KR101444962B1 - 배터리 팩에서의 셀들을 모니터링하고 밸런싱하는 방법 및 시스템 - Google Patents

배터리 팩에서의 셀들을 모니터링하고 밸런싱하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 배터리 내의 에너지 공급 장치들을 밸런싱시키고 배터리 팩들의 분리된 모니터링을 제공하기 위한 시스템은 전기적으로 직렬 접속된 에너지 공급 장치들의 하나 이상의 그룹을 포함한다. 에너지 공급 장치들의 각각의 그룹마다, 본 시스템은 에너지 전달 장치의 각각의 인접 쌍마다 밸런싱 회로를 포함한다. 밸런싱 회로는 인접 쌍의 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 조정함으로써, 인접 쌍의 에너지 공급 장치들에 저장된 전하가 실질적으로 동일하며, 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하가 소정의 임계값을 초과하여 유지된다. 본 시스템은 또한 에너지 공급 장치들의 각각을 순차적으로 선택하고, 선택된 장치와 연관된 전압을 출력 포트에서 제공하기 위한 전압 모니터링 모듈을 포함한다. 전압 모니터링 모듈은 낮은 온저항 차동 멀티플렉서를 이용하여, 각각의 에너지 공급 장치를 선택한다.

Description

배터리 팩에서의 셀들을 모니터링하고 밸런싱하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MONITORING AND BALANCING CELLS IN BATTERY PACKS}
본 출원은 2006년 7월 19일에 출원된 미국 특허 가출원 일련 번호 제60/807,821호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 배터리 팩들을 동작시키는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 성능, 수명 및 안전성을 증대시키는 방식으로, 전기 자동차 적용에서 딥 사이클링(deep cycle)된 배터리 팩들을 동작시키는 것에 관한 것이다.
배터리 팩이 필드에서 동작되는 방법은 배터리 팩의 성능, 수명 및 안전성에 상당히 영향을 미칠 수 있다. 이 관계는 전기 자동차들에서의 이용과 같은 까다로운 적용들에 특히 관련된다.
예를 들어, 공동으로 직렬 접속된 복수의 리튬 셀들로부터 형성되는 배터리 팩을 고려하여 본다. 리튬 배터리 팩의 수명은, 팩의 셀들 중 한 셀의 양단에 걸친 전압이 방전 동안에 소정의 임계값(통상적으로 3 볼트) 미만으로 떨어지거나 또는 충전 동안에 소정의 임계값(통상적으로 4.2 볼트)을 초과하여 올라가는 경우에 현저하게 열화된다. 이러한 이유로, 셀 전압들이 주의깊게 모니터링되고 셀 전압들을 특정 범위 내로 유지시키기 위한 대책들이 취해지는 것이 매우 중요하다.
설상가상으로, 리튬 셀들에서의 제조 결함들은 일부 셀들이 다른 외관상 동일한 셀들 만큼의 전하를 유지하지 못하게 한다. 이러한 이유로, 복수의 리튬 셀들이 공동으로 직렬 접속되는 경우, 결함 셀들은 다른 셀들보다 더 빨리 방전되고 따라서 방전 동안 위에서 설명된 하위 임계값에 첫번째로 도달하게 된다. 이러한 결함 셀들은 또한 종종 충전 동안 상위 임계값에 첫번째로 도달하게 된다. 배터리 팩의 동작 동안에 충전이 재밸런싱되지 않으면, 셀들 간의 임밸런스가 배터리 팩의 유효 동작 범위를 제한한다.
본 발명은 하나 이상의 배터리 팩들의 셀들 전압을 모니터링하고, 배터리 팩들 내의 셀들을 밸런싱하기 위한 방법 및 시스템에 대해 개시한다. 이러한 기능은 기존의 외부 제어 시스템과 인터페이스하면서 모니터링되고 밸런싱되는 배터리 셀들로부터 외부 제어 시스템을 분리시키도록 구성된 단일의 모니터링 및 밸런싱 시스템에 편리하게 제공될 수 있다. 단일 기기 요소, 예를 들어, 인쇄 회로 기판을 이용한 모니터링 및 밸런싱은 전기 시스템 내에 요구되는 상호접속부들의 개수를 감소시킨다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 아날로그 입력 및 디지털 입력을 이용가능한 메인 시스템 컨트롤러를 통하여, 셀들 예를 들어 리튬 셀들의 직렬 접속으로부터 형성된 배터리 팩을 모니터링하고 밸런싱하는 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 이러한 컨트롤러는 전기 자동차에 이미 이용되고 있는 메인 시스템 컨트롤러를 포함한다.
일반적으로, 2n개 셀들을 가진 배터리 팩은 n개 디지털 제어 신호들을 이용하여 단일의 아날로그 입력 상에서 모니터링될 수 있다. 이는 2n개 셀 전압들 각각을, n개 디지털 입력들에 의해 제어되는 멀티플렉서를 통해 채널링함으로써 이루어질 수 있다. 유사하게, 추가의 배터리 팩들은 각각의 추가의 배터리 팩에 대한 시스템 컨트롤러 상의 프리 아날로그 입력(free analog input)의 추가에 의해 모니터링될 수 있다.
일 실시예에서, 개개의 셀들의 온도를 나타내는 신호들이 또한 시스템 컨트롤러에 제공된다. 예시적인 실시예에서, 서미스터들(thermister)이 온도 의존 신호들을 발생시키는데 이용되지만, 당해 기술 분야에 알려진 다른 온도/전기 트랜스듀서가 또한 이용될 수 있다. 복수의 셀들로부터의 온도 신호들은 예를 들어, 시분할 멀티플렉싱에 의해 차량 컨트롤러 상에서의 단일의 아날로그 입력을 통하여 전달될 수 있다.
설명된 실시예들에서, 차량 메인 시스템 컨트롤러와 배터리 팩들 사이에 비직접적이고 분리되지 않은 접속이 요구된다.
예시적인 일 실시예에 따르면, 공동으로 직렬로 배열된 복수의 셀 집합들(multiple)의 블록들로부터 형성된 배터리 팩들에 대해 배터리 셀 밸런싱 및 분리된 모니터링 시스템이 제공된다. 시스템의 모니터링측 상의 각각의 채널은 예를 들어 8개 셀 블록들을 모니터링하며, 스플릿 서플라이(split supply), 저항기 분할기(resistor divider), 분리 증폭기(isolation amplifier), 분리형 DC/DC 컨버터 및 임피던스 매칭을 위한 출력 연산 증폭기(op-amp)에 작용하는 낮은 온 저항(on resistance) 차동 멀티플렉서로 구성된다. 각각의 밸런싱 블록은 2개의 직렬 접속된 셀 블록들에 대하여 밸런싱을 수행하여, 500mA까지의 전류 서플링(current shuffling)을 허용하며, 2개의 제너 다이오드(Zener diode), 연산 증폭기(op-amp), 2개의 트랜지스터들 및 4개의 저항기들을 갖는다.
일부 실시예들에서, 모니터링 시스템이 배터리 팩으로부터 분리됨으로써, 외부 제어 유닛을 배터리 그라운드에 연결함이 없이 셀 전압들이 외부 제어 유닛에 안전하게 보내질 수 있다. 이러한 분리는 예를 들어, 향상된 정확성과 선형성을 위해 광절연체(optical isolator), 포토 트랜지스터 또는 전류 기초 분리 증폭기들 또는 이들의 조합에 의해 이루어질 수 있다.
일부 실시예들에서, 셀 밸런싱 회로는 접속단절된 셀에 인접한 셀들의 방전을 방지하도록 구성되며, 일반적으로 과충전 및 방전으로부터의 보호를 제공한다.
일부 실시예들에서, 모니터링 시스템은 단락되거나 또는 접속단절된 셀의 신속한 식별을 위하여 전압들을 모니터링하고 셀에서 셀로의 모니터링에 있어서의 신속한 전이(transition)를 허용하기 위한 정확한 수단으로서 낮은 온 저항 차동 멀티플렉서를 포함한다.
일부 실시예들에서, 시스템은 임계 온도를 모니터링할 수 있도록 서미스터 입력들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 시스템은 또한 온도 모니터링에 이용된 차동 멀티플렉서들 뿐만 아니라 셀 전압 모니터링에 이용된 차동 멀티플렉서들에 대한 선택 신호들을 발생시키기 위해 온보드 타이머 회로를 또한 포함한다.
일 형태에서, 시스템은 하나 이상의 배터리 팩들 내의 에너지 공급 장치들(energy delivery device)을 밸런싱하기 위한 시스템이다. 시스템은 전기적으로 직렬 접속된 N개 에너지 공급 장치들의 하나 이상의 그룹을 포함하되, 여기서, N은 1보다 큰 정수이다. N개 에너지 공급 장치들의 각각의 그룹마다, 시스템은 에너지 공급 장치들의 각각의 인접 쌍에 대한 밸런싱 회로를 포함한다. 밸런싱 회로는 인접 쌍의 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 조정함으로써, (i) 인접 쌍의 제1 에너지 공급 장치에 저장된 전하가 인접 쌍의 제2 에너지 공급 장치와 실질적으로 동일하고, (ii) 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하는 소정의 임계값을 초과하여 유지된다.
일 실시예에서, 밸런싱 회로는 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 소정의 임계값을 초과하여 유지시키는 하나 이상의 제너 다이오드를 포함한다. 다른 실시예들은 제너 다이오드의 전압 기준 특성들과 연관 특성들을 제공하기 위해 당해 기술 분야에 알려진 대안의 구성요소들을 이용할 수 있다. 다른 실시예에서, 밸런싱 회로는 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 유지시키기 위해 백-투-백 구성(back-to-back configuration)으로 배치된 한 쌍의 제너 다이오드들을 포함한다.
다른 실시예는 각각의 에너지 공급 장치를 순차적으로 선택하고 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 출력 포트에서 제공하기 위한 전압 모니터링 모듈을 더 포함한다. 전압 모니터링 모듈은 각각의 에너지 공급 장치를 선택하고 연관 전압을 제공하기 위해 낮은 온저항 차동 멀티플렉서를 이용한다.
다른 실시예에서, 차동 멀티플렉서는 스플릿 서플라이 회로에 의해 전력공급받는다. 또 다른 실시예에서, 전압 모니터링 모듈은 에너지 공급 장치들과 출력 포트 사이에 분리를 제공한다. 또 다른 실시예에서, 분리는 광절연체를 통하여 멀티플렉서에 대한 선택 신호들을 통과시키는 것, 및 분리 증폭기를 통하여, 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 통과시키는 것을 포함한다.
일 실시예는 배터리 팩 및 하나 이상의 다른 배터리 팩들과 연관된 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 수신된 신호들 중 한 신호를 출력 포트에서 선택적으로 제공하기 위한 온도 모니터링 모듈을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 밸런싱 회로들과 전압 모니터링 모듈은 단일의 인쇄 회로 기판에 결합된다. 또 다른 실시예에서, 각각의 에너지 공급 장치는 리튬 셀이다.
다른 형태에서, 하나 이상의 배터리 팩의 분리된 모니터링을 제공하고, 하나 이상의 배터리 팩 내의 에너지 공급 장치들을 밸런싱하기 위한 시스템은 전기적으로 직렬 접속된 N개 에너지 공급 장치들의 하나 이상의 그룹을 포함하되, 여기서 N은 1보다 큰 정수이다. N개 에너지 공급 장치들의 각각의 그룹마다, 시스템은 밸런싱 모듈과 전압 모니터링 모듈을 포함한다. 밸런싱 모듈은 에너지 공급 장치의 각각의 인접 쌍마다 밸런싱 회로를 포함한다. 밸런싱 회로는 인접 쌍의 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 조정함으로써, (i) 인접 쌍의 제1 에너지 공급 장치에 저장된 전하가 인접 쌍의 제2 에너지 공급 장치와 실질적으로 동일하며, (ii) 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하가 소정의 임계값을 초과하여 유지된다. 전압 모니터링 모듈은 스플릿 서플라이에 작용하며, 복수의 입력 포트에 제공된 각각의 에너지 공급 장치들을 순차적으로 선택하고, 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 출력 포트에서 제공하기 위한 차동 멀티플렉서를 포함하며, 차동 멀티플렉서는 입력 포트로부터 출력 포트로의 낮은 온저항 경로에 의해 특징화된다. 전압 모니터링 모듈은 또한 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 스케일링하여, 스케일링된 전압을 발생시키는 저항기 분할기를 포함한다. 전압 모니터링 모듈은 분리된 버전의 스케일링된 전압을 제공하기 위한 분리 증폭기와, 분리 증폭기의 입력측에 전력을 공급하기 위한 분리된 DC/DC 컨버터, 및 스케일링된 전압과 시스템 컨트롤러를 임피던스 매칭하기 위한 출력 연산 증폭기를 더 포함한다.
일 실시예에서, 밸런싱 회로는 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 유지시키기 위하여 백-투-백 구성으로 배치된 한 쌍의 제너 다이오드들을 포함한다.
일 실시예는 에너지 공급 장치들의 인접 쌍 사이에 전하 임밸런스의 레벨을 판단하고 전하 임밸런스의 레벨에 대응하는 에러 신호를 발생시키기 위한 연산 증폭기와, 에러 신호에 따라 에너지 공급 장치의 인접 쌍의 전하를 재분배하도록 배치된 적층 트랜지스터 쌍을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 차동 멀티플렉서는 스플릿 서플라이 회로에 의해 전력공급받는다.
다른 실시예는 배터리 팩 및 하나 이상의 다른 배터리 모듈과 연관된 온도를 나타내는 신호를 수신하고, 수신된 신호들 중 한 신호를 출력 포트에서 선택적으로 제공하기 위한 온도 모니터링 모듈을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 각각의 에너지 공급 장치는 리튬 셀이다.
다른 형태는 배터리 팩 내의 에너지 공급 장치들을 밸런싱하는 방법을 포함하며, 여기서, 배터리 팩은 전기적으로 직렬 접속된 N개 에너지 공급 장치의 그룹을 포함하되, N은 1보다 큰 정수이다. 본 방법은 배터리 팩 내의 에너지 공급 장치들의 각각의 인접 쌍마다, 인접 쌍의 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 조정함으로써, 인접 쌍의 에너지 공급 장치들에 저장된 전하가 실질적으로 동일하게 되는 것을 포함한다. 본 방법은 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 소정의 임계값을 초과하여 유지시키는 것을 더 포함한다.
다른 실시예는 재분배 회로를 이용하여 에너지 공급 장치들의 인접 쌍 사이에 전하를 재분배하는 것을 더 포함한다. 재분배 회로는 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 소정의 임계값을 초과하여 유지시키기 위하여, 백-투-백 구성으로 배치된 한 쌍의 제너 다이오드를 포함한다.
일 실시예는 낮은 온저항 차동 멀티플렉서를 이용하여 각각의 에너지 공급 장치들을 순차적으로 선택하고, 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 제공하는 것을 더 포함한다. 다른 실시예는 스플릿 서플라이 회로로부터 차동 멀티플렉서에 전력을 공급하는 것을 더 포함한다.
본 발명 자체 뿐만 아니라, 본 발명의 상술한 목적 및 다른 목적들, 본 발명의 여러 특징들이, 첨부한 도면들과 함께 읽을 때 다음의 설명으로부터 보다 더 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 설명된 실시예들 중 하나 이상에 의해 제공된 일반 기능을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 전압 모니터링 모듈의 일 실시예를 나타낸다.
도 3은 차동 멀티플렉서에 전력을 공급하는 스플릿 서플라이 회로의 세부도를 나타낸다.
도 4는 선택 라인들 중 2개가 멀티플렉서로부터 어떻게 분리되는지의 세부도를 나타낸다.
도 5는 컨디셔닝 회로와 분리 증폭기의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 6은 밸런싱 모듈의 밸런싱 회로의 세부도를 나타낸다.
도 7은 배터리 모니터링 및 밸런싱 시스템의 일 실시예에 대한 온도 감지 구성을 나타낸다.
도 8은 단일 시스템 내에 통합된 상술한 실시예들의 기능들 및 모듈들의 일례를 나타낸다.
본 발명의 실시예들은 배터리 셀 모니터링, 배터리 셀 밸런싱, 또는 온도 모니터링 또는 이들의 조합을 제공하도록 구성된다. 상술한 실시예들은 안전 필수 시스템(safety-critical system) 전압 및 온도가 외부의 분리된 차량 컨트롤러에 안전하게 전송될 수 있도록 하는데 필요한 신호 컨디셔닝을 수행하며, 외부의 분리된 차량 컨트롤러는 그후에, 수신된 정보에 기초하여 안전 필수 결정들(safety critical decision)을 행할 수 있다.
도 1은 배터리 팩들을 모니터링하고 밸런싱하는 시스템 및 방법의 상술한 실 시예들 중 하나 이상에 의해 제공된 일반 기능을 나타내는 블록도이다. 배터리 팩(102)은 2 이상의 직렬 접속된 에너지 공급 장치들(104; 예를 들어 리튬 셀)을 포함한다.
전압 모니터링 모듈(106)은 각각의 에너지 공급 장치(104)와 연관된 전압 정보를 수신하고, 전압 정보를 컨디셔닝 및 분리하며, 전압 정보를 출력 포트를 통하여 시스템 컨트롤러(108)에 제공한다. 시스템 컨트롤러(108)는 임의의 개개의 에너지 공급 장치(104)가 잠재적인 손상 상태에 있는지를 판단하기 위해 충전 및 방전 동안에 각각의 에너지 공급 장치들(104)을 평가한다. 예를 들어, 충전 동안에, 전체적인 팩 전압이 여전히 안전 레벨 미만인 경우에도 개개의 셀은 안전 전압 레벨에 도달 또는 초과할 수 있다. 이와 유사하게, 방전 동안에, 개개의 셀의 전압은 전체적인 배터리 팩의 전압이 여전히 자신의 최소 안전 임계값을 초과하는 경우에도 최소 안전 임계값 미만으로 떨어질 수 있다. 본 시스템 컨트롤러(108)는, 시스템 컨트롤러(108)가 개개의 셀 전압을 원하지 않는 값에서 검출한 경우에 배터리 팩(102)의 충전 또는 방전을 중단시킨다.
밸런싱 모듈(110)은 인접 셀 쌍들의 상대 전압 레벨들을 평가하고, 인접 셀들 사이에 전하를 재분배하여, 인접 셀 쌍의 셀 전압들에서의 차이를 완화시킨다. 아래 보다 자세하게 설명될 바와 같이, 밸런싱 모듈(110)은 셀 쌍 중 하나가 제거되거나 또는 달리 접속단절되는 경우에 셀 쌍 중 다른 하나의 과도한 셀 방전을 방지하기 위한 기능을 포함한다.
온도 모니터링 모듈(112)은 배터리 팩(102)의 온도에 대응하는 정보를 수신 한다. 온도 정보는 일반적으로 배터리 팩 내에 위치된 트랜스듀서에 의해 발생된 전기 신호의 형태에 있지만, 온도 정보는 당해 기술 분야에 알려진 다른 형태를 취할 수 있다. 온도 모니터링 모듈(112)은 온도 정보를 시스템 컨트롤러(108)에 제공한다. 온도 모니터링 모듈은 다른 배터리 팩들(도시 생략)로부터의 온도 정보를 또한 수신할 수 있고 복수의 배터리 팩들로부터 시스템 컨트롤러(108)에 그 온도 정보를 제공할 수 있다.
다음 섹션에서는 도 1에 도시된 구성요소들이 설명된다.
I. 셀 전압 모니터링
도 2는 8개 셀 배터리 팩(102)의 셀 전압을 측정하는 전압 모니터링 모듈(106)의 일 실시예를 나타낸다. 이것은 단지 예시적인 실시예에 불과하며, 여기에 설명한 개념들은 다른 크기로 된 배터리 팩들에 이용될 수 있음이 이해되어야 한다.
전압 모니터링 모듈(106)은 8개 채널 차동 멀티플렉서(120), 스플릿 서플라이 회로(122), 선택 발생 타이머 회로(124), 신호 컨디셔닝 회로(126) 및 분리 증폭기(128)를 포함한다.
차동 멀티플렉서(120)는 8개 신호쌍들(130)을 수신하며, 신호쌍 각각은 배터리 팩(102)에서의 8개 셀들(104) 중 한 셀 양단에 걸친 전압을 나타낸다. 명료화를 위하여, 단지 2개의 신호쌍들(130)과 단지 2개의 셀들(104)만이 도 2를 참조로 나타내어진다. 차동 멀티플렉서(120)는 입력으로부터 출력에 신뢰성있는 낮은 온저항 을 제공하며, 이 낮은 온저항은 장치 제조 프로세스에서의 변동으로 인한 캘리브레이션에 대한 필요성을 감소시킬 뿐만 아니라 셀 전압 측정값의 정확도를 증가시킨다. 낮은 온저항 멀티플렉서를 이용하여 제공된 증가된 정확도는 종래 기술의 시스템들에 비해 단락되거나 또는 접속단절된 셀들의 신속한 분리를 가능하게 한다. 설명된 실시예에서, 차동 멀티플렉서(120)는 많은 회사, 예를 들어, 캘리포니아주의 Intersil of Milpitas 사에 의해 제조된 DG 407 CMOS 아날로그 멀티플렉서 장치이다.
차동 멀티플렉서(120)는 스플릿 서플라이 회로(122)로부터의 스플릿 서플라이 전압을 수신하는데, 그 세부 내용은 도 3에 도시되어 있다. 스플릿 서플라이는, 그렇게 행함으로써 멀티플렉서(120)의 정확도를, 단일단 서플라이를 이용한 동작에 비해 향상시키기 때문에 이용된다. 스플릿 서플라이는 배터리 팩(102)에서의 8개 셀들(104)의 직렬 스트링(series string) 양단에 걸친 전압 강하를 이용한다. 배터리 팩(102) 양단에 걸친 전압의 대략 1/2인 제너 전압을 갖는 제너 다이오드는 단자 A에서의 전압과 단자 C에서의 전압 사이의 중간점에, 단자 B에서의 전압을 고정시킨다. 따라서, 단자 A는 멀티플렉서(120)의 양의 전압 레일(positive voltage rail)을 제공하고 단자 C는 멀티플렉서(120)의 음의 전압 레일(negative rail)을 제공하며, 단자 B는 멀티플렉서(120)의 그라운드 기준을 제공한다. 설명된 예시적인 실시예는 직렬 접속된 8개 셀들의 배터리 팩을 가지며 각각의 셀은 32 볼트의 총 팩 전압에 대하여 4 볼트 전압을 갖고 있다. 16 볼트 제너 다이오드는 단자 A와 단자 B 사이의 전압을 16 볼트로 고정시키고 단자 B와 단자 C 사이의 전압을 16 볼 트로 고정시킨다.
선택 발생 타이머 회로(124; SGTC)는 멀티플렉서(120)에 선택 신호들(136)을 제공한다. 선택 신호들(136)은 선택 입력들(132)에 대한 모든 가능한 입력 값의 반복 시퀀스를 나타냄으로써, 배터리 팩(102)의 셀들로부터의 각각의 신호쌍들(130)을 멀티플렉서(120)의 출력(134)에 주기적으로 보낸다. SGTC(124)는 일반 555 타이머 장치의 출력을 적어도 3 비트를 갖는 리플 캐리 가산기(ripple carry adder)에 보냄으로써 선택 신호들을 발생한다. SGTC(124)는 또한 선택 신호들(136)을 시스템 컨트롤러(108)에 제공함으로써, 시스템 컨트롤러(108)는 어느 셀(104)이 모니터링되고 있는지에 대해 동기될 것이다.
시스템 컨트롤러(138)로부터 배터리 팩(102)의 양립불가능한 (및 잠재적으로 손상된) 전압들을 전기적으로 분리시키기 위해, SGTC(124)는 광절연체를 이용하여 선택 신호들(136)을 컨디셔닝한다. 도 4는 SGTC(124)로부터의 2개의 선택 라인들(SELO 및 SELl)이 어떻게 멀티플렉서(120)로부터 분리되는지의 세부도를 나타낸다. 전기적 분리를 제공하기 위한 당해 기술 분야에 알려진 다른 기술들이 또한 이용될 수 있다.
멀티플렉서(120)는 멀티플렉서 출력(134)에서, 선택된 셀 전압을 제공한다. 선택된 셀 전압은 분리 증폭기(128)에 제공되기 전에 신호 컨디셔닝 회로(126)를 통과한다. 신호 컨디셔닝 회로(126)는 분리 증폭기(128)의 입력과 양립가능하도록 셀 전압을 스케일링하는 전압 분할기 네트워크로 구성된다. 도 5는 신호 컨디셔닝 회로(126)와 분리 증폭기(128)의 예시적인 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서의 분 리 증폭기(128)는 전기 모터 구동시에 전류 감지에 일반적으로 이용되는 유형의 증폭기이다. 설명된 실시예에서, 분리 증폭기(128)는 2개의 별도의 전력 서플라이들에 의해 전력 공급받는다. 분리 증폭기의 입력측은 선택된 셀 전압의 음의 측에 레퍼런싱된 서플라이 전압을 전력공급받고, 분리된 DC/DC 변환기에 의해 발생된다. 분리 증폭기의 출력측은 시스템 컨트롤러 그라운드에 대해 레퍼런싱된 서플라이 전압을 전력공급받는다.
도 5의 전류 기초 분리 증폭기(128)는 종래 기술의 시스템에 일반적으로 이용된 선형 옵토-커플러(opto-coupler) 방식에는 결여되어 있던 선형성, 안정성 및 정확성을 제공한다. 분리 증폭기(128)의 출력은 메인 시스템 컨트롤러 제어 유닛(108)과 동일한 그라운드에 대해 레퍼런싱된다. 분리 증폭기(128)의 출력은 임피던스 매칭을 수행하고 시스템 컨트롤러(108)에 적절한 레벨로 셀 전압 신호의 진폭을 증가시키도록 큰 이득을 제공하는 연산 증폭기(op-amp) 회로(140)로 진행한다. 8개 직렬 접속된 셀들의 각각의 블록은 배터리 팩에서의 각각의 셀에 순차적으로 대응하는 하나의 비례 출력 전압을 발생시킨다. 출력 전압은 배터리 팩(102)으로부터 분리되고 제어 유닛(108)에 의해 안전하게 판독되어 처리될 수 있다.
II. 셀 밸런싱
셀 밸런싱은 백 투 백 제너 다이오드 구성에 앞서는 비교기를 이용하여 이루어진다. 풀 밸런싱 방식(full balancing scheme)의 예시적인 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 일반적으로, 밸런싱 모듈(110)은 수개의 밸런싱 회로들(111)로 구성되 며, 각각의 밸런싱 회로는 한 쌍의 셀들을 밸런싱한다. 밸런싱 회로들(111) 중 한 밸런싱 회로가 도 6에 도시되어 있다.
일반적으로, 밸런싱 모듈(110) 내의 각각의 밸런싱 회로는 한 쌍의 동일한 저항기들(150)을 이용하여 "1/2" 전압 분할기를 형성하며, "1/2" 전압 분할기는 셀 쌍(N 및 N+l) 양단에 걸친 총 전압의 1/2인 전압 기준(152)을 생성한다. 범용 741 연산 증폭기는 셀 쌍(N 및 N+l) 사이의 실제 중간 전압(154)과 기준 전압(152)을 비교하고, 적층 트랜지스터 쌍(158)을 구동시키도록 발생된 결과적인 에러 신호(156)를 이용한다. 에러 신호(156)는 중간 전압(154)이 기준 전압(152)과 동일하지 않은 경우에 제로가 아니다. 에러 신호(156)가 제로가 아닌 경우, 에러 신호는 트랜지스터 쌍 중 한 트랜지스터를 전도 상태로 구동시킨다. 액티브 트랜지스터는 중간 전압이 셀 쌍 양단에 걸친 총 전압의 1/2와 동일할 때까지 셀 쌍 중 한 셀에서의 전하를 조정함으로써, 에러 신호를 제로로 감소시키고 액티브 트랜지스터를 오프로 전환한다.
많은 통상의 비교기 기초 밸런싱 시스템들에서의 문제는 셀이 밸런싱 회로로부터 접속단절되게 될 때 발생한다. 접속단절된 셀은 통상적으로 접속단절된 셀이 밸런싱되고 있는 셀의 방전을 초래한다. 이 방전은 이어서, 직렬 스트링에서의 다음 셀에 대해 방전을 일으키며 이하 이어진다. 이와 같이, 통상의 밸런서들의 스트링이 팩에 접속되면, 연쇄 반응이 발생하며, 여기서, 접속단절된 셀로부터 상류측에 있는 모든 셀들이 제로 볼트로 방전되어 현저한 미달 전압을 야기한다.
상술한 실시예에서의 셀 밸런싱 장치는 양쪽 모두의 셀들이 접속된 경우에만 전류를 흐르게 하는 백-투-백 구성으로 배치된, 전략적으로 선택된 제너 다이오드들(160)를 통합시킴으로써 이 문제를 해결한다. 어느 한쪽 셀이 접속단절되는 경우, (어느 셀이 접속단절되었는지에 따라) 제너 다이오드들(160) 중 하나가 접속단절되지 않았던 셀로부터의 전류의 흐름을 차단한다.
제너 다이오드들(160)의 제너 전압 값은 접속단절되었던 셀이, 다른 셀이 접속단절되었던 경우에 얼마나 낮게 방전될 수 있는지를 결정한다. 따라서, 밸런싱 회로에 대해 선택된 특정 제너 다이오드들은 배터리 팩(102)에 이용된 셀들의 특정 유형(즉, 특정 셀 기술에 대한 최소 안전 전압)에 의존한다. 따라서, 제너 다이오드들은 배터리 팩(102)의 각각의 셀(104)에 저장된 전하를 소정의 임계값 미만으로 떨어트려 유지시키며, 그 임계값은 제너 다이오드(160)의 값에 의해 결정된다.
III. 온도 모니터링
온도 감지는 리튬 셀들이 배터리 팩(102)에 이용되는 경우에 특히 유용하다. 리튬 셀들은 자신들의 권장 온도 범위 밖의 온도에 노출되는 경우에 열화될 수 있으며, 과도한 온도는 불안정하거나 또는 위험한 시나리오를 발생시킬 수 있다. 이러한 이유로, 배터리 팩들의 온도는, 온도 임계값들을 넘어갈 때 팩터리 팩들의 이용을 중단하도록 종종 엄밀하게 모니터링될 수 있다.
도 7은 배터리 밸런싱 및 모니터링 시스템의 일 실시예에 대한 온도 감지 구성을 나타낸다. 이 실시예는 배터리 팩에 전략적으로 설치된 서미스터를 이용하여, 서미스터의 인접 환경의 온도를 전기 신호로 변환하지만, 당해 기술 분야에 알려진 다른 온도/전기 신호 트랜스듀서들이 또한 이용될 수 있다.
도 7은 수개의 서미스터 입력들(172) 중 한 입력을 선택하기 위한 아날로그 멀티플렉서(170)를 나타낸다. 명료화를 위해, 배터리 팩(102)과 연관된 서미스터(174)만이 멀티플렉서(170)의 제1 입력에 접속된 것으로 도시되어 있지만, 일반적으로 다른 배터리 팩들과 연관된 서미스터들이 또한 멀티플렉서(170)의 다른 입력들에 접속될 것이다.
서미스터(174)는 고정된 풀업 저항기에 의해 멀티플렉서 입력(172)에 결합됨으로써, 멀티플렉서(170)에 대한 입력은 저항성 전압 분할기의 중간이 된다. 서미스터의 저항이 서미스터의 온도에 따라 변하기 때문에 멀티플렉서의 입력에서의 전압이 또한 서미스터 온도에 따라 변한다.
선택 신호들(176)은 멀티플렉서 출력(178)에 채널링되도록 멀티플렉서(170)의 특정 서미스터 입력을 선택한다. 일반적으로, 시스템 컨트롤러는 선택 입력들을 제공하지만, 일부 실시예들은 멀티플렉서 선택 입력들에 반복하는 카운트를 제공하는 회로를 간단히 포함함으로써, 시스템 컨트롤러가 소정의 순서로 접속된 배터리 팩들로부터의 온도 정보를 관찰할 수 있다.
전압 폴로워(180)는 멀티플렉서 출력(178)으로부터의 신호를 수신한다. 전압 폴로워(180)는 신호를 버퍼링하고, 그 버퍼링된 신호를 시스템 컨트롤러에 제공한다.
IV. 시스템 통합
도 8은 8개 직렬 접속된 셀들을 갖는 배터리 팩과의 상호접속을 위하여 단일 시스템(190) 내에 통합된, 예를 들어 인쇄 회로 기판에 위치하는, 상술한 실시예들의 기능들 및 모듈들의 일례를 나타낸다. 여기서 설명된 바와 같이, 이는 단지 예시적인 실시예에 불과하며, 8개보다 많거나 또는 적은 셀들을 갖는 배터리 팩들이 또한 이용될 수 있다.
따라서, 이는 성능, 수명 및 안전성을 위해 충전 동작 및 방전 동작 동안에 전압 및 온도에 대해 배터리 셀들을 모니터링하고 셀들을 밸런싱하는 방법이 설명되어 있던 상술한 실시예들 및 예들로부터 이해될 것이다.
본 발명은 본 발명의 사상 또는 필수 특징들로부터 벗어남이 없이 다른 특정 형태들로 구체화될 수 있다. 따라서, 본 실시예들은 제한적이 아닌 설명적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 범위는 상술한 설명에 의해서라기 보다는 첨부된 청구범위에 의해 나타내어지며, 따라서, 청구항들의 등가의 의미 및 범위 내에 오는 모든 변경들이 여기에 포함되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 배터리 팩들 내의 에너지 공급 장치들(energy delivery device)을 밸런싱하는 시스템으로서,
    전기적으로 직렬 접속된 N개 에너지 공급 장치들의 하나 이상의 그룹 - N은 1보다 큰 정수임- 과;
    N개 에너지 공급 장치들의 각각의 그룹마다, 에너지 공급 장치의 각각의 인접 쌍에 대한 밸런싱 회로 - 상기 밸런싱 회로는 인접 쌍의 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 조정함으로써, (i) 상기 인접 쌍의 제1 에너지 공급 장치에 저장된 전하가 상기 인접 쌍의 제2 에너지 공급 장치와 실질적으로 동일하고, (ii) 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하는 소정의 임계값을 초과하여 유지됨 - 과;
    각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 소정의 임계값을 초과하여 유지시키기 위하여, 상기 밸런싱 회로에 포함되는 백-투-백 구성(back-to-back configuration)으로 배치된 한 쌍의 제너 다이오드
    를 포함하는 밸런싱 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 각각의 에너지 공급 장치를 순차적으로 선택하고 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 출력 포트에서 제공하기 위한 전압 모니터링 모듈을 더 포함하며,
    상기 전압 모니터링 모듈은 각각의 에너지 공급 장치를 선택하고 연관 전압을 제공하도록 낮은 온저항(on-resistance) 차동 멀티플렉서를 이용하는 것인 밸런싱 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 차동 멀티플렉서는 스플릿 서플라이 회로에 의해 전력 공급받는 것인 밸런싱 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 전압 모니터링 모듈은 에너지 공급 장치들과 출력 포트 사이에 분리를 제공하는 것인 밸런싱 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분리는 광절연체를 통해 멀티플렉서에 대한 선택 신호를 통과시키는 것과, 분리 증폭기를 통해 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 통과시키는 것을 포함하는 밸런싱 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 배터리 팩 및 하나 이상의 다른 배터리 팩들과 연관된 온도를 나타내는 신호를 수신하고 수신된 신호들 중 한 신호를 출력 포트에서 선택적으 로 제공하는 온도 모니터링 모듈을 더 포함하는 밸런싱 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 상기 밸런싱 회로 및 상기 전압 모니터링 모듈은 단일의 인쇄 회로 기판 내에서 결합된 것인 밸런싱 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 에너지 공급 장치는 리튬 셀인 것인 밸런싱 시스템.
  11. 하나 이상의 배터리 팩들의 분리된 모니터링을 제공하고 하나 이상의 배터리 팩들 내의 에너지 공급 장치들을 밸런싱하는 시스템으로서,
    전기적으로 직렬 접속된 N개 에너지 공급 장치의 하나 이상의 그룹 - N은 1보다 큰 정수임 - 과;
    N개 에너지 공급 장치의 각각의 그룹마다, 밸런싱 모듈과 전압 모니터링 모듈
    을 포함하며,
    상기 밸런싱 모듈은 에너지 공급 장치들의 각각의 인접 쌍 마다 밸런싱 회로를 포함하며,
    상기 밸런싱 회로는 인접 쌍의 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 조정함으로써, (i) 상기 인접 쌍의 제1 에너지 공급 장치에 저장된 전하가 상기 인접 쌍의 제2 에너지 공급 장치와 실질적으로 동일하고, (ii) 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하는 소정의 임계값을 초과하여 유지되며,
    상기 밸런싱 회로는 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 유지시키기 위해 백-투-백 구성으로 배치된 한 쌍의 제너 다이오드들을 포함하며,
    상기 전압 모니터링 모듈은,
    (i) 스플릿 서플라이에 작용하며, 복수의 입력 포트들에 제공된 각각의 에너지 공급 장치를 순차적으로 선택하고 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 출력 포트에서 제공하는 차동 멀티플렉서 - 상기 차동 멀티플렉서는 입력 포트들로부터 출력 포트에의 낮은 온저항 경로에 의해 특징화됨 - 와;
    (ii) 선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 스케일링하여 스케일링된 전압을 발생시키는 저항기 분할기와;
    (iii) 분리된 버전의 스케일링된 전압을 제공하는 분리 증폭기와;
    (iv) 분리 증폭기의 입력 측에 전력을 공급하는 분리된 DC/DC 컨버터와;
    (v) 스케일링된 전압과 시스템 컨트롤러를 임피던스 매칭하기 위한 출력 연산 증폭기
    를 포함하는 것인 밸런싱 시스템.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    (i) 에너지 공급 장치의 인접 쌍 사이에 전하 임밸런스의 레벨을 판단하고 전하 임밸런스의 레벨에 대응하는 에러 신호를 발생시키는 연산 증폭기와;
    (ii) 에러 신호에 따라 에너지 공급 장치들의 인접 쌍의 전하를 재분배하도록 배치된 적층 트랜지스터 쌍
    을 더 포함하는 밸런싱 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 차동 멀티플렉서는 스플릿 서플라이 회로에 의해 전력 공급받는 것인 밸런싱 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 배터리 팩 및 하나 이상의 다른 배터리 모듈과 연관된 온도를 나타내는 신호를 수신하고 수신된 신호들 중 한 신호를 출력 포트에서 선택적으로 제공하는 온도 모니터링 모듈을 더 포함하는 밸런싱 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 각각의 에너지 공급 장치는 리튬 셀인 것인 밸런싱 시스템.
  17. 배터리 팩 내의 에너지 공급 장치들을 밸런싱하는 방법으로서,
    상기 배터리 팩은 전기적으로 직렬 접속된 N개 에너지 공급 장치들의 그룹을 포함하며, N은 1보다 큰 정수이며,
    배터리 팩 내의 에너지 공급 장치의 각각의 인접 쌍마다, 인접 쌍의 에너지 공급 장치들에 저장된 전하가 실질적으로 동일하도록, 인접 쌍의 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 조정하는 단계와;
    재분배 회로를 이용하여 에너지 공급 장치의 인접 쌍 사이에 전하를 재분배하는 단계 - 상기 재분배 회로는 각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 소정의 임계값을 초과하여 유지시키기 위해 백-투-백 구성으로 배치된 한 쌍의 제너 다이오드들을 포함함 - 와;
    각각의 에너지 공급 장치에 저장된 전하를 소정의 임계값을 초과하여 유지시키는 단계
    를 포함하는 밸런싱 방법.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    낮은 온저항 차동 멀티플렉서를 이용하여 각각의 에너지 공급 장치를 순차적으로 선택하는 단계와,
    선택된 에너지 공급 장치와 연관된 전압을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 밸런싱 방법.
  20. 제17항에 있어서, 스플릿 서플라이 회로로부터 차동 멀티플렉서에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는 밸런싱 방법.
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