KR101703521B1

KR101703521B1 - 배터리 시스템 내에서 에너지 트랜스미션을 위한 온-오프 조절기의 직렬 접속

Info

Publication number: KR101703521B1
Application number: KR1020117016853A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 부츠만
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2017-02-07
Also published as: JP2012516126A; WO2010084069A3; EP2389715A2; CN102292893A; US8810070B2; WO2010084069A2; US20110273024A1; EP2389715B1; DE102009000323A1; KR20110107817A; JP5300988B2

Abstract

본 발명은 배터리 시스템용 에너지 트랜스미터, 상기 에너지 트랜스미터를 구비한 배터리 시스템 및 상기 배터리 시스템을 구비한 차량에 관한 것이다. 에너지 트랜스미터는 다수의 DC/DC-컨버터를 포함하고, 상기 컨버터는 제 1 및 제 2 입력부와 제 1 및 제 2 출력부를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 입력부들은 배터리 모듈의 접속을 위해 형성되고, 이 경우 DC/DC-컨버터는 출력측이 직렬로 접속된다.

Description

배터리 시스템 내에서 에너지 트랜스미션을 위한 온-오프 조절기의 직렬 접속{Series connection of on-off controllers for power transmission in battery systems}

본 발명은 배터리 시스템 내에서 에너지 트랜스미션을 위한 온-오프 조절기의 직렬 접속에 관한 것이다.

풍력 발전소 및 비상 전원 시스템과 같은 고정식 용도에 또는 차량에 사용하는 배터리 시스템에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 모든 요구들은 신뢰성과 고장 안정성에 대해 까다로운 조건을 제시한다. 그 이유는, 배터리 시스템에 의한 전압 공급의 완전한 부족은 전체 시스템의 고장을 일으킬 수 있기 때문이다. 따라서 풍력 발전소에서는, 바람이 강할 때에 회전자 블레이드를 조절함으로써, 풍력 발전소를 손상시키거나 파손시킬 수 있는 과도한 기계적 부하로부터 상기 풍력 발전소를 보호하기 위해 배터리가 사용된다. 전기 자동차의 배터리의 고장 시 자동차는 주행할 수 없다. 비상 전원 시스템은 예컨대 병원에서 중단없는 작동을 보장해야 하고 따라서 가능한 고장 나서는 안 된다.

각각의 용도에 부합하는 전력과 에너지가 제공될 수 있도록 하기 위해, 개별 배터리 셀들은 직렬로 그리고 부분적으로는 추가로 병렬로 접속된다. 도 1은 배터리의 직렬 접속을 위한 기본 회로도를 도시한다. 예컨대 승용차에서 전기 모터에 필요한 높은 작동 전압을 개별 셀들(10-1,...,10-n)의 전압의 합을 통해 달성하기 위해, 다수의 배터리 셀들(10-1 내지 10-n)은 직렬로 접속된다. 높은 작동 전압은 출력측 스위치(11-1 및 11-2)에 의해 인버터와 같은 도시되지 않은 후속 파워 전자 소자들로부터 분리될 수 있다. 배터리 셀들(10-1,...10-n)의 직렬 접속으로 인해 각각의 배터리 셀(10-1,...10-n) 내에서 배터리의 전체 출력 전류가 흐르기 때문에, 즉 이 경우 전하 이동은 배터리 셀들(10-1,...10-n) 내의 전기 화학 프로세스에 의해 이루어지기 때문에, 심한 경우 하나의 배터리 셀의 고장은 장치 전체에 전류와 전력을 더 이상 공급할 수 없다는 것을 의미한다. 배터리 셀(10-1,...10-n)의 임박한 손상을 적시에 인식할 수 있도록, 일반적으로 소위 배터리 관리 시스템(12)이 사용되고, 상기 시스템은 각각의 배터리 셀들(10-1,...10-n)의 두 개의 극에 연결되거나 또는 연결될 수 있고, 규칙적으로 또는 선택 가능한 간격으로 각각의 배터리 셀들(10-1,...10-n)의 전압 및 온도와 같은 작동 파라미터와 그로부터 배터리 셀들의 충전 상태(State of Charge, SoC)가 결정된다. 이것은 배터리 시스템의 전기 작동 데이터의 유연성이 낮으면서 많은 비용이 드는 것을 의미한다.

다수의 배터리 셀들의 직렬 접속의 다른 단점들은 다음과 같다:

1. 배터리에 의해 작동될 장치의 상이한 작동 상태에 대해 제공될 작동 전압, 최대 전류 및 저장 에너지의 조건들이 제시되고, 상기 조건들은 요구를 충족시키는데 필요한 것보다 더 많은 수의 배터리 셀들이 결합하는 경우에만 조합될 수 있다. 이것은 가격 및 특히 전기 자동차에서 문제가 되는 배터리 시스템의 중량과 체적을 증가시킨다.

2. 배터리의 조립, 즉 개별 셀들의 상호 접속은, 직렬 접속에 의해 합산된 개별 배터리 셀들의 전압으로 인해 1000 V까지의 높은 전압에서 이루어지므로, 배터리, 개별 셀들 또는 모듈의 교체가 지역 공장에서 이루어질 수 없거나 또는 고정식 용도의 경우 특수하게 훈련된 숙련공에 의해 특수 공구만으로 이루어질 수 있다. 이로 인해 에러의 경우 배터리 시스템의 보수를 위한 높은 물류 비용이 발생한다.

3. 배터리 시스템을 무전압으로 접속하기 위해, 즉 원래의 배터리를 부하로부터 분리하기 위해, 파워 스위치(11-1 및 11-2)가 제공되어야 하고, 상기 파워 스위치는 일반적으로 게이트로 구현되고 예상되는 높은 전류와 전압에 대해 매우 고가이다.

본 발명의 과제는 선행기술의 상기 단점들을 극복할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 에너지 트랜스미터 및 청구범위 제 9 항에 따른 배터리 시스템에 의해 해결된다.

본 발명의 제 1 관점은 제 1 및 제 2 입력부와 제 1 및 제 2 출력부를 구비한 다수의 DC/DC-컨버터를 포함하는 배터리 시스템을 위한 에너지 트랜스미터에 관한 것이다. DC/DC-컨버터의 제 1 및 제 2 입력부는 배터리 모듈의 접속을 위해 형성된다. DC/DC-컨버터들은 출력측이 직렬로 접속된다.

본 발명의 장점은, 1차 측에 다수의 배터리 모듈들이 병렬 접속될 수 있고, 상기 배터리 모듈들은 각각 배터리 모듈의 직렬 접속보다 현저히 낮은 단자 전압을 갖는다는 것이다. 따라서 어떠한 1차측 접속부에도 - 즉 DC/DC-컨버터의 제 1 및 제 2 입력부들 중 어느 것에도 - 개별 배터리 모듈 또는 배터리 셀들의 교체 시 배터리의 특수한 핸들링을 필요로 할 수 있는 전압이 인가되지 않는다. 그러나, DC/DC-컨버터의 출력부들이 직렬로 접속됨으로써, 출력측에서 개별 DC/DC-컨버터에 의해 형성된 출력 전압들의 합인 소정 크기의 높은 전체 전압이 주어진다. 또한, 장치는 각각의 작동 상태에 따라 적절한 전체 전압의 선택을 가능하게 하는데, 그 이유는 개별 DC/DC-컨버터의 출력 전압이 공지된 방식으로 설정될 수 있기 때문이다. 또한, 출력 전압은 1차측에 접속된 배터리 셀들의 개수와 무관해진다. 이로 인해 배터리 시스템의 설계는 순수하게 파워 기준에 따라 각각의 용도에 요구되는 전체 전압과 무관하게 이루어질 수 있다. 다른 장점은, 고가의 게이트들(11-1 및 11-2)이 생략될 수 있다는 것인데, 그 이유는 배터리 출력부의 고전압이 DC/DC-컨버터의 차단에 의해 간단하게 차단될 수 있기 때문이다.

바람직하게 DC/DC-컨버터에는 제 1 코일이 제공된다. 특히 바람직하게 DC/DC-컨버터에는 제 2 코일이 제공되고, 상기 제 2 코일은 DC/DC-컨버터의 제 1 코일과 결합하여 파워 트랜스미터 또는 어큐뮬레이터 변압기를 형성한다. DC/DC-컨버터의 이러한 변형 실시예들은 DC/DC-컨버터의 출력부들을 그 입력부들로부터 갈바니 전기식으로 분리하는 것을 가능하게 하므로, 간단하게 DC/DC-컨버터의 출력부들의 직렬 접속이 가능하다.

DC/DC-컨버터는 플라이백(Flyback)-컨버터로서 구현될 수 있고, 가능한 변형예는 포워드(Forward)-컨버터, 푸시(Push)-풀(Pull)-컨버터, 하프(Half)-브리지(Bridge)-컨버터 및 풀(Full)-브리지(Bridge)-컨버터와 같은 다른 구성 및 공진형 컨버터의 원리이다.

본 발명에 따른 에너지 트랜스미터의 실시예에서 DC/DC-컨버터의 제 1 입력부는 접지에 연결된다.

각각 하나의 DC/DC-컨버터의 제 1 및 제 2 출력부들이 차단 방향으로 접속된 프리휠 다이오드에 연결되는 실시예가 특히 바람직하다. 예컨대, 입력부측에 접속된 배터리 모듈의 배터리 셀들에 결함이 있어서, 작동 중에 DC/DC-컨버터가 고장나면, 프리휠 다이오드는 고장난 DC/DC-컨버터의 제 1 및 제 2 출력부를 서로 도전 접속시키므로, 전체 장치 내에 출력 전압이 흐를 수 있다. 따라서, 이러한 변형예는 하나 또는 다수의 배터리 셀들의 고장에도 불구하고 계속 작동하는 것을 가능하게 한다. 또한, 경우에 따라서 배터리 모듈의 교체가 작동 중에 가능하며, 이 경우 전체 전압의 형성은 중단되지 않는다.

대안으로서, 각각의 DC/DC-컨버터는 제 1 제어 신호용 제 1 제어 입력부를 포함하고, 제 1 제어 신호의 수신에 반응해서 DC/DC-컨버터의 제 1 출력부를 스위치에 의해 DC/DC-컨버터의 제 2 출력부에 전기 접속하도록 형성된다.

전술한 2개의 변형 실시예의 개선예에서, 각각의 DC/DC-컨버터는 제 2 제어 신호용 제 2 제어 입력부를 포함하고, 제 2 제어 신호의 수신에 반응해서 DC/DC-컨버터의 제 1 출력부와 제 2 출력부 사이의 전압을 증가시키도록 형성된다. 이로 인해 개별 DC/DC-컨버터의 전술한 고장 또는 차단에 의해 전체 전압의 감소를 저지하는 것이 가능해지므로, 적어도 거의 변함없는 전체 전압이 감소된 개수의 DC/DC-컨버터에 의해 제공된다.

본 발명의 제 2 관점은 본 발명의 제 1 관점에 따른 에너지 트랜스미터 및 다수의 배터리 모듈을 구비한 배터리 시스템에 관한 것이다. 배터리 모듈에는 각각 적어도 하나의 배터리 셀이 제공된다. 배터리 모듈의 배터리 극들은 에너지 트랜스미터의 DC/DC-컨버터의 제 1 및 제 2 입력부들의 해당 입력부에 분리 가능하게 접속된다.

본 발명의 제 3 관점은 본 발명의 제 2 관점에 따른 배터리 시스템을 구비한 차량에 관한 것이다.

본 발명은 하기에서 실시예들의 도면을 참고로 설명된다.

도 1은 선행기술에 따른 배터리 관리 시스템을 구비한 배터리를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예를 도시한 도면.
도 4는 어큐뮬레이터 변압기를 구비한 DC/DC-컨버터의 회로도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 실시예에는 3개의 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3)가 도시되지만, 실제 적용 시 상기 컨버터의 개수는 훨씬 더 많을 수 있다. 각각의 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3)는 입력측에서 배터리 모듈(20-1, 20-2, 20-3)에 연결되고, 상기 배터리 모듈들은 실시예에서 각각 직렬로 접속된 다수의 배터리 셀들을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3)의 출력부들은 직렬로 접속되므로, 장치의 출력부들(22-1 및 22-2) 사이의 전체 전압은 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3)에 의해 형성된 개별 전압들의 합으로 주어진다. DC/DC-컨버터들(21-1, 21-2, 21-3)은 공지된 방식으로 구성되고, 각각의 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3)의 제 1 및 제 2 출력부들에 인가되는 출력 전압의 설정 또는 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3)의 차단을 가능하게 하므로, DC/DC-변환이 더 이상 일어나지 않는다. 이로 인해 출력부들(22-1, 22-2)의 전체 전압은 각각의 작동 상태에 따라 융통성 있게 조정될 수 있고, 이것은 본 발명의 장점이다.

도 3은 실질적으로 제 1 실시예에 상응하는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 장치의 출력부들(32-1, 32-2)에 높은 전체 전압을 제공하기 위해, 배터리 모듈(30-1, 30-2, 30-3)에 접속된 입력부들을 가진 다수의 DC/DC-컨버터들(31-1, 31-2, 31-3)은 출력측이 직렬 접속된다. 제 1 실시예와 달리, DC/DC-컨버터(31-1, 31-2, 31-3)의 제 1 입력부들은 서로 및 접지에 접속된다.

도 4는 어큐뮬레이터 변압기(43)를 구비한 공지된 DC/DC-컨버터의 회로도를 도시한다. 본 발명의 경우에 배터리 모듈에 상응하는 직류 전압 소스(41)는 스위치(42)를 통해 어큐뮬레이터 변압기(43)의 1차 코일(43-1)에 주기적으로 접속되고 다시 차단된다. 직류 전압 소스(41)가 1차 코일(43-1)에 접속되면, 어큐뮬레이터 변압기(43)의 자기장 형성을 위해 야기된 전류가 1차 코일(43-1)을 통해 흐른다. 스위치(42)가 다시 개방되면, 자기장은 상기 스위치에 저장된 에너지를 어큐뮬레이터 변압기(43)의 2차 코일(43-2)을 통해 방출한다. 이렇게 형성된 출력 전류는 다이오드(44)를 통해 버퍼 커패시터(45)를 충전하고, 상기 커패시터는 스위치(42)의 사이클에 의해 쇼크 방식으로 흐르는 출력 전류를 중간 저장하고 평활화한다. 제 1 및 제 2 출력부들(46-1 및 46-2)에서 출력 전압이 형성되고, 상기 전압은 버퍼 커패시터(45)의 커패시턴스 외에 스위치(42)의 사이클에 의존한다. DC/DC-컨버터는 제 1 출력부(46-1)와 제 2 출력부(46-2) 사이에서 차단 방향으로 접속된 프리휠 다이오드를 포함할 수 있고, 상기 다이오드는 도면에 도시되지 않는다. 상기 프리휠 다이오드는 DC/DC-컨버터의 본 발명에 따른 직렬 접속 시 DC/DC-컨버터가 고장난 경우에 에너지 트랜스미터의 계속적인 작동을 가능하게 하며, 그 이유는 상기 프리휠 다이오드는 고장난 DC/DC-컨버터의 출력부들을 자동으로 단락시키고 이로써 에너지 트랜스미터 내에서 전류 흐름을 가능하게 하기 때문이다.

공지된 DC/DC-컨버터에는 컨트롤러가 제공되고, 상기 컨트롤러는 스위치(42)의 사이클을 작동 상태에 맞게 조정한다. 또한 일반적으로 피드백이 이루어지고, 상기 피드백에서 출력부들(46-1, 46-2)에 인가되는 출력 전압이 결정되고 스위치(42)의 사이클을 조정하는데 이용되므로, 가능한 안정적인 출력 전압이 주어진다. 본 발명의 범위에서 DC/DC-컨버터의 이러한 특성은 작동 상태에 따라 본 발명에 따른 장치의 소정의 전체 전압의 설정 또는 하나의 DC/DC-컨버터 또는 모든 DC/DC-컨버터의 차단을 가능하게 한다.

도 4에 도시된 DC/DC-컨버터의 실시예의 중요한 장점은 직류 전압 소스(41)의 입력 전압을 출력부(46-1, 46-2)의 출력 전압으로부터 갈바니 전기식으로 분리하는 것이고, 이것은 DC/DC-컨버터의 출력부들의 본 발명에 따른 직렬 접속을 가능하게 한다. 이러한 장점을 제공하는 다른 공지된 DC/DC-컨버터도 본 발명의 구현에 적합하다.

20-1, 20-2, 20-3, 30-1, 30-2, 30-3 배터리 모듈
21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3 DC/DC-컨버터
41-1, 46-2 출력부

Claims

배터리 시스템용 에너지 트랜스미터로서, 상기 에너지 트랜스미터는 다수의 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)를 포함하고, 상기 DC/DC-컨버터는 각각 제 1 및 제 2 입력부와 제 1 및 제 2 출력부(46-1, 46-2)를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 입력부는 배터리 모듈(20-1, 20-2, 20-3, 30-1, 30-2, 30-3)의 접속을 위해 형성되고, 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)는 출력측이 직렬로 접속되고,
상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 각각은 제 1 제어 신호용 제 1 제어 입력부 및 상기 제 1 및 제 2 출력부 사이의 스위치를 포함하고, 상기 제 1 제어 신호의 수신에 반응해서 상기 스위치에 의해 상기 제 1 출력부(46-1)를 상기 제 2 출력부(46-2)에 전기 접속되도록 형성되고,
상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 각각은 제 2 제어 신호용 제 2 제어 입력부를 포함하고, 상기 제 2 제어 신호의 수신에 반응해서 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 상기 제 1 및 상기 제 2 출력부(46-1, 46-2) 사이의 전압을 상승시키도록 형성되고,
상기 DC/DC-컨버터들(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3) 중 하나의 DC/DC-컨버터가 상기 제 1 제어 신호를 수신하고 나머지 DC/DC-컨버터들을 상기 제 2 제어 신호를 수신하면, 상기 DC/DC-컨버터들(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3) 중 하나의 DC/DC-컨버터의 출력 전압을 보상하기 위해 상기 나머지 DC/DC-컨버터들의 각각의 출력 전압이 상승되는, 에너지 트랜스미터.
제 1 항에 있어서, 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)에는 각각 제 1 코일(43-1)이 제공되는 에너지 트랜스미터.
제 2 항에 있어서, 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)에 제 2 코일(43-2)이 제공되고, 상기 제 2 코일은 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 상기 제 1 코일(43-1)과 결합하여 파워 트랜스미터 또는 어큐뮬레이션 변압기(43)를 형성하는 에너지 트랜스미터.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)는 플라이백-컨버터, 포워드-컨버터, 푸시-풀-컨버터, 하프-브리지-컨버터 및 풀-브리지-컨버터로서 또는 공진형 컨버터로서 구현되는 에너지 트랜스미터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 제 1 입력부들은 접지에 접속되는 에너지 트랜스미터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 각각은 프리휠 다이오드를 포함하고, 상기 프리휠 다이오드의 애노드는 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 제 2 출력부(46-2)에 접속되고, 상기 프리휠 다이오드의 캐소드는 상기 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 제 1 출력부(46-1)에 접속되는 에너지 트랜스미터.
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제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 트랜스미터 및 다수의 배터리 모듈(20-1, 20-2, 20-3, 30-1, 30-2, 30-3)를 구비한 배터리 시스템으로서, 상기 배터리 모듈에는 각각 적어도 하나의 배터리 셀이 제공되고, 상기 배터리 셀의 배터리 극들은 에너지 트랜스미터의 DC/DC-컨버터(21-1, 21-2, 21-3, 31-1, 31-2, 31-3)의 상기 제 1 및 제 2 입력부들 중 상응하는 입력부에 분리 가능하게 접속되는 배터리 시스템.
제 9 항에 따른 배터리 시스템을 구비한 차량.