KR20180122385A - 주파수 응답을 사용하여 테스트 배터리의 내부 임피던스를 측정하기 위한 장치, 시스템, 및 방법 - Google Patents

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윌리엄 에이취. 모리슨
존 엘. 모리슨
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배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨
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Abstract

배터리 임피던스 테스팅 장치, 회로, 시스템, 및 관련된 방법이 개시된다. 임피던스 측정 장치는 제어 신호에 응답하여 테스트 배터리에 적용될 여기 전류 신호를 발생시키도록 구성된 전류 구동기, 및 상기 전류 구동기와 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는 자동 범위설정 모드 및 측정 모드 동안 상기 제어 신호를 발생시키도록 구성된다. 상기 자동 범위설정 모드는 각각의 진폭에서 상기 여기 전류 신호에 대한 응답을 측정하도록 복수의 상이한 진폭들에 걸쳐 상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용한다. 상기 측정 모드는 상기 자동 범위설정 모드의 결과에 응답하는 진폭에 대한 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용한다. 빠른 측정 시간으로 낮은 임피던스 배터리들에 대해 향상된 감도 및 분해능이 달성될 수 있다.

Description

주파수 응답을 사용하여 테스트 배터리의 내부 임피던스를 측정하기 위한 장치, 시스템, 및 방법
우선권 주장
본 출원은 "주파수 응답을 사용하여 테스트 배터리의 내부 임피던스 측정하기 위한 장치, 시스템, 및 방법"으로 계류중인, 2016년 3월 3일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 15/060,183의 출원일의 이익을 주장하며, 그 개시 내용은 본 명세서에서 그 전체가 참고 문헌으로 인용된다.
관련 출원들
본 출원은 2013년 6월 4일 출원된 미국 가출원 61/831,001의 이익을 주장하고 계류중인 US 2014/0358462로 공개된, 2014년 6월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 14/296,321과 연관된다. 본 출원은 또한 계류중인 2015년 7월 1일 출원된 미국 특허 출원 번호 14/789,959와 연관된다. 전술한 각각의 출원의 개시 내용은 본 명세서에서 그 전체가 참고 문헌으로 인용된다.
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지 국(Department of Energy)에 의해 지원된 계약 번호 DE-AC07-05-ID14517에 따라 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 가지고있다.
본 발명의 실시예들은 전기화학 셀들과 같은 에너지 저장 셀들의 임피던스 측정을 위한 장치, 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 에너지 저장 셀들의 건강 상태(state of health) 분석에 관한 것이다.
재충전 가능한 배터리에서의 전극들에 대한 화학적 변경은 배터리 용량, 충전 유지의 지속 기간, 충전 시간, 및 기타 기능 파라미터들에서의 열화(degradation)를 야기할 수 있다. 배터리 열화는 배터리의 수명에 대해 누적될 수 있다. 환경 요인들(예를 들면, 고온)과 기능적 요인들(예를 들면, 부적절한 충전 및 방전)은 배터리 열화를 가속시킬 수 있다. 재충전 가능한 배터리 전원에 의존하는 시스템 오퍼레이터들은 그들이 사용하는 배터리의 열화를 모니터링하는 것을 원할 수 있다. 배터리 열화의 한 가지 지표는 배터리 임피던스의 증가이다.
도 1은 전기화학 임피던스 측정(EIM) 시스템을 사용하여 여러 상이한 주파수들에서 측정된, 새로운 배터리의 임피던스 플롯(102) 및 노화된 배터리의 임피던스 플롯(104)이다. Y 축은 가상(imaginary) 임피던스이며, X 축은 도 1에 도시된 복수의 다른 주파수들에 대한 실제(real) 임피던스이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 노화된 배터리(플롯(104))는 상이한 주파수들 각각에서 새로운 배터리(플롯(102))보다 높은 임피던스를 나타낸다. 재충전 가능한 배터리에 의존하는 시스템 오퍼레이터는 도 1의 임피던스 데이터와 같은 임피던스 데이터를 사용하여, 고장이 일어나기 전에 교체 배터리가 필요한지를 결정할 수 있다. 그러한 선제(preemptive) 교체는 배터리 고장 시 발생할 수 있는 값 비싼 지체 및 재산 피해를 방지할 수 있다. 또한 배터리의 지속적인 신뢰성에 대한 지식은 상당한 양의 수명이 여전히 남아있는 배터리를 불필요하게 교체하는 것과 관련된 비용을 방지할 수 있다.
기존의 임피던스 측정 시스템은 약 500 mA의 여기 전류(excitation current) 범위에서 작동할 때 대략 0.1 mOhm의 분해능을 갖는다. 결과적으로 기존 임피던스 측정 시스템은 적절한 분해능을 갖는 10 mOhm 내부 임피던스를 나타내는 테스트 배터리의 임피던스를 결정할 수 있다. 기존 임피던스 측정 시스템의 분해능은 낮은 내부 임피던스(예를 들면, 1 mOhm)를 나타내는 테스트 배터리들에 대한 능력을 제한할 수 있다. 임피던스 측정의 다른 방법들(예를 들면, 전기화학 임피던스 분광법)은 높은 분해능을 달성할 수 있지만, 측정을 얻는데 약 10 분 정도의 시간을 요구하는 것과 같이 조정이 느릴 수 있다.
본 발명은 전기화학 셀들과 같은 에너지 저장 셀들의 임피던스 측정을 위한 개선된 장치, 시스템 및 방법과, 특히 에너지 저장 셀들의 건강 상태 분석에 관한 개선된 구성 및 방법을 제공한다.
본 명세서는 임피던스 측정 장치를 개시한다. 임피던스 측정 장치는 제어 신호에 응답하여 테스트 배터리에 적용될 여기 전류 신호(excitation current signal)를 발생시키도록 구성된 전류 구동기, 및 상기 전류 구동기와 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는 자동 범위설정 모드(auto-ranging mode) 및 측정 모드(measuring mode) 동안 제어 신호를 발생시키도록 구성된다. 상기 자동 범위설정 모드는 각각의 진폭에서 상기 여기 전류 신호에 대한 응답을 측정하도록 복수의 상이한 진폭들에 걸쳐 상기 여기 전류 신호를 테스트 배터리에 적용한다. 상기 측정 모드는 상기 자동 범위설정 모드의 결과에 응답하는 진폭에 대한 여기 전류 신호를 테스트 배터리에 적용한다.
일부 실시예들에서, 임피던스 측정 시스템이 개시된다. 상기 임피던스 측정 시스템은 테스트 배터리 및 상기 테스트 배터리에 동작 가능하게 결합된 임피던스 측정 장치를 포함한다. 상기 임피던스 측정 장치는 상기 테스트 배터리와 동작 가능하게 결합된 신호 측정 모듈 및 전류 구동기를 포함하는 전치 증폭기, 상기 전치 증폭기와 동작 가능하게 결합된 전류 제어 신호 발생기, 상기 전치 증폭기와 동작 가능하게 결합된 데이터 수집 시스템, 및 상기 전류 제어 신호 발생기 및 상기 데이터 수집 시스템과 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함한다. 상기 프로세서는, 상기 전류 구동기로 하여금 진폭들의 범위를 나타내는 여기 전류 신호를 발생하게 하도록 자동 범위설정 모드 동안 상기 전치 증폭기에 전류 제어 신호를 전송하기 위해 상기 전류 제어 신호 발생기를 제어하고, 상기 자동 범위설정 모드 동안 상기 신호 측정 모듈로부터 상기 테스트 배터리의 응답을 분석하도록 상기 데이터 수집 시스템을 제어하고, 상기 전류 구동기로 하여금 상기 자동 범위설정 모드 동안 상기 테스트 배터리의 응답에 대한 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 선택된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호를 발생하게 하도록 측정 동안 상기 전치 증폭기에 상기 전류 제어 신호를 전송하기 위해 상기 전류 제어 신호 발생기를 제어하고, 상기 테스트 배터리의 임피던스를 결정하도록 상기 측정 모드 동안 상기 신호 측정 모듈로부터 상기 테스트 배터리의 응답을 분석하기 위해 상기 데이터 수집 시스템을 제어하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 테스트 배터리의 임피던스를 측정하는 방법이 개시된다. 상기 방법은, 자동 범위설정 모드 동안 상이한 진폭들을 나타내는 복수의 펄스들을 포함하는 여기 전류 신호를 테스트 배터리에 적용하는 단계, 상기 복수의 상이한 진폭들에 걸쳐 상기 여기 전류 신호에 응답하여 상기 테스트 배터리로부터의 전기 신호를 측정하는 단계, 상기 측정 모드 동안 고정된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계로서, 상기 고정된 진폭은 상기 자동 범위설정 모드 동안 측정된 전기 신호의 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 설정되는, 상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계, 및 상기 테스트 배터리의 내부 임피던스를 결정하도록 상기 측정 모드 동안 상기 고정된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호에 응답하여 상기 테스트 배터리로부터의 전기 신호를 측정하는 단계를 포함한다.
도 1은 전기화학 임피던스 측정 시스템을 사용하여 여러 다른 주파수들에서 측정된, 새로운 배터리의 임피던스 플롯 및 노화된 배터리의 임피던스 플롯을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 테스트 배터리의 실시간 임피던스 스펙트럼 측정을 수행하도록 구성된 임피던스 측정 시스템의 단순화된 블록도이다.
도 3은 도 2의 임피던스 측정 시스템의 임피던스 측정 장치의 선택된 특징들의 단순화된 블록도이다.
도 4는 도 3의 전류 구동기의 간략화된 블록도이다.
도 5는 도 2 및 도 3의 전치 증폭기의 신호 측정 모듈의 회로도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 배터리의 임피던스 측정 시스템을 동작시키는 방법을 예시하는 흐름도이다.
다음의 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 형성하고, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로 도시한 첨부 도면이 참조된다. 이러한 실시예들은 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 그러나, 상세한 설명 및 본 발명의 실시예들의 예를 나타내는 특정 예들은 예시의 방법으로 제시된 것이지 한정하기 위한 것은 아니라는 것을 이해해야한다. 이러한 개시로부터, 본 발명의 범위 내의 다양한 치환, 변경, 추가 재배치 또는 이들의 조합이 이루어질 수 있고 이러한 것은 당업자에게는 명백하게 될 것이다.
통상적인 실시에 따르면, 도면들에 도시된 다양한 피쳐들은 축척대로 그려지지 않을 수 있다. 본 명세서에 제공된 예시들은 임의의 특정 장치(예를 들면, 디바이스, 시스템 등) 또는 방법의 실제의 뷰(view)를 의미하는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하기 위해 채용되는 단지 이상적인 표현이다. 따라서, 다양한 피쳐들의 치수들은 명확성을 위해 임의로 확장되거나 축소될 수 있다. 또한, 도면의 일부는 명확성을 위해 단순화될 수 있다. 따라서, 도면들은 주어진 장치의 모든 구성요소들 또는 특정 방법의 모든 동작들을 묘사하지 않을 수도 있다.
여기에 기술된 정보 및 신호들은 임의의 다양한 상이한 기술들 및 기법들을 사용하여 표현될 수 있다. 예를 들어, 상세한 설명 전체에서 참조될 수 있는 데이터, 지시(instructions), 명령(commands), 정보, 신호, 비트, 기호, 및 칩은 전압, 전류, 전자기파, 자기장 또는 입자, 광학 필드 또는 입자, 또는 그에 대한 임의의 조합으로 표현될 수 있다. 일부 도면들은 표현 및 설명의 명료성을 위해 신호들을 단일 신호로 나타낼 수 있다. 상기 신호는 신호들의 버스를 나타낼 수 있음을 당업자는 이해해야하며, 여기서 상기 버스는 다양한 비트 폭들을 가질 수 있고, 본 발명은 단일 데이터 신호를 포함하는 임의의 수의 데이터 신호들 상에서 구현될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록, 모듈, 회로, 및 알고리즘 동작은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 이러한 하드웨어 및 소프트웨어의 상호 교환 가능성을 명확히 설명하기 위해, 다양한 예시적인 구성요소, 블록, 모듈, 회로, 및 동작이 일반적으로 그 기능의 관점에서 설명된다. 그러한 기능성이 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되는지 여부는 전체 시스템에 부과된 특정 적용 및 설계 제약에 의존한다. 숙련된 기술자는 각각의 특정 적용에 대해 다양한 방식으로 설명된 기능을 구현할 수 있지만, 그러한 구현 결정들은 여기에 설명된 본 발명의 실시예들의 범위를 벗어나는 것으로 해석되어서는 안 된다.
또한, 실시예들은 플로챠트, 흐름도, 구조도, 또는 블록도로서 묘사된 프로세스의 관점에서 기술될 수 있음을 알아야한다. 플로챠트는 순차적 프로세스로서의 동작 실행을 기술할 수 있지만, 이들 실행들의 다수는 다른 시퀀스, 병렬 또는 실질적으로 동시에 수행될 수 있다. 또한, 실행의 순서가 재배열될 수 있다. 프로세스는 방법, 기능, 절차, 서브루틴, 서브프로그램 등에 대응할 수 있다. 또한, 여기에 개시된 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 양자 모두로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 그 기능들은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 명령어들(예를 들면, 소프트웨어 코드)로서 저장되거나 전송될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 한 장소에서 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 전달을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 통신 매체 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 예를 들어 하드 드라이브, 디스크 드라이브, 자기 테이프, CD(컴팩트 디스크), DVD(디지털 다용도 디스크 또는 디지털 비디오 디스크)와 같은 자기 및 광학 저장 장치, 고체 상태 저장 장치(고체 상태 드라이브), 및 다른 유사한 저장 장치와 같은 휘발성 및 비-휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
"제 1", "제 2" 등과 같은 지정(designation)을 사용하는 본 명세서에서의 요소에 대한 임의의 참조는 그러한 제한이 명시적으로 언급되지 않는 한, 그러한 요소의 양 또는 순서를 제한하지 않는다는 것을 이해해야한다. 오히려, 이러한 지정들은 본 명세서에서 둘 이상의 요소들 또는 요소의 사례들 사이를 구별하는 편리한 방법으로서 본 명세서에서 사용될 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 요소들에 대한 참조는 단지 2 개의 요소들이 이용될 수 있거나 또는 제 1 요소가 어떤 방식으로 제 2 요소보다 선행되어야한다는 것을 의미하지 않는다. 또한, 달리 언급되지 않는 한, 요소들의 세트는 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어 저항기, 캐패시터, 및 트랜지스터와 같은 회로 요소들을 기술할 때, 상기 회로 요소들에 대한 지정자(designators)는 요소 유형 지정자(예를 들면, R, C, M)로 시작하고, 이어서 숫자 표시자(numeric indicator)가 따른다.
본 명세서에서 사용된 용어 "에너지 저장 셀" 및 "에너지 저장 셀들"은 화학 에너지를 에너지 저장 셀의 양극 단자 및 음극 단자를 통한 직류 전압 전위로 변환시키는 재충전 가능한 전기화학 셀을 의미한다. 용어 "배터리", "셀", 및 "배터리 셀" 각각은 본 명세서에서 "에너지 저장 셀"이라는 용어와 서로 바꿔서 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "중간-범위 전압"은 50 V 부근의 전압을 의미한다. 따라서, 중간-범위의 전압은 주어진 시스템에 대해 요구되는 허용 오차에 따라서 약 90 % 내지 99 %의 변화를 갖는 약 40 V 내지 60 V의 평균 전압을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "고-범위 전압"이란 용어는 300 V 부근의 전압을 의미한다. 따라서, 고-범위 전압은 주어진 시스템에 대해 요구되는 허용 오차에 따라서 약 90 % 내지 99 %의 변화를 갖는 약 250 V 내지 350 V의 평균 전압을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "사인 곡선(sinusoid)" 및 "사인 곡선의(sinusoidal)"라는 용어는 시간에 걸쳐 사인 함수 또는 코사인 함수(예를 들면, 다양한 크기 및 위상 시프트를 가짐)에 따라서 적어도 대부분 진동하는 전기 신호(예를 들면, 전류 및 전압 전위)를 지칭한다. 당업자라면 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 사인과 코사인은 서로 간에 단지 위상 시프트된 버전이기 때문에, 임의의 주어진 사인 곡선 신호는 사인 함수 또는 코사인 함수로서 등가적으로 표현될 수 있다. 사인 곡선 신호는 본 명세서에서 에너지 저장 셀 및 션트(shunt)(예를 들면, 교정(calibration) 목적을 위한 알려진 저항값들의 저항기들)에 적용되는 것으로 개시되어있다. 몇몇 경우들에서, 이러한 사인 곡선 신호들은 본 명세서에서 더욱 구체적으로 사인 신호들 또는 코사인 신호 들로서 언급된다. 사인 신호 및 코사인 신호에 대한 이러한 특정의 언급은 사인 곡선 신호가 최초로 도전성 라인(예를 들면, 양 또는 음의 배터리 단자, 회로 기판의 도전성 트레이스, 와이어 등)에 어서트(assert)되는 시점에 대한 이러한 신호의 위상을 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "사인 곡선들의 합(sum-of-sinusoids)"("SOS")은 사인 곡선 신호들의 합에 따라 진동하는 전기 신호들을 지칭한다. SOS 신호는 사인 신호들의 합, 코사인 신호들의 합, 또는 이들의 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고조파 직교 동기 변환(HOST) SOS 신호는 각각의 연속된 고조파에 대해 사인 신호와 코사인 신호(또는 그에 대해 일부 위상 시프트된 버전) 사이에서 교호하며, 기본 주파수와 상기 기본 주파수의 연속 정수(successive integer) 고조파 주파수들을 갖는 하나 이상의 사인 곡선 신호들이 합산된 기본 사인 곡선 신호를 포함할 수 있다. HOST SOS에서 함께 합산된 고조파 신호 곡선 신호들의 직교 특성은 극심한 과도 현상을 줄이거나 제거하는 역할을 한다. 본 명세서에서는 SOS 신호를 참조하여 예들을 제공하지만, 본 발명의 실시예들은 또한 교호하는 사인들, 코사인들(alternating sines, cosines)(ASC)의 합의 신호들을 포함하는 다른 유형들의 여기 신호들(excitation signals)을 사용하는 것을 고려한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라 테스트 배터리(205)의 실시간 임피던스 스펙트럼 측정을 수행하도록 구성된 임피던스 측정 시스템(200)의 단순화된 블록도이다. 테스트 배터리(205)는 테스트중인 배터리를 지칭하며, 최종 사용자에 의해 사용 중이거나 배치된 실제 배터리일 수 있다. 임피던스 측정 시스템(200)은 테스트 배터리(205)에 동작 가능하게 결합된 임피던스 측정 장치(IMD)(210)(때때로 임피던스 측정 박스(IMB)로 지칭됨)를 포함할 수 있다. 상기 IMD(210)는 프로세서(212), 데이터 수집 시스템(DAS)(214), SOS 발생기(SOSG)(216), 전치 증폭기(218), 및 전원 공급 장치(222)를 포함할 수 있다. 상기 IMD(210)는 배터리의 건강 상태가 현장에서 모니터링될 수 있도록 다양한 상이한 환경들 및 배터리 유형들에서 사용될 수 있다. 예로서, 임피던스 측정 시스템(200)은 하나 이상의 에너지 저장 셀을 포함하는 배터리를 갖는 자동차 또는 다른 차량 내에 통합될 수 있다. 이러한 차량에는 전기 또는 하이브리드 차량이 포함될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 비-제한적인 예로서, 태양, 풍력 또는 조력 에너지 발전 시스템에 작동 가능하게 결합된 에너지 저장 셀들과 관련하는 것과 같이 비-차량 적용들에 이용되는 것이 또한 고려된다.
SOSG(216)는 전치 증폭기(218)에 의해 출력된 SOS 전류 신호를 제어하기 위해 전치 증폭기(218)에 대해 SOS 제어 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다. SOS 제어 신호는 전치 증폭기(218)로 하여금 테스트 배터리(205)의 임피던스를 테스트하기 위해 복수의 상이한 관심 주파수들을 갖는 복수의 상이한 전류 신호들의 합을 포함하는 SOS 전류 신호를 제공하게 하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, SOS 제어 신호는 전치 증폭기(218)에 의해 출력될 SOS 전류 신호에 대한 원하는 전류에 비례하는 전압 신호를 포함할 수 있다. 따라서, SOS 제어 신호는 SOS 전압 신호를 포함할 수 있다. 여기서는 SOS 신호가 예로서 사용되며, SOSG(216)는 테스트 배터리(205)에 적용하기 위해 다른 유형들의 여기 전류 신호들 제어하도록 구성되는 여기 전류 제어 신호 발생기가 될 수 있다. 따라서, SOS 신호는 본 명세서에서 테스트 배터리(205)에 적용될 수 있는 신호의 비-제한적인 예로서 사용된다.
IMD(210)는 테스트 배터리(205)의 단자들에 적용되는 SOS 전류 신호에 응답하여 상기 테스트 배터리(205)의 단자들에서 전기 신호들(206)을 측정하도록 구성될 수 있다. 전치 증폭기(218)는 테스트 배터리(205)로부터 전기 신호들(206)을 수신하는 것에 응답하여 배터리 응답 신호(예를 들면, 전압 응답 및/또는 전류 응답)를 측정하도록 구성될 수 있다. DAS(214)는 상기 배터리 응답 신호를 수신하고, SOS 제어 신호의 주파수들에서 테스트 배터리(205)의 임피던스를 계산하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, IMD(210)는 테스트 배터리(205)의 임피던스를 실질적으로 동시에 복수의 상이한 주파수들에서 테스트하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, DAS(214)는 상기 측정된 전류 응답에 의해 상기 측정된 전압 응답을 나눔으로써 테스트 배터리(205)의 임피던스 응답을 얻을 수 있다. 이러한 실시예들에서, 테스트 배터리(205)의 임피던스는 측정된 전압을 측정된 전류로 나눔으로써 결정될 수 있기 때문에 교정이 필요하지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, DAS(214)는 SOS 전류 신호(356)(도 3)에 대한 테스트 배터리(205)의 전압 응답만을 측정하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 테스트 배터리(205)의 임피던스를 결정하기 위해 교정(calibration)이 필요할 수 있다. 신호들의 실수 부 및 허수 부를 설명하기 위해 사용될 수 있는 상이한 교정 방법들(예를 들면, 단일 션트 교정(single-shunt calibration), 다중 션트 교정 등)이 고려된다. 단일 션트 방법의 경우 시간에 걸쳐 그 측정치들에 대해 표준 편차가 결정될 수 있으며, 그 시간 기록에 걸쳐 측정치들의 표준 편차에 대한 공지된 단일 션트 저항의 비를 동일시함으로써 공지되지 않은 션트 저항이 결정될 수 있다.
IMD(210)는 배터리 임피던스 스펙트럼 데이터(225)를 발생시키기 위한 데이터 처리 방법(예를 들면, 알고리즘)을 이용할 수 있다. 임피던스 스펙트럼 데이터(225)는 IMD(210)로부터 원격 컴퓨터(230)로 전송될 수 있다. 임피던스 스펙트럼 데이터(225)는 임의의 적합한 포맷(예를 들면, 콤마 분리 값(Comma Separated Values)(CSV) 포맷)으로 포맷될 수 있다. 각각의 개별 스펙트럼은 타임 스탬프, 정보 헤더를 포함할 수 있고, 임피던스 스펙트럼 데이터(225)는 주파수, 임피던스의 실수 부, 임피던스의 허수 부 및 그 스펙트럼에 대한 공통 모드 배터리 전압을 포함할 수 있다. 임피던스 스펙트럼 데이터(225)와 함께 원격 컴퓨터(230)에 전송될 수 있는 추가적인 데이터는 SOS RMS 전류와 크기 및 위상 교정 상수(magnitude and phase calibration constants)를 포함한다. 원격 컴퓨터(230)는 개인용 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 스마트폰, 서버, 차량용 컴퓨터(예를 들면, 중앙 처리 장치), 또는 다른 적절한 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다.
사용자는 범용 직렬 버스(USB) 인터페이스, 하드와이어 직렬 인터페이스, 하드와이어 병렬 인터페이스, 무선 인터페이스(예를 들면, WiFi, ZIGBEE®, BLUETOOTH®)와 같은 인터페이스 또는 다른 적합한 인터페이스를 통해 명령(235)을 사용하여 원격 컴퓨터(230)로부터 IMD(210)를 제어할 수 있다. 예를 들어, IMD(210)는 제어 제한(control constraints)을 상기 IMD(210)에 입력하거나, 내장형 시스템 진단, 교정을 수행하거나, 수동 임피던스 스펙트럼 획득을 수행할 목적으로 원격 컴퓨터(230) 또는 상기 IMD(210) 상에서의 인간 인터페이스(human interface)를 통해 제어될 수도 있다. IMD(210)는 SOS 제어 신호 내의 각각의 주파수에 대해 최소의 3-포인트 크기 및 위상 교정을 실시할 수 있다.
프로세서(212)는 DAS(214), SOSG(216), 및 전치 증폭기(218)를 동기화 및 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 측정들은 원격 컴퓨터(230)에 의해 지시된 설정 스케쥴 및/또는 제어 파라미터들에 따라 수행될 수 있다. 비-한정적인 예로서, 프로세서(212)는 원하는 파라미터들 및 명령들을 다운로드하고 다양한 측정 데이터를 업로드하도록 원격 컴퓨터(230)와 인터페이스할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 프로세서(212) 또는 메모리와 같은 도시되지 않은 다른 장치들은 처리될 때까지 획득된 배터리 응답 시간 기록을 보유하고, 보관(archive)을 위해 원하는 수의 배터리 임피던스 스펙트럼들을 보유하고, 시스템 제어 및 인터페이스 소프트웨어를 보유하고, 고분해능 SOS 샘플들을 보유하고, 임피던스 스펙트럼 제어 파라미터들을 보유하도록 적합한 버퍼 메모리를 포함할 수 있다. 상기 프로세서(212)는 또한 다운로드된 임피던스 스펙트럼 제어 및 교정 파라미터들을 받아들이고, 원격 컴퓨터(230)의 지시 하에서 보관된 배터리 임피던스 스펙트럼 데이터를 원격 컴퓨터(230)에 업로드하도록 구성될 수 있다.
동작 중에, 측정이 실행될 때, DAS(214)는 디지털 신호("Power Up")를 전원 공급 장치(222)에 전송하여 전원 공급 장치(222)가 시스템의 나머지(예를 들면, 전치 증폭기(218))에 전원을 공급하게 할 수 있다. 전기 신호들(206)은 전치 증폭기(218)에서 측정되고 아날로그 신호 "배터리 전압"으로서 DAS(214)에 입력될 수 있다. DAS(214) 또는 프로세서(212) 중 적어도 하나는 전압을 디지털화하고, 상기 디지털화된 결과를 원격 컴퓨터(230)에 전송할 수 있다. 그리고, 원격 컴퓨터(230) 또는 프로세서(212) 중 적어도 하나는 상기 측정된 DC 배터리 전압을 처리하고, DAS(214)를 사용하여 일련의 디지털 신호들(예를 들면, "벅 신호들(Buck Signals)", "벅 D/A 제어(Buck D/A Control)" 등)을 상기 전치 증폭기(218)에 적용함으로써 테스트 배터리(205)의 전체 응답으로부터 DC 전압 응답으로부터 감하도록 DC 바이어스 전압을 발생시킨다. 도 5를 참조하여 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 낮은 벅 신호(low buck signal) 및 높은 벅 신호(high buck signal)가 개선된 측정 분해능을 위해 사용되는 더 높은 이득 신호들을 달성하기 위해 발생될 수 있다.
전치 증폭기(218)가 테스트 배터리(205)에 연결되고, 원격 컴퓨터(230) 또는 프로세서(212) 중 적어도 하나는 예를 들어 SOS 제어 신호 또는 다른 적절한 측정 신호와 같은 측정 신호를 전치 증폭기(218)에 전송한다. 테스트 배터리(205)가 SOS 전류로 여기될(excited) 때, 그 단자들에 나타나는 전압은 배터리 전압에 테스트 배터리(205)의 내부 임피던스에 작용하는 SOS 전류의 임의의 전압 강하를 더한 값이 될 수 있다. 포착되고 처리될 때 테스트 배터리(205)에 대한 배터리 임피던스의 스펙트럼을 산출하게 되는 것은 이러한 SOS 전압 강하이다. 배터리 전압이 SOS 전압 강하보다 크기가 2 배 더 크게 될 수 있는 도전이 있을 수도 있다. 따라서, 그 신호를 정확하게 검출하기 위해, 상기 SOS 전압 강하를 측정하기 전에 배터리 전압을 제거(subtract)하여, A/D 변환기의 모든 분해능 비트들이 원하는 신호에 집중하게 함으로써 정확도를 크게 향상시킬 수 있다. 배터리 전압의 이러한 제거(subtraction)는 상기 SOS 전류의 적용 전에 배터리 전압을 측정하고, 이어서 전체 배터리 전압으로부터 차동 증폭기로 제거된 컴퓨터 발생 벅 전압을 피드백하여 SOS 전압만을 산출함으로써 달성될 수 있다.
한 실시예에서, SOSG(216)는 프로세서(212)의 제어 하에서 DAS(214)에 의해 사용될 샘플 클록을 합성하도록 구성될 수 있다. 샘플 클럭 주파수는 사용되는 데이터 처리 방법에 따라 다를 수 있는 레이트로 선택될 수 있다. SOSG(216)는, 프로세서(212)로 하여금 테스트 배터리(205)에 대한 SOS RMS 전류 레벨을 제어할 수 있게 하는, 평활화 필터(306)(도 3)로의 DAC 출력에 대한 프로그램 가능한 신호 레벨을 가질 수 있다. SOSG(216)는 프로세서(212)의 제어 하에서 측정 모드뿐만 아니라 자동 범위설정 모드로 동작하도록 구성될 수 있다. 자동 범위설정 모드는 측정 모드 동안 SOS 전류에 사용되어야하는 SOS 전류 진폭을 결정하기 위해 측정 모드 이전에 일어나게 될 수 있다. 상기 자동 범위설정 모드 및 상기 측정 모드는 도 6과 관련하여 이하에서 더 논의될 것이다.
DAS(214)는 원하는 분해능(예를 들면, 16 비트, 32 비트 등)으로 구성될 수 있고, 예를 들어 1 kHz 내지 100 kHz 범위일 수 있는 클록 주파수로 SOSG(216)로부터 외부 샘플 클럭을 받아들일 수 있다. DAS(214)는 프로세서(212)로부터 인에이블 신호를 받아서, 그 자동 범위설정 모드 또는 그 측정 모드 동안 테스트되는 테스트 배터리(205)에 대한 SOS 전류 신호의 적용과 동시에 데이터를 획득하기 시작할 수 있다. DAS(214)는 디지털화를 위해 전치 증폭기(218)에 의해 컨디셔닝된 아날로그 배터리 전압 신호를 수용할 수 있다. DAS(214)는 메모리(도시되지 않음)에 업로드하기 위해 디지털화된 배터리 전압 신호의 샘플을 보유하는 버퍼 메모리를 포함할 수 있다. 획득된 샘플들 각각은 데이터 처리 방법에 입력되는 시간 기록 어레이의일부가 될 수 있다. 또한, DAS(214)는 SOS 전류의 적용 전에 테스트 배터리(205)의 DC 전압 및 케이스 온도의 측정치를 획득할 수 있다.
일부 실시예들에서, SOS 전류 리드들(leads)이 트위스트된 쌍으로 구성되어 퓨즈로 보호될 수 있다. 전치 증폭기(218)는 완전한 차동 배터리 전압 감지를 이용할 수 있고, SOS 전류 여기에 대한 배터리 응답으로부터 공통 모드 배터리 전압을 바이어싱하는 방법을 포함할 수 있다. 이러한 바이어싱(biasing)은 DAS(214)의 전체 분해능이 평균 배터리 전압보다는 SOS 전류에 대한 테스트 배터리 응답에 집중되도록 한다.
전치 증폭기(218) 입력 신호는 SOSG(216)로부터의 0 차 홀드(zero order hold) SOS 제어 신호일 수 있다. 전치 증폭기(218)는 평활화 필터(306)(도 3)로서 액티브 버터워스(active Butterworth) 저역 통과 필터를 포함할 수 있고, SOS 신호에 대한 0 차 홀드에 의해 도입된 주파수들에 대해 8 kHz에서의 약 1 dB 감쇠 및 60 dB 감쇠를 포함할 수 있다. 이제 SOS 제어 신호는 상기 SOS 제어 신호를 테스트 배터리(205)에 제공된 전류(예를 들면, "SOS 전류")로 변환하는 전류 구동기(308)(도 3)에 공급될 수 있다. 전치 증폭기(218)의 신호 측정 모듈(310)(도 3)은 DAS(214)에 의해 디지털화될 수 있는 배터리 응답이 되도록 배터리 전압을 검출하여 DC 벅 전압을 제거할 수 있다. 상기 결과적인 배터리 응답은 임피던스 스펙트럼을 발생시키기 위해 본 명세서에서 논의된 다양한 데이터 처리 방법들에 의해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 선택적 접속 회로(도시되지 않음)가 전치 증폭기(218)와 테스트 배터리(205) 사이에 포함되어, 테스트 배터리(205)에 의해 공급된 직류 전압으로부터 SOS 전류 신호를 제공하는 전치 증폭기(218)의 적어도 하나의 신호 라인을 분리시킬 수 있다. 결과적으로, 전치 증폭기(218)에 포함된 민감한 전자장치들은 테스트 배터리(205)에 의해 공급되는 직류 전압 전위의 극단(extremes)에 노출되지 않을 수 있다. 또한, 전치 증폭기(218)는 아날로그 접지(analog ground)가 전치 증폭기(218)의 외부로 연장되는 경우보다 적은 잡음을 받게 될 수 있다. 결과적으로, SOS 전류 신호가 테스트 배터리(205)에 보내지지 않을 때, 테스트 배터리(205)에 대한 접속은 단절될 수 있다. 전치 증폭기(218)와 테스트 배터리(205) 사이에 결합된 릴레이들을 사용하는 그러한 선택적인 접속 회로의 예는 "주파수 응답을 측정함으로써 전기화학 셀들을 테스트하기 위한 장치 및 방법"이라는 제목의 2014년 6월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 공보 번호 2014/0358462에 기술되어 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 출원의 개시 내용은 그 전체가 참고로서 통합된다.
도 3은 도 2의 임피던스 측정 시스템(200)의 IMD(210)의 선택된 피쳐들의 단순화된 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, IMD(210)는 SOS 제어 모듈(302), 디지털-아날로그 변환기(DAC)(304), 평활화 필터(306), 신호 측정 모듈(310), 및 임피던스 계산 모듈(312)을 포함할 수 있다. SOSG(216)는 상기 SOS 제어 모듈(302)과 상기 DAC(304)를 포함할 수 있다. 전치 증폭기(218)는 평활화 필터(306), 전류 구동기(308), 및 신호 측정 모듈(310)을 포함할 수 있다. DAS(214)는 임피던스 계산 모듈(312)을 포함할 수 있다.
SOS 제어 모듈(302)은 테스트 배터리(205)(도 2)의 임피던스 측정에 대해 관심이 있는 복수의 상이한 주파수들을 갖는 사인 곡선들의 합을 포함하는 디지털 SOS 신호(350)를 발생시키도록 구성될 수 있다. 디지털 SOS 신호(350)는 상기 디지털 SOS 신호(350)의 복수의 상이한 주파수들 중 가장 높은 주파수의 적어도 나이퀴스트 레이트(Nyquist rate)에서 샘플링될 수 있다. 상기 디지털 SOS 신호(350)는 또한 상기 디지털 SOS 신호(350)의 복수의 상이한 주파수들 중 최저 주파수의 적어도 하나의 주기를 나타낼 수 있다. SOS 제어 모듈(302)은 디지털 SOS 신호(350)를 DAC(304)에 제공하도록 구성될 수 있다.
DAC(304)는 디지털 SOS 신호(350)를 전치 증폭기(318)에 전송된 아날로그 신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 당업자가 이해해야하는 바와 같이, 디지털 SOS 신호(350)와 같은 디지털 신호들은 불연속 신호 레벨들의 이산적인 세트를 나타낼 수 있을 뿐이다. 결과적으로, 디지털 신호들이 아날로그 신호들로 변환될 때, 아날로그 등가물들은 단계적인 또는 "고르지 못한(choppy)" 변동을 나타낼 수 있다. 따라서, DAC(304)에 의해 발생된 아날로그 신호는 단계적인 변동들을 나타내는 고르지 못한 SOS 신호(choppy SOS signal)(352)가 될 수 있다. 이러한 고르지 못한 SOS 신호(352)는 전치 증폭기(218) 내의 평활화 필터(306)에 의해 수신될 수 있다. 일부 실시예들에서, 평활화 필터(306)는 SOSG(216) 내에 통합될 수 있다.
평활화 필터(306)는 평활한(smooth) SOS 제어 신호(354)를 제공하기 위해 고르지 못한 SOS 신호(352)를 "평활화"하도록 구성될 수 있다. 비-제한적 예로서, 평활화 필터(306)는 고르지 못한 SOS 신호(352)의 단계적인 변동들(stepwise fluctuations)을 평활하게 하도록 구성된 저역 통과 필터를 포함할 수 있다. 상기 평활한 SOS 제어 신호(354)는 전류 구동기(308)에 제공될 수 있다. 전류 구동기(308)에 제공되는 평활한 SOS 제어 신호(354)에 응답하여, 상기 전류 구동기(308)는 대응하는 SOS 전류 신호(도 2)를 테스트 배터리(205)에 전송할 수 있다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 필터는 주기적 신호들의 크기, 위상, 또는 이들의 조합을 변경할 수 있다. 또한, 필터들은 상이한 방식들로 상이한 주파수들에서 진동하는 신호들의 상이한 성분들의 크기 및 위상을 변경시킬 수 있음을 알아야한다. 따라서, 평활한 SOS 제어 신호(354)의 상이한 주파수 성분들 각각은, 적어도 부분적으로 평활화 필터(306)에 기인하여, 디지털 SOS 신호(350)의 상이한 주파수 성분들의 대응하는 크기 및 주파수로부터 크기, 주파수 또는 이들의 조합이 변경될 수 있다.
일부 실시예들에서, 평활화 필터(306)의 특성은 평활화 필터(306)의 주파수 응답을 분석적으로 추정하도록 알려질 수 있다. 일부 실시예들에서, 평활화 필터(306)에 대한 주파수 응답을 결정하기 위해 교정(calibration)이 사용될 수 있다. SOS 제어 모듈(302)은, 평활화 필터(306)가 SOS 제어 신호(354)의 상이한 주파수 성분들에 부과할 것으로 예상되는 크기, 위상, 또는 이들의 조합에서의 예상된 변화들을 고려하도록 평활화 필터(306)의 주파수 응답을 사용할 수 있다. SOS 제어 모듈(302)은, 상기 디지털 SOS 신호(350)를 발생시킬 때, 상기 예상된 변화들을 보상할 수 있다. 환언하면, SOS 제어 모듈(302)은 평활화 필터(306)의 응답을 보상하기 위해 상기 디지털 SOS 신호(350)를 사전 강조(pre-emphasize)하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 평활화 필터(306)가 상기 고르지 못한 SOS 신호(352)의 제 1 주파수 성분을 공지된 양만큼 감쇠 및 시프트할 것으로 예상되는 경우, 상기 SOS 제어 모듈(302)은 그 크기를 선제적으로(preemptively) 증가시키고, 상기 디지털 SOS 신호(350)의 대응하는 제 1 주파수 성분의 위상을 공지된 양들만큼 시프트하여 상기 예상된 변화들을 보상할 수 있다.
신호 측정 모듈(310)은 테스트 배터리(205)의 단자들에서 전기 신호들(206)을 측정하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 신호 측정 모듈(310)은 SOS 신호에 대한 테스트 배터리(205)의 전압 응답, SOS 신호에 대한 테스트 배터리(205)의 전류 응답, 또는 이들의 조합을 측정하도록 구성될 수 있다. 신호 측정 모듈(310)은 SOS 신호에 대한 테스트 배터리(205)의 측정된 응답을 나타내는 측정된 신호 데이터(360)를 임피던스 계산 모듈(312)에 제공하도록 구성될 수 있다.
임피던스 계산 모듈(312)은 신호 측정 모듈(310)로부터의 측정된 신호 데이터(360)를 사용하여 테스트 배터리(205)의 결정된 임피던스(임피던스 데이터(362))를 계산하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 측정된 신호 데이터(360)는 SOS 전류 신호(356)(도 2)에 대한 테스트 배터리(205)의 전압 응답 및 전류 응답 모두를 포함할 수 있다. 상기 임피던스 계산 모듈(312)은 복수의 상이한 주파수들 각각에 대한 임피던스 데이터(362)를 결정하기 위해 SOS 전류 신호(356)의 복수의 상이한 주파수들 각각에 대한 전류 응답에 의해 전압 응답을 분할하도록 구성될 수 있다.
비-제한적인 예로서, 측정된 신호 데이터(360)는 SOS 전류 신호(356)에 대한 테스트 배터리(205)의 전압 응답만을 포함할 수 있다. 임피던스 계산 모듈(312)은 제어 회로의 이전 또는 이후의 교정들(calibrations)로부터의 교정 데이터 및 전압 응답을 사용하여 전류 응답을 추정하도록 구성될 수 있다. 공지된 교정 응답은 공지된 임피던스의 하나 이상의 션트(shunt)에 SOS 전류 신호(356)를 적용하고 SOS 전류 신호(356)에 대한 하나 이상의 션트의 응답을 포함하는 교정 데이터를 측정 및 저장함으로써 측정될 수 있다.
임피던스 계산 모듈(312)은 디지털 SOS 신호(350)에 포함된 주파수들(즉, 고르지 못한 SOS 신호(352), SOS 제어 신호(354), 및 SOS 전류 신호(356)에 포함된 동일한 주파수들) 각각에서 테스트 배터리(205)의 결정된 임피던스를 포함하는 임피던스 데이터(362)를 제공하거나 저장하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 임피던스 데이터(362)는 임피던스 측정 시스템(200)(도 2)의 사용자에게 디스플레이 될 수 있다(예를 들면, 목록 형태, 플롯 형태, 표 형태 등의 임피던스 측정 시스템(200)의 전자 디스플레이 상에 디스플레이될 수 있다). 일부 실시예들에서, 임피던스 데이터(362)는 테스트 배터리(205)가 교체되어야하는지 여부를 결정하기 위해 자동으로 처리될 수 있고, 사용자는 상기 자동 결정을 통지받을 수 있다. 일부 실시예들에서, 임피던스 데이터(362)는 테스트 배터리(205)에 얼마나 많은 수명이 남아 있는지에 대한 추정을 결정하기 위해 자동으로 처리될 수 있다. 이러한 자동 처리는 임피던스 측정 시스템(200)에 의해 국부적으로 수행될 수 있고, 임피던스 측정 시스템(200)과 통신하도록 구성된 컴퓨팅 장치(예를 들면, 원격 컴퓨터(230))에 의해 원격적으로 수행될 수 있고, 또는 이들의 조합에 의해 수행될 수 있다. IMD(210)가 테스트 배터리(205)가 교체되어야한다는 것을 검출할 때, 경고(예를 들면, 시각적, 청각적, 또는 이들의 조합)가 제공될 수 있다.
도 4는 도 3의 전류 구동기(308)의 단순화된 블록도이다. 일부 실시예들에서, 전류 구동기(308)는 SOS 제어 신호(354)를 수신하고(예를 들면, 평활화 필터(306)(도 3)를 통해) 테스트 배터리(205)에 제공되는 SOS 전류 신호(356)를 발생시키도록 구성되는 푸시 전류원(410) 및 풀 전류원(420)을 포함하는 차동 전류원들(differential current sources)을 포함할 수 있다. SOS 전류 신호(356)는 SOS 제어 신호(354)의 전압 전위에 비례하는 전류 신호를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, SOS 전류 신호(356)는 테스트 배터리(205) 임피던스 측정을 위한 관심이 있는 주파수들을 갖는 사인 곡선 전류 신호들의 합을 포함할 수 있다.
상기 푸시 전류원(410)은 전류 IPUSH를 테스트 배터리(205)로 밀어 보내도록 구성될 수 있고, 풀 전류원(420)은 테스트 배터리(205)로부터 전류 IPULL을 인출하도록 구성될 수 있다. 전류 구동기(308)의 아날로그 접지 단자(GND)는 푸시 전류원(410)과 풀 전류원(420) 사이에서 플로팅(floated)될 수 있고 이는 테스트 배터리(205)의 단자들로부터 상기 아날로그 접지 단자(GND)를 분리시킨다. 푸시 전류원(410) 및 풀 전류원(420)은 고 임피던스 전류원들일 수 있다. 결과적으로, SOS 전류 여기 회로는 분리된 충분히 높은 임피던스 접지가 될 수 있다. 결과적으로, 시스템 아날로그 접지(GND)는 IMD(210)(도 2) 내로 이동될 수 있으며, 여기에서 많은 종래의 시스템보다 노이즈로부터 더 잘 차폐된다. 또한, 연산 증폭기들(412, 422)에 전원을 공급하는 전류 구동기 전압은 평형을 이루며(예를 들면, ± 30 V에서), 이는 전원 공급 장치(222)(도 2)로부터의 노이즈를 더욱 감소시킬 수 있다. 전류 구동기(308)에 대한 평형화된 전압들의 결과로서, 테스트 배터리(205)가 역방향으로 접속되면 전류 구동기(308)를 보호하기 위해 프로텍터가 필요하지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 푸시 전류원(410)은 연산 증폭기 전류원 구성에서 저항기들(RINA1, RINA2, RFA1, RFA2, 및 RSA)에 동작 가능하게 결합된 연산 증폭기(412)를 포함할 수 있다. 입력 저항기들(RINA1 및 RINA2)은 연산 증폭기(412)의 반전 입력 및 비-반전 입력에 각각 동작 가능하게 결합될 수 있다. 연산 증폭기(412)의 비-반전 입력은 저항기(RINA2)를 통해 SOS 제어 신호(354)를 수신하도록 구성될 수 있다. 연산 증폭기(412)의 반전 입력은 저항기(RINA1)을 통해 아날로그 접지(GND)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 저항기들(RINA1 및 RINA2)은 동일한 저항값(RINA)을 갖도록 선택될 수 있다.
연산 증폭기(412)의 반전 입력은 또한 저항기(RFA1)을 통해 연산 증폭기(412)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 연산 증폭기(412)의 비-반전 입력은 저항들(RFA2 및 RSA)를 통해 연산 증폭기(412)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. RFA1 및 RFA2의 저항은 동일한 저항 값(RFA)을 갖도록 선택될 수 있다. 푸시 전류원(410)의 출력은 저항기들(RFA2 및 RSA) 사이에 위치될 수 있다. 따라서, SOS 전류 신호(356)의 푸시 부분은 저항기들(RFA2와 RSA) 사이에 제공될 수 있다. 이와 같이 구성되면, 푸시 전류원(410)에 의해 제공되는 SOS 전류 신호(356)의 푸시 부분은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00001
여기에서, IPUSH는 푸시 전류원(410)에 의해 제공된 전류이고, VSOSCONTROL은 SOS 제어 신호(354)의 전압 전위이다. 이 표현을 살펴보면 알 수 있듯이, IPUSH는 VSOSCONTROL에 비례한다.
일부 실시예들에서, 풀 전류원(420)는 연산 증폭기 전류원 구성에서 저항기들(RINB1, RINB2, RFB1, RFB2 및 RSB)에 동작 가능하게 결합된 연산 증폭기(422)를 포함할 수 있다. 입력 저항기들(RINB1 및 RINB2)은 연산 증폭기(422)의 반전 입력 및 비-반전 입력에 각각 동작 가능하게 결합될 수 있다. 연산 증폭기(422)의 반전 입력은 저항기(RINB1)을 통해 SOS 제어 신호(354)를 수신하도록 구성될 수 있다. 연산 증폭기(422)의 비-반전 입력은 저항기(RINB2)를 통해 아날로그 접지(GND)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 저항기들(RINB1 및 RINB2)은 동일한 저항 값(RINB)을 갖도록 선택될 수 있다.
연산 증폭기(422)의 반전 입력은 또한 저항기(RFB1)을 통해 연산 증폭기(422)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 연산 증폭기(412)의 비-반전 입력은 저항기들(RFB2 및 RSB)을 통해 연산 증폭기(422)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. RFB1 및 RFB2의 저항은 동일한 저항 값(RFB)을 갖도록 선택될 수 있다. 풀 전류원(420)의 출력은 저항기들(RFB2와 RSB) 사이에 위치될 수 있다. 따라서, SOS 전류 신호(356)의 풀 부분(IPULL)은 저항기들(RFB2와 RSB) 사이의 노드에 의해 인출될 수 있다. 이와 같이 구성되면, 풀 전류원(420)에 의해 인출된 SOS 전류 신호(356)의 풀 부분(IPULL)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00002
여기에서, IPULL은 풀 전류원(420)에 의해 인출된 전류이고, VSOSCONTROL은 SOS 제어 신호(354)의 전압 전위이다. 이 식을 살펴보면 명확한 바와 같이, IPULL은 VSOS CONTROL에 비례한다. 푸시 전류원 및 풀 전류원을 포함하는 구성에 관한 추가적인 세부 사항은 "주파수 응답을 측정함으로써 전기화학 셀들을 테스트하기 위한 장치 및 방법"이라는 제목의 2015년 7월 1일 출원된 미국 특허 출원 번호 14/789,959 호에 기술된다. 전술한 바와 같이, 이 출원의 개시 내용은 위에서 그 전체가 참고로 통합된다. 일부 실시예들에서, 전류 구동기(308)는 도 4의 푸시-풀 전류 구동기 대신에 단일 종단의(single-ended) 전류 구동기를 포함할 수 있다. 상기 단일 종단의 전류 구동기의 예는 "주파수 응답을 측정함으로써 전기화학 셀들을 테스트하기 위한 장치 및 방법"이라는 제목의 2014년 6월 4일자로 출원된 미국 특허 출원 공보 번호 2014/0358462에 기술된다. 전술한 바와 같이, 이 출원의 개시 내용은 위에서 그 전체가 참고로 통합된다.
도 5는 도 2 및 도 3의 전치 증폭기(218)의 신호 측정 모듈(310)의 회로도를 도시한다. 상기 신호 측정 모듈(310)은 높은 범위 전압 시스템들(예를 들면, 약 300 V)뿐만 아니라 중간 범위 전압 시스템들(예를 들면, 약 50 V)과 함께 사용하기에 적합할 수 있다. 다른 전압 범위들도 역시 고려된다. 상기 신호 측정 모듈(310)은 제 1 이득 스테이지(연산 증폭기(510)) 및 상기 제 1 이득 스테이지로부터 캐스케이드되는 추가적인 이득 스테이지들(연산 증폭기들(520, 530))로서 동작 가능하게 결합된 복수의 연산 증폭기들(510, 520, 530)을 포함한다. 상기 제 1 이득 스테이지는 제 1 이득(이득 A)을 나타내고, 제 2 이득 스테이지는 제 2 이득(이득 B)을 나타내고, 제 3 이득 스테이지는 제 3 이득(이득 C)을 나타낸다.
테스트 배터리(205)는 감쇠기로서 작동하는 제 1 증폭기(510)에 접속될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 테스트 배터리(205)의 양극 단자는 제 1 증폭기(510)의 반전 입력에 결합될 수 있으며(예를 들면, 저항기(R1)를 통해), 테스트 배터리(205)의 음극 단자는 제 1 증폭기(510)의 비-반전 입력에 결합될 수 있다(예를 들면, 저항기들(R2, R3)의 전압 분배기를 통해). 제 1 증폭기(510)의 출력(즉, 출력 A)은 DAS(214)(도 2)로 복귀될 수 있다. 저항기들(R1, R2, R3, 및 R4)의 값들은 원하는 이득 A에 대해 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이득 A는 대략 -0.166이다. 따라서, 출력 A로서 DAS(214)에 전송된 전압은 50 V 배터리에 대해 약 +/- 10 V의 범위 내에 있을 수 있다. 300 V 배터리의 경우, 출력 A로서 DAS(214)에 전송된 전압은 약 ± 60 V의 범위 내에 있을 수 있다.
제 2 증폭기(520)는 배터리 전압을 조절하고(condition) DAS(214)로부터 수신된 낮은 벅 신호와의 비교를 위해 적절한 전압을 설정하는데 사용될 수 있다. 특히, 제 2 증폭기(520)는 그 반전 입력에서 제 1 증폭기(510)로부터의 출력(즉, 출력 A)을 수신할 수 있고(예를 들면, 저항기 R5를 통해), 그 비-반전 입력에서 DAS(214)로부터 벅 신호를 수신할 수 있다(예를 들면, 저항기들(R6, R7)의 전압 분배기를 통해). 제 2 증폭기(520)의 출력(즉, 출력 B)은 DAS(214)로 복귀될 수 있다. 저항기들(R5, R6, R7, 및 R8)의 값들은 원하는 이득 B에 대해 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이득 B는 대략 -20(예를 들면, -19.85)이다. 따라서, 출력 B로서 DAS(214)에 전송된 전압은 50 V 배터리에 대해 약 +/- 200 V의 범위 내에 있을 수 있다(이득 A가 대략 -0.166이라고 가정). 300 V 배터리의 경우, 출력 B로서 DAS(214)에 전송된 전압은 약 ± 1.2 kV의 범위 내에 있을 수 있다(이득 A가 대략 -0.166이라고 가정).
제 3 증폭기(530)는 배터리 전압을 조절하고 DAS(214)로부터의 벅 신호와의 비교를 위해 적절한 전압을 설정하는데 사용될 수 있다. 특히, 제 3 증폭기(530)는 그 비-반전 입력에서 제 2 증폭기(520)로부터의 출력(즉, 출력 B)을 수신할 수 있으며(실례로, 저항기들(R9/R10, 및 R11)의 전압 분배기를 통해), 그 반전 입력에서 DAS(214)로부터 벅 신호를 수신할 수 있다(예를 들면, 저항기들(R13, R14)의 전압 분배기를 통해). 제 3 증폭기(530)의 출력(즉, 출력 C)은 DAS(214)로 복귀될 수 있다. 저항기들(R9, R10, R11, R12, R13, 및 R14)의 값들은 원하는 이득 C에 대해 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이득 C는 대략 +20(예를 들면, +19.95)이다. 따라서, 출력 C로서 DAS(214)에 전송된 전압은 50 V 배터리에 대해 약 +/- 4 kV의 범위 내에 있을 수 있다(이득 A는 대략 -0.166이고 이득 B는 대략 -20이라고 가정). 300 V 배터리의 경우, 출력 C로서 DAS(214)에 전송된 전압은 약 ± 24 kV의 범위 내에 있을 수 있다(이득 A는 대략 -0.166이고 이득 B는 대략 -20이라고 가정).
신호 측정 모듈(310)에 대한 전체 이득은 이득들(A, B, C) 각각의 곱이 될 수 있다. 따라서, 이득 A ≒ -0.166, 이득 B ≒ -20, 및 게인 C ≒ +20일 때, 전체 이득은 대략 +66(예를 들면, 66.4)가 될 수 있다. 상기 전체 이득은 많은 종래 시스템들(약 17 정도가 됨)과 비교하여 증가될 수 있으며, 이러한 증가된 이득(예를 들면, 약 4 배)은 신호 측정 모듈(310)의 증가된 감도 및 분해능에 기여할 수 있다. 신호 측정 모듈(310)의 이득 스테이지들에서 적어도 2 개의 바이어스 전압 피드백 라인들을 가짐으로써 전체 이득을 안전하게 증가시킬 수 있다.
출력 A, 출력 B, 및 출력 C 각각은, 벅 신호들을 발생시킬 때, 피드백을 위해 DAS(214)로 전송될 수 있다. DAS(214)는 출력 A, 출력 B, 및 출력 C로부터 수신된 피드백에 응답하여 상기 벅 신호들의 발생을 적응시키도록 구성될 수 있다. 상기 벅 신호들은 신호 측정 모듈(310)의 제 2 이득 스테이지 및 제 3 이득 스테이지의 각각에서 DAS(214)로부터 수신될 수 있다. 특히, 제 2 증폭기(520)는 그 비-반전 입력에서 낮은 벅 신호를 수신할 수 있고, 제 3 증폭기(530)는 그 반전 입력에서 높은 벅 신호를 수신할 수 있다. 그 결과, 상기 낮은 벅 신호는 제 2 증폭기(520)에 의해 제 1 증폭기(510)의 출력(출력 A)과 비교되는 전압을 정의하도록 사용되어 그 출력(출력 B)을 발생시킨다. 또한, 높은 벅 신호는 제 3 증폭기(530)에 의해 제 2 증폭기(520)의 출력(출력 B)과 비교되는 전압을 정의하는데 사용되어 그 출력(출력 C)을 발생시킨다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리의 임피던스 측정 시스템을 동작시키는 방법을 나타내는 흐름도(600)이다. 임피던스 측정 시스템은 자동 범위설정 모드 및 측정 모드에서 동작할 수 있다. 자동 범위설정 모드는 IMD가 더 넓은 임피던스의 범위를 나타내는 다양한 배터리들에 걸쳐 동작할 수 있게 한다. 동작(610)에서, IMD는 측정 모드 동안 사용할 전류 진폭을 결정하기 위해 테스트 배터리 상에서 자동 범위설정 기능을 수행할 수 있다. 동작(620)에서, IMD는 테스트 배터리의 건강 상태를 임피던스 측정 시스템에 알릴 수 있는 임피던스 측정치들을 결정하기 위해 테스트 배터리 상에서의 측정들을 수행할 수 있다. IMD의 프로세서는 측정 모드로 들어가기 전에 전류 여기 신호의 자동 범위설정을 수행하기 위해 SOSG를 제어하도록 구성될 수 있다. 예로서, 전치 증폭기의 신호 측정 모듈에 의해 원하는 벅 전압이 달성된 후에, 그러나 측정 모드 동안 임피던스 측정을 수행하기 전에, 전류 여기 신호의 자동 범위설정이 일어날 수 있다.
특히 도 3의 관점에서 동작(610)을 참조하면, SOSG(216)는 전류 구동기(308)로 하여금 증가 또는 감소하는 진폭들의 펄스들로서 SOS 전류 신호(356)를 발생시키도록 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 펄스는 제 1 진폭을 나타낼 수 있고, 제 2 펄스는 제 2 진폭을 나타낼 수 있고, 제 3 펄스는 제 3 진폭을 나타낼 수 있는, 등등이 된다. 일부 실시예들에서, 펄스들의 진폭들은 순차적으로 증가할 수 있는 반면, 다른 실시예에서는 펄스들의 진폭들은 최대에서 시작하여 순차적으로 감소할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 진폭들은 상이한 크기들이 될 수 있지만 반드시 순차적 순서는 아니다. 일부 실시예들에서, 펄스들의 시퀀스는 한 주기의 사인파(예를 들면, 100 Hz)에 걸쳐 수행될 수 있다. 이러한 자동 범위설정 펄스들에 대한 전압 응답은 DAS(214)에 의해 분석될 수 있으며, 이것은 측정 단계 동안 어떤 SOS 전류 레벨이 사용될 것인지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, DAS(214)는 측정 신호들에서 전압 클리핑(voltage clipping)이 일어나기 전에 펄스들의 시퀀스에서 어느 펄스가 마지막 펄스인지를 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 펄스는 RMS 여기 전류의 신속한 결정을 가능하게 하기 위해 1 Hz 이상 및 나이퀴스트 주파수 아래의 단일 주기의 사인파에 있을 수 있다. 시간 누화 보상(time crosstalk compensation)(TCTC) 방법이 이용되는 실시예들에 있어서, 포착된 시간 기록(captured time period)에서의 포화가 임피던스 측정을 손상시킬 수 있기 때문에 RMS 여기는 보수적으로 선택될 수 있다.
특히 도 3의 관점에서 동작(620)을 참조하면, 프로세서(212)는 자동 범위설정 모드의 결과에 적어도 부분적으로 기초하여 그 측정 모드 동안 SOS 전류 신호(356)를 발생시키기 위해 SOSG(216)로 하여금 전류 구동기(308)를 제어하게 하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 프로세서(212)는 자동 범위설정 모드 동안 측정된 배터리 전압의 전압 클리핑 전에 최대 진폭을 갖는 SOS 전류 신호(356)를 야기한 SOSG(216)에 대한 설정들을 사용할 수 있다. 종래의 통상의 IMD가 종종 전압 클리핑을 안전하게 피하기 위해 감소되었던 고정된 전류 레벨(예를 들면, 0.5 ARMS)을 갖는데 반하여, 본 발명의 실시예들은 증가된 이득을 갖는 가변 전류 레벨을 가질 수 있으므로, IMD는 여전히 전압 클리핑을 피하면서 측정 모드 동안 아주 근접하게 그 최고 성능에서 동작할 수 있다. 결과적으로, 여기 전류에 대한 최대 가능한 전류 진폭은 전압 클리핑이 방지되는 것을 보장하는 고정된 값으로 제한되기보다는 하드웨어가 지원하는 것(예를 들면, 2ARMS, 3ARMS, 4ARMS 등)에 의해 제한될 수 있다. 따라서, 자동 범위설정 기능은 가능한 전류 진폭들의 범위로부터 측정 모드 동안 어떤 전류 진폭을 사용할지를 결정하는데 사용될 수 있다.
측정 모드 동안, 전기 신호들(206)(도 2)로부터 테스트 배터리(205)의 임피던스를 결정하기 위해 복수의 상이한 데이터 처리 방법들이 이용될 수 있다. 일례로서, DAS(214)에 의해 사용되는 데이터 처리 방법은 예를 들어, "에너지 저장 장치의 분석에서의 누화 보상"이라는 제목의 2014년 6월 24일자로 허여된 미국 특허 8,762,109에 기술된 바와 같은 시간 누화 보상(time crosstalk compensation) (TCTC) 방법을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, DAS(214)에 의해 사용되는 데이터 처리 방법은, 예를 들어, "주파수 응답을 측정함으로써 전기화학 셀들을 테스트하기 위한 장치 및 방법"이라는 제목의 2015년 7월 1일 출원된 미국 특허 출원 번호 14/789,959에 기술된 바와 같은 HOST 방법을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 출원의 개시 내용은 위에서 그 전체가 참조로서 통합된다. 일부 실시예들에서, "주파수 응답을 측정함으로써 시스템 기능을 검출하는 방법"이라는 제목의 2012년 4월 3일에 허여된 미국 특허 8,150,643에 고속 합산 변환(FST) 방법이 개시된다. 일부 실시예들에서, DAS(214)에 의해 사용되는 데이터 처리 방법은 "주파수 응답을 측정함으로써 시스템 기능을 검출하는 방법"이라는 제목의 2013년 1월 8일자로 허여된 미국 특허 8,352,204에 개시된 트리아드 기반의(triads based) 범용 고속 합산 변환(Generalized Fast Summation Transformation)(GFST) 방법을 포함할 수 있다. 전술한 출원들의 각각의 개시는 그 전체가 참고로서 본 명세서에 포함되어 있다. 수정된 TCTC 및 HOST 방법들을 포함하는 다른 방법들도 또한 고려된다.
데이터 처리 방법은 초과-범위 포화에 대해 허용되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 전압에 대한 포착된 시간 기록은 신호 포화에 대해 검사될 수 있으며 전체 스케일의 전압보다 높거나 낮은 그 전압 시간 기록 내의 모든 샘플들은 폐기될 수 있다. 또한, 전류 시간 기록 내에서, 동일한 조건이 전체 스케일의 전류보다 높거나 낮은 전류 시간 기록 내의 폐기된 샘플들에 대해 적용될 수 있다. 결과적으로, 상기 데이터 처리 방법은 삭제된 데이터 포인트들을 보상하도록 구성될 수 있다.
일례로서, 데이터 처리 방법들 중 일부는 옥타브 고조파(octave harmonic)(예를 들면, HOST)인 주파수 확산을 갖는 SOS 신호에 기초한다. 이러한 HOST 방법의 사용으로, 주파수 확산은 다음과 같이 디케이드에 걸친(over a decade) 고조파가 되었다: 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9. 일부 실시예들에서, HOST 방법은 주파수들 간의 사인과 코사인 사이에서 교호할 수 있다. 결과적으로 사인 코사인 변환의 고조파의 확산은 주파수들 사이에 직교성의 추가 레벨을 제공한다. 또한, 전압 및 전류 시간 기록 모두가 수집되어 HOST 방법을 사용하여 주파수 도메인으로 처리된 경우, 특정 주파수에서의 전류 응답에 대한 전압 응답의 비율은 해당 주파수에서의 임피던스가 된다. 따라서 HOST 방법을 사용하는 측정은 자체 교정될 수 있으며, 양쪽 측정들이 동일한 평활화 필터에 응답하기 때문에 평활화 필터의 사전 강조(pre-emphasis)가 요구되지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, HOST 방법은 순수한 SOS 신호 대신에 교호하는 사인들, 코사인들(ASC)의 합의 신호를 이용할 수 있다. 측정 디케이드에 걸친 주파수 확산이 지나치게 미세하면, 신호 대 잡음비(SNR)는 많은 수의 주파수들로 분할된 신호 전력이 될 수 있으며 이로 인해 각각의 주파수에 대한 신호 대 잡음비가 낮아질 수 있다. 이러한 방법의 유도를 위해, 주어진 숫자 M 및 주파수들의 확산
Figure pct00003
에서
Figure pct00004
가 가정될 수 있다. HOST 방법의 경우, 테스트 배터리를 여기시키는 데 ASC 전류 신호가 사용되어, 전류 여기 신호는 식(1)에 의해 주어진다.
Figure pct00005
(1)
여기서,
Figure pct00006
는 각각의 주파수에서의 피크 전류이고,
Figure pct00007
는 샘플 시간 스텝이고,
Figure pct00008
는 컴퓨터 발생 전류이다. 포착된 전압 시간 기록은 식(2a)에 의해 주어지며, 포착된 전류 시간 기록은 식(2b)에 의해 주어진다.
Figure pct00009
(2a)
여기서,
Figure pct00010
는 전류 측정 시스템에서 임의의 DC 오프셋을 설명하고,
Figure pct00011
는
Figure pct00012
사인 주파수의 진폭이고,
Figure pct00013
은
Figure pct00014
코사인 주파수의 진폭이고,
Figure pct00015
는
Figure pct00016
사인 주파수의 위상이고,
Figure pct00017
는
Figure pct00018
코사인 주파수의 위상이다.
Figure pct00019
(2b)
여기서,
Figure pct00020
는 전압 측정 시스템에서 임의의 DC 오프셋을 설명하고,
Figure pct00021
는
Figure pct00022
사인 주파수의 진폭이고,
Figure pct00023
는
Figure pct00024
코사인 주파수의 진폭이고,
Figure pct00025
는
Figure pct00026
사인 주파수의 위상이고,
Figure pct00027
는
Figure pct00028
코사인 주파수의 위상이다.
식(2a) 및 식(2b)는 포괄적 시간 기록에 대해 식(3)으로서 해결될 수 있다:
Figure pct00029
(3)
Figure pct00030
이는 매트트릭 형태로 변환될 수 있으며, 또한 다음과 같이 간략화되다:
Figure pct00031
(4)
여기서:
Figure pct00032
여기서:
Figure pct00033
Figure pct00034
식(4)은 식(2a) 및 식(2b)을 해결하는 데 사용될 수 있으며, 이로부터 대략 다음과 같은 i 번째 주파수에서의 배터리 임피던스가 될 수 있다.
Figure pct00035
(5)
식(5)은 N 개의 남아있는 샘플들이 N ＞ (2M + 1) 일 때 폐기된 상기 포착된 시간 기록으로부터의 샘플들로 연산할 수 있다. 일부 실시예들에서, 2 차 버터워스(second order Butterworth) 저역 통과 필터가 평활화 필터(도 3)에 대해 선택될 수 있으며, 이로부터 상기 저역 통과 필터에 대해 다음과 같은 전달 함수(H(s))가 될 수 있다.
Figure pct00036
(6)
일부 실시예들에서, 상기 전달 함수(H(s))에 대한 컷-오프 주파수는 1 Hz 또는 다른 적절한 주파수로 선택될 수 있다. 여기 전류 신호는 상기 여기 전류 신호 내의 최대 주파수(예를 들면, 2 kHz)보다 큰 나이키스트 주파수로 선택될 수 있다. 선택된 여기 전류에 대한 주파수로, 상기 여기 전류 신호에 대한 진폭은 자동-범위설정 모드 동안 수행된 분석에 기초하여 선택될 수 있다. 그래서 상기 여기 전류 신호는 도 5와 관련하여 전술된 증가된 이득으로 측정 모드 동안 사용될 수 있다.
여기 전류 진폭 증가 및 이득 증가의 조합의 결과로서, 기존의 IMD들에 비해 감도(sensitivity) 및 분해능(resolution)이 향상될 수 있다. 감도 및 분해능의 향상은 예비 테스트에 기초하여 대략 10 내지 15 배까지 될 수 있다. 본 명세서에 설명된 특징들의 결과로서, IMD는 빠른 측정(예를 들면, 10초 미만)과 함께 고 분해능을 역시 유지하면서(예를 들면, 적어도 약 0.01 mOhm), 낮은 임피던스(예를 들면, 약 1 mOhm 내지 5 mOhm 사이, 약 1 mOhm 미만 등)를 나타내는 높은 전력의 배터리 셀들의 내부 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다. 그러한 특성들은 전기화학 임피던스 분광법을 사용하는 것(측정이 느림)은 물론 IMD를 사용하는(낮은 임피던스들에 대해 분해능 제한이 있음) 종래의 방법들에 비해 향상된 것이다.
추가적인 실시예들은 다음을 포함한다:
실시예 1: 임피던스 측정 장치는: 제어 신호에 응답하여 테스트 배터리에 적용될 여기 전류 신호(excitation current signal)를 발생시키도록 구성된 전류 구동기; 및 상기 전류 구동기와 동작 가능하게 결합된 프로세서로서, 자동 범위설정 모드(auto-ranging mode) 및 측정 모드(measuring mode) 동안 상기 제어 신호를 발생시키도록 구성되는, 상기 프로세서를 포함하며, 여기에서: 상기 자동 범위설정 모드는 각각의 진폭에서 상기 여기 전류 신호에 대한 응답을 측정하도록 복수의 상이한 진폭들에 걸쳐 상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하고; 상기 측정 모드는 상기 자동 범위설정 모드의 결과에 응답하는 진폭에 대한 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용한다.
실시예 2: 실시예 1의 임피던스 측정 장치는 상기 테스트 배터리에 적용되는 여기 전류 신호에 응답하여 전기 신호들을 측정하도록 구성된 신호 측정 모듈 및 상기 전류 구동기를 포함하는 전치 증폭기를 더 포함한다.
실시예 3: 실시예 1 또는 실시예 2의 임피던스 측정 장치에서, 상기 전류 구동기는 대략 20보다 큰 전체 이득을 나타낸다.
실시예 4: 실시예 3의 임피던스 측정 장치에서, 상기 전체 이득은 대략 60보다 크다.
실시예 5: 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예의 임피던스 측정 장치에서, 상기 전류 구동기는 적어도 세 개의 캐스케이드 이득 스테이지들을 포함하여, 각각의 캐스케이드 이득 스테이지로부터의 출력이 상기 프로세서로 피드백되어 상기 프로세서로부터 상기 전류 구동기로 다시 전송된 복수의 벅 전압들(buck voltages)을 결정한다.
실시예 6: 실시예 5의 임피던스 측정 장치에서, 상기 적어도 세 개의 캐스케이드 이득 스테이지들은 대략 -0.166의 제 1 이득을 나타내는 제 1 이득 스테이지, 대략 -20의 제 2 이득을 나타내는 제 2 이득 스테이지, 및 대략 20의 제 3 이득을 나타내는 제 3 이득 스테이지를 포함한다.
실시예 7: 실시예 1 내지 실시예 6 중 어느 한 실시예의 임피던스 측정 장치에서, 상기 전류 구동기는 사인 곡선들의 합(sum-of-sinusoids)(SOS) 전류 신호 또는 교호하는 사인들, 코사인들(alternating sines, cosines)(ASC)의 합의 신호 중 적어도 하나를 발생시키도록 구성된다.
실시예 8: 실시예 1 내지 실시예 7 중 어느 한 실시예의 임피던스 측정 장치에서, 상기 전류 구동기는 상기 테스트 배터리에 동작 가능하게 결합된 풀 업 전류원(pull up current source) 및 풀 다운 전류원(pull down current source)을 포함하는 차동 전류원들을 포함한다.
실시예 9: 임피던스 측정 시스템은: 테스트 배터리 및 상기 테스트 배터리에 동작 가능하게 결합된 임피던스 측정 장치를 포함하며, 상기 임피던스 측정 장치는: 상기 테스트 배터리와 동작 가능하게 결합된 신호 측정 모듈 및 전류 구동기를 포함하는 전치 증폭기; 상기 전치 증폭기와 동작 가능하게 결합된 전류 제어 신호 발생기; 상기 전치 증폭기와 동작 가능하게 결합된 데이터 수집 시스템; 및 상기 전류 제어 신호 발생기 및 상기 데이터 수집 시스템과 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하며, 여기서, 상기 프로세서는: 상기 전류 구동기로 하여금 진폭들의 범위를 나타내는 여기 전류 신호를 발생하게 하도록 자동 범위설정 모드 동안 상기 전치 증폭기에 전류 제어 신호를 전송하기 위해 상기 전류 제어 신호 발생기를 제어하고; 상기 자동 범위설정 모드 동안 상기 신호 측정 모듈로부터 상기 테스트 배터리의 응답을 분석하도록 상기 데이터 수집 시스템을 제어하고; 상기 전류 구동기로 하여금 상기 자동 범위설정 모드 동안 상기 테스트 배터리의 응답에 대한 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 선택된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호를 발생하게 하도록 측정 동안 상기 전치 증폭기에 상기 전류 제어 신호를 전송하기 위해 상기 전류 제어 신호 발생기를 제어하고; 상기 테스트 배터리의 임피던스를 결정하도록 상기 측정 모드 동안 상기 신호 측정 모듈로부터 상기 테스트 배터리의 응답을 분석하기 위해 상기 데이터 수집 시스템을 제어하도록 구성된다.
실시예 10: 실시예 9의 임피던스 측정 시스템에서, 상기 배터리는 하나 이상의 에너지 저장 셀들을 포함한다.
실시예 11: 실시예 9 또는 실시예 10의 임피던스 측정 시스템에서, 상기 데이터 수집 시스템은 상기 테스트 배터리의 임피던스를 결정하도록 데이터 처리 방법을 실행하는 임피던스 계산 모듈을 포함하며, 상기 데이터 처리 방법은 전압 시간 기록 또는 전류 시간 기록 중 적어도 하나를 포착하고(capture), 각각의 시간 기록에 대해 전체 스케일보다 높거나 낮은 전압 또는 전류 시간 기록들 내의 샘플들을 폐기하도록 구성된다.
실시예 12: 실시예 9 내지 실시예 11 중 어느 한 임피던스 측정 시스템에서, 상기 데이터 수집 시스템은 상기 테스트 배터리의 임피던스를 결정하도록 데이터 처리 방법을 실행하는 임피던스 계산 모듈을 포함하며, 상기 데이터 처리 방법은 시간 누화 보상(time crosstalk compensation)(TCTC) 방법, 고조파 직교 동기 변환(harmonic orthogonal synchronous transform)(HOST) 방법, 고속 합산 변환(FST) 방법, 및 트리아드 기반의(triads based) 범용 고속 합산 변환(Generalized Fast Summation Transformation)(GFST) 방법으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
실시예 13: 실시예 9 내지 실시예 12 중 어느 한 임피던스 측정 시스템은, 상기 임피던스 측정 장치와 동작 가능하게 결합된 원격 컴퓨터를 더 포함하고, 상기 원격 컴퓨터는 상기 임피던스 측정 장치를 제어하고 상기 임피던스 측정 장치로부터 임피던스 데이터를 수신하도록 구성된다.
실시예 14: 실시예 9 내지 실시예 13 중 어느 한 임피던스 측정 시스템에서, 상기 전치 증폭기는 상기 전류 제어 신호 발생기와 상기 전류 구동기 사이에 동작 가능하게 결합된 평활화 필터를 더 포함한다.
실시예 15: 실시예 9 내지 실시예 14 중 어느 한 임피던스 측정 시스템에서, 상기 여기 전류 신호는 상기 자동 범위설정 모드 및 상기 측정 모드 각각에 대해 사인 곡선들의 합(SOS) 전류 신호 또는 교호하는 사인들, 코사인들(ASC)의 합의 신호 중 적어도 하나를 포함한다.
실시예 16: 실시예 9 내지 실시예 15 중 어느 한 임피던스 측정 시스템에서, 상기 테스트 배터리는 약 1 mOhm과 5 mOhm 사이의 내부 임피턴스를 나타낸다.
실시예 17: 실시예 9 내지 실시예 16 중 어느 한 임피던스 측정 시스템에서, 상기 임피던스 측정 장치는 약 10초 미만의 측정 시간으로 적어도 0.01 mOhm의 분해능을 나타낸다.
실시예 18: 실시예 9 내지 실시예 17 중 어느 한 임피던스 측정 시스템은 상기 테스트 배터리를 포함하는 차량을 더 포함한다.
실시예 19: 실시예 18의 임피던스 측정 시스템에서, 상기 차량은 임피던스 측정 장치를 더 포함한다.
실시예 20: 테스트 배터리의 임피던스를 측정하는 방법은: 자동 범위설정 모드 동안 상이한 진폭들을 나타내는 복수의 펄스들을 포함하는 여기 전류 신호를 테스트 배터리에 적용하는 단계; 상기 복수의 상이한 진폭들에 걸쳐 상기 여기 전류 신호에 응답하여 상기 테스트 배터리로부터의 전기 신호를 측정하는 단계; 측정 모드 동안 고정된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계로서, 상기 고정된 진폭은 상기 자동 범위설정 모드 동안 측정된 전기 신호의 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 설정되는, 상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계; 및 상기 테스트 배터리의 내부 임피던스를 결정하도록 상기 측정 모드 동안 상기 고정된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호에 응답하여 상기 테스트 배터리로부터의 전기 신호를 측정하는 단계를 포함한다.
실시예 21: 실시예 20의 방법에서, 상기 고정된 진폭은 전압 클리핑(voltage clipping)이 자동 범위설정 모드 동안 상기 전기 신호에서 일어나도록 결정되기 전의 적어도 하나의 펄스인 상기 복수의 펄스들 내의 한 진폭에 대응한다.
실시예 22: 실시예 20 또는 실시예 21의 방법에서, 상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계는, 약 250 V 내지 350 V 사이 또는 약 40 V 내지 60 V 사이의 평균 중간 범위 전압을 나타내는 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계를 포함한다.
특정의 예시적인 실시예들이 도면들과 관련하여 설명되었지만, 당업자는 본 개시에 포함되는 실시예들이 본 명세서에 명시적으로 도시되고 기술된 실시예들로 제한되지 않음을 인식하고 인정할 것이다. 오히려, 여기에 기술된 실시예들에 대한 많은 추가, 삭제, 및 수정이 그 법적 등가물을 포함하여 이하 청구되는 청구 범위와 본 개시에 포함되는 실시예들의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 또한, 하나의 개시된 실시예로부터의 특징들은 본 발명에 포함되는 동안 다른 개시된 실시예의 특징들과 결합 될 수있다.

Claims (22)

  1. 임피던스 측정 장치에 있어서:
    제어 신호에 응답하여 테스트 배터리에 적용될 여기 전류 신호(excitation current signal)를 발생시키도록 구성된 전류 구동기; 및
    상기 전류 구동기와 동작 가능하게 결합된 프로세서로서, 자동 범위설정 모드(auto-ranging mode) 및 측정 모드(measuring mode) 동안 상기 제어 신호를 발생시키도록 구성되는, 상기 프로세서를 포함하며,
    상기 자동 범위설정 모드는 각각의 진폭에서 상기 여기 전류 신호에 대한 응답을 측정하도록 복수의 상이한 진폭들에 걸쳐 상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하고;
    상기 측정 모드는 상기 자동 범위설정 모드의 결과에 응답하는 진폭에 대한 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는, 임피던스 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 테스트 배터리에 적용되는 여기 전류 신호에 응답하여 전기 신호들을 측정하도록 구성된 신호 측정 모듈 및 상기 전류 구동기를 포함하는 전치 증폭기를 더 포함하는, 임피던스 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 구동기는 대략 20보다 큰 전체 이득을 나타내는, 임피던스 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서:
    상기 전체 이득은 대략 60보다 큰, 임피던스 측정 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 구동기는 적어도 세 개의 캐스케이드 이득 스테이지들을 포함하여, 각각의 캐스케이드 이득 스테이지로부터의 출력이 상기 프로세서로 피드백되어 상기 프로세서로부터 상기 전류 구동기로 다시 전송된 복수의 벅 전압들(buck voltages)을 결정하는, 임피던스 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 세 개의 캐스케이드 이득 스테이지들은 대략 -0.166의 제 1 이득을 나타내는 제 1 이득 스테이지, 대략 -20의 제 2 이득을 나타내는 제 2 이득 스테이지, 및 대략 20의 제 3 이득을 나타내는 제 3 이득 스테이지를 포함하는, 임피던스 측정 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 구동기는 사인 곡선들의 합(SOS) 전류 신호 또는 교호하는 사인들, 코사인들(ASC)의 합의 신호 중 적어도 하나를 발생시키도록 구성되는, 임피던스 측정 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 구동기는 상기 테스트 배터리에 동작 가능하게 결합된 풀 업 전류원(pull up current source) 및 풀 다운 전류원(pull down current source)을 포함하는 차동 전류원들을 포함하는, 임피던스 측정 장치.
  9. 임피던스 측정 시스템에 있어서:
    테스트 배터리; 및
    상기 테스트 배터리에 동작 가능하게 결합된 임피던스 측정 장치를 포함하고,
    상기 임피던스 측정 장치는:
    상기 테스트 배터리와 동작 가능하게 결합된 신호 측정 모듈 및 전류 구동기를 포함하는 전치 증폭기;
    상기 전치 증폭기와 동작 가능하게 결합된 전류 제어 신호 발생기;
    상기 전치 증폭기와 동작 가능하게 결합된 데이터 수집 시스템; 및
    상기 전류 제어 신호 발생기 및 상기 데이터 수집 시스템과 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하며,
    상기 프로세서는:
    상기 전류 구동기로 하여금 진폭들의 범위를 나타내는 여기 전류 신호를 발생하게 하도록 자동 범위설정 모드 동안 상기 전치 증폭기에 전류 제어 신호를 전송하기 위해 상기 전류 제어 신호 발생기를 제어하고;
    상기 자동 범위설정 모드 동안 상기 신호 측정 모듈로부터 상기 테스트 배터리의 응답을 분석하도록 상기 데이터 수집 시스템을 제어하고;
    상기 전류 구동기로 하여금 상기 자동 범위설정 모드 동안 상기 테스트 배터리의 응답에 대한 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 선택된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호를 발생하게 하도록 측정 동안 상기 전치 증폭기에 상기 전류 제어 신호를 전송하기 위해 상기 전류 제어 신호 발생기를 제어하고;
    상기 테스트 배터리의 임피던스를 결정하도록 상기 측정 모드 동안 상기 신호 측정 모듈로부터 상기 테스트 배터리의 응답을 분석하기 위해 상기 데이터 수집 시스템을 제어하도록 구성되는, 임피던스 측정 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리는 하나 이상의 에너지 저장 셀들을 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 데이터 수집 시스템은 상기 테스트 배터리의 임피던스를 결정하도록 데이터 처리 방법을 실행하는 임피던스 계산 모듈을 포함하며, 상기 데이터 처리 방법은 전압 시간 기록 또는 전류 시간 기록 중 적어도 하나를 포착하고(capture), 각각의 시간 기록에 대해 전체 스케일보다 높거나 낮은 전압 또는 전류 시간 기록들 내의 샘플들을 폐기하도록 구성되는, 임피던스 측정 시스템.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 수집 시스템은 상기 테스트 배터리의 임피던스를 결정하도록 데이터 처리 방법을 실행하는 임피던스 계산 모듈을 포함하며, 상기 데이터 처리 방법은 시간 누화 보상(TCTC) 방법, 고조파 직교 동기 변환(HOST) 방법, 고속 합산 변환(FST) 방법, 및 트리아드 기반의(triads based) 범용 고속 합산 변환(GFST) 방법으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 임피던스 측정 시스템.
  13. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임피던스 측정 장치와 동작 가능하게 결합된 원격 컴퓨터를 더 포함하고, 상기 원격 컴퓨터는 상기 임피던스 측정 장치를 제어하고 상기 임피던스 측정 장치로부터 임피던스 데이터를 수신하도록 구성되는, 임피던스 측정 시스템.
  14. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전치 증폭기는 상기 전류 제어 신호 발생기와 상기 전류 구동기 사이에 동작 가능하게 결합된 평활화 필터를 더 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  15. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기 전류 신호는 상기 자동 범위설정 모드 및 상기 측정 모드 각각에 대해 사인 곡선들의 합(SOS) 전류 신호 또는 교호하는 사인들, 코사인들(ASC)의 합의 신호 중 적어도 하나를 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  16. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 배터리는 약 1 mOhm과 5 mOhm 사이의 내부 임피턴스를 나타내는, 임피던스 측정 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 임피던스 측정 장치는 약 10초 미만의 측정 시간으로 적어도 0.01 mOhm의 분해능을 나타내는, 임피던스 측정 시스템.
  18. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 테스트 배터리를 포함하는 차량을 더 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 차량은 임피던스 측정 장치를 더 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  20. 테스트 배터리의 임피던스를 측정하는 방법에 있어서:
    자동 범위설정 모드 동안 상이한 진폭들을 나타내는 복수의 펄스들을 포함하는 여기 전류 신호를 테스트 배터리에 적용하는 단계;
    상기 복수의 상이한 진폭들에 걸쳐 상기 여기 전류 신호에 응답하여 상기 테스트 배터리로부터의 전기 신호를 측정하는 단계;
    측정 모드 동안 고정된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계로서, 상기 고정된 진폭은 상기 자동 범위설정 모드 동안 측정된 전기 신호의 분석에 적어도 부분적으로 기초하여 설정되는, 상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계; 및
    상기 테스트 배터리의 내부 임피던스를 결정하도록 상기 측정 모드 동안 상기 고정된 진폭을 나타내는 여기 전류 신호에 응답하여 상기 테스트 배터리로부터의 전기 신호를 측정하는 단계를 포함하는, 테스트 배터리의 임피던스를 측정하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 고정된 진폭은 전압 클리핑(voltage clipping)이 자동 범위설정 모드 동안 상기 전기 신호에서 일어나도록 결정되기 전의 적어도 하나의 펄스인 상기 복수의 펄스들 내의 한 진폭에 대응하는, 테스트 배터리의 임피던스를 측정하는 방법.
  22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
    상기 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계는, 약 250 V 내지 350 V 사이 또는 약 40 V 내지 60 V 사이의 평균 중간 범위 전압을 나타내는 여기 전류 신호를 상기 테스트 배터리에 적용하는 단계를 포함하는, 테스트 배터리의 임피던스를 측정하는 방법.
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