KR101821334B1 - 배터리 팩 시스템 - Google Patents

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아브라함 가노르
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Abstract

여기에서 기술되는 향상된 배터리 팩 시스템의 일 양상에 따르면, 향상된 배터리 팩 시스템은 컨트롤러에 연결된 스위칭 그리드(switching grid)를 포함하고 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 스위칭 그리드는 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있고 배선 구조물은 컨트롤러가 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩의 배터리의 배열의 변경이 가능하도록 할 수 있다. 여기서 스위칭 그리드는 배터리 팩의 출력을 엔진의 필요전류에 맞게 변경하는데 사용된다. 개선된 배터리 팩은 배터리 팩 내 각 배터리의 동시간 상태 및 환경조건은 배터리의 이력정보 및 제조업체의 권장사항을 고려하여 구성될 수 있다.

Description

배터리 팩 시스템{Battery Pack System}
본 발명은 배터리 팩 시스템 분야에 관한 것이다. 일 실시 예에 따르면, 본 발명은 전기 자동차(EV) 의 배터리 팩 시스템 또는 EV의 파워 트레인 시스템에 관련될 수 있다.
EV 배터리 팩은 일반적으로 복수의 배터리(예를 들어, 여러 개의 싱글 셀(single cell) 배터리)로 구성된 복수의 배터리 모듈을 포함하며, 이러한 EV 배터리 팩은 강화된 패키지를 가득 채운다. 배터리 팩의 세부사양은 자동차 제조 업체와 환경 조건의 극단적인 요구에 대한 고려해 의해 결정된다. 따라서, 세부사양은 일반적으로 추가 배터리 모듈 및/또는 시간이 지남에 따라 배터리의 생산 장애 및 성능 저하를 보상하기 위해 셀(Cell)에 전해질 같은 추가 물질을 필요로 한다. 또한, EV 배터리 팩은 전류 및 전압 출력이 고정되어 있다.
왜냐하면 전기엔진은 높은 토크와 전압으로 빠른 속도를 생산하기 위해 높은 전류를 요구하고, 차의 상태가 높은 가속으로 고속상태에 이르게 될 때까지 엔진의 요구는 시간에 따라 변하게 되기 때문이다.
기존의 배터리 팩 시스템은 주로 안전상의 이유로 각각 배터리들의 그룹을 모니터 하는 안전 다수의 컨트롤러들과 적절한 수의 배터리들을 포함하고 있다. 이러한 컨트롤러는 배터리 팩이 정상적으로 작동되는 동안 그룹 안의 각 배터리의 현재 상태 및 온도, 전압, 과 충전으로 방전된 배터리에 의한 각 배터리의 충전량의 레벨을 감지한다. (예컨대, 어떤 셀의 온도나 전압이 미리 정의된 값에 도달하는 경우)
컨트롤러는 애그리게이터 컨트롤러로 전기엔진으로부터 배터리 팩을 분리하도록 메인 전원 스위치를 차단하는 신호를 전송한다. 이러한 메커니즘은 안전을 위해는 좋으나, 배터리 백으로부터 필요로 되는 다른 매개변수에는 적용될 수 없다. 이것이 업계에 알려져 있는 생산을 위해 사용되는 화학물질들의 전기화학적 매개 변수인 셀 케미스트리(cell chemistry)에 의해 정의된 셀의 정격 전압이다.
셀 들은 상대적으로 큰 용량으로 제조되기 때문에, 만약 어떤 셀이 제대로 기능하지 않는다면 전체 배터리 팩의 성능에 중요한 영향을 미친다. 또한, 배터리 팩 구조는 미리 정의되어 고정되어 있기 때문에, 이 제대로 작동하지 않는 셀은 비록 배터리의 전력성능에 부정적인 영향을 미치더라도 배터리 팩 구조로부터 전기적으로 제외될 수 없다. 여기에 더해서 배터리 매개변수가 시간에 따라 또는 환경 및 사용조건에 따라 변화되고, 구조가 비 최적화 고정배열 안에 연결된 셀들 안의 추가적인 재료를 통해 보상될 필요로 인하여 생산 프로세스상에서 미리 정의되고, 고정된다.
여기에서 기술되는 향상된 배터리 팩 시스템의 일 양상에 따르면, 향상된 배터리 팩 시스템은 컨트롤러에 연결된 스위칭 그리드(switching grid)를 포함하고 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 스위칭 그리드는 복수의 배터리 모듈을 포함할 수 있고 배선 구조물은 컨트롤러가 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩의 배터리의 배열의 변경이 가능하도록 할 수 있다. 여기서 스위칭 그리드는 배터리 팩의 출력을 엔진의 필요전류에 맞게 변경하는데 사용된다. 개선된 배터리 팩은 배터리 팩 내 각 배터리의 동시간 상태 및 환경조건은 배터리의 이력 정보 및 제조업체의 권장사항을 고려하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 셀(Cell)들의 집합의 상호연결을 위해 스위처 칩(Switcher Chip)이 사용될 수 있다. 일부 실시 예에 따르면, 스위처 칩은 메인 음극 터미널, 캐스캐이딩 음극 터미널, 메인 양극 터미널, 캐스캐이딩 양극 터미널, 복수의 셀 터미널 및 복수의 스위치를 포함할 수 있다.
여기서 스위처 칩은 (a) 셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제1 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀의 집합은 서로서로 병렬 연결되고, 전류는 메인 양극 터미널로 흐를 수 있으나 캐스캐이딩 양극 터미널로는 흐를 수 없는 것, (b) 셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제2 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀의 집합은 서로서로 직렬 연결되고, 전류는 메인 양극 터미널로 흐를 수 있으나 캐스캐이딩 양극 터미널로는 흐를 수 없는 것, (c) 셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제3 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀의 집합 중에 적어도 두 개의 셀들은 서로서로 직렬 연결되고, 전류는 캐스캐이딩 양극 터미널로 흐를 수 있으나 메인 양극 터미널로는 흐를 수 없는 것, (d) 셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제4 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀들의 서브셋은 서로서로 병렬 연결되고, 적어도 하나의 셀은 다른 셀들과 각각 전기적으로 단절되어 있으며, 전류는 메인 양극 터미널로 흐를 수 있으나 캐스캐이딩 양극 터미널로는 흐를 수 없는 것, 및 (e) 셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제5 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀들의 서브셋은 서로서로 직렬 연결되고, 적어도 하나의 셀은 집합의 다른 셀들과 각각 전기적으로 단절되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
일부 실시 예에 따르면, 스위처 칩은 송신기와 수신기를 포함하는 통신회로를 포함 할 수 있다. 상기 리시버는 컨트롤러 또는 근접 스위처 칩의 송신기 중 하나와 통신 가능하게 연결되고, 그로 인하여 수신기는 컨트롤러 또는 근접 스위처 칩의 송신기 중 하나로부터 전송된 명령을 변환하여 수신할 수 있다.
일부 실시 예에 따르면, 스위처는 컨트롤러 또는 다른 스위처 칩으로부터 통신회로를 통해 수신한 명령어의 오류를 검사하는 것과 잘못된 명령어를 차단하는것을 특징으로 하는 명령어 복호기를 더 포함할 수 있다.
일부 실시 예에 따르면, 스위처는 스위칭 제어 로직(logic)으로부터 on-off 명령어를 수신하는 것을 특징으로 하는 안전 스위칭 시퀀서(sequencer)를 더 포함하는 것과 수신한 on-off 명령어에 따라 정확한 시퀀스와 시간에 맞춰 적어도 하나 이상의 스위치를 켜고 끌 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다
일부 실시 예에 따르면, 스위처는 슬레이브(slave) 입력 터미널; 마스터(master) 입력 터미널; 슬레이브 통신모듈 블록(block); 마스터 통신모듈 블록; 명령어 복호기 블록; 스위칭 제어 로직 블록 및 안전 스위칭 시퀀서 블록을 포함할 수 있다.
일부 실시 예에 따르면, 복수의 스위치들은 파워 산화물 반도체 필드에 영향을 주는 트랜지스터(MOSFETs)로 구성될 수 있다.
다른 일 양상에 따르면, 배터리 모듈이 제공된다.
일부 실시 예에 따르면, 배터리 모듈은, 스위처 칩을 포함하고: 상기 스위처 칩은 복수의 스위치, 메인 양극 터미널, 메인 음극 터미널, 캐스캐이딩 양극 터미널, 캐스캐이딩 음극 터미널, 밑 셀들의 집합을 포함하는 것을 특징으로 하고: 상기 셀들의 집합은 (i) 양극 터미널이 스위처 칩의 제1 셀 터미널에 연결되고, 음극 터미널이 스위처 칩의 제2 셀 터미널과 연결되는 양극 터미널 및 음극 터미널을 가진 제1 셀 및 (ii) 양극 터미널이 스위처 칩의 제3 셀 양극 터미널과 연결되고, 음극터미널이 스위처 칩의 제4 셀 터미널과 연결되는 양극 터미널 및 음극 터미널을 가진 제2 셀을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 스위처 칩에 있어서, (i) 셀들을 직렬로 연결하고, 메인 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르지 않게 하며, 메인 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들; (ii) 셀들을 직렬로 연결하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 메인 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하며, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 메인 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들; 및 (iii) 셀들을 병렬로 연결하고, 메인 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하며, 메인 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면 스위처 칩은 컨트롤러로부터 송신된 스위칭 명령어를 수신받기 위한 통신회로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 에에 따르면, 스위처 칩은 컨트롤러 또는 다른 스위처 칩으로부터 통신회로를 통해 수신한 명령어의 에러를 검사하는 것을 특징으로 하는 명령어 복호기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에 다르면, 스위처 칩은 배터리 모듈내의 스위칭 요소를 전환하기 위한 on-off 명령어를 컨트롤러로부터 통신회로를 통해 수신한 명령어를 변한하고 명령어 복호기에 연결된 스위칭 제어 로직을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스위처 칩은 스위칭 제어 로직으로부터, on-off 명령어를 수신하고 on-off 명령어에 맞춰 정확한 시퀀스와 시간에 켜고 끌 수 있는 것을 특징으로 하는 안정 스위칭 시퀀서를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 첫 번째 셀과 두 번째 셀을 마이크로 셀일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스위처 칩은 17개의 싱글 셀보다는 적고 적어도 3개의 싱글 셀 보다는 많을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 적어도 7개의 싱글 셀 보다는 많고, 13개의 싱글 셀보다는 적을 수 있다.
또 다른 일 양상에 의해 배터리 팩 시스템이 제공될 수 있다.
일 양상에 따르면, 배터리 팩 시스템은 배터리 팩을 포함할 수 있고, 상기 배터리 팩은, 배터리 모듈의 제1 열과 제2 열을 포함하는 배터리 모듈의 제1 클러스터; 배터리 모듈의 제2 열과 배터리 모듈의 제1 열이 병렬 연결된 제1 회로; 배터리 모듈의 제2 열과 배터리 모듈의 제1 열이 직렬 연결된 제2 회로; 배터리 모듈의 제3 행과 제4 행을 포함하는 배터리 모듈의 제2 클러스터; 배터리 모듈의 제4 행과 배터리 모듈의 제3 행을 병렬 연결하는 제3 회로; 배터리 모듈의 제4 행과 배터리 모듈의 제4 행을 직렬 연결하는 제4 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템일 수 있다
상기 제1 행의 배터리 모듈 중 적어도 하나는, 제1 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제2 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제2 행의 배터리 모듈 중 적어도 하나는, 제1 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제2 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제3 행의 배터리 모듈 중 적어도 하나는, 제3 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제4 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제4 행의 배터리 모듈 중 적어도 하나는, 제3 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제4 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 팩 시스템은 배터리 팩의 컨트롤을 위한 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는, 배터리 팩이 V1전압을 생성하는 작업의 제1 모드인 배터리 팩을 배치; 및 배터리 팩이 V2전압을 생성하는 작업의 제2 모드인 배터리 팩을 배치하는 것을 특징으로 하고, 여기서 V2>V1이고, V2는 (n)(3.6)V1보타 크거나 같고, 상기 n은 1보다 크거나 같을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 배터리 모듈은 스위치 칩을 포함하고,
상기 스위치 칩은 복수의 스위치들, 메인 양극 터미널, 메인 음극 터미널, 캐스캐이딩 양극 터미널, 캐스캐이딩 음극 터미널 및 셀들의 집합을 포함하며, 상기 셀들의 집합은, 제1 셀은 양극 터미널과 음극터미널을 가지며, 양극 터미널은 스위처 칩의 제1 셀 터미널과 연결 되고 음극 터미널은 스위처 칩의 제2 셀 터미널과 연결되며, 제2 셀은 양극 터미널과 음극터미널을 가지며, 양극 터미널은 스위처 칩의 제3 셀 터미널과 연결 되고 음극 터미널은 스위처 칩의 제4 셀 터미널과 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 컨트롤러는 배터리 모듈이 셀들이 직렬로 연결되고, 전류가 메인 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하고, 전류가 메인 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들; 배터리 모듈이, 셀들이 직렬로 연결되고, 전류가 캐스캐이딩 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 메인 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하고, 전류가 캐스캐이딩 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 메인 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들; 배터리 모듈이, 셀들이 병렬로 연결되고, 전류가 메인 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하고, 전류가 메인 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들을 통해 동작할 수 있다.
다른 특징들은 아래에 기술하도록 하겠다.
본 발명의 실시 예에 따르면 배터리 팩 시스템은 프로세서는 각 셀의 현재 전류를 읽고, 다가오는 시간의 구간을 위하여 셀이 사용되는 지와 얼마나 많은 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결될지를 결정하여, 배터리 팩의 구조에서 배터리 팩에 결함이 발견되는 경우 시간이 지남에 따라 점점 더 많은 셀들이 적은 전압을 생산하고 배터리 출력 전압이 크게 감소하는 문제를 해결하기 위해 제조업체는 추가적인 여분의 셀들 사용하여 실제 필요한 전압보다 더 높은 전압으로 이끌도록 할 수 있고, 이러한 시스템 내부의 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 전기모터를 가진 자동차에서 사용되는 일 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도 4 내지 8은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩의 다른 적용을 나타낸 도면이다.
도 10은 특수 전용 칩을 기반으로 한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 다른 적용을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메인 컨트롤러의 기능별 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템이 사용된 환경을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 다른 적용을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 또 다른 적용을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
기존의 배터리 팩 시스템은 주로 안전상의 이유로 각각 배터리들의 그룹을 모니터하는 다수의 컨트롤러와 적절한 수의 배터리들을 포함하고 있다. 이러한 컨트롤러는 배터리 팩이 정상적으로 작동되는 동안 그룹 안의 각 배터리의 현재 상태 및 온도, 전압과 충전되어 방전된 배터리에 의한 각 배터리의 충전량의 레벨을 감지한다(예컨대, 어떤 셀에 미리 정의된 온도나 전압이 값에 도달하는 경우).
컨트롤러는 애그리게이터 컨트롤러로 전기엔진으로부터 배터리 팩을 분리할 수 있는 메인 전원 스위치를 차단하는 신호를 전송한다. 이러한 메커니즘은 안전을 위해서는 좋으나, 배터리 백에서 필요한 다른 매개변수에는 적용될 수 없다.
생산을 위해 사용되는 화학물질들의 전기화학적 매개변수인 셀 케미스트리(cell chemistry)에 의해 정의된 셀의 정격 전압은 업계에 알려져 있다. 그러나 사용되는 경우에 셀 터미널의 실질적 전압은 시간이 지남에 따라서, 그리고 셀들의 내부 임피던스에 미치는 영향, 주변온도, 셀들의 충전 상태, 셀의 수명뿐만 아니라 현재 실제 부하 같이 영향을 미치는 다양한 매개변수에 따라서 변화한다. EV 배터리 팩의 경우, Li-ion의 사용이 가장 일반적이고 각 셀의 정격전압은 3.6V이다.
전기 엔진은 일반적으로 기차와 잠수함 같은 수송 차량에 사용 되고, 이 엔진은 매우 효율적이고 제공되는 전압과 전류에 따라 단계적인 동력을 생산할 수 있다. 전압과 전류의 범위는 대략 수백이고, 현재 토크가 정해지는 동한 전압은 모터의 회전 속도에 영향을 미친다. 모터의 힘인 마력은 토크에 의한 회전속도의 토크에 의한 회전 속도에 양의 비례한다.
수백 볼트의 범위에 도달하기 위해, 수십 개의 셀들은 직렬로 연결되고, 수십 개의 체인은 피크 전류를 공급하는 것을 지원하기 위해 병렬로 연결된다. 셀들은 상대적으로 큰 용량으로 제조되기 때문에, 만약 어떤 셀이 제대로 기능하지 않는다면 전체 배터리 팩의 성능에 중요한 영향을 미친다.
또한, 배터리 팩 구조는 미리 정의되어 고정되어 있기 때문에, 이 제대로 작동하지 않는 셀은 비록 배터리의 전력성능에 부정적인 영향을 미치더라도 배터리 팩 구조로부터 전기적으로 제외될 수 없다. 여기에 더해서 배터리 매개변수가 시간에 따라 또는 환경 및 사용조건에 따라 변화되고, 구조가 비 최적화 고정배열 안에 연결된 셀들 안의 추가적인 재료를 통해 보상 될 필요로 인하여 생산 프로세스상에서 미리 정의되고, 고정 된다.
실제로 이 사실은 EV배터리 제조업체들은 배터리 팩의 설계 및 생산에 있어 논의된 문제점을 극복하기 위해 용량(capacity)의 거의 60%가 넘는 부분을 할당하고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템(100)을 나타낸 도면이다.
도1의 본 발명의 일 실시 예에 따르면 기존의 배터리 팩 시스템의 적어도 몇몇 결함을 극복할 수 있다. 도1을 참조하면, 배터리 팩 시스템(100)은 배터리 팩(104)을 포함할 수 있으며, 배터리 팩은 (1) 복수의 배터리들(101)(예를 들어 복수의 싱글 셀 배터리-이것을 셀(cell)이라고 칭함)과 (2) 다양한 다른 모드의 셀(101)들의 연결을 가능하게 하는 배터리 스위칭 그리드(102)(이것은 "3D 배터리 스위칭 그리드(302)라고 알려져 있음)을 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시 예에 따르면, 3D 배터리 스위칭 그리드는 복수의 저가의 칩들을 포함할 수 있고(이것은 "스위처 칩(switcher chips)"이라고 알려져 있다.), 이것은 각각 배터리 팩의 셀들의 특정 서브셋(subset)을 구성하도록 할 책임이 있으며, 이것은 각각 셀들의 특정 서브셋에 연결된 스위치들의 세트와, 스위치들을 컨트롤하기 위한 회로 로직이 포함되어 있다.
배터리 팩(100)은 메인 컨트롤러(이것은 "EV 프로세서"(106)라 알려져 있음)를 더 포함할 수 있으며, 메인 컨트롤러는 이것이 감지한 셀의 세부 매개변수, 그리고 적어도 부분적으로 감지된 매개변수와 엔진의 현재 필요에 근거해서 스위칭 그리드를 제어하여 각 셀의 상태를 모니터링 할 수 있다.
또한 컨트롤러는 셀들의 사용내역, 제조업체 모터 행동 다이어그램 그리고 드라이버의 이력과 요구를 고려할 수 있다. 따라서, 배터리 팩 시스템(100)은 더 효율적인 셀들의 전력사용, 안전성의 증가, 다른 모터를 위하여 운전 환경과 방향, 드라이버의 행동에 기초하여 상기 다른 모터의 현재 요구에 가장 적당한 전력 소스(source)를 제공할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따르면, EV 프로세서(106)는 배터리 팩(104) 내부에서 통합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 도1에 도시된 것과 같이, 배터리 팩 시스템(100)은 다수의 셀들을 포함하고 있으며, 다수의 셀들은 각각 분리되어 모니터링 되고 있으며 충전 시간 동안 및 자동차 엔진에 의하여 사용되는 동안 다양한 모드에서 전기적으로 상호 연결되어 있다. 셀들이 전기적으로 상호 연결되는 이 방법은 자동차의 실제 요구에 가장 적합하게 EV 프로세서(106)에 의하여 주기적으로 변경된다(예컨대, 만약 높은 토크가 요구되어 지면, 배터리 시스템은 전류의 최대치를 제공하는 특징을 가질 수 있음).
각 셀의 세부 특징은 셀의 현재 상태, 셀의 내력 및 현재 수행중인 작업뿐만 아니라 환경조건에 의하여 결정된다. 예를 들어, 만약 배터리 팩 시스템(100)이 낮은 온도 조건에서 수행해야 하는 경우, 더 많은 셀들은 각 셀들의 저하된 전압 기여도를 위하여 이를 보상하기 위해 직렬로 연결 될 수 있다. 이 방법은 시간의 저하에 대한 보상을 위해 적용될 수 있다.
또 다른 예를 들어 만약, 특정 셀이 고장 나게 된다면, 그 고장 난 셀은 배터리 팩 구조로부터 전기적으로 제외될 수 있고, 그 고장의 부정적인 효과를 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 셀들은 상대적으로 작을 수 있고(예컨데, 셀들은 상대적으로 작은 용량을 가질 수 있다-예를 들어 2Ah~20Ah사이로), 어떤 경우에는 셀들은 마이크로 셀일 수 있다. 마이크로 셀의 사용과 관리 작업은 적절한 단위에서 할 수 있고 그리고 배터리 제조업체는 훨씬 더 최적의 방식으로 배터리를 설계 할 수 있으며 같은 무게 및 볼륨에 대한 시간에 따라 더 높은 전력 용량과 더 나은 성능에 도달 할 수 있다. 마이크로 셀을 사용하는 또 다른 장점은 그들은 작고, 더 많은 사이클과 더 나은 열 손실을 가지고 있다는 것이다.
EV 배터리 팩은 중요한 자동차 공간과 무게를 차지하는 상당히 큰 물체이다. 에너지 용량, 공간, 무게(더 많은 에너지를 위해서)와 배터리 팩의 설계는 trade off 관계에 있다. 배터리 팩을 확대할 수 있으나, 이것은 비싼 재료로 많은 비용이 들고, 차량 공간의 소모 및 차량 무게가 발생하게 된다
전통적인 배터리 팩은 최대 전압 전기 엔진을 위해 필요한 전류 및 요금과 필요한 에너지 용량, 그리고 배터리 수명과 요금의 사이의 이익을 제공하기 위하여 설계되었다. 오늘날 대부분의 EV 배터리 팩이 Li-ion 배터리 셀을 사용하여 제작되기 때문에 셀은 과 충전 및 과열에 대한 모니터링이 필요하고 대한 충전을 통해 모니터링 할 필요하고, 그렇지 않으면 셀은 폭발 할 수도 있다.
4.2V 또는 제조업체가 위험하다고 간주한 온도에 도달한 배터리 셀은 차로부터 떨어지기 위하여 메인 배터리 스위치로 즉시적인 강제종료를 유발한다. 이 작동 모드는 자동차에 Li-ion을 사용하는 때에 필수적이다.
기존의 배터리 팩 설계 개선은 배터리 팩 내의 각 셀을 컨트롤러가 별도로 관리 할 수 있게 하는 하나의 저가 칩을 다중 인스턴스화하여 구성될 수 있는 스위칭 그리드 즉, 3D 배터리 스위칭 그리드(102)를 추가하는 것이다.
도 2는 전기모터를 가진 자동차에서 사용되는 일 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템을 나타낸 도면이다.
도2는 3D 배터리 스위칭 그리드의 개념을 나타내고 있다. 도2를 참조하면, 배터리 팩(104)는 오직 셀(101)들의 집합만 포함하는 것뿐만 아니라, 스위치(202)들의 집합도 포함할 수 있다.
도2를 추가적으로 참조하면, 일 실시 예에 따라 각 셀(101)을 위해 적어도 2개의 스위치가 존재할 수 있다. 도2에 예시된 대로, 스위치1(202a)과 스위치 2(202b)는 셀(101)을 다른 셀들과 직렬로 연결하거나 다른 셀들로부터 셀(101)을 전기적으로 분리할 때 사용된다. 따라서, 배터리 팩(104)의 각 셀은 배터리 팩 내에 전기적으로 포함되거나 배터리 팩(104)로부터 전기적으로 제외될 수 있다.
스위칭 그리드는 더 높은 전압과 더 높은 피크 전류 또는 다른 셀 오더(cell order)를 제공하는 구조로 만들 수 있다. 스위칭 그리드는 다른 오더로 셀들을 충전할 수 있고, 다른 활용사례에서 셀들의 전체 또는 부분 사용할 수 있으며, 수년간 배터리의 마모를 최적화 할 수 있다.
또한, 스위칭 그리드는 전체 배터리의 스위치를 off하거나 자동차를 멈출 필요없이 문제상황의 초기단계에서 일시적 또는 영구적으로 전기적으로 고장 난 셀들을 배터리 팩(104)로부터 제외하는 능력으로 안전한 사용방법을 제공할 수 있다
도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩을 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩(104)의 구조를 나타내고 있다. 도3을 참조하면, 배터리 팩(104)은 배터리 모듈(301)의 두 개의 클러스터들을 포함 할 수 있다.
제1 클러스터는 M 배터리 모듈들(col. 1a과 col. 1b)의 제2 세트들로 이루어져 있고, 캐스캐이드 와이어(cascade wire)는 col. 1a과 col. 1b을 직렬로 연결하는데 사용된다. 마찬가지로 제2 클러스터는 M배터리 모듈들(col. 2a과 col. 2b)의 제2 세트들로 이루어져 있고, 캐스캐이드 와이어(cascade wire)는 col. 2a과 col. 2b을 직렬로 연결하는데 사용된다. 도3에 나타난 일 실시 예에서 M은 3이다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 모듈(301)은 셀들의 세트(예컨대, 4셀, 8셀 또는 다른 복수의 셀들이 될 수 있다.)를 또는 스위칭 그리드(102)의 구성요소(예컨대, 위에서 언급된 스위치들의 세트에 포함된 스위처 칩들 중의 하나)를 포함 할 수 있다.
배터리 모듈들(301) 안의 스위치들에 따라 301a 과 301b가 설정되고, col. 1a은 col. 1b와 병렬로 연결되거나 상기 병렬로 연결된 것들과 직렬로 연결될 수 있다. 마찬가지로 배터리 모듈들(301) 안의 스위치들에 따라 301c 과 301d가 설정되고, col. 2a은 col. 2b와 병렬로 연결되거나 상기 병렬로 연결된 것들과 직렬로 연결될 수 있다. 따라서 각 클러스터를 위하여, 클러스터의 열들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
그러나 도3에 도시된 일 실시 예에 따르면, 제1클러스터의 어떤 열도 제2 클라스터의 열과 직렬로 연결되지 않을 수 있다. 따라서, 배터리 팩(104)은 적어도 두 가지의 작동 모드(mode)를 가질 수 있다. 제1모드는 각 슬라스터의 열 들이 병렬로 연결되고, 각 클러스터의 또 다른 열들과 직렬로 연결될 수 있다. 그러나, 클러스터의 모든 열들이 직렬 또는 병렬로 연결되는 것이 요구되진 않는다.
예를 들면, 네 개의 열을 가진 클라스터가 있고, 그 클라스터는 제1 열과 제2 열이 직렬로 연결되어, 그로 인해 제1 메타 열과 제3 열, 제4 열이 직렬로 연결되게 형성되고, 제2 메타 열과 제1 메타 열이 병렬로 연결되게 형성된다.
상기 기술된 바와 같이 배터리 모듈의 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결된 지 여부에 따라 Va 전압 또는 Vb전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈(301)이 추가된 작동모드(제2모드)가 있을 수 있다. 만약 각 배터리 모듈이 Vi볼트의 전압(예컨대, Va 또는 Vb)을 생산하고, 각 클라스터의 모든 열 들이 병렬로 연결 되면, 배터리 팩(104)는 M x Vi 볼트의 전압을 생산할 수 있다.
그러나, 만약 각 배터리 모듈이 Vi볼트의 전압을 생산하고 각 클라스터의 열 들이 직렬로 연결되어 있다면, 배터리 팩(104)은 B x M x Va볼트의 전압을 생성할 수 있고 여기서 B는 클러스터의 열의 수를 의미한다.
상기 기술된 메인 컨트롤러는 예를 들어 엔진 및/또는 환경의 요구에 대한 데이터에 따라 근거한 배터리 팩(104)을 설정할 수 있다. 그래서 만약, 엔진이 높은 전압을 요구하면, 메인 컨트롤러는 하나 이상의 명령어를 각 클러스터를 직렬로 연결 및/또는 각 배터리 모듈의 셀들을 직렬로 연결하는 배터리 팩에게 보낸다. 반면에 엔진이 높은 피크 전류를 요구하면, 메인 컨트롤러는 하나 이상의 명령어를 각 클러스터의 열 들을 병렬로 연결 및/또는 각 배터리 모듈의 셀들을 병렬로 연결 하는 배터리 팩에게 보낸다.
상기 구조에서, 만약 열 내의 하나 또는 복수의 배터리 모듈이 고장 난 경우, 이 전체 팩(pack)에서의 배터리 모듈들의 영향은 배터리 모듈과 배터리 모듈들을 영구적 또는 임시적으로 바이패스(bypass)하는 스위치들을 이용하여 잘라낼 수 있다. 상기 구조의 또 다른 이점은 제조업체에 의해 설계된 에너지 용량 중첩성은 팩 내부에서 현명하게 확산할 수 있고, 어떤 주어진 시간에서 엔진의 실제 요구에 따른 더 많은 전압과 전류를 공급하기 위해 활용될 수 있다.
도 4 내지 8은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 배터리 모듈은 c1, c2, c3, c4의 4개의 배터리들(예컨대 4개의 마이크로 셀), 스위치들의 세트(s0~s14), 메인 양극 터미널(402), 메인 음극 터미널(404), 캐스캐이딩 양극 터미널(582), 및 캐스캐이딩 음극 터미널(581)을 포함 할 수 있다.
단순하게 c1-c4의 배터리들을 셀들이라고 부를 수 있고, 이 배터리는 싱글 셀 장치에 국한되지 않는다. s1-s4, s6-s8 및 s10-s13의 스위치들은 s0, s5, s9 및 s14의 스위치들이 클러스터 안의 캐스캐이딩 열을 위하여 사용되는 동안 c1-c4 셀들을 상호 연결하기 위해 사용될 수 있다. s0, s5, s9 및 s14의 스위치들은 배터리 모듈이 삼은 클러스터의 열과 인접한 다른 배터리 모듈과 직렬로 연결되도록 할 수 있다.
예를 들어, 터미널(581 및 582)는 각각 캐스캐이드 와이어와 연결될 수 있다. 캐스캐이드 와이어는 다른 반대쪽 끝은 근접한 열 안에 위치한 배터리 모듈의 해당 캐스캐이드 터미널에 연결될 수 있다.
예를 들면, 도3에 도시된 것과 같이, 모듈(301a)의 터미널(581)은 와이어(585) 와 연결되고 와이어의 반대쪽 끝은 모듈(301b)의 터미널(582)과 연결된다. col. 1a과 col. 1b를 직렬로 연결하기 위해, (A) 모듈(301a)은 s4-s8의 스위치를 닫고 다른 스위치는 여는 특징을 가지고, (B) 모듈(301b)는 s6-s10의 스위치를 닫고 나머지 스위치를 여는 특징을 가질 수 있다.
도4-8을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 배터리 모듈은 그리드로부터 제외하거나 직렬/병렬로 연결할 수 있는 C 셀을 스위칭 할 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈은 전기적으로 C 셀과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또 다른 예를 들면, C 셀의 각 하나를 위하여 배터리 모듈은 배터리 모듈의 다른 셀들의 전부로부터 셀을 전기적으로 분리할 수 있다. 따라서 배터리 모듈은 배터리 팩의 C 셀에 대한 책임이 있다.
그러므로, 만약 배터리 모듈내의 하나 또는 복수의 셀이 고장 난 경우, 이 전체 팩에서의 배터리 모듈들의 영향은 배터리 모듈과 배터리 모듈들을 영구적 또는 임시적으로 바이패스 하는 스위치들을 이용하여 잘라 낼 수 있다.
상기 구조의 또 다른 이점은 제조업체에 의해 설계된 에너지 용량 중첩성은 팩 내부에서 현명하게 확산할 수 있고, 어떤 주어진 시간에서 엔진의 실제 요구에 따른 더 많은 전압과 전류를 공급하기 위해 활용될 수 있다
위에서 언급한 바와 같이 배터리 모듈(301)은 마이크로 칩(줄여서 "칩") 또는 집적회로로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 배터리 모듈(301)은 칩과 칩에 연결된 셀들의 세트를 포함할 수 있다. 칩은 셀들의 세트를 설정하는 역할을 한다. 예를 들어 칩은 셀을 각각 서로서로 직렬 또는 병렬로 연결하는 역할을 한다. 칩은 디지털 아날로그 또는 통신 요소들을 포함할 수 있다. 칩은 컨트롤 에러를 줄이는 소음-복구(noise-resilient) 통신 모듈의 사용을 위해 요구되는 자동적 레벨뿐만 아니라 공인되지 않은 설계자들을 예방하기 위해 가능한 컨트롤 에러를 줄이는 소음-복구 통신 모듈을 만들 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 칩은 에너지 효율을 위하여 요구되는 낮은 자체 전력 소모로 이끌기 위하여 매우 낮은 Rds-on을 통해 구성요소를 스위칭하기 위한 파워 FET 기술을 사용할 수 있다. 또한, 상기 칩은 정확한 스위칭 순서 및 위험 상황을 방지하기 위해 개별 셀의 시간을 관리하는 안전 스위치 시퀀서를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면 상기 칩은 작은 CPU를 가지고 있으며, 게다가 컨트롤러로부터 수신한 명령어에 대한 응답으로 조치를 취하는 소프트웨어 코드는 특정 업무를 위해 동작하는 컨트롤러와 같이 동작할 수 있고, 세부적으로 지역화된 상황에 대해 반응할 수 있으며, 예를 들어 자동적으로 즉시 특정 셀 또는 칩의 센서가 고장 난 다수의 셀들을 스위칭 아웃 하는 것과 같은 세부 동작을 할 수 있다.
스위칭 소자는 배터리를 사용하여 애플리케이션과 관련하여 스위칭 시간의 지원을 필요로 한다. EV자동차의 경우, 필요한 스위칭 시간이 상대적으로 느리고, 스위칭 소자로부터의 예를 들어 언급된 파워 MOSFET 와 같은 중요한 요구를 제기하지 않는다.
배터리 스위칭 그리드를 구축 할 때 배터리 모듈 내에 배치되는 스위칭 소자는 유연성의 레벨을 결정할 수 있다. 효과적인 비용의 솔루션을 설계 할 수 있도록 하기 위해 가능한 한 낮은 배터리 모듈 당 스위칭 소자의 수를 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 각 스위칭 소자는 오직 1xI 의 부담만 필요하므로 상대적으로 작을 수도 있다.
배터리 스위칭 그리드를 구축 할 때 배터리 모듈 내에 배치되는 스위칭 소자는 유연성의 레벨을 결정할 수 있다. 효과적인 비용의 솔루션을 설계 할 수 있도록 하기 위해 가능한 한 낮은 배터리 모듈 당 스위칭 소자의 수를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 각 스위칭 소자는 오직 1xI 의 부담만 필요로 하는 것이 선호되므로 상대적으로 작을 수도 있다. 연결은 배터리 모듈의 칩의 외부에 다수의 셀들로부터의 전류를 종합할 수 있고 칩의 다수의 터미널을 활용할 수 있다.
도5를 참조하면, 배터리 모듈은 배터리 모듈의 모든 셀들이 서로 병렬로 연결되도록 구성될 수 있다. 즉 c1과 c4와 병렬로 연결된 c3와 병렬로 연결된 c2는 병렬로 연결된다. 이것은 s1-s4 및 s10-s13의 스위치들을 닫고 다른 스위치들을 열수 있다.
도6을 참조하면, 배터리 모듈은 병렬회로로부터 셀 c1을 제외할 수 있다. 이것은 s2-s4 및 s11-s13의 스위치들을 닫고 다른 스위치들을 열수 있다.
도7은 배터리 모듈의 모든 셀이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 나타낸 도면이다. 즉 c1과 c4와 직렬로 연결된 c3와 직렬로 연결된 c2는 직렬로 연결된다. 이것은 s4 및 s6-s8 및 s10의 스위치들을 닫고 다른 스위치들을 열수 있다. 즉 c1과 c4와 직렬로 연결된 c3와 직렬로 연결된 c2는 직렬로 연결된다. 이것은 s4 및 s6-s8 및 s10의 스위치들을 닫고 다른 스위치들을 열수 있다.
이 구성에서, 전류(즉, 기존의 전류)는 메인 양극 터미널(402)로 흘러 나갈 수 있고, 전류는 메인 음극 터미널(404)로 흘러 들어 갈 수 있다. 만약 캐스캐이딩이 요구되면, s5 및 s9의 스위치들은 닫혀지고, s5 및 s9의 스위치들은 열리게 된다.
이러한 캐스캐이딩 구성에서, 전류는 캐스캐이딩 양극 터미널로부터 흘러 나와 c1-c4의 셀들을 통하여 캐스캐이딩 음극 터미널로 흘러 들어 갈 수 있다.
도8은 직렬 회로로부터 c1 셀을 제외하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈을 나타낸 도면이다. 이것은 s4, s7, s8, s10의 스위치들을 닫고 다른 스위치들을 열수 있다.
도6 및 8을 참조하면, 스위치들은 문제적인 하나가 모듈로부터 완전히 제외되는 동안 다른 셀들의 대부분은 사용될 수 있는 방법으로 연결 된다.
바람직하게는 스위치(예를 들어, 파워 FETs)들은 매우 높은 스위치 오프 임피던스(switch-off impedance)를 가지고 있고, 메인 스위치(1210)(도2 또는 12에 도시)가 활성화하도록 요구하거나 또는 자동차가 멈출 필요 없이 고장 난 셀들을 안전하게 제외할 수 있다.
전기 엔진은 고속 생산하는 높은 토크와 높은 전압을 생산하기 위해 높은 전류를 필요로 하기 때문에, 배터리로부터의 요구는 자동차가 속도를 증가할 필요가 있을 때 높은 전류 상태를 필요로 하는 자동차의 움직임의 시작으로부터 변경될 수 있고 엔진은 높은 전압을 필요로 한다. 필요한 전압의 공통범위는 48-300볼트이고, 전류는 300 암페어 전후에서 변화 될 수 있다.
이런 배열은 1:C의 다이나믹 파워 범위(range)를 가능하게 하고, 기본전류의 C배 또는 기본 전압의 C배 또는 그 사이의 모든 범위를 의미하며, 상기 C는 각 배터리 모듈에 의해 처리되는 셀들의 수이다,
위에서 기술된 바와 같이 일 실시 예에 따르면, 도4에 도시된 배터리 모듈(301)은 4개의 셀(c1-c4)들을 책임지고 있고, 스위치들은 셀들과 직렬 또는 병렬연결로 연결된 배터리 모듈을 사용할 수 있는 방식으로 연결될 수 있다.
또한 상기 기술한 바와 같이, 다른 스위치들은 더 높은 배터리 전압을 지원하는 구조 내의 열 들의 캐스캐이딩이 가능하게 할 수 있다. 이러한 구조는 스위치들의 상대적으로 적은 수 및 간단한 전달구조를 유지하는 동안에 높은 유연성의 레벨을 가지는 이익이 있다. 상기 구조는 매우 특이하고, 배터리 모듈의 외부에서 와이어링된 각 전류의 가지로부터의 전류의 총합을 모을 수 있고, 각 파워 FET는 오직 1 x I만큼의 전류를 송신하도록 설계될 수 있고, 가능한 작은 칩의 영역을 유지할 수 있으며 적은 비용을 가능하게 할 수 있다.
도 13는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 다른 적용을 나타낸 도면이다.
도13을 참조하면, 일 실시 예에 따르면 세 개의 셀들은 단순화의 결과를 보여준다. 일 실시 예에 따르면, s1-s8 및 s10-s12의 스위치들은 s9 및 s12의 스위치들이 클러스터의 캐스캐이딩 열들을 위하여 사용되는 동안 c1-c4의 셀들을 상호연결하기 위해 사용될 수 있다. 이런 실시 예에 따르면, 모듈이 직렬로 배열될 때 각 셀들은 개별적으로 다른 셀들로부터 분리된다. 예를 들어 만약 셀들이 직렬로 연결되고, c2 셀이 불량으로 판단되는 경우, c2는 스위치 s8을 열고 스위치 s11을 닫음으로써 분리될 수 있다.
도 14a, 14b, 14c는 일 실시 예에 따른 도3과 유사한 배터리 모듈을 도시하고 있다. 도3과의 하나의 차이점은 중간 셀들이 존재하지 않고 도3의 실시 예에 나타난 사용된 셀들보다 더 높은 전류 용량의 셀들을 사용하였다는 것에 있다. 이 실시 예에서 도3에 도시된 배터리 모듈에서 사용된 동일한 칩은 다른 배열을 구현하는 것에도 다시 사용될 수 있는 것이 나타난다.
도3을 참조하면, 일 실시 예에 따르면 오직 두 개의 클러스터를 포함할 수 있고, 다른 실시 예에 따르면 더 많은 클러스터를 가질 수도 있다. 마찬가지로 도3을 참조하면, 일 실시 예에 따르면 배터리 팩은 클러스터당 두 개의 열과 열당 세 개의 배터리 모듈(301)을 포함할 수 있고 다른 실시 예에 따르면 다른 배열을 가질 수 있다.
도9를 참조하면, 일 실시 예에 따르면 배터리 팩(104)은 배터리 모듈들의 N개의 클러스터들을 포함할 수 있으며, 상기 각 클러스터는 배터리 모듈들의 B개의 열들을 포함할 수 있으며, 각 열들은 M개의 배터리 모듈들을 포함할 수 있으며, 총 배터리 모듈의 수는 총 N x B x M개가 될 수 있다. 각 배터리 팩은 C, M, B 및 N의 다른 매개변수를 통해 생산라인 또는 특정 차량의 요구에 최고로 일치하게 설계될 수 있다.
하나의 배열의 각 클러스터는 클러스터가 서로서로 병렬로 연결될 수 있다.
각 클러스터의 경우 클러스터의 열들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 각 열의 경우, 열의 배터리 모듈들은 직렬로 연결될 수 있다. 이런 구조의 장점은 배터리 모듈 내의 1 x I의 전류를 각 파워 FET를 통해 패싱(passing)하여 전류를 제한할 수 있는 능력을 가지는 것이다. 상기 I는 특정 설계에 지원되는 최대 전류를 의미한다.
배터리 모듈의 스위칭 컨트롤의 어느 배열에서든, 전류의 총합은 배터리 모듈 외부의 특수 와이어링(wiring) 구조에 의해서 스스로 합산되고, 비용 효율적인 솔루션이 가능하게 된다. 현재 발견된 비용 효율적 솔루션은 C=4 내지 16의 스위처들로 만들 수 있다. 더욱 바람직한 일부 애플리케이션에는 C의 범위를 8 내지 12로 잡을 수 있다.
많은 병렬 구조들의 구현은 낮은 Rds-on 저항으로 적은 전류 및 전압으로 설계될 수 있는 상대적으로 작은 파워 FET의 사용을 가능하게 할 수 있다. 그래서 더 적은 양의 전원을 방출하고 점점 더 에너지 효율적으로 될 수 있다. 특히 이러한 구조는 모든 셀들로부터 흘러나온 I x (C x B x N)의 최대 전류를 제공하여 C x B x N개의 셀들의 병렬 연결을 가능하게 할 수 있고 컨트롤의 변화로 V x (C x M x B) 볼트에 도달하면 C x M x B개의 셀들의 직렬 연결을 가능하게 할 수 있다.
각 클러스터 내의 열들의 캐스캐이딩은 배터리 모듈(도3 참조)의 상호연결을 사용하는 스위치들의 배열을 통해 가능하게 될 수 있다.
높은 전류가 흐르게 하고 높은 전압에 도달하는 능력은 자동차의 제조업체들이 고정된 배터리 구조의 제한 없이 더 나은 보호 수행능력에 도달할 수 있게 할 수 있고, 이 능력은 배터리 모듈 외부의 3D 배터리 스위칭 그리드의 세부 루팅(routing) 설계에 의해 배터리 모듈 내에서 스위칭 소자를 배열할 수 있다.
도 10은 특수 전용 칩을 기반으로 한 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 모듈의 다른 적용을 나타낸 도면이다.
도10은 일 실시 예에 따른 배터리 모듈 (301)에 대한 블록 다이어그램을 나타내고 있다. 이러한 실시 예에 따르면 배터리 모듈(301)은 (a) 스위치들과 제어회로를 포함하는 칩(1002) 및 (b) 셀들(1004)(일 실시 예에 따르면 셀들의 모듈은 4개의 셀들을 포함하고, 8셀과 같은 비용 효율적인 셀들의 숫자를 찾으면 다른 배열도 가능하다.)의 모듈을 포함할 수 있다.
예를 들면 도10에 도시된 칩(1002)은 아날로그 디지털 부분으로 구성될 수 있다. 아날로그 부분은 상기 기술된 정렬된 특수 배열인 파워 MOSFETs로 만들 수 있다. 일 실시 예에 따르면 스위치들의 수(예를 들면 Power MOSFETs)는 3+3*8=27이 될 수 있다.
이 아날로그 스위치들은 자동차 안전 기준을 충족하는 오류 탄력적인 EV 프로세서로부터 스위칭 명령어를 밭을 수 있는 통신 모듈인 복수의 블록 칩(1002)으로 구성되는 디지털 부분에 의해 제어된다.
이 모듈은 하나의 배터리 모듈과 다른 것들 사이에 명령어의 연속 전송을 가능하게 하고 배터리 팩 내의 스위칭 명령어를 전송하는 와이어들의 수를 최소화할 수 있는 마스터와 슬레이브를 만들 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스위처 칩(1002)의 슬레이브 통신 유닛은 (i) 업스트림(upstream) 스위처 칩(1002)의 마스터 통신유닛으로부터 스위칭 정보를 수신하고, (ii) 상기 스위칭 정보를 선택하고, (iii) 업스트림 칩으로부터 수신된 스위칭 정보의 나머지를 마스터 통신 유닛을 통하여 통신 체인 안의 다음 칩으로 전송한다.
이러한 방법으로 스위칭 명령어의 전송을 위하여 배터리 내의 와이어들의 수를 줄이고 운영할 수 있다.
예를 들어, 배터리 모듈은 배터리 모듈 중 하나가 외부 컨트롤러로부터 스위칭 정보를 수신하도록 구성된 데이지(daisy) 체인 배열로 구성될 수 있고, 통신 체인 내의 다음 배터리 모듈로 스위칭 정보를 전부 통과시키거나 아예 통과시키지 않을 수 있다. 상기 모듈은 체인 내의 다음 배터리 모듈을 위하여 같은 것을 사용할 수 있다.
명령어 복호기는 수신된 명령어를 체크하여 큰 규모의 모듈 또는 팩 또는 배터리 모듈 내에서 부적절한 스위칭 상황을 만드는 기능적 에러를 가능한 제거 할 수 있고, 스위칭 컨트롤 로직을 위해 명령어를 변환할 수 있다. 스위칭 컨트롤 로직은 스위칭 오더들을 배터리 모듈 내의 각각의 스위칭 소자를 위하여 실제 on-off 오더로 쪼갠다.
안전 스위칭 스퀀서는 각각의 스위치들을 위하여 on-off 명령어를 수신할 수 있고 전환을 위해 필요한 각각의 파워 FET의 정확한 시퀀스와 시간을 결정할 수 있다. 안전 시퀀서는 스위칭 시퀀스 동안의 에너지 소비 및 안전상의 이유(모든 셀들이 너무 짧거나 또는 모듈 또는 팩의 내의 순간적으로 불균형한 구조가 만들어지지 않는)를 고려하여 스위칭 소자의 속도를 정할 수 있다.
EV 프로세서(106)는 정교하고 강력한 컨트롤러이다.
많은 작은 배터리 셀을 사용하는 방법은 효율적으로 현재 필요한 작업 및 사용 방법에 따라 스위칭 계획의 구현을 처리할 수 있는 특수한 강력한 칩의 사용에 의해 통합된다.
도11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메인 컨트롤러의 기능별 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도11은 일 실시 예에 따라 EV 프로세서(106)를 적용한 기능 블록도로 나타내고 있다. EV 프로세서(106)는 전기엔진에 의해 효율적인 EV 배터리의 활용을 위해 정교한 알고리즘 및 필요한 계산 작업에 최적화된 다양한 다른 가속기 처리장치를 기반으로 하고, 이것은 더욱 긴 수명과 안전을 가능하게 할 수 있다.
EV 프로세서(106)는 컨트롤 및 배터리 모듈 내의 각각의 셀들을 관리할 수 있는 "wear-out" 알고리즘을 구현한다. 배터리 셀들을 관리하는 이 혁신적인 방법은 자동차의 운행거리를 더 길게 하여 배터리의 에너지 효율 증가시키고 배터리의 비용을 감소할 수 있을 것이다.
또한 이 솔루션은 자동차를 정지할 필요 없이 팩으로부터 개별적인 셀들의 고장을 분리하여 배터리의 안전 사용이 증가하고, 같은 이유로 "충전의 결함상태"의 type-2 에러가 줄어들 수 있다.
EV프로세서(106)는 두 개의 별도의 SW모델을 실행한다. 스마트로드(SmartLoad)는 모든 조건에서 개별 셀을 관리하고 상당히 배터리 팩의 성능을 향상시키고 다이나믹파워(DynamicPower)는 차량 시스템을 구성한다. 상기 차량 시스템은 EV 인버터(1202)(도12 참조)를 통해 최적의 방식으로 현재 특정 엔진의 요구를 일치하는 전압 및 전류 조건을 제공하도록 설계될 수 있다.
스마트로드가 셀들을 개별적으로 처리하는 기존의 EV 배터리보다 한 수 앞서는 배터리 시스템 부스터로 완비되어 있는 동안, 전체 배터리 팩보다 나을 수 있고, 다이나믹파워는 단순화되고 저렴한 인버터(1202)를 통해 자동차 메이커들과 현재의 통합, 더 나은 에너지 절약, 드라이빙 성능의 증가를 요구한다.
EV 프로세서(106)는 디지털 또는 아날로그 입력의 방법으로 배터리 셀들을 감지할 수 있고, 디지털 출력 값을 사용해 셀들의 스위칭 그리드(즉, 팩 내의 스위치들)를 관리할 수 있고, scalability 포트를 통하여 추가적인 장치와 연결할 수 있고, 배터리 이력 및 각 셀의 통계를 저장할 수 있는 플래시 및 내부 메모리를 사용할 수 있고, DB를 외부 메모리로 확장할 수도 있다.
또한 EV 프로세서(106)는 특정 버스를 통해 외부 엔진에 연결할 수 있으며, 유선 또는 무선 연결의 방법으로 자동차 메인 컨트롤러 또는 다른 장치와 예를 들어 배터리 스토리지를 관리할 수 있는 것과 같은 통신을 할 수 있다.
그때그때 배터리 구조를 변화시키는 능력 및 역동적인 방식은 환경 및 요구가 변화되는 엔진에 가장 적합하고, 다른 시간의 저하효과를 보상할 수 있고 셀들의 부분의 고장은 배터리 세부사항을 재정의할 수 있고, 특히 온도 변화에 대해 대비를 위해 환경 및 매개변수를 변화하여 다른 시나리오에서 사용할 수 있는 능력에 큰 영향을 미친다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템이 사용된 환경을 나타낸 도면이다.
도12는 일 실시 예에 따른 배터리 팩 시스템(100)을 EV 파워 트레인 시스템(1200)을 나타내고 있다. 도시된 것과 같이 시스템(1200)은 배터리 팩(104)의 외부 터미널에 전기적으로 연결된 인버터(1202)와 연결된 모터(1204)를 포함할 수 있으며, 이로 인하여 배터리 팩(104)으로부터 출력 전류를 수신할 수 있다.
또한, 시스템(1200)은 메인 컨트롤러(1206) 및 부품에게 통신하는 것을 허용하는 버스(1208)을 포함할 수 있다. 예를들어 EV 프로세서(106)는 메인 컨트롤러로부터 데이터를 얻기 위하여 버스를 사용할 수 있고, 배터리 팩(104)내의 배터리 모듈들(301)에게 명령어를 제공하도록 할 수 있다.
또한, EV 프로세서(106)는 배터리 팩(104)의 내부에 존재하거나 제어-소프트웨어 및 알고리즘의 형식으로 메인 컨트롤러(1206)의 부분으로 존재할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 실시 예에 따라 적용되어 실시될 수 있다.
[예시]
1. 셀은 정격전압보다 낮은 전압을 생산
화학적 구조 때문에 배터리 팩 내의 특정 셀은 결함이 생길 수 있고, 이로 인해 정격전압보다 적게 생산되거나 생산에 실패할 수 있다.
배터리 팩의 현재 구조에 배터리 팩에 결함이 발견될 수 있다. 셀은 체인의 직렬구조 내에서 계속해서 나타날 수 있을 것이고, 그 결과는 이 전압으로 인해 총량이 지속적으로 감소하여 배터리의 방전 될 것이다.
시간이 지남에 따라 점점 더 많은 셀들이 적은 전압을 생산하고 배터리 출력 전압이 많이 감소할 수 있다.
이 문제를 극복하기 위해 제조업체는 연결된 추가적인 여분의 셀들을 사용하여 실제 필요한 전압을 초과하는 전압으로 이끌도록 하고, 이러한 시스템 내부의 문제를 해결할 수 있다.
상기 기술된 시스템은, 특정 시간의 간격을 위하여, EV프로세서(106)는 현재 엔진 속도를 읽고, 이 속도에 가장 적절한 전압을 결정하고, 가장 적절한 전압을 공급하기 위해 요구되는 일련의 셀의 수를 산출할 수 있다.
이것은 각 속도당 가장 적절한 전압을 명시한 엔진 제조 정보를 활용하여 할 수 있고 셀 이력 데이터 베이스를 읽거나 각 셀의 사용 주기의 양을 검토하는 것보다 나을 수 있다. 또한, 프로세서는 각 셀의 현재 전류를 읽고, 다가오는 시간의 구간을 위하여 셀이 사용되는 지와 얼마나 많은 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결 될지를 결정한다.
일 실시 예에 따르면, 큰 셀들을 대신하는 많은 마이크로 셀들의 사용은 프로세서가 미세입자 안에서 배터리 전압의 조정을 가능하게 하고, 만약 특정 셀이 고장 나면, 배터리 용량에 전반적인 영향을 무시할 수 있다. 주기적으로 연속되는 프로세스의 결과로 배터리 모듈들은 시간이 지나도 일정하게 전압이 유지될 수 있고, 전압의 손실의 장애물을 체인 내의 특정 배터리 셀들의 wear-out을 통해 극복할 수 있다.
배터리 제조업체는 더 적은 끊임없이 연속되어 연결된 셀들을 사용함으로 배터리 구조 내에서 덜 중복되는 셀을 지정할 수 있고, 요구되는 피크 전류를 제공하는 대신에 추가적인 셀들은 병렬 구조를 지원할 수 있다. 이를 극복하기 위해서 제조업체는 추가적으로 정규 주변온도는 필요한 전압을 초과하는 전압을 생성하는 연속되는 셀들을 명시할 수 있고 이러한 시스템 내부의 문제를 해결할 수 있다.
상기 기술된 시간의 특정 구간을 위해서 EV프로세서(106)는 현재 엔진의 속도를 읽을 수 있고 가장 적절한 전압을 공급하기 위해 요구되는 연속되는 셀들의 양을 계산할 수 있다. 이것은 셀 이력 데이터 베이스를 읽거나 각 셀의 사용 주기의 양을 검토하는 것보다 나을 수 있다.
또한, 프로세서는 정규 주변 온도에서의 각 셀의 실제 전류를 읽고, 다가오는 시간의 구간을 위하여 셀이 사용되는 지와 얼마나 많은 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결될지를 결정할 수 있다.
3. 효율적인 배터리 충전
큰 배터리로 많은 셀들을 구성하는 경우, 예를 들어 Li-ion 자동차 배터리는 5년 정도로 긴 시간 동안 작동하도록 요구되고, 충전작업은 사용자의 안전 및 배터리의 수명에 대하여 치명적이 될 수 있다.
배터리의 현재 일정한 구조는 한번에 배터리 셀들을 모두 포함하는 충전의 프로세스를 제시한다. 만약 특정 셀이 과충전되거나 특정 전압으로 셀이 방전되는 안전 레벨링 메커니즘(safety leveling mechanism)에 해당하는 경우 충전의 프로세스는 위험할 수 있고, 미리 정해진 전압의 범위 안에 모든 셀들을 고정할 수 있다.
상기 기술된 시스템의 충전 시간의 특정 구간을 위해서, EV프로세서(106)는 각 셀의 실제 전압을 읽고, 이미 지나간 셀의 충전 주기의 양을 리뷰하기 위해 셀의 이력 데이터 베이스를 읽을 수 있다.
셀들의 충전시간의 기간이 다가오면 최적의 충전전류 흐름을 생성하기 위하여 얼마나 많은 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되는지 결정할 수 있다. 허용된 최대 전압에 도달한 셀들은 다른 셀들이 충전하는 동안 따로 보관된다. 셀의 최대 용량까지 모든 셀들은 충전될 수 있다. 이 방법으로 배터리의 전체 용량은 사용될 수 있다.
이 충전 프로세스의 결과는 충전이 필요하지 않은 셀들은 충전 체인 밖에 보관하고, 셀들이 불필요한 충전으로 인하여 노후 되지 않게 하는 것이다. 또한 이 셀들은 충전상황에 적게 노출되므로 배터리 사용도 더 안전하다.
전체 충전시간은 병렬로 연결된 더 많은 셀들의 충전으로 인한 N개의 팩터에서 감소할 수 있고, 심지어 셀 당 더 낮은 충전전류에서 충전을 활용할 수 있다.
배터리 제조업체는 배터리 구조 내의 더 적은 셀들을 지정할 수 있다.
더 적은 끊임없이 연속되어 연결된 ware-out 문제를 극복한 셀들을 사용할 수 있고, 이렇게 추가되는 셀들은 요구되는 피크 전류를 제공하는 대신에 병렬 구조를 지원할 수 있다.
4. 효율적인 배터리 방전
큰 배터리로 많은 셀들을 구성하는 경우, 예를 들어 Li-ion 자동차 배터리는 5년정도로 긴 시간 동안 작동하도록 요구되고, 충전작업은 사용자의 안전 및 배터리의 수명에 대하여 치명적이 될 수 있다. Li-ion 화학물은 최소한 2.5V로 셀들을 충전하는 것으로 제한된다.
낮은 속도로 배터리의 방전은 셀에 돌이킬 수 없는 손상을 줄 수 있고 전체 팩의 사용을 불가능하게 할 수 있다. 배터리의 현재 일정한 구조는 한번에 배터리 셀들을 모두 포함하는 충전의 프로세스를 제시한다.
이 방전 프로세스는 만약 특정 셀이 과충전되면 손상될 수 있고, 그러한 까닭에 만약 셀들 중 하나가 2.5V에 도달하는 경우 전체 팩의 방전을 중지하는 메커니즘이 적용될 수 있다. 이 메커니즘은 각각의 셀들의 총 용량의 사용을 불가능하게 할 수 있고, 팩 내의 가장 약한 셀들을 제한할 수 있다. 200 주기 후에 배터리 팩은 셀의 변화에 중요한 셀을 가질 수 있고 이것은 배터리 용량의 활용을 비효율적으로 만들 수 있는 것으로 잘 알려져 있다.
상기 기술된 시스템에서 특정 충전 시간구간을 위하여, EV 프로세서(106)는 각 셀의 실제 전압을 읽을 수 있다. 다가오는 충전시간 구간을 위하여 가장 최적의 방전 전류 흐름을 만들기 위해 방전되었는지 여부 및 얼마나 많은 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되었는지를 결정할 수 있다.
다른 셀들의 방전이 진행되는 동안에 2.5V의 최저 전압에 도달되는 것이 허용된 셀들은 따로 보관된다(위에서 기술된 것과 같이 전기적으로 분리되어).
모든 셀들의 방전은 그들의 최저 용량까지 할 수 있다. 이러한 방법으로 배터리의 전체 용량은 사용될 수 있다. 이런 방전 프로세스의 결과는 방전 사이클을 종료한 셀들은 충전 체인의 밖에 보관되고 나머지 셀들의 방전을 계속하게 하는 능력을 제한하지 않는 것이다.
또한, 이런 셀들은 과도한 방전 상황에 더 적게 노출되므로 배터리 사용이 더 부드럽고, 배터리의 수명도 연장된다. 배터리 제조업체는 배터리 구조 내의 더 적은 셀들로 지정할 수 있다. 왜냐하면 이것은 더 적게 끊임없이 연속되어 연결된 배터리의 전체비용을 줄이기 위해 ware-out 문제를 극복한 셀들을 사용할 수 있기 때문이다.
5. 최적화된 EV 모터 성능
많은 셀로 구성된 클 배터리 백을 사용하는 경우 긴 시간 동안 작동하도록 요구되고, 끊임없이 변화하는 모터의 요구에 따라 최적의 전류와 전압을 제공하는 것은 도전적인 작업이다.
배터리의 일정한 현재 구조는 구조 내에서 배터리 팩을 조립하는 제조업체에게 필요한 토크 작업을 위해 필요한 가장 높은 전류를 지원하기 위해 병렬로 연결된 충분한 셀들을 가지는 것과 필요한 마력을 지원하기 위해 필요한 가장 높은 전압을 지원하기 위하여 같은 시간 동안 직렬로 연결된 충분한 셀을 조립하는 것을 제시한다. 이런 설계 프로세스는 배터리의 무게 및 비용에 의하여 제한되고, 자동차의 성능 가치와 타협하도록 제조업체를 강제한다.
상기 기술된 시스템의 특정 시간 구간을 위하여 , EV 프로세서(106)는 각 셀의 실제전압 및 데이터 베이스 안에 저장된 자동차 제조업체 엔진 그래프뿐만 아니라 이미 지나간 셀의 충전 주기의 양을 리뷰하기 위해서 셀 이력 데이터 베이스를 읽을 수 있다.
다가오는 충전시간 구간을 위하여 필요한 모터 전압 및 전류를 지원하기 위한 가장 최적의 구조를 만들기 위해 셀이 사용되는지 여부 및 얼마나 많은 셀들이 직렬 또는 병렬로 연결되었는지를 결정할 수 있다.
유연한 구조의 셀들을 사용하는 방법은 제조업체에 배터리 구조의 설계에 대한 새로운 자유도를 줄 수 있고, 같은 배터리 비용으로 소비자에게 더 나은 자동차를 제공하기 위해 더 나은 모터의 토크 값 및 마력을 지원할 수 있다.
또한 배터리 제조업체는 배터리 구조 내의 더 적은 셀들을 지정할 수 있다.
왜냐하면 다른 시간 구간의 필요한 극단적인 전압 및 전류를 지원하기 위해서 다른 셀 구조를 사용 할 수 있기 때문이다.
배터리 파워를 사용하는 것의 장점은 오늘날 고정된 DC 배터리 파워로부터 모터의 필요 AC에 따라 지원하는 인버터의 구조 안에서 많은 에너지, 복잡성 및 투자된 비용을 절약할 수 있다.
EV프로세서(106)는 순간적으로 전압을 생성하여 함께 연결되어 연속된 셀들의 양을 지속적으로 변화함으로써 원하는 AC 파워를 만드는 것을 통해 인버터의 기능의 대부분을 대체 할 수 있다. 다른 배터리도 사용할 수 있다.
비록 이 발명의 주된 목적 더 나은 전기 자동차 배터리 팩을 활용하는 것임에도 불구하고, 배터리 팩 시스템(100)은 모바일 전화기 및 랩탑(laptop) 컴퓨터와 같은 다양한 배터리 응용장치에 사용될 수 있다.
물론, 각 사용 케이스의 경제적 가치는 다르지만, 기본적인 실시는 셀과 배터리를 분리하고, 3D 배터리 스위칭 그리드에 의해 배터리 스위칭 그리드를 연결하고 정교한 마이크로 관리방법을 사용하고 모든 경우에 맞는 제어 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다
100 : 배터리 팩 시스템
104 : 배터리 팩
302 : 3D 배터리 스위칭 그리드
106 : EV 프로세서
402 : 메인 양극 터미널
404 : 메인 음극 터미널

Claims (21)

  1. 셀들의 집합을 상호 연결하기 위해 사용되는 스위처 칩에 있어서,
    메인 음극 터미널;
    캐스캐이딩 음극 터미널;
    메인 양극 터미널;
    캐스캐이딩 양극 터미널;
    복수의 셀들의 터미널들; 및
    복수의 스위치들을 포함하고,
    상기 스위처 칩은,
    셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 첫 서브셋 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀의 집합은 서로서로 병렬 연결되고, 전류는 메인 양극 터미널로 흐를 수 있으나 캐스캐이딩 양극 터미널로는 흐를 수 없도록 되어 있고,
    셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제2 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀의 집합은 서로서로 직렬 연결되고, 전류는 메인 양극 터미널로 흐를 수 있으나 캐스캐이딩 양극 터미널로는 흐를 수 없도록 되어 있으며,
    셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제3 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀의 집합 중에 적어도 두 개의 셀들은 서로서로 직렬 연결되고, 전류는 캐스캐이딩 양극 터미널로 흐를 수 있으나 메인 양극 터미널로는 흐를 수 없도록 되어 있고
    셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제4 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀들의 서브셋은 서로서로 병렬 연결되고, 적어도 하나의 셀은 다른 셀들과 각각 전기적으로 단절되어 있으며, 전류는 메인 양극 터미널로 흐를 수 있으나 캐스캐이딩 양극 터미널로는 흐를 수 없도록 되어 있으며,
    셀들의 집합이 복수의 셀 터미널 및 복수의 폐쇄된 스위치들의 제5 서브셋 및 개방된 스위치들의 나머지를 통해 스위처 칩과 연결되어 있을 때, 셀들의 서브셋은 서로서로 직렬 연결되고, 적어도 하나의 셀은 집합의 다른 셀들과 각각 전기적으로 단절되어 있는 것을 특징으로 하는 스위처 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    송신기와 수신기를 포함하는 통신회로를 더 포함하고,
    상기 수신기는 컨트롤러 또는 근접 스위처 칩의 송신기 중 하나와 통신 가능하게 연결되어, 컨트롤러 또는 근접 스위처 칩의 송신기 중 하나로부터 전송된 명령을 변환하여 수신할 수 있는 것을 특징으로 하는 스위처 칩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러 또는 다른 스위처 칩으로부터 통신회로를 통해 수신한 명령어의 오류를 검사하는 것과 잘못된 명령어를 차단하는 것을 특징으로 하는 명령어 복호기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위처 칩.
  4. 제3항에 있어서,
    컨트롤러로부터 통신회로를 통해 수신한 배터리 모듈 내의 스위칭 소자들을 전환하기 위한 on-off 명령어를 변환하고 명령어 복호기에 연결된 스위칭 제어 로직을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위처 칩.
  5. 제4항에 있어서,
    스위칭 제어 로직으로부터, on-off 명령어를 수신하고, 상기 on-off 명령어에 따라 정확한 시퀀스와 시간에 적어도 하나이상의 스위치들을 켜고 끌 수 있는 안정 스위칭 시퀀서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위처 칩.
  6. 제1항에 있어서,
    슬레이브 입력 터미널;
    마스터 입력 터미널;
    슬레이브 통신모듈 블록;
    마스터 통신모듈 블록;
    명령어 복호기 블록;
    스위칭 제어 로직 블록; 및
    안전 스위칭 시퀀서 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위처 칩.
  7. 제1항에 있어서 상기 복수의 스위치들은,
    파워 메탈-옥사이드 반도체 필드에 영향을 주는 트랜지스터(MOSFETs)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위처 칩.
  8. 스위처 칩을 포함하는 배터리 모듈에 있어서,
    상기 스위처 칩은,
    복수의 스위치들;
    메인 양극 터미널;
    메인 음극 터미널;
    캐스캐이딩 양극 터미널;
    캐스캐이딩 음극 터미널; 및
    셀들의 집합을 포함하고,
    상기 셀들의 집합은,
    양극 터미널이 스위처 칩의 제1 셀 터미널에 연결되고, 음극 터미널이 스위처 칩의 제2 셀 터미널과 연결되는 양극 터미널 및 음극 터미널을 가진 제1 셀; 및
    양극 터미널이 스위처 칩의 제3 셀 터미널에 연결되고, 음극터미널이 스위처 칩의 제4 셀 터미널과 연결되는 양극 터미널 및 음극 터미널을 가진 제2 셀을 포함하고,
    상기 스위처 칩은,
    셀들을 직렬로 연결하고, 메인 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하며,
    메인 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들;
    셀들을 직렬로 연결하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 메인 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하며,
    캐스캐이딩 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 메인 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들; 및
    셀들을 병렬로 연결하고, 메인 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하며,
    메인 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐르게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통하여 스위처 칩으로 전류를 흐리지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위처 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서 상기 스위처 칩은,
    컨트롤러로부터 전송된 스위칭 명령어를 수신하는 통신회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제9항에 있어서 상기 스위처 칩은,
    컨트롤러 또는 다른 스위처 칩으로부터 통신회로를 통해 수신한 명령어의 에러를 검사하는 것을 특징으로 하는 명령어 복호기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제10항에 있어서 상기 스위처 칩은,
    명령어 복호기에 연결되고 컨트롤러로부터 통신회로를 통해 수신한 명령어를 배터리 모듈내의 스위칭 소자들을 전환하기 위한 on-off 명령어로 변환하는 스위칭 제어 로직을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제11항에 있어서 상기 스위처 칩은,
    스위칭 제어 로직으로부터, on-off 명령어를 수신하고, 상기 on-off 명령어에 따라 정확한 시퀀스와 시간에 적어도 하나 이상의 스위치들을 켜고 끌 수 있는 안정 스위칭 시퀀서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  13. 제8항에 있어서
    상기 제1 셀과 제 2셀은 마이크로 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  14. 제8항에 있어서 상기 스위처 칩은,
    17개의 싱글 셀 배터리보다는 적고 적어도 3개의 싱글 셀 보다는 많게 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  15. 제8항에 있어서 상기 스위처 칩은,
    적어도 7개의 싱글 셀 배터리보다는 많고, 13개의 싱글 셀 배터리보다는 적게 제어하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  16. 배터리 팩을 포함하는 배터리 팩 시스템에 있어서,
    상기 배터리 팩은,
    배터리 모듈의 제1 열과 제2 열을 포함하는 배터리 모듈의 제1 클러스터;
    배터리 모듈의 제1 열과 배터리 모듈의 제2 열이 병렬 연결된 제1 회로;
    배터리 모듈의 제1 열과 배터리 모듈의 제2 열이 직렬 연결된 제2 회로;
    배터리 모듈의 제3 열과 배터리 모듈의 제4 열을 포함하는 배터리 모듈의 제2 클러스터;
    배터리 모듈의 제3 열과 배터리 모듈의 제4 열을 병렬 연결하는 제3 회로;
    배터리 모듈의 제3 열과 배터리 모듈의 제4 열을 직렬 연결하는 제4 회로를 포함하고,
    상기 제1 열의 배터리 모듈 중 적어도 하나는,
    제1 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제2 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하고,
    상기 제2 열의 배터리 모듈 중 적어도 하나는,
    제1 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제2 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하고,
    상기 제3 열의 배터리 모듈 중 적어도 하나는,
    제3 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제4 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하고,
    상기 제4 열의 배터리 모듈 중 적어도 하나는,
    제3 회로에 배터리 모듈의 메인 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치 및 제4 회로에 배터리 모듈의 캐스캐이딩 출력을 연결 또는 단절시키는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    배터리 팩의 컨트롤을 위한 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
  18. 제17항에 있어서 상기 컨트롤러는,
    배터리 팩이 V1전압을 생성하는 작업의 제1 모드인 배터리 팩을 배치; 및
    배터리 팩이 V2전압을 생성하는 작업의 제2 모드인 배터리 팩을 배치하고,
    상기 V2는 상기 V1보다 전압이 큰 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
  19. 제18항에 있어서 상기 V2는,
    (n) x (3.6) x V1보다 크거나 같고, 상기 n은 1보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    스위처 칩을 포함하는 상기 배터리 모듈 중 적어도 하나의 상기 스위처 칩은,
    복수의 스위치들;
    메인 양극 터미널;
    메인 음극 터미널;
    캐스캐이딩 양극 터미널;
    캐스캐이딩 음극 터미널; 및
    셀들의 집합을 포함하고,
    상기 셀들의 집합은,
    양극 터미널과 음극터미널을 가지며, 양극 터미널은 스위처 칩의 제1 셀 터미널과 연결되고 음극 터미널은 스위처 칩의 제2 셀 터미널과 연결되는 제1 셀; 및
    양극 터미널과 음극터미널을 가지며, 양극 터미널은 스위처 칩의 제3 셀 터미널과 연결되고 음극 터미널은 스위처 칩의 제4 셀 터미널과 연결되는 제2 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
  21. 제17항에 있어서 상기 컨트롤러는,
    셀들을 직렬로 연결하고, 전류가 메인 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하고, 전류가 메인 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들;
    셀들을 직렬로 연결하고, 전류가 캐스캐이딩 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 메인 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하고, 전류가 캐스캐이딩 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 메인 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들;
    셀들을 병렬로 연결하고, 전류가 메인 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 양극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하고, 전류가 메인 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하게 하고, 캐스캐이딩 음극 터미널을 통해 스위처 칩으로 통하지 않게 하는 것을 특징으로 하는 스위치들을 통해 배터리 모듈들을 작동하게 하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩 시스템.
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