KR102379377B1 - 전기 화학 임피던스 분광을 위한 전기 아키텍처 - Google Patents

전기 화학 임피던스 분광을 위한 전기 아키텍처 Download PDF

Info

Publication number
KR102379377B1
KR102379377B1 KR1020207004195A KR20207004195A KR102379377B1 KR 102379377 B1 KR102379377 B1 KR 102379377B1 KR 1020207004195 A KR1020207004195 A KR 1020207004195A KR 20207004195 A KR20207004195 A KR 20207004195A KR 102379377 B1 KR102379377 B1 KR 102379377B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
eis
current
current regulator
electrochemical
circuit
Prior art date
Application number
KR1020207004195A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200050950A (ko
Inventor
저 공
올리비에 트레스케이시즈
Original Assignee
더 가버닝 카운슬 오브 더 유니버시티 오브 토론토
이립파워 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 더 가버닝 카운슬 오브 더 유니버시티 오브 토론토, 이립파워 리미티드 filed Critical 더 가버닝 카운슬 오브 더 유니버시티 오브 토론토
Publication of KR20200050950A publication Critical patent/KR20200050950A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102379377B1 publication Critical patent/KR102379377B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4257—Smart batteries, e.g. electronic circuits inside the housing of the cells or batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

본 발명은 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 위한 전기 아키텍처를 제공한다. EIS 회로는 적어도 2개의 전류 조절기 및 전기 에너지 저장 장치를 포함하고, 이들은 각각의 전류 조절기로 흐르는 전력을 분리하는 구성에서 하나 이상의 전기 화학 셀과 연결된다. 상기 전기 에너지 저장 장치의 존재는 각각의 조절기가 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하면서 더 낮은 전력 레벨에서 동시에 동작할 수 있게 한다. 저전력에서 작동하면 소산형 또는 비-소산형 전류 조절기만 있는 것에 비해 동일한 전류에서 부피와 비용을 낮출 수 있다. 나아가, 상기 전기 에너지 저장 장치는 원하는 EIS 섭동 전류를 달성하기 위해 상기 전류 조절기를 통해 흐르는 전력을 독립적으로 변화시켜 상기 회로에서 발생하는 열의 양을 최소화시켜 상기 회로가 차지하는 크기를 최소화하고 최소 비용을 초래할 수 있다.

Description

전기 화학 임피던스 분광을 위한 전기 아키텍처
본 발명은 전기 화학 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy: EIS)을 수행하기 위한 전기 아키텍처에 관한 것으로, 상세하게는 EIS 회로, 전기 차량용 배터리 관리 시스템, 및 하나 이상의 전기 화학 셀(electrochemical cell)에 EIS를 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기 화학 임피던스 분광(EIS)은 일반적으로 DC 내지 수 ㎑의 주파수에서 배터리의 임피던스의 측정을 포함한다. EIS는 일반적으로 벤치-탑 장비(bench-top equipment)를 사용한 오프라인 특성을 분석하는데 사용되었지만 일부 개발은 실시간 시스템의 응용에서 이루어졌다. 기존 온라인 EIS 전력 아키텍처는 일반적으로 소산형(dissipative) 및 비-소산형(non-dissipative)의 두 가지 범주로 분류될 수 있다.
소산 방법에서는, 피드백 제어를 갖는 선형 영역에서 동작하는 MOSFET와 같은 전류 조절기(current regulator)가 사용되고 섭동 에너지(perturbation energy)는 조절기 자체로 소산된다. 요구되는 섭동 전류(perturbation current)가 높은 경우, 소산 방법은 시스템에서 발생하는 열량으로 인해 실용적이지 않을 수 있다.
비-소산 방법에서, 에너지를 열로 변환하려는 의도 없이 섭동 전류가 유도된다. 일례에서, 일련의 DC-DC 변환기는 이웃한 셀에 부착된 각 변환기의 입력 및 출력으로 배터리 셀 스트링에 연결되고, 연결 방식은 전체 스트링에 걸쳐있다. 섭동 전류는 각 DC-DC 변환기에 의해 유도되고, 하나의 셀로부터 이웃한 셀로 흐르며, 양방향일 수 있다. 요구되는 섭동 전류가 높은 경우, 비-소산 방법은 소산 방법에 비해 가열 문제가 덜 발생한다. 그러나 열 관리 측정 및 구성 요소 크기 조정이 일반적으로 여전히 증가시키는데 필요하여 이에 볼륨 증가를 초래한다. 또 다른 문제는 자기 포화(magnetic saturation) 문제로, 이는 온라인 사용 시 DC-DC 변환기를 비실용적으로 커지게 할 수 있다.
의미 있는 전압 판독은 전형적으로 큰 섭동 전류를 필요로 하여, 기존의 온라인 EIS 전력 아키텍처의 전술한 결함을 초래한다. EIS에 요구되는 전류의 크기는 배터리 임피던스 및 전압 측정 능력의 함수이며, 배터리 임피던스는 온도에 매우 민감하다. EIS 시스템의 전력 아키텍처에 요구될 수 있는 것을 강조하기 위한 예로서, 대략 1mΩ인 것으로 측정된 공칭 ESR을 갖는 44Ah 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 파우치 셀을 고려한다. 10mV 피크-피크 섭동 응답으로부터 의미 있는 전압 판독값을 얻는 것을 기대하려면 필요한 섭동 전류는 10A 피크-피크이다. 하나의 직렬 유닛을 형성하기 위해 4개의 이러한 셀이 병렬로 연결되는 예시적인 EV 응용에서, 요구되는 섭동 전류는 40A 피크-피크이다.
따라서, EIS를 가능하게 하기 위한 추가적인, 대안적인 및/또는 개선된 전기 아키텍처가 매우 바람직하다.
하나 이상의 전기 화학 셀의 임피던스를 측정하기 위한 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로가 제공되고, 상기 전기 화학 임피던스 분광 회로는 전기 에너지 저장 장치; 상기 전기 에너지 저장 장치와 상기 하나 이상의 전기 화학 셀 사이에 연결된 제1 전류 조절기; 및 제2 전류 조절기를 포함한다. 이 구성에 의해 상기 제1 전류 조절기와 상기 제2 전류 조절기로 흐르는 전력은 분리된다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 제1 전류 조절기는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 직렬로 연결되고; 상기 전기 에너지 저장 장치는 상기 제1 전류 조절기 및 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 직렬 연결부와 병렬로 연결되고; 상기 제2 전류 조절기는 상기 전기 에너지 저장 장치와 병렬로 연결되고, 상기 제1 전류 조절기와 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 직렬 연결부와 병렬로 연결된다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 제1 전류 조절기는 상기 전기 에너지 저장 장치와 직렬로 연결되고; 상기 제1 전류 조절기와 상기 전기 에너지 저장 장치의 직렬 연결부는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 병렬로 연결되고; 상기 제2 전류 조절기는 상기 제1 전류 조절기와 상기 전기 에너지 저장 장치의 직렬 연결부와 병렬로 연결되고, 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 병렬로 연결된다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기는 비-소산형 전류 조절기이다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기는 소산형 전류 조절기이다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 제1 전류 조절기는 소산형 전류 조절기이고, 상기 제2 전류 조절기는 비-소산형 전류 조절기이다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 제1 전류 조절기는 비-소산형 전류 조절기이고, 상기 제2 전류 조절기는 소산형 전류 조절기이다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 비-소산형 전류 조절기는 부하에 연결된 출력을 갖는 스위치 모드 전력 변환기이다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 스위치 모드 전력 변환기는 이중 활성 브리지(dual active bridge), 플라이백(plyback) 또는 비-반전 벅-부스트(non-inverting buck-boost)를 포함하는 임의의 절연된 또는 비-절연된 토폴로지를 갖는다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 스위치 모드 전력 변환기는 양방향 전력 흐름을 지원한다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 스위치 모드 전력 변환기의 상기 출력에 연결된 부하는 다른 전기 화학 셀이다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 스위치 모드 전력 변환기의 상기 출력에 연결된 부하는 하나 이상의 병렬 연결된 추가 EIS 회로이다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 소산형 전류 조절기는 전류 피드백 제어 루프를 갖는 MOSFET을 포함한다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 소산형 전류 조절기는 제어 스위치와 직렬로 연결된 저항기를 포함한다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 제1 전류 조절기와 상기 제2 전류 조절기 중 하나 또는 둘 모두는 복수의 전류 조절기를 포함한다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 커패시터와 인덕터 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 복수의 전기 에너지 저장 장치를 포함한다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 제어 스위치와 직렬로 연결된다.
상기 EIS 회로의 양태에서, 상기 회로는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀에 연결하기 위한 하나 이상의 스위치를 더 포함한다.
하나 이상의 전기 화학 셀을 갖는 전기 차량용 배터리 관리 시스템(battery management system: BMS)이 또한 제공된다. 상기 BMS는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 연결된 상기 양태의 EIS 회로를 포함하고, 상기 BMS는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 온라인 전기 화학 임피던스 분광을 수행하도록 구성된다.
상기 BMS의 양태에서, 상기 전기 에너지 저장 장치, 상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기 중 적어도 하나는 상기 BMS의 원래의 구성 요소이다.
일 양태에서, 상기 BMS는 상기 전기 차량의 동작 동안 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 실시간 임피던스 측정을 수행하도록 구성되고, 상기 측정된 임피던스는 상기 전기 화학 셀의 충전 상태, 온도 및 노화(age)를 포함하는 하나 이상의 동작 상태를 결정하는데 사용된다.
하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하기 위한 시스템이 또한 제공되고, 상기 시스템은, 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 결합된 상기 양태 중 임의의 양태의 EIS 회로; 상기 EIS 회로에 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하기 위해 상기 제1 및 제2 전류 조절기를 통해 각각의 전류 기준 신호를 생성하도록 구성된 전류 생성 모듈; 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정 기기; 및 상기 측정된 전압 및 유도된 EIS 섭동 전류에 기초하여 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 임피던스를 결정하도록 구성된 임피던스 결정 유닛을 포함한다.
상기 시스템은 원하는 상기 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하기 위해 각각의 전류 기준 신호를 생성하도록 상기 전류 생성 모듈을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 결정된 임피던스에 기초하여 상기 전기 화학 셀의 충전 상태, 온도 및 노화를 포함하는 하나 이상의 동작 상태를 결정하도록 구성된 평가 유닛을 더 포함할 수 있다.
전술한 양태의 EIS 회로를 사용하여 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하는 방법이 또한 제공되고, 상기 방법은, 상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기 각각을 위한 전류 기준 신호를 각각 생성하는 단계로서, 상기 각각의 전류 기준 신호는 상기 EIS 회로에 원하는 섭동 전류를 유도하기 위해 생성되고, 상기 원하는 섭동 전류는 정현파 섭동 전류를 포함하는, 상기 전류 기준 신호를 생성하는 단계; 상기 EIS 회로에 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하기 위해 상기 제1 및 제2 전류 조절기 각각을 통해 각각의 전류 기준 신호를 유도하는 단계; 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 전압을 측정하는 단계; 및 측정된 전압 및 유도된 EIS 섭동 전류에 기초하여 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 임피던스를 결정하는 단계를 포함한다.
전술한 방법에서, 상기 제1 및 제2 전류 조절기 각각을 위한 상기 전류 기준 신호가 각각 생성될 수 있다.
상기 방법은 결정된 임피던스에 기초하여 상기 전기 화학 셀의 충전 상태, 온도 및 노화를 포함하는 하나 이상의 동작 상태를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 방법의 양태에서, 상기 방법은 상기 제1 및 제2 전류 조절기를 통해 각각의 전류 기준 신호를 유도하기 전에 상기 전기 에너지 저장 장치로부터 전기 에너지를 방출하는 단계를 더 포함한다.
본 방법의 양태에서, 상기 정현파 섭동 전류는 0 내지 10 ㎑의 주파수 범위를 갖는다.
본 발명의 추가 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 표현을 도시하는 도면;
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 표현을 도시하는 도면;
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 표현을 도시하는 도면;
도 4는 도 3a의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 예시적인 시스템도;
도 5는 도 4에 도시된 시스템의 이상적인 정상 상태 동작 파형을 도시하는 도면;
도 6은 도 4에 도시된 시스템의 예시적인 오실로스코프 캡처(oscilloscope capture)를 도시하는 도면;
도 7은 반복된 EIS 측정에 걸쳐 도 4에 도시된 시스템의 예시적인 오실로스코프 캡처를 도시하는 도면;
도 8은 도 4에 도시된 시스템의 하나의 임피던스 측정 사이클에 걸쳐 Q선형의 케이스 온도인 T케이스의 예시적인 오실로스코프 캡처를 도시하는 도면;
도 9는 도 4에 도시된 시스템의 6개의 임피던스 측정 사이클에 걸쳐 Q선형의 케이스 온도인 T케이스의 예시적인 오실로스코프 캡처를 도시하는 도면;
도 10은 일부 실시예에 따라 도 4에 도시된 시스템에 사용되는 스위치 모드 전력 변환기의 구현예를 도시하는 도면; 및
도 11은 전기 화학 임피던스 분광을 수행하는 방법을 도시하는 도면.
첨부된 도면 전체에 걸쳐, 동일한 특징은 동일한 참조 번호로 식별된다는 것을 유의해야 한다.
본 발명은 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 위한 전기 아키텍처를 제공한다. 보다 구체적으로, EIS 회로, 전기 차량용 배터리 관리 시스템, 및 하나 이상의 전기 화학 셀에 EIS를 수행하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. EIS 회로는 적어도 2개의 전류 조절기, 및 각각의 전류 조절기로 흐르는 전력을 분리하는 구성에서 하나 이상의 전기 화학 셀에 연결된 전기 에너지 저장 장치를 포함한다. 전류 조절기는 소산형 또는 비-소산형 전류 조절기일 수 있다. 전기 에너지 저장 장치의 존재는 각각의 조절기가 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하면서 더 낮은 전력 레벨에서 동시에 동작할 수 있게 한다. 저전력에서 작동하면 소산형 또는 비-소산형 전류 조절기만 있는 것에 비해 동일한 전류에서 부피와 비용을 낮출 수 있다. 더욱이, 전기 에너지 저장 장치는 원하는 EIS 섭동 전류를 달성하기 위해 전류 조절기를 통해 흐르는 전력을 독립적으로 변화시켜 회로에서 발생하는 열을 최소화시켜, 회로를 최소 크기로 하고 최소 비용으로 할 수 있다.
따라서, EIS 회로에서 소산 방법 또는 소산형 전류 조절기가 사용되는 경우, 시스템에서 발생하는 열의 양이 억제될 수 있고, 비-소산 방법 또는 비-소산형 전류 조절기가 EIS 회로에 사용되는 경우 열 관리 측정 및 구성 요소 크기가 감소될 수 있다. 나아가, 전류 조절기의 크기 및 비용이 또한 감소될 수 있다. EIS 회로는 소산 방법 및 비-소산 방법 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
EIS 회로는 시변 전기 화학 셀 등가 회로 모델 파라미터 값을 정확히 결정하도록 구현될 수 있다. 정현파 섭동 전류는 일부 경우에 DC 오프셋을 갖는 전기 화학 셀에서 유도되며, 임피던스는 알려진 전류 및 측정된 전압 페이저(voltage phasor)에 기초하여 계산될 수 있다. 곡선 맞춤을 사용하여 회로 파라미터 값을 추정할 수 있으며, 광범위한 동작 상태를 위한 모델을 생성할 수 있다.
본 명세서에 개시된 EIS 회로는 온라인 EIS를 가능하게 하기 위해 전기 차량(electric vehicle: EV)의 배터리 관리 시스템(BMS)의 일부로서 구현되는 것을 포함하지만 이로 한정되지 않는 일부 실용적인 응용을 가질 수 있다. EV의 실제 구동 범위를 증가시키면서도 비용을 줄이기 위해 안전과 수명을 유지하면서 배터리 셀 기술을 한계까지 확장하는 것이 중요하다. 충전 상태(state-of-charge: SOC), 전력 능력 및 용량과 같은 배터리 파라미터의 추정값의 정확도를 높이는 것이 오늘날의 BMS에서 일반적으로 부과되는 보수적인 한계를 제거하는 데 중요하다. 셀 균형 맞춤 또는 보조 부하 공급을 위해 DC-DC 변환기가 내장된 EV BMS에서, 본 명세서에 개시된 EIS 아키텍처는 적은 증분 비용으로 통합될 수 있다. 유사하게, 다른 네이티브(native)/오리지널(original) BMS 구성 요소는 특정 시스템 설정에 따라 본 명세서에 기술된 EIS 회로의 구성 요소로서 사용될 수 있다. EIS를 수행하는 것으로부터 계산된 임피던스는 SOC, 온도 및 노화와 같은 EV 배터리의 광범위한 동작 상태를 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 온라인 또는 현장 EIS를 가능하게 하기 위해 EV 배터리 관리 시스템에 통합하는 것을 참조하여 제공할 수 있지만, 본 명세서에 개시된 EIS를 수행하기 위한 EIS 회로 및 방법은 이로 제한되지 않고 모든 EIS 측정에 사용될 수 있다는 것에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법은 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 임피던스 분광을 수행하기 위해 EIS 회로를 사용한다.
실시예는 도 1 내지 도 11을 참조하여 단지 예로서 아래에서 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 표현을 도시한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 EIS 회로(100a 및 100b)는 제1 및 제2 전류 조절기(CR1 및 CR2), 및 전기 에너지 저장 장치(ES)를 포함하고, 이들 모두는 하나 이상의 전기 화학 셀(EC)에 연결/결합된다. 전류 조절기(CR1 및 CR2)와 전기 에너지 저장 장치(ES)는 각각의 전류 조절기로 흐르는 전력이 서로 분리되도록 구성된다. 제1 전류 조절기(CR1)는 전기 에너지 저장 장치(ES)와 하나 이상의 전기 화학 셀(EC) 사이에 연결된다.
전류 조절기(CR1 및 CR2) 및 전기 에너지 저장 장치(ES)는 하나 이상의 스위치(도시되지 않음)의 매트릭스를 통해 하나 이상의 전기 화학 셀(EC)에 연결/결합될 수 있다. 따라서, 동일한 EIS 회로 구성 요소는 다수의 상이한 EC에 EIS 측정을 수행할 수 있으며, 이는 예를 들어 전기 차량 배터리 시스템에서 다수의 EC에 EIS 측정을 수행하는데 필요한 EIS 회로의 수를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 일부 양태에서, EIS 회로는 2개를 초과하는 전류 조절기(CR1 및 CR2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전류 조절기(CR1 및 CR2) 각각은 하나 이상의 전류 조절기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 전기 에너지 저장 장치는 복수의 전기 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. EIS 회로는 또한 과전압 상태에 대응하여 안전을 제공하기 위해 전기 에너지 저장 장치(ES)와 직렬로 제공된 단일 스위치(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
EIS 회로(100a)에서, 제1 전류 조절기(CR1)는 EC와 직렬로 연결되고, ES와 제2 전류 조절기(CR2)는 CR1 및 EC와 각각 병렬로 연결된다. 이 구성에서, 제1 및 제2 전류 조절기(CR1 및 CR2)를 통과하는 전류는 전기 에너지 저장 장치(ES)의 존재에 의해 분리된다. 따라서, 각각의 전류 조절기(CR1 및 CR2)로 흐르는 전력은 분리된다.
EIS 회로(100b)에서, CR1은 ES와 직렬로 연결되고, EC 및 CR2는 각각 CR1 및 ES와 병렬로 연결된다. 이 구성에서, 제1 및 제2 전류 조절기(CR1 및 CR2)의 전압은 전기 에너지 저장 장치(ES)의 존재에 의해 분리된다. 따라서, 각각의 전류 조절기(CR1 및 CR2)로 흐르는 전력은 분리된다.
에너지 저장 장치의 용량은 전형적으로 시험 받는 전기 화학 셀의 0.1% 이하이고, 그 존재는 각각의 조절기가 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하면서 더 낮은 전력 레벨에서 동시에 동작할 수 있게 한다. 각각의 전류 조절기는 원하는 섭동 전류를 달성하고 회로에서 발생하는 열의 양을 최소화하기 위해 독립적으로 제어될 수 있다. 저전력에서 동작하면 소산형 또는 비-소산형 전류 조절기만 있는 것에 비해 동일한 전류에서 부피와 비용을 줄일 수 있다. 셀 균형 맞춤 또는 보조 부하 공급을 위해 DC-DC 변환기가 내장된 EV BMS에서 이 아키텍처는 적은 증분 비용으로 통합될 수 있다. 유사하게, 다른 네이티브/오리지널 BMS 구성 요소는 특정 시스템 설정에 따라 본 명세서에 설명된 EIS 회로의 구성 요소로서 사용될 수 있다.
도 2a 내지 도 2d 및 도 3a 내지 도 3d는 도 1a 및 도 1b에 도시된 제1 및 제2 전류 조절기(CR1 및 CR2)로서 비-소산형(ND) 및/또는 소산형(D) 전류 조절기를 사용하는 EIS 회로(100a 및 100b)의 일부 가능한 구성을 도시한다. EC, D, ES 및 ND를 위한 일부 구현 및 구성 요소뿐만 아니라 EIS를 위한 광범위한 응용이 존재하며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이다. 이 가능성의 폭은 이 단락의 나머지 부분에서 구현 대안예의 일부 예를 통해 강조된다. 예를 들어, ND는 양방향 전류 동작/전력 흐름, 전기 절연, 대역폭 조절 능력 등과 같은 기능을 지원하는 많은 회로 토폴로지가 있는 스위치 모드 전력 변환기로 구현될 수 있다. ND는 임의의 절연된 또는 비-절연된 토폴로지, 예를 들어, 이중 활성 브리지, 플라이백, 비-반전 벅-부스트 등을 가질 수 있다. D는 일부 최소 전류 필터링을 사용하는 PWM 스위칭 또는 선형 네거티브 게이트 전압 피드백 루프에 의해 드레인 전류를 제어하는 MOSFET으로 구현될 수 있다. 대안적으로, D는 수동 셀 균형 맞춤을 위해 전기 차량에 존재하는 것과 같은 반도체 또는 접촉기 유형을 포함하는 스위치와 직렬로 저항기로서 구현될 수 있다. EC의 경우, 리튬 이온 배터리와만 관련하여 필요한 특성 주파수 범위가 0 내지 10 ㎑ 범위에서 변할 수 있는 셀 화학 물질, 크기 및 파라미터 추정 알고리즘이 존재한다. 마지막으로 커패시터와 인덕터를 전기 에너지 저장 매체로 사용할 수 있다. 구성 요소의 대안적인 선택은 부피, 비용, 열 관리 및 복잡성을 포함하는 시스템 제약에 의존할 수 있다. 구성 요소의 각 조합은 전력 분할 및 조정 방법의 상이한 조합으로 이어질 수 있다. 그러나, 구성 요소의 대안의 선택은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 표현을 도시한다. 회로(200a-d)는 회로(100a-b)에서 전류 조절기(CR1 및 CR2)에 사용되는 비-소산형 또는 소산형 전류 조절기를 도시한다. 특히, 도 2a에 도시된 EIS 회로(200a)는 두 전류 조절기가 비-소산형 전류 조절기(ND)인 EIS 회로(100a)에 대응한다. 도 2b에 도시된 EIS 회로(200b)는 두 전류 조절기가 비-소산형 전류 조절기(ND)인 EIS 회로(100b)에 대응한다. 도 2c에 도시된 EIS 회로(200c)는 두 전류 조절기가 소산형 전류 조절기(D)인 EIS 회로(100a)에 대응한다. 도 2d에 도시된 EIS 회로(200d)는 EIS 회로(100b)에 대응하고, 여기서 두 전류 조절기는 소산형 전류 조절기(D)이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 표현을 도시한다. 회로(300a-d)는 회로(100a-b)에서 전류 조절기(CR1 및 CR2)에 사용되는 비-소산형 및 소산형 전류 조절기의 조합을 도시한다. 특히, 도 3a에 도시된 EIS 회로(300a)는 제1 전류 조절기가 소산형(D)이고 제2 전류 조절기가 비-소산형(ND)인 EIS 회로(100a)에 대응한다. 도 3b에 도시된 EIS 회로(300b)는 제1 전류 조절기가 소산형(D)이고 제2 전류 조절기가 비-소산형(ND)인 EIS 회로(100b)에 대응한다. 도 3c에 도시된 EIS 회로(300c)는 제1 전류 조절기가 비-소산형(ND)이고 제2 전류 조절기가 소산형(D)인 EIS 회로(100a)에 대응한다. 도 3d에 도시된 EIS 회로(300d)는 제1 전류 조절기가 비-소산형(ND)이고 제2 전류 조절기가 소산형(D)인 EIS 회로(100b)에 대응한다.
일부 양태에서, ND의 출력은 부하(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. ND에 연결된 부하는 예를 들어 부하(EC)라고 지칭되는 다른 EC일 수 있다. 전기 차량을 위한 특정 구현에서, 부하(EC)는 차량의 임의의 다른 EC일 수 있고, 예를 들어, 1차 에너지 저장 시스템의 다른 EC이거나, 또는 차량의 다른 곳에 위치된 다른 EC일 수 있다. 다른 구현에서, ND 전류 조절기에 연결된 부하는 전술한 바와 같이 하나 이상의 병렬 연결된 EIS 회로일 수 있고, 모든 EIS 회로는 병렬 연결 지점에서 순 DC 전력을 달성하도록 함께 제어될 수 있다.
도 3a에 도시된 예시적인 실시예에서, 동작 원리는 다음과 같다: 조절기(D)에서의 전류는 EC에 대해 직렬 배치된 것으로 인해 EIS 섭동 전류와 같다. 소산형 전류 조절기(D)에서의 전류는 선택적으로 특정 전류를 달성하기 위해 펄스 폭 변조 모드에서 제어될 수 있다. EIS 전류는 항상 단방향이 되도록 DC 오프셋을 갖는 것이 요구된다. DC 오프셋은 ES로서 커패시터의 제한된 전압에 의해 제한되며, 이는 (예를 들어 스위치 모드 전력 변환기인) ND에 의해 EC보다 더 높은 전압이 인가되는 것을 허용하지 않아서, EC만을 방전시키기 위해 D를 제한할 수 있다. 이 경우 전류의 방향은 EC로부터 멀어지는 방향이지만, 다른 조정 방법에서는 EC를 향하는 방향일 수 있다. D가 EIS 전류를 조절할 때 커패시터인 ES는 전하를 저장하고 그 전압은 정현파 리플과 함께 선형으로 증가한다. ES 전압은 측정 동안 일부 DC 값을 유지하여 D에서 소비되는 전력을 감소시킬 수 있다. 한편, ND는 미리 결정된 전류를 인출하여, ES 전압을 제한 값 미만으로 유지하는 역할을 한다. 미리 결정된 전류는 ES 상의 리플 전압을 감소시키기 위해 정현파일 수 있다. ND가 양방향인 경우 ES 상의 정현파 리플 전압을 추가로 줄일 수 있다. D에서 손실된 전력은 EC 전압, ES 전압 및 EIS 전류의 함수이다. ND에 의해 전송된 전력은 시스템 요구 사항에 따라 선택될 수 있다. ES의 에너지 저장 용량은 몇 가지 인자, 즉 EIS 섭동 전류, 원하는 측정 주파수, 최소 측정 시간, 및 ND의 원하는 동작 전류를 고려하여 설계되어야 한다.
도 4는 도 3a의 실시예에 따른 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로의 예시적인 시스템도를 도시한다. 특히, 시스템도(400)는 EV 응용을 목표로 하는 BMS 시스템 내에서 구현될 수 있다. 시스템(400)은 EIS 모듈(410) 및 BMS 모듈(420)을 포함한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 회로 구성 요소를 참조하면, 전기 화학 셀(EC)은 전압(V 셀 )을 갖는 4개의 병렬 44 Ah, 1mΩ 공칭 ESR 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 배터리 셀로 구성된다. 소산형 전류 조절기(D)는 조절기라고 표시된 박스 안에 있는 Q 선형 및 다른 구성 요소로 구성된 선형 피드백 전류 조절을 갖는 D2PAK MOSFET이다. 이 회로는 증폭된 전류 감지 전압을 V ref 에 맞추도록 설계되었으며, 삼각형은 전압 증폭기를 나타내며, 저항기는 전류 감지 저항기이며, 사다리꼴은 아날로그 신호 멀티플렉서이다. BMS에서 Q 선형 는 일반적으로 셀 전하를 등화시키는데 사용되며, 그 전력 전송 능력은 수정되지 않았다. 전기 에너지 저장 장치(ES)는 50F 커패시턴스를 갖는 울트라 커패시터(C uc ) 및 제어 스위치(Q pre )이며, 이 제어 스위치는 C uc 에 걸쳐 전압을 제한하고 EIS 기능을 적절히 조정하는데 사용된다. 비-소산형 전류 조절기(ND)는, 일반적으로 셀 전하를 등화시키는데 사용되고 수정되지 않은 전력 전송 능력을 갖는 BMS 모듈에 위치된 분리된 DC-DC 변환기이다. 변환기는 입력 인덕터 전류로부터 유래하는 피드백을 갖는 마이크로제어기(MCU)에 의해 제어되는 듀티 사이클인 절연된 Cuk 토폴로지를 사용한다. 이 경우 ND 부하는 EV 보조 시스템 배터리와 동일할 수 있는 12V 배터리이다. Inst.라고 표시된 블록은 임피던스 측정에 필요한 전압 측정 기기 및 전류 기준 신호 생성을 포함하며, 저비용 고집적 솔루션으로 구현되어야 한다. EIS 동작에서 시스템을 관리하기 위해 외부 조정기(coordinator)가 사용될 수 있다.
도 5는 임피던스 측정 동안 도 4에 도시된 시스템의 이상적인 정상 상태 동작 파형을 도시한다. 도 5에서, V 셀 은 라인(502)으로 표시되고; V uc 는 라인(504)으로 표시되고; I 변환기 는 라인(506)으로 표시되고; I 셀 은 라인(508)으로 표시되고; I uc 는 라인(510)으로 표시된다. EIS 측정 동안 피크 전류(I EIS,피크 )는 라인(512)으로 표시된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 동작 순서는 다음과 같다: 시스템 시동 시, 라인(505)으로 제공된 원하는 측정 시작 전압(V uc,시작 )으로 C uc 를 충전하기 위해, Q pre 가 턴온되고 Q 선형 는 V ref,pre 를 따르도록 제어된다. 이전 사이클을 완료한 후 시스템이 측정을 재개하는 경우 측정 동안 주입될 전하를 설명하기 위해 대신 C uc 는 V uc,시작 쪽으로 방전할 것을 요구할 수 있다. 이것은 측정 과정에 걸쳐 라인(503)으로 표시된 울트라 커패시터(V uc,최대 )의 최대 전압 하에 유지될 것을 요구한다. T pre 동안 발생하는 초기 전압 사전 조정 후 시스템은 Q pre 를 턴온하고 V ref 를 V ref,pre 로부터 V ref,EIS 로 변경하고, DC-DC 변환기를 일정한 전류에서 동작시키는 것에 의해 임피던스 측정을 시작한다. 측정 단계는 T 측정 동안 발생한다. 이 구현에서, 동적으로 변하는 DC-DC 변환기 전류와 달리, 보조 배터리로 가는 EIS 주파수(1/T EIS ) 리플 전류를 제거하기 위해 상수를 선택하는 것이 이루어졌다. 전압 사전 조정 및 측정 사이클은 EIS 주파수 범위가 커버될 때까지 반복되며, 수행할 T 사이클 의 총 시간을 사용한다. 이 실시예에서, 주파수 범위는 0.5Hz 내지 2000Hz이다.
도 6은 도 4에 도시된 시스템의 예시적인 오실로스코프 캡처(600)를 도시한다. 도 6에서, V uc 는 라인(604)으로 표시되고; I 변환기 는 라인(606)으로 표시되고; I 셀 은 라인(608)으로 표시되고; I uc 는 라인(610)으로 표시된다.
도 7은 반복된 EIS 측정에 걸쳐 도 4에 도시된 시스템의 예시적인 오실로스코프 캡처(700)를 도시한다. 도 7에서, V uc 는 라인(704)으로 표시되고; I 변환기 는 라인(706)으로 표시되고; I 셀 은 라인(708)으로 표시되고; I uc 는 라인(710)으로 표시된다.
도 8은 도 4에 도시된 시스템의 하나의 임피던스 측정 사이클에 걸쳐 Q 선형 의 케이스 온도인 T 케이스 (라인 820)의 예시적인 오실로스코프 캡처(800)를 도시한다. 시스템은 30A의 피크 I셀(라인 808) 및 9s의 T 측정 에서 동작한다. DC 전압이 C uc 에 의해 기여되는 일 없이, Q 선형 는 두 배를 초과하는 열 발생량을 경험할 수 있고 이에 그 케이스 온도는 최대 동작 온도를 초과할 수 있기 때문에 섭씨 60도의 피크 온도는 도 4에 도시된 시스템이 Q 선형 에서 발생하는 열을 줄이는 데 성공적인 것을 나타낸다.
도 9는 도 4에 도시된 시스템의 6개의 임피던스 측정 사이클에 걸쳐 Q 선형 의 케이스 온도인 T 케이스 (라인 920)의 예시적인 오실로스코프 캡처(900)를 도시한다. 시스템은 30A의 피크 I셀(라인 908) 및 9s의 T 측정 에서 동작한다. C uc 에 의해 기여되는 DC 전압 없이 Q 선형 는 두 배를 초과하는 열 발생량을 경험할 수 있고 이에 그 케이스 온도는 최대 동작 온도를 초과할 수 있기 때문에, 섭씨 70도의 정상 상태 피크 온도는 도 4에 도시된 시스템이 Q 선형 에서 발생하는 열을 줄이는 데 성공적인 것을 나타낸다.
도 10은 일부 실시예에 따라 도 4에 도시된 시스템에 사용되는 스위치 모드 전력 변환기의 구현을 도시한다. 도 10에 도시된 이 특정 구현예에서, 변환기는 입력측 전류를 디지털 방식으로 제어하는 절연된 Cuk 토폴로지를 가진다.
도 11은 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하기 위한 방법(1100)을 도시한다. 방법(1100)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 EIS 회로를 사용하여 수행될 수 있다. 이 방법은 또한 하나 이상의 전기 화학 셀에 EIS를 수행하도록 설계된 시스템에 의해 구현될 수 있다. 시스템은 본 명세서에 기술된 EIS 회로, 제1 및 제2 전류 조절기를 통해 각각의 전류 기준 신호를 생성하도록 구성된 전류 생성 모듈, 전기 화학 셀의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정 기기, 및 측정된 전압에 기초하여 전기 화학 셀의 임피던스를 결정하도록 구성된 임피던스 결정 유닛을 포함할 수 있다. 시스템은 전류 생성 모듈을 제어하도록 구성된 제어 유닛, 및/또는 결정된 임피던스에 기초하여 전기 화학 셀의 하나 이상의 동작 상태를 결정하도록 구성된 평가 유닛을 더 포함할 수 있다. 이들 시스템 구성 요소는 하나 이상의 하드웨어 구성 요소를 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 Inst.라고 표시된 블록은 임피던스 측정에 필요한 전압 측정 기기 및 전류 기준 신호 생성을 포함한다. 시스템의 전류 생성 모듈 및 전압 측정 기기는 기기 모듈의 일부로서 통합될 수 있다. 임피던스 결정 유닛, 제어 유닛 및 평가 유닛은 하나 이상의 처리 장치로서 제공될 수 있다. 명령은 임피던스를 결정하고, 전류 기준 신호를 제어하며, 동작 상태를 결정하기 위해 처리 장치(들)와 결합된 메모리에 저장될 수 있다. 방법(1100)은 시스템/EIS 아키텍처를 제어하기 위해 프로세서와 같은 컴퓨팅 장치에 의해 실행될 수 있는 비-일시적인 메모리에 저장된 컴퓨터 판독 가능 명령으로서 저장될 수 있다. 방법은 온라인으로 수행될 수 있고, 임피던스는 실시간으로 측정될 수 있다.
방법(1100)은 제1 및 제2 전류 조절기 각각을 위한 전류 기준 신호를 생성하는 단계를 포함한다(1120). 전류 기준 신호는 EIS 회로에 원하는 섭동 전류를 유도하기 위해 개별적으로 제어 가능/생성된다. 전류 기준 신호는 전기 화학 셀에 원하는 섭동 전류를 유도하기 위해 제1 및 제2 전류 조절기 각각을 통해 유도된다(1130). 하나 이상의 전기 화학 셀의 전압이 측정된다(1140). 측정된 전압 및 유도된 EIS 섭동 전류에 기초하여, 전기 화학 셀의 임피던스가 결정될 수 있다(1150). 나아가, 전기 화학 셀의 동작 상태, 예를 들어, 충전 상태, 온도, 노화 등이 결정될 수 있다. 방법(1100)에서, 전류 기준 신호를 생성 및/또는 유도하기 전에, 전기 에너지는 전기 에너지 저장 장치로부터 방출될 수 있다(1110).
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 도 1 내지 도 11에 도시된 시스템 및 구성 요소는 도면에 도시되지 않은 구성 요소를 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예시의 단순성 및 명확성을 위해, 도면의 요소는 반드시 축척에 맞는 것은 아니며, 도면은 단지 개략적인 것이고 요소 구조를 제한하려고 의도된 것이 아니다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 청구범위에 한정된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변형 및 수정이 이루어질 수 있음은 자명하다.

Claims (30)

  1. 하나 이상의 전기 화학 셀의 임피던스를 측정하기 위한 전기 화학 임피던스 분광(electrochemical impedance spectroscopy: EIS) 회로로서,
    전기 에너지 저장 장치;
    상기 전기 에너지 저장 장치와 상기 하나 이상의 전기 화학 셀 사이에 연결된 제1 전류 조절기; 및
    제2 전류 조절기를 포함하되, 상기 제1 전류 조절기와 상기 제2 전류 조절기로 흐르는 전력은 분리되고,
    i) 상기 제1 전류 조절기는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 직렬로 연결되고; 상기 전기 에너지 저장 장치는 상기 제1 전류 조절기 및 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 직렬 연결부와 병렬로 연결되고; 상기 제2 전류 조절기는 상기 전기 에너지 저장 장치와 병렬로 연결되고, 상기 제1 전류 조절기와 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 직렬 연결부와 병렬로 연결되거나, 또는
    ii) 상기 제1 전류 조절기는 상기 전기 에너지 저장 장치와 직렬로 연결되고; 상기 제1 전류 조절기와 상기 전기 에너지 저장 장치의 직렬 연결부는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 병렬로 연결되고; 상기 제2 전류 조절기는 상기 제1 전류 조절기와 상기 전기 에너지 저장 장치의 직렬 연결부와 병렬로 연결되고, 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 병렬로 연결되는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기는 비-소산형(non-dissipative) 전류 조절기인, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기는 소산형 전류 조절기인, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기는 소산형 전류 조절기이고, 상기 제2 전류 조절기는 비-소산형 전류 조절기인, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기는 비-소산형 전류 조절기이고, 상기 제2 전류 조절기는 소산형 전류 조절기인, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기와 상기 제2 전류 조절기 중 적어도 하나는 비-소산형 전류 조절기이고, 상기 비-소산형 전류 조절기는 부하에 연결된 출력을 갖는 스위치 모드 전력 변환기인, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위치 모드 전력 변환기는 이중 활성 브리지(dual active bridge), 플라이백(plyback) 또는 비-반전 벅-부스트(non-inverting buck-boost)를 포함하는 임의의 절연된 또는 비-절연된 토폴로지를 갖는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 스위치 모드 전력 변환기는 양방향 전력 흐름을 지원하는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  9. 제6항에 있어서, 상기 스위치 모드 전력 변환기의 출력에 연결된 상기 부하는 다른 전기 화학 셀인, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  10. 제6항에 있어서, 상기 스위치 모드 전력 변환기의 상기 출력에 연결된 상기 부하는 하나 이상의 병렬 연결된 추가 EIS 회로인, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기와 상기 제2 전류 조절기 중 적어도 하나는 소산형 전류 조절기이고, 상기 소산형 전류 조절기는 전류 피드백 제어 루프를 갖는 MOSFET을 포함하는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기와 상기 제2 전류 조절기 중 적어도 하나는 소산형 전류 조절기이고, 상기 소산형 전류 조절기는 제어 스위치와 직렬로 연결된 저항기를 포함하는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류 조절기와 상기 제2 전류 조절기 중 하나 또는 둘 모두는 복수의 전류 조절기를 포함하는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 커패시터와 인덕터 중 적어도 하나를 포함하는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  15. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 복수의 전기 에너지 저장 장치를 포함하는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  16. 제1항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장 장치는 제어 스위치와 직렬로 연결되는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  17. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전기 화학 셀에 연결하기 위한 하나 이상의 스위치를 더 포함하는, 전기 화학 임피던스 분광(EIS) 회로.
  18. 하나 이상의 전기 화학 셀을 갖는 전기 차량용 배터리 관리 시스템(BMS)으로서, 상기 BMS는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 연결된 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 EIS 회로를 포함하고, 상기 BMS는 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 온라인 전기 화학 임피던스 분광을 수행하도록 구성된, 배터리 관리 시스템(BMS).
  19. 제18항에 있어서, 상기 전기 에너지 저장 장치, 상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기 중 적어도 하나는 상기 BMS의 원래의 구성 요소인, 배터리 관리 시스템(BMS).
  20. 제18항에 있어서, 상기 배터리 관리 시스템은 상기 전기 차량의 동작 동안 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 실시간 임피던스 측정을 수행하도록 구성되고, 상기 측정된 임피던스는 상기 전기 화학 셀의 충전 상태, 온도 및 노화를 포함하는 하나 이상의 동작 상태를 결정하는데 사용되는, 배터리 관리 시스템(BMS).
  21. 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하기 위한 시스템으로서,
    상기 하나 이상의 전기 화학 셀과 결합된 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 EIS 회로;
    상기 EIS 회로에 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하기 위해 상기 제1 및 제2 전류 조절기를 통해 각각의 전류 기준 신호를 생성하도록 구성된 전류 생성 모듈;
    상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정 기기; 및
    상기 측정된 전압 및 유도된 EIS 섭동 전류에 기초하여 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 임피던스를 결정하도록 구성된 임피던스 결정 유닛을 포함하는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하기 위한 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하기 위해 각각의 전류 기준 신호를 생성하도록 상기 전류 생성 모듈을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함하는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하기 위한 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 결정된 임피던스에 기초하여 상기 전기 화학 셀의 충전 상태, 온도 및 노화를 포함하는 하나 이상의 동작 상태를 결정하도록 구성된 평가 유닛을 더 포함하는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하기 위한 시스템.
  24. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 EIS 회로를 사용하여 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하는 방법으로서,
    상기 제1 전류 조절기 및 상기 제2 전류 조절기 각각을 위한 전류 기준 신호를 각각 생성하는 단계로서, 상기 각각의 전류 기준 신호는 상기 EIS 회로에 원하는 섭동 전류를 유도하기 위해 생성되고, 상기 원하는 섭동 전류는 정현파 섭동 전류를 포함하는, 상기 전류 기준 신호를 생성하는 단계;
    상기 EIS 회로에 원하는 EIS 섭동 전류를 유도하기 위해 상기 제1 및 제2 전류 조절기 각각을 통해 각각의 전류 기준 신호를 유도하는 단계;
    상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 전압을 측정하는 단계; 및
    측정된 전압 및 유도된 EIS 섭동 전류에 기초하여 상기 하나 이상의 전기 화학 셀의 임피던스를 결정하는 단계를 포함하는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전류 조절기 각각을 위한 상기 전류 기준 신호는 각각 생성되는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 결정된 임피던스에 기초하여 상기 전기 화학 셀의 충전 상태, 온도 및 노화를 포함하는 하나 이상의 동작 상태를 결정하는 단계를 더 포함하는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하는 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전류 조절기를 통해 각각의 전류 기준 신호를 유도하기 전에 상기 전기 에너지 저장 장치로부터 전기 에너지를 방출하는 단계를 더 포함하는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하는 방법.
  28. 제24항에 있어서, 상기 정현파 섭동 전류는 0 내지 10 ㎑의 주파수 범위를 갖는, 하나 이상의 전기 화학 셀에 전기 화학 임피던스 분광(EIS)을 수행하는 방법.
  29. 삭제
  30. 삭제
KR1020207004195A 2017-07-13 2018-07-13 전기 화학 임피던스 분광을 위한 전기 아키텍처 KR102379377B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762532172P 2017-07-13 2017-07-13
US62/532,172 2017-07-13
PCT/CA2018/050858 WO2019010585A1 (en) 2017-07-13 2018-07-13 ELECTRICAL ARCHITECTURE OF ELECTROCHEMICAL IMPEDANCE SPECTROSCOPY

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200050950A KR20200050950A (ko) 2020-05-12
KR102379377B1 true KR102379377B1 (ko) 2022-03-25

Family

ID=65001102

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207004195A KR102379377B1 (ko) 2017-07-13 2018-07-13 전기 화학 임피던스 분광을 위한 전기 아키텍처

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11435405B2 (ko)
EP (1) EP3639048B1 (ko)
JP (2) JP2020527232A (ko)
KR (1) KR102379377B1 (ko)
CN (1) CN111095008B (ko)
CA (1) CA3031564C (ko)
WO (1) WO2019010585A1 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018216517A1 (de) * 2018-09-26 2020-03-26 Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Batteriezellen
DE102019113665A1 (de) * 2019-05-22 2020-11-26 Intilion Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen von elektrischen Batterien
JP7226147B2 (ja) * 2019-07-04 2023-02-21 株式会社デンソー 電池監視装置
CN114502712A (zh) * 2019-10-03 2022-05-13 康宁股份有限公司 制备可消化的球体稳定用水凝胶的试剂盒及方法
US11415636B2 (en) 2020-05-12 2022-08-16 Analog Devices International Unlimited Company Differential electrical impedance spectroscopy
WO2022145979A1 (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 (주)배트로닉스 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기 및 방법
KR102630936B1 (ko) * 2020-12-31 2024-01-30 (주)배트로닉스 고전압 배터리 팩의 임피던스 스펙트럼 측정을 위한 휴대용 임피던스 분광기 및 방법
WO2023035074A1 (en) * 2021-09-08 2023-03-16 Litens Automotive Partnership In-situ ev battery electrochemical impedance spectroscopy with pack-level current perturbation from a 400v-to-12v triple-active bridge
US11644513B1 (en) 2022-01-07 2023-05-09 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company Limited Real-time AC-impedance inspection using limited-energy on-board AC excitation for battery management system
KR20240000983A (ko) * 2022-06-24 2024-01-03 주식회사 엘지에너지솔루션 임피던스 측정 장치 및 그것의 동작 방법
KR20240000984A (ko) * 2022-06-24 2024-01-03 주식회사 엘지에너지솔루션 임피던스 측정 시스템 및 그것의 동작 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120019253A1 (en) 2009-01-21 2012-01-26 Joerg Ziegler Method for determining an aging condition of a battery cell by means of impedance spectroscopy
JP2012073256A (ja) * 2010-09-27 2012-04-12 IFP Energies Nouvelles 電気化学インピーダンス分光法を使用するその場電池診断方法
US20150228990A1 (en) 2014-02-12 2015-08-13 Bloom Energy Corporation Structure and method for fuel cell system where multiple fuel cells and power electronics feed loads in parallel allowing for integrated electrochemical impedance spectroscopy (eis)
US20160103186A1 (en) * 2014-08-08 2016-04-14 Tsinghua University Integrated dc/dc converter, electrochemical energy storage system, and methods for analyzing electrochemical impedance spectroscopy and working state of electrochemical energy storage apparatus
US20170219660A1 (en) 2014-07-25 2017-08-03 Lithium Balance A/S Electrochemical impedance spectroscopy in battery management systems

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012044801A (ja) 2010-08-20 2012-03-01 Tokyo Institute Of Technology Ｄｃｄｃコンバータ
US8648602B2 (en) 2011-06-01 2014-02-11 Nxp B.V. Battery impedance detection system, apparatus and method
WO2015058165A1 (en) 2013-10-17 2015-04-23 Ambri Inc. Battery management systems for energy storage devices
KR101516419B1 (ko) * 2013-11-14 2015-05-04 숭실대학교산학협력단 연료전지용 전력변환장치 및 그 제어방법
CN104158397B (zh) 2014-08-08 2017-06-06 清华大学 集成dc/dc变换器以及电化学储能系统
WO2016135893A1 (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 株式会社 東芝 制御装置、送電装置、受電装置、無線電力伝送装置および制御方法
US10393818B2 (en) * 2015-12-04 2019-08-27 The Trustees Of Dartmouth College Systems and methods for characterizing impedance of an energy storage device
US20170163160A1 (en) 2015-12-04 2017-06-08 The Trustees Of Dartmouth College Modular battery arrays and associated methods

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120019253A1 (en) 2009-01-21 2012-01-26 Joerg Ziegler Method for determining an aging condition of a battery cell by means of impedance spectroscopy
JP2012073256A (ja) * 2010-09-27 2012-04-12 IFP Energies Nouvelles 電気化学インピーダンス分光法を使用するその場電池診断方法
US20150228990A1 (en) 2014-02-12 2015-08-13 Bloom Energy Corporation Structure and method for fuel cell system where multiple fuel cells and power electronics feed loads in parallel allowing for integrated electrochemical impedance spectroscopy (eis)
US20170219660A1 (en) 2014-07-25 2017-08-03 Lithium Balance A/S Electrochemical impedance spectroscopy in battery management systems
US20160103186A1 (en) * 2014-08-08 2016-04-14 Tsinghua University Integrated dc/dc converter, electrochemical energy storage system, and methods for analyzing electrochemical impedance spectroscopy and working state of electrochemical energy storage apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022141703A (ja) 2022-09-29
KR20200050950A (ko) 2020-05-12
CA3031564A1 (en) 2019-01-17
CN111095008A (zh) 2020-05-01
US20210373081A1 (en) 2021-12-02
US11435405B2 (en) 2022-09-06
CA3031564C (en) 2019-05-14
EP3639048A4 (en) 2021-03-17
JP2020527232A (ja) 2020-09-03
WO2019010585A1 (en) 2019-01-17
EP3639048B1 (en) 2023-11-01
CN111095008B (zh) 2022-04-29
JP7333531B2 (ja) 2023-08-25
EP3639048A1 (en) 2020-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102379377B1 (ko) 전기 화학 임피던스 분광을 위한 전기 아키텍처
Koseoglou et al. A novel on-board electrochemical impedance spectroscopy system for real-time battery impedance estimation
US10992144B2 (en) Battery balancing and current control with bypass circuit for load switch
US9455578B2 (en) Direct current (DC) microgrid charge/discharge system for secondary batteries connected in series
Din et al. A scalable active battery management system with embedded real-time electrochemical impedance spectroscopy
US20240103088A1 (en) Apparatus and method for characterizing and managing stacked energy storage cells
KR102636361B1 (ko) 배터리 제어 장치 및 배터리 제어 시스템
JP5937050B2 (ja) 充電回路
US20140125284A1 (en) Distributed battery power electronics architecture and control
Li et al. Predictive control of modular multilevel series/parallel converter for battery systems
US10063090B2 (en) Solar power generation device and control method of solar power generation device
JP2011254585A (ja) 蓄電状態制御装置及び蓄電状態制御装置の制御方法
Punna et al. A comparative analysis of PI and predictive control strategy for HESS based bi-directional DC-DC converter for DC microgrid applications
Fuada et al. Buffering supercapacitor mechanism based on bidirectional DC/DC converter for mini all-terrain vehicle application
TW201944685A (zh) 電動車電池充電器
JP2015008561A (ja) 低損失電力変換装置及びその制御方法
Dam et al. High voltage resolution auxiliary power converter for online battery impedance measurement
WO2023035074A1 (en) In-situ ev battery electrochemical impedance spectroscopy with pack-level current perturbation from a 400v-to-12v triple-active bridge
KR20140008655A (ko) 셀 충전에 의한 셀 밸런싱 방법 및 이를 적용한 차량용 전원 공급 장치
Huang Control and power management schemes for distributed and battery powered systems
JP2019110712A (ja) 蓄電システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant