KR101940437B1 - 적어도 2개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 및 자동차 - Google Patents

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KR101940437B1
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미카엘 힌터버거
베르톨트 헬렌탈
크리스티안 알만
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아우디 아게
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 전기적 연결 요소(3)에 의해 서로 연결된 적어도 2개의 배터리 셀(2) 및 상위 제어 장치(6)를 포함하는 배터리(1)에 관한 것으로서, 상기 배터리 셀(2)의 각각은 적어도 하나의 갈바닉 요소, 상기 갈바닉 요소를 수용하기 위한 배터리 셀 하우징, 상기 배터리 셀(2)의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치(7, 8, 9), 및 상기 상위 제어 장치(6)와 통신하기 위한 통신 장치(10, 11)를 포함하고, 상기 상위 제어 장치(6)는, 상기 배터리 셀(2)의 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 배터리 셀(2) 중 적어도 하나로의 그리고/또는 상기 배터리 셀(2) 중 적어도 하나로부터의 에너지 흐름을 제어하도록 설계된다. 본 발명은 또한 이러한 배터리(1)를 포함하는 자동차에 관한 것이다.

Description

적어도 2개의 배터리 셀을 포함하는 배터리 및 자동차
본 발명은 적어도 하나의 전기적 연결 요소에 의해 서로 연결되는 적어도 2개의 배터리 셀 및 상위 제어 장치를 포함하는 배터리로서, 상기 배터리 셀의 각각은 적어도 하나의 갈바닉 요소, 상기 갈바닉 요소를 수용하기 위한 배터리 셀 하우징, 상기 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치, 및 상기 상위 제어 장치와 통신하기 위한 통신 장치를 포함하는, 상기 배터리에 관한 것이다. 본 발명은 또한 배터리를 포함하는 자동차에 관한 것이다.
각각의 배터리 셀을 배터리 또는 배터리 시스템에 전기적으로 연결하여 기계적으로 안전하게 고정시키는 것은 종래 기술로부터 이미 알려져 있다. 이러한 배터리는 오늘날 자동차를 구동하기 위해 예를 들어 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차와 같은 자동차의 구동 배터리로서 특히 사용된다. 그러나, 배터리가 자동차에서 사용될 때, 이들은 특정 요건을 충족시켜야 한다. 구동 배터리는 수백 볼트를 제공할 수 있기 때문에, 예를 들어 사람에 대한 위험을 회피하기 위해 특별한 안전 조치를 취해야 한다. 또한, 배터리의 높은 가용성이 보장되어야 한다. 이러한 가용성은 특히 배터리의 손상 정도 또는 노화 정도에 따라 달라진다. 배터리 셀은 내부 저항뿐만 아니라 커패시턴스에서도 제작에 따른 편차를 갖기 때문에, 일반적으로 충전 및 방전이 다른 속도로 진행된다. 이러한 경우, 개별 셀이 예를 들어 심하게 방전되거나 또는 과충전될 때, 배터리가 손상될 수 있다. 여기서 배터리 셀의 손상 또는 고장은 특히 배터리 셀의 직렬 연결에서 전체 배터리의 고장을 발생시킬 수 있다.
배터리 또는 개별 배터리 셀을 모니터링하기 위한 수단이 종래 기술로부터 알려져 있다. 따라서, DE 10 2010 011 740 A1호는 개개의 배터리 셀의 상태가 센서에 의해 검출되고 상위 중앙 유닛으로 무선으로 송신되는 배터리를 개시한다. WO 2012/034045 A1호에서는 측정 장치가 배터리 셀 상에 또는 배터리 셀 내에 장착되는 배터리 모니터링 시스템을 설명한다. 또한 WO 2004/047215 A1호는 배터리의 수명을 연장시키기 위해 배터리의 물리적 특성을 모니터링하는 배터리 관리 시스템을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 긴 수명을 갖는 특히 신뢰성 있는 배터리 및 그러한 배터리를 포함하는 자동차를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따르면 독립 청구항에 따른 특징을 갖는 배터리 및 자동차에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항, 발명의 상세한 설명 및 도면의 대상이다.
본 발명에 따른 배터리는 적어도 2개의 배터리 셀 및 상위 제어 장치를 포함한다. 상기 적어도 2개의 배터리 셀은 적어도 하나의 전기적 연결 요소에 의해 서로 연결된다. 배터리 셀의 각각은 적어도 하나의 갈바닉 요소, 상기 갈바닉 요소를 수용하기 위한 배터리 셀 하우징, 상기 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치, 및 상기 상위 제어 장치와 통신하기 위한 통신 장치를 포함한다. 또한, 상기 상위 제어 장치는 상기 배터리 셀의 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 배터리 셀 중 적어도 하나로의 그리고/또는 상기 배터리 셀 중 적어도 하나로부터의 에너지 흐름을 제어하도록 설계된다.
각 배터리 셀의 갈바닉 요소는 특히 전기 부품에의 전력 공급을 위해 방전될 수 있고 방전 후에 다시 충전될 수 있는 2차 전지로서 설계된다. 여기서 갈바닉 요소는 알려진 방식으로 2개의 전극 및 전해질을 포함한다. 갈바닉 요소는 예를 들어 알루미늄으로 제작된 배터리 셀 하우징에 배치된다. 갈바닉 요소는 배터리 셀 하우징에 대해 전기적으로 절연될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 배터리 셀 하우징의 벽의 내측면과 갈바닉 요소 사이에 절연 재료가 배치될 수 있다. 배터리 셀 하우징은 2개의 단자를 포함하며, 갈바닉 요소의 각 전극은 각각의 단자에 전기적으로 연결된다.
배터리 셀들의 전기적 연결을 위해, 배터리 셀들 중 제1 배터리 셀의 적어도 하나의 단자는 전기적 연결 요소에 의해 배터리 셀들 중 제2 배터리 셀의 단자에 연결된다. 전기적 연결 요소는 예를 들어 전류 레일로 구성될 수 있다. 이 경우 배터리 셀은 전기적으로 병렬로 그리고/또는 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 개별 배터리 셀이 배터리 모듈에 연결되고 배터리 모듈이 배터리에 연결되도록 제공될 수도 있다.
각 배터리 셀의 적어도 하나의 센서 장치는 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하는 역할을 한다. 적어도 하나의 센서 장치는, 예를 들어, 배터리 셀 하우징 내부의 온도를 검출하기 위한 온도 센서 및/또는 배터리 셀 하우징 내부의 압력을 검출하기 위한 압력 센서 및/또는 전해질의 화학적 조성을 검출하기 위한 화학 센서로서 설계될 수 있다.
각 배터리 셀의 통신 장치는, 예를 들어 데이터를 상위 제어 장치 및/또는 배터리의 다른 배터리 셀의 통신 장치로 송신하고 그리고/또는 데이터를 상위 제어 장치 및/또는 다른 배터리 셀의 통신 장치로부터 수신하는 무선 전송 장치, 예를 들어 무선 안테나로서 설계될 수 있다. 이러한 데이터는 예를 들어 각각의 배터리 셀의 적어도 하나의 센서 장치에 의해 검출된 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터는 블루투스 또는 WLAN을 통해 그리고 또한 초음파 또는 광 펄스를 통해 송신 및/또는 수신될 수 있다.
무선 데이터 전송을 특히 안전하게 설계하기 위해, 보안 무선 연결로서, 예를 들어 배터리 셀과 상위 제어 장치 사이에, 양방향 데이터 교환을 위한 암호화된 전자기 호환 무선 연결이 제공될 수 있다. 무선 전송을 통해 데이터를 매우 신속하고 유연하게 전송할 수 있다.
그러나, 또한, 데이터가 데이터 변조에 의해 라인 결합 방식으로, 예를 들어, 이더넷을 통해 전송되도록 제공될 수도 있다. 이를 위해 라인은 예를 들어 배터리 셀 단자 및 상위 제어 장치에 연결될 수 있다. 라인 결합 방식의 전송에 의해, 신뢰성 있고 간섭 없는 암호화된 데이터 교환이 유리한 방식으로 구현될 수 있다.
적어도 하나의 센서 장치 및 통신 장치가 제공된 배터리 셀은 또한 지능형 배터리 셀 또는 스마트 셀로 지칭될 수 있다.
각각의 배터리 셀의 적어도 하나의 센서 장치 및 통신 장치는 여기서 바람직하게는 반도체 칩에 집적될 수 있다. 이와 같은 고도로 집적된 지능형 반도체 칩은 원칩 시스템 또는 SoP(system-on-a-chip)라고도 한다. 이러한 소형화에 의해, 적어도 하나의 센서 장치 및 통신 장치는 특히 각 배터리의 배터리 셀 하우징 내부에 또는 외부에 공간 절약 방식으로 배치될 수 있다. 따라서, 반도체 칩은 예를 들어 배터리 셀 하우징의 벽의 내측면과 갈바닉 요소 사이에 위치하는 배터리 셀 하우징 내부의 공동 내에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 반도체 칩은 배터리 셀 하우징에 열적으로 결합될 수 있어, 반도체 칩의 작동 중에 발생하는 열이 배터리 셀 하우징 및 더 나아가 주위로 방출될 수 있다. 배터리 셀 하우징 외부에서, 반도체 칩은 배터리 셀 하우징의 특히 돌출 또는 노출된 단자 사이에 특히 공간 절약 방식으로 배치될 수 있다.
반도체 칩은 안전 기능 또는 보안 기능을 추가로 구비할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 배터리 셀이 소위 주문자 상표 부착 생산자(OEM)(Original Equipment Manufacturer)에 의해 제공되는 에너지 저장소 유닛인 것이 보장될 수 있다. 또한, 개별 식별 번호, 소위 ID 및 각 배터리 셀에 대한 추가 정보를 전자적으로 저장할 수 있다. 또한, 안전 기능을 갖는 반도체 칩은 배터리 셀의 남용 또는 고의적인 파괴를 검출하는데 사용될 수 있다. 반도체 칩이 배터리 셀 하우징 내부에 배치되면, 반도체 칩을 제거하기 위해서는, 배터리 셀을 파괴해야 한다. 이는 반도체 칩에 의해 인식될 수 있다. 그러면, 반도체 칩은 예를 들어 비가역적으로 비활성화될 수 있다.
상위 제어 장치는 스마트 셀 컨트롤러로서 구성될 수 있다. 이러한 경우, 상위 제어 장치는 예를 들어 5미터 이상의 거리를 통한 무선 통신을 통해 예를 들어 12-비트 어드레스를 처리하고 데이터 레코드를 교환하도록 설계된다. 또한, 상위 제어 장치는 데이터가 저장될 수 있는 메모리를 포함할 수도 있다. 또한, 상위 제어 장치는 배터리 관리 시스템과 통신할 수 있다.
제어 장치는 배터리 셀 중 적어도 하나로부터의 에너지 흐름, 즉, 배터리 셀 중 적어도 하나의 방전 및/또는 배터리 셀 중 적어도 하나로의 에너지 흐름, 즉, 배터리 셀 중 적어도 하나의 충전을 배터리 셀의 검출된 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 제어하도록 설계된다. 이러한 경우, 배터리 셀 중 하나로의 또는 배터리 셀 중 하나로부터의 에너지 흐름을 제어하기 위해 이러한 하나의 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성만이 고려되거나 또는 배터리의 다른 하나의 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성도 또한 고려되는 것이 제공될 수 있다.
일반적으로 제조상 발생하는 내부 저항 및 커패시턴스의 편차를 갖는 배터리 셀 각각의 에너지 흐름을 개별적으로 제어함으로써, 특히 배터리지 셀의 심한 방전 또는 과충전 및 이에 따른 전체 배터리의 손상을 회피할 수 있다. 따라서, 배터리의 수명 및 이에 따른 가용성이 상당히 연장될 수 있다.
바람직하게는 각각의 배터리 셀은 바람직하게는 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 저장하기 위한 저장 장치 또는 전자 메모리를 포함한다. 이러한 경우, 상위 제어 장치는 배터리 셀의 저장된 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 에너지 흐름을 제어하도록 설계된다. 이러한 저장 장치는 바람직하게는 적어도 하나의 센서 장치 및 통신 장치와 함께 반도체 칩에 집적될 수 있다. 이러한 경우 저장 장치는 적어도 하나의 센서 장치와 통신하여, 적어도 하나의 센서 장치의 검출된 데이터가 저장 장치로 전송될 수 있다. 따라서, 배터리 셀의 수명에 걸친 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 포함하는 배터리 셀의 이력이 공급될 수 있다. 이러한 특성은 예를 들어 충전 상태(State Of Charge)(SoC), 활력 상태(State of Health)(SoH), 최대 전류값, 소위 전류 피크 또는 각 배터리 셀의 전류 그래프를 포함할 수 있다. 따라서, 배터리 셀은 전체 수명 동안 모니터링될 수 있고, 따라서 에너지 흐름이 또한 각 배터리 셀의 수명 또는 노화에 유리한 방식으로 적응될 수 있다.
전기적 연결 요소는 전기적 연결 요소의 상태 변수를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치 및 상위 제어 장치와 통신하기 위한 통신 장치를 포함하고, 상위 제어 장치는 에너지 흐름을 검출된 상태 변수에 따라 제어하도록 설계되는 것이 제공될 수 있다. 이러한 상태 변수는 전기적 연결 요소를 통하는 전류 및/또는 온도 및/또는 전위 및/또는 기계적 변형 및/또는 기계적 휨일 수 있다. 따라서, 예를 들어 전류 레일로서 구성된 전기적 연결 요소에 특히 통합된 센서 장치에 의해, 개개의 배터리 셀 사이의 상호 작용도 또한 유리한 방식으로 검출될 수 있다.
바람직하게는, 상기 배터리 셀의 각각은 상기 갈바닉 요소의 전극과 상기 각 배터리 셀의 단자가 전기적으로 결합되게 하고 상기 갈바닉 요소와 상기 각 배터리 셀의 상기 단자 사이의 전류 흐름이 제어될 수 있게 하는 적어도 하나의 스위칭 장치를 포함한다. 또한, 상기 상위 제어 장치는 상기 전극과 상기 배터리 셀 중 적어도 하나의 상기 단자 사이의 전류 흐름을 상기 에너지 흐름으로서 제어하도록 설계된다. 이러한 경우에, 각각의 전극은 스위칭 요소에 의해 각각의 단자에 결합될 수 있거나 또는 2개의 전극 중 하나만이 스위칭 장치에 의해 각각의 단자에 결합될 수 있다.
스위칭 장치는 전자 스위칭 요소 또는 반도체 스위치로서 설계되는 것이 바람직하며, 전류 흐름이 전자 스위칭 요소를 통해 제어 전압에 의해 전자 스위칭 요소에서 제어될 수 있다. 즉, 이는 대응하는 제어 전압을 사전 설정함으로써 전극과 단자 사이의 전기 저항을 변경시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 경우, 상위 제어 장치는 전자 스위칭 요소를 제어하도록, 즉, 예를 들어 상응하는 제어 전압을 사전 설정하도록 설계된다.
예를 들어, 전력 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터) 또는 IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)로 설계될 수 있는 스위칭 요소는 제어 전압에 따라 다른 영역에서 동작할 수 있다. 전자 스위칭 요소가 차단 영역에서 동작할 때, 즉 제어 전압이 사전 설정된 임계값의 미만이면, 전자 스위칭 요소는 전극과 각각의 단자 사이의 전류 흐름을 차단하거나 또는 막는다. 전자 스위칭 요소가 선형 영역 또는 3극 영역에서 동작할 때, 전류 흐름은 제어 전압의 상승에 의해 선형적으로 증가할 수 있다. 전자 스위칭 요소가 포화 영역에서 동작할 때, 일정한 제어 전압으로부터 시작하여 단자와 전극 사이에 일정한 최대의 전류가 흐를 수 있다. 제어 장치는 이제 전자 스위칭 요소에 대한 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 제어 전압을 사전 설정하도록 설계된다.
예를 들어 배터리 셀의 결함을 나타내는, 예를 들어 배터리 셀 하우징 내의 증가한 내부 압력 또는 상승한 온도가 배터리 셀 중 하나의 센서 장치에 의해 검출된 경우, 상위 제어 장치는 이 배터리 셀의 스위칭 장치를 차단 영역에서 동작시킬 수 있고, 이에 따라 이 배터리 셀의 전극과 단자 사이의 전류 흐름을 유리한 방식으로 차단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 배터리 셀의 각각은 상기 검출된 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 각 배터리 셀의 손상 정도를 결정하도록 설계되는 평가 장치를 각각 포함한다. 상기 상위 제어 장치 및/또는 상기 평가 장치는 상기 각 배터리 셀의 상기 손상 정도에 따라 상기 각 배터리 셀의 상기 전극과 상기 단자 사이의 상기 전류 흐름을 제어하도록 설계된다. 평가 장치는 예를 들어 마이크로컨트롤러로 구현될 수 있으며 마찬가지로 반도체 칩에 통합될 수도 있다. 따라서, 센서 데이터는 배터리 셀 내부에서 즉시 평가될 수 있고, 예를 들어 평가된 센서 데이터가 미리 결정된 허용 오차 범위 밖에 있는 경우에만 상위 제어 장치로 전송될 수 있다.
따라서, 평가 장치는 바람직하게는 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 각각의 배터리 셀의 손상 정도 또는 노후화를 결정하도록 설계된다. 이러한 손상 정도는 통신 장치를 통해 상위 제어 장치로 통신되며, 상기 상위 제어 장치는 특히 스위칭 요소를 제어함으로써 전류 흐름을 제한한다. 또한, 평가 장치 자체가 스위칭 장치를 제어함으로써 전류 흐름을 제한하는 것이 제공될 수도 있다. 따라서, 각각의 배터리 셀에 대해 수명을 연장하는 온화한 동작이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 상기 배터리 셀 각각의 센서 장치는 상기 각각의 배터리 셀의 충전 상태를 검출하도록 설계된다. 상기 상위 제어 장치는, 상기 배터리 셀의 상기 충전 상태를 서로 비교하고, 상기 충전 상태의 사전 설정된 편차를 초과하면 상기 충전 상태를 조정하기 위해 상기 배터리 셀 중 적어도 하나로의 그리고/또는 상기 배터리 셀 중 적어도 하나로부터의 상기 에너지 흐름을 제어하도록 설계된다. 충전 상태 또는 커패시턴스를 검출하고 배터리 셀의 개별 충전 상태 또는 커패시턴스를 서로 비교함으로써, 충전 상태 보상, 소위 밸런싱이 수행될 수 있다. 충전 상태는 예를 들어 배터리 셀 전압을 검출함으로써 결정될 수 있다. 충전 상태 보상의 경우, 모든 배터리 셀이 통상적인 허용 오차를 고려하여 동일한 충전 상태를 가질 때까지 배터리 셀 중 적어도 하나의 에너지 흐름이 제어된다. 밸런싱을 통해, 배터리 셀 및 이에 따라 전체 배터리의 서비스 수명이 증가한다는 장점이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 배터리 셀의 각각은 특히 상기 각 배터리 셀 하우징에 열적으로 결합되는 저항 요소를 포함한다. 상기 상위 제어 장치는 상기 사전 설정된 편차를 초과하면 상기 충전 상태를 조정하기 위해 상기 배터리 셀 중 적어도 하나의 상기 저항 요소를 상기 각각의 배터리 셀의 상기 갈바닉 요소의 상기 전극과 전기적으로 연결하도록 설계된다. 이 경우, 다른 배터리 셀에 비해 더 높은 충전 상태를 갖는 배터리 셀 또는 배터리 셀들이 저항 요소를 통해 의도한 대로 방전되는, 소위 수동 또는 소산 밸런싱(dissipative Balancing)이 수행된다. 이에 따라, 각 배터리 셀의 에너지는 저항 요소를 통해 열로 변환된다. 즉, 배터리 셀은 동일한 전압 레벨 또는 동일한 충전 상태로 밸런싱을 이룬다.
이를 위해, 상위 제어 장치는 다른 배터리 셀에 비해 증가한 충전 상태를 갖는 배터리 셀 또는 배터리 셀들의 저항 요소를 갈바닉 요소의 전극에 연결하도록 설계된다. 이를 위해, 저항 요소는 예를 들어, 적어도 하나의 스위칭 요소를 통해 갈바닉 요소의 전극과 전기적으로 연결될 수 있으며, 제어 장치는 밸런싱을 위해 스위칭 요소를 폐쇄하도록 설계된다. 이 경우, 저항 요소는, 특히 배터리 셀 하우징 내부에 배치되고, 이에 따라 특히 공간 절약 방식으로 배치되고, 배터리 셀 하우징에 열적으로 결합된다. 저항 요소는 배터리 셀을 방전하기 위해 갈바닉 요소의 에너지를 열로 변환하기 때문에, 이러한 열은 배터리 셀 하우징으로 그리고 또한 배터리 셀의 주변으로 유리한 방식으로 방출될 수 있다. 따라서, 배터리 셀 하우징 내부의 온도가 너무 많이 상승하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 유리한 실시예는 상기 적어도 2개의 배터리 셀은 상기 전기적 연결 요소에 의해 직렬로 연결되고, 상기 배터리 셀 하우징 중 제1 배터리 셀 하우징의 적어도 하나의 측벽 및 상기 배터리 셀 하우징 중 제2 배터리 셀 하우징의 적어도 하나의 측벽은 전기 전도성 재료를 포함하고, 상기 상위 제어 장치는 사전 설정된 편차를 초과하면 상기 충전 상태를 조정하기 위해 상기 배터리 셀 하우징의 상기 측벽들 사이의 용량성 에너지 전달을 제어하도록 설계된다.
여기서 소위 능동 밸런싱이 수행된다. 이러한 경우, 바람직하게는 많이 충전된 배터리 셀의 에너지는 적게 충전된 배터리 셀로 전달된다. 따라서, 많이 충전된 배터리 셀은 방전되고 적게 충전된 배터리 셀은 많이 충전된 배터리 셀의 에너지로 충전된다. 여기서 직렬 접속된 배터리 셀은 2개의 인접한 배터리 셀 하우징의 전기 전도성 측벽에 의해 플레이트 커패시터가 형성되는 방식으로 서로에 대해 배치되고, 상기 플레이트 커패시터를 통해 용량성 에너지가 플레이트 커패시터에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 전달된다. 여기서 전기 전도성 측벽은 플레이트 커패시터의 전극을 형성한다. 측벽 사이에는, 플레이트 커패시터의 전극 사이에 유전체를 형성하는 전기적 절연이 존재할 수 있다. 여기서 측벽은 전기 전도성 재료, 예를 들어 필름으로 코팅되거나, 또는 전기 전도성 재료, 예를 들면 알루미늄으로 제조될 수 있다.
배터리 셀 및 이에 따른 플레이트 커패시터의 직렬 접속 또는 체인 연결에 의해, 에너지는 배터리 셀로부터 인접한 배터리 셀로 동적으로 전달될 수 있다. 가변 전기장으로 인한 변위 전류에 기반하는 용량성 에너지 전달의 큰 장점은 예를 들어 열 형태의 손실이 거의 발생하지 않는다는 것이다.
전체적으로 본 발명은, 배터리 셀 또는 스마트 셀의 상호 접속을 포함하는 배터리를 나타낸다. 스마트 셀 각각은, 각각의 셀에 관한 정보가 항상 이용 가능하고 따라서 배터리 셀의 상태를 항상 알 수 있게 하는 예를 들어, 센서 장치, 평가 장치 및 통신 장치 형태의 지능(intelligence)이 구비될 수 있다. 이러한 지능을 반도체 칩에 통합함으로써, 각 스마트 셀은 고 집적된 컴팩트한 에너지 저장 장치로 구성된다. 센서 장치, 평가 장치 및 통신 장치는 바람직하게는 초-저-전력 컴포넌트로서 설계되고, 이를 통해 특히 배터리 셀의 에너지 절약형 모니터링이 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리를 포함한다. 자동차는 예를 들어, 개인용 자동차, 특히 전기 또는 하이브리드 자동차로서 설계될 수 있다. 그러나, 또한, 자동차는 전기적으로 구동되는 오토바이 또는 자전거로서 설계될 수도 있다.
그러나, 또한, 고정 에너지 저장 시스템에 배터리를 제공하는 것도 가능하다. 이러한 경우, 예를 들어, 자동차에 제공되었던 배터리가 고정 에너지 저장 시스템에서 소위 세컨드 라이프 배터리로서 재사용될 수 있도록 제공될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리를 참조하여 제공되는 바람직한 실시예 및 이들의 장점은 상응하게 본 발명에 따른 자동차에도 적용된다.
이하에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 그리고 바람직한 실시예를 기초로 하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 배터리 셀을 구비하는 배터리의 개략적인 도면이다.
이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 양호한 실시예이다. 그러나, 실시예에서, 실시예의 설명하는 구성 요소는 각각의 경우에 서로 독립적인 본 발명의 개별적인 특징을 나타내며, 상기 특징 각각은 또한 본 발명을 서로 독립적으로 개선하고, 따라서 또한 개별적으로 또는 도시된 것과 다른 조합으로 본 발명의 일부로서 제공된다. 또한, 설명하는 실시예는 본 발명의 이미 설명한 다른 특징을 통해 추가로 보완될 수 있다.
도 1은 단지 5개의 배터리 셀(2)만이 개략적으로 도시되어 있는 배터리(1)를 도시한다. 배터리 셀(2) 중에서 여기에는 배터리 셀 하우징만이 도시되어 있다. 배터리 셀 하우징 내부에는 갈바닉 요소가 각각 배치되어 있다. 배터리 셀(2)은 여기서 각각 전류 레일 형태의 전기적 연결 요소(3)를 통해 배터리(1)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 배터리 셀(2) 중 하나의 양극 단자(4)가 각각 인접한 배터리 셀(2)의 음극 단자(5)에 전기적으로 연결됨으로써, 배터리 셀(2)은 전기적 연결 요소(3)를 통해 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 배터리(1)는 상위 제어 장치(6)를 포함한다.
배터리 셀(1)의 각각은 배터리 셀(2)의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 센서 장치(7, 8, 9)를 포함한다. 이 경우, 센서 장치(7)는 각 배터리 셀(2)의 충전 상태를 검출하기 위한 충전 상태 센서로서, 센서 장치(8)는 각 배터리 셀(2)의 배터리 셀 하우징 내부의 온도를 검출하기 위한 온도 센서로서, 그리고 센서 장치(9)는 각각의 배터리 셀(2)의 배터리 셀 하우징 내부의 압력을 검출하기 위한 압력 센서로서 설계된다. 센서 장치(7, 8, 9)는 여기서 각각의 배터리 셀(2)의 배터리 셀 하우징 내부에 배치된다.
또한, 배터리 셀(2)의 각각은 무선 안테나 형태의 통신 장치(10)를 포함한다. 배터리 셀(2)은 각각의 통신 장치(10)를 통해 상위 제어 장치(6)와 통신할 수 있다. 통신은 여기서 무선으로, 예를 들어 WLAN 또는 블루투스 등을 통해 수행된다. 그러나, 각각의 배터리 셀(2)이 각각의 라인(11)을 통해 상위 제어 장치(6)와 통신하도록 제공될 수도 있다. 이를 위해, 라인(11)은 예를 들어 배터리 셀(2)의 단자(4, 5) 중 하나와 연결될 수 있다. 라인(11)은 소위 이더넷 케이블일 수 있다. 따라서, 데이터는 상위 제어 장치(6)와 각각의 배터리 셀(2) 사이에서 "이더넷을 통한 전력"을 통해 전송될 수 있다. 라인(11)은 또한 전원 네트워크를 통해 데이터가 전송되는 소위 전력 라인일 수도 있다.
또한, 각 배터리 셀(2)은 여기서 안전 기능(19) 또는 보안 기능을 포함하며, 이 안전 기능 또는 보안 기능을 통해 예를 들어 배터리 셀(2)이 소위 주문자 상표 부착 생산자(OEM)(Original Equipment Manufacturer)에 의해 제공되는 에너지 저장 유닛인 것이 보장될 수 있다. 여기에는, 또한, 개별 식별 번호, 소위 ID 및 각 배터리 셀(2)에 대한 추가 정보가 또한 전자적으로 저장될 수 있다.
또한, 전기적 연결 요소(3)의 각각은 센서 장치(18), 및 상위 제어 장치(6)와 통신하기 위한 통신 장치(12)를 포함하는 것이 제공될 수도 있다. 통신 장치(12)에 의해 전기적 연결 요소(3)의 센서 장치(18)로부터의 데이터가 상위 제어 장치(6)로 전송될 수 있다. 이러한 데이터는, 예를 들어, 2개의 배터리 셀(2)의 단자(4, 5) 사이에서 전기적 연결 요소(3)를 통해 흐르는 전류, 또는 전기적 연결 요소(3)의 온도 또는 기계적 휨을 나타낼 수 있다.
제어 장치(6)는 이제 전송되는 데이터, 즉, 예를 들어 센서 장치(7, 8, 9)의 데이터 및/또는 전기적 연결 요소(3)에 관한 데이터를 수신하고, 이들 데이터에 따라 배터리 셀(2) 중 적어도 하나로부터의 그리고/또는 배터리 셀(2) 중 적어도 하나로의 에너지 흐름을 제어하도록 설계될 수 있다. 또한, 예를 들어 버스 연결부(20)를 통해 상위 제어 장치(6)가 여기에 도시되지 않은 배터리 관리 시스템과 통신하는 것이 제공될 수도 있다.
또한, 각 배터리 셀(2)은 센서 장치(7, 8, 9) 자체의 데이터의 평가를 수행하도록 설계된 여기에 도시되지 않은 평가 장치를 포함하는 것이 제공될 수도 있다. 또한, 상위 제어 장치(6)에 의해 연산이 수행되고, 오직 결과만이 각 배터리 셀(2)의 평가 장치로 전송되는 것이 제공될 수도 있다.
평가 장치에 의해, 예를 들어, 임피던스 분석 또는 임피던스 현미경검사(microscopy)가 배터리 셀(2) 각각에 대해 수행될 수 있으므로, 예를 들어 각각의 배터리 셀(2)의 내부 저항에 관한 정보가 획득될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 에너지 흐름이, 특히 배터리(1)의 모든 배터리 셀(2)의 평형 부하를 보장하기 위해, 각각의 배터리 셀(2)의 내부 저항에 적응될 수 있다. 또한, 충전 컬럼, 즉, 충전 에너지를 제공하는 장치에는 배터리 셀(2) 각각의 실제 상태, 예를 들어 활력 상태(SoH)에 대해 능동적으로 통지될 수 있다. 따라서, 충전은 각각의 배터리 셀(2)의 상태에 동적으로 적응될 수 있고, 예를 들어, 배터리 셀(2)의 임계 상태의 경우에 능동적으로 스위칭 오프될 수 있다.
에너지 흐름을 제어하기 위해, 각각의 배터리 셀(2)은 스위칭 장치(13)를 포함할 수 있다. 스위칭 장치(13)는 전자 스위칭 요소 및/또는 릴레이를 포함할 수 있다. 예를 들어 상위 제어 장치(6)를 통해 제어 신호, 예를 들어 제어 전압이 제공됨으로써, 스위칭 장치(13)를 통해 특히, 배터리 셀 하우징 내의 갈바닉 요소와 동일한 배터리 셀(2)의 단자(4, 5) 사이의 전류 흐름이 제어될 수 있다. 스위칭 장치(13)에 의해, 특히 갈바닉 요소와 단자(4, 5) 사이의 전류 흐름이 제한되거나 또는 차단될 수 있다. 따라서, 스위칭 장치(13)는 공지된 퓨즈의 기능을 수행할 수 있다.
상위 제어 장치(6)는 스위칭 장치(13)에 의해 배터리 셀(2) 중 적어도 하나의 단자(4, 5)와 갈바닉 요소 사이의 전류 흐름을 에너지 흐름으로서 제어하도록 설계되는 것이 바람직하다. 전류 흐름은, 이 배터리 셀(2)의 전류 부하가 위험하게 나타날 때, 예를 들어 상위 제어 장치(6)에 의해 제어되는 스위칭 장치(13)에 의해 차단되거나 또는 중단될 수 있다. 이는 예를 들어, 배터리 셀 하우징의 압력이 압력에 대한 사전 설정된 임계값을 초과한 것으로 센서 장치(9)에 의해 검출되고 이 증가한 압력값이 예를 들어 배터리 셀(2)의 통신 장치(10)를 통해 상위 제어 장치(6)로 통신될 때 수행될 수 있다. 따라서, 상부 제어 장치(6)는 전류 흐름을 차단하도록 스위칭 장치(13)를 제어할 수 있다. 또한, 예를 들어, 배터리 셀(2)이 배터리 셀(2)의 노후 또는 손상을 나타내는 활력 상태(SoH)를 포함할 때, 배터리 셀(2)의 전류 흐름은 제한될 수 있다.
스위칭 장치(13)는 또한 각 배터리 셀(2)의 평가 장치에 의해, 특히 각 배터리 셀(2)의 센서 장치(7, 8, 9)의 데이터에 따라 스위칭될 수 있다.
배터리(1)의 경우, 또한 복수의 배터리 셀(2)이 배터리 모듈에 병렬로 접속될 수 있고, 복수의 배터리 모듈이 함께 접속될 수 있다. 전력 반도체 요소로서의 스위칭 장치(13)의 실시예에서는, 또한, 배터리(1)의 이러한 실시예에서, 전류 레일의 각각의 길이 및 연결에 따라 각각의 단자(4, 5)뿐만 아니라 배터리 모듈 간의 전이부에도 있는 최종 전체 저항이 보상될 수 있는 것이 보장될 수 있다. 즉, 이는 각 배터리 셀(2)의 내부 저항이 스위칭 장치(13)에 의해 동적으로 조정될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 배터리 셀은 전체적인 저항 보상으로 인해 동일한 부하를 받게 되고, 이를 통해 장기간 균등하게 노후화된다.
또한, 배터리 셀(2) 사이의 에너지 흐름이 배터리 셀(2)의 충전 상태 보상을 위해 제어될 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀(2) 중 하나의 센서 장치(7)에 의해 제1 충전 상태가 검출되고 다른 배터리 셀(2)의 센서 장치(7)에 의해 제1 충전 상태에 비해 더 큰 제2 충전 상태가 검출되면, 상위 제어 장치(6)는 제1 충전 상태와 제2 충전 상태 사이의 편차를 결정할 수 있다. 이러한 편차가 편차의 사전 설정된 임계값을 초과하면, 상위 제어 장치(6)는 밸런싱 또는 충전 상태 보상을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제2 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)은, 예를 들면 여기서 도시되지 않는 배터리 셀의 저항 요소를 통해 방전될 수 있다. 이를 위해, 상위 제어 장치(6)는 예를 들어 스위칭 요소에 의해, 제2 충전 상태가 제1 충전 상태와 일치하게 될 때까지 제2 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)의 갈바닉 요소의 전극에 저항 요소를 연결시킬 수 있다. 이는 수동 또는 소산 밸런싱이라고 한다.
또한, 상위 제어 장치(6)는, 제2 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)로부터 제1 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)로의 에너지 흐름을 제어함으로써, 능동 밸런싱을 수행할 수 있다. 여기서, 제2 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)로부터의 전기 에너지는 제1 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)로 용량성으로 전달된다. 이를 위해, 배터리 셀(2)의 배터리 셀 하우징의 측벽(14)은 전기 전도성 재료(15)를 포함한다. 또한, 배터리 셀 하우징이 전기 전도성 재료(15), 예를 들어 알루미늄으로 이미 제조된 것이 제공될 수도 있다. 따라서, 2개의 상이한 배터리 셀(2)의 2개의 서로 대면하는 측벽(14)에 의해, 플레이트 커패시터가 형성된다. 여기서 측벽(14)은 플레이트 커패시터의 전극을 형성하고, 측벽(14) 사이에 배치된 절연 재료(16)는 플레이트 커패시터의 유전체를 형성한다. 이러한 플레이트 커패시터에 의해 용량성 에너지 전달(17)이 인접한 2개의 배터리 셀(2) 사이에서 수행될 수 있다. 이 경우, 용량성으로 에너지가 제2 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)로부터 그 측벽(14)을 통해 제1 충전 상태를 갖는 배터리 셀(2)로 그 측벽(14)을 통해 전달된다. 용량성 에너지 전달(17)은 또한 복수의 배터리 셀(2)에 걸쳐 수행될 수도 있다. 배터리 셀(2)로부터 인접한 배터리 셀(2)로의 에너지 전달의 경우에는, 분배될 에너지 양을 각 배터리 셀(2)에 먼저 저장하고 이를 다시 추출하는 것이 요구되지 않으므로, 이를 통해 배터리 셀 화학에 의해 설정된 한계 밖에서 배터리 셀(2)을 작동시키는 것이 가능하다. 상호 연결된 플레이트 커패시터 배열을 통해, 분배될 에너지 양을 직접, 즉 배터리 셀(2)에 저장하지 않고, 다음 배터리 셀(2)에 동적으로 그리고 의도적으로 전달할 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 전기적 연결 요소(3)에 의해 서로 연결되는 적어도 2개의 배터리 셀(2) 및 상위 제어 장치(6)를 포함하는 배터리(1)로서, 상기 배터리 셀(2)의 각각은 적어도 하나의 갈바닉 요소, 상기 갈바닉 요소를 수용하기 위한 배터리 셀 하우징, 상기 배터리 셀(2)의 물리적 특성과 화학적 특성 중 적어도 하나를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치(7, 8, 9), 및 상기 상위 제어 장치(6)와 통신하기 위한 통신 장치(10, 11)를 포함하는, 상기 배터리(1)에 있어서,
    상기 상위 제어 장치(6)는 상기 배터리 셀(2)의 상기 물리적 특성과 화학적 특성 중 적어도 하나에 따라 상기 배터리 셀(2) 중 적어도 하나로의 또는 상기 배터리 셀(2) 중 적어도 하나로부터의 에너지 흐름을 제어하도록 설계되고,
    상기 전기적 연결 요소(3)는, 상기 전기적 연결 요소(3)의 상태 변수를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치 및 상기 상위 제어 장치(6)와 통신하기 위한 통신 장치(12)를 포함하며, 상기 상위 제어 장치(6)는 상기 검출된 상태 변수에 따라 상기 에너지 흐름을 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 셀(2)의 각각은 상기 배터리 셀의 상기 물리적 특성과 화학적 특성 중 적어도 하나를 저장하기 위한 저장 장치를 포함하고, 상기 상위 제어 장치는 상기 배터리 셀의 상기 저장된 물리적 특성과 화학적 특성 중 적어도 하나에 따라 상기 에너지 흐름을 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배터리 셀(2)의 각각은, 상기 각 배터리 셀(2)의 단자(4, 5)와 상기 갈바닉 요소의 전극이 전기적으로 결합되게 하고 상기 각 배터리 셀(2)의 상기 단자(4, 5)와 상기 갈바닉 요소 사이의 전류 흐름이 제어될 수 있게 하는 적어도 하나의 스위칭 장치(13)를 포함하고, 상기 상위 제어 장치(6)는, 상기 배터리 셀(2) 중 적어도 하나의 상기 단자(4, 5)와 상기 전극 사이의 전류 흐름을 상기 에너지 흐름으로서 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 셀(2) 각각의 상기 적어도 하나의 센서 장치(7, 8, 9)는, 온도를 검출하기 위한 온도 센서(8)와 각 배터리 셀(2)의 압력을 검출하기 위한 압력 센서(7) 중 적어도 하나로서 설계되고, 상기 상위 제어 장치(6)는, 상기 각 배터리 셀(2)의 상기 온도와 상기 압력 중 적어도 하나에 따라 상기 각 배터리 셀(2)의 상기 단자(4, 5)와 상기 전극 사이의 전류 흐름을 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  6. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 셀(2)의 각각은, 상기 검출된 물리적 특성과 화학적 특성 중 적어도 하나에 따라 상기 각 배터리 셀(2)의 손상 정도를 결정하도록 설계되는 평가 장치를 각각 포함하고, 상기 상위 제어 장치(6)와 상기 평가 장치 중 적어도 하나는, 상기 각 배터리 셀(2)의 상기 손상 정도에 따라 상기 각 배터리 셀(2)의 상기 단자(4, 5)와 상기 전극 사이의 상기 전류 흐름을 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  7. 제4항에 있어서,
    상기 배터리 셀(2) 각각의 상기 적어도 하나의 센서 장치(7, 8, 9)는 상기 각각의 배터리 셀(2)의 충전 상태를 검출하도록 설계되고, 상기 상위 제어 장치(6)는, 상기 배터리 셀(2)의 상기 충전 상태를 서로 비교하고, 상기 충전 상태의 사전 설정된 편차를 초과하면 상기 충전 상태를 조정하기 위해 상기 에너지 흐름을 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 배터리 셀(2)의 각각은 저항 요소를 포함하고, 상기 상위 제어 장치(6)는, 상기 사전 설정된 편차를 초과하면 상기 충전 상태를 조정하기 위해 상기 배터리 셀(2) 중 적어도 하나의 상기 저항 요소를 상기 각각의 배터리 셀(2)의 상기 갈바닉 요소의 상기 전극과 전기적으로 연결하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  9. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 배터리 셀(2)은 상기 전기적 연결 요소(3)에 의해 직렬로 연결되고, 상기 배터리 셀 하우징 중 제1 배터리 셀 하우징의 적어도 하나의 측벽(14) 및 상기 배터리 셀 하우징 중 제2 배터리 셀 하우징의 적어도 하나의 측벽(14)은 전기 전도성 재료(15)를 포함하고, 상기 상위 제어 장치(6)는, 상기 사전 설정된 편차를 초과하면 상기 충전 상태를 조정하기 위해 상기 배터리 셀 하우징의 상기 측벽들(14) 사이의 용량성 에너지 전달(17)을 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리(1).
  10. 제1항 또는 제2항에 따른 적어도 하나의 배터리(1)를 포함하는 자동차.
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