KR20230003474A - 전기적 특성을 결정하기 위한 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배터리 셀(10, C)과 같은 전기 장치의 제1 및 제2 단자(11, 12)에 연결되고 전기 장치(10, C)의 적어도 하나의 전기적 특성을 결정하도록 구성된 측정 장치(5, 6)에 관한 것이다. 측정 장치(5, 6)는 전기 장치가 제1 및 제2 단자(11, 12)에 연결될 때 전기 장치(10, C)를 측정 회로(30, 31)에 연결하도록 구성된 임피던스 측정 장치(20, 21)을 포함하고, 상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 측정 회로(30, 31)를 통해 시변 테스트 전류(I_test)를 제공하고, 시변 테스트 전류(I_test)가 제공되는 동안 전기 장치(10, C)에 대한 전압(U_cell)을 측정하고, 그리고 측정 회로(30, 31)에서 측정된 전압(U_cell)과 시변 테스트 전류(I_test) 사이의 위상 편이 및 크기 비율을 결정하도록 구성되고, 상기 시변 시험 전류(I_test)는 복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하고, 상기 이산 주파수들은 주파수 범위에 걸쳐 분포되고 인접한 주파수들 사이의 확산 스펙트럼으로 인한 주파수 중첩을 피하기 위해 서로 분리된다.

Description

전기적 특성을 결정하기 위한 측정 장치 및 방법

본 발명은 배터리 셀과 같은 전기 장치의 제1 및 제2 단자에 연결되고 전기 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 결정하도록 구성된 측정 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기 장치의 복소 임피던스의 측정에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

다수의 배터리 셀들로 구성된 배터리 팩을 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 동력원으로 사용하거나 고정 전원으로 사용하는 것과 같은 다양한 응용분야들에서 사용하는 것에 대한 관심이 증가하고 있다. 현재 리튬 이온 유형의 셀에 특히 중점을 두고 있다.

일반적으로 배터리 팩의 개별 셀들은 예를 들어, 생산 변동으로 인해 용량이 다소 다르며 충전 상태(state of charge; SOC) 등의 수준이 다를 수 있다. 대부분의 배터리 팩에는 개별 셀들의 과충전을 방지하고 전력 출력을 높이고 배터리 팩의 수명을 연장하기 위해 배터리 관리 시스템(BMS) 또는 적어도 일부 형태의 밸런싱 회로가 제공된다. 일반적으로 개별 셀들의 특성이 최대한 차이가 나지 않으면 배터리 관리 및 밸런싱이 더 쉬워지고 배터리 팩의 기능이 향상되기 때문에 일반적으로 유리하다. 또한 배터리 팩의 충전 용량은 일반적으로 가장 약한/최악의 셀 용량으로 제한된다.

고에너지 배터리의 생산 중 품질 변동을 줄이고자 하는 열망은 Schnell과 Reinhart에 의해 다루어졌다. 이들은 생산 과정에서 다양한 조치를 취하는 개선된 품질 관리 개념을 제안하였다(Quality Management for Battery Production: A Quality Gate Concept, Precedia CIRP 57 (2016) 568-573). 그러나, 정확히 어떤 측정을 해야 하는지 또는 어떤 편차가 감지되어야 하는지는 지정되지 않았다.

US2014/0212730은 특히 압력을 가한 후 내부 저항의 변화를 측정하여 셀들을 분류하는 배터리 팩의 제조 방법을 개시하고 있다. 유사한 특성을 갖는 셀들을 선택하고 해당 배터리 팩으로 그룹화하여 다른 품질의 배터리 팩들을 형성한다. 이는 배터리 팩을 구성하는 셀들의 성능이 보다 균일한 배터리 팩을 형성하기 위한 흥미로운 개념이다. 그러나, 압력 테스트를 수행하는 방법이 설명되어 있지 않으며 이 개념은 압력이 내부 저항에 특정하거나 일관된 영향을 미치지 않는 셀들에 대해서는 덜 유용하며, 또한 배터리 셀의 "품질"이 압력을 가한 후 내부 저항보다 더 광범위하거나 다른 의미를 갖는 경우에는 덜 유용하다.

US2013/0317639A1은 "배터리 개체"(셀, 카트리지, 모듈 또는 팩)의 자동 검사, 검증 및 후처리에 관한 것이며, 예를 들어 배터리 개체에 대한 다양한 테스트를 수행할 수 있는 테스트 도구를 보유하는 로봇(독립형 또는 생산 라인에서)의 사용을 제안한다. 이러한 테스트에는 개방 단자 전압, 부하 단자 전압, 단자 전류, 내부 저항(또는 임피던스), 극성, 절연, 연속성, 단락 및 충전/방전 측정들이 포함된다. 측정들에 기초하여 배터리 개체는 등급이 매겨지고 분류될 수 있으며 모든 데이터는 보고되고 다양한 방식으로 저장될 수 있다.

US2013/0317639A1에서 "임피던스"라는 용어를 언급하지만 이 용어가 저항에 대한 일반적인 용어로 사용되는지 또는 적용된 시변 전류의 주파수에 따라 변할 수 있는 크기와 위상을 모두 갖는 복합 임피던스를 나타내는 데 사용되는지는 명확하지 않다. 어쨌든 US2013/0317639A1은 배터리 개체의 임피던스 측정을 수행하는 방법에 대한 정보를 제공하지 않다. 특히, 유용하고 신뢰할 수 있는 데이터를 생성할 수 있고 동시에 예를 들어 측정 시간이 제한된 생산 라인에 적합할 만큼 충분히 빠른 임피던스 측정을 수행하는 방법에 대한 정보는 제공되지 않다.

배터리 셀 내부 임피던스의 철저한 측정은 셀 내부에 대한 정보를 제공하므로 유용할 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 이러한 철저한 측정에는 완료하는 데 오랜 시간이 걸리는 넓은 주파수 대역에 걸쳐 정현파 전류를 스캔하는 작업이 포함된다(신뢰할 수 있는 결과가 필요한 경우). 따라서, 이러한 유형의 방법은 주로 연구 목적으로 실험실에서 사용된다. 예를 들어 PRBS(pseudo random binary sequence)와 같은 신호를 기반으로 하는 몇 가지 더 빠른 온라인 임피던스 테스트 방법들이 제안되었다. 그러나, 이러한 방법들은 일반적으로 더 큰 측정 오차와 관련된다.

따라서, 특히 배터리 셀(팩) 생산 라인에서, 뿐만 아니라 예를 들어 일부 응용분야에 이미 설치된 배터리 셀들의 테스트 또는 사용된 배터리 셀들의 분류에도 사용하기 위한, 배터리 셀 또는 기타 유사한 전기 장치의 내부 품질에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 신속하게 제공할 수 있는 측정 시스템 및 방법에 대한 요구가 여전히 존재한다.

본 발명은 배터리 셀과 같은 전기 장치의 제1 및 제2 단자에 연결되고 전기 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 결정하도록 구성된 측정 장치에 관한 것이다.

측정 장치는 상기 전기 장치가 제1 및 제2 단자에 연결될 때 전기 장치를 측정 회로에 연결하도록 구성된 임피던스 측정 장치를 포함하고, 임피던스 측정 장치는 측정 회로를 통해 시변 테스트 전류(I_test)를 제공하고, 시변 테스트 전류(I_test)가 제공되는 동안 전기 장치에 대한 전압(U_cell)을 측정하고, 그리고 측정 회로(30, 31)에서 측정된 전압(U_cell)과 시변 테스트 전류(I_test) 사이의 위상 편이 및 크기 비율을 결정하도록 구성되고, 시변 테스트 전류(I_test)는 복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하고, 이산 주파수들은 주파수 범위에 걸쳐 분포되고 인접한 주파수들 사이의 확산 스펙트럼으로 인한 주파수 중첩을 피하기 위해 서로 분리된다.

전압과 전류 사이의 위상 변이와 크기 비율은 배터리 셀의 내부 임피던스를 계산하기 위한 기초를 형성한다. 임피던스의 최종 계산은 많은 응용분야에서 유용하지만 "원시 데이터", 즉 전압-전류 위상 편이 및 크기 비율이 이미 셀의 내부 임피던스를 반영하기 때문에 이 최종 계산을 수행할 필요가 없다.

셀의 내부 임피던스 정보는 셀의 내부의 품질을 반영하므로 유용하다. 예를 들어, 결정된 내부 임피던스(또는 결정된 "원시 데이터")를 동일한 유형의 셀에 대한 기준 값과 비교하여 모호하거나 경미한 전극 결함을 식별할 수 있다. 그렇지 않으면 이러한 정보를 얻기가 어렵다. 예를 들어 셀의 전압이나 저항만 측정해서는 이러한 정보를 얻을 수 없다. 예를 들어, 충분히 편차가 있는 임피던스를 나타내는 셀은 생산 라인에서 분류되거나 사용된 셀 중에서 선택할 때 추가 사용에서 제외될 수 있다. 이것의 특별한 장점은 셀을 처음 사용할 때 즉시 알아차리지 못할 수 있지만 예를 들어 셀의 에이징 속도(aging rate)를 증가시키거나 조립 현장으로 운반하는 동안 두드러질 수 있는 결함과 같은 경미한 결함이 있는 셀도 초기 단계에서 생산 라인에서 식별하고 제거할 수 있다는 것이다. 셀 생산 현장에서 이러한 셀은 생산 시 이미 제거할 수 있으며 배터리 팩을 조립하는 현장에서 팩에 편차가 있거나 결함이 있는 셀이 포함되는 것을 방지할 수 있다. 임피던스 특성에 따라 셀들은 다양한 클래스로 분류될 수 있어 추후 같은 클래스에 속하는 셀들을 이용하여 팩을 조립할 수 있어 팩 내부의 셀 편차를 줄여 팩의 품질을 높일 수 있다.

시변 테스트 전류는 분석할 배터리 셀(또는 다른 전기 장치) 유형에 대해 관심 있는 주파수에 따라 다양한 이산 주파수들을 포함할 수 있다. 셀 화학 및 재료의 다른 속성들은 특정 주파수들에 반응하며, 일부 특정 속성에 관심이 있는 경우 테스트 전류의 에너지를 해당 주파수에 집중시킬 수 있다. "시변(time-varying)"이라는 용어는 테스트 전류가 특정 주파수 또는 주파수로 진동한다는 것을 의미하며, 이는 일반 DC와 분명히 대조된다.

예를 들어, 전기 회로의 내부 임피던스를 결정하기 위한 여러 주파수 또는 넓은 주파수 범위의 사용은 때때로 임피던스 분광법으로 표시되며 이와 같이 알려져 있다. 기존의 임피던스 분광법은 일반적으로 기능을 이해하거나 회로 또는 부품의 에이징 효과(aging effect) 등을 조사하기 위한 연구에 사용된다. 일반적으로 단일 주파수의 신호가 매번 적용되며 많은 주파수를 다루어야 하는 경우 분석에 상대적으로 시간이 많이 걸린다. 일반적인 임피던스 분광법에서 관심 있는 주파수 범위는 일반적으로 10 mHz ~ 100 kHz 범위이지만 더 넓은 범위가 연구에서 테스트되며 더 작은 범위 또는 하위 범위가 셀 품질에 대한 많은 정보를 제공할 수 있다.

본 발명에서 시변 테스트 전류(I_test)는 복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하고, 이산 주파수들은 주파수 범위에 걸쳐 분포되고 인접한 주파수들 사이의 확산 스펙트럼으로 인한 주파수 중첩을 피하기 위해 서로 분리된다. 따라서 시변 테스트 전류에는 서로 분리되어 있고 중첩으로 인해 동시에 존재하는 수백 또는 수천의 여러 주파수가 포함된다. 분리는 특정 응용분야에 대해 가능한 한 많은 유용한 정보를 제공하도록 바람직하게 선택되는 이산 주파수들로부터의 응답은 관심 주파수에 너무 가까운 다른 주파수로부터의 확산 스펙트럼 효과를 방해하지 않고 분석될 수 있다는 효과가 있다.

중첩은 (서로 다른 주파수들로 일련의 테스트를 수행하는 대신에) 모든 주파수들이 하나의 단일 테스트에서 테스트될 수 있는 효과가 있다. 결합된 효과는 따라서 임피던스 분석을 신속하게 수행할 수 있지만 여전히 신뢰할 수 있는 결과를 생성할 수 있다는 것이다.

따라서, 기존의 임피던스 분광법과 비교할 때 훨씬 더 짧은 측정 시간 동안 똑같이 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있다.

대역 제한 백색 잡음, PRBS 및 사각 펄스와 같은 다른 더 짧은 여기 신호들은 분리된 이산 주파수들의 선택을 포함하지 않지만, 대신 특수 신호에 중첩된 주파수의 연속체 또는 적어도 매우 많은 수의 분리되지 않은 주파수들로 구성된다. 이러한 신호는 정교하고 고급 디코딩 방법을 사용하더라도 각 개별 주파수에서 진폭 및 위상 효과를 추출하기가 더 어렵다.

적어도 이론적으로 측정 회로에서 발생하는 시변 테스트 전류는 반드시 측정될 필요는 없지만 측정 회로에 인가되는 신호에 대한 정보로부터 결정할 수 있다. 예를 들어, 테스트 전류 생성과 관련된 모든 전자 부품들이 이론적으로 완벽하게 작동하거나 완전히 예측 가능한 방식으로만 신호를 변경하는 경우, 측정 회로의 전류는 시변 테스트 자극 신호와 같은 원하는 (및 알려진) 제어 신호의 알려진 기능과 동일하거나 이를 형성한다. 그러나, 트랜지스터, 증폭기 및 기타 구성 요소는 알 수 없는 방식으로 신호를 약간 변경할 가능성이 있으므로 위상 편이 및 크기 비율을 안정적으로 결정하려면 측정 회로에서 실제 테스트 전류를 철저히 측정하는 것이 적합하다. 테스트 전류 측정은 또한 테스트 장비의 정확도 및 성능에 대한 요구 사항을 줄여 저렴한 하드웨어 사용을 제공한다.

위상과 크기를 비교할 수 있도록 동기화된 방식으로 전압과 전류를 결정/측정한다.

최첨단 셀 생산 또는 배터리 팩 조립 라인에서는 셀 처리량이 높기 때문에 개별 셀을 측정할 시간이 많지 않다. 그러한 생산 라인에서 여전히 임피던스 측정을 허용하기 위해, 제공된 테스트 전류에서 서로 중첩된 여러 주파수들을 포함하는 신호를 사용하는 것이 본 개시에서 제안된다.

또한, 예시적인 실시예로서 조립 라인 기계/로봇, 예를 들어 생산 라인에서 (예: 셀 생산 라인에서 선적 컨테이너로 또는 선적 컨테이너에서 배터리 팩 조립 라인의 배터리 팩으로) 배터리 셀을 쥐고 들어 올리고 이동시키는 데 사용되는 조립 라인 로봇에 통합된 측정 장치와 이러한 신호를 결합하는 것이 제안된다. 이렇게 하면 셀을 들어 올리고 이동하는 동안 임피던스 측정을 수행할 수 있으므로 셀 또는 팩 제조를 방해하지 않는다. 20초 정도의 기간을 사용할 수 있지만 이 기간은 응용분야의 특정 요구 사항에 따라 더 길거나 더 짧게 선택할 수 있다. 테스트 전류의 주파수는 또한 의미 있는 측정을 제공하기에는 너무 낮은 주파수(즉, 의미 있는 측정을 제공하기에는 주파수가 너무 긴 주기를 가질 수 있음)를 제외함으로써 주어진 최대 시간 윈도우에 적응될 수 있다.

생산 라인 스테이션이라는 용어는 본 명세서에서 생산 또는 조립 라인 기계/로봇뿐만 아니라 예를 들어 생산 라인과 어느 정도 통합될 수 있고 셀의 취급 및 측정이 어느 정도 자동화될 수 있는 임피던스 측정 스테이션을 지칭하는 데 사용된다. 일부 변형에서 셀은 수동으로 또는 일종의 파지 로봇에 의해 생산 라인에서 다소 떨어진 임피던스 측정 스테이션으로 이송될 수 있다. 더욱이, 생산 라인 스테이션은 예를 들어 복수의 측정 장치들을 갖거나 측정 장치에 대응하는 셀 단자 연결부들과 함께 복수의 임피던스 측정 장치들을 제공함으로써 여러 셀들을 동시에 측정하도록 배열될 수 있다.

그러나, 측정 장치는 반드시 생산 라인 스테이션에 통합될 필요는 없으며 다양한 응용분야에서 수동으로 작동될 수 있는 별도의 측정 도구로 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 결정된 위상 편이 및 크기 비율에 기초하여 전기 장치의 내부 임피던스를 계산하도록 구성된다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 측정 회로에서 테스트 전류를 측정하도록 구성된다.

일 실시예에서, 측정 회로를 통해 제공되는 시변 테스트 전류는 특정 전류 크기에서 측정 회로를 통해 전류를 집중시키는 직류 성분을 형성하는 적어도 제1 성분 및 시변 테스트 자극 신호이고 제1 성분과 결합될 때 시변 테스트 전류의 시변(time-variation)을 생성하는 제2 성분을 포함한다.

일 실시예에서, 시변 테스트 전류의 제1 성분은 전기 장치로부터 인출된다. 따라서, 전기 장치에 전류를 공급할 필요가 없기 때문에 외부 전원이 필요하지 않는다. 이는 일반적으로 전기 장치가 (충전된) 배터리 셀인 경우에 적용된다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 시변 테스트 자극 신호를 생성하도록 구성된 전류 자극 회로를 포함한다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 시변 테스트 자극 신호를 수신하고 시변 테스트 전류의 제1 성분을 제어하도록 구성된 트랜지스터를 포함한다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 측정 회로에서 테스트 전류를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 전류 감지 회로를 포함한다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 제1 단자와 제2 단자 사이의 전압을 측정하도록 구성된 전압 감지 회로를 포함한다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 전류 자극 회로, 전류 감지 회로 및 전압 감지 회로에 연결된 데이터 획득 시스템을 포함하고, 데이터 획득 시스템은 테스트 전류 및 전압에 기초하여 전기 장치의 내부 임피던스를 계산하도록 구성된 계산 회로를 포함한다.

일 실시예에서, 임피던스 측정 장치는 측정 회로에서 테스트 전류를 나타내는 신호를 측정하고, 이 신호를 시변 테스트 자극 신호와 비교하고, 측정 회로에서 두 신호들 사이의 일치를 향상시키기 위해 트랜지스터에 대한 입력 전압을 조정하도록 구성된 피드백 루프를 포함한다. 이 피드백 장치는 트랜지스터 고유의 비선형 특성을 보상하고 테스트 전류가 테스트 자극을 따르도록 한다.

일 실시예에서, 시변 테스트 전류는 10mHz에서 100kHz 사이의 간격 내에 적어도 하나의 이산 주파수를 포함한다. 바람직하게는, 시변 테스트 전류는 10mHz 내지 100kHz의 간격 내에 복수의 중첩된 주파수들을 포함한다.

시변 테스트 전류(I_test) 또는 시변 테스트 자극 신호를 설계할 때, 고려해야 할 두 가지 제한 변수가 있다. i) 샘플링 주파수 f_s; 및 ii) 시변 테스트 전류(I_test)를 제공하기 위한 총 시간 T(즉, 자극의 총 지속 시간). 이러한 변수들은 측정 가능한 주파수 범위에 대한 제한을 설정한다. 즉, f_s는 도달 가능한 가장 높은 주파수(이는 Nyquist 주파수 f_s/2임)를 설정하고, T는 최저 주파수 f_L=1/T(다음에서 기본 주파수라고도 함)에 대한 제한을 설정한다. 이러한 제한 내에서 측정에 사용할 최저 주파수 f_l과 최고 주파수 f_h를 선택할 수 있다. 이 간격 내에서 선택된 복수의 주파수들과 함께 이들은 임피던스를 결정하기 위한 측정에 사용되는 주파수들이다. 따라서, 이 주파수 간격은 f_h < f_s/2 및 f_l > f_L에 의해 제한됩니다.

샘플링 주파수 f_s는 가장 높은 관심 주파수의 두 배 이상으로 선택되며 일반적으로 50kHz ~ 1MHz 범위 내에서 선택할 수 있다. 일반적으로 더 높은 샘플링 주파수를 가진 장치가 더 낮은 장치보다 더 비싸기 때문에 이것은 비용 문제이다.

측정 시간 T는 응용분야에 따라 다르지만 일반적으로 1-100초 범위일 수 있다. 그러나, 테스트를 수행하는 데 사용할 수 있는 시간, 측정 목적 및 관심 있는 주파수에 따라 더 짧거나 더 긴 시간도 가능하다. 생산 라인에서 사용할 수 있는 일반적인 시간은 몇 초, 아마도 3-20초일 수 있다.

추가 신호 설계 변수는 확산 스펙트럼으로 인한 (상당한) 간섭(즉, 주파수 중첩)을 피하기 위해 인접한 이산 주파수들 사이의 분리 f_d에 대한 최소값을 설정하는 것이다. 따라서, 인접한 주파수들 간의 차이가 f_d,min 이상이 되도록 주파수를 분리해야 하며, 즉, 더 높은 주파수는 이산 주파수들의 인접한 쌍에서 이전의 더 낮은 주파수보다 적어도 f_d,min Hz 더 높아야 한다.

주파수 분리 f_d에 대한 최소값 f_d,min은 f_L=1/T로 가정되는 가장 낮은 주파수와 관련될 수 있다. 권장되는 분리는 f_d가 8*f_L보다 큰 것이다. 분리 f_d의 최소값은 4*f_L로 설정할 수 있다. 10*f_L 이상의 f_d는 대부분의 경우에 충분하다. 따라서, f_d,min ≥ 4*f_L=4/T, 바람직하게는 f_d,min ≥ 8*f_L=8/T, 보다 바람직하게는 f_d,min ≥ 10*f_L=10/T이다.

인접한 주파수들이 크게 간섭하면 전류와 전압으로부터 계산된 임피던스에서 더 높은 오류가 발생한다. 어떤 이유로 인해 일부 간섭 주파수들이 시변 테스트 전류(I_test)에 존재하는 경우 이러한 주파수는 계산에서 제외될 수 있다.

바람직하게는, 이산 테스트 주파수들 사이, 즉 주파수 분리 범위 f_d에 걸쳐 주파수의 신호 에너지는 0이거나 0에 가깝다. 이는 높은 신호 대 잡음비 및 보다 신뢰할 수 있는 신호 디코딩으로 이어진다. 이산 주파수들 사이의 일부 신호 에너지는 응용분야에 따라 허용될 수 있다. 하나의 이산 테스트 주파수와 상부 또는 하부 인접한 이산 테스트 주파수 사이의 진폭/신호 에너지는 두 개의 인접한 이산 주파수들 중 하나의 진폭/신호 에너지의 <10%, 바람직하게는 <1%, 또는 더 바람직하게는 <0.1%여야 한다.

추가 신호 설계 조치인 미세 조정 단계는 서로 다른 주파수 영역의 균형을 맞추는 것이다. 분석하고자 하는 특정 전기 장치 또는 배터리 셀에 대해 특정 주파수 영역이 더 중요한 경우, 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 이 영역의 개별 주파수에 더 높은 진폭/신호 에너지를 할당할 수 있다.

사용될 주파수 및 테스트 시간 T는 바람직하게는 측정 전에 선택되고 미리 설정된다. 선택할 값은 예를 들어 전기 장치/배터리 셀의 속성과 사용 가능한 시간에 따라 달라지므로 특정 응용분야의 요구에 맞게 조정되어야 한다.

예를 들어, 1Hz-100kHz 범위를 커버하는 측정이 필요한 경우 f_l=1Hz(=기본 주파수) 및 f_h=100kHz를 얻는다. 그런 다음 f_s=1MHz의 샘플링 주파수를 선택하고, 위에 주어진 조건을 충족시키기 위한 측정 시간 T=3초이다(f_h<f_s/2 및 f_l>f_L, 여기서 f_L=1/T=1/3= 0.333…Hz). f_l=1 Hz 및 T=3초인 경우 이것은 이제 시퀀스의 세 번째 고조파에 해당하며, 즉, 첫 번째 주파수 성분(기본 주파수)는 f_l=3*f_L이 된다. 이제 확산 스펙트럼 효과를 피하기 위해, 기본 주파수의 10배인 최소 주파수 분리 f_d,min을 선택할 수 있다(즉, 기본 주파수에서 시작하는 이산 주파수들 사이에 10 x 1/3Hz = 3.333Hz의 주파수 간격이 추가됨). 이는 f_l=f1=3*f_L, f2=13*f_L, f3=23*f_L, f4=33*f_L 등을 제공하며 결과적으로 최대 f_h=100kHz까지 30000개의 동시 이산 테스트 주파수들을 생성한다.

위의 매개변수 선택으로 일부 테스트 주파수들은 다른 더 낮은 주파수에 오버톤(overtone)이 된다(예: f4=11*f1). 이는 측정에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 주파수 분리 f_d를 설정할 때 일련의 소수를 사용하여 이러한 간섭 오버톤을 피할 수 있다. 예를 들어, 위의 예에서 f1=3*f_L을 가장 낮은 주파수(기본 주파수)로 사용하면 "3"이 첫 번째 소수이다. 위와 같이 최소 주파수 분리 계수 10을 사용하여 이전 주파수보다 10개 이상 높은 주파수를 제공하는 다음 소수는 13이고 다음 소수는 23이다. 여기에 주어진 예에서 이산 주파수를 결정하기 위해 소수를 사용할 때 f1=3*f_L (1 Hz), f2=13*f_L (13/3 Hz), f3=23*f_L (23/3 Hz), f4=37*f_L (37/3 Hz), f5=47*f_L (47/3 Hz), 등의 시퀀스가 얻어진다. 이러한 주파수 분리 및 주파수 시퀀스를 사용하면 간섭 확산 스펙트럼 효과가 나타나지 않고 중복 및 간섭 오버톤이 생성되지 않는다. 이 예에서는 이것은 16078개(f1-f16078)의 이산 테스트 주파수들이 있는 테스트 신호를 제공한다. 다른 모든 주파수들의 신호 에너지는 바람직하게는 0으로 설정된다.

위의 예에서 사용 가능한 모든 주파수가 사용된 경우 f_s/2*3=1500000 테스트 주파수들을 포함하는 것이 가능했을 것이다. 그러나, 이것은 확산 스펙트럼 간섭과 중첩 오버톤으로 이어져 임피던스 디코딩에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

위 유형의 시퀀스는 이론적으로 두 개의 주파수까지만 포함할 수 있지만 실제로는 일반적으로 수백 또는 수천 개의 주파수를 포함한다.

시변 테스트 전류가 위 유형의 시퀀스에 있는 모든 주파수를 포함할 필요는 없다. 예를 들어, 신호 에너지는 위의 순서에서 f2에 대해 어떤 이유로 0으로 설정되어 가장 낮은 주파수들이 f1, f3, f4 등이 될 수 있다.

원칙적으로, 주파수 시퀀스에서 가장 낮은 주파수 f1(기본 주파수)은 추가 주파수를 위한 공간이 없기 때문에 가장 높은 주파수에 매우 가까운 경우를 제외하고, 각각 가능한 최저 주파수와 최고 주파수 f_L 및 f_s/2 사이의 간격 내의 어는 곳이든 있을 수 있다. 그러나, 실제로는 주파수 시퀀스에서 가장 낮은 주파수 f1(기본 주파수)은 가능한 가장 낮은 주파수 f_L에 상대적으로 가깝게 설정된다.

복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하고, 이산 주파수들은 주파수 범위에 걸쳐 분포되고 인접한 주파수들 사이의 확산 스펙트럼으로 인한 주파수 중첩을 피하기 위해 서로 분리되는 것 외에, 시변 테스트 전류(I_test)의 실시예들은 다음을 포함한다:

- 인접 주파수들은 최소 주파수 분리 f_d,min에 의해 분리되며, 여기서 f_d,min ≥ 4*f_L=4/T, 바람직하게는 f_d,min ≥ 8*f_L=8/T, 더 바람직하게는 f_d,min ≥ 10 *f_L=10/T, 여기서 f_L=1/T이고 T는 시변 테스트 전류를 제공하기 위한 총 시간임;

- 복수의 주파수들은 가장 낮은 주파수 f1과 적어도 하나의 더 높은 주파수 f2, f3…f_h를 포함하는 주파수 시퀀스를 형성하고, 여기서 주파수 f2-f_h 중 어느 하나를 주파수 f1으로 나눈 값은 정수를 생성하지 않음;

- 주파수 f1-fh 중 어느 하나를 기본 주파수 f_L로 나눈 값은 소수를 생성하고; -f1은 f1=N*1/T(여기서 N>2)가 되도록 시변 테스트 전류를 제공하는 총 시간 T와 관련됨; - 여기서 N은 소수임;

- 복수의 중첩된 이산 주파수들은 적어도 10개의 이산 주파수들, 바람직하게는 적어도 100개, 보다 바람직하게는 적어도 1000개의 이산 주파수들을 포함함;

- 시변 테스트 전류를 제공하기 위한 총 시간 T는 100초 이하이고;

- 이산 주파수와 상위 또는 하위 인접 이산 주파수 사이의 신호 에너지는 2개의 인접한 이산 주파수들 중 하나의 신호 에너지의 <10%, 바람직하게는 <1%, 또는 더 바람직하게는 <0.1%이고;

- 하나의 이산 주파수와 상부 또는 하부 인접한 이산 주파수 사이의 신호 에너지는 0이거나 0에 가까움.

측정에 사용할 주파수 및 주파수 분리 등이 결정되면 테스트 신호 생성의 다음 단계를 수행할 때이다. 하드웨어 장치로 신호를 생성할 수 있도록 신호의 진폭이 제한되도록 하는 것이 유리하다. 이는 난수 시퀀스에 따라 0도에서 180도 사이에서 선택된 테스트 주파수의 위상을 뒤집음으로써 수행될 수 있다. 주파수와 위상이 있는 신호는 주파수 영역에서 신호를 정의하는 설명이다.

이제 시간 도메인(I_tim)에서 테스트 신호의 모양을 정의하는 역 이산 시간 푸리에 변환을 사용하여 주파수 내용을 변환할 수 있다. 한 가지는 배터리 셀(또는 다른 전기 장치)을 테스트할 때 사용할 전류의 크기를 결정하는 것이기도 하다. 더 작은 배터리 셀은 일반적으로 더 작은 전류로 테스트해야 한다. 예를 들어 특정 진폭 I_ampl = 1A가 필요할 수 있으며 테스트 전류는 I_test=I_ampl*I_tim/max(I_tim)에서 얻어진다. 여기서 max(I_tim)은 I_tim의 최대값을 의미한다. 이제 원하는 진폭과 원하는 주파수를 가진 신호가 생성될 수 있다.

일 실시예에서 측정 장치는 생산 또는 조립 라인 기계/로봇에 통합된다. 바람직하게는, 생산 또는 조립 라인 기계/로봇은 전기 장치/배터리 셀을 잡거나 들어올리도록 구성된다.

일 실시예에서, 제1 및 제2 단자는 각각 리튬 이온 유형일 수 있는 배터리 셀의 양극 및 음극을 형성한다.

본 발명은 또한 측정 장치를 전기 장치의 제1 및 제2 단자에 연결함으로써 배터리 셀과 같은 전기 장치의 적어도 하나의 전기적 특성을 결정하는 방법에 관한 것이다.

상기 방법은 - 측정 장치에 배치된 임피던스 측정 장치의 측정 회로에 전기 장치를 연결하는 단계; - 측정 회로를 통해 시변 테스트 전류를 제공하는 단계; - 시변 테스트 전류가 제공되는 동안 전기 장치에 대한 전압을 측정하는 단계; 그리고 - 측정 회로에서 측정된 전압과 시변 테스트 전류 사이의 위상 편이 및 크기 비율을 결정하는 단계를 포함하고, 여기서 시변 테스트 전류(I_test)는 복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하고, 이산 주파수들은 주파수 범위에 걸쳐 분포되고 인접한 주파수들 사이의 확산 스펙트럼으로 인한 주파수 중첩을 피하기 위해 서로 분리된다.

방법의 실시예는 다음 단계 중 하나 또는 여러 단계를 포함할 수 있다.

- 결정된 위상 편이 및 크기 비율에 기초하여 전기 장치의 내부 임피던스를 계산하는 단계;

- 측정 회로에서 테스트 전류를 측정하는 단계;

- 특정 전류 크기에서 측정 회로를 통해 전류를 집중시키는 직류 성분을 형성하는 적어도 제1 성분을 제공하고, 시변 테스트 자극 신호이고 시변 테스트 전류의 시변을 생성하는 제2 성분을 제공하고, 및 제1 성분 및 제2 성분을 결합함으로써, 측정 회로를 통해 시변 테스트 전류를 제공하는 단계;

- 전기 장치로부터 시변 테스트 전류의 제1 성분을 인출하는 단계;

- 전류 자극 회로에 의해 시변 테스트 자극 신호를 생성하는 단계;

- 임피던스 측정 장치에 배치된 트랜지스터에서 시변 테스트 자극 신호를 수신하는 단계;

- 트랜지스터에 의해 시변 테스트 전류의 제1 성분을 제어하는 단계;

- 임피던스 측정 장치에 배치된 전류 감지 회로에 의해 측정 회로의 테스트 전류를 나타내는 신호를 생성하는 단계; 및/또는

- 테스트 전류를 인가하고 전기 장치에 대한 전압 응답을 측정하는 동안 측정 장치가 통합된 생산 또는 조립 라인 기계/로봇을 사용하여 전기 장치를 잡거나 들어 올리는 단계.

방법의 실시예들에서 시변 테스트 전류는 위에서 이미 언급한 특성을 가질 수 있다.

하기 주어진 본 발명의 설명에서 하기 도면들이 참조된다.
도 1은 배터리 셀들을 생산하기 위한 생산 라인의 일례 및 복수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 팩을 조립하기 위한 생산 라인의 일례를 개략도로 도시한 것이다.
도 2는 예를 들어 도 1에 도시된 생산 라인에 사용하기 위한 측정 장치에 적합한 임피던스 측정 장치의 제1 실시예를 개략도로 도시한다.
도 3은 예를 들어 도 1에 도시된 생산 라인에서 사용하기 위한 측정 장치에 적합한 임피던스 측정 장치의 제2 실시예를 개략도로 도시한다.
도 4는 시변 테스트 전류를 생성하는 데 사용할 수 있는 시변 테스트 자극 신호의 예를 보여준다. 상단 플롯은 신호의 주파수 내용(frequency content)을 보여주고 서로 다른 주파수 범위에서 서로 다른 양의 에너지를 사용할 수 있음을 강조 표시한다. 하단 플롯은 상단 플롯의 주파수 스펙트럼을 포함하는 결과 신호를 보여준다.
도 5는 제1 및 제2 배터리 셀 임피던스 측정에 대한 나이퀴스트(Nyquist) 플롯 임피던스 스펙트럼의 예를 보여준다. 각 스펙트럼은 복소 임피던스의 위상과 크기를 동시에 보여준다. 각 점은 단일 주파수에 대한 복소 값 임피던스를 나타내며 복소 평면에서의 위치에 따라 크기와 위상을 수반한다.
도 6은 시변 테스트 전류를 생성하는 데 사용할 수 있는 시변 테스트 자극 신호의 또 다른 예의 에너지 내용(energy content)을 보여준다.
도 7은 도 6에 해당하는 신호를 보여준다.
도 8은 도 6의 일부를 확대한 것으로, 주파수 범위는 최대 10Hz이며, 이 예시된 신호에서 실제로 사용되는 이산 주파수들을 보여준다.
도 9는 도 7에 표시된 신호의 첫번째 밀리초(millisecond)를 확대한 것이다.
도 10은 예를 들어 도 1에 도시된 생산 라인에 사용하기 위한 측정 장치에 적합한 임피던스 측정 장치의 제3 실시예를 개략도로 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 측정 장치가 생산 라인의 생산 라인 로봇에 통합되고 측정 장치가 배터리 셀들에 대한 측정을 수행하도록 배열된 예시적인 실시예를 도시한다.

도 1은 배터리 셀들(10)(도 2 및 도 3에서 "C"로 표시됨)의 생산을 위한 제1 생산 라인(1) 및 복수의 배터리 셀들(10)을 포함하는 배터리 팩(100)을 조립하기 위한 제2 생산 라인(2)을 도시한다. 이 예에서 각 생산 라인(1, 2)은 해당 생산 라인(1, 2)에서 배터리 셀(10)의 제1 및 제2 단자(11, 12)에 연결되고 임피던스 측정 장치(20, 21)(도 2-3 참조)에 의해 배터리 셀(10)의 임피던스를 결정하도록 구성된 측정 장치(5, 6)를 포함한다. 측정 장치(5, 6)에는 제1 및 제2 셀 단자(11, 12)에 각각 연결되는 제1 및 제2 연결 부재(미도시)가 제공된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 생산 라인(1)에서 제2 생산 라인(2)으로의 셀들(10)의 운송은 일부 차량/선박(3)으로 표시된다. 따라서, 도 1에는 2개의 생산 라인(1, 2)이 서로 다른 위치에 있음이 표시되어 있다. 그러나, 배터리 팩들의 셀 생산 및 조립은 2개의 분리된 생산 라인(1, 2) 사이의 특정 운송이 필요하지 않을 수 있는 동일한 사이트에서 서로 다소간 통합될 수 있다. 도 1은 본 발명은 배터리 셀들과 관련된 생산 라인에 적용될 때 셀들의 제조 및 배터리 팩들의 조립 모두를 위한 생산 라인들에 적용 가능하며, 이러한 생산 라인들은 서로 상당한 거리에 위치할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다는 것을 설명하기 위한 것이다.

도 1은 각각의 생산 라인(1, 2)이 특히 배터리 셀들(10)을 배치하기 위한 배터리 셀의 파지/홀딩, 들어 올리기 및 이동을 위한, 특히 셀 생산 라인(1)에서 운송 컨테이너(9a)에 배터리 셀들(10)을 (이 경우 하나씩) 넣기 위한, 그리고 운송 컨테이너(9b)로부터 개별 배터리 셀들(10)을 들어올려 배터리 팩 조립 라인(2)에서 배터리 팩(100)에 넣기 위한 제1 및 제2 생산 라인 로봇(7, 8) 형태의 생산 라인 스테이션을 포함하는 것을 추가로 도시한다. 2개의 생산 라인(1, 2)이 통합되는 경우 배터리 셀들(10)을 운송 컨테이너(9a, 9b)에 넣을 필요가 없으며 (아마도 일종의 저장 컨테이너에 넣을 필요가 있으며), 하나의 생산 라인 로봇(7, 8)만 사용하면 충분할 수 있다. 도 1에 도시된 로봇들(7, 8)과 같은 임의의 특정 생산 라인 파지 장치들은 이 실시예에 필요하지 않지만 측정 장치(5, 6)가 생산 라인 장치(7, 8)에 통합되는 적절한 실시예를 제공한다.

도 1은 측정 장치(5, 6)가 배터리 셀(10)을 파지하는 데 사용되는 로봇(7, 8)의 파지 도구와 관련하여 각각의 로봇(7, 8)에 배열되거나 통합되는 것을 추가로 도시한다. 이는 셀(10)을 파지하고 들어 올리고 이동하는 동안 측정 장치(5, 6)가 셀(10) 가까이에 위치할 것임을 의미한다. 이는 로봇(7, 8)이 셀(10)을 파지할 때 측정 장치(5, 6)가 단자들(11, 12)에 연결되고 셀(10)이 배송 컨테이너(9a) 또는 배터리 팩(100)에서 해제될 때까지 셀(10)을 들어 올리고 이동하는 동안 연결을 유지할 수 있게 한다. 셀(10)을 들어 올리고 이동하는 데 소요되는 시간 동안, 여기서는 일반적인 관심 생산 라인에서 아마도 약 10-20초 동안, 측정 장치(5, 6)는 셀(10)에 대한 측정들을 수행할 수 있으며, 따라서 이러한 측정들은 생산 공정을 지연시키지 않고 생산 공정에 전혀 영향을 미치지 않고 수행된다. 측정 장치(5, 6)를 해당 로봇/생산 라인 장치(7, 8)에 적절하게 배치하고 고정하고 파지 도구가 들어 올리기 및 이동 중에 셀(10)을 안정적으로 유지하게 함으로써 측정 장치(5, 6)는 들어 올리기/이동 중에 셀(10)에 움직이지 않을 것이다. 이는 셀 단자들(11, 12)과 측정 장치(5, 6) 사이의 전기 연결의 고정을 단순화한다. 연결 부재는 로봇들(7, 8)의 파지 도구와 통합될 수 있다.

도 2 및 도 3과 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 임피던스 측정 장치(20, 21)는 제1 및 제2 단자(11, 12)에 연결될 때 배터리 셀(10, C)을 측정 회로(30, 31)에 연결하도록 구성된다. 임피던스 측정 장치(20, 21)는 측정 회로(30, 31)를 통해 시변 테스트 전류(time-varying test current)를 인가하도록 추가로 구성된다. 도시된 예에서, 이것은 측정 대상인 셀(10, C)로부터 DC 전류를 인출하고(즉, 이 예에서는 외부 전원이 필요하지 않음) 인출된 전류에 측정 회로(30, 31)에서 시변 자극 신호(I_in)를 인가함으로써 수행된다. 따라서, 시변 테스트 전류는 두 가지 성분들로 구성된다: 셀(10, C)로부터 인출된 전류는 제1 성분을 형성하고 시변 자극 신호(I_in)은 제2 성분을 형성한다.

임피던스 측정 장치(20, 21)는 시변 테스트 전류가 인가되는 동안(및 따라서 자극 신호 (I_in)도 인가되는 동안), 측정 회로(30, 31)에서 배터리 셀(10, C)에 대한 전압(U_cell) 및 테스트 전류(I_test)를 측정하도록 추가로 구성된다. 테스트 전류(I_test)는 다양한 전자 회로 구성 요소의 비선형성 또는 온도 효과 등으로 인해 자극 신호(I_in)의 (이 경우 알려진) 진동 패턴과 최소한 약간 다를 수 있다. 따라서, 측정 회로(30, 31)의 테스트 전류(I_test)가 측정된다.

임피던스 측정 장치(20, 21)는 측정된 전압(U_cell)과 테스트 전류(I_test) 사이의 위상 편이(phase shift) 및 크기 비율(magnitude ratio)을 결정하도록 추가로 구성된다. 이들 데이터는 배터리 셀(10, C)의 내부 임피던스를 계산하는 데 사용될 수 있다. 임피던스를 계산하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다.

도 1에 예시된 것과 다른 실시예에서 측정 장치(5, 6)가 사용되는 경우에도 임피던스 측정 장치(20, 21)에 대해 언급된 것이 일반적으로 바람직하다는 점에 유의해야 한다.

결정된 임피던스(또는 결정된 위상 편이 및 크기 비율)는 기준 데이터와 비교될 수 있고 전극 또는 전해질의 결함 또는 전극과 전해질 사이의 인터페이스 결함과 같은 셀(10, C) 내부의 잠재적인 결함을 식별하는 데 사용될 수 있다. 시변 테스트 전류(I_test)의 다른 주파수들은 특정 유형의 셀(10, C)에 대한 다른 종류의 정보를 제공하고 특정 주파수들은 다른 유형의 셀들에 대해 다른 것보다 더 유용할 수 있다. 시변 테스트 전류(I_test) (또는 오히려 이 예에서 자극 신호(I_in))는 분석될 셀(10, C)의 유형에 적응될 수 있다. 테스트 전류는 상당히 더 높은 진폭을 갖는 하나 또는 여러 개의 선택된 주파수 범위를 포함할 수 있다. 테스트 전류에 매우 많은 개별 주파수를 포함하는 것도 가능하지만 반드시 모든 주파수를 분석할 필요는 없으며 대신 다음 단계(즉, 전압 및 전류 측정에서 및/또는 임피던스의 결정/계산에서)에서 주파수를 선택하는 것도 가능하다.

도 2는 제1 실시예에 따른 임피던스 측정 장치(20)를 도시한다. 셀 C(도 1의 셀 10에 해당)의 극 Po+ (11) 및 Po- (12)는 전류 제어 트랜지스터(T) 및 결합된 부하 및 전류 측정 저항기(R_L+I)를 포함하는 제1 측정 회로(30)에 연결된다. 제2 연결점(Po-)은 공통 접지(GND)에 연결된다. 여기서 트랜지스터(T)는 MOSFET-트랜지스터이지만 바이폴라 트랜지스터와 같은 다른 유형의 트랜지스터일 수도 있다.

측정 회로(30)는 부하를 거는 기능, 즉 임피던스 측정을 받는 셀(C)로부터 전류를 끌어낼 수 있는 기능을 갖는다. 이는 셀(C)을 충전하는 전원 공급 장치가 필요하지 않아 측정 장치(5, 6)를 단순하게 만들고 예를 들어, 셀 및/또는 팩 생산 라인에서 구현하기에 적합하다는 장점이 있다. 전류가 표시된 방향으로만 흐를 수 있도록 작동을 제한하는 것은 트랜지스터(T)와 부하 저항(R_L+I의)의 배치이다. 이 패시브 설계는 회로가 셀(C)에서 에너지/전류를 끌어올 수 있도록 한다.

부하 저항기(R_L+I)의 기능은 두 가지이다. 1) 그것은 셀 (C)에서 추출한 전력을 소모하는 부하 저항기를 형성하고, 2) 그것은 저항기 위의 전압이 옴 법칙을 통해 측정 회로(30)의 테스트 전류(I_test)에 대한 정보를 제공하는 전류 측정 저항기를 형성한다. 측정 회로(30)에서 실제 테스트 전류(I_test)를 나타내는 신호(I_out)가 생성된다. 저항기(R_L+I)의 크기는 예를 들어 1.0Ω일 수 있으며, 이는 저항기에서 4V의 셀 전압에 대해 I_max=4A의 셀(C)로부터의 최대 전류 및 16W의 최대 전력 손실을 제공한다. 저항기의 정확도는 테스트 전류(I_test) 측정의 정확도를 결정한다. (테스트 전류(I_test)를 나타내는 신호는 실제로 전압 신호이지만 신호가 전류의 측정임을 나타내기 위해 예를 들어 U_out이 아니라 I_out으로 표시된다.)

연산 증폭기(OA1) 및 저항기(R_L+I)와 함께 트랜지스터(T)는 전압 제어 전류 자극 소스를 구성한다. 이 소스는 데이터 수집 시스템(D)에서 디지털-아날로그 변환기에 의해 출력 전압으로 제공되는 시변 자극 신호(I_in)에 기초하여 측정 회로(30)에서 전류의 시변을 제어한다. (시변 테스트 자극 신호(I_in)는 실제로 전압 신호이지만 이 신호가 테스트 전류를 제어한다는 것을 나타내기 위해 예를 들어 U_in이 아니라 I_in으로 표시된다.)

전압 제어 전류 소스 및 그것의 제어 자극 신호(I_in)가 없으면 측정 회로(30)는 간단한 DC 회로를 형성한다. 테스트 자극 신호(I_in)는 시간에 따라 변하는 신호이다. 즉, 그것은 특정 주파수 등에 따라 변한다. 이 자극 신호가 트랜지스터(T)를 통해 셀(C)로부터 끌어온 전류에 인가될 때, 그것은 측정 회로(30)의 전류에서 상응하는 시변 또는 진동을 생성한다. (측정 회로(30)에서의 상응하는 시간 변화는 전자 부품으로부터의 영향으로 인해 자극 신호(I_in)의 변화를 반드시 정확히 반영하지는 않으며, 따라서 실제 테스트 전류 I_test는 설명된 실시예에서 측정된다.) 따라서 시변 테스트 전류가 측정 회로(30)를 통해 인가되었다. 그러나 테스트 전류는 다른 방식으로 인가될 수 있다.

시변 테스트 전류(I_test)는 선택된 저항에 따라 달라지는 I_max/2 A인 평균 부근에서 인가된 주파수에 따라 달라지도록 선택될 수 있다. 셀(C)(또는 측정될 다른 전기 장치)의 임피던스 때문에, 적어도 특정 주파수 또는 주파수 범위에서 측정 회로(30)의 테스트 전류(I_test)와 셀(C)의 전압(U_cell) 사이에 약간의 위상 차이가 있을 것이다. 신호(I_out)를 통한 테스트 전류(I_test)와 전압(U_cell)을 동시에 측정하여 임피던스와 그 크기 및 위상을 계산할 수 있다.

연산 증폭기(OA1)가 전압 팔로워(follower)로 결합된 트랜지스터(T)는 트랜지스터(T)의 게이트에서 전압을 조정하여 저항기(R_L+I)의 전류를 제어하는 피드백 루프이다.

트랜지스터(T) 및 기타 구성 요소의 비선형성의 영향을 줄이기 위해 피드백 루프가 제공된다. 이것은 테스트 전류(I_test)가 원하는 테스트 자극(I_in)을 따르도록 하는 트랜지스터 게이트 신호를 생성하고, 테스트 전류(I_test)의 원하는 스펙트럼이 달성되고 특정 주파수에서 셀 동작이 원하는 대로 테스트될 수 있다. 피드백을 통해 테스트 신호는 원하는 스펙트럼을 얻도록 제어된다. 피드백이 없으면 트랜지스터의 비선형성이 신호에 영향을 미쳐, 원하는 테스트 자극과 다른 테스트 신호를 생성하고 원하는 것과 다른 주파수에서 셀을 테스트할 위험이 있다.

피드백 루프 덕분에 I_in=3V는 R_L+I에 대해 3V의 전압을 제공하므로 I_out=3V는 R_L+I=1Ω의 저항으로 I_test=3A의 전류에 해당한다. 이 예에서 설명에 사용된 저항 R_L+I=1Ω에서, 우리는 전압과 전류 사이에 일대일 대응을 가지며 저항(R_L+I)의 다른 값은 옴의 법칙 I_test= I_our/R_L+I에 따라 다른 전류와 전압 관계를 제공한다.

측정 회로(30)는 4개의 연결들(connections): U_cell, I_in, I_out 및 GND를 갖는 데이터 수집 시스템(D)에 연결된다.

GND는 공통 접지이며 기준 레벨을 형성한다. GND는 셀(C)의 음극(12)과 부하 저항기(R_L+I)에 연결된다.

측정 회로(30)에서 전류의 자극으로 사용되는 테스트 신호(I_in)는 디지털-아날로그 변환기(미도시)에 의해 생성되어 전류 제어 증폭기(OA1)로 보내진다.

테스트 전류 (I_test)를 나타내는 신호(I_out)에 대한 입력과 연결되도록 배열된 데이터 수집 시스템(D)의 부하 저항기(R_L+I) 및 제1 아날로그-디지털(AD) 변환기(미도시)의 도움으로 테스트 전류(I_test)가 측정된다. 신호(I_out)의 측정된 전압은 옴의 법칙 I_test= I_out/R_L+I의 도움으로 테스트 전류(I_test)를 계산하는 데 사용된다.

네 번째 연결인 U_cell은 셀 전압을 측정하고 그것이 테스트 전류(I_test)에 어떻게 반응하는지, 즉 시변 자극 신호(I_in)을 셀(C)에서 끌어온 전류에 적용하여 형성된 전류에 어떻게 반응하는지 등록하는 제2 AD 변환기(미도시)에 연결된다. 제1 및 제2 AD 변환기는 테스트 전류(I_test)의 표현(I_out)과 전압(U_cell)사이의 진폭비 및 위상 편이가 상이한 주파수에서 검출/측정될 수 있도록 동기화된다.

전압 및 전류 신호를 제공하기 위해 제1 및 제2 아날로그-디지털 변환기를 사용하는 대신, 동시에 트리거되는 추가 샘플 및 홀드 회로와 함께 제공되는 단일 아날로그-디지털 변환기를 사용하고 멀티플렉서를 사용하여 입력을 이동함으로써 동시에 측정되는 전압 및 전류 신호를 제공할 수 있다.

도 3은 임피던스 측정 장치(21)의 제2 실시예를 도시한다. 이는 전류가 셀(C)에서 인출되고 트랜지스터(T)에 의해 시변 방식으로 제어되는 제1 실시예(도 2)와 동일한 기본 원리에 따라 작동한다. 주요 차이점은 제1 실시예(도 2)의 저항기(R_L+I)가 2개의 저항기로 분할된다는 점이다. 하나는 부하 저항기(R_L)이고 다른 하나는 전류 측정 션트 저항기(R_I)이다. 부하 저항기(R_L)는 셀(C)로부터 추출된 전력을 흡수/소산시키며, 특히 가열될 수 있고 열로서 전력을 소산할 수 있는 크기이다. 이 제2 실시예에서, 션트 저항기(R_I)는 작은 양의 전력만을 소비하고 낮은 정도로만 가열하도록 작게 선택된다. 이는 션트 저항기(R_I)의 저항이 온도에 따라 달라질 수 있기 때문에 전류 제어 및 측정에 대한 온도의 잠재적 영향을 줄인다. 이 배열을 사용하면 R_L에 변화를 일으키는 온도 변화가 피드백 루프 덕분에 테스트 전류(I_test)를 나타내는 신호(I_out)의 정확도에 영향을 미치지 않는다.

션트 저항기(R_I)가 작기 때문에 그 전압도 낮고 실제 테스트 전류(I_test)를 나타내는 전압 신호(I_out)도 작을 것이다. 데이터 수집 시스템(D)에서 전류 측정/계산의 정확도와 OA1에서 전류 제어의 정확도를 높이려면, 제2 증폭기(OA2)는 션트 저항기(R_I)에서 생성된 원래의 I_out 신호를 증폭하도록 구현된다. 제2 증폭기(OA2)의 이득은 저항기(R1, R2)에 의해 선택된다. 증폭된 신호(I_out)은 제1 AD 변환기에서 측정되며 트랜지스터(T)를 제어하는 전류 피드백 제어기에도 공급된다. 데이터 수집 시스템(D)은 도 2의 제1 실시예와 관련하여 설명한 것과 동일한 방식으로 I_out 및 U_cell을 측정한다.

부하 저항기(R_L)의 저항은 바람직하게는 측정될 배터리 셀(C)의 용량 및 전압, 그리고 배터리 셀(C)로부터 얼마나 많은 전류가 인출되어야 하는지에 맞도록 선택된다. 예를 들어, 60A에 이르는 고전류로 테스트를 수행하는 데 관심이 있는 경우 부하 저항기(R_L)의 저항은 0.06 Ohm일 수 있다. 그러나 거의 모든 저항을 사용할 수 있다.

션트 저항기(R_I)의 저항은 원칙적으로 가능한 한 작아야 하며 (너무 약한 신호를 생성하지 않고) 적절한 측정을 보장하기 위해 교정되고 열적으로 안정적이어야 한다. 예를 들어, 션트 저항기(R_I)은 0.1mOhm의 저항을 가질 수 있다. 그러나 거의 모든 다른 저항을 사용할 수 있다.

제3 저항기(R1)는 10 Ohm의 저항을 가질 수 있고, 제4 저항기(R2)는 10 kOhm의 저항을 가질 수 있다. 그러나 이러한 구성 요소에 대해 다른 값이 선택될 수 있다. 제2 연산 증폭기(OA2)에 대해 원하는 증폭을 달성하기 위해, 높은 이득을 주기 위해, 제4 저항기(R2)는 제3 저항기(R1)보다 훨씬 더 큰 저항을 가질 수 있다. 제3 저항기(R1)는 예를 들어 1-100 Ohm의 저항을 가질 수 있는 반면, 제4 저항기(R2)는 1-100 kOhm의 저항을 가질 수 있다.

전류 제어 및 측정의 정확도를 높이려면 구성 요소(예: A/D, D/A 및 OP) 선택 시 최신 기술을 적용하는 것이 좋다. 또한 A/D 변환기는 공통 접지 기준에 대해 측정하는 대신 각 구성 요소에 대한 전압이 측정되도록 차동 측정(differential measurement)을 위해 결합될 수 있다. 이렇게 하면 신호가 공통 접지의 노이즈에 덜 민감해진다. 네 개의 와이어 측정 시스템을 사용하여 추가적인 개선을 달성할 수 있다. 즉, 회로들(20 및 21)에서와 같이 각각 R_L+I 또는 R_I를 사용하여 전류를 측정하고 I_out을 생성하기 위해 2개의 와이어를 사용하고 셀 전압을 측정하기 위한 셀 극들(11 및 12)에 직접 연결된 2개의 와이어를 사용하여 추가 개선을 달성할 수 있다. 이 경우 두 쌍의 와이어가 차동 A/D 입력 채널에 결합되는 차동 측정도 바람직하다. 다른 방법으로 측정 회로를 설계하는 것이 가능하다. 예를 들어 전류 감지 저항(R_I)을 다른 전류 센서 기술, 예를 들어 홀 효과 기반 변환기로 대체할 수 있다. 정확도를 높이는 또 다른 방법은 높은 정확도로 공칭(nominal) 셀 전압 주변의 변화를 측정하도록 셀 전압 측정을 배열하는 것이다.

임피던스 측정이 짧은 시간 간격, 예를 들어 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 배터리 셀(10/C)을 부착/파지, 들어 올리기, 운반, 배치 및 분리하는 짧은 시간 윈도우 동안 수행되기 위해, 시간 효율적인 측정이 필요하다. 이것은 데이터 수집 시스템(D)의 디지털-아날로그 변환기로부터 배터리 셀(10/C)로부터 인출된 전류를 제어하기 위해 트랜지스터(T)의 제어 게이트로 전송된 다중 주파수 신호(I_in)에 의해 달성되며, 이는 유사한 다중 주파수 테스트 전류(I_test)를 생성한다. 다중 주파수 신호는 예를 들어 측정될 이산 주파수의 미리 결정된 세트에 대응하는 사인 신호를 포함하는 다중 사인 신호일 수 있다. 그것은 측정할 이산 주파수를 포함하는 또 다른 유형의 신호일 수도 있다.

도 4는 테스트 자극 신호를 설계할 수 있는 방법의 예를 보여준다. 주파수 도메인(상단)과 시간 도메인(하단)의 신호를 보여준다. 상단 다이어그램은 주파수 도메인에서 신호의 에너지 내용(energy contents)을 보여준다. 에너지가 있는 영역은 검은색 영역으로 표시되고, 신호 에너지(signal energy)는 저주파에 집중된다. 가장 낮은 범위 0-5kHz는 가장 높은 에너지 함량을 가지며 5-10kHz 범위는 더 낮은 에너지를 갖는 반면, 10-50kHz 범위는 에너지가 없으므로 0이다. 실제 신호의 스펙트럼(spectrum)은 샘플링 속도(100kHz)의 절반 부근에서 대칭이며, 이는 저주파 영역 0-10kHz가 100-90kHz로 미러링되는 이유를 설명한다. 또한 개별 주파수의 위상은 0도에서 180도 사이에서 무작위로 변경되며, 이는 시간 도메인 신호가 제한되고 균형 잡힌 진폭을 갖도록 수행된다.

도 4의 하단 다이어그램은 결과적인 시변 테스트 신호(time-varying test signal), 즉 테스트 자극 신호(I_in)를 보여준다. 시간 도메인 신호는 역 이산 푸리에 변환을 사용하여 스펙트럼에서 생성되므로 선택한 주파수 내용을 포함한다. 스펙트럼의 대칭과 무작위 위상 편이는 진폭 0으로 시작하여 너무 큰 진폭으로 성장하지 않고 중심에서 가장 높은 진폭에 도달하는 시간 도메인 신호를 제공한다. 동일한 스펙트럼 특성을 가진 많은 신호가 있지만 바람직하게는 도 4의 하단 다이어그램과 같이 균형이 잡히고 제한된 진폭을 가진 테스트 신호를 선택하여 D/A 변환기와 전류제어기에서 구현이 가능하고 용이하도록 한다. 이와 같은 신호 생성은 당업자에게 잘 알려져 있다.

예를 들어, 고속 푸리에 변환(FFT) 또는 주파수 분석을 위한 기타 적절한 신호 처리 방법을 사용하여, 측정 회로(30, 31)에서 신호 I_out을 통해 셀(10, C)에 대해 측정된 전압 U_cell 및 테스트 전류 I_test의 분석이 수행될 수 있다.

측정 장치(5, 6) 및 특히 임피던스 측정 장치(20, 21)는 셀 유형 또는 기타 관련 전기 장치의 유형에 대해 관심이 있는 것으로 간주되는 것은 무엇이든 측정 회로(30, 31)에 인가되는 테스트 전류에 원하는 이산 주파수를 생성할 수 있도록 설계된다. (물론 이러한 주파수에서 전압과 전류를 측정할 수 있고 측정된 데이터를 분석할 수 있도록 설계되어야 한다.)

도 5는 임피던스 분광법 분석의 결과인 스펙트로그램의 예를 보여준다. 플롯에서 주파수 응답의 진폭과 위상은 나이퀴스트 다이어그램이라고 하는 복소수 값 플롯으로 시각화된다. 여기서 x축은 실수 값에 해당하고 y축은 음수 부호가 있는 허수 값에 해당한다(이 표시는 역사적 이유로 이 표시를 사용하는 분광학 커뮤니티와의 합의를 위해 선택되었다.).

도 5는 임피던스 측정을 사용하여 잠재적인 결함 또는 편차가 있는 셀을 식별하는 방법을 보여주고, 도 5는 또한 잠재적 결함 또는 편차가 있는 셀을 식별하기 위해 비교할 수 있는 기준 값(세트)의 예를 형성한다. 제1(위/왼쪽) 시리즈의 도트들(51)는 새로운 리튬 이온 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼을 나타내고 제2(아래/오른쪽) 시리즈의 도트들(52)은 에이징 후 동일한 배터리 셀의 임피던스 스펙트럼을 나타낸다. 즉, 제1 시리즈(51)는 기준 값의 세트(시리즈)를 나타내고, 제2 시리즈(52)는 결함이 있는 유사한 셀을 나타낸다. 스펙트럼을 자동으로(수학적으로) 비교하고 특정 임피던스 스펙트럼을 나타내는 특정 셀을 결함으로 분류해야 하는지 여부를 결정하기 위해 다양한 방법이 적용될 수 있다.

개별 셀 또는 기타 전기 장치의 내부 임피던스가 기준 값(또는 일련의 기준 값들)에서 일정 여유 이상 벗어난 경우, 이 개별 셀은 생산 라인(1, 2)에서 분류되거나 다른 선택 프로세스에서 분류되거나 다른 방식으로 분류될 수 있다. 대안적으로 또는 보완적으로, 배터리 셀의 내부 임피던스와 관련된 데이터는 데이터베이스에 저장될 수 있다. 이러한 데이터는 예를 들어 이산 주파수들에서 결정된 내부 임피던스일 수 있거나 이산 주파수들에서 내부 임피던스로 구성된 스펙트럼의 매개변수화일 수 있다. 이 데이터는 예를 들어 나중에 사용 중인 결함이 있는 배터리 팩을 처리할 때 불일치를 추적하는 데 사용할 수 있다.

도 6-9는 시변 테스트 전류를 생성하는 데 사용할 수 있는 시간 테스트 자극 신호 I_in의 또 다른 예를 보여준다. 도 6은 서로 다른 주파수 범위에서 상대적인 신호 에너지 내용(relative signal energy content)을 보여준다. 도 7은 시간의 함수로서 신호 진폭(signal amplitude)을 보여준다. 도 8은 도 6의 일부, 즉 10Hz까지의 주파수 범위를 확대하여 예시된 신호에서 이 범위에서 실제로 사용되는 개별 주파수를 보여준다. 그리고 도 9는 도 7에 표시된 신호의 첫 번째 밀리초 (millisecond)를 확대한 것이다.

이 예에서 샘플링 주파수 f_s는 1Mhz이고 총 측정 시간(즉, 시변 테스트 전류 I_test가 측정 회로(30, 31)를 통해 제공되는 총 시간)은 10초이다. 이는 이론적 주파수 범위를 기본 주파수 0.1Hz(=f_L=1/T)와 나이퀴스트 주파수 500kHz(f_s/2) 사이로 설정한다. 그러나, 여기서는 자극 신호에 대해 (따라서 테스트 전류에 대해서도) 0.3Hz ~ 100kHz의 주파수 범위가 선택된다.

도 6은 서로 다른 주파수 하위 범위에 대해 서로 다른 진폭/신호 에너지가 선택되었음을 보여준다. 가장 높은 진폭은 최대 25kHz의 주파수에 사용되고 가장 낮은 진폭은 75-100kHz에 사용된다.

도 7은 10초의 측정 시간(T) 동안 시간의 함수로 신호 진폭을 보여준다. 이 예에서 신호는 서로 중첩된 50611개의 이산 주파수들로 구성되어 있어 신호의 세부 사항을 보기가 어렵다. 도 7의 신호의 첫 번째 밀리초를 보여주는 도 9와 함께, 신호가 복잡한 연속 비펄스 신호이며 사인 곡선의 규칙적인 변형처럼 보이지 않으며 신호를 보는 것만으로는 예측하기 어려운 사소하지 않은 모양을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.

도 8은 최대 10Hz의 주파수 범위에서 실제로 사용되는 9개의 첫번째 이산 주파수들 f1-f9: f1=0.3Hz, f2=1.3Hz, f3=2.3Hz, f4=3.7Hz, f5=4.7Hz, f6=5.9Hz, f7=7.1Hz, f8=8.3Hz, f9=9.7Hz를 보여준다. 전체적으로 0.3Hz ~ 100kHz의 전체 범위에 50611개의 개별 주파수가 있다. 가장 낮은 주파수 f1, 0.3Hz는 총 시간 T (및 기본 주파수 f_L)와 관련되어 f1=N*1/T(여기서 N = 3)이다. 도 8에서 볼 수 있듯이 약간의 확산 스펙트럼 효과가 있으며 주파수는 베이스에서 폭이 2*f_L이다. 이 예에서 주파수는 10*f_L의 최소 주파수 분리 f_d,min을 사용하여 분리된다. 더 낮은 주파수의 오버톤(overtone)으로 인한 간섭을 피하기 위해 f1=k*f_L로 시작하는 주파수 시퀀스가 선택되어 k는 10 단위 이상으로 구분된 소수가 된다(k=3, 13, 23, 37, 47 등). 도 8은 또한 신호 에너지가 주파수 f1, f2 등 사이에서, 즉 주파수 분리 범위 f_d에서 0임을 보여준다.

도 10은 제3 실시예에 따른 임피던스 측정 장치를 도시한다. 도 10의 회로의 기본 구조와 기능은 도 3의 회로와 동일하며 구성 요소는 동일한 속성을 가질 수 있다.

PNP-NPN MOSFET 쌍은 T2를 사용하여 전류가 전기 장치(C)로 흐르게 하고 T1을 사용하여 전기 장치(C)에서 전류가 빠져나가도록 한다. PNP-NPN 구성은 상호 배타적이기 때문에 T1과 T2가 동시에 전도하지 않아 단락을 유발하지 않는다. 도 2와 3의 회로는 전기 장치에서 전류를 빼는 것만 허용하지만 도 10의 회로는 전류를 전기 장치로 밀어넣는 대칭 전류를 사용하는 테스트 신호를 허용한다. OA1과 동일한 유형의 피드백 메커니즘을 사용하여 전류를 제어하여 고정밀 전류 추종(high precision following of the current)을 달성한다. 도 3과 비교하여 미묘한 차이가 있는데, 도 3의 NPN 트랜지스터가 로직을 반전시키는 PNP 트랜지스터로 대체되어 OA1도 반전되어야 한다는 점이다.

본 발명은 상술한 실시예들에 의해 제한되지 않고 특허청구범위 내에서 다양한 방식으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 측정 장치(5, 6)는 조립 로봇 또는 다른 생산 라인 장치에 반드시 통합될 필요는 없으며 생산 라인에서 반드시 사용될 필요는 없다. 또한, 테스트 전류 또는 적어도 그 제1 성분은 측정 대상 배터리 셀로부터 인출되지 않고 외부 전원으로부터 공급될 수 있다. 또한, 주요 응용 분야는 리튬 이온 셀과 같은 배터리 셀에 대한 측정을 수행하는 것이지만 측정 장치는 예를 들어 연료 전지 또는 기타 관련 전기 장치를 분석하는 데 사용될 수 있다.

Claims (40)

1. 배터리 셀(10,C)과 같은 전기 장치의 제1 및 제2 단자(11,12)에 연결되어 전기 장치(10, C)의 적어도 하나의 전기적 특성을 결정하는 측정 장치(5,6)로서,
   상기 전기 장치가 제1 및 제2 단자(11, 12)에 연결될 때 상기 전기 장치(10, C)를 측정 회로(30, 31)에 연결하도록 구성된 임피던스 측정 장치(20, 21)를 포함하고,
   상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는
   - 상기 측정 회로(30, 31)를 통해 시변 테스트 전류(I_test)를 제공하고;
   - 상기 시변 테스트 전류(I_test)가 제공되는 동안 상기 전기 장치(10, C)에 대한 전압(U_cell)을 측정하고; 그리고
   - 상기 측정 회로(30, 31)에서 측정된 전압(U_cell)과 시변 테스트 전류(I_test) 사이의 위상 편이 및 크기 비율을 결정하도록 구성되고,
   상기 시변 테스트 전류(I_test)는 복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하고,
   상기 이산 주파수들은 주파수 범위에 걸쳐 분포되고 인접한 주파수들 사이의 확산 스펙트럼으로 인한 주파수 중첩을 피하기 위해 서로 분리된, 측정 장치(5, 6).
2. 제1항에 있어서,
   상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 결정된 위상 편이 및 크기 비율에 기초하여 상기 전기 장치(10, C)의 내부 임피던스를 계산하도록 구성되는, 측정 장치(5, 6).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 상기 측정 회로(30, 31)에서 상기 테스트 전류(I_test)를 측정하도록 구성된, 측정 장치(5, 6).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 측정 회로(30, 31)를 통해 제공되는 상기 시변 테스트 전류(I_test)는
   특정 전류 크기에서 상기 측정 회로(30, 31)를 통해 전류를 집중시키는 직류 성분을 형성하는 적어도 제1 성분, 및
   시변 테스트 자극 신호(I_in)이고 상기 제1 성분과 결합될 때 상기 시변 테스트 전류(I_test)의 시변(time-variation)을 생성하는 제2 성분을 포함하는, 측정 장치(5,6).
5. 제4항에 있어서,
   상기 시변 테스트 전류(I_test)의 상기 제1 성분은 상기 전기 장치(10, C)로부터 인출되는, 측정 장치(5, 6).
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 상기 시변 테스트 자극 신호(I_in)를 생성하도록 구성된 전류 자극 회로(OA1, T)를 포함하는, 측정 장치(5, 6).
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 상기 시변 테스트 자극 신호(I_in)를 발생시켜 상기 시변 테스트 전류(I_test)를 실현하도록 구성된 트랜지스터(T)를 포함하는, 측정 장치(5, 6).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 상기 측정 회로(30, 31)에서 상기 테스트 전류(I_test)를 나타내는 신호(I_out)를 생성하도록 구성된 전류 감지 회로(R_L+I, R_I, OA2)를 포함하는, 측정 장치(5, 6).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 상기 제1 및 제2 단자(11, 12) 사이의 전압(U_cell)을 측정하도록 구성된 전압 감지 회로(D)를 포함하는, 측정 장치(5, 6).
10. 제6항, 제8항 및 제9항에 있어서,
    상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는 상기 전류 자극 회로(OA1, T), 상기 전류 감지 회로(R_L+I, R_I, OA2) 및 상기 전압 감지 회로에 연결된 데이터 수집 시스템(D)을 포함하고,
    상기 데이터 획득 시스템(D)은 상기 테스트 전류(I_test) 및 전압(U_cell)에 기초하여 상기 전기 장치(10, C)의 내부 임피던스를 계산하도록 구성된 계산 회로를 포함하는, 측정 장치(5, 6).
11. 제7항 및 제8항에 있어서,
    상기 임피던스 측정 장치(20, 21)는
    상기 측정 회로(30, 31)에서 상기 테스트 전류(I_test)를 나타내는 신호(I_out)를 측정하고;
    이 신호(I_out)를 상기 시변 테스트 자극 신호(I_in)와 비교하고;
    상기 측정 회로(30, 31)에서 두 신호들(I_out, I_in) 사이의 일치를 향상시키기 위해 트랜지스터(T)에 대한 입력 전압을 조정하도록 구성된 피드백 루프를 포함하는, 측정 장치(5, 6).
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시변 테스트 전류(I_test)는 10 mHz 내지 100 kHz 간격 내의 적어도 하나의 이산 주파수를 포함하는, 측정 장치(5, 6).
13. 제12항에 있어서,
    상기 시변 테스트 전류(I_test)는 10 mHz 내지 100 kHz 간격 내의 복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하는, 측정 장치(5, 6).
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접 주파수들은 최소 주파수 분리 f_d,min에 의해 분리되고, 여기서 f_d,min ≥ 4*f_L=4/T, 바람직하게는 f_d,min ≥ 8*f_L=8/T, 보다 바람직하게는 f_d,min≥10*f_L=10/T이고, 여기서 f_L=1/T이고 T는 상기 시변 테스트 전류(I_test)가 제공되는 총 시간인, 측정 장치(5, 6).
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 중첩된 이산 주파수들은 가장 낮은 주파수 f1 및 적어도 하나의 더 높은 주파수 f2, f3...f_h를 포함하는 주파수 시퀀스를 형성하고, 상기 주파수 시퀀스에서 더 높은 주파수 f2 내지 f_h 중 어느 하나를 주파수 f1로 나눈 값은 정수를 산출하지 않는, 측정 장치(5, 6).
16. 제15항에 있어서,
    f1은 f1=N*1/T(여기서 N>2)가 되도록 상기 시변 테스트 전류를 제공하는 총 시간 T와 관련되는, 측정 장치(5, 6).
17. 제16항에 있어서, N은 소수인, 측정 장치(5, 6).
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 중첩된 이산 주파수들은 적어도 10개, 바람직하게는 적어도 100개의 이산 주파수들을 포함하는, 측정 장치(5, 6).
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시변 테스트 전류를 제공하기 위한 총 시간 T는 100초 이하인, 측정 장치(5, 6).
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 이산 주파수와 상부 또는 하부 인접한 이산 주파수 사이의 신호 에너지는 2개의 인접한 이산 주파수들 중 하나의 신호 에너지의 10% 미만, 바람직하게는 1% 미만, 또는 더 바람직하게는 0.1% 미만인, 측정 장치(5, 6).
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 이산 주파수와 상부 또는 하부 인접한 이산 주파수 사이의 신호 에너지는 0이거나 0에 가까운, 측정 장치(5, 6).
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 장치(5, 6)는 생산 또는 조립 라인 기계/로봇(7, 8)에 통합되는, 측정 장치(5, 6).
23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단자(11, 12)는 배터리 셀(10, C)의 양극 및 음극을 각각 형성하는, 측정 장치(5, 6).
24. 전기 장치(10, C)의 제1 및 제2 단자(11, 12)에 측정 장치(5, 6)를 연결하여 배터리 셀(10, C)과 같은 전기 장치의 전기적 특성을 결정하는 방법으로서,
    - 상기 측정 장치(5, 6)에 배치된 임피던스 측정 장치(20, 21)의 측정 회로(30, 31)에 상기 전기 장치(10, C)를 연결하는 단계;
    - 상기 측정 회로(30, 31)를 통해 시변 테스트 전류(I_test)를 제공하는 단계;
    - 상기 시변 테스트 전류가 제공되는 동안 상기 배터리 셀(10, C)에 대한 전압(U_cell)을 측정하는 단계; 그리고
    - 상기 측정 회로(30, 31)에서 측정된 전압(U_cell)과 상기 시변 테스트 전류(I_test) 사이의 위상 편이 및 크기 비율을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 시변 테스트 전류(I_test)는 복수의 중첩된 이산 주파수들을 포함하고, 상기 이산 주파수들은 주파수 범위에 걸쳐 분포되고 인접한 주파수들 사이의 확산 스펙트럼으로 인한 주파수 중첩을 피하기 위해 서로 분리된, 방법.
25. 제24항에 있어서,
    -결정된 위상 편이 및 크기 비율에 기초하여 상기 전기 장치(10, C)의 내부 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    - 상기 측정 회로(30, 31)에서 상기 테스트 전류(I_test)를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 특정 전류 크기에서 상기 측정 회로(30, 31)를 통해 전류를 집중시키는 직류 성분을 형성하는 적어도 제1 성분을 제공하고; 상기 시변 테스트 자극 신호(I_in)이고 상기 시변 테스트 전류(I_test)의 시변(시간 변이)을 생성하는 제2 성분을 제공하고; 그리고
    상기 제1 성분과 상기 제2 성분을 결함함으로써,
    상기 측정 회로(30, 31)를 통해 상기 시변 테스트 전류(I_test) 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
28. 제27항에 있어서,
    - 상기 전기 장치(10, C)로부터 상기 시변 테스트 전류(I_test)의 상기 제1 성분을 인출하는 단계를 포함하는, 방법.
29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    - 전류 자극 회로(OA1, T)에 의해 상기 시변 테스트 자극 신호(I_in)를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 임피던스 측정 장치(20, 21)에 배치된 트랜지스터(T)에서 상기 시변 테스트 자극 신호(I_in)를 수신하는 단계, 및
    - 상기 트랜지스터(T)를 통해 상기 시변 테스트 전류(I_test)의 상기 제1 성분을 제어하는, 방법.
31. 제24항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 임피던스 측정 장치(20, 21)에 배치된 전류 감지 회로(R_L+I, R_I, OA2)에 의해 상기 측정 회로(30, 31)에서 상기 테스트 전류(I_test)를 나타내는 신호(I_out)를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
32. 제24항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 전기 장치(10, C)에 대한 전압(U_cell)을 측정하면서 상기 측정 장치(5, 6)가 통합된 생산 또는 조립 라인 기계/로봇(7, 8)을 사용하여 상기 전기 장치(10, C)를 잡고/잡거나 들어올리는 단계를 포함하는, 방법.
33. 제24항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    제공된 시변 테스트 전류(I_test)의 인접 주파수들은 최소 주파수 분리 f_d,min에 의해 분리되며,
    여기서 f_d,min ≥ 4*f_L=4/T, 바람직하게는 f_d,min ≥ 8*f_L=8/T, 보다 바람직하게는 f_d,min ≥ 10*f_L=10/T, 여기서 f_L=1/T이고 여기서 T는 상기 시변 테스트 전류(I_test)가 제공되는 총 시간인, 방법.
34. 제24항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 중첩된 이산 주파수들은 가장 낮은 주파수 f1 및 적어도 하나의 더 높은 주파수 f2, f3...f_h를 포함하는 주파수 시퀀스를 형성하고,
    상기 주파수 시퀀스에서 더 높은 주파수 f2 내지 f_h 중 어느 하나를 주파수 f1으로 나눈 값은 정수를 산출하지 않는, 방법.
35. 제34항에 있어서,
    f1은 f1=N*1/T(여기서 N>2)이 되도록 상기 시변 테스트 전류를 제공하는 총 시간 T와 관련되는, 방법.
36. 제35항에 있어서, 상기 N은 소수인, 방법.
37. 제24항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 중첩된 이산 주파수들은 적어도 10개, 바람직하게는 적어도 100개의 이산 주파수들을 포함하는, 방법.
38. 제24항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시변 테스트 전류(I_test)는 100초 이하인 기간 T 동안 제공되는, 방법.
39. 제24항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 이산 주파수와 상부 또는 하부 인접한 이산 주파수 사이의 신호 에너지는 2개의 인접한 이산 주파수들 중 하나의 신호 에너지의 10%미만, 바람직하게는 1%미만, 또는 더 바람직하게는 0.1%미만인, 방법.
40. 제24항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 이산 주파수와 상부 또는 하부 인접한 이산 주파수 사이의 신호 에너지는 0이거나 0에 가까운, 방법.
    

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