KR20040072249A - Portable battery-pack non-destructive test system using AC impedance measurement technology and multi-channel measurement system and method which it use - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치와 이를 이용한 다채널 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축전지의 개방회로전압·내부저항·충전 및 방전전압·온도 특성 등의 축전지 고유특성과 비선형 구동 특성을 평가하기 위한 것으로서, 축전지의 특성을 측정하는 소요시간을 단축시키고, 측정결과에 대한 신뢰성을 높이며, 측정 오차에 대한 분석이 가능하게 하고, 측정시스템의 구성이 간단하여 측정장비의 다채널 및 소형화가 가능하도록 하며, AC 임피던스 스펙트럼을 얻는 과정에서 DC 신호를 측정하여 수치적인 처리를 행하게 되므로 실제 측정장치의 구조는 DC 장치에 기초하고 있어 기존의 DC 충방전 시험 장치와 쉽게 결합될 수 있고, 축전지의 특성 인자들을 정밀 분석하면 구성 재료의 동역학(kinetic) 특성에 관한 유용한 정보, 예를 들어 입자의 표면 반응 저항·확산계수·전해질 평균 저항·전도 분포 저항 등 중요 동역학 특성인자의 거동에 대한 데이터를 얻을 수 있으며, 이 결과는 재료의 혼합구성 뿐만 아니라 축전지의 온도특성·열화특성·반응 안정성 등에 대한 결정적인 정보를 제공할 것이므로 실제 축전지의 설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to a portable battery pack non-destructive evaluation device using the AC impedance measurement technology, and a multi-channel measurement system and method using the same, and more specifically, the open circuit voltage, internal resistance, charge and discharge voltage, temperature characteristics, etc. of the battery To evaluate the battery's unique characteristics and nonlinear driving characteristics, it is possible to reduce the time required to measure the characteristics of the battery, to improve the reliability of the measurement results, to analyze the measurement error, and to make the measurement system simple. The multi-channel and miniaturization of the measuring equipment is possible. In the process of acquiring the AC impedance spectrum, the DC signal is measured and subjected to numerical processing. Therefore, the structure of the actual measuring device is based on the DC device. Can be easily combined with the Useful information on kinetic properties can be obtained, for example, about the behavior of important kinetic properties such as the surface reaction resistance, diffusion coefficient, electrolyte average resistance, and conductivity distribution resistance of the particles. Not only the configuration but also the critical characteristics of the battery's temperature characteristics, degradation characteristics, reaction stability, etc. will be provided so that it can be usefully used in the design stage of the actual battery.
일반적으로, 축전지의 구동 특성은 구성재료 및 그 조성이 나타내는 열역학적 특성(thermodynamic property)과 동역학적 특성(kinetic property)으로 결정되는데 이들은 대체적으로 비선형적인 거동을 나타내므로 체계적인 평가가 용이하지 않다.In general, the driving characteristics of a battery are determined by the thermodynamic and kinetic properties of the constituent material and its composition, which generally exhibits non-linear behavior and thus is not easy to systematically evaluate.
또한, 전지의 생산시 제품 선별 공정에서 실시간 방전에 의한 용량 평가 및 재충전에 수 시간이 소요되므로 다채널 선별기에 대한 투자비는 축전지 제조에 필요한 총 설비투자의 상당부분을 차지한다.In addition, since the battery production takes several hours in capacity evaluation and recharging by real-time discharge in the product sorting process, the investment cost for the multi-channel sorter occupies a substantial portion of the total facility investment required for battery manufacturing.
그리고, 축전지를 포함하는 전기화학 계의 AC 특성 주파수 영역은 일반적으로 수 mHz에서 수십 kHz에 이르며 이는 계면에서의 전기화학반응 또는 확산 등 동역학 과정이 갖는 고유시상수(time constant)에 의하여 결정된다.In addition, the AC characteristic frequency range of an electrochemical system including a storage battery generally ranges from several mHz to several tens of kHz, which is determined by a time constant of a kinetic process such as electrochemical reaction or diffusion at an interface.
소전압 근사(small voltage approximation)에 의하여 각 전기화학 과정은 주파수 공간에서의 등가회로의 임피던스를 구성하는 저항, 축전기 등 회로의 특성 인자들로부터 설명될 수 있으며, 각 특성인자는 축전지의 일정한 방전 또는 충전 상태에서 실험적으로 얻어진 임피던스 스펙트럼을 근사하여 결정할 수 있다.By means of small voltage approximation, each electrochemical process can be explained from the characteristic factors of the circuit, such as the resistor and the capacitor, which constitute the impedance of the equivalent circuit in the frequency space. It can be determined by approximating the impedance spectrum experimentally obtained at the state of charge.
전지의 각 충방전 상태에서 특성 인자의 수치화(parameterization)가 실험적으로 수행되고 정상상태에서의 축전지의 기전력(개방회로전압)이 측정되면 이 결과들은 축전지의 특성을 수치적으로 표현하는 수치이미지(numerical image)로써 축전지의 구동 특성과 관계된 특성인자의 정밀 분석 및 임의의 전기적 부하 조건에서의 전지 구동 특성에 관한 시뮬레이션에 사용될 수 있다.When the parameterization of the characteristic factor is carried out experimentally in each state of charge and discharge of the battery, and the electromotive force (open circuit voltage) of the battery in the steady state is measured, these results are numerical images representing the characteristics of the battery numerically. image) can be used for the precise analysis of the characteristic factors related to the driving characteristics of the battery and for the simulation of battery driving characteristics under any electrical load conditions.
비선형 회로 모델의 일부 특성 인자는 축전지의 충방전 상태에 대하여 상호 의존성을 나타내는데 이러한 특성은 전지의 용량을 예측하는데 활용할 수 있다.Some characteristic factors of the nonlinear circuit model show interdependence on the state of charge and discharge of the battery, which can be used to predict the capacity of the battery.
종래의 임피던스 스펙트럼 측정 방법으로는 일정 주파수의 주기적 여기 신호를 인가하고, 주파수 응답 분석기(FRA)와 같은 위상 감지 장치로 스펙트럼을 측정하는 것이 널리 사용되고 있으나, 상기와 같은 측정방법은 신호 발생기 및 위상 감지기 등과 같은 고가의 장치를 사용해야 되고, 또한 과도특성 효과를 제거하기 위하여 최소한 2주기의 신호를 필요로 함은 물론 복수의 주파수에 대한 스펙트럼이 필요한 경우에 순차적으로 측정을 진행하므로 측정에 소요되는 시간이 길어지는 문제점이 있다.Conventional impedance spectrum measurement method is to apply a periodic excitation signal of a constant frequency, and to measure the spectrum with a phase sensing device such as a frequency response analyzer (FRA), but the measurement method as described above is a signal generator and phase detector It is necessary to use expensive equipment such as an electronic device, and at least two cycles of signals are needed to eliminate the transient effects. In addition, when the spectrum of multiple frequencies is needed, the measurement is performed sequentially. There is a problem that becomes longer.
복수 중첩 정현파를 여기 신호로 하여 응답신호를 고속 푸리에 변환(FFT)하는 측정 방법을 이용할 경우에는 위상 감지기를 사용하지 않고, 복수 주파수에 대한 스펙트럼 측정에 소요되는 시간이 주파수 응답 분석기를 사용하는 방법에 비해 짧다.When using the measurement method of fast Fourier transform (FFT) the response signal using multiple superimposed sinusoids as an excitation signal, the time required for spectrum measurement for multiple frequencies is not included in the method using the frequency response analyzer. Shorter than
그러나, 고속 푸리에 변환방법은 측정하고자 하는 주파수 영역에 대한 최저 주파수 주기의 2배이상의 측정시간이 소요되고, 복잡한 형태의 신호 발생기와 대용량 기억장치를 필요로 하며, 인가되는 섭동 신호가 비간섭성 주파수들의 중첩으로 이루어지기 때문에 최저 주파수의 홀수배에 해당하는 주파수에서의 임피던스를 얻게 되므로, 저주파수 영역에서 임피던스 데이터의 분해능이 떨어지게 된다.However, the fast Fourier transform method requires more than twice the measurement time of the lowest frequency period for the frequency domain to be measured, requires a complex signal generator and a large-capacity memory, and the applied perturbation signal is incoherent. Because of the superposition of these signals, impedance at a frequency corresponding to an odd multiple of the lowest frequency is obtained, thereby reducing the resolution of the impedance data in the low frequency region.
또한, 복수 중첩 정현파 대신에 펄스 전류를 사용하는 방법이 있으나, 이 경우에는 반복측정과 평균법으로도 제거되지 않고, 측정 오차를 발생시키는 주파수 에이리어싱 및 과도 효과 등으로 잡음이 매우 심하여 측정 결과의 신뢰성을 판정하거나 신뢰 구간을 설정하기가 어려운 문제점이 있다.In addition, there is a method of using a pulse current instead of a plurality of superimposed sine waves, but in this case, the noise is too severe due to frequency aliasing and transient effects, which are not eliminated by repeated measurement and averaging method, and cause measurement error. There is a problem that it is difficult to determine the reliability or to set the confidence interval.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 각종 전기적 회로, 선형 소자, 비선형 소자, 커패시터, 1차전지, 2차전지 및 연료전지 등과 같은 각종 전기 화학소자 등을 측정의 대상으로 하는 계로부터 양질의 광역 임피던스 스펙트럼을 이론적으로 가능한 최소 시간으로 측정할 수 있으며, 특히 측정의 정확도가 매우 높고 측정 속도가 빠르며 측정 장치가 간단한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치와 이를 이용한 다채널 측정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the conventional problems as described above, and to measure various electrochemical devices such as various electric circuits, linear devices, nonlinear devices, capacitors, primary cells, secondary batteries, fuel cells, and the like. A high quality wide impedance spectrum can be measured from the system targeted at the minimum time theoretically possible. Especially, the portable battery pack nondestructive evaluation using AC impedance measurement technology with high accuracy, fast measurement speed and simple measurement device An apparatus and a multi-channel measuring system and method using the same are provided.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연산에 필요한 메모리의 크기가 작고, 특정계의 선형성의 평가가 가능하며, 측정의 질과 측정계의 선형성을 분석함에 있어서 주파수 영역 측정값에 신뢰구간을 설정하는 등의 표준적 통계 수단을 얻을 수 있는 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치와 이를 이용한 다채널 측정 시스템 및 방법을 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention is to reduce the size of the memory required for the calculation, to evaluate the linearity of the specific system, and to set the confidence interval in the frequency domain measurement in analyzing the quality of the measurement and the linearity of the measurement system. The present invention provides a portable battery pack nondestructive evaluation apparatus using AC impedance measurement technology to obtain standard statistical means, and a multi-channel measurement system and method using the same.
도 1은 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 방법의 흐름도.1 is a flow chart of a non-destructive evaluation method for a portable battery pack using the alternating current impedance measurement technology according to the present invention.
도 2는 교류 임피던스 측정방법에 대한 흐름도.2 is a flowchart illustrating a method of measuring AC impedance.
도 3는 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치의 블록도.Figure 3 is a block diagram of a non-destructive evaluation device for a portable battery pack using the alternating current impedance measurement technology according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치를 이용한 다채널 측정 시스템의 블록도.Figure 4 is a block diagram of a multi-channel measurement system using a portable battery pack nondestructive evaluation apparatus according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 처리장치 2 : 출력장치1: processing device 2: output device
3 : 대역폭제어기 4 : 검출장치3: bandwidth controller 4: detection device
5 : 변환장치 6 : 전력증폭기5: inverter 6: power amplifier
7 : 원격제어장치 21 : 교류발생기7: Remote control device 21: AC generator
22 : 감쇠기 25 : 믹서22: attenuator 25: mixer
26 : 바이어스 공급기 27 : 슬로프 리미터26: bias supply 27: slope limiter
41 : 전압검출기 46 : 전류검출기41: voltage detector 46: current detector
51 : 전압보상 DAC 51' : 전류보상 DAC51: voltage compensation DAC 51 ': current compensation DAC
52, 52' : 믹서 53, 53' : 증폭기52, 52 ': mixer 53, 53': amplifier
54, 54' : 저대역 통과필터 55 : 전압 ADC54, 54 ': low pass filter 55: voltage ADC
55' : 전류 ADC55 ': current ADC
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 방법은, 측정에 필요한 인가신호를 생성하는 단계와, 축전지에서 검출된 검출신호를 인가신호에 보상하는 단계와, 상기 보상된 인가신호를 축전지에 인가하는 단계와, 상기 보상된 인가신호가 인가된 축전지의 전압 및 전류를 검출하는 단계와, 상기 검출된 신호에 시스템 오차 성분을 보상하는 단계와, 상기 오차 성분이 보상된 신호를 디지털신호로 변환하는 단계 및 상기 변환된 신호와 인가신호에 의하여 축전지의 구동특성을 산출하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.Portable battery pack non-destructive evaluation method using the AC impedance measurement technology according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of generating an applied signal required for the measurement, the step of compensating the detected signal detected in the battery to the applied signal; Applying the compensated applied signal to a storage battery, detecting a voltage and a current of the battery to which the compensated applied signal is applied, compensating a system error component to the detected signal; And converting the compensated signal into a digital signal and calculating driving characteristics of the storage battery according to the converted signal and the applied signal.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류 임피던스 측정방법은, 단일 정현파 방법, 복수 중첩 정현파 방법 또는 라플라스 변환 방법 등으로 축전지에 인가신호를 인가하는 단계와, 상기 인가신호에 따른 응답신호를 검출하는 단계와, 상기 검출된 응답신호의 DC 바이어스를 제거하는 단계와, 상기 DC 바이어스가 제거된 응답신호를 가변 주파수 필터링하는 단계와, 상기 필터링된 응답신호를 원하는 샘플링 속도로 디지털 변환하는 단계와, 상기 인가신호 및 응답신호를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변역으로 해석 가능한 매개함수에 근사하는 단계 및 상기 근사를 통해 얻어진 매개인자 값을 사용하여 주파수 영역의 임피던스 함수를 구하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.AC impedance measuring method according to the present invention for achieving the above object, the step of applying an application signal to the battery by a single sine wave method, a plurality of superimposed sine wave method or a Laplace transform method, and the like, and detecting a response signal according to the applied signal Removing the DC bias of the detected response signal, variable frequency filtering the response signal from which the DC bias is removed, digitally converting the filtered response signal to a desired sampling rate, and Approximating the applied signal and the response signal to a parametric function that can be interpreted as a fast Fourier transform or Laplace transform, and obtaining an impedance function in the frequency domain using the parameter values obtained through the approximation.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치는, 측정에 필요한 인가신호를 선택하고, 시스템 내부 오차에 따른 전압 및 전류 보상신호를 제공하며, 그에 따른 측정결과신호를 분석하여 축전지의 구동특성에 대한 데이터를 산출하는 처리장치와, 축전지에서 출력되는 전압 및 전류를 검출하여 직류 바이어스 성분과 잡음 성분을 제거하는 검출장치와, 상기 처리장치에서 선택된 인가신호를 출력하는 출력장치와, 상기 출력장치에서 출력된 신호에 검출장치에서 검출된 신호를 보상하고 대역폭을 제한 또는 차단하는 대역폭제어기와, 상기 제어기에서 보상된 신호를 증폭하여 축전지에 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하기위한 인가하는 전력증폭기와, 상기 검출장치에서 검출된 신호에 처리장치로부터 제공된 보상신호를 보상하여 측정결과신호를 출력하는 변환장치 및 데이터의 고속전송을 원활히 하며 게인 및 옵셋 에러를 보정하는 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the portable battery pack non-destructive evaluation device using the AC impedance measurement technology according to the present invention for achieving the above object, selects the applied signal for the measurement, and provides a voltage and current compensation signal according to the internal error of the system, A processing device for calculating data on driving characteristics of the battery by analyzing the measurement result signal according to the measurement result, a detecting device for removing a DC bias component and a noise component by detecting a voltage and a current output from the battery, and a selection device selected from the processing device. An output device for outputting an applied signal, a bandwidth controller for compensating the signal detected by the detection device and limiting or blocking the bandwidth of the signal output from the output device, and amplifying the signal compensated by the controller to generate a constant voltage or a constant current in the battery A power amplifier for continuously applying the Compensating the compensation signal provided from the processing device to the detected signal to output the measurement result signal, and the asynchronous FIFO / gain and offset error compensator to facilitate the high-speed transmission of data and correct the gain and offset errors .
이하에서 상기한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 방법의 흐름도로서, 구동특성을 측정하기 위한 축전지에 인가되는 인가신호, 예를 들어 사인신호·펄스신호·스텝신호 등의 크기 등을 생성(S101)하며, 상기 인가신호는 직류성분과 교류성분이 포함된 합성신호이다.1 is a flowchart of a non-destructive evaluation method for a portable battery pack using an alternating current impedance measurement technique according to the present invention, wherein an applied signal applied to a storage battery for measuring driving characteristics, for example, a sine signal, a pulse signal, a step signal, and the like. A magnitude and the like are generated (S101), and the applied signal is a synthesized signal including a DC component and an AC component.
그리고, 현재 축전지에서 출력되는 전압 및 전류에 의하여 검출신호의 크기가 달라질 수 있기 때문에, 축전지에서 검출된 검출신호를 상기 인가신호에 보상(S102)한다.In addition, since the magnitude of the detection signal may vary depending on the voltage and current currently output from the battery, the detection signal detected by the battery is compensated for by the application signal (S102).
상기 보상된 인가신호를 축전지에 인가(S103)하여, 그에 따른 축전지의 전압 및 전류를 검출(S104)한다.The compensated application signal is applied to the storage battery (S103), thereby detecting the voltage and current of the storage battery (S104).
상기 검출된 신호는 시스템 내부의 오차(잡음, 감쇠 등)에 따른 전압 및 전류 보상데이터를 입력받아 보상(S105)한 후, 디지털신호로 변환(S106)하며, 상기 변환된 신호와 측정을 위해 인가된 인가신호를 비교하여 축전지의 구동특성을 산출(S107)한다.The detected signal is compensated by receiving voltage and current compensation data according to an error (noise, attenuation, etc.) in the system (S105), and then converted into a digital signal (S106), and applied for the converted signal and measurement. The driving characteristic of the storage battery is calculated by comparing the applied signal (S107).
이때, 상기 구동특성을 산출하는 방법으로는 특정한 매개 함수(Carrier function)를 이용한 라플라스 변환법을 사용하며, 그 목적을 달성할 수 있는 것이면 특정한 것에 제한을 두지 않음은 물론이다.In this case, the driving characteristic is calculated using a Laplace transform method using a specific Carrier function. Of course, if the purpose can be achieved, no particular limitation is imposed.
도 2는 교류 임피던스 측정방법에 대한 흐름도로서, 단일 정현파 방법(Single sine wave method), 복수 중첩 정현파 방법(Multi sine wave method) 또는 라플라스 변환 방법(Carrier-function Laplace method)으로 축전지(B)에 정전압 또는 정전류 등의 인가신호를 인가(S201)하고 응답신호 즉, 전압 및 전류의 변화를 검출(S202)한다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for measuring an alternating impedance, wherein a constant voltage is applied to a storage battery B using a single sine wave method, a multi-sine wave method, or a carrier-function Laplace method. Alternatively, an application signal such as a constant current is applied (S201), and a response signal, that is, a change in voltage and current is detected (S202).
그리고, 검출한 전압 및 전류의 응답 신호의 DC 바이어스를 제거(S203)한 후, 응답신호의 고주파 성분을 차단하기 위하여 가변 주파수 필터링(S204)을 수행한다.After removing the DC bias of the response signal of the detected voltage and current (S203), variable frequency filtering (S204) is performed to block high frequency components of the response signal.
즉, 디에스피(DSP : Digital Signal Processor)의 제어에 따라 입출력장치를 통해 출력된 디지털신호에서 아날로그 신호로 변환된 전압 및 전류 DC 바이어스를 각각 감산하여 바이어스를 제거하고, 측정오차 및 누설분에 대한 전압을 보상하고 아날로그/디지털 변환기의 분해능을 높이기 위하여 풀스케일 레인지(Full Scale Range)로 증폭하여 출력하여, 출력된 신호의 고주파 성분을 차단하기 위하여 가변 주파수 필터링한다.That is, under the control of the DSP, the bias voltage is removed by subtracting the voltage and current DC bias converted from the digital signal output through the input / output device to the analog signal, respectively, and the voltage for the measurement error and leakage component. In order to compensate and improve the resolution of the analog-to-digital converter, the amplifier is amplified and output in a full scale range, and variable frequency filtering is performed to block high frequency components of the output signal.
상기 필터링된 전압 및 전류를 원하는 샘플링 속도로 디지털 신호로 변환(S205)하고, 특성 임피던스 측정 수단에서 디지털 변환된 인가신호 및 응답신호를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변역으로 해석 가능한 매개함수에 근사(S206)하고, 최적 근사를 통해 얻어진 매개인자 값을 사용하여 주파수 영역의 임피던스 함수(S207)를 구한다.The filtered voltage and current are converted into a digital signal at a desired sampling rate (S205), and the applied signal and response signal digitally converted by the characteristic impedance measuring unit are approximated to a median function capable of interpreting the fast Fourier transform or the Laplace transform (S206). Then, the impedance function (S207) in the frequency domain is obtained using the parameter values obtained through the best approximation.
여기서, 상기 매개함수에 근사하고 임피던스 함수를 구하는 방법은 등록특허 제10-0317598호 ‘라플라스 변환 임피던스 측정방법 및 측정장치’에서 기재된 방법을 이용할 수 있으며, 특정한 방법에 제한하는 것은 아니다.Here, the method of approximating the median function and obtaining the impedance function may use the method described in "Laplace transform impedance measuring method and measuring apparatus" No. 10-0317598, but is not limited to a specific method.
도 3는 본 발명에 의한 교류 임피던스 측정기술을 이용한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치와 이를 이용한 다채널 측정 시스템의 블록도로서, 처리장치(1)에서 구동특성을 측정하기 위한 축전지(B)에 인가되는 인가신호, 예를 들어 사인신호·펄스신호·스텝신호 등의 크기 등을 선택하여 출력장치(2)에서 출력되는 인가신호의 출력을 제어한다.3 is a block diagram of a portable battery pack non-destructive evaluation apparatus using the AC impedance measuring technology according to the present invention and a multi-channel measuring system using the same, which is applied to the storage battery B for measuring driving characteristics in the processing apparatus 1. The output of the applied signal output from the output device 2 is controlled by selecting the magnitude of the applied signal, for example, a sine signal, a pulse signal, a step signal, and the like.
이때, 상기 처리장치(1)에서 출력되는 신호는 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)를 거쳐 출력장치(2)로 인가되며, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)은 데이터의 고속전송을 원활히 하며 게인 및 옵셋 에러를 보정한다.At this time, the signal output from the processing device 1 is applied to the output device 2 via the asynchronous FIFO / gain and offset error corrector 8, and the asynchronous FIFO / gain and offset error corrector 8 is It facilitates high speed transmission and compensates for gain and offset errors.
상기 처리장치(1)의 제어에 의하여 출력장치(2)의 교류발생기(21)에서는 인가신호의 교류성분을 생성하고, 바이어스공급기(26)에서는 인가신호의 직류성분을 생성한다.By the control of the processing device 1, the AC generator 21 of the output device 2 generates an AC component of the applied signal, and the bias supply 26 generates a DC component of the applied signal.
이때, 상기 교류발생기(21)에서 발생되는 교류성분의 PP(Peak to peak) 전압은 수십 ㎷ 단위이며, 필요에 따라 감쇠를 해야 하므로 PP 전압을 감쇠하기 위한 감쇠기(22)를 거치게 된다.At this time, the peak to peak (PP) voltage of the AC component generated by the AC generator 21 is in the unit of several tens of kHz and needs to be attenuated if necessary, and thus passes through the attenuator 22 for attenuating the PP voltage.
또한, 상기 바이어스공급기(26)에서 발생되는 직류성분은 축전지(B)의 가상 동작점을 설정하거나 DC옵셋을 ‘0’으로 설정하기 위한 것이며, 안정화 시간(settling time)동안 오실레이션(oscillation)하기 때문에 이 부분을 제거하기 위한 슬로프 리미터(27)를 거치게 된다.In addition, the DC component generated by the bias supply 26 is to set the virtual operating point of the battery B or to set the DC offset to '0', and to oscillate during the settling time. As a result, a slope limiter 27 is removed to remove this portion.
상기 감쇠기(22)와 슬로프 리미터(27)를 거친 교류성분과 직류성분은 가산기(25)에서 합성되어 교류성분 및 직류성분을 포함한 인가신호가 출력된다.The AC component and the DC component passing through the attenuator 22 and the slope limiter 27 are synthesized by the adder 25 to output an application signal including the AC component and the DC component.
상기 가산기(25)에서 출력되는 인가신호는 대역폭제어기(3)로 입력되며, 상기 대역폭제어기(3)는 검출장치(4)에서 검출되는 전압 및 전류의 검출신호를 입력받아 상기 인가신호를 보상하며, 대역폭을 제한 또는 차단하여 과부하로부터 안정한 동작을 하도록 한다.The application signal output from the adder 25 is input to the bandwidth controller 3, and the bandwidth controller 3 receives the detection signal of the voltage and current detected by the detection device 4 to compensate for the application signal. In order to ensure stable operation from overload, the bandwidth is limited or blocked.
상기 대역폭제어기(3)에서 보상된 인가신호는 정전압 또는 정전류를 연속적으로 인가하기위한 전력증폭기(6)에서 증폭되어 축전지(B)에 인가되며, 이때 형성되는 축전지(B)의 전압 및 전류는 검출장치(4)의 전압검출기(41)와 전류검출기(46)에 의하여 검출되고, 상기 전류검출기(46)에서 검출된 전류는 전류/전압 변환기(47)에서 전압으로 변환된다.The applied signal compensated by the bandwidth controller 3 is amplified by the power amplifier 6 for continuously applying the constant voltage or the constant current and is applied to the battery B. At this time, the voltage and the current of the battery B formed are detected. Detected by the voltage detector 41 and the current detector 46 of the device 4, the current detected by the current detector 46 is converted into a voltage in the current / voltage converter 47.
여기서, 상기 검출장치(4)는 교류입력만을 검출하기 위하여 직류 바이어스 전압 및 전류 성분과 잡음성분을 제거한다.Here, the detection device 4 removes the DC bias voltage, the current component and the noise component to detect only an AC input.
상기 검출장치(4)에서 검출된 전압 및 전류는 변환장치(5)를 거쳐 디지털신호(Digital signal)로 변환된 후, 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8')를 거쳐 처리장치(1)로 입력되며, 상기 처리장치(1)는 인가신호와 검출신호에 의하여 축전지(B)의 구동특성 데이터를 산출하게 된다.The voltage and current detected by the detection device 4 are converted into a digital signal via the converter 5, and then through the asynchronous FIFO / gain and offset error corrector 8 '. The processing apparatus 1 calculates driving characteristic data of the storage battery B based on the application signal and the detection signal.
상기 처리장치(1)는 디지털 전압 및 전류를 고속 푸리에 변환 또는 라플라스 변환 매개함수로 근사화하고, 임피던스 스펙트럼을 발생시켜 연산결과를 분석 및 저장한다.The processing apparatus 1 approximates the digital voltage and current with a fast Fourier transform or Laplace transform median function, generates an impedance spectrum, and analyzes and stores the calculation result.
여기서, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)(8')에 의해 고속처리가 가능하기 때문에 측정범위를 충분히 확장할 수 있다.Here, the high speed processing is possible by the asynchronous FIFO / gain and offset error corrector 8 (8 '), so that the measurement range can be sufficiently extended.
그리고, 상기 변환장치(5)는 처리장치(1)로부터 시스템 내부의 오차(잡음, 감쇠 등)에 따른 전압 및 전류 보상데이터를 입력받아, DC 바이어스 전압보상DAC(Digital to Analog Converter)(51)와 DC 바이어스 전류보상DAC(51')에서 아날로그신호(Analog signal)로 변환되며, 상기 변환된 전압 및 전류 보상데이터는 검출장치(4)에서 검출된 전압 및 전류의 검출신호와 가산기(52)(52')에서 합성된다.In addition, the converter 5 receives voltage and current compensation data according to an error (noise, attenuation, etc.) in the system from the processor 1, and performs a DC bias voltage compensation digital to analog converter (DAC) 51. And a DC bias current compensation DAC 51 'to an analog signal, and the converted voltage and current compensation data are detected by the detection device 4 and the adder 52 ( 52 ').
이때, 게인 및 옵셋 에러 보정기(56)(56')에서 측정오차 및 누설분에 대한 보상신호가 출력되어 상기 DC 바이어스 전압보상 DAC(51)와 DC 바이어스 전류보상 DAC(51')로 입력된다.At this time, a compensation signal for the measurement error and leakage is output from the gain and offset error compensators 56 and 56 'and input to the DC bias voltage compensation DAC 51 and the DC bias current compensation DAC 51'.
상기 가산기(52)(52')에서 합성된 신호는 증폭기(53)(53')에서 증폭된 후, 저대역 통과필터(54)(54')에서 필터링 되어 고주파성분이 제거되며, 상기 필터링된 신호는 전압ADC(Analog to Digital Converter)(55)와 전류ADC(55')에서 디지털신호로 변환되어 처리장치(1)로 입력된다.The synthesized signal from the adders 52 and 52 'is amplified by the amplifiers 53 and 53' and then filtered by the low pass filters 54 and 54 'to remove high frequency components. The signal is converted into a digital signal from a voltage ADC (Analog to Digital Converter) 55 and a current ADC 55 'and input to the processing apparatus 1.
또한, 상기 처리장치(1)에서 인가되는 인가신호와 보상신호 및 측정결과에 따른 데이터 산출방식 등은 처리장치(1)의 내부에 저장이 가능하고, 별도의 출력장치를 구비하여 각종입력신호 및 분석결과를 나타낼 수 있으며, 필요에 따라 원격제어장치(7)에 의하여 원하는 것을 선택할 수도 있다.In addition, the application signal applied from the processing device 1, the compensation signal and the data calculation method according to the measurement result, etc. can be stored in the processing device 1, and a separate output device is provided with various input signals and The analysis result can be displayed and the desired one can be selected by the remote control device 7 as necessary.
도 4는 본 발명에 의한 포터블용 배터리팩 비파괴 평가 장치를 이용한 다채널 측정 시스템의 블록도로서, 다수의 축전지(B)를 측정하기 위한 멀티측정장치(9)는 출력장치(2), 대역폭제어기(3), 검출장치(4), 변환장치(5) 및 전력증폭기(6)로 구성된 단일 모듈(M)을 다수 탑재하며, 상기 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8)에서 수신되는 데이터를 상기 단일 모듈(M)에 각각 전송하고, 각 단일 모듈(M)의 출력신호를 비동기 FIFO/게인 및 옵셋 에러 보정기(8')로 송신하는 스위칭 장치(91)로 구성된다.4 is a block diagram of a multi-channel measurement system using a portable battery pack non-destructive evaluation apparatus according to the present invention, the multi-measurement device 9 for measuring a plurality of storage battery (B) is an output device 2, a bandwidth controller (3), a plurality of single modules (M) consisting of a detection device (4), a converter (5) and a power amplifier (6) is mounted, and the data received from the asynchronous FIFO / gain and offset error corrector (8) And a switching device 91 which transmits to the single module M, respectively, and transmits the output signal of each single module M to the asynchronous FIFO / gain and offset error corrector 8 '.
uHz 대역의 저주파에서 MHz 대역의 고주파에 이르는 넓은 주파수 대역에서 1차 전지 및 2차 전지의 특성 임피던스 스펙트럼을 측정하고, 측정한 특성 임피던스 스펙트럼을 저항·축전지 및 전송선 등의 모형상수로 구성된 등가회로에 근사시켜 모형상수의 값을 계산하여, 실시간 방전법으로 사전 조사된 전지의 용량과 모형상수의 상관관계에 준하여 미지의 전지의 용량을 갖는 전지의 특성 임피던스 스펙트럼 분석에 의한 전지의 용량을 측정한다.Measure the characteristic impedance spectra of primary and secondary batteries in a wide frequency range from low frequency in the uHz band to high frequency in the MHz band, and measure the measured characteristic impedance spectrum in an equivalent circuit composed of model constants such as resistance, storage battery and transmission line. By approximating the value of the model constant, the capacity of the battery is measured by characteristic impedance spectrum analysis of a battery having an unknown battery capacity based on the correlation between the capacity of the battery previously investigated by the real time discharge method and the model constant.
이는 실시간 방전법에 비하여 측정시간이 짧고, 충전 및 방전 상태와 정밀한 상관관계를 갖는 등가회로의 모형상수를 사용하며, 이때 전지의 내부 임피던스 값과 전지용량의 상관관계는 전지의 활물질로 사용되는 화학재료의 임피던스 응답 특성에 의하여 결정되므로, 넓은 주파수 영역의 임피던스 스펙트럼을 분석하여 모형상수를 결정하는 효율성과 신뢰성이 우수하고, 축전지셀 자체의 회로에 대한 에러를 검출하여 셀자체의 고장유무 확인이 가능하다.It uses a model constant of an equivalent circuit that has a shorter measurement time and precisely correlates with the state of charge and discharge compared to the real-time discharge method, and the correlation between the internal impedance value of the battery and the battery capacity is a chemical Since it is determined by the impedance response characteristics of the material, the efficiency and reliability of determining the model constant by analyzing the impedance spectrum of a wide frequency range is excellent, and it is possible to check the failure of the cell itself by detecting an error in the circuit of the battery cell itself. Do.
이상에서 본 발명은 축전지(B)의 임피던스 측정에 대하여 설명하였으나, 모든 전기 화학소자에 적용이 가능하며, 당업자의 요구에 따라 기본 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.Although the present invention has been described with respect to the measurement of the impedance of the storage battery (B), it is applicable to all electrochemical devices, various modifications are possible within the scope without departing from the basic concept according to the needs of those skilled in the art.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 운반함수(Carrier function)를 이용한 라플라스 변환법(CFLT)은 Multi-wave FFT에서 사용하는 신호발생기를 사용하지 않으면서 측정의 정확도가 우수하고 측정시간이 FFT의 1/2로 단축되며, AC 임피던스 스펙트럼을 얻는 과정에서 DC 신호를 측정하여 수치적인 처리를 행하게 되므로 실제 측정장치의 구조는 DC 장치에 기초하고 있어 기존의 DC 충방전 시험 장치와 쉽게 결합될 수 있다.As described above, according to the present invention, the Laplace transform method (CFLT) using a carrier function has excellent measurement accuracy and a measurement time of 1 / F of the FFT without using a signal generator used in a multi-wave FFT. Since it is shortened to 2 and the numerical process is performed by measuring the DC signal in the process of acquiring the AC impedance spectrum, the structure of the actual measuring device is based on the DC device and can be easily combined with the existing DC charge / discharge test device.
또한, 축전지의 특성 인자들을 정밀 분석하면 구성 재료의 동역학 특성에 관한 유용한 정보를 얻을 수 있으며, 이러한 정보는 입자의 표면 반응 저항·확산계수·전해질 평균 저항·전도 분포 저항 등 중요 동역학 특성인자의 거동에 대한 데이터를 얻을 수 있으며, 이 결과는 재료의 혼합구성 뿐만 아니라 축전지의 온도특성·열화특성·반응 안정성 등에 대한 결정적인 정보를 제공할 것이므로, 축전지셀 자체의 회로에 대한 에러를 검출하여 셀자체의 고장유무 확인이 가능하며, 실제 축전지의 설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, the detailed analysis of the battery's characteristic factors can provide useful information on the kinetic properties of the constituent materials, which can be used to determine the behavior of important kinetic properties such as surface response resistance, diffusion coefficient, electrolyte average resistance, and conductivity distribution resistance. The data will provide critical information about the temperature characteristics, deterioration characteristics, and reaction stability of the battery as well as the mixed composition of the materials. It is possible to check whether there is a failure and to be useful in the design stage of the actual battery.
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