KR20230048348A - 전기화학 디바이스를 충전 및 방전하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

주파수 또는 고조파 성분이 있는 배터리의 임피던스에 기초하여 적어도 하나의 고조파로 튜닝된 양태를 갖는 신호를 사용하여 배터리를 충전하는 시스템 및 방법. 시스템은 부하에 전력을 공급하기 위해 충전과 협력하여 작용할 수 있는 전력 변환기를 더 포함할 수 있다. 일부 경우에, 출력 신호가 생성되고 충전 신호와 인터리빙된다. 또한, 출력 신호는 방전 신호에 대한 출력 임피던스에 기초하여 튜닝될 수 있다.

Description

전기화학 디바이스를 충전 및 방전하기 위한 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 특허 협력 조약(PCT) 출원은 미국 특허 출원 번호 63/059,044(출원일: 2020년 7월 30일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Electrochemical Device Charging and Discharging", 전체 내용이 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)와 관련되고 이의 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한 공동 계류 중인 미국 특허 출원 번호 17/232,975(출원일: 2021년 4월 16일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for Battery Charging", 전체 내용이 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조에 의해 원용됨)와 관련된다.

기술 분야

본 발명의 실시형태는 일반적으로 배터리를 충전하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배터리를 충전하기 위한 고효율 및/또는 고속 충전 신호를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전동 공구, 진공 청소기, 다양한 휴대용 전자 디바이스 및 전기 자동차와 같은 많은 전기 구동 디바이스는 재충전식 배터리를 동작 전력원으로 사용한다. 재충전식 배터리는 한정된 배터리 용량에 의해 제한되고, 소진 시 재충전해야 한다. 배터리를 재충전하는 것은 배터리를 재충전하는 데 필요한 시간 동안 전력 구동식 디바이스가 종종 정지해 있어야 하므로 불편할 수 있다. 차량의 경우 재충전하는 것은 수 시간이 걸릴 수 있다. 그리하여 배터리를 재충전하는 데 드는 시간을 줄이기 위해 급속 충전 기술을 개발하는 데 많은 노력을 기울였다. 그러나, 급속 재충전 시스템은 일반적으로 비효율적인 반면, 저속 재충전 시스템은 재충전 동작을 연장시켜 신속한 서비스 복귀라는 기본 목표를 약화시킨다.

도 1a에 도시된 아마도 가장 간단한 레벨에서 배터리를 충전하는 것은 DC 충전 전류를 배터리에 인가하는 것을 포함한다. 그러나 다양한 배터리 유형은 배터리를 손상시키기 전에 너무 많은 전류만을 수용할 수 있다. 도 1a는 단일 셀 배터리를 재충전하기 위한 간단한 회로(100)의 개략도를 도시한다. 전류계, 전압계, 제어기 등과 같은 회로의 다른 구성요소는 도시되지 않는다. 배터리(104)는 제어 가능한 전력원(102)으로부터 재충전 전력 신호를 인가하는 것을 통해 재충전될 수 있다. 충전 및 방전을 포함하는 본 명세서에서 논의된 다양한 구현예는 배터리와 같은 전기화학 디바이스에 적용 가능하다. 이 기술 분야에서 "배터리"라는 용어는 다양한 방식으로 사용될 수 있으며, 전해질에 의해 분리된 애노드와 캐소드를 갖는 개별 셀뿐만 아니라 다양한 배열로 연결된 이러한 셀의 집합체를 지칭할 수 있다. 배터리는 일반적으로 반대 전하 소스의 반복하는 유닛과, 이온 전도성 장벽, 종종 전해질로 포화된 액체 또는 중합체 막으로 분리된 제1 전극 층을 포함한다. 이러한 층은 얇게 만들어져 다수의 유닛이 배터리의 부피를 차지하여 각 적층된 유닛이 있는 배터리의 이용 가능한 전력을 증가시킬 수 있다. 많은 예가 본 명세서에서 배터리, 셀 또는 배터리 셀에 적용 가능한 것으로 논의되지만, 설명된 시스템 및 방법은 병렬, 직렬 및 병렬과 직렬로 결합된 셀과 같은 셀의 서로 다른 가능한 상호 연결을 포함하는 배터리뿐만 아니라 많은 다른 유형의 셀에 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 논의된 시스템 및 방법은 한정된 팩 전압, 출력 전류 및/또는 용량을 제공하도록 배열된 수많은 셀을 포함하는 배터리 팩에 적용될 수 있다. 더욱이 본 명세서에서 논의된 구현예는 몇 가지 예를 들면, 리튬-금속 및 리튬-이온 배터리, 납산 배터리, 다양한 유형의 니켈 배터리 및 고체 배터리를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 상이한 유형의 리튬 배터리와 같은 상이한 유형의 전기화학 디바이스에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 다양한 구현예는 또한 버튼형 또는 "동전"형 배터리, 원통형 셀, 파우치형 셀 및 각기둥형 셀과 같은 상이한 구조의 배터리 배열에 적용될 수 있다. 배터리(104)의 전극에 전력 신호를 인가하면 배터리를 통해 전자의 흐름을 역류시켜 애노드에서 (리튬 이온과 같은) 전하 캐리어의 저장된 농도를 보충한다. 하나의 특정 예에서, 전력원(102)은 배터리 셀(104)에 DC 충전 전류를 제공하기 위한 직류(DC) 전압원일 수 있다. 전류 제어 소스와 같은 다른 유형의 전력원도 사용할 수 있다.

일부 고속 충전 시나리오에서는 펄스 충전이 탐색되었다. 도 1b는 배터리를 재충전하기 위해 전력원(102)에 의해 생성되고 배터리 셀(104)에 인가되는 종래 기술의 직류 전압 신호(122)의 그래프(110)를 도시한다. 그래프는 충전 신호(122)의 시간(114)에 따른 입력 전압(112)을 나타낸다. 일반적으로, 전력원(102)은 배터리 셀을 재충전하기 위해 배터리 셀(104)의 전극에 반복 펄스(122)를 제공하도록 제어될 수 있다. 특히, 전력원(102)은 배터리 셀(104)에 반복하는 구형파(square-wave)(펄스(116)에 이어 펄스(118)로 도시됨) 신호를 제공하도록 제어될 수 있다. 구형파 펄스(116, 118)의 피크는 전력원(102)의 동작 제약에 대응하는 전압 임계값(120)보다 작거나 같을 수 있다. 배터리 셀(104)을 재충전하는 데 사용되는 전형적인 충전 신호는 충전 신호의 인가 사이에 일정 지속시간의 휴지 기간(rest period)을 두고 충전 기간 동안 충전 신호를 인가할 수 있다. 이러한 방식으로 회로(100)의 동작은 반복하는 구형파 패턴의 도 1b의 예시된 전력 재충전 신호(122)를 생성한다.

그러나, 일부 경우에 배터리 셀(104)을 재충전하기 위해 구형파 충전 신호(122)를 인가하는 것은 재충전 중인 배터리 셀의 수명을 저하시키거나 배터리 재충전에 비효율성을 유발할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(104)의 전극(일반적으로 애노드)에 충전 전류(즉, 구형파 펄스(116)의 급격한 선두 에지(124))를 갑자기 인가하면 배터리 단자 양단에 큰 초기 임피던스를 야기할 수 있다. 특히, 도 1c는 일 실시형태에 따라 배터리 셀에 인가되는 재충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리 셀(104)의 추정된 실수 임피던스 값의 그래프를 도시한다. 특히, 그래프(150)는 배터리 셀(104)로의 입력 신호의 주파수의 로그 주파수 축(축(152))에 대한 실수 임피던스 값(축(154))의 플롯을 도시한다. 플롯(150)은 배터리를 재충전하는 데 사용되는 재충전 전력 신호의 다양한 주파수에서 배터리 셀(104)의 전극 양단의 실수 임피던스 값을 도시한다. 플롯(150)의 형상과 측정값은 배터리 유형, 배터리의 충전 상태, 배터리의 동작 제약, 배터리의 열 등에 기초하여 변할 수 있다. 그러나, 충전 중인 배터리의 특성에 대한 일반적인 이해는 플롯(158)으로부터 얻어질 수 있다. 특히, 배터리 셀(104)의 전극에서 경험하는 실수 임피던스 값은 배터리에 제공되는 전력 충전 신호의 주파수에 기초하여 변할 수 있고, 실수 임피던스 값(328)은 일반적으로 고주파수에서 급격히 증가한다. 예를 들어, 주파수(f_Sq)(162)에서 배터리 셀(104)로의 입력 전력 신호는 배터리 셀(104) 전극에서 높은 실수 임피던스(160)를 도입할 수 있다.

도 1b의 구형파 충전 신호(122)로 돌아가서, 신호의 큰 주파수가 구형파 펄스(116)의 코너에 존재할 수 있다. 특히, 배터리 셀(104)로의 충전 신호(예를 들어, 펄스(116)의 선두 에지(124))의 급격한 변화는 예를 들어 구형파 펄스의 선두 에지에서, 구형파 펄스의 후미 에지에서 그리고 기존의 역방향 펄스 방식을 사용하는 동안 고주파 고조파로 구성된 잡음을 도입할 수 있다. 도 1c의 그래프(150)에 도시된 바와 같이, 이러한 높은 고조파는 배터리 전극에서 큰 임피던스를 초래한다. 이 높은 임피던스는 용량 손실, 열 발생, 및 배터리 셀 전체에 걸쳐 동전기 활동의 불균형, 전하 경계에서 원치 않는 전기화학적 반응, 및 배터리를 손상시키고 배터리 셀의 수명을 저하시킬 수 있는 배터리 셀(104) 내 재료의 열화를 포함하여, 많은 비효율을 초래할 수 있다. 나아가 고속 펄스로 배터리를 저온 스타트하면 용량성 충전 및 확산 프로세스가 시작되면서 제한된 패러데이 활동이 도입된다. 이 시간 동안 근위 리튬은 반응하여 신속히 소비되어 원치 않는 부반응과 확산 제한 조건을 남겨 셀과 그 구성요소의 건전성에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 및 다른 비효율성은 배터리 셀(104)을 고속으로 재충전하는 동안 종종 상대적으로 더 높은 전류가 수반되어 특히 유해하다.

무엇보다도 이러한 관찰을 염두에 두고 본 발명의 다양한 양태가 고안되고 개발되었다.

본 발명의 양태는 충전 신호 성형 회로를 포함하는 충전 시스템을 포함한다. 시스템은 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 고조파에 기초하여 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호를 한정하도록 충전 신호 성형 회로를 제어하기 위해 충전 신호 성형 회로와 동작 가능하게 통신하는 제어기를 추가로 포함한다. 시스템은 전기화학 디바이스와 동작 가능하게 결합된 전력 변환기를 더 포함하고, 전력 변환기는 부하에 전력을 제공한다.

다른 양태에서, 전력 변환기는 제어기와 동작 가능하게 통신한다. 제어기는 전기화학 디바이스로부터의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 고조파에 기초하여 전기화학 디바이스로부터 방전 파형을 생성하도록 전력 변환기를 제어하도록 구성된다. 다른 양태에서, 충전 신호는 일련의 튜닝된 충전 펄스를 포함하고, 방전 신호는 일련의 튜닝된 방전 펄스를 포함하고, 제어기는 충전 신호 성형 회로를 제어하고, 전력 변환기는 일련의 튜닝된 충전 펄스를 일련의 튜닝된 방전 펄스와 인터리빙(interleave)한다.

본 발명의 이들 양태 및 다른 양태는 아래에서 보다 상세히 설명된다.

도 1a는 배터리를 충전하기 위한 종래 기술의 회로의 개략도이다.
도 1b는 배터리를 재충전하기 위한 종래 기술의 직류 전압 또는 전류 신호의 신호도이다.
도 1c는 일 실시형태에 따라 배터리에 인가되는 충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리의 추정된 실수 임피던스 값의 그래프이다.
도 2는 일 실시형태에 따라 충전 신호 성형 회로를 이용하여 배터리를 충전하기 위한 회로를 예시하는 개략도이다.
도 3a는 일 실시형태에 따라 배터리 셀의 결정된 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수를 갖는 정현파 셀 충전 신호의 그래프이다.
도 3b는 일 실시형태에 따라 배터리 셀에 인가되는 충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리의 측정된 실수 임피던스 값의 그래프이다.
도 4는 일 실시형태에 따라 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수에 기초하여 배터리에 대한 충전 신호를 성형하기 위한 회로를 예시하는 개략도이다.
도 5는 일 실시형태에 따라 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수에 기초하여 배터리에 대한 충전 신호를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 일 실시형태에 따라 배터리 충전 신호의 구형파 펄스와 정현파 펄스가 중첩된 그래프이다.
도 7a는 일 실시형태에 따라 표시된 최대 및 최소 주파수와 함께 배터리에 인가된 충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리의 측정된 실수 임피던스 값의 그래프이다.
도 7b는 일 실시형태에 따라 배터리 셀의 나타난 임피던스에 기초하여 허용 가능한 값의 범위 내 최대 및 최소 주파수 실수 임피던스 값에 대응하는 복수의 주파수를 갖는 성형된 배터리 충전 펄스의 신호도이다.
도 8은 일 실시형태에 따라 배터리 셀의 최대 및 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수 범위에 기초하여 배터리에 대한 충전 신호를 생성하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 9a는 일 실시형태에 따라 배터리 충전 회로로부터 생성된 제1 성형된 충전 펄스 시퀀스의 신호도이다.
도 9b는 일 실시형태에 따라 배터리 충전 회로로부터 생성된 제2 성형된 충전 펄스 시퀀스의 신호도이다.
도 10a는 일 실시형태에 따라 배터리의 실수 임피던스 값과 허수 임피던스 값을 나타내기 위해 시간에 따라 배터리에 인가되는 충전 신호의 신호도이다.
도 10b는 일 실시형태에 따라 배터리 셀에 인가되는 충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리 셀의 측정된 실수 임피던스 값, 허수 임피던스 값 및 모듈러스 임피던스 값의 그래프이다.
도 11은 일 실시형태에 따라 배터리 충전 회로로부터 생성된 선두 에지 부분과 바디 부분을 포함하는 성형된 배터리 셀 충전 신호의 신호도이다.
도 12a 및 도 12b는 일 실시형태에 따라 배터리에 인가된 충전 신호에 응답하여 배터리 양단에서 측정된 전압 강하 및 배터리 충전 시 측정된 전류의 플롯이다.
도 13은 일 실시형태에 따라 시간에 따라 배터리에 인가되는 충전 신호에 응답하여 전류 감지 저항기 양단의 측정된 전류 및 배터리 전압의 플롯이다.
도 14는 본 발명의 실시형태를 구현하는데 사용될 수 있는 컴퓨팅 시스템의 일례를 도시하는 도면이다.
도 15는 일례에서 충전 신호를 한정하고 부하에 대한 배터리를 충전하는 동안 부하에 전력을 공급하기 위한 전력 변환 기능을 제공하기 위한 회로도이다.
도 16은 일례에서 충전 신호를 한정하고 부하에 대한 배터리를 충전하는 동안 부하에 전력을 공급하기 위한 벅 기능(buck function)을 제공하기 위한 회로도이다.
도 17은 일례에서 충전 신호를 한정하고 부하에 대한 배터리를 충전하는 동안 부하에 전력을 공급하기 위한 부스트 기능(boost function)을 제공하기 위한 회로도이다.
도 18a는 도 15의 회로에 인가되는 제어 신호에 의해 생성된 고조파로 튜닝된 충전 펄스의 일례이다.
도 18b는 도 18a의 고조파로 튜닝된 충전 신호를 생성하기 위해 도 15의 회로에 인가되는 제어 신호의 제어 펄스의 일례이다.
도 19a는 일례에서 예를 들어 도 15에 도시된 회로를 통해 충전 성형 및 전력 변환기를 구동하기 위한 제어 펄스의 일례이다.
도 19b는 벅 또는 부스트 전력 변환기를 구동하기 위한 PWM 신호의 일례이다.
도 19c는 일례에서 도 19d에 도시된 바와 같은 듀티 사이클로부터 생성된 고조파로 성형된 출력 전류 파형의 일례이다.
도 19d는 일례에서 고조파에 따라 방전 펄스를 성형하기 위해 초기에 짧은 온 사이클에서 긴 온 사이클로 전이하는 것으로 벅 또는 부스트 전력 변환기의 듀티 사이클을 변경하는 일례이다.
도 20a 및 도 20c는 병렬 부스트 회로를 갖는 충전 신호 성형 회로의 예이다.
도 20b 및 도 20d는 일례에서 병렬 벅 회로를 갖는 충전 신호 성형 회로의 예이다.

배터리를 충전(재충전)하고 배터리를 방전하기 위한 시스템, 회로 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 충전과 재충전이라는 용어는 본 명세서에서 동의어로 사용된다. 논의된 시스템, 회로 및 방법을 통해 에너지는 이전의 충전 회로 및 방법을 통하는 것보다 배터리로부터 보다 효율적으로 충전 또는 방전될 수 있다. 에너지 효율성 외에도, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 단독으로 또는 효율성 있게 조합으로 여러 가지 다른 이점이 실현된다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 충전 및/또는 방전 기술은 애노드가 손상되는 속도를 감소시킬 수 있고, 충전 또는 방전 동안 발생되는 열을 감소시킬 수 있으며(또는 발열을 제어하는 방법을 제공할 수 있고), 애노드 및 셀 손상을 감소시키고, 화재 또는 단락 위험을 감소시키는 등과 같은 여러 후속 효과를 제공할 수 있다. 다른 예에서, 본 명세서에 설명된 충전 기술은 더 높은 충전 속도를 셀에 적용하여 더 고속 충전을 허용할 수 있다. 정상적인 충전 또는 방전 속도로 간주될 수 있는 동안, 본 명세서에 설명된 기술은 더 큰 상대 사이클 깊이 및/또는 더 큰 사이클 수명을 제공할 수 있다. 일례에서, 배터리의 "저속 충전"으로 간주될 수 있는 동안, 개시된 시스템 및 방법은 더 긴 배터리 수명 및 충전 에너지 효율을 제공한다. 다른 예에서, "고속 충전"으로 간주될 수 있는 것에서, 개시된 시스템 및 방법은 더 적은 열을 생성하면서 충전 속도와 배터리 수명의 개선된 균형을 제공한다. 이전의 충전 회로는 충전 회로의 전자 디바이스에 초점을 맞춤으로써 충전 회로의 효율성을 해결하려고 시도했지만, 개시된 시스템, 회로 및 방법은 배터리를 충전하기 위해 적용될 때 효율적인 배터리 충전 신호를 제공한다.

일례에서, 본 명세서에서 논의된 다양한 실시형태는 배터리 셀로 및/또는 배터리 셀로부터 실수 및/또는 허수 에너지 전달 값에 기초하여 에너지의 최적 전달과 연관된, 고조파 또는 고조파들일 수 있는 주파수 또는 주파수들에 대응하는 충전 또는 방전 신호의 펄스를 생성함으로써 배터리를 충전 및/또는 방전한다. 일례에서, 주파수는 배터리의 최소 실수 임피던스 값과 연관될 수 있다. 다른 예에서, 충전 신호의 펄스는 배터리의 실수 및 허수 임피던스 값 모두와 연관된 고조파에 대응한다. 또 다른 예에서, 충전 신호의 펄스는 배터리 셀의 어드미턴스의 컨덕턴스 또는 서셉턴스 중 하나 또는 둘 모두와 연관된 고조파에 대응할 수 있다. 보다 구체적으로, 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수를 결정하는 시스템 및 회로가 설명된다. 일부 예에서, 최소 임피던스가 발생하는 주파수는 충전 상태, 온도 및 기타 요인으로 인해 변할 수 있으므로, 본 명세서에서 논의되는 기술은 최소 임피던스 주파수를 재평가할 수 있다. 회로는 최소 임피던스와 연관된 고조파 또는 주파수에 대응하는 충전 신호(예를 들어, 충전 전류)의 펄스를 성형하거나 생성할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이 재충전 및 방전 동안 충전 상태 및 온도가 변동하여 배터리 내부의 재료 특성, 화학적 및 전기화학적 프로세스가 변하는 것으로 인해 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수가 변할 수 있다. 따라서 일부 경우에 회로는 배터리의 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수를 모니터링 또는 결정하고, 배터리에 대한 충전 및/또는 방전 펄스를 조정하는 프로세스를 반복 수행할 수 있다. 이 반복 프로세스는 충전 또는 방전 신호의 효율성을 향상시켜, 다른 이점 중에서도 특히 배터리 재충전 시간을 줄이고, 배터리 수명(예를 들어, 배터리가 경험하는 충전 및 방전 사이클 수)을 연장하며, 배터리로 또는 배터리로부터 전류량을 최적화하고, 다양한 비효율성으로 인한 에너지 손실을 방지할 수 있다.

적절한 고조파 성분을 갖는 충전 펄스를 생성하기 위해, 배터리 재충전 회로는 하드웨어 구성요소 및/또는 소프트웨어 구성요소 및/또는 응용 특정 집적 회로를 모두 포함하여 하나 이상의 충전 펄스 성형 회로 및 임피던스 측정 회로를 포함할 수 있다. 하나의 특정 구현예에서, 충전 펄스 성형 회로는 펄스 제어 신호에 의해 제어 가능한 필터 회로를 포함할 수 있다. 필터 회로는 배터리 셀로 전달되는 충전 펄스의 급격한 변화를 방지할 수 있다. 특히, 필터 회로는 고주파의 경우 전류 흐름이 제한되고 저주파의 경우 회로를 통해 전류가 흐르는 것이 허용되도록 Z=jωL에 기초하여 입력 전류 구형파를 성형할 수 있다. 필터 회로의 구성요소를 선택하면 기존 구형파 전력 신호에 존재하는 비효율적인 고조파를 제한하면서 배터리 셀에 공급되는 전력을 최대화하기 위해 충전 펄스의 선두 에지를 성형할 수 있다. 추가하여, 필터 회로에 대한 펄스 제어 신호는 배터리 셀에 제공되는 각 주파수로 튜닝된 충전 펄스의 지속시간을 구성할 수 있다. 충전 신호 성형 회로는 또한 전류 성형 제어 신호에 의해 제어 가능한 전류 성형 회로를 포함할 수 있다. 전류 성형 회로는 일 구현예에서 충전 펄스의 크기를 변경하기 위해 펄스가 배터리 셀에 인가되기 전에 충전 펄스로부터 전류를 제거하거나 사이펀(siphon)할 수 있다. 성형 부분은 또한 펄스의 후미 에지 한정, 펄스 지속시간, 펄스들 사이의 전압 레벨 한정 및 기타 기능에 참여할 수 있다.

본 명세서에 개시된 시스템, 회로 및 방법은 배터리가 사용되는 응용 분야에 관계없이 원하는 용량, 전압 및 출력 전류 범위를 달성하기 위해 일부 방식으로 연결된 몇 개의 셀을 포함할 수 있는 배터리 셀 및 임의의 형태의 배터리를 충전하는 데 적용할 수 있다. 본 명세서에서 논의된 다양한 실시형태는 또한 고속 충전을 제공하는 것으로 간주될 수 있다. 어느 한 상황 또는 두 상황 모두에서, 회로는 기존 구형파와 연관된 급격한 에지가 아니라 성형된 상승 전방 에지를 포함하는 재충전 펄스를 제공하도록 제어될 수 있다. 일례에서, 충전 펄스의 상승 전방 에지는 배터리 셀의 최소 또는 거의 최소 실수 임피던스 값과 연관된 고조파에 대응하는 결정된 주파수(고조파)에 기초할 수 있다. 충전 펄스는 또한 충전되는 셀의 최소 실수 임피던스와 허수 임피던스의 조합에 기초할 수 있다. 다른 예에서, 충전 펄스는 충전되는 배터리 셀의 컨덕턴스 및/또는 서셉턴스 또는 임의의 다른 어드미턴스 양태에 단독으로 또는 조합으로 기초할 수 있다. 배터리 셀의 또 다른 양태를 고려할 수 있고 이를 충전 펄스를 성형하는 데 사용할 수 있다. 일반적으로 말하면, 실수 및 허수 임피던스 값이 고려되는 경우 이 기술은 고조파 값을 평가하고, 여기서 이 값은 단독으로 또는 조합으로 상대적으로 낮은 임피던스에 있다. 어드미턴스를 사용하여 기술은 고조파를 평가하고, 여기서 어드미턴스는 단독으로 또는 조합으로 컨덕턴스와 서셉턴스로 상대적으로 높다.

우선 실수 임피던스 최소값에 기초하여 펄스를 논의하면, 거의 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 상승 전방 에지를 인가하면 충전 신호에서 비효율적이거나 유해한 높은 고조파 성분을 제거할 수 있다. 나아가, 충전 펄스의 지속시간은 무엇보다도 특히 배터리를 손상시켜 용량이나 수명에 영향을 미칠 수 있는 충전 펄스의 크기의 하나 이상의 상위 임계값을 초과하지 않고 펄스로 배터리에 인가되는 전력량을 최대화하거나 증가시키기 위해 회로에 의해 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 성형된 펄스를 갖는 충전 신호는 최적화된 양의 전력을 각 펄스로 배터리에 전달하는 동시에 고주파수를 제거하고 신호로부터 고조파를 저하시키기 위해 회로의 제어를 통해 인가될 수 있다. 따라서 이러한 성형된 충전 신호는 배터리 셀을 충전하는 동안 전극을 포함하여 배터리 내의 다양한 인터페이스 양단의 임피던스를 감소시켜 배터리 셀의 재충전 효율과 속도를 향상시킬 수 있다.

도 2는 일 실시형태에 따라 충전 펄스 성형 회로(206)와 임피던스 측정 회로(208)를 이용하여 배터리 셀(204)을 재충전하기 위한 회로(200)를 예시하는 개략도이다. 일반적으로, 회로(200)는 전압원 또는 전류원일 수 있는 전력원(202)을 포함할 수 있다. 하나의 특정 실시형태에서, 전력원(202)은 직류(DC) 전압원이지만, 교류(AC) 소스도 고려된다. 보다 구체적으로, 전력원(202)은 단방향 전류를 제공하는 DC 소스, 양방향 전류를 제공하는 AC 소스, 또는 리플 전류(예를 들어, 전류를 단방향으로 만드는 DC 바이어스가 있는 AC 신호)를 제공하는 전력원을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전력원(202)은 배터리 셀(204)을 충전하기 위해 성형되고 사용될 수 있는 충전 전류를 공급한다. 하나의 특정 구현예에서, 도 2의 회로(200)는 배터리 셀(204)을 충전하는데 사용하기 위한 충전 신호의 하나 이상의 펄스를 성형하기 위한 충전 신호 성형 회로(206)를 포함할 수 있다. 일례에서, 회로 제어기(210)는 충전 신호의 성형을 제어하기 위해 전력 신호 성형 회로(206)에 하나 이상의 입력을 제공할 수 있다. 입력은 전력원(202)으로부터 오는 신호를 배터리 셀(204)을 보다 효율적으로 전력 충전하기 위한 충전 신호로 변경하도록 성형 회로(206)에 의해 사용될 수 있다. 충전 신호 성형 회로(206)의 동작과 구성은 아래에서 보다 상세히 설명된다.

일부 경우에, 충전 신호 성형 회로(206)는 배터리 셀(204)의 최소 실수 임피던스 값과 연관된 고조파에 적어도 부분적으로 대응하는 충전 펄스를 생성하기 위해 전력원(202)으로부터의 에너지를 변경할 수 있다. 또한 임피던스를 직접 측정하지 않고 대신 메모리로부터 조회하는 등을 위해 다른 요인들 중에서 특히 임의의 주어진 충전 전류, 전압 레벨, 충전 레벨, 충전/방전 사이클의 수 및/또는 온도에서 임피던스를 알 수 있도록 셀을 특성화하는 것도 가능하다. 일례에서, 회로(200)는 셀 전압과 충전 전류뿐만 아니라 온도와 같은 다른 셀 속성을 측정하고, 셀(204)의 전극 양단의 임피던스를 측정 또는 계산하기 위해 배터리 셀(204)에 연결된 임피던스 측정 회로(208)를 포함할 수 있다. 일례에서, 인가된 펄스에 기초하여 임피던스를 측정할 수 있다. 임피던스는 또한 셀을 특성화하기 위해 셀의 상이한 주파수 속성과 연관된 임피던스 값의 범위를 생성하기 위해 가변 주파수 속성을 갖는 신호를 적용하는 루틴의 일부로서 측정될 수 있으며, 이 측정은 충전 전, 충전 동안, 주기적으로 충전 동안 수행될 수 있고, 조회 기술 및 기타 기술과 함께 사용될 수 있다. 셀 임피던스는 실수 값과 허수 값 또는 리액턴스 값을 포함할 수 있다. 배터리 셀(204)의 임피던스는 셀의 충전 상태 및/또는 온도를 포함하여 셀의 많은 물리적 화학적 특징에 기초하여 변할 수 있다. 그리하여, 임피던스 측정 회로(208)는 다른 시간 중에서도 특히 셀의 재충전 동안 배터리 셀(204)의 다양한 임피던스 값을 결정하고, 측정된 임피던스 값을 회로 제어기(210)에 제공하도록 회로 제어기(210)에 의해 제어될 수 있다. 일부 경우에, 배터리 셀(204)의 측정된 임피던스의 실수 성분은 전력원(202)으로부터의 에너지가 배터리 셀(204)의 최소 실수 임피던스 값과 연관된 고조파에 대응하는 하나 이상의 충전 펄스로 조각(sculpted)될 수 있도록 회로 제어기에 의해 충전 신호 성형 회로(206)에 제공될 수 있다. 다른 예에서, 회로 제어기(210)는 수신된 실수 임피던스 값에 기초하여 하나 이상의 제어 신호를 생성하고, 이들 제어 신호를 충전 신호 성형 회로(206)에 제공할 수 있다. 제어 신호는 다른 기능 중에서도 특히 실수 임피던스 값에 대응하는 고조파 성분을 포함하도록 충전 펄스를 성형할 수 있다. 또 다른 예에서, 충전 신호 성형 회로(206)는 배터리 셀(204)의 어드미턴스의 컨덕턴스 또는 서셉턴스 성분 또는 배터리 셀의 임피던스와 관련된 임의의 다른 양태와 연관된 고조파에 적어도 부분적으로 대응하는 충전 펄스를 생성하기 위해 전력원(202)으로부터의 에너지를 변경할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 임피던스의 실수 또는 허수 성분에 관한 것으로 설명되지만, 시스템 및 방법은 유사하게 배터리 셀의 어드미턴스의 컨덕턴스 성분 또는 서셉턴스 성분과 같은 배터리 셀의 다른 속성을 측정하거나 고려할 수 있다.

도 3a는 도 2의 회로(200)에 의해 생성될 수 있는 배터리 셀(204)의 결정된 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수를 갖는 정현파 충전 신호의 일례의 그래프(302)이다. 이 예에서, 정현파 신호 자체의 주파수는 충전 중인 배터리 셀의 최소 실수 임피던스에 대응하는 주파수에 있다. 보다 구체적으로, 그래프(302)는 시간 축(306)에 대해 배터리 셀(204)로 전달되는 충전 신호의 입력 전압 축(304)의 플롯(314)을 예시한다. 전술한 구형파 충전 신호와 달리, 회로(200)에 의해 생성된 충전 신호는 배터리 셀(204)로 전달되는 반복 정현파 충전 신호를 포함할 수 있다. 2개의 펄스(펄스(308, 310))만이 도 3a에 도시되어 있지만 이러한 펄스의 시퀀스는 배터리 셀을 일부 레벨로 충전하기에 충분한 시간 기간 동안 배터리 셀로 전달될 수 있는 것으로 이해된다. 정현파의 주파수는 구현되는 제어 방식과 배터리 셀의 임피던스에 따라 시간에 따라 변할 수 있고 변할 것이다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 정현파뿐만 아니라 성형된 펄스의 주파수는 구현예에 따라 최소 임피던스로 또는 최소 임피던스 부근으로 예를 들어 위 또는 아래 또는 이 둘 모두로 설정될 수 있다. 따라서 주파수를 최소 임피던스로 엄격히 설정할 필요는 없다. 충전 신호(314)의 정현파 펄스(308, 310)는 회로(200)의 재충전 동작 동안 계속 생성되어 배터리 셀(204)로 전달될 수 있다. 충전 신호(314)의 정현파 특징은 구형파 프로파일을 갖는 충전 신호에 일반적으로 존재하는 고주파 잡음 성분을 제거할 수 있고, 이에 따라 배터리 셀(204)에서 임피던스를 감소시켜 재충전 동작의 효율을 개선할 수 있다. 또한, 충전 신호(314)는 펄스(308, 310) 사이의 일정 지속시간의 안정 또는 탈분극 기간(316)을 포함할 수 있다. 안정 기간(316)의 지속시간은 회로 제어기(210)에 의해 조정 가능하거나 제어될 수 있고, 충전 신호(314)의 이전 펄스(308)에 의해 제공된 총 전력, 배터리 셀(204)의 충전 상태, 배터리 셀(204)의 측정된 또는 추정된 온도, 배터리 셀(204)의 측정된 임피던스, 및/또는 충전 회로에 사용되는 하드웨어 구성요소를 포함하지만 이로 제한되지 않는, 배터리 셀(204)의 재충전 동작의 다양한 양태에 기초할 수 있다. 예를 들어, 안정 기간(316)의 지속시간은 제어 회로(210)가 충전 회로(200)를 제어하기 위한 하나 이상의 목표 값을 결정하기에 적절한 시간을 허용하도록 회로 제어기(210)의 처리 속도에 기초할 수 있다. 펄스(308, 310)는 또한 전압 임계값(312) 미만의 크기를 포함할 수 있다. 전압 임계값(312)은 배터리 셀(204) 및/또는 전력원(202)의 여러 양태, 예를 들어, 전력원의 상위 전압 또는 전류 임계값 및/또는 배터리 셀(204)의 전압, 온도 및 전류와 연관된 열역학적 경계에 기초할 수 있다. 일부 경우에, 전압 임계값(312)은 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 회로 제어기(210)에 의해 제어될 수 있다.

하나의 특정 경우에, 배터리 셀(204)을 재충전하기 위해 회로(200)에 의해 생성된 충전 신호(314)의 정현파 펄스(308)의 주파수 또는 고조파는 배터리 셀(204)에서 임피던스를 최소화하기 위해 회로 제어기(210)에 의해 선택되어 충전 펄스에 인가될 수 있다. 예를 들어, 도 3b는 일 실시형태에 따라 배터리 셀에 인가되는 충전 신호의 대응하는 주파수에 대해 배터리 셀(204)의 측정된 실수 임피던스 값의 그래프(322)이다. 특히, 그래프(322)는 충전 신호의 로그 주파수 축(축(326))에 대해 실수 임피던스 값(축(324))의 플롯을 예시한다. 플롯(328)은 정현파 충전 신호의 다양한 주파수에서 배터리 셀(204)의 전극 양단의 실수 임피던스 값을 예시한다. 도시된 바와 같이, 실수 임피던스 값(328)은 충전 신호의 주파수에 기초하여 변할 수 있고, 여기서 가장 높은 주파수에서 실수 임피던스 값(328)은 일반적으로 급격히 증가한다. 그러나, 배터리 셀(204)에 대한 실수 임피던스 값의 플롯(334)은 또한 f_Min으로 표시된 특정 충전 신호 주파수에 대응하는 최소 실수 임피던스 값(330)을 나타낸다. 배터리 셀(204)에 대한 실수 임피던스 값(334)의 플롯은 배터리 화학물질, 충전 상태, 온도, 충전 신호의 구성 등과 같은 셀의 많은 인자에 의존할 수 있다. 따라서, 배터리 셀(204)의 최소 실수 임피던스 값(330)에 대응하는 주파수(f_Min)(332)는 유사하게 충전 중인 특정 배터리 셀(204)의 특성에 의존할 수 있다. 주파수(f_Min)(332)는 팩 내의 셀들의 구성 및 팩 내의 셀들 간의 연결과 같은 배터리 셀(204)의 다른 양태에 대응할 수 있다.

배터리 셀(204)의 임피던스는 수신된 전력을 열 또는 다른 비효율로 변환할 수 있으므로, 배터리 셀(204)에 대해 최소 실수 임피던스 값(330)에 대응하는 주파수(332)에서 또는 부근에서 정현파 충전 펄스(308, 310)를 생성하면 충전할 배터리 셀(204)에 대한 에너지 적용 효율을 개선할 수 있다. 다시 말해, 주파수(f_Min)(332)에서 또는 부근에서 고조파를 포함하도록 충전 신호(314)의 펄스(308, 310)를 성형하면 배터리 셀(204)의 임피던스로 인해 열로 변환되는 낭비되는 에너지를 줄임으로써 배터리 셀(204)에 대한 충전 신호(314)의 효율을 증가시킬 수 있다. 그리하여, 도 2의 재충전 회로(200)의 일 구현예는 충전 신호의 주파수 범위에 걸쳐 배터리 셀의 다양한 실수 임피던스 값을 결정하기 위해 배터리 셀(204)에 연결된 임피던스 측정 회로(208)를 포함할 수 있다. 임피던스 측정 회로(208)는 전압 센서와 전류 센서를 포함하여 배터리 셀(204)의 전극 양단의 임피던스를 측정하도록 구성된 임의의 알려진 또는 이후에 개발된 회로를 포함할 수 있다. 배터리 셀(204)의 다수의 임피던스 값은 충전 전력 신호의 다양한 주파수에서 측정되어 회로 제어기(210)에 제공될 수 있고, 회로 제어기는 배터리 셀(204)의 곡선(334)의 최소 실수 임피던스 값을 결정하거나 추정할 수 있다. 회로 제어기(210)는 또한 배터리 셀(204)의 최소 실수 임피던스(330) 값에 대응하는 주파수(f_Min)(332)의 고조파에서 일련의 정현파 충전 펄스(308, 310)를 생성하기 위해 충전 신호 성형 회로(206)의 하나 이상의 구성요소를 제어할 수 있다. 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 회로 제어기(210)는 또한 재충전 세션 동안 다양한 시간에 배터리 셀(204)의 현재 상태에 대한 추정된 실수 임피던스 값을 측정하거나 결정하고, 새로운 추정된 주파수(f_Min)(332)와 일치하도록 충전 전력 신호(314)의 펄스(308, 310)를 적절히 조정하는 프로세스를 반복 수행할 수 있다. 결정된 또는 추정된 최소 실수 임피던스 값에 기초하여 펄스(308, 310)에 대한 고조파 주파수를 갖는 충전 신호(314)를 생성하도록 회로(200)를 제어함으로써, 충전 신호(314)의 에너지는 충전 신호의 고주파수 부분으로 인해 전극에서 높은 임피던스로부터 낭비되는 에너지를 최소화하면서, 배터리 셀(204)을 재충전하기 위해 보다 효율적으로 인가될 수 있다.

충전 펄스 성형을 이용하여 배터리 셀을 충전하는 회로의 일 특정 구현예가 도 4에 도시되어 있다. 회로(400)는 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수(f_Min)에 기초하여 배터리 셀에 대한 재충전 신호를 성형하도록 제어기(210)에 의해 제어될 수 있다. 일례에서, 제어기(210)는 전압 또는 전류 증폭기를 사용하는 피드백 제어 시스템일 수 있다. 일반적으로, 제어기(210)는 아날로그 제어기, 디지털 제어기, 마이크로 제어기 또는 마이크로 프로세서, 또는 주문형 집적 회로(ASIC)와 같은 맞춤형 집적 회로일 수 있다. 제어기(210)는 성형 회로(400)의 성능을 제어하기 위해 본 명세서에서 논의된 동작 중 하나 이상을 수행하도록 구성되거나 프로그래밍될 수 있다. 또한, 아래에서 논의되는 바와 같이, 회로(400)는 또한 임피던스의 허수 성분, 어드미턴스의 컨덕턴스 성분, 어드미턴스의 서셉턴스 성분, 또는 이들의 임의의 조합을 고려할 수 있다. 더 많거나 더 적은 수의 구성요소가 회로(400)에 포함될 수 있고, 구성요소는 동일한 기능의 다른 구성요소로 대체될 수 있다. 일부 구현예에서, 일부 구성요소는 병렬로 다수의 셀을 충전하거나, 주어진 셀 또는 셀 배열에 더 큰 충전 용량을 제공하기 위해 병렬로 복제될 수 있다. 도 4의 회로(400)는 본 명세서에서 논의되는 고조파 정현파 충전 신호를 제공하도록 제어될 수 있는 전력 신호 성형 회로의 일례일 뿐이다.

회로(400)는 배터리 셀(404)에 충전 신호를 제공하기 위해 레일(442)에 결합된 전력원(402)을 포함할 수 있다. 전력원(402)은 DC 전압원, AC 전압원, 전류원 등을 포함하는 임의의 유형의 에너지원일 수 있다. 일부 구현예에서, 전력원(402)은 회로(400)에 제공되는 에너지 파형 또는 펄스의 크기를 변경하기 위해 입력(예를 들어, V_CONT(434))을 통해 제어될 수 있다. 예를 들어, 회로 제어기(210)는 전력원을 턴온하고, 전력 신호의 크기를 선택하고, DC 전력 신호와 AC 전력 신호 간을 선택하는 등을 수행하기 위해 전력원(402)에 제어 신호(V_CONT)(434)를 제공할 수 있다. 하나의 특정 예에서, 전력원(402)은 수신된 V_CONT(434) 신호의 전압 값에 기초하여 제공된 충전 신호의 크기를 조정하도록 구성될 수 있다.

필터 회로(406)는 전력원(402)에 의해 생성된 전력을 수신하기 위해 전력 레일(442)에 연결될 수 있다. 필터 회로(406)는 일반적으로 주파수(f_Min)(322)에 대응하는 부분을 갖는 충전 신호를 배터리 셀(404)에 출력하는 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터 회로(406)로부터의 출력 신호는 위에서 결정된 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수(f_Min)(322)에서 또는 그 부근의 주파수의 고조파에서 선두 에지를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 필터 회로(406)의 구성요소는 회로 제어기(210)에 의해 필터 회로로 전달되는 하나 이상의 펄스 제어 신호(416)를 통해 제어 가능하다. 도 4에 도시된 특정 예에서, 필터 회로(406)는 전력 레일(442)과 제1 트랜지스터(412) 사이에 직렬로 연결된 제1 인덕터(410)를 포함할 수 있다. 제1 인덕터(410)의 인덕터 값은 인덕터 값의 선택이 무엇보다도 특히 배터리 셀(404)의 충전 특성에 의존할 수 있도록 펄스의 선두 에지의 형태에 영향을 미칠 것이다. 제1 트랜지스터(412)는 배터리 셀(404)의 제1 전극에도 연결될 수 있다. 제1 트랜지스터(412)는 스위칭 디바이스 또는 구성요소로서 제1 트랜지스터(412)를 동작시키기 위해 펄스 제어 신호(416)와 같은 입력 신호를 수신할 수 있다. 일반적으로, 제1 트랜지스터(412)는 배터리 셀(404)의 제1 전극(440)에 제1 인덕터(410)를 연결하기 위한 임의의 유형의 FET 트랜지스터 또는 임의의 유형의 제어 가능한 스위치일 수 있다. 예를 들어, 제1 트랜지스터(412)는 제1 인덕터(410)에 연결된 드레인, 배터리 셀(404)에 연결된 소스, 및 펄스 제어 신호(416)를 수신하는 게이트를 갖는 FET 트랜지스터(412)일 수 있다. 일 구현예에서, 펄스 제어 신호(416)는 제1 트랜지스터(412)의 동작을 스위치로서 제어하도록 회로 제어기(210)에 의해 제공될 수 있고, 이 스위치는 폐쇄될 때 노드(436)를 배터리 셀(404)의 제1 전극에 연결하고, 개방될 때 인덕터(410)와 배터리 셀(404) 사이의 연결을 끊는다. 충전 펄스를 생성하도록 제1 트랜지스터(412)를 제어하는 것은 도 5의 방법(500)을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.

제1 인덕터(410)는 일반적으로 제1 트랜지스터(412)를 통해 배터리 셀에 연결될 때 배터리 셀(404)로 전달되는 전류가 급격히 증가하는 것을 방지하도록 동작할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 인덕터(410)는 (제1 트랜지스터(412)가 전도될 때) 인덕터를 통해 배터리 셀(404)로 전류가 급격히 전도하는 것에 저항할 수 있다. 전류가 급속히 증가하는 것에 대한 이러한 저항은 전력 레일(442)에 의해 제공되는 충전 신호의 펄스에 대한 가파른 전방 에지를 방지할 수 있으며, 이에 따라 구형파 입력을 인가할 때 배터리 셀(404)에서 발생할 수 있는 고주파수 고조파를 감소시킬 수 있다. 트랜지스터(412)에 대한 펄스 제어 신호 입력(416)의 신호에 응답하여 전도될 때, 고주파 잡음 효과를 최소화하면서 전력 레일(442)로부터 전류 또는 다른 형태의 에너지 플럭스가 제1 인덕터(410)와 제1 트랜지스터(412)를 통해 배터리 셀(404)을 충전하기 위해 배터리 셀(404)에 제공될 수 있다. 필터 회로(406)는 또한 일부 경우에 제1 인덕터(410)에 병렬로 연결된 플라이백 다이오드(414)를 포함할 수 있다. 플라이백 다이오드(414)는 제1 트랜지스터 스위치(412)가 개방되거나 전도되지 않을 때 전력 레일(442)에 의해 제공되는 에너지 플럭스에 대한 복귀 경로를 제공한다. 예를 들어, 제1 트랜지스터(412)는 전력 레일(442)의 전류가 배터리 전극(440)으로 전도되는 것을 중단하도록 펄스 제어 신호(416)를 통해 제어될 수 있다. 그런 다음 전류는 플라이백 다이오드(414)를 통해 다시 상위 레일(442)로 라우팅될 수 있다. 또한 저장 커패시터(432)가 상위 레일(442)과 접지 또는 공통 사이에 연결될 수 있고, 이에 전력 레일(442)에 의해 제공되고 플라이백 다이오드(414)를 통해 반환되는 전류는 제1 트랜지스터(412)가 개방된 기간 동안 상위 레일(442)을 통해 저장 커패시터(432)에 제공될 수 있다. 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이, 제1 트랜지스터(412)가 개방된 기간 동안 회로에서 에너지가 손실되지 않도록 저장 커패시터(432)에 저장된 에너지는 제1 트랜지스터(412)가 폐쇄될 때 (예를 들어, 충전 신호의 그 다음 펄스에서) 상위 레일(442)과 필터 회로(406)의 입력으로 복귀하여 회로(400)의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

단일 필터 회로(406)의 구성요소가 도 4에 도시되어 있지만, 동일하거나 유사한 구성을 갖는 추가 필터 회로가 필터 회로(406)에 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 필터 회로(406)와 필터 회로 N(418)까지 임의의 수의 추가 필터 회로가 충전 회로(400)에서 병렬로 연결될 수 있다. 각각의 필터 회로(406, 418)는 개별 펄스 제어 신호(406)를 통해 회로 제어기(210)에 의해 독립적으로 제어되어 배터리 셀(404)을 충전하기 위해 제공된 전류로부터 하나 이상의 고조파를 걸러낼 수 있다. 다른 예에서, 둘 이상의 필터 회로(406)가 동일한 펄스 제어 신호(416)에 의해 제어될 수 있다. 추가 필터 회로(418) 중 하나 이상은 동일하거나 상이한 값의 유사한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터 회로 N(418)의 제1 인덕터는 필터 회로(406)의 제1 인덕터(410)보다 높은 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 일반적으로, 제1 인덕터(410)의 더 높은 인덕턴스 값은 충전 펄스의 급격한 변화에 더 큰 저항을 제공하여, 더 작은 값의 인덕터에 비해 충전 펄스의 경사진 선두 에지를 형성한다. 이러한 방식으로, 회로 제어기(210)는 선택된 제1 인덕터(410)의 다양한 인덕턴스 값을 통해 배터리 셀(404)에 제공되는 에너지 펄스의 선두 에지를 성형하기 위해 다양한 필터 회로(406, 418)를 제어할 수 있다.

배터리 셀(404)에 제공되는 충전 신호의 펄스를 추가로 변경하기 위해, 하나 이상의 입력 성형 회로(420)가 배터리 셀(404)의 제1 전극(440)(예를 들어, 에노드 또는 포지티브 단자)에 연결될 수 있다. 특히, 입력 성형 회로(420)는 배터리 셀(404)의 제1 전극(440)과 제2 트랜지스터(422) 사이에 연결된 제2 인덕터(424)를 포함할 수 있다. 일례에서, 제2 트랜지스터(422)는 제2 인덕터(424)에 연결된 드레인(444), 접지 또는 공통에 연결된 소스(446), 및 제어 신호(426)를 수신하는 게이트를 갖는 FET 트랜지스터일 수 있다. 제1 트랜지스터(412)와 유사하게, 제2 트랜지스터(422)는 네거티브 레일, 접지 또는 공통에 연결된 드레인(446)에 소스(444)를 연결하는 스위치로서 동작할 수 있다. 제2 트랜지스터(422)는 입력 제어 신호(426)에 의해 제어될 수 있다. 일 구현예에서, 성형 입력 신호(426)는 고주파수에서 온 상태와 오프 상태 사이에서 교번하는 고주파수 펄스 폭 수정(PWM) 신호일 수 있다. 일례에서, PWM 신호(426)는 100kHz 초과의 주파수에서 동작할 수 있지만, PWM 신호(426)는 임의의 주파수에서 동작할 수 있다. 고주파 스위칭 PWM 신호(426)에 응답하여, 제2 트랜지스터(422)는 전도 상태(또는 "온" 상태)와 비전도 상태(또는 "오프" 상태) 사이에서 빠르게 교번할 수 있다. 이러한 방식으로 제2 트랜지스터(422)의 동작을 통해 성형 회로(420)는 배터리 셀(404)로 전달되는 충전 펄스로부터 에너지를 접지를 향해 사이펀할 수 있다. 사이펀된 전류는 제2 인덕터(424)에 저장될 수 있고, 인덕터의 전류가 전압보다 뒤처짐에 따라 전류는 제2 인덕터(424)에 축적되는 동안 접지로 흐르지 않는다. 그러나, PWM 신호(426)의 오프 부분은 전류가 제2 인덕터(424)를 떠나면 트랜지스터(422)가 오프되고 충전 펄스로부터 사이펀된 에너지 신호가 연결부(446)를 통해 접지로 거의 또는 전혀 전달되지 않을 만큼 충분히 빠르게 트랜지스터(422)를 닫을 수 있다. 오히려, 사이펀된 에너지는 플라이백 다이오드(430)를 통해 상위 레일(442)로 전달되고, 충전 회로(400)에 의해 재사용하기 위해 저장 커패시터(432)에 저장될 수 있다.

충전 신호로부터 에너지를 사이펀함으로써, 입력 성형 회로(420)는 충전 펄스의 크기의 일부를 변경하여 배터리(404)에 대한 펄스를 성형 또는 조각할 수 있다. 특히, PWM 신호(426)의 주파수를 제어하면 충전 신호로부터 더 많거나 더 적은 에너지를 사이펀할 수 있다. 또한, PWM 신호(426)의 듀티 사이클은 충전 펄스의 변경 또는 성형 지속시간에 대응하도록 선택되거나 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 일부 경우에 회로 제어기(210)에 의해 제공되는 PWM 신호(426)는 필터 회로(406)로부터 배터리 셀(404)로의 충전 신호를 변경할 수 있다. 또한, 필터 회로(406)와 유사하게, 하나 이상의 추가 입력 성형 회로(428)가 입력 성형 회로(420)에 병렬로 연결될 수 있다. 각각의 입력 성형 회로(420, 428)는 개별 PWM 제어 신호(426)를 통해 회로 제어기(210)에 의해 독립적으로 제어될 수 있다. 다른 예에서, 둘 이상의 성형 회로(420)가 동일한 PWM 제어 신호(426)에 의해 제어될 수 있다. 추가 입력 성형 회로(428) 중 하나 이상은 또한 동일하거나 상이한 값의 유사한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 성형 회로 N(428)의 입력 제2 인덕터는 필터 회로(420)의 입력 제2 인덕터(424)보다 높거나 낮은 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 필터 회로(406) 및/또는 입력 성형 회로(420)에 인가되는 펄스 제어 신호(416)와 PWM 신호(426)의 제어를 통해, 배터리 셀(404)에 인가되는 충전 신호의 하나 이상의 펄스는 고조파 충전 신호를 달성하도록 성형될 수 있다. 입력 충전 신호의 추가 성형은 또한 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 신호 펄스의 프로파일을 더 조각하기 위해 회로 제어기(210)를 통해 제어될 수 있다. 또한, 회로 제어기(210)의 다양한 제어 신호는 배터리 셀(404)에 제공되는 충전 신호의 양태를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어 신호는 배터리 셀(404)에서의 전압, 배터리 셀에 제공되는 전류, 또는 배터리 셀에 제공되는 전체 에너지 또는 전력을 제어할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 배터리 셀에 대한 충전 신호를 제어 또는 성형하는 것으로 논의되지만, 충전 신호의 임의의 양태가 회로 제어기(210)에 의해 제어될 수 있는 것으로 이해된다.

도 4의 회로(400)는 또한 배터리 셀(404)에 연결된 임피던스 측정 회로(408)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 임피던스 측정 회로(408)는 배터리 셀(404)의 전극에서 나타나는 임피던스 특성을 측정한다. 일례에서, 임피던스 측정 회로(408)는 배터리 셀(404)의 전극 양단의 전압을 측정하는 전압 센서, 및 배터리 셀로 흐르는 전류를 측정하는 전류 센서를 포함할 수 있다. 그러나, 임피던스 측정 회로(408)는 배터리 셀(404)의 임피던스를 측정하기 위해 임의의 알려진 또는 이후에 개발된 회로를 포함할 수 있다. 또한, 임피던스 측정 회로(408)는 다양한 시간 또는 간격으로 셀 임피던스를 측정하도록 회로 제어기(210)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 임피던스 측정 회로(408)는 충전 신호가 주파수 범위에 걸쳐 배터리 셀(404)에 인가되는 테스트 기간 동안 배터리 셀(404)의 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다. 이 측정값은 도 3b의 그래프(322)와 관련하여 위에서 논의된 바와 같이 배터리 셀(404)에 대한 최소 실수 임피던스를 결정하기 위해 획득되어 회로 제어기(210)에 제공될 수 있다.

회로 제어기(210)는 도 4의 회로(400)를 이용하여 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수에 기초하여 배터리 셀에 대한 충전 신호의 펄스를 성형할 수 있다. 특히, 도 5는 일 실시형태에 따라 최소 임피던스 값에 대응하는 주파수에 기초하여 배터리 셀에 대한 충전 신호를 생성하기 위한 방법(500)을 도시한다. 방법(500)의 동작은 회로 제어기(210)에 의해 수행될 수 있고, 특히 전력원(402), 필터 회로(406) 및/또는 입력 성형 회로(420)에 제어 신호를 제공하여 회로(400)의 다양한 구성요소를 제어함으로써 수행될 수 있다. 방법(500)의 동작 중 하나 이상을 수행하기 위해 회로 제어기(210)에 의해 다른 회로 설계 및 구성요소도 제어될 수 있다. 따라서, 도 4의 회로(400)와 관련하여 본 명세서에 설명되었지만, 방법(500)의 동작은 임의의 수의 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 프로그램, 또는 하드웨어와 소프트웨어 구성요소의 조합을 통해 실행될 수 있다.

동작(502)에서 시작하여, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)을 재충전하기 위해 사용될 충전 펄스에 대한 초기 주파수를 선택할 수 있다. 예를 들어, 구형파 충전 펄스의 비효율성을 피하기 위해 배터리 셀(404)을 재충전하기 위해 정현파 충전 펄스를 선택할 수 있다. 충전 펄스의 초기 주파수는 회로 제어기(210)에 의해 선택될 수 있다. 일부 경우에, 선택된 주파수는 배터리의 초기 충전 동안 배터리 셀(404)에서 실수 임피던스를 최소화하거나 감소시키도록 결정될 수 있다. 초기에, 충전 신호가 배터리에 아직 인가되지 않았고 하나 이상의 특성(예를 들어, 배터리 셀의 충전 상태 또는 배터리의 기타 전기화학적 양태)이 알려지지 않았을 수 있기 때문에 배터리 셀(404)의 실수 임피던스가 회로 제어기(210)에 의해 알려지지 않았을 수 있다. 따라서, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)에 에너지를 제공하기 시작하는 충전 펄스에 대한 초기 주파수를 선택할 수 있다. 하나의 특정 구현예에서, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)의 이력 데이터, 다른 배터리 셀의 이력 데이터, 회로 제어기(210)의 이력 데이터, 또는 다른 배터리 재충전 데이터에 기초하여 충전 펄스에 대한 초기 주파수를 얻을 수 있다. 예를 들어, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404) 또는 다른 배터리 셀의 이전 충전 세션을 분석할 수 있다. 분석에 기초하여, 회로 제어기(210)는 배터리 셀의 실수 임피던스 값이 최소가 되는 배터리 셀(404)에 대한 주파수(f_Min)를 추정할 수 있다. 점점 더 많은 재충전 세션이 분석됨에 따라, 배터리 셀(404)에 대한 추정된 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 충전 펄스에 대한 초기 주파수에 대한 최상의 추정값을 결정할 수 있다. 초기 선택된 주파수는 배터리 셀(404)에 대한 충전 상태에 대한 실제 최소 실수 임피던스 값에 대응하지 않고, 목표 배터리 셀 또는 임의의 다른 배터리 셀에 대한 하나 이상의 이력 실수 임피던스 측정값에 기초할 수 있다.

선택된 충전 펄스에 대한 초기 주파수로, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)에 대한 고조파 충전 펄스를 생성하기 위해 충전 회로(400)의 펄스 제어 신호 입력(416) 및/또는 PWM 신호 입력(426)을 제어할 수 있다. 특히, 회로 제어기(210)는 제1 시간 기간 동안 제1 트랜지스터(412)를 활성화하기 위해 펄스 제어 신호(416)를 제공할 수 있다. 제1 트랜지스터(412)의 활성화는 전력 레일(422)로부터 배터리 셀(404)로 에너지 펄스를 전달할 수 있다. 필터 회로(406)의 제1 인덕터(410)는 전력 레일(422)로부터 수신된 펄스(예를 들어, 구형파 펄스)가 급격히 증가하는 것에 저항할 수 있고, 배터리 셀(404)로 전달하기 위해 각진 선두 에지(예를 들어, 정현파 펄스의 선두 에지)를 출력할 수 있다. 충전 신호 펄스의 지속시간은 또한 제1 트랜지스터(412)가 활성화되어 전도하는 제1 시간 기간에 대응할 수 있다. 또한, 펄스의 크기는 전력원(402)(잠재적으로 V_CONT(434)에 의해 제어됨)에 의해 제공되는 신호의 크기 및/또는 펄스 제어 신호(416)를 통해 제어되는 펄스 신호의 지속시간에 대응할 수 있다. 특히, 제1 트랜지스터(412)가 전도하는 지속시간은 배터리 셀(404)에 제공되는 에너지 펄스의 지속시간에 대응한다. 많은 경우에, 회로 제어기(210)는 에너지 펄스의 주기적인 반복 패턴을 배터리 셀(404)에 제공하기 위해 제1 트랜지스터(412)의 활성화/비활성화 제어를 반복할 수 있다.

선두 에지와 펄스 지속시간에 더하여, 배터리 셀(404)에 제공되는 에너지 펄스에 대한 변경은 입력 성형 회로(420)의 제어를 통해 수행될 수 있다. 특히, PWM 신호(426)가 제2 트랜지스터(422)에 제공되어 트랜지스터를 빠르게 활성화 및 비활성화하여 입력 성형 회로(420)로 하여금 펄스의 지속시간 동안 임의의 시간에 펄스로부터 에너지를 사이펀하고 펄스의 크기를 감소시키게 할 수 있다. PWM 신호(426)의 주파수는 에너지 펄스 신호로부터 사이펀되는 에너지의 양을 제어하여 프로파일을 추가로 변경할 수 있다. PWM 신호(426)를 정밀히 제어하는 것을 통해 펄스 크기는 (펄스로부터 에너지를 제거하는 것을 통해) 감소하거나 (입력 성형 회로(420)에 의해 펄스로부터 에너지가 제거되지 않도록 트랜지스터(422)를 비활성화함으로써) 증가하여 배터리 셀(404)을 충전하기 위한 성형된 펄스를 생성할 수 있다.

펄스 제어 신호(416) 및/또는 PWM 신호(426)와 같은, 회로(400)에 대한 입력을 제어하는 것을 통해 회로 제어기(210)는 도 3a의 파형(314)과 유사하게, 선택된 초기 주파수에서 배터리 셀(404)을 충전하기 위한 정현파 펄스를 생성할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 배터리 셀(404)에서의 최소 실수 임피던스는 배터리 충전 동안 변할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(404)의 충전 상태 및 온도는 최소 실수 임피던스 특성을 변경시킬 수 있다. 펄스 충전 신호의 주파수를 배터리의 현재 상태에서 배터리 셀(404)의 최소 실수 임피던스에 대응하는 주파수로 조정하면 배터리를 충전하는 효율 이점을 제공할 수 있다. 따라서, 회로 제어기(210)는 동작(506)에서 다양한 주파수에서 배터리 셀의 임피던스를 측정하여 다양한 주파수에서 배터리 셀의 실수 임피던스 값의 함수를 구할 수 있다. 일 구현예에서, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)에서 측정된 최소 실수 임피던스에 대응하는 충전 신호 주파수를 결정하기 위해 다양한 주파수에서 하나 이상의 테스트 신호를 배터리 셀(404)에 인가할 수 있다. 테스트 신호의 주파수는 배터리 셀(404)에 테스트 신호의 범위를 제공하기 위해 회로 제어기(210)에 의해 미리 결정될 수 있다. 각각의 테스트 신호에 대해, 배터리 셀(404)에서 대응하는 실수 임피던스 값이 결정 및/또는 저장될 수 있다. 많은 주파수를 사용하는 것에 더하여 간헐적인 정전류 적정 기술(Galvanostatic Intermittent Titration Technique: GITT)도 사용할 수 있다. 일반적으로, GITT는 배터리 셀(404)의 임피던스를 결정하는 데 사용될 수 있는 복소 임피던스를 노출시키기 위해 구형파 펄스(스펙트럼에 걸쳐 정현파 주파수의 합임)의 특성을 사용한다.

동작(508)에서, 측정된 테스트 임피던스의 최소 실수 임피던스 값이 결정될 수 있다. 예를 들어, 회로 제어기(210)는 수신된 테스트 결과로부터 가장 작은 실수 임피던스 값을 최소 임피던스 값으로 선택할 수 있다. 다른 예에서, 회로 제어기(210)는 수신된 실수 임피던스 값을 분석하고, 값을 외삽하여 최소 실수 임피던스 값을 결정할 수 있다. 예를 들어, 측정 값은 일련의 증가하는 테스트 주파수에 대해 실수 임피던스 값이 감소하고 나서 그 다음 일련의 증가하는 테스트 주파수에 대해 증가하는 측정 값을 나타낼 수 있다. 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)에 대한 최소 실수 임피던스 값이 증가하는 테스트 주파수의 제1 세트와 증가하는 테스트 주파수의 제2 세트 사이의 주파수에 대응한다고 결정할 수 있다. 이러한 경우, 회로 제어기(210)는 측정값들 사이에서 배터리 셀(404)에 대한 최소 실수 임피던스 값을 추정할 수 있다. 동작(510)에서 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)에 대해 결정된 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 테스트 신호의 주파수(326)에 대한 배터리 셀(404)의 실수 임피던스 값(324)의 그래프(334)를 생성할 수 있고, 그래프로부터 최소 실수 임피던스 값(330)을 결정할 수 있다. 또한 그래프(334)로부터 최소 실수 임피던스 값(330)에 대응하는 주파수를 결정할 수 있다. 일반적으로, 최소 실수 임피던스 값을 초래하는 배터리 셀(404)에 대한 입력 신호의 주파수를 결정하기 위한 임의의 상관 알고리즘이 대응하는 주파수를 결정하는 데 이용될 수 있다.

동작(512)에서 회로 제어기(210)는 측정된 테스트 임피던스의 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수가 충전 펄스가 제공되는 미리 선택된 주파수와 다른지 여부를 결정할 수 있다. 회로 제어기(210)가 테스트 신호를 배터리 셀(404)에 인가하여 얻어진 대응하는 주파수가 충전 펄스가 제공되는 주파수와 다르다고 결정하면, 회로 제어기(210)는 동작(514)에서 충전 신호의 추가 펄스에 대응하는 주파수를 선택할 수 있다. 또한, 회로 제어기(210)는 동작(504)으로 돌아가 입력 신호를 생성하고 성형 회로에 제공하여, 배터리 셀에 대한 충전 펄스의 주파수를 결정된 대응하는 주파수로 조정할 수 있다. 대응하는 주파수가 충전 펄스가 제공되는 주파수와 다르지 않은 경우, 회로 제어기(210)는 동작(514)에서 추가 충전 펄스에 대한 주파수를 유지하고, 동작(504)에서 대응하는 제어 신호를 성형 회로에 제공할 수 있다. 따라서, 도 5의 방법(500)을 통해 배터리 셀(204)을 재충전하기 위해 생성된 정현파 충전 펄스에 대해 배터리 셀에 대한 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수를 선택할 수 있다.

정현파 충전 신호를 사용할 때 하나의 잠재적인 단점은 이러한 신호가 구형파 충전 신호에 비해 더 적은 전력을 재충전을 위한 배터리 셀에 제공할 수 있다는 것이다. 이러한 잠재적인 단점은 최소한의 시간에 배터리 셀에 최대의 에너지를 제공하려는 고속 충전 환경에서 특히 두드러질 수 있다. 도 6의 그래프(602)는 이러한 잠재적 단점의 예시를 제공한다. 특히, 도 6은 시간(606)에 따라 배터리 충전 신호의 구형파 펄스(612, 614)와 정현파 펄스(608, 610)가 중첩된 입력 전압 값(604)의 그래프(602)이다. 일반적으로, 각 펄스 아래의 면적은 재충전할 배터리에 제공될 수 있는 충전량을 나타낸다. 펄스 아래의 면적은 위에서 논의한 바와 같이 이용 가능한 전하량을 나타내고, 일반적으로 셀을 충전하기 위해 전달되는 구형파 펄스의 모든 에너지 능력을 방해하는 배터리 및 충전의 속성이 있음을 인식해야 한다. 그럼에도 불구하고, 구형파 펄스(612, 614)와 정현파 펄스(608, 610)를 통해 제공되는 전하량 사이의 차이는 해시된 영역(616, 618)에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 정현파 펄스(608, 610)는 위에서 논의된 선택된 고조파 주파수를 추정하는 것으로 인해 배터리에서 임피던스를 감소시키면서 구형파 펄스(612, 614)보다 펄스당 더 적은 전하량을 배터리에 제공할 수 있다. 따라서 최소 임피던스 주파수 기반 충전은 다른 시스템에 비해 충전을 향상시킬 수 있으나, 추가 개선 및 최적화도 이용 가능할 수 있다.

최소 실수 임피던스 값에 대응하는 선택된 고조파에서 유사한 충전량을 배터리에 제공하기 위한 하나의 잠재적인 방법은 충전 펄스(608, 610)의 크기를 증가시키는 것이다. 그러나, 많은 배터리는 충전 신호의 크기에 상위 임계값을 부여하여 정현파 펄스의 크기를 단순히 증가시키는 것만으로는 배터리 셀을 고속 충전하는 데 유익하지 않을 수 있다는 특성을 포함한다. 예를 들어, 많은 배터리의 전해질은 전압 임계값과 상관된 특정 전력 레벨에서 분해되기 시작하고, 이러한 화학 반응은 비가역적인 것이기 때문에 배터리의 수명을 단축시킨다. 이러한 전해질의 분해는 배터리의 전극에 인가되는 재충전 전력 신호가 급격히 변하는 경우에도 발생할 수 있다. 배터리의 다른 구성요소도 전력 재충전 신호의 갑작스러운 인가로 인해 분해되거나 손상될 수 있다. 예를 들어, 고전력 신호로 인해 리튬 이온 배터리의 고체 전해질 간기(Solid Electrolyte Interphase: SEI) 층에 걸쳐 하나 이상의 영구 채널이 형성되어 애노드에 영구적인 공간 불균일이 발생할 수 있다. SEI 층도 또한 고전력 신호에 응답하여 두꺼워져 배터리 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 재충전 전력 신호의 크기를 높이면 배터리가 발산할 수 있는 것보다 더 빨리 열을 생성하여 잠재적으로 배터리 손상 및 열 폭주 위험이 높아질 수 있다. 그리하여, 추가 충전을 제공하기 위해 펄스(608, 610)의 크기를 단순히 증가시키는 것은 재충전 중인 배터리를 손상시킬 수 있다.

정현파 펄스(608, 610)로부터 제공되는 전하를 증가시키는 대안적인 방법은 고조파를 결합시켜 피크를 넓히고/넓히거나 펄스의 선두 에지를 목표 실수 임피던스 최소 주파수(및/또는 아래에서 더 논의되는 목표 허수 임피던스)로 튜닝하는 동시에 사인 펄스가 일반적으로 감소하기 시작하는 펄스 피크 또는 그 부근에 펄스를 유지하는 것이다. 일례에서, 본 명세서에서 논의된 방법 및 회로는 배터리 셀의 하나 이상의 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수 범위를 결정하고, 식별된 주파수 범위 내의 고조파를 포함하는 충전 신호를 배터리 셀에 제공하기 위해 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 7a는 배터리 셀에 인가된 충전 신호의 대응하는 주파수(706)에 대해 배터리 셀의 측정된 실수 임피던스 값(714)의 그래프(702)이다. 값은 실시간으로 측정될 수 있으나 또한 측정되고 나서 저장될 수도 있어서 실시간으로 측정되지 않을 수도 있으며, 다른 정보로부터 특성화되거나 유도될 수도 있고, 측정되지만 주기적으로만 측정될 수 있고, 주파수는 어떤 초기 값으로 설정된 다음 피드백 루프 등으로 조정될 수도 있는 등으로 이해된다. 또한 허수 임피던스 값, 어드미턴스 값 및/또는 서셉턴스 값과 같은 배터리 셀의 다른 양태가 유사하게 측정되거나 추정되고 충전 펄스를 성형하는 데 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 그래프는 허용 가능한 최소 임피던스 값 사이의 범위에 있는 최대 주파수(710)와 최소 주파수(708)를 나타내지만 최소 임피던스 주파수 값에서 엄격한 것은 아니다. 도 7a의 그래프(702)는 배터리에 제공되는 충전 신호의 주파수에 대한 배터리 셀의 실수 임피던스 값의 플롯을 나타낸다는 점에서 위에서 논의된 도 3b의 그래프(322)와 유사하다. 그러나, 이 예에서는 최소 실수 임피던스 값(330)에 대응하는 주파수(f_Min)(332)를 결정하는 것이 아니라, 최소 주파수(f_RMin)(708)와 최대 주파수(f_RMax)(710)에 의해 한정된 주파수 범위는 배터리 셀을 충전하기 위해 허용 가능한 임피던스 값의 범위에 기초하여 배터리의 최소 실수 임피던스 값(712) 부근에서 결정될 수 있다. 최소 주파수(f_RMin)(708)와 최대 주파수(f_RMax)(710)가 선택되고 나서 생성된 배터리 충전 신호 펄스에 포함되어 펄스의 프로파일을 넓히고 각 펄스 동안 배터리 셀로 전달되는 전하량을 증가시킬 수 있다. 허용 가능한 임피던스 값에서 주파수 범위에 기초하여 전력 재충전 신호의 충전 펄스에 다수의 고조파를 포함하는 것을 통해 충전 펄스를 수신하는 배터리 셀에서 더 작은 임피던스를 유지하면서 배터리 셀을 재충전하기 위해 단일 고조파 정현파로부터 이용 가능한 것보다 더 많은 전하량이 제공될 수 있다.

도 7b는 일 실시형태에 따라 배터리 셀의 실수 임피던스 값에 기초하여 최대 주파수(f_RMax)(710)와 최소 주파수(f_RMin)(708)에 대응하는 복수의 주파수를 포함하는 배터리 셀 충전 펄스의 신호도(722)이다. 신호도(722)는 최대 전압 임계값(730)을 포함하여 시간(726)에 따른 입력 전압(724)을 도시하고, 최대 전압 임계값을 초과하는 경우 배터리 손상이 발생할 수 있다. 특히, 신호도(722)의 충전 펄스(728)는 도 7a의 그래프(702)에 표시된 주파수 범위에 기초하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 도 7b의 충전 펄스(728)는 최소 주파수(f_RMin)(708)와 최대 주파수(f_RMax)(710) 사이에 있는 고조파 범위를 포함할 수 있다. 하나의 경우에, 최소 주파수(f_RMin)(708)와 최대 주파수(f_RMax)(710)는 최소 실수 임피던스 값(712)에 대응하는 주파수(f_Min)(711)가 최소 주파수(f_RMin)(708)와 최대 주파수(f_RMax)(710) 내에 있을 수 있도록 배터리 셀에 대해 결정된 최소 실수 임피던스 값(712) 주변의 범위에 기초할 수 있다. 충전 펄스(728) 내의 각각의 선택된 고조파 주파수에서, 대응하는 크기는 이 주파수에서 배터리의 대응하는 실수 임피던스 값에 기초하여 결정될 수 있고, 그 결과 다소 불균일한 충전 펄스가 생성될 수 있다. 그러나, 선택된 크기 중 어느 것도 재충전 중인 배터리 셀이 손상되거나 배터리의 열 폭주를 유발할 수 있는 상위 전압 또는 전력 임계값(730)을 초과할 수 없다. 최소 실수 임피던스 값(712)에 대응하는 주파수 범위를 포함하는 것을 통해 배터리에서 낮은 임피던스를 유지하면서 더 많은 전하량이 배터리를 재충전하는 데 적용될 수 있도록 충전 펄스가 확장될 수 있다. 이러한 방식으로, 구형파 재충전 신호에 비해 효율을 향상시키는 배터리 셀을 재충전하는 데 높은 전하량과 낮은 임피던스의 충전 신호를 사용할 수 있다.

도 8은 일 실시형태에 따라 배터리의 최대 및 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수 범위에 기초하여 배터리 셀에 대한 충전 신호를 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 전술한 바와 같이, 허수 임피던스 값, 어드미턴스 값 및/또는 서셉턴스 값과 같은 배터리 셀의 다른 양태에 기초하여 배터리 셀에 대한 충전 신호를 생성하기 위해 유사한 방법이 실행될 수 있다. 도 5의 방법(500)과 유사하게, 도 8의 방법(800)의 동작은 회로 제어기(210)에 의해, 특히 도 4의 회로(400)의 다양한 구성요소를 제어하기 위해 전력원(402), 필터 회로(406) 및/또는 입력 성형 회로(420)에 제어 신호를 제공함으로써 수행될 수 있다. 방법(500)의 동작 중 하나 이상을 수행하기 위해 다른 회로 설계 및 구성요소도 회로 제어기(210)에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 도 4의 회로(400)와 관련하여 본 명세서에 설명되었지만, 방법(500)의 동작은 임의의 수의 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 프로그램, 또는 하드웨어와 소프트웨어 구성요소의 조합을 통해 실행될 수 있다.

동작(802)에서 시작하여, 회로 제어기(210)는 배터리 셀에 대한 최소 실수 임피던스 값을 획득할 수 있다. 실수 최소 임피던스 값을 획득하는 것은 회로 제어기(210)가 충전 신호의 다양한 주파수에서 배터리의 임피던스 측정값을 측정하거나 수신할 수 있다는 점에서 위와 유사할 수 있다. 최소 실수 임피던스 값은 또한 루프형 또는 회로 제어기(210) 구동 프로세스를 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 회로 제어기(210)에 의해 회로는 상이한 주파수, 예를 들어, 주파수 범위에서 배터리를 충전하고, 배터리 셀에 대한 최소 임피던스 값이 발견될 때까지 배터리 셀(204)의 임피던스를 측정할 수 있다. 이러한 측정은 배터리 셀의 능동 충전 동안 수행될 수 있고, 또는 수행되어 메모리에 저장되고 조회 방식으로 동작될 수 있다. 일부 배터리의 경우, 임피던스 측정 대 충전 신호 주파수는 도 7a의 그래프(702)와 유사할 수 있다. 그래프(702)와 유사하게, 회로 제어기(210)는 복수의 임피던스 측정에 기초하여 배터리 셀의 최소 실수 임피던스 값(712)을 결정할 수 있다. 임피던스 측정 프로세스는 또한 상이한 주파수에서 임피던스 값을 획득하고 저장할 수 있고, 예를 들어, 최소 주파수가 발생하는 주파수(f_Min)(711)보다 크고 작은 주파수에서 임피던스 측정값을 획득할 수 있다.

동작(804)에서, 회로 제어기(210)는 허용 가능한 임피던스 값의 대응하는 범위에 대한 상위 실수 임피던스 값(720)을 선택할 수 있다. 특히, 회로 제어기(210)는 충전 신호의 인가에 기초하여 배터리 셀에서 허용 가능한 임피던스 값(716)을 결정하거나 제공받을 수 있다. 허용 가능한 임피던스 값(716)은 최소 임피던스 값보다 높고 최소 임피던스가 발생하는 주파수(f_Min)(711)보다 낮거나 높은 주파수에서 발생하는 하나의 허용 가능한 임피던스 값으로 도시 및 설명되었다. 허용 가능한 임피던스 값(716)은 최소 임피던스보다 높거나 낮은 주파수에 대해서는 동일하지 않을 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 허용 가능한 임피던스(716)는 충전이 진행됨에 따라, 셀 온도가 변함에 따라 변할 수 있고, 충전 전류 레벨 등에 기초하여 변할 수 있다. 허용 가능한 임피던스 값(716)은 위에서 결정된 최소 임피던스 값(712)보다 클 수 있다. 예를 들어, 회로 제어기(210)는 충전 신호에 대한 허용 가능한 임피던스 값으로서 임피던스 값(716)을 결정하거나 제공받을 수 있다. 일반적으로, 허용 가능한 임피던스 값(716)은 재충전 중인 배터리 셀에서의 임의의 임피던스일 수 있다. 그러나, 충전 신호의 인가 동안 배터리 셀에서의 전체 임피던스를 제한하기 위해, 작은 허용 가능한 임피던스 값(716)이 선택되거나 결정될 수 있다. 또한, 범위의 상위 임피던스 값(720)은 최소 임피던스(f_Min)(711)가 발생하는 주파수와 다른 주파수 또는 주파수 조합에서 발생하는 임피던스 값일 수 있다. 많은 경우에, 최소 임피던스가 발생하는 주파수(f_Min)(711) 위 및 아래의 주파수 범위, 및 최소 임피던스(712) 위이지만 허용 가능한 임피던스(716) 아래의 주파수 범위가 있을 것이다. 예를 들어, 허용 가능한 범위의 임피던스는 최소 임피던스가 발생하는 주파수보다 더 높은 주파수(f_RMax)(710)에서 발생할 수 있다. 따라서 회로 제어기(210)는 허용 가능한 임피던스 값(716)에 도달할 때까지 최소 임피던스 값(712)으로부터 우측(또는 증가하는 주파수 방향)으로 임피던스 값의 플롯된 곡선(714)을 따름으로써 허용 가능한 범위에 대한 상위 임피던스 값(720)을 결정하거나 선택하도록 구성될 수 있다. 그러나, 다른 구현예에서, 범위에 대한 상위 임피던스 값(720)은 최소 임피던스 값(712)으로부터 설정된 차이(프로그래밍 방식, 최소값으로부터 설정된 델타, 계산 방식, 및 배터리 충전량, 온도 등과 같은 기타 요소 고려)일 수 있다. 예를 들어, 범위(720)에 대한 상위 임피던스 값은 최소 임피던스 값(712)의 두 배 또는 최소 임피던스 값의 다른 배수로 결정될 수 있다.

도 7a에 평활한 곡선으로 도시되어 있지만, 임피던스 값의 플롯된 곡선(714)의 형상은 상이한 주파수에서의 잡음 또는 기타 효과의 다양한 인스턴스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 플롯된 임피던스 값(714)은 플롯된 곡선(714)이 특히 고조파의 크기가 증가함에 따라 더 높은 주파수에서 급락(dip)을 포함할 수 있도록 상이한 신호 크기에서 생성될 수 있다. 따라서 플롯(714)은 고조파 전력의 상이한 증분과 각각 연관된 여러 상이한 플롯의 합일 수 있다. 이러한 상황에서, 가장 낮은 임피던스(712)에 대응하는 주파수(f_Min)(711)는 고조파의 크기가 특정 값으로 증가함에 따라 상대적으로 일정하게 유지될 수 있고, 이 특정 값을 초과하면 임피던스 값이 급격히 증가하기 시작한다.

또한, 팩 내 셀의 물리적 배향(예를 들어, 병렬 또는 직렬 연결 여부)도 기생 용량 및 유도 손실로 인해 임피던스 곡선의 형상에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 에너지는 특정 주파수 대역에서 공기를 통해 하나의 셀로부터 다른 셀로 짧은 거리를 점프하기 시작하여 배터리 팩 구조 내의 셀을 효과적으로 우회하고, 이 지점에서 전류 흐름을 방해하거나 허용할 수 있다. 이러한 주파수에서 측정된 임피던스는, 특히 더 높은 주파수쪽 일부 고조파의 경우 국부적인 최소 임피던스 값이 결정될 수 있도록 팩 내의 셀을 건너뛸 때 임피던스가 낮게 나타나는 영역 또는 임피던스 곡선의 급락을 유발할 수 있다. 그러나, 이러한 더 높은 주파수에서 배터리 셀 또는 팩을 충전하면 위에서 설명한 이유로 배터리 셀의 충전 효율은 향상되지 않을 수 있다. 그리하여, 최저 임피던스(712)에 대응하는 주파수(f_Min)(711)를 결정하는 것은 배터리 팩 내의 기생 손실로 인해 더 높은 주파수에서 임피던스 값의 급락 또는 비교적 잡음이 많은 대역을 배제하는 동작을 포함할 수 있다. 더 높은 주파수의 이러한 배제는 인덕터 값(410)(또는 필터 회로(406, 418))의 선택을 통해 달성될 수 있고 또는 회로(400)에서 충전 신호의 경로에 포함된 추가적인 고주파수 필터를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 제어기(210)는 실수 및 허수 임피던스, 어드미턴스 등과 같은 배터리 셀 또는 팩의 여러 파라미터를 비교하여 국부적인 최소 임피던스 값을 포함하지만 더 높은 주파수에 있고 배제되어야 하는 영역을 구별할 수 있다. 또한, 제어기(210)는 배터리 팩 내의 기생 손실로 인한 임피던스의 급락이 작은 주파수 범위와 연관될 가능성이 있으므로 검출된 최소 임피던스 값과 연관된 주파수 범위를 결정할 수 있다.

또한, 팩의 셀들 사이에 에너지 점프가 있는, 팩으로부터 획득된 임피던스 곡선 플롯(714)은 팩 구성을 핑거프린트하거나 식별하기 위해 제어기(210)에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 직렬로 연결된 셀을 포함하는 제1 배터리 팩 구성은 병렬로 연결된 셀을 포함하는 제2 배터리 팩 구성과 다른 임피던스 플롯을 가질 수 있다. 셀 수 또는 배향이 다른 팩 사이의 검출 가능한 차이도 유사하게 사용될 수 있다. 따라서, 제어기(210)는 (컨덕턴스 및/또는 서셉턴스와 같은 배터리 팩의 다른 양태에 대한 플롯에 더하여) 배터리 팩에 대한 임피던스 플롯을 획득하고, 획득된 플롯을 임피던스 플롯의 데이터베이스와 비교할 수 있다. 임피던스 플롯의 데이터베이스는 각각의 플롯을 특정 배터리 팩 구성 또는 배터리 셀 유형과 상관시킬 수 있고, 이에 획득된 임피던스 플롯과 저장된 플롯을 비교하는 것을 통해 제어기(210)는 충전 중인 배터리 팩 또는 셀 유형의 구성을 결정하거나 추정할 수 있다. 그런 다음 제어기(210)는 추정된 배터리 팩 구성에 기초하여 충전 펄스를 추가로 조정하거나 성형할 수 있다.

범위에 대한 상위 임피던스 값(720)을 결정하는 방법과 상관없이, 회로 제어기(210)는 동작(806)에서 상위 임피던스 값(720)의 대응하는 주파수(f_RMax)(710)를 결정할 수 있다. 전술한 바와 같이, 배터리 셀 전극에서의 임피던스는 전극에 인가되는 충전 신호의 주파수에 기초하여 변할 수 있다. 따라서, 주파수(f_RMax)(710)는 허용 가능한 범위에 대해 선택된 상위 임피던스 값(720)에 대응할 수 있다. 회로 제어기(210)는 선택된 상위 임피던스 값(720)에 대응하는 주파수(f_RMax)(710)를 결정할 수 있다.

동작(808)에서, 회로 제어기(210)는 또한 배터리에 대해 획득된 최소 임피던스 값(716)에 기초하여 허용 가능한 임피던스 값의 대응하는 범위에 대해 하위 임피던스 값(718)을 선택할 수 있다. 범위에 대한 상위 임피던스 값(720)과 유사하게, 하위 임피던스 값(718)은 허용 가능한 임피던스 값(716)에 기초하여 선택되거나 결정될 수 있고, 최소 임피던스 값(712)이 발생하는 주파수(f_Min)(711)보다 낮은 주파수(f_RMin)(708)에 있을 수 있다. 다시 말해, 회로 제어기(210)는 허용 가능한 임피던스 값(716)에 도달할 때까지 최소 임피던스 값(712)이 발생하는 주파수(f_Min)(711)로부터 좌측(또는 감소하는 주파수 방향)으로 임피던스 값의 플롯된 곡선(714)을 따름으로써 허용 가능한 임피던스 값의 범위에 대해 하위 임피던스 값(718)을 결정하거나 선택하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상위 임피던스 값(720)과 하위 임피던스 값(718)은 일부 경우에 (예를 들어, 범위에 대한 허용 가능한 임피던스 값(716)에서) 동일하지만, 충전 신호의 상이한 주파수, 예를 들어, 최소 임피던스의 주파수(f_Min)(711) 위 및 아래의 주파수에서 발생할 수 있다. 다른 구현예에서, 임피던스 값의 범위에 대한 하위 임피던스 값(718)은 범위에 대한 상위 임피던스 값(720)과 유사하게 최소 임피던스 값(712)과의 지정된 차이일 수 있다. 상위 임피던스 값(720)을 결정하는 방법에 상관없이, 회로 제어기(210)는 동작(810)에서 하위 임피던스 값의 대응하는 주파수(f_RMin)(708)를 결정할 수 있다. 일반적으로, 대응하는 주파수(f_RMin)(708)는 최소 임피던스 값(712)의 대응하는 주파수(f_Min)(711)보다 하위 주파수이다. 일부 예에서, 충전 펄스를 생성하는 허용 가능한 고조파 범위 또는 세트는 범위에 대한 주파수(f_RMax)(710)와, 이 범위에 대한 주파수(f_RMin)(708) 사이에 있는, 또한 주파수(f_Min)(711)를 포함하는 주파수 범위에 기초할 수 있다.

또 다른 구현예에서, 회로 제어기(210)는 상위 임피던스 값(720) 또는 하위 임피던스 값(718) 중 하나 또는 둘 모두를 결정하지 않을 수 있다. 오히려, 회로 제어기(210)는 임피던스 값의 범위에 대해 주파수(f_RMax)(710)와 주파수(f_RMin)(708)를 선택(예를 들어, 표에서 조회 등)할 수 있다. 일부 경우에, 상위 및 하위 주파수 값 중 하나 또는 둘 모두는 이전 모델링, 이전 측정값의 외삽 등에 기초하여 메모리로부터 측정되거나 획득될 수 있는 최소 임피던스 주파수(f_Min)(711)에 기초할 수 있다. 최소 임피던스 주파수(f_Min)(711) 등에 기초하여 주파수(f_RMax)(710) 및/또는 주파수(f_RMin)(708)를 선택함으로써, 회로 제어기(210)는 충전 신호에 대한 주파수 범위 또는 대역폭을 제어할 수 있다. 또한 주파수 범위는 주파수 범위 내의 대응하는 임피던스 값이 배터리 셀의 측정된 임피던스 값 또는 배터리 셀 또는 다른 배터리 셀의 이력 측정값에 기초하여 배터리 셀을 충전하기 위한 허용 가능한 임계값(716)(또는 값들) 미만으로 유지되는 것을 보장하도록 선택될 수 있다.

동작(812)에서, 회로 제어기(210)는 주파수(f_RMax)(710)와 주파수(f_RMin)(708)에 의해 한정된 주파수 범위 내에서 다수의 주파수에 대응하는 크기 값을 획득할 수 있다. 일 구현예에서, 범위 내의 주파수에 대응하는 크기는 이 주파수에서 측정되거나 추정된 임피던스에 비례할 수 있다. 예를 들어, 주파수(f_RMax)(710)에서 충전 펄스에 포함되도록 획득된 크기는 이 주파수에서 실수 임피던스 값(720)에 비례할 수 있다. 유사하게, 주파수(f_Min)(711)에서 충전 펄스에 포함되도록 획득된 크기는 이 주파수에서 실수 임피던스 값(712)에 비례할 수 있다. 따라서 범위 내의 각각의 주파수는 이 주파수에서 임피던스 값(714)에 대응하는 관련된 크기를 가질 수 있다. 그러나, 각 고조파의 임피던스는 파형의 다른 고조파 크기와 반드시 독립적일 필요는 없음이 주목된다.

동작(814)에서, 회로 제어기(210)는 배터리 셀(404)에 대해 성형된 충전 펄스를 생성하기 위해 충전 회로(400)의 펄스 제어 신호 및 PWM 신호를 제어할 수 있다. 전술한 바와 같이, 도 4의 회로(400)는 충전 중인 배터리 셀(404)에 대한 충전 신호의 펄스를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 특히, 필터 회로(406) 및/또는 입력 성형 회로(420)는 상위 레일(442)로부터의 전력을 위에서 결정된 주파수 범위에 대응하는 하나 이상의 주파수 또는 고조파를 포함하는 일련의 충전 펄스로 성형하도록 제어될 수 있다. 일례에서, 필터 회로(406)는 주파수(f_RMax)(710) 또는 주파수(f_RMin)(708)에서 정현파 신호에 대응하는 선두 에지를 생성하도록 제어될 수 있다. 또한, 펄스 제어 신호(416)의 지속시간은 펄스 제어 신호(416)의 더 긴 지속시간이 더 넓은 충전 펄스(또는 충전 펄스의 더 넓은 대역폭)에 대응할 수 있다는 점에서 충전 펄스에 대한 고조파 범위를 결정할 수 있다. 또한, 입력 성형 회로(420)는 신호의 특정 인스턴스 또는 고조파에서 충전 펄스의 크기를 변경하기 위해 PWM 신호(426)를 통해 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 회로 제어기(210)는 주파수(f_RMax)(710)와 주파수(f_RMin)(708)에 의해 한정된 결정된 주파수 범위에 기초하여 다수의 고조파를 포함하도록 충전 펄스를 성형하기 위해 회로(400)에 하나 이상의 입력을 제공할 수 있다. 도 8의 방법(800)을 통해 회로 제어기(210)는 배터리 셀 전극에서 임피던스를 최소화하거나 감소시키면서 배터리(404)에 최적화된 전하량을 제공하기 위해 일련의 성형된 충전 펄스를 생성할 수 있다.

결정된 주파수 범위와 이 주파수 범위에 기초하여 생성된 충전 신호는 도 5의 방법(500)에 따라 사용될 수 있다. 특히, 회로 제어기(210)는 배터리 셀을 충전하기 시작하기 위해 측정된 임피던스 값의 제1 세트에 기초하여 주파수 범위로부터 충전 신호를 생성할 수 있다. 도 5와 관련하여 논의된 반복 프로세스를 통해 측정된 임피던스 값의 제2 세트는 배터리 셀의 재충전 세션 동안 얻어질 수 있다. 주파수의 제2 범위는 제2 측정된 임피던스 값에 기초하여 결정될 수 있고, 이에 따라 충전 신호가 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 배터리 셀의 임피던스 값을 추가 측정하는 것에 기초하여 배터리 셀을 재충전하는 동안 충전 신호의 펄스를 조정하거나 변경하는 반복 프로세스는 충전 신호에 포함된 주파수 또는 고조파의 범위를 재계산하는 것을 포함하여 수행될 수 있다.

도 9a는 일 실시형태에 따라 배터리 충전 회로로부터 생성된 일련의 성형된 충전 펄스(902)의 신호도(902)이다. 일례에서, 회로(400)는 제어기(210)에 기초하여 성형된 펄스(914, 916)를 생성할 수 있다. 신호도(902)는 충전 신호의 펄스(914, 916)의 시간(906)에 따라 전류 제어식 하드웨어 회로의 경우 입력 전압(904) 또는 입력 전류를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 펄스(914, 916)는 비대칭이고, 선두 에지(912)는 후미 에지(910)에 대해 뚜렷하게 성형된다. 펄스(914, 916)는 하나의 예에서 배터리 셀 전극에서 보이는 최소 임피던스 값에 대응하거나 최소 임피던스 값과 관련된 고조파의 조합에 의해 한정될 수 있다. 특히, 충전 신호 펄스(914, 916)는 배터리 셀에 대한 최소 임피던스 값과 관련된 선택된 주파수에 대응하는 선두 에지 부분(912)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 펄스(914)의 선두 에지(912)의 형상은 배터리 셀에서 최소 실수 임피던스 값에서의 주파수로서 제어 회로(210)에 의해 식별된 고조파(f_Min)(332)에 대응할 수 있다. 일례에서, 선두 에지(912) 형상은 최소 임피던스의 주파수에서 대응하는 정현파의 선두 에지에 기초할 수 있다. 다른 예에서, 펄스(914)의 선두 에지(912)의 형상은 고조파(f_RMax)(710) 또는 고조파(f_RMin)(708)에 대응할 수 있다. 최소 임피던스 주파수를 식별하는 것은 무엇보다도 특히 측정(또는 측정들), 배터리 특성화에 단독 또는 조합으로 기초할 수 있다. 선택된 주파수에 관계없이, 펄스(914)의 선두 에지(912)는 전력 재충전 신호를 보다 효율적으로 적용하기 위해 배터리 셀에서 보이는 임피던스를 최소화하거나 감소시키는 고조파에서 정현파 충전 신호 부분의 선두 에지와 동일하도록 성형될 수 있다.

선택된 고조파에서 펄스(908)의 선두 에지(912)를 생성하기 위해, 회로 제어기(210)는 위에서 논의된 하나 이상의 필터 회로(406)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 펄스(908)의 선두 에지(912)의 성형은 제1 인덕터(410)의 인덕턴스 값과 상관될 수 있다. 특히, 제1 인덕터(410)는 인덕터를 통과하는 전류가 천천히 시작하여 시간에 따라 증가하도록 전류의 빠른 전도에 저항한다. 인덕터를 통과하는 전류 흐름에 대한 저항은 제1 인덕터(410)의 인덕턴스 값에 의존한다. 따라서, 충전 신호의 펄스(914)의 전방 에지(912)를 성형하기 위해, 회로 제어기(210)는 (펄스 제어 신호(416)를 통해) 제1 트랜지스터(412)를 활성화하여 전류가 인덕터(410)를 통해 배터리 셀(404)로 흐르기 시작하도록 할 수 있다. 전류 흐름은 천천히 시작하여 시간에 따라 증가할 수 있고, 충전 신호의 전압이 충전 신호의 전류와 관련되기 때문에 전압이 전류를 따를 수 있고, 도 9a에 도시된 바와 같이 펄스(914)의 선두 에지(912)를 형성할 수 있다. 일반적으로, 제1 인덕터(410)를 통한 전류 흐름의 증가율은 인덕터의 인덕턴스 값에 기초할 수 있고, 충전 신호의 펄스(914, 916)에 선두 에지(912) 형상을 제공할 수 있다. 따라서 선두 에지(912)의 고조파는 제1 인덕터(410)의 인덕턴스 값에 대응할 수 있다. 선두 에지(912)에 목표 고조파를 적용하기 위해, 회로 제어기(210)는 최소 실수 임피던스의 결정된 고조파에 대응하는 선두 에지(912)에 대한 기울기를 생성하기 위해 복수의 필터 회로(406, 418) 또는 제1 인덕터로부터 선택할 수 있다. 또한, 전류의 급격한 증가에 대한 제1 인덕터(410)의 저항은 충전 신호의 펄스에 대한 가파른 전방 에지를 방지하여 구형파 입력 인가 시 배터리 셀(404)에서 발생할 수 있는 고주파 고조파를 감소시킬 수 있다.

펄스 제어 신호(416)를 통한 제1 트랜지스터(412)의 활성화를 통해, 회로 제어기(210)는 전류가 제1 트랜지스터(410)를 통해 흐를 때 선택된 고조파에서 펄스(914)의 선두 에지(912)를 생성할 수 있다. 펄스(914)의 어느 나중 시간에, 펄스의 크기는 펄스(914)의 상부에서 일정한 전압(908)에 대응하는 전력 레일(442)의 상위 또는 부동 전압(float voltage)에 도달할 수 있다. 펄스(908)의 지속시간은 전력이 제1 인덕터(410)와 제1 트랜지스터(412)를 통해 배터리 셀(404)에 제공되도록 제1 트랜지스터(412)의 전도 상태를 유지함으로써 회로 제어기(210)에 의해 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 펄스 제어 신호(416)는 충전 신호의 펄스(914)의 지속시간 또는 폭을 제어할 수 있다.

일부 경우에, 회로(400)는 펄스(914)의 급격한 하강 에지(910)를 포함하도록 제어될 수 있다. 회로 제어기(210)는 전력 레일(442)로부터 배터리 셀(404)을 분리하기 위해 제1 트랜지스터(412)를 비활성화함으로써 펄스의 급격한 하강 에지(910)를 생성할 수 있다. 특히, 회로 제어기(210)는 펄스 제어 신호(416)를 비활성화하여 제1 트랜지스터(412)가 전도하는 것을 중단하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 트랜지스터(412)가 전도를 중단할 때 제1 인덕터(410)를 통해 흐르는 전류는 플라이백 다이오드(414)를 통해 전력 레일(442)로 복귀될 수 있다. 이러한 방식으로 제1 트랜지스터(412)의 제어는 펄스(914)의 급격한 하강 에지(910)를 야기할 수 있다. 또한, 급격한 하강 에지(910)가 일반적으로 높은 고조파 성분에 대응할 수 있지만, 이러한 고조파는 전류 및 전압 크기가 급격한 하강 에지(910) 이후에 배터리(404)에 걸쳐 0에 접근하거나 0과 같기(전압의 경우 제로 과전위이기) 때문에 배터리 셀(404)에서 손상 임피던스를 증가시키지 않을 수 있다. 더 높은 고조파와 손상 임피던스 사이의 이러한 분리는 도 12를 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된 바와 같이, 충전 전류가 0에 도달하는 데 필요한 시간을 줄이기 위해 전압 크기가 배터리의 부동 전압(예를 들어, 충전 전류를 수신하지 않을 때의 배터리 전압) 아래로 일시적으로 감소할 때 참으로 유지된다. 이러한 방식으로 필터 회로(406)의 제어를 통해, 배터리 셀(404)의 최소 임피던스 값에 대응하는 고조파에서 정현파 선두 에지(912), 상위 크기(908)에서의 지속시간, 및 배터리 전극에서 낮은 임피던스를 유지하면서 배터리 셀(404)에 충분한 전하량을 제공하는 급격한 하강 에지(910)를 포함하는 성형된 충전 펄스(418)가 생성될 수 있다.

일반적으로, 회로(400)는 충전 신호의 펄스를 임의의 형태로 생성하거나 성형하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 9b는 일 실시형태에 따라 배터리 충전 회로(400)로부터 생성된 제2 성형된 충전 펄스(924, 932) 시퀀스의 신호도(922)이다. 이 예에서, 각각의 펄스(926, 932)의 선두 에지(928)는 도 9a와 관련하여 위에서 논의된 선두 에지(912)와 유사할 수 있다. 특히, 충전 펄스(924, 932)의 선두 에지(912)는 위에서 논의된 하나 이상의 필터 회로(406)의 제어를 통해 생성될 수 있다. 그러나, 이 예에서, 성형된 상승 에지(928) 후 펄스의 지속시간 동안 평탄한 전압 레벨(908)을 갖는 펄스가 아니라, 회로 제어기(210)는 펄스(924)를 추가로 성형하기 위해 충전 회로(400)의 입력 성형 회로(420, 428) 중 하나 이상을 제어할 수 있다. 도시된 예에서, 선두 에지(928)를 따르는 펄스(924)의 부분(926)은 급격한 하강 에지(930)까지 균일하게 감소하는 전압(또는 전류)을 포함할 수 있다. 감소 레벨(또는 기울기)(926)이 선형으로 도시되어 있지만, 반드시 그럴 필요는 없으며, 펄스(924)는 많은 특징을 포함하도록 성형될 수 있다. 일 구현예에서, 제어 회로(210)는 입력 성형 회로(420)의 제2 트랜지스터(422)에 PWM 신호(426)를 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, PWM 신호(426)는 전도 상태(또는 "온" 상태)와 비전도(또는 "오프" 상태) 사이에서 제2 트랜지스터(422)를 교번하는 고주파 스위칭 신호일 수 있다. 제2 트랜지스터(422)의 신속한 교번 동작은 펄스(924)로부터 전류가 제2 인덕터(424)를 통해 흐르게 할 수 있다. 펄스(924)로부터 이러한 전류의 사이펀 현상은 전류가 제거됨에 따라 하향 기울기 부분(926)을 초래할 수 있다. 일반적으로, PWM 신호(426)의 듀티 사이클은 펄스(926)로부터 풀링된(pulled) 전류의 양을 제어할 수 있고, 펄스(924)의 기울기(926)를 생성하도록 회로 제어기(210)에 의해 구성될 수 있다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이, PWM 신호(426)의 오프 부분은 충전 펄스로부터 사이펀된 에너지 신호가 연결부(446)를 통해 접지로 거의 전달되지 않거나 전혀 전달되지 않을 만큼 신속히 트랜지스터(422)를 폐쇄할 수 있다. 오히려, 사이펀된 에너지는 플라이백 다이오드(430)를 통해 상위 레일(442)로 전달되고, 충전 회로(400)에 의해 재사용하기 위해 저장 커패시터(432)에 저장될 수 있다.

충전 펄스(924)의 기간의 끝에서, 회로(400)는 도 9a와 관련하여 전술한 바와 같이 급격한 하강 에지(930)를 한정하도록 추가로 제어될 수 있다. 특히, 회로 제어기(210)는 전력 레일(442)로부터 배터리 셀(404)을 분리하기 위해 제1 트랜지스터(412)를 비활성화함으로써 펄스의 급격한 하강 에지(910)를 생성할 수 있다. 특히, 회로 제어기(210)는 펄스 제어 신호(416)를 비활성화하여 제1 트랜지스터(412)가 전도하는 것을 중단하게 할 수 있다. 또 다른 예에서, 입력 성형 회로(420)는 또한 PWM 신호(426)를 통해 활성화되어 하강 에지(930)에서 전류를 사이펀하여 펄스(924)의 하강 에지를 추가로 성형할 수 있다. 이해되는 바와 같이, 도 9b에 도시된 충전 펄스(924, 932)는 단지 충전 회로(400)의 제어를 통해 생성될 수 있는 성형된 충전 신호의 일례일 뿐이다. 특히, 회로 제어기(210)는 필터 회로(406) 및/또는 입력 성형 회로(420)를 제어하여 원하는 대로 다양한 형태의 충전 펄스를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 도 3a, 도 7b 및/또는 도 9a에 도시된 것과 같은 다른 충전 신호 형태도 회로(400)로부터 생성될 수 있다.

배터리 전극에서의 실수 임피던스 값과 관련하여 위에서 논의되었지만, 충전 신호를 성형할 때 배터리 전극에서의 리액턴스 또는 임피던스의 허수 부분도 고려될 수 있다. 어드미턴스 값 및/또는 서셉턴스 값과 같은 다른 양태도 고려할 수 있다. 특히, 도 10a는 배터리 셀을 재충전하기 위해 충전 전류(1006)를 생성하는데 사용되는 정현파 전압 신호(1004)를 예시하는 신호도이다. 일반적으로, 배터리 셀에서 측정된 충전 전류(1006)는 인가된 전압 신호(1004)와 동일한 형상을 가질 수 있다. 그러나, 배터리의 임피던스로 인해 배터리에 인가되는 충전 전류(1006)는 전압 신호(1004)에 비해 크기가 더 작고 시간이 지연될 수 있다. 배터리에서 전압 신호(1004)와 전류(1006) 사이의 정성적 크기 차이는 Z_R = (dV/dI) 또는 (ΔV/ΔI)로서 실수 임피던스(Z_R)(1008)의 측정을 예시하기 위해 의도된다. 위에서 논의된 하나 이상의 방법 및 회로는 배터리를 재충전하기 위해 충전 신호의 펄스를 성형할 때 이 실수 성분을 고려한다. 배터리에서 전압 신호(1004)와 전류(1006) 인가 사이의 시간 지연은 Z_I(1010)로 도시되며, 배터리 임피던스의 리액턴스 또는 허수 성분으로 인한 것이다. 임피던스의 실수 성분과 유사하게, 임피던스의 리액턴스(1010) 부분은 또한 충전 세션 동안 배터리에 충전 신호를 인가할 때 비효율성을 야기할 수 있다. 예를 들어, 충전 파형의 기간은 일반적으로 충전 전압 또는 전류가 배터리의 재충전을 시작할 때부터 측정되고, 전압이 제로 과전위로 다시 안정되고(단자의 전압은 배터리의 부동 전압과 일치하고) 배터리에 충전 전류가 없을 때(제로 암페어일 때) 종료된다. 그러나, 배터리 셀에서 임피던스의 리액턴스 부분을 무시하는 충전 시스템은 배터리로 들어가는 전압과 그에 따른 충전 전류 파형이 동시에 시작하고 중지한다고 가정할 수 있다. 그러나, 임피던스의 리액턴스 부분을 고려하면 배터리 셀에서 전압과 전류 파형 사이의 용량성 또는 유도성 유도 시간 지연을 나타내며, 이는 충전 신호의 전압과 전류 사이의 지연으로 인해 펄스당 더 긴 충전 기간을 초래한다. 이는 펄스의 충전 기간 동안 평균 전류를 감소시켜 배터리 셀에서 충전 펄스의 비효율성을 증가시킬 수 있다. 또한, 리액턴스 레벨에 따라 리액턴스 성분은 에너지를 배터리 내에 저장된 화학 에너지가 아니라 열의 형성으로 전환할 수 있다. 리액턴스는 문제가 될 수 있으며, 전도성 경로(예를 들어, 케이블, 와이어 및 회로 보드 트레이스)와 셀 자체 내에서 열을 생성할 수 있다. 높은 레벨의 리액턴스는 또한 전극 영역에 걸쳐 불균일한 전기화학적 활동에 기여하여, 배터리 셀 내 전류 집전체, 전기 활성 물질 및 기타 구성요소에 걸쳐 저항 강하를 악화시킬 수 있다.

배터리 셀에 충전 펄스를 인가할 때 이러한 잠재적인 비효율성을 해결하기 위해, 시스템은 배터리 셀에서 임피던스의 결정된 또는 추정된 리액턴스 성분에 대응하는 펄스를 갖는 충전 신호를 생성할 수 있다. 특히, 배터리 셀을 재충전하기 위한 충전 신호의 펄스의 펄스 형태 및 전체 기간이 임피던스의 실수 성분뿐만 아니라 임피던스의 허수 성분에도 대응하도록 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 배터리에 인가된 충전 신호의 주파수(1026)에 따라 배터리에서 임피던스(1024)의 다양한 성분의 그래프(1022)를 도시하는 도 10b를 이제 참조한다. 특히, 그래프(1022)는 실수 임피던스 값(1028)의 플롯, 허수 임피던스 값(1032)의 플롯, 및 계산된 모듈러스 임피던스 값(1030)의 플롯을 포함한다. 본 명세서에서 논의된 방법을 통해 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수(f_Zr)(1034)가 결정되고, 언급된 주파수에서 또는 위 및/또는 아래 주파수의 일부 범위 내에서 고조파를 포함하는 펄스를 갖는 충전 신호를 생성하는 데 이용될 수 있다. 그러나, 그래프(1022)에 도시된 바와 같이, 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수(f_Zr)(1034)는 배터리 전극에서 비교적 더 높은 허수 임피던스(1032) 값과 연관될 수 있다. 따라서, 실수 임피던스만을 고려하는 것은 허수 임피던스와 이의 충전 효율에 미치는 영향을 고려하지 않으며, 가장 최적의 충전 솔루션으로 이어지지 않을 수 있다. 그리하여, 본 명세서에 설명된 회로 및 방법의 일부 구현예는 배터리 셀에서 임피던스의 두 성분의 주파수를 이해하는 것을 통해 허수 및 실수 임피던스를 모두 가변 정도로 고려함으로써, 펄스 형태를 한정하는 주파수 및 이러한 펄스를 인가하는 전체 충전 신호의 기간을 최적화할 수 있다. 또 다른 구현예는 배터리 셀에서 측정된 실수 임피던스 및/또는 측정된 허수 임피던스로부터 계산된 어드미턴스 값 및/또는 서셉턴스 값을 사용할 수 있다.

일례에서, 회로 제어기(210)는 충전 신호의 펄스가 생성되는 주파수 또는 고조파를 선택하기 위해 실수 임피던스 값과 허수 임피던스 값의 조합을 계산하거나 획득할 수 있다. 이러한 조합 중 하나는 실수 및 허수 임피던스 값의 모듈러스 계산을 포함할 수 있다. 임피던스 모듈러스 값(1030)의 플롯이 도 10b의 그래프(1022)에 도시되어 있다. 배터리에서 임피던스의 두 성분의 다른 조합은 또한 회로 제어기(210)에 의해 계산되거나 결정될 수 있고, 충전 신호의 펄스를 성형할 때 사용될 수 있다. 예를 들어, 실수 임피던스 값과 허수 임피던스 값 중 하나 또는 둘 모두는 불균형적으로(예를 들어, 실수 임피던스 값에 20% 가중치를 적용하고, 허수 임피던스 값에 80% 가중치를 적용하여) 가중될 수 있고 또는 균형적으로 가중될 수 있고, 충전 펄스의 선두 에지 또는 폭과 같은 충전 신호의 펄스의 상이한 양태를 결정하는 데 사용될 수 있다. 위와 유사하게 회로 제어기(210)는 최소 임피던스 모듈러스 값과, 대응하는 주파수(그래프(1022)에서 주파수(f_ZMod)(1036)로서 도시됨)를 결정할 수 있다. 그래프(1022)에서 볼 수 있는 바와 같이, 주파수(f_ZMod)(1036)에서 고조파를 갖는 충전 펄스를 생성하면 다른 주파수보다 특히 f_Zr에 비해 배터리에 더 높은 실수 임피던스를 도입할 수 있지만 허수 임피던스 성분을 최소화하거나 줄일 수 있다. 그리하여, 배터리 셀에서 임피던스의 두 성분(실수 임피던스(1028)와 허수 임피던스(1032))을 모두 고려함으로써 보다 효율적인 충전 신호를 생성할 수 있다. 배터리 셀에서 임피던스의 두 성분을 모두 고려하면 다수의 셀 간을 연결하는 것에 의해 임피던스가 추가되는 다수의 셀이 있는 시스템에 특히 유용할 수 있다.

일부 경우에, 회로 제어기(210)는 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 주파수(f_Zr)(1034), 또는 최소 모듈러스 임피던스 계산에 대응하는 주파수(f_ZMod)(1036)와는 다른 충전 신호 주파수를 선택할 수 있다. 오히려, 회로 제어기(210)는 충전 신호에 대한 선택된 주파수가 주파수(f_Zr)(1034)와 주파수(f_ZMod)(1036) 사이에 있을 수 있도록 충전 신호에 대한 고조파를 결정하기 위해 실수 임피던스 값과 허수 임피던스 값의 균형을 맞출 수 있다.

하나의 특정 구현예에서, 충전 신호의 펄스의 개별 부분은 둘 이상의 임피던스 측정에 기초하여 회로 제어기(210)에 의해 성형될 수 있다. 예를 들어, 도 11은 하나의 실시형태에 따라 2개 이상의 주파수에 대응하는 배터리 재충전 회로로부터 생성된 배터리 셀 충전 신호(1102)의 성형된 펄스(1108)의 신호도이다. 도 9를 참조하여 위에서 논의된 전력 신호 펄스와 유사하게, 펄스(1108)는 최소 실수 임피던스 값에 대응하는 고조파로 구성된 선두 에지 부분(1110)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 펄스(1108)의 선두 에지(1110) 부분의 형상은 고조파(f_Zr)(1034)에 대응할 수 있다. 그러나, 펄스(1108)의 제2 부분(1112)은 주파수(f_Zr)(1034)와는 상이한 다른 주파수에 기초한 고조파를 포함할 수 있다. 예를 들어, 선두 에지 부분(1110)과 제2 부분(112)을 함께 취하면 최소 모듈러스 임피던스 계산(1030)에 대응하는 1차 고조파(f_ZMod)(1036)를 포함할 수 있다. 최소 모듈러스 임피던스 계산에 대응하는 고조파(f_ZMod)(1036)를 적용하면 전력 재충전 신호의 인가로부터 배터리의 전극에서 허수 임피던스를 감소시키는, 펄스(1108)의 제2 부분(1112)의 지속시간을 결정할 수 있다. 배터리의 실수 임피던스 성분이 아니라 허수 임피던스 성분에 기초하여 고조파를 결정하고 적용함으로써 보다 효율적인 전력 재충전 신호를 사용하여 배터리 셀을 충전할 수 있다.

충전 신호의 펄스의 또 다른 양태는 회로(400)에 의해 제어될 수 있다. 특히, 충전 신호의 펄스의 하강 에지를 제어하는 것을 통해 배터리 셀의 충전 효율의 이점을 얻을 수 있다. 도 12a 및 도 12b는 일 실시형태에 따라 시간(1206)에 따라 배터리 셀 양단의 인가/측정된 전압(1208)과, 배터리 셀(1210)에서 측정된 충전 전류의 플롯이다. 전술한 바와 같이, 충전 신호는 배터리 셀에 대한 충전 신호(1212)를 제거하기 위해 급격한 하강 에지를 포함할 수 있다. 그러나, 도 12a의 플롯에서 볼 수 있는 바와 같이 배터리에 인가된 전압이 0으로 설정되면 전류(I)는 바로 0으로 떨어지는 것이 아니라 0에 도달하기 전에 약간의 지연이 있다. 그러나, 펄스 사이의 시간은 전류가 0에 도달할 때까지(셀이 탈분극될 때까지) 그 다음 펄스가 시작되지 않도록 설정될 수 있다. 따라서, 일례에서, 회로(400)는 충전 신호의 그 다음 펄스가 완전한 탈분극이 발생하기 전에 배터리 셀에 잠재적인 손상을 야기하거나 비효율적인 충전이 셀을 분극화하기 시작하는 것을 방지하기 시작하기 전에 배터리 셀(404)의 전류가 0에 도달할 때까지 대기하도록 제어될 수 있다. 충전은 펄스 중에만 발생할 수 있으므로 펄스 사이의 시간을 줄이거나 최소화하면 다른 조건이 동일한 경우 전체 충전 시간이 단축된다. 회로(400)의 전압 제어 변형에 대해, 충전 신호의 전류(1210) 성분은 전압 성분(1208)보다 뒤처질 수 있다. 보다 구체적으로 그리고 도 12a에 도시된 바와 같이, 배터리의 전류(1210)는 배터리에 대한 전압(1208)이 제거된 후 0으로 돌아가는 데 약간의 시간이 걸릴 수 있다. 배터리 전류가 0으로 돌아가는 데 드는 이러한 지연은 충전 펄스에 추가적인 비효율성을 추가할 수 있다. 따라서, 일부 구현예에서 그리고 도 12b의 플롯(1222)에 도시된 바와 같이, 충전 신호의 전압(1208)은 도 12의 플롯(1222)에서 라인(1206)으로 나타낸, 제로 전류에 대응하는 전이 전압 아래로 전압을 구동하도록 제어될 수 있다. 일반적으로, 전이 전압(1206)은 배터리로 흐르는 전류가 반전되는 충전 신호의 전압이고, 배터리 셀의 부동 전압과 유사할 수 있다. 특히, 펄스의 하강 에지(1212)에 뒤따르는 시간 기간(기간(T_T)(1216)으로 도시됨) 동안 전이 전압(1206) 미만으로 전압(1208)을 구동하면 블립(blip)이 없는 펄스에 비해 더 빠른 속도로 전류(1210)를 0 암페어로 구동할 수 있다. 전압 제어 충전 회로(400)의 전압(1208)이 제로 전류에 대응하는 전이 전압 아래로 제어되는 지속시간(T_T)(1216)은 배터리 셀(404)에서 전류(1210)가 제로 암페어로 복귀하는 시간을 최소화하도록 회로 제어기(210)에 의해 결정되거나 설정될 수 있다. 일례에서, 배터리 셀의 전극이 열화되는 것을 방지하기 위해 전압 급락은 배터리 셀에 대한 권장된 셀 전압 이하로 떨어지지 않도록 제어될 수 있다. 전압 급락의 크기는 또한 전이 전압에 대한 충전 펄스 크기의 일부 퍼센트가 되도록 제어될 수 있다. 또한, 전압이 전이 전압으로 복귀하는 것은 배터리 셀 내의 전하가 여전히 균형을 이루고 있는 한, 전류를 0 암페어로 유지하는 속도로 제어될 수 있다. 전류(1210)가 특정 휴지 기간 동안 0암페어로 되돌아오면, 또 다른 충전 펄스(1202)가 배터리 셀(404)에 인가될 수 있다. 따라서, 배터리 셀(404)에서 전류(1210)가 0으로 복귀하는 데 드는 시간의 감소는 배터리 셀을 충전하기 위해 충전 펄스가 인가될 수 있는 속도를 증가시킬 수 있다.

일반적으로 위에서 전력 제어 회로로서 논의되었지만, 충전 회로(400)는 전압 제어되거나 전류 제어될 수 있고 또는 상이한 환경에서 각각 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 두 접근 방식은 모두 배터리 셀(404) 양단의 전압 강하를 측정하고, 배터리 셀(404)에 직렬로 연결된 전류 감지 저항기를 통해 전류를 측정함으로써 유사하게 제어된다. 제어 방식 간의 주요 차이점은 전류 감지 하드웨어(예를 들어, 전류 감지 저항기)가 전력원 회로부(예를 들어, 전력원 회로부(402)의 전력 증폭기) 외부에 있는지 또는 내부에 있는지 여부 및 배터리 셀(404) 또는 전류 감지 저항기 양단의 전압 강하가 먼저 처리되는지 여부에 기초한다. 전압 제어 전력원의 경우, 1차 전압 측정은 배터리 셀(404) 양단에서 발생할 수 있는 반면, 외부 전류 감지 저항기 양단의 대응하는 전압 강하는 2차적으로 측정되어 배터리 셀(404)에서의 전류가 예를 들어 옴의 법칙을 이용하여 계산될 수 있다. 이를 통해 배터리 셀(404) 양단의 전압이 먼저 측정되고 나서 배터리 셀에서의 전류의 계산이 이루어지도록 전류가 계산되는 동안 충전 신호의 전압이 정밀하게 제어될 수 있다.

전압 제어 충전 회로는 일부 경우에 도 12에 도시된 바와 같이 구성요소에 충전 신호를 제공하도록 제어될 수 있다. 특히, 충전 신호(1202)의 전압은 전술한 바와 같이 정현파 선두 에지(1214)를 제공하고 나서 펄스의 나머지 바디 부분에 대해 평탄한 전압이 뒤따르도록 제어될 수 있다. 전압 제어 충전 신호는 전술한 바와 같이 충전 펄스에 이점을 제공할 수 있다. 하강 에지(1212)는 또한 전압이 배터리 셀(404)에서 제로 전류에 대응하는 전이 전압 아래로 구동되는 부분(1216)을 포함하는 전압 제어 회로(400)로부터 제공될 수 있다. 또한 도 12에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(404)에서의 전류(1210)는 제어된 전압(1208)보다 뒤처질 수 있고, 이는 전압(1208)의 제어에 따라 전류를 계산하는 것을 예시한다. 전압 신호(1208)의 제어를 통해, 전류(1210)는 추가 충전 펄스가 유사한 방식으로 배터리 셀(404)에 제공되기 전에 제로 암페어로 되돌아갈 수 있다. 전압 제어 회로(400)의 추가 이점은 배터리 셀(404)의 열역학적 임계값이 배터리 셀(404) 특성의 분해를 방지하기 위해 초과되지 않아서, 예를 들어, 배터리 셀(404)의 전해질이 분해되기 시작하는 전압 아래에 머무르는 것을 보장하기 위해 정확한 제어를 제공한다.

본 명세서에서 논의된 회로 및 방법은 또한 전류 제어 전력원을 이용하여 구현될 수 있다. 회로(400)의 전류 제어 전력원에 대해, 전력원 회로부 내의 미리 교정된 감지 저항기는 이 저항기에 걸쳐 흐르는 전류가 배터리 셀(404)을 통해 흐르는 전류에 의존할 수 있도록 1차 측정을 제공할 수 있다. 따라서, 충전 전류를 정확히 알면 배터리 셀(404)에 대한 충전 전류가 배터리 셀 양단의 전압 강하를 알지 않고도 정확히 제어될 수 있다. 이 구현예에서, 배터리 셀(404)로의 전류(전류 감지 저항기에서 측정됨)는 배터리 셀(404) 양단의 전압이 이 인가된 전류의 결과로서 측정되는 동안 (감지 저항기 양단의 미리 교정된 전압 강하를 통해) 본질적으로 알려질 수 있다. 도 13은 일 실시형태에 따라 시간(1306)에 따라 배터리 셀에 인가된 충전 신호(1304)에 응답하여 전류 감지 저항기 양단의 측정된 전류(1314) 및 배터리 셀의 전압(1310)의 플롯이다. 플롯(1302)에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(404)로의 전류는 배터리 셀(404)의 최소 임피던스 값에 대응할 수 있는 선두 정현파 선두 에지(1314)에 이어 일정한 전류가 뒤따르는 전술한 바와 유사한 펄스를 생성하도록 제어될 수 있다. 하강 에지(1312)는 또한 전류가 배터리 셀(404)에서 안정적인 전이 전압에 대응하는 0 암페어 미만으로 구동되는 부분(1316)을 포함하는 전류 제어 회로(400)로부터 제공될 수 있다. 또한 도 13에 도시된 바와 같이, 배터리 셀(404)에서의 전압 응답(1310)은 제어된 전류(1308)보다 뒤처질 수 있으며, 이는 주요 제어 인자가 아닌 피드백 응답으로서 전압의 거동을 예시한다.

간단한 구성요소를 사용할 수 있거나 프로세스가 충전 중인 디바이스의 기존 전력 하드웨어에 의해 제한되는 응용 분야에서 전류 제어는 디폴트 메커니즘일 수 있다. 대안적으로 제어기 응답 시간과 배터리의 과도 응답이 모두 고속인 구현예에서는 전압 제어 또는 전류 제어 방법이 유사하게 거동할 수 있다. 그러나, 주파수가 증가함에 따라 그리고/또는 배터리가 더 높은 레벨의 리액턴스를 나타내는 경우 두 방법 사이의 거동이 갈라질 수 있으며 실제 제어 고려 사항이 해결될 수 있다.

위에서 논의된 구현예는 충전 신호의 펄스의 적어도 일부의 주파수 성분을 결정하기 위해 배터리 셀(204)의 실수 및/또는 허수 임피던스를 측정하거나 획득하는 것을 포함한다. 배터리 셀(204)의 임피던스 값은 다양한 방식 또는 방법으로 획득될 수 있다. 일 구현예에서, 배터리 셀(204)에서의 임피던스는 충전 펄스가 배터리 셀에 인가될 때 실시간으로 측정되거나 추정될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(204)에서 충전 신호의 전압 및 전류 파형의 크기 및 시간 성분의 양태가 측정 및/또는 추정될 수 있다. 전압과 전류 파형의 측정된 크기와 시간 성분 사이의 차이는 배터리 셀(204)에서 실수, 허수 또는 근사 임피던스를 결정하거나 추정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어 실수 및 허수 임피던스 값은 선두 에지가 알려진 단일 고조파로 구성되기 때문에 충전 펄스의 선두 에지로부터 결정될 수 있고, 전압과 전류 파형의 크기 차이는 에지의 일관된 최소값과 최대값에서 취해질 수 있다. 유사하게, 임피던스의 양태는 충전 펄스의 하강 에지에서 전압과 전류 파형의 크기 측정값으로부터 근사화될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 충전 신호의 전압과 전류 파형의 다양한 측정은 측정에 적용된 가중 값에 기초하여 조정될 수 있다. 일반적으로, 배터리 셀(204)에서 임피던스를 결정하거나 추정하기 위해 충전 신호의 전압과 전류 파형의 여러 양태가 결정되거나 측정될 수 있다. 다른 구현예에서, 전압 또는 전류 파형의 수백 또는 수천 개의 측정값은 디지털 처리 시스템을 통해 획득 및 분석될 수 있다. 일반적으로, 파형의 더 높은 충실도 및/또는 더 많은 측정값은 최소 임피던스 값이 발생하는 충전 신호의 고조파 성분을 더 잘 결정하기 위해 배터리 셀(204)에 적용된 파형의 임피던스에 대한 보다 정확한 분석을 제공하거나 또는 충전 신호의 펄스의 형태를 결정하기 위해 배터리 셀(204)에 대한 파형 효과의 다른 양태를 제공할 수 있다.

도 14는 위에서 개시된 네트워크의 실시형태를 구현하는데 사용될 수 있는 컴퓨팅 디바이스 또는 컴퓨터 시스템(1400)의 일례를 도시하는 블록도이다. 특히, 도 14의 컴퓨팅 디바이스는 전술한 동작 중 하나 이상을 수행하는 회로 제어기(210)의 일 실시형태이다. 컴퓨터 시스템(시스템)은 하나 이상의 프로세서(1402-1406)를 포함한다. 프로세서(1402-1406)는 하나 이상의 내부 캐시 레벨(도시되지 않음), 및 프로세서 버스(1412)와 직접 상호 작용하기 위한 버스 제어기 또는 버스 인터페이스 유닛을 포함할 수 있다. 호스트 버스 또는 전방 측 버스로도 알려진 프로세서 버스(1412)는 프로세서(1402-1406)를 시스템 인터페이스(1414)와 연결하는 데 사용될 수 있다. 시스템 인터페이스(1414)는 시스템(1400)의 다른 구성요소를 프로세서 버스(1412)와 인터페이싱시키기 위해 프로세서 버스(1412)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 시스템 인터페이스(1414)는 주 메모리(1416)를 프로세서 버스(1412)와 인터페이싱시키기 위한 메모리 제어기(1418)를 포함할 수 있다. 주 메모리(1416)는 전형적으로 하나 이상의 메모리 카드 및 제어 회로(도시되지 않음)를 포함한다. 시스템 인터페이스(1414)는 또한 하나 이상의 I/O 브리지 또는 I/O 디바이스를 프로세서 버스(1412)와 인터페이싱시키기 위한 입력/출력(I/O) 인터페이스(1420)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 I/O 제어기 및/또는 I/O 디바이스는 도시된 바와 같이 I/O 제어기(1428) 및 I/O 디바이스(1430)와 같은 I/O 버스(1426)와 연결될 수 있다.

I/O 디바이스(1430)는 또한 정보 및/또는 명령 선택을 프로세서(1402-1406)로 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(1402-1406)에 전달하고 디스플레이 디바이스 상의 커서 이동을 제어하기 위한 마우스, 트랙볼 또는 커서 방향 키와 같은 커서 제어부를 포함한다.

시스템(1400)은 프로세서(1402-1406)에 의해 실행될 명령어와 정보를 저장하기 위해 주 메모리(1416)라고 하는 동적 저장 디바이스 또는 프로세서 버스(1412)에 결합된 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 기타 컴퓨터 판독 가능 디바이스를 포함할 수 있다. 주 메모리(1416)는 또한 프로세서(1402-1406)에 의해 명령어를 실행하는 동안 임시 변수 또는 기타 중간 정보를 저장하는 데 사용될 수 있다. 시스템(1400)은 프로세서(1402-1406)에 대한 명령어와 정적 정보를 저장하기 위해 프로세서 버스(1412)에 연결된 판독 전용 메모리(ROM) 및/또는 다른 정적인 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 도 14에 제시된 시스템은 본 발명의 양태에 따라 사용되거나 구성될 수 있는 컴퓨터 시스템의 단 하나의 가능한 예일 뿐이다.

일 실시형태에 따르면, 위의 기술은 프로세서(1404)가 주 메모리(1416)에 포함된 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 실행하는 것에 응답하여 컴퓨터 시스템(1400)에 의해 수행될 수 있다. 이러한 명령어는 저장 디바이스와 같은 다른 기계 판독 가능 매체로부터 주 메모리(1416)로 판독될 수 있다. 주 메모리(1416)에 포함된 명령어 시퀀스를 실행하면 프로세서(1402-1406)가 본 명세서에 설명된 프로세스 단계를 수행할 수 있다. 대안적인 실시형태에서, 회로부는 소프트웨어 명령어 대신에 또는 소프트웨어 명령어와 조합하여 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 하드웨어와 소프트웨어 구성요소를 모두 포함할 수 있다.

기계 판독 가능 매체는 기계(예를 들어, 컴퓨터)가 판독할 수 있는 형태(예를 들어, 소프트웨어, 처리 애플리케이션)로 정보를 저장하거나 전달하기 위한 임의의 메커니즘을 포함한다. 이러한 매체는 비휘발성 매체 및 휘발성 매체의 형태를 취할 수 있지만 이로 제한되지는 않는다. 비휘발성 매체는 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 매체는 주 메모리(1416)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 전자 명령어를 저장하는 데 적합한 다른 유형의 매체를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다.

배터리 구동식 전자 시스템은 충전 중에 동작될 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 배터리 구동식 도구가 충전 중인 동안 동작되는 것이 유리할 것이다. 유사하게, 전자 시스템은 충전 중인 동안 다양한 상태로 동작할 수 있다. 예를 들어, 휴대폰, 태블릿, 랩탑 컴퓨터 등은 충전 중에 완전히 동작할 수 있고, 또는 충전 중인 동안 다양한 저전력 모드에서 동작할 수 있고, 또는 일부 제한된 기능이 충전 중인 동안 동작할 수 있다. 본 발명의 양태에 따르면, 벅 또는 부스트 변환기와 같은 전력 변환기는 동기적으로 동작되거나 또는 충전 파형을 제어하고, 전기화학 디바이스, 예를 들어, 배터리 셀의 전극에서 에너지 플럭스를 제어하는 회로부와 함께 동작될 수 있다. 충전 파형은 충전 중인 전기화학 디바이스의 실수 및/또는 허수 성분 또는 이들의 일부 조합을 포함하는 최소 또는 낮은 임피던스와 연관된 주파수 성분 및/또는 고조파 또는 고조파들을 포함할 수 있다. 시스템은 충전 파형의 형태 또는 구성을 방해하지 않도록 부하에 대한 전력 신호와 충전 신호를 조정하도록 제어될 수 있다. 충전 신호를 의도적으로 제어하기 때문에 신호의 형태나 구성을 변경하지 않는 것이 유리하다. 특히, 시스템은 충전 펄스의 고조파로 성형된 선두 에지를 방해하지 않도록 전력 신호를 제어할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 충전 형태의 고조파로 한정된 선두 에지는 임의의 부하에 전력을 공급하면서도 예를 들어 왜곡되지 않고 유지된다. 다른 예에서, 시스템은 충전 신호를 성형하기 위해 및/또는 재활용 기능(recycle function)과 함께 또는 재활용 기능 대신에 작용하기 위해 전력 변환기 동작을 조정한다. 배터리로부터의 방전(전력 신호)은 또한 방전 임피던스에 기초한 주파수/고조파 성분으로 튜닝될 수 있으며, 이 임피던스는 충전 파형의 주파수/고조파 성분을 튜닝하는데 사용되는 충전 임피던스와 동일하거나 상이할 수 있다. 그럼에도 불구하고 방전 신호의 양태는 튜닝될 수 있다.

도 15는 충전 중인 셀의 임피던스(또는 서셉턴스와 같은 다른 측정값)에 기초하여 성형된 파형을 생성하는 회로 토폴로지(1500)의 하나의 가능한 일례를 도시하는 회로도이다. 시스템은 도 4와 관련하여 도입된 구성요소를 포함하고, 따라서 유사한 참조 번호는 도 4와 도 15 사이의 유사한 구성요소를 지칭한다. 일반적으로 말하면, 회로는 고조파 또는 고조파들과 임피던스에 미치는 영향에 기초하여 단독으로 또는 협력하여 충전 펄스의 파형, 예를 들어, 선두 에지를 성형할 수 있는, 펄스의 파형, 예를 들어, 선행 에지를 단독으로 또는 협력하여 성형할 수 있는 필터 회로(406 및 418)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 필터 회로 부분은 성형 인덕터(410)를 각각 포함할 수 있다. 필터 회로 부분은 동일하거나 상이한 값의 인덕터를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 회로와 달리, 도 15의 회로는 전기화학 셀(404)과 부하(1504) 사이에 연결된 전력 변환기(1502)를 포함한다. 일례에서, 전력 변환기는 벅 변환기(1506)이다. 일반적으로 말하면, 벅 컨버터는 소스의 전압을 부하에 필요한 임의의 전압으로 강압한다. 다른 예에서, 전력 변환기는 부스트 변환기(1508)이다. 일반적으로 말하면, 부스트 컨버터는 소스의 전압을 부하에 필요한 임의의 전압으로 승압한다. 다른 예에서, 부스트 컨버터와 벅 컨버터는 병렬로 제공될 수 있고, 동작 상태 또는 부하 또는 부하들의 유형에 따라 동작될 수 있다. 벅과 부스트의 동작은 또한 최대 배터리 전압과 최소 배터리 전압 사이의 전압 출력을 유지하도록 조정될 수 있다. 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 대체 출력 펄스 제어를 제공하기 위해 하나 이상의 병렬 벅 및/또는 부스트 회로를 포함하는 것도 가능하다.

벅 및 부스트 회로 토폴로지의 다양한 가능한 예가 존재한다. 도 16은 전기화학 셀과 부하 사이에 결합된 벅 컨버터를 사용하는 충전 회로의 일례를 도시한다. 회로는 제어기(예를 들어, 제어기(210))로부터 필터 트랜지스터에 대한 "펄스"로 표시된 제어 신호에 의해 제어되는, 도 4 및 다른 곳을 참조하여 전술한 필터 회로(406)를 포함한다. 회로는 벅 컨버터(1600)를 더 포함한다. 벅 컨버터는 배터리(404)와 결합된다. 벅 컨버터에는 배터리에 연결되고 제어기에서 생성된 제어 신호 "벅"에 의해 제어되는 트랜지스터가 포함되어 있다. 도 17은 전기화학 셀과 부하 사이에 결합된 부스트 컨버터(1700)를 사용하는 충전 회로의 일례를 도시한다. 도 16과 같은 회로는 제어기(예를 들어, 제어기(210))로부터 필터 트랜지스터에 대한 "펄스"로 표시된 제어 신호에 의해 제어되는, 도 4 및 다른 곳을 참조하여 전술한 필터 회로(406)를 포함한다. 부스트 컨버터는 배터리(404)와 결합된다. 벅 컨버터에는 배터리에 연결되고 제어기에서 생성된 제어 신호 "부스트"에 의해 제어되는 트랜지스터를 포함한다. 도 4 및 도 15에 도시된 회로의 다른 특징은 또한 도 16 및 도 17에 도시된 회로 중 하나 또는 모두에 포함될 수 있다. 또한, 다른 벅 또는 부스트 토폴로지도 사용될 수 있다.

도 18은 도 15 내지 도 17의 다양한 회로를 제어하는 일례를 도시한다. 제어 및 충전 펄스는 도 15의 회로와 관련되지만, 이 개념은 구성요소 수가 더 적은 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같은 회로에 적용되거나 또는 보다 복잡한 회로에 적용될 수 있다. 도 18a는 튜닝된 충전 펄스의 전압 성분(상위 도면) 및 전류 성분(하위 도면)을 도시한다. 본 명세서에 도시된 다른 펄스와 같이, 회로는 충전 중인 셀의 실수 및/또는 허수 부분을 포함하여 비교적 낮거나 가장 낮은 임피던스와 연관된 주파수 및/또는 고조파에 부합하도록 선두 에지를 성형하도록 제어될 수 있다. 논의된 예에서 사용되는 임피던스와 함께 어드미턴스 또는 서셉턴스와 컨덕턴스의 성분과 같은 다른 측정값도 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 임피던스라는 용어는 그 역 어드미턴스를 포함할 수 있다. 언급된 바와 같이, 임피던스는 전기화학 셀의 충전 상태, 온도, 노후도 및/또는 사이클 수 등에 기초하여 시간에 따라 변할 수 있다. 따라서, 파형은 유사하게 프로그래밍으로 변하거나 또는 피드백 및 임피던스 측정값에 기초하여 동적으로 변할 수 있다. 일례에서, 충전 신호의 선두 에지를 성형하기 위해 인덕터의 상이한 조합을 사용하도록 필터링 회로의 상이한 조합을 활성화함으로써 성형이 수행될 수 있다. 유사하게 충전 상태, 온도, 노후도 등에 기초하여 다양한 고조파에서 셀의 임피던스를 특성화하고, 임피던스의 실제 측정값에 기초하는 것이 아니라 이러한 임의의 특성에 단독 또는 조합으로 기초하여 충전 파형을 변경하도록 필터 회로 활성화의 조합을 프로그래밍으로 변경할 수 있다.

그럼에도 불구하고, 충전 동안 부하에 약간의 전력을 인가해야 하는 시스템에서, 전력은 형상 및 주파수/고조파 특성 및/또는 충전 파형의 성분과 간섭하지 않아서 최적이 아닌 임피던스와 연관된 파형을 인가하거나 충전 파형의 제어에 영향을 미치는 것을 방지하는 것을 돕기 위해 인가될 수 있다. 그러나, 아래에서 더 논의되는 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 일부 경우에 벅 또는 부스트 회로는 충전 펄스를 성형하기 위해 필터 회로와 어떤 조합으로 활성화될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 일례에서, 벅 또는 부스트 컨버터의 동작은 선두 에지의 형상 및/또는 파형 형상 또는 성분의 제어를 방해하는 것을 방지하기 위해 충전 펄스의 적어도 일부 동안 벅 또는 부스트가 "온"되지 않도록 충전 제어기의 동작과 인터리빙될 수 있다. 일례에서, 전력 변환기는 충전 펄스가 턴오프된 후에만 턴온된다. 다른 예에서, 전력 변환기는 충전 펄스가 온 상태인 동안 턴온될 수 있지만 선두 에지가 성형된 선두 에지를 뒤따르는 펄스의 제2 "바디" 부분으로 전이된 후에만 턴온될 수 있다. 다른 예에서, 전력 변환기는 충전 펄스가 턴온될 때 턴오프된다. 다른 예에서, 전력 변환기는 충전 펄스가 턴온되기 전에 일정 시간 동안 턴오프된다.

도 18b는 도 18a의 충전 펄스를 형성 및 전달하고 또한 전력 변환기를 활성화함으로써 부하에 전력을 전달하기 위해 도 15의 회로의 다양한 구성요소에 인가될 수 있는 제어 펄스를 도시한다. 보다 구체적으로, 튜닝된 충전 신호 펄스를 형성하고 제공할 때 수반되는 3개의 별개의 제어 신호 펄스가 도 18b에 도시되어 있다. 펄스는 순서대로 실행될 수 있고, 일부 주파수 또는 듀티 사이클로 제시될 수 있으며, 원하는 충전 펄스의 형상에 따라 다양한 다른 배열로 제공될 수 있다. 이 예는 단지 본 명세서에서 논의된 다양한 개념을 설명하기 위해 제시된 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. "소프트 펄스"로 표시된 제1 펄스는 스위치(412)에 인가되고, 스위치의 펄스 제어 신호(416)이다. "하드 펄스"로 표시된 제2 펄스는 필터 회로 N(418)의 스위치에 적용된다. 충전 펄스에 원하는 형상에 따라 하나 이상의 제2 펄스가 N개의 필터 회로 중 하나 이상에 인가될 수 있다. 더욱, 제1 "소프트 펄스"가 충전 펄스를 형성하기에 충분하다면 제2 펄스는 제거될 수 있다. 제3 "재활용" 펄스는 재활용 신호로서 스위치(422)에 인가된다. 펄스의 선두 에지의 제1 및 제2 펄스 형상의 조합. 임의의 주어진 필터 회로에 대한 인덕턴스 값과 선두 에지의 원하는 고조파 특성에 따라 필터 회로의 다양한 가능한 조합이 활성화될 수 있다 - 본 명세서에서 논의되는 제1 및 제2 시퀀스는 단지 예일 뿐이다. 유사하게, 다양한 가능한 구현예에서, 동일하거나 상이한 인덕터 값을 갖는 하나 이상의 필터 회로가 사용될 수 있으며, 충전 펄스의 선두 에지를 제어하거나, 충전 펄스의 다른 속성을 한정하거나, 일반적으로 펄스인지 여부에 관계없이 충전 신호를 한정하기 위해 다양한 필터 회로에 다양한 제어 방식이 적용된다. 추가적으로, 목표 충전 펄스 형태에 따라 원하는 인덕턴스 값을 제공하기 위해, 인덕턴스 값이 필터 회로의 어떤 조합이 활성화되든 간에 인덕터의 병렬 조합에 의해 달성되도록 다양한 필터 회로가 병렬로 그리고 동기적으로 활성화될 수 있다. 인덕터는 또한 다양한 가능한 값을 제공하기 위해 필터 회로 내에서 직렬 또는 병렬로 직접 연결될 수 있다.

마지막으로, 벅/부스트 펄스는 회로에 벅 또는 부스트 분기가 포함되는지 여부와, 부하가 동작 모드에 관계없이 벅 또는 부스트 기능을 필요로 하는지 여부에 따라 벅 또는 부스트 회로 부분에 적용된다. 언급한 바와 같이, 일부 구현예에서는 벅 또는 부스트 전력 변환기를 제공하는 것으로 충분할 수 있고, 다른 구현예에서는 벅 및 부스트 모두가 포함될 수 있다. 예시적인 제어 펄스는 전기화학 디바이스를 충전하기 위한 충전 시퀀스를 생성하기 위해 충전 시퀀스의 일부로서 일반적으로 고주파에서 인가되는 일련의 이러한 펄스(예를 들어, 펄스 폭 변조(PWM) 신호)의 일부인 이산 펄스의 예이다. 본 발명으로부터 PWM 신호일 수 있는 제어 신호(예를 들어, 각각 벅(1600) 또는 부스트(1700) 회로의 각각의 트랜지스터에서 각각 PWM "벅" 또는 "부스트" 제어 신호)는 본 명세서에서 논의된 다양한 가능한 충전 및/또는 방전 기능을 달성하기 위해 이산적으로 그리고 다양한 가능한 조합으로 그리고 동기적으로 필터 회로(예를 들어, 소프트 또는 하드), 재활용 기능, 부스트 및 벅 회로를 제어하는 데 사용될 수 있는 것으로 이해된다.

도 18a, 도 18b 및 도 15를 참조하면, 소프트 펄스의 초기 상승 에지는 시간(T0)에서 발생하고, 이는 스위치(412)를 턴온하여 전류가 전기화학 디바이스(404)로 흐르기 시작하게 하고 전압이 부하의 단자 노드(440)에서 상승하게 하는 것을 볼 수 있다. 시간(T1)에서, 하드 펄스의 상승 에지는 소프트 펄스를 뒤따르고, 소프트 펄스도 또한 여전히 높다(그리고 회로(406)는 여전히 활성임). 시간(T1)에서, 필터 회로 N(418)으로부터의 전류는 스위치(412)를 통해 회로(406)로부터의 전류와 함께 부하로 흐르기 시작한다. 따라서, 충전 펄스(선두 에지 형상)는 필터 회로(406)와 회로 N(418)의 조합에 의해 지배된다.

이 예에서 제1 펄스는 상대적으로 더 큰 인덕터가 있는 회로를 활성화하여 더 큰 인덕터에서 전류 흐름이 상대적으로 더 느리게 증가하므로 펄스의 선두 에지의 상승 시간이 더 느리기 때문에 "소프트" 펄스라고 표시된다. 이 예에서 제2 펄스는 상대적으로 더 작은 인덕터가 있는 회로를 활성화하여 상대적으로 더 작은 인덕터를 통해 전류 흐름이 상대적으로 더 빠르게 증가하므로 펄스의 선두 에지의 상승 시간이 더 빠르기 때문에 "하드" 펄스라고 표시된다. 도시된 예에서, 시간(T0)에서 시작하는 충전 펄스의 상승 에지 형태를 형성하기 위해 2개의 필터 회로를 시퀀싱하고 결합한다. 정현파 상승 에지를 모방하기 위해 추가 조합을 사용하여 상승 에지를 성형할 수 있다(예를 들어, 추가 필터 회로 및/또는 필터 회로 스위치의 미세한 제어를 사용하여 선두 에지를 평활화하여 사인 펄스의 제1 절반부와 유사한 형상으로 성형할 수 있다). 다양한 회로 N(418)에는 상이한 인덕터 값이 제공될 수 있고, 펄스의 선두 에지의 형상을 한정하기 위해 임의의 가능한 조합 사이에서 제어를 조정할 수 있다.

V2에 도달했을 때 소프트 펄스와 하드 펄스가 여전히 높은 동안, 회로 N(418)의 전류 흐름은 단자 노드(440)의 전압이 최대값에 도달할 때 최대값에 도달하며, 본질적으로 레일 전압은 필터 회로(406 및 418)의 스위치 양단의 임의의 전압 강하보다 적다. 배터리 부하에 흐를 수 있는 전류의 양은 단자의 전압에 의해 결정되고 전류의 양은 시간에 따라 주어진 전압에서 감소하는 경향이 있어서, V2 및 V3으로 표시된 시간 사이에 배터리로 유입되는 충전 전류는 감소하는 반면, 단자의 전압은 상대적으로 일정하다.

시간(T3)에서, 하드 펄스와 소프트 펄스는 모두 0으로 떨어져 회로(406)와 회로 N(418) 모두로부터 충전 전류를 중단한다. 이때, 회로의 재활용 부분은 재활용 펄스가 인가되는 스위치(422)를 통해 활성화될 수 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 재활용 펄스는 단자 노드에서 전하를 저장 커패시터(432)로 보냄으로써 전류를 0으로 빠르게 복귀시키기 위해 활성화될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 벅 및/또는 부스트 회로를 포함할 수 있는 전력 변환기는 부하(1504)에 에너지를 공급하기 위해 턴온될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이 배터리가 충전 중인 동안 부하(예를 들어, 전동 공구, 휴대폰, 차량 기능 등)에 동시에 전력을 공급하는 것이 바람직할 수 있다. 위에서도 설명한 바와 같이 일부 경우에 부하를 동작시키기 위해 전압 부스트가 필요할 수 있고, 다른 경우에 부하를 동작시키기 위해 전압 벅이 필요할 수 있다.

도 18b에 도시된 바와 같이, 각각의 부스트 스위치 또는 벅 스위치를 구동하는 부스트/벅 펄스는 충전 펄스가 활성화되지 않은 동안 실행된다. 이 예에서, 벅 또는 부스트 회로가 충전 펄스 사이에 활성화되면, 배터리는 벅 또는 부스트 회로와 이에 따라 부하를 위한 전력원이다. 일부 예에서, 전력 변환기가 활성화되지 않는 경우, 충전 펄스가 전압(V3)과 연관된 시간에 턴오프된 후 가능한 한 빨리 단자의 충전 펄스 전압을 0으로 구동하기 위해 재활용 기능이 사용될 수 있다. 일례에서, 재활용 펄스는 재활용 스위치(426)를 활성화하기 위해 인가된다. 전력 변환기 기능이 존재하고 활성화되면 전력 변환기는 재활용 펄스 대신 작동하거나 재활용 펄스와 함께 조정될 수 있다.

충전 펄스가 비활성 동안 활성인 것으로 표시되었지만 충전 펄스가 활성인 동안 벅 또는 부스트 회로를 활성화하여 펄스를 추가로 형성할 수도 있다. 그러나, 이러한 활성화는 상승 에지 후에, 또는 적어도 상승 에지의 초기 부분 후에 발생하여, 하나의 예에서 상승 에지의 형상을 왜곡시키지 않는다. 이 예에서 벅 또는 부스트의 활성화는 또한 성형 회로 기능(428)의 기능을 대체할 수 있다. 유사하게, 벅 또는 부스트는 충전 펄스를 0으로 빠르게 되돌리기 위해 재활용 기능 대신 작용할 수 있지만, 에너지를 재활용하는 대신 벅 또는 부스트가 부하에 전력을 공급하기 위해 배터리로부터 에너지를 끌어오는 것 대신에 또는 에너지를 끌어오는 것과 함께 초기 에너지를 재활용한다. 벅 또는 부스트 회로를 동적으로 충전하고 상이하게 사용할 수 있는 가능성이 있는 경우 부하에 안정적인 전압을 유지하여 튜닝된 충전 파형 함수를 성형하고 조정하기 위해 벅 또는 부스트 분기에 하나 이상의 커패시터를 사용할 수 있는 것으로 이해된다.

전력 변환기를 통해 부하로의 전력 전달을 제어하는 것 외에, 본 발명의 양태는 또한 전기화학 디바이스로부터 부하로 전달되는 출력 펄스를 성형하도록 전력 변환기를 제어하는 것을 포함한다. 이러한 펄스의 성형은 충전과 함께 수행되거나 독립적으로 수행될 수 있다. 따라서, 출력 펄스의 성형은 충전 기능과는 별도로 벅 회로 또는 부스트 회로 단독으로 또는 다양한 가능한 조합으로 수행될 수 있다. 일례에서, 예를 들어 적어도 충전 펄스의 선두 에지를 성형함으로써 전기화학 디바이스에 대한 입력 충전 파형을 고조파로 성형하거나 달리 튜닝함으로써 실현되는 유사한 이점은 전기화학 디바이스로부터 부하로의 출력 펄스를 성형하는 것을 통해 실현될 수 있다. 일례에서, 출력 파형 형태는 배터리로부터 전력을 전달하는 낮거나 가장 낮은 임피던스와 연관될 수 있다. 일부 경우에, 출력 임피던스는 전기화학 디바이스의 동일한 조건(예를 들어, 일부 충전 상태, 온도, 배터리 수명 사이클 등) 하에서 입력 임피던스와 동일하거나 실질적으로 동일한 것으로 가정할 수 있다. 다른 경우에, 출력 임피던스는 상이한 조건 하에서 입력 임피던스와 별개로 측정되거나 특성화될 수 있으며, 별개의 측정 또는 특성화는 고조파일 수 있는 최적의 출력 주파수 속성을 선택하는 데 사용된다. 임피던스 측정 회로(408)는 배터리(404)에 대한 입력 임피던스 측정과 관련하여 위에서 논의된 것과 동일한 방식으로 상이한 주파수에서 부하로부터의 출력 임피던스를 측정하는 데 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 다양한 예에서, 배터리로부터 부하로 출력 파형, 예를 들어, 튜닝된 펄스는 성형될 수 있고, 특정 예에서는 출력 펄스의 선두 에지는 주파수에 대응하는 특정 형상을 위해 튜닝되고/되거나 고조파로 성형될 수 있다. 최적의 고조파 또는 주파수 속성은 충전 또는 방전(전기 화학 디바이스로부터 전력을 전달)을 논의하는지 여부에 따라 전기화학 디바이스로 또는 전기화학 디바이스로부터의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된다.

최적의 주파수 또는 고조파는 전기화학 디바이스로부터 가장 낮은 입력 또는 출력 임피던스를 제공하는 모든 것과 연관될 수 있다. 그러나, 임의의 주어진 상황에서 이는 시스템이 가장 낮은 값에 가까운 값을 선택하거나 가장 낮은 값으로 반복할 때 값을 선택할 수 있으므로 절대적인 가장 낮은 임피던스가 아닐 수 있다. 다른 상황에서, 피드백 루프 및 동적 시스템의 특성은 시스템이 주변 일부 범위 내 값을 선택하고 그렇지 않으면 가장 낮은 값과 연관되도록 하는 것일 수 있다. 예를 들어, 특성화된 시스템에서 배터리는 모든 충전 상태, 수명 사이클, 온도 또는 기타 조건에 대해 완벽하게 특성화되지 않을 수 있으며, 특성화는 충전 또는 방전 파형의 일부 부분을 한정(예를 들어 방전 또는 충전 펄스의 선두 에지를 성형)할 고조파 성분 또는 주파수를 선택할 때 합리적인 외삽 및 가정을 할 수 있다. 따라서, 전기화학 디바이스로의 또는 전기화학 디바이스로부터의 전류 흐름을 나타내는 임피던스 또는 다른 값, 고조파(주파수) 또는 본 명세서에서 논의된 다른 측정값의 맥락에서 "최적"의 사용은 가장 낮은 임피던스 값이 알려져 있거나 이 가장 낮은 값을 제공하는 고조파 또는 주파수가 시스템에 알려져 있음을 반드시 의미하는 것은 아니다. 본 명세서의 다른 곳에서 언급된 바와 같이, 전력 또는 어드미턴스 또는 서셉턴스와 컨덕턴스의 성분과 같은 다른 측정값이 또한 사용될 수 있다. 어드미턴스의 경우, 최적의 값은 충전 또는 방전 동안 최대 어드미턴스 또는 이 최대 어드미턴스의 일부 범위 내의 값을 제공하는 고조파와 연관될 수 있다.

일례에서, 배터리를 떠나는 펄스의 선두 에지는 벅 또는 부스트 회로의 스위치를 제어함으로써 성형될 수 있다. 예를 들어, 도 16의 벅 회로의 스위치(예를 들어, 트랜지스터)는 벅 입력에서 펄스의 가변 듀티 사이클 또는 가변 기간 시퀀스를 적용함으로써 제어될 수 있고, 또는 도 17에 도시된 부스트 회로의 부스트 스위치는 부스트 입력에서 펄스의 가변 듀티 사이클 또는 가변 기간 시퀀스를 적용함으로써 제어될 수 있다. 일부 주파수의 정현파 형상을 갖도록 전기 화학 디바이스를 떠나는 펄스의 선두 에지를 고조파로 성형하기 위해, 시스템은 선두 에지 부분 동안 벅 또는 부스트 스위치를 구동하는 PWM 신호의 듀티 사이클 또는 기간을 제어한 다음, 펄스의 나머지 지속시간 동안 듀티 사이클 또는 기간을 유지한다.

또한 전기화학 디바이스에 대한 충전 또는 방전 상호 작용 및 효과의 조합을 최적화하기 위해 충전 또는 방전 신호 고조파, 선두 에지를 맞추거나 전기화학 디바이스의 임피던스(또는 다른 값)와 정렬하는 것도 가능하다. 예를 들어, 시스템은 배터리의 충전 속도와 사이클 수명(예를 들어, 배터리 용량이 일부 임계값, 예를 들어, 75%(25% 용량 손실)로 떨어지기 전의 충전 및/또는 방전 사이클 수) 간의 균형을 맞추도록 동작할 수 있다. 일부 경우에, 시스템은 최고 충전 속도에 대한 고조파를 결정할 수 있지만, 이 충전 속도를 달성하기 위한 신호의 적용은 사이클 수명에 최적이 아닐 수 있다. 따라서, 시스템은 가능한 것보다 더 낮은 속도로 전하를 인가할 수 있고, 이는 더 낮은 속도로 전하를 인가하면 임피던스에 영향을 미칠 수 있으므로 충전 신호의 고조파 성분을 변경할 수 있다. 다른 경우에, 시스템은 충전 속도와 같은 다양한 가능한 실시간 배터리 특성 및/또는 사이클 수명과 같은 더 긴 기간의 배터리 특성 간의 균형을 유지하기 위해 (예를 들어, 충전 펄스의) 듀티 사이클, 주파수 및/또는 총 주기 주파수(예를 들어, 충전과 휴지의 조합)의 제어된 조합으로 고조파로 맞춰진 충전 또는 방전 펄스를 적용할 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 더 높은 충전 또는 방전 전류는 셀에서 더 낮은 임피던스를 나타내는 것으로 이해되며, 이는 일반적으로 말하면 충전 또는 방전 속도에 유리하지만 더 높은 충전 또는 방전 속도는 본 명세서에서 논의된 복소 임피던스 피드백에 의해 고조파 최적화되더라도 배터리의 임의의 충전 및 방전과 마찬가지로 사이클 수명에 어느 정도 영향을 미칠 것이다. 듀티 사이클은 피크 전류에 큰 영향을 미친다. 반면에 고정 전류 RMS의 경우 가장 낮은 임피던스의 주파수는 더 낮은 충전 속도에도 불구하고 사이클 수명에 도움을 줄 수 있다. 따라서, 시스템은 서로 다른 요인 간의 균형을 최적화하기 위해 충전 또는 방전할 수 있다. 달리 말하면, 본 발명의 양태는 기존 기술에 비해 충전 또는 방전 속도를 향상시키도록 동작 가능할 수 있으며, 이러한 개선은 이러한 조건 하에서 사이클 수명을 최적화하는 것과 같은 다른 바람직한 결과를 수용하면서 수행될 수도 있다. 일부 이러한 경우에, 충전 또는 방전 속도는 기존 시스템에 비해 개선된 상태를 유지할 수 있지만 다른 요소의 균형을 맞추기 위해 최대 레벨보다 낮은 레벨에서 동작할 수 있다.

도 19는 배터리로부터 일련의 성형된 펄스일 수 있는 출력 신호의 고조파로 성형된, 예를 들어, 정현파 선두 에지를 생성하는 하나의 방식을 도시한다. 즉, 제어 펄스 폭은 충전 펄스의 성형 부분 동안 변화될 수 있다. 예를 들어, 펄스 폭은 전압/전류가 초기에 각 이산 펄스마다 상대적으로 천천히 상승한 다음 동일한 기간 동안 상대적으로 더 빠르게 상승할 때 선두 에지를 형성하여 (배터리로부터) 방전 펄스의 정현파 선두 에지의 형상을 시뮬레이션하기 위해 도 19a 및 도 19d(도 19a의 벅/부스트 트랜지스터 제어 시퀀스의 가변 듀티 사이클 부분 영역 강조)에 도시된 바와 같이 비교적 짧은 대부분 오프인 펄스 폭으로부터 비교적 긴 대부분 온인 펄스 폭으로 변경될 수 있다. 듀티 사이클은 다양한 가능한 형상에 영향을 미치기 위해 균일하게 증가되거나 불균일하게 제어될 수 있다. 대안적으로, 동일한 펄스 폭(백분율)이 각각의 펄스의 주기를 변화시키면서 각각의 이산 펄스마다 사용될 수 있다.

그럼에도 불구하고, 도 19a에 도시된 제어 시퀀스 또는 이와 유사한 제어 시퀀스가 도 19b에 도시된 각 개별 부스트 또는 벅 펄스 동안 적용될 수 있다. 가변 듀티 사이클 및 그렇지 않은 경우 도 19a의 제어 시퀀스는 일례로 도 19c에 도시된 바와 같이 전기화학 디바이스로부터 고조파로 성형된 선두 에지를 갖는 일련의 출력 펄스를 생성한다. 듀티 사이클 또는 주기 제어는 시스템이 셀의 최적의 출력 임피던스에 부합하도록 결정(또는 특성화)하는 주파수라면 무엇이든지 선두 에지를 형성하도록 제어된다. 듀티 사이클 또는 주기 제어의 적용 길이는 또한 출력 펄스를 성형하기 위해 제어될 수 있다. 도 19c의 예에서, 듀티 사이클은 성형된 선두 에지의 시간 동안 선두 에지를 형성하기 위해 제어되고; 그런 다음 펄스의 바디 부분 동안 듀티 사이클은 펄스 폭의 나머지 부분 동안 일정하다.

벅 또는 부스트 회로의 PWM 제어는 배터리로부터 부하로 다소 "계단식" 방식으로 점진적으로 올라갈 수 있는 출력 전류를 발생시킨다. 단계는 전기화학 디바이스의 출력에서 필터링을 사용하여 평활화될 수 있다. 이는 전력 변환기와 통합되거나 이보다 우선할 수 있다.

제어 펄스의 듀티 사이클 또는 주기 제어는 또한 충전 펄스를 성형하기 위해 적용될 수 있다. 이러한 듀티 사이클 제어는 단독으로 또는 위에서 논의된 방법론과 조합으로 수행됨으로써 필터 회로 및 필터 회로의 조합(예를 들어, 필터 회로(406 및 418))은 각각의 필터 회로의 인덕터(410)의 인덕턴스 값과 일부 주파수 프로파일에 부합하도록 선두 에지를 성형하는 효과에 적어도 부분적으로 기초하여 선택된다. 도 19a 및 도 19b를 다시 참조하면, 도 19a의 초기에 변하는 듀티 사이클 제어 신호는 스위치(412)의 펄스 제어 신호(416)로서 그리고 또한 도 19b의 "소프트" 펄스의 파선 박스 부분에 도시된 바와 같이 인가될 수 있다. 소위 하드 펄스는 예를 들어 도 18a에 도시된 바와 같이 충전 펄스의 선두 에지를 성형하기 위해 도 19b에 도시된 바와 같이 위에서 논의된 바와 같이 조합으로 사용될 수 있다. 듀티 사이클 제어는 필터 회로의 다양한 조합을 선택하는 외에 추가 제어 기능을 제공하며, 사용 시 선두 에지를 보다 미세하게 맞추는 데 사용할 수 있다.

전력 컨버터 기능에 대한 논의로 돌아가면, 도 20a/도 20c 및 도 20b/도 20d에 도시된 바와 같이 하나 이상의 부스트 또는 벅 회로를 병렬로 사용하는 것이 가능하다. 두 경우 모두 하나 이상의 병렬 벅 또는 부스트 토폴로지의 추가는 다른 이점 중에서도 특히 단일 전력 변환기 설계와 관련하여 효율성을 최적화할 수 있는 기회를 제공하고, 대체 전력 변환기 경로를 제공하며, 열 손실을 줄일 수 있는 각 병렬 경로에서 구성요소 크기를 줄이고, 스위칭 효율을 향상시킬 수 있다. 설명된 예에서 병렬 회로의 부스트 또는 벅 인덕터는 동일하지 않으며, 각각의 쌍 중 하나의 회로는 상대적인 인덕터가 더 큰 병렬 회로보다 잠재적으로 더 높은 효율을 제공하는 더 작은 인덕터 값을 가진다. 인덕터는 하나의 경우 또는 두 경우 모두 동일할 수 있으며, 추가 병렬 벅 또는 부스트 회로가 다양한 예에서 사용될 수 있다. 일례에서, 2개 이상의 병렬 전력 변환 회로는 부하에 전력을 공급하는 각 회로, 예를 들어, 벅 또는 부스트와 병렬로 실행될 수 있다. 다른 예에서, 각각의 병렬 전력 변환 회로는 예를 들어 최적의 출력 임피던스를 제공하는 고조파에 부합하도록 출력 펄스의 선두 에지를 성형하거나 또는 펄스의 주기를 동일한 단부로 변화시키기 위해 도시된 바와 같이 가변 듀티 사이클을 사용할 수 있다. 또 다른 예에서, 특히 더 적은 초기 전류를 공급하기 위해, 회로 중 하나는 초기에 듀티 사이클로 활성화되어 펄스의 선두 에지를 성형할 수 있고, 더 높은 전류 및/또는 안정한 출력 전류가 필요한 경우 하나 이상의 추가 병렬 회로를 활성화하여 단일 전력 변환기에 이용 가능하지 않은 전류를 공급한다. 일부 경우에 전기화학 디바이스로부터의 출력 전류의 양과 형상 모두를 신중하게 제어하는 것이 바람직할 수 있으며, 추가 병렬 전력 변환기를 단독으로 또는 펄스 성형 제어와 함께 제공하는 것은 이에 대한 유연성을 제공한다.

본 발명의 다양한 실시형태가 위에서 상세히 논의된다. 특정 구현이 논의되었지만 이는 예시 목적으로만 수행되는 것으로 이해된다. 당업자라면 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 구성요소와 구성이 사용될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 예시적인 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 기술된다. 그러나, 일부 경우에는 설명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 잘 알려져 있거나 통상적인 세부 사항을 설명하지 않는다. 본 명세서에서 하나 또는 일 실시형태라는 언급은 동일한 실시형태 또는 임의의 실시형태를 언급할 수 있고; 이러한 언급은 적어도 하나의 실시형태를 의미한다.

"일 실시형태" 또는 "실시형태"라는 언급은 실시형태와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서의 다양한 위치에서 "일 실시형태에서"라는 어구의 등장은 반드시 모두 동일한 실시형태를 지칭하는 것은 아니며, 다른 실시형태와 상호 배타적인 별개의 실시형태 또는 대체 실시형태를 지칭하는 것도 아니다. 더욱이, 다른 실시형태가 아닌 일부 실시형태에 의해 나타날 수 있는 다양한 특징이 설명된다.

본 명세서에서 사용된 용어는 일반적으로 이 기술 분야에서, 본 발명의 맥락 내에서 그리고 각 용어가 사용된 특정 맥락에서 통상적인 의미를 갖는다. 본 명세서에서 논의된 용어 중 임의의 하나 이상에 대해 대체 언어 및 동의어가 사용될 수 있으며, 본 명세서에서 용어가 상세히 설명되거나 논의되는지 여부에 특별 의미를 두어서는 안 된다. 일부 경우에, 특정 용어의 동의어가 제공된다. 하나 이상의 동의어의 언급은 다른 동의어의 사용을 배제하지 않는다. 본 명세서에서 논의된 임의의 용어의 예를 포함하여 본 명세서의 어디에서나 예의 사용은 단지 예시적인 것이고, 본 발명 또는 임의의 예시적인 용어의 범위 및 의미를 추가로 제한하려고 의도된 것이 아니다. 마찬가지로, 본 발명은 본 명세서에 제공된 다양한 실시형태로 제한되지 않는다.

본 발명의 범위를 제한하려는 의도 없이, 본 발명의 실시형태에 따른 기기, 장치, 방법 및 이들의 관련 결과의 예가 제공된다. 명칭 또는 식별항목은 독자의 편의를 위해 예에서 사용될 수 있으며, 어떠한 식으로든 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라는 것이 주목된다. 달리 한정되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 기술 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 의미를 갖는다. 상충하는 경우 정의를 포함한 본 명세서가 우선한다.

본 발명의 실시형태는 본 명세서에 설명된 다양한 단계를 포함한다. 단계는 하드웨어 구성요소에 의해 수행될 수 있거나 기계 실행 가능 명령어로 구현될 수 있으며, 이는 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 실시형태에 대해 다양한 수정 및 추가가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 실시형태는 특정 특징을 언급하지만, 본 발명의 범위는 또한 특징의 상이한 조합을 갖는 실시형태 및 설명된 특징 모두를 포함하지 않는 실시형태를 포함한다. 따라서, 본 발명의 범위는 모든 등가물과 함께 이러한 모든 대안, 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

1. 충전 시스템으로서,
   충전 신호 성형 회로;
   전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 고조파에 기초하여 상기 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호를 한정하도록 상기 충전 신호 성형 회로를 제어하기 위해 상기 충전 신호 성형 회로와 동작 가능하게 통신하는 제어기; 및
   상기 전기화학 디바이스와 동작 가능하게 결합된 전력 변환기로서, 부하에 전력을 제공하는 전력 변환기
   를 포함하는, 충전 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환기는 상기 제어기와 동작 가능하게 통신하고, 상기 제어기는 상기 전기화학 디바이스로부터의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 고조파에 기초하여 상기 전기화학 디바이스로부터 방전 파형을 생성하도록 상기 전력 변환기를 제어하는, 충전 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 충전 신호는 일련의 튜닝된 충전 펄스를 포함하고, 상기 방전 신호는 일련의 튜닝된 방전 펄스를 포함하고, 상기 제어기는 상기 충전 신호 성형 회로를 제어하고, 상기 전력 변환기는 상기 일련의 튜닝된 충전 펄스를 상기 일련의 튜닝된 방전 펄스와 인터리빙하는, 충전 시스템.
4. 제3항에 있어서, 튜닝된 방전 펄스는 튜닝된 충전 펄스 바로 뒤에 따라오는, 충전 시스템.
5. 제3항에 있어서, 튜닝된 방전 펄스는 튜닝된 충전 펄스의 바디 부분 동안 활성화되고, 상기 바디 부분은 상기 튜닝된 충전 펄스의 성형된 선두 에지 바로 뒤에 따라오는, 충전 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환기는 제1 벅 변환기(buck converter) 또는 제1 부스트 변환기(boost converter) 중 적어도 하나를 포함하는, 충전 시스템.
7. 제5항에 있어서, 상기 전력 컨버터는 상기 제1 벅 컨버터와 병렬로 제2 벅 컨버터 또는 상기 제1 부스트 컨버터와 병렬로 제2 부스트 컨버터 중 적어도 하나를 더 포함하는, 충전 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환기는 상기 전력 변환기를 제어하기 위한 스위치를 포함하고, 상기 스위치는 상기 부하로부터 출력 펄스의 에지를 성형하기 위해 대부분 오프 펄스 폭으로부터 대부분 온 펄스 폭으로 변하는 펄스 폭을 갖는 제어 신호를 수신하는, 충전 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 충전 신호 성형 회로는,
   제1 인덕턴스 값의 제1 성형 인덕터로서, 전력 레일과 전기 통신하는 상기 제1 성형 인덕터; 및
   상기 제1 성형 인덕터와 전기 통신하고 상기 제1 성형 인덕터를 통해 상기 전력 레일에 상기 전기화학 디바이스를 연결하도록 구성된 제1 스위칭 디바이스
   를 포함하는, 충전 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 충전 신호 성형 회로는,
    제2 인덕턴스 값의 제2 성형 인덕터로서, 상기 전력 레일과 전기 통신하는 상기 제2 성형 인덕터; 및
    상기 제2 성형 인덕터와 전기 통신하고 상기 제1 성형 인덕터를 통해 상기 전력 레일에 상기 전기화학 디바이스를 연결하도록 구성된 제2 스위칭 디바이스
    를 포함하는, 충전 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 고조파에 기초하여 상기 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호를 한정하기 위해 상기 제1 스위칭 디바이스에 제1 제어 신호를 전달하고 상기 제1 스위칭 디바이스에 제2 제어 신호를 전달하는, 충전 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 인덕턴스 값은 상기 제2 인덕턴스 값보다 크고, 상기 제1 제어 신호는 상기 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 고조파에 기초하여 상기 충전 신호의 선두 에지를 성형하기 위해 상기 제2 제어 신호가 상기 제2 스위칭 디바이스를 턴온하기 전에 상기 제1 스위칭 디바이스를 턴온하는, 충전 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1 인덕턴스 값은 상기 제2 인덕턴스 값과 동일하고, 상기 제1 제어 신호는 상기 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 고조파에 기초하여 상기 충전 신호의 선두 에지를 성형하기 위해 상기 제2 제어 신호가 상기 제2 스위칭 디바이스를 턴온하기 전에 상기 제1 스위칭 디바이스를 턴온하는, 충전 시스템.
14. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 충전 신호가 오프일 때 상기 전력 변환기를 활성화시키는, 충전 시스템.
15. 제1항에 있어서, 상기 값은 충전 신호가 상기 전기화학 디바이스에 인가될 때 최소 임피던스와 연관되고, 상기 충전 신호는 고조파 성분이 최소 임피던스와 연관된 상태에서 인가되는, 충전 시스템.
16. 제9항에 있어서, 상기 제어기는 상기 충전 신호의 펄스의 고조파로 성형된 선두 에지를 생성하기 위해 상기 제1 스위칭 디바이스에 제어 신호를 제공하고, 상기 고조파로 성형된 선두 에지는 상기 최소 임피던스 값과 연관된, 충전 시스템.
17. 제16항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 고조파로 성형된 선두 에지를 생성하기 위해 가변 듀티 사이클 또는 가변 기간을 갖는, 충전 시스템.
18. 제1항에 있어서, 상기 값은 임피던스, 어드미턴스 및 전력 중 적어도 하나인, 충전 시스템.
19. 전력 변환기로서,
    전기화학 디바이스로의 전류의 흐름을 나타내는 값을 획득하는 제어기로서, 전류 흐름의 고조파 성분과 연관된 값을 획득하는 상기 제어기;
    상기 고조파 성분에 기초하여 상기 전기 화학 디바이스에 대한 충전 신호를 한정하는 충전 신호 성형 회로; 및
    상기 전기화학 디바이스에 동작 가능하게 결합되고 부하에 전력을 제공하는 전력 변환기
    를 포함하되; 상기 제어기는 상기 전력 변환기의 고조파로 튜닝된 출력을 생성하기 위해 상기 전력 변환기에 제어 신호를 전달하고, 상기 고조파로 튜닝된 출력은 방전 중인 상기 전기화학 디바이스의 최적 임피던스 값에 기초하는, 전력 변환기.
20. 전력 전달 방법으로서,
    전기화학 디바이스로부터 방전 펄스를 생성하는 단계를 포함하되, 상기 방전 펄스는 상기 전기화학 디바이스의 출력 임피던스와 연관된 고조파에 기초하여 한정된 고조파로 성형된 에지를 포함하는, 전력 전달 방법.

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