KR101227747B1 - 리치움밧데리 시스템에 대한 셀 바란싱 방법 - Google Patents

Abstract

재충전 가능한 복수의 셀 밧데리팩은 이와 관련된 어플리케이션을 가지고, 밧데리팩으로부터 전력을 인출한다. 밧데리팩이 작업중에 있을 때, 전압, 전류, 충전상태(SOC), 그리고 임피던스 데이터는 각 셀(cell)별로 수집되고, 알고리즘이 실행되어 미리 지정된 범위와 일치하는 밧데리팩의 각개 셀에 대한 충전상태를 결정한다. 각개 셀은 각각의, 정해진 충전상태(SOC) 레벨로 충전된다.

Description

리치움밧데리 시스템에 대한 셀 바란싱 방법{Method for cell balancing for lithium battery systems}

본 발명을 첨부도면 참조한 일 실시예를 들어 기재한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 밧데리팩을 단순화한 개략도로서의 블럭다이아그램

도 2는 본 발명상의 방법을 나타내는 플로우챠트

도 3은 밧데리팩에서의 각개 셀에 대해 에너지전달과 재생에너지 수용커브를 나타내는 그라프

(발명분야)

본 발명은 재충전밧데리와 같은 에너지 저장장치에 관한 것이고, 또한 특히 이들 장치를 충전하기 위한 방법에 관한 것이다.

(발명의 배경)

많은 응용예로 알려져 있는 것으로는, 햄포 등의 명의로 발행된 미국특허 제 6,394,208 "낮은 저장성 요구 하이브리드 전기자동차 구동촉진을 위한 스타터/얼터내이터 제어전략(STARTER/ALTERNATOR CONTROL STRATEGY TO ENHANCE DRIVEABILITY OF A LOW STORAGE REQUIREMENT HYBRID ELECTRIC VEHICLE)"가 있다. 여기에서는 추진토크(propulsion torque)를 제공하기 위해 모터로서 제 1 모-드로 에너지변환기(dynamoelectric machine)를 채용한다. 이러한 응용예에서는, 또한 발전기로서 제 2 모드(mode)로 에너지변환기를 바꾼 다른 형의 것이 알려져 있다. 이는 어플리케이션과 관련되는 잠재적에너지 또는 운동에너지 일부를 취하여 출력전력(output electrical power)으로 변환시키고, 재생에너지(regenerating energy)로 알려져 있는 공정으로 만들기 위한 것이다. 더우기, 이러한 응용예의 경우, 밧데리와 같이 모터로서 가동될 때 에너지변환기에 동력을 부여하고, 또한 이 변환기가 발전기로 가동될 때 재생에너지(regenerating energy)를 받기 위해 에너지시스템을 제공하는 것으로 알려져 있다.

후자의 경우, 재생에너지는 일반적으로 그러한 밧데리(battery)가 "완전" 충전(fully charged)될 때까지 밧데리 충전상태를 증가시키기 위해 일반적으로 가동된다. 이러한 어플리케이션에 사용되는 대표적인 밧데리기술은 니켈금속수소화물(nickel metal hydride:NiMH), 연산 또는 납산(lead acid:PbA) 그리고 니켈카드뮴(NiCd) 기술을 포함하는데, 리치움화학제기술(lithium chemistry thchnologies)을 채용한 에너지시스템이 다른 밧데리기술만큼 우수하지 않더라도, 실제로 사용되고 있다.

이 밧데리의 최적화는, 충전에 영향을 준다. 현재 가장 적합한 것은 밧데리의 설계단계에서 이루어진다. 이는 밧데리가 사용되고 있는 중에서 이루어지는 "실제시간(real time)" 최적화에 반대되는 개념이다. "기대 또는 소정(expected)"의 고정적인 충전(fixed charging)이 이루어지고, 소비자 용도싸이클이 적용되고, 밧데리는 이들 소정의 싸이클을 중심으로 설계된다. 이 밧데리는 밧데리 용도의 소정사이클(expected cycles)에 따라 설계단계에서, 목표 충전상태(state-of-charge: SOC)로 바란싱(balancing)된다. 이 목표 SOC는 밧데리가 밧데리수명을 위해 바란싱하기 위한 SOC이다. 따라서, 이 밧데리수명은 설계사양에 따라 목표 SOC가 "실제시간(real-time)" 사용에 비해 최적의 것이 아닌 경우에는 현저히 짧아진다. 따라서 다른 고정 충전전략에는 전력에 따른 요구사항(빈번한 정지, 그리고 빈번한 에너지변환기의 구동개시와 같은) 또는 재생에너지를 흡수하기 위한 밧데리 성능 등을 고려하지 않고도 최대에너지 저장(그리고 출력)을 달성하기 위해서는 설계 전략이 필요하다. 이러한 고정충전만의 전략은 재충전 품목에 반대되는 방전만의 품목(discharge-only products)에만 적합할 뿐이다.

따라서, 이들 종래의 방법들은 적합하긴 하지만, 최적의 유용한 방법이라고는 할 수 없다. 현존하는 방법은 전술한 바와 같이 밧데리에 대해 충전요법으로서의 "실제시간"으로 적용되지도 않고, 밧데리가 사용되는 곳에서 가변되는 어플리케이션(application)이 고려되고 있지도 않다. 예컨데, 밧데리를 충전할 때 가장 높은 SOC로 충전하기 위해서는 밧데리 어플리케이션을 회피하기 위해 최장기 사용기간이나 또는 가장 큰 범위를 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 해결책은 재생에너지를 받아들이는 보다 다양한 용도에는 적합치 않은 것으로 생각된다. 낮은 SOC는 밧데리가 재생에너지를 받아들이는 적절한 충전레벨(charge level)을 나타내거나, 또는 다양한 동력기능(반복되는 충전과 방전사이클)을 부여한다.

복수의 셀 리치움화학밧데리(multiple cell lithium chemistry batteries)는 밧데리충전방법으로 개발하기 위해 특히 새로운 시도로 나타난 것이다. 이 복수의 셀 리치움밧데리 내에 있는 각 셀은 유일하게 전기특성을 가지며, 임피던스레벨(impedance level)과 SOC를 포함구성한다. 소정의 밧데리 디자인이 최대 에너지출력을 일으키면, 하나의 셀은 밧데리 내에서 다른 셀보다도 더욱 충분히 충전해야 할 필요를 가진다. 만일 각 셀의 전기적 특성이 확인 추적되지 않으면, 충전방법은 설계된 용도대로 적절한 결과가 나오지 않고, 결국 최선의 기능을 수행하는 셀에 적용되도록 조정되어야 한다. 이는 셀의 과충전을 방지할 필요성을 가져오는데, 리치움화학제밧데리는 그러한 과충전을 허용하지 않게 된다. 이와 같이, 만일 밧데리 충전설계가 밧데리 재생에너지를 수용하기 위한 용량을 가질 것이 요구되고, 동적상태에서의 에너지 공여 및 수용이 반대로 점진적 상태로 되는 위치로 에너지를 제공하게 되면, 이 방법은 밧데리를 적절한 충전으로 제공하지 못하게 된다. 이 각셀에 대해 적절한 SOC는 그러한 환경하에서는, 셀 사이에서 가변되고, "하나의 사이즈가 모든 것에 맞도록 하는" SOC 충전전략이 적절하게 되지 못한다.

따라서, 밧데리 팩(battery pack)의 셀(cell)이 특정 및 개개별 SOC 레벨로 충전되도록 하는 방법이 필요하게 되고, 밧데리 작업중 모여진 데이터에 의해 각개 셀에 유일하고 적합한 상태로 충전되므로써 상술한 하나 이상의 문제점을 최소화하거나 없앨 수가 있게 된다.

(발명의 요약)

본 발명의 한가지 목적은 전술한 바와 같이 하나 이상의 문제점을 해결하는데 있다. 본 발명 특징의 한 가지는 밧데리의 각개셀이 그 셀에 특정된 충전상태(SOC)로 충전되도록 한다는 점이다. 이 각 충전레벨상태(state-of-charge levels)는 밧데리가 사용상태에 있는 동안 결정된다. "실제-시간(real-time)", 즉 실시간 데이터는 이 실제사용에 대응되는 데이터로서, 부하 프로필(load profile)을 결정하는데 사용된다. 이 부하프로필은, 임피던스 측정 외에도, 향상된 밧데리 작동에 있어 각 셀에 대한 특정 SOC를 결정하는데 사용된다.

이들 및 다른 특징, 목적, 장점들은 본 발명에 의해 실현 가능하다. 본 발명에는 재충전 가능한 멀티플 셀 밧데리팩(rechargeable multiple cell battery pack)의 제어방법이 포함된다. 이 방법은 또한 에너지 전달의 소정레벨과 밧데리에 대한 재생에너지를 수용하는 소정레벨을 밧데리 작업중 관측되는 밧데리셀의 전기적 특성에 대응되는 데이터에 따라 결정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 에너지전달의 소정레벨과 재생에너지 수용에 따라 각 셀에 대해 목표 SOC를 결정하기 위한 알고리즘(algorithm)을 수행하는 단계를 포함한다. 재충전 가능한 밧데리팩과 에너지시스템은 에너지 저장장치를 가지는 것으로 또한 나타나 있다. 그리고 재충전 가능한 밧데리팩과 에너지 저장장치를 갖는 에너지시스템 또한 나타나 있다.

(최량의 실시예에 의한 발명의 상세한 설명)

동일부위에는 동일 식별부호를 붙인 첨부도면을 참조하면, 도 1은 하나 이상의 일례로서의 복수 어플리케이션(application)(12)과 관련된 용도에 적합한 본 발명상의 밧데리팩(battery pack)(10)을 개략적으로 나타낸 블럭다이아그램이다.

도면에 일례로 나타나 있는 어플리케이션(12)은 역학적 에너지의 에너지변환기(dynamoelectric machine)(14)를 채용하는 타입의 것이다. 이는 작업을 위해 다시 배치되고 (ⅰ)제 1 모드에서는 위 에너지변환기(14)가 추진토크를 위해 사용되거나, 또는 (ⅱ) 제 2 모드에서는 제 1 모드와 달리, 위 변환기(14)가 재생에너지의 생성을 위해 배치된다(즉, 발전기로서 배치된다). 예컨데, 이러한 응용예로서는 특징적으로 제한되는 것은 아니나, 주로 자가추진차량용을 들 수 있다. 물론 다른 자연적인 응용예(예컨데 관성을 가진 하중으로 회전하는 시스템) 또한 본 발명의 취지와 범위내에서 포함된다. 에너지변환기(14)는 종래 알려져 있는 장치로 구성되는데, 예만을 들면, AC 또는 DC 전기모터, 브라쉬(brush) 있는, 또는 브라쉬 없는 전기모터, 전자석 또는 영구자석을 가진 전기모터, 자기저항을 가진 전기모터 등을 들 수 있다. 앞서 예로 든 것은 어디까지나 예에 불과한 것일 뿐, 그 외의 예를 제한하는 것이 아님을 분명히 한다.

밧데리팩(battery pack)(10)에는 입력/출력 단자(16), 파워부스(power bus)(18), 통신라인(20), 충전기(22), 동력(전력)을 받기 위한 충전기(22)용 종래의 벽 플러그(24)와 같은 수단 또는 회로, 전력선 또는 동력라인(26), 제어라인(28), 밧데리셀, 전압센서(32), 충전상태(SOC)센서(33), 전류센서(34) 및 임피던스 측정장치(impedance measuring device)(35) 등이 구성된다.

밧데리팩(10)에는 또한, 밧데리 제어유닛(BCU)(36)이 있고, 이는 중앙연산장치(CPU)(38), 충전제어기(a charge controller)(40) 및 바란싱프로그램(balancing program)(42) 등이 구성된다. 본 발명은 따라서 특수형의 사용싸이클, 소정의 에너지 전달량의 제공량 계산에 따르거나 또는 재생에너지를 받도록 하기 위한 충전상(charging regimen)을 계속적으로 맞추어주므로써 재충전 가능한 밧데리팩(rechargeable battery pack)(10)이 최대의 능률을 올리도록 하기 쉽게 해준다. 본 발명의 이러한 기능을 이용하므로써 밧데리팩(10)의 사용자들은 종래기술로는 얻을 수 없었던 아주 적절한 기능을 밧데리팩(10)으로부터 얻어낼 수 있게 하여준다.

도 1을 보면, 밧데리팩(10)에는 도에서 "T"(단자용)로 나타나 있는 입력/출력단자(16)가 구성된다. 또한, 도면에서 "PWR/REGEN"으로 설계되어 있는 파워부스(18)는, 에너지변환기(14)가 우선 추진토크모드(propulsion torque mode)에서 가동될 때 에너지시스템(10)용 전력을 끌어내도록 설계된다. 파워부스(18)는 또한 전기에너지를 전달시키기 위해 설계되거나 사용된다. 이후 이를 재생에너지라 부르는데, 제 2의 재생에너지 제조모드(발전기로서)로 가동 또는 작업될 때 에너지변환기(14)로 만들어진다. 이 실시예에서는 또한 밧데리팩(10)이 도 1에서의 "TX/RX"(전달/수납)로 설계되어 있는 통신라인(20)에 연결하기 위해 설치된 통신포트(communication port)를 구성하고 있는 것이 나타나 있다. 통신라인(20)은 양방향통신용으로 설치된다. 예컨데 밧데리팩(10)과 어플리케이션(12) 사이에서 신호 또는 메시지를 제어한다.

도 1은 또한 전기 밧데리충전기(22)를 나타낸다. 이는 일례로서 벽 출구(wall outlet)에 연결하기 위해 종래의 전기플러그(24)를 구성한다. 상기 충전기(22)는 밧데리팩(10)을 충전(또는 재충전)하도록 설치된다. 이 충전기(22)에는 밧데리팩(10)의 충전(또는 재충전) 셀(30)을 충전하기 위해 밧데리팩(10)에 연결하기 위해 충전전력라인(26)이 구성되는데, 이 라인(26)을 I/O 단자(terminal)(PWR/REGEN)에 연결하는 것으로 간단히 도시하였다. 더우기, 충전기(22)는 제어신호, 예컨데 밧데리팩(10)으로부터 제어라인(28)상에서 충전종료신호(charge termination signal)와 같은 제어신호를 받도록 설치된 입력장치(input)를 구성한다. 이 제어라인(28)상에서 충전종료신호는 충전기(22)가 충전 밧데리팩(10)(즉, 충전정지 위해)을 불연속되도록 설치된다. 예컨데, 밧데리팩(10)이 본 발명에 따라 산출된 레벨로 충전될 때 그러하다. 또한, 충전기(22)는 가변 가능한 충전기(22)로 할 수 있다. 여기에서 라인(28)상에서의 제어신호가 충전전류를 종료함은 물론, 충전전류를 조정하도록 가동된다. 충전기(22)는 통상의 기술을 가진 자에게 알려져 있는 종래의 충전부품으로 구성된다.

도시된 예에서는, 밧데리팩(10)에 하나 이상의 밧데리셀(30)이 구성되고, 적어도 하나 이상의 전압센서(32), SOC블럭(33), 전류센서(current censor)(34) 및 임피던스블럭(impedance block)(35) 등이 포함구성된다. 각 셀(30)은 전력을 만들기 위해 설치되는데, 전류를 보내고 받기 위한 각각의 단자(잘 나타나 있지 않음)를 가지며, 각 셀(30)별 전기측정이 되도록 허용된다. 이 셀(30)은 도시된 실시예에서와 같이, 집합출력(collective output)이 I/O 단자(16) 위에서 제공되도록 정렬된다.

종래의 전류는, 직설적으로 말하면, 밧데리팩 단자(16)를 통해 어플리케이션(12)에 있는 부하(즉, 에너지변환기(14))에 대해 각 셀단자 밖으로 흘러나간다. 셀(30)은 또한 재충전되도록 설치된다. 예를 들면, 종래의 전류를 I/O 단자(16)에서 밧데리팩(10) 속으로 받아 각 셀의 단자에 전달하는 것이다. 셀(30)은 발명의 배경난에서 기재되어 있는 바와 같이, 예컨데 NiMH, PbA, NiCd 등에 관한 밧데리 기술에 따른 종래의 장치로 구성된다. 최량의 실시예에서는, 그러나 셀(30)이 에너지 저장기술에서 통상의 기술을 가진 알려진 여러가지 리치움화학제에 따라 형성된다. 도시된 예에서는, 셀(30)이 미리 지정된, 공칭레벨(예컨데 100% 충전상태에서 80볼트)에서의 직류(DC)출력을 만들어주도록 정렬된다. 그러나, 이는 어디까지나 일례에 지나지 않는 것이고, 이로 인해 어떤 제약을 받거나, 제한받지 않는다.

전압센서(32)는 밧데리팩(10)으로부터 어플리케이션(12)에 주어지는 전압레벨을 측정하도록 설치되고, 측정된 전압의 전압지시 신호표시(voltage indicative signal representative)를 만들어 주도록 설치된다. 한가지 예에서는 하나의 전압센서(32)가 셀(30)의 조합으로 되는 전체전압출력을 검출하는데 제공되는 것으로 되어 있다. 그러나, 최량의 실시예에서는, 다수의 전압센서(32)(알기 쉽게 하기위해 모든 갯수 모두를 도시하지 않았음)를 밧데리팩(10)에 포함된 각개 셀에 대해 하나 이상에서 채용하고 있다. 전압센서(32)는 알려져 있는 종래의 장치로 구성된다.

SOC 블럭(33)은 밧데리팩(10) 또는 그 각개 셀의 충전상태(SOC)를 지정하기 위해 설치된다. 실시예에서는, 각 셀(30)의 SOC는 미리 지정된 SOC 데이터(예컨데 표)와 조합시켜 전압측정계로 측정하고 다음 기록하고 추적확인한다. 이들 측정들은 셀(30)이 언제 충분히 충전되는가를 알기 위한 것임은 물론이고, 각 셀에 대한 목표 SOC를 각기 결정하기 위해 바란싱프로그램(42)용 데이터를 제공한다. SOC센서(33)는 전술한 공지의 종래장치에서 언급한 전압/SOC 데이터를 이용하여 SOC 레벨을 만들기 위해 설치된다.

전류센서(34)는 밧데리팩(10)으로부터의 어플리케이션(12)에 의해 발생되어 나오는 전류를 검출하기 위해 설치되고, 측정된 전류레벨(극성 또는 전류흐름은 물론)의 전류지시 신호표시에 대응되어 생긴다. 셀(30)이 직렬로 연결되기 때문에, 단 하나의 전류센서(34)만이 필요하다. 전류센서(34)는 알려져 있는 종래의 장치로 구성된다.

임피던스 블럭(35)은 밧데리팩(10)의 내부 AC 또는 DC 임피던스 또는 그 각개 셀을 측정하기 위해 설치되고, 이 임피던스블럭(35)은 밧데리팩(10)의 각개 셀(30)에 대한 각 임피던스를 지정하기 위해 설치된다. 각 셀(30)의 내부 임피던스(internal impedance)는 그런다음, 지정되고, 기록되고 추적확인된다. 임피던스블럭(35)은 별개의 전압측정장치(예컨데 DC 또는 AC 부하시험기)를 포함구성하거나, 또는 소프트웨어에 의한 것으로 할 수 있다. 이 경우, 전압센서(32)와 전류센서(34)로부터의 데이터를 사용하여 잘 알려진 알고리즘, 타임에 따른(time-based) 예컨데, 옴의 법칙(전압=전류*임피던스)에 의해 셀(30)의 내부 임피던스를 산출할 수 있다. 이와 같이 하여, 임피던스블럭(35)은 임피던스를 지정하기 위해 종래의 접근방식을 채용한다. 전압센서(32), SOC블럭(33), 전류센서(34), 그리고 임피던스블럭(35)은 밧데리팩(10)과 그 각개 셀(30)에 대해 소정의 에너지를 결정하기 위한 수단(means) 또는 기구를 한정한다.

밧데리제어유닛(BCU)(36)은 밧데리팩(10)의 전체적인 작업을 제어하고, 여기에는 본 발명에 따른 충전전략에 대한 조정작업도 포함된다. CPU(38)는 알려진 종래의 연산장치를 구성하고, 셀충전 바란싱프로그램(42)으로 저장된 실행 가능한 프로그램화된 지시를, 모두 여기에서 기재된 바와 같은 기능에 따라 이행되도록 해준다. 이러한 관계로, 바란싱프로그램(42)은 CPU(36)와 짝을 이루어, 종래의 리치움에너지 제어(LEC) 하드웨어를 구성하는데, 이 에너지제어 하드웨어는 전압과 전류측정치와 같은 본 발명상의 다양하게 나오는 데이터를 처리함에 따른 각개 목표 SOC 레벨로 각개 셀(30)이 충전되도록 한다. CPU(36)와 바란싱프로그램(42)은 각개 셀(30)에 대한 각 목표 SOC 레벨을 결정하는 수단을 구성한다.

바란싱프로그램(42)은, CPU(36)를 통해 충전제어기(40)에 데이터를 제공하므로써, 충전제어기가 밧데리팩(10)에 나타나게 되는 특수용도 싸이클에 따라 셀(30)을 충전하도록 한다. 이 충전제어기(40)는, 또한 소프트웨어를 통해서 제어되기도 하며, 밧데리팩(10)(즉, 셀(30))을 계속적으로 재충전하는 것을 제어하기 위한 수단들을 한정한다. 아울러, 밧데리팩(10)은 제어가능한 스윗치나 스윗치류(도시 안됨)를 포함구성하고, 제어기(40)에 의해 제어되므로써 선정된 셀(30)에 관하여 충전을 중지 또는 차단하도록 작동되고, 그렇지 않을 경우에는 잔류 셀(30)에 관하여 충전을 중지 또는 차단하도록 작동되고, 그렇지 않을 경우에는 잔류셀(30)에 대해 충전이 계속되도록 하는데, 이 모두 본 발명에 따라 확립되는 각각의 목표 SOC 레벨에 따라 이루어진다.

도 1-2에는, 본 발명상의 방법이 나타나 있다. 다만 여기에서, 도 1의 도시된 일례로서의 특정 구조에 관하여 특별히 기재되어 있거나 또는 도 1의 특정구조에 관하여 특별히 기재하고 있지 않은 것은 CPU(38)에 의해 실행에 적절한 소프트웨어로 다음의 기능들이 수행된다는 점에 유의해야 한다.

도 2를 참조하면, 단계 50에서 충분히 충전된 밧데리팩(10)은 작업, 즉 가동상태에 있다. "충분히 충전된(fully charged)"이라는 말은 본 발명상의 각 셀에 따라 충전목표 SOC 레벨을 바꿀 수 있다는 것을 나타내는 서로 다른 뜻을 가질 수 있다. 예를 들면, "공장(factory)"으로부터의 충전은 처음에는 최대 100% 충전상태로 사전설정되거나 또는 100%보다 약간 적은 수치레벨로 설정하거나 하지만, 이는 사용 추정량(expected use, 즉 사용된 소정의 일부 재생에너지)에 따라 달라진다.

밧데리팩(10)은 어플리케이션(12)이 활성화되면 작업(또는 가동:operation)에 들어간다. 여기에는 하이브리드 차량 또는 전기차량을 가동하는 것을 포함한다. 그러나 이들 어플리케이션은 단지 예를 든 것에 불과할 뿐, 본 발명은 이들 용도에 한정되지 않는다.

단계 52에서는, 전압센서(32)와 전류센서(34)가 밧데리팩(10)의 각개 셀(30)로부터 어플리케이션(12)에 의해 미리 지정된 시간비율로 인출되는 전압 및 전류를 일례로 든 것이다. 이 단계는 시간을 기초로 한 일련의 누적측정치를 가져오는 방법상의 반복단계이다. 이 단계는 또한 밧데리팩(10)용 부하프로필을 전개하는데 필요한 데이터를 제공한다.

단계 54에서는, 각 셀(30)의 각, 실제 시간(real-time) SOC가 추적확인되고(tracked), 이는 전압과 전류에서 진행되며, 미리 지정된 시간비율로 행해진다. 이 단계는 또한 각개 셀(30)용 목표 SOC를 산출하고 또한 각 셀(30)에 의해 흡수되는 재생에너지량을 검출하는데 필요한 데이터를 제공한다.

단계 56에서는, 임피던스블럭(35)은 미리 지정된 시간 간격으로, 다시 시험하고/또는 그렇지 않을 경우 각개 셀(30)의 각 임피던스 레벨을 결정하던가 한다. 그러나, 알아야 할 것은, 임피던스 결정은 미리 지정된 간격으로 일어나는 것을 요하지 않고, 불균일한 간격으로 역동적으로 일어난다.

단계 58에서는, 바란싱프로그램(42)과 짝을 이룬 CPU(38)가, 단계 52~56에서 수집된 데이터를 바탕으로 밧데리팩(10)의 각 셀(30)에 대해 각, 목표 SOC를 산출한다. 이 볼트, 전류, SOC 및 임피던스 측정치(determinations)에 따른 밧데리팩(10)의 용도와 그 각개 셀의 용도가 그림으로 나타나 있다. 이 그림은 밧데리팩(10)에 대해 나타낸 부하프로필이다. 이 부하프로필은 바란싱프로그램(42)에 주어지는 알고리즘을 실행하여 CPU(38)에 의해 전개된다. 이 측정치는 또한 각 셀(30)의 동작을 나타낸다. 예를 들면, 셀(30)로부터의 크고도 점진적인 전압누설은 어플리케이션(12)이 밧데리팩(10)으로부터 높은 고율의 에너지 전달율을 필요로 한다는 것을 가리키므로, 따라서 셀(30)은 밧데리팩 용도 파라미터에 적응되도록 높은 충전상태(SOC)로 충전되어야 한다. 만일 이 측정치가 어플리케이션(12)이 수용해야 할 밧데리팩(10)용 재생에너지를 생성하고 있는 것으로 가리키면, 셀(30)은 어플리케이션(12)이 에너지전달을 어플리케이션(12)에만 할 것을 필요로 할 때의 셀(30)에 대한 각 최대 SOC보다도 낮은 SOC로 충전되어야 한다. 또한, 만일 어플리케이션(12)이 밧데리팩(10)에 의해 재생에너지 수용과 에너지전달 두가지 모두를 필요로 한다면, 밧데리팩(10)은 두가지 특성 모두를 가지도록 조정되지 않으면 안된다. 또한, 밧데리팩(10)에 있는 각 셀(30)은 임피던스 특성은 물론이고 에너지전달을 위해 서로 다른 용량(capacity)을 갖는다. 시효(age), 충전/재충전 싸이클의 수, 그리고 제조와 재료상의 변화들은 모두 셀(30)의 임피던스 특성(impedance characteristics)에 영향을 미친다. 이들 사용의 본질은 선택된 등화 바란싱방법(equalization balancing regimen)을 선정하거나 개조 또는 개선하는데 있다.

도 3은 팩(10)에서의 특정 셀(particular cell)(30)은 독특한 방전율 커브(unique discharge rate curve)(70)(@23℃)와 재생에너지 수용커브(regenerative energy acceptance curve)(72)(@23℃)를 갖는다. 도 3에서 X축은 SOC 레벨(% 표시)에 대응되어 있다. 그 반면 Y축은 셀 안으로 들어가거나 셀 밖으로 나가는 어느 한쪽의 전력(KW로 표시)에 대응된다. 도 3에서와 같이, 셀(30)이 증가된 %의 SOC로 충전되면, 보다 높은율의 에너지전달이 어플리케이션용으로 유용하다. 셀(30)이 낮은 %의 SOC에 있게 되면, 셀(30)은 보다 많은 재생에너지(또는 전력)를 수용한다. 다만 이들 관계가 확실히 직선상이 아닌 것을 알 수 있다. 다시 말해, 이 셀은 제로(0)로 방전되어 있지 않는 한 충분히 충전된 레벨로부터 최대전력을 균일히 전달할 수 없다. 오히려 도시된 바와 같이, 가용전력출력은 SOC의 감소레벨로 불규칙적이고 비직선상의 방법으로 감소된다. 셀에 대한 입력전력(input power)에 대해서도 똑같은 현상을 볼 수 있다. 이 셀은 모든 SOC 레벨을 가로지르는 균일한 최대의 입력전력을 수용할 수 없다. 오히려, 이 셀은 낮은 SOC 레벨에서 비교적 큰 량의 에너지를 수용할 수 있는데, 그러나 이는 증가되는 SOC 레벨을 갖는 비직선상의 형태로 일반적으로 감소된다.

바란싱프로그램(42)은 따라서 전압, 전류, SOC 및 임피던스를 처리하도록 설치되고, 사실상 각 셀에 대해 도 3에 나타나 있는 바의 그라프를 모델로 한다. 이렇게 만들어진 모델을 사용하게 되면, 프로그램(42)은 특정 셀(30)에 대해 목표 SOC 레벨을 확인할 수 있다. 예를 들어보면, 도 3은 밧데리팩(10)에 있는 하나의 셀(30)에 대해 방전율(discharge rate)과 재생에너지 수용(regenerative energy acceptance) 커브를 나타낸다. 이는 전술한 바와 같이 파라미터를 이용하여 바란싱프로그램(42)으로 발생된다. 바란싱프로그램(42)은 또한 알고리즘(algorithms)을 수행하고, 또한 이 예에서, 그 결과는 밧데리팩(10) 용도가 에너지 방전은 물론 재생에너지 수용의 두가지 모두에 관련되도록 지시한다. 한가지 예를 들면, 바란싱프로그램(42)은 방전율과 재생수용커브가 교차하는 부호 74로 표시되어 있고, 한편으로는 어플리케이션(12)에 의해 밧데리팩(10)의 전체적인 총 용량요구(overall capacity requirements)에 맞는 레벨과 같이, 셀(30)에 대해 목표 SOC를 결정하도록 설치된다. 유의해야 할 것은, 다른 방법들도 가능하다는 점이다. 그 이유는 한편으로는 재생에너지의 수용에 대하여 서로 다른 측정결과조정(weightings) 때문이고(추적확인공정 72), 다른 한편으로는 에너지공급(추적확인공정 70) 때문이다. 참고로, 부호 76은 -25℃에서 셀의 방전특성을 나타내는 추적확인공정을 나타낸다.

도 3에서의 점 74의 선정에 대해서 말한다면, 에너지-주 용도싸이클은 각개 셀의 에너지 용량에 따른 실시를 최대로 요한다는 것이다. 동력을 주로 하는 용도싸이클은 각개 셀의 내부 임피던스에 대한 실시를 최대화할 것이 요구된다. (방전 및 재충전 임피던스 최적화)복수-셀 리치움밧데리시스템에서, 이들 목표는 반드시 일치할 것을 요하지 않는다. 그러나, 셀 바란싱은 일부 동력 또는 일부에너지 효과를 얻기 위해 실시가능하다. 용도싸이클에 따라서는, 셀 바란싱은 어느쪽이든 목표를 향하여 보다 무겁게 조정도 가능하다. 본 발명은 에너지 기본(energy dominance) 대 전력기본(power dominance)의 비교우위를 결정하도록, 즉 (ⅰ) 밧데리팩의 안팎으로 흐르는 전력의 측정치 또는 관측치에 따라 어플리케이션 작업중에 주로 또는 활성적으로, 또는 (ⅱ) 용도싸이클 디자인(즉, 제조시 예비-프로그램화 된다)을 통해 이를 결정하도록 한다.

알아야 할 것은, 바란스(즉, 상대적인 조정)가 에너지와 전력 사이에서 어플리케이션 용도로 이용되기에 앞서 예비-프로그램화(pre-programmed)되는 후자인 경우(즉 "용도싸이클 디자인")라도, 실제 바란싱포인트(balancing point) (예컨데 부호 74)는 각개 셀의 영구변화되는 특성치를 검출하여 가변적으로 결정 가능하다(다시 말해, 셀의 독특한 특성이 시효와 충전/방전싸이클의 횟수를 모두 가변시킬 수 있다는 뜻).

또다른 실시예로서는, 동력에 의한 경우(power-based dominance)와 에너지에 의한 경우(energy-based dominance) 사이의 상대적 조정과, 각 셀에 관련된 실제 방전율과 에너지수용커브 사이에서의 상대적 조정 모두 예비-프로그램화된다(예컨데, 연속적인 어플리케이션상의 용도로 고정 또는 정체된다).

전술한 바 외에도, 본 발명은 어떤 환경하에서는, (ⅰ) 총 최소 충전상태(overall minimum state of charge) 또는, (ⅱ) 총 최소에너지 용량(예컨데, 전기차량 어플리케이션을 위해, 차량에 대한 최소 가용주행범위를 보증하기 위한 용량)을 확보하여야 할 필요가 있다.

상술한 예들은 어플리케이션이 에너지에 기한 용도와 동력에 기한 용도 모두에 의해 특징화되는 곳에 사용된다. 보다 순수한 에너지에 기한 어플리케이션을 위하여, 셀은 용량을 최대화하기 위해 충전된다. (다시 말해, 셀에 대한 최대 SOC 전압표시로) 이 방법은 충전바란싱(전압바란싱) 상태를 가지므로, 모든 셀은 최대용량에 달하게 된다. 그 반면, 보다 순수한 동력에 기한 어플리케이션을 위해, 셀은 내부 임피던스에 대해 등화된다(다시 말해, 이 파라미터는 재생에너지와 같은 입력에너지를 받거나 취하기 위한 셀의 능력에 영향을 미친다). 이 방법은 임피던스바란싱을 개입시키고, 셀이 궁극적으로 서로 다른 SOC 레벨에서 완전히 되도록 한다.

실제적으로, 본 발명은 상기 셀이 (ⅰ) 내부 임피던스(즉, 재생수용에 관 해), (ⅱ) SOC 전압표시로 방전수행을 최적화하거나, (ⅲ) 이 두가지를 조정, 조합되도록 등화되게 한다.

도 2를 보면, 단계 60에서, 각각 하나의 셀(30)은 단계 58에 있는 바란싱프로그램(42)에 의해 결정되는 바와 같은 각 목표 SOC로 충전된다. 이 충전과정은 도 1에서 도시되고 언급되어 있는 바와 같이, 종래의 외부충전기(22)를 사용하는 형태로 이루어지는데, 이는 밧데리팩(10)의 사용을 끝내도록 해주고, 밧데리팩(10) 속으로 충전기(22)를 "충전(plugging)"하게 하며, 다음 단계 58의 한정된 충전전략에 따라 밧데리팩(10)을 충전제어기(40)에 의해 제어되도록 하면서 충전한다. 이 충전은 또한 "실제시간, 즉 실시간"의 형태로 재생 충전의 형태를 취하는데, 이는 밧데리팩(10)의 충전시 사용을 중단하지 않고도 작업중에서 충전되도록 해준다. 충전과정을 수행하기 위해 선택된 메카니즘에 상관 없이, 충전전략은 같은 방법으로 결정되고, 같은 방법에서 선택된 메카니즘으로 나타난다.

도 3에서 나타나 있는 특정예를 보면, 셀(30)은 충전기(22)(또는 재생에너지 수용)에 의해 57.9% SOC로 충전되고, 충전제어기(40)에 의해 제어된다. 바란싱프로그램(42)은 전술한 바의 이유로 각 셀에 대한 SOC를 결정하기 위해 알고리즘을 수행하는데, 각 셀(30)은 서로 다른 에너지방전커브와 에너지수용커브를 갖는다. 각 셀(30)이 추적확인된 고유특성을 가지고 있으므로, 각 셀별로 독특한 커브가 얻어진다. 따라서, 각 셀(30)은 재생에너지수용으로 에너지전달의 적절한 목표를 균형화시키는데 두도록 그 목표 SOC로 충전되어야 한다. 어플리케이션(12)이 에너지의 점진적인 방전상태만을 필요로 하는 위치에서, 바란싱프로그램(42)은 최대에너지전달이 얻어지는 레벨에서, 도 3의 그라프에 들어 있는 데이터에 기하여, 반드시 SOC 레벨로 셀(30)이 충전되도록 결정하기 위해 설정된다.

도 2, 단계 60에서 제 2열의 측정치 및/또는 결정이 이루어지는데, 이는 단계 52~56에서 기재되어 있는 방법과 같다. 단계 62에서 측정치는 CPU(38)에 의해 사용되고, 이는 바란싱프로그램(42)과 복합되어 밧데리에 의해 보여지는 제 2 부하프로필(second load profile)을 전개하게 한다. 단계 64에서, 바란싱프로그램(42)은 제 1 및 제 2 부하프로필을 사용하도록 설정되고, 또한 각개 셀(30)별로 소정의 목표 SOC를 산출하기 위해 셀(30)의 전기적 특성의 측정치를 사용할 수 있도록 설정된다. 단계 60은 다음 실행되고, 충전기(22)는 충전제어기(40)에 의해 제어되는, 각 목표 SOC 레벨로 셀(30)을 충전한다. 이 방법은 각 셀(30)에 대해 복수의 미리 지정된 시간간격으로 반복된다. 셀(30)은 모두 동일한 SOC로 충전되고, 또는 각 셀은 그 고유의 SOC를 갖는다. 이 하나의 셀(30)에 대한 SOC는 추가데이터가 바란싱프로그램(42)으로 진행될 때 시간적으로 늦은 시점에서 한순간에 동일한 셀에 대한 SOC와 같지 않을 수 있다. 어플리케이션(12)에 의해 나타나는 에너지필요량이 시간 내에 변화되면, 전술한 바의 방법과 장치는 밧데리팩(10)과 각개 셀(30)이 변화되는 에너지필요에 기여하도록 조정되게 하여준다.

본 발명은 재생 가능한 브레이킹(regenerative braking), 한냉기후개시 또는 범위연장과 같은 기능을 위한 개선된 효과를 가져다준다. 본 발명은 시효를 가진 밧데리에 적용하므로써 밧데리수명을 또한 연장하여주고, 이에 따라 보증에 필요한 비용 등을 줄일 수 있다.

여기에서 소개되고 기재된 상기예들은 어디까지나 일례에 불과할 뿐이며, 본 발명은 특허청구범위에 의해서만 한정된다. 본 발명에 여러가지 수정과 변경이 이 분야의 통상의 기술자에 의해 나올 수 있지만, 본 발명의 취지와 범위에 속하는 것임을 천명하는 바이다.

Claims (17)

1. 어플리케이션(application)에서 사용할 수 있는 복수의 셀을 갖는 재충전 가능한 밧데리팩(rechargeable battery pack)을 제어하기 위한 방법은,

   하나 이상의

   (ⅰ) 어플리케이션의 작업중에 수집된 용도데이터(usage data)와

   (ⅱ) 미리 지정된 기대용도 데이터(predetermined expected usage data)

   에 따른 상기 밧데리팩용 소정의 방전전달율(discharge delivery rate)을 결정하는 단계;

   하나 이상의

   (ⅰ) 상기 어플리케이션의 작업중에 수집된 재생데이터(regeneration data)와

   (ⅱ) 미리 지정된 기대 재생데이터(predetermined expected regeneration data)

   에 따른 상기 밧데리팩용 소정의 재생에너지 수용(regenerative energy acceptance)을 결정하는 단계;

   상기 지정된 소정의 방전전달율과 재생에너지 수용에 따라 상기 복수의 각개 셀의 각각에 대해, 각 목표충전상태(state-of-charge:SOC)를 결정하는 단계;

   상기 각 목표충전상태에 따라 상기 밧데리의 상기 각개 셀을 충전(charging said individual cells)하는 단계

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법(A method of controlling a rechargeable battery pack).
2. 제 1항에 있어서, 상기 각 목표충전상태의 결정단계에는 상기 소정의 방전전달율과 상기 소정의 재생에너지 수용에 적용되는 각 조정인자(weighting actors)를 결정하는 부속단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 각 목표충전상태를 결정하는 단계는

   (ⅰ) 총 최소 충전상태(overall minimum state of charge)

   (ⅱ) 상기 밧데리팩에 대한 소정의 최소에너지 용량

   의 두가지 중 한가지 이상으로 함에 따라 또한 수행되는 것을 결정하는 부속단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 각개 셀에 대해 결정된 목표충전상태(target state-of-charge)는 이를 셀과 셀 사이에서 바꾸어 서로 달리할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 재생에너지의 소정레벨을 정하는 단계는 상기 재생데 이터(regeneration data)를 선정하므로써 각 셀의 내부임피던스를 결정하게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 소정의 방전전달율을 결정하는 단계는 상기 용도데이터(usage data)를 선정하므로써 상기 각 셀로부터 이끌어낸 전력의 전기적특성의 측정치를 시간의 함수로 갖는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 각 셀에 대한 상기 각 목표충전상태를 결정하는데 있어 사용을 위한 상기 전기특성측정치(measurements of electrical characteristics of power)에 따른 제 1 부하프로필(first load profile)을 결정하는 단계를 또한 포함구성하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 단계에는 또한 제 2 부하프로필(second load profile)이 결정되는 단계가 추가로 포함되는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 각 목표충전상태(SOC) 레벨을 결정하는 단계는 상기 제 1 부하프로필과 상기 제 2 부하프로필을 바란싱(balancing)하는 부속단계를 포함구성하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 밧데리팩용 상기 어플리케이션은 재생에너지의 추진과 생성을 위해 또한 설치되는 에너지변환기(dynamoelectric machine)를 포함구성하는 재충전 가능한 밧데리팩의 제어방법.
11. 어플리케이션과 같이 사용할 수 있는 재충전 가능한 밧데리팩은

    밧데리팩 입력/출력단자(battery pack input/output terminal)상에서 전력을 만들기 위해 각기 설치되는 복수의 밧데리셀(a plurality of battery cells);

    어플리케이션의 작업중에 수집된 하나 이상의 용도데이터(usage data)와, 미리 지정된 기대 용도데이터(predetermined, expected usage data)에 따라 상기 밧데리팩의 소정의 방전전달율을 결정하는 수단(means);

    어플리케이션 작업중에 수집된 하나 이상의 재생데이터(regeneration data)와, 미리 지정된 기대용도데이터에 따라 소정의 재생에너지 수용(desired regenerative energy acceptance)을 결정하는 수단;

    상기 용도데이터(usage data)와 상기 재생데이터(regeneration data)에 따라 상기 밧데리셀의 각각의 하나에 대해 각각의 목표충전상태(SOC)를 산출하는 수단; 그리고

    상기 각 목표충전상태에 따라 상기 밧데리셀을 충전하는 수단

    으로 구성되는 것을 특징으로 하는 재충전 가능한 밧데리팩(A rechargeable battery pack)
12. 제 11항에 있어서, 상기 데이터는 상기 셀의 임피던스 측정치(impedance measurements)를 포함구성하는 재충전 가능한 밧데리팩
13. 제 12항에 있어서, 상기 데이터는 시간함수로서 상기 셀(cell) 또는 다수의 셀(cells)로부터 인출되는 전력의 전기적 특성을 포함구성하는 데이터로 되는 재충전 가능한 밧데리팩.
14. 제 13항에 있어서, 상기 산출수단(calculating means)은 상기 임피던스 측정치(impedance measurements)와 상기 전기적특성 측정치(electrical characteristics measurements)를 이용하여 상기 밧데리셀 또는 다수의 셀에 대해 상기 소정의 충전상태를 결정하기 위해 설치되는 중앙연산장치(CPU)를 포함구성하는 재충전 가능한 밧데리팩.
15. 제 11항에 있어서, 상기 각 목표충전상태를 산출하는 상기 수단은 상기 소정의 방전전달율과 상기 소정의 재생에너지 수용(desired regenerative energy acceptance)에 적용되는 각 조정인자를 결정하는 수단을 포함구성하는 재충전 가능한 밧데리팩.
16. 제 15항에 있어서, 상기 각개 셀에 대한 상기 목표충전상태를 산출하는 상기 수단은 또한

    (ⅰ) 총 최소충전상태(over-all minimum state of charge)

    (ⅱ) 상기 밧데리팩에 대한 소정의 최소에너지용량

    중 하나 이상에 또한 응답하는 것으로 되는 재충전 가능한 밧데리팩.
17. 제 11항에 있어서, 상기 충전을 위한 수단은 셀과 셀 사이에서 이를 달리하는 충전상 레벨로 상기 밧데리셀 또는 다수의 셀을 충전하는 단위를 포함하는 재충전 가능한 밧데리팩.

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