KR101520988B1 - 배터리 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

상호 교환 가능한 슬레이브 모듈(112)이 각 셀(108)에 연결되며, 배터리 시스템을 제어 및 관리하는 마스터 모듈(110)을 포함하는 모듈형 배터리 관리 시스템(100)에 관한 것이다. 모든 모듈들(110,112)은 외부 소스(102-A), 보조 소스(102-B) 및 배터리(106) 간을 선택적으로 스위칭하는 트랜스퍼 스위치(104)를 통해 파워을 수신한다. 모듈들(110,112)은 셀(108)을 개별적으로 충전 및 모니터링하기 위한 배터리의 셀(108)에 연결되도록 구성된다. 각 모듈(110,112)은 다른 모듈들과 전기적으로 격리(isolate)된다. 모듈들(110,112)은 독립적으로 동작하고, 셀(108)의 임계 파라미터에 도달하면 배터리(106)를 셧다운 시키고 모듈(110,112)의 연결을 해제시킨다. 배터리(106)가 동작 중이고, 셀 파라미터가 임계 레벨에 접근하면, 마스터 콘트롤러(110)는 해당 슬레이브 모듈(112)이 배터리 파워을 사용하여 셀(108)을 충전하도록 지시한다. 마스터 모듈(110)은 슬레이브 모듈(112)를 초기화하여 모듈(112)을 고유하게 식별한다.

Description

배터리 관리 시스템{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
본 출원은 미국 가출원 번호 61/012,907, 출원일 2007년 12월 11일의 우선권을 향유한다.
본 발명은 멀티셀 배터리의 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
휴대용 파워 소스가 널리 보급되고 있다. 배터리들은 핸드헬드 장치에서 전기 자동차까지 많은 휴대용 장치들에 동작 파워를 공급한다. 휴대용 장치가 더 많은 파워를 소비하고, 그에 대한 더 많은 수요가 요구됨에 따라, 파워 써플라이도 그 장치들에서 요구되는 파워를 공급할 수 있어야 한다.
통상적으로, 배터리는 하나의 유닛으로 충전된다. 즉, 단일 배터리 충전기는 연결된 구성의 모든 셀들을 충전한다. 이러한 구성은, 구현하기 간단하지만, 효율적이지 않다. 통상적으로, 멀티셀 배터리에 있는 셀들은 충전 전과 후에 동일한 충전 상태를 갖지 않는다. 한 셀이 충전 전에 더 높은 충전 상태를 갖는다면, 그 셀은 다른 셀들을 완전 충전 상태로 끌어올림으로써 오버 충전될 수 있다. 또는 그 셀이 완전 충전될 수 있더라도, 더 적은 충전 상태에서 시작한 셀은 완전 충전될 수 없다. 어느 경우든 바람직하지 않다.
배터리 셀들에 균등한 충전을 제공하고 및/또는 셀들 간에 충전을 균등화하기 위한 시도들이 행해져왔다. 예를 들어, 공개된 출원 번호 2006/0097700은 대부분의 셀들(320-335)이 직렬연결되어 있고, 충전 소스(305-315), 션트(shunt) 조절기(350-360), 및 셀 모니터(380-395)를 갖는 배터리를 개시한다. 충전 소스(305-315)는 한번에 하나씩 사용되고, 션트 조절기(350-360)는 충전되지 않을 셀들을 격리(isolate)시킨다. 특허 번호 6,150,795는 직렬 관련 셀들(31)을 갖는 배터리에 연결된 단일 충전 소스(32)를 개시한다. 셀들(31)에 병렬 연결된 것들은 셀들(31)의 충전을 등화시키는 등화기 분류기(diverter) 모듈이다.
또다른 예는 특허 번호 6,369,546으로서, 이 특허는 궤도 위성을 위한 셀 유닛(12) 어레이를 개시한다. 셀 유닛(12)은 병렬 관련 셀 유닛(12)의 셀들(14)로 그룹핑된다. 병렬 관련 셀 유닛(12)의 각 그룹은 충전 회로 및 바이패스 스위치(28)를 갖는다. 단일 벌크 충전기(16)는 모든 셀들(14)을 고속으로 충전하고, 그리고 나서, 셀들(14)의 개별 등화를 제공하는 해당 변압기/정류기 회로(26)에 연결된 복수의 등화/밸런싱 스위치들(22)에 의해 등화/밸런싱이 수행된다. 특허 번호 6,586,909는 배터리(30)의 각 셀(40)에 연결된 격리된 조절기(26)를 개시한다. 이 충전 시스템은 개별 셀(40) 또는 셀 그룹에 연결된 조절기들(26)에 파워를 공급하기 위해 멀티 권선(multiple-winding) 변압기(20)를 사용한다. 각 조절기는 멀티 권선 변압기(20)의 단일 권선(22)으로부터 파워가 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 각 셀에 상호 교환가능한 모듈이 연결된 모듈형 배터리 관리 시스템이 제공되고, 상기 관리 시스템은 상기 배터리 시스템을 제어 및 관리하는 마스터 모듈을 포함한다. 그러한 시스템은 용이한 대체 및 유지보수가 가능한 스케일가능한 배터리 관리 시스템이다. 또한, 상기 시스템은 다양한 사이즈의 배터리 시스템으로 용이하게 구성가능하다.
상기 배터리 관리 시스템은 마스터 모듈 및 상기 마스터 모듈에 의해 제어되는 복수의 슬레이브 모듈을 포함한다. 상기 각 모듈은 배터리를 구성하는 하나 이상의 셀들과 연결된다. 각 모듈은 격리된 충전 회로, 셀 파라미터를 측정하는 모니터링 회로, 모듈 디스커넥트 스위치, 및 통신 포트에 연결된 콘트롤러를 포함한다. 마스터 모듈은 배터리 파라미터를 모니터링하는 모니터링 회로와 로드 디스커넥트 스위치 및 트랜스퍼 스위치에 대한 회로를 더 포함한다. 로드 디스커넥트 스위치는 상기 로드를 배터리로부터 격리시킨다. 트랜스퍼 스위치는 배터리, 모듈, 및 외부 파워 소스를 선택적으로 연결시킨다.
일 실시예에서, 상기 마스터 및 슬레이브 모듈을 포함하는 각 모듈은 그 파워 소스로부터 격리된 셀 충전 회로를 갖는다. 일 실시예에서, 상기 셀 충전 회로는 외부 소스 또는 배터리로부터 파워를 수신하는 입력 파워 회로에 자기적으로 연결된다. 자기 커플링은 충전 회로를 격리시키고 충전 회로가 상기 셀의 전압으로 구성되도록 한다. 입력 파워 회로가 트랜스퍼 스위치에 의해 외부 소스에 연결되면, 각 셀은 배터리의 다른 셀에 독립적으로 해당 충전 회로에 의해 충전된다. 입력 파워 회로가 트랜스퍼 스위치에 의해 배터리에 연결되었을 때, 셀 전압이 기준값 이하로 떨어지면, 셀 충전 회로는 배터리 파워를 사용하여 그와 관련 셀을 충전한다. 등화 션트가 필요없기 때문에 어떤 배터리 파워도 열로 손실되지 않는다. 일 실시예에서, 셀은 임의의 또는 특정 배터리 파라미터가 특정 한계 내에 있을 때만 충전된다.
각 모듈은 또한 셀 모니터링 회로, 셀 디스커넥트, 및 통신 포트를 포함한다. 셀 모니터링 회로는 셀의 다양한 파라미터들을 측정한다. 다양한 실시예에서, 이러한 파라미터들은 온도, 전압, 전류 및 암페어 아워(amp-hour) 용량 중 하나 이상을 포함한다. 마스터 모듈로부터 셀의 전압이 설정값 이하로 떨어졌다는 신호를 수신하면, 셀 또는 모듈은 셀을 모듈로부터 격리시킨다. 통신 포트는 슬레이브 모듈과 마스터 모듈 사이에 통신을 제공한다. 다양한 실시예에서, 통신 포트는 데이지 체인, 별, 링 또는 버스 구성으로 연결된다.
마스터 모듈은 또한 로드 디스커넥트 스위치 회로, 트랜스퍼 스위치 회로, 및 마스터 콘트롤러 및 디스플레이 유닛을 포함한다. 로드 디스커넥트 스위치는 마스터 콘트롤러로부터의 명령, 예컨대 한 셀의 전압이 기준값 이하로 떨어지고, 더 사용하면 그 셀에 손상을 줄 수 있다는 명령을 수신하고, 배터리 관리 시스템이 배터리의 셀의 밸런싱을 시도한 후에, 로드 디스커넥트 스위치를 동작시킨다. 트랜스퍼 스위치 회로는 다양한 모듈을 배터리, 보조 파워 써플라이, 또는 외부 파워 써플라이 또는 소스 중 하나에 연결하는 트랜스퍼 스위치를 동작시킨다.
일 실시예에서, 마스터 모듈은 제1 셀과 연결되고, 상기 제1 셀은 배터리의 음극, 접지 또는 연결선 근처에 배치된다. 시스템이 초기화되면, 마스터 모듈은 슬레이브 모듈과 통신하여 배터리 내에서의 위치를 기반으로 각 슬레이브 모듈에 식별 코드를 할당한다. 식별 코드는 배터리가 초기화될 때 할당되어, 다수의 셀이 슬레이브 모듈들이 한 셀과 고유하게 연결된 상태에서 변화할 수 있도록 한다. 식별 코드는 결점이 있거나 성능이 낮은 셀들에 대해 표시됨으로써, 유지보수를 위해 셀을 쉽게 식별할 수 있도록 한다.
전술한 실시예에서, 마스터 모듈은 셀에 연결되고 그 셀을 모니터링 및 충전해야 하므로, 마스터 모듈은 슬레이브 모듈의 기능을 포함한다. 다른 실시예에서, 슬레이브 모듈의 기능은 마스터 모듈로부터 분리되고, 마스터 모듈은 배터리, 하나 이상의 셀 또는 독립 파워 써플라이에 연결된다. 그러한 실시예에서, 마스터 모듈은 충전 회로를 포함하지 않는다. 또한, 마스터 모듈은 배터리의 파라미터를 모니터링하는 배터리 모니터링 회로를 갖는다.
전술한 본 발명의 특징들은 첨부된 도면과 함께 이하의 설명으로부터 보다 명백히 이해될 것이다.
도 1은 배터리 관리 시스템의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도이다.
도 2는 마스터 모듈의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도이다.
도 3은 슬레이브 모듈의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도이다.
도 4는 모듈들을 초기화하기 위해 필요한 단계들의 일 실시예에 대한 기능 블록도이다.
도 5는 단일 로드에 2개의 배터리를 연결하는 방법의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도이다.
도 6은 마스터 모듈의 또 다른 실시예에 대한 간략화된 구성도이다.
배터리 관리 시스템(100)을 위한 장치가 개시된다. 재충전 가능한 배터리 및 셀들은 최적 동작 파라미터 내에서 충전 및 방전될 때 더 우수한 용량을 갖고 더 긴 수명을 달성한다. 각 셀 및 셀 그룹을 충전 및 방전함으로써 배터리 또는 배터리 팩이 완전 충전되지 않거나 다른 셀들과 같은 용량을 갖지 않는 셀에 의해 제한되지 않도록 할 수 있다. 배터리 관리 시스템의 특징들은 충전, 셀 등화, 로드 콘트롤, 로드 모니터링 및 보호, 및 배터리 팩 관리를 포함한다.
충전은 셀을 특정 충전 상태로 되돌린다. 셀 등화는 배터리의 셀들을 밸런싱하여 셀들이 한도 내에서 동일한 전압 및/또는 충전 상태를 갖도록 한다. 로드 콘트롤은 모터 콘트롤러와 같은 로드의 제어이다. 로드 모니터링 및 보호는 로드의 파라미터를 측정하고, 파라미터가 한도 내에 머물도록 하는 것이다. 배터리 팩 관리는 어떤 셀도 그 한도 밖에서 동작하지 않도록 하고, 그에 따라 오버 방전 또는 오버 충전에 의해 셀이 손상되지 않도록 하는 것을 포함하며, 이것은 배터리 수명을 최대화하도록 보장할 것이다. 상기 장치는 또한 로드 및 에너지 소스를 모니터링함으로써 배터리 팩이 초과 로드 및 오버 방전으로부터 보호되도록 한다는 점에서 로드 및 에너지 소스 간의 공생 관계를 생성 및 양성하고, 또한 셀들을 밸런싱하고, 로드는 로드에 최대 용량을 전달함으로써 이득을 갖는다.
도 1은 배터리 관리 시스템(100)의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도를 나타낸다. 도시된 시스템(100)의 일 실시예는 복수의 직렬 관련 셀들(108)을 갖는 배터리(106)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 셀들(108)은 하나의 셀의 개별 배터리 유닛이거나 또는 다른 배터리 셀 등과 병렬로 구성된 배터리 유닛들의 조합이다. 예를 들어, 더 높은 에너지 용량이 필요한 경우에는, 복수의 개별 셀들이 병렬로 연결되어, 도시된 하나의 셀(108)로 간주될 수 있다. 더 높은 전압이 필요한 경우에는, 복수개의 개별 셀들이 직렬로 연결되어 도시된 하나의 셀(108)로 간주될 수 있다. 여기서, 셀(108)은 배터리 유닛을 가리키고, 직렬 및/또는 병렬로 연결된 하나 이상의 단일 셀들을 포함한다.
각 셀(106)에는 마스터 모듈(110) 또는 슬레이브 모듈(112)이 연결된다. 한 셀(108)이 마스터 모듈(110)과 연결되기 위해 선택된다. 다른 셀들(108)은 각각 슬레이브 모듈(112)과 연결된다. 슬레이브 모듈(112)은 마스터 모듈(110)과 통신한다. 통신 연결은 유선이어서, 제1 셀(108-1)은 마스터 모듈(110)과 연결되고, 제2 셀(108-2)은 제1 슬레이브 모듈(112-2)과 연결되고, 여기에는 제2 순차 식별자가 할당된다. 연결은 마지막 셀(108-n)이 마지막 슬레이브 모듈(112-n)과 연결될 때까지 이런 식으로 계속되고, 이 때 마지막 슬레이브 모듈(112-n)에는 마지막 n 순차 식별자가 할당된다. 일 실시예에서, 통신 연결은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 데이지 체인 연결이고, 이것은 슬레이브 모듈(112)의 자동화 식별을 가능케한다. 다른 실시예에서, 통신 연결은 별, 링 또는 버스 등 다른 구성을 갖는다.
마스터 모듈(110) 및 슬레이브 모듈(112)로의 파워는 트랜스퍼 스위치(104)에 의해 제어된다. 트랜스퍼 스위치(104)는 다수의 상태를 갖고 모듈들(110,112)을 배터리(106)와 외부 소스(102-A)에 선택적으로 연결한다. 다양한 실시예에서, 트랜스퍼 스위치(104)는 전기기계적 릴레이 타입 스위치이거나 또는 반도체 타입의 스위치이다. 도시된 실시예에서, 트랜스퍼 스위치(104)는 배터리(106)의 뜨거운 쪽(hot side) 또는 양극 전위 쪽에 연결된 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 트랜스퍼 스위치(104)는 배터리(106)의 접지에 위치하거나, 또는 2개의 트랜스퍼 스위치(104)가 배터리(106)의 마주보는 양쪽에 위치한다. 다양한 실시예에서, 소스(102)는 전력 소스이거나 배터리를 충전하거나 및/또는 로드에 파워를 공급하는 파워 써플라이이다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(100)이 전기로 구동되는 자동차인 경우에, 외부 소스(102-A)는 ac(교류) 메인(main)에 연결된 파워 써플라이이다. 다양한 실시예에서, 보조 소스(102-B)는 배터리 관리 시스템(100)에 부착되도록 구성된 축전지를 장착한 또는 장착하지 않은 태양열 써플라이 또는 다른 파워 소스, 예컨대 자동차에 포함된 솔라셀 어레이이다.
소스들(102)은 커넥터들(122-A,122-B)에 의해 트랜스퍼 스위치(104)에 연결되며, 커넥터들(122-A,122-B) 각각은 소스(102)와 트랜스퍼 스위치(104) 간의 제거가능한 전기 연결을 형성하는 숫(male) 부분 및 암(female) 부분을 갖는 어셈블리이다. 도시된 실시예에서, 커넥터(122)는 마스터 모듈(110)과 통신하여, 연결된 소스(102-A,102B)가 트랜스퍼 스위치(122)로부터 연결해제될 것임을 시그널링한다. 다양한 실시예에서, 커넥터(122) 각각은 커넥터(122)가 연결해제되고 있을 때 파워리드(lead)선이 오픈되기 전에 오픈되는 스위치, 접점, 또는 컨덕터를 포함한다. 또다른 실시예에서, 커넥터(122)는 커넥터(122)가 연결되었을 때, 자기적으로 서로 연결되어 링크를 형성하는 한 쌍의 코일을 포함한다. 예를 들어, 커넥터(122)는 한 부분이 다른 부분에 상대적으로 트위스트되어야 하는 트위스트-락(twist-lock) 타입의 커넥터이다. 트위스트 동작은 스위치를 동작시키고, 마스터 모듈(110)에 시그널링하는 신호 경로를 방해한다. 마스터 모듈(110)은 이러한 신호를 모니터링하고, 마스터 모듈(110)이 커넥터(122)가 연결해제되고 있음을 검출하면, 커넥터(122)가 연결을 끊기 전에 커넥터(122)를 통해 전달되는 전력을 최소화하기 위해, 마스터 모듈(110)은 모듈(110,112)이 셧다운 되도록 한다. 또 다른 실시예에서, 소스(102) 중 하나 또는 둘 모두는 커넥터(122)를 통한 통신을 모니터링하고, 파워 소스(102)가 커넥터(122)가 연결해제되고 있다고 판단하면, 파워 소스(102)는 셧다운 되거나 또는 커넥터(122)를 통과하는 파워 회로가 끊어지기 전에 파워를 방해한다. 이런 식으로, 커넥터(122)는 소스(102)와 트랜스퍼 스위치(104) 사이의 큰 전류 흐름을 방해하지 않는다.
일 실시예에서, 커넥터(122)는 파워 컨덕터에 부가적으로 신호 컨덕터를 포함한다. 신호 컨덕터는 마스터 모듈(110)이 소스(102)와 통신하도록 한다. 예를 들어, 외부 소스(102-A)는 그 파워 용량을 마스터 콘트롤러(110)로 전달하고, 마스터 콘트롤러(110)는 그 정보를 사용하여 관련 셀들(108)을 충전하기 위해 어떻게 슬레이브 모듈들(112)을 최상으로 제어할 것인가를 결정(판정)한다. 또 다른 예는 보조 소스(102-B)가 솔라셀 어레이인 경우이고, 솔라셀 어레이는 그 용량 또는 가용 전력량을 마스터 콘트롤러(110)로 전달하고, 마스터 콘트롤러(110)는 그 정보를 사용하여 용량이 파워를 하나 이상의 슬레이브 모듈들(112)에 공급하기에 충분한지, 아니면 시스템(100)의 요구를 충족시킬 수 있는지를 판단한다. 만일 그렇지 않으면, 마스터 모듈(110)은 외부 소스(102-A)와 통신하여 소스가 충분한 용량을 갖는지를 판단한다.
마스터 모듈(110)이 파워 용량 정보를 사용하는 한가지 방법은 슬레이브 모듈(112)과 마스터 모듈(110)이 가용 소스(102)의 용량을 초과하지 않도록 하기 위해 각 관련 셀(108)에 대한 충전 전류를 제한하지 않도록 하는 것이다. 다른 방법은 마스터 모듈(110)이 모듈(110,112)의 충전 회로(102)를 제어하여, 한번에 충전되는 셀(108)의 수가 연결된 소스(102)의 용량을 초과하지 않도록 하는 것이다. 예를 들어, 외부 소스(102)가 40 암페어에서 동작한다면, 마스터 모듈(110)은 4개의 셀(108) 각각에 대한 모듈(110,112)이 초기에 충전 전류를 10 암페어로 제한하도록 한다. 한 셀(108)이 완전 충전되면, 충전 회로(202)는 셧다운되고, 다른 충전 회로(200)는 그 충전 전류를 증가시키게 되고, 따라서, 소스(102)의 용량을 초과하지 않고 최대 충전 전류를 달성한다.
일 실시예에서, 배터리 관리 시스템(100)은 외부 소스(102-A)에만 연결되고, 보조 소스(102-B)는 없다. 다른 실시예에서, 보조 소스(102-B)는 배터리(106) 및 배터리 관리 시스템(100)과 함께 배치되고, 외부 소스(102-A)는 통상적으로 시스템(100)으로 원격되어 배치된다. 마스터 모듈(110)은 외부 소스(102-A)의 존재 여부를 모니터링한다. 소스(102-A)가 존재하는 경우에는, 일 실시예에서, 두 소스 모두(102)가 시스템(100)의 파워 조건을 충족할 수 있는 충분한 용량을 갖는 경우에, 마스터 모듈(110)은 다른 소스(102)에 대해 하나의 소스(102)를 우선적으로 선택한다. 예를 들어, 소스(102-B)가 시스템(100)의 요구를 충족할 수 있는 충분한 용량을 갖는 경우에는, 보조 소스(102-B)가 시스템(100)에 파워를 공급하도록 선택된다. 요구가 보조 소스(102-B)의 용량을 초과하는 경우에, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)로 하여금 외부 소스(102-A)를 모듈(110,112)에 연결하도록 한다. 일 실시예에서, 보조 소스(102-B)는 솔라셀 어레이의 순간 파워 생산 용량측정하는 전압 측정 장치 또는 스위칭 로드와 같은 용량 테스트 장치를 갖는 솔라셀 어레이이다.
일 실시예에서, 커넥터(122-A)를 통해 마스터 모듈(110)로의 통신이 구축되어 있으므로, 외부 파워 소스(102-A)는 소스(102-A)가 배터리 관리 시스템(100)에 연결되어 있는지 판단한다. 파워 소스(102-A)는 마스터 모듈(110)과의 통신을 구축한 후에, 파워가 트랜스퍼 스위치(104)에 공급되는 상태로 파워 업(power up)된다. 유사한 방식으로, 외부 소스(102-A)는 외부 소스(102-A)가 커넥터(122)가 연결해제되고 있다고 판단하면, 예를 들어, 마스터 모듈(110)과의 통신이 손실되었다고 판단하면, 파워 다운(power down)된다. 일 실시예에서, 보조 소스(102-B)는 유사하게 응답한다.
직렬 연결된 로드(118)와 로드 디스커넥트 스위치(116)는 배터리(106)를 관통하여 연결된다. 로드(118)는 임의의 타입의 전기 로드, 예를 들어, 자동차 또는 원격 필드-동작(field-operated) 장치를 위한 모터 및 콘트롤러이다. 로드 디스커넥트 스위치(116)는 마스터 모듈(110)에 의해 로드(118)를 배터리로부터 분리하도록 제어된다. 로드 디스커넥트 스위치(116)는 로드(118)의 접지측에 연결된 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 스위치(116)는 로드(118)의 다른 쪽에 배치되거나, 또는 한 쌍의 스위치(116)가 로드(118)의 마주보는 양측에 연결된다. 하나 이상의 셀(108)이 특정 한계 밖에서 동작하고 있다고 판단되거나, 또는 마스터 모듈(110)이 스위치(116)를 제어하기 위한 신호를 수신하는 경우에, 로드 디스커넥트 스위치(116)는 로드(118)를 격리시킨다. 다양한 실시예에서, 로드 디스커넥트 스위치(116)는 전기기계적 릴레이 또는 반도체 타입의 스위치이다. 셀(108)에는 마스터 모듈(110)과 통신하는 전류 센서가 직렬로 연결된다. 전류 센서(120)는, 일 실시예에서, 배터리(106)의 전류 레벨에 적절한 전류 션트(shunt)이다.
직렬 연결된 보조 로드(118') 및 보조 로드 스위치(116')는 배터리(106)의 선택된 셀들(108-1,108-2)에 걸쳐 연결된다. 보조 로드(118')는 배터리(106)의 전체 전압을 필요로 하지 않는 임의의 로드이다. 예를 들어, 로드(118)가 상승된 전압, 예컨대 48 볼트에서 동작하는 자동차용 모터 및 콘트롤러일 때, 보조 로드(118')는 더 낮은 전압, 예컨대 12 볼트에서 동작하는 라디오 및 다른 액세서리를 포함한다. 동작에 있어서, 트랜스퍼 스위치(104)는 오프 상태, 즉 트랜스퍼 스위치(104)는 배터리(106)와 소스(102)를 모듈(110,112)로부터 격리시킨다. 보조 로드(118')에 파워를 공급하는 셀(108-1,108-2) 중 임의의 셀의 전압이 제1 설정값 이하로 떨어지면, 트랜스퍼 스위치(104)는 마스터 모듈(110)에 의해 배터리(106)를 모듈(110,112)에 연결하는 상태가 된다. 낮은 전압을 갖는 셀(108-1,108-2)에 연결된 마스터 모듈(110) 및/또는 슬레이브 모듈(112-2)은 셀(108-1,108-2)을 충전하여, 그 전압을 상승시킨다. 이런 식으로, 배터리(106)에서 가용한 에너지가 거의 모두 사용될 때까지 낮은 셀들(108)이 임계 전압 포인트에 접근하지 않게 되기 때문에, 배터리(106) 및 그 셀(108)은 더 오랜 시간 동안 서비스 가능한 상태로 남아 있게 된다. 다른 방식으로 말하면, 셀들(108)이 로드(118')의 일부에 파워를 공급할 필요가 없기 때문에, 일부 셀들(108)은 많은 에너지를 공급할 필요가 없다. 로드(118')에 에너지를 공급할 필요가 없는 셀들(108)은 마스터 및 슬레이브 모듈(110,112)을 통해 로드(118')에 에너지를 직접적으로 공급하는 셀들에 간접적으로 에너지를 공급하는데 사용되고, 그에 따라 배터리(106)를 밸런싱한다. 보조 파워 소스(102-B)가 배터리 관리 시스템(100)에 연결되는 실시예에서, 소스(102-B)가 충분한 유효 용량을 갖는 경우에, 마스터 모듈(110)은 먼저 트랜스퍼 스위치(104)로 하여금 보조 소스(102-B)가 셀(108)을 충전하도록 한다. 소스(102-B)가 충분한 용량을 갖지 않는 경우에, 트랜스퍼 스위치(104)는 배터리(106)를 시스템(100)에 연결한다.
도시된 실시예에서, 배터리 관리 시스템(100)은 마스터 모듈(110)과 통신하는 콘트롤러(114)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 콘트롤러(114)는 외부 컴퓨터, 전용 컨트롤 콘솔, 또는 다른 콘트롤러이다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(100)이 전기로 동작하는 자동차에 사용되는 경우에, 콘트롤러(114)는 가스로 동작하는 자동차의 시동 스위치에 해당하는 키 스위치와 같은 운영자 콘솔 제어를 포함한다. 콘트롤러(114)는 마스터 모듈(110)에 가용한 정보에 액세스하고, 그 정보의 데이터 스토리지 및 디스플레이를 제공한다. 콘트롤러(114)는 또한 마스터 모듈(110)에 마스터 모듈(110)이 제어하는 다양한 특징들을 동작 및 제어하는 제어 신호를 제공한다. 일 실시예에서, 제어 기능들의 일부는 마스터 모듈(110)로부터 콘트롤러(114)로 전달된 데이터를 기반으로 콘트롤러(114)에 의해 제어된다.
도시된 실시예에서, 배터리 관리 시스템(100)은 원격 디스플레이(124)를 포함한다. 원격 유닛(124)은 마스터 모듈(110)과 무선으로 통신한다. 원격 유닛(124)은 관리 시스템(100) 및 배터리(106)에 대한 상태 정보를 수신한다. 예를 들어, 수신된 데이터는 배터리(106) 및 개별 셀(108)의 충전 상태를 포함한다. 원격 유닛(124)은 데이터를 사용자에게 제공하기 위한 디스플레이를 갖는 원격 시동 장치(key fob)와 같은 개인용 장치 또는 PDA 또는 다른 무선 장치이다.
도 2는 마스터 모듈(110)의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도이다. 마스터 모듈(110)은 그와 관련 셀(108-1)을 충전하도록 구성되어, 셀(108-1)과 배터리(106)의 다양한 파라미터들을 모니터링하고, 로드 디스커넥트 스위치(116) 및 트랜스퍼 스위치(104)를 제어하고, 슬레이브 모듈(112)과 통신하고 슬레이브 모듈(112)를 제어한다.
한 쌍의 파워 리드선(222)은 마스터 모듈(110)에 파워를 공급한다. 파워 리드선(222)은 파워 써플라이를 충전 회로(202)에 자기적으로 커플링시키는 변압기(204)에 연결된 입력 파워 회로(206)에 연결된다. 변압기(204)에 의해 제공된 자기 커플링은 파워 리드선(222)에 연결된 파워 써플라이를 전기 연결선(234)으로부터 격리하여 연결선(234)에 관련 셀(108)이 다음 인접한 직렬 관련 셀(108)에 쇼트되는 것을 방지한다. 전기적인 격리는 또한 셀 리드선(234)에 관련 셀(108)과 관련된 다양한 극성 및 전위와 관련된 문제들을 피할 수 있게 해준다. 모듈 파워 써플라이(232)는 마스터 모듈(110)의 다른 컴포넌트들에 파워를 공급한다. 파워 써플라이(232)는 변압기(204)의 출력으로부터 및/또는 파워 리드선(234)을 통해 셀(108)로부터 파워를 수신한다. 파워 써플라이(232)로의 2개의 파워 연결선은 전류를 파워 써플라이(232)로 흐르게하지만, 2개의 파워 연결선을 서로 격리시키는 한 쌍의 다이오드(236)에 의해 격리된다. 파워 써플라이(232)는 파워 리드선(222)이 파워 써플라이(102,106)에 연결되어 있는지에 관계없이 동작가능한 상태로 남아 있는다.
충전 회로(202)는 한 쌍의 리드선(234)을 통해 셀(108)에 연결된 모듈 디스커넥트 스위치(212)에 연결된다. 모듈 디스커넥트 스위치(212)는 마스터 콘트롤러 및 디스플레이 유닛(214)에 의해 제어되어 마스터 모듈(110)을 그와 관련 셀(108)로부터 격리시킨다. 관련 셀(108)이 더 이상 사용되면 손상될 정도까지 방전된 경우에, 마스터 모듈(110)은 자신을 셀(108)로부터 격리하여 셀(108)이 남겼을 수 있는 임의의 잔여 파워의 기생 누설(draining)을 제거한다. 추가적으로, 배터리(106)가 사용되고 있지 않을 때 또는 다른 소스(102)가 사용 불가능할 때도, 모듈 디스커넥트 스위치(212)는 셀(108)을 마스터 모듈(110)로부터 격리시킨다.
셀 및 배터리 모니터링 회로(208)는 충전 리드선(234)을 통해 관련 셀(108)에 전기적으로 연결된다. 회로(208)는 이러한 리드선(234)을 통해 셀(108)의 전압 레벨을 감지한다. 셀 및 배터리 모니터링 회로(208)는 또한 다른 파라미터들, 예컨대 온도 및/또는 특정 중력을 모니터링하기 위해 배터리로의 다른 연결선들(230)을 포함한다. 셀 및 배터리 모니터링 회로(208)는 또한 배터리(106)를 통과하는 전류를 측정하는 전류 센서(120)로의 연결선(230)을 포함한다. 셀 및 배터리 모니터링 회로(208)는 마스터 콘트롤러 및 디스플레이 유닛(214)에 데이터를 제공한다. 일 실시예에서, 셀 및 배터리 모니터링 회로(208)는 다양한 파라미터와 관련된 입력 신호들을 마스터 콘트롤러 및 디스플레이(214)와 호환가능한 출력 신호로 변환하는 회로를 포함한다.
마스터 콘트롤러 및 디스플레이 유닛(214)은 마스터 모듈(110) 및 슬레이브 모듈(112)을 관리하는 프로세서를 포함한다. 일 실시예에서, 마스터 콘트롤러 및 디스플레이 유닛(214)은 디스플레이 램프를 조명하거나 또는 텍스트 및/또는 그래픽 디스플레이 또는 모니터에 대한 정보를 제공하는 등의 방법으로 운영자에게 정보를 제공한다. 일 실시예에서, 마스터 콘트롤러(214)는 디스플레이 유닛 부분을 포함하지 않는다. 그러한 실시예에서, 마스터 모듈(110)은 원격 시동 장치 또는 PDA 또는 다른 무선 장치들과 같은 원격 유닛(124)과 통신한다. 예를 들어, 마스터 콘트롤러 및 디스플레이 유닛(214)은 원격 유닛(124)에 의해 수신된 데이터를 전송하는 송신기를 포함한다.
일 실시예에서, 마스터 콘트롤러(214)는 통신 포트(210-M)를 통해 다른 내부 회로들(202,208,212,216,218) 및 다른 슬레이브 모듈(112)과 통신하는 프로그램 또는 소프트웨어를 실행하는 프로세서를 포함한다. 통신 포트(210-M)는 슬레이브 모듈(112)에 연결된 데이지 체인을 시작하는 통신 라인(224)을 포함한다. 일 실시예에서, 통신 포트(210-M)는 통신 라인(224)을 마스터 모듈(110)을 다른 컴포넌트들로부터 전기적으로 격리하는 회로를 포함한다. 예를 들어, 통신 포트(210)는 신호 통신은 흐르게 하고, 통신 신호는 전기적으로 격리시키는 광학 격리기(opto-isolator)를 갖는다. 마스터 콘트롤러 및 디스플레이 유닛(214)의 디스플레이 부분은 마스터 모듈(110)의 상태에 대한 정보 및 임의의 슬레이브 모듈(112)로부터 마스터 모듈(110)로 전송된 임의의 정보를 표시한다. 예를 들어, n번째 셀 (108-n)에 연결된 슬레이브 모듈(112-n)이 셀(108-n)이 지속적으로 제 성능을 발휘하지 못하고 있다고 판단하면, 슬레이 모듈(112-n)은 슬레이브 모듈(112-n)에 관련 셀(108-n)이 대체 또는 서비스되어야 함을 표시하는 정보를 전송한다.
로드 디스커넥트 스위치(116)는 마스터 콘트롤러(214)에 의해 제어되는 로드 스위치 회로(216)에 의해 동작된다. 로드 스위치 회로(216)는 마스터 콘트롤러(214)로부터의 신호를 로드 디스커넥트 스위치(116)를 동작시키기에 적합한 다른 신호로 변환한다. 다양한 실시예에서, 로드 스위치 회로(216)의 기능은 별도의 회로에 의해 수행되거나 또는 로드 디스커넥트 스위치(116) 및 마스터 콘트롤러(214) 중 하나 또는 둘 모두에 병합된다.
트랜스퍼 스위치(104)는 마스터 콘트롤러(214)에 의해 제어되는 트랜스퍼 스위치 회로(218)에 의해 동작된다. 트랜스퍼 스위치 회로(218)는 마스터 콘트롤러(214)로부터의 신호를 트랜스퍼 스위치(104)를 동작시키는데 적합한 다른 신호로 변환한다. 다양한 실시예에서, 트랜스퍼 스위치 회로(218)의 기능은 별도의 회로에 의해 수행되거나, 또는 트랜스퍼 스위치(104) 및 마스터 콘트롤러(214) 중 하나 또는 둘 모두에 병합된다.
도 3은 슬레이브 모듈(112) 중 하나의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도를 나타낸다. 마스터 모듈(110)에서와 같이, 각 슬레이브 모듈(112)은 그와 관련 셀(108-2~108-n)을 충전하고, 셀(108-2~108-n)의 다양한 파라미터들을 모니터링하고, 통신 포트(210-S)를 통해 명령을 전송함으로써 마스터 콘트롤러(214)와 통신하도록 구성된다. 도 3은 도 2와 동일한 내부 회로/모듈 기능에 대해 도 2에서 사용된 것들과 동일한 참조 번호들을 사용한다.
슬레이브 모듈(112)은 슬레이브 모듈(112)에 파워를 공급하는 한 쌍의 파워 리드선(222)을 포함한다. 파워 리드선(222)은 파워 써플라이를 충전 회로(202)에 자기적으로 커플링시키는 변압기(204)에 연결된 입력 파워 회로(206)에 연결된다. 변압기(204)에 의해 제공되는 자기 커플링은 파워 리드선(222)에 연결된 파워 써플라이를 전기 연결선(234)으로부터 격리시켜 연결선(234)에 관련 셀(108)이 다음 인접한 직렬 관련 셀(108)에 쇼트되지 않도록 한다. 전기적 격리는 또한 셀 리드선(234)에 관련 셀(108)과 관련된 다양한 극성 및 전위들과 관련된 문제들을 피하도록 해준다. 모듈 파워 써플라이(232)는 슬레이브 모듈(112)의 다른 컴포넌트들에 파워를 제공한다. 파워 써플라이(232)는 변압기(204)의 출력으로부터 및/또는 파워 리드선(234)을 통해 셀(108)로부터 파워를 수신한다. 파워 써플라이(232)로의 2개의 파워 연결선은 전류가 파워 써플라이(232)로 흐르게하지만, 2개의 파워 연결선을 서로 격리시키는 한 쌍의 다이오드(236)에 의해 격리된다.
충전 회로(202)는 슬레이브 콘트롤러(302)에 의해 제어된다. 충전 회로(202)의 출력은 한 쌍의 리드선(234)에 의해 셀(108)에 연결된 모듈 디스커넥트 스위치(116)에 연결된다. 모듈 디스커넥트 스위치(212)는 슬레이브 콘트롤러(302)에 의해 제어되어, 슬레이브 모듈(112)을 그와 관련 셀(108)로부터 격리시킨다. 슬레이브 콘트롤러(302)는 마스터 모듈(110)로부터 모듈 디스커넥트 스위치(212)를 동작시키기 위한 명령어를 수신한다.
마스터 모듈(110)에서와 같이, 셀 모니터링 회로(308)는 충전 리드선(234)을 통해, 관련 셀(108)에 전기적으로 연결된다. 회로(308)는 이들 리드선(234)을 통해 셀(108)의 전압 레벨을 감지한다. 셀 모니터링 회로(308)는 또한 다른 파라미터, 예컨대 온도 및/또는 특정 중력을 모니터링하기 위한 배터리로의 다른 연결선(230)을 포함한다. 셀 모니터링 회로(308)는 데이터를 슬레이브 콘트롤러(302)에 제공한다. 일 실시예에서, 셀 모니터링 회로(308)는 다양한 파라미터와 관련된 입력 신호를 슬레이브 콘트롤러(302)와 호환가능한 출력 신호로 변환하는 회로를 포함한다.
슬레이브 콘트롤러(302)는 셀 모니터링 회로(308)에 의해 측정된 하나 이상의 파라미터를 평가하여 셀(108)이 더 방전하면 손상을 입을 상태까지 방전되었는지 판단한다. 예를 들어, 셀 전압이 임계 전압점 이하로 떨어지면, 셀(108)은 완전 방전된 것으로 간주된다. 슬레이브 콘트롤러(302)는 마스터 모듈(110)과 통신하고 슬레이브 모듈(112)과 관련 셀(108)에 대한 상태 정보를 제공한다.
일 실시예에서, 슬레이브 콘트롤러(302)는 통신 포트(210-S)를 통해 마스터 콘트롤러(214)와 통신하여 다른 내부 회로(202,308,212)를 제어하는 프로그램 또는 소프트웨어를 실행하는 프로세서를 포함한다. 통신 포트(210-S)는 슬레이브 모듈(112)을 마스터 모듈(110)에 연결하는 데이지 체인의 일부를 형성하는 한 쌍의 통신 라인(304)을 포함한다. 일 실시예에서, 통신 포트(210-S)는 통신 포트(210-S)가 장치(110,112)와 데이지 체인(304-dn)에서 하향으로 통신하도록 하고, 데이지 체인(304-up)에서는 상향으로 통신을 선택적으로 중단시키는 스위치 또는 다른 격리 장치 또는 회로를 포함한다. 일 실시예에서, 통신 포트(210-S)는 통신 라인(304)을 슬레이브 모듈(112)에 있는 다른 컨포넌트들로부터 격리시키는 회로를 포함한다. 예를 들어, 통신 포트(210)는 통신 신호를 전기적으로 격리시키고, 신호 통신이 흐르도록 하는 광학 격리기를 갖는다.
일 실시예에서, 슬레이브 모듈(112)은 정보의 시각적 표시를 제공하는 디스플레이(306)를 포함한다. 그러한 실시예에서, 디스플레이(306)는 슬레이브 콘트롤러(302)에 의해 제어된다. 다양한 실시예에서, 디스플레이(306)에 의해 제공된 정보는 슬레이브 모듈(112)의 식별 코드, 슬레이브 모듈(112)의 상태 정보, 및 관련 셀(108)에 대한 상태 정보를 포함한다. 일 실시예에서, 디스플레이(306)는 슬레이브 모듈(112)에 대한 상태 정보를 표시하는 LED를 포함한다.
일 실시예에서, 슬레이브 모듈(112-2~112-n) 중 하나는 의사-마스터(pseudo-master)로 지정된다. 의사-마스터는 마스터 모듈(110)이 디스에이블되었거나, 디스에이블되고 있는 중인 경우에, 마스터 모듈(110)을 대체하도록 구성된 선택된 슬레이브 모듈(112)이다. 그러한 실시예에서, 선택된 슬레이브 모듈(112)은 마스터 롤을 맡고 모든 다른 슬레이브 모듈(112)에게 명령을 내림으로써 마스터 모듈(100)의 기능들을 넘겨받도록 프로그래밍된다. 선택된 슬레이브 모듈 또는 의사 마스터(112)가 마스터 모듈(110)이 기능하지 않는다고 판단하면, 선택된 슬레이브 모듈(112)은 모든 다른 슬레이브 모듈(112)로의 통신 포트(210-S)를 통해 슬레이브 콘트롤러(302)로부터의 명령을 개시함으로써 배터리 관리 시스템(100)의 정상적인(orderly) 셧다운을 개시 및 제어한다.
일 실시예에서, 배터리 관리 시스템(100)은 2개의 마스터 모듈(110)을 포함하지만, 단 하나의 마스터 모듈(100)(제1차)만이 마스터 모듈(110)로 동작한다. 다른 모듈(110)(제2차)는 제2차 모듈(110)이 제2 모듈(100)이 더이상 적절히 동작하지 않는다고 판단할 때까지 슬레이브 모듈(112)로서 동작한다. 그러한 실시예에서, 모든 슬레이브 모듈(112)은 슬레이브로 동작하는 마스터 모듈(110)이다. 또 다른 실시예에서, 제2차 모듈(110)은 제1 모듈(110)을 모니터링하기 위한 감시 루틴을 실행한다.
마스터 모듈(110)은 슬레이브 모듈(112)로부터 수집된 데이터를 저장한다. 마스터 모듈(110)은 이 데이터를 의사-마스터 모듈(110,112)로 전송하여, 필요한 경우에, 모듈(110,112)이 마스터 모듈(110)에 의해 저장된 데이터의 복사본을 갖도록 한다. 마찬가지로, 일 실시예에서, 마스터 모듈(110)은 또한 슬레이브 모듈(112)에 의해 획득 및 사용된 데이터를 저장한다. 슬레이브 모듈(112)이 유지 중에 대체되면, 마스터 모듈(110)은 적절한 데이터를 대체 슬레이브 모듈(112)에 업로드한다.
도 1-3을 참조하면, 로드 디스커넥트 스위치(116)는 마스터 모듈(110)로부터 명령을 받으면 로드(118)를 배터리(106)로부터 격리한다. 로드(118)는 임의의 슬레이브 모듈(112)이 마스터 모듈(110)에 통보하거나 또는 마스터 모듈(110) 자신이 그와 관련 셀(108)이 특정 한계를 넘는 파라미터를 갖는다고 판단하거나 또는 마스터 모듈(110)이 외부 소스 또는 콘트롤러(114)로부터 로드(118)를 연결해제하라는 신호를 수신하면 스위치(116)에 의해 연결해제된다.
연결해제 신호는 마스터 모듈(110)이 슬레이브 모듈(112)이 적절히 동작하지 않는다고 판단한 경우에 마스터 모듈(110)에 의해서도 생성된다. 마스터 모듈(110)은 주기적으로 각 슬레이브 모듈(112)과 통신한다. 통신 링크가 모듈(112)의 오류 또는 슬레이브 모듈(112)가 오류 상태를 스스로 통보한 경우에, 인터럽트되면, 마스터 모듈(110)은 디스커넥트 스위치(116)로 로드(118)를 격리시킨다.
마스터 모듈(110)은 모듈(110)이 배터리 파라미터가 특정 한계 밖에 있다고 판단하면 로드(118)를 격리시킨다. 예를 들어, 전류 센서(120)가 배터리 전류를 계속해서 측정한다. 배터리 전류가 특정 한계를 넘으면, 로드(118)는 격리되어 배터리(106)에의 손상을 방지한다. 또 다른 실시예에서, 배터리(106) 및 각 셀(108)의 전압은 계속 측정되어, 전압이 특정 한계 이하로 떨어지면 로드(118)가 격리된다.
배터리 관리 시스템(100)이 전기로 동작하는 자동차에 사용되는 경우에, 외부 소스(102-A)가 시스템(100)에 연결되어 있으며, 마스터 모듈(110)은 로드(118)를 배터리(106)로부터 격리시킨다. 외부 소스(102-A)가 자동차 밖에 있기 때문에, 자동차가 외부 소스(102-A)를 트랜스퍼 스위치(104)에 연결하는 파워 케이블에 의해 묶여 있는 중에는 로드(118)는 격리되어 자동차가 이동하지 못하도록 한다.
마스터 모듈(110)은 또한 콘트롤러(114)가 마스터 모듈(110)을 지시하면 로드(118)도 격리한다. 예를 들어, 그러한 명령은 전기로 구동되는 자동차에 대한 키 스위치가 오프 위치로 이동되었을 때 전송된다.
도 1-3을 참조하면, 트랜스퍼 스위치(104)는 배터리(106) 및/또는 소스(102) 중 하나를 선택적으로 모듈(110,112)에 연결하는 멀티 상태 스위치이다. 트랜스퍼 스위치(104)는 마스터 모듈(110)에 의해 제어된다.
외부 소스(102-A)가 시스템(100)에 연결되면, 트랜스퍼 스위치(104)는 외부 소스(102-A)를 모듈(110,112)에 연결시킨다. 연결되기 전에, 외부 파워 소스(102-A)는 특정 파라미터, 예컨대 적절한 전압 및 극성을 갖는 파라미터를 만족시켜야 한다. 다양한 실시예에서, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104) 또는 다른 위치에서 이러한 파라미터를 측정하여 외부 소스(102-A)가 연결에 적합한지 판단한다. 트랜스퍼 스위치(104)가 외부 소스(104-A)를 모듈(110,112)에 연결한 후에, 마스터 모듈(110)은 슬레이브 모듈(112)이 각 셀(108)의 충전을 개시하도록 한다. 또 다른 실시예에서, 파라미터들은 서로 통신하는 마스터 모듈(110) 및 외부 파워 써플라이(102-A)에 의해 결정된다. 일 실시예에서, 보조 소스(120-B)는 유사한 방식으로 동작한다.
모든 모듈(100,112)이 해당 셀(108)이 완전히 충전되었다고 판단되면, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)로 하여금 소스(102) 및 배터리(106)를 모듈(110,112)로부터 격리하도록 한다. 또 다른 실시예에서, 트랜스퍼 스위치(104)는 또한 배터리(106)를 소스(102) 및 모듈(110,112)로부터 격리하도록 지시받는다.
배터리(106)가 로드(118)에 파워를 공급하는 상태에서, 모듈(110,112)이 셀(108)이 특정 한계 밖에서 동작하고 있다고 판단하면, 즉 셀(108)이 다른 셀(108)과 밸런싱되어 있지 않다고 판단하면, 트랜스퍼 스위치(104)는 배터리(106)를 모듈(110,112)에 연결한다. 예를 들어, 셀(108)이 설정값 이하 또는 다른 셀 전압의 평균값 이하의 전압을 갖거나 또는 다른 셀(108)과 밸런싱되지 않거나 또는 특정 값 이하의 에너지 용량을 가지면, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)가 파워 소스로서 배터리(106)로 모듈(110,112)을 충전하도록 하고, 그 셀(108)에 대한 슬레이브 모듈(112)이 셀(108)을 충전하도록 한다. 다양한 실시예에서, 각 모듈(110,112)은 쿨롱 카운팅 방법 또는 다른 기술을 사용하여 그와 관련 셀(108)의 에너지 용량을 결정한다. 에너지 용량 정보는 마스터 모듈(110)로 전송되고, 마스터 모듈(110)은 어떤 셀(108)의 에너지 용량이 특정 값 이하인지 또는 다른 셀(108)의 평균 용량으로부터 특정 양 만큼 벗어났는지를 판단한다. 밸런스가 맞지 않는 셀(108)과 연결된 모듈(110,112)은 에너지가 그 셀(108)을 충전시키도록 하기 위해 배터리(106)에 의존한다. 셀(108)이 다른 셀(108)과 동일한 상태가 된 후에, 마스터 모듈(110,12)은 모듈(110,112)이 충전을 멈추도록 지시하고, 트랜스퍼 스위치(104)가 배터리(106)로부터 모듈(110,112)을 격리시키도록 한다.
도 1-3을 참조하면, 셀(108)이 특정 레벨, 예컨대 0% 용량까지 방전된 후, 셀(108)이 오버 방전되기 전에, 모듈 디스커넥터 스위치(212)는 모듈(110,112)을 셀(108)로부터 격리시킨다. 슬레이브 모듈(112)과 관련 셀(108)에 대해, 셀(108)의 측정된 파라미터가 셀(108)이 격리될 필요가 있음을 표시하는 경우에, 모듈(112)은 그 정보를 마스터 모듈(110)로 전달하고, 디스커넥터 스위치(212)를 동작시켜 모듈(112)에 의해 야기된 임의의 기생 드레인(drain)을 제거한다. 외부 소스(102-A)가 시스템에 연결된 후에, 마스터 모듈(110)은 모듈(110,112)로 하여금 디스커넥터 스위치(212)를 동작시켜 셀(108)을 모듈(110,112)에 재연결하도록 한다. 보조 소스(102-B)가 충분한 빛에 노출된 솔라 어레이와 같이 모듈(110,112)에 전원을 공급하기에 충분한 용량을 갖는 경우에, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)로 하여금 보조 소스(102-B)를 시스템(100)에 연결하도록 하고, 디스커넥터 모듈(110,112)이 디스커넥터 스위치(212)를 동작시켜 셀(108)을 모듈(110,112)에 재연결하도록 한다.
도 1-3을 참조하면, 모듈(110,112)은 공통 파워 입력을 갖는다. 트랜스퍼 스위치(104)는 배터리(106), 외부 소스(102-A), 또는 보조 소스(102-B) 중 하나를 모든 모듈들(110,112)에 연결한다. 모듈(110,112)로의 공통 파워 입력은 다른 모듈들(110,112) 및 셀(108)로부터 격리된다. 일 실시예에서, 격리는 변압기(204)를 통한 자기 커플링에 의해 수행된다.
트랜스퍼 스위치(104)가 소스(102-A,102-B)를 모듈(110,1120)에 연결하면, 관련 셀(108)로부터 격리되었었던 임의의 모듈(110,112)이 파워업되어 초기화된다. 초기화는 마스터 모듈(110)과의 통신 및 모듈 디스커넥터 스위치(212)를 동작시켜, 관련 셀(108)을 모듈(110,112)로 재연결하기 위한 임의의 명령어의 처리를 포함한다.
도 1-3을 참조하면, 마스터 콘트롤러(214) 및 슬레이브 콘트롤러(302)는 모듈(110,112) 및 그와 관련 셀(108)에 관련된 데이터를 저장하는 저장 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 셀의 공칭 전압, 셀의 임계 전압점, 셀 에너지 용량을 포함하는 셀(108)의 특징들이 저장된다. 콘트롤러(214,302)는 또한 모듈(110,112) 및 그와 관련 셀(108)의 식별 정보도 저장한다.
또한, 마스터 콘트롤러(214)는 부착된 슬레이브 모듈(112)의 수 및 특징들에 관련된 데이터 및 배터리(106)에 관련된 데이터, 예컨대 배터리 공칭 전압, 배터리 전류 레이팅 및 배터리 에너지 용량을 저장한다. 슬레이브 모듈(112)이 유지 보수 중에 대체되어야 하는 경우에, 마스터 콘트롤러(110)는 도 4에 도시된 바와 같이 슬레이브 모듈(112)을 초기화하고 데이터를 대체 슬레이브 모듈(112)에 업로드함으로써, 오류가 발생하였거나 또는 대체된 모듈(112)이 오프인 경우에도, 대체 슬레이브 모듈(112)이 계속 동작할 수 있도록 한다.
도 4는 모듈(112)을 초기화하는데 필요한 단계들의 일 실시예에 대한 기능 블록도를 나타낸다. 배터리 관리 시스템(100)이 처음 초기화되면, 마스터 모듈(100)은 배터리(106)에서의 셀(108) 위치에 상대적인 순서에 의해 각 슬레이브 모듈(112)을 식별한다. 예를 들어, 제2 셀(108-2)과 연결된 슬레이브 모듈(112-2)은 식별 코드 2를 갖는다. 도시된 단계들은 각 슬레이브 모듈(112)에 의해 수행된다.
시스템(100)이 처음 구동되거나 또는 셋업 스위치가 구동되면, 프로세스가 개시된다(402). 초기에, 마스터 모듈(110)은 프로셋 식별 코드를 갖고, 마스터 모듈(110)은 그 통신 라인(224)을 인에이블되도록 유지한다. 초기에, 슬레이브 모듈(112)은 그 통신 라인(304)을 디스에이블되도록 유지한다. 즉, 슬레이브 모듈(112)은 통신 포트(210-S)를 통해 통신하지 않고, 데이지 체인(304)이 고장나면, 슬레이브 모듈(112)을 통해 어떤 신호도 통과할 수 없다. 통신 포트(210-S)는 데이지 체인 통신 라인(304)의 업스트림 라인(304-up) 및 다운스트림 라인(304-dn) 사이의 한 방향으로 통신이 통과하지 못하도록 하는 회로를 포함한다. 다양한 실시예에서, 회로는 릴레이, 광학 스위치, 반도체 스위치 또는 다른 타입의 컴포넌트 및/또는 회로들로 구현된다.
제1 스텝(404)은 슬레이브 모듈(112)이 식별 코드가 설정되었는지를 판단하기 위한 것이다. 슬레이브 모듈(112)이 식별 코드 세트를 갖는 경우에, 다음 스텝(406)은 슬레이브 모듈(112)이 정상적인 동작을 수행하기 위한 것이고, 이는 통신 포트(210-S)를 통해 통신을 인에이블하는 스텝(408)을 포함한다. 슬레이브 모듈(112)은 마스터 모듈(110)로부터 재구성 명령을 수신하였는지를 체크하는 스텝(410)을 수행한다. 수신하지 않았으면, 슬레이브 모듈(112)은 통신이 인에이블된 상태(408)로 정상 동작의 연속 루프를 개시하고, 재구성 명령이 수신되었는지를 체크(410)하기 위해 주기적으로 체크한다.
재구성 명령이 수신되었거나, 또는 슬레이브 모듈(112)이 식별 코드 세트를 갖고 있지 않은 경우에는, 다음 스텝(412)은 슬레이브 모듈(112)이 난수와 같은 고유 식별자를 생성하기 위한 것이다. 생성된 난수의 집합이 슬레이브 모듈(112)의 수보다 훨씬 크기 때문에, 난수는 각 슬레이브 모듈(112)에 대해 고유한 식별자로 간주된다. 또 다른 실시예에서, 각 모듈(110,112)은 고유 일련 번호를 갖고, 이것은 고유 식별자이며 난수 대신에 사용된다. 따라서, 고유 식별자는 각 슬레이브 모듈(112)을 배터리 관리 시스템(100)에 있는 모든 다른 슬레이브 모듈(112)과 구별시켜준다.
고유 식별자를 생성한 후에, 다음 스텝(414)은 슬레이브 모듈(112)이 통신 라인(304)과 연결하기 위해 대기하는 것이다. 대기 후에, 다음 스텝(416)은 슬레이브 모듈(112)이 통신을 인에이블한다. 일 실시예에서, 다운스트림 통신 라인(304-dn) 상의 통신이 인에이블된다. 슬레이브 모듈(112)이 다운스트림 통신(418)을 구축하면, 이것은 슬레이브 모듈(112) 중 하나가 제1 셀(108)과 연결되었거나, 또는 다운스트림인 슬레이브 모듈(112)이 식별 코드를 획득하기 위한 스텝들을 완료하였음을 의미한다.
슬레이브 모듈(112)이 다운스트림 통신(418)을 구축하지 않으면, 다음 스텝(420)은 연결 대기를 위한 스텝(414)로의 통신 및 루프를 디스에이블한다. 일 실시예에서, 대기 스텝(414)은 난수 기반의 시간 동안 대기한다. 이와 같이 함으로써, 통신 라인(304)이 인에이블된 시기에 무작위성을 유도할 수 있다.
슬레이브 모듈(112)이 마스터 모듈(110) 또는 다른 슬레이브 모듈(112)과의 다운스트림 통신을 구축하면, 다음 스텝(422)은 할당된 최상위 식별 코드를 질의하는 것이다. 일 실시예에서, 질의 스텝(422)은 마스터 모듈(110)과 통신함으로써 수행되고, 이것은 슬레이브 모듈(112)에게, 슬레이브 모듈(112)에 할당된 마지막 식별 코드를 알려준다. 다른 실시예에서, 슬레이브 모듈(112)은 다음 슬레이브 모듈(112)과 다운스트림 통신하고, 그 모듈의 식별 코드를 획득한다. 식별 코드를 증가 및 저장하는 증가 스텝(424)이 수행되고, 슬레이브 모듈(112)은 정상 동작을 개시하는 다음 스텝(406)을 수행함으로써 정상 동작 모드에 들어간다.
슬레이브 모듈(112)의 통신 포트(210-S)는 데이지 체인의 시작부분에서 마스터 모듈(110)과 데이지 체인 패턴으로 연결된다. 각 슬레이브 모듈(112)이 무작위 시간에 마스터 모듈(110)과 통신을 시도하면(스텝(406)), 슬레이브 모듈(112)은 슬레이브 모듈(112)과 마스터 모듈(110) 간의 임의의 통신 포트(210-S)가 통신에 개방되어 있는 경우에만 성공할 것이다. 마스터 모듈(110)과 통신할 수 있는 제1 슬레이브 모듈(112-2)은 마스터 모듈(110)로부터의 라인에서 첫번째인 슬레이브 모듈(112-2)이다. 그 제1 슬레이브 모듈(112-2)이 통신을 구축하면(408), 슬레이브 모듈(112-2)에는 순차적인 식별 번호 2가 할당된다. 순차적인 식별 번호는 배터리(106)에서 관련 셀(108)의 위치에 해당한다. 제1 슬레이브 모듈(112-2)은 슬레이브 모듈(112)이 식별된 후에 그 통신 포트(210-S)를 개방 상태로 유지하고, 연결된 상태를 유지하도록 한다. 통신을 개방하도록 유지함으로써, 데이지 체인에서 라인 상의 다음 슬레이브 모듈(112)은 마스터 모듈(110)과 통신을 구축할 수 있다. 슬레이브 모듈(112)은 모든 슬레이브 모듈(112)이 순차적으로 통신을 구축하고, 순차적이고, 순차증가되는 식별자로 식별될 때까지, 통신의 탐색(seeking)을 계속한다.
오류발생 또는 다른 유지보수 전에 슬레이브 모듈(112)이 대체되면, 다른 슬레이브 모듈(112)을 재식별하는 단계와 함께 새로운 슬레이브 모듈(112)을 식별하기 위한 슬레이브 모듈의 식별 셋업이 재개시된다. 순차적인 증가 식별자를 사용함으로써, 마스터 모듈(110)은 식별자를 표시하여, 기술자 또는 다른 유지 보수자가 서비스할 셀(108) 및/또는 슬레이브 모듈(112)을 빨리 식별할 수 있도록 하기만 하면 된다. 예를 들어, 마스터 모듈(110)이 순차 식별 번호 5를 갖는 슬레이브 모듈(112)과 관련 셀(108)의 문제를 보고하는 경우에, 서비스 맨은 마스터 모듈(110)과 관련 셀 중 제1 셀(108-1)로부터 다섯번째 셀만 카운트하면 된다.
도 1-4를 참조하면, 배터리 관리 시스템(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 슬레이브 모듈(112)을 초기화함으로써 동작한다. 슬레이브 모듈(112)이 초기화 및 식별되면, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)를 소스(102)가 모듈(110,112)에 연결된 상태로 스위칭한다. 일 실시예에서, 트랜스퍼 스위치(104)가 외부 소스(102-A) 및 보조 소스(102-B) 모두에 연결된 경우에, 마스터 모듈(110)은 시스템(100)의 요구를 충족할 충분한 용량을 갖는 소스(102)를 선택한다. 일 실시예에서, 마스터 모듈(110)은 가장 경제적인 소스(102)를 선택하는데, 솔라 파워를 수신하는 보조 소스(102-B)는 단위 파워 당 요금을 내야하는 외부 소스(102-A) 보다 경제적이다. 또 다른 예는 연료 셀 또는 연료로 구동하는 발전인기인 보조 소스(102-B)인데, 이것은 외부 파워 소스(102-A)를 통해 파워를 구매하는 것보다 구동시키는 비용이 더 비싸다.
파워를 수신하면, 모듈(110,112)은 그와 관련 셀(108)의 상태를 판단하고, 그에 따라 셀(108)을 충전한다. 로드(118,118')는 충전되는 동안 배터리(106)와 연결될 수도 있고, 연결되지 않을 수도 있다. 시스템(100)은 필요에 따라, 콘트롤러(114)에 의해 로드(118,118')에 연결하도록 제어된다.
각 셀(108)이 충전될 때, 연결된 모듈(110,112)은 그 충전 회로(202)를 턴오프한다. 모든 셀(108)이 충전되면, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)를 모듈(110,112)이 배터리(106)와 소스(102) 모두로부터 격리된 상태로 동작시킨다.
외부 파워 소스(102) 및 보조 소스(102-B)가 가용하지 않은 경우에, 또는 보조 소스(102-B)가 충분한 용량을 갖지 않고, 모듈(110,112) 중 하나가 셀이 제1 특정 방전 레벨에 도달했다고 판단하는 경우에, 모듈(110,112)은 마스터 모듈(110)과 통신하고, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)를 배터리(106)를 모듈(110,112)에 연결시키는 상태로 동작시킨다. 부분적으로 방전된 셀(108)과 연결된 모듈(110,112)은 파워 소스로 배터리(106)를 사용하여 셀(108)을 충전시킨다. 이런 식으로, 셀(108)은 배터리(106)가 방전될 때 밸런싱된다. 모듈(110,112) 중 하나가 셀이 제2 특정 방전 레벨에 도달했다고 판단하면, 모듈(110,112)은 마스터 모듈(110)과 통신하고, 마스터 모듈(110)은 로드 디스커넥터 스위치(116,116')를 배터리(106)가 로드(118,118')로부터 격리되도록 동작시킨다. 연결된 모듈(110,112)은 모듈 디스커넥터 스위치(212)를 동작시켜 관련 셀(108)이 모듈(110,112)로부터 격리되도록 하고, 그에 따라 임의의 기생 로드를 턴오프하고, 셀(108)이 손상을 입을 가능성을 최소화한다. 외부 소스(102-A)가 트랜스퍼 스위치(104)에 연결되면, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)를 소스(102-A)를 모듈(110,112)에 연결하는 상태로 동작시키고, 모듈(110,112)은 필요에 따라 그와 관련 셀(108)의 충전을 개시한다.
외부 소스(102-A) 또는 보조 소스(102-B) 중 하나가 충분한 용량을 가지고 가용한 상태이며, 모듈(110,112) 중 하나가 셀(108)이 제1 특정 방전 레벨에 도달했다고 판단하면, 마스터 모듈(110)은 트랜스퍼 스위치(104)를 소스(102)를 모듈(110,112)에 연결시키는 상태로 동작시키고, 부분적으로 방전된 셀(108)과 연결된 모듈(110,112)은 소스(102)를 파워 소스로 사용하여 셀(108)을 충전한다. 모듈(110,112) 중 임의의 하나가 셀이 제2 특정 방전 레벨에 도달했다고 판단하면, 모듈(110,112)은 마스터 모듈(110)과 통신하고, 마스터 모듈(110)은 로드 디스커넥터 스위치(116,116')를 동작시켜 배터리(106)를 로드(118,118')로부터 격리시키도록 동작한다. 그리고 나서, 로드가 없는 배터리(106)는 모듈(110,112)에 의해 충전된다.
도 5는 2개의 배터리(106-A,106-B)를 단일 로드(118)에 연결시키는 구조의 일 실시예에 대한 간략화된 구성도를 나타낸다. 복수의 배터리(106-A,106-B)가 로드(118)에 연결될 수 있는 경우에, 이들 배터리(106-A,106-B)를 로드(118)에 로드의 에너지 요구량을 수용할 수 있는 구성으로 연결하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 더 많은 에너지 용량이 요구되는 경우에, 2개의 배터리(106-A,106-B)는 병렬로 연결되고, 더 많은 에너지 전위가 요구되는 경우에는, 배터리(106-A,106-B)는 직렬로 연결된다.
도시된 구성은 2개의 독립된 배터리 관리 시스템(100-A,100-B)을 포함한다. 제1 배터리(106-A)는 일단이 직접적으로 로드(118) 및 디스커넥터 스위치(116)에 연결되고, 제1 스위치(SW1)(502)를 갖는 다른 타단은 로드(118)와 제1 배터리(106-A) 사이에 연결된다. 제2 배터리(106-B)는 제2 배터리(106-B)와 로드(118) 사이에 연결된 한 쌍의 스위치(SW2 & SW1)(504,502) 스위치와 디스커넥터 스위치(116)를 갖는다.
2개의 스위치(SW2 & SW1)(504,502)는, 2개의 배터리(106-A,106-B)가 병렬로 구성하기 위해, 제1 스위치(SW1)(502)가 제1 및 제2 배터리(106-A,106-B)의 양극을 로드(118)에 연결하고, 제2 스위치(SW2)(504)가 제2 배터리(106-B)의 음극을 로드(118) 및 디스커넥터 스위치(116)에 연결하고, 제2 배터리(106-B)의 음극을 제1 배터리(106-A)의 양극으로부터 격리시키도록 배치된다. 이러한 구성에서, 로드(118)에 가용한 에너지 용량은 2개의 배터리(106-A,106-B)를 병렬로 연결함으로써 2배가 된다.
2개의 배터리(106-A,106-B)를 직렬로 구성하기 위해, 제1 스위치(SW1)(502)는 제1 배터리(106-A)의 양극을 격리시킨다. 제2 스위치(SW2)(504)는 제2 배터리(106-B)의 음극을 로드(118) 및 디스커넥트 스위치(116)로부터 격리시키고, 제2 배터리(106-B)의 음극을 제1 배터리(106-A)의 양극에 연결시킨다. 이러한 구성에서, 로드(118)에 인가되는 전위는 2개의 배터리(106-A,106-B)를 직렬로 연결함으로써 2배가 된다.
또 다른 실시예에서, 제1 배터리(106-A)는 스위치(SW1 & SW2)(502,504) 중 하나 또는 둘 모두를 개방하여 제2 배터리(106-B)를 로드(118)로부터 완전히 격리시킴으로써 로드(118)에 연결된다. 제1 배터리(106-A)가 삭제되면, 제1 배터리(106-A)는 스위치(SW1 & SW2)(502,504)에 의해 격리되고, 제2 배터리(106-B)는 스위치(SW1 & SW2)(502,504)에 의해 로드 및 디스커넥트 스위치(116)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 로드(118)의 러닝 타임은 2개의 배터리(106-A,106-B)로 2배가 된다.
콘트롤러(114)는 각 시스템(100-A,100B) 및 2개의 스위치(SW1 & SW2)(502,504)에 연결된다. 콘트롤러(114)는 로드(118)의 변화 조건을 수용할 수 있도록 복수의 배터리(106-A,106-B)의 구성을 변경한다. 다른 실시예에서, 배터리(106)의 수는 로드(118)의 에너지 용량 및 전위 조건을 수용하기 위해 변화한다.
도 6은 마스터 모듈(110')의 또 다른 실시예에 대한 간략화된 블록도를 나타낸다. 도시된 마스터 모듈(110')은 특정 셀(108)과 연결되지 않는다. 대신, 마스터 모듈은 배터리(106)에 연결되거나, 다양한 다른 실시예에서, 독립 셀 또는 배터리에 연결된다. 마스터 모듈(110')에 대한 연결 리드선(234)는 배터리(106)에 연결된다.
도시된 마스터 모듈(110')의 실시예는 모니터링 및 충전을 요하는 셀(108)과 연결되어 있지 않기 때문에, 배터리 충전기(202)와 셀 및 배터리 모니터링 회로(208)를 포함하지 않는다. 입력 파워 연결선(222)은 입력 파워 회로(206)에 파워를 제공하고, 입력 파워 회로(206)는 변압기(204)에 파워를 공급한다. 변압기(204)의 출력은 격리 다이오드(236)를 통해 모듈 파워 써플라이(232)에 연결된다. 마스터 모듈(110')을 배터리(106)에 연결하는 연결선(234)은 또한 다른 다이오드(236)를 통해 모듈 파워 써플라이(232)에 연결된다. 다이오드(236)는 2개의 파워 소스를 격리시킨다.
마스터 모듈(110')은 배터리(106)의 파라미터를 모니터링하는 배터리 모니터링 회로(608)를 포함한다. 일 실시예에서, 배터리 모니터링 회로(608)는 배터리 전류를 측정하는 전류 센서(120)로의 연결선(630)을 갖는다. 배터리 모니터링 회로(608)는 배터리(108)의 상태 또는 조건을 전체적으로 판단한다. 마스터 모듈(110')은 슬레이브 모듈(112)과 통신하여 개별 셀들(108)의 상태 또는 조건을 판단한다.
도 1-3,5 및 6은 간략화된 구성들을 나타낸다. 간략화된 구성은 다양한 연결선들, 예컨대, 파워 및 접지 연결선이나, 다양한 컴포넌트들을 포함하지 않는다. 그러나, 당업자는 그러한 와이어링이 필요함을 이해할 것이고, 사용하기로 선택한 컴포넌트들을 기반으로 그러한 회로를 와이어링하는 방법을 이해할 것이다.
본 명세서에서, 마스터 콘트롤러(214) 및 슬레이브 콘트롤러(302)는 입력을 수신하고, 그 입력을 기반으로 출력을 제공하는 임의의 장치, 예컨대 아날로그 제어 장치 또는 소프트웨어를 실행하는 컴퓨터 또는 그 컴포넌트, 예컨대, 마이크로 콘트롤러 또는 범용 컴퓨터를 의미하는 것으로 넓게 해석되어야 한다. 다양한 실시예에서, 콘트롤러(214,302)는 그 기능을 구현하는 전용 장치 또는 컴퓨터이다. 콘트롤러(214,302)는 외부 장치와 통신하기 위한 입력/출력(I/O) 유닛 및 하나 이상의 입력 값을 기반으로 출력을 변경하는 프로세싱 유닛을 포함한다. 컴퓨터 기반 콘트롤러(214,302)는 소프트웨어 및 데이터를 저장하는 메모리 매체와 소프트웨어를 실행하는 프로세싱 유닛을 포함한다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 컴퓨터 기반 콘트롤러(214,302)와 연결된 메모리 매체가 프로세서의 프로세싱 유닛의 내부에 있을 수도 있고, 외부에 있을 수도 있음을 이해할 것이다.
콘트롤러(214,302)의 입력 컴포넌트는 외부 장치, 예컨대 전류 센서(120) 및 온도 센서로부터 입력을 수신한다. 출력 컴포넌트는 출력을 외부 장치, 예컨대 다양한 스위치들(104,116)로 전송한다. 저장 컴포넌트는 데이터 및 프로그램 코드를 저장한다. 일 실시예에서, 저장 컴포넌트는 RAM 및/또는 비휘발성 메모리를 포함한다.
일 실시예에서, 여기에 식별된 기능들 각각은 콘트롤러(214,302)에 의해 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 루틴에 의해 수행된다. 또 다른 실시예에서, 여기에 식별된 하나 이상의 기능들은 하드웨어에 의해 수행되고, 나머지 기능들을 콘트롤러(214,302)에 의해 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 루틴에 의해 실행된다. 또 다른 실시예에서, 상기 기능들은 하드웨어로 구현되며, 콘트롤러(214,302)는 전체 집적 시스템(100)의 라우팅 및 콘트롤을 제공한다.
일 실시예에서, 콘트롤러(214,302)는 다양한 기능들을 수행하는 소프트웨어 또는 루틴을 실행한다. 이러한 루틴들은 별개의 코드 유닛일 수도 있고, 그 유닛들은 상호 관련될 수 있다. 당업자는 다양한 기능들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 개별 루틴, 또는 코드 토막 또는 다양한 그룹핑으로 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에서, 소프트웨어 및 루틴은 동의어이다. 그러나, 일반적으로, 루틴은 특정 기능을 수행하는 코드를 가리키는데 반해, 소프트웨어는 하나 이상의 루틴을 포함하거나 또는 하나 이상의 기능을 수행하는 보다 일반적으로 넓은 용어이다.
배터리 관리 시스템(100)은 다양한 기능들을 포함한다. 셀에의 손상을 방지하는 기능은, 일 실시예에서, 셀(108)의 하나 이상의 파라미터를 모니터링하고, 그 셀(108) 중 하나 이상의 파라미터가 임계점에 도달했을 때 또는 그 전에 그 셀(108)을 격리함으로써 구현된다. 셀(108)을 격리함으로써, 모듈(110,112)로부터의 기생 파워 흡입(power draw)가 셀(108)을 누수시키지 못하게 하고, 잠재적으로 셀(108)에 손상을 가하지 않도록 한다.
충전 서비스의 수명을 연장하는 기능은, 일 실시예에서, 배터리(106)가 로드(118)에 연결되었을 때 각 셀(108)의 하나 이상의 파라미터, 예컨대 전압을 모니터링하고, 이러한 파라미터들 중 하나 이상의 임계값에 접근하는 임의의 셀(108)을 충전함으로써 구현된다. 이런 식으로, 다른 셀들(108)은 한 셀(108)이 약한 경우에 배터리(106)를 셧다운 하는 대신, 약한 셀(108)을 상승시키고, 그에 따라 배터리(106)의 동작 시간을 최대화한다.
소스(102)를 연결해제 시킬때, 아크(arc)를 방지하는 기능은, 일 실시예에 따라, 파워 연결이 끊어지기 전에, 마스터 모듈(110)과 파워 소스(102) 간의 통신을 가능케하는 커넥터(122)에 의해 구현된다. 그러한 실시예에서, 마스터 모듈(110)은 모듈(110,112)을 제어하여 커넥터(122)가 회로를 인터럽트하도록 하지 않고, 소스(102)로부터의 로드 흡입(draw)을 감소시킨다. 또 다른 실시예에서, 소스(102)는 커넥터(102)가 연결해제될 것인지와 소스(102)가 트랜스퍼 스위치(104)로의 파워를 셧다운할 것인지를 판단한다.
초기 인스톨 중에 또는 유지 대체(maintenance replacement) 중에 슬레이브 모듈(112)을 초기화하는 기능은, 일 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 슬레이브 모듈(112)과 통신하여 슬레이브 모듈(112)에 식별 코드를 할당하는 마스터 모듈(110)에 의해 구현된다.
마스터 모듈(110)에 대한 오류 방지를 제공하는 기능은, 일 실시예에서, 의사 마스터로 지정된 하나의 슬레이브 모듈(112)에 의해 구현된다. 또 다른 실시예에서, 오류방지를 제공하는 기능은 하나는 제1차 마스터 모듈(110)로 동작하고, 다른 하나는 제2차 마스터 모듈(110)로 동작하는 2개의 마스터 모듈(110)에 의해 구현된다.
소스(102) 중 하나가 연결되어 있는 로드에서 배터리(106)를 건강하게(health) 유지하는 기능은, 일 실시예에서, 마스터 모듈(110)과 슬레이브 모듈(112)이 셀(108)을 계속 모니터링하도록 하고, 특정 설정값 이하에서 방전된 임의의 셀(108)을 충전하도록 동작시킴으로써 구현된다. 셀(108)이 개별적으로 모니터링되기 때문에, 약한 셀(108)은 손상을 입거나 로드(118)를 셧다운 하기 전에 충전될 수 있다. 로드(118)를 통한 방전 속도가 모듈(110,112)의 충전 속도보다 낮은 경우에, 셀(108)은 완전 충전된 상태로 유지된다. 로드(118)를 통한 방전 속도가 모듈(110,112)의 충전 속도보다 큰 경우에, 예컨대 방전 속도가 연결된 소스(102)의 용량보다 더 큰 경우에, 배터리(106)는 다른 셀들 전에 어떠한 셀(108)도 제거되지 않고 단계적으로 방전된다. 즉, 셀(108)의 손상을 막기 위해 가장 약한 셀(108)이 배터리(106)가 셧다운 되는 포인트를 결정(판정)하게 되므로, 가장 약한 셀(108)이 가장 빠른 속도로 충전된다.
모듈(110,112)에 모듈(110,112)를 격리시키는 트랜스퍼 스위치(104)를 제공하는 기능은, 일 실시예에서, 관련 셀(108)로부터 파워를 수신하는 파워 써플라이(232)에 의해 구현된다. 일 실시예에서, 다이오드(236)는 2개의 파워 소스: 셀(108) 및 입력 파워 회로(206)로부터의 파워를 격리시킨다.
단일 로드(118)에 대해 복수의 배터리(106-A,106-B)를 병렬연결하는 기능은, 일 실시예에서, 배터리(106-A,106-B) 각각에 대해 하나씩, 2개의 배터리 관리 시스템(100)에 의해 구현된다. 소스(102)는 트랜스퍼 스위치(104-A,104-B) 모두에 연결된다. 제3 트랜스퍼 스위치(502)는 각 배터리(106-A,106-B)를 독립적으로 또는 함께 로드(118)에 연결한다. 제4 트랜스퍼 스위치(504)는 제3 스위치(502)와 함께, 직렬 또는 병렬로, 배터리(106-A,106-B)를 로드(118)에 연결하는 기능을 수행한다.
본 발명이 수개의 실시예들의 설명에 의해 설명되었고, 설명된 실시예들은 상당히 구체적이지만, 출원인의 의도는 첨부된 청구범위의 범위를 그러한 구체적인 사항들에 한정시키려고 하는 것이 아니다. 당업자는 추가적인 장점과 변형예들을 쉽게 명백히 알 수 있을 것이다. 따라서, 더 넓은 범위의 발명은 그러한 구체적인 사항들로 한정되지 않고, 대표적인 장치 및 방법, 설명을 위한 예들이 설명되었다. 따라서, 그러한 출원인의 일반적인 발명 컨셉으로부터 벗어나지 않고, 그러한 구체적인 사항들에 변형이 가해질 수 있다.

Claims (22)

  1. 복수의 셀을 갖는 배터리를 관리하는 장치에 있어서,
    상기 배터리와 관련된 적어도 하나의 파라미터를 모니터링하도록 구성된 배터리 모니터링 회로를 갖고, 마스터 콘트롤러 및 마스터 통신 포트를 갖는 마스터 모듈;
    각각 충전 회로, 셀 모니터링 회로, 모듈 디스커넥트 스위치 및 슬레이브 통신 포트를 갖는 복수의 슬레이브 모듈로, 상기 각 충전 회로는 상기 모듈 디스커넥트 스위치를 통해 관련 셀에 전기적으로 연결되도록 구성되고, 상기 복수의 슬레이브 모듈 각각은 상기 관련 셀 및 외부 파워 소스 중 적어도 하나에 의해 파워를 공급받도록 구성되고, 상기 복수의 슬레이브 모듈 각각은 상기 외부 파워 소스로부터 전기적으로 격리되고, 상기 각 슬레이브 통신 포트는 상기 마스터 통신 포트와 통신하도록 구성된, 복수의 슬레이브 모듈;
    상기 마스터 모듈에 연결되어 동작하고, 상기 외부 파워 소스로부터 상기 복수의 슬레이브 모듈에 파워를 공급하는 제1 상태를 갖고, 상기 배터리로부터 상기 복수의 슬레이브 모듈에 파워를 공급하는 제2 상태를 갖고, 상기 마스터 콘트롤러에 의해 동작되는 트랜스퍼 스위치; 및
    상기 마스터 모듈에 연결되어 동작하고, 로드를 상기 배터리로부터 격리하도록 로드에 전기적으로 연결되도록 구성된 로드 디스커넥트 스위치를 포함하고,
    상기 관련 셀들 중 임의의 하나가 상기 셀 모니터링 회로에 의해 결정된 제1 특정 값을 갖는 제1 동작 파라미터를 갖는 경우에, 상기 마스터 모듈은 로드 디스커넥트 스위치로 하여금 로드를 상기 배터리로부터 격리하도록 작용하는 배터리 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 파워 소스와 상기 트랜스퍼 스위치 사이의 커넥터를 더 포함하고, 상기 커넥터는 해제가능한(releasable)한 배터리 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 마스터 모듈과 커넥터 상태를 통신하고, 상기 커넥터 상태는 상기 외부 파워 소스가 상기 트랜스퍼 스위치로부터 연결해제 될 것이라는 정보를 포함하고, 상기 마스터 모듈은 상기 커넥터가 상기 외부 파워 소스와 상기 트랜스퍼 스위치 사이의 전기 연결을 차단하기 전에, 상기 트랜스퍼 스위치로 하여금 상기 외부 파워 소스를 연결해제하도록 작용하는 배터리 관리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 모듈과 통신하는 원격 유닛을 더 포함하고, 상기 원격 유닛은 상기 마스터 모듈로부터 데이터 세트를 수신하고, 상기 원격 유닛은 상기 데이터 세트 중 선택된 부분을 표시하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 모듈은 상기 관련 셀의 식별을 기반으로 고유 식별자를 사용하여, 상기 복수의 슬레이브 모듈 각각을 초기화하는 배터리 관리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모듈 디스커넥트 스위치는 상기 관련 셀이 특정 값을 갖는 제1 동작 파라미터를 갖는 경우에, 상기 관련 셀을 해당 슬레이브 모듈로부터 격리하도록 동작하는 배터리 관리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 슬레이브 모듈 중 하나의 충전 회로는 상기 셀 모니터링 회로가 특정값을 갖는 제1 동작 파라미터를 검출하고 상기 마스터 모듈이 상기 트랜스퍼 스위치로 하여금 상기 제2 상태에 있도록 한 이후에 상기 관련 셀을 충전하도록 동력을 공급받는 배터리 관리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    보조 파워 소스를 더 포함하고, 상기 트랜스퍼 스위치는 상기 보조 파워 소스로부터 상기 복수의 슬레이브 모듈에 파워를 공급하는 제3 상태를 갖고, 상기 마스터 모듈은 상기 보조 파워 소스가 충분한 용량을 가진 것으로 판정하면, 상기 트랜스퍼 스위치로 하여금 상기 제3 상태에 있도록 하는 배터리 관리 장치.
  9. 복수의 셀을 갖는 배터리를 관리하는 장치에 있어서,
    상기 장치는 디스커넥트 스위치, 충전회로, 파워 입력부, 모니터링 회로, 및 통신 포트를 포함하고;
    상기 디스커넥트 스위치는 관련 셀에 전기적으로 연결되도록 구성되고;
    상기 충전회로는 모듈형 상기 디스커넥트 스위치를 통해 상기 관련 셀에 전기적으로 연결되도록 구성되고, 파워 써플라이에 의해 파워를 공급받도록 구성되며, 상기 파워 써플라이는 상기 충전회로로부터 전기적으로 격리되고, 상기 파워 써플라이는 외부 소스 및 상기 배터리 중 하나를 상기 충전 회로에 연결하도록 구성된 트랜스퍼 스위치로부터 상기 충전 회로에 연결되고;
    상기 파워 입력부는 상기 관련 셀로부터 파워를 수신하고, 상기 충전 회로가 상기 파워 써플라이에 의해 동력을 공급받으면 디스에이블되고;
    상기 모니터링 회로는 상기 관련 셀 중의 적어도 하나의 파라미터를 모니터링하도록 구성되고, 상기 디스커넥트 스위치는 상기 모니터링 회로가 상기 관련 셀이 제1 특정값을 갖는 제1 동작 파라미터를 갖는다고 판정하면 상기 관련 셀을 격리시키도록 동작하고;
    상기 통신 포트는 마스터 모듈에 데이터 세트를 전송하도록 구성되고, 상기 데이터 세트는 상기 관련 셀의 적어도 하나의 파라미터를 포함하고;
    상기 디스커넥트 스위치, 상기 파워 입력부, 상기 충전 회로, 상기 셀 모니터링 회로 및 상기 통신 포트는 슬레이브 모듈을 형성하는 배터리 관리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 특정값은 상기 관련 셀의 임계 전압값과 관련된 배터리 관리 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 관련 셀을 격리시키도록 상기 디스커넥트 스위치를 동작시키도록 구성된 콘트롤러를 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 충전 회로는, 제2 설정값에 도달하고, 상기 파워 써플라이가 상기 배터리에 연결되면 상기 관련 셀에 충전 전류를 공급하는 배터리 관리 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    배터리 모니터링 회로를 갖고, 상기 슬레이브 모듈 및 상기 트랜스퍼 스위치와 통신하는 마스터 모듈을 더 포함하는 배터리 관리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 마스터 모듈은, 상기 관련 셀이 제2 특정값을 갖는 제2 동작 파라미터를 갖는 경우에, 상기 배터리를 상기 충전회로에 연결하도록 상기 트랜스퍼 스위치를 동작시키도록 구성된 배터리 관리 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 마스터 모듈은 상기 관련 셀의 식별을 기반으로 상기 슬레이브 모듈을 고유하게 식별하는 배터리 관리 장치.
  16. 복수의 셀을 갖는 배터리를 관리하는 장치에 있어서,
    상기 장치는 복수의 슬레이브 모듈, 트랜스퍼 스위치, 로드 스위치, 및 마스터 모듈을 포함하고;
    상기 복수의 슬레이브 모듈 각각은 상기 배터리의 관련 셀에 전기적으로 연결되도록 구성되고, 상기 관련 셀을 충전하도록 구성되고, 상기 관련 셀의 상태를 모니터링하도록 구성되며, 상기 복수의 슬레이브 모듈 중 어느 하나는 상기 관련 셀이 셀 모니터링 회로에 의해 결정된 제1 특정값을 갖는 제1 동작 파라미터를 갖는 경우에, 상기 관련 셀을 상기 복수의 슬레이브 모듈 중 상기 하나로부터 격리하도록 구성되고;
    상기 트랜스퍼 스위치는 상기 복수의 슬레이브 모듈 각각에 연결되고, 외부 파워 소스에 연결되도록 구성되고, 상기 배터리에 연결되도록 구성되고, 상기 외부 파워 소스를 상기 복수의 슬레이브 모듈에 연결하는 제1 상태를 갖고, 상기 배터리를 상기 복수의 슬레이브 모듈에 연결하는 제2 상태를 가지며;
    상기 로드 스위치는 로드를 상기 배터리로부터 연결해제하도록 구성되고;
    상기 마스터 모듈은 상기 복수의 슬레이브 모듈과 통신하고, 상기 마스터 모듈은 상기 복수의 슬레이브 모듈 중 하나가 상기 마스터 모듈에 상기 관련 셀들 중 해당 셀이 상기 제1 특정값을 갖는 제1 동작 파라미터를 가짐을 시그널링하면, 상기 로드 스위치로 하여금 상기 로드를 연결해제하도록 작용하고, 상기 마스터 모듈은 상기 외부 파워 소스가 상기 트랜스퍼 스위치에 연결되어 있음을 검출하면, 상기 트랜스퍼 스위치로 하여금 상기 제1 상태에 있도록 작용하는 배터리 관리 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 슬레이브 모듈 중 하나가 상기 마스터 모듈에 상기 관련 셀이 제2 특정값을 갖는 제2 동작 파라미터를 가짐을 시그널링하면, 상기 마스터 모듈은 상기 트랜스퍼 스위치로 하여금 상기 제2 상태에 있도록 하고, 상기 복수의 슬레이브 모듈 중 상기 하나는 상기 관련 셀을 충전하는 배터리 관리 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 트랜스퍼 스위치가 상기 제2 상태에 있고, 상기 복수의 슬레이브 모듈 중 하나가 상기 마스터 모듈에 상기 관련 셀이 제2 특정값을 갖는 제2 동작 파라미터를 가짐을 시그널링 하면, 상기 마스터 모듈은 상기 복수의 슬레이브 모듈 중 상기 하나에 상기 관련 셀을 충전하도록 명령하는 배터리 관리 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 마스터 모듈은, 상기 관련 셀 중 임의의 하나가 상기 제1 특정값을 갖는 제1 동작 파라미터를 가지면, 상기 로드 스위치로 하여금 상기 로드를 상기 배터리로부터 차단하도록 작용하는 배터리 관리 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 마스터 모듈은, 상기 관련 셀의 식별을 기반으로 고유 식별을 사용하여 상기 복수의 슬레이브 모듈 각각을 초기화하는 배터리 관리 장치.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 마스터 모듈과 통신하는 원격 유닛을 더 포함하고, 상기 원격 유닛은 상기 마스터 모듈로부터 데이터 세트를 수신하고, 상기 원격 유닛은 상기 데이터 세트 중 선택된 부분을 표시하도록 구성된 배터리 관리 장치.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 마스터 모듈은 상기 외부 파워 소스의 용량을 결정하고, 상기 마스터 모듈은 상기 외부 파워 소스의 용량을 초과하지 않도록 하기 위해, 상기 복수의 슬레이브 모듈로 하여금 상기 각 관련 셀을 충전하도록 작용하는 배터리 관리 장치.
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