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KR101883147B1 - 에너지 저장 셀 임피던스 측정 장치, 방법들 및 관련 시스템들 - Google Patents

에너지 저장 셀 임피던스 측정 장치, 방법들 및 관련 시스템들 Download PDF

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KR101883147B1
KR101883147B1 KR1020187003023A KR20187003023A KR101883147B1 KR 101883147 B1 KR101883147 B1 KR 101883147B1 KR 1020187003023 A KR1020187003023 A KR 1020187003023A KR 20187003023 A KR20187003023 A KR 20187003023A KR 101883147 B1 KR101883147 B1 KR 101883147B1
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KR
South Korea
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energy storage
sos
storage cell
current
signal
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KR1020187003023A
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English (en)
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KR20180015753A (ko
Inventor
존 엘. 모리슨
윌리엄 에이치. 모리슨
존 피. 크리스토퍼슨
Original Assignee
배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US12/217,013 external-priority patent/US8150643B1/en
Priority claimed from US14/789,959 external-priority patent/US9851414B2/en
Application filed by 배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨 filed Critical 배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨
Priority claimed from PCT/US2016/039533 external-priority patent/WO2017003917A1/en
Publication of KR20180015753A publication Critical patent/KR20180015753A/ko
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Abstract

에너지 저장 셀 임피던스 검사 디바이스들, 회로들, 및 관련 방법들이 개시된다. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스는 에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자로부터 차동 전류 소스들의 접지 단자를 분리하도록 구성된 차동 전류 소스들을 포함하는 정현파들의 합(SOS) 전류 여기 회로를 포함한다. 방법은 SOS 전류 여기 회로로, 에너지 저장 셀로 정현파 전류 신호들의 합을 포함하는 SOS 신호를 인가하는 단계를 포함하며, 정현파 전류 신호들의 각각은 복수의 상이한 주파수들 중 상이한 주파수에서 발진한다. 상기 방법은 또한 에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자에서 전기 신호를 측정하는 단계, 및 상기 측정된 전기 신호를 사용하여 복수의 상이한 주파수들의 각각에서 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

에너지 저장 셀 임피던스 측정 장치, 방법들 및 관련 시스템들
우선권 주장
본 출원은 "에너지 저장 셀 임피던스 측정 장치, 방법들 및 관련 시스템들"에 대한, 2015년 7월 1일에 출원된, 미국 특허 출원 일련 번호 제14/789,959호의 출원일에 대한 이득을 주장한다. 본 출원은 또한, 2004년 12월 20일에 출원된 미국 가 특허 출원 번호 제60/637,969호, 및 2005년 10월 7일에 출원된 제60/724,631호에 대한 이득을 주장하는, 현재는 포기된, 2005년 12월 20일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제11/313,546호의 계속 출원인, 2008년 7월 1일 발행된, 현재 미국 특허 제7,395,163호인, 2007년 7월 5일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제11/825,629호의 일부 계속 출원인, 2012년 4월 3일에 발행된, 현재 미국 특허 제8,150,643호인, 2008년 6월 30일에 출원된, 미국 특허 출원 일련 번호 제12/217,013호의 계속 출원인, 2016년 1월 26일에 발행된, 현재 미국 특허 제9,244,130호인, 2012년 4월 3일에 출원된, 미국 특허 출원 일련 번호 제13/438,741호와 관련된다. 본 출원은 또한, 2009년 6월 11일에 출원된, 미국 가 특허 출원 번호 제61/186,358호에 대한 우선권을 주장하는, 2014년 10월 21일에 발행된, 현재 미국 특허 제8,868,363호인, 2010년 6월 11일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제12/813,750호와 관련되고; 본 출원은 또한, 2012년 4월 3일에 발행된, 현재 미국 특허 제8,150,643호인, 2008년 6월 30일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제12/217,013호의 일부 계속 출원인, 2010년 10월 28일에 발행된, 현재 미국 특허 제8,352,204호인, 2010년 5월 3일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제12/772,880호와 관련되고; 본 출원은 또한 2010년 5월 3일에 출원된, 미국 가 특허 출원 번호 제61/330,766호에 대한 우선권을 주장하는, 2011년 5월 3일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제13/100,170호와 관련되며; 본 출원은 또한, 2010년 5월 3일에 출원된, 미국 가 특허 출원 번호 제61/330,733호에 대한 우선권을 주장하는, 2014년 6월 24일에 발행된, 현재 미국 특허 제8,762,109호인, 2011년 5월 3일에 출원된, 미국 특허 출원 번호 제13/100,184호와 관련된다. 앞서 말한 출원들 및 특허들의 각각의 개시는 여기에서, 모든 도형들, 표들, 및 도면들을 포함하여, 전체적으로 참조로서 통합된다.
연방 지원 연구 또는 개발에 대한 성명
본 발명은 미국 에너지부에 의해 부여된, 계약 번호 DE-AC07-05-ID14517 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정한 권한들을 갖는다.
본 개시는 임피던스 측정을 위한 장치 및 방법들에 관한 것이며, 보다 구체적으로 재충전 가능한 서비스에서 이용된 에너지 저장 셀들에서의 임피던스 측정, 뿐만 아니라 이러한 셀들을 포함하는 시스템들에 관한 것이다. 특정 응용들은, 제한 없이, 비교적 고 전압 에너지 저장 셀들의 임피던스 측정을 포함한다.
재충전 가능한 배터리에서 전극들에 대한 화학적 변화들은 배터리의 용량에서의 열화, 및 다른 기능 파라미터들을 야기한다. 배터리 열화는 배터리의 수명에 걸쳐 축적될 수 있다. 환경 인자들(예로서, 높은 온도) 및 기능 인자들(예로서, 부적절한 충전 및 방전)은 배터리 열화를 가속화할 수 있다. 재충전 가능한 배터리 전력에 의존하는 시스템들의 조작자들은 그들이 사용하는 배터리들의 열화를 모니터링하기를 바랄 수 있다.
배터리 열화의 하나의 표시자는 배터리 임피던스에서의 증가이다. 도 1은 전기화학 임피던스 측정(EIM) 시스템을 사용하여, 여러 개의 상이한 주파수들에서 측정된, 새로운 배터리의 임피던스(실수 및 허수) 선도(102)(나이퀴스트 선도와 유사한) 및 노후화된 배터리의 임피던스 선도(104)이다. 도 1에서 예시된 바와 같이, 노후화된 배터리는 상이한 주파수들의 각각에서 새로운 배터리보다 높은 임피던스를 보여준다. 재충전 가능한 배터리들에 의존하는 시스템들의 조작자들은 고장이 발생하기 전에 교체 배터리가 요구됨을 결정하기 위해, 도 1의 EIM 데이터와 같은, 임피던스 데이터를 사용할 수 있다. 이러한 선점형 교체는 배터리 고장의 경우에 발생할 수 있는 재산 피해 및 값비싼 지연들을 방지할 수 있다. 또한, 배터리의 계속된 신뢰성에 대한 지식은 여전히 상당한 양의 남아있는 수명을 갖는 배터리를 불필요하게 교체하는 것과 연관된 비용들을 방지할 수 있다.
EIM 시스템들은 전기화학 프로세스의 임피던스를 특성화하기 위해 보드(Bode) 분석 기술을 사용한다. 보드 분석 기술은 안정되고 증명된 기술이다. EIM 시스템들에서, 평가되고 있는 배터리는 단일 주파수의 AC 전류로 여기되며, 응답이 측정된다. 상기 프로세스는 임피던스의 스펙트럼이 획득될 때까지 관심 주파수들의 범위에 걸쳐 반복된다. EIM 방법은 효과적이지만, 프로세스가 연속적이므로(예로서, 임피던스는 상이한 관심 주파수들의 각각에 대해 별개로 및 순차적으로 측정된다), 시간 소모적이다.
배터리에 대한 여기 전류로서 대역폭 제한 잡음을 사용하는 병렬 접근법은 보다 적은 시간에 배터리에 대한 유사한 임피던스 정보를 획득할 수 있다. 잡음에 대한 시스템 응답은 상관 및 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘들을 통해 프로세싱되며, 많은 이러한 응답들이 평균화된다. 결과는 원하는 주파수 범위에 걸친 응답의 스펙트럼이다. 많은 응답들의 평균화는 이 프로세스를 다소 연속적이게 한다(예로서, 별개의 여기들은 배터리에 순차적으로 인가되며, 각각의 응답들이 측정된다). 그 결과, 이 프로세스는 또한, 상기 논의된 EIM 시스템과 유사하게, 다소 시간 소모적이다. 또 다른 기술은 각각 상이한 주파수에서, 정현파들의 합으로부터 전류 잡음 파형을 모은다. 시간 레코드로서 시스템 응답이 획득되며 FFT 알고리즘으로 프로세싱된다. 잡음을 감소시키기 위해, 파형들의 다수의 시간 레코드들이 프로세싱되며 그것들의 결과적인 스펙트럼들이 평균화된다. 이 프로세스는 유사하게 다소 연속적이며, 그러므로 또한 다소 시간 소모적이다.
본 개시는 임피던스 측정을 위한 장치 및 방법들에 관한 것이며, 보다 구체적으로 재충전 가능한 서비스에서 이용된 에너지 저장 셀들에서의 임피던스 측정, 뿐만 아니라 이러한 셀들을 포함하는 시스템들에 관한 것이다.
정현파들의 합(SOS) 전류 여기 회로, 및 제어 회로부를 포함하는 에너지 저장 임피던스 측정 디바이스가 여기에서 몇몇 실시예들에 개시된다. 상기 SOS 전류 여기 회로는 에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자로부터 차동 전류의 접지 단자를 분리하도록 구성된 차동 전류 소스들을 포함한다. 상기 SOS 전류 여기 회로부는 에너지 저장 셀을 통해 SOS 신호를 인가하도록 구성된다. 상기 SOS 신호는 복수의 정현파 전류 신호들의 합을 포함한다. 복수의 정현파 전류 신호들의 각각은 복수의 상이한 주파수들 중 상이한 주파수에서 발진한다. 상기 제어 회로부는 상기 SOS 전류 여기 회로, 상기 양의 단자, 및 상기 음의 단자에 동작 가능하게 결합하도록 구성된다. 상기 제어 회로부는 SOS 제어 모듈, 적어도 하나의 신호 측정 모듈, 및 임피던스 계산 모듈을 포함한다. 상기 SOS 제어 모듈은 상기 SOS 전류 여기 회로가 상기 SOS 신호를 생성하게 하도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 신호 측정 모듈은 배터리 셀의 상기 양의 단자 및 상기 음의 단자 상에서 전기 신호들을 측정하도록 구성된다. 상기 임피던스 계산 모듈은 상기 SOS 신호의 각각의 주파수에 대해 배터리의 임피던스를 계산하기 위해 상기 적어도 하나의 신호 측정 모듈에 의해 측정된 전기 신호들을 사용하도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 차동 전류 소스들을 포함하는 SOS 전류 여기 회로로 정현파 전류 신호들의 합을 포함하는 정현파들의 합(SOS) 신호를 에너지 저장 셀에 인가하는 단계를 포함한다. 상기 정현파 전류 신호들의 각각은 복수의 상이한 주파수들 중 상이한 주파수에서 발진한다. 상기 방법은 또한 에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자에서 전기 신호를 측정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 측정된 전기 신호를 사용하여 복수의 상이한 주파수들의 각각에서 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함한다.
몇몇 실시예들에서 차동 전류 소스들 및 고 전압 버퍼를 포함하는 에너지 저장 셀 임피던스 측정 회로가 개시된다. 상기 차동 전류 소스들은 에너지 저장 셀의 양의 단자에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 푸시(push) 전류 소스, 상기 에너지 저장 셀의 음의 단자에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 풀 전류 소스, 및 상기 푸시 전류 소스와 상기 풀 전류 소스 사이에서 동작 가능하게 결합된 차동 전류 소스들의 접지 단자를 포함한다. 상기 고 전압 버퍼는 상기 푸시 전류 소스 및 상기 풀 전류 소스 중 적어도 하나에 동작 가능하게 결합된다. 상기 고 전압 버퍼는 상기 에너지 저장 셀에 의해 제공된 직류 전압으로부터 상기 푸시 전류 소스 및 상기 풀 전류 소스 중 적어도 하나를 분리하도록 구성된다. 상기 차동 전류 소스는 상기 에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자를 통해 정현파들의 합(SOS) 신호를 인가하도록 구성된다.
몇몇 실시예들에서 임피던스 측정 시스템이 개시된다. 상기 임피던스 측정 시스템은 하나 이상의 에너지 저장 셀들, 및 상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들에 동작 가능하게 결합된 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템을 포함한다. 상기 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템은 차동 전류 소스들을 포함하는 정현파들의 합(SOS) 전류 여기 회로부를 포함한다. 상기 SOS 전류 여기 회로부는 SOS 신호들을 상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들에 인가하도록 구성된다. 상기 SOS 신호들은 복수의 정현파 전류 신호들의 합들을 포함한다. 복수의 정현파 전류 신호들의 각각은 복수의 상이한 주파수들 중 상이한 주파수을 포함한다. 상기 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템은 또한 상기 SOS 전류 여기 회로 및 상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들에 동작 가능하게 결합된 제어 회로부를 포함한다. 상기 제어 회로부는 상기 SOS 전류 여기 회로부를 제어하고, 상기 SOS 신호들에 응답하여 하나 이상의 에너지 저장 셀들의 단자들에서의 전기 신호들을 측정하며, 상기 에너지 저장 셀들의 임피던스들을 계산하도록 구성된다.
도 1은 전기화학 임피던스 측정(EIM) 시스템을 사용하여 여러 개의 상이한 주파수들에서 측정된, 새로운 배터리의 임피던스 선도 및 노후화된 배터리의 임피던스 선도.
도 2는 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템의 간소화된 블록도.
도 3a는 도 2의 제어 회로부의 간소화된 블록도.
도 3b는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른, 도 2의 제어 회로부의 또 다른 간소화된 블록도.
도 4a는 도 2의 SOS 전류 여기 회로부의 간소화된 회로의 개략적 예시를 도시한 도면.
도 4b는 도 4a의 SOS 전류 여기 회로부의 간소화된 등가 회로 개략적 예시를 도시한 도면.
도 5는 도 2의 고 전압 버퍼의 단일 결합 커패시터 실시예에 따른, 도 4b의 SOS 전류 여기 회로에 동작 가능하게 결합된 고 전압 버퍼, 및 도 2의 에너지 저장 셀의 간소화된 회로 개략도.
도 6은 도 2의 고 전압 버퍼의 이중 결합 커패시터 실시예에 따른, 도 4b의 SOS 전류 여기 회로부에 동작 가능하게 결합된 고 전압 버퍼, 및 도 2의 에너지 저장 셀의 간소화된 회로 개략도.
도 7은 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법을 예시한 간소화된 흐름도.
도 8은 도 2의 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템의 제어 회로부를 교정하는 예시적인 방법을 예시한 간소화된 흐름도.
도 9는 임피던스 측정 시스템의 간소화된 블록도.
다음의 상세한 설명에서, 참조가 그 일부를 형성하며, 예시로서 본 개시가 실시될 수 있는 특정 실시예들이 도시되는 수반되는 도면들에 대해 이루어진다. 이들 실시예들은 당업자들로 하여금 본 개시를 실시할 수 있게 하기 위해 충분히 상세하게 설명된다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예들은, 본 개시의 실시예들의 예들을 나타내면서, 제한으로서가 아닌 단지 예시로서 제공된다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시로부터, 본 개시의 범위 내에 있는 다양한 대체들, 수정들, 부가들, 재배열들, 또는 그것의 조합들이 이루어질 수 있으며 당업자들에게 명백해질 것이다.
일반적인 관례에 따르면, 도면들에 예시된 다양한 특징들은 일정한 비율로 그려지지 않을 수 있다. 여기에 제공된 예시들은 임의의 특정한 장치(예로서, 디바이스, 시스템 등) 또는 방법의 실제 뷰들이도록 의도되지 않으며, 단지 본 개시의 다양한 실시예들을 설명하기 위해 이용되는 이상화된 표현들이다. 따라서, 다양한 특징들의 치수들은 명료함을 위해 임의로 확대되거나 또는 축소될 수 있다. 또한, 도면들 중 일부는 명료함을 위해 간소화될 수 있다. 따라서, 도면들은 주어진 장치의 구성요소들의 모두 또는 특정한 방법의 모든 동작들을 묘사하지 않을 수 있다.
여기에서 설명된 정보 및 신호들은 다양한 상이한 기술들 및 기법들 중 임의의 것을 사용하여 표현될 수 있다. 예를 들면, 설명 전체에 걸쳐 언급될 수 있는 데이터, 지시들, 명령들, 정보, 신호들, 비트들, 심볼들, 및 칩들은 전압들, 전류들, 전자기파들, 자기장들 또는 입자들, 광학 필드들 또는 입자들, 또는 그것의 임의의 조합에 의해 표현될 수 있다. 몇몇 도면들은 프리젠테이션 및 설명의 명료함을 위해 단일 신호로서 신호들을 예시할 수 있다. 당업자에 의해 신호는 신호들의 버스를 나타낼 수 있으며, 상기 버스는 다양한 비트 폭들을 가질 수 있으며 본 개시는 단일 데이터 신호를 포함하는 임의의 수의 데이터 신호들에 대해 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
여기에서 개시된 실시예들과 관련되어 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 동작들은 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 양쪽 모두의 조합으로서 구현될 수 있다. 하드웨어 및 소프트웨어의 이러한 교환 가능성을 명확하게 예시하기 위해, 다양한 예시적 구성요소들, 블록들, 모듈들, 회로들, 및 동작들이 그것들의 기능에 대하여 일반적으로 설명된다. 이러한 기능이 하드웨어 또는 소프트웨어로서 구현되는지는 전체 시스템에 부여된 특정한 응용 및 설계 제약들에 의존한다. 숙련공들은 각각의 특정한 응용을 위해 다양한 방식들로 설명된 기능을 구현할 수 있지만, 이러한 구현 결정들은 여기에서 설명된 본 개시의 실시예들의 범위로부터의 이탈을 야기하는 것으로서 해석되어서는 안된다.
또한, 실시예들은 흐름도, 흐름도, 구조도, 또는 블록도로서 묘사되는 프로세스에 대하여 설명될 수 있다는 것이 주의된다. 흐름도는 순차적 프로세스로서 가동 동작들을 설명할 수 있지만, 많은 이들 동작들은 또 다른 시퀀스로, 병렬로, 또는 실질적으로 동시에 수행될 수 있다. 또한, 동작들의 순서는 재배열될 수 있다. 프로세스는 방법, 함수, 프로시저, 서브루틴, 서브프로그램 등에 대응할 수 있다. 더욱이, 여기에서 개시된 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 양쪽 모두로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현된다면, 함수들은 컴퓨터-판독 가능한 매체 상에서 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능한 지시들(예로서, 소프트웨어 코드)로서 저장되거나 또는 송신될 수 있다. 컴퓨터-판독 가능한 매체는 하나의 곳에서 또 다른 곳으로의 컴퓨터 프로그램의 전달을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함하는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독 가능한 매체는 예를 들면, 하드 드라이브들, 디스크 드라이브들, 자기 테이프들, CD들(컴팩트 디스크들), DVD들(디지털 다목적 디스크들 또는 디지털 비디오 디스크들), 고체 상태 저장 디바이스들(고체 상태 드라이브들), 및 다른 유사한 저장 디바이스들과 같은, 휘발성 및 비-휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
"제 1", "제 2" 등과 같은 지명을 사용한 여기에서의 요소에 대한 임의의 참조는, 이러한 제한이 명시적으로 서술되지 않는다면, 이들 요소들의 양 또는 순서를 제한하지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 이들 지명들은 여기에서 둘 이상의 요소들 또는 요소의 인스턴스들을 구별하는 편리한 방법으로서 사용될 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 요소들에 대한 참조는 단지 두 개의 요소들만이 거기에서 이용되거나 또는 제 1 요소가 몇몇 방식으로 제 2 요소를 앞서야 한다는 것을 의미하지 않는다. 또한, 달리 서술되지 않는다면, 요소들의 세트는 하나 이상의 요소들을 포함할 수 있다.
여기에서 설명된 요소들은 동일한 요소의 다수의 인스턴스들을 포함할 수 있다. 이들 요소들은 일반적으로 수치 지정자(예로서, 500)에 의해 표시되며 구체적으로 글자에 앞선 수치 표시자에 앞선 수치 표시자(예로서, 500A)에 의해 표시될 수 있다. 설명을 따르는 용이함을 위해, 대부분의 부분에 대해, 요소 숫자 표시자들은 요소들이 도입되거나 또는 가장 완전하게 논의되는 도면의 숫자로 시작한다. 따라서, 예를 들면, 도 1 상에서 요소 식별자들은 주로 수치 포맷 1xx에 있을 것이며 도 3 상에서의 요소들은 주로 수치 포맷 3xx에 있을 것이다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어들("에너지 저장 셀" 및 "에너지 저장 셀들")은 에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자에 걸쳐 화학 에너지를 직류 전기 전압 전위로 변환하는 재충전 가능한 전기화학 셀들을 나타낸다. 용어들("배터리", "셀", 및 "배터리 셀")은 여기에서 용어("에너지 저장 셀")와 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어들("정현파", 및 "정현파의")은 시간에 걸쳐 적어도 실질적으로 사인 또는 코사인 함수(예로서, 다양한 크기들 및 위상 시프트들을 가진)에 따라 발진하는 전기 신호들(예로서, 전류들 및 전압 전위들)을 나타낸다. 당업자들에게 쉽게 명백해야 할 바와 같이, 임의의 주어진 정현파 신호는, 사인 및 코사인이 단지 서로의 위상-시프트 버전들이므로, 사인 함수 또는 코사인 함수로서 동일하게 표현될 수 있다. 정현파 신호들은 여기에서 에너지 저장 셀들 및 션트(shunt)들(예로서, 교정 목적들을 위한 알려진 저항 값들의 저항기들)에 인가되는 것으로 개시된다. 몇몇 경우들에서, 이들 정현파 신호들은 여기에서 보다 구체적으로 사인 신호들 또는 코사인 신호들로서 언급된다. 사인 신호들 및 코사인 신호들에 대한 이들 특정 참조들은 정현파 신호가 먼저 전도성 라인(예로서, 양의 또는 음의 배터리 단자, 회로 보드 상에서의 전도성 트레이스, 와이어 등)에 어서팅될 때 시간에 대한 이러한 신호들의 위상을 나타낼 수 있다.
여기에서 사용된 바와 같이, 용어("정현파들의 합"("SOS"))는 정현파 신호들의 합에 따라 발진하는 전기 신호들을 나타낸다. SOS 신호는 사인 신호들의 합들, 코사인 신호들의 합들, 또는 그것의 조합들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 고조파 직교 동기식 변환(HOST) SOS는 기본 주파수의 연속적인 정수 고조파 주파수들을 가지며, 각각의 연속 고조파에 대해 사인 신호들과 코사인 신호들(또는 그것의 몇몇 위상-시프트 버전) 사이에서 교번하는 하나 이상의 정현파 신호들과 합산된 기본 주파수를 갖는 기본 정현파 신호를 포함할 수 있다. HOST SOS에서 함께 합산된 고조파 정현파 신호들의 직교 특징은 지나친 과도 현상(transient)들을 감소시키거나 또는 제거하도록 작용할 수 있다.
도 2는 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)의 간소화된 블록도이다. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 SOS 전류 여기 회로부(400) 및 에너지 저장 셀(210)에 동작 가능하게 결합된 제어 회로부(300)를 포함할 수 있다. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 또한 SOS 전류 여기 회로부(400)와 에너지 저장 셀(210) 사이에 동작 가능하게 결합된 고 전압 버퍼(500)를 포함할 수 있다.
제어 회로부(300)는 SOS 전류 여기 회로부(400)를 제어하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 제어 회로부(300)는 SOS 전류 여기 회로부(400)에 의해 출력된 SOS 신호(404)를 제어하기 위해 SOS 제어 신호(302)를 SOS 전류 여기 회로부(400)에 인가하도록 구성될 수 있다. SOS 제어 신호(302)는 SOS 전류 여기 회로부(400)로 하여금 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 검사하기 위해 복수의 상이한 관심 주파수들을 갖는 복수의 상이한 전류 신호들(예로서, HOST SOS 신호)의 합을 포함하는 SOS 신호(404)를 제공하게 하기 위해 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 제어 신호(302)는 SOS 전류 여기 회로부(400)의 출력 시 SOS 신호(404)에 대한 원하는 전류 신호에 비례하는 전압 신호를 포함할 수 있다. 따라서, SOS 제어 신호(302)는 SOS 전압 신호를 포함할 수 있다.
제어 회로부(300)는 또한 에너지 저장 셀(210)에 동작 가능하게 결합되며 에너지 저장 셀(210)의 단자들에 인가된 SOS 신호(404)에 응답하여 에너지 저장 셀(210)의 단자들에서의 전기 신호들(216)을 측정하도록 구성될 수 있다. 제어 회로부(300)는 측정된 전기 신호들(216)을 사용하여 SOS 신호의 주파수들에서 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 계산하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 제어 회로부(300)는 실질적으로 동시에 복수의 상이한 주파수들에서 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 검사하기 위해 SOS 전류 여기 회로부(400)로 작동하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제어 회로부(300)는 SOS 신호(404)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 전압 응답 및 정류 응답을 측정하고, 에너지 저장 셀(210)의 임피던스 응답을 획득하기 위해 상기 측정된 전류 응답으로 측정된 전압 응답을 나누도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 에너지 저장 셀(210)의 임피던스가 측정된 전류로 측정된 전압을 나눔으로써 결정될 수 있기 때문에 어떤 교정도 요구되지 않을 것이다.
몇몇 실시예들에서, 제어 회로부(300)는 SOS 신호(404)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 전압 응답만을 측정하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 교정은 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 결정하기 위해 요구될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 단일-션트 교정의 방법이 도 8을 참조하여 이하에서 논의된다. 몇몇 실시예들에서, 다수의 션트(예로서, 저항 션트들) 교정이 신호들의 실수 및 허수 부분들을 감안하기 위해 사용될 수 있다.
제어 회로(300)에 관한 보다 많은 세부사항은 도 3a 및 도 3b를 참조하여 이하에서 논의될 것이다.
SOS 전류 여기 회로부(400)는 제어 회로부(300)로부터 SOS 제어 신호(302)를 수신하고 SOS 신호(404)를 발생시키도록 구성될 수 있다. SOS 전류 여기 회로부(400)는 SOS 신호(404)를 에너지 저장 셀(210)에 인가하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 전류 여기 회로부(400)는 고 전압 버퍼(500)를 통해 SOS 신호(404)를 에너지 저장 셀(210)에 인가하도록 구성될 수 있다. 에너지 저장 셀(210)의 임피던스는, 몇몇 실시예들에서, 고 전압 버퍼(500) 없이 결정될 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 비-제한적인 예로서, 그 전체 개시가 참조로서 여기에 통합되는, 2012년 4월 3일에 출원된, Morrison 외의 미국 특허 공보 번호 제2012/0262186호가 이러한 고 전압 버퍼(500) 없이 에너지 저장 디바이스의 임피던스를 측정하는 것을 개시한다.
SOS 신호(404)는 에너지 저장 셀(210) 임피던스 측정들을 위한 관심 주파수들을 갖는 정현파 전류 신호들의 합을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 전류 여기 회로부(400)는 전류를 에너지 저장 셀(210)로 푸시하도록 구성된 푸시 전류 소스 및 에너지 저장 셀(210)로부터 전류를 풀링(pulling)하도록 구성된 풀 전류 소스를 포함하는 차동 전류 소스들을 포함할 수 있다. 푸시 전류 소스 및 풀 전류 소스는, 도 6을 참조하여 이하에서 보다 상세하게 논의될 바와 같이, 각각 동작 증폭기 전류 소스를 포함하며, 균형 잡힌 차동 전류 소스를 형성할 수 있다.
고 전압 버퍼(500)는 에너지 저장 셀(210)에 의해 소싱된 직류 전압으로부터 SOS 신호(404)를 제공하는 SOS 전류 여기 회로부(400)의 적어도 하나의 신호 라인을 분리하도록 구성될 수 있다. 따라서, SOS 전류 여기 회로부(400)의 아날로그 접지는 에너지 저장 셀(210)의 전력 단자로부터 전기적으로 분리될 수 있다. 그 결과, SOS 전류 여기 회로부(400)에 포함된 민감한 전자 장치는 에너지 저장 셀(210)에 의해 소싱된 직류 전압 전위의 극단들에 노출되지 않을 수 있다. 또한, SOS 전류 여기 회로부(400)는 아날로그 접지가 SOS 전류 여기 회로부(400)의 바깥쪽으로 연장되는 경우보다 적은 잡음을 겪을 수 있다.
고 전압 버퍼(500)는 또한 SOS 신호(404)를 에너지 저장 셀(210)로 전달하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 고 전압 버퍼(500)는 고역 통과 필터를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 고 전압 버퍼(500)는 SOS 전류 여기 회로부(400)와 에너지 저장 셀(210) 사이에서 직렬로 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다.
동작 시, 제어 회로부(300)는 SOS 제어 신호(302)를 SOS 전류 여기 회로부(400)에 제공할 수 있다. SOS 제어 신호(302)는 SOS 전류 여기 회로부(400)가 SOS 신호(404)(예로서, HOST SOS 신호)를 출력하게 할 수 있다. 고 전압 버퍼(500)는 에너지 저장 셀(210)에 의해 소싱된 직류 전압 전위로부터 SOS 전류 여기 회로부(400)를 버퍼링하는 동안, 에너지 저장 셀(210)의 단자들로 SOS 신호(404)를 전달할 수 있다. SOS 신호(404)에 응답하여 에너지 저장 셀(210)의 단자들에서의 전기 신호들(216)(예로서, 전압 응답, 전류 응답, 또는 그것의 조합)은 제어 회로부(300)에 의해 측정될 수 있다. 제어 회로부(300)는 전기 신호들(216)을 분석함으로써 SOS 신호(404)의 복수의 주파수들의 각각에서 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 결정할 수 있다.
도 3a는 도 2의 제어 회로부(300)의 간소화된 블록도이다. 제어 회로부(300)는 SOS 제어 모듈(310), 디지털-아날로그 변환기(DAC)(320), 평탄화 필터(330), 신호 측정 모듈(340), 및 임피던스 계산 모듈(350)을 포함할 수 있다. SOS 제어 모듈(310)은 에너지 저장 셀(210)(도 2)의 임피던스 측정을 위해 관심 있는 복수의 상이한 주파수들을 갖는 정현파들의 합을 포함하는 디지털 SOS 신호(312)를 발생시키도록 구성될 수 있다. 디지털 SOS 신호(312)는 적어도 디지털 SOS 신호(312)의 복수의 상이한 주파수들 중 최고의 것의 나이퀴스트 레이트로 샘플링될 수 있다. 디지털 SOS 신호(312)는 또한 디지털 SOS 신호(312)의 복수의 상이한 주파수들 중 최저의 것의 적어도 하나의 기간을 나타낼 수 있다. SOS 제어 모듈(310)은 디지털 SOS 신호(312)를 DAC(320)로 제공하기 위해 구성될 수 있다.
DAC(320)는 디지털 SOS 신호(312)를 초피(choppy) SOS 신호(324)로 변환하도록 구성될 수 있다. 당업자들이 이해해야 하는 바와 같이, 디지털 SOS 신호(312)와 같은, 디지털 신호들은 단지 이산 세트의 불연속 신호 레벨들을 나타내는 것이 가능하다. 그 결과, 디지털 신호들이 아날로그 신호들로 변환될 때, 아날로그 등가물은 단계식, 또는 "초피" 변동들을 나타낸다. 따라서, DAC(320)에 의해 제공된 초피 SOS 신호(324)는 단계식 변동들을 나타낼 수 있다. DAC(320)는 초피 SOS 신호(324)를 평탄화 필터(330)로 제공하도록 구성될 수 있다.
평탄화 필터(330)는 평탄한 SOS 제어 신호(302)를 제공하기 위해 초피 SOS 신호(324)를 평탄화하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 평탄화 필터(330)는 초피 SOS 신호(324)의 단계식 변동들을 평탄화하도록 구성된 저역 통과 필터를 포함할 수 있다. SOS 제어 신호(302)는 SOS 전류 여기 회로부(400)(도 2)로 제공될 수 있다.
당업자들에 의해 이해되어야 하는 바와 같이, 필터는 주기적 신호들의 크기, 위상, 또는 그것의 조합을 변경할 수 있다. 필터들은 상이한 방식들로 상이한 주파수들에서 발진하는 신호들의 상이한 구성요소들의 크기 및 위상을 변경할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 따라서, SOS 제어 신호(302)의 상이한 주파수 구성요소들의 각각은 적어도 부분적으로 평탄화 필터(330)로 인해, 디지털 SOS 신호(312)의 상이한 주파수 구성요소들의 대응하는 크기 및 주파수로부터, 크기, 주파수, 또는 그것의 조합에서 변경될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 평탄화 필터(330)의 속성들은 평탄화 필터(330)의 주파수 응답을 분석적으로 추정하기 위해 알려져 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 교정은 평탄화 필터(330)에 대한 주파수 응답을 결정하기 위해 사용될 수 있다. SOS 제어 모듈(310)은 평탄화 필터(330)가 제어 신호(302)의 상이한 주파수 구성요소들에 부여하는 것으로 예상되는, 크기, 위상, 또는 그것의 조합에서의 예상된 변화들을 고려하기 위해 평탄화 필터(330)의 주파수 응답을 사용할 수 있다. SOS 제어 모듈(310)은 디지털 SOS 신호(312)를 발생시킬 때 예상된 변화들을 보상할 수 있다. 다시 말해서, SOS 제어 모듈(310)은 평탄화 필터(330)의 응답을 보상하기 위해 디지털 SOS 신호(312)를 프리-엠퍼사이징하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 평탄화 필터(330)가 알려진 양만큼 초피 SOS 신호(324)의 제 1 주파수 구성요소를 감쇠시키고 시프트하는 것으로 예상된다면, SOS 제어 모듈(310)은 예상된 변화들을 보상하기 위해 알려진 양만큼 선점적으로 디지털 SOS 신호(312)의 대응하는 제 1 주파수 구성요소의 위상을 시프트하고 크기를 증가시킬 수 있다.
일단 SOS 제어 신호(302)가 SOS 전류 여기 회로부(400)에 제공되었고, 대응하는 SOS 신호(404)(도 2)가 에너지 저장 셀(210)에 인가된다면, 신호 측정 모듈(340)은 에너지 저장 셀(210)의 단자들에서 전기 신호들(216)을 측정할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 신호 측정 모듈(340)은 SOS 신호(404)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 전압 응답, SOS 신호(404)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 전류 응답, 또는 그것의 조합을 측정하도록 구성될 수 있다. 신호 측정 모듈(340)은 SOS 신호(404)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 측정된 응답을 표시하는 측정 신호 데이터(342)를 임피던스 계산 모듈(350)로 제공하도록 구성될 수 있다.
임피던스 계산 모듈(350)은 신호 측정 모듈(340)로부터의 측정된 신호 데이터(342)를 사용하여 에너지 저장 셀(210)의 결정된 임피던스를 계산하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 측정된 신호 데이터는 SOS 신호(404)(도 2)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 전압 응답 및 전류 응답 양쪽 모두를 포함할 수 있다. 임피던스 계산 모듈(350)은 복수의 상이한 주파수들의 각각에 대한 임피던스를 결정하기 위해 SOS 신호(404)의 복수의 상이한 주파수들의 각각에 대한 전류 응답으로 전압 응답을 나누도록 구성될 수 있다.
또한 비-제한적인 예로서, 측정된 신호 데이터(342)는 단지 SOS 신호(404)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 전압 응답만을 포함할 수 있다. 임피던스 계산 모듈(350)은 제어 회로부(300)의 이전 또는 뒤이은 교정들로부터의 전압 응답 및 교정 데이터를 사용하여 전류 응답을 추정하도록 구성될 수 있다. 알려진 교정 응답은 SOS 신호(404)를 알려진 임피던스의 하나 이상의 션트들로 인가하며, SOS 신호(404)에 대한 하나 이상의 션트들의 응답을 포함하는 교정 데이터를 측정 및 저장함으로써 측정될 수 있다. 예를 들면, 단일 션트를 사용하여 제어 회로부(300)를 교정하기 위한 방법은 도 8을 참조하여 이하에서 논의된다.
임피던스 계산 모듈(350)은 디지털 SOS 신호(312)에 포함된 주파수들(즉, 초피 SOS 신호(324), SOS 제어 신호(302), 및 SOS 신호(404)에 포함된 동일한 주파수들)의 각각에서 에너지 저장 셀(210)의 결정된 임피던스를 포함하는 임피던스 데이터를 제공하거나 또는 저장하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 임피던스 데이터는 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)(도 2)의 사용자에게 디스플레이될 수 있다(예로서, 리스트 형태로, 선도 형태로, 테이블 형태 등으로, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)의 전자 디스플레이 상에). 몇몇 실시예들에서, 임피던스 데이터는 에너지 저장 셀(210)이 교체되어야하는지를 결정하기 위해 자동으로 프로세싱될 수 있으며, 사용자는 자동 결정을 통지받을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 임피던스 데이터는 에너지 저장 셀(210)에 대해 얼마나 많은 수명이 남아있는지에 대한 추정치를 결정하기 위해 자동으로 프로세싱될 수 있다. 이러한 자동 프로세싱은 제어 회로부(300)에 의해(예로서, 데이터 저장 디바이스들(370)(도 3b)에 동작 가능하게 결합된 프로세싱 요소들(360)에 의해) 국소적으로, 제어 회로부(300)와 통신하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(예로서, 개인용 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰, 서버, 자동차 컴퓨터, 다른 컴퓨팅 디바이스들 등)에 의해 원격으로, 또는 그것의 조합으로 수행될 수 있다.
도 3b는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른, 도 2의 제어 회로부(300)의 또 다른 간소화된 블록도이다. 몇몇 실시예들에서, 제어 회로부(300)는 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스(370)에 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 프로세싱 요소(360)를 포함할 수 있다. 데이터 저장 디바이스(370)는 SOS 제어 모듈(310), 디지털-아날로그 변환기(320), 평탄화 필터(330), 신호 측정 모듈(340), 및 임피던스 계산 모듈(350) 중 적어도 하나의 기능들을 수행하도록 적어도 하나의 프로세싱 요소(360)에 지시하기 위해 구성된 컴퓨터-판독 가능한 지시들을 포함할 수 있다.
적어도 하나의 프로세싱 요소(360)는 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스(370)에 저장된 컴퓨터-판독 가능한 지시들을 실행하도록 구성된 전기 회로를 포함할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 적어도 하나의 프로세싱 요소(360)는 마이크로제어기, 중앙 프로세싱 유닛(CPU), 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 다른 프로세싱 요소들, 및 그것의 조합들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 적어도 하나의 프로세싱 요소(360)는 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스(370)와 동일한 반도체 패키지(예로서, 탑재 메모리를 갖는 마이크로제어기 등)에서 구현될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 적어도 하나의 프로세싱 요소(360)는 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스(370)로부터 별개의 패키지들에서 구현될 수 있다.
적어도 하나의 데이터 저장 디바이스(370)는 휘발성(예로서, 랜덤 액세스 메모리(RAM)) 또는 비-휘발성(예로서, 판독-전용 메모리(ROM)) 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 적어도 하나의 데이터 저장 디바이스(370)는 플래시 메모리, 하드 디스크, 고체 상태 드라이브, 클라우드 저장 장치, 전기적으로 프로그램 가능한 판독-전용 메모리(EPROM), 다른 데이터 저장 장치, 및 그것의 조합들을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제어 회로부(300)는 하나 이상의 하드웨어 구현 모듈들을 포함할 수 있다. 비-제한적인 예로서, SOS 제어 모듈(310), DAC(320), 평탄화 필터(330), 신호 측정 모듈(340), 및 임피던스 계산 모듈(350) 중 적어도 하나는 하드웨어(예로서, 시스템 온 칩(SoC), 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC), 이산 회로 구성요소들로부터 구축된 회로 등)에 구현될 수 있다.
도 4a는 도 2의 SOS 전류 여기 회로부(400)의 간소화된 회로 개략적 예시이다. 도 4b는 도 4a의 SOS 전류 여기 회로부(400)의 간소화된 등가 회로 개략적 예시이다. 도 4a 및 도 4b를 함께 참조하면, SOS 전류 여기 회로부(400)는 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)(즉, 또한 여기에서 "차동 전류 소스들"(410, 420)로서 불리우는, 풀-푸시 전류 구동기)를 포함할 수 있다. 푸시 전류 소스(410)는 에너지 저장 셀(210)(도 2)로 전류(IPUSH)를 푸시하도록 구성될 수 있으며, 풀 전류 소스(420)는 에너지 저장 셀(210)로부터 전류(IPULL)를 풀링하도록 구성될 수 있다(예로서, 고 전압 버퍼(500)를 통해). 도 4b로부터 명백한 바와 같이, SOS 전류 여기 회로부(400)의 아날로그 접지 단자(GND)는 푸시 전류 소스(410)와 풀 전류 소스(420) 사이에서 플로팅되어, 에너지 저장 셀(210)의 단자들로부터 아날로그 접지 단자(GND)를 분리시킨다. 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)는 고 임피던스 전류 소스들일 수 있다. 그 결과, SOS 전류 여기 회로부(400)는 완전히 고 임피던스 접지 분리될 수 있다.
푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)는 SOS 제어 신호(302)를 수신하며 SOS 신호(404)를 고 전압 버퍼(500)로 제공하도록 구성될 수 있다. SOS 신호(404)는, 이하에서 보다 상세하게 논의될 바와 같이, SOS 제어 신호(302)의 전압 전위에 비례하는 전류 신호를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 푸시 전류 소스(410)는 동작 증폭기 전류 소스 구성에서 저항기들(RINA1, RINA2, RFA1, RFA2, 및 RSA)에 동작 가능하게 결합된 동작 증폭기(412)를 포함할 수 있다. 입력 저항기들(RINA1 및 RINA2)은 동작 증폭기(412)의, 각각 반전 입력 및 비-반전 입력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 동작 증폭기(412)의 비-반전 입력은 저항기(RINA2)를 통해 SOS 제어 신호(302)를 수신하도록 구성될 수 있다. 동작 증폭기(412)의 반전 입력은 저항기(RINA1)를 통해 아날로그 접지(GND)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 저항기들(RINA1 및 RINA2)은 동일한 저항 값(RINA)을 갖도록 선택될 수 있다.
동작 증폭기(412)의 반전 입력은 또한 저항기(RFA1)를 통해 동작 증폭기(412)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 동작 증폭기(412)의 비-반전 입력은 저항기들(RFA2 및 RSA)을 통해 동작 증폭기(412)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. RFA1 및 RFA2의 저항은 동일한 저항 값(RFA)을 갖도록 선택될 수 있다. 푸시 전류 소스(410)의 출력은 저항기들(RFA2 및 RSA) 사이에 위치될 수 있다. 따라서, SOS 신호(404)의 푸시 부분은 저항기들(RFA2 및 RSA) 사이에 제공될 수 있다. 그렇게 구성되면, 푸시 전류 소스(410)에 의해 제공된 SOS 신호(404)의 푸시 부분은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112018010851918-pct00001
여기에서 IPUSH는 푸시 전류 소스(410)에 의해 제공된 전류이며, VSOSCONTROL은 SOS 제어 신호(302)의 전압 전위이다. 이러한 표현을 검사함으로써 보여질 수 있는 바와 같이, IPUSH는 VSOSCONTROL에 비례한다.
몇몇 실시예들에서, 풀 전류 소스(420)는 동작 증폭기 전류 소스 구성에서 저항기들(RINB1, RINB2, RFB1, RFB2, 및 RSB)에 동작 가능하게 결합된 동작 증폭기(422)를 포함할 수 있다. 입력 저항기들(RINB1 및 RINB2)은 동작 증폭기(422)의, 각각 반전 입력 및 비-반전 입력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 동작 증폭기(422)의 반전 입력은 저항기(RINB1)를 통해 SOS 제어 신호(302)를 수신하도록 구성될 수 있다. 동작 증폭기(422)의 비-반전 입력은 저항기(RINB2)를 통해 아날로그 접지(GND)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 저항기들(RINB1 및 RINB2)은 동일한 저항 값(RINB)을 갖도록 선택될 수 있다.
동작 증폭기(422)의 반전 입력은 또한 저항기(RFB1)를 통해 동작 증폭기(422)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 동작 증폭기(412)의 비-반전 입력은 저항기들(RFB2 및 RSB)을 통해 동작 증폭기(422)의 출력에 동작 가능하게 결합될 수 있다. RFB1 및 RFB2의 저항은 동일한 저항 값(RFB)을 갖도록 선택될 수 있다. 풀 전류 소스(420)의 출력은 저항기들(RFB2 및 RSB) 사이에 위치될 수 있다. 따라서, SOS 신호(404)의 풀 부분(IPULL)은 저항기들(RFB2 및 RSB) 사이에서의 노드로부터 풀링될 수 있다. 그렇게 구성되면, 풀 전류 소스(420)에 의해 풀링된 SOS 신호(404)의 풀 부분(IPULL)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112018010851918-pct00002
여기에서 IPULL은 풀 전류 소스(420)에 의해 풀링된 전류이며, VSOSCONTROL은 SOS 제어 신호(302)의 전압 전위이다. 이러한 표현의 검사로부터 명백한 바와 같이, IPULL은 VSOSCONTROL에 비례한다.
도 4b로부터 명백한 바와 같이, 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)는 직렬로 동작 가능하게 결합된다(즉, 고 전압 버퍼(500) 및 에너지 저장 셀(210)을 통해). 당업자들은 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)와 같은, 직렬로 동작 가능하게 결합된 전류 소스들이 양쪽 모두 동일한 방향으로 동일한 양의 전류를 제공해야 한다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 저항기 값들(RINA, RINB, RFA, RFB, RSA, 및 RSB)은 IPUSH가 IPULL과 동일해지도록 선택될 수 있다.
당업자들은 풀 전류 소스(420)의 구성요소들에 푸시 전류 소스(410)의 구성요소들을 정확하게 매칭시키는 것이 어려울 수 있다는 것을 또한 이해할 것이다. 이러한 이슈를 보상하기 위해, 추가 저항기들(RCA 및 RCB)이 각각 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)에 걸쳐 병렬로 동작 가능하게 결합될 수 있다. 추가 저항기들(RCA 및 RCB)은 푸시 전류 소스(410)와 풀 전류 소스(420) 사이에서의 미스매치들로부터 기인한 추가 전류들이 추가 저항기들(RCA 및 RCB)을 통해 접지로 소산시킬 수 있게 하도록 구성될 수 있다. 또한, 저항기들(RSA 및 RSB)의 값들이 IPULL 및 IPUSH에 대한 상기 등식들의 요소로 포함되지 않으므로, RSA 및 RSB의 값들은 푸시 전류 소스(410)와 풀 전류 소스(420) 사이에서의 미스매치를 생성하지 않고 조정될 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 저항기들(RSA 및 RSB)은 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)가 적절한 매칭을 달성할 때까지 경험에 의거하여 조정될 수 있는 전위차계들로서 제공될 수 있다.
푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)가 균형 잡혔다고 가정하면, 에너지 저장 셀(210)로 SOS 전류(및 결과적으로, SOS 전압)를 공급하는 부담은 푸시 전류 소스(410)와 풀 전류 소스(420) 사이에서 실질적으로 동일하게 공유될 수 있다. 따라서, 차동 전류 소스들(410, 420) 상에서의 응력들이 균형을 이룰 수 있다.
또한, 이전에 논의된 바와 같이, SOS 전류 여기 회로부(400)는 완전히 고 임피던스 접지 분리될 수 있다. 그 결과, 아날로그 접지 단자(GND)는 에너지 저장 셀(210)의 단자들로부터 분리되어, 에너지 저장 셀(210)의 고 직류 소스 전압 전위들로부터, 및 에너지 저장 셀(210)의 단자들에 영향을 줄 수 있는 외부 잡음 소스들로부터 아날로그 접지 단자(GND)를 보호할 수 있다.
도 5는 도 2의 고 전압 버퍼(500)의 단일 결합 커패시터 실시예에 따른, 도 4b의 SOS 전류 여기 회로부(400)에 동작 가능하게 결합된 고 전압 버퍼(500A), 및 도 2의 에너지 저장 셀(210)의 간소화된 회로 개략도이다. 고 전압 버퍼(500A)는 SOS 전류 여기 회로부(400)의 푸시 전류 소스(410)와 에너지 저장 셀(210)의 양의 단자(212) 사이에서 동작 가능하게 결합하도록 구성된 고 전압 차단 커패시터(C1)를 포함할 수 있다. 고 전압 차단 커패시터(C1)는 에너지 저장 셀(210)로부터의 직류가 차동 전류 소스들(410, 420)을 통해 순환하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 고 전압 차단 커패시터(C1)는 또한 에너지 저장 셀(210)에 의해 제공된 완전 직류 공급 전압 전위가 차동 전류 소스들(410, 420)에 인가되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다(즉, 차동 전류 소스들(410, 420)이 단지 에너지 저장 셀(210)의 단자들(212, 214) 중 하나에 결합된 직류이기 때문에). 몇몇 실시예들에서, 고 전압 차단 커패시터(C1)는 대신에, 유사한 효과를 갖고 풀 전류 소스(420)와 에너지 저장 셀(210)의 음의 단자(214) 사이에서 동작 가능하게 결합될 수 있다.
이미 고 임피던스 접지 분리된 차동 전류 소스들(410, 420), 및 부가적으로 고 전압 버퍼(500A)에 의해 에너지 저장 셀(210)의 단자들(212, 214) 중 하나로부터 분리된 직류를 갖고, 에너지 저장 셀(210)은 과도한 응력을 차동 전류 소스들(410, 420)에 인가하지 않고 비교적 큰 직류 소스 전압 전위를 가질 수 있다. 따라서, 차동 전류 소스들(410, 420) 및 고 전압 버퍼(500A)는 종래의 임피던스 측정 시스템들이 측정하는 것이 가능한 에너지 저장 셀들(210)보다 큰 직류 소스 전압 전위들을 갖는 에너지 저장 셀들(210)의 임피던스를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 약 육십(60) 볼트들 이상의 직류 전압 소스 전압들을 갖는 에너지 저장 셀들(210)의 임피던스가 측정될 수 있다. 또한 비-제한적인 예로서, 적어도 약 삼백(300) 볼트들의 직류 전압 소스 전압들을 갖는 에너지 저장 셀들(210)의 임피던스가 측정될 수 있다.
고 전압 버퍼(500A)는 또한 에너지 저장 셀(210)의 양의 단자(212) 및 음의 단자(214)에 걸쳐 동작 가능하게 결합된 저항기(R1)를 포함할 수 있다. 저항기(R1)는 고 전압 차단 커패시터(C1) 상에 저장된 충전을 위한 방전 경로를 제공하기 위해 구성될 수 있다.
고 전압 버퍼(500A)는 고 전압 차단 커패시터(C1)를 프리-차징하도록 구성된 프리-차지 제어 회로부(S2a, S2b, S1, RCHG)를 더 포함할 수 있다. 프리-차지 제어 회로부(S2a, S2b, S1, RCHG)는 푸시 전류 소스(410)에 동작 가능하게 결합된 스위치(S2a), 풀 전류 소스(420)에 동작 가능하게 결합된 스위치(S2b), 및 프리-차지 저항기(RCHG)를 통해 에너지 저장 셀(210)의 음의 단자(214)에 고 전압 차단 커패시터(C1)와 스위치(S2a) 사이에서의 노드를 선택적으로 동작 가능하게 결합하도록 구성된 프리-차지 저항기(RCHG)와 직렬로 동작 가능하게 결합된 제어 스위치(S1)를 포함할 수 있다.
고 전압 차단 커패시터(C1)의 프리-차지 동작에서, 제어 스위치(S1)는 폐쇄될 수 있으며, 스위치들(S2a 및 S2b)은 개방될 수 있다. 그 결과, 고 전압 차단 커패시터(C1)는 차단 전압으로 충전될 수 있다. 프리-차지 동작이 완료될 때, 제어 스위치(S1)는 개방될 수 있으며, 스위치들(S2a 및 S2b)은 폐쇄될 수 있어서, SOS 신호(404)가 에너지 저장 셀(210)에 인가되고, 측정들이 수행될 수 있게 한다. 측정들의 완료 시, 고 전압 차단 커패시터(C1)의 방전 동작이 수행될 수 있으며, 스위치들(S2a 및 S2b)은 개방될 수 있다. 부가적인 스위치들(도시되지 않음)은 방전될 수 있는, 고 전압 차단 커패시터(C1)로부터 에너지 저장 셀(210)을 연결 해제할 수 있다.
몇몇 실시예들에서(예로서, 에너지 저장 셀(210)의 전압 응답(VCELL) 및 전류 응답(ICELL) 양쪽 모두를 측정하는 것이 요구되는 실시예들에서), 고 전압 버퍼(500A)는 또한 에너지 저장 셀(210)의 양의 단자(212) 및 음의 단자(214) 중 하나에 동작 가능하게 결합된 전류 측정 저항기(RMEAS)를 포함할 수 있다. 도 5에 예시된 실시예에서, 측정 저항기(RMEAS)는 에너지 저장 셀(210)의 양의 단자(212)에 동작 가능하게 결합된다. 전류 측정 저항기(RMEAS)는 에너지 저장 셀(210)의 단자들(212, 214)을 통해 전류(ICELL)가 측정될 수 있게 하기 위해 알려진 저항 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 전류 측정 저항기(RMEAS)에 걸친 전압 전위(VMEAS)가 측정될 수 있으며, 전류(ICELL)는 전류 측정 저항기(RMEAS)의 알려진 저항 값으로 전압 전위(VMEAS)를 나눔으로써 계산될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전류 측정 저항기(RMEAS)의 저항 값은 에너지 저장 셀(210)의 단자들(212, 214)에서 전기 신호들(216)에 대한 전류 측정 저항기(RMEAS)의 효과들을 감소시키기 위해 다른 시스템 저항들(예로서, 에너지 저장 셀(210)의 저항 구성요소들, 차동 전류 소스들(410, 420)의 소스 저항들, 고 전압 차단 커패시터(C1)의 기생 저항들 등)에 비교하여 비교적 작도록 선택될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 전류 측정 저항기(RMEAS)의 저항 값은 약 오십(50) 밀리옴(mΩ)일 수 있다.
도 6은 도 2의 고 전압 버퍼(500)의 이중 결합 커패시터 실시예에 따른, 도 4b의 SOS 전류 여기 회로부(400)에 동작 가능하게 결합된 고 전압 버퍼(500B), 및 도 2의 에너지 저장 셀(210)의 간소화된 회로 개략도이다. 고 전압 버퍼(500B)는, 고 전압 버퍼(500B)가 SOS 전류 여기 회로부(400)의 풀 전류 소스(420)와 에너지 저장 셀(210)의 음의 단자(214) 사이에 동작 가능하게 결합된 부가적인 고 전압 차단 커패시터(C2)를 포함한다는 점을 제외하고, 도 5의 고 전압 버퍼(500A)와 유사할 수 있다.
도 5의 고 전압 버퍼(500A)에 대한 고 전압 버퍼(500B)의 이점들은 에너지 저장 셀(210)로부터의 차동 전류 소스들(410, 420)의 완전한 직류 결합 해제를 포함한다(즉, 커패시터들(C1 및 C2)이 에너지 저장 셀(210)의 단자들(212, 214) 양쪽 모두의 직류 전압 전위들로부터 SOS 전류 여기 회로부(400)를 결합 해제하기 때문에). 고 전압 버퍼(500B)의 고 전압 차단 커패시터들(C1 및 C2)은, 그러나, 직렬로 서로 효과적으로 동작 가능하게 결합된다. 그 결과, 총 커패시턴스는, 고 전압 차단 커패시터들(C1 및 C2)의 커패시턴스 값들이 대략 동일하다고 가정하면, 고 전압 차단 커패시터들(C1 및 C2)의 커패시턴스 값의 절반일 것이다. 그 결과, 고 전압 버퍼(500B)에 동작 가능하게 결합된 차동 전류 소스들(410, 420)은 도 5의 고 전압 버퍼(500A)에 동작 가능하게 결합된 차동 전류 소스들(410, 420)이 지원하기 위해 요구될 수 있는 전압 전위들의 대략 2배 높은 전압 전위들을 지원하도록 요구될 수 있다. 이들 설계 고려사항들은 도 6의 고 전압 버퍼(500B) 및 도 5의 고 전압 버퍼(500A)를 사용하는 것 사이에서 선택하는데 가중되어야 한다.
도 7은 에너지 저장 셀(210)(도 2)의 임피던스를 측정하는 방법을 예시한 간소화된 흐름도(700)이다. 도 2 및 도 7을 함께 참조하면, 동작(710)에서, 방법은 차동 전류 구동기들(410, 420)(도 4a 및 도 4b)을 포함하는 SOS 전류 여기 회로부(400)로, 에너지 저장 셀(210)로 SOS 신호(404)를 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 신호(404)를 인가하는 단계는 HOST SOS 신호를 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 신호(404)를 에너지 저장 셀(210)로 인가하는 단계는 고 전압 버퍼(500, 500A, 500B)를 통해 SOS 신호(404)를 에너지 저장 셀(210)로 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 신호(404)를 인가하는 단계는 SOS 제어 모듈(310)(도 3a)로 디지털 SOS 신호(312)(도 3a)를 발생시키는 단계, 디지털-아날로그 변환기(320)(도 3a)로 디지털 SOS 신호(312)를 초피 SOS 신호(324)(도 3a)로 변환하는 단계, SOS 제어 신호(302)를 발생시키기 위해 평탄화 필터(330)(도 3a)로 초피 SOS 신호(324)를 평탄화하는 단계, 및 SOS 제어 신호(302)를 SOS 전류 여기 회로부(400)에 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
동작(720)에서, 방법은 에너지 저장 셀(210)의 단자들(212, 214)(도 5, 도 6)에서 전압 응답(VCELL)을 포함하는 전기 신호들(216)을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전기 신호들(216)을 측정하는 단계는 제어 회로부(300)의 신호 측정 모듈(340)(도 3a)로 전기 신호들(216)을 측정하는 단계, 및 제어 회로부(300)의 임피던스 계산 모듈(350)(도 3a)로 측정된 신호 데이터(342)를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 동작(730)에서, 방법은 전기 신호들(216)을 측정하기 위한 교정 제어 회로부(300)를 포함할 수 있다(예로서, 도 8을 참조하여 이하에서 논의된 제어 회로(300)를 교정하는 단일-션트 방법을 사용하여, W.H. Morrison, J.L. Morrison, J.P. Christophersen, P.A. Bald, 개선된 에너지 저장의 복소 임피던스 스펙트럼 측정들을 위한 개선된 교정 절차, 샌디에이고: 자동화 국제 사회, 2012. 제58회 국제 계측기 심포지엄에서 논의된 바와 같이, 다중-션트 교정을 사용하여, 그 전체 개시는 여기에서 전체적으로 참조로서 통합된다). 이러한 실시예들에서, 동작(740)에서, 방법은 동작(730)에서 수행된 교정으로부터 기인한 교정 데이터 및 전압 응답(VCELL)으로부터 에너지 저장 셀(210)의 전류 응답(ICELL)을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 제어 회로부(300)의 어떤 교정도 요구되지 않을 수 있다. 이러한 실시예들에서, 동작(750)에서, 방법은 SOS 신호(404)에 대한 에너지 저장 셀(210)의 전류 응답(ICELL)을 측정하는 단계를 포함할 수 있다(예로서, 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같이, 에너지 저장 셀(210)의 단자들(212, 214)과 직렬로 알려진 저항기(RMEAS)에 걸친 전압 전위(VMEAS)를 측정하며, 저항기(RMEAS)의 알려진 값으로 전압 전위(VMEAS)를 나눔으로써).
동작들(730 및 740)을 참조하여 이전에 논의된 바와 같이, 전류 응답(ICELL)은 전압 응답(VCELL) 및 교정 데이터를 사용하여 추정될 수 있거나, 또는 동작(750)을 참조하여 논의된 바와 같이, 전류 응답(ICELL)이 측정될 수 있다. 추정되는지 또는 측정되는지에 관계없이, 전류 응답(ICELL)은 실질적으로 동일할 수 있다. ICELL이 추정된다면, 교정이 요구될 수 있지만, 단지 단일 측정만이 요구될 수 있다(VCELL을 측정하기 위해). 다른 한편으로, ICELL이 측정된다면, 어떤 교정도 요구되지 않을 수 있지만, 추가 측정이 요구될 수 있다(VMEAS를 측정하기 위해). 이들 이점들 및 단점들에 대한 고려는 동작들(730 및 740)을 통해, 또는 동작(750)을 통해 방법을 수행할지를 결정하는데 취해져야 한다.
동작(760)에서, 방법은 전압 응답(VCELL) 및 전류 응답(ICELL)을 사용하여 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 에너지 저장 셀(210)의 임피던스는 전류 응답(ICELL)의 대응하는 주파수 구성요소로 SOS 신호(404)의 복수의 상이한 주파수들의 각각에 대응하는 전압 응답(VCELL)의 주파수 구성요소를 나눔으로써 계산될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 계산하는 단계는 제어 회로(300)의 임피던스 계산 모듈(350)(도 3a)을 사용하여 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 계산하는 단계를 포함한다.
도 8은 도 2의 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)의 제어 회로(300)를 교정하는 예시적인 방법을 예시한 간소화된 흐름도(800)이다. 도 2 및 도 8을 함께 참조하면, 동작(810)에서, 방법은 에너지 셀 임피던스 측정 시스템(200)에 단일 션트를 동작 가능하게 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 단일 션트는, 상기 논의된 바와 같이(도 5 및 도 6), 에너지 저장 셀(210)이 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)에 동작 가능하게 결합되는(예로서, 고 전압 버퍼(500)를 통해) 동일한 방식으로 푸시 전류 소스(410) 및 풀 전류 소스(420)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 단일 션트는 알려진 저항의 단일 저항 션트를 포함할 수 있다.
동작(820)에서, 방법은 SOS 신호(404) 및 직교 SOS 신호(도시되지 않음)를 션트에 인가하는 단계, 및 평탄화 필터(330)(도 3a)의 응답을 결정하기 위한 SOS 신호(404) 및 직교 SOS 신호에 대한 션트의 응답들을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어("직교 SOS 신호")는 SOS 신호(404)의 임의의 사인 신호들을 코사인 신호들로, 및 SOS 신호(404)의 임의의 코사인 신호들을 사인 신호들로 변경함으로써 표현될 수 있는 SOS 신호(404)의 버전을 언급한다. 예를 들면, SOS 신호(404)가 ISOS SIGNAL = sin(ωt) + cos(2ωt) + sin(3ωt)에 의해 설명될 수 있다면, 대응하는 직교 SOS 신호는 IORTHOGONAL SOS = cos(ωt) + sin(2ωt) + cos(3ωt)로서 표현될 수 있다. SOS 신호(404) 및 직교 SOS 신호는 양쪽 모두 에너지 저장 셀(210)의 임피던스를 측정하기 위한 관심 주파수들의 각각을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, SOS 신호(404)는 HOST SOS 신호를 포함할 수 있으며, 직교 SOS 신호는 대응하는 직교 HOST SOS 신호일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 신호(404)는 사인들의 합을 포함할 수 있으며, 직교 SOS 신호는 코사인들의 합을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, SOS 신호(404)는 코사인들의 합을 포함할 수 있으며, 직교 SOS 신호는 사인들의 합을 포함할 수 있다. 다른 SOS 신호들(404) 및 직교 SOS 신호들은 또한 본 개시의 범위 내에서 션트에 인가될 수 있다.
동작(830)에서, 방법은 평탄화 필터(330)의 결정된 응답을 보상하기 위해 프리-엠퍼시스 파라미터들을 결정하고 인가하는 단계(예로서, 도 3a의 SOS 제어 모듈(310)로)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어 회로부(300)(도 3a)는 SOS 신호(404) 및 직교 SOS 신호의 각각의 주파수 구성요소에 대해, 크기 및 위상 응답들을 결정하도록 구성될 수 있다. SOS 제어 모듈(310)은 이어지는 동작들(840, 850, 및 860)에서 SOS 신호들(404) 및 직교 SOS 신호들을 인가할 때 이들 크기 및 위상 응답들의 각각을 보상하도록 구성될 수 있다.
동작(840)에서, 방법은 양쪽 모두가 제 1 크기를 갖는, 제 1 SOS 신호 및 제 1 직교 SOS 신호를 션트에 인가하는 단계, 및 제 1 SOS 신호 및 제 1 직교 SOS 신호 양쪽 모두에 대한 션트의 제 1 응답들을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
동작(850)에서, 방법은 양쪽 모두가 제 1 크기와 상이한 제 2 크기를 갖는, 제 2 SOS 신호 및 제 2 직교 SOS 신호를 션트에 인가하는 단계, 및 제 2 SOS 신호 및 제 2 직교 SOS 신호 양쪽 모두에 대한 션트의 제 2 응답들을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 제 2 크기는 제 1 크기의 절반일 수 있다.
동작(860)에서, 방법은 양쪽 모두가 제 1 및 제 2 크기들과 상이한 제 3 크기를 갖는, 제 3 SOS 신호 및 제 3 직교 SOS 신호를, 션트에 인가하는 단계, 및 SOS 신호 및 직교 SOS 신호 양쪽 모두에 대한 션트의 제 3 응답들을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제 3 크기는 제 1 크기의 두 배일 수 있다.
몇몇 종래의 교정 기술들은 테스트 에너지 저장 셀의 예상된 임피던스 값들의 범위를 커버하는 상이한 저항 및 반응 값들을 갖는 다수의 상이한 션트들을 이용한다. 반대로, 도 8에 예시된 방법은 단일 션트에 인가된 SOS 전류들을 조정함으로써 다수의 션트들을 시뮬레이팅(simulating)한다. 도 8에 예시된 예에서, 6개의 션트들(3개의 상이한 저항성 션트들 및 3개의 상이한 반응성 션트들)이 시뮬레이팅된다. 구체적으로, 제 1 SOS 신호를 인가하는 단계(동작 840)는 제 1 시뮬레이팅된 저항에 대응하고, 제 2 SOS 신호를 인가하는 단계(동작 850)는 제 1 시뮬레이팅된 저항의 절반의 저항의 제 2 시뮬레이팅된 저항에 대응하며, 제 3 SOS 신호를 인가하는 단계(동작 860)는 제 1 시뮬레이팅된 저항의 두 배의 저항의 제 3 시뮬레이팅된 저항에 대응한다. 따라서, 제 1 SOS 신호의 크기를 조정함으로써, 션트의 시뮬레이팅된 저항 값은 비례하여 변경될 수 있다.
유사하게, 제 1 직교 SOS 신호, 제 2 직교 SOS 신호, 및 제 3 직교 SOS 신호는 3개의 상이한 시뮬레이팅된 리액턴스 값들에 대응할 수 있다. 비교적 낮은 주파수들에서 비교적 낮은 레벨들의 용량성 리액턴스는 직교 SOS 신호들을 제공함으로써 저항성 션트들로 시뮬레이팅될 수 있으며, 시뮬레이팅된 리액턴스 값들은 인가된 직교 SOS 신호들의 크기를 변경함으로써 변경될 수 있다.
도 8의 예는 예시적이며, 제한적이지 않은 것으로 이해되어야 한다. 본 개시의 범위 내에서, 주어진 에너지 저장 셀에 대해 예상된 시뮬레이팅된 임피던스 값들의 무한한 수의 치환들을 시뮬레이팅한 SOS 신호들 및 직교 SOS 신호들의 무한한 수의 상이한 치환들(예로서, 제 1, 제 2, 및 제 3 SOS 신호 및 직교 SOS 신호에 제한되지 않은)이 사용될 수 있다.
도 9는 임피던스 측정 시스템(900)의 간소화된 블록도이다. 임피던스 측정 시스템(900)은 하나 이상의 에너지 저장 셀들(910-1,...910-N)(때때로 이후 일반적으로 개별적으로 "에너지 저장 셀"(910)로서, 및 함께 "에너지 저장 셀들"(910)로서 참조되는)에 동작 가능하게 결합된 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)을 포함할 수 있다. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 도 2를 참조하여 상기 논의된 것과 유사할 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 제어 회로부(300), 차동 전류 소스들(410, 420)(도 4a 및 도 4b)을 포함하는 SOS 전류 여기 회로부(400), 및 고 전압 버퍼(500)를 포함할 수 있다. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 에너지 저장 셀들(910)의 단자들로 SOS 신호들(404)을 제공하며, 단자들의 전기 신호들(216)(예로서, 전압 응답들, 전류 응답들 등)을 측정하도록 구성될 수 있다. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 전기 신호들(216)을 사용하여 에너지 저장 셀들(910)의 임피던스를 결정하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 스위칭 네트워크(930)를 통해 에너지 저장 셀들(910)에 동작 가능하게 결합될 수 있다. 스위칭 네트워크(930)는, 에너지 저장 셀들(910)이 다수의 에너지 저장 셀들을 포함한다면, 한 번에 에너지 저장 셀들(910) 중 하나에 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)을 선택적으로(수동으로 또는 자동으로) 동작 가능하게 결합하도록 구성될 수 있다. 따라서, 스위칭 네트워크(930)는 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)이 한 번에 하나씩 에너지 저장 셀들(900)의 임피던스를 측정할 수 있게 하기 위해 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 그러나, 어떤 스위칭 네트워크(930)도 사용되지 않을 수 있으며, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 에너지 저장 셀들(910)의 각각에 동작 가능하게 결합될 수 있다(예로서, 개별적으로). 몇몇 실시예들에서, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은, 각각이 에너지 저장 셀들(910) 중 하나에 동작 가능하게 결합된, 다수의 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템들(200)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단일 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(910)은 에너지 저장 셀들(910)의 각각에 동작 가능하게 결합되며, 상이한 시간들에서 에너지 저장 셀들(910)의 각각으로 SOS 신호들(404)을 선택적으로 인가하며 그로부터 결과적인 전기 신호들(216)을 측정하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)은 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)에 동작 가능하게 결합된 컴퓨팅 디바이스(920)를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(920)는 외부 컴퓨팅 디바이스(예로서, 개인용 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 자동차 중앙 프로세싱 유닛, 태블릿 컴퓨터, 스마트폰 등)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(920)는 제어 회로부(300)(도 3a)의 기능들 중 적어도 일부를 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 컴퓨팅 디바이스(920)는 측정된 신호 데이터(342)(도 3a)를 수신하며, 측정된 신호 데이터(342)를 사용하여 에너지 저장 셀들(910)의 임피던스를 산출하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(920)는 제어 회로부(300)에 의해 제공된 임피던스 데이터(358)를 추가로 프로세싱하도록 구성될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 컴퓨팅 디바이스(920)는 사용자로 하여금 선도들을 쌍방향으로 보고, 보고들을 생성할 수 있게 하며, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)의 제어 회로부(300)에 의해 제공된 임피던스 데이터(358)(도 3a)와 연관된 다른 동작들을 가능하게 하기 위해 소프트웨어로 수정될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 다수의 에너지 저장 셀들(910)은 바람직할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 몇몇 전기 또는 하이브리드 자동차들은 다수의 에너지 저장 셀(910) 시스템들로부터 이득을 얻을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 에너지 저장 셀들(910)에 의해 동력을 공급받는 장치는, 제자리에서 에너지 저장 셀들(910)의 건강의 모니터링을 가능하게 하기 위해, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)을 포함할 수 있다. 비-제한적인 예로서, 자동차는 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200), 및 에너지 저장 셀들(910)을 포함할 수 있다. 경고(예로서, 시각적, 가청의, 또는 그것의 조합)는 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템(200)이 에너지 저장 셀들(910) 중 하나가 교체되어야 함을 검출할 때 제공될 수 있다.
특정한 예시적인 실시예들이 도면들과 관련되어 설명되었지만, 당업자들은 본 개시에 의해 포함된 실시예들이 여기에서 명시적으로 도시되고 설명된 이들 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 인지하고 이해할 것이다. 오히려, 여기에서 설명된 실시예들에 대한 많은 부가들, 삭제들, 및 수정들이, 합법적 등가물들을 포함하여, 이후 주장된 것들과 같은, 본 개시에 의해 포함된 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 또한, 하나의 개시된 실시예로부터의 특징들은 본 개시에 의해 여전히 포함되면서 또 다른 개시된 실시예의 특징들과 조합될 수 있다.

Claims (26)

  1. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스에 있어서:
    에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자로부터 차동 전류 소스들의 접지 단자를 분리하도록 구성된 차동 전류 소스들을 포함하는 정현파들의 합(sum-of-sinusoids; SOS) 전류 여기 회로로서, 상기 SOS 전류 여기 회로는 상기 에너지 저장 셀을 통해 SOS 신호를 인가하도록 구성되고, 상기 SOS 신호는 복수의 정현파 전류 신호들의 합을 포함하며, 상기 복수의 정현파 전류 신호들의 각각은 복수의 상이한 주파수들 중 상이한 주파수에서 발진하는, 상기 정현파들의 합(SOS) 전류 여기 회로; 및
    상기 SOS 전류 여기 회로, 상기 양의 단자, 및 상기 음의 단자에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 제어 회로부를 포함하고, 상기 제어 회로부는:
    상기 SOS 전류 여기 회로가 상기 SOS 신호를 생성하게 하도록 구성된 SOS 제어 모듈;
    상기 에너지 저장 셀의 상기 양의 단자 및 상기 음의 단자 상에서의 전기 신호들을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 신호 측정 모듈; 및
    상기 SOS 신호의 각각의 주파수에 대한 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하기 위해 상기 적어도 하나의 신호 측정 모듈에 의해 측정된 상기 전기 신호들을 사용하도록 구성된 임피던스 계산 모듈을 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 상이한 주파수들은 상기 복수의 상이한 주파수들 중 최저 주파수의 정수 고조파 주파수들을 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 SOS 신호들의 상기 복수의 정현파 전류 신호들은 상기 복수의 상이한 주파수들의 각각의 연속 주파수에 대해 교번하는 사인 및 코사인 전류 신호들을 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 SOS 전류 여기 회로와 상기 에너지 저장 셀 사이에서 동작 가능하게 결합된 고 전압 버퍼를 더 포함하며, 상기 고 전압 버퍼는 상기 양의 단자와 상기 음의 단자 사이에서의 직류 전압 전위 차로부터 상기 SOS 신호의 적어도 일 부분을 운반하는 상기 SOS 전류 여기 회로의 적어도 하나의 신호 라인을 분리하도록 구성되는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고 전압 버퍼는 상기 차동 전류 소스들 중 적어도 하나와 상기 에너지 저장 셀의 상기 양의 단자 및 상기 음의 단자 중 적어도 하나 사이에서 동작 가능하게 결합된 고 전압 차단 커패시터를 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 차동 전류 소스들은 전류를 상기 에너지 저장 셀로 푸시(push)하도록 구성된 푸시 전류 소스, 및 상기 에너지 저장 셀로부터 전류를 풀링(pulling)하도록 구성된 풀 전류 소스를 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 푸시 전류 소스는 상기 풀 전류 소스와 적어도 실질적으로 동일한 전류를 제공하도록 구성되는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 차동 전류 소스들은 약 육십(60) 볼트 직류보다 큰 직류 전압 전위 출력을 갖는 에너지 저장 셀을 통해 상기 SOS 신호를 제공하도록 구성되는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 차동 전류 소스들은 적어도 약 3백(300) 볼트 직류의 직류 전압 전위 출력을 갖는 에너지 저장 셀을 통해 상기 SOS 신호를 제공하도록 구성되는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 디바이스.
  10. 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법에 있어서:
    에너지 저장 셀의 양의 단자 및 음의 단자로부터 차동 전류 소스들의 접지 단자를 분리하도록 구성된 상기 차동 전류 소스들을 포함하는 임피던스 측정 디바이스의 정현파들의 합(SOS) 전류 여기 회로로 SOS 신호를 상기 에너지 저장 셀에 인가하는 단계로서, 상기 SOS 신호는 정현파 전류 신호들의 합을 포함하고, 상기 정현파 전류 신호들의 각각은 복수의 상이한 주파수들 중 상이한 주파수에서 발진하는, 상기 인가 단계;
    상기 양의 단자 및 상기 음의 단자에 결합된 상기 임피던스 측정 디바이스의 적어도 하나의 신호 측정 모듈로 상기 에너지 저장 셀의 상기 양의 단자 및 상기 음의 단자에서 전기 신호를 측정하는 단계; 및
    상기 임피던스 측정 디바이스의 임피던스 계산 모듈로 상기 측정된 전기 신호를 사용하여 상기 복수의 상이한 주파수들의 각각에서 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 측정 모듈로 상기 양의 단자 및 상기 음의 단자에서 전기 신호를 측정하는 단계는:
    상기 에너지 저장 셀의 상기 양의 단자 및 상기 음의 단자에 걸쳐 상기 SOS 신호에 대한 전압 전위 응답을 측정하는 단계; 및
    상기 에너지 저장 셀을 통해 상기 SOS 신호에 대한 전류 응답을 측정하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    임피던스 계산 모듈로 상기 복수의 상이한 주파수들의 각각에서 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하는 단계는 상기 복수의 상이한 주파수들 중 동일한 주파수에 대응하는 상기 측정된 전류 응답의 일 부분으로 상기 복수의 상이한 주파수들의 각각에 대응하는 상기 측정된 전압 전위 응답의 일 부분을 나누는 단계를 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    임피던스 계산 모듈로 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하는 단계는 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하도록 구성된 제어 회로부를 교정하지 않고 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 산출하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    알려진 저항의 단일 션트를 사용하여, 상기 에너지 저장 셀의 임피던스를 계산하도록 구성된 제어 회로부를 교정하는 단계를 더 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 회로부를 교정하는 단계는:
    상기 SOS 전류 여기 회로로 제 1 크기를 갖는 제 1 SOS 신호를 상기 단일 션트에 인가하는 단계;
    상기 적어도 하나의 신호 측정 모듈로 상기 제 1 SOS 신호에 대한 상기 단일 션트의 응답을 측정하는 단계;
    상기 SOS 전류 여기 회로로 상기 제 1 크기를 갖는 제 1 직교 SOS 신호를 상기 단일 션트에 인가하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 신호 측정 모듈로 상기 제 1 직교 SOS 신호에 대한 상기 단일 션트의 응답을 측정하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어 회로부를 교정하는 단계는:
    상기 SOS 전류 여기 회로로 상기 제 1 크기와 상이한, 제 2 크기를 갖는 제 2 SOS 신호를 상기 단일 션트에 인가하는 단계;
    상기 적어도 하나의 신호 측정 모듈로 상기 제 2 SOS 신호에 대한 상기 단일 션트의 응답을 측정하는 단계;
    상기 SOS 전류 여기 회로로 상기 제 2 크기를 갖는 제 2 직교 SOS 신호를 상기 단일 션트에 인가하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 신호 측정 모듈로 상기 제 2 직교 SOS 신호에 대한 상기 단일 션트의 응답을 측정하는 단계를 더 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 SOS 신호를 인가하는 단계는 상기 SOS 전류 여기 회로로 상기 복수의 상이한 주파수들 중 최저 주파수의 단일 기간 동안 상기 SOS 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 에너지 저장 셀의 임피던스를 측정하는 방법.
  18. 에너지 저장 셀 임피던스 측정 회로에 있어서:
    차동 전류 소스들로서:
    에너지 저장 셀의 양의 단자에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 푸시 전류 소스;
    상기 에너지 저장 셀의 음의 단자에 동작 가능하게 결합하도록 구성된 풀 전류 소스; 및
    상기 푸시 전류 소스와 상기 풀 전류 소스 사이에서 동작 가능하게 결합된 상기 차동 전류 소스들의 접지 단자를 포함하는, 상기 차동 전류 소스들; 및
    상기 푸시 전류 소스 및 상기 풀 전류 소스 중 적어도 하나에 동작 가능하게 결합되고 상기 에너지 저장 셀에 의해 제공된 직류 전압으로부터 상기 푸시 전류 소스 및 상기 풀 전류 소스 중 적어도 하나를 분리하도록 구성된 고 전압 버퍼를 포함하며,
    상기 차동 전류 소스는 상기 에너지 저장 셀의 상기 양의 단자 및 상기 음의 단자를 통해 정현파들의 합(SOS) 신호를 인가하도록 구성되는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 회로.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 푸시 전류 소스 및 상기 풀 전류 소스는 각각 동작 증폭기 전류 소스를 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 회로.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 고 전압 버퍼는,
    상기 푸시 전류 소스와 상기 양의 단자; 및
    상기 풀 전류 소스와 상기 음의 단자 중 적어도 하나 사이에서 동작 가능하게 결합된 적어도 하나의 커패시터를 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 회로.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 고 전압 버퍼는 상기 적어도 하나의 커패시터를 프리-차징하도록 구성된 프리-차지 제어 회로부를 포함하는, 에너지 저장 셀 임피던스 측정 회로.
  22. 임피던스 측정 시스템에 있어서:
    하나 이상의 에너지 저장 셀들; 및
    상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들에 동작 가능하게 결합된 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템을 포함하고, 상기 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템은:
    차동 전류 소스들을 포함하는 정현파들의 합(SOS) 전류 여기 회로부로서, 상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들에 SOS 신호들을 인가하도록 구성되고, 상기 SOS 신호들은 복수의 정현파 전류 신호들의 합들을 포함하고, 상기 복수의 정현파 전류 신호들의 각각은 복수의 상이한 주파수들 중 상이한 주파수을 포함하는, 상기 정현파들의 합(SOS) 전류 여기 회로부; 및
    상기 SOS 전류 여기 회로 및 상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들에 동작 가능하게 결합된 제어 회로부를 포함하며, 상기 제어 회로부는:
    상기 SOS 전류 여기 회로부를 제어하고;
    상기 SOS 신호들에 응답하여 상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들의 단자들에서 전기 신호들을 측정하며;
    상기 에너지 저장 셀들의 임피던스들을 계산하도록 구성되는, 임피던스 측정 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들은 복수의 에너지 저장 셀들을 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 저장 셀들에 상기 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템을 선택적으로 동작 가능하게 결합하도록 구성된 스위칭 네트워크를 더 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 에너지 저장 셀들을 포함하는 자동차를 더 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 자동차는 상기 에너지 저장 셀 임피던스 측정 시스템을 더 포함하는, 임피던스 측정 시스템.
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