KR101464696B1

KR101464696B1 - Dc 전압 중간 회로를 포함하는 배터리 시스템의 작동 개시 방법

Info

Publication number: KR101464696B1
Application number: KR1020137009884A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 부츠만; 홀거 핑크
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하; 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2014-11-24
Also published as: CN103119776A; EP2619841A1; US20130293196A1; CN103119776B; JP2013539898A; US9276427B2; ES2473575T3; DE102010041029A1; EP2619841B1; KR20130096278A; WO2012038153A1; JP5580482B2

Abstract

본 발명은 배터리와 상기 배터리에 연결되는 DC 전압 중간 회로를 포함하는 배터리 시스템을 작동 개시하는 방법을 제공한다. 상기 배터리는 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈(40, 60)을 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈(40, 60)은 제1 개수의 배터리 셀(11)을 구비한 제1 배터리 모듈(40, 60)과, 더 많은 제2 개수의 배터리 셀(11)을 구비한 하나 이상의 제2 배터리 모듈(40, 60)을 포함한다. 상기 방법의 시작 시, 모든 상기 배터리 모듈들(40, 60)은 비활성화되고, 상기 배터리의 출력 전압은 영(0)이 된다. 상기 방법의 과정 중에, 상기 배터리의 상기 출력 전압은 상기 제2 배터리 모듈들(40, 60)이 순차적으로 활성화됨에 따라 증가한다. 이 과정에서, 상기 제1 배터리 모듈(40, 60)은 2개의 배터리 모듈들(40, 60)의 활성화 사이에 활성화되고, 추가의 제2 배터리 모듈(40, 60)이 활성화될 때 다시 비활성화된다. 본 발명은 상기 방법을 실행하도록 구성된 배터리, 이러한 종류의 배터리를 포함하는 배터리 시스템, 및 이러한 종류의 배터리 시스템을 포함하는 자동차를 제공한다.

Description

DC 전압 중간 회로를 포함하는 배터리 시스템의 작동 개시 방법{Method for starting up a battery system having a DC voltage intermediate circuit}

본 발명은 DC 전압 중간 회로를 포함하는 배터리 시스템을 작동 개시하기 위한 작동 개시 방법뿐 아니라, 상기 작동 개시 방법을 실행하도록 구성되는 배터리, 및 DC 전압 중간 회로를 포함한 배터리 시스템에 관한 것이다.

향후에는 고정식 적용 사례에서 뿐 아니라, 하이브리드 및 전기 차량과 같은 차량에서도 배터리 시스템의 이용이 점차 증가할 것이라는 추세가 뚜렷해지고 있다. 각각의 적용에 대해 지정된 전압 관련 요건들과 제공될 수 있는 출력을 충족할 수 있도록 하기 위해, 많은 수의 배터리 셀이 직렬로 접속된다. 상기 배터리로부터 공급되는 전류는 모든 배터리 셀을 통해 흘러야 하지만, 하나의 배터리 셀은 제한된 전류만을 전도할 수 있기 때문에, 최대 전류를 높이기 위해 빈번히 추가로 배터리 셀들이 병렬로 접속된다. 이는 배터리 셀 하우징의 내부에 복수의 셀 코일을 제공하는 것을 통해, 또는 배터리 셀들을 외부에서 배선하는 것을 통해 이루어질 수 있다.

예컨대 전기 및 하이브리드 차량에서, 또는 풍력 발전소의 로터 블레이드 조정에서와 같이 고정식 적용 사례에서도 이용되는 것과 같은 통상적인 전기 구동 시스템의 기본 회로도는 도 1에 도시되어 있다. 배터리(110)는 커패시터(111)에 의해 형성되는 DC 전압 중간 회로에 연결된다. DC 전압 중간 회로에는 펄스 폭 변조 인버터(112)도 연결되며, 이 펄스 폭 변조 인버터는, 각각 2개의 개폐형 반도체 밸브 및 2개의 다이오드를 통해서, 전기 구동 모터(113)의 작동을 위한, 상호 간에 위상 편이된 사인파 전압을 3개의 출력단에 공급한다. DC 전압 중간 회로를 형성하는 커패시터(111)의 용량은 개폐형 반도체 밸브들 중 하나의 반도체 밸브가 통전되는 기간 동안 DC 전압 중간 회로 내 전압을 안정화시키기 위해 충분히 높아야만 한다. 전기 차량과 같은 실질적인 적용 사례에서는 최대 수 mF까지 영역의 높은 용량이 발생한다.

도 2에는 도 1의 배터리(110)가 상세한 블록 회로도로 도시되어 있다. 복수의 배터리 셀은 각각의 적용에 대해 요구되는 높은 출력 전압 및 배터리 용량을 달성하기 위해 직렬로 접속될 뿐 아니라 선택에 따라서는 추가로 병렬로 접속된다. 배터리 셀들의 양극과 양의 배터리 단자(114) 사이에는 충전 및 분리 장치(116)가 접속된다. 선택에 따라서는 추가로 배터리 셀들의 음극과 음의 배터리 단자(115) 사이에 분리 장치(117)가 접속될 수 있다. 분리 및 충전 장치(116)와 분리 장치(117)는 배터리 단자를 무전압 상태로 전환하기 위해 배터리 단자들로부터 배터리 셀들을 분리하도록 제공되는 접촉기(118 및 119)를 각각 포함한다. 그렇지 않으면 직렬 접속된 배터리 셀들의 높은 직류 전압으로 인해 유지보수 직원 등은 상당한 위험에 노출될 수 있다. 충전 및 분리 장치(116) 내에는 추가로 충전 접촉기(120)에 직렬로 접속된 충전 저항기(121)를 포함하는 충전 접촉기(120)가 제공된다. 충전 저항기(121)는, 배터리가 DC 전압 중간 회로에 연결될 때, 커패시터(111)로 흐르는 충전 전류를 제한한다. 이를 위해 우선 접촉기(118)가 개방되고 충전 접촉기(120)만이 폐쇄된다. 양의 배터리 단자(114)에서의 전압이 배터리 셀들의 전압에 도달하면, 접촉기(119)가 폐쇄되고 경우에 따라 충전 접촉기(120)가 개방될 수 있다.

충전 접촉기(120) 및 충전 저항기(121)는, 수십 kW 범위의 출력을 포함하는 적용 사례에서 수백 밀리초 동안 지속되는, DC 전압 중간 회로의 충전 과정을 위해서만 소요되는 상당한 추가 비용을 나타낸다. 전술한 부품들은 고가일 뿐 아니라, 대형이면서 무거우며, 이런 점은 특히 전기 자동차와 같은 이동식 적용 사례에서 이용하기에 방해가 된다.

그러므로 본 발명에 따라, 배터리와, 상기 배터리와 연결된 DC 전압 중간 회로와, 상기 DC 전압 중간 회로와 연결된 구동 시스템을 포함하는 배터리 시스템을 작동 개시하기 위한 작동 개시 방법이 제시된다. 상기 배터리는 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈들은 각각, 커플링 유닛과, 상기 커플링 유닛의 제1 입력단과 제2 입력단 사이에 접속되는 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 상기 복수의 배터리 모듈은, 제1 개수의 배터리 셀을 구비한 제1 배터리 모듈과, 상기 제1 개수의 배터리 셀보다 많은 제2 개수의 배터리 셀을 구비한 하나 이상의 제2 배터리 모듈을 포함한다. 본원의 작동 개시 방법은 적어도 하기 단계들을 포함한다.

a) 직렬로 접속된 상기 배터리 모듈들의 커플링 유닛들로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 통해 직렬로 접속된 모든 배터리 모듈의 배터리 셀들을 분리하는 단계,

b) 상기 배터리의 출력 전압이 영(0)이 되도록, 직렬로 접속된 모든 배터리 모듈을 출력 측에서 브리지하는 단계,

c) 상기 제1 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 종료함으로써, 상기 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들을 연결하고 상기 제1 배터리 모듈의 출력 측의 브리지를 종료하는 단계,

d) 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 하나의 제2 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 종료함으로써, 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 상기 하나의 제2 배터리 모듈의 배터리 셀들을 연결하고, 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 상기 하나의 배터리 모듈의 출력 측의 브리지를 종료하는 단계,

e) 단계 d)와 동시에, 상기 제1 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 통해 상기 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들을 분리하고, 상기 제1 배터리 모듈을 출력 측에서 브리지하는 단계, 및

f) 출력 측에서 브리지되고 있는 추가의 제2 배터리 모듈이 존재할 경우에, 단계 c) 내지 e)를 반복하는 단계.

본 발명의 작동 개시 방법은, 배터리의 출력 전압과 그에 따라 DC 전압 중간 회로의 전압이 단계적으로 상승됨으로써, 배터리의 출력 전압에 부합하게 DC 전압 중간 회로의 전압을 조정하기 위해, 매번 상승 단계 때마다 배터리의 출력 전압과 DC 전압 중간 회로 사이의 비교적 낮은 전압 차이를 바탕으로, DC 전압 중간 회로의 커패시터 내로 비교적 낮은 충전 전류가 유입된다는 장점을 제공한다. 이와 같이, 종래 기술의 배터리 시스템의 충전 접촉기(120) 및 충전 저항기(121)는 불필요하게 되며, 그리고 본 발명의 작동 개시 방법에 따라 기능하는 배터리 시스템의 비용, 부피 및 중량은 그에 상응하게 감소한다.

그 외에도, 본 발명의 작동 개시 방법은, DC 전압 중간 회로가 더욱 짧은 시간 이내에 충전된다는 장점이 있다. 충전 및 분리 장치(116)를 구비하여 도 2에 도시된 배터리를 포함하는 배터리 시스템에서, DC 전압 중간 회로는, 음의 지수를 갖는 지수 함수에 상응하는 특성의 조건에서 접촉기(118)를 폐쇄할 때까지 충전된다. 다시 말하면, 충전 과정의 개시 시점에 최대 충전 전류가 흐르지만, 상기 최대 충전 전류는 DC 전압 중간 회로의 충전이 계속 진행됨에 따라 그대로 계속하여 감소하며, 그럼으로써 DC 전압 중간 회로의 전압은 점근적(asymptotic)으로 배터리의 출력 전압의 값에 근사하게 된다. 그러나 본 발명의 작동 개시 방법에 따라서, DC 전압 중간 회로의 전압이 연속해서 단계적으로 증가될 수 있고, 그럼으로써 상기 전압은 평균적으로 대략 선형인 계단형 곡선 파형을 나타내게 된다. DC 전압 중간 회로의 평균화된 전압의 기울기는, 충전 과정 전체에 걸쳐서 적어도 근사하는 방식으로 일정한 평균 충전 전류에 상응하며, 그럼으로써 제1 목표 작동 전압이 그에 상응하게 더욱 빨리 달성되게 된다.

본 발명에 따라서는, 배터리 모듈당 배터리 셀의 개수에 의해 서로 구분되는 배터리 모듈들의 2가지 이상의 실시예들이 제공된다. 통상 한 번만 제공되는 제1 배터리 모듈은 제2 배터리 모듈들보다 적은 개수의 배터리 셀을 포함한다. 또한, 그에 상응하게, 제1 배터리 모듈의 출력 전압은 그 자체로 제2 배터리 모듈들의 출력 전압보다 낮다. 접속된 배터리 모듈의 출력 전압의 레벨은, 배터리의 출력 전압과 DC 전압 중간 회로의 전압 사이의 초기 전압 차이를 결정할 뿐 아니라, 그에 따라 배터리로부터 DC 전압 중간 회로 내로 흐르는 최대 충전 전류도 결정한다. 제1 배터리 모듈의 더욱 낮은 출력 전압을 바탕으로, DC 전압 중간 회로의 전압은 더욱 적은 단계로 상승될 수 있으며, 그럼으로써 최대 충전 전류도 그에 상응하게 감소한다. 그에 따라 본 발명은 충전 접촉기 및 충전 저항기 없이도 배터리 모듈들의 연속적인 접속을 통해 DC 전압 중간 회로를 충전하는 것을 허용하지만, 그와 동시에 배터리 모듈들의 커플링 유닛들을 위한 회로 비용은 최소화되는데, 그 이유는 제2 배터리 모듈들 내에서 커플링 유닛이 직렬로 접속된 더욱 많은 개수의 배터리 셀을 관리하기 때문이다.

바람직하게는 본원의 작동 개시 방법은, DC 전압 중간 회로의 전압이 목표 작동 전압에 도달하면, DC 전압 중간 회로와 연결된 구동 시스템을 작동 개시하는 추가 단계 g)를 포함한다. 목표 작동 전압은 모든 제2 배터리 모듈의 총 전압보다 낮거나, 또는 모든 제2 배터리 모듈 및 제1 배터리 모듈의 총 전압보다 낮을 수 있다. 이런 경우에, 구동 시스템은, DC 전압 중간 회로의 전압이 DC 전압 중간 회로의 최대 전압에 도달하기 이전에 이미 작동 개시되며, 그리고 제1 목표 작동 전압에 도달할 때까지 감소된 출력의 조건에서 작동된다.

바람직하게는, 모든 제2 배터리 모듈의 배터리 셀들이 연결될 때까지, 다시 말하면 직렬로 접속될 때까지, 단계 c) 내지 e)가 반복된다. 배터리의 최대 출력 전압은 구동 시스템의 최대 가능한 구동 출력에 상응한다.

일반적으로 본 발명은 제1 배터리 모듈 및 하나 이상의 제2 배터리 모듈의 이용에만 국한되지 않는다. 그 외에, 상이한 개수의 배터리 셀들을 포함하여, 배터리의 요구되는 출력 전압과, 그에 따른 DC 전압 중간 회로의 요구되는 전압에 도달할 때까지, 대응하는 패턴으로 연결 및 분리되는 추가의 배터리 모듈들을 제공하는 점도 생각해볼 수 있다. 예를 들면 제1 배터리 모듈은 n개의 배터리 셀을, 제2 배터리 모듈은 2*n개의 배터리 셀을, 제3 배터리 모듈은 4*n개의 배터리 셀을, 그리고 제4 배터리 모듈은 8*n개의 배터리 셀을 포함하는 방식으로, 배터리 모듈들이 제공될 수 있다. 그럼으로써 2진 회로도(binary circuit diagram)가 적용될 수 있되, 이 경우 각각의 개폐 단계에 대한 전압 차이는 제1 배터리 모듈의 전압에 의해 결정된다. 이 경우 개수 n은 1일 수도 있으며, 그럼으로써 배터리의 출력 전압은 최소의 전압 단계로 조정될 수 있게 된다. 커플링 유닛들을 위한 제어 신호들은 2진 회로도에서 2진 카운터(binary counter)에 의해 간단하게 생성될 수 있다.

본 발명의 제2 관점은, 개회로 제어 유닛(open-loop control unit)과, 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리에 관한 것이다. 이 경우 각각의 배터리 모듈은, 커플링 유닛과, 상기 커플링 유닛의 제1 입력단과 제2 입력단 사이에 접속되는 하나 이상의 배터리 셀을 포함한다. 복수의 배터리 모듈은, 제1 개수의 배터리 셀을 구비한 제1 배터리 모듈과, 제1 개수의 배터리 셀보다 많은 제2 개수의 배터리 셀을 구비한 하나 이상의 제2 배터리 모듈을 포함한다. 개회로 제어 유닛은, 본 발명에 따라, 본 발명의 제1 관점에 따르는 작동 개시 방법을 실행하도록 형성된다.

특히 바람직하게는 제2 개수는 제1 개수의 2배다. 이런 경우에 배터리의 출력 전압은 균일한 단계로 증가될 수 있다.

배터리 모듈들의 배터리 셀은 바람직하게는 리튬-이온 배터리 셀이다. 리튬-이온 배터리 셀들은 지정된 용적 내의 셀 전압 및 에너지 함량 모두가 높다는 장점을 보유한다.

본 발명의 추가의 관점은, 배터리와, 배터리와 연결된 DC 전압 중간 회로와, DC 전압 중간 회로와 연결되는 구동 시스템을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이다. 이 경우 배터리는 본 발명의 상술한 관점에 따라서 구성된다.

이 경우 특히 바람직하게는, DC 전압 중간 회로는 배터리와 직접 연결되며, 다시 말하면, 배터리와 DC 전압 중간 회로 사이에 추가의 부품들이 제공되지 않으며, 특히 충전 장치 또는 충전 접촉기 및 충전 저항기 모두가 제공되지 않는다. 그러나 배터리 시스템의 실시예들의 경우, 전류 센서들과 같은 추가의 부품들이 배터리와 DC 전압 중간 회로 사이에 접속될 수도 있다.

DC 전압 중간 회로는 커패시터를 포함할 수 있거나, 또는 커패시터로 구성될 수 있다.

본 발명의 제4 관점은 본 발명의 상술한 관점에 따르는 배터리 시스템을 장착한 자동차에 관한 것이다.

본 발명의 실시예들은 도면과 하기의 설명에 따라서 더욱 상세하게 설명되며, 동일한 도면 부호는 동일하거나 기능상 동일한 유형의 부품을 지시한다.
도 1은 종래 기술에 따르는 전기 구동 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따르는 배터리를 도시한 블록 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 작동 개시 방법을 실행할 수 있게 하는 배터리 내에서 이용되는 커플링 유닛의 제1 실시예를 도시한 회로도이다.
도 4는 커플링 유닛의 제1 실시예의 가능한 회로 기술상 구현 상태를 도시한 회로도이다.
도 5A 및 도 5B는 커플링 유닛의 제1 실시예를 포함한 배터리 모듈의 2가지 실시예를 각각 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따르는 작동 개시 방법을 실행할 수 있게 하는 배터리 내에서 이용되는 커플링 유닛의 제2 실시예를 도시한 회로도이다.
도 7은 커플링 유닛의 제2 실시예의 가능한 회로 기술상 구현 상태를 도시한 회로도이다.
도 8은 커플링 유닛의 제2 실시예를 포함하는 배터리 모듈의 실시예를 도시한 회로도이다.
도 9는 본 발명에 따르는 작동 개시 방법을 실행할 수 있게 하는 배터리를 도시한 회로도이다.
도 10은 종래 기술에 따르는 배터리 시스템과 본 발명에 따르는 배터리 시스템에 대해 DC 전압 중간 회로의 전압의 시간별 파형을 나타낸 각각의 그래프이다.

도 3에는 본 발명에 따르는 작동 개시 방법을 실행할 수 있게 하는 배터리 내에서 이용되는 커플링 유닛(30)의 제1 실시예가 도시되어 있다. 커플링 유닛(30)은 2개의 입력단(31 및 32)뿐 아니라 출력단(33)을 포함하며, 그리고 입력단들 중 일측 입력단(31 또는 32)을 출력단(33)과 연결하고 타측 입력단은 분리하도록 형성된다.

도 4에는 제1 및 제2 스위치(35 및 36)가 제공되어 있는 커플링 유닛(30)의 제1 실시예의 가능한 회로 기술상 구현 상태가 도시되어 있다. 스위치들 각각은 입력단들 중 일측 입력단(31 또는 32)과 출력단(33) 사이에 접속된다. 상기 실시예는, 두 입력단(31, 32)이 출력단(33)으로부터 분리될 수 있도록 함으로써 출력단(33)은 하이 오옴 상태가 된다는 장점을 제공하되, 이런 점은 예컨대 수리 또는 유지보수의 경우에 유용할 수 있다. 그 외에 스위치들(35, 36)은 예컨대 MOSFET나 IGBT와 같은 반도체 스위치로서 간단하게 실현될 수 있다. 반도체 스위치들은 유리한 가격 및 높은 개폐 속도의 장점을 가지며, 그럼으로써 커플링 유닛(30)은 짧은 시간 이내에 제어 신호 또는 제어 신호의 변화에 각각 반응할 수 있게 된다.

도 5A 및 도 5B에는 커플링 유닛(30)의 제1 실시예를 포함하는 배터리 모듈(40)의 2가지 실시예가 각각 도시되어 있다. 복수의 배터리 셀(11)은 커플링 유닛(30)의 입력단들 사이에 직렬로 접속된다. 그러나 본 발명은 배터리 셀들(11)의 상기 직렬 접속으로 국한되는 것이 아니라, 단일의 배터리 셀(11)만이 제공될 수 있거나, 또는 배터리 셀들(11)의 병렬 접속이나 직렬-병렬 혼합형 접속도 제공될 수 있다. 도 5A의 실례에서 커플링 유닛(30)의 출력단은 제1 단자(41)와 연결되고 배터리 셀들(11)의 음극은 제2 단자(42)와 연결된다. 그러나 도 5B에서처럼 배터리 셀들(11)의 양극이 제1 단자(41)와 연결되고 커플링 유닛(30)의 출력단은 제2 단자(42)와 연결되는 거의 반사 대칭의 배치 구조도 가능하다.

도 6에는 본 발명에 따르는 작동 개시 방법이 실행될 수 있게 하는 배터리 내에서 이용되는 커플링 유닛(50)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 커플링 유닛(50)은 2개의 입력단(51 및 52)뿐 아니라 2개의 출력단(53 및 54)을 포함한다. 커플링 유닛은, 제1 입력단(51)을 제1 출력단(53)과 연결할 뿐 아니라 제2 입력단(52)을 제2 출력단(54)과 연결하도록[그리고 제2 출력단(54)으로부터 제1 출력단(53)을 분리하도록] 형성되거나, 또는 제1 출력단(53)을 제2 출력단(54)과 연결하도록[그리고 이 경우 입력단들(51 및 52)을 분리하도록] 형성된다. 그 외에도 커플링 유닛의 소정의 실시예들에서 상기 커플링 유닛은, 출력단들(53, 54)로부터 두 입력단(51, 52)을 분리하고 제2 출력단(54)으로부터 제1 출력단(53)을 분리하도록 형성될 수도 있다. 그러나 제1 입력단(51)을 제2 입력단(52)과 연결하는 점은 제공되지 않는다.

도 7에는 제1, 제2 및 제3 스위치(55, 56, 57)가 제공되어 있는 커플링 유닛(50)의 제2 실시예의 가능한 회로 기술상 구현 상태가 도시되어 있다. 제1 스위치(55)는 제1 입력단(51)과 제1 출력단(53) 사이에 접속되고, 제2 스위치(56)는 제2 입력단(52)과 제2 출력단(54) 사이에 접속되며, 제3 스위치(57)는 제1 출력단(53)과 제2 출력단(54) 사이에 접속된다. 상기 실시예는 마찬가지로, 상기 스위치들(55, 56, 57)이 예컨대 MOSFET나 IGBT와 같은 반도체 스위치로서 간단하게 실현될 수 있다는 장점을 제공한다. 반도체 스위치들은 유리한 가격 및 높은 개폐 속도의 장점을 가지며, 그럼으로써 커플링 유닛(50)은 짧은 시간 이내에 제어 신호 또는 제어 신호의 변화에 각각 반응할 수 있다.

도 8에는 커플링 유닛(50)의 제2 실시예를 포함하는 배터리 모듈(60)의 실시예가 도시되어 있다. 복수의 배터리 셀(11)은 커플링 유닛(50)의 입력단들 사이에 직렬로 접속된다. 배터리 모듈(60)의 상기 실시예도 배터리 셀들(11)의 상기 직렬 접속으로만 국한되지 않으며, 여기서도 단일의 배터리 셀(11)만이 제공될 수 있거나, 또는 배터리 셀들(11)의 병렬 접속이나 직렬-병렬 혼합형 접속도 제공될 수 있다. 커플링 유닛(50)의 제1 출력단은 제1 단자(61)와 연결되고, 커플링 유닛(50)의 제2 출력단은 제2 단자(62)와 연결된다. 배터리 모듈(60)은, 도 5A 및 도 5B의 배터리 모듈(40)에 비해서, 배터리 셀들(11)이 커플링 유닛(50)에 의해 나머지 배터리로부터 양측에서 분리될 수 있되, 그로 인해 작동 중인 배터리에서 위험 없는 교환을 가능하게 한다는 장점을 제공하는데, 그 이유는 배터리 셀들(11)의 어느 극에도 배터리의 나머지 배터리 모듈들의 위험할 정도로 높은 총 전압이 인가되지 않기 때문이다.

도 9에는 본 발명에 따르는 작동 개시 방법이 실행될 수 있게 하는 배터리의 실시예가 도시되어 있다. 배터리는 복수의 배터리 모듈(40 또는 60)을 구비한 배터리 모듈 라인(70)을 포함하고, 바람직하게는 각각의 배터리 모듈(40 또는 60)은 동일한 개수의 배터리 셀(11)을 동일하게 배선된 방식으로 포함한다. 배터리 모듈들(40 또는 60)에 추가로 추가의 배터리 모듈(45 또는 65)이 제공되며, 상기 추가의 배터리 모듈은 배터리 모듈들(40 또는 60)과 같이 구성되지만, 상기 추가의 배터리 모듈(45, 65) 내 배터리 셀들(11)의 개수가 배터리 모듈들(40, 60) 내에서보다 적다는 점에서 배터리 모듈들(40 또는 60)과 구분된다. 추가의 배터리 모듈(45, 65)은 도 9에서 최상부 위치에 도시되어 있지만, 배터리 모듈 라인(70)의 임의의 위치에도 배치될 수 있다.

일반적으로 배터리 모듈 라인(70)은 각각의 개수의 배터리 모듈들(40 또는 60)을 포함할 수 있다. 또한, 배터리 모듈 라인(70)의 극들에는, 안전 규정에서 요구된다면, 추가로 도 2에서와 같은 충전 및 분리 장치들과 분리 장치들이 제공될 수 있다. 그러나 상기 분리 장치들은 본 발명에 따라 필요하지 않은데, 그 이유는 배터리 단자들로부터 배터리 셀들(11)의 분리가 배터리 모듈들(40 또는 60) 내에 포함된 커플링 유닛들(30 또는 50)에 의해 이루어질 수 있기 때문이다.

도 10에는 종래 기술에 따르는 배터리 시스템과 본 발명에 따르는 배터리 시스템에 대해 DC 전압 중간 회로의 전압이 시간별 파형을 나타낸 그래프로 각각 도시되어 있다.

부분 그래프 a)에는 종래 기술에 따르는 배터리 시스템에 대한 시간별 파형이 도시되어 있다. 시점(t₀)에 배터리는 충전 접촉기(120) 및 충전 저항기(121)를 통해 DC 전압 중간 회로의 커패시터(111)에 연결되며, 상기 시점에서 상기 커패시터는 완전하게 방전된 상태이다. DC 전압 중간 회로의 전압은 초기에 빠르게 상승하지만, 그런 다음 대응하는 기울기는 계속해서 감소한다. 시점(t₁₁)에서야 비로소, DC 전압 중간 회로의 전압은, 배터리의 출력 전압과 DC 전압 중간 회로의 전압 간의 차이(ΔV)가 접촉기(118)를 폐쇄하고 충전 저항기(121)에 의한 전류 제한 없이 배터리의 출력 전압까지 DC 전압 중간 회로를 충전할 만큼 낮지만 충분한 정도의 수준이 된다.

부분 그래프 b)에는 본 발명에 따르는 배터리 시스템에 대한 대응하는 시간별 파형이 도시되어 있다. 충전 과정의 시작 시에 DC 전압 중간 회로의 전압은 다시 영(0)이 되며, 다시 말하면 DC 전압 중간 회로의 커패시터가 완전히 방전된다. 시점(t₀)에 제1 배터리 모듈이 활성화되며, 그럼으로써 배터리의 출력 전압은 제1 개수의 배터리 셀을 포함하는 제1 배터리 모듈의 전압에 상응하게 된다. 충전 전류는 충전 저항기에 의해 제한되지 않으며, 그럼으로써 DC 전압 중간 회로의 전압이 빠르게 상승하지만, 충전 전류는 허용되지 않을 정도로 높아지지는 않는데, 그 이유는 배터리의 출력 전압과 DC 전압 중간 회로의 전압 간의 전압 차이가 비교적 작기 때문이다. DC 전압 중간 회로의 전압이 거의 제1 배터리 모듈의 출력 전압에 가까워지면[시점(t₂₁)], 곧바로 더욱 많은 제2 개수의 배터리 셀을 포함하는 제2 배터리 모듈이 활성화되고, 그와 동시에 제1 배터리 모듈은 다시 비활성화되며, 그럼으로써 배터리의 출력 전압은 활성화된 제2 배터리 모듈의 전압으로, 그리고 활성화된 제2 배터리 모듈에서 제1 배터리 모듈의 전압을 제외한 차이만큼 증가하게 된다. DC 전압 중간 회로의 전압은 재차 빠르게 배터리의 출력 전압을 따라간다. 시점(t₂₂)에서는 다시 제1 배터리 모듈이 이미 활성화된 제2 배터리 모듈에 추가로 활성화된다. DC 전압 중간 회로의 전압이 다시 그에 상응하게 상승되었다면[시점(t₂₃)], 재차 제2 배터리 모듈이 접속되고, 그와 동시에 제1 배터리 모듈은 비활성화된다. 그런 다음에, 각각 추가의 제2 배터리 모듈을 접속하고 제1 배터리 모듈을 교호적으로 활성화 및 비활성화하는 점은, 각각 DC 전압 중간 회로의 전압이 목표 작동 전압에 도달하고 모든 제2 배터리 모듈(및 경우에 따라 추가로 제1 배터리 모듈)이 활성화될 때까지 반복된다. 도시된 실례에서 배터리는 2개의 제2 배터리 모듈을 포함하지만, 자연히 제2 배터리 모듈의 임의의 개수는 1보다 큰 수이거나, 또는 1과 동일할 수 있다.

DC 전압 중간 회로의 전압의 두 시간별 파형의 비교를 통해 증명할 수 있는 점에 따라서, 본 발명에 따르는 DC 전압 중간 회로는 종래 기술에서 통상적인 경우보다 훨씬 더 빠르게 충전된다는 사실을 확인할 수 있다. 그럼으로써 DC 전압 중간 회로에 연결된 구동 시스템은 더욱 빠르게 작동 개시될 수 있으며, 이런 점은 특히 안전 관련 적용 사례에 중요하게 이용될 수 있다.

Claims

배터리와, 상기 배터리와 연결된 DC 전압 중간 회로와, 상기 DC 전압 중간 회로와 연결된 구동 시스템을 포함하는 배터리 시스템을 작동 개시하기 위한 작동 개시 방법에 있어서,
상기 배터리는 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈을 포함하고, 상기 배터리 모듈들은 각각, 커플링 유닛과, 상기 커플링 유닛의 제1 입력단과 제2 입력단 사이에 접속되는 하나 이상의 배터리 셀을 포함하고,
상기 복수의 배터리 모듈은 제1 개수의 배터리 셀을 구비한 제1 배터리 모듈과, 상기 제1 개수의 배터리 셀보다 많은 제2 개수의 배터리 셀을 구비한 하나 이상의 제2 배터리 모듈을 포함하며,
상기 작동 개시 방법은,
a) 직렬로 접속된 상기 배터리 모듈들의 커플링 유닛들로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 통해 직렬로 접속된 모든 배터리 모듈의 배터리 셀들을 분리하는 단계와,
b) 상기 배터리의 출력 전압이 영(0)이 되도록, 직렬로 접속된 모든 배터리 모듈을 출력 측에서 브리지하는 단계와,
c) 상기 제1 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 종료함으로써, 상기 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들을 연결하고, 상기 제1 배터리 모듈의 출력 측의 브리지를 종료하는 단계와,
d) 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 하나의 제2 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 종료함으로써, 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 상기 하나의 제2 배터리 모듈의 배터리 셀들을 연결하고, 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 상기 하나의 배터리 모듈의 출력 측의 브리지를 종료하는 단계와,
e) 상기 단계 d)와 동시에, 상기 제1 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 통해 상기 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들을 분리하고, 상기 제1 배터리 모듈을 출력 측에서 브리지하는 단계와,
f) 출력 측에서 브리지되고 있는 추가의 제2 배터리 모듈이 존재할 경우, 단계 c) 내지 e)를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 개시 방법.
제1항에 있어서,
상기 DC 전압 중간 회로의 전압이 목표 작동 전압에 도달하면, 상기 DC 전압 중간 회로와 연결된 구동 시스템을 작동 개시하는 단계 g)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 작동 개시 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 목표 작동 전압은 모든 제2 배터리 모듈의 총 전압보다 낮거나, 또는 모든 제2 배터리 모듈 및 상기 제1 배터리 모듈의 총 전압보다 낮은 것을 특징으로 하는 작동 개시 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
모든 제2 배터리 모듈의 배터리 셀들이 연결될 때까지, 상기 단계 c) 내지 e)가 반복되는 것을 특징으로 하는 작동 개시 방법.
개회로(open-loop) 제어 유닛과, 직렬로 접속된 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리로서,
각각의 배터리 모듈은, 커플링 유닛과, 상기 커플링 유닛의 제1 입력단과 제2 입력단 사이에 접속되는 하나 이상의 배터리 셀을 포함하고,
상기 복수의 배터리 모듈은 제1 개수의 배터리 셀을 구비한 제1 배터리 모듈과, 상기 제1 개수의 배터리 셀보다 많은 제2 개수의 배터리 셀을 구비한 하나 이상의 제2 배터리 모듈을 포함하며,
상기 개회로 제어 유닛은 상기 배터리 모듈들의 커플링 유닛을 제어하여,
a) 직렬로 접속된 상기 배터리 모듈들의 커플링 유닛들로 대응하는 제어 신호를 출력함으로써, 통해 직렬로 접속된 모든 배터리 모듈의 배터리 셀들을 분리하는 단계와,
b) 상기 배터리의 출력 전압이 영(0)이 되도록, 직렬로 접속된 모든 배터리 모듈을 출력 측에서 브리지하는 단계와,
c) 상기 제1 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 종료함으로써, 상기 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들을 연결하고, 상기 제1 배터리 모듈의 출력 측의 브리지를 종료하는 단계와,
d) 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 하나의 제2 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력하는 것을 종료함으로써, 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 상기 하나의 제2 배터리 모듈의 배터리 셀들을 연결하고, 상기 제2 배터리 모듈들 중에서 상기 하나의 배터리 모듈의 출력 측의 브리지를 종료하는 단계와,
e) 상기 단계 d)와 동시에, 상기 제1 배터리 모듈의 커플링 유닛으로 대응하는 제어 신호를 출력함으로써, 통해 상기 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들을 분리하고, 상기 제1 배터리 모듈을 출력 측에서 브리지하는 단계와,
f) 출력 측에서 브리지되고 있는 추가의 제2 배터리 모듈이 존재할 경우, 단계 c) 내지 e)를 반복하는 단계를 포함하는 작동 개시 방법을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리.
제5항에 있어서,
상기 제2 개수는 상기 제1 개수의 2배인 것을 특징으로 하는 배터리.
배터리와, 상기 배터리와 연결된 DC 전압 중간 회로와, 상기 DC 전압 중간 회로와 연결된 구동 시스템을 포함하는 배터리 시스템에 있어서,
상기 배터리는 제5항에 따른 배터리인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제7항에 있어서,
상기 DC 전압 중간 회로는 상기 배터리와 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제7항에 있어서,
상기 DC 전압 중간 회로는 커패시터를 포함하거나, 또는 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따르는 배터리 시스템을 장착한 자동차.