KR20220041045A

KR20220041045A - 배터리 성능 평가 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20220041045A
Application number: KR1020217041723A
Authority: KR
Inventors: 조나단 브레레턴 스캇; 피터 스캇 발렉 싱글; 라하트 하산
Original assignee: 와이카토링크 리미티드
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2022-03-31
Also published as: US11415634B2; US20200371164A1; EP3973304A4; AU2020280876A1; WO2020236013A1; EP3973304A1

Abstract

일 양태에서, 본 발명은 평가 장치를 평가되는 배터리의 양극 및 음극 단자들에 전기적으로 연결하도록 구성된 2개의 단자 커넥터를 포함하는 평가 장치를 제공한다. 장치는 또한 1 Hz 미만 및/또는 평가되는 배터리와 연관된 임피던스 전이 주파수 미만의 주파수를 갖는 적어도 하나의 교류 테스트 전류가 공급될 때 배터리의 단자 전압 및 전류를 측정하도록 구성된 응답 측정 시스템을 포함한다. 또한 응답 측정 시스템과 통신하고 응답 측정 시스템에 의해 통신되는 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하여 배터리에 대한 적어도 하나의 임피던스를 계산함으로써 평가되는 배터리에 대한 성능 평가 표시기를 출력하도록 구성된 프로세서가 제공된다.

Description

배터리 성능 평가 방법 및 장치

본 발명은 배터리 성능 및 품질 평가 방법 및 장치에 관한 것이다. 바람직한 실시예들에서, 본 발명은 배터리 건강 상태 평가를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

전기 장치들 및 시스템들이 배터리들을 포함하는 전원들을 사용하는 것은 점점 일반적이다. 배터리들은 통신 및 엔터테인먼트 전자기기들에서 전기 자동차들 및 위성 전력 시스템들까지의 광범위한 응용들에 사용된다.

시간에 따라 배터리의 성능은 다수의 충전 및 방전 사이클을 완료하므로 저하할 것이다. 배터리의 성능은 또한 과도한 열 또는 저온, 습윤 조건들에 대한 노출에 의해 또는 과충전되거나 심하게 방전됨으로써 영향을 받을 수 있다. 많은 응용들에서, 배터리가 원하는 레벨의 성능으로 얼마나 오래 계속 동작할 수 있는지를 배터리의 건강 조건 또는 상태가 잠재적으로 예측하는 것을 인식하는 것이 중요하다.

예를 들어, 무정전 전원들의 경우에, 배터리들은 메인 전원들로부터 분리된 컴퓨터 시스템들의 고장을 방지하기 위해 사용된다. 사용되는 배터리들이 언제든지 그들에 가해질 수 있는 부하들을 점검할 수 있도록 견고한 건강 상태를 갖는 것을 보장하는 것은 중대하다.

배터리의 단자 전압이 측정될 수 있고, 평가는 배터리에 의해 유지되는 충전의 양으로 이루어진다. 그러나, 이러한 측정은 배터리가 통상적으로 점검하는 부하로부터 분리되는 것을 필요로 하고, 분리 시의 단자 전압은 배터리 건강 상태의 유용한 상황을 제공하지 않는다.

이러한 이유로, 선행 기술 배터리 성능 평가 방법들은 배터리 임피던스를 조사하기 위해 테스팅 절차들을 사용하며, 이는 배터리 셀들의 물리적 상태의 더 양호한 표시기 및 따라서 그의 건강 상태를 제공한다. 예를 들어, 일부 선행 기술 평가 기술들에서, 임피던스 측정을 시도하기 위해 1 kHz 자극 신호를 배터리에 인가하는 것이 일반적인 실시이다.

그러나, 또한 동시에 기록된 하나 이상의 배터리 임피던스 측정은 배터리 건강 상태의 유효 표시기를 제공하지 않을 것이다. 현재 최신 건강 평가 방법들에 의한 표준 행위는 기준치 임피던스를 식별하고 이러한 기준치 임피던스의 변화에서 추세들을 식별하려는 시도에서 긴 시간 기간에 걸쳐 다수의 배터리 임피던스 측정을 기록하는 것이다.

불행하게도, 현재 최신 평가 방법들로 획득되는 결과들이 합리적이지만, 실제 평가 결과 자체의 정확도는 의심스럽다. 이것은 예측된 종료 날짜들 훨씬 이전에 일부 배터리들의 고장에 의해 표시된다.

따라서, 임의의 또는 모든 위의 문제들을 해결했거나, 적어도 대안적인 선택을 선행 기술에 제공한 배터리의 성능을 평가하기 위한 개선된 방법 및 장치를 갖는 것이 유리할 것이다(및 가능하게는 증가된 감도 또는 정확도로 그렇게 행함). 특히, 다수의 독립적인 측정이 연장된 시간 기간에 걸친 상이한 시간들에 기록되는 것을 필요로 하지 않고/않거나, 배터리가 정상적으로 점검되는 부하로부터 분리되는 것을 필요로 하지 않는 배터리의 성능 및 품질을 평가하기 위해 이용가능한 기술을 갖는 것이 유리할 것이다. 더 정확한 성능 평가들을 제공한 선행 기술에 대한 개선들은 또한 유리할 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 배터리 성능 평가 장치가 제공되며, 장치는,

평가 장치를 평가되는 배터리의 양극 및 음극 단자들에 전기적으로 연결하도록 구성된 2개의 단자 커넥터, 및

1 Hz 미만 및/또는 평가되는 배터리와 연관된 임피던스 전이 주파수 미만의 주파수를 갖는 적어도 하나의 교류 테스트 전류가 공급될 때 배터리의 단자 전압 및 전류를 측정하도록 구성된 응답 측정 시스템, 및

응답 측정 시스템과 통신하고 응답 측정 시스템에 의해 통신되는 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하여 배터리에 대한 적어도 하나의 임피던스를 계산함으로써 평가되는 배터리에 대한 성능 평가 표시기를 출력하도록 구성된 프로세서를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 배터리 성능 평가 장치가 제공되며, 장치는,

적어도 하나의 교류 테스트 전류를 평가되는 배터리에 공급하도록 구성된 테스트 전류원으로서, 상기 적어도 하나의 교류 테스트 전류는 1 Hz 미만 및/또는 평가되는 배터리와 연관된 임피던스 전이 주파수 미만의 주파수를 갖는 테스트 전류원, 및

상기 적어도 하나의 교류 테스트 전류가 공급될 때 배터리의 단자 전압 및 전류를 측정하도록 구성된 응답 측정 시스템, 및

본 발명의 추가 양태에 따르면, 실질적으로 위에 설명된 바와 같은 배터리 성능 평가 장치가 제공되며, 프로세서는 평가되는 배터리를 시뮬레이션하기 위해 적어도 하나의 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터를 정의하도록 입력 파라미터들로서 프로세서에 통신되는 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하는 회로 시뮬레이션 모델을 구현하도록 프로그래밍된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 실질적으로 위에 설명된 바와 같은 배터리 성능 평가 장치가 제공되며, 프로세서는 평가되는 배터리를 시뮬레이션하기 위해 복수의 부분 배열된 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터 구성요소를 정의하도록 입력 파라미터들로서 프로세서에 통신되는 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하는 회로 시뮬레이션 모델을 구현하도록 프로그래밍된다.

본 발명은 배터리의 성능을 평가하는 방법에 더하여, 배터리 성능 평가 장치를 제공한다. 본 발명의 부가 양태들은 본 발명에 의해 이용되는 프로세서 또는 유사한 프로그램가능 컴퓨터 시스템 상에 실행되는 컴퓨터 실행가능 명령어들을 통해 구현되는 개선된 회로 시뮬레이션 모델의 제공을 포함한다.

일반적으로 본 명세서 전체에 걸쳐 또한 배터리의 성능을 평가하기 위해 주로 사용되는 본 발명이 참조될 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 명세서 전체에 걸쳐 배터리들에 대한 참조들이 단일 전기 셀, 또는 함께 연결된 셀들의 어레이의 성능의 평가 둘 다를 포함하는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 배터리로 작업하는 본 발명에 대한 참조들이 또한 단일 전기 셀의 성능을 평가하는 본 발명을 포함하는 것을 이해할 것이다.

더욱이, 본 발명과 연관하여 하나 이상의 교류 테스트 전류를 공급하기 위해 사용되는 테스트 전류원의 제공이 또한 참조될 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 이러한 테스트 전류원이 일부 실시예들에서 전용 독립형 구성요소들에 의해 형성될 수 있는 것, 및/또는 정상 전기 부하 또는 부가가 다른 실시예들에서 배터리에 연결되는 경우를 이해할 것이다.

본 발명에 의해 제공되는 평가 장치는 적어도 테스트 전류원 및 응답 측정 시스템을 평가되는 배터리에 연결하기 위해 단자 커넥터들을 이용한다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 전류가 배터리로 그리고 배터리로부터 흐르는 것을 허용할 수 있고 배터리의 다양한 전기 파라미터들의 측정을 허용하는 단자 도체들을 형성하기 위해 임의의 적절한 형태의 커넥터가 사용될 수 있는 것을 이해할 것이다.

본 발명에 의해 제공되는 평가 장치는 또한 응답 측정 시스템과 통신하는 프로세서를 포함한다.

일부 실시예들에서, 이러한 프로세서는 장치의 다른 요소들에 물리적으로 연결될 수 있으며, 이는 잠재적으로 이들 구성요소들을 갖는 단일 공통 하우징 내에 잠재적으로 둘러싸여진다.

다른 실시예들에서, 프로세서는 배터리, 테스트 전류원 및 응답 측정 시스템으로부터 원격으로 위치될 수 있고, 본 발명의 다양한 다른 구성요소들로부터 정보를 수신하거나 동작 커맨트들을 이 구성요소들에 송신하도록 구성될 수 있다.

또 다른 실시예들에서, 프로세서는 다수의 개별 하드웨어 구성요소가 함께 연결되어 프로세서를 형성하는 분산 아키텍처로 구현될 수 있으며, 이들 구성요소들은 잠재적으로 서로로부터 또는 평가되는 배터리로부터 원격 위치된다.

본 기술분야의 통상의 기술자들은 널리 공지된 정보 기술 시스템들이 이러한 원격 프로세서 아키텍처를 구현하기 위해 사용될 수 있고, 더욱이 프로세서 자체가 수개의 개별 마이크로프로세서들 또는 집적 회로들에 걸쳐 또는 이들에 의해 구현될 수 있는 것을 이해할 것이다.

그러나, 본 명세서 전체에 걸쳐 적어도 장치의 응답 측정 시스템에 물리적으로 연결된 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러에 의해 구현되는 프로세서가 참조될 것이다. 또한, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 다른 회로 아키텍처들이 또한 예상되고 본 발명의 범위 내에 있는 것을 이해할 것이다.

평가 장치로 통합된 프로세서는 평가되는 배터리에 대한 성능 평가 표시기를 출력하도록 구성된다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 이러한 표시기 내에 포함되는 형태, 포맷 또는 정보가 본 발명의 상이한 실시예들에 따라 변화될 수 있는 것을 이해할 것이다. 배터리에 대해 정의되는 특정 성능 기준들은 배터리가 사용되는 적용에 따라 상이할 수 있으며 - 예를 들어, 성능은 일부 실시예들에서 공급될 수 있는 최대 전류에 의해 평가되거나, 대안적으로 최대 충전 저장 용량에 의해 평가될 수 있다.

일 실시예에서, 성능 평가 표시기는 간단한 부린 예 - 아니오, 좋은 - 나쁜 출력에 의해 제공될 수 있는 반면, 다른 실시예들에서, 이러한 표시기는 배터리가 설정된 성능 기준 요건을 충족할 수 없기 전에 남아 있는 백분율 추정 수명 시간 기간 또는 추정 수의 충전/방전 사이클들의 형태를 취할 수 있다. 표시기는 또한 배터리의 전기 파라미터에 대한 측정된 또는 유도된 값의 형태를 취할 수 있으며, 예를 들어 배터리 프랙셔널 커패시턴스이다. 또 다른 실시예들에서, 표시기는 - 예를 들어 - 타겟 프랙셔널 커패시턴스와 비교되는 평가된 배터리 프랙셔널 커패시턴스, 또는 타겟 전류 값과 비교되는 전달된 최대 전류와 같은, 타겟 성능 기준들에 대해 달성되는 백분율의 형태를 취할 수 있다. 표시기 또는 표시기들은 또한 상이한 시간들에 착수되는 성능 평가들 사이의 비교를 하는 그래픽 표현, 플롯 또는 그래프의 형태를 취할 수 있다.

본 기술분야의 통상의 기술자들은 또한 성능 평가 표시기가 테스트 전류들의 수개의 상이한 주파수들에 응답하여 단일 연속 측정 기간 동안 기록되는 전압 및 전류 측정들, 또는 다시 동일한 테스트 전류에 응답하여, 상이한 측정 기간들 동안 기록되는 다수의 측정을 사용하여 결정될 수 있는 것을 이해할 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 단일 측정 기간이 이러한 기간 동안 인가된 테스트 전류들의 수 및 주파수들에 따라 가변 시간 길이에 걸칠 수 있는 것을 이해할 것이다. 성능 평가 표시기는 또한 테스트 전류들의 수개의 상이한 주파수들의 사용에 응답하여 기록되는 전압 및 전류 측정들을 사용하여 결정될 수 있으며, 그들은 대략 동일한 또는 상이한 시간들에 인가된다.

일반적으로 본 명세서 전체에 걸쳐 배터리의 건강 상태를 식별하는 본 발명에 의해 발생되는 성능 표시기가 참조될 것이다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 배터리 성능에 대한 다른 메트릭들이 또한 다른 실시예들에서 평가될 수 있고 평가되는 배터리의 품질의 평가를 포함할 수 있는 것을 이해할 것이다.

다양한 실시예들에서, 배터리 임피던스는 테스트 전류들에 대한 수개의 상이한 주파수들의 사용에 응답하여 기록되는 전압 및 전류 측정들로부터 계산될 수 있고, 이들 임피던스 값들은 하나 이상의 성능 평가 표시기를 계산하거나, 결정하기 위해 사용될 수 있다.

예를 들어, 하나의 특정 실시예에서, 성능 평가 표시기는 주파수에 따라 계산된 임피던스 값들의 변환율을 사용하여 계산될 수 있다. 임피던스 전이 주파수 아래 또는 1 Hz 미만의 테스트 전류들을 사용하여 기록되는 임피던스 값들의 이러한 변화율은 배터리로부터 이용가능한 저장된 에너지와 비교하여 배터리에 대한 충전 에너지 공급의 비율인, 배터리의 효율을 표시하기 위해 사용될 수 있다. 상대적으로 높은 변화율은 더 낮은 변화율 값을 갖는 배터리보다 더 높은 효율을 갖는 배터리와 연관될 수 있다.

다른 실시예에서, 성능 평가 표시기는 높은 주파수 임피던스 값들에 결합된 주파수로 플로팅된 더 낮은 주파수 임피던스 값들을 사용하여 계산될 수 있다. 임피던스 전이 주파수 아래의 테스트 전류들을 사용하여 기록되는 임피던스 값들의 값들은 직선을 시사한다. 이러한 직선이 교차하는 경우, 높은 주파수들에서 측정된 값은 임피던스 전이 주파수의 추정치이다. 상대적으로 높은 임피던스 전이 주파수는 배터리가 높은 전력 에너지 전달을 지속하는 감소된 능력을 갖는 것을 표시할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 성능 평가 표시기는 적어도 하나의 임피던스 제로 오프셋 값을 사용하여 계산될 수 있다. 이들 값들은 임피던스 전이 주파수 아래의 테스트 전류들을 사용하여 배터리에 대해 기록되는 임피던스들의 크기를 표현할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 배터리의 최대 충전 용량을 나타내는 성능 평가 표시기는 예를 들어, 테스트 전류 주파수에 대한 플로팅된 임피던스 측정들에 대해 y-축 절편 값을 추정하거나, 대안적으로 임피던스 전이 주파수 아래의 선택된 미리 결정 주파수 값에서 임피던스 값들을 비교함으로써 평가될 수 있다. 상대적으로 낮은 임피던스 제로 오프셋 값 또는 값들은 배터리가 더 높은 제로 오프셋 값 또는 값들과 연관된 배터리보다 더 큰 저장 용량을 갖는 것을 표시할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 성능 평가 표시기는 전이 대역폭 값을 사용하여 계산될 수 있다. 이러한 임피던스 전이 주파수 대역폭 값은 낮은 주파수들에서의 배터리의 임피던스의 상대적으로 일정한 변화율이 더 높은 주파수들에서의 임피던스의 대안적인 또한 상이한 변화율로 전이되는 주파수 변위를 식별함으로써 발견될 수 있다. 이러한 전이 구역의 대역폭은 일부 실시예들에서 평가되는 배터리의 제조의 품질의 일반적 표시, 배터리의 구성요소 제조에 사용되는 정밀도 또는 공차들 및/또는 배터리를 형성하기 위해 이용되는 화합물들의 순도를 제공할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 더 양호한 품질 배터리는 더 낮은 품질 배터리보다 더 작은 전이 대역폭 값을 나타낼 수 있다.

본 기술분야의 통상의 기술자들은 다양한 실시예들에서, 성능 표시기들이 또한 임피던스 변화율들, 전이 주파수 값들, 제로 오프셋 값들 및 전이 대역폭 값들의 조합들로부터 유도될 수 있는 것을 이해할 것이다. 이러한 정보는 특정 배터리 구성들을 위해 개발되는 모델들 또는 교정들의 범위에 대한 파라미터들로서 사용될 수 있고 여러가지 상이한 배터리 성능 특성들에 적절한 성능 표시기들을 제공할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 배터리 성능 평가 장치는 또한 사용 시 평가되는 배터리에 인접하여 배치되는 온도 센서를 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 이러한 온도 센서는 배터리의 성능을 평가하기 위해 착수되는 계산들의 정확도를 개선하도록 배터리 온도의 측정을 프로세서에 제공할 수 있다. 이러한 온도 정보는 또한 응답 측정 시스템에 의해 착수되는 측정들에 정정들을 적용하기 위해 평가되는 배터리의 형태 또는 유형에 대해 착수되는 교정과 조합하여 사용될 수 있다.

본 발명에 의해 제공되는 평가 장치는 평가되는 배터리의 단자 전압 및 전류를 측정하기 위해 사용되는 응답 측정 시스템을 포함한다. 이들 측정들은 배터리가 테스트 전류에 응답할 때 이루어진다.

바람직한 실시예에서, 응답 측정 시스템은 특정 테스트 전류가 배터리에 인가될 때 시간 기간에 걸쳐 단자 전압 및 전류 둘 다의 복수의 측정을 기록할 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 발명이 이용되는 적용에 따라 선행 기술 전압 및 전류 측정 기술들의 범위가 요구된 정확도, 해상도 및 정밀도로 이용될 수 있는 것을 이해할 것이다.

일 실시예에서, 본 발명에 의해 제공되는 평가 장치는 바람직하게는 적어도 하나의 교류 테스트 전류로 평가되는 배터리를 자극하도록 구성된 테스트 전류원을 포함한다.

다른 실시예들에서, 교류 테스트 전류의 적어도 하나의 단일 사이클의 인가는 배터리가 충전 및 방전 둘 다를 경험하는 것을 보장한다.

또 다른 실시예에서, 교류 테스트 전류의 적어도 하나의 단일 사이클의 인가는 배터리의 '사용 중인' 충전 또는 방전 동작에 따라 배터리가 충전 또는 방전을 경험하는 것을 보장한다.

본 기술분야의 통상의 기술자들은 테스트 전류원이 다양한 실시예들에서 구성요소들의 다수의 상이한 배열에 의해 제공될 수 있는 것을 이해할 것이다.

바람직한 실시예에서, 테스트 전류원은 전용 교류 전류 발생 회로에 의해 제공될 수 있다. 이 분야에서의 기존 기술은 이러한 형태의 구성요소를 구현하기 위해 쉽게 이용될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 테스트 전류원은 2개 이상의 배터리에 걸쳐 연결된 스위칭 전자기기들에 의해 형성되거나 스위칭 전자기기들을 포함할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 이들 배터리들 중 2개 이상은 동시에 평가되는 그들의 건강 상태를 가질 수 있으며, 여기서 하나의 배터리로부터 공급되는 전류는 다른 배터리를 충전하기 위해 사용될 수 있고 그 역도 또한 마찬가지이다.

또 다른 대안적인 실시예들에서, 통상적인 적용 동안 배터리에 정상적으로 연결된 규칙적인 부하 및 충전 회로들은 테스트 전류원으로서 이용될 수 있다. 또한, 이들 기존 회로들은 교류 테스트 전류의 요구된 주파수에서 평가되는 배터리를 충전하고 방전하기 위해 스위칭 기술을 사용하여 배터리에 연결될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 평가 장치 내에 포함되는 프로세서는 테스트 전류원의 동작, 및 특히 배터리에 인가된 교류 테스트 전류의 크기 및 주파수를 제어하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 특정 테스트 전류가 인가되는 시간 기간을 제어할 수 있다. 더욱이, 다양한 실시예들에서, 프로세서는 상이한 주파수들을 갖는 복수의 교류 테스트 전류가 평가되는 배터리에 인가되는 것을 보장하도록 구성될 수 있다.

본 명세서 전체에 걸쳐 또한 테스트 전류원의 동작을 제어하기 위해 사용되고 구체적으로 상이한 주파수들을 갖는 다수의 교류 테스트 전류를 인가하기 위해 사용되는 프로세서가 참조될 것이다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 다른 실시예들에서 평가 장치와 통합되는 프로세서가 이러한 방식으로 반드시 기능할 필요가 없는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 일부 대안적인 실시예들에서, 테스트 전류원은 선택된 주파수들에서 하나의 또는 잠재적으로 다수의 미리 결정된 교류 테스트 전류를 인가하도록 구성된 내부 제어 시스템들을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 평가 장치는 상이한 주파수들을 갖는 복수의 교류 테스트 전류를 인가하는 테스트 절차를 착수할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 테스트 전류원은 교류 테스트 전류들의 세트를 차레로 순차 인가할 수 있는 한편 응답 측정 시스템은 배터리 단자 전압 및 전류를 기록한다. 그러나, 하나 이상의 대안적인 실시예에서, 테스트 전류원은 복합 테스트 전류 신호를 인가할 수 있다. 이러한 복합 테스트 전류는 본 발명의 동작에서의 관심 특정 주파수들에서 2개 이상의 개별 교류 테스트 전류의 합산으로부터 형성될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 평가 장치는 테스트 전류의 주파수의 적어도 하나의 사이클 또는 기간 동안 테스트 전류를 인가할 수 있다. 전체 사이클 동안 이들 전류들을 인가하는 것은 측정들이 배터리에 의해 경험되는 충전 및 방전 동작들의 전체 범위에 걸쳐 캡처되는 것을 허용한다. 부가 실시예들에서, 테스트 전류들은 또한 상세한 측정들이 캡처되고 그러한 측정들에서 에러들을 잠재적으로 완화하는 것을 허용하기 위해 많은 사이클들에 걸쳐 인가될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 특정 테스트 전류와 관련된 측정들의 전체 사이클은 상이한 시간들에 착수되는 2개 이상의 측정의 병합기로부터 제공될 수 있지만, 이는 테스트 전류 파형의 전체 기간에 대한 배터리 응답을 함께 나타낸다.

본 발명에 의해 제공되는 평가 장치는 1Hz 미만 또는 평가되는 배터리와 연관된 임피던스 전이 주파수 미만의 주파수들을 갖는 교류 테스트 전류들을 인가하기 위해 사용된다.

이러한 임피던스 전이 주파수 또는 주파수들은 평가되는 배터리의 형태, 구성 또는 유형에 대해 실험적으로 결정될 수 있다. 플롯은 바람직하게는 1 μHz 아래로 그리고 적어도 1 내지 10 Hz까지 연장되는 주파수들의 범위에 걸쳐 배터리 임피던스의 완료된 측정들로 이루어질 수 있다. 이러한 임피던스 전이 주파수 구역은 낮은 주파수들에서의 배터리의 임피던스의 상대적으로 일정한 변화율이 더 높은 주파수들에서의 임피던스의 대안적인 또는 상이한 변화율로 전이되는 주파수 범위를 식별함으로써 발견될 수 있다. 배터리의 임피던스 전이 주파수 또는 주파수들을 식별함으로써, 본 발명은 이때 더 낮은 주파수들을 갖는 테스트 전류들을 인가할 수 있다. 이들 낮은 주파수 테스트 전류들은 배터리의 성능을 평가하기 위해 본 발명에 의해 사용된다.

바람직한 실시예에서, 교류 테스트 전류의 피크 또는 RMS 전류의 크기는 교류 테스트 전류의 주파수에 기초하여 변화될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 교류 테스트 전류는 적어도 하나의 사이클 동안 인가될 수 있으며, 이는 낮은 주파수 값들에서 상대적으로 긴 충전 및 방전 시간들을 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명은 배터리가 평가 동안 과충전되거나 심하게 방전되고 손상되지 않는 것을 보장하기 위해 평가 프로세스 동안 배터리에 인가된 교류 전류의 크기를 관리할 수 있다. 더욱이, 이러한 접근법은 또한 배터리가 극히 낮은 또는 높은 충전 상태를 가질 때 측정들이 테스트 전류에 대한 응답으로 이루어지지 않는 것을 보장한다.

바람직한 실시예에서, 교류 테스트 전류의 크기 또는 진폭은 인가되는 신호의 주파수 및 평가되는 배터리의 용량에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 인가되는 테스트 전류는 배터리의 충전 용량의 대략 10 퍼센트만을 전달하거나 제거할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 배터리의 충전 용량의 1 퍼센트만이 테스트 전류에 의해 전달되거나 제거될 수 있다.

일부 실시예들에서, 평가 장치는 교류 테스트 전류를 배터리에 인가하기 전에 예비 충전 상태 고정 프로세스를 실행하도록 구성될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 장치는 배터리에서 예측가능한 충전 상태를 제공하는 전압에서 충전 전류를 인가하도록 구성될 수 있다. 전하는 배터리에 공급되어 바람직하게는 그것을 그의 용량의 대략 중간점까지 충전할 수 있으며, 그것에 의해 교류 테스트 전류의 인가에 의해 과충전되거나 과방전되는 배터리에 대한 전위를 최소화한다.

바람직하게는, 평가 장치가 제공되는 프로세서는 배터리에 대한 복수의 임피던스 값을 계산하기 위해 사용될 수 있으며, 이들 임피던스들 각각은 특정 주파수 교류 테스트 전류와 연관된다. 이들 임피던스 값들은 배터리의 특성들을 모델링하고 예측하는 것을 목표로 하는 프로세서에 의해 실행되는 회로 시뮬레이션 모델에 대한 입력 파라미터들로서 프로세서에 의해 일부 실시예들에서 사용될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 성능 표시기들은 위에 논의된 바와 같이, 회로 시뮬레이션 모델의 없이 이들 임피던스 값들을 사용하여 결정될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 프로세서는 배터리의 특성들을 시뮬레이션하기 위해 적어도 하나의 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터를 정의하도록 이들 임피던스 값들을 사용하는 회로 시뮬레이션 모델을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 또한 이러한 구성요소가 프랙셔널 커패시터 또는 일정한 위상 요소로서 설명될 수 있는 것을 이해할 것이다. 추가 실시예에서, 회로 시뮬레이션 모델은 단일 직렬 저항과 조합하여 - 또한 'CPE'로 공지된 - 단일 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터를 사용하여 배터리를 정의하거나 모델링할 수 있다.

그러한 실시예들에서, 이러한 모델의 CPE 구성요소의 파라미터들은 주파수에 따라 계산된 임피던스 값들의 변화율, 및 주파수에 대해 인가되는 계산된 임피던스 값들의 제로 오프셋을 사용하여 정의될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 모델의 부가 직렬 저항은 직류 신호가 배터리에 인가될 때 제시되는 단자 전압 및 전류의 측정을 통해 결정되는, 배터리의 저항에 의해 정의될 수 있다.

추가 실시예에서, 프로세서에 의해 실행되는 시뮬레이션 모델의 정확도는 부분 배열된 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터 구성요소들의 등가 세트 대신에 위에 참조된 단일 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터를 대용함으로써 개선될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 위에 참조된 단일 CPE 구성요소에 대해 결정되는 특성들은 'n'개의 더 작은 CPE 구성요소를 정의하는 대체 분할 어셈블리로 교체될 수 있으며, 그 각각은 동일한 위상을 갖지만 'n'배 더 낮은 어드미턴스 특성을 갖는다. 이러한 등가 분할 어셈블리는 단일 CPE 구성요소를 중간 저항(Rx/n)과 병렬로 연결된 n개의 더 작은 CPE 구성요소(CPE/n)로 대체하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 선행 기술에 비해 많은 잠재적인 장점들을 제공할 수 있다.

다양한 실시예들에서, 본 발명은 단일 연속 시간 기간에 걸쳐 캡처되는 측정들의 세트를 이용하는 것을 통해 배터리들의 성능의 평가에서 개선들을 제공할 수 있다. 기존 기술은 이들 측정들을 캡처하고 성능 표시기를 계산하기 위해 본 발명의 방법의 구현에 사용될 수 있다.

더욱이, 일부 실시예들에서, 기존 배터리 충전 및 방전 인프라스트럭처는 본 발명이 그러한 성능 정보를 유도할 수 있는 적절한 주파수들에서의 테스트 전류 또는 전류들로 배터리를 자극하기 위해 이용될 수 있다.

다양한 실시예들에서, 본 발명은 배터리가 그의 정상 부하 환경으로부터 분리되는 것을 필요로 하지 않을 수 있는 평가의 방법을 용이하게 할 수 있다.

또 추가 실시예들에서, 이루어지는 측정들은 작은 변화들에 대한 개선된 감도를 갖는다. 이러한 감도는 측정되는 배터리의 더 정확한 성능 메트릭들을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 시간에 걸쳐 획득되는 측정들의 증가된 감도는 본 기술분야의 통상의 기술자가 감시의 주어진 시간 윈도우 내에서 배터리 고장의 더 신뢰성있는 예측을 획득할 수 있게 하여야 한다.

성능은 건강 상태가 측정되는 하나의 메트릭이지만, 품질은 또한 본 발명을 사용하여 측정될 수 있는 유익한 메트릭일 수 있다. 취해지는 측정들은 동작에서 배터리의 복귀 전력 및 전력 밀도의 진정한 효율의 표시를 제공할 수 있다. 따라서, 프랙셔널 커패시턴스와 같은 다른 성능 메트릭들과 함께, 본 기술분야의 통상의 기술자는 배터리의 품질을 결정하기 위해 이러한 방법을 이용할 수 있다.

본 발명의 부가 및 추가 양태들은 첨부 도면들을 참조하여, 예로서만 주어지는, 실시예들의 이하의 설명으로부터 독자에게 분명할 것이다.
● 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 바와 같이 배터리 성능 평가 장치의 개략 회로도를 도시한다.
● 도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제공되는 바와 같이 배터리 성능 평가 장치의 추가 개략 회로도를 도시한다.
● 도 2는 도 1a 및 도 1b에 대해 예시된 평가 장치에 의해 실행되는 동작 단계들의 흐름도를 도시한다.
● 도 3a는 일반 배터리에 대한 임피던스 대 주파수의 플롯 및 이 배터리에 대한 적어도 하나의 임피던스 전이 주파수의 식별을 도시한다.
● 도 3b는 리튬-이온 배터리(삼각형 심볼) 및 납-산 배터리(역삼각형 심볼) 둘 다에 대한 임피던스 대 주파수의 플롯을 도시한다.
● 도 3c는 (실선 심볼들에 의해 표시되는) 온도가 변화되었던 일반 배터리에 대한 임피던스 대 주파수 및 위상의 플롯을 도시한다.
● 도 4a는 건강 상태 기반 성능 평가 표시기를 결정하기 위해 도 1a에 대해 도시된 프로세서에 의해 수행되는 계산 단계들의 흐름도를 도시한다.
● 도 4b는 건강 상태 기반 성능 평가 표시기를 결정하기 위해 도 1b에 대해 도시된 프로세서에 의해 수행되는 계산 단계들의 흐름도를 도시한다.
● 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 추가 양태에서 구현되는 회로 시뮬레이션 모델에 사용되는 등가 회로 모델들의 예시적인 표현들을 도시한다.
● 도 6은 본 발명의 다른 양태에 따라 제공되는 테스트 전류의 상이한 주파수들에 대한 전류 대 시간의 지시적 비교 플롯을 제공한다.
● 도 7은 다양한 실시예들에서 전이 주파수 값을 식별하기 위해 사용되는 바와 같은 임피던스 대 주파수의 지시적 플롯을 제공한다.
● 도 8은 상이한 제로 오프셋 값들을 나타내는 2개의 상이한 배터리로부터 측정들을 비교하는 임피던스 대 주파수의 지시적 플롯을 제공한다.
본 발명의 추가 양태들은 특정 실시예들의 예로서만 주어지는 본 발명의 이하의 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 바와 같이 배터리 성능 평가 장치(1)의 개략 회로도를 도시한다. 장치(1)는 한 쌍의 단자 커넥터들(3)에 의해 배터리(2)에 연결된다. 이들 단자 커넥터들은 양극 및 음극 단자 연결들을 테스트 전류원(4) 및 응답 측정 시스템(5)에 제공한다.

테스트 전류원(4)은 도 3에 대해 더 상세히 논의된 바와 같이, 교류 테스트 전류들의 세트를 배터리에 공급하도록 구성되며, 이들 테스트 전류들 각각은 임피던스 전이 주파수 미만의 주파수를 갖는다. 이들 교류 테스트 전류들 각각은 전류에 대해 선택되는 주파수의 수개의 사이클들 동안 배터리에 공급되고 전류 크기들은 배터리의 과충전 또는 과방전을 방지하기 위해 고정된다.

응답 측정 시스템(5)은 테스트 전류를 공급한 때 배터리의 단자 전압 및 전류를 측정하도록 구성된다.

테스트 전류원 및 응답 측정 시스템들 각각은 프로세서(6)에 연결되고 이와 조합하여 수용된다. 프로세서(6)는 테스트 전류원(4)의 동작을 제어하고 응답 측정 시스템(5)으로부터 전압 및 전류 측정들을 수신한다. 프로세서(6)는 또한 배터리(2)에 가깝게 위치되고 배터리의 온도의 표시를 제공하기 위해 사용되는 온도 센서(7)에 연결된다.

프로세서는 수신된 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하여 배터리에 대한 적어도 하나의 임피던스를 계산함으로써 배터리에 대한 건강 상태 평가 표시기를 출력하도록 구성된다. 이러한 프로세스에서 착수되는 단계들은 도 4a의 흐름도에 대해 더 상세히 논의된다.

도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 제공되는 바와 같이 배터리 성능 평가 장치의 추가 개략 회로도를 도시한다. 이러한 회로는 도 1a에 대해 도시된 것과 많은 점들에서 유사하고 또한 테스트 전류원(4)에 더하여 배터리(2)와 연결된 단자 커넥터들(3)을 포함한다.

도시된 실시예에서, 전압 측정 회로(5)는 전류 측정 회로(8)를 통해 연결되는 것에 더하여 단자들(3)에 걸쳐 연결된다. 프로세서(6)에는 도시된 통신 화살표들에 의해 예시된 바와 같이, 이들 구성요소들에 대한 입력 및 출력 연결들이 제공된다. 프로세서는 전압 및 전류 측정 회로들(5, 8)로부터의 전류 및 전압 측정들뿐만 아니라 - 온도 센서(7)로부터의 온도 측정들 수신하면서, 동작 커맨드들을 전류원(4)에 발행할 수 있다.

도 2는 도 1a 및 도 1b 둘 다에 대해 예시된 평가 장치에 의해 실행되는 동작 단계들의 흐름도를 도시한다.

도시된 실시예에서, 이러한 방법의 제1 단계 A는 사용자로부터 수신되는 활성화 커맨드에 의해 구현된다.

단계 B에서, 평가되는 배터리의 하우징에 연결된 온도 센서는 폴링되고 응답으로 수신되는 온도 정보는 프로세서 메모리에 송신된다.

단계 C에서, 프로세서는 일련의 교류 테스트 전류들 중 첫번째를 배터리에 인가하라고 전류원에 명령하며, 각각의 전류는 특정 주파수 및 피크 전류 진폭을 갖는다. 프로세서는 또한 각각의 테스트 전류가 인가되는 시간 기간을 제어한다.

단계 D에서, 응답 측정 시스템은 이러한 테스트 전류가 인가되고 있는 동안 일련의 배터리 단자 전압 및 전류 측정들을 기록하기 위해 사용된다. 측정들의 이러한 세트는 프로세서 메모리에 송신된다.

단계 E에서, 테스트는 방금 사용된 테스트 전류가 배터리에 인가될 일련의 테스트 전류들에서 마지막인지를 결정하기 위해 적용된다. 이것이 사실이 아니면, 단계 F는 교류 테스트 전류들의 리스트를 통해 증가하고 단계 C에서 인가될 다음 테스트 전류의 상세를 프로세서 메모리로부터 판독하기 위해 실행된다.

최근에 인가된 테스트 전류가 테스트 전류들의 시퀀스에서 마지막이면, 단계 G가 실행되며, 여기서 프로세서는 도 4에 대해 더 상세히 논의된 바와 같이, 건강 상태 표시기를 계산한다.

도 3a는 일반 배터리에 대한 임피던스 대 주파수의 플롯 및 이 배터리에 대한 적어도 하나의 임피던스 전이 주파수의 식별을 도시한다.

도 3a로부터 알 수 있는 바와 같이, 배터리 임피던스의 변화율은 낮은 주파수들로부터 높은 주파수들로 실질적으로 강하한다. 이러한 작용 변화는 10 내지 3 Hz 주위에 센터링되는 전이 구역에서 발생한다. 도 3에 대해 도시된 플롯의 형태는 이러한 전이 구역을 정의하는 주파수들의 대역을 식별하기 위해 사용될 수 있으므로 본 발명은 더 낮은 주파수 교류 테스트 전류들을 공급할 수 있다.

도 3b는 리튬-이온 배터리(삼각형 심볼에 의해 표시됨) 및 납-산 배터리(역삼각형 심볼에 의해 표시됨) 둘 다에 대한 임피던스 대 주파수의 플롯을 도시한다.

도 3b로부터 알 수 있는 바와 같이, 상이한 유형들의 배터리는 상이한 전이 주파수 특성들을 나타낼 것이고 전이 지점들은 배터리 유형, 크기 및 품질에 의존하여 시프트될 수 있다.

도 3b는 또한 전이 주파수 아래의 곡선의 경사를 강조한다. 경사는 배터리에서의 손실을 표시하며, 더 작은 경사는 복귀된 전력 및 더 낮은 전력 밀도의 더 낮은 효율과 연관된다. 따라서, 여기에 특징을 이룬 납-산 배터리가 도시된 리튬-이온 배터리의 것보다 더 적은 품질인 점이 도 3b로부터 추론될 수 있다.

도 3c는 온도가 변화되었던 일반 배터리에 대한 임피던스 대 주파수 및 위상의 플롯을 도시한다. 도 3c로부터 알 수 있는 바와 같이, 온도의 변화는 경사의 시프트를 초래하며, 이는 배터리 성능이 온도에 의존할 수 있다는 조건으로 일정하다.

도 4a는 건강 상태 기반 성능 평가 표시기를 결정하기 위해 도 1a에 대해 도시된 프로세서에 의해 수행되는 계산 단계들의 흐름도를 도시한다.

이러한 방법의 제1 단계 A에서 전류 및 전압 측정들의 세트는 프로세서 메모리로 로딩된다.

다음에, 단계 B에서, 전처리 동작은 프로세서에 의해 획득되는 결과들의 정확도를 개선하기 위해 착수된다. 전압 및 전류 데이터는 윈도잉 전처리 알고리즘을 받고 이러한 단계에서 제거되는 선형 램프 구성요소를 갖기 위해 필터링된다.

다음에, 단계 C에서, 계산은 선택된 테스트 전류 주파수들에서 전압 및 전류의 크기 및 위상을 계산하기 위해 완료된다. 도시된 실시예에서, 이산 푸리에 변환은 이러한 정보를 해결하기 위해 데이터에 적용된다.

단계 D에서, 계산은 전압 값들을 전류 값들로 나눔으로써 테스트 전류들의 특정 주파수들에 대한 복소 임피던스(Z)를 계산하기 위해 실행된다.

단계 E에서, 프로세서는 부분 배열된 일정한 위상 요소들의 시퀀스의 파라미터들을 정의함으로써 배터리에 대한 회로 시뮬레이션 모델을 인스턴스화한다.

단계 F에서, 발생되는 회로 시뮬레이션 모델은 평가되는 배터리의 건강 상태를 표시하기 위해 최대 충전 저장 용량 타겟을 비교하는데 사용된다. 이러한 단계에서, 비교는 또한 배터리의 건강 상태에서 임의의 추세들을 식별하기 위해 이전 시간들에 발생되는 저장된 건강 상태 표시들로 이루어진다.

도 4b는 건강 상태 기반 성능 평가 표시기를 결정하기 위해 도 1a 및 도 1b에 대해 도시된 프로세서에 의해 수행되는 계산 단계들의 흐름도를 도시한다.

도시된 실시예에서, 단계들 A, B, C 및 D는 도 4a에 대해 위에 논의된 것과 동일하며, 전압 및 전류 측정들은 메모리로 로딩되어, 전처리 동작을 겪고, 전압 및 전류 크기 및 위상은 선택된 테스트 전류 주파수들에서 계산된다. 단계 D는 전압 값들을 전류 값들로 나눔으로써 테스트 전류들의 특정 주파수들에 대한 복소 임피던스(Z)를 계산하기 위해 실행된다.

단계 E에서, 테스트 전류들의 상이한 주파수들과 연관된 임피던스의 계산된 값들은 프로세서 메모리로 로딩되는 룩업 테이블에 상호 참조 파라미터들로서 적용된다. 이러한 테이블의 저장된 엔트리들은 평가되는 배터리의 특정 유형에 대한 이전에 준비된 교정 데이터를 사용하여 배터리 건강 상태의 수치 메트릭 표시를 제공하기 위해 사전 게산된다. 따라서, 이러한 실시예에서, 회로 시뮬레이션 모델은 이러한 단계에서 프로세서에 의해 인스턴스화되고 실행될 필요가 없다.

단계 F에서, 입력 임피던스 및 주파수 값들에 의해 분리되는 식별된 테이블 엔트리는 배터리의 건강 상태 성능을 표시하기 위해 검색되고 사용자에게 디스플레이된다. 또한, 이러한 단계에서, 비교는 또한 건강 상태 배터리에서 임의의 추세들을 식별하기 위해 이전 시간들에 발생되는 저장된 건강 상태 표시들로 이루어진다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 추가 양태에서 구현되는 회로 시뮬레이션 모델에 사용되는 등가 회로 모델들의 예시적인 표현들을 도시한다.

다양한 실시예들에서, 프로세서는 배터리에 대한 일련의 임피던스 값들을 계산하기 위해 사용될 수 있으며, 이들 임피던스들 각각은 교류 테스트 전류의 특정 주파수와 연관된다. 그 다음, 이들 임피던스들은 이들 2개의 등가 회로 모델에 도시된 구성요소들 각각을 정의하기 위해 입력 파라미터들로서 사용될 수 있다.

도 5a는 단일 직렬 저항(Rs)과 조합하여 제공되는 단일 CPE 일정한 위상 요소로 구성되는 배터리에 대한 등가 회로 모델을 예시한다.

CPE 구성요소의 파라미터들은 주파수에 따라 계산된 임피던스 값들의 변화율, 및 주파수에 대해 인가되는 계산된 임피던스 값들의 제로 오프셋을 사용하여 정의된다. 부가 직렬 저항(Rs)은 직류 신호가 배터리에 인가될 때 제시되는 단자 전압 및 전류의 측정에 의해 정의된다.

도 5b는 도 5b의 단일 CPE 구성요소가 n개의 부분 배열된 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터 구성요소(CPE/n)의 등가 세트 대신에 대용되는 대안적인 회로 모델을 도시한다. 이러한 등가 분할 어셈블리는 단일 CPE 구성요소를 이전과 동일한 직렬 저항(Rs)에 중간 저항(Rx/n)과 병렬로 연결된 n개의 더 작은 CPE 구성요소(CPE/n)로 대체한다.

도 6은 본 발명의 다른 양태에 따라 제공되는 테스트 전류의 상이한 주파수들에 대한 전류 대 시간의 지시적 비교 플롯을 제공한다.

도시된 실시예에서, 프로세서는 배터리에 인가되는 교류 테스트 전류의 진폭 및 주파수를 제어하도록 구성된다. 이들 제어들은 테스트 전류들이 배터리에 인가되므로 측정 기간 동안 배터리를 과충전하는 것을 회피하기 위해 적용된다.

도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 교류 테스트 전류의 진폭은 인가되는 신호의 주파수 및 평가되는 배터리의 용량에 기초하여 설정된다. 188 μHz 테스트 전류는 도시된 가장 짧은 파장을 가지므로, 가장 높은 전류 피크를 나타내도록 허용된다. 비교적으로, 71 및 27 μHz 테스트 전류들은 증가적으로 더 긴 파장들을 갖고 더 긴 시간들 동안 인가될 필요가 있으므로, 각각의 전류 피크는 프로세서의 동작에 의해 점진적으로 제한된다. 이러한 방식으로, 인가되는 테스트 전류들은 배터리의 충전 용량의 대략 10 퍼센트 이하를 전달하거나 제거할 수 있다.

도 7은 다양한 실시예들에서 전이 주파수 값을 식별하기 위해 사용되는 바와 같이 임피던스 대 주파수의 지시적 플롯을 제공한다. 그러한 실시예들에서, 성능 평가 표시기는 높은 주파수 임피던스 값들에 결합된 주파수로 플로팅된 더 낮은 주파수 임피던스 값들을 사용하여 계산될 수 있다. 도 7에 의해 도시된 바와 같이, 임피던스 전이 주파수 아래의 테스트 전류들을 사용하여 기록되는 임피던스의 값들은 직선을 시사한다. 이러한 직선이 교차하는 경우, 높은 주파수들에서 측정되는 값은 임피던스 전이 주파수의 추정치이다. 이러한 값은 2개의 피팅된 라인(fitted line)이 교차하는 주파수로 도 7에서 식별된다. 다양한 실시예들에서, 상대적으로 높은 임피던스 전이 주파수는 배터리가 높은 전력 에너지 전달을 지속하는 감소된 능력을 갖는 것을 표시할 수 있다.

도 8은 상이한 제로 오프셋 값들을 나타내는 2개의 상이한 배터리로부터 측정들을 비교하는 임피던스 대 주파수의 지시적 플롯을 제공한다.

그러한 실시예들에서, 배터리의 최대 충전 용량을 나타내는 성능 평가 표시기는 예를 들어, 테스트 전류 주파수에 대한 플로팅된 임피던스 측정들에 대해 y-축 절편 값을 추정하거나, 대안적으로 임피던스 전이 주파수 아래의 선택된 미리 결정 주파수 값에서 임피던스 값들을 비교함으로써 평가될 수 있다.

도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 더 낮은 삼각형 데이터 포인트 플롯은 상부 정사각형 데이터 포인트 플롯의 예상된 y-축 절편과 비교할 때 예상된 더 낮은 y-축 절편을 갖는다. 유사하게, 삼각형 데이터 포인트 플롯의 낮은 주파수 임피던스 측정들은 정사각형 데이터 포인트 플롯과 비교할 때 작은 제로 오프셋 값들을 모두 나타낸다. 이것은 삼각형 데이터 포인트 측정들과 연관된 배터리가 정사각형 데이터 포인트 측정들과 연관된 배터리와 비교할 때 더 큰 저장 용량을 갖는 것을 표시한다.

이전 설명 및 이하의 청구항들에서, 단어 "포함한다" 또는 그것의 등가 변화들은 규정된 특징 또는 특징들의 존재를 지정하기 위해 포괄적인 의미로 사용된다. 이러한 용어는 다양한 실시예들에서 추가 특징들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 발명은 본원에 설명된 실시예들로 제한되지 않고 본 발명의 사상 및 범위 내의 추가 및 부가 실시예들은 도면들을 참조하여 예시된 예들로부터 숙련된 독자에게 분명하다는 점이 이해되어야 한다. 특히, 본 발명은 본원에 설명된 특징들의 임의의 조합에 있을 수 있거나, 대안적인 실시예들 또는 주어진 특징들에 대한 공지된 균등물들과 이들 특징들의 조합들에 있을 수 있다. 위에 논의된 본 발명의 예시적인 실시예들의 수정들 및 변화들은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명할 것이고 첨부된 청구항들에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위의 벗어남 없이 이루어질 수 있다.

Claims

배터리 성능 평가 장치로서,
상기 평가 장치를 평가되는 배터리의 양극 및 음극 단자들에 전기적으로 연결하도록 구성된 2개의 단자 커넥터;
상기 평가되는 배터리와 연관된 임피던스 전이 주파수 미만의 주파수를 갖는 적어도 하나의 교류 테스트 전류가 공급될 때 상기 배터리의 단자 전압 및 전류를 측정하도록 구성된 응답 측정 시스템; 및
상기 응답 측정 시스템과 통신하고 상기 응답 측정 시스템에 의해 통신되는 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하여 상기 배터리에 대한 적어도 하나의 임피던스를 계산함으로써 상기 평가되는 배터리에 대한 성능 평가 표시기를 출력하도록 구성된 프로세서;를 포함하는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 교류 테스트 전류를 상기 평가되는 배터리에 공급하도록 구성된 테스트 전류원을 포함하며, 상기 적어도 하나의 교류 테스트 전류는 1 Hz 미만 및/또는 상기 평가되는 배터리와 연관된 임피던스 전이 주파수 미만의 주파수를 갖는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테스트 전류원은 전용 교류 전류 발생 회로에 의해 제공되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테스트 전류원은 2개 이상의 배터리에 걸쳐 연결된 스위칭 전자기기들을 포함하는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테스트 전류원은 규칙적인 부하 및 충전 회로들에 의해 제공되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 평가되는 배터리를 시뮬레이션하기 위해 적어도 하나의 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터를 정의하도록 입력 파라미터들로서 상기 프로세서에 통신되는 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하는 회로 시뮬레이션 모델을 구현하도록 프로그래밍되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 평가되는 배터리를 시뮬레이션하기 위해 복수의 부분 배열된 일정한 위상 요소 프랙셔널 커패시터 구성요소를 정의하도록 입력 파라미터들로서 상기 프로세서에 통신되는 단자 전압 및 전류 측정들을 사용하는 회로 시뮬레이션 모델을 구현하도록 프로그래밍되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 성능 평가 표시기는 테스트 전류들의 수개의 상이한 주파수들에 응답하여 단일 측정 기간 동안 기록되는 전압 및 전류 측정들을 사용하여 결정되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 성능 평가 표시기는 동일한 테스트 전류에 응답하여 상이한 측정 기간들 동안 기록되는 다수의 전압 및 전류 측정을 사용하여 결정되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 테스트 전류원은 상이한 주파수들을 갖는 2개 이상의 교류 테스트 전류들의 합산으로부터 형성되는 복합 테스트 전류 신호를 인가하는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 성능 평가 표시기는 주파수에 따라 계산된 임피던스 값들의 변화율을 사용하여 계산되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 성능 평가 표시기는 전이 주파수 값을 사용하여 계산되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 성능 평가 표시기는 적어도 하나의 임피던스 제로 오프셋 값을 사용하여 계산되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 성능 평가 표시기는 전이 대역폭 값을 사용하여 계산되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평가 장치는 상기 테스트 전류의 주파수의 적어도 하나의 사이클 동안 테스트 전류를 인가하는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평가되는 배터리에 인접하여 배치되는 온도 센서를 포함하는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서의 적어도 하나의 구성요소는 상기 단자 커넥터들 및 응답 측정 시스템으로부터 원격으로 위치되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 배터리에 인가되는 교류 테스트 전류의 진폭 및 주파수를 제어하도록 구성되는, 배터리 성능 평가 장치.
제18항에 있어서, 상기 교류 테스트 전류의 진폭은 상기 인가되는 신호의 주파수 및 상기 평가되는 배터리의 용량에 기초하여 설정되는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인가되는 테스트 전류는 상기 배터리의 충전 용량의 대략 10 퍼센트 이하를 전달하거나 제거하는, 배터리 성능 평가 장치.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 교류 테스트 전류를 배터리에 인가하기 전에 예비 충전 상태 고정 프로세스를 실행하도록 구성되는, 배터리 성능 평가 장치.