 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 방법.
  2. 삭제
  3. 축전지(B)의 구동특성을 측정하기 위한 장치에 있어서,
    측정에 필요한 인가신호를 선택하고, 시스템 내부 오차에 따른 전압 및 전류 보상신호를 제공하며, 그에 따른 응답신호를 분석하여 축전지(B)의 구동특성에 대한 데이터를 산출하는 처리장치(1)와,
    상기 축전지(B)에서 출력되는 전압 및 전류를 검출하여 직류 바이어스 성분과 잡음 성분을 제거하는 검출장치(4)와,
    상기 처리장치(1)에서 선택된 인가신호를 출력하는 출력장치(2)와,
    상기 출력장치(2)에서 출력된 인가신호에 상기 검출장치(4)에서 검출된 검출신호를 보상하고 대역폭을 제한 또는 차단하는 대역폭제어기(3)와,
    상기 대역폭제어기(3)에서 보상된 인가신호를 증폭하여 상기 축전지(B)에 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하는 전력증폭기(6)와,
    상기 검출장치(4)에서 검출된 응답신호에 처리장치(1)로부터 제공된 보상신호를 보상하여 출력하는 변환장치(5) 및
    상기 처리장치(1)의 입출력단에 결합되어 데이터의 고속전송을 원활히 하고 게인 및 옵셋 에러를 보정하는 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)(8')로 구성된 것을 특징으로 하는 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 처리장치(1)에서 선택되는 인가신호와 공급하는 보상신호 및 응답신호를 원격제어하는 원격제어장치(7)를 포함하여서 구성된 것을 특징으로 하는 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 출력장치(2)는,
    상기 처리장치(1)에서 선택된 인가신호의 교류성분을 생성하는 교류발생기(21)와,
    상기 교류발생기(21)에서 생성된 신호를 감쇠하는 감쇠기(22)와,
    상기 처리장치(1)에서 선택된 인가신호의 직류성분을 출력하는 바이어스공급기(26)와,
    상기 바이어스공급기(26)에서 인가되는 직류성분의 초기 오실레이션 성분을 제거하기 위한 슬로프 리미터(27) 및
    상기 감쇠기(22)의 출력신호와 상기 슬로프 리미터(27)의 출력신호를 합성하는 믹서(25)로 구성된 것을 특징으로 하는 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치.
  6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 변환장치(5)는,
    측정오차 및 누설분에 대한 보상신호가 출력되는 게인 및 옵셋 에러 보정기(56)(56')와,
    상기 게인 및 옵셋 에러 보정기(56) 및 상기 처리장치(1)에서 제공되는 전압 보상신호를 아날로그로 변환하는 DC 바이어스 전압보상DAC(51)와,
    상기 게인 및 옵셋 에러 보정기(56') 및 처리장치(1)에서 제공되는 전류 보상신호를 아날로그로 변환하는 DC 바이어스 전류보상DAC(51')와,
    상기 DC 바이어스 전압보상DAC(51)와 상기 DC 바이어스 전류보상DAC(51')에서 변환된 보상신호와 상기 검출장치(4)에서 검출된 전압신호를 합성하는 가산기(52)(52')와,
    상기 가산기(52)(52')에서 출력된 신호를 증폭하는 증폭기(53)(53')와,
    상기 증폭기(53)(53')의 신호를 필터링하는 저대역통과필터(54)(54')와,
    상기 저대역통과필터(54)에서 필터링된 신호를 디지털로 변환하는 전압ADC(54) 및
    상기 저대역통과필터(54')에서 필터링된 신호를 디지털로 변환하는 전류ADC(54')로 구성된 것을 특징으로 하는 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치.
  7. 축전지(B)의 구동특성을 측정하기 위한 시스템에 있어서,
    측정에 필요한 인가신호를 선택하고, 시스템 내부 오차에 따른 전압 및 전류 보상신호를 제공하며, 그에 따른 응답신호를 분석하여 축전지(B)의 구동특성에 대한 데이터를 산출하는 처리장치(1)와,
    상기 처리장치(1)의 입출력단에 결합되어 데이터의 고속전송을 원활히 하고 게인 및 옵셋 에러를 보정하는 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)(8') 및
    상기 처리장치(1)에서 선택된 인가신호를 출력하는 출력장치(2), 상기 출력장치(2)에서 출력된 인가신호에 검출장치(4)로부터 검출되는 검출신호를 보상하고 대역폭을 제한 또는 차단하는 대역폭제어기(3), 상기 축전지(B)에서 출력되는 전압 및 전류를 검출하여 직류 바이어스 성분과 잡음 성분을 제거하는 상기 검출장치(4), 상기 검출장치(4)에서 검출된 응답신호에 상기 처리장치(1)로부터 제공된 보상신호를 보상하여 그에 따른 응답신호를 출력하는 변환장치(5) 및 상기 대역폭제어기(3)에서 보상된 신호를 증폭하여 상기 축전지(B)에 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하는 전력증폭기(6)로 구성된 단일 모듈(M)을 다수 탑재하며,
    상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)에서 수신되는 데이터를 상기 단일 모듈(M)에 각각 전송하고, 각 단일 모듈(M)의 출력신호를 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8')로 송신하는 스위칭 장치(91)로 이루어진 멀티측정장치(9)가 포함된 것을 특징으로 하는 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치가 구비된 다채널 측정 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 처리장치(1)에서 선택되는 인가신호와 공급하는 보상신호 및 응답신호를 원격제어하는 원격제어장치(7)를 포함하여서 구성된 것을 특징으로 하는 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치가 구비된 다채널 측정 시스템.
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