KR102468238B1 - 전기화학 셀을 테스트하는 방법 - Google Patents

Abstract

사이클 전기량법을 이용하여 전기화학 셀을 진단하는 시스템, 장치 및 방법이 설명된다. 예시적인 배터리 진단 시스템은 전기화학 셀을 여기시키기 위해 대칭적인 충전 전류 및 방전 전류를 생성하기 위한 전류 발생기와, 전기화학 셀의 성능을 평가하기 위한 사이클 전량계(cyclic coulometer)를 포함한다. 사이클 전량계는 모니터링된 셀 전압을 특정한 설정점을 향해 유지하도록, 충전 전류를 인가하기 위한 충전 시간 또는 방전 전류를 인가하기 위한 방전 시간 중 적어도 하나를 조절할 수 있다. 충전 또는 방전 시간의 조절은 제1 전류 방향으로부터 제2 전류 방향으로 전류를 반전시키기 위한 전류 스위치 타이밍을 변경함으로써 달성될 수 있다. 사이클 전량계는 충전 또는 방전 사이클 동안 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하고, 측정된 전기적 파라미터들을 사용하여 성능 지표를 생성한다.

Description

전기화학 셀을 테스트하는 방법

[진술]

이 발명은 에너지부가 수여한 계약 번호 DE-SC0018908에 따라 미국 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 특정한 권리를 갖는다.

[기술분야]

이 문서는 일반적으로 전기화학 셀에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 사이클 전기량법(cyclic coulometry)을 사용하여 전기화학 셀을 사이클 테스트하기 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.

전기량법(coulometry)은 전기화학 반응에서 소모되거나 생산되는 전기의 총 쿨롱을 측정하는 전기화학 기술이다. 오늘날, 두 가지의 기본적인 전기량 기술들이 있다. 제어된-전위 전기량법은 전위 가변기를 사용하여 전기화학 셀에 일정한 전위를 인가한다. 제어된-전류 전기량법은 전류 가변기를 사용하여 전기화학 셀에 일정한 전류를 인가한다. 두 경우 모두에서, 전기화학 셀을 통해 전달되는 총 전하(Q)는 전류를 시간의 함수로서 적분함으로써 계산된다. 전기량법은 전기화학 분야에서 많은 응용들을 갖는다. 예를 들어, 전기량법은 배터리, 연료 전지, 또는 다른 전기화학 반응의 성능을 특성화하기 위해 사용될 수 있다.

리튬 이온(Li-ion) 배터리들이 주요 배터리 화학이 되고 있다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 방전 중에 음극에서 양극으로 이동하고 충전 시에 다시 양극에서 음극으로 이동하는 충전 가능한 배터리의 한 유형이다. 주로 그들의 높은 에너지 밀도로 인해, 리튬 이온 배터리는 현대의 배터리 전기 자동차(BEV: battery electric vehicle)에서 가장 일반적인 배터리 유형이 되었다. 시동, 조명 및 점화 배터리와는 달리, BEV의 리튬 이온 배터리는 지속적인 시간에 걸쳐 전력을 공급하며, 상대적으로 높은 비출력(power-to-weight ratio), 비에너지(specific energy) 및 에너지 밀도를 특징으로 한다. 그들은 또한 자가 방전 속도가 낮다.

사이클 수명은 공칭 용량이 특정 임계치 아래로 떨어지기 전에(예를 들어, 초기 정격 용량의 80%) 배터리가 수행할 수 있는 충전-방전 사이클의 수의 척도이다. 사이클 수명은 사이클 조건, 화학, 셀 디자인, 및 제조 품질에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리가 응용예에 사용되는 방식에 따라, 리튬 이온 배터리는 수백 회의 사이클만 지속되면서 상당한 열화를 겪을 수 있거나, 또는 수천 회 사이클 동안 지속되도록 설계될 수 있다.

리튬 이온 배터리의 이용 허용한도 또는 사이클 수명을 향상시키는 기술은 큰 상업적인 관심을 가질 것이다. 그러나, 여러 해 동안 사이클할 수 있는 리튬 이온 화학이 존재하는 것을 고려하면, 새로운 기술을 증명하거나 또는 심지어 기존 형태에서 반복하여 사이클 수명을 향상시키는 것은 어렵다.

사이클 테스트는 중요한 배터리 품질 테스트다. 일반적인 배터리 평가 프로세스는 사이클의 수명 동안 배터리의 성능을 연구하기 위해 전압 하한 및 전압 상한 사이의 고정 전류 하에서 테스트 셀을 사이클링하는 것을 포함한다. 셀들은 반복된 충전-방전 사이클을 겪고, 셀들이 제조자의 의도된 사이클 수명을 충족시키는지가 확인된다. 테스트 동안에 온도, 용량, 임피던스, 전력 출력 및 방전 시간과 같은 다양한 셀 성능 파라미터들이 모니터링되고 기록될 수 있다. 사이클 테스트는 배터리 성능이 최종 제품 안정성 및 수명 기대치와 부합하는지 확인한다.

고정밀 전량계는 리튬 이온 배터리의 쿨롱 효율을 50 ppm의 정확도로 측정할 수 있다. 쿨롱 효율 지표는 배터리를 충전하는데 필요한 쿨롱을 방전으로부터 얻은 쿨롱과 비교한다. 또한, 테스트 하에서 배터리와 관련된 위험을 평가하기 위해, 엄격하고 넓은 범위의 테스트 조건 하에서 추가적인 배터리-특이적 테스트들이 수행될 수 있다. 다양한 운영 환경 및 사용 패턴에서의 셀 성능에 대한 지식은 다양한 애플리케이션의 배터리 설계를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.

본 문서는, 다른 것들 중에서, 사이클 전기량법의 기술을 이용하여 배터리 셀과 같은 전기화학 셀을 진단하는 시스템, 장치, 및 방법을 설명한다. 예시적인 배터리 진단 시스템은 전기화학 셀을 여기시키기 위해 대칭적인 충전 전류 및 방전 전류를 생성하기 위한 전류 발생기와, 전기화학 셀의 성능을 평가하기 위한 사이클 전량계(cyclic coulometer)를 포함한다. 사이클 전량계는 특정한 설정점에서 셀 전압을 유지하기 위해 충전 전류를 인가하기 위한 충전 시간, 또는 방전 전류를 인가하기 위한 방전 시간 중 적어도 하나를 조절하기 위한 컨트롤러 회로를 포함한다. 충전 또는 방전 시간의 조절은 제1 전류 방향으로부터 제2 전류 방향으로 전류를 반전시키기 위해 전류 스위치 타이밍을 변경함으로써 달성될 수 있다. 측정 회로는 충전 또는 방전 사이클 동안 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하고, 측정된 전기적 파라미터들을 사용하여 배터리 지표를 생성한다.

실시예 1은 전기화학 셀을 테스트하기 위한 시스템으로서, 상기 전기화학 셀을 각각 충전 및 방전하기 위해, 사이클 주기로 대칭적인 충전 전류 및 방전 전류를 발생시키도록 구성된 전류 발생기와, 사이클 전량계 - 상기 사이클 전량계는, 상기 전류 발생기에 연결되되, 상기 전기화학 셀의 모니터링된 셀 전압을 제어하기 위한 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 특정한 설정점을 향해 조절하도록 구성되고, 상기 전류 발생기를 제어하여, 상기 조절된 충전 시간 또는 상기 조절된 방전 시간 중 적어도 하나에 따라 상기 충전 전류 및 상기 방전 전류를 사용하여 상기 전기화학 셀을 전기적으로 사이클링시키도록 구성된 컨트롤러 회로를 포함함 -와, 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하고, 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 사용하여 상기 전기화학 셀의 성능 지표를 생성하도록 구성된 측정 회로를 포함한다.

실시예 2에서, 실시예 1의 청구 대상은 단극 직류원을 사용하여 구형파 전류를 발생시키도록 구성될 수 있는 전류 발생기를 선택적으로 포함한다.

실시예 3에서, 실시예 1 내지 실시예 2 중의 어느 하나 이상의 청구 대상은 선택적으로 컨트롤러 회로를 포함하며, 상기 컨트롤러 회로는 상기 충전 전류로부터 상기 방전 전류로 반전하기 위한 전류 스위치 타이밍을 변경함으로써 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하도록 구성되고, 상기 충전 전류 및 상기 방전 전류는 반대되는 전류 방향을 갖는다.

실시예 4에서, 실시예 3의 청구 대상은 전류 스위치 회로를 선택적으로 포함하며, 상기 전류 스위치 회로는 스위치들을 포함하되, 상기 컨트롤러 회로로부터의 제어 신호에 응답하여, 상기 전기화학 셀을 충전하도록 상기 충전 전류를 생성하기 위해 상기 스위치들 중 제1의 하나 이상의 스위치들만을 폐쇄하고, 상기 전기화학 셀을 방전하도록 상기 방전 전류를 생성하기 위해 상기 전류 스위치 타이밍에 따라, 상기 스위치들 중 제2의 하나 이상의 스위치들만을 폐쇄하도록 구성될 수 있다.

실시예 5에서, 실시예 4의 청구 대상은 FET 트랜지스터들일 수 있는 스위치들 중 하나 이상을 선택적으로 포함한다.

실시예 6에서, 실시예 3 내지 실시예 5 중의 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 전기화학 셀의 전압 또는 전류 응답을 포함할 수 있는 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 선택적으로 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 모니터링된 전압 또는 전류 응답을 사용하여 상기 전류 스위치 타이밍을 결정 또는 업데이트하도록 구성된다.

실시예 7에서, 실시예 6의 청구 대상은 비례 적분(PI) 컨트롤러 또는 비례 적분 유도(PID) 컨트롤러를 포함할 수 있는 상기 컨트롤러 회로를 선택적으로 포함한다.

실시예 8에서, 실시예 6 내지 실시예 7 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 모니터링된 전압 또는 전류 응답을 선택적으로 포함하고, 상기 모니터링된 전압 또는 전류 응답은 상기 조절된 충전 시간 및 상기 조절된 방전 시간을 포함하는 전체 프레임에 걸친 평균 또는 피크 셀 전압, 상기 조절된 충전 시간에 걸친 평균 또는 피크 셀 전압, 상기 조절된 방전 시간에 걸친 평균 또는 피크 셀 전압, 전체 프레임에 걸친 평균 또는 피크 셀 전류, 상기 조절된 충전 시간에 걸친 평균 또는 피크 셀 전류, 또는 상기 조절된 방전 시간에 걸친 평균 또는 피크 셀 전류 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

실시예 9에서, 실시예 6 내지 실시예 8 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 컨트롤러 회로를 선택적으로 포함할 수 있고, 상기 컨트롤러 회로는 상기 모니터링된 전압 또는 전류 응답을 사용하여 초과 충전 시간 또는 초과 방전 시간의 결정을 포함하는 상기 전류 스위치 타이밍을 결정하고, 상기 충전 시간을 상기 결정된 초과 충전 시간만큼 증가 또는 감소시키거나, 베이스 방전 시간을 상기 결정된 초과 방전 시간만큼 증가 또는 감소시키도록 구성될 수 있다.

실시예 10에서, 실시예 9의 청구 대상은 특정한 스위칭 타이머 분해능의 지속시간을 각각 갖는 틱들의 카운트에 의해 표현될 수 있는 상기 초과 충전 시간 또는 초과 방전 시간을 선택적으로 포함한다.

실시예 11에서, 실시예 6 내지 실시예 10 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 컨트롤러 회로를 선택적으로 포함하고, 상기 컨트롤러 회로는 전기화학 셀 테스트 환경의 주변 온도 정보, 또는 상기 전기화학 셀의 충전 상태 또는 건강 상태 중 하나 이상을 더 사용하여 상기 전류 스위치 타이밍을 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 12에서, 실시예 1 내지 실시예 11 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 측정 회로를 선택적으로 포함하고, 상기 측정 회로는 사이클 주기의 적어도 일부 동안 인가되는 총 전하량을 결정하고, 상기 결정된 인가되는 총 전하량을 사용하여, 상기 전기화학 셀의 셀 전압을 상기 특정한 설정점으로 유지하는데 필요한 인가된 전류를 나타내는 자가 방전율을 결정하도록 구성된, 성능 지표 생성기를 포함할 수 있다.

실시예 13에서, 실시예 12의 청구 대상은 상기 사이클 전량계를 선택적으로 포함하고, 상기 사이클 전량계는 상기 사이클 주기의 상기 특정한 부분 동안 인가된 총 전하량을 측정하도록 구성된 쿨롱 카운터를 포함할 수 있다.

실시예 14에서, 실시예 12 내지 실시예 13 중 임의의 하나 이상의 청구 대상은 상기 사이클 전량계를 선택적으로 포함하고, 상기 사이클 전량계는 프레임당 인가된 총 전하량(QPF)을 포함하여 인가된 총 전하량을 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 15에서, 실시예 14의 청구 대상은 상기 사이클 전량계를 선택적으로 포함하고, 상기 사이클 전량계는 한 프레임 내에서 시간에 걸쳐 인가된 전류를 적분함으로써 상기 QPF를 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 16에서, 실시예 14 내지 실시예 15 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 성능 지표 생성기를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표 생성기는 시간에 따른 QPF의 추세를 생성하고, 상기 생성된 QPF의 추세의 기울기를 이용하여 자가 방전율을 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 17에서, 실시예 14 내지 실시예 16 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 사이클 전량계를 선택적으로 포함하고, 상기 사이클 전량계는 하나의 충전 기간 동안에만 인가되는 제1 총 전하량과 상기 충전 기간에 후속하는 하나의 방전 기간 동안에만 인가되는 제2 총 전하량을 결정하고, 인가된 상기 제1 총 전하량과 인가된 상기 제2 총 전하량 사이의 차이를 이용하여 상기 QPF를 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 18에서, 실시예 17의 청구 대상은 상기 사이클 전량계를 선택적으로 포함하고, 상기 사이클 전량계는, 인가되는 상기 제1 총 전하량을 상기 충전 기간 동안에만 제1 총 틱 카운트를 사용하여 결정하고, 인가되는 상기 제2 총 전하량을 상기 방전 기간 동안에만 제2 총 틱 카운트를 사용하여 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 19에서, 실시예 12 내지 실시예 18 중 임의의 하나 이상의 청구 대상은 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 선택적으로 포함하고, 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들은 상기 전기화학 셀의 셀 전압을 포함하며, 상기 성능 지표 생성기는 (1) 충전 기간 동안의 충전 전압 또는 방전 기간 동안의 방전 전압 중 적어도 하나, 및 (2) 상기 인가된 전류를 사용하여, 상기 전기화학 셀의 등가 직렬 저항(ESR)을 결정하도록 구성된다.

실시예 20에서, 실시예 19의 청구 대상은 상기 성능 지표 생성기를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표 생성기는, 상기 인가된 총 전하량의 함수로서 ESR 곡선을 생성하며, 인가된 특정한 총 전하량에서의 상기 ESR 곡선의 기울기를 사용하여 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율을 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 21에서, 실시예 20의 청구 대상은 상기 성능 지표 생성기를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표 생성기는 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 각각이 표현되는 상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 ESR 변화율들을 결정하고, 상기 파라미터 세트에 걸쳐 상기 다수의 ESR 변화율들의 표현을 생성하도록 구성될 수 있다.

실시예 22에서, 실시예 19 내지 실시예 21 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 성능 지표 생성기를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표 생성기는 상기 충전 전압과 평균 셀 전압 간의 차이, 또는 상기 방전 전압과 상기 평균 셀 전압 간의 차이 중 적어도 하나를 사용하여 상기 전기화학 셀의 ESR을 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 23에서, 실시예 22의 청구 대상은 상기 성능 지표 생성기를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표 생성기는 상기 충전 전압 및 상기 방전 전압의 평균 또는 가중 평균을 사용하여 상기 평균 셀 전압을 결정하도록 구성될 수 있다.

실시예 24에서, 실시예 12 내지 실시예 23 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 성능 지표 생성기를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표 생성기는 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 각각이 표현되는 상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 자가 방전율들을 결정하고, 상기 파라미터 세트에 걸쳐 상기 다수의 자가 방전율들의 표현을 생성하도록 구성될 수 있다.

실시예 25에서, 실시예 24의 청구 대상은 2차원 또는 다차원 어레이, 또는 2차원 또는 다차원 그래프를 포함할 수 있는 상기 다수의 자가 방전율들의 표현을 선택적으로 포함한다.

실시예 26에서, 실시예 1 내지 실시예 25 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 사이클 전량계에 통신 가능하게 연결된 출력 장치를 선택적으로 포함하고, 상기 출력 장치는 상기 전기화학 셀의 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들 또는 상기 생성된 성능 지표를 디스플레이하도록 구성된다.

실시예 27에서, 실시예 26의 청구 대상은 상기 출력 장치를 선택적으로 포함하고, 상기 출력 장치는 복수의 테스트 조건들에 걸친 다수의 자가 방전율들, 또는 복수의 테스트 조건들에 걸친 다수의 ESR 변화율들 중 하나 이상을 디스플레이하도록 구성될 수 있다.

실시예 28에서, 실시예 27의 청구 대상은 상기 출력 장치를 선택적으로 포함하고, 상기 출력 장치는 상기 파라미터 세트로부터 선택된 2개의 파라미터들에 의해 각각 표현되는 복수의 테스트 조건들에 걸쳐 상기 다수의 자가 방전율들을 나타내는 3차원(3D) 손실률 맵을 디스플레이하도록 구성될 수 있다.

실시예 29에서, 실시예 27 내지 28 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 출력 장치를 선택적으로 포함하고, 상기 출력 장치는 상기 파라미터 세트로부터 선택된 2개의 파라미터들에 의해 각각 표현되는 복수의 테스트 조건들에 걸쳐 상기 다수의 ESR 변화율들을 나타내는 3차원(3D) ESR 변화율 맵을 디스플레이하도록 구성될 수 있다.

실시예 30은 전기화학 셀을 테스트하기 위한 방법이다. 상기 방법은, 전류 발생기를 통해 사이클 주기의 충전 기간 동안 충전 전류를 인가하고 방전 기간 동안 방전 전류를 인가함으로써 전기화학 셀을 전기적으로 사이클링하는 단계 - 상기 충전 전류 및 상기 방전 전류는 대칭적이고 반대 방향을 가짐 -, 측정 회로를 통해 전기화학 셀의 전기적 사이클링 동안 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하는 단계, 컨트롤러 회로를 통해 상기 전기화학 셀의 모니터링된 셀 전압을 특정한 설정점 쪽으로 제어하기 위해 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계, 및 측정 회로를 통해 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 사용하여 상기 전기화학 셀의 성능 지표를 생성하는 단계를 포함한다.

실시예 31에서, 실시예 30의 청구 대상은 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계는, 상기 충전 전류로부터 상기 방전 전류로 반전하기 위한 전류 스위치 타이밍을 업데이트하는 단계를 포함할 수 있다.

실시예 32에서, 실시예 31의 청구 대상은 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 선택적으로 포함하고, 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들은 상기 전기화학 셀의 전압 또는 전류 응답을 포함하며, 상기 전류 스위치 타이밍을 업데이트하는 단계는 상기 모니터링된 전압 또는 전류 응답을 사용함으로써 수행된다.

실시예 33에서, 실시예 31 내지 실시예 32 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계는 상기 충전 시간을 초과 충전 시간만큼 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하며, 상기 초과 충전 시간은 특정한 스위칭 타이머 분해능의 지속기간을 각각 갖는 틱들의 카운트에 의해 표현될 수 있다.

실시예 34에서, 실시예 31 내지 실시예 33 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계는 상기 방전 시간을 초과 방전 시간만큼 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하며, 상기 초과 방전 시간은 특정한 스위칭 타이머 분해능의 지속기간을 각각 갖는 틱들의 카운트에 의해 표현될 수 있다.

실시예 35에서, 실시예 30 내지 실시예 34 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 성능 지표를 생성하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는 상기 사이클 주기의 특정 부분 동안 인가된 총 전하량을 결정하는 단계, 및 상기 결정된 인가된 총 전하량을 사용하여 자가 방전율을 결정하는 단계를 포함하며, 상기 자가 방전율은 상기 전기화학 셀의 셀 전압을 상기 특정한 설정점으로 유지하는데 필요한 인가된 전류를 나타낼 수 있다.

실시예 36에서, 실시예 35의 청구 대상은 상기 인가된 총 전하량을 선택적으로 포함하고, 상기 인가된 총 전하량은 상기 프레임의 시간에 대응하는 프레임당 인가된 총 전하(QPF)를 포함할 수 있으며, 상기 자가 방전율을 결정하는 단계는 시간에 따른 QPF의 추세의 기울기를 이용하는 단계를 포함한다.

실시예 37에서, 실시예 36의 청구 대상은 상기 QPF를 결정하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 QPF를 결정하는 단계는 프레임 내에서 시간에 따른 상기 인가된 전류를 적분하는 단계를 포함한다.

실시예 38에서, 실시예 36 내지 실시예 37 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 QPF를 결정하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 QPF를 결정하는 단계는 충전 기간 동안에만 인가되는 제1 총 전하량을 결정하는 단계와, 상기 충전 기간에 후속하는 방전 기간 동안에만 인가되는 제2 총 전하량을 결정하는 단계, 및 상기 인가된 제1 총 전하량 및 상기 인가된 제2 총 전하량 사이의 차이를 이용하여 상기 QPF를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

실시예 39에서, 실시예 38의 청구 대상은 상기 인가되는 제1 총 전하량을 선택적으로 포함하고, 상기 인가되는 제1 총 전하량은 상기 충전 기간 동안에만 제1 총 틱 카운트를 사용함으로써 결정되고, 상기 인가되는 제2 총 전하량은 상기 방전 기간 동안에만 제2 총 틱 카운트를 사용함으로써 결정될 수 있다.

실시예 40에서, 실시예 35 내지 실시예 39 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 선택적으로 포함하고, 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들은 상기 전기화학 셀의 셀 전압을 포함할 수 있으며, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는 (1) 충전 기간 동안의 충전 전압 또는 방전 기간 동안의 방전 전압 중 적어도 하나, 및 (2) 상기 인가된 전류를 사용하여 상기 전기화학 셀의 등가 직렬 저항(ESR)을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

실시예 41에서, 실시예 40의 청구 대상은 상기 성능 지표를 생성하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는 인가되는 총 전하량의 함수로서 ESR 곡선을 생성하는 단계, 및 특정한 인가된 총 전하량에서의 상기 ESR 곡선의 기울기를 사용하여 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

실시예 42에서, 실시예 41의 청구 대상은 상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 ESR 변화율들을 결정하는 단계 - 각각의 상기 상이한 테스트 조건들은 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현됨 -, 및 상기 파라미터 세트에 대한 상기 다수의 ESR 변화율들의 표현을 생성하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 표현은 2차원 또는 다차원 어레이, 또는 2차원 또는 다차원 그래프를 포함한다.

실시예 43에서, 실시예 35 내지 실시예 42 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 성능 지표를 생성하는 단계를 선택적으로 포함하고, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는 상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 자가 방전율들을 결정하는 단계 - 각각의 상기 상이한 테스트 조건들은 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현됨 -, 및 상기 파라미터 세트에 대한 상기 다수의 자가 방전율들의 표현을 생성하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 표현은 2차원 또는 다차원 어레이, 또는 2차원 또는 다차원 그래프를 포함한다.

실시예 44에서, 실시예 43의 청구 대상은 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들 또는 상기 측정된 성능 지표 중 하나 이상을 사용자 인터페이스 상에 디스플레이하는 단계를 선택적으로 포함한다.

실시예 45는 기계에 의해 실행될 때, 상기 기계로 하여금, 사이클 주기의 충전 기간 동안 충전 전류를 인가하고 방전 기간 동안 방전 전류를 인가함으로써 전기화학 셀을 전기적으로 사이클링하게 하고 - 상기 충전 전류 및 상기 방전 전류는 대칭적이고 반대 방향을 가짐 -, 상기 전기화학 셀의 전기적 사이클링 동안 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하게 하며, 상기 전기화학 셀의 모니터링된 셀 전압을 특정한 설정점 쪽으로 제어하기 위해 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하게 하고, 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 사용하여 상기 전기화학 셀의 성능 지표를 생성하게 하는 명령들을 포함하는 적어도 하나의 기계 판독 가능한 매체이다.

실시예 46에서, 실시예 45의 청구 대상은 상기 기계에 의해 실행될 때, 상기 기계로 하여금, 상기 전기화학 셀의 전압 또는 전류 응답을 포함하는 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하게 하고, 상기 모니터링된 전압 또는 전류 응답을 사용하여 상기 충전 전류로부터 상기 방전 전류로 반전하기 위한 전류 스위치 타이밍을 업데이트하게 하는 명령들을 선택적으로 포함한다.

실시예 47에서, 실시예 45 내지 실시예 46 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 상기 기계에 의해 실행될 때, 상기 기계로 하여금, 사이클 주기의 특정한 부분 동안 인가된 총 전하량을 결정하게 하고, 결정된 인가된 총 전하량을 사용하여 자가 방전율을 결정하게 하는 명령들을 선택적으로 포함하며, 상기 자가 방전율은 상기 전기화학 셀의 셀 전압을 특정한 설정점으로 유지하는데 필요한 인가된 전류를 나타낸다.

실시예 48에서, 실시예 47의 청구 대상은 프레임의 시간에 대응하는 프레임당 인가된 총 전하(QPF)를 포함할 수 있는 인가된 총 전하량, 및 상기 기계에 의해 수행될 때 상기 기계로 하여금 시간에 따른 QPF의 추세를 생성하게 하고, QPF의 생성된 추세의 기울기를 사용하여 자가 방전율을 결정하게 하는 명령들을 선택적으로 포함한다.

실시예 49에서, 실시예 47 내지 실시예 48 중 어느 하나 이상의 청구 대상은 전기화학 셀의 셀 전압을 포함할 수 있는 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들, 및 상기 기계에 의해 수행될 때, 상기 기계로 하여금, (1) 충전 기간 동안의 충전 전압 또는 방전 기간 동안의 방전 전압 중 적어도 하나, 및 (2) 인가된 전류를 사용하여 전기화학 셀의 등가 직렬 저항(ESR)을 결정하게 하고, 인가된 총 전하량의 함수로서 ESR 곡선을 생성하게 하며, 특정한 인가된 총 전하량에서의 ESR 곡선의 기울기를 사용하여 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율을 결정하게 하는 명령들을 선택적으로 포함한다.

실시예 50에서, 실시예 49의 청구 대상은 상기 기계에 의해 수행될 때, 상기 기계로 하여금, 상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 ESR 변화율들을 결정하게 하고 - 각각의 상이한 테스트 조건들은 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현됨 -, 파라미터 세트에 걸쳐 다수의 ESR 변화율들의 표현을 생성하게 하는 -표현은 2차원 또는 다차원 어레이, 또는 2차원 또는 다차원 그래프를 포함함 - 명령들을 선택적으로 포함한다.

실시예 51에서, 실시예 47 내지 실시예 50 중 어느 하나 이상의 청구 대상은, 상기 기계에 의해 수행될 때, 상기 기계로 하여금, 상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 자가 방전율들을 결정하게 하고 - 각각의 상이한 테스트 조건들은 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현됨 -, 파라미터 세트에 대해 다수의 자가 방전율들의 표현을 생성하게 하는 - 표현은 2차원 또는 다차원 어레이, 또는 2차원 또는 다차원 그래프를 포함함 - 명령들을 선택적으로 포함한다.

실시예 52는 기계에 의해 실행될 때 기계로 하여금 실시예 30 내지 44 중 임의의 하나 이상에서 설명된 바와 같은 방법을 수행하도록 하는 명령들을 포함하는 적어도 하나의 기계 판독 가능한 매체이다.

실시예 53은 전기화학 셀을 테스트하기 위한 시스템이다. 시스템은 실시예 30 내지 실시예 44 중 임의의 하나 이상에서 설명된 바와 같은 방법을 수행하기 위한 수단을 포함한다.

본원에서 설명되는 사이클 전기량법 기술은 가속된 방식으로 전기화학 셀 및 배터리를 생산하거나, 제조하거나, 저장하는데 사용되는 변수들의 상대적 성능 효과의 결정을 개선하는 것을 돕는다. 사이클 전기량법은 셀 화학, 제조 방법, 재료 선택, 또는 관심 있는 다른 변수를 최적화하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 본원에서 설명되는 사이클 전기량법 기술은 구매를 위해 이용 가능한 전기화학 셀의 품질을 결정하는데 사용될 수 있다. 사이클 전기량법은 또한 판매를 위해 제품 내에 포함되기 전에 편리한 방식으로 셀의 품질을 비-파괴적으로 특징짓기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 내용은 본 출원의 교시들 중 일부의 개요이며, 본 청구 대상의 배타적이거나 완전한 취급인 것으로 의도되지 않는다. 본 청구 대상에 대한 보다 상세한 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 첨부된 청구범위에서 확인된다. 본 개시의 다른 양태들은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 읽고 이해하며 그 일부를 형성하는 도면들을 보는 것에 의해 통상의 기술자에게 명백할 것이며, 이들 각각은 제한적인 의미로 간주되지 않는다. 본 개시의 범위는 첨부된 청구범위 및 그들의 법적 균등물에 의해 정의된다.

다양한 실시예들이 첨부된 도면들의 도면들에서 예로서 도시되어 있다. 이러한 실시예들은 예시적이며 본 청구 대상의 완전한 또는 배타적인 실시예들을 의도하지 않는다.
도 1은 사이클 전량계 시스템 및 그 시스템이 동작할 수 있는 환경의 부분의 예를 도시하는 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 충전 및 방전 전류를 생성하기 위해 특정 전류 스위치 타이밍에 정확하게 타이밍되는 극성 변화를 제공하도록 구성된 전류 스위칭 회로의 적어도 일부의 예를 도시하는 개략도이다.
도 3a 내지 도 3c는 충전 및 방전 전류를 생성하기 위해 특정 전류 스위치 타이밍에 정확하게 타이밍되는 극성 변화를 제공하도록 구성된 전류 스위칭 회로의 적어도 일부의 다른 예를 예시하는 개략도이다.
도 4a 내지 도 4e는 충전 또는 방전 단계에서의 초과 시간(excess time)을 사용하여 충전 시간 또는 방전 시간을 조절하는 예들을 도시하는 타이밍도이다.
도 5는 도 1의 사이클 전량계 시스템을 사용하는 진단 테스트를 위한 배터리 테스트 시스템의 일 예를 도시하는 블록도이다.
도 6a는 충전 및 방전 사이클들 사이의 전류 스위치 타이밍을 제어하도록 구성된 전류 조절 회로의 적어도 일부의 예를 도시하는 도면이다.
도 6b는 도 6a의 전류 조절 회로에 의해 생성된 순방향(충전) 전류 및 역방향(방전) 전류의 예시적인 로직 타이밍들을 예시하는 타이밍도이다.
도 7은 데이터 획득 시스템(DAS)이 동작되는 환경의 적어도 일부 및 사이클 테스트에서 전기적 파라미터를 측정하기 위한 DAS를 도시하는 도면이다.
도 8은 도 5의 테스트 시스템을 사용하여 얻어진 것과 같은 사이클 테스트 동안의 전압 및 전류 응답들을, 예로서 비제한적으로, 도시하는 그래프이다.
도 9는 플로팅된 테스트 하에서 총 전하량에 대한 셀의 등가 직렬 저항(ESR: equivalent series resistance)을, 예로서 비제한적으로, 도시하는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10c는 상이한 테스트 조건들 하에서 계산된, 자가 방전율 또는 ESR 변화율과 같은 성능 지표의 그래픽 표현들을 비제한적으로 예시로서 도시한다.
도 11은 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 사이클 전량계를 사용하여 테스트받는 장치(DUT: device under test)의 진단 테스트를 수행하기 위한 방법의 예를 도시하는 흐름도이다.
도 12 및 도 13은 사이클 테스트 동안 취해진 전기적 측정들을 사용하여 다양한 배터리 지표들을 생성하는 각각의 방법들을 도시하는 흐름도들이다.
도 14는 본원에서 설명된 기술들(예를 들어, 방법들) 중 임의의 하나 이상이 수행될 수 있는 예시적인 기계의 블록도이다.

배터리 사이클 장치는 제어된 조건 하에서 배터리를 충전 및 방전하고, 다른 것들 중에서도, 손실 속도(slippage rate), 쿨롱 효율, 에너지 용량, 방전 용량비, 또는 보존 용량(capacity retention)과 같은 다양한 배터리 지표에 기초하여 배터리 성능을 평가하기 위한 장치 또는 도구이다. 통상적으로, 배터리 순환은 고정된 전압 한계들 사이에서 수행된다. 충전 동안, 배터리가 미리 설정된 충전 전압 한계(충전 설정점)에 도달할 때까지 전류가 인가된다. 그 후, 배터리는 방전 전압 한계(방전 설정점)에 도달할 때까지 방전된다. 그 후 충전-방전 사이클이 계속된다. 충전 및 방전 속도는 대개 고정된 충방전율에 의해 좌우된다. 예를 들어, 1암페어-시간(Ah)으로 정격된 완전 충전된 배터리의 경우, 1시간 동안 1C 속도로 1A 방전 전류를 제공하거나, 2시간 동안 0.5C 속도로 500mA를 제공하거나, 0.5시간 동안 2C로 2A전류를 제공한다. 셀 사이클 동안 셀 비효율성이 축적되어 용량 손실(손실된 쿨롱)을 초래한다. 셀이 노화됨에 따라, 셀의 내부 저항은 시간이 지남에 따라 증가한다.

전기량법(Coulometry)은 전기화학 반응에서 소비되거나 생산되는 전기의 양을 쿨롱 단위로 측정하는 전기화학 기술이다. 통상적으로, 2개의 전기량법 기술이 사용된다. 전위 전기량법(potentiostat coulometry)(제어된-전위 전기량법으로도 알려져 있음)는 전위 가변기, 3개 전극 셀을 제어하고 전기분석 실험을 실행하는 전자 장치를 이용하여 테스트 중인 배터리에 일정한 전위를 인가한다. 전류 전기량법(galvanostat) 또는 정전류 전기량법(amperostatic coulometry)(제어된-전류 전기량법으로도 알려져 있음)은 전류 가변기, 부하 자체의 변화를 무시하고 전기량 적정 상수(coulometric titrations constant) 단위로 전기분해 셀을 통해 전류를 유지하는 장치를 사용하여, 배터리에 일정한 전류를 인가한다. 두 경우 모두에서, 전기화학 셀을 통과하는 인가된 총 전하량(Q)은 시간의 함수로서 전류를 적분함으로써 계산될 수 있다.

쿨롱 효율(CE)은 배터리 시스템의 효율을 설명한다. CE는 전체 사이클 동안, 배터리에 인가되는 총 전하량(Q_charge)에 대한 배터리로부터 추출된 총 전하량(Q_discharge)의 비율이다. CE는 충방전율의 강한 함수이다. 낮은 충방전율에서, 기생 손실이 더 낮은 CE 지표 측정을 초래하는 시간이 더 많이 발생한다. 더 느린 충방전율은 셀들을 구별하는 것을 돕기 위해 데이터를 분산시키는데 도움을 주지만, 더 느린 충방전율은 대부분의 응용예들에서 경험되는 사용 조건들을 실제로 나타내지 않을 수 있다.

고정밀 전기량법(HPC: High precision coulometry)은 CE를 특성화하는 기술이며, 이는 최근 수천 번의 사이클에 대해 행해진 상이한 화학의 셀들 사이의 셀 성능의 개선된 정확도 차이를 이용하여 검출할 수 있다. 통상적인 정밀 사이클 장치와 비교하면, HPC 시스템은 더 빠른 데이터 처리, 더 정확한 전류원 및 보다 안정적인 전압 측정을 사용한다.

HPC는 배터리 화학을 평가하기 위한 승인된 표준으로 간주되었지만, 일부 제한이 있다. 예를 들어, HPC는 종종, 느린 충전-방전 사이클 하에서 리튬 이온 배터리의 CE를 측정하는데 사용된다. HPC 시스템의 설계는 적어도, 충전 및 방전 사이클에 포함되는 긴 시간 스케일로 인해 복잡할 수 있다. 특히, 전류원은 인가된 전류가 전체 사이클에 필요한 긴 시간(예를 들어, 20시간)에 걸쳐 일정하게 유지되도록 매우 안정적이어야 한다. 안정적이고 매우 정확한 전류원은 비용이 많이 들며, 시스템의 전체 비용에 기여한다. 더 새로운 시스템은 심지어 전력 전자 장치의 드리프트(drift)를 방지하기 위해 전자 장치를 온도 제어된 환경에 유지한다. 일부 경우, HPC는 쿨롱 효율을 50 ppm(parts per million)의 정확도로 측정할 수 있다.

HPC의 기본 전제는 더 효율적인 배터리가 더 오래 지속될 것이라는 것이다. 그러나, 데이터는 CE만을 사용하여 사이클 수명을 예측하는 것이 불충분할 수 있다는 것을 보여주었다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 사이클 수명을 예측하기 위해 CE와 함께 사이클 이후에 전하 이동 저항을 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 이는 사후적인 특성화를 필요로 하는 HPC 중에는 내부 저항(IR)의 통상적인 측정이 일반적으로 구현될 수 없기 때문에, 어려운 문제가 된다. HPC 테스트 프로토콜로부터의 상이한 테스트 셀들 간에 손실되는 누적 쿨롱은 동일하지 않다. 대개, 사후 전하 이동 저항은 일부 불충분하게 정의된 상태에서 측정된 단일 데이터 포인트이다. HPC는 손실된 쿨롱의 함수로서 사후 전하 이동 저항의 증가를 측정할 수 없기 때문에, 존재할 수 있는 다양한 손실 메커니즘을 적절히 구별하지 못한다.

에너지 저장 솔루션들은 응용 요건들에 의해 정의된다. 전압 안정성 또는 규제 제어와 관련된 그리드 수준의 저장은 높은 주파수로 동작하는 짧은 사이클을 필요로 한다. 자동차 응용예뿐만 아니라, 신재생 집적은 대용량 및 더 큰 방전 깊이를 갖는 에너지 저장을 필요로 한다. 다양한 응용예에 대한 팩 설계를 최적화하는 것은, 셀 성능과 수명에 대한 기술적 및 경제적 모델을 모두 필요로 한다. 그러나 사이클 수명은 사이클 조건에 따라 매우 다양하므로, 하나의 조건에 대한 최적의 설계는 다른 조건에 대해 이상적이지 않을 수 있다. 현재 존재하는 툴을 사용하는 경우, 간단한 배터리 사이클 장치를 사용하여 전기화학적 저장 내구성에 대한 다양한 작동 조건의 효과를 입증하는 것이 어렵다. 또한, 전류 접근법들은 느리고, 내구성에 관하여 복잡한(convoluted) 데이터를 제공한다.

적어도 전술한 바와 같이, 본 발명자들은 배터리 평가를 위한 개선된 전기량법의 충족되지 않은 필요성을 인식하였다. 본원에서는 사이클 전기량법의 시스템, 장치 및 방법이 개시되어 있다. 일부 실시예들에 따르면, 사이클 전량계는 작은 DC 펄스들을 도입할 수 있고, 누적 쿨롱 손실에 기인하는 전압 강하를 시간에 따라 자동적으로 보상하며, 이에 의해 모니터링된 셀 전위를 설정점으로 유지할 수 있다. 일부 예들에서, 사이클 전량계는 상이한 셀 조건들 하에서 지정된 설정점 전압으로 테스트 셀을 유지하는데 필요한 인가된 충방전율들을 결정하고, 이에 따라 특정 조건들(예를 들어, 온도, 설정점 전압, 또는 인가된 충방전율)에서 손실률을 효과적으로 파라미터화한다. 손실률 커브 또는 손실률 맵이 생성될 수 있고, 파라미터화된 손실률을 사용하여 사용자에게 제공될 수 있다.

본원에서 설명되는 사이클 전기량법은 배터리 진단 시스템에서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 배터리 진단 시스템은 전기화학 셀을 여기시키기 위해 대칭적인 충전 전류 및 방전 전류를 발생시키는 전류 발생기, 및 전기화학 셀의 성능을 평가하기 위한 사이클 전량계를 포함한다. 사이클 전량계는 모니터링된 셀 전압을 특정한 설정점 쪽으로 유지하기 위해, 충전 전류를 인가하기 위한 충전 시간, 또는 방전 전류를 인가하기 위한 방전 시간 중 적어도 하나를 조절하기 위한 컨트롤러 회로를 포함한다. 충전 또는 방전 시간의 조절은 제1 전류 방향으로부터 제2 전류 방향으로 전류를 반전시키기 위해 전류 스위치 타이밍을 변경함으로써 달성될 수 있다. 측정 회로는 충전 또는 방전 사이클 동안 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하고, 측정된 전기적 파라미터들을 사용하여 배터리 지표를 생성한다.

본원에서 설명되는 사이클 전기량법은 배터리 사이클을 개선하고 배터리 성능 및 진단에 관한 완전한 정보를 제공한다. 예를 들어, 사이클 전기량법은 임의의 충전 상태에 대해 주어진 충방전율 또는 온도에서의 용량 손실을 측정할 수 있게 한다. 일 예에서, 연구자들은 상이한 미리 설정된 셀 전압에서 독립적으로 페이드 율(fade rate)을 조사할 수 있다. 방전 사이클링의 전체 깊이와 관련된 손실을 회피하면서 고 전압 안정성이 연구될 수 있다.

사이클 전기량법은 CE 및 내부 저항(IR: internal resistance)의 동시 측정을 제공한다. 풀 듀티 사이클의 평균 전압은 설정점으로 제어되지만, 각각의 절반 사이클의 전압 응답은 IR 측정을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 쿨롱 비효율성이 축적됨에 따라 IR은 시간에 따라 증가된다. 통상적인 HPC는 HPC 테스트 동안 IR 측정을 수행할 수 없다. 대신, HPC 테스트의 완료 후 IR의 증가를 측정해야 한다(따라서, 측정된 IR은 사이클 후 전하 이동 저항으로도 알려져 있다). 그러나, 사후 전하 이동 저항은 일부 불충분하게 정의된 상태에서 측정된 단일 데이터 포인트이다. 예를 들어, HPC 테스트 후에 상이한 테스트 셀들 간에 손실된 누적 쿨롱은 동일하지 않다. 이와 대조적으로, 본원에서 설명되는 사이클 전기량법은 유리하게는, CE 및 IR 증가 모두를 동시에 측정한다. 따라서, 전하 이동 저항의 증가는 손실된 쿨롱의 함수로서 제공될 수 있다. 사이클 수명을 예측하기 위해 IR 및 CE 모두가 필요하다는 것을 고려하면, 본원에서 설명된 사이클 전기량법은 사이클 수명의 보다 완전한 그림을 제공하며, 본 HPC 기술분야의 현재 상태를 사용하여 얻어진 정보 이외에도 상당한 개선을 제공한다.

본원에서 설명되는 사이클 전기량법의 다른 이점은 부하 조건들에 대한 배터리들의 미세한 손실률을 직접적으로 측정하고 제공(예를 들어, 3D 플롯으로 그래픽적으로)한다는 점이다. 예를 들어, 인가된 충방전율들을 로우 레벨에서 하이 레벨로 반복함으로써, 사이클 전기량법은 동일한 테스트에서 자동적으로 충방전율의 함수로서 배터리 저장(0의 충방전율에 대응함) 및 사이클 손실 모두에 대한 통찰을 제공할 수 있다. 사이클 전량계 시스템은 새로운 리튬 이온 제형을 증명하고 응용에서의 상업적 셀들의 내구성을 특성화하도록 구현되고 배치될 수 있다.

본원에서 설명된 배터리 계측은 다양한 셀 조건들(온도, 설정점 전압, 인가된 충방전율 등)에서의 손실률의 직접적인 측정을 제공한다. 이를 통해 배터리 제조자, 저장장치 설계자 및 재료 제공자는 더 빠르게 반복하면서 우수한 통찰력을 얻을 수 있다. 예를 들어, 셀 제조자는 제조 공정들의 효과 및 셀 충실도에 대한 설계를 신속하게 측정할 수 있다. 마찬가지로, 재료 개발자는 다양한 작동 조건에서 셀 안정성에 대한 전해질 첨가제 또는 전극 제형의 효과를 측정할 수 있다. 마지막으로, 에너지 저장장치의 최종 사용자는 사이클 전기량법을 사용하여 부하 요건에 가장 잘 부합하는 것들을 목표로 하는 다양한 상업적 제품들을 구별하고, 개선된 배터리 관리 알고리즘들을 개발할 수 있다. 통상적인 HPC 기술과 비교하여, 본원에서 설명되는 사이클 전기량법은 다양한 셀 조건들(예를 들어, 다른 것들 중에서, 충방전율, 충전 상태 등)에서 배터리의 성능을 더 잘 특징짓고, 개발 중인 배터리의 정확한 기술-경제적 평가를 가능하게 하며, 배터리 설계 및 개발을 개선한다. 사이클 전기량법 및 데이터 공식화에 의해 생성된 (예를 들어, 다음에서 설명되는 바와 같은 손실률 커브 또는 손실률 맵의 형태로의) 엔지니어링 데이터는 긴 수명을 요구하는 에너지 저장장치의 배치를 위한 개선된 배터리 관리 프로토콜 및 기술-경제적 모델을 생성하는데 사용될 수 있다.

도 1은 사이클 전량계 시스템(100), 및 시스템(100)이 동작할 수 있는 환경의 부분들의 예를 도시하는 블록도이다. 시스템(100)은 테스트받는 장치(DUT: device under test)(150) 상의 충전-방전 사이클 동작 동안 총 인가된 쿨롱을 측정하고, DUT(150)의 내부 상태에 관한 정보를 획득하며, 그 성능을 평가하는데 사용될 수 있다. 시스템(100)은 전류원(110), 스위칭 회로(120) 및 프로세스 컨트롤러(130)를 포함한다. 설정된 전류 또는 설정된 전압을 인가하는 통상적인 전기량법과는 대조적으로, 사이클 전량계 시스템(100)은 다양한 배터리 테스트 목적을 달성하기 위해 DUT(150)에 충전 전류를 인가하기 위한 충전 시간, 또는 방전 전류를 인가하기 위한 방전 시간을 조절할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나의 조절은 높은 시간 분해능을 갖는 사이클 주기 내의 충전 단계 및 방전 단계 사이의 전류 스위치 타이밍을 변경함으로써 달성될 수 있다. 일 예에서, 사이클 전량계 시스템(100)은 프로세스 변수를 원하는 상태로 유지하는데 필요한 인가된 충방전율을 측정할 수 있다. 다른 예에서, 사이클 전량계(100)는 셀 품질을 결정하기 위해 제조자로부터 수신된 배터리의 손실률을 측정할 수 있다. 다양한 예들에서, 사이클 전량계 시스템(100)은 관심 있는 다른 조건들 중에서, 온도 범위, 충전 상태들, 또는 건강 상태들과 같은 상이한 셀 조건들 하에서, 진단 테스트를 수행할 수 있다.

DUT(150)는 배터리, 연료 전지, 유동 셀, 또는 다른 전기화학 셀과 같은 임의의 전기화학 셀일 수 있다. DUT(150)의 전기량법 테스팅은 통상적인 2-와이어, 3-와이어, 또는 4-와이어 연결을 사용하여 수행될 수 있다. 작은 인가 전류를 측정하도록 노이즈를 최소화하기 위해, 측정된 변수들에서 노이즈에 기여하는 DUT(150)에 대한 교란을 최소화하는 것이 바람직하다. 일 예에서, DUT(150)는 사이클 테스트 동안 타이트하게(tightly) 제어된 열 환경에 위치될 수 있다. 테스트 전에, DUT(150)는 설정된 충전 상태(가득 차 있을 때의 에너지와 비교하여 남아 있는 에너지의 양을 나타냄)로 안정화될 수 있거나, 또는 다양한 건강(health) 조건 상태(새 배터리와 비교하여 특정 성능을 전달하는 능력을 나타냄)를 달성하기 위해 노화(aged)될 수 있다.

전류원(110)은 작은 노이즈로 조용한 전류를 출력할 수 있는 벤치탑 또는 정밀 전력원일 수 있고, 전체 사이클 기간 동안 DUT(150)를 충전 및 방전하기 위한 전류를 제공하도록 구성될 수 있다. 전류원(110)은 전위 가변 모드 또는 전류 가변 모드로 동작할 수 있다. 출력 전류는 특정 파라미터 값(예를 들어, 진폭, 사이클 주기, 주파수, 듀티 사이클 등)을 갖는 미리 결정된 파형을 가질 수 있다. 일 예에서, 전류원(110)은 사인파 소스일 수 있다. 다른 예에서, 전류원(110)은 구형파(square wave) 소스일 수 있다.

일부 예들에서, 전류원(110)은 특정 진폭을 갖는 일방향 전류를 제공하도록 구성된 직류(DC) 소스일 수 있다. 전류 진폭은 프로그래밍 가능할 수 있다. 사이클 전량계 시스템(100)은 연속적으로 출력 전류(예를 들어, 충전 전류 또는 방전 전류)를 측정할 수 있다. 일 예에서, 전류원(110)은 전류 가변 모드에서 안정한 전류를 출력할 수 있고, 충전 및 방전 단계 동안 실질적으로 동일하게 작동할 수 있다. 일 예에서, 전류원(110)은 기준, 증폭기, 감지 저항기, 및 피드백 회로를 포함하는 하나의 단극 전류원이고, 테스트 기간 동안 한 자리(single digit)의 PPM 레벨 안정성을 나타내도록 구성될 수 있다.

전류원(110)에 연결된 스위칭 회로(120)는 (예를 들어, 프로세스 컨트롤러(130)를 통해) 제어가능하게 DC 전류 출력 전류의 방향을 교호하여 구형파(122)를 생성할 수 있다. 특정한 시간 분해능(T)을 갖는 스위칭 타이머는 전류 방향의 교호를 타이밍할 수 있다. 스위칭 타이머는 스위칭 회로(120)의 일부일 수 있거나, 그렇지 않으면 스위칭 회로(120)에 연결될 수 있다. 결과적인 구형파는 각각이 T의 배수(multiples of T)의 지속시간을 갖는 양의 위상 및 음의 위상을 갖는다. 스위칭 타이머 분해능(T)은 주변 클럭의 주파수(f _clock)에 기초하여 결정될 수 있다(T = 1/f _clock). 예를 들어, 클럭 주파수가 5 MHz인 경우, 스위칭 타이머 분해능은 200나노초(nsec)이다. 일 예에서, T는 500 nsec 미만이다. 다른 예에서, T는 1마이크로초(msec) 미만이다. 또 다른 예에서, T는 근사적으로 5 내지 10 msec이다. 스위칭 전류는 사이클 프로세스 동안 DUT(150)에 인가될 수 있다.

전류원(110)이 일정한 단극성 전류원이고, 프로세스 컨트롤러(130)가 스위칭 회로(120)를 제어하여 구형파 전류(122)를 생성하는 경우, 프로세스 컨트롤러(130)는 미리 설정된 설정으로, 평균 셀 전압과 같은 출력 변수를 유지하기 위해 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 조절하도록 스위칭 회로(120)를 추가적으로 제어할 수 있다. 사이클 주기는 충전 시간(t_charge) 및 방전 시간(t_discharge)을 포함하며, 이들 모두는 미리 결정되거나 프로그램 가능할 수 있다. 사이클 주기는 테스트 중인 전기화학 셀에서 실제 전하 이동이 발생하기에 충분히 큰 반면에, 동시에, 측정된 특성이 원하는 셀 상태에 기인할 수 있도록, 충전 및 방전 단계들에 대한 셀 전압 응답이 셀 설정점으로부터 큰 범위로 벗어나지는 않도록 충분히 짧도록, 선택될 수 있다. 일 예에서, 사이클 주기는 10분 미만이다. 또 다른 예에서, 사이클 주기는 근사적으로 5분이다. 또 다른 예에서, 사이클 주기는 근사적으로 60초이다. 대안적으로, 사이클 주기는 원하는 인가된 전류 및 사이클에 의해 야기되는 셀에 대한 대응하는 섭동에 기초하여 결정될 수 있다. 일 예에서, 충전 시간(t_charge)은 방전 시간(t_discharge)과 실질적으로 동일하며, 이는 대칭적인 충전 및 방전 단계들을 초래한다.

프로세스 컨트롤러(130)는 평균 셀 전압과 같은 출력 변수를 미리 설정된 설정으로 제어하기 위해 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 조절하도록 스위칭 회로를 제어한다. 일 예에서, 충전 또는 방전 시간의 조절은 충전-방전 사이클 동안 충전 단계로부터 방전 단계로 스위칭하는 타이밍을 변경함으로써 달성될 수 있다. 전압(가변 전위) 또는 전류(가변 전류)를 제어하는 통상적인 사이클 장치와 비교하여, 본원에서 설명되는 바와 같이 충전 또는 방전 시간이나 전류 스위치 타이밍을 조절하는 것은, 바람직한 분해능을 갖는 충전-방전 단계들의 보다 정확하면서도 안정한 제어를 제공한다. 다양한 예들에서, 스위칭 회로(120)는 트랜지스터들과 같은 하나 이상의 전압-제어된 스위치들을 사용하여 전류 방향을 제어가능하게 스위칭할 수 있고, 그의 예들은 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 이하에서 설명된다. 대안적으로, 전류원(110)은 DUT(150)를 충전하기 위한 제1 방향 또는 DUT(150)를 방전하기 위해 제1 방향에 반대인 제2 방향 중 어느 하나로 전류를 제어가능하게 출력하는 양방향 소스일 수 있다.

다양한 예들에서, 프로세스 컨트롤러(130)는 사이클 주기 동안 DUT(150)의 전압 또는 전류 응답을 모니터링하고, 모니터링된 전압 또는 전류 응답을 사용하여 전류 스위치 타이밍을 결정 또는 업데이트할 수 있다. 프로세스 컨트롤러(130)는 특정 전기적 파라미터(예를 들어, 평균 셀 전압)를 특정한 설정점으로 유지하기 위해 전류 스위치 타이밍을 결정하거나 업데이트하도록 구성된 비례 적분(PI: Proportional-Integral) 컨트롤러 또는 비례 적분 유도(PID: Proportional-Integral-Derivative) 컨트롤러를 포함할 수 있다. 전류 스위치 타이밍을 제어하기 위해 모니터링되고 사용되는 전압 또는 전류 응답의 예들은, 사이클 주기 동안의 평균 또는 피크 셀 전압, 평균 또는 피크 충전 전압, 평균 또는 피크 방전 전압, 사이클 전압의 종료, 사이클 주기 동안의 평균 또는 피크 전류, 평균 또는 피크 충전 전류, 또는 DUT(150)의 평균 또는 피크 방전 전류를 포함할 수 있다. 일 예에서, 프로세스 컨트롤러(130)는 사이클 테스트가 수행되는 환경의 주변 온도에 대한 정보를 사용하여 전류 스위치 타이밍을 결정하거나 업데이트할 수 있다. 모델 예측 제어를 위해 물리 기반 또는 경험적으로 유도된 모델이 사용될 수 있다. 제어 모델은 전류 스위치 타이밍의 최적화를 위해 많은 입력 변수들을 사용할 수 있다. 일부 예들에서, 충전 상태, 건강 상태, 섭동들, 또는 관심 있는 다른 셀 조건들의 정보가 전류 스위치 타이밍을 결정하거나 업데이트하는데 사용될 수 있다. 충전 상태는 가득 찼을 때의 에너지에 비해 남는 에너지의 양을 나타내는 단기적인 배터리 기능의 척도이다. 건강 상태는 새 배터리와 비교하여 지정된 성능을 전달하는 능력을 나타내는 장기적인 기능의 척도이다.

일부 예들에서, 충전/방전 단계들의 타이밍 제어는 충전 또는 방전 단계까지 인가되는 초과(excess) 시간(Δt)을 포함할 수 있다. 프로세스 컨트롤러(130)는 사용되는 초과 시간(Δt)을 변경함으로써 출력 변수(예를 들어, 전류 또는 전압)를 원하는 설정점으로 유지하기 위해 PI 또는 PID 컨트롤러를 사용할 수 있다. 초과 시간(Δt)은 양의 값 또는 음의 값일 수 있다. 예를 들어, 양의 초과 충전 시간은 충전 시간을 t_charge + Δt로 증가시키고, 음의 초과 충전 시간은 충전 시간을 t_charge - Δt로 감소시킨다. 유사하게, 양의 초과 방전 시간은 방전 시간을 t_discharge + Δt로 증가시키고, 음의 초과 방전 시간은 방전 시간을 t_discharge - Δt로 감소시킨다. 대안적으로, 프로세스 컨트롤러(130)는 충전 시간 및 방전 시간 모두를 조절할 수 있고, 전체 사이클 주기를 일정하게 유지할 수 있다(예를 들어, 더 긴 충전 시간 t_charge + Δt에 후속되는 더 짧은 방전 시간 t_discharge - Δt).

초과 시간(Δt)을 이용하면, 충전 시간 대 방전 시간의 비율이 변경된다. 사이클 주기의 총 시간 + 초과 충전 시간(Δt)은 하나의 프레임으로 지칭된다. 사이클 테스트 동안, 타이밍 조절된 충전-방전 사이클들은 프레임 단위로 반복된다. 일 예에서, 프로세스 컨트롤러(130)는 프레임 단위로 초과 충전 시간(Δt)을 업데이트할 수 있고, 이의 예들은 도 4b 내지 도 4e를 참조하여 이하에서 설명된다.

초과 시간(Δt)은 스위칭 타이머에 의해 제공될 수 있다. 일 예에서, 초과 시간(Δt)은 스위칭 타이머 분해능(T)의 배수일 수 있다(Δt = k * T). 가장 작은 초과 시간은 T와 같다. 스위칭 회로(120)에 의해 제공되는 이러한 전류 스위칭 기술은 충전-방전 사이클의 안정적이고 초미세한 조절을 가능하게 한다(틱(tick) 단위로, 또는 T의 증분 단위로). 예를 들어, 30초의 베이스 충전 시간 및 30초의 베이스 방전 시간으로 구성된 60초 사이클 주기, 및 T = 200 nsec의 시간 분해능을 갖는 스위칭 타이머의 경우, 가장 작은 초과 충전 시간은 t_charge = 30.0000002초이다. 방전 시간이 t_discharage = 30초의 베이스 수준에 머무르는 경우, 이는 듀티 사이클에서 50.00000017%로 초미세 변화를 초래한다. 초과 시간(Δt)을 사용하는 것은 또한, 충전-대-방전 시간 비율을 변경시킨다. 프레임당 인가된 총 쿨롱은 초과 시간 간격(Δt)에 기초하여 계산될 수 있다. 인가된 충방전율은 프레임당 인가된 총 순(net) 쿨롱을 프레임의 시간으로 나눔으로써 계산될 수 있다.

이하, 가능한 가장 작은 시간 증분(즉, T)은 틱(tick)으로 지칭된다. 상기 예에서, 틱은 200 nsec일 수 있다. 일부 예들에서, 초과 시간(Δt)은 스위칭 타이머 분해능 T의 증분들(k * T)로, 또는 틱들의 수(k)로 표현될 수 있다. 예를 들어, 프로세스 컨트롤러(130)는 "k"개의 틱(tick)만큼 충전 단계를 연장할 수 있다. 충전 단계 또는 방전 단계에 부가되거나 그로부터 차감될 수 있는 가장 작은 양은 스위칭 타이머 분해능(T)과 같은, 1틱(tick)이다. 특정한 개수의 틱들을 충전 단계 또는 방전 단계에 부가하거나 그로부터 차감함으로써, 프로세스 컨트롤러(130)는 출력 변수(예를 들어, 전류 또는 전압)를 원하는 설정점으로 유지할 수 있다. 이러한 충전-방전 조절을 구현하는 다른 방법은 틱 카운트가 양의 값들 또는 음의 값들을 가질 수 있게 하는 것이다. 양의 틱 카운트는 순(net) 충전 조건을 갖는 주기(예를 들어, 방전 시간보다 더 긴 충전 시간)를 나타낸다. 음의 틱 카운트는 순 방전 조건을 갖는 주기(예를 들어, 방전 시간보다 더 짧은 충전 시간)를 나타낸다.

대개 긴 사이클 주기(예를 들어, 20시간)을 필요로 하는 통상적인 HPC와 비교하여, 사이클 전량계 시스템(100)은 실질적으로 더 짧은 사이클 주기(예를 들어, 근사적으로 1분)로 충전-방전 프로세스를 사이클하도록 구성될 수 있다. 짧은 충전-방전 시간 때문에, 테스트(예를 들어, DUT(150)) 중인 전기화학 셀은 대개, 통상적인 배터리 사이클 장치 기술에 의해 설정된 전압 한계에 도달할 수 없다. 대신에, 셀은 초기 셀 전압의 위 및 아래에서 진동할 것으로 예상될 것이다. 셀의 쿨롱 비효율성(자가 방전)이 일어나기 때문에, 평균 셀 전압은 초기 셀 전압 아래로 떨어질 것이다. 일 예에서, 프로세스 컨트롤러(130)는 선택적으로 다른 출력 변수들과 함께 DUT(150)의 전압 및 전류 응답을 연속적으로 또는 주기적으로 모니터링할 수 있고, 평균 셀 전압을 제어된 설정점으로 유지하기 위해 순 초과 충전 시간(Δt)(또는 틱 카운트)을 조절할 수 있다. 적절한 타이밍을 갖는 고속 마이크로컨트롤러는 측정된 배터리 전류 및 전압을 샘플링하기 위해 디지털 획득 시스템 상에서 동작할 수 있다. 시스템은, 노이즈를 상당히 감소시키기 위해, 측정된 입력 변수(예를 들어, 충전 전류 및 방전 전류) 및 측정된 출력 변수(예를 들어, DUT(150)의 전압 응답 및 전류 응답) 모두를 평균할 수 있다. 일 예에서, 프로세스 컨트롤러(130)는 쿨롱 카운터를 사용하여 총 인가된 쿨롱을 측정하거나, 인가된 전류 및 실제 충전 틱들에 기초하여 총 인가된 쿨롱을 직접 계산할 수 있다. 도 5를 참조로 하는 것과 같이, 총 인가된 쿨롱을 측정하는 예들은 이하에서 설명된다.

다양한 예들에서, 사이클 전량계 시스템(100)은 인가된 전류(충방전율), 온도, 및 미리 설정된 셀 전위와 같은 특정한 테스트 조건에서 전기화학 셀(예를 들어, DUT(150))의 전하 손실 또는 전하 손실률(예를 들어, 자가 방전률이라고도 함)을 파라미터화할 수 있다. 일 예에서, 사이클 전량계 시스템(100)은 실질적으로 미리 설정된 평균 셀 전압에서와 같이, 특정 조건에서 DUT(150)를 유지하는데 필요한, 인가된 총 전하량 또는 인가된 전류(인가된 충방전율)를 측정할 수 있다. 평균 셀 전압이 제어 상태로 유지되는 경우(즉, 평균 셀 전압이 설정점으로 유지됨), 순 인가된 전류는 온도, 전류 및 셀 전위의 특정 조건에서의 전하 손실률이다. 통상적인 고정밀 전기량법은 매우 느린 충전-방전 사이클을 겪는 전기화학 셀에 대해서만 CE를 측정할 수 있다. 시간당 쿨롱 비효율성(CIE/h)은 셀 전위의 범위에 걸쳐 발생하는 여러 가능한 손실 메커니즘에 대한 평균 손실률을 나타내는 정규화된 지표이다. 본원에서 설명된 사이클 전기량법은 유리하게는 훨씬 더 짧은 충전-방전 사이클에서의 전하 손실률을 평가하고, 전하 손실률을, 충방전율, 온도, 및 미리 설정된 셀 전위를 포함한 광범위한 테스트 조건들로 파라미터화한다. 일부 예들에 따르면, 상이한 셀 조건들 하에서 평가된 전하 손실률들은 손실률 커브 또는 손실률 맵으로서 그래픽적으로 표현될 수 있고, 이의 예들은 도 10a 및 도 10b를 참조하여 이하에서 설명된다.

일부 예들에서, 사이클 전량계 시스템(100)은 다른 트랜스듀서들 중에서 분광계, 또는 음향 분광계를 사용하는 것과 같이, 전류의 계단 변화 또는 전압의 계단 변화에 대한 DUT(150)의 과도기적 응답을 측정하도록 구성될 수 있다. 계단 응답은 DUT(150)의 주파수 응답을 나타낸다. 계단 응답의 정보는 셀 모델 또는 셀 알고리즘을 확립하는데 사용될 수 있고, 추가된 기기의 비용 없이 또는 사이클 테스트를 중단할 필요 없이, 임피던스 분석으로부터 획득된 것과 유사한 정보를 제공할 수 있다. 과도기적 응답은 또한, 사이클 전기량법으로 하여금, 전하 이동 저항 증가를 연속적으로 모니터링하는 한편, 주어진 셀 조건에서 순간 손실률을 또한 측정할 수 있게 한다.

도 2a 내지 도 2c는 전류 조절(steering)이라고도 하는 프로세스인, 충전 및 방전 전류를 생성하기 위해 특정 전류 스위치 타이밍으로 정확하게 타이밍된 극성 변화를 제공하도록 구성된 전류 스위칭 회로(200)의 일 부분의 예를 도시하는 개략도이다. 전류 스위칭 회로(200)는 스위칭 회로(120)의 일 실시예일 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 전류 스위칭 회로는 스위치들(S1, S2, S3, 및 S4), 및 전류원(110)의 일 실시예인 일방향성 DC 전류원(210)을 포함한다. 모든 스위치들이 개방될 때, DUT(150)로 어떠한 전류도 흐르지 않는다. 도 2b는 스위치들(S2 및 S3)이 폐쇄되고(도시된 바와 같이), 스위치들(S1 및 S4)이 개방될 때의 전류 스위칭 회로(200)의 등가 회로를 도시하며, 이 경우에 전류원(210)은 DUT(150)를 충전하기 위해 순방향 전류(221)를 제공한다. 도 2c는 스위치들(S1 및 S4)이 폐쇄되고(도시된 바와 같이), S2 및 S3가 개방될 때의 전류 스위칭 회로(200)의 등가 회로를 도시하며, 이 경우에 전류원(210)은 DUT(150)를 방전하기 위해 역방향 전류(222)를 제공한다. 도 2a의 스위치들의 배열은 순방향 및 역방향 타이밍 모두가 오프(off)인 기간인 데드(dead) 시간을 허용한다. 예를 들어, S4 및 S2가 동시에 온(on)인 경우, DUT(150)는 단락될 것이다.

스위치들(S1, S2, S3, 및 S4)은 트랜지스터들 또는 다른 전압-제어된 스위칭 장치들일 수 있다. 일 예에서, 스위치들(S1, S2, S3, 및 S4)은 MOSFET 트랜지스터들과 같은 FET 트랜지스터들이고, 개방/폐쇄 상태들은 임계 전압에 대해 적절한 게이트 전압을 인가함으로써 달성될 수 있다. 순방향 전류(221)(충전 전류) 및 역방향 전류(222)(방전 전류)는 충전 및 방전 동작 동안 동일하게 작동하는 동일한 단일 전류원(210)로부터 기인하기 때문에, 충전 전류와 방전 전류 사이의 대칭은 보다 쉽고 신뢰성 있게 달성될 수 있다. 전류 대칭성은 충전 사이클에 존재하는 오프셋 에러가 방전 사이클에 존재하는 동일한 오프셋으로 상쇄되는 이점을 갖는다. 또한, 단일 전류원을 사용하는 것은 충전 및 방전 단계 동안 전류 출력의 안정성을 개선하는 것을 돕는다.

전류 스위칭 회로(200)는 (도 2a의 스위치들 중 하나 이상을 열거나 닫음으로써와 같이) 나노초 시간 규모로 전류 방향을 변경할 수 있다. 전류 스위칭 회로(200)는 적절한 전압 컴플라이언스를 가지므로, 전류는 극성이 스위칭될 때 값의 실질적인 변화를 보이지 않는다. 일 예에서, 전류 스위칭 회로(200)는 스위치들(S1, S2, S3, 및 S4)의 동작들을 특정한 정밀도로 제어하여 전류 스위치 타이밍의 정밀한 제어를 달성하도록 구성된 클럭킹 회로를 포함한다. 예를 들어, 시스템 클럭 주파수가 100 MHz인 경우, 전류 스위치 타이밍은 10 nS의 분해능을 가질 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 충전 및 방전 전류를 생성하기 위해 특정 전류 스위치 타이밍에 정확하게 타이밍되는 극성 변화를 제공하도록 구성된 전류 스위칭 회로(300)의 일 부분의 다른 예를 도시하는 개략도이다. 전류 스위칭 회로(300)는 스위칭 회로(120)의 일 실시예일 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 전류 스위칭 회로(300)는 2개의 스위치들(S4 및 S5), 2개의 다이오드들(D1 및 D2), 전력원(310), 및 일방향 전류 조절이기(320)를 포함한다. 전력원(310) 및 일방향 전류 조절이기(320)는 전류원을 형성한다. 전력원(310) 및 일방향 전류 조절이기(320) 모두가 사용될 때, 회로(300)는 DUT(150)에 전류를 공급할 수 있다. 전류 조절이기(320)만을 사용하는 경우, 회로는 DUT(150)로부터의 전류를 소모(sink)할 수 있다. 스위치들(S4, S5)의 상태들은 어떤 구성이 발생하는지를 결정한다.

도 3b는 스위치(S4)가 폐쇄되고 S5가 개방될 때의 전류 스위칭 회로(300)의 등가 회로를 도시한다. 다이오드(D2)는 닫힌 스위치로서 작용하여, DUT(150)를 충전하기 위해 전력원(310)으로부터 조정기(320)를 통해 DUT(150)로 순방향 전류(321)를 통과시킨다. 도 3c는 스위치 S4가 개방되고 S5가 폐쇄될 때의 전류 스위칭 회로(300)의 등가 회로를 도시한다. 다이오드(D1)는 이러한 구성에서 닫힌 스위치로서 작용하여, DUT(150)로부터 조정기(320) 및 S5를 통해 DUT(150)로 다시 역방향 전류(322)를 통과시킨다. 따라서, 역방향 전류(322)는 DUT(150)를 방전한다. 이러한 동작의 장점은 전류 조절이기(320)가 DUT(150)로 또는 그로부터 전류를 소모 또는 공급할 때 동일한 전류 및 극성 조건 하에서 동작하여, 회로 동작의 대칭성으로 인해 전류 조절 회로 동작의 임의의 작은 불가피한 편차(anomaly)가 상쇄된다는 것이다.

도 4a 내지 도 4e는 초과 시간(Δt)을 사용하는 사이클 주기에서의 충전 시간 또는 방전 시간의 조절을 도시하는 타이밍도이다. 조절은 초과 시간(Δt)을 스케줄링하는 프로세스 컨트롤러(130)로부터의 제어 신호에 응답하여 스위칭 회로(120)에 의해 수행될 수 있다. 사이클 주기(베이스 충전 시간 및 베이스 방전 시간으로 구성됨) 및 초과 충전 시간(Δt)은 하나의 프레임을 형성한다. 일 예에서, 베이스 충전 시간 및 베이스 방전 시간은 각각 30초이며, 60초의 사이클 주기를 제공한다. 30초의 충전 단계는 전압 프로파일이 전기화학 셀에서 완전히 전개되도록 하기에 충분히 길다. 초과 시간(Δt)은 다수의 초과 타이머 틱들에 의해 표현될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 본원에서 하나의 틱은 충전 시간 또는 방전 시간의 가장 작은 증분(또는 감소분)을 지칭한다. 일 예에서, 틱은 스위칭 타이머 분해능(T)(예를 들어, 5 MHz의 클럭 주파수에 대해 200 nsec)과 동일한 지속기간을 갖는다.

비교를 위해, 도 4a는 초과 시간이 없는(Δt = 0) 프레임을 도시한다. 방전 동작은 충전 단계 직후에 개시된다. 충전 및 방전 단계는 대칭이다. 도 4b는 예로서, 충전 단계에 부가된 양의 초과 충전 시간(즉, Δt_charge 또는 초과 타이머 틱 > 0)을 도시하며, 이는 충전 시간을 30초에서 30 + Δt_charge초로 효과적으로 증가시킨다. 방전 동작은 초과 충전 시간 직후에 시작한다. 도 4b의 프레임은 60 + Δt_charge초이다. 도 4c는 예로서, 음의 초과 충전 시간(즉, Δt_charge 또는 초과 타이머 틱 < 0)을 도시하며, 이는 충전 시간을 30초에서 30 - Δt_charge초로 효과적으로 감소시킨다. 방전 단계는 단축된 충전 단계 직후에 시작한다. 방전 시간은 30초로 유지된다. 이와 같이, 도 4c의 프레임은 60초보다 작은 60 - Δt_charge초이다.

마찬가지로, 방전 단계에 초과 시간이 적용될 수 있다. 도 4d는 방전 단계에 부가된 양의 초과 방전 시간(즉, Δt_discharge 또는 초과 타이머 틱 > 0)을 도시하며, 이는 방전 시간을 30초에서 30 + Δt_discharge초로 효과적으로 증가시킨다. 도 4d의 프레임은 60 + Δt_discharge이다. 도 4e는 예로서, 음의 초과 방전 시간(즉, Δt_discharge 또는 초과 타이머 틱 < 0)을 도시하며, 이는 방전 시간을 30초에서 30 - Δt_discharge 초로 효과적으로 감소시킨다. 도 4d의 프레임은 60초보다 작은 60 - Δt_discharge초이다. 사이클 전량계 시스템(100)은 프레임 마다 연속적으로 반복하고, 각각의 프레임에 대해 초과 충전 시간 변수를 업데이트할 수 있다.

도 5는 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 사이클 전기량법을 사용하여, 도시된 바와 같이, DUT(150)와 같은 전기화학 셀의 진단 테스트를 수행하도록 구성된 배터리 테스트 시스템(500)의 일 예를 도시하는 블록도이다. 배터리 테스트 시스템(500)은 테스트 동안 충전 및 방전 전류를 제공하는 전류원(510), DUT(150)와 연결하는 인터페이스 보드(520), 및 시스템(500)의 다양한 컴포넌트들 및 회로를 동작시키기 위한 제어 신호들을 제공하고, 데이터 프로세싱을 수행하며, 배터리 성능 지표들을 평가하고, 배터리 진단을 생성하는 마이크로컨트롤러(530) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 온도 안정성을 보장하기 위해, 배터리 테스트 시스템(500)의 회로 컴포넌트들의 일부 또는 전부는 < ± 0.1℃로 안정화된 온도를 갖는 정밀한 온도 제어 환경에 포함될 수 있다.

도 1의 전류원(110)의 일 실시예인 전류원(510)은 사이클 테스트 동안 DUT(150)를 위한 충전 전류 및 방전 전류를 제공할 수 있다. 일 예에서, 전류원(110)은 DC 전류를 제공하도록 구성된 하나의 단극 전류원일 수 있다. 전류의 진폭은 마이크로컨트롤러(530)를 통해서와 같이 조절가능할 수 있다. 단극 전류원의 예들은 도 2a 내지 도 2c, 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 위에서 설명되어 있다.

인터페이스 보드(520)는 2-와이어, 3-와이어, 또는 4-와이어 연결을 사용하여 테스트 시스템(500)에 DUT(150)를 연결하고, DUT(150)에 충전 및 방전 전류를 인가하며, 다른 변수들 중에서 DUT(150)로부터 전류 및 전압을 측정할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 인터페이스 보드(520)는 마이크로컨트롤러(530)의 제어 하에서 아날로그 측정들을 샘플링하고 디지털화하도록 구성된 데이터 획득 시스템(DAS)(521)을 포함할 수 있다. 다양한 예들에서, DAS(521)는 충전 전류 및 방전 전류를 디지털화하기에 충분히 큰 동적 범위를 갖고, 동시에 관심 신호를 검출하기에 충분한 분해능을 갖는다. 일 예에서, 배터리 진단의 정확도를 향상시키기 위해, DAS(521)의 성능은 테스트로부터 발생할 수 있는 오류의 원인이 정확하게 결정될 수 있도록, 전류원(510)을 초과하는 성능을 가진다. DAS(521)의 예들은 도 7을 참조하여 아래에서 설명된다. 일 예에서, 인터페이스 보드(520)는 다양한 배터리 크기들에 대한 유연한 저항 감지 및 전류원 옵션들을 허용하기 위해 마이크로컨트롤러(530) 및 DAS(521)로부터 물리적으로 분리될 수 있다.

일부 예들에서, 인터페이스 보드(520)는 DAS(521)의 환경의 온도를 측정하기 위한 내장형 온도 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 모니터링된 온도에 기초하여, 마이크로컨트롤러(530)는 인터페이스 보드(520) 상에서 DAS(521)를 둘러싸는 전력 저항기들을 사용하여 DAS(521)의 온도를 조절하는 것과 같이, 회로에 대한 열적으로 안정한 환경을 조절가능하게 제공할 수 있다.

프로세스 컨트롤러(130)의 일 실시예인 마이크로컨트롤러(530)는 전류원(510)을 제어하여 특정 충전-방전 전류를 생성하고, DAS(521) 상에서 데이터 획득을 구동하며, 사이클 프로세스를 감독하고, 배터리 지표를 생성하도록, 프로그래밍될 수 있다. 마이크로컨트롤러(530)는 명령들에 응답하고 측정 결과들을 보고하기 위해 외부 모니터(540)와 통신하기 위한 통신 주변 장치들을 포함할 수 있다. 일 예에서, 배터리 테스트 시스템(500)은 16 MHz 온도 보상 결정 발진기(TCXO: temperature compensated crystal oscillator)에 대해 동작하고, 이는 마이크로컨트롤러(530) 및 DAS(521)의 아날로그-대-디지털 변환기(ADC: analog-to-digital converter)를 직접 구동시킨다. 마이크로컨트롤러(530)는 위상-고정(phase-lock) 루프를 이용하여, 16 MHz를, 8 내지 5 MHz로 나누어 있는 40 MHz 시스템 클럭의 내부 주파수로 상승시킬 수 있다. 이 5 MHz는 인가된 결정 클럭만큼 정확하고, T = 200 nsec의 시간 분해능을 갖는 충전 및 방전 주기들을 생성하는데 사용되는 32-비트 타이머를 클럭한다. 예를 들어, 2초 주기의 사이클은 1초, 또는 각각 200 nsec(0.2 ppm의 분해능)의 지속기간을 갖는 5 * 10⁶틱을 갖는다. 적절한 타이밍을 갖는 고속 마이크로컨트롤러(530)는 배터리 전류 및 전압 양쪽 모두를 샘플링하기 위해 DAQ(521)를 동작시킬 수 있다.

마이크로컨트롤러(530)는 디지털 신호 프로세서, 주문형 집적 회로(ASIC: application specific integrated circuit), 마이크로프로세서, 또는 물리적 활동 정보를 포함한 정보를 처리하기 위한 다른 유형의 프로세서와 같은 전용 프로세서일 수 있는, 마이크로프로세서 회로의 일부로서 구현될 수 있다. 대안적으로, 마이크로프로세서 회로는 본원에 설명된 기능들, 방법들, 또는 기술들을 수행하는 명령들의 세트를 수신하고 실행할 수 있는 범용 프로세서일 수 있다.

마이크로컨트롤러(530)는 타이밍 컨트롤러(531), 배터리 지표 생성기(534), 및 통신 회로(535)를 포함하는 하나 이상의 다른 회로들 또는 서브 회로들을 포함하는 회로 세트들을 포함할 수 있다. 회로들 또는 서브회로들은 단독으로 또는 조합하여, 본원에 설명된 기능들, 방법들, 또는 기술들을 수행할 수 있다. 일 예에서, 회로 세트의 하드웨어는 특정 동작을 수행하기 위해서 변경 불가능하게 설계될 수 있다(예를 들어, 하드와이어됨). 일 예에서, 회로 세트의 하드웨어는 특정 동작의 명령들을 인코딩하기 위해 물리적으로 수정된(예를 들어, 자기적으로, 전기적으로, 불변하는 대량 입자들의 이동 가능한 배치 등) 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 다양하게 연결된 물리적 구성요소들(예를 들어, 실행 유닛들, 트랜지스터들, 간단한 회로들 등)을 포함할 수 있다. 물리적 구성요소들을 연결하는 경우, 하드웨어 구성요소의 기본 전기적 특성은 예를 들어 절연체에서 전도체로 또는 그 반대로 변경된다. 명령들은 내장된 하드웨어(예를 들어, 실행 유닛들 또는 로딩 메커니즘)를 활성화하여, 동작 시에 특정 동작의 부분들을 수행하도록 가변 연결들을 통해 하드웨어 내에 회로 세트의 멤버들을 생성할 수 있다. 따라서, 컴퓨터 판독가능 매체는 장치가 동작할 때 회로 세트 멤버의 다른 구성요소들에 통신 가능하게 연결된다. 일 예에서, 물리적 구성요소들 중 임의의 것이 둘 이상의 회로 세트의 둘 이상의 멤버에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 동작 중에, 실행 유닛들은 특정 시점에 제1 회로 세트의 제1 회로에서 사용될 수 있고, 상이한 시간에 제1 회로 세트 내의 제2 회로에 의해 또는 제2 회로 세트 내의 제3 회로에 의해 재사용될 수 있다.

타이밍 컨트롤러(531)는 충전 및 방전 사이클 동안에 인가하기 위한 구형파 전류를 생성하기 위해 전류원(510)에 연결되는 구형파 발생기(532)를 포함할 수 있다. 구형파 발생기(532)는 예정된 시간에 동작 가능하게 개방 또는 폐쇄되는 스위치들을 포함할 수 있으며, 이에 따라 전류 방향들을 변경하는데, 이들의 예는 도 2a 내지 도 2c, 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 위에서 설명되어 있다. 타이밍 컨트롤러(531)는, 예를 들어, 사이클 주기에서 충전 및 방전 단계들 사이의 전류 스위치 타이밍을 변경함으로써, 출력 변수(예를 들어, 평균 셀 전압)를 미리 설정된 세팅으로 유지하는 것과 같이, 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 조절하도록 구성된 전류 스위칭 컨트롤러(533)를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 전류 스위칭의 타이밍 제어는 충전 시간 또는 방전 시간에 부가되거나 그로부터 차감되는(도 4b 내지 도 4e에 예시된 바와 같음) 시간 지속기간 또는 초과 타이머 틱들의 카운트에 의해 표현되는, 초과 시간(Δt)을 포함할 수 있다.

다양한 예들에서, 전류 스위칭 컨트롤러(533)는 충전 시간 또는 방전 시간 중 적어도 하나를 조절할 수 있거나, 시스템 컨트롤러에 정의된 설정점으로 전기화학 셀의 수렴을 가속시키기 위해 하나 이상의 입력 변수들에 기초하여, 또는 충전 상태나 건강 상태와 같은 셀 조건들에 기초하여, 전류 스위치 타이밍을 업데이트할 수 있다. 일 예에서, 전류 스위칭 컨트롤러(533)는 더 빠른 제어를 달성하기 위해 배터리 지표 생성기(534)로부터 얻어진 진단 정보 및 배터리 지표들을 사용하여 초기 전류 스위치 타이밍(프로세스 제어 알고리즘으로부터 추정되는 것과 같은 경험적 값으로 설정될 수 있음)을 정정할 수 있다. 일 예에서, 전류 스위칭 컨트롤러(533)는 적절한 타이밍 제어 전략을 예측하기 위해 많은 출력 변수들(예를 들어, 프레임 내 전압 및 DUT(150)의 현재 응답들)로부터의 정보를 이용할 수 있다. 예를 들어, 측정된 평균 셀 전압의 섭동에 응답하여, 전류 스위칭 컨트롤러(533)는 셀 저항 및 프레임 내 전압 응답에 대한 사전 측정들을 사용하여, 보다 신속하게 DUT(150)를 설정점으로 다시 구동할 수 있다. 측정된 출력 변수를 오버슈트 또는 진동이 거의 없이 원하는 설정점으로 신속하게 수렴하게 하기 위해, 다른 피드포워드 또는 피드백 컨트롤러들 중에서, PI 제어, PID 제어와 같은 시스템 컨트롤러들이 사용될 수 있다. 배터리 지표와 진단 정보, 및 전술한 제어 전략은 또한 시스템(500)의 다양한 요소들, 예를 들어, DAQ(521)에서의 데이터 획득의 동작을 조절하기 위해 사용될 수 있다.

마이크로컨트롤러(530) 및 DAS(521)는 적절한 동작을 위해 다양한 전압들을 필요로 할 수 있다. 일부 예들에서, 전류원(510), 마이크로컨트롤러(530), 및 DAS(521)로부터의 AC 전력을 라인 주파수 누설 전류가 거의 없이 분리하기 위해 의료기기 등급의 전력 변환기들, 예를 들어, 심장-부유("CF": cardiac-floating)형 변환기들이 사용될 수 있다. 외부 모니터(540) 및 전류원 회로(510)로부터 마이크로컨트롤러(530)(예를 들어, 쿨롱 카운터와 같은 정밀한 계측기)를 분리하기 위해 전류 격리 장벽이 제공될 수 있다. 전류원이 충전에서 방전 구성으로 반전될 때, 전류원 회로(510)로부터의 격리는 전류원(510)으로 하여금 충전에서 방전 구성으로 반전되게 할 수 있다.

배터리 지표 생성기(534)는 DAS(521)에 의해 제공되는 측정치들을 이용하여 배터리 지표들 및 진단 정보를 생성하도록 구성될 수 있다. 배터리 지표 생성기(534) 및 DAS(521)는 집합적으로, 신호 측정 및 처리를 수행하는 측정 회로로 지칭된다. 일 예에서, 배터리 지표 생성기(534)의 적어도 일부는 충전 및 방전 사이클들 동안 전하들을 카운트하는 정밀 쿨롱 카운터로서 구성될 수 있다. 일 예에서, 쿨롱 카운터는 정밀 전압 기준을 이용할 수 있다. 시스템은, 노이즈를 상당히 감소시키기 위해, 측정된 입력 변수 및 측정된 출력 변수를 평균할 수 있다.

일 예에서, 배터리 지표 생성기(534)는 프레임당 인가된 총 전하량(QPF, 쿨롱 단위)을 결정할 수 있다. 프레임 쿨롱의 합계는 배터리 주기 테스트 중에 인가된 누적 쿨롱을 나타낸다. 일 예에서, QPF는 DAS(521)의 출력을 사용하여 계산될 수 있다. 다른 예에서, 배터리 지표 생성기(534)는 전체 프레임에 걸쳐 인가된 전류를 적분함으로써 QPF를 계산할 수 있다. 일 예에서, QPF는 식 (1)을 사용하여 계산될 수 있다.

(1)

일부 예들에서, 배터리 지표 생성기(534)는 대안적으로, 충전 중에 인가된 총 전하(Q_charge) 및 방전 중에 인가된 총 전하(Q_discharge)의 양을 계산할 수 있다. 이 경우에, 배터리 지표 생성기(534)는 충전 기간에만 인가된 전류를 적분함으로써 충전 중에 인가되는 총 전하량(Q_charge)을 계산할 수 있다. 마찬가지로, 배터리 지표 생성기(534)는 방전 기간에만 인가된 전류를 적분함으로써 방전 중에 인가되는 총 전하량(Q_discharge)을 계산할 수 있다. 이어서 식 (2)를 사용하여 QPF가 계산될 수 있다.

QPF = Q_charge - Q_discharge (2)

일 예에서, Q_charge는 식 (3)에서 주어진 바와 같이, 평균 충전 전류(I_charge) 및 충전 동안의 총 틱 카운트(N_tick_charge)를 이용하여 계산될 수 있다. 일 예에서, Q_discharge는 식 (4)에 주어진 바와 같이, 평균 방전 전류(I_discharge) 및 방전 동안의 총 틱 카운트(N_tick_discharge)를 이용하여 계산될 수 있다.

Q_charge = T* N_tick_charge*I_charge (3)

Q_discharge = T* N_tick_discharge*I_discharge (4)

틱당 클럭 시간(T)은 스위칭 타이머 분해능(T=1/f _clock)와 동일하다. 일 예에서, 틱당 시간은 시스템 클럭 주파수 f _clock = 5 MHz의 경우 T = 200 nsec이다.

다른 예에서, 구형파 발생기(532)는 평균 충전 전류 및 방전 전류가 프레임의 시간 규모에 걸쳐 실질적으로 동일하도록, 하나의 단극 전류원으로부터 대칭 파형을 구현할 수 있다. 전류 스위칭 컨트롤러(533)는 초과 충전 틱(Δtick_discharge) 또는 초과 방전 틱(Δtick_charge)을 적용할 수 있다. 이 예에서, QPF는 식 (5)에서 주어진 바와 같이, 평균 소스 전류(I) 및 충전과 방전 기간들 사이의 초과 틱 카운트의 차이를 사용하여 계산될 수 있다.

QPF = T*(Δtick_charge - Δtick_discharge)*I (5)

또 다른 예에서, 마이크로컨트롤러(530)는 미리 결정된 평균 셀 전압을 유지하기 위해, PI 또는 PID 제어 알고리즘에 의해 지시되는 바와 같이, 초과 충전(Δtick_charge)을 제공할 수 있다. PI 또는 PID 컨트롤러의 적분 항은 정상상태 오류 또는 평균 셀 전압 설정점으로부터의 오프셋을 최소화하기 위해 사용된다. 시스템이 제어 상태에 있고 시스템 제어 알고리즘이 잘 튜닝되는 경우, 적분 항은 프레임당 부가된 초과 충전(Δtick_charge)의 평탄화된 추정치이다. 즉, 적분 항은 제어 변수(타이밍)뿐만 아니라 프레임당 총 전하(QPF) 및 총 인가된 충방전율의 기저이다. 이는 노이즈가 많은 전류원들 또는 측정된 출력 변수들을 갖는 경우에도 사이클 전량계의 유리한 특징이며, PI 또는 PID 제어 알고리즘의 적분 항의 거동으로 인해 평탄화 쿨롱 값 및 총 인가된 전하의 값이 얻어질 수 있다. 일 예에서, QPF는 식 (6)에서 주어진 바와 같이, 평균 소스 전류(I), 틱당 클럭 시간(T), 및 프레임 타이밍을 생성하는데 사용되는 PI 또는 PID 알고리즘의 적분 값(INT)에 의해 계산될 수 있다.

QPF = T*INT*I (6)

일부 예들에서, 배터리 지표 생성기(534)는 시간에 따라 QPF를 추세화하여, 시간에 대해 플로팅된 총 쿨롱 곡선을 생성할 수 있다. 특정한 시간에 총 쿨롱 곡선의 기울기는 시스템을 제어 상태(예를 들어, 제어 레벨로 유지되는 출력 평균 셀 전압)로 유지하는데 필요한 유효 인가 전류(인가된 충방전율, 자가 방전율, 또는 손실률로도 지칭됨)를 나타낸다. 도 8을 참조하여, 인가된 총 전하 및 자가 방전율의 예들은 이하에서 설명된다.

일 예에서, 배터리 지표 생성기(534)는 인가된 총 전하의 함수로서 DUT(150)의 등가 직렬 저항(ESR)을 결정할 수 있다. ESR은 셀 전압의 변화(ΔV)(평균 셀 전압(810)에 비해 충전 또는 방전 단계의 셀 전압 응답으로부터 얻어진 것과 같은) 및 인가된 전류(ΔI)의 크기를 이용하여 계산될 수 있다. ESR을 계산하기 위해 사용되는 셀 전압은 전체 사이클 주기의 평균 전압에 의해, 또는 대안적으로, 충전 사이클 또는 방전 사이클의 평균 또는 말단 전압에 의해 표현될 수 있다. 일 예에서, ESR은 충전 및 방전 전압들에서의 차이의 절반에 기초하여 계산될 수 있고, 충전 및 방전 단계들 동안 사용되는 인가된 전류로 나누어진 전류 스위칭 근처에서 대칭적으로 계산될 수 있다. 배터리 지표 생성기(534)는 (예를 들어, 인가된 총 전하의 상이한 값들에 대해 ESR 곡선을 생성함으로써) 인가된 총 전하량의 함수로서 ESR을 추가적으로 파라미터화할 수 있고, 인가된 총 전하의 변화에 대한 ESR 변화율(dESR/dQ)을 나타내는, 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율을 결정할 수 있으며, 그 예들은 도 9를 참조하여 이하에서 설명된다.

QPF, 인가된 총 전하, 자가 방전율, ESR, 및 ESR 변화율에 더하여 또는 그 대신에, 전술한 바와 같이, 배터리 지표 생성기(534)는 DUT(150)의 주파수 응답과 같은 다른 배터리 지표들 또는 진단 정보를 생성할 수 있다. 배터리 지표 생성기(534)는 수행되는 전기화학적 테스트 및/또는 사용되는 모니터링 장치들에 따라 배터리 지표들을 생성할 수 있다. 일부 예들에서, 배터리 테스트 시스템(500)은, 다른 것들 중에서, 분광계, 초음파 소스 및 센서, 광섬유 케이블, 또는 압력 트랜스듀서를 포함할 수 있다.

통신 회로(535)는 시스템 사용자(예를 들어, 다른 대상들 중에서도, 재료 개발자, 셀 설계자, 셀 제조자, 알고리즘 배터리 엔지니어, 및 품질 제어, 신뢰성 엔지니어)에 대한 배터리 지표 및 진단 정보의 데이터 처리, 저장 및 표시를 수행할 수 있는 모니터 장치(540), 예를 들어, 개인용 컴퓨터(PC) 또는 모바일 장치와 데이터 통신을 확립하도록 구성된다. 배터리 지표 및 진단 정보는 테이블, 차트, 추세, 다이어그램, 또는 임의의 다른 유형의 텍스트 형식, 표 형식 또는 그래픽 표시 형식으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 8 및 도 9의 그래프들 또는 그의 변형들이 모니터 장치(540)의 디스플레이 상에 제공될 수 있다. 일 예에서, 모니터 장치(540)는 다른 것들 중에서도, 상이한 충방전율들, 상이한 온도들, 상이한 설정점 전압, 또는 이들 변수들의 임의의 조합과 같은 개별적으로 어드레싱 가능한 특정한 테스트 조건들 하에서의 총 인가된 전하 및/또는 자가 방전율을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 손실률 커브 또는 손실률 맵이 모니터 장치(540)의 디스플레이 상에 제공될 수 있다. 모니터 장치(540)는 DUT(150)의 상태에 대한 경보 통지를 생성할 수 있다. 모니터 장치(540)는 또한, 시스템 사용자가 사이클링 프로세스(온라인 또는 오프라인 모니터링)를 모니터링할 수 있게 하는 사용자 인터페이스를 포함하고, 하나 이상의 테스트 조건 변수들(예를 들어, 충방전율, 셀 전압 설정점, 또는 온도 설정점)을 프로그래밍하는 것과 같이, 마이크로컨트롤러(530)에 대한 입력 명령들을 갖는 사이클 전기량법을 프로그래밍한다. 일부 예들에서, 배터리 지표 생성기(534)의 적어도 일 부분은 배터리 지표들의 온라인 측정들을 수행할 수 있는 모니터(540)에서 구현될 수 있다.

도 6a는 사이클 테스트 동안 충전 및 방전 단계들 사이의 전류 스위치 타이밍을 제어하도록 구성된 전류 조절 회로(600)의 적어도 일 부분의 예를 도시하는 도면이다. 도 1의 스위칭 회로(120)의 일 실시예인 전류 조절 회로(600)는 전류 스위칭 컨트롤러(533)의 일 실시예인 마이크로컨트롤러(MCU)(610)를 포함한다. 마이크로컨트롤러(610)는 전류원(110)의 일 실시예인 전류원(630)에 연결되며, 이는 사이클 테스트 동안 DUT(150)를 여기시키기 위해 구형파를 생성할 수 있다. 마이크로컨트롤러(610)는, 마이크로컨트롤러(610)에 의해 제공되는 타이밍 제어 신호에 따라 전류 스위칭을 구현하기 위해 스위치들(예를 들어, 도 2a 내지 도 2c, 및 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같은, FET 트랜지스터들 또는 다른 타입들의 전압 제어된 스위치들)을 포함하는 전류 조절 회로(620)에 대한 타이밍 제어 신호를 생성할 수 있다. 순방향(충전) 전류 및 역방향(방전) 전류가 DUT(150)에 인가될 수 있다. 도 6b는 전류 조절 회로(620)로부터의 순방향 전류 및 역방향 전류의 로직 타이밍들을 예시적으로 도시하는 타이밍도이다. 순방향 전류 및 역방향 전류는 전류 스위치 타이밍에 따라 예정된 시간에 교대된다.

DUT(150)의 전압과 같은 전기적 파라미터들, 전류 감지 저항(650) 양단의 전압, 및 DUT(150)를 통해 인가된 전류는 데이터 획득 시스템(DAS)(640)을 이용하여 측정될 수 있다. DAS(640)는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하여 아날로그 측정을 특정한 정밀도 레벨에서 디지털 데이터로 변환하고, 이를 데이터 저장 장치에 저장할 수 있다. 일 예에서, DAS는 충전/방전 전류를 디지털화하기에 충분히 큰 다이나믹 레인지를 갖고, 동시에, 관심 신호를 검출하기에 충분한 분해능을 갖는다. 일 예에서, DAS(640)의 성능은 전류원(630)의 성능을 초과할 수 있으며, 따라서 사이클 전기량법 프로세스는 사이클 테스트 동안에 발생할 수 있는 에러의 소스를 더 신뢰성 있게 결정할 수 있다.

디지털 데이터는 데이터 정밀도를 증가시키고 데이터 품질을 향상시키기 위해, 다른 것들 중에서, 샘플링, 필터링, 또는 노이즈 성형과 같은 기술들을 이용하여 전처리될 수 있다. 디지털 데이터는, 예를 들어, 배터리 지표 생성기(534)에 의해, 새로운 데이터 형태 및 성능 사양을 생성하고/하거나, 관심 있는 다른 조건들 중에서도 DUT(150)의 건강 상태 또는 충전 상태를 특징짓는 배터리 지표 및 진단을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 마이크로컨트롤러(610)는 전류원(630)의 상태에 대한 정보, DAS(640)로부터의 측정들, 및 배터리 지표 생성기(534)로부터의 배터리 지표들 및 진단들 중 하나 이상을 사용하여 전류 스위치 타이밍을 업데이트할 수 있다.

도 7은 DAS(740)가 작동되는 환경의 적어도 일 부분 및 사이클 테스트에서의 전기적 파라미터들을 측정하기 위한 데이터 획득 시스템(DAS)(740)을 도시하는 도면이다. DAS(740)는 도 5에 도시된 바와 같은 DAS(521) 또는 도 6의 DAS(640)의 일 예일 수 있다. 전류원(630)의 일 실시예인 일정한(constant) 전류원(730)은 DUT(150)에 여기 전류를 제공한다. 셀 특이적 인터페이스(720)는 DUT(150)와의 물리적 인터페이스이며, 인터페이스 보드(520)에서 구현될 수 있다. DAS(740)는 도 6을 참조하여 전술한 바와 같이, 공지된 저항을 갖는 전류 감지 저항(650) 양단의 전압에 기초하여 DUT(150)의 셀 전압 및 셀 전류와 같은 아날로그 측정들 중에서 선택하기 위한 멀티플렉서(MUX)(741)를 포함한다. DAS(740)는 아날로그 측정들(예를 들어, 전압 또는 전류)을 디지털화하기 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC)(742)를 포함한다. 일 예에서, ADC(742)는 정밀 전압 기준(V_ref) 및 16 MHz 타이밍 소스(750)와 함께 동작할 수 있다. 일 예에서, ADC(742)는 초당 1250개의 샘플들(SPS)과 같은 특정 샘플링 속도로 디지털화된 전압 및 전류 샘플들을 연속적으로 제공하도록 구성된다.

일 예에서, ADC(742)는 32-비트 변환을 위해 구성되고, 그 중 28비트는 쿨롱 카운터에 의해 사용된다. 이러한 데이터 레이트 및 2.5V 기준으로, ADC(742)는 약 20비트에 대해 조용하여, 1250 SPS로 얻어지는 샘플들은 약 2 ppm에 대해 조용할 수 있다. 그 후의 평균화는 노이즈를 상당히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 매우 짧은 프레임(2초 주기)에도, 각각의 절반은 약 1250개의 샘플을 갖는다. 이러한 파편화(decimation)는 근사적으로, 추가적인 4비트의 분해능과 동일하다.

DAS(740)는 디지털화된 측정들을 MCU(610)로 출력할 수 있다. 단계당 인가된 실제 쿨롱, 충전 단계의 평균 전압, 방전 단계의 평균 전압, 평균 셀 전위, 충전 단계로부터 계산된 등가 직렬 저항, 전류 스위칭 근방의 대칭적으로 계산된 등가 직렬 저항, 방전 단계로부터 계산된 등가 직렬 저항, 시스템 컨트롤러의 적분 값 및 비례 항(즉, PI 컨트롤러 또는 PID 컨트롤러에서의 "P" 및 "I"항)을 포함하는, 다양한 지표들 및 진단 정보가 상기 측정들에 기초하여 (예를 들어, 배터리 지표 생성기(534)에 의해) 생성될 수 있다. 배터리 지표들의 예들은 도 8, 도 9 및 도 10a 및 도 10b를 참조하여 이하에서 설명된다. 시스템은 평균 셀 전위가 설정점과 실질적으로 동일할 때 제어 하에 있는 것으로 결정될 수 있다. 제어 하에 있는 경우, 평균 비례 항(P)은 0이 된다.

도 8은 시스템(500)을 이용하여 얻어지는 것과 같이, 테스트 중인 배터리에서 수행되는 사이클 테스트 동안의 전압 및 전류 응답들을 예시적으로 그러나 비제한적으로 도시하는 그래프이다. 비제한적인 예로서, 테스트 중인 배터리를 조립하는데 다음 방법이 사용될 수 있다. 음극 잉크는 Thinky ARE-500 플래니터리(planetary) 믹서를 사용하여 제조되었다. 이어서, 9.42 g의 NMC532 음극, 0.340 g의 Timcal C65 카본블랙, 및 0.240 g의 PVDF가 Thinky 믹싱 컵에 부가되었다. 이어서, 6.85 g의 NMP가 부가되었고, 잉크의 과도한 가열을 방지하기 위해 두 번의 짧은 일시정지를 가지면서 혼합물이 총 10분 동안 1000 RPM 으로 회전되었다. 이어서, 음극 잉크가 알루미늄 호일로 주조되고, 건조되며, 전극으로 절단되었다.

주조 및 건조된 음극은 흑연 양극을 사용하는 핸드메이드 파우치 리튬 이온 테스트 셀을 제조하는데 사용되었다. 탈기(degassing) 후, 조립된 배터리는 전해질로 충전되었다. 본 예에서 사용된 전해질은 에틸렌 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트(EC/EMC/DEC 3/5/2 v/v)의 혼합물의 1M LiPF6이고, 1% 비닐렌 카보네이트를 포함하였다.

이와 같이 제조된 배터리 셀에 대해 사이클 테스트가 수행되었다. 셀은 4.3V로 충전되었고, 도 1 및 도 5를 참조하여 전술한 바와 같이 사이클 전기량법을 사용하여 테스트되었다. 사이클 전기량법은 60초 사이클 주기(30초 베이스 충전 시간 및 30초 베이스 방전 시간), 및 0.5 C의 충방전율(즉, 2시간의 충전율)로 실행되었다. PI 컨트롤러는 평균 셀 전압을 4.3 V(설정점)로 유지하도록 지시될 수 있다. 셀은 45℃의 오븐에 배치되고 평형화(equilibrate)되었다.

평균 셀 전압, 충전 전압, 및 방전 전압이 연속적으로 모니터링될 수 있고, 시스템(500)을 사용하는 것과 같이 데이터가 획득될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 마이크로컨트롤러(520)(예를 들어, PI 컨트롤러)는 원하는 설정 전압으로 출력 평균 셀 전압을 유지하기 위해 타이밍 변수들을 조절한다. 평균 셀 전압 응답(810)은 근사적으로 4.3 V의 설정점으로 유지된다. 사이클 주기의 처음 절반 동안 측정된 평균 충전 전압 응답(820)은 시간에 따라 증가한다. 마찬가지로, 사이클 주기의 두번째 절반 동안 얻어지는 평균 방전 전압 응답(830)은 시간에 따라 감소한다. 즉, 평균 충전 및 평균 방전 전압은 모두, 사이클 테스트 동안 증가한다.

또한, 도 8은 사이클 테스트 동안 상이한 시간에 인가된 누적 전하(두번째 Y축 상에 도시된 스케일)를 나타내는 총 쿨롱 곡선(840)이다. 인가된 총 전하는 시간에 따라 증가한다. 인가된 총 전하는 프레임당 인가된 총 전하(QPF)의 합이다. 도 5를 참조하여 전술한 바와 같이, QPF는 쿨롱 카운터를 사용하여 결정될 수 있거나, 대안적으로, 식 (1)에 주어진 바와 같이, 특정한 설정된 레벨(이 예에서는 4.3 V)로 평균 셀 전압을 유지하기 위해 프레임 당 요구되는 틱들의 수에 대응하는 전류를 적분함으로써 계산될 수 있다. 일부 예들에서, 총 인가된 전하들은, 식 (3) 및 식 (4)에서 주어진 바와 같이, 충전 단계만 또는 방전 단계만을 위해 계산될 수 있다. 대안적으로, QPF는 식 (2), 식 (5), 또는 식 (6) 중 하나를 사용하여 계산될 수 있다.

사이클 전기량법의 각각의 사이클 주기에 사용되는 유효 충전 또는 방전 전류인, 인가된 충방전율은 총 쿨롱 곡선(840)을 사용하여 결정될 수 있다. 인가된 충방전율은 사이클 전기량법의 주기마다 변경된다. 유효 충방전율은 사이클 주기들에 걸쳐 평균화될 수 있다. 테스트받는 배터리가 특정한 설정된 셀 조건에서 안정화되는 경우(예를 들어, 이 예에서, 배터리의 평균 셀 전압이 4.3 V의 전압 설정점으로 실질적으로 유지되는 경우), 안정한 셀 상태를 유지하는데 필요한 사이클 전기량법으로부터의 평균적인 인가된 충방전율은 해당 조건에서의 자가 방전율로서 지칭된다. 일 예에서, 자가 방전율(또는 손실률)은 특정 시간(dQ/dt)에 총 쿨롱 곡선(840)의 기울기를 사용하여 결정될 수 있다. 본 예에서, 총 쿨롱 곡선(840)의 가파른 기울기, 따라서 보다 높은 자가 방전율은 테스트의 후기 단계(예를 들어, 100,000초 이후)보다는 초기 단계(예를 들어, 100,000초 이전)에서 관찰된다. 이는, 고체-전해질 인터페이즈(SEI: solid-electrolyte interphase)가 더 전개되거나, 음극이 덜 반응 되기 때문에, 셀이 시간에 따라 보다 효율적으로 되기 때문일 수 있다.

평균 셀 전압(810), 충전 전압(820), 방전 전압(830), 및 총 쿨롱 곡선(840)과 같은 전압 및 전류 응답들은 개별적으로 어드레싱 가능한 특정한 테스트 조건들 하에서 획득될 수 있다. 각각의 테스트 조건은 각각 복수의 값들을 취하는 하나 이상의 제어 변수들(예를 들어, 사이클 프로세스 동안의 충방전율, 온도, 셀 전압 설정점)에 의해 표현될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 전압 및 전류 응답들은 파라미터 세트에 의해 정의되는 특정 테스트 조건 하에서 획득되었다(충방전율 = 0.5 C, 온도 = 45℃, 평균 전압 설정점 = 4.3 V). 상이한 세트의 전압 또는 전류 응답들은, 예를 들어, 충방전율, 온도, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 변화시킴으로써, 상이한 테스트 조건 하에서 생성될 수 있다.

도 9는, 비제한적인 예시로서, 도 7을 참조하여 전술한 사이클 테스트로부터의 측정들을 사용하여 결정된 인가된 총 전하(도 8의 총 쿨롱 곡선(840)에 의해 표현된 바와 같은 누적 쿨롱)에 대해 플롯팅된 테스트되는 셀의 등가 직렬 저항(ESR, 단위: 옴)을 도시한 그래프이다. ESR은 충전 기간 또는 방전 기간 동안 셀 전압의 변화 및 전류(ΔI)의 변화를 사용하여 결정될 수 있다. 일 예에서, 식 (7)에서 주어진 바와 같이, ESR은 평균 충전 전압(V_charge)(820)과 평균 셀 전압(V_average)(810) 사이의 차이 대 충전 전류(I_charge)의 비율을 사용하여 계산될 수 있다. 대안적으로, ESR은 식 (8)에서 주어진 바와 같이, 평균 방전 전압(V_discharge)(830)과 평균 셀 전압(V_average)(810) 사이의 차이 대 방전 전류(I_charge)의 비율을 사용하여 계산될 수 있다.

ESR = (V_charge-V_average)/(I_charge) (7)

ESR = (V_discharge-V_average)/(I_discharge) (8)

평균 셀 전압(V_average)은 사이클 주기 전체의 평균 전압을 나타낸다. 일 예에서, V_average은 충전 및 방전 전압들의 평균을 사용하여 결정될 수 있다. 대안적으로, V_average은 V_charge 및 V_discharge의 가중 평균을 사용하여 결정될 수 있다. V_charge 및 V_discharge에 대한 가중 인자들은, 식 (9)에서 주어진 바와 같이, 충전 동안의 틱 수(N_tick_charge) 및 방전 동안의 틱 수(N_tick_discharge)를 각각 사용하여 결정될 수 있다.

(9)

대안적으로, ESR을 계산하기 위해 사용되는 셀 전압은 충전 사이클의 평균 또는 단자 전압(최대 전압) 및 방전 사이클의 평균 또는 단자 전압을 사용하여 계산될 수 있다. 또 다른 예에서, ESR을 계산하기 위한 셀 전압은 시간에 관하여 전류 스위치 근방에서 대칭적인 평균 충전 전압 및 평균 방전 전압을 계산함으로써 얻어질 수 있다. 이들 예에서, V_charge 및 V_discharge 사이의 차이는 식 (10)에서 주어진 바와 같이, 2 및 인가된 전류(I)로 나누어진다.

ESR = (V_charge-V_discharge)/(2*I) (10)

도 9에 도시된 바와 같이, 자가 방전 반응이 셀에 축적됨에 따라 ESR은 증가한다. ESR 곡선(910)의 기울기는 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율(dESR/dQ)을 나타내며, 이는 각각의 손실된 쿨롱이 셀 저항에 얼마나 손상을 주는지를 나타내는 지표이다. 이 사이클 테스트에서, 사이클 주기는 60초로 설정되었다. 시간 스케일로 인해, ESR의 계산은 실제 전하 이동 동안 배터리 셀의 저 주파수 저항의 직접적인 측정을 제공할 것이다. 사이클 수명에 대한 경험적 상관관계가 손실률 및 전하 이동 저항의 증가 모두에 대한 데이터를 필요로 하는 것을 고려하면, 본원에서 설명되는 사이클 전기량법은 최신 배터리 계측법에 대해 상당한 개선을 나타낸다. 특히, 본원에서 설명된 사이클 전기량법은 실험자들로 하여금 테스트 셀의 ESR 의 변화를 손실된 쿨롱의 함수로서 측정할 수 있게 하며, 이는 각각의 손실된 쿨롱이 연속적인 방식으로 셀 저항에 얼마나 손상을 주는지를 유리하게 정량화하는 전기량법을 제공한다.

도 8을 참조하여 전술한 바와 같이, 총 쿨롱 곡선(840) 및 곡선(840)으로부터 유도된 자가 방전율은 개별적으로 어드레싱 가능한 특정한 테스트 조건 하에서 얻어질 수 있다. 일부 예들에서, 다수의 손실률들은 상이한 테스트 조건들에서 결정될 수 있다. 각각의 테스트 조건은 다른 변수들 중에서도, 충방전율 값, 온도 측정, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현될 수 있다. 각각의 파라미터는 복수의 충방전율들, 복수의 온도들, 또는 복수의 설정점 전압과 같은 복수의 값들을 취할 수 있다. 결과적인 손실률들은 하나 이상의 상기 변수들에 걸쳐 파라미터화된 표현으로서 표현될 수 있다. 일 예에서, 파라미터화된 표현은 다차원 배열을 포함한다. 또 다른 예에서, 파라미터화된 표현은 손실률 곡선 또는 손실률 맵 또는 표면과 같은 다차원 그래프를 포함하며, 그 예들은 도 10a 및 도 10b를 참조하여 이하에서 설명된다.

일부 예들에서, 손실률은 설정점 전위로 테스트 셀을 유지하기 위해 필요한 1일당 전하 손실의 양(Ah/day)에 의해 표현될 수 있다. 통상적으로, 에너지 저장의 손실률은 전압 페이드(fade)에 의해 표현된다. 전압 페이드는 일반적으로 해석을 필요로 하므로, 빠르고 쉬운 표현을 제공하지 않는다. 대신에, 본원에서 설명된 손실률 맵은 상이한 테스트 조건들 하에서 설정점 전위로 테스트 셀을 유지하는데 필요한 1일당 총 전하 손실(Ah/day)에 대한 보다 용이한 해석을 가능하게 한다.

일부 예들에서, 다수의 ESR 변화율들은 상이한 테스트 조건들에서 결정될 수 있다. 각각의 테스트 조건은 다른 변수들 중에서도, 충방전율 값, 온도 측정, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현될 수 있다. 각각의 파라미터는 복수의 충방전율들, 복수의 온도들, 또는 복수의 설정점 전압과 같은 복수의 값들을 취할 수 있다. 결과적인 ESR 변화율들은 하나 이상의 상기 변수들에 걸쳐 파라미터화된 표현으로서 표현될 수 있다. 파라미터화된 표현의 예들은, 도 10c를 참조하여 이하에서 설명되는 ESR 변화율 맵과 같은 다차원 어레이 또는 다차원 그래프를 포함한다.

도 10a 내지 도 10c는 상이한 테스트 조건들 하에서 계산된, 자가 방전율 또는 ESR 변화율과 같은 성능 지표의 그래픽 표현들을 비제한적으로 예시로서 도시한다. 특히, 도 10a는 배터리의 사이클 테스트 동안 얻어진 상이한 인가된 충방전율들 하에서의 손실률 곡선(1010)을 도시하는 그래프이다. 이 예에서, 셀 전압 설정점은 4.4 V이고, 사이클 테스트는 45℃의 제어된 온도에서 수행되었다. 손실률 곡선(1010)은 1일당 전하 손실의 양(Ah/day)에 의해 표현되며, 상이한 인가된 충방전율 하에서 측정될 수 있다. 도 10a는 더 높은 충방전율이, 설정점 전위로 테스트 셀을 유지하기 위해 더 많은 전하 손실(Ah/day)을 초래하는 것을 도시한다.

도 10b는 상이한 충방전율들 및 상이한 셀 전압 설정점들에 의해 표현되는 다양한 테스트 조건들 하에서의 자가 방전율(단위: mA)의 손실률 맵(1020)을 도시한다. 단일 배터리 셀은 도 8을 참조하여 전술한 바와 동일한 유형이다. 비제한적인 예로서, 자가 방전율은 (1) 4개의 상이한 충방전율(0.25 C, 0.5 C, 0.75 C, 및 1 C) 중 하나, 및 (2) 4개의 상이한 셀 전위(4.1 V, 4.2 V, 4.3 V, 및 4.4 V) 중 하나의 다양한 조합에서 측정될 수 있다. 결과적인 손실률 맵(1020)은 배터리의 방전율이, 연구되는 조건들에서, 셀 전위의 주요한 함수면서 충방전율의 부수적인 함수라는 것을 나타낸다. 개별적인 충방전율들 및 개별적인 셀 전위들은 예시적인 것이며, 이들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 더 미세한 분해능을 갖는 손실률 맵, 더 넓은 범위의 충방전율, 또는 상이한 평균 셀 전압 설정점들이 생성될 수 있다. 손실률 맵은 3D 등고선 플롯, 표면 플롯(surface plot), 메시 플롯 등, 또는 자가 방전율들이 상이한 컬러들 또는 그레이스케일들에 의해 표현될 수 있는 2D 컬러 맵 또는 그레이스케일 맵으로서 렌더링될 수 있다.

손실률 맵(1020)에 도시된 바와 같이 다양한 테스트 조건들 하에서 계산될 수 있는 다수의 자가 방전율들과 유사하게, 다수의 ESR 변화율들이 상이한 테스트 조건들 하에서 계산될 수 있다. 도 10c는 상이한 충방전율 및 상이한 셀 전압 설정점들에 의해 표현되는 다양한 테스트 조건들 하에서 ESR 변화율들(단위: 옴/쿨롱)을 도시하는 ESR 변화율 맵(1030)을 도시한다. 단일 배터리 셀은 도 8을 참조하여 전술한 것과 동일한 유형이다. 이러한 비제한적인 예에서, ESR 변화율은 (1) 4개의 상이한 충방전율(0.25 C, 0.5 C, 0.75 C, 및 1 C) 중 하나, 및 (2) 4개의 상이한 셀 전위(4.1 V, 4.2 V, 4.3 V, 및 4.4 V) 중 하나의 다양한 조합에서, 도 9의 총 인가된 쿨롱 그래프당 ESR의 기울기로부터 계산될 수 있다. 결과적인 ESR 변화율 맵(1030)은, 손실된 쿨롱 당 ESR의 변화가, 연구된 조건에서 셀 전위 및 충방전율의 주요한 함수라는 것을 나타낸다. 개별적인 충방전율들 및 개별적인 셀 전위들은 예시적인 것이며, 이들로 제한되지 않는다. 예를 들어, 더 미세한 분해능을 갖는 ESR 변화율 맵, 더 넓은 범위의 충방전율, 또는 상이한 평균 셀 전압 설정점들이 생성될 수 있다. ESR 변화율 맵은 3D 등고선 플롯, 표면 플롯(surface plot), 메시 플롯 등, 또는 자가 방전율들이 상이한 컬러들 또는 그레이스케일들에 의해 표현될 수 있는 2D 컬러 맵 또는 그레이스케일 맵으로서 렌더링될 수 있다.

손실률 맵(1020) 또는 ESR 변화율 맵(1030)은 히스테리시스 효과를 검사하기 위해, 각각의 데이터 포인트(예를 들어, 특정한 충방전율 및 특정한 셀 전위에 대응하는 자가 방전율, 또는 특정한 충방전율 및 특정한 셀 전위에 대응하는 ESR 변화율)가 유사한 구조의 상이한 배터리 셀로부터 계산되는 방식으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 손실률 맵(1020) 및 ESR 변화율 맵(1030)이 각각 16개의 테스트 조건들(충방전율 및 셀 전위 쌍들)에 대응하는 16개의 데이터 포인트들을 갖기 때문에, 16개의 배터리들이 16개의 테스트 조건들에 맵핑될 수 있고 각각의 테스트 조건들 하에서 동시에 테스트될 수 있다. 그 후, 결과적인 16개의 데이터 포인트들이 상이한 배터리들로부터 획득된다. 이는 히스테리시스를 방지하거나 실질적으로 감소시킬 수 있다. 상이한 테스트 조건 하에서 하나의 배터리의 반복 테스트 동안 히스테리시스가 발생할 수 있다. 예를 들어, 높은 전압에서 셀이 하나의 테스트 조건에서 손상되는 경우, 후속 데이터 포인트들은 해당 시간부터 체계적으로 왜곡될 수 있다.

손실률 맵(1020) 또는 ESR 변화율 맵(1030)은 배터리 노화 이후와 같이 상이한 시간에 셀에 대해 생성될 수 있다. 일 예에서, 초기 맵(초기 손실률 맵 또는 초기 ESR 변화율 맵)은 새로운 셀에 대해 생성될 수 있다. 그 후, 배터리는 지정된 기간(예를 들어, 3일 내지 5일)동안 오븐에 저장될 수 있고, 새로운 손실률 맵 또는 새로운 ESR 변화율 맵을 생성하기 위해 새로운 테스트가 수행될 수 있다. 새로 생성된 맵과 초기 맵의 비교를 사용하여 시간에 따른 배터리 특성의 변화가 특성화될 수 있다.

도 11은 도 1과 관련하여 전술한 바와 같은 사이클 전기량법을 이용하여 테스트되는 장치(DUT)의 진단 테스트를 수행하기 위한 방법(1100)의 일 예를 도시한 흐름도이다. DUT의 예들은 배터리들, 연료 전지들, 유동 셀들, 또는 다른 전기화학 셀들과 같은 임의의 전기화학 셀들을 포함할 수 있다. 방법(1100)은 배터리 테스트 시스템(500)과 같은 배터리 테스트 시스템에서 구현될 수 있고, 이에 의해 실행될 수 있다. 일 예에서, 방법(1100)의 적어도 일 부분은 도 1을 참조하여 전술한 바와 같은 사이클 전량계와 같은 장치에서 구현될 수 있다.

방법(1100)은 DUT가 테스팅 환경에 로딩될 수 있고, 테스트 조건 변수가 테스트 시스템에 프로그램될 수 있는 단계(1110)에서 시작한다. 테스트 환경은 < ±0.1℃로 안정화된 온도를 갖는 정밀한 온도 제어된 환경일 수 있다. 일 예에서, DUT는 온도 제어된 오븐에 로딩된다. DUT는 예를 들어 시스템(500)의 인터페이스 기판(520)을 통해, 테스트 시스템 또는 장치(예를 들어, 배터리 테스트 시스템(500) 또는 사이클 전량계 시스템(100))와 연결될 수 있다. DUT 연결의 예는 다른 최신 연결 구성들 중에서도, 2-와이어, 3-와이어, 또는 4-와이어 연결을 포함할 수 있다. 테스트 시스템 또는 장치는 예를 들어, 모니터 장치(540)의 사용자 인터페이스를 통해 테스트 조건 변수들을 이용하여 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 테스트 조건 변수는 DUT의 전압 설정점이라고도 알려진 설정된 셀 전위를 포함한다. 다른 예에서, 테스트 조건 변수는 충방전율을 포함한다. 또 다른 예에서, 테스트 조건 변수는 테스트 환경의 설정된 온도를 포함한다. 테스트 조건 변수들의 다른 예들은 사이클 주기, 베이스 충전 시간, 및 베이스 방전 시간을 포함할 수 있다.

단계(1120)에서, 전기적 사이클 프로세스는 사이클 주기의 충전 단계 동안 충전 전류를 인가하고, 후속하여 사이클 주기의 방전 단계 동안 방전 전류를 인가함으로써 시작된다. 충전 및 방전 단계들은 특정한 베이스 충전 시간 및 특정한 베이스 방전 시간 동안 유지될 수 있다. 베이스 충전 시간 및 베이스 방전 시간은 프로그래밍될 수 있다. 일 예에서, 베이스 충전 시간 및 베이스 방전 시간은 각각 30초이며, 60초의 사이클 주기를 제공한다. 30초의 충전 단계는 전압 프로파일이 전기화학 셀에서 완전히 전개되도록 하기에 충분히 길다.

충전 전류 및 방전 전류는 전류원(110)과 같은, 전류원에 의해 제공될 수 있다. 일 예에서, 전류원은 일방향 전류를 제공하도록 구성된 단일 DC 전류원일 수 있다. 반대 방향들의 대칭적인 충전 전류 및 방전 전류를 제공하기 위해, 전류 흐름의 방향은 특정한 전류 스위치 타이밍에 순방향 흐름(충전 전류)으로부터 역방향 흐름(방전 전류)으로 반전될 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 스위칭 회로(120) 또는 그 변형(예를 들어, 전류 스위칭 회로(200또는 300))을 사용함으로써, 전류 방향이 반전될 수 있다. 전류 대칭성은 충전 사이클에 존재하는 오프셋 에러가 방전 사이클에 존재하는 동일한 오프셋으로 상쇄되는 이점을 갖는다. 또한, 단일 전류원을 사용하는 것은 충전 및 방전 단계 동안 전류 출력의 안정성을 개선하는 것을 돕는다.

단계(1130)에서, 하나 이상의 전기적 파라미터들이 사이클링 프로세스 동안(예를 들어, DUT의 충전 또는 방전 동안) 측정될 수 있다. 전기적 파라미터들의 예는 DUT의 전압 또는 전류 응답을 포함할 수 있으며, 다른 것들 중에서도, 예를 들어, 사이클 주기 동안의 평균 또는 피크 셀 전압, 평균 또는 피크 충전 전압, 평균 또는 피크 방전 전압, 사이클 전압의 종료, 사이클 주기에 걸친 평균 또는 피크 전류, 평균 또는 피크 충전 전류, 평균 또는 피크 방전 전류를 포함할 수 있다. 일 예에서, 하나 이상의 전기적 파라미터들은 DAS(521) 또는 그 변형(예를 들어, DAS(640) 또는(740))을 사용하여 측정될 수 있다. 측정된 파라미터는 전처리되고 디지털화될 수 있다.

단계(1140)에서, 충전 시간 또는 방전 시간 중 하나 이상은 DUT의 평균 전압과 같은 측정된 출력 변수를 미리 설정된 셀 전압 설정점으로 유지하도록 조절될 수 있다. 충전 시간 또는 방전 시간의 이러한 조절은, 예를 들어, 프로세스 컨트롤러(130) 또는 전류 스위칭 컨트롤러(533)에 의해 자동적으로 제어될 수 있다. 일 예에서, 충전 시간 또는 방전 시간의 조절은 사이클 주기에서 충전 및 방전 단계들 사이의 전류 스위치 타이밍을 변경하는 것을 포함할 수 있다. 일 예에서, 전류 스위칭은 충전 시간 또는 방전 시간에 부가되거나 그로부터 차감되는 초과 시간(Δt)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4a 내지 도 4e에 도시된 바와 같이, 충전 시간 또는 방전 시간은 초과 시간(Δt)만큼 독립적으로 증가되거나 감소될 수 있다. 초과 시간(Δt)은 시간 지속기간(예를 들어, msec 또는 μsec 단위)에 의해, 또는 대안적으로 초과 타이머 틱들의 카운트에 의해 표현될 수 있다. 하나의 틱은 스위칭 타이머 분해능(T)의 지속기간을 갖는다. 일 예에서, T는 대략 200 nsec이다. 따라서, 충전-방전 사이클(단위: 틱, 또는 T의 증분)의 초미세 조절이 달성될 수 있다.

다양한 예들에서, 단계(1130)에서 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들은 사이클 주기 동안의 DUT의 전압 또는 전류 응답을 포함할 수 있다. 모니터링된 전압 또는 전류 응답은 특정한 전기적 파라미터(예를 들어, 평균 셀 전압)를 특정한 설정점으로 유지하기 위해, 단계(1140)에서 전류 스위치 타이밍(예를 들어, 초과 충전 시간(Δt) 또는 초과 타이머 틱 카운트)을 결정 또는 업데이트하는데 사용될 수 있다. 일 예에서, 초과 충전 시간(Δt) 또는 초과 타이머 틱 카운트는 테스트의 시작에서 0으로 초기화될 수 있다. 다른 피드포워드 또는 피드백 제어 중에서, PI 컨트롤, PID 컨트롤과 같은 시스템 컨트롤러들은 측정된 출력 변수이 거의 오버슈트 또는 진동 없이 원하는 설정점으로 신속하게 수렴하게 하는데 사용될 수 있다. 전류 스위치 타이밍(예를 들어, 초과 충전 시간(Δt) 또는 초과 타이머 틱 카운트)은 연속적으로 또는 주기적으로 업데이트될 수 있다. 일 예에서, 전류 스위치 타이밍(예를 들어, 초과 충전 시간(Δt) 또는 초과 타이머 틱 카운트)은 프레임마다 업데이트될 수 있다. 일부 예들에서, 충전 시간 또는 방전 시간의 조절을 제어하기 위해 하나 이상의 입력 변수들이 추가적으로 사용될 수 있다. 일 예에서, 전기화학 셀의 온도가 모니터링될 수 있다. 또 다른 예에서, DUT의 건강 상태 또는 충전 상태와 같은 셀 조건들이 측정되거나 추정될 수 있다. 이러한 모니터링된 변수들 중 하나 이상은 추가적으로 초과 충전 시간(Δt) 또는 초과 타이머 틱 카운트를 업데이트하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 전기화학 셀의 설정점 평균 전위로의 수렴을 가속시킬 수 있다. 일 예에서, 초기 전류 스위치 타이밍은 더 빠른 제어를 달성하기 위해, 전기적 측정들, 또는 배터리 지표들 및 진단 정보를 사용하여 정정될 수 있다.

단계(1150)에서, 배터리 지표는, 배터리 지표 생성기(534)를 사용하는 것과 같이, 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터를 사용하여 생성될 수 있다. 배터리 지표는 DUT의 성능 사양을 나타내거나, 또는 DUT의 충전 상태 또는 건강 상태를 특징지을 수 있다. 일 예에서, 배터리 지표는 사이클 주기의 특정 부분 동안 인가되는 총 전하량을 포함한다. 일 예에서, 배터리 지표는 시간에 걸쳐 인가되는 총 전하의 변화율에 기초하여 결정될 수 있는 자가 방전율(손실률이라고도 알려져 있음)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 배터리 지표는 DUT의 등가 직렬 저항(ESR)을 포함할 수 있다. 배터리 지표의 다른 예들은, 다른 것들 중에서도, 단계마다 인가된 실제 쿨롱, 충전 단계의 평균 전압, 방전 단계의 평균 전압, 평균 셀 전위, 또는 시스템 컨트롤러의 비례 및 적분 항들(즉, PI 컨트롤러 또는 PID 컨트롤러의 "P" 및 "I" 항들)을 포함할 수 있다. 배터리 지표를 생성하는 예들은 도 12 및 도 13을 참조하여 이하에서 설명된다.

단계(1160)에서, 생성된 배터리 지표는 사용자 또는 프로세스에 제공될 수 있다. 일 예에서, 배터리 지표는 시스템 사용자에게 출력될 수 있고, 개인용 컴퓨터(PC) 또는 모바일 장치와 같은 모니터 상에 디스플레이될 수 있다. 선택적으로 다른 측정들과 함께, 배터리 지표 및 진단 정보는 텍스트, 표, 또는 그래프로 제공될 수 있다. 예로서, 도 8에 도시된 바와 같은 인가된 총 전하 및 자가 방전율, 도 9에 도시된 바와 같은 ESR 곡선, 및 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 파라미터화된 자가 방전율을 나타내는 손실률 곡선 또는 손실률 맵이 출력 장치 상에 디스플레이될 수 있다. 시스템 사용자는 배터리 지표에 기초하여 추가적인 동작들을 취할 수 있다(예를 들어, 배터리 진단을 생성하거나 추가적인 테스트를 수행할 수 있다).

도 12 및 도 13은 방법(1100)에 따라 사이클 테스트 동안 취해진 전기적 측정들을 사용하여 다양한 배터리 지표들을 생성하는 각각의 방법들(1200 및 1300)을 도시하는 흐름도들이다. 도 12에 도시된 방법(1200)은 프레임당 인가된 총 전하량(QPF, 단위: 쿨롱)을 결정하기 위한 단계(1210)에서 시작한다. QPF는 쿨롱 카운터를 이용하여 결정되거나, 식 (1)에 의해 주어진 바와 같이, 프레임 전체 내의 시간에 걸쳐 인가된 전류를 적분함으로써 계산될 수 있다. 일 예에서, QPF는, 예를 들어 식 (2)에 의해 주어지는 바와 같이, 충전 동안 인가된 총 전하 및 방전 동안 인가된 총 전하의 차이로부터 결정될 수 있다. 일 예에서, 배터리 지표는 충전 동안 인가되는 총 전하량, 또는 방전 동안 인가되는 총 전하량을 포함할 수 있으며, 이는 식 (3) 및 식 (4)에 따라 각각 결정될 수 있다. 일 예에서, QPF는 식 (5)에서 주어진 바와 같이, 충전 및 방전 기간들 사이의 초과 틱 카운트에서의 차이를 이용하거나, 식 (6)에서 주어진 바와 같이, 프레임 타이밍을 생성하는데 사용되는 PI 또는 PID 알고리즘의 적분 값(INT)을 사용함으로써 계산될 수 있다. 단계(1220)에서, QPF는 시간에 따라 추세화되어 시간에 대해 플로팅된 총 쿨롱 곡선을 생성할 수 있으며, 그 예는 도 8에 도시되어 있다. 단계(1230)에서, 인가된 충방전율은 시스템을 제어 하에 유지하기 위해(예를 들어, 특정 제어 레벨로 유지되는 출력 평균 셀 전압) 필요한 유효 인가 전류를 나타내며, 이는 예를 들어, 특정 시간에서의 총 쿨롱 곡선의 기울기(dQ/dt)를 사용하여 결정될 수 있다.

자가 방전율은 전기화학 셀의 셀 전압을 특정한 설정점으로 유지하는데 필요한 인가 전류를 나타낸다. 일부 예들에서, 인가된 총 전하 및 자가 방전율은 개별적으로 어드레싱 가능한 특정한 테스트 조건들 하에서 결정될 수 있다. 각각의 테스트 조건은, 예를 들어, 다른 변수들 중에서, 예를 들어, 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현될 수 있다. 각각의 파라미터는 복수의 값을 취할 수 있다. 결과적인 손실률들은 하나 이상의 상기 변수들에 걸쳐 파라미터화된 표현으로서 표현될 수 있다. 일 예에서, 파라미터화된 표현은 다차원 배열을 포함한다. 또 다른 예에서, 파라미터화된 표현은 손실률 커브 또는 손실률 맵 또는 표면과 같은 다차원 그래프를 포함한다.

도 13에 도시된 방법(1300)은 프레임당 인가된 총 전하량(QPF)을 결정하기 위한 단계(1310)에서 시작한다. 단계(1320)에서, 프레임 당 충전 및 방전 동안 DUT의 등가 직렬 저항(ESR)이 결정될 수 있다. ESR은 식 (7) 및 식 (8)에 따라서와 같이, 셀 전압의 변화(ΔV)(예를 들어, 평균 충전 전압(820) 및 평균 셀 전압 응답(810)의 차이, 또는 평균 방전 전압(830) 및 평균 셀 전압(810)의 차이로부터 얻어짐) 및 인가된 전류를 이용하여 계산될 수 있다. 일 예에서, ESR을 계산하기 위해 사용되는 평균 셀 전압은 전체 사이클 주기의 평균 전압에 의해 표현될 수 있다. 평균 셀 전압은 평균 충전 및 평균 방전 전압들의 단순 평균을 사용하여 결정될 수 있다. 대안적으로, 평균 셀 전압은 식 (9)에 따라서와 같이, 충전 동안 셀 전압 및 방전 동안 셀 전압의 가중 평균을 사용하여 결정될 수 있다. 또 다른 예에서, ESR을 계산하는데 사용되는 셀 전압을 결정하기 위해, 충전 사이클만의 또는 방전 사이클만의 평균 또는 말단 전압이 사용될 수 있다. 또 다른 예에서, ESR을 계산하는데 사용되는 셀 전압은 식 (10)에 의해 주어지는 것과 같이, 시간에 대해 전류 스위치 근방에서 대칭적인 평균 충전 전압 및 평균 방전 전압을 계산함으로써 얻어질 수 있다.

단계(1330)에서는, ESR 곡선이 생성될 수 있다. ESR 곡선이 인가된 총 전하에 대해 플로팅되고, 그 예는 도 9에 도시되어 있다. 단계(1340)에서는, 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율이 결정될 수 있으며, 이는 인가된 총 전하의 변화에 대한 ESR 변화율(dESR/dQ)을 나타낸다. 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율은 각각의 손실된 쿨롱이 셀 저항에 대해 얼마나 손상되는지를 나타낸다. 본원에서 설명된 전기량법 기술은 각각의 손실된 쿨롱이 연속적인 방식으로 셀 저항에 얼마나 손상을 주는지를 유리하게 정량화한다.

다양한 예들에서, 1200의 방법 및 1300의 방법은 상보적일 수 있다. 단계(1340)에서 손실된 쿨롱 당 ESR 변화율의 정보는 각각의 손실된 쿨롱이 셀 성능에 손상을 주는 영향을 측정하는 척도이다. 단계(1230)에서 인가된 충방전율(자가 방전율)에 대한 정보는 손실된 쿨롱의 생성 비율의 척도이다. 이와 함께, 1200 및 1300의 방법들에 의해 생성된 배터리 지표들은 온도, 충방전율 및 셀 전위와 같은 개별 어드레싱 가능한 부하 조건들에서의 셀 열화를 이해하기 위한 새로운 배터리 지표들을 제공한다.

도 14는 본원에서 설명된 기술들(예를 들어, 방법들) 중 임의의 하나 이상이 수행될 수 있는 예시적인 기계(1400)의 블록도이다. 본 설명의 부분들은 사이클 전량계 시스템(100) 또는 배터리 테스트 시스템(500)의 다양한 부분들의 컴퓨팅 프레임워크에 적용될 수 있다.

대안적인 실시예들에서, 기계(1400)는 독립형 장치로서 동작할 수 있거나, 다른 기계들에 연결될 수 있다(예를 들어, 네트워크 연결될 수 있다). 네트워크 연결된 배치에서, 기계(1400)는 서버 기계, 클라이언트 기계, 또는 서버-클라이언트 네트워크 환경들 모두의 기능으로 동작할 수 있다. 일 예에서, 기계(1400)는 피어 투 피어(P2P: peer-to-peer)(또는 다른 분산된) 네트워크 환경에서 피어 기계로서 동작할 수 있다. 기계(1400)는 개인용 컴퓨터(PC), 태블릿 PC, 셋톱 박스(STB), PDA(personal digital assistant), 핸드폰, 웹 기기, 네트워크 라우터, 스위치 또는 브릿지, 또는 해당 기계에 의해 취해지는 동작들을 지정하는 명령들을 (순차적으로 또는 다른 방식으로) 실행할 수 있는 임의의 기계일 수 있다. 또한, 단일 기계만이 예시되지만, 용어 "기계(machine)"는 또한 클라우드 컴퓨팅, SaaS(software as a service), 다른 컴퓨터 클러스터 구성과 같은, 본원에서 설명되는 방법들 중 임의의 하나 이상을 수행하기 위한 명령들의 세트(또는 다수의 세트들)를 개별적으로 또는 공동으로 실행하는 기계들의 임의의 컬렉션을 포함하도록 취해질 것이다.

본원에 설명된 바와 같은 예들은 로직 또는 다수의 컴포넌트 또는 메커니즘을 포함할 수 있거나, 이에 의해 작동할 수 있다. 회로 세트들은 하드웨어(예를 들어, 단순한 회로들, 게이트들, 로직 등)를 포함하는 유형의(tangible) 엔티티들로 구현되는 회로들의 집합이다. 회로 세트 멤버십은 시간에 따라 유연할 수 있으며, 하드웨어 가변성에 기초할 수 있다. 회로 세트들은 단독으로 또는 조합하여, 동작할 때 특정 동작들을 수행할 수 있는 멤버들을 포함한다. 일 예에서, 회로 세트의 하드웨어는 특정 동작을 수행하기 위해서 변경 불가능하게 설계될 수 있다(예를 들어, 하드와이어됨). 일 예에서, 회로 세트의 하드웨어는 특정 동작의 명령들을 인코딩하기 위해 물리적으로 수정된(예를 들어, 자기적으로, 전기적으로, 불변하는 대량 입자들의 이동 가능한 배치 등) 컴퓨터 판독가능 매체를 포함하는 다양하게 연결된 물리적 구성요소들(예를 들어, 실행 유닛들, 트랜지스터들, 간단한 회로들 등)을 포함할 수 있다. 물리적 구성요소들을 연결하는 경우, 하드웨어 구성요소의 기본 전기적 특성은 예를 들어 절연체에서 전도체로 또는 그 반대로 변경된다. 명령들은 내장된 하드웨어(예를 들어, 실행 유닛들 또는 로딩 메커니즘)를 활성화하여, 동작 시에 특정 동작의 부분들을 수행하도록 가변 연결들을 통해 하드웨어 내에 회로 세트의 멤버들을 생성할 수 있다. 따라서, 컴퓨터 판독가능 매체는 장치가 동작할 때 회로 세트 멤버의 다른 구성요소들에 통신 가능하게 연결된다. 일 예에서, 물리적 구성요소들 중 임의의 것이 둘 이상의 회로 세트의 둘 이상의 멤버에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 동작 중에, 실행 유닛들은 특정 시점에 제1 회로 세트의 제1 회로에서 사용될 수 있고, 상이한 시간에 제1 회로 세트 내의 제2 회로에 의해 또는 제2 회로 세트 내의 제3 회로에 의해 재사용될 수 있다.

기계(예를 들어, 컴퓨터 시스템)(1400)는 하드웨어 프로세서(1402)(예를 들어, 중앙 처리 유닛(CPU), 그래픽 프로세싱 유닛(GPU), 하드웨어 프로세서 코어, 또는 이들의 임의의 조합)와, 메인 메모리(1404), 정적 메모리(1406), 또는 대용량 저장소(1408) 중 하나 이상을 포함할 수 있는 기계 판독가능 매체(1422)와 같은 저장 장치를 포함할 수 있으며, 이들 중 일부 또는 전부는 인터링크(예를 들어, 버스)(1430)를 통해 서로 통신할 수 있다. 기계(1400)는 디스플레이 유닛(1410)(예를 들어, 래스터 디스플레이, 벡터 디스플레이, 홀로그래픽 디스플레이 등), 영문숫자 입력 장치(1412)(예를 들어, 키보드), 및 사용자 인터페이스(UI) 내비게이션 장치(1414)(예를 들어, 마우스)를 더 포함할 수 있다. 일 예에서, 디스플레이 유닛(1410), 입력 장치(1412) 및 UI 내비게이션 장치(1414)는 터치스크린 디스플레이일 수 있다. 기계(1400)는 하나 이상의 센서(1416)(예를 들어, GPS(global positioning system) 센서, 나침반, 가속도계, 또는 다른 센서), 신호 생성 장치(1418)(예를 들어, 스피커), 및 네트워크 인터페이스 장치(1420)를 추가적으로 포함할 수 있다. 기계(1400)는 하나 이상의 주변 장치들(예를 들어, 프린터, 카드 판독기 등)을 통신하거나 제어하기 위한 직렬(예를 들어, USB(universal serial bus)), 병렬, 또는 다른 유선 또는 무선(예를 들어, 적외선(IR), 근거리 통신(NFC) 등) 연결과 같은 출력 컨트롤러(1428)를 포함할 수 있다.

기계 판독가능 매체(1422)와 같은 저장 장치는 본원에 설명된 기술들 또는 기능들 중 임의의 하나 이상을 구체화하거나 그에 의해 이용되는 데이터 구조들 또는 명령들(1424)의 하나 이상의 세트들(예를 들어, 소프트웨어)을 저장한다. 명령들(1424)은 기계(1400)에 의해 실행되는 동안 주 메모리(1404) 내에, 정적 메모리(1406) 내에, 대용량 저장소(1408) 내에, 또는 하드웨어 프로세서(1402) 내에 완전히 또는 적어도 부분적으로 상주할 수 있다. 일 예에서, 하드웨어 프로세서(1402), 주 메모리(1404), 정적 메모리(1406), 또는 대용량 저장소(1408) 중 하나 또는 임의의 조합은 기계 판독가능 매체를 구성할 수 있다.

기계 판독가능 매체(1422)가 단일 매체로서 예시되어 있지만, 용어 "기계 판독가능 매체"는 하나 이상의 명령들(1424)을 저장하도록 구성된 단일 매체 또는 다수의 매체(예를 들어, 중앙화된 또는 분산된 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시들 및 서버들)를 포함할 수 있다.

용어 "기계 판독가능 매체"는 기계(1400)에 의한 실행을 위한 명령들을 저장, 인코딩 또는 전달할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있고, 기계(1400)로 하여금 본 개시의 기술들 중 임의의 하나 이상의 기술들을 수행하게 하거나, 또는 이러한 명령들에 의해 사용되거나 이러한 명령들과 연관된 데이터 구조들을 저장, 인코딩 또는 전달할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다. 기계 판독가능 매체의 제한적이지 않은 예들은 솔리드 스테이트 메모리, 및 광학 및 자기 매체를 포함할 수 있다. 일 예에서, 대량 기계 판독가능 매체는 불변(예를 들어, 잔여) 질량을 갖는 복수의 입자들을 갖는 기계 판독가능 매체를 포함한다. 따라서, 대량 기계 판독가능 매체는 일시적인 전파 신호들이 아니다. 대량 기계 판독가능 매체의 특정 예들은, 반도체 메모리 장치(예를 들어, 전기적으로 프로그램 가능한 읽기 전용 메모리(EPROM), 전기적으로 소거가능한 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EEPROM)) 및 플래시 메모리 장치들과 같은 비휘발성 메모리와, 내부 하드 디스크 및 착탈식 디스크와 같은 자기 디스크와, 자기 광학 디스크와, CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크를 포함할 수 있다.

명령들(1424)은 다수의 전송 프로토콜들(예를 들어, 프레임 중계, 인터넷 프로토콜(IP), 전송 제어 프로토콜(TCP), 사용자 데이터그램 프로토콜(UDP), 하이퍼텍스트 전송 프로토콜(HTTP) 등) 중 임의의 하나를 이용하는 네트워크 인터페이스 장치(1420)를 통한 전송 매체를 사용하여 통신 네트워크(1426) 상에서 전송 또는 수신될 수 있다. 예시적인 통신 네트워크들은 다른 것들 중에서도, LAN(local area network), WAN(wide area network), 패킷 데이터 네트워크(예를 들어, 인터넷), 이동 전화 네트워크(예를 들어, 셀룰러 네트워크), POTS(Plain Old Telephone, POTS) 네트워크, 및 무선 데이터 네트워크(예를 들어, WiFi®로 알려져 있는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11계열의 표준들, WiMax®로 알려진 802.16 계열의 표준들), IEEE 802.15.4 계열의 표준들, 피어 투 피어(P2P) 네트워크를 포함할 수 있다. 일 예에서, 네트워크 인터페이스 장치(1420)는 통신 네트워크(1426)에 접속하기 위한 하나 이상의 물리적 잭(예를 들어, 이더넷, 동축, 또는 전화 잭) 또는 하나 이상의 안테나를 포함할 수 있다. 일 예에서, 네트워크 인터페이스 장치(1420)는, 단일-입력 다중-출력(SIMO), 다중-입력 다중-출력(MIMO), 또는 다중-입력 단일-출력(MISO) 기술들 중 적어도 하나를 사용하여 무선으로 통신하는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 용어 "전송 매체"는 기계(1400)에 의한 실행을 위한 명령들을 저장, 인코딩 또는 전달할 수 있는 임의의 무형(intangible) 매체를 포함하고, 이러한 소프트웨어의 통신을 용이하게 하기 위해 디지털 또는 아날로그 통신 신호들이나 다른 무형의 매체를 포함하는 것으로 이해해야 한다.

다양한 실시예들이 이상의 도면들에 도시되어 있다. 하나 이상의 이들 실시예들로부터의 하나 이상의 특징들은 다른 실시예들을 형성하기 위해 조합될 수 있다.

본원에 설명된 방법 예들은 적어도 부분적으로 기계 또는 컴퓨터로 구현될 수 있다. 일부 예들은 위의 예들에서 설명된 바와 같은 방법들을 수행하기 위해 전자 장치 또는 시스템을 구성하도록 동작가능한 명령들로 인코딩된 컴퓨터 판독가능 매체 또는 기계 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 이러한 방법들의 구현은 마이크로코드, 어셈블리 언어 코드, 더 높은 레벨의 언어 코드 등과 같은 코드를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 다양한 방법들을 수행하기 위한 컴퓨터 판독가능 명령들을 포함할 수 있다. 코드는 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 형성할 수 있다. 또한, 코드는 실행 동안 또는 다른 시간에 하나 이상의 휘발성 또는 비휘발성 컴퓨터 판독가능 매체에 유형적으로 저장될 수 있다.

이상의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 예시적인 것이며 제한적이지 않다. 따라서, 본 개시의 범위는 첨부된 특허청구범위 및 이러한 특허청구범위에 대한 균등물의 전체 범위를 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (46)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 전기화학 셀을 테스트하는 방법으로서,
    사이클 주기의 충전 시간 동안 충전 전류를 인가하고 방전 시간 동안 방전 전류를 인가함으로써, 상기 전기화학 셀을 전기적으로 사이클링하는 단계 - 상기 충전 전류와 상기 방전 전류는 대칭적이고 방향이 반대임 -;
    상기 전기화학 셀의 사이클 주기 동안 상기 전기화학 셀의 하나 이상의 전기적 파라미터들을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들을 사용하여 상기 전기화학 셀의 성능 지표를 생성하는 단계 - 상기 성능 지표는 상기 사이클 주기 동안 상기 전기화학 셀로 인가되거나 상기 전기화학 셀로부터 인가된 쿨롱 양을 나타냄 - 를 포함하고,
    상기 전기화학 셀을 전기적으로 사이클링하는 단계는, 상기 전기화학 셀의 모니터링된 셀 전압을 특정한 설정점에서 실질적으로 유지하기 위해 상기 충전 전류를 인가하기 위한 상기 충전 시간을 조절하거나 또는 상기 방전 전류를 인가하기 위한 상기 방전 시간을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 성능 지표는, 상기 전기화학 셀의 전기적 사이클링을 통해 상기 전기화학 셀의 모니터링된 셀 전압이 상기 특정한 설정점에서 실질적으로 유지될 때 생성되는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
31. 제30항에 있어서, 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계는, 상기 충전 전류로부터 상기 방전 전류로 반전하기 위한 전류 스위치 타이밍을 업데이트하는 단계를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
32. 제31항에 있어서, 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들은 상기 전기화학 셀의 전압 또는 전류 응답을 포함하고, 상기 전류 스위치 타이밍을 업데이트하는 단계는 모니터링된 전압 또는 전류 응답을 사용함으로써 수행되는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계는, 상기 충전 시간을 초과 충전 시간만큼 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 초과 충전 시간은 특정한 스위칭 타이머 분해능의 지속기간을 각각 갖는 틱들의 카운트에 의해 표현되는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
34. 제31항 또는 제32항에 있어서, 상기 충전 시간 또는 상기 방전 시간을 조절하는 단계는 상기 방전 시간을 초과 방전 시간만큼 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하고, 상기 초과 방전 시간은 특정한 스위칭 타이머 분해능의 지속기간을 각각 갖는 틱들의 카운트에 의해 표현되는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
35. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는
    상기 사이클 주기의 특정 부분 동안 인가된 총 전하량을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 인가된 총 전하량을 사용하여 자가 방전율을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 자가 방전율은 상기 전기화학 셀의 셀 전압을 상기 특정한 설정점으로 유지하는 데 필요한 인가된 전류를 나타내는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
36. 제35항에 있어서, 상기 인가된 총 전하량은 프레임의 시간에 대응하는 프레임당 인가된 총 전하(QPF)를 포함하고, 상기 자가 방전율을 결정하는 단계는 시간에 따른 QPF의 추세의 기울기를 이용하는 단계를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
37. 제36항에 있어서, 상기 QPF를 결정하는 단계는 상기 인가된 전류를 한 프레임 내에서의 시간에 걸쳐 적분하는 단계를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
38. 제36항에 있어서, 상기 QPF를 결정하는 단계는
    충전 기간 동안에만 인가된 제1 총 전하량과, 상기 충전 기간에 후속하는 방전 기간 동안에만 인가된 제2 총 전하량을 결정하는 단계; 및
    상기 인가된 제1 총 전하량과 상기 인가된 제2 총 전하량 사이의 차이를 이용하여 상기 QPF를 결정하는 단계를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
39. 제38항에 있어서, 상기 인가된 제1 총 전하량은 상기 충전 기간 동안에만 제1 총 틱 카운트를 사용함으로써 결정되고, 상기 인가된 제2 총 전하량은 상기 방전 기간 동안에만 제2 총 틱 카운트를 사용함으로써 결정되는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
40. 제35항에 있어서, 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들은 상기 전기화학 셀의 셀 전압을 포함하고, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는, (1) 충전 기간 동안의 충전 전압 또는 방전 기간 동안의 방전 전압 중 적어도 하나와 (2) 상기 인가된 전류를 사용하여, 상기 전기화학 셀의 등가 직렬 저항(ESR)을 결정하는 단계를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
41. 제40항에 있어서, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는
    인가된 총 전하량의 함수로서 ESR 곡선을 생성하는 단계; 및
    특정한 인가된 총 전하량에서의 상기 ESR 곡선의 기울기를 사용하여, 손실된 쿨롱당 ESR 변화율을 결정하는 단계를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
42. 제41항에 있어서,
    상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 ESR 변화율들을 결정하는 단계 - 상기 상이한 테스트 조건들 각각은 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현됨 -; 및
    상기 파라미터 세트에 대한 상기 다수의 ESR 변화율들의 표현을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 표현은 2차원 또는 다차원 어레이, 또는 2차원 또는 다차원 그래프를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
43. 제35항에 있어서, 상기 성능 지표를 생성하는 단계는
    상이한 테스트 조건들 하에서 다수의 자가 방전율들을 결정하는 단계 - 상기 상이한 테스트 조건들 각각은 충방전율 값, 온도 측정치, 또는 셀 전압 설정점 중 하나 이상을 포함하는 파라미터 세트에 의해 표현됨 -; 및
    상기 파라미터 세트에 대한 상기 다수의 자가 방전율들의 표현을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 표현은 2차원 또는 다차원 어레이, 또는 2차원 또는 다차원 그래프를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
44. 제43항에 있어서, 상기 생성된 성능 지표 또는 상기 측정된 하나 이상의 전기적 파라미터들 중 하나 이상을 사용자 인터페이스 상에 디스플레이하는 단계를 포함하는, 전기화학 셀을 테스트하는 방법.
45. 삭제
46. 삭제

Images