KR101925920B1 - 단순화된 모니터링에 의한 축전지 배터리 시스템 - Google Patents

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마끄 베랑제
마르꼬 하니에리
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

본 발명은 복수의 전기화학 셀(4); 전기부하(55) 또는 재충전 전력공급장치(8)를 상기 전기화학 셀(4)에 연결하기 위한 전력 연결부(71,72); 및 상기 전력 연결부틀 통해 전기화학 샐(4)에 연결된 컴퓨터(52)를 포함하는, 셀 배터리 시스템(1)에 관한 것이다. 상기 시스템은 각 측정회로는 각 전기화학 셀에 부착되고 상기 각 셀의 단자에서 전압을 측정하도록 설정된, 복수의 측정회로(3); 및 각 통신회로는 각 전기화학 셀에 부착되고 측정된 전압이 한계값을 초과하면 상기 각 셀의 단자에서 전압 강하를 유도하도록 설정된, 복수의 통신회로를 더 포함한다. 상기 컴퓨터(52)는 상기 전압 강하를 식별하도록 설정된다.

Description

단순화된 모니터링에 의한 축전지 배터리 시스템{SYSTEM OF BATTERIES OF CELLS WITH SIMPLIFIED MONITORING}
본 발명은 전기화학 축전지(accumulator)의 배터리에 관한 것이다. 상기 배터리는 예를 들어 전기 또는 하이브리드 운송 또는 내장된 시스템의 분야에 사용될 수 있다.
전기화학 축전지는 주로 하기와 같은 크기의 공칭전압(nominal voltage)을 갖는다:
NiMH형 배터리에 대해 1.2 V;
리튬 이온 철 포스페이트 또는 LiFePO4 기술에 대해 3.3 V; 및
코발트-옥사이트-계 리튬 이온형 기술에 대해 3.7 V.
이와 같은 공칭전압은 전력공급될 대부분의 시스템의 필요조건에 비해 너무 낮다. 적절한 수준의 전압을 획득하기 위해, 복수의 축전지가 직렬로 연결된다. 높은 값의 전력 및 정전용량(capacitance)을 획득하기 위해, 복수의 그룹의 축전지가 직렬로 배치된다. 단(stage)의 수(축전지 그룹의 수) 및 각 단계에서 병렬연결된 축전지의 수는 배터리에 필요한 전압, 전류 및 정전용량에 따라 다양하다. 복수의 축전지의 연계는 축전지의 배터리라고 불린다.
축전지의 충전은 이의 단자에서 전압의 증가를 일으킨다. 각 축전지 기술은 예를 들어 주어진 충전 전류에 대한 축전지의 전압의 시간에 따른 변화에 의해 정의된 그 자체에 적절한 충전 프로필을 갖는다.
축전지는 예를 들어 주어진 전류에서 이의 전기화학 방법에 의해 정의된 공칭전압에 도달하였을 때, 충전된 것으로 여겨진다. 이와 같은 전압에 도달하기 전에 충전이 중단되면, 축전지는 완전히 충전되지 않는다. 또는, 충전이 예정된 시간 동안 지속되거나, 축전지는 일정한 전압에 있고 충전 전류가 최저 한계값에 도달하면, 축전지는 충전된 것으로 여겨질 수 있다.
제조방법의 차이에 의해, 축전지는 실시상 다른 특징을 갖는다. 이들 차이점은 신규 배터리의 경우 상대적으로 적지만, 배터리의 축전지가 다양한 이유로 마모되면서 두드러진다. 이는 동일한 제조사의 축전지가 하나의 배터리에 결합될 경우에도 생긴다. 배터리의 충전은 일반적으로 각 축전지에서 전압 측정장치를 사용하는 제어장치에 의해 감시된다.
코발트-옥사이드계 Li-이온형 축전지의 전압범위는 통상적으로 2.7 V 내지 4.2 V이다. 이와 같은 범위 외에서 사용하는 것은 배터리의 축전지의 비가역적인 열화를 유도할 수 있다. 과잉 충전은 축전지의 파괴, 이의 가속화된 마모(전해질의 열화에 의해), 또는 열 스톨링(thermal stalling) 현상에 의한 폭발을 일으킬 수 있다. 따라서, 종래 기술의 제어장치는 각 축전지의 충전을 관찰한다. 따라서, 모든 축전지의 충전은 가장 높게 충전된 축전지가 이의 작동범위의 상한에 도달하면 중단된다. 이때, 가장 적게 충전된 축전지의 전압은 상기 상한 미만이다.
또한, 제어장치는 가장 적게 충전된 축전지가 작동범위의 하한에 도달하면 배터리의 방전을 중단한다.
따라서, 제어장치가 각 축전지의 충전 수준을 확인할 수 있게 하는 다양한 연결장치가 알려졌다. 또한, 배터리의 안정성을 높이기 위해, 제어장치가 축전지의 온도와 같이 다른 작업 파라미터를 확인할 수 있게 하는 연결장치가 실무적으로 많이 사용된다.
알려진 구조에서, 복수의 축전지가 존재하는 경우, 전압 및 온도를 측정하기 위한 회로가 각 축전지에 고정된다. 제어장치는 마스터보드(master board) 또는 컴퓨터에 의해 운영되는 복수의 슬레이브보드(slave board)를 포함하고, 이들 보드는 함께 집합된다. 각 슬레이브보드는 예를 들어 8개 또는 16개의 복수의 측정회로에 포인트-투-포인트(point-to-point) 배선에 의해 연결된다.
이와 같은 구조에서, 축전지는 높은 수준에 달하는 스케일 전압(scaled voltages)을 가진다. 따라서, 전압 측정장치는 갈바니전기적으로(galvanically) 절연되거나, 고공통모드(high common mode) 전압을 위해 설계되어야 한다. 자동차에서, 컴퓨터는 일반적으로 내장된 네트워크 및 이의 부속품에 전력공급하기 위한 12 V 배터리에 의해 전력공급된다. 내장된 네트워크의 배터리가 자동차의 지면에 연결되기 때문에, 슬레이브보드와 컴퓨터 사이의 통신을 위해 갈바니 절연(galvanic isolation)를 이루는 것이 필요할 수 있다. 또한, 측정회로와 슬레이브보드 사이의 포인트-투-포인트 배선 연결은 다수의 연결장치 및 상당한 배선 길이를 요구한다. 따라서, 이와 같은 설계는 무시할 수 없는 비용 및 복잡성을 일으킨다. 그 밖에, 포인트-투-포인트 배선 연결의 수는 축전지에의 직렬연결과 합선되는 위험을 증가시킨다. 이는 특히 보호 시스템(퓨즈 또는 회로 차단기)의 통합을 시사하는 신중한 설계 및 제조를 특히 필요로 한다.
문헌 JP2009-089453은 복수의 직렬연결된 축전지, 배터리의 단자에서 전압을 측정하기 위한 회로, 통신회로 및 제어회로가 제공된 배터리를 개시한다. 통신회로 배터리의 단자에서 전압이 한계값을 넘으면 전압 변화에 대한 정보를 제어회로에 제공한다.
알려진 다른 구조에 따면, 다수의 축전지가 존재할 때, 전압 및 온도를 측정하기 위한 회로가 각 축전지에 고정된다. 측정회로들은 동일한 통신 버스(bus)에 연결된다. 컴퓨터는 측정회로에 의해 상기 통신 버스에 전송된 정보를 검색할 것이다.
이와 같은 구조는 포인트-투-포인트 배선 연결의 단점을 방지한다. 그러나, 이와 같은 구조는 이것이 가해지는 전압수준 때문에 갈바니 절연을 갖는 특정한 설계의 버스가 존재할 것을 요구한다. 배터리 내의 매우 높은 전압 수준에 연결되기 때문에, 상기 버스를 설계하기 위해서는 매우 특별한 주의가 요구된다. 따라서, 고비용의 복잡한 갈바니 절연이 실시되어야 하고, 배터리에 이와 같은 버스를 통합하는 것은 실무적인 문제를 일으킨다.
본 발명의 목적은 상기 문제점 중 하나 이상을 해결하는 것이다. 따라서, 본 발명은:
- 직렬연결된 복수의 전기화학 축전지;
- 전기부하 또는 재충전 전력공급장치를 상기 전기화학 축전지에 연결하기 위한 전력 연결부;
- 상기 전력 연결부에 의해 전기화학 축전지에 연결된 제어장치;를 포함하는 축전지 배터리 시스템에 관한 것이다.
상기 시스템은:
- 각각 전기화학 축전지에 부착되고 상기 각 축전지의 단자에서 전압을 측정하도록 형성된 복수의 측정회로;
- 각각 전기화학 축전지에 부착되고 측정된 전압이 한계값을 넘으면 상기 각 축전지의 단자에서 전압 강하를 유도하도록 형성된 복수의 통신회로;를 더 포함한다.
상기 제어장치는 상기 전압 강하를 식별하도록 형성된다.
일 변형형태에 따르면, 측정회로 및 통신회로는 각 축전지에 의해 전력공급된다.
다른 변형형태에 따르면, 통신회로는 측정된 전압이 한계값을 넘으면 10kHz 내지 1MHz의 주파수로 교대되는 전압 강하를 유도하도록 설정된다.
또 다른 변형형태에 따르면, 통신회로는 상기 축전지의 단자에서 전압이 최대 충전 전압을 넘거나, 상기 축전지의 단자에서 전압이 최저 방전 전압을 넘으면, 상기 각 축전지의 단자에서 전압 강하를 유도하도록 설정된다.
또 다른 변형형태에 따르면, 통신회로는 최저 방전 전압에 대한 전압 강하의 주기비(cyclic ratio)보다 큰 주기비에 의해 최대 충전 전압에 대한 전압 강하를 유도하도록 설정된다.
일 변형형태에 따르면, 통신회로는 개별적인 전압 강하를 달성하도록 설정되고, 제어장치는 달성된 전압 강하의 함수로서 통신회로를 식별하도록 설정된다.
다른 변형형태에 따르면, 시스템은 전력 연결부에 연결된 DC/AC 컨버터, 및 컨버터와 제어장치 사이에 위치한 항-파라사이트 필터를 포함한다.
또 다른 변형형태에 따르면, 시스템은 20개 초과의 직렬연결된 축전지를 포함하고, 배터리의 단자에서의 전압은 50V 초과이다.
또 다른 변형형태에 따르면, 통신회로는 측정된 전압이 한계값을 넘으면, 이들의 축전지의 단자에서 0.1% 이상의 전압 강하를 유도하도록 설정된다.
일 변형형태에 따르면, 통신회로는 이들의 축전지의 단자 사이에 전기부하를 연결함으로써, 이들의 축전지에서 전압 강하를 유도한다.
또한, 본 발명은:
- 각 축전지에 부착된 측정회로에 의해 축전지의 단자에서 전압을 측정하는 단계;
- 상기 측정회로 중 하나에 의해 이의 각 축전지의 단자에서 전압 한계값을 넘는지 검출하는 단계;
- 한계값을 넘는 것이 검출된 축전지의 단자에서 전압 강하를 일으키는 단계;
- 전기부하 또는 재충전 전력공급장치를 축전지에 연결하는 전력 연결부에 의해 전기화학 축전지에 연결된 제어장치에 의해 전압 강하를 검출하는 단계;를 포함하는, 직렬 배터리의 전기화학 축전지의 충전을 관리하는 방법에 관한 것이다.
일 변형형태에 따르면, 상기 방법은 각 축전지에 의해 측정회로에 전력공급하는 단계를 포함한다.
다른 변형형태에 따르면, 상기 전압 강하를 일으키는 단계는 10kHz 내지 1MHz의 주파수로 교대되는 상기 축전지의 단자에서의 전압 강하를 포함한다.
또 다른 변형형태에 따르면, 상기 전압 강하를 일으키는 단계는 상기 축전지의 단자에 전기구성을 연결하는 것을 포함하고, 상기 전기구성은 연결된 동안 상기 축전지의 단자에서 0.1% 이상의 전압 강하를 유도하도록 설정된다.
도 1은 본 발명에 따른 축전지 배터리 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 측정회로 및 이와 관련된 축전지에 대응되는 전기회로도이다.
도 3은 배터리의 파라사이트 인덕터 및 커패시터의 모델링을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 측정회로에 사용된 논리구조의 예를 나타낸다.
도 5는 필터링 모듈의 예를 도식적으로 나타낸다.
도 6은 다른 주기비의 클록신호(clock signal)을 생성하는 진동기의 예를 도식적으로 나타낸다.
도 7은 인코딩의 일 변형예의 다른 전송들 사이에서 측정된 상관관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참고하여 하기의 설명에 의해 분명하게 나타날 것이지만, 이에 제한되지는 않는다.
본 발명은 개별 센서에 의해 측정된 측정결과를 반송전류(carrier current)를 통해 제어장치에 전송할 것을 제안한다. 축전지의 단자에서의 전압을 낮춤으로써 전송이 수행된다. 측정회로는 이에 따라 축전지에 부착되고, 축전지의 단자에 하중을 연결함으로써 이와 같은 전압강하를 유도한다. 전송은 이에 따라 직렬연결된 축전지의 전력연결에 의해 수행된다.
전압은 시스템의 갈바니 절연의 제약을 제한하고, 정보를 전송하기 위해 필요한 연결 배선을 특히 감소시킴으로써 이의 비용을 감소시킨다.
도 1은 전기모터(55)의 구동을 보장하기 위해 실시된 본 발명에 따른 축전지 배터리 시스템(1)을 도식적으로 나타낸다. 시스템(1)은 직렬연결된 전기화학 축전지(4)를 포함하는 배터리(2)를 포함한다. 배터리(2)는 다수의 축전지(4), 필요한 전압 및 사용된 축전지의 종류에 따라 통상적으로 20개 내지 100개의 축전지를 포함한다. 축전지(4)는 전력 연결부(71)에 의해 직렬연결된다. 각 축전지(4)는 이에 부착된 회로(3)를 포함한다. 회로(3)는 예를 들어 이와 연관된 구성에 통상적으로 고정된다. 회로(3)는 통신기능뿐만 아니라 전압측정기능을 갖는다. 하기에서 회로(3)는 "측정회로"라는 공통용어로 지정된다.
배터리(2)는 전력 연결부(72)에 의해 필터링 모듈(51)에 연결된다. 또한, EMC 필터로 알려진 전자기 항-파라사이트 필터(53)가 전력 연결부(72)에 의해 배터리(2)에 연결된다. 필터(53)는 필터링 모듈(51)과 AC/DC 컨버터(54) 사이에 연결된다. 또한, AC/DC 컨버터(54)는 전력 연결부(72)에 연결되어, 배터리(2)와 교류에서 작동하는 구성요소, 본 경우에서는 전기모터(55) 및 재충전 교류원(recharging alternating current source)(8) 사이의 인터페이스를 형성한다.
그 자체가 알려진 방법에서, 필터(53)는 모터(55)의 작동 동안 DC 네트워크상의 전자기 교란(electromagnetic disturbance)을 제거한다. 필터(53)는 특히 전류의 높은 충전 또는 방전을 위한 전력 스위치 회로에 의해 유도될 수 있는 고차 고주파(high-order harmonic)를 필터링한다. 필터링 모듈(51)은 측정회로(3)에 의해 제공된 정보를 복조(demodulate)한다. 필터링 모듈(51)은 측정회로(3)에 의해 전송된 신호에 대응되는 저전압 신호를 제공한다. 이와 같은 경우에 컴퓨터(52)에 의해 형성된 집중화 제어장치는 저전압신호를 검색하기 위해 필터링 모듈(51)에 연결된다. 컴퓨터(52)는 저전압 네트워크, 예를 들어 자동차에 내장된 네트워크에 의해 전력공급된다. 컨버터(54)와 필터링 모듈(51) 사이에 필터(53)의 존재 때문에, 측정회로(3)에 의해 전송된 정보는 컨버터(54) 또는 모터(55)의 제어유닛에서 수행된 쵸핑(chopping)에 연관된 고주파에 의해 교란되지 않는다. 측정회로에 의해 전송된 정보의 단편이 인코딩될 때, 컴퓨터(52)는 예를 들어 발송자 측정회로, 및 전송된 정보의 내용(전압값, 고전압 한계 알람, 저전압 한계 알람, 축전지의 온도 등)을 식별하기 위해 디코딩을 수행한다. 측정회로(3)는 이에 따라 이 자체의 인코딩, 예를 들어 독특한 펄스 너비(pulse width), 독특한, 전송 패턴 또는 독특한 전송 주파수에 의한 인코딩을 가질 수 있다. 시스템(1)은 배터리(2)와 컨버터(54) 사이의 전기연결을 선택적으로 교란할 수 있게 하는 수단을 포함한다. 배터리(2)는 전력공급될 전기부하 또는 재충전 전력공급장치로부터 선택적으로 절연될 수 있다. 필터링 모듈(51)은 예를 들어 배터리와 컨버터(54) 사이의 전기연결(72)을 여는 스위치를 포함할 수 있다. 컴퓨터(52)는 충전의 끝이 검출되는 동안 또는 최고 수준의 방전이 검출되는 동안 스위치를 열기 위한 명령을 전송한다. 또한, 컴퓨터는 전기부하(55)로의 전력 공급장치를 갑작스럽게 교란시킬 필요가 없도록, 방전 한계값에 도달하였을 때 배터리(2)에 의해 방출된 전류의 감소를 명령할 수 있다.
도 2는 측정회로(3) 및 이와 관련된 축전지(4)에 대응되는 전기도면을 나타낸다. 회로(3)는 전력 트랜지스터(32) 및 방전 저항기(33)를 직렬로 포함하는 암(arm)을 포함한다. 이와 같은 암은 케이블(34)에 의해 축전지(4)의 단자에 병렬연결된다.
또한, 회로(34)는 축전지(4)의 단자에 연결된 마이크로컨트롤러(31)를 포함한다. 마이크로컨트롤러(31)는 축전지(4)의 단자에서 전압의 측정을 제공하도록 설정된다. 또한, 마이크로컨트롤러(31)는 축전지(4)의 다른 작동 파라미커, 예를 들어 이의 온도를 측정하도록 설정될 수 있다.
측정회로(3)는 축전지(4)의 단자에서 전압을 측정하는 스태틱(static) 작동모드와 컴퓨터(52)와 통신하는 다이나믹(dynamic) 작동모드를 갖는다.
스태틱 작동에서, 트랜지스터(32)는 꺼진다. 이와 같은 스태틱 작동에서, 마이크로컨트롤러(31)는 축전지(4)의 단자에서 전압을 측정한다.
다이나믹 작동에서, 트랜지스터(32)는 켜진다. 이와 같은 다이나믹 작동에서, 마이크로컨트롤러(31)는 컴퓨터(52)와 통신하여 축전지(4)의 단자에서 전압 강하를 달성한다. 이와 같은 전압 강하는 컴퓨터(52)에 의해 검출되기 충분한 크기를 갖는다. 마이크로컨트롤러(31)는 반송전류에 의해 전력 연결부(71,72)를 통해 컴퓨터(52)와 통신한다. 통신은 예정된 주파수의 교류전압 강하에 의해 획득될 수 있다.
간소화된 모델에 따르면, 축전지(4)가 그 크기가 1mW인 내부 임피던스(41)에 의해 직렬연결된 DC 전압원(42)에 연결된다. 전력 트랜지스터(32) 및 방전 저항기(33)를 포함하는 회로(3)의 암은 이와 같은 암을 통해 흐르는 전류가 배터리(2)의 충전 또는 방전 전류에 대해 무시할 수 없도록 하는 크기를 갖는다. 예를 들어, 저항기(33)는 전력 트랜지스터(32)를 닫는 것이 축전지(4)에서 약 0.1% 또는 1%의 전압 강하를 유도하도록 하는 크기를 갖는다. 축전지(4)의 단자에서 약 0.1%의 급격한 전압 강하는 용이하게 검출될 수 있고, 축전지(4)의 단자에서의 전압은 보통 상대적으로 느린 변화를 거친다. 또한, 회로(3)에 의해 유도된 전압 강하는 V로 표현될 수 있다: 회로(3)는 이에 따라 유리하게는 용이하게 검출될 수 있도록 1 내지 10 mV의 전압강하를 유도한다. 저항기(33)는 예를 들어 약 3W의 저항값을 갖는다. 따라서, 축전지에 100 A의 전류가 흐르면, 트랜지스터(32)가 닫혀진 동안 저항기에는 1 A의 전류가 흐른다. 회로(3)에서의 전류 소비를 제한하기 위해, 방전 저항기(33)는 전송 주파수의 축전지(4)의 내부 임피던스보다 50배 이상 큰 값을 갖는다.
측정회로가 직렬연결된 저항기(33) 및 전력 트랜지스터(32)를 포함하는 도면에 기반하여 기재되었지만, 이와 같은 측정회로(3)는 적절한 수단, 예를 들어 축전지(4)에서 원하는 크기의 전압 강하를 일으킬 수 있게 하는 전도 저항(conduction resistance)을 갖는 전력 트랜지스터를 사용함으로써 제조될 수 있다.
간소화된 구현예에서, 측정회로(3)와 측정회로(3) 사이의 통신을 일방적인 통신이다. 이와 같은 구현예는 특히 측정회로(3)의 복잡성 및 전기 소비를 감소시킬 수 있게 한다. 그러나, 측정회로(3)와 컴퓨터(52) 사이에 쌍방 통신을 설치하는 것을 고려하는 것도 가능하다.
측정회로(3)와 컴퓨터(52) 사이의 반송전류에 의한 정보의 전송은 임의의 변조(modulation) 기법에 의해 달성될 수 있다. 전송은 특히 베이스밴드(baseband)에서 또는 반송파의 변조에 의해 수행될 수 있다.
서로 독립적인 측정회로(3)에 의해, 복수의 측정회로(3)가 정보의 단편을 컴퓨터(52)에 전송하는 것이 가능할 것이다. 이들 전송간의 교란을 방지하기 위해, 그 자체가 알려진 방법으로 리던던시(redundancy) 메카니즘 또는 에러 수정 코드를 실시하는 것이 가능하다.
도 3에 실선으로 나타는 바와 같이, 모두 직렬연결된 축전지 세트는 고주파수로 모델링될 수 있다. 2개의 직렬연결된 축전지 사이의 전력 연결부는 인덕터 L1과 같이 작용하고, 각 축전지는 자동차의 지면에 대하여 커패시터 C2와 같이 작용하며, 2개의 직렬연결된 축전지들 사이에 정전용량 C1을 유도한다.
축전지 사이의 굵고 짧은 전도성 스트립 형태의 직렬연결의 인덕터(L1)는 하기의 식에 의해 정의될 수 있다:
L1 ≒ 0.5 * μo * Lo,
여기서, μo = 1.26 μH/m이고, Lo은 스트립의 길이임.
따라서, 종래에 자동차의 모터에 전력을 공급하기 위한 배터리의 크기를 정하는 데 고려될 인덕터(L1) 및 커패시터(C2)의 총괄적인 값은 각각 약 100 nH 및 20 pF이다.
배터리(2)가 80개의 직렬연결된 축전지(4)를 포함하는 것으로 가정하면, 100 MHz 초과의 차단 주파수를 갖는 70Ω의 고유 임피던스를 갖는 선과 같이 행동한다.
측정회로(3)에 의한 정보의 전송을 위해 선택된 주파수는 유리하게는 이와 같은 값보다 매우 작을 것이고, 예를 들어 10 kHz 내지 1 MHz이다. 이와 같은 주파수의 범위에서, 인덕터(L1) 및 커패시터(C2)의 전송선 효과는 무시될 수 있다.
고전력 축전지의 내부저항은 상대적으로 낮기 때문에, 이의 단자에서 측정가능한 전압 변화를 일으키는 것이 어려울 것으로 생각될 수 있다. 그러나, 본 발명자는 1kHz를 초과하는 주파수에 대해 이와 같은 축전지의 인덕턴스는 임피던스를 계산하는 데에 있어서 이의 저항보다 중요하다는 점을 주의하였다. 더욱이, 축전지의 내부저항은 매우 비선형이다. 이와 같은 저항은 충전 전류 또는 방전 전류에 대해 높고, 더 높은 전류에서 빠르게 감소한다. 따라서, 측정전류(3)은 1 kHz를 초과하는 주파수에 대해 충분히 높은 전류 유입에 의해 측정가능한 전압 변화를 유도할 수 있다. 따라서, 이와 같은 전압 변화는 축전지의 내부저항은 R이고, 저항기(33)의 전류는 I일 때 R x I의 간단한 곱보다 매우 높다.
시스템(1)의 DC 네트워크 상의 전압 및 전류는 상대적으로 안정적이기 때문에, 이와 같은 네트워크에서의 임피던스의 변화는 제한된다. 임피던스 값이 예상가능하고 안정적이기 때문에, 반송전류에 의한 전송품질은 예상가능하고 믿을만하다. 또한, 충전 및 방전 전류에 의해 유도된 고주파의 주파수가 알려져 있고 예상가능하다. 따라서, 필터(53)는 이와 같은 주파수를 약화시키도록 구체적으로 계획될 수 있고, 측정회로(3)의 전송 주파수는 또한 이와 같은 교란 주파수로부터 구별할 수 있도록 조정될 수 있다. 전기엔진 컨버터(54)의 스위칭 주파수는 일반적으로 약 25 kHz이며, 따라서 사용자에 불편한 소음을 생성하지 않는다.
결과적으로, 측정회로(3)의 통신 주파수는 유리하게는 100 kHz 내지 1 MHz이다.
도 4는 측정회로(3)에 사용된 논리구조의 예를 나타낸다. 측정회로(3)는 제네레이터(generator)(34)를 포함한다. 제네레이터(34)는 기준전위의 차이를 정의한다. 제네레이터(34)는 축전지(4)의 단자에 회로(3)를 연결시킴으로써 전력공급된다. 제네레이터(34)는 전압 분리장치(5)의 단자에 보정된 전위차를 가한다. 전압 분리장치(5)는 비교기(comparator)(36)의 제1 입력부(input)에 가해진 상한 전압 및 비교기(38)의 제1 입력부에 가해진 하한 전압을 정의하도록 설정된다. 축전지(4)의 단자에서의 전압은 비교기(36,38)의 제2 입력부에 가해진다. 따라서, 축전지(4)의 단자에서의 전위차가 상한보다 높으면, 비교기(36)는 상위상태(high state)가 된다. 축전지(4)의 단자에서의 전위차가 하한보다 낮으면, 비교기(38)는 상위상태가 된다.
쵸퍼회로(chopper circuit)(37,39)가 비교기(36) 및 비교기(38)의 출력부에 각각 연결된다. 쵸퍼회로(37,39)는 상위 상태의 신호를 수신하였을 때, 뚜련한 주기를 갖는 신호를 발생시킨다. 쵸퍼회로(37)는 예를 들어 90%로 설정된 주기비를 발생시킬 수 있다. 쵸퍼회로(39)는 10%의 고정된 주기비를 발생시킬 수 있다. 쵸퍼회로(37,39)의 출력부는 OR 게이트(311)의 입력부에 연결된다. OR 게이트(311)의 출력부가 전력 트랜지스터(32)의 제어 전극에 연결된다. 따라서, 축전지(4)의 단자에서의 전위차가 전압 한계값 중 하나에 도달하면, 전력 트랜지스터(32)는 도달된 한계값에 대등되는 주기비를 갖는 미리 정해진 주파수에서 닫힌다. 축전지(4)의 단자에서의 전압은 이에 따라 이와 같은 주기비에 의해 낮춰진다.
축전지(4)의 방전을 제한하기 위해, 측정회로(3)는 이의 다이나믹 작동의 기간을 제하시킬 수 있다. 축전지(4)의 단자에서의 전압이 차단 하한계값을 넘을때, 이의 방전한계에 이미 도달한 이와 같은 축전지의 방전이 지속되는 것을 방지하기 위해 측정회로(3)에 의한 정보의 전송이 교란될 수 있다.
유리하게는, 쵸퍼회로(37)의 주기비가 상대적으로 높아서, 측정회로(3)는 전압 상한계값에 도달한 축전지(4)의 충전 전류를 소멸시키는데 사용될 수 있고, 이에 따라 배터리(2)의 축전지(4)를 충전시키는 것의 균형을 잡는것에 참여한다. 쵸퍼회로(39)의 주기비는 유리하게는 매우 낮아, 축전지가 이의 전압 하한계값에 도달하였을 때 축전지(4)에서의 전기소비가 크게 감소된다.
측정회로(3)에 의한 정보의 전송이 축전지(4)가 전압 한계값을 넘는 것으로 제한되면, 측정회로(3)는 매우 짧은 기간 동안만 다이나믹 작동된다. 결과적으로, 측정회로(3)의 전기소비는 평균적으로 극히 감소된다.
이와 같은 실시예는 아날로그적인 해결책을 제시하지만, 측정회로(3)는 예를 들어 마이크로컨트롤러에 의해 디지털 버젼으로 제조될 수도 있다.
측정회로(3)는 이와 관련된 축전지(4)에 의해 영구적으로 전력공급되기 때문에, 스태틱 작동에서 이와 같은 축전지의 소비는 가능한 낮아야한다. 측정회로(3)는 대략적으로 전기화학 축전지의 일반적인 자가방전 전류의 크기에 대응하는 감소된 스태틱 소비, 예를 들어 10 내지 100 μA의 소비를 갖도록 용이하게 제조될 수 있다.
컴퓨터(52)에 전송될 정보를 인코딩하기 위해 뚜려한 주기비를 사용하도록 대안을 실시하는 것이 물론 가능하다. 다른 측정회로(3)부터의 전송간의 교란을 방지하기 위해, 적절한 코드에 기반한 컴퓨터(52)를 향한 통신을 실시하는 것이 용이하다.
컴퓨터(52)에 의한 측정회로(3)의 통신을 위해 사용된 인코딩은 이에 따라 이와 같은 측정회로(3)의 식별 및 컴퓨터(52)에서 이와 같은 회로의 측정결과의 판독을 위한 것이다. 복수의 측정회로가 이에 따라 동시에 상호 교란 없이 컴퓨터(52)와 통신할 수 있다.
의사-랜덤 서열(pseudo-random sequence)에 기반한 확산코드를 사용하는 것이 특히 가능하다. 의사-랜덤 서열은 무작위적인 것으로 보이지만 실제로는 주기적인 연속된 비트(0 또는 1)이다. 전송된 서열은 부호의 명칭을 갖는다. 동일한 특성에 따르는 가능한 부호의 집합이 상기 코드 명칭을 갖는다.
이와 같은 서열의 2가지 특성이 하기와 같은 점에서 유리하다.
1. 각 부호의 자가상관은 높다. 높은 자가상관값은 복조기에 의해 수신된 여러 부호 중에 하나의 전송된 부호를 식별하는데 사용된다.
2. 부호들 사이의 상호상관은 낮다. 낮은 상호상관값은 부호간의 교란을 방지한다: 복조기는 이 때 이들이 동시에 수신된 경우에도 이들을 신뢰성있게 분명하게 식별할 수 있다.
일 변형예에서, 최장 길이 서열(골드(Gold), 월쉬(Walsh), 카사미(Kasami) 등)에 기반한 코드를 사용하는 것이 가능하다. 이들 코드는 자체상관(self-correlation)의 측면에서 매우 높은 성능을 갖는다.
측정회로(3)에 의해 전송된 신호가 획득된다. 그 후, 획득된 신호와 다른 코드와의 상관관계가 결정되고, 측정회로(3) 및 이의 정보가 신호-대-잡읍비 및 셀간 교란의 수준을 고려하여, 고정된 한계값에 기반한 가설 검증에 의해 식별된다.
카사미 코드는 예를 들어 매우 뛰어난 자체상관 및 상호상관(inter-correlation) 성질을 갖는다. 이와 같은 성질을 확인하기 위해, 16개의 다른 부호(4개의 셀 및 각각에 대해 전송될 정보의 3개의 개별적인 값에 대해 충분함)를 제공하는 63-비트 카사미 코드에 의해 실험이 수행되었다. 실험은 실험실에서 배터리의 4개의 셀에 200 kHz의 주파수를 송신하는 비트, 2 Hz의 주파수를 송신하는 부호, 및 획득시 5 MHz의 샘플링 주파수(이와 같은 주파수는 신호-대-잡읍비를 평가하기 위해 고려될 수 있는 실시예에서 사용될 수 있는 것보다 높음)에 의해 수행되었다.
도 7은 컴퓨터(52)에서 측정된 신호의 상관관계를 200ms 타임 슬롯 상에 나타낸다. 상기 도면은 3개의 부호의 전송을 3개의 다른 측정장치(3)에 의해 식별한다. 각 피크는 개별적인 부호에 대응된다. 매우 작은 피크는 부호 간의 0이 아닌 상호상관에 의해 유도되지만, 이는 매우 제한된다. 오실로스코프(oscilloscope)에 의해 획득된 미가공 신호 상의 상관관계에 의해 복조작업을 수행함으로써, 19.6 dB의 신호-대-잡음비가 어떠한 증폭 또는 필터링 없이 추산된다.
전자기 잡음에 대한 전송 감도를 감소시키기 위해, 예를 들어 1 내지 30 MHz의 적절히 높은 주파수의 반송파를 변조시킴으로써 전송을 수행하는 것이 가능하다. 반송파는 수정진동자(quartz oscillator)에 기반하여 회로에 의해 측정회로(3)에서 발생될 수 있고, 변조는 XOR(배타적 논리합: exclusive-or)형 게이트에 의해 수행될 수 있다. 한 게이트의 입력부 단자는 반송하를 수신하고, 게이트의 다른 입력부 단자는 베이스밴드의 코드, 예를 들어 카사미 코드를 수신한다. 따라서, PSK형 위상변조가 비트 변화 동안 반송파의 180° 위상 변화에 의해 달성될 수 있다.
최장-길이 서열(m-서열형 코드)은 유리하게는 측정회로(3)의 마이크로커트롤러의 메모리, 전송될 정보 상태의 수, 또는 가능한 전송 속도에 따라 파라미터화될 것이다(코드의 길이, 상관관계의 성능수준, 부호의 수).
다른 변형예는, 0의 상호상관, 그러나 더 낮은 자가상관을 갖는 직교 코드(orthogonal code)로 알려진 코드를 사용한다.
측정회로(3)의 통신을 컴퓨터(52)의 기본 기능(축전지의 균형잡기, 과잉 충전 또는 과잉 방전으로부터 셀의 보호)과 조화하기 위해, 통신은 유리하게는 전송된 부호들 사이에 쉼표(pause)를 위치시킨다.
측정회로에 의해 수행된 전송에 의한 에너지 소비를 제한하기 위해, 이들 전송은 배터리의 특정한 작동조건이 검출되었을 때만 작동하기 시작하였다.
도 5 및 도 6은 필터링 모듈(51)의 예를 나타낸다. 필터링 모듈(51)은 필터링 및 전압 수준을 낮추기 위한 회로(511), 샘플링 회로(512), 및 가변 주기비를 갖는 클록신호를 발생시키는 진동자(513)를 포함한다. 회로(511)의 입력부 단자는 전력 연결부(72)에 의해 배터리의 단자에 연결된다. 회로(511)는 전압을 감소시키는 변압기(TR1)를 포함하고, 이의 제1 와인딩(winding)은 회로(511)의 입력부 단자에 각각 직렬연결된 커패시터(C9) 및 저항기(R1)와 직렬연결된 커패시터(C8) 및 저항기(R16)에 의해 연결된다. 변압기(TR1)의 제2 와인딩은 회로(511)의 출력부 단자에 각각 저항기(R2)와 저항기(R3)에 의해 연결된다. 커패시터(C10)는 회로(511) 출력부 단자들 사이에 연결된다. 변압기(TR1)의 제2 와인딩의 중간 지점은 저항기(R10)에 의해 저전압 전력공급장치(Vcc)에 연결되고, 병렬연결된 저항기(R9) 및 커패시터(C4)에 의해 지면에 연결된다.
진동자(513)는 상보적인 클럭신호들 Q 및 /Q을 선택적으로 발생시킨다. 상보적인 클럭신호들(Q,/Q)는 각각 90% 및 10%의 주기비를 갖는다. 회로(513)는 전압(Vcc) 및 지면 사이에 직렬연결된 저항기들(R4,R5)을 포함한다. 회로(513)는 연산증폭기(operational amplifier)(U4)를 포함하고, 이의 비인버터 입력부는 저항기들(R4,R5) 사이의 중간 노드에 연결된다. 비인버터 입력부는 저항기(R6)에 의해 증폭기(U4)의 출력부에 연결된다. 증폭기(U4)의 인버터 입력부는 커패시터(C3)에 의해 지면에 연결된다. 인버터 입력부는 2개의 직렬연결된 암들에 의해 증폭기(U4)의 출력부에 연결된다: 저항기(R7)를 포함하는 제1 암, 및 직렬연결된 저항기(R8) 및 젠너 다이오드(Zener diode)(D1)를 포함하는 제2 암(다른 어떠한 종류의 다이오드도 또한 사용될 수 있음). 저항기(R7)는 원하는 주기비를 획득하기 위해 저항기(R8) 보다 약 10배 더 크다. 젠너 다이오드(D1)에서 전류의 감지에 따라, 커패시터(C3)는 충전되거나 방전된다. 증폭기(U4)의 출력부는 90%의 주기비를 갖는 클록신호(Q)를 제공한다. 인버터(U2)는 증폭기(U4)의 출력부에 연결되고, 10%의 주기비를 갖는 상보적인 클록신호(/Q)를 제공한다.
샘플링 회로(512)의 입력부 단자들은 샘플링 회로(512)의 출력부 단자에 연결된다. 샘플링 회로(512)는 스위치들(I1,I2,I3,I4)을 포함한다. 스위치들(I1,I2)의 입력부는 회로(512)의 제1 입력부 단자에 연결되고, 스위치들(I3,I4)의 입력부는 회로(512)의 제2 입력부 단자에 연결된다. 스위치들(I1,I3)의 제어 입력부는 클록신호(Q)에 연결된다. 스위치들(I2,I4)의 제어 입력부는 클록신호(/Q)에 연결된다. 스위치들(I1,I4)의 출력부는 직렬연결된 저항기들(R11,R18)에 의해 증폭기(U5)의 비인버터 입력부에 연결된다. 스위치들(I2,I3)의 출력부는 직렬연결된 저항기들(R12,R19)에 의해 증폭기(U5)의 인버터 입력부에 연결된다. 커패시터(C5)는 저항기들(R11,R18) 사이의 중간 노드와 저항기들(R12,R19) 사이의 중간 노드를 연결한다. 이와 같은 중간 노드들은 각각 커패시터들(C6,C7)에 의해 지면에 연결된다. 이와 같은 커패시터들(C5 내지 C7)과 R11, R12, R18 및 R19는 샘플화 신호를 차단하기 위한 회로를 형성한다. 증폭기(U5)의 인버터 입력부는 저항기(R14)에 의해 이의 출력부에 연결된다. 증폭기(U5)의 출력부에서의 신호는 컴퓨터(52)에 제공된다.
회로(513)에 의해 생성된 클록신호들(Q,/Q)의 주파수는 통신되는 측정회로(3)의 변조 주파수에 가깝지만 이와 동일하지는 않다. 따라서, 회로(512)에 의해 샘플화된 신호는 클록신호(Q)의 주파수와 측정회로(3)의 통신 주파수 사이의 차이에 비례하는 낮은 주파수를 갖는다. 이와 같은 회로(51)는 유리하게는 전력 연결부(72) 상에 일어날 수 있는 전위 교란에도 불구하고, 측정회로(3)에 의해 생성된 신호의 주기비를 측정할 수 있게 한다. 컴퓨터(52)는 증폭기(U5)의 출력부에서 양신호 및 음신호 각각의 기간을 측정함으로써 측정회로(3)에 의해 생성된 신호의 주기비를 측정할 수 있다.
기재된 실시에에서, 직렬연결된 축전지(4) 각각은 측정회로(3)를 갖는다. 또한, 본 발명은 복수의 직렬 연결된 단을 포함하고, 각 단은 복수의 병렬연결된 전기화학 축전지를 포함하는 배터리에 적용될 수 있다. 이와 같은 설정에서, 측정회로(3)는 각 단의 단자에 연결된다.
상기의 본 발명에서는 측정기능 및 통신기능은 동일한 회로(3)에 의해 실시되지만, 이들 두 가지 기능은 2개의 개별적인 회로에 의해 실시될 수 있다.

Claims (15)

  1. - 직렬연결된 복수의 전기화학 축전지(4);
    - 전기부하(55) 또는 재충전 전력공급장치(8)를 상기 전기화학 축전지(4)에 연결하기 위한 전력 연결부(71,72);
    - 상기 전력 연결부에 의해 전기화학 축전지(4)에 연결된 제어장치(52);를 포함하는 축전지 배터리 시스템(1)에 있어서,
    - 각각 전기화학 축전지에 부착되어, 상기 각 축전지의 단자에서 전압을 측정하도록 형성된, 복수의 측정회로(3);
    - 각각 전기화학 축전지에 부착되어, 측정된 전압이 한계값을 넘으면 상기 각 축전지의 단자에서 전압 강하를 유도하도록 형성된, 복수의 통신회로;를 더 포함하고,
    상기 제어장치(52)는 상기 전압 강하를 식별하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정회로(3) 및 통신회로는 각 축전지(4)에 의해 전력공급되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통신회로는, 측정된 전압이 한계값을 넘으면 10kHz 내지 1MHz의 주파수로 교대되는 전압 강하를 유도하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통신회로는, 상기 축전지의 단자에서 전압이 최대 충전 전압을 넘거나 상기 축전지의 단자에서 전압이 최저 방전 전압을 넘으면, 상기 각 축전지의 단자에서 전압 강하를 유도하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 통신회로는, 최저 방전 전압에 대한 전압 강하의 주기비보다 큰 주기비에 의해 최대 충전 전압에 대한 전압 강하를 유도하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통신회로는 개별적인 전압 강하를 달성하도록 형성되고, 상기 제어장치는 달성된 전압 강하의 함수로서 통신회로를 식별하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통신회로는, 측정회로(3)가 축전지의 단자에서 한계값을 넘는 전압을 측정하면, 의사-랜덤 코드(pseudo-random code)에 의해 측정회로의 식별자(identifier)를 인코딩하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 상기 전력 연결부에 연결된 DC/AC 컨버터;
    - 상기 컨버터와 상기 제어장치 사이에 위치한 항-파라사이트 필터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지 배터리 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    20개 초과의 직렬연결된 축전지를 포함하고, 배터리(2)의 단자에서의 전압은 50V 초과인 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통신회로는, 측정된 전압이 한계값을 넘으면, 축전지의 단자에서 0.1% 이상의 전압 강하를 유도하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 통신회로는, 축전지의 단자 사이에 전기부하(33)를 연결함으로써, 축전지에서 전압 강하를 유도하는 것을 특징으로 하는, 축전지 배터리 시스템.
  12. - 각 축전지에 부착된 측정회로(3)에 의해 축전지의 단자에서 전압을 측정하는 단계;
    - 상기 측정회로 중 하나에 의해 각 축전지의 단자에서 전압 한계값을 넘는지 검출하는 단계;
    - 한계값을 넘는 것이 검출된 축전지의 단자에서 전압 강하를 일으키는 단계;
    - 전기부하(55) 또는 재충전 전력공급장치(8)를 축전지에 연결하는 전력 연결부(72)에 의해 전기화학 축전지에 연결된 제어장치(52)에 의해 전압 강하를 검출하는 단계;를 포함하는 직렬 배터리의 전기화학 축전지의 충전을 관리하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    각 축전지에 의해 측정회로에 전력공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직렬 배터리의 전기화학 축전지의 충전을 관리하는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 전압 강하를 일으키는 단계는, 10kHz 내지 1MHz의 주파수로 교대되는 상기 축전지의 단자에서의 전압 강하를 포함하는 것을 특징으로 하는, 직렬 배터리의 전기화학 축전지의 충전을 관리하는 방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 전압 강하를 일으키는 단계는, 상기 축전지의 단자에 전기구성을 연결하는 것을 포함하고, 상기 전기구성은 연결된 동안 상기 축전지의 단자에서 0.1% 이상의 전압 강하를 유도하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 직렬 배터리의 전기화학 축전지의 충전을 관리하는 방법.
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