KR20210133231A - 임피던스 표준 - Google Patents

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얀 필립 슈미트
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Abstract

본 발명은, 전기 화학 전지, 특히 리튬 이온 전지의 임피던스를 측정하기 위해 제공된 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법에 관한 것이며, 이 방법은 다음과 같은 단계들, 즉 (a) 여기 신호를 공급하기 위한 2개 이상의 여기 연결부(A1, A2) 및 측정 신호를 결정하기 위한 2개의 측정 연결부(M1, M2)를 구비하고, 임피던스 설정값(ZSoll)에 상응하는 고정된 또는 조정 가능한 임피던스를 갖는 임피던스 표준과 임피던스 측정 장치를 연결하는 단계; (b) 여기 연결부로 전압 신호(UEin)를 인가하며 그리고 측정 연결부에서 UEin을 기반으로 임피던스 표준을 통과해서 흐르는 전류(IAUS)를 측정하는 단계; 또는 전류 신호(IEin)를 여기 연결부로 공급하며 그리고 측정 연결부에서 강하하는 전압(UAus)을 측정하는 단계; 및 (c) Z = UEin/IAUS = ZSoll 또는 Z = UAUS/IEin = ZSoll을 사용하여 임피던스(ZSoll)에 대한 임피던스 표준에 대하여 임피던스 측정 장치를 교정하는 단계를 포함하며, 이 방법은 임피던스 표준의 연결부(A1, A2, M1, M2)의 기하학적인 배열 상태가, 측정되어야만 할 임피던스를 갖는 전지의 연결부의 기하학적인 배열 상태에 상응함으로써, 결과적으로 전지와 동일한 배열 상태에서는 임피던스 표준이 임피던스 측정 장치와 접촉될 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은, 이 방법을 실행하기 위한 임피던스 표준에 관한 것이다.

Description

임피던스 표준
본 발명은, 임피던스 표준 및 해당 임피던스 표준을 이용하여 갈바니 전지용 임피던스 측정 장치를 교정하는 방법에 관한 것이다.
EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy)는 특히 또한 갈바니 전지와 같은 전기 화학 시스템을 특성화하기 위한 인증된 방법이다. 종래 기술은 또한 리튬 이온 전지의 상태를 진단하기 위한 임피던스 측정을 자동차 분야에서 사용하는 것도 교시하고 있다.
임피던스 측정은, 전지에 미리 결정된 교류 전압 신호{U(t)}를 인가함으로써 그리고 결과적으로 나타나는 교류{I(t)}를 측정함으로써 이루어질 수 있거나, 미리 결정된 교류 신호{I(t)}를 공급함으로써 그리고 이로 인해 전지에서 강하하는 교류 전압{U(t)}을 측정함으로써 이루어질 수 있다. 임피던스(Z)는 일반적으로 복소수이며, 두 가지 경우에 모두 Z = U(t)/I(t)로서 나타난다.
측정 장치를 교정하기 위해 소위 임피던스 표준이 사용될 수 있다. 임피던스 표준은 외부로는 궁극적으로 정확하게 정의되고 사전에 공지된 임피던스를 갖는 정밀 저항기처럼 동작하며, 이하에서는 또한 임피던스 설정값(ZSoll)으로서도 지칭된다.
그와 달리, 내부에서는 전형적으로 인가된 입력 신호{U(t) 또는 I(t)}로부터 상응하는 출력 신호{I(t) 또는 U(t)}를 생성함으로써, 결과적으로 방정식 ZSoll = U(t)/I(t)가 충족되는 능동 부품이다.
임피던스 표준의 사용은 이미 문헌("A Nonlinear Impedance Normal", 2012, Nordmann 외)에서 논의되었으며, 회로로서의 구현은 예를 들어 DE 10 2014 011 397 A1호에 설명되어 있다.
특별히, DE 10 2014 011 397 A1호의 임피던스 표준은, 최대 0.2 옴의 AC 전류 측정 저항 그리고 AC 전류 측정 저항에서 강하하는 작동 전압으로부터 출발하여 실제 출력 전압을 생성하는 변환 장치를 포함한다. 이 변환 장치는, 예를 들어 네거티브 피드백을 갖는 2개의 연산 증폭기를 사용하여 아날로그 기술로 구현될 수 있다. 이때, 임피던스 설정값은 예컨대 제1 연산 증폭기에서 네거티브 피드백 저항을 교체함으로써 조정될 수 있다. 디지털 기술의 일 실시예도 마찬가지로 설명된다. 이 경우, AC 전류 측정 저항에서 강하하는 전압 신호는 사전 증폭되어 A/D 변환기를 통해 디지털 신호 처리기(DSP)로 안내되며, 그 다음에 디지털 신호 처리기는 디지털 방식으로 사전 설정된 목표 임피던스를 참조하여 출력 신호를 계산하고 후속하는 D/A 변환기를 통해 출력한다.
상기 종래 기술에서는, 회로로서의 임피던스 표준의 구현이 각각 전면에 서있다. 측정 장치에 대한 임피던스 표준의 연결은 더욱 상세하게 설명되어 있지 않으며, 실제로는 바나나 플러그 등을 통해서 실현된다.
(자동차 내 배터리 셀의 경우와 같은) 저저항 샘플의 경우에는, 일반적으로 이미 케이블 배열 상태의 차이로 인해 10 ㎐를 초과하는 주파수에 대하여 상이한 측정 결과가 야기된다. 따라서, 기하학적으로 임의로 구현된 임피던스 표준을 통한 교정은, 케이블 라우팅 또는 연결 위치에 의존하는 결과를 초래한다. 결과적으로, 이와 같은 임피던스 표준은 저저항 임피던스를 갖는 샘플에 대한 테스트 스탠드의 교정을 위해 이용될 수 없다.
상기 문제점의 관점에서, 본 발명에 따라, 적어도 임피던스 표준의 연결부가 측정될 전지의 연결부와 일치하도록 임피던스 표준을 구현하는 것이 제안된다. 이와 같은 방식으로, 전지와 동일한 배열 상태에서는 임피던스 표준이 측정 장치와 연결될 수 있으며, 그리고 배선에 대한 의존도가 감소되거나 제거될 수 있다.
이로써, 테스트 스탠드의 교정에는 또한 케이블 라우팅 및 셀 홀더도 포함된다. 따라서, 10 ㎐를 초과하는 임피던스 측정 데이터는 또 다른 평가의 목적으로 이용될 수 있다. 교정에 의해서는, 이제 케이블로부터 구성 요소를 추출하기 위하여 그리고 10 ㎐ 내지 적어도 100 ㎑의 확장된 주파수 범위를 의미 있게 평가할 수 있기 위하여, 보정 기능도 도출될 수 있다.
또한, 상이한 테스트 스탠드의 비교 가능성에도 도달할 수 있다. 이로써, 다양한 테스트 스탠드에서의 측정 결과는 이제 또한 10 ㎐를 초과하는 주파수에 대해서도 정량적으로 비교될 수 있다.
도 1은 플레이트 형상의 연결 접점을 갖는 폼 팩터 PHEV-1 내에서 리튬 이온 전지의 외부 윤곽을 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 전지와 동일한 형식을 갖고 두 부분으로 구성된 자체 연결부(A1/M1 또는 M2/A1)가 전지의 연결 접점과 일치하는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 임피던스 표준의 개략도다. 인쇄 회로 기판상에 임피던스 표준의 실제 회로가 구현되어 있다.
도 3은 소스 연결부(A1 또는 A2) 및 센스 연결부(M1 또는 M2)가 옆으로 나란히 놓여 있는 본 발명에 따른 임피던스 표준의 접점의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 센스 연결부(M1, M2)가 내부에 놓여 있고 소스 연결부(A1, A2)의 접촉 표면에 의해 완전히 둘러싸여 있는 또 다른 일 실시예를 도시한다.
도 5는 센스 연결부가 소스 연결부의 접촉 플레이트 내로 밀링에 의해 삽입된 홈 내에 인레이로서 삽입되어 있는 또 다른 일 실시예를 도시한다. 센스 접점은 적어도 아래쪽으로 소스 접점에 대하여 전기적으로 절연되어 있다. 또한, 센스 접촉의 접촉 표면은 소스 접촉의 접촉 표면에 대하여 예를 들어 약 1 ㎜만큼 아래쪽으로 오프셋될 수 있다.
임피던스 측정 장치
본 발명에 따른 방법은, 갈바니 전지, 특히 리튬 이온 전지의 임피던스 측정 또는 임피던스 분광학적 검사(EIS)를 위해 제공되는 임의의 임피던스 측정 장치용으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 테스트 스탠드 측정 장치 또는 온라인 진단을 위해 전기 구동 차량 내에 고정 설치되어 있는 측정 장치일 수 있다.
측정 장치는, 여기 신호(Source)용의 하나 이상의 출력 및 측정 신호(Sense)용의 하나 이상의 입력을 구비하며, 이들 출력 및 입력은 재차 각각 2개의 연결부(Source+ 및 Source- 또는 Sense+ 및 Sense-)를 포함한다. 소스 신호는 원칙적으로 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있고, 그에 상응하게 센스 신호는 전류 신호 또는 전압 신호다. 바람직하게 소스 신호로서는 전류 신호가 사용된다(정전류 방식의 측정).
측정 주파수는 특별히 제한되어 있지 않으며, 예를 들어 5 ㎐ 내지 100 ㎑일 수 있다.
측정 장치가 전지와 연결되는 접촉 섹션은, 전체 전지가 그 내부로 삽입될 수 있는, 예를 들어 클램핑될 수 있는 고정 장치로서 설계될 수 있다. 전지의 연결부와 측정 장치의 소스 연결부 및 센스 연결부의 연결은 상응하게 고정 장치 내에 제공된 접촉 요소를 통해서 이루어질 수 있다.
대안적으로, 측정 장치는, 연결을 만들기 위하여 이 측정 장치가 전지 상에 꽂힐 수 있는 소켓 요소를 구비하거나 전체로서 전지 상에 꽂힐 수 있는 방식으로 설계될 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 측정 장치는, 또한 예를 들어 작동 진행 동안 온라인 임피던스 측정을 위한 측정 수단의 교정 및 검증을 가능하게 하기 위하여, 전기 작동 차량 내에 또는 배터리 팩 내에 고정적으로 설치될 수도 있다.
측정 장치가 본 발명에 따른 방법에 의해서 교정되어야만 하는 경우에는, 전지 대신에 이하에서 설명되는 임피던스 표준이 사용되고, 동일한 방식으로 측정 장치와 접촉된다. 완전한 메모리 내에서는, 또한 작동 중에 임피던스 측정 장치의 올바른 기능을 모니터링하기 위하여 단 하나의 메모리가 임피던스 표준으로 대체될 수도 있다.
임피던스 표준의 접점 배열 상태
본 발명에 따라 사용되는 임피던스 표준은, 소스 신호를 공급하기 위한 2개 이상의 여기 연결부(A1, A2) 및 측정 신호를 결정하기 위한 2개의 측정 연결부(M1, M2)를 구비한다. 본 발명에 따르면, 이들 연결부의 기하학적인 배열 상태가, 측정되어야만 할 임피던스를 갖는 전지의 연결부의 기하학적인 배열 상태에 상응함으로써, 결과적으로 전지와 동일한 배열 상태에서는 임피던스 표준이 임피던스 측정 장치와 접촉될 수 있게 된다.
임피던스 측정 장치가 예를 들어 PHEV1 또는 PHEV2 타입의 프리즘 형상의 전지와 같은 표준화된 폼 팩터를 갖는 전지용으로 제공되어 있고, 연결 위치도 이와 같은 폼 팩터용으로 확정되어 있는 경우, 임피던스 표준의 연결부는 상응하는 표준에서 특정된 바와 같이 연결 위치에 상응하게 된다.
일 실시예에서, 측정되어야만 할 전지는 이미 4점 접촉용으로 설계될 수 있고, 그에 상응하게 2개의 애노드 연결부 또는 캐소드 연결부를 구비할 수 있으며, 이들 연결부 중 각각 하나는 전압 측정용으로 제공되어 있다. 이 경우, 임피던스 표준의 연결부의 접촉 표면은 전지의 연결 배열 상태와 일치하도록 배열되어 있다.
대안적으로, 전지는 단 하나의 애노드 연결부 및 캐소드 연결부만을 구비한다. 이때, 상응하는 임피던스 표준에서 연결부(A1 및 E1)의 접촉 표면은, 전지의 애노드 연결부의 접촉 표면과 공동으로 일치하는 방식으로 배열되어 있다. 이와 같은 상황은, 캐소드 연결부와 관련된 연결부(A2 및 E2)에 대해서도 동일하게 적용된다.
PHEV-1 전지의 예를 사용하여 도 1에 도시된 바와 같이, 예를 들어 전지의 연결부가 플레이트 형상인 경우, 임피던스 표준의 연결부는, 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 외부에 놓여 있는 소스 접촉 표면(A1 또는 A2) 및 내부에 놓여 있는 센스 접촉 표면(M1 또는 M2)을 구비하여, 두 부분으로 나누어져 옆으로 나란히 놓이도록 배열될 수 있다.
도 3은, Al(소스) 및 Ml(센스)의 배열 상태를 평면도로 보여준다. Al과 Ml 사이에는, 전기 절연의 목적으로 전형적으로는 에어 갭 또는 절연 분리 요소가 있다. 다른 측(다시 말해 A2 또는 M2)을 위해서는, 배열 상태가 그에 상응하게 미러링되어 있다.
대안적으로, 연결부(A1 또는 A2)의 접촉 표면은 연결부(E1 또는 E2)의 접촉 표면을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 도 4는, 센스 접점(E1/E2)이 일종의 섬(island)으로서 소스 접점(A1/A2)에 의해 둘러싸여 있는 그와 같은 (동축) 배열 상태를 보여주며, 이 경우 접점 표면은 재차 갭 또는 절연부에 의해 상호 구분되어 있다.
또 다른 일 실시예에서, 센스 접점(E1)은 인서트(인레이)로서 Al의 접점 표면 내로 삽입될 수 있다. 이와 같은 배열 상태는 도 5에 도시되어 있다. 이 경우, 소스 연결부(A1)로서 기능하는 플레이트 형상의 접촉 요소 내로는 그루브 형상의 홈이 밀링에 의해 형성되어 있다. 상기 홈 내로는, 센스 연결부(E1)로서 이용되는 접촉 요소가 인레이로서 삽입되어 있다. 2개의 접점 요소 사이에는 전기 절연부가 제공되어 있다. 바람직하게, 인레이의 접촉 표면은 플레이트 형상 접촉 요소의 접촉 표면보다 약간 더 깊게, 예를 들어 약 1 ㎜만큼 더 깊게 놓일 수 있다.
임피던스 표준의 외부 형상
본 발명에 따르면, 적어도 임피던스 표준의 연결부(A1/A2/E1/E2)의 기하학적인 구조 및 공간적인 배열 상태는 전지의 기하학적인 구조 및 공간적인 배열 상태에 상응한다. 임피던스 표준의 외부 형상은, 측정 장치가 전지와 동일한 방식으로 임피던스 표준과 접촉될 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다.
바람직한 일 실시예에서는, 임피던스 표준의 또 다른 치수도 임피던스가 측정되어야만 할 전지의 치수에 상응함으로써, 결과적으로 임피던스 표준은 전지와 동일한 방식으로 측정 장치 내로 삽입될 수 있게 된다.
측정 장치가 예를 들어 PHEV1 전지용으로 제공된 경우, 임피던스 표준의 치수는 바람직하게 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 PHEV1 전지의 치수에 상응한다. 특히 바람직한 일 실시예에서, 임피던스 표준은 또한 PHEV1 표준에 상응하는 하우징도 구비할 수 있다.
상기와 같은 상황은, 예를 들어 (VDA에 따른) PHEV2, BEV1 또는 BEV2와 같은 임의의 다른 폼 팩터에 대해서도 당연히 적용된다.
임피던스 표준의 내부 구조 및 기능
임피던스 표준의 임피던스는 전형적으로 저저항이고, 전지에 대해 예상되는 임피던스 범위 내에 놓여 있는데, 예를 들면 1 mΩ 미만, 전형적으로는 0.5 mΩ 미만의 범위 내에 놓여 있다.
임피던스 표준의 내부 구조는 특별히 제한되지 않으며, 공지된 모든 디자인이 사용될 수 있다. 특히, DE 10 2014 011 397 A1호에 설명된 디자인도 고려될 수 있다.
임피던스 표준은 단 하나의 확정된 임피던스를 가질 수 있다. 복수의 교정 포인트가 기록되어야만 하는 경우에는, 상응하게 교환되는 다양한 임피던스를 갖는 복수의 임피던스 표준이 사용되어야만 한다.
대안적으로, 임피던스 표준은, 예를 들어 저항의 전환에 의해서 선택될 수 있는 복수의 조정 가능한 임피던스를 가질 수 있다. 임피던스 표준이 디지털 기술로 구현되어 있고 출력 신호가 신호 처리기(DSP)에 의해 생성되는 경우, 임피던스는 DSP의 상응하는 프로그래밍에 의해서 조정될 수 있다. 특히, 이 경우에는 출력 신호의 크기뿐만 아니라 위상 변이까지도 자유롭게 선택될 수 있음으로써, 결과적으로 본 실시예는 교정 포인트를 선택할 때의 유연성과 관련하여 선호되었다.
특히 바람직한 일 실시예에서, 임피던스 표준은 임피던스 값(ZSoll)을 설정하기 위한 그리고/또는 설정된 값을 조회하기 위한 추가의 제어 연결부를 구비한다. 이들 추가의 제어 연결부가 상응하는 제어 인터페이스를 통해 측정 장치와 연결됨으로써, 결과적으로 목표 값의 설정, 교정 그리고 필요한 경우에는 또 다른 교정 포인트에 대한 반복이 자동화된 방식으로 실행될 수 있다. 이 목적을 위해서는, 상이한 임피던스 설정값 및/또는 상이한 주파수에서 복수의 측정 포인트를 포함하는 상응하는 교정 프로그램이 측정 장치 내에 저장될 수 있다. 그 다음에는 측정 포인트가 자동화된 방식으로 조회될 수 있으며, 이 경우 임피던스 측정 장치는 제어 인터페이스를 통해 프로그램 제어된 방식으로 임피던스 표준의 상응하는 기준 설정값을 조정한다.

Claims (10)

  1. 전기 화학 전지, 특히 리튬 이온 전지의 임피던스를 측정하기 위해 제공된 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법으로서,
    (a) 여기 신호를 공급하기 위한 2개 이상의 여기 연결부(A1, A2) 및 측정 신호를 결정하기 위한 2개의 측정 연결부(M1, M2)를 구비하고, 임피던스 설정값(ZSoll)에 상응하는 고정된 또는 조정 가능한 임피던스를 갖는 임피던스 표준과 임피던스 측정 장치를 연결하는 단계;
    (b) 여기 연결부로 전압 신호(UEin)를 인가하며 그리고 측정 연결부에서 UEin을 기반으로 임피던스 표준을 통과해서 흐르는 전류(IAUS)를 측정하는 단계; 또는 전류 신호(IEin)를 여기 연결부로 공급하며 그리고 측정 연결부에서 강하하는 전압(UAus)을 측정하는 단계; 및
    (c) Z = UEin/IAUS = ZSoll 또는 Z = UAUS/IEin = ZSoll을 사용하여 임피던스(ZSoll)에 대한 임피던스 표준에 대하여 임피던스 측정 장치를 교정하는 단계
    를 포함하되, 상기 임피던스 표준의 연결부(A1, A2, M1, M2)의 기하학적인 배열 상태가, 측정되어야만 할 임피던스를 갖는 전지의 연결부의 기하학적인 배열 상태에 상응함으로써, 결과적으로 전지와 동일한 배열 상태에서는 임피던스 표준이 임피던스 측정 장치와 접촉될 수 있는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전지가 애노드 연결부 또는 캐소드 연결부를 구비하며, 임피던스 표준의 연결부(A1 및 E1 또는 A2 및 E2)의 접촉 표면의 배열 상태는 애노드 연결부 또는 캐소드 연결부의 접촉 표면의 배열 상태와 함께 일치하는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연결부(A1 및 E1 그리고 A2 및 E2)의 접촉 표면들이 각각 옆으로 나란히 배열되어 있는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 연결부(A1 또는 A2)의 접촉 표면이 연결부(E1 또는 E2)의 접촉 표면을 적어도 부분적으로 둘러싸는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연결부(A1 또는 A2)는 플레이트 형상이며, 그리고 연결부(E1 또는 E2)는 플레이트의 접촉 측에 인서트로서 삽입되어 있는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전지가 4점 접촉용으로 제공되어 있고, 각각 2개의 애노드 연결부 또는 캐소드 연결부를 구비하며, 그리고 임피던스 표준의 연결부(A1 및 E1 또는 A2 및 E2)의 배열 상태는 전지의 애노드 연결부 또는 캐소드 연결부의 배열 상태와 일치하는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 (b) 내지 (d)가 복수의 다양한 임피던스 값(ZSoll) 및/또는 복수의 다양한 여기 신호를 위해 반복되는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임피던스 표준이, 상기 임피던스 값(ZSoll)을 설정하기 위한 그리고/또는 설정된 값을 조회하기 위한 추가의 제어 연결부를 구비하는, 전기 화학 임피던스 측정 장치를 위한 교정 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법용으로 설계되어 있는, 리튬 이온 전지용 전기 화학 임피던스 측정 장치를 교정하기 위한, 임피던스 표준.
  10. 제9항에 있어서, 상기 임피던스의 연결 배열 상태가 폼 팩터 PHEV1, PHEV2, BEV1 또는 BVE2에 상응하는, 임피던스 표준.
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