KR102659467B1 - 저장 전지의 자체-방전 전류 특성을 판정하는 시스템 및 방법 - Google Patents

저장 전지의 자체-방전 전류 특성을 판정하는 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

일 예시적인 실시예에 따라, 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 자체-방전 전류 특성을 판정하기 위한 시스템은 전압원, 제1 및 제2 전압 측정 회로, 전류 측정 회로, 및 프로세서를 포함한다. 전압원은 시스템에 결합되는 저장 전지에 전위 가변기 전압을 제공한다. 제1 전압 측정 회로는 저장 전지의 단자 쌍 양단에서 개방 회로 전압을 측정하기 위한 제1 전압 분해능을 제공한다. 제2 전압 측정 회로는, 저장 전지의 단자 쌍 중 하나에서 단자 전압을 측정하기 위해 제1 전압 분해능보다 상당히 큰 제2 전압 분해능을 제공한다. 프로세서는, 전압원, 제1 및 제2 전압 측정 회로, 및 전류 측정 회로를 사용하여 저장 전지의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정함으로써 테스트 절차를 수행한다.

Description

저장 전지의 자체-방전 전류 특성을 판정하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR DETERMINING A SELF-DISCHARGE CURRENT CHARACTERISTIC OF A STORAGE CELL}
본 발명은, 저장 전지의 자체-방전 전류 특성을 판정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
니켈-카드뮴(NiCad) 전지나 리튬 이온 전지와 같은 저장 전지는 통상, 주로 저장 전지에서 발생하는 자체-방전 전류의 결과로, 일정 시간 기간동안 그 충전을 손실한다. 불행히도, 현재의 기술로, 이들 저장 전지에서 자체-방전 전류를 완벽히 제거하는 것은 실제로 불가능하다. 더 나아가, 연구실 환경에서 개별 저장 전지를 테스트할 때 제한된 레벨의 성공이 있어왔지만, 제조 환경에서 저장 전지 배치 각각의 자체-방전 전류 특성을 측정하는 것은 매우 복잡하고 실용적이지 않음이 판명되고 있다.
더욱 구체적으로, 제조 동안 리튬 이온 전지의 배치 각각의 자체-방전 전류 파라미터를 측정하는 것은 여러 이유로 실용적이지 않음이 판명되고 있다. 이들 이유 중 일부는 기존의 리튬 저장 전지 기술과 관련한 단점을 포함하지만, 다른 단점은, 이들 타입의 측정을 실행하는데 사용되는 상업적으로 이용 가능한 전위 가변기(potentiostat) 시스템과 관련된다. 구체적으로 버튼 전지보다 큰 리튬 이온 전지를 특성화하는데 사용되는 것들과 같은, 상업적으로 이용 가능한 전위 가변기 시스템과 관련된 단점으로는 복잡성, 불충분한 정확도 및 바람직하지 않은 고비용이 있을 수 있다.
결국, 제조 플로어 상에서 리튬 이온 전지를 테스트하는 배치 대신, 일부 테스트 단체들은 대안적인 접근법을 사용하기로 선택하였으며, 여기서 리튬 이온 전지의 배치 각각의 개방 회로 전압은 제어되는 온도 설비에서 리튬 이온 전지의 배치를 저장하기 전 측정한다. 많은 경우에, 저장 기간은 2주 이상까지 연장할 수 있다. 저장 기간이 완료되면, 각 리튬 이온 전지의 개방 회로 전압을 다시 측정하여, 저장의 결과인한 개방 회로 전압의 강하를 기초로 각 리튬 이온 전지의 자체-방전 전류 특성을 평가한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 그러한 절차는 각 리튬 이온 전지의 자체-방전 전류 특성의 근사치를 제공할뿐만 아니라, 2주 이상으로 연장해야 하는 테스트 기간, (제어되는 환경 조건을 포함한) 저장 요건, 및 저장 동안의 잠재적 위험(화재 위험, 화학적 누출, 독극물 방출 등)과 같은 여러 다른 단점을 겪고 있다.
본 발명의 특정 실시예는, 종래의 측정 시스템과 비교하여 매우 매력적인 비용 대 정확도 비를 제공하는 테스트 요소와 기술을 사용하여 단시간 기간(예컨대 수 시간) 내에 하나 이상의 재충전 가능한 저장 전지의 자체-방전 전류 특성을 판정하는 기술 효과 및/또는 해법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예시적인 실시예에 따르면, 방법은 제1 전압 분해능을 제공하는 제1 전압 측정 회로를 사용함으로써 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 단자 쌍 양단에서 개방 회로 전압을 측정하는 단계; 제1 전압 측정 회로를 사용하여 측정한 개방 회로 전압을 적어도 부분적으로 사용하여 판정되는 제1 전위 가변기 전압을 저장 전지나 저장 전지의 뱅크 중 하나에 제공하는 단계; 제1 전압 분해능보다 큰 제2 전압 분해능을 제공하도록 구성되는 제2 전압 측정 회로를 사용함으로써 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 단자 쌍 중 하나에서 단자 전압을 측정하는 단계; 제2 전압 측정 회로를 사용하여 측정된 단자 전압을 적어도 부분적으로 기초로 하는 제2 전위 가변기 전압을 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)에 제공하는 단계; 제2 전위 가변기 전압을 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)에 제공한 후 일정 시간 기간 동안 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)에 관한 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 수행하는 단계; 및 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 사용하여 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 방법은, 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 TCV(Temperature Coefficient of Voltage: 전압의 온도 계수) 특성을 판정하여 TCV 특성을 사용하여, 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정하기 위한 테스트 절차를 수행하기 전에, 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 초기 충전 상태(SOC: State-Of-Charge) 레벨을 설정하기 위해 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)에 관한 TCV 특성화 절차를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 테스트 절차는 두 개 이상의 전압 측정 회로를 제공하는 단계; 제1 두 개 이상의 전압 측정 회로를 사용하여 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 단자 쌍 양단의 개방 회로 전압을 측정하는 단계로서, 제1 전압 측정 회로는 제1 전압 분해능을 제공하는, 측정 단계; 제1 전압 측정 회로를 사용하여 측정한 개방 회로 전압을 적어도 부분적으로 사용함으로써 판정되는 제1 전위 가변기 전압을 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)에 제공하는 단계; 제1 전위 가변기 전압을 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)에 제공한 후 일정 시간 기간 동안 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)에 관해 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 수행하는 단계; 및 자체-방전 누설 전류 측정을 사용하여 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 시스템은 제1 전압 측정 회로, 제2 전압 측정 회로, 전류 측정 회로 및 프로세서를 포함할 수 있다. 제1 전압 측정 회로는 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 단자의 쌍 양단의 개방 회로 전압을 측정하기 위한 제1 전압 분해능을 제공한다. 제2 전압 측정 회로는 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 단자 쌍 중 하나에서의 단자 전압을 측정하기 위한 제2 전압 분해능을 제공한다. 전류 측정 회로는 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 하나 이상의 자체-방전 누설 전류를 측정하는데 사용할 수 있다. 프로세서는, 테스트 절차를 수행하여 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정하기 위해 제1 전압 측정 회로, 제2 전압 측정 회로, 및 전류 측정 회로에 결합된다.
본 발명의 다른 실시예와 구성은 다음의 도면과 연계하여 취한 다음의 상세한 설명으로부터 자명하게 될 것이다.
본 발명의 많은 구성은 수반하는 청구범위와 도면과 연계하여 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 유사한 도면번호는 여러 도면에서 유사한 구조적 요소와 특성부를 나타낸다. 명확성을 위해, 모든 요소를 모든 도면에서 도면번호로 표시하지는 않는다. 도면은 반드시 실제축적대로 도시되지는 않으며, 대신 본 발명의 원리를 예시할 때 강조한다. 도면은 본 발명의 범위를 본 명세서에서 기재한 예시적인 실시예로 제한하는 것으로 해석되지는 않아야 한다.
도 1은 저장 전지에서 자체-방전 전류를 측정하는 이상적인 셋업을 도시한다.
도 2는, 본 발명에 따른 저장 전지의 자체-방전 전류 특성을 판정하는데 사용할 수 있는 자체-방전 전류 측정 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은, 도 2에 도시한 자체-방전 전류 측정 시스템을 구현하는데 사용할 수 있는 일부 예시적인 구성요소를 도시한다.
도 4는, 본 발명에 따른 예시적인 저장 전지의 충전 상태 레벨 대 전압의 온도 계수(TCV)의 그래픽 표현을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 저장 전지의 자체-방전 누설 전류를 판정하는 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
본 상세한 설명 전반에서, 본 발명의 개념의 사용과 구현을 예시하는 목적으로 실시예와 변경을 기재한다. 예시적인 상세한 설명은 본 명세서에서 개시한 개념의 범위를 제한하는 것으로 이해되기 보다는 본 발명의 개념의 예를 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 이를 위해, 오직 편의상 특정한 단어와 용어를 본 명세서에서 사용하며, 그러한 단어와 용어는, 당업자가 여러 가지 형태와 등가로 일반적으로 이해하게 되는 여러 대상과 동작을 포함하는 것으로 넓게 이해되어야 한다. 예컨대, "저장 전지", "충전", "전압", "프로세서", "컴퓨터", "증폭기", "정확도", "분해능", "정확도", "이득", "뱅크", "세트" 또는 "번호(숫자)(number)"와 같은 단어는 여러 해석을 가질 수 있으며, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고 여러 방식으로 구현할 수 있다. 더욱 구체적으로, 본 명세서에서 사용된 문구 "저장 전지"는 반드시 단일 저장 전지로 제한되기 보다는 저장 전지의 뱅크/세트/다수의 저장 전지로 또한 적용될 수 있으며, 문구 "테스트 절차"는 대안적으로는 측정이 실행되고 있을 때 "측정 절차"를 나타내는 것으로 해석될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 단어 "예"는 속성상 비-배타적이며 비-제한적이고자 함을 또한 이해해야 한다. 더욱 구체적으로, 본 명세서에서 사용된 단어 "예시적인"은 여러 예 중 하나를 나타내며, 이 단어의 사용에 의해 특수한 강조, 배타 또는 선호를 관련시키거나 암시하는 것은 아님을 이해해야 한다.
일반적으로, 본 명세서에서 개시한 여러 예시적인 실시예에 따라, 저장 전지(또는 저장 전지의 뱅크)의 자체-방전 전류 특성을 판정하기 위한 시스템은 제1 전압 측정 회로, 제2 전압 측정 회로, 전압원, 전류 측정 회로 및 프로세서를 포함할 수 있다. 제1 전압 측정 회로는, 시스템에 결합되는 저장 전지의 단자의 쌍 양단의 개방 회로 전압을 측정하기 위한 제1 전압 분해능을 제공한다. 제2 전압 측정 회로는, 제1 전압 분해능보다 상당히 크며 제1 전압 측정이 제1 전압 측정 회로를 사용하여 얻어진 후 저장 전지의 단자 쌍 중 하나에서 단자 전압을 측정하는데 사용될 수 있는 제2 전압 분해능을 제공한다. 전압원은 제1 전압 측정 회로와 제2 전압 측정 회로 각각에 의해 저장 전지에 관해 실행된 여러 전압 측정을 기초로 전위 가변기 전압을 제공한다. 전류 측정 회로는 저장 전지의 자체-방전 누설 전류 측정을 여러 회 가능케 한다. 프로세서는, 테스트 절차를 수행하여 저장 전지의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정하기 위해 제1 전압 측정 회로, 제2 전압 측정 회로, 전압원 및 및 전류 측정 회로를 사용할 수 있다. 그러한 시스템은 종래의 자체-방전 누설 전류 측정 시스템과 비교하여 유리한 비용 대 정확도 비를 제공한다. 일부 예시적인 구현에서, 본 명세서에서 개시한 시스템과 방법은, 잠재적인 결함 및/또는 오염의 지시자인 통상치보다 높은 자체-방전 전류를 갖는 (예컨대, 저장 전지의 배치에서의) 하나 이상의 저장 전지를 식별하는데 사용할 수 있다.
이제, 저장 전지(115)에서 자체-방전 전류를 측정하는 이상적인 셋업(100)을 도시하는 도 1을 주목한다. 이상적인 셋업(100)은 직류(DC) 전원(105), 전류계(110), 스위치(120), 전압계(125) 및 저장 전지(115)를 포함한다. 전위 가변기로서 지칭할 수 도 있는 DC 전원(105)은 접지를 기준으로 하며, 저장 전지(115)의 개방 회로 전압과 매칭하기 위해 변할 수 있는 전위 가변기 전압을 제공한다. 저장 전지(115)는 DC 전원(105)에 의해 충전할 수 있는 여러 타입의 전지 중 임의의 하나일 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 저장 전지(115)는, 접지를 또한 기준으로 하는 재충전 가능한 리튬 이온 전지이며 상징적으로는 이상적인 전지(117), 제1 저항(116) 및 제2 저항(118)으로 나타낸다. 제1 저항(116)은 저장 전지(115)의 유효 직렬 저항(ESR: Effective Series Resistance)을 나타내며, 제2 저항(118)은 저장 전지(115)를 통해 전파되는 누설 전류에 기여하는 누설 저항을 나타낸다. 누설 전류는 대안적으로 본 명세서에서는 자체-방전 전류라고 지칭할 수 있다.
저장 전지(115)에서 자체-방전 전류를 측정하기 위한 측정 절차는, 먼저 스위치(120)를 개방 조건에 둠으로써 DC 전원(105)을 저장 전지(115)로부터 단절함으로써 실행될 수 있다. 저장 전지(115)의 개방 회로 전압은 전압계(125)를 사용하여 노드(119)와 노드(121) 사이에서 측정한다. DC 전원(105)은, 개방 회로 전압과 매칭하는 전위 가변기 전압을 제공하도록 조정한다. 스위치(120)는 그 후 폐쇄되어 DC 전원(105)을 저장 전지(115)에 연결한다. 이상적으로, 이 시간에, 전위 가변기 전압은 저장 전지(115)의 측정된 개방 회로 전압과 완벽히 매칭하기 때문에 전류계(110)를 통해 흐르는 전류는 없다.
그러나, 예컨대 수 일과 같은 일정 시간 기간 후, 전지의 전압은 저장 전지(115)에서 누설 전류의 흐름의 결과로서 강하하기 시작한다. 전압의 강하는, 저장 전지(115)를 측정한 개방 회로 전압에서 유지하고자 하는 DC 전원(105)에 의해 제공되는 전위 가변기 전압에 의해 상쇄된다. 평형 조건에서, DC 전원(105)은 저장 전지(115)를 통해 흐르는 전체 양의 누설 전류를 제공하며, 이 누설 전류는 전류계(110)에 의해 측정할 수 있다. 전류 측정은 원하는 시간 기간 동안 여러 모멘트에서 진행할 수 있어서, 저장 전지(115)의 자체-방전 전류 특성을 판정할 수 있다.
불행히도, 앞서 기재한 이상화된 셋업(100)은 실제로는 만족스럽지 않으며, 이는 작동하여 측정 결과에 악영향을 미칠 수 있는 여러 팩터가 있기 때문이다. 첫째, 저장 전지(115)의 개방 회로 전압을 (예컨대 ㎶ 레벨까지 아래로) 밀접하게 매칭시키는 정확한 전위 가변기 전압을 제공하도록 DC 전원을 셋업하는 프로세스는 높은 정확도/높은 분해능 측정 회로의 사용을 필요로 하는 복잡한 절차일 수 있다. 둘째, 허용 가능한 레벨의 전압 매칭을 초기에 달성하더라도, DC 전원(105)에 의해 제공되는 전압 및/또는 저장 전지(115)의 개방 회로 전압은, 자체-방전 전류(예컨대, 온도 변동 및 드리프트)가 아닌 팩터로 인해 시간 동안 변화할 수 있으며, 그러한 팩터를 추적하고 보상하는 것은 매우 어려울 수 있다.
더 나아가, 이들 여러 팩터 중 임의의 팩터로 인해 저장 전지(115)의 개방 회로 전압과 전위 가변기 전압 사이의 미스매치가 발생할 때마다, (주로 저항(116)으로 인해) 전류 흐름 경로에 존재하는 매우 낮은 저항은 상당한 양의 전류가 DC 전원(105)으로부터 저장 전지(115)에 의해 유입된다. 이 전류는 저장 전지(115)의 누설 전류와 비교하여 매우 클 수 있어서, 누설 전류를 정확히 측정할 가능성을 배제할 수 있다.
도 2는, 본 발명에 따른 저장 전지(230)의 자체-방전 전류 특성을 판정하는데 사용할 수 있는 자체-방전 전류 측정 시스템(200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 더욱 구체적으로, 자체-방전 전류 측정 시스템(200)은 예시적인 셋업(100)에 의해 제시된 어려움 중 적어도 일부를 해결하는데 사용할 수 있으며, (버튼 전지와 같은) 작은 저장 전지에 관해서만 사용할 수 있는 여러 종래의 시스템과 대조적으로, 이 자체-방전 전류 측정 시스템(200)은 단일 대형 저장 전지나 대형 저장 전지 뱅크 중 어느 하나에 관해 사용할 수 있다. 자체-방전 전류 측정 시스템(200)이 주는 비용 장점 뿐만 아니라 성능 장점은 다수의 그러한 시스템을 병렬 방식으로 사용하여 저장 전지의 배치를 동시에 테스트하는데 사용할 수 있다. 대조적으로, 많은 종래의 자체-방전 전류 측정 시스템은 - 그 중 일부는 매우 고가일 수 있음 - 전체 테스트 지속기간을 연장할뿐만 아니라 다른 방식(저장 설비, 제어된 온도 요건 등)으로 비용을 추가하는 순차적인 방식으로 저장 전지의 배치를 테스트해야 만할 수 있다.
일부 실시예에서, 저장 전지의 뱅크는 직렬 구성으로 제공할 수 있어서, 예컨대 6개의 4V 저장 전지 세트의 유효 개방 회로 전압은 24V와 같다. 일부 다른 실시예에서, 저장 전지의 뱅크는 병렬 구성으로 제공될 수 있어서, 예컨대 6개의 4V 저장 전지 세트의 유효 개방 회로 전압은 4V와 같다. 그러나, 병렬 구성에서, 자체-방전 전류 측정 시스템(200)으로부터 유입된 자체-방전 전류의 진폭은 단일 저장 전지에 의해 유입된 전류의 진폭의 대략 6배와 등가일 수 있다.
자체-방전 전류 측정 시스템(200)은 전압원(210), 제1 전압 측정 회로(215), 제2 전압 측정 회로(220), 전류 측정 회로(225) 및 처리 유닛(205)과 같은 여러 기능 요소를 포함한다. 처리 유닛(205)은 프로세서, 입/출력 인터페이스 및 저장 디바이스(예컨대, 메모리 디바이스)와 같은 여러 구성요소를 포함하는 컴퓨터의 형태로 구현할 수 있다. 더욱 구체적으로, 저장 디바이스는, 본 명세서에서 개시한 예시적인 방법, 특성 및 구성을 구현하기 위해 프로세서에 의해 수행 가능한 하나 이상의 애플리케이션 프로그램과 운영체제(OS)를 저장하기 위한 비일시적인 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있다.
전압원(210)은, 접지를 기준으로 하며 자체-방전 전류 측정 시스템(200)의 출력 단자(211)를 통해 저장 전지(230)에 결합되는 전위 가변기 전압을 제공하기 위해 처리 유닛(205)에 의해 구성 가능한 하나 이상의 전압 생성 요소를 포함할 수 있다.
자체-방전 전류 측정 시스템(200)의 다른 출력 단자(212)뿐만 아니라 출력 단자(211)를 통해 저장 전지(230)에 결합되는 제1 전압 측정 회로(215)는, 저장 전지(230)의 양의 단자와 음의 단자 양단에 존재하는 개방 회로 전압을 측정하기 위해 제1 전압 분해능을 제공한다. 제1 전압 분해능으로 인해 처리 유닛(205)은 예컨대 mV 레벨의 정확도로 저장 전지(230)의 개방 회로 전압의 측정을 수행한다. 그에 따라, 처리 유닛(205)은 제1 전압 측정 회로(215)를 사용할 수 있어서, 예컨대 4.305V의 개방 회로 전압을 갖는 4V 저장 전지로서 저장 전지(230)를 식별할 수 있다. 처리 유닛(205)은 그 후 측정한 개방 회로 전압을 사용하여 측정된 개방 회로 전압과 매칭하는 전압 진폭에서 전압원(210)의 전위 가변기 전압을 초기에 설정한다. 이 예에서, 처리 유닛(205)은 전압원(210)의 전위 가변기 전압을 4.305V로 설정한다.
제1 전압 측정 회로(215)를 사용하여 저장 전지(230)의 개방 회로 전압을 측정하면, 저장 전지(230)의 개방 회로 전압과 전위 가변기 전압 사이에는 (이 예에서는 mV 레벨까지) 상대적으로 밀접한 매칭이 가능하다. 그러나, 저장 전지(230)의 실제 개방 회로 전압은 예컨대 4.305V보다는 4.305375V일 수 있으며, 저장 전지(230)의 개방 회로 전압과 전위 가변기 전압 사이의 375㎶ 레벨의 미스매치는, 아마도 자체-방전 전류 흐름의 정확한 측정을 방해하는, 저장 전지(230)를 통한 상당한 전류 흐름을 초래할 수 있다.
전압 미스매치 문제는 제2 전압 측정 회로(220)를 사용하여 해결하며, 이 회로는 출력 단자(212)를 통해 저장 전지(230)에 결합되며 접지를 기준으로 하여 저장 전지(230)의 단자 전압을 측정하는데 사용할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 제2 전압 측정 회로(220)는 접지를 기준으로 하여 저장 전지(230)의 음의 단자에서 전압을 측정하는데 사용할 수 있다. 제1 전압 측정 회로(215)나 제2 전압 측정 회로(220)를 사용하여 본 명세서에서 개시한 전압 측정 중 임의의 것을 실행할 때, 스위치(213)는 개방 조건에 둠으로써 전류 측정 회로(225)를 저장 전지(230)로부터 단절하는 것이 바람직할 수 있음을 주목해야 한다. 전류 측정 회로(225)를 저장 전지(230)로부터 단절하면, 측정 절차의 이 단계에서 바람직하지 않은 전류 흐름을 방지할뿐만 아니라, 접지에 관해 전류 측정 회로(225)에 의해 제시된 임피던스 경로의 결과로서 발생할 수 있는 임의의 역효과를 방지한다.
제1 전압 측정 회로(215)를 사용하여 전압원(210)에 의해 제공된 전위 가변기 전압을 초기에 설정한 결과로서, 저장 전지(230)의 양의 단자와 음의 단자 양단의 전압은 접지를 기준으로 하여 전압원(210)에 의해 제공된 전위 가변기 전압(4.305V)과 매칭할 것이다. 저장 전지(230)의 음의 단자와 접지 사이에 나타나는 미스매치 전압(4.305375V-4.305V = 375㎶)은 제2 전압 측정 회로(220)를 사용하여 측정한다. 제2 전압 측정 회로(220)는, 제1 전압 분해능보다 상당히 큰 제2 전압 분해능과 더 큰 레벨의 측정 입도를 제공한다. 그에 따라, 제2 전압 분해능으로 인해, 처리 유닛(205)은 제2 전압 측정 회로(220)를 사용하여 4.305375V의 개방 회로 전압을 갖는 것으로 저장 전지(230)를 식별할 수 있다. 처리 유닛(205)은 그 후 전압원(210)에 의해 제공되는 전위 가변기 전압을 변화시켜 저장 전지(230)의 개방 회로 전압을 ㎶ 레벨의 정확도까지 아래로 매칭할 수 있다.
제1 전압 측정 회로(215)와 제2 전압 측정 회로(220)를 사용하여 전압원(210)에 의해 저장 전지(230)에 제공된 전위 가변기 전압을 정확히 설정하는 전체 프로세스는 대략 1분과 같은 매우 짧은 시간 기간 동안 실행할 수 있다.
일부 구현에서, 전류 초기화 절차는 전위 가변기 전압이 제1 시간 동안 저장 전지(230)에 제공된 후 수행될 수 있다. 전류 초기화 절차 - 이하에서 더 상세하게 기재됨 - 로 인해 전압원(210)을 사용하여 저장 전지(230)의 자체-방전 전류 특성을 판정하기 전 저장 전지(230) 내로의 초기 전류 흐름을 원하는 값에서 신속히 설정하는 하나 이상의 전위 가변기 전압을 제공할 수 있다. 예컨대, 일 구현에서, 초기 전류의 값은 저장 전지(230)의 통상적인 자체-방전 전류와 매칭하도록 설정될 수 있다. 저장 전지(230)의 통상적인 자체-방전 전류는, 과거 이력, 이전 테스트 평가, 데이터 시트, 경험 데이터 및/또는 이론 데이터와 같은 파라미터를 기초로 미리 결정할 수 있다. 저장 전지(230)의 초기 전류를 (예컨대, 대략 1분인) 원하는 값으로 설정하면, 구체적으로 여러 종래의 테스트 절차와 비교하여, 전체 테스트 지속기간의 상당한 감소를 허용한다.
(전류 초기화 절차가 포함되거나 포함되지 않고) 전위 가변기 전압을 설정한 후, 대기 기간(예컨대, 1시간)이 제공되어 저장 전지(230)는 평형 조건에 도달할 수 있다. 평형 조건에 도달할 때, 처리 유닛(205)은 전류 측정 회로(225)를 사용하여 저장 전지(230)를 통해 흐르는 자체-방전 전류의 진폭을 측정한다. 자체-방전 누설 전류 측정 절차는 후속하여 (일정 시간 기간 동안) 여러 번 반복할 수 있어서, 저장 전지(230)의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정할 수 있다.
앞서 기재한 두 단계 전압 측정 절차를 실행하기 위해 제1 전압 측정 회로(215)와 제2 전압 측정 회로(220) 각각을 구현하는데 사용된 회로 요소는 상대적으로 저가 항목일 수 있어서, 예컨대 ㎶ 레벨까지 아래로 1-패스 전압 측정을 수행하기 위한 단일의 고 분해능 전압 측정 회로를 사용하는 자체-방전 전류 측정 시스템과 비교하여 비용 절약을 제공할 수 있다.
도 3은, 본 개시의 일 예시적인 실시예에 따라 자체-방전 전류 측정 시스템(200)을 구현하는데 사용될 수 있는 일 예시적인 구성요소를 도시한다. 전압원(210)은 기준 전압 요소(Vref)(305), 디지털-아날로그 변환기(DAC)(310), 및 버퍼 증폭기(315)를 포함한다. 통상적으로 오븐-제어된 전압원이며 하나 이상의 제너 다이오드를 포함할 수 있는 기준 전압 요소(305)는, 동작 온도 범위 동안 매우 안정적인 기준 전압을 제공한다. 이 기준 전압은, 이진 인터페이스(306)를 통해 처리 유닛(205)에 의해 DAC(310)에 제공되는 디지털 제어 워드의 제어 하에서 아날로그 전압을 생성하기 위해, DAC(310)에 제공된다. 여러 실시예에서, 전압원(210)의 다른 요소뿐만 아니라 DAC(310)는 규격 구성요소를 사용하거나 주문 제작된 회로의 형태로 구현할 수 있으며, ㎶ (또는 그 이상) 레벨의 정확도로 전위 가변기 전압을 제공할 수 있다. 이러한 레벨의 정확도는 구체적으로 제2 전압 측정 회로(220)에 의해 제공되는 ㎶ (또는 그 이상) 레벨의 측정 정확도 면에서 바람직하다.
디지털 워드는, 제1 전압 측정 회로(215)와 제2 전압 측정 회로(220)에 의해 수행되는 2-패스 전압 측정 절차에 따라 처리 유닛(205)에 의해 설정된다. 버퍼 증폭기(315)에 의해 라인(301) 내로 드라이브 아웃되는, DAC(310)에 의해 생성되는 아날로그 전압이, 접지를 기준으로 하고 저장 전지(230)에 인가되는 전위 가변기 전압을 구성한다.
제1 전압 측정 회로(215)는 단위 이득 증폭기(325)와 아날로그-디지털 변환기(ADC)(320)를 포함한다. 단위 이득 증폭기(325)는 저장 전지(230)의 개방 회로 전압의 일대일 측정을 제공한다. 저장 전지(230)의 개방 회로 전압은 ADC(320)에 결합된다. 일 실시예에서, 단위 이득 증폭기(325)는 저 이득 증폭기로 대체할 수 있다. 저 이득 증폭기는, 비용과 정확도 사이의 시스템 절충 및/또는 이용 가능한 동작 전압 범위와 같은 다양한 팩터를 기초로 선택할 수 있다. 12-비트 ADC와 같은 상대적으로 저가 요소일 수 있는 ADC(320)는 단위 이득 증폭기(325)의 전압 출력을 디지털 워드 - 이진 인터페이스(307)를 통해 처리 유닛(205)에 결합됨 - 로 변환한다. 단위 이득 증폭기(325)와 ADC(320)의 조합은 저장 전지(230)의 개방 회로 전압을 측정할 때 제1 전압 분해능을 제공한다. 일 예시적인 구현에서, 단위 이득 증폭기(325)와 ADC(320)의 조합은 mV 레벨의 전압 분해능을 제공한다.
제2 전압 측정 회로(220)와 전류 측정 회로(225)가 별도의 기능 블록으로 도시한 도 2에 도시한 자체-방전 전류 측정 시스템(200)과 대조적으로, 도 3에 도시한 자체-방전 전류 측정 시스템(200)은 다중화된 V-I(전압-전류) 회로(355)의 형태로 이중 기능 회로를 병합함을 주목해야 할 수 있다. 다중화된 V-I 회로(355)는 시간-다중화를 기초로 하여 제2 전압 측정 회로(220)와 전류 측정 회로(225)의 하나 이상의 기능을 수행한다. 저장 전지(230)의 제2 전압 측정과 저장 전지(230)의 자체-방전 전류 측정이 통상 상이한 횟수로 실행되기 때문에 적절한 다중화된 V-I 회로(355)는, 자체-방전 전류 측정 시스템(200)을 구현하는데 사용된 하드웨어에서의 비용 절약을 제공할 수 있다.
다중화된 V-I 회로(355)는 고 이득 증폭기(335), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(330), 전류 감지 저항(350), 제1 스위치(340) 및 제2 스위치(345)를 포함한다. 통상적으로, 고 이득 증폭기(335)의 이득이 10을 초과하며, 일 예시적인 구현에서, 고 이득 증폭기(335)에 의해 제공되는 이득은 100에서부터 1000까지의 범위 중 어딘가일 수 있다. 12-비트 ADC와 같이 상대적으로 저가 요소일 수 있는 ADC(330)는 고 이득 증폭기(335)의 전압 출력을, 이진 인터페이스(308)를 통해 처리 유닛(205)에 결합되는 디지털 워드로 변환한다. 고 이득 증폭기(335)와 ADC(330)의 조합은, 저장 전지(230)의 단자 전압을 측정할 때 제2 전압 분해능을 제공한다. 일 예시적인 구현에서, 고 이득 증폭기(335)와 ADC(330)의 조합은 ㎶ 레벨의 전압 분해능을 제공한다.
단자 전압의 측정을 실행할 때, 다중화된 V-I 회로(355)는, 스위치(340)와 스위치(345) 각각을 처리 유닛(205)의 제어 하에서 스위치 포지션 1에 놓음으로써 전압 측정 모드로 동작하도록 구성된다. 이 구성에서, 저장 전지(230)의 음의 단자는 고 이득 증폭기(335)의 양의 입력 단자에 결합되며, 전류 감지 저항(350)은 개방 조건에 남겨진다(고 이득 증폭기(335)로부터 단절된다).
처리 유닛(205)은 저장 전지(230)의 단자 전압을 나타내는 디지털 워드를 수신하여, 단자 전압 측정을 사용하여 디지털 워드를 계산하여 이것을 이진 인터페이스(306)를 통해 DAC(310)에 제공한다. DAC(310)는, 버퍼 증폭기(315)와 라인(301)을 통해 저장 전지(230)에 결합되는 새로운 전위 가변기 전압을 생성함으로써 디지털 워드에 응답한다. 일 구현에서, 새로운 전위 가변기 전압은 전압원(210), 제1 전압 측정 회로(215), 및 다중화된 V-I 회로(355)를 사용한 반복 및/또는 순환 절차를 기초로 하여 처리 유닛(205)에 의해 설정될 수 있다.
저장 전지(230)는 그 후 일부 시간 동안 안정화되어 다중화된 V-I 회로(355)가 자체-방전 전류 측정을 수행하는데 사용되기 전 저장 전지(230)(또는 전지의 뱅크) 내에서의 전하 재분배를 허용한다. 일부 경우에 수 일동안 연장할 수 있는 안정 시간으로 인해, 저장 전지(230)는 자체-방전 전류 측정의 수행 전 바람직한 평형 조건에 도달할 수 있다.
자체-방전 전류 측정을 실행할 때, 다중화된 V-I 회로(355)는, 스위치(340)와 스위치(345) 각각을 처리 유닛(205)의 제어 하에서 스위치 포지션 2에 둠으로써 전류 측정 모드로 동작하도록 구성된다. 이 구성에서, 저장 전지(230)의 음의 단자는 고 이득 증폭기(335)의 양의 입력 단자에 결합되며, 전류 감지 저항(350)은 또한 고 이득 증폭기(335)의 양의 입력 단자에 연결된다. 저장 전지(230)를 통해 흐르는 자체-방전 전류는 전류 감지 저항(350)을 통해 접지로 전달되며, 고 이득 증폭기(335)는 전류 감지 저항(350) 양단의 결과적인 전압 강하를 증폭한다. 고 이득 증폭기(335)의 출력 전압은 그에 따라 저장 전지(230)와 전류 감지 저항(350)을 통해 흐르는 자체-방전 전류의 진폭에 정비례한다.
전류 감지 저항(350)의 저항 값을 선택하는 것이 측정 감도와 측정 시간 사이의 절충사항이며, 이는 시정수 팩터가 저장 전지(230)의 매우 큰 커패시턴스와 연계하여 동작하는 전류 감지 저항(350)에 기인할 수 있기 때문이다. 이해할 수 있는 바와 같이, 전류 감지 저항(350)의 하위 저항 값은 측정 감도를 희생하여 더 빠른 측정 시간으로 해석되며, 그 역의 관계도 성립한다. 일 예시적인 구현에서, 전류 감지 저항(350)은 대략 1Ω인 것으로 선택되며, 이것은 측정 감도와 측정 시간 사이의 최적의 절충사항을 제공할 수 있다. 더욱 구체적으로, 측정 감도는 온도와 드리프트로 인해 유도된 효과와 같은 원치 않은 영향을 해결하는 쪽으로 관련될 수 있다.
도 2에 도시한 예시적인 실시예에서, 저장 전지(230)의 단자 전압은 접지를 기준으로 저장 전지(230)의 음의 단자에서 다중화된 V-I 회로(355)에 의해 측정함을 주목해야 한다. 그러나, 다른 예시적인 실시예에서, 다중화된 V-I 회로(355)는, 저장 전지(230)를 뒤집어 전압원(210)이 음의 극성의 전위 가변기 전압을 제공할 때 (접지를 기준으로 하여) 저장 전지(230)의 양의 단자에서 저장 전지의 단자 전압을 측정하도록 배치할 수 있다.
본 발명에 따라 예시적인 저장 전지의 충전 상태(SOC) 레벨 대 전압의 온도 계수(TCV)의 그래픽 표현을 도시하는 도 4를 다음으로 주목한다. 리튬 이온 전지는 통상 상당한 TCV 효과를 보이며, TCV 효과는 최적의 측정 정확도를 얻기 위해 리튬 이온 전지에 관한 자체-방전 전류 측정을 하기 전 해결되어야 하는 것이 바람직하다. 역 TCV 효과를 최소화하는 한 가지 해법으로 항온 유체 배쓰나 온도 챔버에 테스트 하의 리튬 이온 전지를 침지하는 것이다. 그러나 이러한 접근법은 제조 설비의 생산 라인에서 리튬 이온 전지의 배치에 관해 측정을 실행할 때는 실용적이지도 바람직하지도 않을 수 있다.
자체-방전 전류 측정을 실행할 때 항온 유체 배쓰나 온도 챔버에 리튬 이온 전지를 놓을 필요를 제거한 대안적인 접근법은 리튬 이온 전지의 SOC와 TCV 특성 사이의 관계를 기초로 한다. 이 관계는 본 발명의 실시예에 따라 리튬 이온 전지의 초기 SOC를 설정하는데 사용되며, 이것은 자체-방전 전류 측정을 실행할 때 리튬 이온 전지의 TCV를 널(null)이 되게 하여 리튬 이온 전지의 온도를 외부에서 규제할 필요를 최소화하거나 제거한다.
(도 3에 도시한 저장 전지(230)와 같은) 리튬 이온 전지의 초기 SOC 레벨의 설정은 도 4에 도시한 그래픽 표현을 생성하고 이를 사용하여 실행할 수 있다. 이 예시적인 구현에서 V/℃ 단위로 특성화되는 TCV는, 백분율로 특성화되는 SOC에 대해 양 및 음의 TCV 값의 범위에서 요동한다. 그래픽 표현은, 0%에서부터 100% SOC 범위의 리튬 이온 전지의 SOC를 증분 간격(예컨대, 5% 증분)으로 조정하는 단계와, 각 SOC마다 대응하는 TCV 값을 측정하는 단계를 포함하는 TCV 특성화 절차를 수행함으로써 얻는다. 증분 간격은, 자체-방전 전류 측정을 실행하기 전 0 TCV 값 및/또는 저 TCV 값을 식별하기 위해 원하는 정확도 레벨을 얻는 것을 기초로 하여 선택할 수 있다.
이를 위해, 리튬 이온 전지는 먼저 최대 SOC의 이른바 5%에 둔 후, 안정화하게 되어 리튬 이온 전지 내의 전하 재분배는 평형에 도달하게 된다. 이를 스탠드(stand) 시간이라고 지칭하며, 통상 이틀 지속된다. 이 스탠드 시간 후, 리튬 이온 전지는 유체 배쓰와 온도 챔버에 놓이며 적어도 두 개의 온도 레벨 사이에서 순환한다. 일 예시적인 구현에서, 두 개의 온도 레벨은 공칭 온도 레벨로부터의 백분율 편차(예컨대 25℃의 ±5%)로 선택한다. 공칭 온도 레벨은 이후의 정상 사용 동안 리튬 이온 전지의 동작 온도에 대응할 수 있다. 충분한 스탠드 시간이 두 온도 레벨 각각에 제공되며, 그 후 TCV 측정이 실행된다. 그에 따라, 온도 값 쌍에 대응하는 두 개의 TCV 측정치를 각 SOC 레벨마다 얻는다.
리튬 이온 전지는 그 후 최대 SOC의 이른바 10% SOC 레벨에 놓이며, 절차는 반복되어 다른 두 개의 TCV 측정치를 얻는다. 절차는 또한 증분 SOC 값 각각마다 최대 SOC 레벨(100%)까지 반복되며, 여러 SOC 설정에 대해 얻은 TCV 값을 사용하여 도 4에 도시한 그래픽 표현을 생성한다.
점선 원(405)은 대략 37% SOC에서 0의 TCV 값을 나타내는 반면, 점선 타원(410)은, 대략 78% SOC와 90% SOC 사이에서 0 TCV 값에 상대적으로 가까운 TCV 값을 나타낸다. 일 예시적인 구현에서, 저장 전지(230)(리튬 이온 전지)는 최대 전지 충전 용량(100%)의 대략 37%의 초기 충전으로 설정될 수 있으며, 다른 예시적인인 구현에서, 저장 전지(230)는 본 발명에 따라 자체-방전 전류 측정을 시작하기 전 미리 한정한 스레시홀드 TCV 값 미만인 초기 충전으로 설정할 수 있다. 예컨대, 미리 정해진 스레시홀드 TCV 값이 0.5E-04V/℃에 대응하도록 선택될 때, 저장 전지(230)는 최대 전지 충전 용량의 대략 78%에서부터 대략 90%까지의 범위에 있는 TCV 값 중 임의의 값에 대응하는 초기 충전으로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 자체-방전 전류 측정은 앞서 기재한 방식으로 리튬 이온 전지의 초기 충전을 설정한 후 실행될 수 있어서 리튬 이온 전지의 온도를 외부에서 규제할 필요를 최소화하거나 제거한다.
도 5는 본 발명에 따른 저장 전지의 자체-방전 누설 전류를 판정하는 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다. 도 5에 도시한 임의의 방법 단계나 블록은, 이 방법에서 특정한 논리 함수나 단계를 구현하기 위한 하나 이상의 수행 가능한 명령을 포함하는 코드의 부분, 모듈, 또는 세그먼트를 나타낼 수 있음을 이해해야 한다. 특정한 구현에서, 하나 이상의 단계를 수동으로 실행할 수 있다. 특정한 예시적인 방법의 단계를 후술할지라도, 추가 단계나 대안적인 단계가 본 발명의 사상에서 벗어나지 않는다면 여러 구현에 이용될 수 있음을 인식하게 될 것이다. 게다가, 여러 대안적인 구현에 따라 실질적으로 동시에 또는 역전된 순서로를 포함하여 도시하거나 논의한 것과는 다른 순서로 단계를 수행할 수 있다. 코드는 또한 하나 이상의 디바이스에 포함될 수 있으며, 반드시 임의의 특정한 타입의 디바이스에 한정될 필요는 없다. 후술된 설명은, 특정한 디바이스에의 코드 거주나 기능을 아마도 암시하지만, 본 발명의 배경이 되는 개념을 설명할 목적으로 그렇게 한 것이며, 제한된 방식으로 해석되지 않아야 한다.
도 2 및 도 3에 도시한 자체-방전 전류 측정 시스템(200)은 이하에서 예시적인 방법을 기재할 목적으로 사용할 것이다. 그러나, 이 방법은 본 발명에 따라 많은 다른 시스템을 사용하여 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 도 5에 도시한 기능 블록은 다른 기능 블록에 의해 보충 또는 보완될 수 있음을 이해해야 한다. 예컨대, 블록(505)을 구현하기 전에, 여러 방법 단계가 실행될 수 있어서, 저장 전지의 전압의 온도 계수를 널이 되게 하여 저장 전지의 온도를 외부에서 규제할 필요를 최소화하고/제거하기 위해 저장 전지의 초기 충전 상태를 설정할 수 있다.
블록(505)은, 제1 전압 분해능을 제공하는 제1 전압 측정 회로(215)를 사용함으로써 저장 전지(230)(또는 저장 전지의 뱅크)의 단자 쌍 양단에서 개방 회로 전압을 측정하는 것이다. 단자 쌍은 저장 전지(230)의 양의 단자와 음의 단자에 대응한다. 단위 이득 증폭기(325)와 ADC(320)의 조합은, 저장 전지(230)의 개방 회로 전압을 측정할 때 제1 전압 분해능을 제공한다.
블록(510)은, 제1 전압 측정 회로(215)를 사용하여 측정한 개방 회로 전압을 적어도 부분적으로 사용하여 판정되는 제1 전위 가변기 전압을 저장 전지(230)에 제공하는 것이다. 제1 전위 가변기 전압은 처리 유닛(205)의 제어 하에서 전압원(210)에 의해 제공된다.
블록(515)은, 다중화된 V-I 회로(355)에 병합되는 제2 전압 측정 회로(220)를 사용함으로써 저장 전지(230)의 전지들의 단자 쌍 중 하나에서 단자 전압을 측정한다. 제2 전압 측정 회로(220)는, 제1 전압 측정 회로(215)에 의해 제공되는 제1 전압 분해능보다 큰 제2 전압 분해능을 제공하도록 구성된다. 구체적으로, 제2 전압 분해능은 고 이득 증폭기(335)와 ADC(330)의 조합에 의해 제공된다.
단자 전압의 측정을 실행할 때, 다중화된 V-I 회로(355)는, 스위치(340)와 스위치(345) 각각을 스위치 포지션 1에 둠으로써 전압 측정 모드로 동작하도록 구성된다. 이 구성에서, 저장 전지(230)의 음의 단자는 고 이득 증폭기(335)의 양의 입력 단자에 결합되며, 전류 감지 저항(350)은 개방 조건에 남겨진다(고 이득 증폭기(335)로부터 단절된다).
블록(520)은, 제2 전압 측정 회로(220)를 사용하여 측정된 단자 전압을 적어도 부분적으로 기초로 하는 제2 전위 가변기 전압을 저장 전지(230)에 제공한다. 전압원(210)에 의해 제공되는 제2 전위 가변기 전압은 저장 전지(230)의 실제 개방 회로 전압과, 제1 전압 측정 회로(215)에 의해 실행된 전압 측정을 기초로 저장 전지(230)에 결합되는 제1 전위 가변기 전압 사이의 미스매치를 기초로 한다. 이 미스매치 전압은, 스위치(340)와 스위치(345) 각각이 스위치 포지션 1에 놓인 후 (전위 가변기 전압이 접지를 기준으로 한 결과로) 접지와 저장 전지(230)의 음의 단자 사이에 측정할 수 있다.
잔류 전압, 오프셋 전압, 또는 차이 전압과 같은 대안적인 표시를 사용함으로써 이 미스매치 전압을 지칭할 수 있다. 미스매치를 바로잡는데 사용되는 절차를, 잔류 전압 정정, 베르니어(vernier) 전압 조정 또는 2-패스 전위 가변기 전압 설정 절차와 같은 여러 대안적인 방식으로 지칭할 수 있다.
제2 전압 측정 회로(220)는 제1 전압 분해능보다 상당히 큰 제2 전압 분해능을 제공한다. 그에 따라, 제2 전압 분해능으로 인해 처리 유닛(205)은 제2 전압 측정 회로(220)를 사용하여 더 큰 정확도로 미스매치 전압을 식별할 수 있다.
블록(525)은 일부 실시예에서는 부가적으로 실행될 수 있으며 일부 다른 실시예에서는 생략할 수 있는 전류 초기화 절차이다. 전압원(210)이 제2 전위 가변기 전압을 저장 전지(230)에 제공한 후 수행할 수 있는 이 절차는, 저장 전지(230)를 통해 흐르는 미리 결정된 초기 전류로 전위 가변기 규제를 시작하도록 자체-방전 전류 측정 시스템(200)을 신속하게 구성하는 것에 관한 것이다. 일 구현에서, 미리 결정된 초기 전류는, 과거 이력, 이전 테스트 평가, 데이터 시트, 경험 데이터 및/또는 이론 데이터와 같은 정보를 기초로 이미 알려져 있는, 저장 전지(230)의 통상적인 자체-방전 전류일 수 있다. 다른 구현에서, 미리 결정된 초기 전류는, 고객이나 테스트 운영자와 같은 개체가 명시한 전류일 수 있다.
전류 초기화 절차는, 스위치(340)와 스위치(345) 각각을 스위치 포지션 2에 두고 다중화된 V-I 회로(355)를 사용하여, 전압원(210)이 제2 전위 가변기 전압을 저장 전지(230)에 제공한 결과로서 저장 전지(230)에서 제1 자체-방전 전류를 측정함으로써 실행될 수 있다. 처리 유닛은 제1 자체-방전 전류와 미리 결정된 초기 전류 사이의 차이를 계산하여, 이진 인터페이스(306)를 통해 DAC(310)에 인가할 제1 디지털 제어 워드를 판정한다. 전압원(210)의 다른 구성요소와 연계하여, DAC(310)는, 자체-방전 전류를 변경하여 미리 결정된 초기 전류와 매칭하기 위해 제3 전위 가변기 전압을 저장 전지(230)에 제공한다.
일부 구현에서, 제3 전위 가변기 전압을 저장 전지(230)에 제공함으로써 얻은 정확도 레벨은 충분하며, 전류 초기화 절차는 이 단계에서 종료할 수 있다. 그러나, 일부 다른 구현에서, 더 큰 레벨의 정확도가 바람직할 수 있다. 결국, 다중화된 V-I 회로(355)와 전압원(210)은 미리 결정된 초기 전류를 설정하기 위해 처리 유닛(205)에 의해 반복적이며 및/또는 순환적인 방식으로 더 사용할 수 있다.
저장 전지(230)에서 초기 전류를 미리 결정된 값으로 설정하는 것은 대략 1분과 같은 짧은 시간 기간 동안 실행할 수 있으며, 구체적으로 여러 종래의 테스트 절차와 비교하여, 저장 전지(230)의 자체-방전 전류 특성을 판정하는 테스트의 전체 지속기간의 상당한 감소를 야기한다.
블록(530)은, 블록(520)(바람직하다면 그 다음의 블록(525))의 수행 후, 일정 시간 기간 동안 저장 전지(230)에 관한 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 수행한다. 자체-방전 누설 전류 측정은 통상, 제2 전위 가변기 전압이 전압원(210)과 저장 전지(230)가 평형에 도달하기에 충분한 시간 기간 동안 저장 전지(230)에 결합된 상태로 유지된다. 평형에서, 자체-방전 전류는 전압원(210)에 의해 충분히 제공되며, 이제는 저장 전지(230)의 내부 전지 용량에 의해 통상 제공되는 자체-방전 전류보다 크게 되었다.
저장 전지(230)를 통해 흐르는 자체-방전 전류의 측정을 실행할 때, 다중화된 V-I 회로(355)는, 스위치(340)와 스위치(345) 각각을 스위치 포지션 2에 둠으로써 전류 측정 모드로 동작하도록 구성된다. 이 구성에서, 저장 전지(230)의 음의 단자는 고 이득 증폭기(335)의 양의 입력 단자에 결합되며, 전류 감지 저항(350)은 또한 고 이득 증폭기(335)의 양의 입력 단자에 연결된다. 저장 전지(230)를 통해 흐르는 자체-방전 전류는 전류 감지 저항(350)을 통해 접지로 전달된다. 고 이득 증폭기(335)는 전류 감지 저항(350) 양단의 결과적인 전압 강하를 증폭한다. 고 이득 증폭기(335)의 출력 전압은, 저장 전지(230)와 전류 감지 저항(350)을 통해 흐르는 자체-방전 전류의 진폭에 정비례한다.
전류 감지 저항(350)을 통해 흐르는 자체-방전 전류와 관련된 정착 시간은 저장 전지(230)의 유효 커패시턴스와 전류 감지 저항(350) 사이에 형성된 시정수에 의해 지배된다. 시정수의 효과는, 처리 유닛(205)에 의한 ADC(330)의 출력을 처리하여 저장 전지(230)의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정할 때 고려할 수 있다. 일 예시적인 구현에서, 작은 오프셋 전압이 전압원(210)에 의해 저장 전지(230)에 제공될 수 있어서, 측정에 관한 전류 감지 저항(350)의 영향의 적어도 일부 부분을 오프셋할 수 있다. 오프셋 전압은 앞서 설명한 블록(525)의 수행을 기초로 또는 저장 전지(230)에 흐르는 자체-방전 전류의 예상 진폭을 기초로 설정할 수 있다. 일부 다른 예시적인 실시예에서, 전류 감지 저항(350)은, 예컨대 전류 감지 저항(350)의 저항 값을 변경시키기 위해 처리 유닛(205)에 의해 제어할 수 있는 제어 가능한 저항 요소의 형태로 제공할 수 있다. 다른 예시적인 구현에서, 제어 가능한 저항 요소는 전류 감지 저항(350)과 직렬로 결합되는 별도의 디바이스일 수 있다. 또 다른 예시적인 구현에서, 가상의 직렬 저항이, 처리 유닛(205)에 의해 수행되는 소프트웨어 프로그램을 통해, 전류 감지 저항(350)에 가산될 수 있거나, 이로부터 감산될 수 있다.
블록(535)은 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 사용하여 저장 전지(230)의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정한다. 이 목적을 위해 사용될 수 있는 처리 유닛(205)은 자체-방전 전류 측정 시스템(200)을 포함하는 측정 장치에 병합될 수 있다. 일부 대안적인 실시예에서, 처리 유닛(205)은, 자체-방전 전류 측정 시스템(200)에 통신 가능하게 결합되는 컴퓨팅 시스템에 병합될 수 있다.
요약하면, 본 발명은 본 발명의 원리와 개념을 입증할 목적으로 몇 가지 예시적인 실시예를 참조하여 기재하였음을 주목해야 한다. 본 명세서에서 제공한 설명을 기초로, 본 발명은 이들 예시적인 실시예로 제한되지는 않음을 당업자는 이해해야 할 것이다. 예컨대, 저장 전지(230)는 여러 장소에서 리튬 이온 전지로 지칭될지라도, 자체-방전 전류 측정 시스템(200)은 많은 다른 타입의 저장 전지의 자체-방전 누설 전류 특성을 측정하는데 사용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 많은 그러한 변경이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는다면 예시적인 실시예에 대해 이뤄질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 전압 분해능을 제공하는 제1 전압 측정 회로를 사용함으로써 저장 전지또는 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 단자 쌍 양단에서 개방 회로 전압을 측정하는 단계;
    상기 제1 전압 측정 회로를 사용하여 측정한 상기 개방 회로 전압을 적어도 부분적으로 사용하여 판정되는 제1 전위 가변기(potentiostat) 전압을 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 제공하는 단계;
    상기 제1 전압 분해능보다 큰 제2 전압 분해능을 제공하도록 구성되는 제2 전압 측정 회로를 사용함으로써 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 단자 쌍 중 하나에서 접지를 기준으로 하여 단자 전압을 측정하는 단계;
    상기 제2 전압 측정 회로를 사용하여 측정된 상기 단자 전압을 적어도 부분적으로 기초로 하는 제2 전위 가변기 전압을 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 제공하는 단계;
    상기 제2 전위 가변기 전압을 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 제공하는 단계 후 일정 시간 기간 동안 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 관한 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 수행하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 사용하여 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 전압 측정 회로는 mV 레벨의 분해능을 제공하고, 상기 제2 전압 측정 회로는 ㎶ 레벨의 분해능을 제공하며, 상기 단자 쌍 중 하나는 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 음의 단자인, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, mV 레벨의 상기 분해능은 적어도 부분적으로 저 이득 또는 단위 이득 증폭기 중 하나를 사용함으로써 얻어지며, ㎶ 레벨의 상기 분해능은 적어도 부분적으로 고 이득 증폭기를 사용함으로써 얻어지는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 단자 쌍 양단에서 개방 회로 전압을 측정하는 단계 전에 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 관한 전압 온도 계수(TCV: Temperature Coefficient of Voltage) 특성화 절차를 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 TCV 특성화 절차는, 미리 정해진 스레시홀드 미만인 0 TCV 값 또는 하나 이상의 TCV 값 중 적어도 하나를 식별하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 TCV 특성화 절차를 수행하는 단계는:
    상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나를 다수의 충전 상태(SOC: State-Of-Charge) 레벨 각각에 설정하는 단계;
    상기 다수의 SOC 레벨 각각에 설정할 때, 적어도 두 개의 온도 레벨 사이에서 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나를 순환시키는 단계;
    상기 적어도 두 개의 온도 레벨 사이에서 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나를 순환시킬 때, 상기 다수의 SOC 레벨에 대응하는 다수의 TCV 값을 판정하는 단계; 및
    상기 미리 정해진 스레시홀드 미만인 상기 0 TCV 값 또는 하나 이상의 TCV 값 중 적어도 하나를 식별하기 위해 상기 다수의 TCV 값을 사용하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 시스템으로서,
    저장 전지 또는 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 단자 쌍 양단에서 개방 회로 전압을 측정하기 위한 제1 전압 분해능을 제공하는 제1 전압 측정 회로;
    상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 단자 쌍 중 하나에서 접지를 기준으로 하여 단자 전압을 측정하기 위한 제2 전압 분해능을 제공하는 제2 전압 측정 회로;
    상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 관한 하나 이상의 자체-방전 누설 전류 측정을 위한 전류 측정 회로; 및
    상기 제1 전압 측정 회로, 상기 제2 전압 측정 회로, 상기 전류 측정 회로에 결합된 프로세서로서, 상기 프로세서는 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 자체-방전 누설 전류 특성을 판정하기 위한 테스트 절차를 수행하는, 상기 프로세서를 포함하는, 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1 전압 측정 회로는 제1 아날로그-디지털 변환기(ADC)와, 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나의 개방 회로 전압을 상기 제1 ADC에 결합하는 저 이득 증폭기 또는 단위 이득 증폭기 중 하나를 포함하며, 상기 제2 전압 측정 회로는 제2 ADC와 고 이득 증폭기를 포함하는, 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제2 전압 측정 회로와 상기 전류 측정 회로가, 시간-다중화 방식으로 상기 제2 전압 측정 회로와 상기 전류 측정 회로의 하나 이상의 기능을 수행하는 이중 기능 회로로서 제공되는, 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서, 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 하나 이상의 전위 가변기 전압을 제공하도록 상기 프로세서에 의해 제어될 수 있는 전압원을 더 포함하는, 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 전압원은:
    상기 전위 가변기 전압을 생성하도록 상기 프로세서에 의해 제어될 수 있는 디지털-아날로그 변환기(DAC)와,
    상기 DAC에 결합되며 상기 저장 전지 또는 상기 저장 전지들의 뱅크 중 하나에 하나 이상의 전위 가변기 전압을 제공하도록 구성되는 단위 이득 증폭기를 포함하는, 시스템.
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