KR20230031219A - 배터리 셀의 임피던스를 측정하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
배터리 셀의 임피던스를 측정하기 위한 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
배터리 셀에 인가되거나 인가될 충전 신호에 기초하여 하나 이상의 배터리 셀의 복소 임피던스 특성을 결정하기 위한 시스템이 개시된다. 구현예는 일부 경우에 배터리 셀을 충전하기 위한 파형 형태의 적어도 일부를 한정하는 주파수 성분 또는 고조파를 결정하기 위해 배터리 셀의 임피던스를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 배터리 셀의 임피던스는 배터리 셀에 적용되는 개별 충전 기간으로부터 또는 배터리 셀에 적용되는 다수의 개별 충전 기간으로부터 측정되거나 추정될 수 있다. 전압 및 전류 파형의 진폭과 시간 성분 사이의 측정된 차이는 배터리 셀의 임피던스의 크기, 위상 편이, 실수 및/또는 허수 값을 결정하거나 추정하는 데 사용될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허 협력 조약(PCT) 출원은 미국 특허 출원 번호 63/028,426(출원일: 2020년 5월 21일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Impedance Measurement of a Battery Cell", 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)과 관련되고 이에 대한 35 U.S.C.§119(e) 하의 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명의 실시예는 일반적으로 하나 이상의 배터리 셀을 충전하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 이상의 배터리 셀을 충전하기 위해 충전 신호를 최적화할 때 사용하기 위한 배터리 셀의 임피던스를 결정하는 방법에 관한 것이다.
전동 공구, 진공 청소기, 임의의 수의 다양한 휴대용 전자 디바이스 및 전기 자동차와 같은 많은 전기 구동 디바이스는 충전식 배터리를 동작 전력원으로 사용한다. 충전식 배터리는 한정된 배터리 용량에 의해 제한되며, 소진 시 재충전해야 한다. 배터리를 재충전하는 데 필요한 시간 동안 전동 디바이스가 종종 정지해야 하므로 배터리를 재충전하는 것이 불편할 수 있다. 차량 배터리 시스템 및 유사한 대용량 시스템의 경우 재충전에 몇 시간이 걸릴 수 있다. 그리하여, 배터리를 충전하는 데 시간을 줄이는 충전 기술 개발에 많은 노력을 기울였다. 그러나, 급속 재충전 시스템은 일반적으로 작동 배터리의 과충전과 손상을 방지하기 위해 전류 제한 및 과전압 회로부와 함께 높은 수준의 충전 전류를 전달하기 위해 값비싼 고전력 전자 제품을 필요로 한다. 느린 재충전 시스템은 비용이 적게 들지만, 재충전 동작이 길어 빠른 서비스 복귀라는 기본 목표가 훼손된다.
배터리 시스템은 또한 배터리 시스템의 충전 및 방전 사이클, 방전 및 과충전 깊이, 기타 가능한 요인에 기초하여 시간이 지남에 따라 성능이 저하되는 경향이 있다. 따라서, 충전율과 같이 배터리 용량을 최대한 많이 사용하면서 배터리를 과방전하거나 과충전하지 않고 배터리 수명을 최대화하기 위해 충전을 최적화하려는 노력이 이루어졌다. 종종 이러한 목표는 상충되며 충전 시스템은 다른 속성을 희생하고 일부 속성을 최적화하도록 설계된다.
무엇보다도 이러한 관찰을 염두에 두고 본 발명의 양태가 구상되고 개발되었다.
본 발명의 일 양태는 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 방법은 처리 디바이스를 통해 전기화학 디바이스에 인가되는 충전 파형의 전압 진폭과 전류 진폭의 복수의 측정값을 획득하는 단계, 전압 진폭 측정값 및 대응하는 전류 진폭 측정값을 각각 포함하는 복수의 임피던스 비율을 계산하는 단계, 및 복수의 비율의 서브세트의 합에 기초하여 전기화학 디바이스의 복소 임피던스 특성을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 전기화학 디바이스를 충전하는 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 충전 파형의 측정값에 기초하여 전기화학 디바이스의 복소 임피던스 특성을 획득하는 단계, 및 획득된 복소 임피던스 특성에 기초하여 제2 충전 파형의 양태를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 전기화학 디바이스를 충전하는 방법에 관한 것이다. 방법은 전기화학 디바이스를 충전하기 위해 한정된 고조파 성분을 포함하는 충전 파형에 대해, 충전 파형에 응답하여 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 대표 값을 획득하는 단계로서, 획득된 대표 값은 한정된 고조파와 관련된, 대표 값을 획득하는 단계, 및 대표 값에 기초하여 충전 파형의 속성을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 전술된 및 기타 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 개념의 특정 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면은 본 발명의 대표적인 실시예만을 도시하는 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 1a는 일 실시예에 따라 충전 신호 형성 회로를 이용하여 배터리 셀을 충전하기 위한 회로를 예시하는 개략도이다.
도 1b는 일 실시예에 따라 배터리 셀에 대한 충전 신호 및 충전 신호의 성분 고조파의 신호도이다.
도 1c는 일 실시예에 따라 배터리 셀에 인가되는 충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리 셀의 측정된 실수 임피던스 값의 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 3은 일 실시예에 따라 배터리 셀에서 측정된 파형의 특성에 기초하여 다양한 시간에서 배터리 셀의 임피던스를 결정하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4a는 일 실시예에 따라 제1 인가 전압 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 4b는 일 실시예에 따라 제2 인가 전압 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 4c는 일 실시예에 따라 제3 인가 전압 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 5는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 6a는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 제2 신호도이다.
도 6b는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 제3 신호도이다.
도 7은 본 발명의 실시예를 구현하는 데 사용될 수 있는 컴퓨팅 시스템의 일례를 도시하는 도면이다.
도 1a는 일 실시예에 따라 충전 신호 형성 회로를 이용하여 배터리 셀을 충전하기 위한 회로를 예시하는 개략도이다.
도 1b는 일 실시예에 따라 배터리 셀에 대한 충전 신호 및 충전 신호의 성분 고조파의 신호도이다.
도 1c는 일 실시예에 따라 배터리 셀에 인가되는 충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리 셀의 측정된 실수 임피던스 값의 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 3은 일 실시예에 따라 배터리 셀에서 측정된 파형의 특성에 기초하여 다양한 시간에서 배터리 셀의 임피던스를 결정하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4a는 일 실시예에 따라 제1 인가 전압 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 4b는 일 실시예에 따라 제2 인가 전압 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 4c는 일 실시예에 따라 제3 인가 전압 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 5는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 신호도이다.
도 6a는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 제2 신호도이다.
도 6b는 일 실시예에 따라 전압 제어된 개별 충전 기간에 응답하여 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전류 변화의 제3 신호도이다.
도 7은 본 발명의 실시예를 구현하는 데 사용될 수 있는 컴퓨팅 시스템의 일례를 도시하는 도면이다.
본 발명의 양태에 따르면, 배터리에 인가되는 충전 신호에 대한 복소 임피던스를 나타내는 정보를 획득하고, 이러한 임피던스를 사용하여 배터리에 인가되는 충전 신호를 최적화하는 것이 유리하다. 본 발명의 양태는 종래의 충전 기술이 종종 제어되지 않은 고조파를 수반하고, 이러한 고조파는 배터리에 인가되는 충전 신호에 대한 임피던스를 변경한다는 개념을 이용한다. 더욱이, 다양한 고조파는 종종 배터리에 인가되는 신호에 대한 임피던스를 증가시켜 충전 효율, 용량 유지 및 사이클 수명에 유해한 영향을 미친다. 유사하게, 고조파는 인가되는 충전 전력에 대해 배터리에 저장되는 화학 에너지의 양과 개별 충전 기간 방법의 경우 전체 어드미턴스(admittance)의 양을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 양태는 배터리 셀의 최소 실수 또는 저항 및/또는 최소 허수 또는 리액턴스 임피던스 값과 연관된 고조파 또는 고조파들에 대응하는 충전 신호를 최적화하는 것을 수반한다. 이러한 충전 신호는 배터리 셀의 전극에서 높은 임피던스로 인한 에너지 손실을 줄임으로써 배터리 셀을 충전할 때 효율을 향상시킬 수 있다. 배터리 셀의 전극에서 높은 임피던스와 연관된 충전 신호는 용량 손실, 열 발생, 배터리 셀 전체의 동전기 활동의 불균형, 충전 경계에서의 바람직하지 않은 전기화학 반응, 및 배터리를 손상시키고 배터리 셀의 수명을 저하시킬 수 있는 배터리 셀 내부 물질의 손상을 포함하는 많은 비효율을 초래할 수 있다. 또한, 개별 충전 기간의 급속한 상승 선두 에지(leading edge)를 사용하여 배터리를 저온에서 시동 걸면 용량성 충전 및 확산 과정이 시작되면서 제한된 패러데이 활동이 도입된다. 이 시간 동안, 근위 리튬은 반응하고 빠르게 소비되어 소정 기간의 원치 않는 부반응과 확산 제한 조건이 남아서 셀과 그 구성요소의 건전성에 부정적인 영향을 미친다.
또한, 배터리 셀의 충전 상태, 온도 및 기타 요인이 변하면 배터리 셀의 전극의 임피던스가 변할 수 있다. 따라서, 충전 동안, 배터리 셀의 임피던스는 배터리 셀이 가열되고/되거나 배터리 셀의 충전 상태가 증가함에 따라 시간에 따라 변할 수 있다. 따라서, 충전되는 배터리 셀의 임피던스 특성을 이해하는 것에 더하여, 배터리 셀의 임피던스 프로파일이 변함에 따라 충전 시퀀스의 다른 시간 또는 단계에서 배터리 셀의 임피던스를 측정하는 것을 통해 배터리 셀의 충전을 더욱 향상시킬 수 있다. 더욱이, 이러한 임피던스 변화에 기초하여 충전 특성을 변경하면 다양한 방식으로 배터리 시스템에 더 많은 이점을 줄 수 있다.
그리하여, 배터리 셀에 인가되거나 인가될 충전 신호에 기초하여 하나 이상의 배터리 셀의 복소 임피던스 특성을 결정하기 위한 시스템 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 구현예는 일부 경우에 배터리 셀을 충전하는 파형 형태를 적어도 부분적으로 한정하는 주파수 성분 또는 고조파를 결정하기 위해 배터리 셀의 임피던스를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 일반적으로 개별 충전 기간 또는 충전 펄스로 논의되지만, 충전 파형은 임의의 형태 또는 형상일 수 있고, 주기적인 부분과 비주기적인 부분을 모두 포함할 수 있다. 그리하여, 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 적어도 하나의 고조파를 포함하는 임의의 유형의 충전 신호에 적용될 수 있다. 배터리 셀의 실수 성분 값 및/또는 허수 성분 값을 모두 포함하는 임피던스 값은 다양한 방식 또는 방법으로 획득될 수 있다. 본 명세서에서 임피던스라는 언급은, 크기 값이 배터리 셀을 통한 전류 진폭에 대한 배터리 셀에 걸친 전압 진폭의 비율을 나타내고, 위상 값이 전류가 배터리 셀의 전압보다 앞서거나, 뒤처지거나, 동위상이 되는 위상 편이를 나타내는, 극 좌표 형태로 표현된 복소 임피던스를 의미하는 것으로 이해된다. 또한 본 명세서에서 임피던스라는 언급은 실수 성분 또는 값이 배터리 셀의 저항을 나타내고, 허수 성분이 배터리 셀의 리액턴스를 나타내는, 극 좌표 형태로부터 유도된 직교 좌표 형태로 표현된 복소 임피던스를 의미할 수 있다. 보다 쉬운 이해를 제공하기 위해 실수 성분 및 허수 성분과 함께 직교 좌표 형식의 임피던스를 사용하는 것이 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 설명된 시스템 및 방법은 배터리 셀을 통한 전류 진폭(또는 임피던스의 크기)에 대한 배터리 셀 양단의 전압 진폭의 비율과, 전압 신호에 대하여 전류 신호의 위상차(또는 임피던스의 위상 편이)로부터 이러한 값을 결정할 수 있다. 다른 경우에, 배터리 셀의 상이한 특성은 측정, 결정 또는 추정될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀의 컨덕턴스 및/또는 서셉턴스, 또는 임의의 다른 어드미턴스 양태가 단독으로 또는 조합하여 배터리 셀을 충전하는 동안 측정되거나 획득될 수 있다. 전달되는 전력, 전압 측정, 전류 측정 등과 같은 배터리 셀의 또 다른 특성이 획득되고/되거나 추정될 수 있다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 충전 파형에 응답하고 충전 파형의 한정된 고조파의 일부 양태에 기초하여 전기화학 디바이스로의 전류 흐름(예를 들어, 디바이스로의 충전 전류)을 나타내는 어드미턴스, 전력의 이러한 값 또는 다른 대표 값을 측정하거나 다른 방식으로 획득하고, 이러한 값을 사용하여 충전 신호를 조정할 수 있다. 일례에서, 파형을 조정하는 것은 하나 이상의 대표 값에 기초하여 파형의 고조파 특징을 최적화하고 한정하는 것을 포함한다.
일 구현예에서, 배터리 셀의 임피던스는 배터리 셀에 인가되는 충전 파형의 개별 충전 기간으로부터 또는 배터리 셀에 인가되는 다수의 개별 충전 기간으로부터 측정되거나 추정될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀에서 충전 신호의 전압 및 전류 성분의 진폭 및 시간 성분의 양태가 측정 및/또는 추정될 수 있다. 다른 예에서, 다수의 개별 충전 기간에 걸쳐 또는 다양한 시간에 충전 신호의 전압 및 전류 성분의 진폭 및 시간 성분의 양태가 측정 및/또는 추정될 수 있다. 따라서, 충전 파형의 하나의 개별 충전 기간 동안 획득된 측정값을 참조하여 본 명세서에서 논의된 양태는 다수의 개별 충전 기간에 걸쳐 또는 충전 파형의 다른 다양한 시간에 획득된 측정값에 유사하게 적용될 수 있다. 전압 및 전류 파형의 진폭 및 시간 성분 사이의 측정된 차이는 배터리 셀의 임피던스의 크기, 위상 편이, 실수 및/또는 허수 값을 결정하거나 추정하는 데 사용될 수 있다. 일례에서, 실수 및 허수 임피던스 값은 고조파/파형 에지의 알려진 지점 또는 지점들에서 취해진 전압 및 전류 파형의 진폭 차이와 함께 알려진 고조파로부터 한정된 충전 개별 충전 기간의 선두 에지에서의 차이로부터 결정될 수 있다. 유사하게, 임피던스의 양태는 충전 파형의 다른 지점에서 전압 및 전류 부분의 진폭 측정값으로부터 근사화될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 충전 신호의 전압 및 전류 파형의 다양한 측정은 측정에 적용된 가중 값에 기초하여 조정될 수 있다. 일반적으로, 배터리 셀의 임피던스를 결정하거나 추정하기 위해 충전 신호의 전압 및 전류 파형의 여러 양태를 결정하거나 측정할 수 있다. 다른 구현예에서, 충전 신호의 전압 및 전류 부분의 수백 또는 수천 개의 측정값이 디지털 처리 시스템을 통해 획득되고 분석될 수 있다. 일반적으로, 파형의 측정값이 더 많을수록 배터리 셀의 임피던스에 대한 파형의 영향을 보다 정확히 분석할 수 있어서 임피던스의 주파수 영향을 더 잘 결정하고 주파수에 기초하여 파형을 더 잘 설계할 수 있다.
하나의 특정 경우에, 충전 파형이 배터리 셀에 인가될 수 있고, 파형의 다른 부분과 연관된 파라미터가 측정되거나 추정될 수 있다. 파형의 측정된 부분으로부터 하나 이상의 주요 임피던스 파라미터를 계산할 수 있다. 일부 경우에, 주요 임피던스 파라미터는 충전 파형의 다양한 구간에서 배터리 셀에서 측정된 임피던스로부터 다양한 주요 임피던스 파라미터를 계산하거나 추정하도록 구성된 프로세서를 통해 결정될 수 있다. 별도의 제어 과정은 주요 임피던스 파라미터에 기초하여 충전 파형의 성분을 조정 및/또는 최적화할 수 있다. 각 제어기는 파형의 상이한 부분을 동시에 또는 순차적으로 개별적으로 최적화하기 위해 동작하는 별도의 과정을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 임피던스 파라미터가 가중될 수 있고, 점수, 오차, 확률 또는 기타 피드백 측정값이 가중된 임피던스 값으로부터 결정될 수 있다. 파형 특징부의 조정을 통해 피드백 측정은 최적화되거나 가장 높은 점수가 달성될 때까지 증가될 수 있다. 최적화된 피드백 측정이 달성되면 제어기는 계산된 피드백 측정에 기초하여 충전 파형을 제어할 수 있다. 충전 파형의 제어기는 규칙에 따라 동시에 또는 미리 정해진 시퀀스로 작용할 수 있다(프로그래밍된 규칙에 의해 한정된 특정 트리거의 경우 무시될 수 있음).
도 1a는 일 실시예에 따라 배터리 셀(104)을 재충전하기 위한 예시적인 충전 회로(100)를 예시하는 개략도이다. 일반적으로, 회로(200)는 전압원 또는 전류원일 수 있는 전력원(102)을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 전력원(102)은 직류 전류(DC) 전압원이지만, 교류 전류원(AC)도 고려된다. 일반적으로, 전력원(102)은 배터리 셀(104)을 재충전하기 위한 충전 전류를 공급한다. 일부 구현예에서, 도 1a의 회로(100)는 배터리 셀(104)을 충전하는 데 사용하기 위한 충전 신호의 하나 이상의 파형을 형성하기 위해 전력원(102)과 배터리 셀(104) 사이에 충전 신호 형성 회로(106)를 포함할 수 있다. 회로 제어기(110)는 충전 신호 형성 회로(106)와 통신할 수 있고, 충전 신호의 파형의 형성을 제어하기 위해 충전 신호 형성 회로(106)에 하나 이상의 입력을 제공할 수 있다. 충전 형성 회로(106)의 하나의 특정 구현예는 공동 출원된 미국 정규 출원 17/232,975(발명의 명칭: "Systems and Methods for Battery Charging", 전체 내용이 본 명세서에 포함됨)에 보다 상세히 설명되어 있다.
일부 경우에, 회로 제어기(110)는 배터리 셀(104)의 하나 이상의 임피던스 측정값 또는 다른 특성에 기초하여 충전 신호의 파형을 형성하기 위해 충전 형성 회로(106)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 충전 신호 형성 회로(106)는 배터리 셀(104)의 최소 실수 임피던스 값, 최소 허수 임피던스 값, 최대 컨덕턴스 값, 최적 서셉턴스 값 등과 연관된 고조파에 적어도 부분적으로 대응하는 충전 파형을 생성하기 위해 전력원(102)으로부터 에너지를 변경하도록 제어될 수 있다. 그리하여, 회로 제어기(110)는 배터리 셀(104)에 연결된 임피던스 측정 회로(108)와 통신하며 셀 전압 및 충전 전류뿐만 아니라 온도와 같은 다른 셀 속성을 측정하고, 셀(104)의 전극 양단의 임피던스를 측정하거나 계산할 수 있다. 일례에서, 임피던스는 인가된 파형에 기초하여 측정될 수 있고, 실수 또는 저항 값과 허수 또는 리액턴스 값을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 임피던스는 인가된 파형에 기초하여 측정될 수 있으며, 전압 진폭과 전류 진폭의 비율로부터 결정되는 크기 값, 및 전압 신호에 대한 전류 신호의 지연으로부터 결정되는 위상 편이 값을 포함할 수 있다. 일반적으로, 배터리 셀 또는 셀들(104)의 임피던스는 셀의 수 및 구성, 셀(들)의 충전 상태 및/또는 온도를 포함하여 셀의 많은 물리적 화학적 특징에 기초하여 변할 수 있다. 그리하여, 임피던스 측정 회로(108)는 다른 시간 중에서도 셀의 재충전 동안 배터리 셀(104)의 다양한 임피던스 값을 결정하기 위해 회로 제어부(110)에 의해 제어될 수 있고, 측정된 임피던스 값을 회로 제어부(110)에 제공할 수 있다. 일부 경우에, 배터리 셀(104)의 측정된 임피던스의 실수 성분은 전력원(102)으로부터의 에너지가 배터리 셀(104)의 최소 실수 임피던스 값과 연관된 고조파에 대응하는 하나 이상의 충전 파형으로 조각될 수 있도록 회로 제어기에 의해 충전 신호 형성 회로(106)에 제공될 수 있다. 다른 예에서, 회로 제어기(110)는 수신된 실수 임피던스 값에 기초하여 하나 이상의 제어 신호를 생성하고, 이들 제어 신호를 충전 신호 형성 회로(106)에 제공할 수 있다. 제어 신호는 다른 기능 중에서 실수 임피던스 값에 대응하는 고조파 성분을 포함하도록 충전 파형을 형성할 수 있다.
기존 전력 공급으로부터 생성된 파형은 다수의 고조파 성분으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1b는 배터리 셀(104)을 충전하기 위해 적용될 수 있는 파형(120) 시퀀스의 예를 도시한다. 파형 신호(120)는 여러 주파수의 여러 사인파 신호 또는 고조파로 구성된다. 도시된 예에서, 파형 신호(120)는 제1 주파수의 사인파 신호(122), 제2 주파수의 사인파 신호(124), 제3 주파수의 사인파 신호(126), 및 제4 주파수의 사인파 신호(128)의 합이다. 임의의 주어진 상황에서, 더 많거나 더 적은 수의 주파수 성분이 가능하며, 4개의 예는 단지 예시와 설명을 위한 목적으로 사용된다. 사인파 고조파(122 내지 128)의 조합은 도 1b의 파형 신호(120)를 포함한다. 본 발명의 양태는 이러한 신호에서 고조파의 크기 및 타이밍을 포함하여 파형의 형상을 제어하고, 이 형상화된 신호를 사용하여 배터리 셀을 충전하는 것을 포함하며, 여기서 파형의 다양한 양태, 예를 들어, 선두 에지, 바디(body) 및/또는 후미 에지(trailing edge)는 고조파 또는 고조파 성분의 조합을 통해 생성될 수 있다. 공동 출원된 미국 정규 출원 17/232,975(발명의 명칭: "Systems and Methods for Battery Charging")에 설명된 바와 같이, 파형 신호(120)의 인가로 인한 배터리 셀(104)의 임피던스는 충전 신호 내에 포함된 고조파 또는 주파수에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 소위 구형파 신호의 경우, 설정된 DC 전압 레벨 시퀀스가 아니라, 신호는 도 1b와 관련하여 도입된 다양한 주파수 고조파로 각각 구성된 펄스 시퀀스를 포함할 수 있다. 더욱이, 펄스의 제어되지 않은 암시적 고조파는 이러한 제어되지 않은 펄스 신호가 충전 시 인가되는 경우 배터리 셀(104)에서 상대적으로 높은 임피던스와 연관될 수 있고, 배터리 셀(104)을 충전하기 위한 구형파의 효율을 낮출 수 있다. 그리하여, 배터리 셀(104)에 높은 임피던스가 존재하는 고조파를 제거하거나 감소시키기 위해 충전 신호를 생성하거나 형성하는 것은 배터리 충전 효율을 향상시키고, 충전 중 발생하는 열을 줄이고, 애노드 또는 캐소드 손상을 줄이고, 충전 시간을 줄이고, 이를 통해 더 많은 용량을 사용할 수 있고/있거나, 배터리 수명을 늘릴 수 있다.
도 1c는 배터리 셀(104)의 실수 임피던스 값(축(134))과 배터리 셀에 인가되는 충전 신호에 포함된 대응하는 고조파(로그 주파수 축(축(136))으로 도시됨) 사이의 관계를 나타내는 그래프(132)이다. 플롯(138)은 충전 신호로서 인가될 수 있는 충전 신호의 사인파 성분의 다양한 주파수에서 배터리 셀(104)의 전극 양단의 실수 임피던스 값을 도시한다. 도시된 바와 같이, 실수 임피던스 값(138)은 충전 신호의 주파수에 기초하여 변할 수 있는 데, 더 낮은 주파수에서 초기에 더 높은 임피던스 사이에 상대적으로 더 낮은 임피던스를 가진 다음, 가장 낮은 임피던스가 발견되는 주파수보다 더 높은 고조파에서 실수 임피던스 값이 상대적으로 빠르게 증가한다. 배터리 셀(104)에 대한 실수 임피던스 값의 플롯(138)은 fMin으로 표시된 특정 충전 신호 주파수(142)에 대응하는 최소 실수 임피던스 값(140)을 나타낸다. 배터리 셀(104)에 대한 실수 임피던스 값(138)의 플롯은 배터리 화학물질, 충전 상태, 온도, 충전 신호의 조성 등과 같은 셀의 많은 인자에 의존할 수 있다. 따라서, 배터리 셀(104)의 최소 실수 임피던스 값(140)에 대응하는 주파수(fMin)(142)는 충전 중인 특정 배터리 셀(104)의 특성에 유사하게 의존할 수 있다. 주파수(fMin)(142)는 팩 내 셀들의 구성 및 팩 내 셀들 간의 연결과 같은 배터리 셀(104)의 다른 양태에 대응할 수 있다.
일 구현예에서, 충전 신호 형성 회로(106)는 회로 제어기(110)로부터의 하나 이상의 제어 신호에 응답하여 도 2에 도시된 것과 유사한 충전 개별 충전 기간을 제공할 수 있다. 도 2는 일 실시예에 따라 배터리 셀에 인가되는 충전 신호에 응답하여 시간(206)에 따라 배터리 셀에 걸쳐 측정된 전압 강하(202)("V"로 표시된 실선(202)으로 도시됨) 및 배터리 셀에서 측정된 전류(204)("I"로 표시된 파선(204)으로 도시됨)의 신호도이다. 일반적으로, 충전 신호 형성 회로(106)는 경사진 전방 에지(209)(때때로 배터리 셀의 임피던스 측정값과 연관된 고조파에 대응), 일정하거나 거의 일정한 바디 부분(203)(전력원(102)의 상한 전압에 대응) 및 날카로운 하강 에지(205)를 포함하도록 배터리 셀 양단의 전압(202)을 제어할 수 있다. 그러나 회로(100)의 전압 제어된 변형예에 대해, 개별 충전 기간(201)의 전류(204) 성분은 전압 성분(202)보다 뒤처질 수 있다. 보다 구체적으로, 배터리 셀의 전류(204)는 배터리에 대한 전압(202)이 개별 충전 기간(201)의 하강 에지(205)에서 제거된 후 0으로 복귀하는 데 약간의 시간이 걸릴 수 있다. 0으로 복귀하는 데 걸리는 배터리 전류(204)의 이러한 지연은 개별 충전 기간에 추가적인 비효율성을 추가할 수 있으므로, 개별 충전 기간(201)의 일부 구현예는 개별 충전 기간의 부분(214)으로서 도 2에 나타낸 배터리 셀의 제로 전류에 대응하는 전이 전압 아래로 전압을 구동하도록 제어되는 충전 신호의 전압(202)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전이 전압은 배터리로 흐르는 전류가 반전되는 충전 신호의 전압이고, 배터리 셀의 부동 전압(float voltage)과 유사할 수 있다. 특히, 개별 충전 기간의 하강 에지(205) 후 시간 기간 동안 전이 전압 아래로 전압(214)을 구동하는 것은 이러한 형태가 없는 개별 충전 기간에 비해 더 빠른 비율로 전류(204)를 0 암페어로 구동할 수 있다. 전압(214)이 제로 전류에 대응하는 전이 전압 미만으로 제어되는 지속기간(TT)(216)은 배터리 셀(104)의 전류(204)가 제로 암페어로 복귀하는 데 걸리는 시간을 최소화하기 위해 회로 제어기(110)에 의해 결정되거나 설정될 수 있다. 전류(204)가 특정 휴지 기간(rest period) 동안 0 암페어로 돌아오면, 다른 개별 충전 기간(201)이 배터리 셀(104)에 적용될 수 있다. 다른 경우에, 배터리 셀(104)에 인가되는 그 다음 개별 충전 기간(201) 이전에 전류(204)가 제로 암페어로 복귀하는 것에 더하여 휴지 전압(230)은 외부 제어 없이 안정화될 수 있다. 어느 경우든, 다른 충전 개별 충전 기간을 적용하기 전에 개별 충전 기간(201)의 끝에서 발생하는 방전량을 최소화하거나 제어하는 것이 바람직할 수 있다.
전술한 바와 같이, 회로 제어부(110)는 임피던스 측정 회로(108)를 제어하여 배터리 셀(104)의 임피던스를 측정하고 이러한 측정값을 사용하여 충전 신호 형성 회로(106)를 제어하여 측정된 임피던스에 기초하여 하나 이상의 추가적인 또는 향후 충전 개별 충전 기간을 생성할 수 있다. 특히, 배터리 셀(104)의 임피던스는 충전 신호에 포함된 고조파에 대응할 수 있으므로 충전 신호의 고조파를 주파수(fMin)(142) 또는 그 부근의 고조파로 제한함으로써 배터리 셀을 충전하는 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 충전 신호를 생성하기 위해, 도 1a의 회로는 배터리 셀(104)의 임피던스 프로파일을 결정하고 이에 응답하여 추가적인 또는 향후 충전 기간을 조정하기 위해 개별 충전 기간 동안 또는 다수의 개별 충전 기간에 걸쳐 다양한 지점에서 배터리 셀(104)의 임피던스 값을 획득하도록 구성 또는 설계될 수 있다. 다른 예에서, 회로 제어기(110)는 임피던스 측정 회로(108)를 제어하여 배터리 셀(104)의 다른 특성 및/또는 배터리 셀에 인가된 충전 신호를 획득하고 획득된 특성을 사용하여 배터리 셀의 임피던스를 추정하도록 할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(104)의 임피던스 값은 임피던스 측정 회로(108)에 의해 배터리 셀에서 측정된 전압 파형(202) 및/또는 전류 파형(204)의 진폭 및 시간 특성에 기초하여 측정되거나 추정될 수 있다. 또한, 파형(202, 204)의 진폭 및 시간 특성은 배터리 셀(104)의 임피던스를 결정하거나 추정하기 위해 인가된 개별 충전 기간 또는 다수의 인가된 개별 충전 기간의 상이한 구간에서 측정될 수 있다. 그런 다음 배터리 셀(104)의 결정되거나 추정된 임피던스 값은 배터리 셀(104)을 재충전할 때 충전 신호의 효율을 향상시키기 위해 회로 제어기(110)에 의해 충전 신호의 향후 개별 충전 기간(201)을 조정하는 데 사용될 수 있다.
도 3은 특히 일 실시예에 따라 배터리 셀에서 파형의 측정된 특성에 기초하여 다양한 시간에서 배터리 셀의 임피던스 값을 결정하는 방법을 도시한 흐름도이다. 방법의 동작은 아마도 회로 제어기(110)에 의해 제공된 하나 이상의 제어 신호에 응답하여 임피던스 측정 회로(108)의 구성요소에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 회로(100)의 다른 구성요소는 방법(300)의 동작 중 하나 이상을 수행할 수 있다. 또한, 파형의 측정값은 하나 이상의 하드웨어 구성요소, 하나 이상의 소프트웨어 프로그램, 또는 하드웨어와 소프트웨어 구성요소의 조합을 통해 획득할 수 있다. 또한, 설명된 동작 중 하나 이상은 수행되지 않을 수 있고 동작은 임의의 순서로 수행될 수 있다.
동작(302)에서 시작하여, 임피던스 측정 회로(108)는 배터리 셀(104)에 개별 충전 기간을 적용하는 동안 다양한 시간에서 배터리 셀(104)의 전압 및 전류 파형의 진폭 및/또는 시간 측정값을 획득할 수 있다. 전술한 바와 같이 예로서 도 2의 전압(202) 및 전류 파형(204)을 사용하여, 전압 파형(예를 들어, 파형(202)) 또는 전류 파형(예를 들어, 파형(204))은 충전 신호 형성 회로(106)에 의해 배터리 셀(104)에 제공될 수 있다. 도시된 특정 예에서, 도 1a의 회로(100)는 전압 파형(202)이 배터리 셀(104)의 재충전을 제어하도록 전압 제어된 구성요소를 포함할 수 있다. 대안적인 구현예에서, 회로(100)는 전류 파형이 배터리 셀(104)을 재충전하기 위해 충전 신호 형성 회로(106)에 의해 형성되도록 전류 제어된 구성요소를 포함할 수 있다. 인가된 파형의 유형에 관계없이, 배터리 셀에 인가된 개별 충전 기간에 응답하여 다양한 시간에 배터리 셀(104) 양단의 전압 강하 및 배터리 셀에서 측정된 전류가 결정되거나 측정될 수 있다. 하나의 특정 구현예에서, 임피던스 측정 회로(108)는 제1 전압 측정값(V0)을 획득할 수 있고, 제1 전류 측정값(I0)은 제1 시간(218)에서 획득될 수 있다. 일 구현예에서, 제1 시간(218)은 배터리 셀(104)에 개별 충전 기간(201)을 적용하기 전에 배터리 셀(104)의 전류가 0 암페어인 시간과 상관될 수 있다. 시간(218)에서의 전류는 0 암페어일 수 있지만, 전압(V0)은 배터리 셀(104)의 부동 전압일 수 있다. 또한, 비록 동일하게 도시되었으나, 전압 성분(202)과 전류 성분(207)의 표현된 값은 서로 다른 단위로 측정되었음에도 불구하고 신호가 동일한 플롯으로 도시될 수 있도록 스케일링되어 중첩되었을 수 있다. 예를 들어, x-축(206)은 전류 플롯(207)에 대해 제로 암페어를 나타내고, 전압 플롯(202)에 대해 전이 전압 값(일부 경우에 제로 값보다 크거나 작음)을 나타낼 수 있다.
나중에 개별 충전 기간(201)의 파형에 대응하는 추가적인 전압 및 전류 측정이 취해질 수 있다. 특히, 임피던스 측정 회로(108)는 전압 파형(202)의 선두 에지(209)의 피크에서 전압(V1)(220)을 측정할 수 있다. 또한, 임피던스 측정 회로(108)는 초기 전압 측정(V0)과 전압(V1)(220)이 발생하는 시간 사이의 시간 차이(T1-V)를 측정할 수 있다. 시간 차이(T1-V)는 아래에 설명된 바와 같이 배터리 셀(104)의 임피던스의 리액턴스 값 또는 위상 편이 값을 결정하는 데 사용될 수 있다. 유사한 방식으로, 임피던스 측정 회로(108)는 전류 파형(207)의 선두 에지(211)의 피크에서 전류(I1)(222)를 측정할 수 있다. 또한, 임피던스 측정 회로(108)는 초기 전류 측정(I0)과 전류(I1)(222)가 발생하는 시간 사이의 시간 차이(T1-I)를 측정할 수 있다. 이 도시된 예에서, 전류 파형(204)은 T1-V 후에 T1-I가 발생하도록 제어된 전압 파형(202)에 대해 지연된다. 전압 파형(202)과 전류 파형(204)의 추가 진폭 값은 개별 충전 기간(201)의 하강 에지(205)에서 취해질 수 있다. 특히, 임피던스 측정 회로(108)는 개별 충전 구간(201)의 하강 에지(205)의 발생 시 전압(V2)(212)과 전류(I2)(224)를 측정할 수 있다. 일반적으로, 배터리 셀(104)의 임피던스로 인해 개별 충전 기간(201)의 모든 전압(202)보다 적은 전압이 배터리 셀(104)에 인가된 전압과 수신된 전류 사이에 약간의 차이가 있도록 충전 전류(204)로 변환된다.
여전히 추가적인 시간 측정값이 임피던스 측정 회로(108)에 의해 취해질 수 있다. 하나의 경우에, 초기 전압 측정(V0)과 전압(V3)이 발생하는 시간 사이의 시간 차이(T2)(226)와 전압(V3)이 전류 파형(204)이 0 암페어로 복귀할 때 획득될 수 있다. 일부 경우에, 시간 차이(T2)(226)는 전류 파형(204)을 0 암페어로 가져오는 데 걸리는 시간의 척도로서 페이드 시간(fade time)이라고 지칭될 수 있다. 일부 경우에, 전압(V3)은 전류를 0 암페어로 구동하는 것을 돕기 위해 배터리 셀(104)의 전이 전압 미만일 수 있다. 그러나, 배터리 셀(104)에 대한 충전 신호는 배터리 셀(104)에서의 전압과 전류가 배터리 셀의 전이 전압의 전압과 0 암페어에 대응하는 휴지 상태로 복귀할 때까지 대기하도록 제어될 수 있다. 따라서, 임피던스 측정 회로(108)는 전압 파형(202)이 전이 전압으로 복귀하고 전류 파형(204)이 0 암페어로 복귀하는 시간과 초기 전압 측정(V0) 사이의 시간 차이(T3)(228)를 추가로 측정할 수 있다. 일부 경우에, 충전 신호의 비효율성을 방지하기 위해 배터리 셀(104)에 대해 추가 개별 충전 기간이 생성되기 전에 추가 휴지 기간이 충전 신호에 추가될 수 있다.
전압 및 전류 파형(202, 204)의 임의의 수 및 유형의 특성이 임피던스 측정 회로(108) 또는 회로 제어기(110)에 의해 측정되거나 결정될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 전압 파형(202)의 다른 진폭 및/또는 전류 파형(204)의 진폭이 측정될 수 있고 이러한 진폭의 발생 시간 차이가 결정될 수 있다. 또한, 측정이 수행되는 개별 충전 기간(201)의 지점은 아래에서 보다 자세히 설명하는 바와 같이, 측정값을 사용하여 형성된 충전 기간의 특성을 결정할 수 있으므로 회로(100)에 의해 개별 충전 기간을 형성하는 것에 의존할 수 있다.
동작(304)에서, 임피던스 측정 회로(108) 또는 회로 제어기(110)는 충전 파형(201)의 측정된 특성에 기초하여 배터리 셀의 하나 이상의 임피던스 특성을 계산하거나 추정할 수 있다. 또한, 배터리 셀 응답의 계산하거나 추정된 임피던스 특성 또는 다른 특성은 개별 충전 기간(201)의 차이 구간 또는 부분에 대응할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 측정 회로(108)는 개별 충전 기간(201)의 선두 에지 부분(209)의 피크에서 임피던스 크기 또는 실수 임피던스 값을 추정하기 위해 V1(220)과 I1(222)에서 측정된 진폭 값의 비율을 결정할 수 있다. 일 구현예에서, 피크에서의 실수 임피던스 값은 ZR_에지 = (V0-V1)/(I0-I1)에 기초하여 계산될 수 있다. 유사한 방식으로, 임피던스 측정 회로(108)는 V2(212)와 I2(224)의 진폭 값의 비율을 결정하여 수식(ZR_바디 = (V0-V2)/(I0-I2))을 통해 개별 충전 기간(201)의 바디 부분의 끝에서 임피던스 크기 또는 실수 임피던스 값을 추정할 수 있다. 그러나, 추정된 실수 임피던스(ZR_바디)는 측정 V2(212)와 I2(224)가 취해진 개별 충전 기간(201)의 부분이 구별할 수 없는 많은 고조파를 포함하여 ZR_바디가 미지의 리액턴스 부분을 포함할 수 있도록 할 수 있기 때문에 근사화될 수 있다. 개별 충전 기간(201)의 선두 에지(209)가 단일 고조파로 구성될 수 있기 때문에 이러한 어려움은 일반적으로 ZR_에지를 계산할 때 존재하지 않는다.
유사한 방식으로, 배터리 셀(104)의 복소 임피던스의 위상 편이, 리액턴스 또는 허수 값이 결정되거나 추정될 수 있다. 예를 들어, 임피던스 측정 회로(108)는 시간(T1-V 및 T1-I)의 차이를 결정할 수 있고, 측정된 시간 차이를 이용하여 개별 충전 기간(201)의 선두 에지(209) 부분의 피크에서 허수 임피던스 값을 추정할 수 있다. 일부 경우에, ZIMG_바디는 페이드 지속시간(TT)(216)의 시간 동안 임피던스 특성을 측정함으로써 대략적으로 근사화될 수 있다. 특히, 하강 에지(205)에서 임피던스의 허수 성분은 측정된 지속시간(TT)(216)에 기초하여 허수 성분을 추정할 수 있도록 개별 충전 기간(201)의 페이드 부분의 지속시간(TT)(216)과 관련될 수 있다. 일반적으로, 배터리 셀(104)의 임피던스의 많은 양태는 배터리 셀(104)에 적용된 개별 충전 기간(201)의 임의의 수의 측정에 기초하여 결정되거나 추정될 수 있다.
동작(306)에서, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(104)에 제공되는 충전 신호의 개별 충전 기간의 형상에 대한 조정을 결정하기 위해 계산되거나 결정된 하나 이상의 임피던스 특성을 하나 이상의 개별 충전 기간 파라미터 제어기에 적용할 수 있다. 특히, 제어기는 임피던스 측정값 또는 추정치를 제어기에 대한 입력으로 활용할 수 있다. 일부 경우에, 결정된 임피던스 값은 다른 측정값 또는 추정치에 대한 측정 효과를 조정하기 위해 가중될 수 있다. 일반적으로, 파형(202, 204)의 임의의 양태는 단지 임피던스 값에 대하여서만 가중되는 것이 아니라 피크 값, %시간 이용률(여기서 50% 듀티의 구형 펄스는 50% 이용률이고, DC는 100%임) 등을 포함하는 다양한 파라미터에 대해서 가중될 수 있다.
동작(308)에서, 개별 충전 기간 파라미터 제어기는 최적화된 충전 파형 형상을 달성하기 위해 충전 파형(201)의 양태를 조정할 수 있다. 예를 들어, 별도의 파형 파라미터 제어기는 충전 파형(201)의 대응하는 부분을 조정하거나 최적화하도록 구성될 수 있다. 하나의 특정 구현예에서, 파형 파라미터 제어기는 개별 충전 기간(201)의 선두 에지 부분(209)의 고조파를 최적화하기 위한 제어기, 개별 충전 기간의 바디 부분(203)의 지속시간을 최적화하기 위한 제어기, 개별 충전 기간의 페이드 부분(214)의 하부에서 가장 낮은 전압 크기를 최적화하기 위한 제어기, 및/또는 새로운 개별 충전 기간이 생성되기 전에 개별 충전 기간의 휴지 기간을 최적화하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 위에서 결정된 ZR_바디 및/또는 ZR_에지는 개별 충전 기간(201)의 선두 에지 부분(209)의 고조파를 결정하는 데 활용될 수 있다. 개별 충전 기간의 다른 양태 또는 특성은 하나 이상의 제어기에 의해 최적화될 수도 있다. 각각의 개별 충전 기간 파라미터 제어기는 충전 파형(201)의 임피던스 측정값 또는 추정값, 전압 측정값, 전류 측정값 등의 양태를 수신할 수 있다. 또한, 각각의 제어기는 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이 개별 충전 기간(201)의 대응하는 부분에 대해 가장 높은 최적화 값을 생성하거나, 배터리 셀(104)에 대한 손상을 최소화하기 위해 입력에 적용되는 가중치를 조정할 수 있다. 이러한 최적화는 개별 충전 기간 파라미터 제어기에 의해 개별적으로 또는 동시에 발생할 수 있다. 일 구현예에서, 제어기는 실행 순서를 결정하기 위해 하나 이상의 규칙에 기초하여 순차적으로 실행할 수 있다. 또한, 제어기 실행의 순서는 충전 파형(201)의 측정으로부터 획득된 하나 이상의 이벤트 트리거에 기초하여 조정될 수 있다.
동작(310)에서, 회로 제어기(110)는 개별 충전 기간 파라미터 제어기로부터의 출력에 기초하여 개별 충전 기간을 생성하도록 충전 신호 형성 회로(106)를 제어할 수 있다. 일반적으로, 개별 충전 기간 파라미터 제어기로부터의 출력은 배터리 셀 전극의 임피던스를 최소화하거나 감소시키면서 배터리 셀에 전하를 인가하기 위한 최적화된 개별 충전 기간(201)을 제공한다. 제어기 출력의 변환은 충전 신호를 최적화하는 개별 충전 기간의 형상을 조정하기 위한, 형성 회로(106)에 대한 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 개별 충전 기간(201)의 선두 에지(209)의 고조파에 대응하는 개별 충전 기간 파라미터 제어기는 선두 에지로부터의 고주파 고조파를 최적화하거나 감소시키기 위해 선두 에지에 대한 주파수를 출력할 수 있다. 그런 다음 회로 제어기(110)는 형성 회로(106)에 대한 하나 이상의 제어 신호를 생성하여 제어기의 출력에 대응하도록 개별 충전 기간의 선두 에지의 고조파를 조정할 수 있다. 개별 충전 기간의 다른 양태는 개별 충전 기간의 지속시간 및 개별 충전 기간의 페이드 부분에 대한 전이 전압 미만의 전압과 같은 개별 충전 기간 파라미터 제어기의 출력에 기초하여 유사하게 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 배터리 셀(104)의 계산되거나 추정된 임피던스는 배터리 셀에 제공되는 충전 파형의 형상을 조정하거나 제어하는 데 사용될 수 있다.
일부 경우에, 회로 제어기(110)는 위에서 획득된 임피던스 측정값에 기초하여 개별 충전 기간을 생성하도록 충전 신호 형성 회로(106)를 제어하기 위해 측정되거나 추정된 임피던스 값에 더하여 충전 상태 또는 다른 특성을 고려할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(104)은 회로 제어기(110)에 의해 충전 세션의 시작 시 공칭 전압 미만의 부동 전압으로 10% 미만의 충전 상태를 갖도록 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이 개별 충전 기간 동안 임피던스 측정 또는 결정을 획득한 후, 회로 제어기(110)는 결정된 임피던스에 응답하여 개별 충전 기간을 조정하기 위해 개별 충전 기간 생성 회로를 제어할 수 있다. 예를 들어, 후속 개별 충전 기간은 도 2에 도시된 것과 유사한 형상을 갖도록 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 위에서 논의된 임피던스 측정 또는 추정과, 배터리 셀(104)의 충전 시작의 결정에 기초하여, 후속 개별 충전 기간(201)의 사인파 선두 에지(209)는 배터리 셀의 최소 임피던스와 연관된 주파수보다 높은 주파수와 일치하도록 제어될 수 있다. 선두 에지(209)의 주파수는 선두 에지(209) 동안 배터리 셀(104)의 임피던스가 측정되거나 계산된 임피던스 값의 특정 공차 내에 있도록, 예를 들어, 측정된 최소 임피던스(Zmin), 측정된 실수 임피던스(Zr), 계산된 모듈러스 임피던스(Zmod), 또는 임의의 다른 임피던스 기반 측정 또는 계산의 12% 내에 있도록 회로 제어기(110)에 의해 선택될 수 있다.
그런 다음 회로 제어기(110)는 개별 충전 기간(201)의 바디 부분(203)에 대해 일정한 전압, 경사 또는 형상을 인가할 수 있다. 바디 부분 동안, 전류는 일부 경우에 배터리 셀(104) 내의 확산 과정이 여전히 일시적일 수 있기 때문에 계속해서 상승할 수 있다. 이러한 경우에, 바디(203)의 지속시간은 전류가 바디(203)의 중간 지점에서 피크가 되도록 회로 제어기(110)에 의해 조정될 수 있다. 이는 셀 내 구성요소 사이에 전압 구배의 증가와 물질 수송의 제한의 시작으로 인해 바디(203)의 끝에서 전류가 바디(203) 부분의 시작 시와 동일하거나 유사한 값으로 복귀하도록 할 수 있다. 개별 충전 기간(201)의 후미 에지(205)에서 전류는 전압 신호보다 지연될 수 있지만 궁극적으로 0 크기로 하강할 수 있다. 일부 경우에, 전류가 0 크기로 떨어지는 기간(216)은 허용 가능한 기간(예를 들어, 선두 에지 기간의 15%) 내에 있도록 제어될 수 있다. 다른 경우에, 전류는 개별 충전 기간(201)의 후미 에지(232) 후에 0 암페어로 복귀할 때 제어되지 않을 수 있다. 이는 배터리 셀(104)의 주어진 목표 충전율에 대해 더 낮은 피크 전압과 피크 전류를 제공할 수 있으며, 이는 배터리 셀(104)의 분극, 가스 방출 및 온도 증가를 최소화할 수 있다. 개별 충전 기간 사이의 적절한 휴지 기간은 충전 신호의 선두 에지(209)와 바디(203)의 지속시간에 기초할 수 있고, 배터리 셀(104)이 목표 충전율을 유지하면서 추가 열을 소산하도록 적용될 수 있다.
35% 내지 65%의 충전 상태에서, 배터리 셀(104)의 임피던스는 개별 충전 기간의 피크 전압과 피크 전류에 점점 더 민감해질 수 있다. 이에 응답하여, 회로 제어기(110)는 최소 임피던스 주파수 주위에 집중되도록 개별 충전 기간(201)의 바디 부분(203)의 고조파를 조정할 수 있는 반면, 선두 에지(202)와 연관된 고조파는 더 좁은 사인파 신호(더 짧은 기간의 선두 에지(209))를 생성하도록 선택될 수 있다. 이렇게 개별 충전 기간이 변하면 최소 임피던스의 최대 25%와 같이 더 빠른 선두 에지로 인해 배터리 셀(104)에서 더 높은 평균 임피던스를 초래할 수 있다. 그리하여, 전류는 개별 충전 기간(201)의 후미 에지(205)에서 0에 접근하는 데 추가 시간을 요구할 수 있다. 전류가 셀의 탈분극을 나타내는 0 암페어로 안정화되는 데 필요한 시간을 줄이기 위해, 개별 충전 기간(201)의 끝에서 전압 강하(214)는 위와 같이 셀의 부동 전압으로 돌아가는 대신에 2.6V만큼 감소될 수 있다. 이 전압 강하(214)는 전류(232)가 선두 에지 기간의 15% 내에서 0에 접근하도록 하는 기간 동안 유지될 수 있고, 그런 다음 0 미만의 전류 오버슈트와 0 부근의 전류 진동으로 인한 부분 방전을 최소화하기 위해 구배에서 부동 전압까지 점진적으로 상승한다.
배터리 셀(104)의 최대 허용 평균 전압(약 80% SOC) 근처에서, 배터리 셀의 임피던스는 개별 충전 기간(201)의 선두 에지(209)의 주파수와 바디(203)의 주파수 사이의 변화를 덜 필요로 할 수 있다. 이러한 상황에서, 개별 충전 기간(201)은 최소 임피던스로부터 22% 편차 이내로 제어될 수 있다. 배터리 셀(104)의 애노드와 캐소드는 각각 리튬 농도의 상한과 하한 근처에 있기 때문에, 배터리 셀(104)의 임피던스는 주어진 충전율에 대한 피크 전압과 전류 값에 덜 민감해지면서 충전 기간 사이에 더 긴 휴지 기간을 제공할 수 있다. 개별 충전 기간(201)을 조정하면 충전 시스템이 과도한 열, 전기화학 부반응 또는 용량 손실 없이 더 낮은 분극으로 효율적인 충전을 유지할 수 있다.
다른 경우에, 마이크로제어기 또는 다른 디지털 기반 측정 시스템을 이용하여 배터리 셀(104)의 임피던스를 계산하고 이에 응답하여 충전 파형(201)을 제어할 수 있다. 특히, 전압 신호(202)와 같은 전압 신호의 3개의 전압 측정값이 마이크로제어기에 의해 획득될 수 있고, 전류 신호(204)의 3개의 전류 측정값이 획득될 수 있다. 측정값은 시간 영역에서 동시에 획득될 수 있고 이에 따라 이를 사용하여 두 개의 임피던스 값(Z1 및 Z2)을 계산할 수 있다. 예를 들어, 측정값(V1 및 I1)은 개별 충전 기간의 시간 영역 내에서 동시에 획득될 수 있다. 또한 전술한 바와 같이, 파형(202, 204)의 추가 측정값을 획득할 수 있다. 임피던스 값(Z1 및 Z2)은 충전 신호의 하나 이상의 특징 또는 양태를 결정하기 위해 전술한 바와 유사한 방식으로 사용될 수 있고, 제어된 파형의 조합으로부터 최적화된 충전 신호를 생성하기 위해 이에 따라 충전 신호를 형성하도록 회로(100)의 양태를 제어하기 위해 제어 회로(110)에 의해 사용될 수 있다.
많은 경우에, 배터리 셀(104)을 통과하는 전류는 (전압 제어된 개별 충전 기간 동안) 개별 충전 기간의 전압의 형상과 특성에 대응한다. 도 4a는 배터리에 인가되는 개별 충전 기간(402)의 전압 성분(404)과 전류 성분(406)의 다이어그램이고, 여기서 전압과 전류는 모두 측정된 것이다. 도 2와 유사하게, 개별 충전 기간(402)은 신호(402)의 전압(404)의 제어를 통해 생성되고, 선두 에지 구간(405), 바디 구간(407) 및 후미 구간(409)을 포함할 수 있다. 도 4a에 도시된 예에서, 선두 에지(405)의 전압 성분(404)은 상대적으로 높은 주파수 고조파를 반사하는 날카로운 에지를 포함할 수 있다. 그러나, 선두 에지 고조파와 연관된 배터리 셀(104)의 임피던스로 인해, 배터리 셀의 전류(곡선(406)에 도시됨)는 전압보다 느리게 상승할 수 있고 전압에 비해 지연될 수 있다. 배터리 셀(104)의 임피던스는 전압(404)과 전류(406) 성분의 비율에 대응하기 때문에, 개별 충전 기간(402)의 상대적으로 높은 주파수의 선두 에지 고조파가 신호의 전류 성분에 영향을 미치는 일부 임피던스와 연관되어 있음을 알 수 있다. 또한, 도 4a에 도시된 바와 같이, 전압(408)은 개별 충전 기간(402)의 바디 부분(407)에서 일정한 값이 되도록 제어될 수 있다. 그러나, 개별 충전 기간(402)의 전류 성분(410)의 응답은 배터리 셀(104)의 임피던스로 인해 바디 구간(407)의 일부를 통해 계속 상승할 수 있으며, 이는 전압 신호(408)와 바디 부분의 전류 신호(410)가 분리되는 것으로 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a에서 전압 신호(408)와 전류 신호(410) 사이의 편차는 배터리 셀(104)의 임피던스의 실수 성분 또는 크기의 근사치를 도시하고, 인가되는 전압(408)의 선두 에지에 응답하여 전류 신호의 지연은 임피던스의 허수 성분 또는 위상 편이를 나타낸다. 전압 성분(408)과 전류 성분(410)의 플롯은 스케일링되고 중첩되어 도 4a 내지 도 4c의 신호도를 생성할 수 있다. 바디 구간(407)에서 전류가 상승하는 비율은 선두 에지로부터 바디 구간(407)으로 전압 신호(404)의 전이와 관련될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 추가적인 또는 향후 개별 충전 기간의 바디 부분(407)의 지속시간은 바디 구간(407)에서 전류(410)의 피크가 바디 구간의 중간점에서 발생하도록 제어될 수 있다. 따라서, 일부 경우에, 바디 부분(407) 동안 개별 충전 기간(402)의 전류 성분(410)의 하향 기울기가 모니터링되고/되거나 측정될 수 있고, 개별 충전 기간의 후미 에지 부분(409)은 전류가 바디 부분의 시작 시와 유사한 전류로 복귀하도록 예상되는 지점에서 시작할 수 있다. 개별 충전 기간(402)의 후미 에지에서 전술된 바와 같이 전압(412)은 이러한 형상 없이 개별 충전 기간에 비해 더 빠른 비율로 전류(414)를 제로 암페어로 구동하는 데 걸리는 시간 기간 동안 전이 전압 아래로 구동될 수 있다.
도 4b에 도시된 개별 충전 기간(422)의 다른 예에서, 개별 충전 기간(422)의 선두 에지(425)는 선두 에지 구간(425) 동안 상대적으로 더 낮은 주파수 고조파(도 4a의 개별 충전 기간에 비해 덜 가파른 비율)에 의해 한정될 수 있다. 더 낮은 주파수 고조파 선두 전압 에지는 진폭과 시간 모두에서 전압 제어 부분(424)의 곡선을 더 가깝게 따르는 개별 충전 기간(422)의 전류(426) 부분에 의해 반사되는 더 낮은 임피던스와 연관된다. 또한, 선두 부분(425)으로부터 바디 부분(427)으로의 전이가 다시 도 4a의 개별 충전 기간에 대해 덜 엄격하기 때문에, 전류 부분(430)의 정점은 전류 진폭 및/또는 형상이 바디 부분 동안 전압 형상을 더 가깝게 반영하도록 유사하게 덜 두드러질 수 있다. 도 4a의 개별 충전 기간에 도시된 개별 충전 기간(422)의 후미 부분(429)의 유사한 전압 강하(432)는 다른 충전 파형의 전송을 위한 준비로 전류(434)를 0 암페어로 구동하기 위해 도 4b의 개별 충전 기간(422)에 존재할 수 있다.
도 4c에 도시된 개별 충전 기간(442)의 또 다른 예에서, 전압 신호(444)의 선두 에지(445)는 더 평평한 상승을 한정하는 도 4a 및 도 4b의 주파수 고조파와 비교하여 훨씬 더 낮은 주파수 고조파로 한정될 수 있다. 이 경우, 개별 충전 기간의 전류(446) 부분은 도 4a 및 도 4b의 개별 충전 기간과 비교하여 전압 제어 부분(444)의 곡선을 훨씬 더 가깝게 반영할 수 있다. 그러나, 바디 부분(447) 동안의 전류(450)는 이전에 언급된 바와 같이 정점이 작거나 없을 수 있지만, 대신 배터리 셀(104) 내의 확산 과정으로 인해 전압(448)이 일정하게 유지됨에 따라 점진적으로 감소할 수 있다. 이 개별 충전 기간(442)의 예는 또한 전류(454)를 0 암페어로 구동하기 위해 개별 충전 기간(442)의 후미 부분(449)에 전압 강하(452)를 포함할 수 있다.
배터리 셀(104)을 충전하기 위한 개별 충전 기간을 형성하는 것은 효율의 균형과 기간당 최대 전력의 전달을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4a의 개별 충전 기간(402)은 개별 충전 기간이 구형파 형상에 접근하도록 전압이 빠르게 피크 값에 도달함에 따라 많은 양의 충전 전력을 제공할 수 있다. 그러나, 개별 충전 기간(402)의 선두 구간(405)에서의 급격한 상승에 뒤이어 바디 부분(407)으로의 급격한 전이는 신호에 높은 고조파를 도입할 수 있다. 도 1c와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이, 이러한 높은 고조파는 배터리 셀(104)에서 큰 임피던스를 야기할 수 있고, 그 결과 배터리 충전에서 큰 비효율을 초래할 수 있다. 대안적으로, 도 4c의 개별 충전 기간(442)은 더 느린 선두 에지(445)로 인해 배터리 셀(104)에서 높은 임피던스를 제공하는 개별 충전 기간 내의 고조파를 감소시키거나 최소화할 수 있지만, 이 개별 충전 기간(442)(개별 충전 기간의 영역에 대응)에서 배터리 셀(104)에 제공되는 평균 전력의 양은 도 4a 및 도 4b의 개별 충전 기간보다 적다. 따라서, 임피던스는 다른 충전 신호에 비해 감소될 수 있지만, 배터리 셀(104)을 충전하는 데 더 적은 전력이 배터리 셀(104)로 전달된다. 도 4b의 개별 충전 기간(422)은 배터리 셀을 충전하는 동안 임피던스와 전력 전달의 대조되는 고려 사항 사이의 균형을 제공한다.
임피던스와 전력 전달의 고려 사항 사이의 균형을 달성하기 위해, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(104)의 임피던스를 모니터링하거나 측정하고, 이에 응답하여 개별 충전 기간의 형상(이의 임의의 성분 포함)을 조정할 수 있다. 일부 경우에, 임피던스 특성 또는 값을 획득하는 데 사용될 수 있는 전압과 전류를 개별 측정하는 것에 의존하는 대신 시스템은 위에서 설명한 측정 중 하나 이상을 추정할 수 있다. 예를 들어, 도 5는 배터리 셀(104)을 충전하기 위한 충전 신호의 일부일 수 있는 개별 충전 기간(501)을 도시한다. 신호도(501)는, 도 2와 관련하여 전술한 개별 충전 기간(201)과 유사하며, (개별 충전 기간(501)의 전압 성분(502)과 개별 충전 기간의 전류 성분(503) 모두에 대해) 개별 충전 기간을 따른 지점의 표시를 포함한다. 예를 들어, 회로 제어기(110)는 지점(520), 지점(512) 등에서의 전압과, 지점(522), 지점(524) 등에서의 전류를 결정할 수 있다. 이러한 측정값은 개별 충전 기간을 따라 다양한 시간에 배터리 셀(104)의 임피던스를 결정하는 데 활용될 수 있다. 그러나, 하나 이상의 이러한 지점에서의 개별 측정값 대신에 시스템은 지시된 지점에서 하나 이상의 측정값을 추정할 수 있다.
예를 들어, 전압(V1)은 개별 충전 구간(501)의 선두 에지 부분과 개별 충전 구간의 바디 부분 사이의 전압 성분의 전이 지점(520)에서 측정될 수 있다. 전류(I1)는 개별 충전 기간의 전류 성분에 대한 전이 지점(522)에서 유사하게 측정될 수 있다. 전압 제어 시스템에서, 전이 지점(520)이 결정될 수 있고, 전압은 전압 성분의 제어에 기초하여 이에 따라 측정될 수 있다 - 예를 들어, 전압이 선두 에지로부터 일정한 바디 값으로 전이될 때 측정이 이루어진다. 전류 전이는 전압 전이와 일치하지 않기 때문에 시스템은 간단히 전이 지점에서 전압을 측정하는 동시에 전류를 측정할 수 없다. 따라서, 전이와 정렬하기 위해 올바른 시간에 전류 성분을 정확히 측정하는 것은 어려울 수 있으며, 실제 전이보다 더 빠르거나 더 늦은 측정은 배터리 셀의 임피던스를 추정할 때 어느 정도 정확할 수 있다. 따라서, 하나의 가능한 구현예에서, 회로 제어기(110)는 배터리 셀(104)의 임피던스를 결정하는 효율성 또는 정확도를 개선하기 위해 본 명세서에서 논의된 전압, 전류 또는 시간 측정 중 하나 이상을 추정할 수 있다.
일 구현예에서, 회로 제어기(110)는 충전 신호의 선두 에지 부분 동안 전압 성분(502)의 전압 측정값의 변화율 및 전류 성분(503)의 전류 측정값의 변화율을 획득할 수 있다. 성분의 변화율은 대응하는 충전 신호 성분의 기울기와 상관될 수 있다. 성분의 변화율을 모니터링하는 것을 통해 선두 에지를 따라 기울기 또는 변화율이 최대인 지점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 개별 충전 기간(501)의 전압 성분에서 최대 기울기 지점(509)은 증가하는 변화율과 감소하는 변화율 사이의 전이를 찾기 위해 곡선(502)을 따라 전압을 측정함으로써 획득될 수 있다. 이 변곡점(509)은 전압 곡선(502)의 최대 기울기일 수 있다. 유사한 방식으로, 개별 충전 기간(501)의 전류 성분(503)에서 변곡점(507)도 결정될 수 있다. 파형이 시작되는 지점(518)과 결정된 전압 성분(502)과 전류 성분(503)의 변곡점(507, 509)을 사용하여 시스템은 각각의 개별 성분이 개별 충전 기간의 선두 에지 부분으로부터 바디 부분으로 전이하는 시간을 추정할 수 있다. 특히, 개별 충전 기간의 선두 에지가 사인파 형상이기 때문에, 변곡점(507 및 509)은 개별 충전 기간(501)의 선두 에지의 중간점에서 발생하는 것으로 가정될 수 있다. 따라서, 회로 제어기(110)는 개별 충전 기간의 각 성분의 초기점(518)으로부터 중간점(507 및 509)으로 지속시간의 2배인 지점에서 발생하는 것으로 개별 충전 기간(501)의 선두 에지로부터 바디 부분으로의 전이점(522 또는 520)을 추정할 수 있다. 회로 제어기(110)는 이 추정에 기초하여 지점(520)에서의 전압 측정값과 지점(522)에서의 전류 측정값을 획득할 수 있다. 이러한 추정된(또는 계산된) 시간에서의 전압과 전류의 측정은 본 명세서에서 논의된 ZR_에지 및/또는 ZIMG_에지 또는 임의의 다른 임피던스 측정을 결정하는 데 사용될 수 있다.
다른 예에서, 회로 제어기(110)는 배터리 셀(104)의 임피던스를 계산할 때 전압 및/또는 전류 측정에서 특정 양의 오차를 허용할 수 있다. 예를 들어, 전압 제어된 개별 충전 기간(504)에서 회로 제어기(110)는 제어 전압 신호가 선두 에지, 사인파 신호로부터 바디 부분의 정전압으로 전이하는 지점으로서의 지점(520)을 결정할 수 있다. 그러나, 개별 충전 기간(501)의 전류 성분(503)에서 대응하는 전이점(522)을 추정하는 대신에, 회로 제어기(110)는 전이점(520)의 시간 또는 이로부터 일부 고정된 시간 지연을 두고 전류 측정값을 획득할 수 있다. 전류 성분(503) 응답의 지연으로 인해 동시에 또는 이후에 전압(V1)과 전류 측정의 비교에서 배터리 셀(104)의 임피던스 값에 약간의 오차가 존재하지만, 이러한 오차는 배터리 셀(104)의 임피던스를 측정할 때 회로 제어기(110)에 의해 허용될 수 있다. 충전 신호(501)의 선두 에지 부분으로부터 바디 부분으로 전류 성분의 전이 지점에서 전압 측정값을 획득함으로써 전류 제어된 개별 충전 기간 동안 유사한 접근 방식이 사용될 수 있다.
또 다른 경우에, 개별 충전 구간(501)의 전압 성분은 선두 에지 부분의 피크에서 바디 부분의 정전압으로 전이되지 않을 수 있다. 오히려, 도 6a에 도시된 바와 같이, 전압 성분(602)은 전류 성분(603)이 선두 에지 부분의 정점에 도달할 때까지 사인파 형상을 계속하도록 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 개별 충전 기간(601)의 선두 에지 부분은 전압 부분을 뒤따르는 전류 부분(603)이 유사한 사인파 형상이 되도록 단일 고조파 사인파 형상을 포함할 수 있다. 개별 충전 기간(601)은 단일 고조파이기 때문에, 개별 충전 기간(601)의 전류 부분(603)의 정점이 발생하는 시간이 정확히 결정될 수 있고, 지점(622)에서의 전류(I1)가 선두 에지의 전류 부분의 정점에서 측정될 수 있다. 지점(622)이 발생하는 시간을 결정한 후, 전압 부분(604)은 사인파 고조파의 초기 하향 부분으로부터 개별 충전 기간(601)의 바디의 정전압으로 전이하도록 한정될 수 있다. 이렇게 하면 이 지점에서 매우 낮은 임피던스가 발생할 수 있으며, 신호의 바디 부분이 매우 낮은 임피던스로 적용될 수 있다. 낮은 임피던스는 개별 충전 기간의 바디 부분에서 신호의 전압과 전류 성분 사이의 분리가 거의 없거나 전혀 없는 것으로 예시된다.
도 6b에 도시된 다른 예에서, 전압 부분(616)은 개별 충전 기간(610)의 바디 부분 동안 감소하는 사인파의 베셀 함수 형태를 취하도록 제어될 수 있다. 전압 성분(616)을 베셀 함수 형상으로 제어하면 사인파 선두 에지로부터 지점(620)에서 정전압 부분으로의 전이에서 도입될 수 있는 높은 고조파를 감소시킬 수 있다. 그러나, 베셀 함수 신호 형상을 사용하면 배터리 셀(104)로 전달되는 전력도 감소시킬 수 있다. 연속 사인파 선두 에지 전압 신호(616)를 사용하는 것을 통해, I1을 보다 정확히 측정하기 위해 선두 에지의 전류 부분(614)의 정점(620)을 정확히 결정하는 것이 획득될 수 있다. 또한, 제어 회로(110)는 베셀 함수로서 개별 충전 기간(616)의 전압 부분이 배터리 셀(104)에 대한 각각의 개별 충전 기간 미만에서 발생하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 베셀 함수 개별 충전 기간(610)은 모든 개별 충전 기간에서 전달되는 전력을 감소시키지 않고 I1을 정확히 판독하기 위해 100개 또는 1000개의 개별 충전 기간마다 한 번씩 발생할 수 있다.
또 다른 경우에 도 5를 참조하면, 회로 제어기(110)는 개별 충전 기간(501)의 각각의 부분 또는 구간에 대한 누적 임피던스를 계산할 수 있다. 예를 들어, 회로 제어기(110)는 개별 충전 기간의 선두 에지 부분을 따라 여러 지점에 대한 전압 측정 및 전류 측정을 획득할 수 있다. 대응하는 전압 측정과 전류 측정이 동시에 발생할 수 있다. 따라서, 개별 충전 기간(501)의 전류 성분(503)은 전압 성분(502)을 뒤따르고 있지만, 회로 제어기(110)는 개별 충전 기간(501)의 선두 에지 곡선을 따라 여러 지점에서 실수 임피던스 값 또는 임피던스 크기 값을 추정하기 위해 동시 전압 및 전류 측정값을 획득할 수 있다. 개별 충전 기간(501)의 전체 선두 에지 동안 배터리 셀(104)에 대한 실수 임피던스를 획득하기 위해 선두 에지를 따른 다양한 지점에서의 임피던스 측정값이 합산될 수 있다. 유사한 방식으로, 2개의 성분(502, 503)의 수평으로 대응하는 측정값이 개별 충전 기간(501)의 선두 에지를 따라 다양한 지점에서 획득될 수 있다. 예를 들어, 특정 전압 측정의 발생과, 대응하는 전류 측정 사이의 시간이 획득될 수 있고, 배터리 셀(104)에 대한 허수 임피던스 값 또는 임피던스 위상 편이 값이 측정된 값 및 시간 지연으로부터 근사화될 수 있다. 선두 에지 부분 동안 배터리 셀(104)에 대한 누적 허수 임피던스를 획득하기 위해 일련의 이러한 허수 임피던스 측정값을 합산할 수 있다. 개별 충전 기간(501)의 바디 부분에 대해 유사한 접근 방식이 수행될 수 있다. 그런 다음 개별 충전 기간(501)의 부분에 대한 배터리 셀(104)의 임피던스의 합산을 이용하여 위에서 설명한 바와 같이 향후 파형의 형상을 조정할 수 있다.
다른 예에서, 회로 제어기(110)는 개별 충전 기간(501)의 선두 에지의 다른 특징을 분석하고, 이에 응답하여 향후 개별 충전 기간을 조정할 수 있다. 특히, 회로 제어기(110)는 전압 성분(502) 및/또는 전류 성분(503)의 다양한 지점을 측정하고, 이 측정값을 선두 에지의 선택된 고조파에 대응하는 예시적인 사인파 형태와 비교할 수 있다. 회로 제어기(110)에 의해 제어되는 바와 같이, 개별 충전 기간(501)의 선두 에지 부분은 진정한 사인파 형상으로부터의 비정상을 포함할 수 있다. 이들 비정상은 생성된 개별 충전 기간(501)을 예시적인 사인파와 비교함으로써 검출될 수 있고, 향후 개별 충전 기간은 예시적인 사인파 신호에 더 잘 근사하도록 회로 제어기(110)에 의해 조정될 수 있다. 이러한 조정은 예시적인 사인 곡선에 더 근접하도록 개별 충전 기간(501)의 전압 성분(502) 및/또는 전류 성분(503)에 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 충전 신호의 전압 및 전류 부분에 대한 수 백 또는 수 천 개의 측정값이 디지털 처리 시스템을 통해 획득되고 분석되어 배터리 셀(104)의 개별 충전 기간을 형성할 수 있다. 하나의 특정 예에서, 개별 충전 기간의 지점은 시간과 주파수 사이의 영역 변환을 통해 분석될 수 있다. 이 예에서, 개별 충전 기간의 에지와 바디는 측정된 임피던스 값에 기초하여 전술한 바와 같이 한정되지 않을 수 있다. 대신에, 개별 충전 기간은 보다 임의적인 형태를 취하도록 제어될 수 있다. 또한, 개별 충전 기간 사이의 휴지 기간은 동일한 분석을 받아서, 에지, 바디 및 휴지 기간 간의 구분이 더욱 약화될 수 있다.
이 예에서, 전압 및 전류 개별 충전 기간(단일 기간 또는 다수의 평균 기간 동안)은 시간 영역에서 측정될 수 있다. 고속 푸리에 변환(FFT) 또는 다른 많은 유형의 변환을 사용하여 측정된 시간 영역 데이터를 대응하는 주파수 영역 데이터로 변환할 수 있다. 일부 경우에, 사용되는 변환 유형을 선택하는 것은 데이터의 형식, 잡음의 유형 및 데이터에서 신호 대 잡음비 또는 회로 제어기(110)의 프로세서 유형에 따라 달라질 수 있다. 이러한 요소 중 하나 이상을 사용하면 일부 변환이 FFT보다 더 빠르거나 더 잘 처리될 수 있다. 개별 충전 기간 데이터를 주파수 영역으로 변환함으로써 개별 충전 기간 내의 개별 고조파의 크기가 노출되고 조작되어 다중 고조파 개별 충전 기간을 생성할 수 있다. 특히, 개별 충전 기간의 변환으로부터 획득된 각각의 고조파는 전압과 전류를 비교하여 독립적으로 분석되어 배터리 셀(104)의 임피던스, 전력, 피크 전압 및 전류에 대해 각각의 독립적인 기여도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(104)에서 비교적 높은 임피던스 특성을 갖는 고조파는 크기가 감소되고 다른 것들은 증가되어 개별 충전 기간(201)의 보다 이상적인 고조파 집합을 생성할 수 있다. 그런 다음 수정된 변환은 다시 시간 영역으로 역변환되어, 개선된 개별 충전 기간으로 적용될 수 있는 더 낮은 전체 임피던스를 갖는 새로운 개별 충전 기간을 생성할 수 있다. 또한, 일부 경우에, 변환된 개별 충전 기간에서 게이팅을 수행하여 개별 충전 기간의 개별 구간을 독립적으로 분석할 수 있으며, 각각 역으로 변환된 구간을 재결합하면 완전한 개별 충전 기간의 개선된 형태를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 변환된 개별 충전 기간을 게이팅하는 과정은 시간 영역 데이터의 일부만을 독립적인 분석을 위해 주파수 영역으로 변환하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 개별 충전 기간은 5등분으로 분할될 수 있고, 전체 파동 분석과 함께 또는 대신에 5등분 각각을 독립적으로 평가할 수 있다. 이것은 파동의 구간이 바디 대 휴지 기간과 같이 크기 또는 고조파 내용이 매우 다중 모달인 경우에 특히 유용하다. 게이팅 과정은 임피던스의 허수 성분과 실수 성분을 보다 정확히 추정할 수 있고, 배터리 셀(104)의 임피던스로 인해 개별 충전 구간에서 발생할 수 있는 진동을 분석/감소시키는데 유용할 수 있다. 게이팅은 개별 충전 기간의 전체 기간을 조정하는 메커니즘에 대한 기초를 제공할 수도 있다. 예를 들어, 개별 충전 기간의 단일 게이트 구간은 휴지 기간의 일부를 포함할 수 있으며, 구간의 고조파에 대한 조정은 유효 기간을 줄이거나 연장시킬 수 있다.
위에서 설명된 계산에 더하여 충전 파형으로부터 획득된 측정값에 기초하여 다른 계산을 결정할 수도 있다. 예를 들어, 파형의 다수의 개별 충전 기간에 대한 전압 파형(202) 및/또는 전류 파형(207) 모두의 다수의 측정은 다수의 개별 충전 기간에 대한 평균 임피던스 값을 생성하기 위해 획득되고 합산될 수 있다. 일례에서, 경과 시간(Δt)을 갖는 다수의 개별 충전 기간의 선두 에지 부분의 총 임피던스는 다음 식에 의해 결정될 수 있다:
유사하게, 경과 시간(Δt)을 갖는 다수의 개별 충전 기간의 바디 부분의 총 임피던스는 다음 식에 의해 결정될 수 있다:
다른 임피던스 계산은 또한 다수의 개별 충전 기간 또는 충전 파형의 다른 부분으로부터 획득한 측정값으로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 개별 충전 기간의 바디 부분(203)에 대한 최대 임피던스는, 바디 부분의 시작과 바디 부분의 끝 사이의 측정 값(i)에 대해 다음 식에 의해 결정될 수 있다:
하나 이상의 개별 충전 기간의 바디 부분(203)에 대한 임피던스의 델타 평균은 다음 식에 의해 결정될 수 있다:
또한, 하나 이상의 개별 충전 기간의 바디 부분(203)에 대한 임피던스의 델타 최소값은 바디 부분의 시작과 바디 부분의 끝 사이의 측정 값(i)에 대해 다음 식에 의해 결정될 수 있다:
일부 경우에 개별 충전 기간에 존재할 수 있는 잡음에 응답하여 임피던스 측정은 하나 이상의 도심(centroid) 계산으로부터 근사화될 수 있다. 특히, 도 2의 개별 충전 기간(201)과 같은 개별 충전 기간의 상이한 부분은 대응하는 부분에 있는 모든 지점의 도심 또는 산술 평균 위치를 포함할 수 있다. 이는 위에서 논의한 임피던스 계산에서 잡음을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다. 일례에서, 개별 충전 기간(201)의 선두 에지 부분에 대한 도심과, 개별 충전 기간의 바디 부분에 대한 도심이 계산될 수 있다. 이러한 도심 지점은 개별 충전 기간의 이들 부분에 대한 임피던스 측정값으로서 회로 제어기(110)에 의해 이용될 수 있고, 배터리 셀(104)에 적용된 개별 충전 기간의 효율을 개선하기 위해 최소화될 수 있다. 예를 들어, 개별 충전 기간(201)의 선두 에지 부분의 전압 성분(202)의 도심은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
여기서, t1은 지점(222)에 대응하고, t0은 지점(218)에 대응하고, 최대값과 최소값은 선두 에지 부분 내의 최대 측정값과 최소 측정값에 대응한다. 선두 에지의 전류 성분(207)의 도심은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
유사한 방식으로, 개별 충전 기간(201)의 바디 부분(203)의 전압 성분의 도심은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
여기서 t0은 지점(222)에 대응하고, t1은 지점(212)에 대응하고, 최대 및 최소값은 선두 에지 부분 내의 최대 및 최소 측정값에 대응한다. 바디 부분의 전류 성분(204)의 도심은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
계산된 도심점으로부터 선두 에지 부분에 대한 실수 및 허수 임피던스 값은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
선두 에지에 대한 도심 임피던스 계수는 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
바디 부분에 대한 실수 및 허수 임피던스 값은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
바디 부분에 대한 도심 임피던스 계수는 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
개별 충전 기간의 선두 에지 부분에 대한 실수 및 허수 임피던스 값을 계산하는 것으로 위에서 논의되었지만, 선두 에지에 대한 도심 계산은 대응하는 부분에 있는 모든 지점의 산술 평균 위치이므로 이러한 도심 계산은 일반적으로 선두 에지의 고조파를 결정하기 위해 회로 제어기(110)에 의해 사용되지 않을 수 있음을 이해해야 한다. 오히려, 일부 구현예에서는 선두 에지에 대해 위에서 논의된 도심 수식은 특히 신호 내 잡음을 포함할 수 있는 개별 충전 기간에 대해, 선두 에지에서 임피던스의 추정값을 검증하기 위해 회로 제어기(110)에 의해 사용될 수 있다. 개별 충전 기간의 선두 에지 부분의 다른 추정을 검증하기 위해 도심 계산을 이용하면 추가 개별 충전 기간을 형성하는 데 사용되는 이러한 추정의 정확도를 개선할 수 있다. 또 다른 경우에, 본 명세서에 기술된 방법 중 하나 이상을 통해 획득된 추정 임피던스 및 도심 계산에 기초한 추정 임피던스에는 특정 가중 값이 제공될 수 있다. 임피던스 추정값을 획득하기 위한 다양한 방법에 할당된 가중 값은 일부 경우에 개별 충전 기간의 잡음의 양에 기초할 수 있다.
위의 도중 수식은 연속 적분 함수를 사용하여 파형 부분의 도심을 결정한다. 다른 예에서, 충전 파형(201)의 부분의 형상을 근사하는 다각형의 도심이 계산될 수 있다. 바람직한 축에 대한 '형상' 또는 다각형의 배향에 따라 도심을 계산하는 다른 방법도 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 오히려, 아래에 제공된 수식은 수행될 수 있는 도심 계산의 하나의 집합의 간단한 일례일 뿐이다. 예를 들어, 개별 충전 기간(201)의 선두 에지 부분의 전압 성분(202)의 도심을 결정하기 위한 위의 수식은 다음과 같이 계산될 수 있다:
여기서
유사하게, 개별 충전 기간의 선두 에지 부분의 전압 성분(202)의 시간의 도심을 결정하기 위한 수식은 다음과 같이 계산될 수 있다:
선두 에지의 전류 성분(207)의 도심은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
여기서
유사하게, 개별 충전 기간(202)의 선두 에지 부분(211)의 전류 성분의 시간의 도심을 결정하기 위한 수식은 다음과 같이 계산될 수 있다:
유사한 방식으로, 개별 충전 기간(201)의 바디 부분(203)의 전압 성분의 도심은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
여기서
개별 충전 기간의 바디 부분의 전압 성분(202)의 시간의 도심을 결정하기 위한 수식은 다음과 같이 계산될 수 있다:
개별 충전 기간(201)의 바디 부분(203)의 전류 성분(207)의 도심은 다음 식으로부터 계산될 수 있다:
여기서
유사하게, 개별 충전 기간(202)의 선두 에지 부분(211)의 전류 성분의 시간의 도심을 결정하기 위한 수식은 다음과 같이 계산될 수 있다:
위와 같이, 선두 에지 부분에 대한 실수 및/또는 허수 임피던스 값은, 계산된 도심점으로부터,
선두 에지 부분의 저항 계산에 대해
와 같이 계산될 수 있고,
선두 에지의 시간 비율 에지 도심에 대해
와 같이 계산될 수 있다.
유사하게, 바디 부분에 대한 실수 및/또는 허수 임피던스 값은, 계산된 도심점으로부터,
바디 부분의 저항 계산에 대해,
와 같이 계산될 수 있고,
선두 에지의 시간 비율 에지 도심에 대해,
와 같이 계산될 수 있다.
도 7은 위에서 개시된 네트워크의 실시예를 구현하는 데 사용될 수 있는 컴퓨팅 디바이스 또는 컴퓨터 시스템(700)의 일례를 도시하는 블록도이다. 특히, 도 7의 컴퓨팅 디바이스는 전술한 동작 중 하나 이상을 수행하는 제어기의 일 실시예이다. 컴퓨터 시스템(시스템)은 하나 이상의 프로세서(702 내지 706)를 포함한다. 프로세서(702 내지 706)는 하나 이상의 내부 캐시 레벨(도시되지 않음) 및 프로세서 버스(712)와 직접 상호 작용하기 위한 버스 제어기 또는 버스 인터페이스 유닛을 포함할 수 있다. 호스트 버스 또는 전방측 버스로도 알려진 프로세서 버스(712)는 프로세서(702 내지 706)를 시스템 인터페이스(714)에 연결하는 데 사용될 수 있다. 시스템 인터페이스(714)는 시스템(700)의 다른 구성요소를 프로세서 버스(712)와 인터페이스하기 위해 프로세서 버스(712)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 시스템 인터페이스(714)는 주 메모리(716)를 프로세서 버스(712)와 인터페이싱하기 위한 메모리 제어기(718)를 포함할 수 있다. 주 메모리(716)는 일반적으로 하나 이상의 메모리 카드 및 제어 회로(도시되지 않음)를 포함한다. 시스템 인터페이스(714)는 또한 하나 이상의 I/O 브리지 또는 I/O 디바이스를 프로세서 버스(712)와 인터페이스하기 위한 입력/출력(I/O) 인터페이스(720)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 I/O 제어기 및/또는 I/O 디바이스는 도시된 바와 같이 I/O 제어기(728) 및 I/O 디바이스(730)와 같은 I/O 버스(726)와 연결될 수 있다.
I/O 디바이스(730)는 또한 정보 및/또는 명령 선택을 프로세서(702 내지 706)에 전달하기 위한 영숫자 및 기타 키를 포함하는 영숫자 입력 디바이스와 같은 입력 디바이스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 다른 유형의 사용자 입력 디바이스는 방향 정보 및 명령 선택을 프로세서(702 내지 706)에 전달하고, 디스플레이 디바이스 상의 커서 이동을 제어하기 위한 마우스, 트랙볼 또는 커서 방향 키와 같은 커서 제어를 포함한다.
시스템(700)은, 프로세서(702 내지 706)에 의해 실행될 정보 및 명령어를 저장하기 위해 프로세서 버스(712)에 결합된 주 메모리(716)라고 하는 동적 저장 디바이스 또는 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 다른 컴퓨터 판독 가능 디바이스를 포함할 수 있다. 주 메모리(716)는 또한 프로세서(702 내지 706)에 의한 명령어를 실행하는 동안 임시 변수 또는 기타 중간 정보를 저장하는 데 사용될 수 있다. 시스템(700)은 프로세서(702 내지 706)에 대한 정적 정보 및 명령어를 저장하기 위해 프로세서 버스(712)에 연결된 판독 전용 메모리(ROM) 및/또는 다른 정적 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 도 7에 제시된 시스템은 본 발명의 양태에 따라 사용되거나 구성될 수 있는 컴퓨터 시스템의 하나의 가능한 예일 뿐이다.
일 실시예에 따르면, 위의 기술은 프로세서(704)가 주 메모리(716)에 포함된 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 것에 응답하여 컴퓨터 시스템(700)에 의해 수행될 수 있다. 이러한 명령어는 저장 디바이스와 같은 다른 기계 판독 가능 매체로부터 주 메모리(716)로 판독될 수 있다. 주 메모리(716)에 포함된 명령어 시퀀스를 실행하면 프로세서(702 내지 706)가 본 명세서에 설명된 과정 단계를 수행할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 회로부는 소프트웨어 명령어 대신에 또는 소프트웨어 명령어와 조합하여 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소를 모두 포함할 수 있다.
기계 판독 가능 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨터)가 판독할 수 있는 형식(예를 들어, 소프트웨어, 처리 애플리케이션)으로 정보를 저장하거나 전송하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 이러한 매체는 비휘발성 매체 및 휘발성 매체의 형태를 취할 수 있지만 이들로 제한되지 않는다. 비휘발성 매체는 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 주 메모리(816)와 같은 동적 메모리를 포함한다. 일반적인 형태의 기계 판독 가능 매체는, 자기 저장 매체(예를 들어, 플로피 디스켓); 광학 저장 매체(예를 들어, CD-ROM); 광자기 저장 매체; 판독 전용 메모리(ROM); 랜덤 액세스 메모리(RAM); 소거 가능 프로그래밍 가능 메모리(예를 들어, EPROM 및 EEPROM); 플래시 메모리; 또는 전자적 명령어를 저장하는 데 적합한 다른 유형의 매체를 포함할 수 있지만 이들로 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예는 본 명세서에 기재된 다양한 단계를 포함한다. 단계는 하드웨어 구성요소에 의해 수행되거나 또는 기계 실행 가능 명령어로 구현될 수 있으며, 명령어는 명령어로 프로그래밍된 범용 또는 특수 목적 프로세서가 단계를 수행하도록 하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 단계는 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 조합에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 논의된 예시적인 실시예에 다양한 수정 및 추가가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전술한 실시예는 특정 특징을 언급하지만, 본 발명의 범위는 또한 특징의 상이한 조합을 갖는 실시예 및 설명된 특징을 모두 포함하지 않는 실시예도 포함한다. 따라서, 본 발명의 범위는 모든 등가물과 함께 이러한 모든 대안, 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.
특정 구현예를 논의하였지만 이는 단지 예시를 위한 목적으로 이루어진 것으로 이해된다. 당업자라면 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다른 구성요소와 구성이 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 설명 및 도면은 예시적인 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 기술되었다. 그러나, 특정 경우에는 설명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려져 있거나 통상적인 세부 사항을 설명하지 않는다. 본 명세서에서 하나의 실시예 또는 일 실시예라는 언급은 동일한 실시예 또는 임의의 실시예를 언급하는 것일 수 있고; 이러한 언급은 적어도 하나의 실시예를 의미한다.
"일 실시예" 또는 "실시예"라는 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 위치에서 "일 실시예에서"라는 어구의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 말하는 것은 아니며, 다른 실시예와 상호 배타적인 별개의 실시예 또는 대체 실시예를 말하는 것도 아니다. 또한, 다른 실시예에는 나타나지 않고 일부 실시예에서는 나타날 수 있는 다양한 특징이 설명된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 맥락 내에서 그리고 각 용어가 사용되는 특정 맥락에서 일반적으로 이 기술 분야에서 이해하는 통상적인 의미를 갖는다. 본 명세서에서 논의된 용어 중 임의의 하나 이상에 대해 대안적인 언어와 동의어를 사용할 수 있으며, 본 명세서에서 용어가 상세히 설명되었든지 또는 논의되었든지 여부에 특별한 의미를 두어서는 안 된다. 일부 경우에, 특정 용어의 동의어가 제공된다. 하나 이상의 동의어의 언급은 다른 동의어의 사용을 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 논의된 임의의 용어의 예를 포함하여 본 명세서의 어딘가에 예를 사용하는 것은 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명 또는 임의의 예시적 용어의 범위 및 의미를 추가로 제한하려고 의도된 것이 아니다. 마찬가지로, 본 발명은 본 명세서에 제공된 다양한 실시예로 제한되지 않는다.
본 발명의 범위를 제한하려는 의도 없이, 본 발명의 실시예에 따른 기기, 장치, 방법 및 그 관련 결과의 예가 아래에 제공된다. 제목 또는 부제목은 독자의 편의를 위해 예에서 사용될 수 있으나, 이는 어떠한 식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아닌 것으로 이해된다. 달리 한정되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 의미를 갖는다. 상충되는 경우 정의를 포함한 본 명세서가 우선한다.
본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 다음의 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 자명하거나 본 명세서에 개시된 원리를 실행하는 것에 의해 학습될 수 있을 것이다. 본 발명의 특징 및 이점은 특히 첨부된 청구범위에 구체적으로 제시된 기기와 조합에 의해 실현되고 획득될 수 있다. 본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 다음의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 보다 완전히 명백해지거나 본 명세서에 기재된 원리를 실행하는 것에 의해 학습될 수 있을 것이다.
Claims (26)
- 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법으로서,
처리 디바이스를 통해 상기 전기화학 디바이스에 인가되는 충전 파형의 전압 진폭과 전류 진폭의 복수의 측정값을 획득하는 단계;
전압 진폭 측정값 및 대응하는 전류 진폭 측정값을 각각 포함하는 복수의 임피던스 비율을 계산하는 단계; 및
상기 복수의 비율의 서브세트의 합에 기초하여 상기 전기화학 디바이스의 복소 임피던스 특성을 획득하는 단계
를 포함하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 복소 임피던스 특성은 실수 임피던스 값, 허수 임피던스 값, 크기 임피던스 값 또는 위상 편이 임피던스 값 중 적어도 하나를 포함하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 충전 파형은 사인파 선두 에지 부분과, 상기 선두 에지 부분을 뒤따르는, 상기 선두 에지 부분과는 다른 바디 부분을 포함하는 개별 충전 기간을 포함하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 선두 에지 부분에 대응하는 복수의 임피던스 비율의 서브세트를 합산함으로써 상기 충전 파형의 선두 에지 부분의 실수 임피던스 값을 추정하는 단계
를 더 포함하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제4항에 있어서, 상기 실수 임피던스 값은 제1 시간에 획득된 상기 전기화학 디바이스에서의 전압 진폭 측정값과, 상기 제1 시간보다 늦은 제2 시간에 획득된 상기 전기화학 디바이스를 통한 전류 진폭 측정값에 대응하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 충전 파형의 선두 에지 부분의 전류 성분의 결정된 변곡점에 기초하여 상기 제2 시간을 추정하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 충전 파형의 선두 에지 부분에 대응하는 허수 임피던스 값을 추정하는 단계를 더 포함하고, 상기 허수 임피던스는 상기 제1 시간과 상기 제2 시간의 차이로부터 결정되는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 바디 부분에 대응하는 복수의 임피던스 비율의 서브세트를 합산함으로써 상기 충전 파형의 바디 부분에 대응하는 실수 임피던스 값을 추정하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 전압 진폭의 복수의 측정값에 기초하여, 상기 충전 파형 내의 전압 성분이 상기 선두 에지 부분으로부터 상기 바디 부분으로 제1 전이하는 것을 결정하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 전류 진폭의 복수의 측정값에 기초하여, 상기 충전 파형 내의 전류 성분이 상기 선두 에지 부분으로부터 상기 바디 부분으로 제2 전이하는 것을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 전이는 상기 제1 전이 후에 발생하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제1 충전 파형은 하나 이상의 개별 충전 기간을 포함하고, 상기 제1 충전 파형의 측정값은 제1 개별 충전 기간과, 상기 제1 개별 충전 기간과 상이한 제2 개별 충전 기간으로부터 획득되는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 충전 파형의 선두 에지 부분의 도심을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기화학 디바이스의 복소 임피던스 특성은 상기 선두 에지 부분의 계산된 도심에 추가로 기초하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 충전 파형의 바디 부분의 도심을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 전기화학 디바이스의 복소 임피던스 특성은 상기 바디 부분의 계산된 도심에 추가로 기초하는, 전기화학 디바이스를 모니터링하는 방법. - 전기화학 디바이스를 충전하는 방법으로서,
전기화학 디바이스를 충전하기 위해 한정된 고조파 성분을 포함하는 충전 파형에 대해,
상기 충전 파형에 응답하여 상기 전기화학 디바이스로 전류의 흐름을 나타내는 대표 값을 획득하는 단계로서, 획득된 대표 값은 상기 한정된 고조파와 관련된, 상기 대표 값을 획득하는 단계; 및
상기 대표 값에 기초하여 상기 충전 파형의 속성을 변경하는 단계
를 포함하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법. - 제14항에 있어서, 상기 대표 값은 임피던스, 어드미턴스 및 전력 중 적어도 하나인, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 충전 파형은 형성된 선두 에지를 포함하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 대표 값은 임피던스이고, 상기 형성된 선두 에지는 상기 충전 파형의 형성된 선두 에지의 주파수에 대해 상기 전기화학 디바이스의 임피던스와 주파수 사이의 관계에 기초하여 한정된 주파수와 연관되는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 대표 값은 상기 주파수의 임피던스에 기초하고, 상기 속성을 변경하는 단계는 상기 충전 파형에 대한 상기 전기화학 디바이스의 임피던스를 감소시키기 위해 형성된 선두 에지의 주파수 속성을 변경하는 단계를 포함하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 대표 값은 임피던스이고, 상기 충전 파형은 바디 부분을 한정하고, 상기 임피던스는 상기 바디 부분과 연관되고, 상기 충전 파형의 속성을 변경하는 단계는 상기 임피던스에 기초하여 상기 바디 부분의 기간을 변경하는 단계를 포함하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 바디 부분의 변경된 기간은 임계값 내에서 상기 바디 부분의 임피던스를 유지하는 것에 기초하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 대표 값은 임피던스이고, 상기 충전 파형은 상기 바디 부분을 한정하고, 상기 임피던스는 상기 바디 부분과 연관되고, 상기 충전 파형의 속성을 변경하는 단계는 상기 바디 부분과 연관된 임피던스를 감소시키기 위해 선두 에지 고조파의 주파수를 변경하는 단계를 포함하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 충전 파형은 전압 성분과 전류 성분을 갖는 후미 에지를 한정하고, 상기 충전 파형의 전류 성분이 0에 도달한 후에 후속 충전 파형이 인가되는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 충전 파형에 응답하여 상기 전기화학 디바이스로 전류의 흐름을 나타내는 대표 값을 획득하는 단계는 임피던스의 실수 성분을 결정하기 위해 상기 충전 파형의 전압 성분과 전류 성분의 비율을 획득하는 단계를 포함하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 비율은 상기 충전 파형의 전압 성분의 선두 에지 고조파의 피크 값과 연관된, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제23항에 있어서, 상기 비율은 상기 충전 파형의 바디 부분의 값과 연관된, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
- 제23항에 있어서,
상기 충전 파형의 전압 성분의 고조파 지점에서 상기 비율을 획득하는 단계; 및
상기 전압 성분의 고조파의 지점과 상기 전류 성분의 관련 지점 사이의 시간 차이에 기초하여 상기 임피던스의 허수 성분을 결정하는 단계
를 더 포함하는, 전기화학 디바이스를 충전하는 방법.
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