KR101877610B1 - 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템 - Google Patents

배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101877610B1
KR101877610B1 KR1020160053334A KR20160053334A KR101877610B1 KR 101877610 B1 KR101877610 B1 KR 101877610B1 KR 1020160053334 A KR1020160053334 A KR 1020160053334A KR 20160053334 A KR20160053334 A KR 20160053334A KR 101877610 B1 KR101877610 B1 KR 101877610B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
battery
voltage
taps
circuit control
pairs
Prior art date
Application number
KR1020160053334A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160129774A (ko
Inventor
슈테판 굇츠
랄프 바우어
하랄트 셰플러
위르겐 미트나흐트
Original Assignee
독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트 filed Critical 독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
Publication of KR20160129774A publication Critical patent/KR20160129774A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101877610B1 publication Critical patent/KR101877610B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B60L11/1851—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • B60L11/1868—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/20—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having different nominal voltages
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/08—Three-wire systems; Systems having more than three wires
    • H02J1/082—Plural DC voltage, e.g. DC supply voltage with at least two different DC voltage levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0019—Circuits for equalisation of charge between batteries using switched or multiplexed charge circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/91—Electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y02E60/12—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

본 발명은, 복수의 전압 레벨을 대응하는 복수의 부하 소비장치를 위해 제공하기 위한 배터리 시스템(10)에 관한 것으로, 상기 배터리 시스템은 복수의 배터리 소자(1, 2, 24, n)를 갖는 적어도 하나의 배터리(9)와, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)과, 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 갖는 스위칭 유닛(3)을 구비하며, 상기 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은, 복수의 배터리 소자(1, 2, 24, n) 중 적절하게 동적으로 변화하는 적어도 하나의 서브 세트로부터의 배터리 소자들(1, 2, 24, n)이 결선되는 방식으로, 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 시간에 따라 동적으로 스위칭할 것을 스위칭 유닛(3)에 지시하도록 구성되고, 그로 인해 복수의 부하 소비장치를 위해 제공될 각각의 전압 레벨이 제공된다. 복수의 전압 레벨을 제공하는 것 외에도, 배터리 소자들(1, 2, 24, n)에 목표한 대로 전하를 인가한다. 본 발명은 또한 배터리 시스템(10)의 폐회로 제어부 또는 개회로 제어부(30)에 관한 것이다.

Description

배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템{BATTERY SYSTEM WITH BATTERY CONTROL}
본 발명은 전반적으로 전력 공급 응용을 위한 배터리 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 차량의 전기 시스템에서 사용하기 위한 배터리 시스템, 및 배터리 시스템의 폐회로 제어부 또는 개회로 제어부에 관한 것이다.
내연기관을 갖는 종래의 자동차는 제어 장치 및 다른 전기 유닛을 위해 예컨대 대략 12V의 전압을 갖는 적어도 하나의 저전압 차량 전기 시스템을 사용한다. 더 높은 전력 요건 때문에, 대략 48V 인근의 더 높은 전압 레벨이 현재 상용차들 및 최신 모델의 자동차들에 도입된다.
전기 하이브리드 차량 및 배터리-전기 차량을 비롯한 전기 차량에서, 이와 같은 저전압은 일반적으로 전기 구동부에 전력을 공급하기에 충분하지 않다. 이런 이유로, 전기 구동부는 현재 대개 400V에 이르는 전압을 공급받는다. 일반성의 상실 없이, 400V의 전압은 일반적으로 이른바 고전압 저장부, 대개는 소정의 수의 2차 셀들의 형태인 배터리에 의해 제공된다. 다른 전기 부하들을 위한 저전압 차량 전기 시스템은 이 경우 대개 교체되지 않는다. 그러나, 차량 전기 시스템에서 다른 에너지 저장부, 예컨대 커패시터 또는 배터리를 감소시키거나 완전히 제거하기 위해, 고전압 저장부로부터 에너지를 이에 공급하거나 적어도 부분적으로 공급하는 것이 적절하다. 게다가, 예컨대 비어있는 배터리의 경우 이른바 림프-홈(limp-home) 능력을 가능하게 하기 위해, 즉 차량을 다음 재충전 가능한 곳까지 여전히 수송하거나, 또는 하이브리드 차량의 경우 전기 기계를 통해 내연기관을 시동하기 위해, 하나 이상의 차량 전기 시스템으로부터 고전압측으로 에너지를 또한 전달할 수 있다.
상황은 전기 상용차, 스포츠카, 및 경주용 차량에서 더 어려워진다. 250 kVA 초과의 전기 구동 전력이 단지 높은 손실과 함께 400V 이하의 고전압 레벨로 공급될 수 있다. 이와 같은 차량에서는, 동작이 더 높은 전압, 예컨대 800V 또는 1200V로 수행된다. 그러나, 이러한 전압은 지금까지 차량 구성에 도입되거나 표준화되지 않았다. 이런 이유로, 차량의 모든 필수 전기 부하들이 이러한 전압 레벨에서 사용 가능하거나 이와 호환되는 것은 아니다. 몇몇 장치에 대해, 이와 같은 고전압은 또한 기본적으로 최선이 아니며, 안전상의 이유로 바람직하지 않다. 증가된 고전압에 대해 적절하게 사용 가능하지 않은 전기 부하들은 이들의 높은 전력 요건이 반대하지 않는다면 저전압 차량 전기 시스템들 중 하나에서, 또는 심지어 추가 전압 레벨에서 적절하게 동작되어야 한다. 이러한 추가 전압 레벨은 이 경우 마찬가지로 전압 컨버터에 의해 다른 기존 전압 레벨들 중 하나로부터 공급된다.
차량 내의 전기 부하들의 증가된 전력 요건 및 전압 레벨들의 증가된 수는 에너지 교환을 위한 비용-집약적 전압 컨버터를 요구한다. 게다가, 이와 같은 전압 컨버터는 차량 중량을 증가시킨다.
종래 기술은 개별 전압 레벨로부터 상이한 전압 레벨들을 공급하거나, 전압 컨버터, 특히 DC-DC 컨버터를 사용하여 전압 레벨들 사이에 에너지를 교환하는 것을 가능하게 한다. 이와 같은 DC-DC 컨버터는 100% 미만의 효율을 가진다는 단점이 있고, 그 결과 전달될 전력은 손실을 감소시키기 위해 가능한 한 낮게 유지되어야 한다.
또한, 이와 같은 DC-DC 컨버터는 예상 피크 전력을 위해 설계되어야 한다. 이러한 설계는 DC-DC 컨버터의 중량, 설치 공간, 및 비용에 현저히 영향을 미친다. 아울러, 이는 평균 효율에 영향을 미친다. 예상 피크 전력이 평균 전력보다 훨씬 더 높은 경우, 종래 기술의 DC-DC 컨버터는 일반적으로 부분 부하 범위에서 높은 손실을 가지기 때문에, 컨버터의 평균 효율은 상당히 감소한다. 이러한 이유로, 게다가 또한 단지 때때로 동작되는 부하들(예컨대, 공조 압축기)에 높은 전력을 공급하는 행위는 지극히 불리한 것이다.
DC-DC 컨버터를 통해 공급되는 전압 레벨에서 부하의 높은 변동을 또한 허용하기 위해, DC-DC 컨버터 내의 스위치들의 높은 스위칭 속도와 함께 굉장히 빠른 제어부, 또는 크고 견고한 버퍼 저장부, 예컨대 저임피던스 배터리에 대한 필요성이 존재하지만, 이는 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 두 옵션 모두 차량 비용의 증가를 초래한다.
게다가, DC-DC 컨버터가 반드시 양방향인 것은 아니다. 즉, 반드시 양방향으로 에너지 흐름을 허용하지는 않지만, 필요 시 이와 같은 기능이 의도적으로(deliberately) 장착되어야 한다. 이러한 단계는 잠재적 회로들 또는 완성된 장치들의 선택을 제한하며 일반적으로 추가 비용을 야기한다.
종래의 교류 또는 3상 전류의 경우 전기 차량의 긴 충전 시간을 감소시키기 위해, 제어된 DC 전압 또는 직류로 배터리를 직접 충전하는 행위가 또한 종래 기술에 도입되었다[Y. Du, S. Lukic, B. Jacobson, A. Huang (2011), PHEV/EV DC 충전 인프라구조를 위한 고전력 차단 양방향 DC-DC 컨버터의 검토(Review of high power isolated bi-directional dc-dc converters for phev/ev dc charging infrastructure), IEEE ECCE, 553-560; M. Yilmaz, P.T. Krein (2013), 플러그-인 전기 및 하이브리드 차량을 위한 배터리 충전기 토폴로지, 충전 전력 레벨, 및 인프라구조의 검토(Review of Battery Charger Topologies, Charging Power Levels, and Infrastructure for Plug-In Electric and HybridVehicles), IEEE Transactions on Power Electronics, 28(5):2151-2169].
종래 기술의 차량에 있어서, 차량은 일반적으로 고전압 배터리의 단자들에 대한 직접 액세스를 충전 시스템에 제공하고, 그 결과 충전 시스템은 전류-제어 및/또는 전압-제어 방식으로 매우 높은 전류로 고전압 배터리를 충전할 수 있다. 전기 충전 에너지가 변환되지 않는 배터리에 대한 실질적인 직접 액세스로 인해, 통상의 변환 전력 전자 충전 회로, 예컨대 DC-DC 컨버터 또는 제어식 정류기(이들의 반도체 및 자기 부품은 가열로 인한 엄격한 전류 제한이 있음)의 제한을 피할 수 있다. 그러므로, 더 높은 전류를 이용한 훨씬 더 빠른 충전이 가능하다. 동시에, 매우 무겁고, 부피가 크며, 비용-집약적인 전력 전자 충전 회로를 방지할 수 있고, 그에 따라 차량 중량을 감소시킬 수 있다. 게다가, 충전 제어가 DC 전압 충전 시스템에서 수행될 수 있다.
그러나, 최대 400V에 이르는 DC-전압 충전이 종래 기술에 도입되었다. 따라서, 더 높은 배터리 전압을 갖는 미래 차량은 DC-전압 충전 시스템을 제공하는 기존의 충전소를 사용하여 충전될 수 없거나 부분적으로만 충전될 수 있다. 기존의 충전 인프라구조와 호환 가능하지 않은 이와 같은 차량은 제조자의 입장에서 판매 가능하지 않을 수 있다.
DC-전압 충전 시스템으로부터의 DC 전압 또는 직류를 차량의 자체 배터리 전압으로 순응시키는 종래 기술의 DC-DC 컨버터의 사용은 다수의 단점이 있다. 현재 150 kW를 초과하는 극도로 높은 충전 전력으로 인해, 이와 같은 DC-DC 컨버터는 공간적으로 매우 클 것이며, 코일 및 트랜스포머와 같은 현재 통합될 수 없는 자기 부품들로 인해 매우 무겁고 비용-집약적일 것이다. DC-DC 컨버터는 각각의 차량에서 배터리를 위해 개별적으로 설계되어야 할 것이기 때문에, 이는 차량 내에 설치될 가능성이 매우 높을 수 있고, 그에 따라 전기 차량의 극도로 높은 중량을 증가시키며 범위를 제한할 수 있다. 종래 기술에 따르면, 스위칭 변환의 원리에 따라 변환될 막대한 필수 전력은 전자기 간섭의 상당한 배출을 초래할 것이며, 이는 차량 내의 DC-DC 컨버터에서 현재 알려져 있는 간섭보다 적어도 두 자릿수 더 클 수 있다.
DC-전압 충전 시스템은 또한 고전압 배터리 단자들에 대한 직접 액세스를 가정하기 때문에, 전압을 순응시키는 이와 같은 개재된 DC-DC 컨버터는 한편으론 배터리의 충전 제어를 수행해야 할 것이지만, 다른 한편으론 DC-전압 충전 시스템에 감소된 전압을 갖는 배터리를 시뮬레이션 해야 할 것이다. 이와 같은 DC-DC 컨버터는 정교한 제어를 요구하며 현재 종래 기술에 도입되지 않는다.
문헌 US　2009/0079384는, 일종의 스위칭 매트릭스를 통해, 모두 직렬 또는 병렬로 배터리 모듈들을 나타내며 이 경우 막스 컨버터와 유사한 시스템을 기술한다. 이러한 해법은 한편으론 매우 많은 수의 스위치들을 요구한다는 단점이 있고, 다른 한편으론 이 스위치들이 양방향이어야 한다. 그러나, 양방향 스위치들은 고비용으로만 반도체 스위치들로서 실시될 수 있다. 특히, 스위치들은 최대 배터리 전압을 위해 설계되어야 하며, 이를 분리할 수 있어야 한다.
문헌 US　2012/0007557은, 동작 중에 변경 불가능한 커넥터들 또는 다른 장치들을 적절하게 설계함으로써, 배터리가 예컨대 배터리 소자들의 직렬 회로로서 충전되지만 병렬 회로로서 방전되는 시스템을 제시한다.
문헌 US 4,818,928은 2개의 배터리 소자로 구성되는 배터리를 기술하되, 2개의 배터리는 전기 스위치에 의해 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있고, 부하에 제시될 수 있다.
복수의 배터리 소자의 작동과 균일한 부하 인가 및 충전의 가능성이 문헌 US　2012/0091731에 기재되어 있다. 상기 문헌은 전기 부하의 구동 중의 직렬 회로와 충전 동작 중의 병렬 회로 사이에서 복수의 배터리 뱅크 내에 배치되는 복수의 배터리의 배치를 제어하는 배터리 충전 시스템을 기술한다.
문헌 US　2012/0200242는, 적절한 스위칭에 의해, 배터리를 변경함으로써 2개의 전용 배터리를 사용하여 부하에 대해 전압의 극성을 동적으로 설정하는 것을 가능하게 하는 시스템을 제시한다. 그럼에도, 이는 절대값의 전압을 발생시킬 수 없으며, 특히 사용되는 배터리들의 두 전압 외의 전압을 발생시킬 수 없다.
문헌 US　2013/0127400은 차량 내의 2개의 배터리, 메인 배터리와 보조 배터리의 병렬 동작을 개시하되, 보조 배터리는 단기간 내에 하나 이상의 부하에 공급하고, 메인 배터리는 전압 컨버터, 예컨대 DC-DC 컨버터를 통해 보조 배터리를 재충전할 수 있다. 2개의 배터리는 결합될 수 없으며, 배터리의 전압 레벨 외의 전압 레벨을 발생시키기 위해 스위칭 변환에 의존해야 한다. 이러한 동작을 가능하게 하는 전자 회로가 제공되지 않는다.
문헌 내의 다수의 발명이 더 낮은 손실로 전하차를 능동적으로 보상하기 위해 배터리의 부분들, 일반적으로 배터리의 상이한 셀들 사이에 전하를 교환하기 위한 회로를 기술한다. 예컨대, 문헌들 US 5,710,504와 US 6,064,178 및 H.-S. Park, C.-E. Kim, C.-H. Kim, G.-W. Moon, J.-H. Lee의 간행물[(2009), HEV 리튬-이온 배터리 스트링을 위한 모듈화 전하 등화기(A modularized charge equalizer for an hev lithium-ion battery string), IEEE Transactions on Industrial Electronics, 56(5):1464-1476] 및 Einhorn 등의 간행물[M. Einhorn, W. Roessler, J. Fleig (2011), 전기 차량 내의 능동 셀 균형을 이용한 직렬 연결 리튬-이온 배터리의 개선된 성능(Improved performance of serially connected Li-ion batteries with active cell balancing in electricVehicles), IEEE Transactions onVehicular Technology, 60(6):2448-2457.]은 각각 저장 소자, 예컨대 커패시턴스 또는 인덕턴스를 사용함으로써 배터리의 부분들 사이에서 전하를 교환하는 상이한 시스템을 기술한다.
그러나, 종래 기술의 이러한 문헌들 중 어느 것도, 높은 전력이 제거되거나 공급될 수 있는 방식으로, 배터리로부터 적어도 하나의 추가적인 전압 레벨을 발생시키는 해법을 제공하지 않는다.
본 발명의 하나의 목적은 고전압 에너지 저장부로부터 동일한 및/또는 더 낮은 전압의 복수의 전압 레벨을 제어하는 것을 가능하게 하는 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징부를 갖는 배터리 시스템으로 달성된다.
본 발명의 범주 내에서, "배터리 시스템"이라는 용어는 적어도 하나의 배터리를 구비한 전기 회로, 및 이 회로의 폐회로 제어부 및/또는 개회로 제어부를 의미하는 것으로 이해된다.
"배터리"라는 용어는 임의의 형태의 전기 에너지 저장부, 전기 에너지 공급원, 재충전 가능한 배터리, 갈바닉 셀, 또는 갈바닉 소자 및 배선(직렬 및/또는 병렬), 결합구, 및/또는 이들의 조합을 의미하는 것으로 이해된다.
"배터리 소자"라는 용어는 배터리를 형성하기 위해 적절한 회로를 통해 상호연결되는 동일한 또는 이종의 서브유닛들, 셀들, 또는 배터리 부분들을 의미하는 것으로 이해된다. 사이에 전압이 제공되는 배터리 탭들의 쌍들도 마찬가지로 배터리 소자를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명은 복수의 전압 레벨이 적어도 하나의 배터리로 복수의 대응하는 부하 소비장치를 위해 제공되는 것을 허용하는 배터리 시스템을 제공한다. 이를 위해, 적어도 하나의 배터리는 복수의 배터리 소자를 구비한다. 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛 및 적어도 하나의 스위칭 소자를 갖는 스위칭 유닛이 또한 제공된다. 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛은, 복수의 배터리 소자 중 적어도 하나의 적절하게 동적으로 변화하는 서브 세트로부터의 배터리 소자들이 연결되도록, 시간 경과에 따라 적어도 하나의 스위칭 소자를 동적으로 스위칭할 것을 스위칭 유닛에 지시하도록 구성되고, 그로 인해, 제공될 각각의 전압 레벨이 복수의 부하 소비장치를 위해 제공된다.
이 경우, 서브 세트는 하나 이상의 배터리 소자로 이루어진 집합이다. 본 발명에 따르면, 서브 세트 내의 배터리 소자들은 적어도 하나의 스위칭 소자의 대응하는 스위칭 위치와 함께 서로 연결된다. 적어도 하나의 스위칭 소자의 대응하는 스위칭 위치와 함께 서로 연결될 수 있는 배터리 소자들을 각각 한정하는 복수의 서브 세트를 제공한 후 이러한 서브 세트들을 서로 연결하거나, 다른 배터리 소자들 또는 서브 세트들에 개별 배터리 소자들 또는 서브 세트들을 연결하는 것을 방지하는 것을 고려할 수 있다. 이 경우, 서브 세트들은 서로 동일할 수도 있고, 중첩될 수도 있으며, 완전히 상이할 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 일 구현예에서, 각각의 배터리 소자들에는 적어도 하나의 기정의된 제어 목표의 달성에 의해 목표한 대로 전하가 인가된다.
본 발명에 따르면, 각각의 복수의 부하 소비장치를 위해 상이한 전압 레벨이 제공될 수 있으며, 각각의 부하 소비장치는 상기 전압 레벨에 적합하게 설계되고 구성된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 일 구현예에서, 배터리 및/또는 배터리 소자는 배터리 및/또는 배터리 소자의 양극과 음극 사이에 배치되는 적어도 하나의 추가 배터리 탭을 구비하되, 이는 다른 추가 배터리 탭들과 결합될 수 있으며, 양극과 음극 사이에 제공될 수 있는 배터리 및/또는 배터리 소자의 총 전압과 상이한 부분 전압을 제공하기 위해 사용될 수 있고, 양극 및 음극 자체는 각각 배터리 탭을 형성한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛은, 스위칭 소자들을 스위칭함으로써 복수의 배터리 소자에 목표한 대로 전하가 인가되는 방식으로 배터리 탭들 사이에서 상호 스위칭할 것을 스위칭 유닛에 지시하도록 구성된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 배터리는 양극과 음극 사이의 출력 단자들의 쌍에 추가로, 상기 양극과 음극 사이에 제공될 수 있는 배터리의 총 전압과 적어도 때때로 상이한 전압을 제공하는 하나 이상의 출력 단자들의 추가 쌍을 갖는다.
배터리 탭들 및 출력 단자들은, 전기 공급원, 전기 싱크, 전기 저장부, 또는 전기 라인들을 연결하도록 설계된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 하나 이상의 출력 단자 쌍은 하나 이상의 스위칭 소자를 가지며, 상기 스위칭 소자는 그의 스위칭 방향에 따라 하나 이상의 출력 단자 쌍을 교대로 배터리 탭들의 적어도 2개의 상이한 조합과 전기적으로 연결하거나 분리한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 출력 단자들의 적어도 2개의 상이한 쌍들이 적어도 하나의 스위칭 소자를 통해 관련된, 동일하지 않은 세트의 배터리 탭 쌍에 연결될 수 있다.
다른 구현예에서, 본 발명에 따른 배터리 시스템은 하나 이상의 출력 단자 쌍에 복수의 전압 레벨을 제공하도록 구성되되, 이들 사이에 때때로 변경이 가능하다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 두 상이한 구현예에서, 배터리 탭들의 적어도 2개의 동일하지 않은 쌍이 대략 동일한 전압을 갖거나 동일한 전압을 갖지 않는다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 일 구현예에서, 적어도 하나의 스위칭 소자는 반도체 스위칭 소자이거나, 정류 소자 또는 정류기 소자이다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 출력 단자들의 적어도 하나의 추가 쌍에 의해 제공되는 전압은 양극과 음극 사이에 제공되는 전압보다 더 작다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 출력 단자들의 각각의 쌍에 의해 제공되는 전압은 동일한 극성을 가진다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 배터리 탭들은 각각의 배터리 소자가 배터리 탭들의 상이한 쌍들에 의해 동일한 빈도로 둘러싸이도록 배터리를 세분한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 배터리 제어부는 하나 이상의 출력 단자 쌍을 배터리 탭들에 연결하기 위한 위치에서 스위칭 소자들의 체류 시간을 폐회로 제어 또는 개회로 제어한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 추가적인 구현예들에서, 배터리 제어부는 100Hz 미만의 전환 속도 또는 1Hz 미만의 전환 속도로 배터리 탭들의 조합들 사이에서 전환할 것을 스위칭 유닛에 지시하도록 구성된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 전기 필터가 하나 이상의 출력 단자 쌍에 균일한 전압을 발생시킨다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 배터리 시스템은 하나 이상의 출력 단자 쌍에서 예상되고/예상되거나 요구되는 전압을 검출하고, 배터리 제어부는 예상 및/또는 요구된 전압이 하나 이상의 출력 단자 쌍에 존재하도록 스위치들을 적절하게 설정할 것을 스위칭 유닛에 지시한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 하나 이상의 출력 단자 쌍과 배터리 탭들의 상이한 쌍들 사이의 쌍 방식의 연결(paired connection)은 적어도 하나의 스위칭 소자를 통해 교대로 이루어지며, 다시 말해, 출력 단자들의 쌍들은 배터리 탭들의 상이한 쌍들에 교대로 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 배터리 탭들의 전위와 출력 단자들의 전위는 모두 서로 간에 및/또는 서로에 대해 동적으로 안정화된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 하나 이상의 출력 단자 쌍은 적어도 하나의 인덕턴스 및 적어도 2개의 커패시턴스를 갖는 CLC 필터를 구비하되, 적어도 2개의 커패시턴스는 각각 인덕턴스의 전기적 연결부에 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 하나 이상의 출력 단자 쌍은 적어도 2개의 인덕턴스 및 적어도 하나의 커패시턴스를 갖는 LCL 필터를 구비하되, 적어도 2개의 인덕턴스는 각각 커패시턴스의 전기적 연결부에 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 하나 이상의 출력 단자 쌍 및/또는 적어도 하나의 배터리 탭은 적어도 하나의 전압 센서 및/또는 적어도 하나의 전류 센서를 구비하되, 이들로부터의 신호는 배터리 제어부로 전송된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 적어도 하나의 전류 센서는 적어도 하나의 센터 탭의 유입 및 배출 전하를 검출하도록 설계된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 2개의 비동일 배터리 탭들 사이의 전기전도성 연결을 도입할 수 있는 적어도 하나의 회로 루프는 전기전도성 연결을 차단하도록 구성되는 적어도 하나의 전기 퓨즈 및/또는 전기 접촉자를 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 적어도 하나의 배터리 탭 및/또는 하나 이상의 출력 단자 쌍은 배터리로부터 전기 라인을 차단하도록 구성되는 적어도 하나의 전기 퓨즈 및/또는 적어도 하나의 전기 접촉자를 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 적어도 하나의 배터리 탭 및/또는 하나 이상의 출력 단자 쌍은 적어도 하나의 인덕턴스 소자 및/또는 적어도 하나의 켜패시턴스 소자를 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 적어도 하나의 배터리 탭은 하나 이상의 출력 단자 쌍이 배터리 탭들의 모든 쌍들에 쌍으로 교번 연결될 때 각각의 전류 경로가 인덕턴스 소자들 중 하나를 통해 이어지는 방식으로 배치되는 적어도 하나의 인덕턴스 소자를 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예에서, 배터리 시스템은 측정 다중화기를 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 배터리 소자들은 상이한 물리적 및/또는 화학적 성질을 가진다. 예컨대, 전지 화학반응, 내부 저항, 전기화학 반응 속도, 에너지 밀도, 전력 밀도, 에너지 함량, 가열 거동, 충전 또는 방전 컷오프 전압, 에이징 거동, 또는 이들로부터 기인한 성질들이 상이할 수 있다.
본 발명은 또한 하나 이상의 출력 단자 쌍과 배터리 탭들의 적어도 한 쌍 사이의 연결을 제어하기 위한 배터리 제어부를 포함한다. 배터리 제어부는 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛을 가지며, 배터리 제어부에 의해 시간에 따라 동적으로 바뀌는 배터리 탭 쌍들의 전압들의 가중 선형 조합을 통해 하나 이상의 출력 단자 쌍에 의해 제공될 전압을 개산(approximate)하고, 하나 이상의 출력 단자 쌍을 배터리 탭들과 연결하기 위한 위치에서의 스위칭 소자들의 임시 체류 시간을 폐회로 제어 또는 개회로 제어한다.
본 발명에 따른 배터리 제어부의 일 구현예에서, 배터리 제어부는 총 시간에서 각각의 스위칭 조합의 임시 체류 시간의 분량을 가중치로서 사용한다.
본 발명에 따른 배터리 제어부의 다른 구현예에서 배터리 제어부는, 미결정(under-determined) 선형 조합이 존재하는 경우, 추가의 제어 목표 또는 2차 조건, 예컨대 배터리 또는 배터리 소자들의 균일한 방전 또는 충전, 배터리 또는 배터리 소자들의 의도적인 불균등한 방전 또는 충전, 균일한 또는 의도적인 불균일한 에이징, 균일한 또는 의도적인 불균일한 가열 또는 온도 분포, 동일한 또는 의도적인 불균등한 전압, 또는 동일한 또는 의도적인 불균등한 충전 상태를 최적화한다.
본 발명의 추가적인 이점들 및 구성들은 설명 및 첨부 도면에서 나타난다.
본 발명의 범주를 벗어남 없이, 상기에 언급된 특징들 및 이하에 설명될 특징들이 각각의 명시된 조합뿐만 아니라 다른 조합들로 또는 단독으로 사용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 양극 및 음극 외에도 센터 탭을 또한 구비한 종래 기술의 배터리를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 원리를 도시한다.
도 3은 출력 단자들의 추가 쌍을 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 예시적인 구현예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예에서 통상의 전압 조건을 도시한다.
도 5 및 도 6은 적어도 하나의 스위치의 일 부분이 각각 정류기 소자의 형태인, 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 각각 도시한다.
도 7은 n개의 배터리 소자들, 배터리 탭들, 및 전기 스위치들을 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예의 도안을 도시한다.
도 8은 배터리 탭들과 출력 단자들 모두의 전위가 서로 간에 및 서로에 대해 동적으로 안정화되는, 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 9는 하나 이상의 출력 단자 쌍에 CLC 필터를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 적어도 하나의 전류 센서 및 적어도 하나의 전압 센서를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 각각 도시한다.
도 11 내지 도 14는 적어도 하나의 전기 퓨즈 및/또는 적어도 하나의 전기 접촉자를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 각각 도시한다.
도 15는 배터리 또는 배터리 소자들의 균일한 전하 인가를 가능하게 하는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 16 및 도 17은 복수의 전압 레벨이 출력 단자들의 쌍에 존재할 수 있는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 18 및 도 19는 적어도 하나의 배터리 탭에 적어도 하나의 인덕턴스 소자를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 각각 도시한다.
도 20은 하나 이상의 출력 단자 쌍에 적어도 하나의 인덕턴스 소자를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 21은 적어도 하나의 배터리 탭에 적어도 하나의 인덕턴스 소자 및 적어도 하나의 전기 퓨즈 및/또는 전기 접촉자를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 22는 적어도 하나의 전기 스위치의 대응하는 위치의 결과로 출력 단자들의 적어도 2개의 쌍들이 각각 때때로 상이한 DC 전압을 갖는, 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 23은 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예의 적어도 하나의 배터리 탭에 대한 제어를 도시한다.
도 24는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예의 배터리 탭에 대한 추가적인 제어를 도시한다.
도 25는 적어도 하나의 전류 센서가 적어도 하나의 배터리 탭의 유입 및 배출 전류를 검출하며, 스위칭 유닛 내의 개별 스위치들을 폐회로 제어 또는 개회로 제어하기 위해 이를 사용하는, 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
종래 기술에 따른 배터리가 도 1을 참조하여 예시된다. 배터리는 제1 배터리 소자(101) 및 제2 배터리 소자(102)를 구비한다. 배터리는 또한 양극(103) 및 음극(104)을 가진다. 배터리는 또한 추가 배터리 탭(105)을 구비한다. 여기서 이른바 센터 탭으로 지칭되는 추가 배터리 탭(105)은 제1 배터리 소자(101)와 제2 배터리 소자(102) 사이에 배치된다. 추가 배터리 탭(105)에 의해, 배터리는 복수의 전압을 제공하기에 적합하다. 부하(106)가 배터리에 연결된다. 그러나, 연결된 부하(106)는 불균등한 방식으로 배터리에 전하를 인가하며, 다시 말해 배터리는 불균등하게 충전되거나 방전될 것이다.
본 발명의 원리를 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 제1 배터리 소자(1) 및 제2 배터리 소자(2)를 갖는 배터리(9)를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)을 도시하되, 이들 사이에서 전압이 출력 단자들의 쌍(4)에 제공될 수 있다. 배터리(9)는 양극(8+) 및 음극(8-)을 가진다. 출력 단자들의 쌍(4)은 출력 단자들(4a, 4b)로 형성된다. 도시된 배터리 시스템(10)은 또한 스위칭 유닛(3)을 구비한다. 스위칭 유닛(3)은 제1 배터리 소자(1)와 제2 배터리 소자(2) 사이에서 동적으로 교번 전후 스위칭하고, 추가 출력 단자들의 쌍(5)에 배터리 소자들(1, 2)을 연결하도록 구성된다. 이어서 또한 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)이 출력 단자들(5a, 5b)로 이루어진 출력 단자들의 추가 쌍(5)을 둘 이상 구비하는 것을 고려할 수 있다. 출력 단자들의 적어도 하나의 추가 쌍(5)은 그 자체의 전압 레벨을 형성한다. 출력 단자들의 적어도 하나의 추가 쌍(5)에 의해 제공될 수 있는 전압은 양극(8+)과 음극(8-) 사이의 출력 단자들의 쌍(4)에 의해 공급될 수 있는 전압과 적어도 때때로 상이할 수 있다. 전기 부하들 또는 부하 소비장치들이 출력 단자들의 쌍들(4, 5)에 연결될 수 있다. 연결될 수 있는 부하들은 또한 바로 차량의 고전압 및/또는 저전압 전기 시스템, 버퍼 배터리, 또는 이와 유사한 것일 수 있다. 버퍼 배터리는 출력 단자들의 추가 쌍(5) 사이의 전압의 시간 평균(temporal average)에 대응하는 동작 전압을 가진다. 스위칭 유닛(3)은 전기전도성 방식으로 출력 단자들의 추가 쌍(5)에 제1 배터리 소자(1) 또는 제2 배터리 소자(2)를 동적으로 교번 연결하도록 구성된다. 이를 위해, 스위칭 유닛(3)은 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 구비한다.
도 3에 도시된 배터리 시스템(10)에서, 스위칭 유닛(3)은 각각 반도체 소자, 여기서 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)인 4개의 스위칭 소자(6)를 구비한다. 그러나, 전계 효과 트랜지스터, 바이폴라 트랜지스터, 사이리스터, 트라이악, 또는 유사 전자 스위치와 같은 다른 반도체 소자가 또한 사용될 수 있다는 것을 고려할 수 있다. 릴레이도 마찬가지로 고려할 수 있다. 또한, 2개의 스위칭 소자(6) 중 하나는 게다가 또한 각각 정류 스위치, 예컨대 다이오드, 쇼트키 정류기, 또는 다른 정류기 소자일 수 있다.
본 개시의 범주 내에서. "전기 스위치" 또는 "스위칭 소자"라는 용어는 또한 전자 스위칭 소자를 의미하는 것으로 이해된다.
배터리(9)는 또한 센터 탭(7) 형태의 추가 배터리 탭을 구비한다. 출력 단자들의 적어도 하나의 추가 쌍(5)은 스위칭 유닛(3) 내의 전기 스위치들(6)을 통해 전기전도성 방식으로 전기 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 적어도 2개의 상이한 조합에 동적으로 교번 연결될 수 있다. 이는 전기 출력 단자들의 각각의 상기 적어도 한 쌍(4, 5)의 2개의 출력 단자(4a, 4b, 5a, 5b) 중 적어도 하나가 전기 배터리 탭(7, 8+, 8-)으로부터 전기적으로 분리될 수 있고, 적어도 하나의 전기 스위치(6)를 통해 전기전도성 방식으로 다른 전기 배터리 탭(7, 8+, 8-)에 연결될 수 있다는 것을 의미한다. 출력 단자들의 각각의 상기 쌍들(4, 5)의 양 단자(4a, 4b, 5a, 5b)가 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 (쌍 방식의) 조합으로부터 전기적으로 분리될 수 있고, 전기전도성 방식으로 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 다른 조합에 연결될 수 있다는 것을 고려할 수 있다. 이 경우, 배터리 탭들의 각각의 조합은 그 자체로 본 발명의 의미에서 하나의 서브 세트를 형성한다. 각각의 단자(4a, 4b, 5a, 5b)가 2개의 전기 스위치(6)를 가지는 것, 즉 출력 단자들의 각각의 쌍(4, 5)에 대해 4개의 전기 스위치(6)를 또한 고려할 수 있다.
출력 단자들의 적어도 2개의 쌍들(4, 5) 및 적어도 3개의 배터리 탭들(7, 8+, 8-)에 의해, 배터리 시스템(10)은 출력 단자들(4a, 4b, 5a, 5b) 중 어떤 것도 배터리 탭들(7, 8+, 8-) 중 하나에 직접 전기적으로 연결되지 않는 방식으로 구성된다. 출력 단자들의 쌍(5)은 여기서 커패시턴스(13)로서 선택적 커패시터를 구비한다.
배터리(9)가 전하를 포함하는 경우, 출력 단자들의 각각의 쌍(4, 5)에 제공되는 전압은 배터리(9)의 양극(8+)과 음극(8-) 사이의 전압보다 작고, 이 경우, 제공되는 전압은 동일한 극성을 가진다.
배터리(9) 상에 전기 배터리 탭들(7, 8+, 8-)을 배치한 결과로, 배터리(9)는 배터리(9)의 각각의 부분이 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 이러한 쌍들 중 상이한 하나에 의해 동일한 빈도로 둘러싸이는 방식으로 세분될 수 있다. 전기 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들이 출력 단자들의 특정 쌍들(4, 5)과 전기적으로 연결되는 방식으로 스위치들(6)을 설정하기 위해, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)으로부터의 제어 신호(11)를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 전기 스위치들(6)에 의해 대략 동일한 전압으로 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 적어도 2개의 비동일 쌍들 사이에서 출력 단자들의 쌍(4, 5)을 전후 스위칭하도록 스위칭 유닛(3)에 지시한다.
가장 간단한 경우, 예컨대, 출력 전압으로 배터리 전압의 1/n만을 갖도록 의도되는 배터리 시스템(10)을 위한 배터리(9)는 개념상 n개의 동일한 부분들로 분리되고, 전기 배터리 탭(7)이 두 부분 사이의 각각의 경계에 생성되되, 2개의 인접한 배터리 탭들(7)은 각각 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍을 형성하며, 가장자리 배터리 탭들(8+, 8-)과 별도로, 각각의 배터리 탭이 배터리 탭들의 2개의 쌍들에 포함된다. 본 발명에 따르면, 배터리(9)의 각각의 부분은 하나의 서브 세트를 형성할 수 있고, 그 결과 n개의 서브 세트가 생성된다. 대안적으로, 배터리(9)의 복수의 연결된 부분이 하나의 서브 세트를 형성한다. 대안적으로, 배터리(9)는 또한 개념상, 예컨대, 경계들에서 대응하는 배터리 탭들(7)을 갖는 동일한 크기의 2n개의 부분들로 분리될 수 있고, 이 경우 한 쌍은 각각 매 두 번째 배터리 탭(7)을 포함하고, 그 결과 하나의 배터리 탭(7)은 그 바로 이웃의 이웃과 함께 한 쌍을 형성한다. 배터리 탭들(7)의 쌍이 배터리(9)의 복수의 부분 또는 복수의 배터리 소자를 포함하는 경우, 이러한 복수의 부분 또는 배터리 소자는 하나의 서브 세트를 형성한다. 이 모든 경우에서, 배터리(9)의 임의의 부분 각각에 또한 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들과의 특정 전기 연결 조합들 내의 임시 체류 시간을 적절하게 선택함으로써 출력 단자들의 개별 쌍(4, 5)에 의해 균일하게 전하가 인가될 수 있거나, 또는 다른 조건을 충족시킬 수 있다.
이러한 가장 간단한 경우를 구체적으로 살펴보면, 예컨대, 2개의 배터리 소자(1, 2) 사이에 배치되는 센터 탭(7)을 구비하기 때문에 짝수의 배터리 소자들(1, 2)로 구성되며 800V의 전압을 제공할 수 있는 배터리(9)로부터, 400V의 제2 전압이 발생한다. 그 결과, 배터리(9)는 적어도 3개의 배터리 탭(7, 8+, 8-)을 구비하되, 양의 배터리 탭(8+)은 배터리(9)의 전기적으로 가장 양의 지점에 있고, 음의 배터리 탭(8-)은 배터리의 전기적으로 가장 음의 지점에 있으며, 센터 탭(7)은 배터리(9)의 대략 절반의 전압을 가진다. 전체 800V 시스템이 출력 단자들의 쌍(4)을 사용하여 음 및 양의 배터리 탭들(8-, 8+)로부터 계속 공급되는 반면, 센터 탭(7)과 음의 배터리 탭(8-)의 조합 및 양의 배터리 탭(8+)과 센터 탭(7)의 조합은 각각 대략 절반의 전압을 제공한다. 400V 부하들이 이제 원칙적으로 각각의 2개의 조합으로부터 동작될 수 있지만, 이와 같은 과정은 배터리(9)의 두 부분에 불균일하게 전하가 인가되는 결과를 가져올 것이다. 게다가, 예컨대 이미 제조 중 2개의 조합 간의 복수의 부하의 하드-와이어드(hard-wired) 분포에 의한 등화는 불균일한 전하 인가의 위험을 감소시키지만 배제할 수는 없기 때문에 바람직하지 않다. 본 발명에 따르면, 대신에, 전기 스위치들(6)을 사용함으로써 도 3에 도시된 배터리(9)의 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 2가지의 선택적 조합 사이에서 400V 부하를 스위칭할 수 있다. 각각의 조합이 스위칭되는 평균 기간을 적절하게 선택함으로써, 예컨대 이미 흐른 전하에 기초하여, 2개의 대안적인 조합 간에 균일하게 부하를 분배할 수 있다. 균일한 방전/충전 외에도, 의도적인 불균등한 방전/충전, 균일한 또는 의도적인 불균일한 에이징, 균일한 또는 의도적인 불균일한 가열 또는 온도 분포, 동일한 또는 의도적인 불균등한 전압, 또는 동일한 또는 의도적인 불균등한 충전 상태가 추가로 또한 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)에 의한 폐회로 제어 또는 개회로 제어 목표로 사용될 수 있다. 복수의 이러한 폐회로 제어 또는 개회로 제어 목표는 또한 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 충분히 큰 수의 대안적인 쌍들과 동시에 사용될 수 있되, 이들 사이에서 출력 단자들의 특정 쌍(4, 5)이 스위칭될 수 있다.
배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 비동일 쌍들의 전압이 상이한 경우, 개별 조합들 내의 회로의 적절한 체류 시간에 의해 시간 평균적으로 출력 단자들의 한 쌍(4, 5)의 전압 레벨을 위한 전압을 발생시키기 위해, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들의 다양한 조합들 사이의 전환을 사용한다. 이를 위해, 배터리(9)는 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들의 복수의 조합을 가질 수 있고, 그 결과 대응하는 전압 레벨의 기정의된 전압의 발생은 개별 조합들 내의 회로의 적절한 체류 시간에 의해 2개 이상의 해법을 적어도 때때로 가능하게 하므로, 미결된다. 적어도 하나의 추가적인 제어 목표 또는 적어도 하나의 추가적인 경계 조건을 고려함으로써, 미결정 속성을 제거하거나 감소시킨다. 제어 목표 또는 경계 조건은 균일한 방전 또는 충전, 균일한 에이징, 균일한 열화, 균일한 충전 상태, 또는 균일한 온도일 수 있다. 일례로, 4개의 배터리 소자로 이루어진 배터리(9)가 있는데(예컨대, 배터리 소자들(1, 2)은 각각 2개의 절반부로 세분될 수 있고, 추가 배터리 탭(센터 탭; 7)을 구비할 수 있음), 이는 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들의 복수의 조합을 사용하여, 예컨대 총 배터리 전압의 1/4 또는 절반의 전압을 제공하는 것을 가능하게 한다.
배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들 간의 스위칭 동작은, 직접적으로 상기 스위칭 동작으로 인해 발생하는 열 형태의 추가 에너지 손실이, 배터리 시스템에서 상호 스위칭 없이 발생할 열 형태의 에너지 손실의 10% 미만이 되도록, 낮은 주파수에서 바람직하게 수행된다.
배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들 간의 스위칭 동작은 바람직하게 100Hz 미만의 주파수에서 수행된다. 1Hz 미만의 주파수가 특히 바람직하다.
도 4는 배터리 시스템(10)의 동작 중에 충족되는 전압 조건을 도시한다. 도 4는 도 3의 회로를 실질적으로 재구성한 것이다. 양전압이 출력 단자들(4a, 5a; 5a, 5b; 5b, 4b) 사이에 각각 존재한다. 양전압은 마찬가지로 트랜지스터(6)를 가로질러 센터 탭(7)까지, 그리고 트랜지스터(6)를 가로질러 회로의 음극(8-)까지 존재한다. 따라서, 출력 단자들의 각 쌍(4, 5)에 의해 제공되는 전압은 동일한 극성을 가진다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 구현예를 도시한다. 그러나, 스위칭 유닛(3)은 4개의 IGBT(6)를 구비하는 것이 아니라, 각각의 경우 2개의 IGBT만을 구비한다. IGBT들(6) 중 2개는 각각 정류기 소자(14), 예컨대 다이오드 또는 쇼트키 다이오드로 교체되었다. 선택적인 커패시턴스(13)가 마찬가지로 회로 내에 실시된다.
도 7은 제한되지 않은 수(n)의 배터리 소자들(1, 2, ..., n)에 대한 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 예시적인 회로를 도시한다. 본 구현예에서, 배터리(9)는 다수의 추가 배터리 탭(7) 및 다수의 전기 스위칭 소자(6-1, 6-2, ..., 6-n)를 구비한다. 전기 스위칭 소자들(6-1, 6-2, ..., 6-n)은 각각의 경우 배터리 탭들(7)의 한 쌍에 출력 단자들(4a, 4b)의 적어도 한 쌍을 연결한다. 전압(15)은 각각 개별 배터리 셀들 또는 더 큰 유닛들일 수 있는 배터리 소자들(1, 2, ..., n)의 전압에 대응한다. 배터리(9)의 최대 전압이 양극(8+)과 음극(8-) 사이에서 사용 가능하다.
도 8a 및 도 9a는 배터리 탭들(7, 8+, 8-)과 출력 단자들(5a, 5b) 모두의 전위가 서로 간에 및 서로에 대해 동적으로 안정화되는, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 구현예를 각각 도시한다. 이를 위해, 적어도 2개의 연결에 의해 하나의 배터리 탭(7, 8+, 8-) 및/또는 하나의 출력 단자(5a, 5b)에 각각 전기적으로 연결되며, 각각의 스위칭 소자(6)와 평행하게 배치되는 적어도 하나의 안정기(16)를 이용한다. 이러한 방식으로, 배터리 탭들(7, 8+, 8-) 및/또는 출력 단자들(5a, 5b)은 그 전위에 대해 매우 작은 간격 또는 최소 간격을 갖는 안정기들(16)을 통해 서로에 대해 안정화된다. 안정기들(16)은 또한, 전환과 연관되는 회로의 원하는 또는 원하지 않는 인덕턴스(19; 도 9a) 내의 빠른 전류 경로 변화가, 예컨대 출력 단자들(4a, 4b, 5a, 5b) 및 배터리 탭들(7, 8+, 8-)에서의 전압의 바람직하지 않은 간섭 및/또는 부품들의 고전압 부하 및 절연을 초래하는 유도 전압 스파이크를 초래하는 것을 방지한다. 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 전기 스위칭 소자들(6)에 제어 신호(11)를 전송하며, 출력 단자들(5a, 5b) 사이에 배치되는 전압 측정 장치(17)로부터 센서 신호(18)를 수신한다.
도 9a에서, 전기 또는 전자 스위칭 소자들(6)은 트랜지스터 형태이다. 게다가, 하나 이상의 출력 단자 쌍(5)은 적어도 하나의 인덕턴스(19) 및 상기 인덕턴스(19)의 전기 연결에 각각 연결되는 적어도 2개의 커패시턴스(13)를 갖는 이른바 CLC 필터(capacitor-inductor-capacitor filter)를 구비한다. 안정기 네트워크 내의 하나 이상의 커패시턴스는 예컨대 전류-구동 유도 현상으로 인해 사전 개방된 스위치에도 불구하고 소멸되지 않은 전류가 전압의 느린 상승만을 초래하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전기 저항이 커패시턴스(13)와 직렬 연결될 수도 있다. 필터는 또한 예컨대 2개의 인덕턴스(19) 및 하나의 커패시턴스(13)를 갖는 인덕터-LCL 필터(inductor-capacitor-inductor filter)일 수 있다.
도 8b 및 도 9b는 도 8a 및 도 9a의 배터리 시스템(10)을 실질적으로 도시하지만, 다이오드들(20)이 안정기 네트워크(16)에 속해 있다. 도 8b에서, 전기 스위칭 소자들(6)은 트랜지스터들로 교체되었다. 본 발명에 따른 동적 안정기 네트워크는 예컨대 과전압을 방전하는 것이 가능할 수도 있다. 이는 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 사용함으로써 수행될 수 있고, 그 전기 전도성은, 예컨대 또한 서지 다이오드, 과도 전압 억제 장치, 또는 제너 다이오드와 같이, 소정의 최소 전압을 갖는 전압 펄스의 발생 시에 단기간에 굉장히 증가한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 다른 구현예들을 도시하며, 전류 센서(21)로 도 8a 내지 도 9b에 도시된 도면을 실질적으로 확장한다. 도 9b를 확장하거나 보완하는 도 10a에서, 전류 센서(21)는 인덕턴스(19)의 상류에서 출력 단자(5a)에 배치된다. 전류 센서(21)로부터의 센서 신호(18)는 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)으로 전송된다. 도 10b에서, 전류 센서(21)는 센터 탭(7)에 배치되며, 유입 및 배출 전하를 검출한다. 전류 센서들(21)은 원칙적으로 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 임의의 구현예에 설치될 수 있다. 각각의 배터리 소자(1, 2)의 전류 부하를 등화하기 위해, 전류 센서들(21)의 제로 위치를 사용할 수 있으며 제어에 의해 목표로서 사용할 수 있다.
도 11 내지 도 14는 전기 퓨즈들(22) 및/또는 전기 접촉자들(23)을 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 구현예들을 도시한다.
도 11의 회로는 2개의 전기 퓨즈(22) 및 2개의 전기 접촉자(23)를 구비한다. 도시된 회로에서, 전기 퓨즈들(22) 및 전기 접촉자들(23)을 구비한 전기 회로 루프는 특정 전기 스위치들(6)을 활성화하거나 손상시킴으로써, 예컨대 단선시킴으로써, 2개의 비동일 배터리 탭들(7, 8+, 8-) 사이의 전기전도성 연결, 특히 이른바 단락을 도입할 수 있다. 전기 퓨즈들(22) 및 전기 접촉자들(23)은 전기 전도성 연결을 차단하도록 구성된다.
도 12에 도시된 회로는 각각의 배터리 탭(7, 8+, 8-)에 전기 퓨즈(22) 및 전기 접촉자(23)를 구비한다. 전기 퓨즈들(22) 및 전기 접촉자들(23)은 배터리(9)로부터 배터리 탭(7, 8+, 8-)에 연결된 반도체 스위치들(6)을 전기적으로 분리할 수 있다.
도 13에 도시된 회로는, 2개의 상이한 배터리 탭들(7, 8+, 8-) 사이의 전기전도성 연결, 특히 또한 단락이 최소한의 전기 퓨즈들(22) 및/또는 전기 접촉자들(23)을 사용하여 분리될 수 있는, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 회로를 도시한다.
도 14에 도시된 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 회로에서, 배터리 탭들(7, 8+, 8-) 외에도, 각각의 출력 단자(4a, 4b, 5a, 5b)가 또한 전기 퓨즈(22) 및 전기 접촉자(23)를 구비한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 다른 양태가 도 16 및 도 17을 참조하여 예시된다. 본 발명에 따르면, 전기 스위치들(6)의 대응하는 위치와 함께 둘 이상의 전압(15)이 때때로 출력 단자들(5a, 5b)의 쌍에 제공될 수 있다. 도 16에서, 출력 단자들(5a, 5b) 사이의 전기 스위치들(6)을 위치시킴으로써, 배터리(9)의 양극(8+)과 음극(8-) 사이의 전압에 대응하는 전압(15)을 제공한다. 도 17은 출력 단자들(5a, 5b) 사이의 전기 스위치들(6)을 적절하게 위치시킴으로써, 배터리(9)의 배터리 소자(1, 2)의 전압에 대응하는 전압(15)을 어떻게 제공할 수 있는지 도시한다. 이를 위해, 배터리의 양극(8+)과 배터리 탭(7) 사이의 배터리 소자(1)의 전압이 일 스위치 위치에서 출력 단자들의 쌍(5)에 제공될 수 있다(도 17의 좌측). 회로가 다른 스위치 위치로 스위칭되는 경우(도 17의 우측), 출력 단자들(5a, 5b)에서의 전압(15)은 배터리의 배터리 탭(7)과 음극(8-) 사이의 제2 배터리 소자(2)의 전압에 대응한다. 따라서, 둘 이상의 전압(15)이 출력 단자들의 쌍(4)에 제공될 수 있다. 적절하게 전기 스위치들(6)을 전후 스위칭함으로써, 배터리(9)의 균일한 부하 및/또는 상기에 언급된 다른 제어 목표를 달성한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)은 어떤 전압이 출력 단자들의 쌍들(4, 5)에서 요구되거나 예상되는지 검출하도록 구성되며, 대응하는 전압이 출력 단자들의 쌍들(4, 5)에 제공되도록 전기 스위치들(6)을 설정하기 위해 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)을 사용한다. 이미 언급된 바와 같이, 추가적인 차량 전기 시스템 또는 다른 유닛, 예컨대 전기 부하, 전기 에너지 저장부, 및/또는 전기 충전기가 출력 단자들의 쌍들(4, 5)에 연결될 수 있다. 어떤 전압이 출력 단자들의 쌍들(4, 5)에서 요구되거나 예상되는지 검출하기 위해, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)은 도 8a, 도 8b, 도 9a, 도 9b, 도 10a, 및 도 10b에 도시된 바와 같이 전압 센서(17)를 구비한다. 그러므로, 전압이 출력 단자들의 쌍(5)에서 측정된다. 이러한 측정 중에, 전압(15)이 왜곡 없이 출력 단자들의 대응하는 쌍(5)에 인가되게 하기 위해, 그리고 적어도 하나의 전기 스위치(6)를 사용하여 배터리(9)의 부분들에 대한 쌍 방식의 전기 연결에 의해 전압을 변화시키는 것을 방지하기 위해, 모든 전기 스위치들(6)을 또한 비활성화할 수 있다.
대안적으로, 이러한 검출을 위해, 언급된 연결 유닛들 중 적어도 하나로부터 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 적어도 하나의 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)으로 적어도 하나의 전자 신호(18)를 전송할 수 있고, 이는 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)이 전기 스위치들(6)을 적절히 활성화하거나 스위칭할 것을 스위칭 유닛(3)에 지시할 수 있도록, 정확한 전압(15)의 표시를 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)에 제공한다.
예컨대, 본 발명의 이러한 양태에 따르면, 총 배터리 전압보다 상당히 작으며 그에 따라 상이한 배터리 소자들(1, 2, ..., n)에 동적으로 교번 연결되는 충전 전압, 및 총 배터리 전압과 동일하므로 배터리(9)의 양극 및 음극(8+, 8-)에 연결되어야 하는 전압 모두로 DC-전압 신속 충전을 수행하기 위해, 동일한 배터리(9)를 사용할 수 있다.
시간의 경과에 따른 전류의 보다 균일한 흐름을 발생시키기 위해, 도 18 내지 도 21에 도시된 회로들은 인덕턴스 소자들 또는 인덕턴스들(19)을 구비한다.
도 18에서, 인덕턴스(19)가 배터리 탭(7)에 배치된다. 추가로, 도 18의 회로는 출력 단자들의 쌍(5)에서 선택적 커패시턴스(13) 및 안정기들(16)을 갖는다.
도 19에서, 2개의 인덕턴스(19)가 회로 내에 통합된다. 하나의 인덕턴스(19)는 배터리(9)의 양극(8+)에 배치되며, 제2 인덕턴스(19)는 음극(8-)에 배치된다.
도 20은 출력 단자들의 쌍(5)에 인덕턴스(19)를 갖는다.
도 21에서, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)은 또한, 배터리 탭(7) 내의 인덕턴스 소자(19) 외에도, 배터리 탭(8+, 8-) 내에 전기 퓨즈(22)를 구비한다. 전기 퓨즈(22)는 또한 전기 접촉자(23)로 교체될 수 있다. 대안적으로, 전기 퓨즈(22)는 및 전기 접촉자(23) 또는 이들의 조합이 또한 사용될 수 있다.
도시된 구현예들에서, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 모든 쌍들에 대한 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5)의 교번적인 쌍 방식의 연결 중에 각각의 전류 경로가 인덕턴스 소자들(19) 중 하나를 통해 이어지도록, 적어도 하나의 인덕턴스 소자(19)가 적어도 하나의 배터리 탭(7, 8+, 8-) 내에 각각 배치되는 방식으로, 인덕턴스(19)가 이 경우 배치된다.
출력 단자들의 각각의 쌍(4, 5)으로부터의 전압은 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들에 의해 제공될 수 있는 최소 전압과 최대 전압 사이의 제1 근사치에 있되, 이들 사이에서 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 출력 단자들의 각각의 쌍(4, 5)을 전후 스위칭한다.
본 발명에 따르면, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 스위칭 소자들(6)을 사용하여 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 적어도 2개의 비동일 쌍들 사이에서 시간 경과에 따라 출력 단자들의 쌍들(4, 5)을 동적으로 전후 스위칭할 것을 스위칭 유닛(3)에 지시하도록 설계될 수 있고, 이 경우 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 이러한 쌍들 또는 배터리 소자들 또는 서브 세트들의 전부가 대략 동일한 제공 전압을 가지는 것은 아니다. 예컨대, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 한 쌍에 의해 제공되는 전압은 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 다른 쌍들에 의해 제공되는 전압과 20% 넘게 다를 수 있되, 이들 사이에서 스위칭 유닛(3)은 시간에 따라 출력 단자들의 쌍들(4, 5)을 동적으로 스위칭한다. 예컨대, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 한 쌍에 의해 제공되는 전압은 또한 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 다른 쌍들에 의해 제공되는 전압과 40% 이상 차이가 날 수 있되, 이들 사이에서 스위칭 유닛(3)은 출력 단자들의 쌍들(4, 5)을 스위칭한다.
폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 또한 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들에 출력 단자들의 쌍들(4, 5)을 연결하기 위해 각각의 위치에서 스위치들(6)의 임시 체류 시간을 폐회로 제어 또는 개회로 제어하도록 설계된다. 그 결과, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들 중 하나와 출력 단자들의 쌍(4, 5) 사이의 전기적 연결의 임시 체류 시간을 적절하게 선택함으로써, 출력 단자들의 쌍(4, 5)으로부터의 전압을 시간 평균적으로 설정할 수 있다.
이러한 양태는 도 15를 참조하여 예시된다. 예컨대, 배터리 소자(1, 2, 24) 각각에 자체적으로 출력 단자들의 쌍(5-1, 5-2)에 의해 균일하게 전하가 인가되지는 않도록, 또는 상기에 언급된 조건들 중 하나에 노출될 수 있도록, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들이 배터리(9)에 배치될 수 있다. 배터리 시스템(10)의 회로는 전기 스위치들(6)을 통해 출력 단자들의 쌍들(5-1, 5-2)에 전기적으로 연결될 수 있는 3개의 배터리 소자(1, 2, 24)를 구비한다. 회로는 또한 양극(8+) 및 음극(8-)에 적절하게 전기적으로 연결되는 출력 단자들(4a, 4b)을 구비한다. 출력 단자들의 쌍(5-1)은 (이후 서브 세트를 형성하는) 직렬 연결된 배터리 소자들(1, 2) 또는 (이후 그 자체가 서브 세트인) 배터리 소자(24) 또는 (이후 다른 서브 세트를 형성하는) 직렬 연결된 3개의 배터리 소자들(1, 2, 24)에 전기적으로 연결될 수 있다. 출력 단자들의 쌍(5-2)은 (이후 서브 세트를 형성하는) 직렬 연결된 배터리 소자들(2, 24) 또는 (이후 그 자체가 서브 세트인) 배터리 소자(1) 또는 (이후 서브 세트를 형성하는) 직렬 연결된 3개의 배터리 소자들(1, 2, 24)에 전기적으로 연결될 수 있다. 복수의 배터리 탭(7)이 서로 결합되는 경우, 예컨대 중간 모듈에 전하를 전달함으로써, 개별 배터리 소자들(1, 2, 24) 간에 전하를 교환할 수 있다. 이와 같은 중간 모듈은 배터리 소자(2)일 수 있다. 예컨대, 출력 단자들의 쌍(5-1)이 배터리 소자(24)에 전기적으로 연결되고 출력 단자들의 쌍(5-2)이 배터리 소자(1)에 전기적으로 연결되는 경우, 양극(8+)과 음극(8-) 사이의 배터리(9)의 총 전압의 1/3에 대응하는 전압(15-1 또는 15-2)이 각각 출력 단자들의 양 쌍(5-1, 5-2)에 제공된다. 그러나, 배터리 소자(2)에는 전하가 인가되지 않고, 그 결과 배터리 소자들(1, 2, 24)에 불균일하게 전하가 인가다. 그러나, 상기에 언급된 조합들 사이에서 시간 경과에 따라 적절하게 동적으로 스위칭함으로써 그리고 대응하는 위치에서의 대응하는 임시 체류 시간에 의해, 예컨대 배터리 소자(2)가 배터리 소자들(1, 2, 24) 사이에서 전하를 교환하기 위해 사용되기 때문에 배터리 소자들(1, 2, 24)에 균일하게 전하가 인가되는 상황을 달성한다. 각각의 배터리 소자는 하나 이상의 서브 세트와 연관될 수 있고, 서브 세트들은 각각의 스위칭 동작 후에 동적으로 변화되며, 상이한 및/또는 동일한 배터리 소자들을 포함한다는 것을 주목해야 한다.
도 22의 회로는 도 15의 회로의 대안이다. 이 경우에도, 배터리(9)는 3개의 배터리 소자(1, 2, 24)로 세분된다. 이 경우, 출력 단자들의 적어도 2개의 쌍들(5-1, 5-2)은 각각 적어도 하나의 전기 스위치(6)의 적절한 위치에 의해 때때로 상이한 DC 전압(15-1, 15-2)을 가질 수 있다. 도 15와 달리, 단지 제1 배터리 소자(1)의 전압 또는 단지 제2 배터리 소자(2)의 전압 또는 직렬 연결된 제1 및 제2 배터리 소자(1, 2)의 전압에 대응하는 전압(15-1)이 이제 전기 스위치들(6)의 대응하는 위치에 의해 출력 단자들의 쌍(5-1)에 제공될 수 있다. 출력 단자들의 쌍(5-2)에 제공되는 전압(15-2)의 상황도 마찬가지인데, 이는 단지 제3 배터리 소자(24)의 전압 또는 단지 제2 배터리 소자(2)의 전압 또는 직렬 연결된 배터리 소자들(2, 24)의 전압에 대응할 수 있다. 배터리 탭들(7, 8+, 8-) 사이에서 적절하게 동적으로 스위칭함으로써 배터리 및 배터리 소자들(1, 2, 24)에 균일하게 전하를 인가할 수 있다.
예컨대, 9개의 전기적 직렬 배터리 소자를 구비한 배터리(9)는, 각각의 경우 절반의 배터리 전압을 갖는 출력 단자들의 쌍을 형성하기 위해, 각각이 4개의 배터리 소자를 구비하는 2개의 비중첩 부분으로 세분될 수 있다(이들은 이후 각각 서브 세트를 형성한다). 그러나, 이러한 예의 (또한 서브 세트를 형성하는) 배터리 소자는 임의의 대안에 포함되지 않으며, 그 결과 개별 회로 상태에서 체류 시간을 의도적으로 선택하여도 모든 배터리 소자들에 균일하게 전하를 인가할 수 없고, 기본 연립방정식에서 상기 셀과 관련하여 특이점(singularity)이 존재한다.
다시 말하면, 배터리(9)의 최소 부분들의 세트, 예컨대 전기적으로 직렬 연결된 모든 개별 배터리 소자들(1, 2, 24)의 세트는 벡터 공간의 기저(basis)인 것으로 고려된다. 그 결과, 전기전도성 방식으로 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 특정 쌍에 출력 단자들의 특정 쌍(5-1, 5-2)을 쌍으로 연결하는 전기 스위치들(6)의 각각의 스위치 위치에 대해, 예컨대 출력 단자들의 쌍(5-1, 5-2)의 전압(15-1, 15-2)을 개별 배터리 소자들(1, 2, 24)의 전압의 선형 조합으로 묘사하는, 이러한 기저에 대한 벡터, 결과적으로 기저 벡터를 결정할 수 있다. 종합하면 대응하는 출력 단자(5a-1, 5b-1, 5a-2, 5b-2)에 대한 배터리 소자들(1, 2, 24)의 연결을 묘사하는 이와 같은 모든 벡터들의 세트가 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들에 대한 출력 단자들의 영향을 받은 쌍들(5-1, 5-2)의 모든 사용된 쌍 방식의 전기적 연결들에 대한 전체 랭크를 갖는 경우, 이러한 세트는 개별 배터리 소자들(1, 2, 24)로부터 상기 언급된 기저와 동일한 벡터 공간을 포괄한다. 이 경우, 출력 단자들의 각각의 쌍(5-1, 5-2)이 전기 스위치들(6)에 의해 쌍으로 전기적으로 연결될 수 있는 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 연관된 쌍들에 대한 출력 단자들의 이러한 적어도 2개의 쌍들(5-1, 5-2)의 임시 체류 시간을 개회로 제어 및/또는 폐회로 제어함으로써, 대응하는 등화가 가능하다. 이 경우, 이러한 등화에 수반되는 출력 단자들의 개별 쌍들(5-1, 5-2)의 전력은 장기간에 걸쳐, 즉 배터리(9)의 방전 기간의 10배의 기간에 걸쳐 시간 평균적으로 현저히 다르지 않아야 한다.
이와 관련하여, 도 23은 배터리 탭(7, 8+, 8-)을 위한 제어부(30)를 도시한다. 이를 위해, 상태 변수(32-1), 예컨대 배터리 탭(7, 8+, 8-)과 연관된 배터리 소자(1, 2, 24)의 실제 부하, 및 제어 목표(34-1), 예컨대 모든 배터리 부분들의 평균 부하를 일단 서로 비교한다. 이후, 제어기(25), 예컨대 PID 제어기가 배터리 탭들의 쌍 내의 비례적인 임시 체류 시간(36-1)을 결정한다. 이는 다수의 임의의 원하는 수의 배터리 탭(7, 8+, 8-) 각각에 대해 수행될 수 있다. 배터리 탭들(7, 8+, 8-)에 의해 개념상 형성되는 배터리 소자들(1, 2, 24)이 중첩되지 않는 방식으로, 출력 단자들의 특정 쌍(4, 5)에 배정되는 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들이 배터리(9) 상에 분배되는 경우, 이와 같은 등화는 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 각각의 배정된 쌍들에 대한 출력 단자들의 쌍들(4, 5)의 쌍 방식의 전기적 연결의 체류 시간에 의해 제공되되, 이 체류 시간은 시간 평균적으로 동일하다. 이러한 시퀀스는 간단함을 위해 순환적일 수 있다(이른바 라운드-로빈). 대안적으로, 예컨대 평균적으로 동일한 분포를 갖는 확률적인 시퀀스를 또한 사용할 수 있다.
배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들에 의해 형성되는 배터리 소자들(1, 2, 24)이 쌍으로 분해되지 않는 경우, 중첩된 배터리 소자들(1, 2, 24)의 증가된 부하를 고려해야 한다.
도 24는 복수의 제어 목표 및/또는 상태 변수(32-1)를 처리하는 제어부(30)를 도시하되, 각각의 제어 목표들은 가중치(mij)를 갖는 연계 행렬(38)을 이용한다. 상태 변수들("부하"; 32-1)은 일반적으로 본 명세서에 언급된 모든 제어 목표들, 예컨대 전하, 전류, 에너지, 온도, 및 이와 유사한 것을 구성할 수 있다.
총 시간의 각각의 스위칭 조합 내의 임시 체류 시간의 일부가 가중치(mij)로 사용되는 경우, 출력 단자들의 각각의 쌍(4, 5)의 전압은 또한 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들의 전압의 가중 선형 조합에 의해 개산될 수 있되, 이들 사이에서 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 시간 경과에 따라 출력 단자들의 쌍(4, 5)을 동적으로 스위칭한다.
전기 손실, 예컨대 전기 스위치들(6) 내의 손실은 일반적으로 실제 전압을 감소시킨다. 이러한 선형 조합은 또한, 주어진 전압에 대해, 적절한 가중치(mij) 및 그에 따른 평균 체류 시간(36)을 추정하는 데에 사용될 수 있는 방정식을 제공한다.
균일한 전압이 또한 적절한 전기 필터에 의해 출력 단자들의 쌍에 발생될 수 있다. 도 8a, 도 8b, 도 9a, 및 도 9b에서, 이와 같은 필터는 회로 내에 설치되는 인덕턴스들(19) 및/또는 커패시턴스들(13)을 사용하여 실시된다.
주어진 전압에 대한 선형 조합에 기초한 연립 방정식이 미결정되는 경우, 즉 원하는 전압을 발생시키는 복수의 해법이 발견될 수 있는 경우, 출력 단자들의 쌍들(4, 5) 및 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들의 특정 스위칭 조합 내의 평균 임시 체류 시간이 또한 적어도 하나의 2차 조건을 최적화하는 데에 사용될 수 있다. 2차 조건의 예로, 둘러싸는 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들에 의해 한정되는 배터리 부분들(1, 2, 24, ..., n; 도 7 및 도 15)의 균일한 방전 또는 충전, 의도적인 불균등한 방전/충전, 균일한 또는 의도적인 불균일한 에이징, 균일한 또는 의도적인 불균일한 가열 또는 온도 분포, 동일한 또는 의도적인 불균등한 전압, 또는 동일한 또는 의도적인 불균등한 충전 상태가 있다.
도 25는 배터리 탭(7), 예컨대 센터 탭의 유입 및 배출 전류를 검출하는 전류 센서(21)를 구비한 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)을 도시하고, 이는 스위칭 유닛(3) 내의 개별 스위치들(6)을 제어하는 데에 사용된다. 제어부는 예컨대 각각 측정된 전류를 시간 평균적으로 0으로 제어하도록 시도하는 적어도 하나의 PID 제어기(25), 적어도 하나의 판별기(26), 예컨대 또한 슈미트 트리거, 및 적어도 하나의 게이트 구동 유닛(27)을 포함할 수 있다. 제어기는 대안적으로 또한 PI 제어기 또는 P 제어기일 수 있다. 각각 연관된 전압 센서(17)에 의해 상이한 배터리 소자들(1, 2, 24)의 전압을 측정함으로써, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 배터리 소자들(1, 2, 24) 사이의 전압차를 등화할 수 있거나, 출력 단자들의 대응하는 쌍들(4, 5)과 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 상이한 조합들 사이의 연결의 전환 시간을 선택함으로써, 특정 배터리 소자들(1, 2, 24)을 상이한 기정의된 전압으로 의도적으로 제어할 수 있다. 따라서, 유입 및 배출 전류를 측정하는 전류 센서(21)를 사용하여 대응하는 배터리 소자들(1, 2, 24)에 대해 전하 균형을 결정할 수 있고, 출력 단자들의 대응하는 쌍들(4, 5)과 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 상이한 조합들 사이의 연결의 전환 시간을 선택함으로써, 충전차를 의도적으로 등화하거나 의도적으로 도입할 수 있다. 그러나, 배터리 소자들(1, 2, 24)의 다른 상태 변수들을 또한 등화할 수 있는데, 이를 위해 추가적인 센서들이 필요하다. 예컨대, 배터리 소자들(1, 2, 24)의 온도차를 등화하는 것을 가능하게 하는 온도 센서가 도시되지 않는다.
언급된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 복수의 배터리 탭 또는 각각의 배터리 탭(7, 8+, 8-)은 전압 센서(17)를 구비할 수 있지만, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들의 상이한 조합들 사이에서 출력 단자들의 대응하는 쌍들(4, 5)을 전환하는 것 외에도, 적어도 하나의 전기 스위치(6)가 측정 다중화기의 기능을 수행하고, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 쌍들의 상이한 조합들에 전압 센서(17)를 교번 연결하기 때문에, 본 발명에 따른 적어도 하나의 스위칭 소자(6)는 모든 배터리 소자들(1, 2, 24)의 전압이 단 하나의 전압 센서(17)를 사용하여 결정되는 것을 허용한다. 이는 전류 센서(21)에도 동일하게 적용된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템(10) 및 본 발명에 따른 폐회로 제어부 또는 개회로 제어부(30)는 종래의 DC-DC 컨버터에 비해 작은 전자기기(작은 설치 공간, 작은 부피, 낮은 중량)를 허용하고, 대개는 매우 제한된 제어 속도를 가지는 종래의 DC-DC 컨버터에 비해 높은 부하 역학을 허용한다. 본 발명에 따른 배터리 시스템 및 본 발명에 따른 폐회로 제어부 또는 개회로 제어부는 또한 중복 방식으로 설계될 수 있는 부분이 거의 없기 때문에 높은 신뢰성을 가진다.
본 발명은 자동차에 제한되는 것이 아니라, 배터리의 모든 응용 분야, 및 다른 DC 전압 공급원들 및 DC 전압 저장부들과 관련되고, 이들은 배터리 소자들로 분할될 수 있거나, 더 큰 유닛을 형성하기 위해 복수개 결합될 수 있다.
일반성의 상실 없이, 본 발명은 또한 다른 전자 회로들과 결합될 수 있고, 추가적인 전기 스위칭 소자들로 보완될 수 있다.
모든 정확한 전압값들은 개념들 및 일부 구현예들을 단지 예시하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 제한하지 않는다.
게다가, 설명된 구현예들은 본 발명을 단지 예시하기 위해 사용된 것이다. 본 발명은 구현예들에 제한되지 않는다. 본 발명의 범주는 뒤이은 청구범위에 의해 주어진다.

Claims (18)

  1. 복수의 전압 레벨을 대응하는 복수의 부하 소비장치를 위해 제공하기 위한 배터리 시스템(10)에 있어서,
    상기 배터리 시스템은 하나 이상의 배터리 탭 쌍을 포함하는 복수의 배터리 소자(1, 2, 24, n)를 갖는 적어도 하나의 배터리(9)와, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)과, 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 갖는 스위칭 유닛(3)을 구비하며, 상기 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은, 복수의 배터리 소자(1, 2, 24, n) 중 동적으로 변화하는 적어도 하나의 서브 세트로부터의 배터리 소자들(1, 2, 24, n)이 하나 이상의 출력 단자 쌍과 결선되는 방식으로, 상기 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 시간 경과에 따라 동적으로 스위칭할 것을 스위칭 유닛(3)에 지시하도록 구성되고, 그로 인해 상기 복수의 부하 소비장치를 위해 제공될 각각의 전압 레벨이 제공되며,
    폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)에 의해 시간에 따라 동적으로 바뀌는 배터리 탭 쌍들의 전압들의 가중 선형 조합에 의해 하나 이상의 출력 단자 쌍에 의해 제공될 전압을 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)이 개산(approximate)하고, 하나 이상의 출력 단자 쌍을 배터리 탭들과 연결하기 위한 위치에서의 스위칭 소자들(6)의 임시 체류 시간(36)을 제어하는, 배터리 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서, 각각의 배터리 소자들(1, 2, 24, n)에는 적어도 하나의 기정의된 제어 목표의 달성에 의해 목표한 대로 전하가 인가될 수 있는, 배터리 시스템(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 부하 소비장치 각각을 위해 상이한 전압 레벨이 제공될 수 있으며, 각각의 부하 소비장치는 상기 전압 레벨에 적합하게 설계되고 구성되는, 배터리 시스템(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 배터리(9) 및/또는 복수의 배터리 소자(1, 2, 24, n)는 상기 배터리(9) 및/또는 각각의 배터리 소자(1, 2, 24, n)의 양극(8+)과 음극(8-) 사이에 배치되는 적어도 하나의 추가 배터리 탭(7)을 가지며, 상기 배터리 탭은 다른 추가 배터리 탭들(7)과 결합될 수 있고, 상기 양극(8+)과 상기 음극(8-) 사이에 제공될 수 있는 배터리(9)의 총 전압과 상이한 부분 전압을 제공하는 데 이용될 수 있으며, 상기 양극(8+)과 상기 음극(8-) 자체가 각각 하나의 배터리 탭을 형성함에 따라, 상기 배터리(9)는 적어도 3개의 배터리 탭(7, 8+, 8-)을 갖는, 배터리 시스템(10).
  5. 제4항에 있어서, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은, 스위칭 유닛(3)으로 하여금 스위칭 소자들(6)을 스위칭하고, 그로 인해 복수의 배터리 소자(1, 2, 24, n)에 목표한 대로 전하가 인가되도록 배터리 탭들(7, 8+, 8-) 사이에서 스위칭할 것을 지시하도록 구성되는, 배터리 시스템(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 배터리 시스템은 배터리(9)의 양극(8+)과 상기 음극(8-) 사이의 하나 이상의 출력 단자 쌍(4)에 추가로, 상기 양극(8+)과 상기 음극(8-) 사이에 제공될 수 있는 배터리(9)의 총 전압과 적어도 때때로 상이한 전압을 제공하는 하나 이상의 추가 출력 단자 쌍(5)을 갖는, 배터리 시스템(10).
  7. 제6항에 있어서, 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5, 5-1, 5-2)은 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 가지며, 상기 스위칭 소자는 그의 스위칭 방향에 따라 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5, 5-1, 5-2)을 교대로 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 적어도 2개의 상이한 조합과 전기적으로 연결하거나 분리하는, 배터리 시스템(10).
  8. 제7항에 있어서, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 스위칭 유닛(3)으로 하여금, 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5, 5-1, 5-2)이 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 적어도 2개의 동일하지 않은 쌍들과 전기적으로 연결되거나 분리되는 방식으로 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 스위칭할 것을 지시하도록 구성되는, 배터리 시스템(10).
  9. 제7항에 있어서, 적어도 2개의 상이한 추가 출력 단자 쌍(5, 5-1, 5-2)이 적어도 하나의 스위칭 소자(6)를 통해 관련된, 동일하지 않은 세트의 배터리 탭 쌍(7, 8+, 8-)에 연결되는, 배터리 시스템(10).
  10. 제7항에 있어서, 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5, 5-1, 5-2)에 복수의 전압 레벨을 제공하도록 구성되되, 이들 사이에 때때로 변경이 가능한, 배터리 시스템(10).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 스위칭 소자(6)는 반도체 스위칭 소자 또는 정류 소자(14)인, 배터리 시스템(10).
  12. 제4항에 있어서, 배터리 탭들(7, 8+, 8-)은, 각각의 배터리 소자(1, 2, 24, n)가 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 상이한 쌍들에 의해 동일한 빈도로 둘러싸이도록 배터리(9)를 세분하는, 배터리 시스템(10).
  13. 제4항에 있어서, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 스위칭 유닛(3)에, 100Hz 미만의 전환 속도로 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 상이한 조합들 사이에서 전환할 것을 지시하도록 구성되는, 배터리 시스템(10).
  14. 제13항에 있어서, 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)은 상기 스위칭 유닛(3)에, 1Hz 미만의 전환 속도로 배터리 탭들(7, 8+, 8-)의 상이한 조합들 사이에서 전환할 것을 지시하도록 구성되는, 배터리 시스템(10).
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전류 흐름 및/또는 제공된 전압에 영향을 미치는 추가 전기 및/또는 전자 소자들 및/또는 서브 어셈블리들(13, 16, 19, 20, 22, 23)을 갖는 배터리 시스템(10).
  16. 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5, 5-1, 5-2)과 하나 이상의 배터리 탭 쌍(7, 8+, 8-) 사이의 연결을 제어하기 위한 배터리 제어부(30)로서,
    적어도 하나의 제어기(25)를 갖는 적어도 하나의 폐회로 제어 또는 개회로 제어 유닛(12)을 가지며, 상기 배터리 제어부(30)에 의해 시간에 따라 동적으로 바뀌는 배터리 탭 쌍들(7, 8+, 8-)의 전압들의 가중 선형 조합에 의해 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5, 5-1, 5-2)에 의해 제공될 전압을 개산(approximate)하고, 하나 이상의 출력 단자 쌍(4, 5, 5-1, 5-2)을 배터리 탭들(7, 8+, 8-)과 연결하기 위한 위치에서의 스위칭 소자들(6)의 임시 체류 시간(36)을 제어하는, 배터리 제어부(30).
  17. 제16항에 있어서, 출력 단자 쌍(4, 5)과 관련 배터리 탭 쌍(7, 8+, 8-) 사이에서 배터리 탭 쌍들(7, 8+, 8-)의 각각의 스위칭 조합에서 상기 임시 체류 시간(36)의 분량을 가중치(mij)로서 사용하는, 배터리 제어부(30).
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 미결정 선형 조합이 존재하는 경우, 추가의 2차 조건이 최적화되고 하나 이상의 추가 제어 목표가 충족되는, 배터리 제어부(30).
KR1020160053334A 2015-04-30 2016-04-29 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템 KR101877610B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015106773.0 2015-04-30
DE102015106773.0A DE102015106773A1 (de) 2015-04-30 2015-04-30 Batteriesystem mit Batteriesteuerung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160129774A KR20160129774A (ko) 2016-11-09
KR101877610B1 true KR101877610B1 (ko) 2018-08-09

Family

ID=57135609

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160053334A KR101877610B1 (ko) 2015-04-30 2016-04-29 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10828994B2 (ko)
KR (1) KR101877610B1 (ko)
CN (1) CN106099898B (ko)
DE (1) DE102015106773A1 (ko)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014201351A1 (de) * 2014-01-27 2015-07-30 Robert Bosch Gmbh Bordnetz und Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes
WO2017008140A1 (en) * 2015-07-10 2017-01-19 The Governing Council Of The University Of Toronto Systems and methods for reducing switch stress in switched mode power supplies
DE102016207572A1 (de) * 2016-05-03 2017-11-09 Robert Bosch Gmbh Batteriemodul, Batterie und Vorrichtung
DE102017100772B4 (de) * 2017-01-17 2023-01-12 Intilion Gmbh System zur dauerhaften Markierung wenigstens einer Batteriekomponente
WO2018134827A1 (en) * 2017-01-23 2018-07-26 B.G. Negev Technologies And Applications Ltd., At Ben-Gurion University System for balancing a series of cells
HUE051164T2 (hu) * 2017-02-09 2021-03-01 Samsung Sdi Co Ltd Kettõs tápellátó rendszer
CN106985699B (zh) * 2017-05-05 2023-10-27 安徽锐能科技有限公司 电池组内的多个单体电池之间的电量均衡装置及方法
US10442297B2 (en) 2017-05-24 2019-10-15 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell vehicle with power modules
US10793157B2 (en) 2017-05-24 2020-10-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Operating electrified vehicles during traction events
US10518652B2 (en) 2017-05-24 2019-12-31 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell vehicle with power modules
AU2018285542B2 (en) 2017-06-14 2023-12-21 Hadal, Inc. Systems and methods for reducing parasitic power losses by an energy source
DE102017221033A1 (de) 2017-11-24 2019-05-29 Audi Ag Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Energiespeichereinrichtung für ein Kraftfahrzeug sowie entsprechende Energiespeichereinrichtung
US11228059B2 (en) 2018-11-08 2022-01-18 GM Global Technology Operations LLC Battery with multiple sets of output terminals and adjustable capacity
US11152813B2 (en) 2018-11-08 2021-10-19 GM Global Technology Operations LLC Control systems and methods for battery with adjustable capacity
DE102018221099A1 (de) * 2018-12-06 2020-06-10 Volkswagen Aktiengesellschaft Umladevorrichtung, Verfahren zum Betrieb einer Umladevorrichtung und Fahrzeug
US11235748B2 (en) * 2019-03-01 2022-02-01 GM Global Technology Operations LLC Use of adjustable battery system within a vehicle with an HV battery or fuel cell system
DE102019204314A1 (de) * 2019-03-28 2020-10-01 Robert Bosch Gmbh Elektrochemisches Energiespeichersystem
DE102019207456A1 (de) * 2019-05-21 2020-11-26 HELLA GmbH & Co. KGaA Ladeschaltung und Verfahren zum Betrieb einer solchen
DE102019210793A1 (de) * 2019-07-22 2021-01-28 Robert Bosch Gmbh Elektrisches Energiespeichersystem und Verfahren zu dessen Betreiben
CN110356279A (zh) * 2019-07-31 2019-10-22 江西恒动新能源有限公司 一种电池电压采样及均衡级联系统
GB2592245A (en) * 2020-02-21 2021-08-25 Dyson Technology Ltd Power system with dual bus
GB2592246A (en) * 2020-02-21 2021-08-25 Dyson Technology Ltd A system
WO2021165655A1 (en) * 2020-02-21 2021-08-26 Dyson Technology Limited A system
DE102020106997A1 (de) 2020-03-13 2021-09-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Laden einer Stromspeichervorrichtung eines Fahrzeugs
CN112677821A (zh) * 2020-12-30 2021-04-20 珠海冠宇动力电池有限公司 电池系统及电动车辆
US11784506B2 (en) * 2021-02-09 2023-10-10 Aurora Flight Sciences Corporation, a subsidiary of The Boeing Company Power transformation with power source balancing in an apparatus
RU208345U1 (ru) * 2021-05-12 2021-12-14 ООО "Эй Ви Эй Системс" Централизованное устройство коммутации источников и потребителей постоянного тока
DE102021123981A1 (de) 2021-09-16 2023-03-16 Audi Aktiengesellschaft Batterieschaltungsanordnung, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Bereitstellen eines Notbetriebs
DE102022118762A1 (de) 2022-07-27 2024-02-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Hochvolt-Energiespeichers
KR20240042986A (ko) * 2022-09-26 2024-04-02 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 시스템, 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4818928A (en) 1987-10-01 1989-04-04 Duracell Inc. Battery pack
US5567996A (en) * 1995-01-30 1996-10-22 Yu; Shih-Chung AC power supply unit
US5710504A (en) 1996-05-20 1998-01-20 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Switched capacitor system for automatic battery equalization
US6064178A (en) 1998-05-07 2000-05-16 Ford Motor Company Battery charge balancing system having parallel switched energy storage elements
US6497974B2 (en) * 2001-05-23 2002-12-24 Avista Laboratories, Inc. Fuel cell power system, method of distributing power, and method of operating a fuel cell power system
US20070139012A1 (en) 2005-11-01 2007-06-21 Aerovironment, Inc. Motive power dual battery pack
JPWO2007100035A1 (ja) * 2006-03-03 2009-07-23 日本電気株式会社 電源システム
US7692404B2 (en) 2007-09-24 2010-04-06 Harris Technology, Llc Charging control in an electric vehicle
KR100951979B1 (ko) 2008-07-08 2010-04-08 현대자동차주식회사 마일드 하이브리드 차량의 이중 전원 시스템
JP4590520B1 (ja) * 2009-09-02 2010-12-01 日本蓄電器工業株式会社 交流出力可能な蓄電装置
US8786255B2 (en) * 2010-05-03 2014-07-22 Infineon Technologies Ag Active charge balancing circuit
KR101617292B1 (ko) 2010-08-02 2016-05-18 엘지전자 주식회사 전기자동차 및 그 보조배터리의 충전제어방법.
DE102010047685A1 (de) * 2010-10-06 2011-06-22 Daimler AG, 70327 Kraftwagen mit einer Batterie und einer Ladeausgleichseinrichtung
WO2012054617A1 (en) 2010-10-19 2012-04-26 Larry Nelson Apparatus and method for charging and discharging a dual battery system
JP5625727B2 (ja) * 2010-10-20 2014-11-19 ソニー株式会社 電池パック及びその充放電方法、並びに、電力消費機器
US8907628B2 (en) 2011-02-04 2014-12-09 John K. Grady Automotive bipolar electrical system
SE1150196A1 (sv) 2011-03-04 2012-09-05 Electroengine In Sweden Ab En strömavledningsanordning, ett förfarande och en dataprogramprodukt
DE102011077708A1 (de) 2011-06-17 2012-12-20 Robert Bosch Gmbh Batteriesystem und Verfahren zum Bereitstellen einer Zwischenspannung
DE102011077719A1 (de) * 2011-06-17 2012-12-20 Robert Bosch Gmbh Spannungsversorgungseinheit
KR101269372B1 (ko) 2011-09-27 2013-05-29 르노삼성자동차 주식회사 배터리 장치
KR101349874B1 (ko) * 2011-11-30 2014-01-10 삼성중공업 주식회사 선박 추진용 배터리 관리 시스템 및 그 방법
DE102014006772A1 (de) * 2014-05-08 2015-11-12 Daimler Ag Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit zwei Spannungskreisen

Also Published As

Publication number Publication date
US20160318411A1 (en) 2016-11-03
KR20160129774A (ko) 2016-11-09
DE102015106773A1 (de) 2016-11-03
CN106099898A (zh) 2016-11-09
CN106099898B (zh) 2020-08-18
US10828994B2 (en) 2020-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101877610B1 (ko) 배터리 제어부를 갖는 배터리 시스템
RU2735728C2 (ru) Зарядка интеллектуальной батареи постоянным током
JP5687016B2 (ja) 複数の電池セル間のエネルギー均衡を用いる電池管理システム
Gallardo-Lozano et al. Battery equalization active methods
EP2115850B1 (en) Charge equalization apparatus
Kimball et al. Increased performance of battery packs by active equalization
KR101893045B1 (ko) 배터리용 충전 밸런싱 시스템
Lu et al. Modularized buck-boost+ Cuk converter for high voltage series connected battery cells
JP6346887B2 (ja) バッテリの充電平衡
EP3029801A1 (en) System and method for cell balancing and charging using a serially coupled inductor and capacitor
TWI804503B (zh) 蓄電系統以及電氣機器
US8269455B2 (en) Charge balancing system
KR20090121402A (ko) 직렬 연결된 전지의 충전 상태를 밸런싱하기 위한 시스템과 방법
JP2013179763A (ja) 充電方式の電池管理システム及びその方法
CN110949154B (zh) 充电装置
Dam et al. Low-frequency selection switch based cell-to-cell battery voltage equalizer with reduced switch count
Oriti et al. Battery management system with cell equalizer for multi-cell battery packs
Momayyezan et al. A load-sharing strategy for the state of charge balancing between the battery modules of integrated reconfigurable converter
KR20130013108A (ko) 이차전지 배터리의 균등화 장치
US11063308B2 (en) Battery for an electric vehicle
Xiong et al. Review of equalizing methods for battery pack
JP2013187930A (ja) セルバランス装置
Li et al. Review of battery equalizers and introduction to the integrated building block design of distributed bms
JP2019009902A (ja) 充電制御装置および充電制御方法
Oteafy et al. An Active Current-Controlled Battery Pack Balancing Technique for Online Operation

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right