KR101670002B1

KR101670002B1 - 배터리 시스템, 배터리 시스템을 장착한 자동차, 및 배터리 시스템의 시동 방법

Info

Publication number: KR101670002B1
Application number: KR1020147030148A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 부츠만
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하; 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2016-10-27
Also published as: WO2013143805A2; CN104334393B; CN104334393A; WO2013143805A3; KR20140140108A; DE102012204965A1

Abstract

본 발명은, 직류 전압 중간 회로(706)와, 배터리 제어 유닛과, 직류 전압 중간 회로(706)와 연결된 배터리를 포함하는 배터리 시스템(700)에 관한 것이다. 배터리는, 복수의 배터리 모듈(400, 600, 702)의 직렬 회로를 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈 스트링을 포함하며, 복수의 배터리 모듈(400, 600, 702)은 제1 배터리 모듈(702) 및 적어도 하나의 제2 배터리 모듈(400)을 포함한다. 제2 배터리 모듈(400)은 적어도 하나의 배터리 셀(402)을 포함하며, 커플링 유닛(300, 500)에 연결된다. 커플링 유닛(300, 500)은 제2 배터리 모듈(400)을 바이패스하거나 배터리 모듈 스트링에 접속함으로써 직류 전압 중간 회로(706)에 인가되는 출력 전압을 복수의 전압 단계들로 설정하는 방식으로, 배터리 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다. 본 발명에 따라서, 배터리 시스템(700)은 제2 배터리 모듈(400)에 직렬 연결되고 제1 배터리 모듈(702)에 연결되는 DC-DC 컨버터(704)를 포함한다. DC-DC 컨버터(704)는, 적어도 하나의 전압 중간 단계로 2개의 연속되는 전압 단계들 사이에서 직류 전압 중간 회로(706)를 충전하도록 구성된다. 또한, 본 발명은 배터리 시스템(700)을 장착한 자동차, 및 배터리 시스템을 시동하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

배터리 시스템, 배터리 시스템을 장착한 자동차, 및 배터리 시스템의 시동 방법{Battery system, motor vehicle having a battery system, and method for starting up a battery system}

본 발명은, 직류 전압 중간 회로와, 배터리 제어 유닛과 배터리를 포함하는 배터리 시스템뿐 아니라, 배터리 시스템을 장착한 자동차, 및 배터리 시스템을 시동하기 위한 방법에 관한 것이다.

향후에는, 예컨대, 풍력 발전 설비와 같은 고정식 적용 분야나, 예컨대, 하이브리드 또는 전기 자동차와 같은 차량에서뿐만 아니라, 랩탑 및 무선 이동 전화기에서도, 신뢰성, 안전성, 출력 용량 및 수명과 관련하여 매우 높은 요건이 요구되는 리튬-이온 배터리 시스템들이 이용될 것이라는 전망이 두드러지고 있다.

예컨대, 전기 및 하이브리드 자동차, 또는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드 조정의 경우와 같은 고정식 적용 분야에서 이용되는 통상적인 전기 구동 시스템의 기본 회로도는 도 1에 도시되어 있다. 배터리(110)는 커패시터(111)를 통해 형성되는 직류 전압 중간 회로에 연결된다. 직류 전압 중간 회로에는 펄스 폭 변조 인버터(112)가 연결되며, 이 펄스 폭 변조 인버터는 각각 2개의 스위칭 가능한 반도체 밸브 및 2개의 다이오드를 통해 3개의 출력단에서 전기 구동 모터(113)의 구동을 위한 상호 간에 위상 편이된 사인파 전압을 공급한다. 직류 전압 중간 회로를 형성하는 커패시터(111)의 정전 용량은, 스위칭 가능한 반도체 밸브들 중 하나의 반도체 밸브가 통전되는 기간 동안 직류 전압 중간 회로 내의 전압을 안정화하기 위해 충분히 커야만 한다. 전기 자동차와 같은 실제의 적용 분야에서는, 수 mF까지 범위의 높은 정전 용량이 요구된다.

도 2에는, 도 1의 배터리에 대한 상세한 블록 회로도가 도시된다. 복수의 배터리 셀은, 각각의 적용 분야에서 원하는 높은 출력 전압 및 배터리 용량을 달성하기 위해, 직렬 연결될 뿐 아니라 선택에 따라 추가로 병렬 연결될 수 있다. 배터리 셀들의 양극과 양극 배터리 단자(114) 사이에는 충전 및 분리 장치(116)가 접속된다. 선택에 따라, 배터리 셀들의 음극과 음극 배터리 단자(115) 사이에도 추가로 분리 장치(117)가 접속될 수 있다. 분리 및 충전 장치(116) 및 분리 장치(117)는 각각 접촉기(118 및 119)를 포함하며, 이 접촉기들(118, 119)은, 배터리 단자를 무전압 상태로 스위칭하기 위해, 배터리 단자로부터 배터리 셀들을 분리하도록 제공된다. 그렇지 않으면, 직렬 연결된 배터리 셀들의 높은 직류 전압으로 인해, 유지보수 직원들 등에게 상당한 위험 가능성이 제공된다. 충전 및 분리 장치(116) 내에는 추가로 충전 접촉기(120)가 제공되고, 이 충전 접촉기(120)는 충전 저항기(121)에 직렬 연결된다. 충전 저항기(121)는, 배터리가 직류 전압 중간 회로에 연결될 때, 커패시터(111)로 흐르는 충전 전류를 제한한다. 이를 위해, 최초에 접촉기(118)는 개방되고 충전 접촉기(120)만이 단락된다. 양극 배터리 단자(114)의 전압이 배터리 셀들의 전압에 도달하면, 접촉기(119)는 단락될 수 있으며, 경우에 따라 충전 접촉기(120)는 개방될 수 있다.

충전 접촉기(120) 및 충전 저항기(121)는, 수십kW 범위의 출력을 보유하는 적용 분야에서, 수백 밀리초 동안 지속되는 직류 전압 중간 회로의 충전 과정을 위해서만 사용됨에도, 상당한 추가 비용을 필요로 한다. 언급한 컴포넌트들은 고가일 뿐만 아니라, 크고 무겁기까지 하며, 이는 특히 전기 자동차와 같은 이동식 적용 분야들에서의 이용에 방해가 된다.

사전 출원되어 이후에 공개된 DE 10 2010 041 029.1로부터는, 제어 유닛 및 복수의 직렬 연결된 배터리 모듈을 포함하는 배터리가 공지되었다. 이 경우, 상기 배터리 모듈들 각각은 커플링 유닛과, 커플링 유닛의 제1 입력단과 그 제2 입력단 사이에서 스위칭되는 적어도 하나의 배터리 셀을 포함한다. 복수의 배터리 모듈은 제1 개수의 배터리 셀들을 구비한 제1 배터리 모듈과 제1 개수의 배터리 셀들보다 더 많은 제2 개수의 배터리 셀들을 구비한 적어도 하나의 제2 배터리 모듈을 포함한다.

공지된 배터리의 경우, 커플링 유닛들은, 제1 단계에서, 배터리 모듈들의 모든 배터리 셀이 분리되는 방식으로 제어된다. 제2 단계에서, 배터리 모듈들은 출력 측에서 바이패스되며, 그럼으로써 0의 배터리 출력 전압이 발생한다. 제3 단계에서, 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들은 연결되고 제1 배터리 모듈의 출력 측 바이패스는 종료된다. 제4 단계에서는, 제2 배터리 모듈의 배터리 셀들이 연결되고 제2 배터리 모듈의 출력 측 바이패스는 종료된다. 제5 단계에서는, 제4 단계와 동시에, 제1 배터리 모듈의 배터리 셀들이 분리되고 제1 배터리 모듈은 바이패스된다. 단계 3 내지 단계 5는, 직류 전압 중간 회로 상에서 설정 작동 전압이 달성될 때까지, 복수의 배터리 모듈에 대해 반복된다.

본 발명에 따라서, 직류 전압 중간 회로와, 배터리 제어 유닛과, 직류 전압 중간 회로에 연결된 배터리를 포함하는 배터리 시스템이 제공된다. 배터리는 복수의 배터리 모듈의 직렬 회로를 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈 스트링을 포함하며, 복수의 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈 및 적어도 하나의 제2 배터리 모듈을 포함한다. 제2 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하며 커플링 유닛에 연결된다. 커플링 유닛은, 제2 배터리 모듈을 바이패스하거나 배터리 모듈 스트링에 접속함으로써 직류 전압 중간 회로에 인가되는 출력 전압을 복수의 전압 단계들(muliple voltage stages)로 설정하는 방식으로, 배터리 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다. 본 발명에 따라서, 배터리 시스템은 제2 배터리 모듈에 직렬 연결되고 제1 배터리 모듈에 연결되는 DC-DC 컨버터를 포함한다. DC-DC 컨버터는 적어도 하나의 전압 중간 단계(voltage intermediate stage)로 2개의 연속되는 전압 단계들 사이에서 직류 전압 중간 회로를 충전하도록 구성된다.

자동차의 구동 시스템과 연결되는 배터리 시스템을 장착한 자동차가 제공된다.

본 발명에 따라서, 직류 전압 중간 회로와, 배터리 제어 유닛과, 직류 전압 중간 회로와 연결된 배터리를 포함하는 배터리 시스템을 시동하기 위한 방법이 제공되며, 배터리는 복수의 배터리 모듈의 직렬 회로를 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈 스트링을 포함하고, 복수의 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈 및 적어도 하나의 제2 배터리 모듈을 포함하며, 제2 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하며 커플링 유닛에 연결되며, 상기 방법은 기본적으로 적어도 하기 단계들, 즉

a) 커플링 유닛을 통해 각각의 배터리 모듈의 적어도 하나의 배터리 셀을 분리하는 단계와,

b) 커플링 유닛을 통해 모든 직렬 연결된 배터리 모듈을 출력 측에서 바이패스함으로써, 적어도 하나의 배터리 모듈 스트링의 출력 전압이 0이 되게 하는 단계와,

c) 복수의 배터리 모듈의 직렬 회로에 DC-DC 컨버터를 접속하여, DC-DC 컨버터가 제1 배터리 모듈과 연결되게 하는 단계와,

d) DC-DC 컨버터를 통해 적어도 하나의 전압 중간 단계로 직류 전압 중간 회로를 충전하는 단계와,

e) DC-DC 컨버터와 제1 배터리 모듈을 바이패스하는 단계와,

f) 커플링 유닛을 이용하여 제2 배터리 모듈을 접속하고 커플링 유닛을 통해 제2 배터리 모듈의 적어도 하나의 배터리 셀을 연결하는 단계를 포함한다.

<발명의 장점>

개별적으로 접속될 수 있는 배터리 모듈들을 통해, 직류 전압 중간 회로에 인가되는 출력 전압이 연속적으로 증가될 수 있다. 배터리 내지 복수의 모듈이 동시에 스위치 온 되거나 접속되는 종래의 배터리 시스템들에 비해, 본 발명에 따르는 배터리 시스템은, 직류 전압 중간 회로에 기본적으로 상대적으로 더 낮은 전류 펄스를 야기하는 상대적으로 더 낮은 전압 단계들을 가능하게 한다. 따라서 직류 전압 중간 회로는 바람직한 방식으로 충전 접촉기 및 충전 저항기 없이 충전될 수 있으며, 다시 말하면 고가이고 공간을 차지하면서 무거운 상기 부품들은 생략될 수 있다. 바람직하게는 배터리 시스템은 리튬 이온 배터리 시스템을 포함한다.

상대적으로 더 낮은 전압 단계들은 DC-DC 컨버터 및 전압 중간 단계들의 이용을 통해 훨씬 더 감소될 수 있으며, 그럼으로써 직류 전압 중간 회로에 훨씬 더 낮은 전류 펄스가 야기된다. 이는 부품 부하 및 그에 따른 배터리 시스템 내 열화를 감소킬 수 있으면서 신뢰성을 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라서, DC-DC 컨버터는 동기식 컨버터, 특히 감압 컨버터(step-down converter)를 포함할 수 있다. 직류 전압 변압기로도 명명되는 동기식 컨버터들은 직류 전압을 거의 손실 없이 변환할 수 있다.

감압 컨버터들은 실질적으로 다이오드와, 스위칭 부재와, 인덕터를 포함하며, 다시 말하면 실질적으로 소형이고 경제적이면서 단순하게 형성된다. 동기식 컨버터는 다이오드 대신 추가 스위칭 부재를 포함하고, 기본적으로 승압 컨버터(step-up converter)로도 기능할 수 있다. 감압 컨버터 내지 동기식 컨버터는 바람직하게는 제1 배터리 모듈의 전압을 적어도 하나의 전압 중간 단계로 변환하며, 이 전압 중간 단계는 제1 배터리 모듈의 출력 전압, 다시 말하면 배터리 모듈 전압보다 더 작거나 그와 동일하다. 추가로 바람직하게는, DC-DC 컨버터는 각각의 배터리 모듈 전압만큼 직류 전압 중간 회로를 연속적으로, 또는 준 연속적으로 충전할 수 있으며, 이를 위해 DC-DC 컨버터는 복수의 전압 중간 단계들을 생성할 수 있다.

추가 실시예에 따라서, DC-DC 컨버터는 DC-DC 컨버터를 바이패스하기 위한 스위칭 부재를 포함할 수 있다. 그 결과로, DC-DC 컨버터는 배터리 모듈 전압으로 직류 전압 중간 회로를 충전한 후에 접속되는 제2 배터리 모듈을 위해 단시간 바이패스될 수 있다. 제2 배터리 모듈이 접속된다면, DC-DC 컨버터는 이전의 전압 단계에서 출발하여 추가의 배터리 모듈 전압만큼 직류 전압 중간 회로를 연속해서, 그리고 완만하게 충전하며, 그럼으로써 직류 전압 중간 회로에는 전류 펄스가 감소되거나 저지된다.

추가 실시예에 따라서, DC-DC 컨버터는 적어도 하나의 추가 스위칭 부재를 포함할 수 있고, 이 추가 스위칭 부재는, DC-DC 컨버터가 복수의 연속 상승하는 전압 중간 단계들을 생성할 수 있는 방식으로, 제어 유닛에 의해 가변하는 듀티 계수로 스위칭될 수 있다. 듀티 계수는 스위칭 시간에 대한 제2 스위칭 부재의 스위치 온 시간의 비율로 정의될 수 있다. 스위치 온 시간 동안 바람직하게는 충전 전류는 제1 배터리 모듈에서 동기식 컨버터의 인덕터 내로 흐른다. 스위치 오프 단계 동안에는, 인덕터 내에 저장된 에너지가 소멸될 수 있고, 전류는 인덕터에서 직류 전압 중간 회로 내로 흐른다. 이 경우, 스위치 온 시간 및 스위치 오프 시간은 일반적으로 스위칭 기간을 형성한다. 제어 유닛은 바람직한 방식으로 듀티 계수의 설정을 통해 거의 연속해서 상승하는 전압 중간 단계들을 생성할 수 있고, 그에 따라서 예컨대 각각의 배터리 모듈 전압만큼 직류 전압 중간 회로를 충전할 수 있으며, 그럼으로써 높은 전류 펄스는 감소된다.

추가 실시예에 따라서, 직류 전압 중간 회로는 커패시터를 포함할 수 있다. 바람직하게는 직류 전압 회로는 하나의 커패시터로만 구성된다. 커패시터가 충전된다면, 초기에 일반적으로 낮은 충전 전압이 인가되고, 커패시터 내에서는 높은 전류 내지 전류 펄스가 흐른다. 충전이 끝날 무렵에 일반적으로 높은 충전 전압이 인가되고 커패시터에 낮은 전류가 흐른다. 종래의 회로의 경우, 직류 전압 중간 회로의 일측에는, 시동 시에, 그리고 시작 시에 직류 전압 회로로 흐르는 높은 전류를 제한하기 위해, 충전 접촉기 및 충전 저항기가 연결된다. 본 발명에 따르는 배터리 시스템은 직류 전압 중간 회로에서 전압 중간 단계들 내지 준 연속적으로 상승하는 충전 전압들을 생성하는 DC-DC 컨버터를 이용함으로써 직류 전압 중간 회로에 높은 전류를 감소시킨다. 그 결과로, 직류 전압 중간 회로는 부품을 보호하면서 기본적으로 충전 접촉기 및 충전 저항기 없이 충전될 수 있다.

추가 실시예에 따라서, 제1 및 제2 배터리 모듈은 동일하게 형성될 수 있다. 이와 달리, 공지된 배터리에서는, 2가지 유형의 배터리 모듈들, 즉 제1 개수의 배터리 셀들을 구비한 제1 배터리 모듈과 제1 개수의 배터리 셀들보다 더 많은 제2 개수의 배터리 셀들을 구비한 제2 배터리 모듈이 상측에 연결되어야만 한다. 그 외에도, 공지된 배터리는 각각의 제1 배터리 모듈마다 하나의 전압 중간 단만을 생성할 수 있지만, 직류 전압 중간 회로에서 연속적이거나 준 연속적인 충전 전압 또는 출력 전압은 생성할 수 없다. DC-DC 컨버터를 이용하는 것을 통해, 바람직한 방식으로, 배터리 모듈들의 서로 다른 형성은 방지될 수 있다. 이는 배터리 시스템의 더욱 단순하면서도 비용도 더욱 적게 드는 제조를 가능하게 하며, 그 외에도 배터리 시스템은 부품을 더욱 보호하는 방식으로 작동될 수 있다.

본 발명에 따르는 방법은, 초기에 배터리 셀을 분리하는 것을 통해, 배터리 모듈들의 출력 측 바이패스가 커플링 유닛을 통한 배터리 셀의 단락을 야기하는 점을 방지할 수 있다. 본 발명에 따르는 방법의 단계 a) 및 단계 b)는 바람직하게는 초기화 단계들을 형성한다. 후속하는 단계 c) 내지 단계 f)는 바람직하게는 직류 전압 중간 회로에 인가된 출력 전압을 연속해서 증가시키는 역할을 한다.

추가 실시예에 따라서, 본 발명에 따르는 방법은, 직류 전압 중간 회로에서 사전 결정된 설정 전압이 달성될 때까지 단계 c) 내지 단계 f)를 반복하는 단계 g)를 포함할 수 있다. 설정 전압 또는 출력 전압은 바람직하게는 배터리 모듈들로부터 출력되는 전압들의 합에 상응한다. 본 발명에 따르는 방법은, 바람직한 방식으로, 0볼트에서 출발하여 설정 전압에 이를 때까지 직류 전압 중간 회로에 인가된 출력 전압을 연속적으로, 또는 준 연속적으로 증가시키고, 이와 동시에 높은 전류 펄스를 감소시키거나 저지하는 것을 가능하게 한다.

추가 실시예에 따라서, 본원의 방법은, 배터리 시스템을 시동하면서, 직류 전압 중간 회로에 연결된 구동 시스템 또는 펄스 폭 변조 인버터에 사전 결정된 설정 전압을 공급하는 단계 h)를 포함할 수 있다. 이 경우, 직류 전압 중간 회로는, 전압 완화를 위해, 높은 에너지의 단시간 공급을 위해, 또는 고주파 전압 성분의 필터링을 위해 필요할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 도면 및 하기의 기술 내용에 따라서 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은, 종래 기술에 따르는 전기 구동 시스템을 도시한 회로도다.
도 2는, 종래 기술에 따르는 배터리의 블록 회로도이다.
도 3은, 커플링 유닛의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 4는, 회로 기술적으로 구현할 수 있는 커플링 유닛을 도시한 회로도이다.
도 5는, 제2 배터리 모듈의 일 실시예를 도시한 회로도이다.
도 6은, 제2 배터리 모듈의 추가 실시예를 도시한 회로도이다.
도 7은, 커플링 유닛의 추가 실시예를 도시한 회로도이다.
도 8은, 회로 기술적으로 구현할 수 있는 커플링 유닛의 제2 실시예를 도시한 회로도이다.
도 9는, 제2 배터리 모듈의 추가 실시예를 도시한 회로도이다.
도 10은, 배터리 시스템의 일 실시예를 도시한 회로도이다.

도 3에는, 본 발명에 따르는 방법을 실행할 수 있으면서 본 발명에 따르는 배터리 시스템에서 이용하기 위한 커플링 유닛(300)의 일 실시예가 도시되어 있다. 커플링 유닛(300)은 2개의 입력단(302 및 304)뿐 아니라 하나의 출력단(306)을 포함하고, 출력단(306)과 입력단들 중 일측 입력단(302 또는 304)을 연결하고 타측 입력단은 분리하도록 구성된다.

도 4에는, 제1 및 제2 스위치(308 내지 310)가 제공되고 회로 기술적으로 구현할 수 있는 커플링 유닛(300)의 회로도가 도시되어 있다. 스위치들(308, 310) 각각은 입력단들 중 일측 입력단(302 또는 304)과 출력단(306) 사이에서 스위칭된다. 상기 실시예는, 두 입력단(302, 304) 모두가 출력단(306)으로부터 분리될 수 있으며, 그럼으로써 출력단(306)은 고저항 상태가 된다는 장점을 제공하며, 이는 예컨대 수리 또는 유지보수의 경우에 유용할 수 있다. 그 외에, 스위치들(308, 310)은 간단히 예컨대 MOSFET들(금속-산화물-반도체-전계 효과 트랜지스터들) 또는 IGBT들(절연 게이트 전극을 포함한 쌍극 트랜지스터들)과 같은 반도체 스위치로서 실현될 수 있다. 반도체 스위치들은 유리한 가격 및 높은 스위칭 속도의 장점을 가지며, 그럼으로써 커플링 유닛(300)은 짧은 시간 이내에 제어 신호 내지 이 제어 신호의 변동에 반응할 수 있게 된다.

도 5 및 도 6에는, 커플링 유닛(300)을 포함한 배터리 모듈(400)의 2가지 실시예가 도시되어 있다. 복수의 배터리 셀(402)은 커플링 유닛(300)의 입력단들 사이에 직렬 연결된다. 그러나 본 발명은 배터리 셀들(402)의 상기 직렬 회로로만 국한되지 않으며, 단일의 배터리 셀(402)만이 제공될 수 있거나, 또는 배터리 셀들(402)의 병렬 회로, 또는 직렬 및 병렬 혼합형 회로도 제공될 수 있다. 도 5의 예시에서, 커플링 유닛(300)의 출력단은 제1 단자(404)와 연결되고 배터리 셀들(402)의 음극은 제2 단자(406)와 연결된다. 그러나 배터리 셀들(402)의 음극이 제1 단자(404)와 연결되고 커플링 유닛(300)의 출력단은 제2 단자(406)와 연결되는 도 6에서처럼 거의 반사 대칭인 배치도 가능하다.

도 7에는, 본 발명에 따르는 방법을 실행할 수 있으면서 본 발명에 따르는 배터리 시스템에서 이용하기 위한 커플링 유닛(500)의 추가 실시예가 도시되어 있다. 커플링 유닛(500)은 2개의 입력단(502 및 504)뿐 아니라 2개의 출력단(506 및 508)을 포함한다. 커플링 유닛은, 제1 출력단(506)과 제1 입력단(502)을 연결할 뿐 아니라 제2 출력단(508)과 제2 입력단(504)을 연결하도록 [그리고 제2 출력단(508)에서 제1 출력단(506)을 분리하도록] 형성되거나, 또는 제2 출력단(508)과 제1 출력단(506)을 연결하도록[그리고 이와 동시에 입력단들(502 및 504)을 분리하도록] 형성된다. 또한, 커플링 유닛의 결정된 실시예의 경우, 커플링 유닛은, 출력단들(506, 508)에서 두 입력단(502, 504)을 분리하고 제2 출력단(508)에서는 제1 출력단(506)을 분리하도록 형성될 수도 있다. 그러나 제2 입력단(504)과 제1 입력단(502)을 연결하는 점은 제공되지 않는다.

도 8에는, 제1, 제2 및 제3 스위치(510, 512 및 514)가 제공되고 회로 기술적으로 구현할 수 있는 커플링 유닛(500)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 제1 스위치(510)는 제1 입력단(502)과 제2 출력단(506) 사이에서 스위칭되고, 제2 스위치(512)는 제2 입력단(504)과 제2 출력단(508) 사이에서 스위칭되며, 제3 스위치(514)는 제1 출력단(506)과 제2 출력단(508) 사이에서 스위칭된다. 상기 실시예는 마찬가지로, 스위치들(510, 512 및 514)이 단순하게 예컨대 MOSFET들 또는 IGBT들과 같은 반도체 스위치들로서 실현될 수 있다는 장점을 제공한다. 반도체 스위치들은 유리한 가격 및 높은 스위칭 속도의 장점을 가지며, 그럼으로써 커플링 유닛(500)은 짧은 시간 이내에 제어 신호 내지 이 제어 신호의 변동에 반응할 수 있다.

도 9에는, 커플링 유닛(500)을 포함하는 배터리 모듈(600)의 추가 실시예가 도시되어 있다. 복수의 배터리 셀(402)은 커플링 유닛(500)의 입력단들 사이에 직렬 연결된다. 이런 배터리 모듈(600)의 실시예도 배터리 셀들(402)의 상기 직렬 회로로만 국한되지 않으며, 다시금 단일의 배터리 셀(402)만이 제공될 수 있거나, 또는 배터리 셀들(402)의 병렬 회로 또는 직렬 및 병렬 혼합형 회로도 제공될 수 있다. 배터리 모듈(600)은 도 5 및 도 6의 배터리 모듈(400)에 비해, 배터리 셀들(402)이 커플링 유닛(50))을 통해 나머지 배터리로부터 양측에서 분리될 수 있다는 장점을 제공하며, 이는 작동 중에 위험하지 않은 교환을 가능하게 하는데, 그 이유는 배터리 셀들(402)의 어느 극 상에도 배터리의 나머지 배터리 모듈들의 위험한 높은 합계 전압은 인가되지 않기 때문이다.

도 10에는, 배터리 시스템(700)의 일 실시예가 도시되어 있다. 배터리 시스템(700)은, 제1 배터리 모듈을 형성하는 배터리 모듈(702)과, 각각 제2 배터리 모듈을 형성하는, 도 10에서 점들로 지시되어 있는 것과 같은 복수의 추가 배터리 모듈(400)을 포함한다. 그 외에도, 배터리 시스템(700)은, DC-DC 컨버터를 형성하는 감압 컨버터(704)와, 도 10에서 점들로 지시되어 있는 것과 같은 복수의 커플링 유닛(500)과, 직류 전압 중간 회로를 형성하는 커패시터(706)도 포함한다.

제2 배터리 모듈들(400)은, 도 5, 도 6 및 도 9에 도시된 것처럼, 개별 배터리 셀들(402)의 직렬 회로를 포함한다. 커플링 유닛들(500)은, 도 8에 도시된 것처럼, 3개의 스위치(510, 512, 514)를 각각 포함한다. 감압 컨버터(704)는 제1 입력단(710) 상의 제1 스위치(708), 및 제1 입력단(710)과 제2 입력단(714) 사이의 제2 스위치(712)를 포함한다. 제1 스위치(708) 및 제2 스위치(712)는 입력단들(710, 714)과 관련하여 직렬 회로를 형성한다. 제2 스위치(712)에는, 인덕터를 형성하는 코일(716) 및 제3 스위치(718)의 직렬 회로가 병렬 연결된다. 코일(716)과 제3 스위치(718) 사이의 노드는 감압 컨버터(704)의 출력단(720)을 형성한다.

제1 배터리 모듈(702)은 입력단들(710, 714) 상에서 감압 컨버터(704)와 연결되어, 입력단들(710, 714) 사이에 배터리 모듈 전압을 인가한다. 감압 컨버터(704)의 출력단(720)은 커패시터(706)의 일측 말단과 연결되고, 이 커패시터의 타측 말단은 접지에 위치한다. 제2 배터리 모듈들(400)은 각각, 도 9에 도시된 것처럼, 커플링 유닛들(500)과 연결된다. 커플링 유닛들(500)은 스위치들(510, 512)을 통해 배터리 모듈들(400)의 배터리 셀들(402)을 연결하거나 분리할 수 있다. 스위치(514)에 의해서는 커플링 유닛들(500)이 배터리 모듈들(400)을 바이패스할 수 있다. 동일한 방식으로, 커플링 유닛(500) 대신, 도 5 및 도 6에 도시된 커플링 유닛(300)도 이용될 수 있다.

커플링 유닛들(500)은 직렬 연결되고, 제2 배터리 모듈들(400)과 함께 배터리 모듈 스트링을 형성한다. 배터리 모듈 스트링은 하단에서, 다시 말하면 하부 전압 전위에서 접지와 연결되고, 상단에서, 다시 말하면 상부 전압 전위에서 감압 컨버터(704)의 제2 입력단(714) 또는 제1 배터리 모듈(702)의 하부 전압 전위와 연결된다.

스위치들(510, 512, 514, 708, 712, 718)은, 배터리 시스템(700)을 시동하기 위해 배터리 시스템(700)이 커패시터(706)에서 연속해서 그리고 완만하게 상승하는 충전 전압 또는 출력 전압을 생성하는 방식으로, 배터리 제어 유닛에 의해 제어될 수 있으며, 배터리 제어 유닛은 하기 방법을 실행한다.

우선, 모든 제2 배터리 모듈의 모든 배터리 셀이 스위치들(510, 512)을 통해 분리되며, 이어서 제2 배터리 모듈(400)을 바이패스하기 위해 스위치(514)가 폐쇄된다. 스위치(718)도 폐쇄되면서, 제1 배터리 모듈(702) 내지 감압 컨버터(704)의 바이패스를 야기한다. 이 경우, 바이패스 이전의 분리는 제2 배터리 모듈들의 단락을 방지한다. 바이패스는 커패시터(706)에서 0볼트의 출력 전압을 야기한다. 분리 및 바이패스 방법 단계들은 함께, 배터리 시스템(700)을 시동하기 위한 추가 단계들을 위한 정의된 출력 상태로 배터리 시스템(700)을 전환하는 초기화 단계들을 형성한다.

초기화 단계 후에, 제3 단계에서, 우선 감압 컨버터(704)가 접속된다. 이 경우, 스위치들(708, 712)은, 감압 컨버터(704)가 적어도 하나의 전압 중간 단계를 생성하며, 예컨대 절반의 배터리 모듈 전압, 또는 0볼트에서 출발하여 완만하게 상승하는 전압을 생성하고 이 전압을 제1 배터리 모듈(702)의 전압에 이를 때까지 증가시키는 방식으로, 배터리 제어 유닛에 의해 가변하는 듀티 계수로 작동된다. 그 결과로, 커패시터(706)는, 제4 단계에서, 완만하고 연속적으로 충전되며, 그럼으로써 높은 전압 점프는 인가되지 않고 전류 펄스는 감소되거나 저지된다.

제1 배터리 모듈(702)의 전압 또는 전압 중간 단계에 도달한 후에, 감압 컨버터(704)는, 제5 단계에서, 스위치(718)에 의해 바이패스되고, 이와 동시에, 제6 단계에서는, 제2 배터리 모듈(400)이 커플링 유닛(500)에 의해 접속된다. 이 경우, 제1 배터리 모듈(702)은 제2 배터리 모듈들(400)과 동일한 구조로 형성되어, 실질적으로 제2 배터리 모듈들과 동일한 배터리 모듈 전압을 공급한다. 따라서 감압 컨버터(704)를 바이패스하고 이와 동시에 제2 배터리 모듈(400)을 접속하는 것을 통해, 커패시터(706)에서는 전압 변동이 발생하지 않거나, 또는 사소한 전압 변동만이 발생하며, 그럼으로써 전류 펄스는 감소되거나 저지된다.

그 외에도, 단계 3 내지 단계 5는 제2 배터리 모듈의 개수에 상응하게 반복된다. 이 경우, 감압 컨버터(704)는 각각 2개의 전압 단계 사이, 다시 말하면 2개의 배터리 모듈 전압 사이의 완만하고 연속적인 충전을 담당한다. 모든 제2 배터리 모듈이 접속되면, 커패시터(706) 상에서 설정 전압이 달성되고 배터리 시스템(700)은 시동된다. 이어서, 배터리 시스템(700)은 커패시터(706)를 통해 펄스 폭 변조 인버터 및 예컨대 자동차의 구동 시스템에 전기 공급할 수 있다.

Claims

직류 전압 중간 회로(706), 배터리 제어 유닛, 및 직류 전압 중간 회로(706)에 연결된 배터리를 포함하며,
상기 배터리는 복수의 배터리 모듈(400, 600, 702)의 직렬 회로를 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈 스트링을 포함하고,
상기 복수의 배터리 모듈(400, 600, 702)은 제1 배터리 모듈(702) 및 적어도 하나의 제2 배터리 모듈(400)을 포함하고,
상기 제2 배터리 모듈(400)은 적어도 하나의 배터리 셀(402)을 포함하고 커플링 유닛(300, 500)에 연결되며,
상기 커플링 유닛(300, 500)은 상기 배터리 제어 유닛에 의해 제어될 수 있으며, 상기 직류 전압 중간 회로(706)에 인가되는 출력 전압이 복수의 전압 단계들(voltage stages)을 갖도록 상기 제2 배터리 모듈(400)을 바이패스하거나 상기 제2 배터리 모듈(400)을 상기 배터리 모듈 스트링에 접속하며,
상기 제2 배터리 모듈(400)에 직렬 연결되고 상기 제1 배터리 모듈(702)에 연결되며, 2개의 연속되는 전압 단계들 사이의 적어도 하나의 전압 중간 단계(intermediate stage)로 상기 직류 전압 중간 회로(706)를 충전하도록 구성되는 DC-DC 컨버터(704)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(700).
제1항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터(704)는 동기식 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(700).
제1항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터(704)는 상기 DC-DC 컨버터(704)를 바이패스하기 위한 스위칭 부재(718)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(700).
제1항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터(704)는 적어도 하나의 추가 스위칭 부재(708, 712)를 포함하고,
상기 추가 스위칭 부재는, 상기 DC-DC 컨버터(704)가 복수의 연속 상승하는 전압 중간 단계를 생성하도록, 상기 배터리 제어 유닛에서 의해 가변하는 듀티 계수로 스위칭될 수 있는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(700).
제1항에 있어서,
상기 직류 전압 중간 회로(706)는 커패시터(706)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(700).
제1항에 있어서,
상기 제1 배터리 모듈(702)과 상기 제2 배터리 모듈(400)은 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(700).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 배터리 시스템(700)을 장착한 자동차에 있어서,
상기 배터리 시스템(700)은 상기 자동차의 구동 시스템과 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차.
직류 전압 중간 회로, 배터리 제어 유닛, 및 직류 전압 중간 회로에 연결된 배터리를 포함하는 배터리 시스템을 시동하기 위한 방법으로서,
상기 배터리는 복수의 배터리 모듈의 직렬 회로를 포함하는 적어도 하나의 배터리 모듈 스트링을 포함하고,
상기 복수의 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈 및 적어도 하나의 제2 배터리 모듈을 포함하고,
상기 제2 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 연결되는 커플링 유닛을 포함하며,상기 방법은 적어도 하기 단계들,
a) 상기 커플링 유닛을 통해 상기 제2 배터리 모듈의 적어도 하나의 배터리 셀을 상기 배터리 모듈 스트링으로부터 분리하는 단계,
b) 모든 직렬 연결된 배터리 모듈을 출력 측에서 바이패스함으로써, 상기 직류 전압 중간 회로에 인가되는 출력 전압이 0이 되게 하는 단계,
c) 상기 복수의 배터리 모듈의 직렬 회로에 DC-DC 컨버터를 접속하여, 상기 DC-DC 컨버터가 상기 제1 배터리 모듈과 연결되게 하는 단계,
d) 상기 DC-DC 컨버터를 통해 적어도 하나의 전압 중간 단계로 상기 직류 전압 중간 회로를 충전하는 단계,
e) 상기 DC-DC 컨버터와 상기 제1 배터리 모듈을 바이패스하는 단계, 및
f) 상기 커플링 유닛을 통해 상기 제2 배터리 모듈의 적어도 하나의 배터리 셀을 상기 배터리 모듈 스트링에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 시동 방법.
제8항에 있어서,
상기 직류 전압 중간 회로에서 사전 결정된 설정 전압이 달성될 때까지 상기 단계 c) 내지 단계 f)를 반복하는 단계 g)를 더 포함하는 배터리 시스템의 시동 방법.
제9항에 있어서,
상기 배터리 시스템을 시동하면서, 상기 직류 전압 중간 회로에 연결된 구동 시스템 또는 펄스 폭 변조 인버터에 사전 결정된 설정 전압을 공급하는 단계 h)를 포함하는 배터리 시스템의 시동 방법.
제1항에 있어서,
상기 DC-DC 컨버터(704)는 감압 컨버터(704)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(700).