KR101977778B1

KR101977778B1 - 배터리의 충전 및 방전 레벨을 그 배터리의 셀들의 블록들을 스위칭함으로써 균형을 잡는 방법

Info

Publication number: KR101977778B1
Application number: KR1020147013903A
Authority: KR
Inventors: 안-랭 뷔-방; 프레데릭 소뇌프; 피에르 페리숑; 세바스티엥 카르쿠에
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2019-05-13
Also published as: CN104221244A; US9484753B2; WO2013061001A3; FR2982089B1; JP6214540B2; KR20140084264A; JP2014535255A; US20150288199A1; FR2982089A1; CN104221244B; EP2771960A2; WO2013061001A2

Abstract

본 발명은 배터리 내 셀들의 복수의 블록들의 전기적인 충전의 전체 레벨들의 균형을 잡기 위한 디바이스에 관한 것이다. 상기 블록들은 충전 단계 동안에 그리고 방전 단계 동안에 회로 내부에 연결되도록 설계되며, 그 충전 단계 동안에 상기 연결된 블록들의 셀들은 전하를 축적하며 그리고 그 방전 단계 동안에 상기 연결된 블록들의 셀들은 상기 전하를 전류의 형상으로 돌려준다. 상기 디바이스는 적어도 하나의 직렬 스위치 그리고 하나의 병렬 스위치를 포함한다. 상기 직렬 스위치는 닫힌 위치에 있을 때에 그리고 상기 병렬 스위치가 열린 위치에 있을 때에 상기 직렬 스위치는 블록을 다른 블록들과 직렬로 상기 회로 내부에 연결시킬 수 있으며, 그래서 상기 블록이 충전 단계 및 방전 단계 동안에 연결되도록 한다. 상기 병렬 스위치가 닫힌 위치에 있고 그리고 상기 직렬 스위치는 열린 위치에 있을 때에 상기 병렬 스위치는 상기 블록을 상기 회로로부터 제거할 수 있으며, 그래서 방전 단계 동안에 방전 단선 (discharging disconnection) 기준이 충족된다면 또는 상기 충전 단계 동안에 충전 단선 (charging disconnection) 기준이 충족된다면 상기 블록이 단선되도록 하며, 상기 블록은 자신이 단선될 때에 자신의 셀들의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 수단을 더 포함한다.

Description

배터리의 충전 및 방전 레벨을 그 배터리의 셀들의 블록들을 스위칭함으로써 균형을 잡는 방법 {Method for balancing the charge and discharge level of a battery by switching its blocks of cells}

본 발명은 배터리의 충전 및 방전 레벨을 그 배터리의 셀들의 블록들을 스위칭함으로써 균형을 잡는 (balancing) 방법에 관한 것이다. 그것은 독점적인 것은 아니지만 특히 전기 또는 하이브리드 차량들의 구동 체인에 전력을 공급하는 리튬-이온 (Li-ion) 배터리들에 적용 가능하다.

고 전압 그리고 고 에너지 밀도로 인해서, 리튬-이온 배터리들은 전기 또는 하이브리드 차량들의 구동 체인에 전력을 공급하기 위해서 특히 잘 적응된다. 그런 배터리에서, 리튬-이온 셀은 그것이 고체 또는 액체 전해질이건 간에 특정 품질의 전해질을 포함하는 기본적인 컴포넌트이며, 그 전해질을 통해서 리튬 이온들은 캐소드와 아노드 사이에서 확산할 수 있다. 상기 배터리의 충전 단계에서, 이온들의 이 확산은 셀 내에 전기적인 전하를 축적하는 이유이다. 배터리의 방전 단계에서, 이온들의 이 확산은 상기 셀의 캐소드와 아노드 사이에서 흐르는 전류에 대한 원인이다. 리튬-이온 배터리에서, 복수의 리튬-이온 셀들은 블록을 형성하기 위해서 우선 모두 어셈블되고 그리고 직렬로 그리고/또는 병렬로 연결되며, 그 후에 표준 용어에 따른 팩 (pack)을 형성하기 위해서 복수의 블록들이 어셈블되고 그리고 직렬로 그리고/또는 병렬로 연결된다. 표준의 용어에 따라 일반적으로 배터리 관리 시스템 (Battery Management System (또는 BMS))으로 불리는 전자 제어 유닛이 상기 팩에 연결되어 배터리를 형성한다.

상기 BMS의 역할은 다른 것들 중에서도 셀들 내에서 축적된 전하들의 균형을 잡기 (balancing) 위한 기능들을 제공하기 위한 것이다. 실제로, 각 셀에 대한 최대 충전의 그리고 최대 방전의 레벨들은 상기 배터리의 충전 및 방전 용량을 최선으로 활용하기 위해서 제어되어야만 한다: 균형을 잡는 것이 없다면, 상기 배터리의 충전의 최대 레벨은 셀의 최대 충전에 먼저 도달하는 그 셀의 충전의 레벨로 제한될 것이며 그리고 방전의 그 최대 레벨은 자신의 최소 충전에 먼저 도달하는 셀의 충전 레벨로 제한될 것이다. 그래서, 배터리의 충전 및 방전 용량을 이용하는 것을 최적화함으로써, 충전 및 방전 레벨들의 균형을 잡는 것은 충전-방전 사이클들의 회수를 줄어들게 하며, 배터리의 수명을 최대화하며, 그리고 하나의 충전/방전 사이클을 위해서 이용 가능한 자율성을 향상시킨다. 과-충전, 셀들의 과열 그리고 잠재적으로 그 셀들의 파괴를 회피함으로써, 충전의 그리고 방전의 균형을 잡는 것은 차량의 안전 모습들에 또한 관계한다.

수동 BMS 시스템들이 존재하며, 이 시스템들은 각 셀 단자들 양단의 국지적인 전압들의 측정들을 기반으로 하여 에너지를 방산 (dissipation)하는 것에 의해서 충전 레벨의 균형을 잡는다. 이것은 에너지를 방산하기 위해서 각 셀의 단자들 양단에 저항기들을 배치하는 것으로 이루어질 수 있다. 이런 유형의 시스템의 한 가지 주요한 약점은 그 시스템이 방전 동안에는 균형 잡는 것을 허용하지 않는다는 것이다. 이 유형 시스템의 다른 약점은 상기 저항기들에서의 전류들을 균형 잡는 것을 경유하여 방산된 에너지이다. 다른 최종의 약점은 균형을 잡기 위한 전류들은 열 제한 이유들로 인해서 이런 유형의 시스템에서는 약 10 내지 100 mA로 제한된다는 것이며, 그래서 균형을 잡기 위한 연관된 시간들이 길 수 있다. 이것은 본 발명의 솔루션을 제공하려고 하는 기술적인 문제이다.

능동 BMS 시스템들 역시 존재하며, 이 시스템들은 각 셀 단자들 양단의 국지적인 전압들의 측정들을 다시 기반으로 하여 에너지의 전달에 의해서 전하의 균형을 잡는다. 예를 들면, 국제 특허 출원 WO 2004/049540 는 블록 내 한 셀로부터 다른 셀로 또는 몇 암페어 (A)의 전류를 균형 잡는 것을 경유하여 한 블록으로부터 다른 블록으로 에너지를 전달하기 위한 디바이스들을 포함하는 능동 BMS를 개시한다. 이 능동 시스템은 충전하는 동안만이 아니라 방전하는 동안에도 균형을 잡는 것을 가능하게 하며 그리고 에너지 손실들을 줄어들게 한다. 그럼에도 불구하고, 이 시스템의 하나의 주요한 약점은, 상기 블록들이 상이한 전위들을 구비한 레퍼런스들을 가지기 때문에, 블록들 사이에서의 에너지 전달들은 플라이백 (flyback) 유형의 분리된 변압기들을 이용함으로써 수행되는 것이 보통이며, 이는 비용이 많이 들며, 부피가 큰 것으로 드러나며 그리고 시스템의 에너지 효율성을 크게 감소시킨다. 이는 본 발명이 솔루션을 제공하려고 하는 다른 기술적인 문제점이다.

본 발명은 상기에서 언급된 문제점들 그리고 아래에서 언급된 문제점들을 해결하기 위한 방법 및 디바이스를 제공하려고 한다.

본 발명의 한 가지 특별한 목적은 상기 균형 잡기의 속도를 높이는 것이며 그리고 차량의 자율성을 증가시키기 위해서 상기 블록들의 용량을 가능한 많이 활용하기 위한 것이다. 이 목적을 위해서, 본 발명의 한 과제는 셀들의 복수의 블록들의 전기적인 충전의 전체 레벨들의 균형을 잡기 위한 디바이스이다. 상기 블록들은 충전 단계 동안에 그리고 방전 단계 동안에 회로 내부에 연결되도록 설계되며, 그 충전 단계 동안에 상기 연결된 블록들의 셀들은 전하를 축적하며 그리고 그 방전 단계 동안에 상기 연결된 블록들의 셀들은 상기 전하를 전류의 형상으로 돌려준다. 상기 디바이스는 적어도 하나의 직렬 스위치 그리고 하나의 병렬 스위치를 포함한다. 상기 직렬 스위치는 닫힌 위치에 있을 때에 그리고 상기 병렬 스위치가 열린 위치에 있을 때에 상기 직렬 스위치는 블록을 다른 블록들과 직렬로 상기 회로 내부에 연결시킬 수 있으며, 그래서 상기 블록이 충전 단계 및 방전 단계 동안에 연결되도록 한다. 상기 병렬 스위치가 닫힌 위치에 있고 그리고 상기 직렬 스위치는 열린 위치에 있을 때에 상기 병렬 스위치는 상기 블록을 상기 회로로부터 제거할 수 있으며, 그래서 방전 단계 동안에 방전 단선 (discharging disconnection) 기준이 충족된다면 또는 상기 충전 단계 동안에 충전 단선 (charging disconnection) 기준이 충족된다면 상기 블록이 단선되도록 하며, 상기 블록은 자신이 단선될 때에 자신의 셀들의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 수단을 더 포함한다.

유리하게도, 상기 블록 Bi의 셀들의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 상기 수단은 상기 셀들의 단자들 양단의 전압들을 자신들의 충전 레벨을 추론하기 위한 방식으로 측정하기 위한 수단을 포함한다. 예를 들면, 상기 셀들의 단자들 양단의 전압들을 측정하기 위한 이 수단은 복수의 전압 측정 채널들을 포함하는 집적 회로을 구비할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 블록의 셀들의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 상기 수단은 상기 블록 내 과-충전 상태에서 상기 셀들로부터 에너지를 방산 (dissipate)하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 블록의 상기 셀들의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 상기 수단은 과-충전 상태에 있는 셀들로부터 상기 블록 내 다른 셀들로 에너지를 전달하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.

유리하게도, 상기 블록을 위한 상기 방전 단선 기준은 운반하고 있는 전류가 주어진 문턱값 (threshold)보다 더 높을 때에는 언제나 상기 블록의 방전의 제한 레벨을 초과하는 것을 포함할 수 있다.

유리하게도, 상기 블록을 위한 상기 방전 단선 기준은 운반하고 있는 전류가 주어진 문턱값보다 더 낮을 때에는 언제나 상기 블록의 방전의 최대 레벨을 초과하는 것을 포함할 수 있다.

유리하게도, 상기 블록을 위한 상기 충전 단선 기준은 상기 블록에 인가된 전기적인 충전 전류가 주어진 문턱값보다 더 높을 때에는 언제나 상기 블록의 충전의 제한 레벨을 초과하는 것을 포함할 수 있다.

유리하게도, 상기 블록을 위한 상기 충전 단선 기준은 상기 블록에 인가된 전기적인 충전 전류가 주어진 문턱값보다 더 낮을 때에는 언제나 상기 블록의 충전의 최대 레벨을 초과하는 것을 포함할 수 있다.

예를 들면, 상기 셀들은 리튬-이온 셀들일 수 있다.

본 발명의 다른 과제는 전기 또는 하이브리드 차량을 위한 기동 전력 배터리이며, 이는 배터리의 셀들의 블록들 사이에서 충전의 전체적인 레벨들을 균형 잡기 위한 그런 디바이스를 포함한다.

본 발명의 추가의 과제는 그런 기동 전력 배터리를 포함하는 전기 또는 하이브리드 차량이다.

본 발명의 또 다른 과제는 본 발명에 따른 배터리를 충전하기 위한 방법이며, 상기 방법은 한 단계로부터 다음 단계로 감소하는 강도의 충전 전류들로 연속하여 충전하는 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하며, 100%와 실질적으로 동일한 충전 상태를 가지지 않은 모든 블록들이 각 단계의 시작에서 연결된다. 100%와 실질적으로 동일한 충전 상태를 가지지 않은 상기 블록들 중으로부터의 하나의 블록은 자신의 단자들 양단의 전압이 미리 정해진 최대 문턱값에 도달한다면 다음 단계의 시작 때까지 임시로 단선되며, 상기 문턱값은 상기 충전 전류의 전류 강도에 종속된다. 그 블록은 자신의 충전 상태가 실질적으로 100%에 도달한다면 충전 프로세스 끝까지 한정적으로 단선된다. 현재의 단계부터 다음 단계로의 통과는 여전히 연결된 블록들의 개수가 미리 정해진 최소 번호에 도달하자마자 트리거되며, 이 최소 번호는 1 내지 현재 단계의 시작에서 연결되었던 블록들의 개수 사이의 범위이다.

본 발명의 또 다른 과제는 본 발명에 따른 배터리를 충전하기 위한 방법이며, 상기 방법은 한 단계로부터 다음 단계로 감소하는 강도의 충전 전류들로 연속하여 충전하는 단계들을 포함하는데 특징이 있으며, 100%와 실질적으로 동일한 충전 상태를 가지지 않은 블록들 중에서 가장 작은 전하를 가진 블록들이 각 단계의 시작에서 연결된다. 가장 작은 전하를 가진 이 블록들은 고정된 주기로 그리고 미리 정해진 시간 간격들로 정해진다. 가장 작은 전하를 가진 이 블록들 중 하나의 블록은 자신의 단자들 양단의 전압이 미리 정해진 최대 문턱값에 도달한다면 더 뒤의 충전 단계들 중 하나의 단계가 시작할 때까지 임시로 단선되며, 상기 문턱값은 상기 충전 전류의 전류 강도에 종속된다. 상기 블록은 자신의 충전 상태가 실질적으로 100%에 도달한다면 충전 프로세스 끝까지 한정적으로 단선된다. 현재의 단계부터 다음 단계로의 통과는 여전히 연결된 블록들의 개수가 미리 정해진 최소 번호에 도달하자마자 트리거되며, 이 최소 번호는 1 내지 현재 단계의 시작에서 연결되었던 블록들의 개수 사이의 범위이다.

본 발명의 주요한 유리함은 블록들 사이에서 충전의 레벨을 빠르게 균형 잡는다는 것이며, 이는 빠른 충전 방법들에 특히 적합하다.

이것은 셀의 고장 또는 블록의 일부에서 고장이 발생하는 경우에도 그 블록을 분리함으로써 서비스가 계속되는 것을 또한 허용한다

본 발명은 배터리 팩을 형성하는 블록들을 최적화하여 사용하는 것으로 인해서 차량의 자율성이 증가되도록 또한 허용한다. 실제로, 상기 블록들 중 하나가 자신의 충전의 또는 방전의 최대 레벨에 도달한다면, 그러면 상기 시스템은 그 블록이 격리되도록 허용하여, 다른 블록들 상에서 계속해서 동작하도록 한다.

본 발명은 한 블록에서 다른 블록으로 에너지를 전달하는 동안의 손실들이 제한되도록 하며, 그래서 BMS의 에너지 효율을 최적화한다.

본 발명의 다른 특징들 및 유리함들은 첨부된 도면들에 관하여 제시된 다음의 설명의 도움을 받아 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 팩의 일 예의 개략적인 도면이다.
도 2는 모든 블록들이 연결된 본 발명에 따른 팩의 하나의 예시적인 구성의 개략적인 도면이다.
도 3은 오직 하나의 블록만이 단선된 본 발명에 따른 팩의 하나의 예시적인 구성의 개략적인 도면이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명에 따른 배터리 팩에서 구현될 수 있는 빠른 충전 방법들의 예를 그래프들로 도시한 것이다.

도 1은 전기 또는 하이브리드 차량을 위한 본 발명에 따른 배터리 팩의 한 예의 개략적인 도면을 예시한다. 도시된 상기 팩은 N개의 블록 Bi를 포함하며, 도시된 이 예에서

그리고 N>6 이며, 참조번호 B1, B2, B3 및 B4 인 단 네 개의 블록들만이 도 1에 보인다. 블록들 B1, B2, B3 및 B4의 각각은 직렬로 연결된 6개의 리튬-이온 셀들을 포함하며, 이것들은 블록 B1에서는 C11, C12, C13, C14, C15 및 C16의 참조번호이며, 블록 B2에서는 C21, C22, C23, C24, C25 및 C26의 참조번호이며, 블록 B3에서는 C31, C32, C33, C34, C35 및 C36의 참조번호이며, 그리고 블록 B4에서는 C41, C42, C43, C44, C45 및 C46의 참조번호이다. 블록들 B1, B2, B3 및 B4의 각각은 상기 블록 내부의 상기 셀들 각각의 단자들 양단에서의 전압을 측정하기 위한 집적 회로를 더 포함하며, 이 회로들은 각각 IC1, IC2, IC3 및 IC4로 참조번호가 정해진다. 비-제한적인 예에서 상기 회로들 IC1, IC2, IC3 및 IC4의 각각은 6개 및 16개 셀 전압들 사이에서 측정할 수 있으며, 이것들 중 단 6개의 측정된 셀 전압들만이 도 1에서 보이며, 상기 회로 IC1은 블록 B1 내 셀들 C11, C12, C13, C14, C15 및 C16 각각의 단자들 양단의 전압을 유리하게 측정할 수 있으며, 상기 회로 IC2는 블록 B2 내 셀들 C21, C22, C23, C24, C25 및 C26 각각의 단자들 양단의 전압을 유리하게 측정할 수 있으며, 상기 회로 IC3은 블록 B3 내 셀들 C31, C32, C33, C34, C35 및 C36 각각의 단자들 양단의 전압을 유리하게 측정할 수 있으며, 상기 회로 IC4는 블록 B4 내 셀들 C41, C42, C43, C44, C45 및 C46 각각의 단자들 양단의 전압을 유리하게 측정할 수 있다. 상기 블록들 B1, B2, B3 및 B4 각각은 국지적 균형을 잡기 위한 참조번호 M1, M2, M3 및 M4의 모듈을 각각 더 포함한다. 상기 모듈 M1은 상기 회로 IC1에 의해서 공급된 전압 측정치들을 이용하여 상기 블록 B1 내 셀들 C11, C12, C13, C14, C15 및 C16 사이에서 충전이 균형이 잡히도록 유리하게 허용한다. 상기 모듈 M2는 상기 회로 IC2에 의해서 공급된 전압 측정치들을 이용하여 상기 블록 B2 내 셀들 C21, C22, C23, C24, C25 및 C26 사이에서 충전이 균형이 잡히도록 유리하게 허용한다. 상기 모듈 M3은 상기 회로 IC3에 의해서 공급된 전압 측정치들을 이용하여 상기 블록 B3 내 셀들 C31, C32, C33, C34, C35 및 C36 사이에서 충전이 균형이 잡히도록 유리하게 허용한다. 상기 모듈 M4는 상기 회로 IC4에 의해서 공급된 전압 측정치들을 이용하여 상기 블록 B4 내 셀들 C41, C42, C43, C44, C45 및 C46 사이에서 충전이 균형이 잡히도록 유리하게 허용한다. 본 발명의 원칙들로부터 빗나가지 않으면서 상기 국지적으로 균형잡는 모듈들 M1, M2, M3 및 M4는 에너지 방산에 의해 수동적으로 균형을 잡는 솔루션들 또는 에너지 전달에 의해 능동적으로 균형을 잡는 솔루션들 중 어느 하나로 쉽게 구현될 수 있다는 것에 주목해야만 한다. 실제로, 본 발명의 아이디어는 블록들을 스위칭하면서, 능동적으로 균형을 잡거나 또는 수동적으로 균형을 잡건 간에, 국지적으로 균형잡는 것을 결합하는 것이다

도 1의 본 발명의 예시적인 실시예에서, 블록 스위칭은 상기 팩의 N 개 블록들이 최적의 방식으로 서로 연결되도록 허용하는 스위치들에 의해서 유리하게 제공된다. 반면에서, 스위치들은 상기 팩의 N 개 블록들의 모두 또는 일부가 직렬로 연결되도록 허용한다. 예를 들면, 닫힌 위치에 있는 스위치 SS1은 도 1에서는 보이지 않는 블록 B0의 음극 (negative pole)이 블록 B1의 양극 (positive pole)에 연결되도록 한다; 닫힌 위치에 있는 스위치 SS2는 블록 B1의 음극이 블록 B2의 양극에 연결되도록 한다; 닫힌 위치에 있는 스위치 SS3은 블록 B2의 음극이 블록 B3의 양극에 연결되도록 한다; 그리고 닫힌 위치에 있는 스위치 SS4는 블록 B3의 음극이 블록 B4의 양극에 연결되도록 한다. 도 1에서는 보이지 않는 닫힌 위치에 있는 스위치는 블록 B4의 음극이 도 1에서는 보이지 않는 블록 B5의 양극에 연결되도록 한다. 명료함을 위해서, 상기 스위치들 SSi (

)는 본원의 다음의 부분에서 "직렬 스위치들"로 때로 언급될 것이다. 반면에, 상기 팩의 N개 블록들과 병렬로 어셈블된 스위치들은 직렬 스위치들과 결합하여 상기 팩의 N개 블록들 중 모두 또는 일부가 선택적으로 단선 (disconnect)되도록 허용한다. 예를 들면, 스위치 PS1은 블록 B1과 병렬로 어셈블되어 상기 스위치 SS1이 열린 위치 (open position)에 있으며 그리고 상기 스위치 PS1은 닫힌 위치 (closed position)에 있을 때에 상기 블록 B1이 상기 팩으로부터 단선되도록 하며, 상기 스위치 SS1이 닫힌 위치에 있으며 그리고 상기 스위치 PS1이 열린 위치에 있을 때에 상기 블록 B1이 상기 팩에 연결되어만 있도록 한다. 스위치 PS2는 블록 B2와 병렬로 어셈블되어 상기 스위치 SS2가 열린 위치에 있으며 그리고 상기 스위치 PS2는 닫힌 위치에 있을 때에 상기 블록 B2가 상기 팩으로부터 단선되도록 하며, 상기 스위치 SS2가 닫힌 위치에 있으며 그리고 상기 스위치 PS2가 열린 위치에 있을 때에 상기 블록 B2가 상기 팩에 연결되어만 있도록 한다. 스위치 PS3은 블록 B3과 병렬로 어셈블되어 상기 스위치 SS3이 열린 위치에 있으며 그리고 상기 스위치 PS1은 닫힌 위치에 있을 때에 상기 블록 B3이 상기 팩으로부터 단선되도록 하며, 상기 스위치 SS3이 닫힌 위치에 있으며 그리고 상기 스위치 PS3이 열린 위치에 있을 때에 상기 블록 B3이 상기 팩에 연결되어만 있도록 한다. 스위치 PS4는 블록 B4와 병렬로 어셈블되어 상기 스위치 SS4가 열린 위치에 있으며 그리고 상기 스위치 PS4는 닫힌 위치에 있을 때에 상기 블록 B4가 상기 팩으로부터 단선되도록 하며, 상기 스위치 SS4가 닫힌 위치에 있으며 그리고 상기 스위치 PS4가 열린 위치에 있을 때에 상기 블록 B4는 상기 팩에 연결되어만 있도록 한다. 명료함을 위해서, 상기 스위치들 PSi (

)는 본 명세서의 다음의 부분에서 "병렬 스위치들"로 때로 언급될 것이다. 상기 스위치들은 상기 병렬 스위치 PSi가 닫힌 위치에 있을 때에 상기 직렬 스위치 SSi (

)는 열린 위치에 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지인 방식으로 제어된다. 예를 들면, 도 2는 모든 모듈들 B1, B2, B3 및 B4가 연결된 경우의 구성을 예시한다. 도 3의 예에서, 상기 모듈들 B1, B3 및 B4는 연결되며, 모듈 B2만이 단선된다. 다른 것이 닫힌 위치에 있을 때에 하나는 열린 위치에 있으며 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지인 직렬 스위치 및 병렬 스위치와는 반대인 이 제어는 도 1에서 보이지 않는 제어 시스템에 의해서 제공되며, 이 제어 시스템은 차량의 상태에 관하여 수신된 정보를 기반으로 하여 상기 스위치들을 위한 제어 명령들을 생성한다. 이 제어 시스템은 예를 들면 마이크로제어기와 같은 전자 회로에 의해서 호스트되는 인텔리전스를 포함할 수 있을 것이며, 이 마이크로제어기는 BMS 또는 차량 감독자와 같은 다른 시스템들과 또한 링크될 수 있다. 이 제어 시스템은 구동기들을 또한 포함할 수 있을 것이며, 이 구동기들은 상기 인텔리전스로부터 수신된 명령들에 따라서 상기 스위치들을 제어하는 전자 컴포넌트들이다.

충전 모드에서, 예를 들면, 차량이 충전기에 연결될 때에 또는 회복성 브레이킹을 하는 과정에서, 여러 충전 단계들이 동일한 충전 사이클에서 식별될 수 있다. 처음의 충전 단계에서, 도 2에서의 예에서와 같이 모든 직렬 스위치들 SSi (

)은 닫힌 위치에 있으며 그리고 모든 병렬 스위치들 PSi (

)은 열린 위치에 있다: 상기 팩의 모든 블록들 Bi (

)은 그러면 연결되고 그리고 재충전되고 있다. 이 재충전은 모든 블록들 Bi (

)에 대해서 균일하지는 않으며, 이는 후자가 모두 동일한 특성들을 나타내지는 않으며 그리고 모두가 동일한 온도를 가지는 것은 아니기 때문이다. 두 번째 충전 단계에서, 높은 전류 하에서 (예를 들면, 고속 충전 모드에서) 자신의 충전 제한 레벨에 도달한 블록이나 블록들은 자신의 직렬 스위치를 열고 그리고 자신의 병렬 스위치를 닫음으로써 단선될 수 있을 것이다. 높은 전류 하에서 충전의 이 제한 레벨은 상기 셀들의 내부 저항치들에 종속되어 충전의 최대 레벨의 70 내지 80%까지 될 수 있다. 도 3에서의 예에서, 직렬 스위치 SS2를 열고 그리고 병렬 스위치 PS2를 닫음으로써 블록 B2가 단선된다. 상기 셀들의 내부 저항들로 인해서, 높은 전류 하의 충전의 이 제한 레벨은 도달할 수 있는 충전의 최대 레벨이 아니라는 것에 유의해야만 한다. 상기 단선된 블록들은 더 이상 재충전되지 않지만 자신의 국지적인 균형 잡기는 계속할 수 있다; 연결된 채로 남아있는 다른 블록들은 자신들의 충전을 계속한다. 세 번째 충전 단계에서, 이전에 단선되었던 블록 또는 블록들은 더 높은 레벨의 충전에 도달하기 위해서 충전 전류를 점진적으로 감소시킴으로써, 예를 들면 충전 전류의 강도를 반으로 잘라서, 덜 강한 전류 하에서 자신의 충전을 계속하기 위해서 자신의 병렬 스위치를 열고 그리고 자신의 직렬 스위치를 닫아서 상기 팩에 다시 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 배터리가 그것을 허용할 때에, 80%의 차수 (order)의 충전 레벨에 도달할 때까지 초기 전류는 100 A 차수의 높은 전류일 수 있다. 상기 블록들이 대부분 이 레벨에 도달했을 때에, 예를 들면, 50% 이상의 블록들이 이 레벨에 도달했을 때에, 상기 프로세스는 90%의 충전 레벨일 때까지 50 A의 차수의 더 낮은 전류로 시작할 수 있다. 상기 프로세스는 그 후에 25 A 등등으로 시작할 수 있으며, 상기 프로세스는 재충전을 위해 이용 가능한 시간에 종속하여 인터럽트된다. 이 사이클은 상기 팩의 최대의 완전한 충전까지 또는 그 직전까지 반복될 수 있다. 이 동작의 모드는 빠른 충전 모드에서 그리고/또는 보통의 충전 모드에서 모두 사용될 수 있다. 상기에서 주어진 전류의 값들은 비-한정적인 예로서 주어진 것이라는 것이 분명하게 이해되어야만 하며, 그 값들은 배터리의 크기, 배터리의 내부 저항치 그리고 심지어는 잠재적으로 그 내부 저항치에 큰 영향을 가진 배터리의 온도에 종속되기 때문이다.

방전 모드에서, 예를 들면 상기 차량이 운행하고 있을 때에, 여러 충전 단계들이 또한 동일한 방전 사이클에서 또한 식별될 수 있을 것이다.

첫 번째 방전 단계에서, 도 2에서의 예에서와 같이 모든 직렬 스위치들은 닫힌 위치에 있으며 그리고 모든 병렬 스위치들은 열린 위치에 있다; 상기 팩의 모든 블록들 Bi (

)은 그러면 연결되고 그리고 방전된다. 이 방전은 모든 블록들에 대해서 균일하지 않으며, 이는 후자가 모두 동일한 특성들을 나타내지는 않으며 그리고 모두가 동일한 온도를 가지는 것은 아니기 때문이다. 두 번째 방전 단계에서, 특히 높은 전류 (상기 셀들의 내부 저항에 종속하여 50-100 A보다 더 높은) 하에서 자신들의 방전의 제한 레벨에 도달한 블록 또는 블록들은 자신들의 직렬 스위치를 열고 그리고 자신들의 병렬 스위치는 닫음으로써 단선될 수 있을 것이다. 도 3의 예에서, 직렬 스위치 SS2를 열고 그리고 병렬 스위치 PS2를 닫음으로써 블록 B2는 단선된다. 상기 단선된 블록들은 더 이상 방전되지 않으며, 반면에 연결된 채로 남아있는 다른 블록들은 방전하는 것을 계속한다. 상기 셀들의 내부 저항치들로 인해서 높은 전류 하에서의 방전의 이 제한 레벨은 달성할 수 있는 방전의 최대 레벨이 아니며, 이는 높은 전류 하에서 방전의 상기 제한 레벨의 20%의 차수일 수 있다는 것에 유의해야만 한다. 세 번째 방전 단계에서, 이전에 단선되었던 블록 또는 블록들은 더 낮은 전류 하에서 자신들의 방전을 계속하기 위해서 자신의 병렬 스위치를 열고 그리고 자신의 직렬 스위치를 닫음으로써 상기 팩에 다시 연결될 수 있다. 이 사이클은 상기 팩의 최대의 완전한 방전까지 반복될 수 있을 것이다.

스위치들이 직렬 스위치들 SSi 이건 또는 병렬 스위치들 PSi 이건 간에, 상기 스위치들은 MOSFET의 두문자로 더 잘 알려져 있는 전기장-효과 트랜지스터들일 수 있으며, 이는 그것들이 본 발명의 예시적인 실시예에서 여러 유리함들을 제공하기 때문이다. 우선, MOSFET들은 도전 상태에서, 다른 말로 하면 닫힌 위치에서 낮은 저항치를 가지며, 이 저항치는 보통 40 V의 최대 동작 전압 그리고 약 100 암페어의 차수의 최대 등급 전류에 대해 종래의 기술에 따라 비-제한적인 예에서 0.7 밀리-옴까지 낮아질 수 있다. 손실들을 더 줄이기 위해서, 각 MOSFET는 여러 개의 병렬의 MOSFET들로 유리하게 대체될 수 있을 것이며, MOSFET들은 양의 온도 계수를 가지기 때문에 쉽게 병렬로 연결될 수 있다. 상기 MOSFET들을 병렬로 연결하는 것은 전류가 상기 MOSFET들 사이에서 분할되도록 허용하며 그리고 손실들을 제어하면서 그것들을 사용하는 것이 전기 또는 하이브리드 차량을 위한 기동 전력 배터리의 경우에 수백 암페어까지 갈 수 있는 한 블록으로부터 다른 블록까지의 균형을 잡기 위한 전류들의 강도 (intensity)와 호환되게 만들도록 허용한다. 더욱이, 그것들은 전기장-효과 컴포넌트들이기 때문에, MOOFET들은 도전 (conducting) 상태 그리고 오프 (off) 상태 사이에서의 스위칭을 제어하기 위해 아주 작은 에너지만을 필요로 한다. 마지막으로, MOSFET들은 자동차 산업 내에서 이미 널리 사용되는 컴포넌트들이다.

특히 직렬 및 병렬 스위치들을 포함하는 전력 회로의 치수 (dimension)들은 수백 암페어의 한 블록으로부터 다른 블록으로의 균형을 잡기 위한 전류들과 호환되도록 정해진다. 상기 전력 회로는 절연된 금속 기판 내에 제작될 수 있으며 또는 더 낮은-가격의 시스템에 대해서는 다중레이어 PCB (Printed Circuit Board) 상에 제작될 수 있다. 유리하게도, 그것은 어셈블리 그리고 블록들을 다른 블록과 기계적으로 분리하는 것을 가능한 멀리하는 것을 간단하게 하기 위한 방식으로 제조될 수 있다. 하나의 특별한 통합된 실시예에서, 완전한 블록은 상기 셀들, 전압들을 측정하기 위한 회로, 동일 보드 상에 직렬 및 병렬 스위치들을 포함하는 전력 회로와 함께 국지적인 균형 잡기 (local balancing)를 위한 모듈 그리고 이 스위치들을 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다. 상기 블록들을 서로 연결시키고 그리고 차량의 다른 시스템들과 연결시키는 통신 링크는 상기 차량의 상태에 관한 정보가 수집되도록 허용하며, 이 수집된 정보를 기반으로 하여 상기 제어 시스템은 상기 직렬 및 병렬 스위치들로 송신될 자신의 제어 명령들을 추론한다. 이 높은 레벨의 통합에도 불구하고, 그렇게 통합된 블록의 질량은 20 킬로그램보다 더 작을 수 있으며, 이는 유지보수 기술자에 의해서 자신의 취급을 용이하게 한다.

본 발명의 추가의 주요한 유리함은 그것이 유지보수 기술자에게 맡겨질 수 있는 최대 전압을 단일 블록의 전압으로 제한함으로써 서비스 인원의 안전에 기여한다는 것이며, 그리고 사고의 경우에 또는 심지어는 차량이 중지될 때마다 모든 스위치들은 자동적으로 열려질 수 있다. 이 목적을 위해서, 각 블록의 단자들 양단의 전압은 60 볼트의 안전 전압보다 더 낮은 값을 가지도록 선택될 수 있으며, 8개 내지 12개의 블록들이면 상기 배터리의 단자들 양단에 400 볼트의 전압에 도달하기에 충분하며, 그런 전압은 전기 또는 하이브리드 차량의 요구사항들에 적응된다.

더욱이, 본 발명은 배터리 팩을 설정 가능하게 만들어서, 블록들 각각이 상기 배터리 팩 내부로 또는 외부로 쉽게 연결되거나 또는 단선될 수 있도록 한다. 이 설정 가능성은 상기 팩의 블록을 위한 설치 및 제거 동작들을 간단하게 하며 그리고 예를 들면 블록의 고장 다음에 상기 팩 내부의 다양한 기술들의 블록들의 조합을 허용한다. 이 설정 가능성은 상기 차량으로의 상기 팩의 더욱 유연한 기계적인 설치를 또한 가능하게 하며, 이는 승객 칸막이 내 또는 트렁크 내에서의 공간을 최적화하기 위한 방식으로 배터리의 블록들이 분산될 수 있기 때문이다. 이 설정 가능성은 상기 블록들 그리고 그 블록들을 수납하는 팩이 표준화되도록 허용하며, 이 팩은 차량의 모델 범위에 따라 그리고 이 모델 범위 내에서 예상된 자율성에 따라 다양한 개수의 블록들을 수납할 수 있으며, 그리고 결과적으로 개발의 비용 그로 물류 비용이 줄어들도록 한다.

자신의 충전 단선 기준을 적절하게 조절함으로써, 본 발명에 따른 디바이스는 빠른 충전을 위한 유리한 방법들이 구현되도록 한다.

첫 번째 빠른 충전 방법의 원칙을 이해하기 위해서, 도 1 내지 도 3에서 도시된 배터리 팩은 급속 충전기로 연결되어 예를 들면 43 킬로와트의 차수의 높은 충전 전력을 배송한다고 상상한다. 충전하는 시작 부분에서, 모든 블록들, 즉, B1 내지 B4를 포함하는 N개 블록들은 도 2에서 도시된 것처럼 연결될 수 있을 것이다. 상기 N개의 블록들은 그러므로 동시에 재충전된다. 충전기의 그리고 배터리의 특성들에 종속하여, 상기 충전기는 예를 들면 43 kW의 충전에 대해 전류를 100 A로 제한할 수 있다. 상기 N개 블록들 중에서의 한 블록이 자신의 최대 수락 가능한 전압 제한, 예를 들면, 25.2 볼트에 도달할 때에, 상기 N개 블록들 각각이 직렬로 연결된 6개의 셀들을 포함하며 그리고 각각이 4.2 볼트의 최대 전압을 허용한다고 고려된다면, 상기 블록은 단선될 수 있으며 그리고 충전하는 것은 동일한 100 A의 전류 하에서 연결된 채로 남겨진 다른 블록들에 대해서 계속될 수 있으며, 그리고 연결될 블록들의 개수는 1씩의 감소로 점진적으로 감소한다. 1<M<N일 때에, 연결된 블록들의 개수가 개수 M보다 더 작아질 때에, 상기 충전기는 충전하는 전류를 줄이며 그리고 모든 N개 블록들이 재연결되어, 100 A보다 더 작은 축소된 통제 하에 상기 충전을 계속하도록 한다. 그러면, 동일한 프로세스가 재반복된다. 상기 N개 블록들 중 하나의 블록이 완전하게 충전될 때에, 그것은 한정적으로 단선되며, 반면에 N-1개의 다른 블록들은 그 반복하는 충전 프로세스와 함께 계속한다. 그러므로 두 개의 기준이 한 블록을 단선하는 것을 결정한다는 것이 밝혀진다:

- 첫 번째 기준은 일시적인 단선에 대한 것이며, 다른 말로 하면 충전 전류가 줄어들지 않는 한의 단선에 대한 것으로, 이는 블록들의 단자들 양단의 전압이 자신의 최대 값이 도달한다면 충족된다; 이것은 부하 (load) 하에서의 전압으로, 다른 말로 하면 그것의 단자들에 전류가 인가될 때의 전압이다;

- 두 번째 기준은 한정적인 단선에 대한 것으로, 이는 블록을 충전하는 것이 완료된다면, 다른 말로 하면 100%의 차수의 충전 상태 (state of charge), 또는 SOC에 도달한다면 충족된다.

이 첫 번째 빠른 충전 방법이 본 발명에 따라서 디바이스에서 어떻게 구현될 수 있는가를 더 잘 이해하기 위해서, 도 4 내지 도 7은 N=8인 특별한 경우인 N개 블록의 셀들에 대하여 (왼쪽 세로 좌표에서 0 내지 100% 사이에서 변하는) SOC의 변동을 충전 시간 (가로 좌표)의 함수로서 그리고 (오른쪽 세로 좌표에서 100 A 내지 0 A 사이에서 변하는) 충전 전류의 함수로서 도시한다. 다르게 선언되지 않는다면, 충전 전력은 이어지는 예들에서 43 kW의 차수이다.

도 4에서 도시된 첫 번째 예시적인 실시예에서, 연결된 블록들의 최소 개수는 4로 고정되었으며, 이 값은 충전기에 의해서 용인될 수 있는 최소 전압에 대응한다. 이 예시적인 실시예에서, 전류는 이전에 설명된 단선 기준 중의 하나가 충족되는 매 회마다 인수 2에 의해서 축소될 수 있다. 이것은 상기 충전이 두 개의 분리된 단계들로 나누어진다는 것이 밝혀졌다: 100 A의 최대 전류를 이용한 충전 단계로, 가장 많이 충전된 블록들의 균형을 잡기 위한 것이며, 이 단계는 전기화학적인 셀의 특성들에 종속하여 그리고 충전 전류에 종속하여 84% 차수의 충전 상태에 매우 빠르게 도달하도록 허용하며, 그 후 60 A 아래의 감소된 전류로 충전 단계의 끝이 되도록 하며, 그러면 충전 상태는 84%로부터 100%로 더욱 느리게 변한다. 가장 불균형한 블록들, 즉, 블록 1, 블록 2 및 블록 4는 동작의 이 첫 번째 단계 동안에 이 방법 다음에 최대 전류에서 다시 균형이 잡혀져서 8개 블록들에 대해서 실질적으로 84%의 SOC에서 첫 번째 평탄 상태에 도달되도록 허용한다는 것에 유의할 수 있을 것이다. 반면에 가장 작게 불균형한 블록들, 즉, 블록 3, 블록 5, 블록 6, 블록 7 및 블록 8은 충전 프로세스가 종료할 때까지 불균형인 상태로 남는다.

도 5에서 예시된 다른 예시적인 실시예에서, 도 4에서 적용되었던 것과 동일한 파라미터들이 적용되며, 연결된 블록들의 최소 개수는 1에 고정된 것은 제외한다. 관찰될 수 있는 것처럼, 모든 블록들은 상기 첫 번째 충전 단계의 끝 부분에 최대의 전류에서 균형이 잡혀 있다. 이것으로부터, 양호한 품질의 빠른 재 균형 잡기를 획득하기 위해서, 재충전하는 동안에 연결된 블록들의 개수는 가능한 많이 줄어들 수 있는 것이 필요하며 그리고 이상적으로는 단 1개 블록만이 연결되어 동작할 수 있다는 것이 필요하다고 결론이 내려질 수 있다. 그러나, 이것을 위해서, 충전기는 특히 최소의 용인될 수 있는 전압의 관점에서 이 동작 모드에 적응될 필요가 있다.

도 6에 도시된 다른 예시적인 실시예에서, 도 4에의 예에서와 동일한 파라미터들이 적용되며, 2에서 1.05로 진행한 전류 감소 계수는 제외한다. 실제로, 이것이 도 6에서는 매우 명백하지는 않지만, 100 A에서의 충전의 완료 직후에, 1.05의 이 감소 계수는 매우 빠르게 연속적으로 여러 차례 적용되며, 이는 전류가 충분하게 줄어들도록 하며 그리고 최대 전압에 도달하지 않고 블록들을 충전하는 것이 수행될 수 있도록 하기 위한 것이다. 도 4 및 도 6에서의 예들을 비교함으로써 알 수 있는 것처럼, 심지어는 결과적으로 상기 블록들의 스위칭 동작들의 회수가 크게 증가한다고 해도, 이 감소 계수가 1에 가까워질수록, 완전한 충전에는 더 빠르게 도달된다. 그러므로, 예를 들면 신뢰성의 문제들을 위해서, 본 발명의 아이디어는 충전 전류의 감소를 처리하는 것 그리고 용인될 수 있는 스위칭 동작들의 최대 회수 사이의 최선의 절충안을 찾는 것이다. 관찰될 수 있는 것처럼, 두 번째 단계는 매우 더 짧으며, 이는 100%의 충전 상태의 완전한 충전은 2700초보다는 실질적으로 2300초 이후에 도달하기 때문이다. 이 빠른 충전 방법으로, 62 Ah의 배터리에 대해서, 1500초 내 84%의 SOC는 가장 많은 충전을 한 M개의 블록들을 다시 균형잡는 것을 이용하여 획득되며, 이 경우에 M=1인 정수이다. 개수 M은 낮은 전압으로 동작하기 위한 상기 충전기의 용량에 종속한다. 반면에서 84%라는 값은 상기 전기화학 셀들의 내부 저항들에 의해서 제한된다. 100% SOC의 완전 충전 (충전 전류가 0일 때임)은 이전에 획득된 균형 잡기에서 어떤 개선도 없이 얻어지며, 800 초의 보상 전하를 구비한다.

도 7에 도시된 다른 예시적인 실시예에서, 충전 전력은 더 낮으며, 즉, 43 KW가 아니라 20 kW이며 감소 계수는 1.1과 같다. 이것은 자신의 지속시간을 1500초가 아니라 3500초로 증가시킴으로써 상기 첫 번째 단계의 충전에만 영향을 미칠 뿐이다. 이 지속시간은 43 kW/20 kW=2.15의 비율에 따라서 증가되며, 작은 양의 시간이 이것에 추가되며, 최종의 SOC는 84% 대신에 90%이다. 실제로, 전류가 더 낮기 때문에, 상기 첫 번째 단계는 약간 더 길 수 있다.

도 4 내지 도 7에 도시된 빠른 충전 방법은 향상될 수 있다: 두 번째 충전 방법은 첫 번째 단계에서 최소 충전을 한 M개의 블록들을, 이 M개의 블록들만을 연결시킴으로써, 균형을 잡게 될 수 있으며, 이 경우에 M>1인 정수이다. 그러면, 상기 블록들의 충전의 상태는 주기적으로 다시 계산되며 그리고 최소 충전을 한 상기 M개의 블록들은 일단 다시 연결된다. 이전처럼, 충전 전류 하에서의 블록의 단자들 양단의 전압이 자신의 최대 용인될 수 있는 전압을 초과할 때에, 또는 블록이 100%와 동일한 충전의 레벨에 도달할 때에, 그것은 단선된다. 주어진 순간에 연결 가능한 블록들의 개수가 상기 넘버 M보다 더 작을 때에, 충전 전류는 연결 가능한 블록들의 개수가 상기 충전기의 최소 동작 전압과 호환될 때까지 또는 상기 충전 전류가 0일 때까지 감소되며, 충전 전류가 0이라는 것은 충전이 완료된 것을 의미한다. 그래서, 도 8은, 도 4 내지 도 7의 시스템과 동일한 대표 시스템에서, 상기 첫 번째 방법에 대해 도시된 예들과 유사한 조건들 하에서 이 두 번째 빠른 충전 방법의 예시적인 일 실시예를 도시한다: 전체 N=8개 블록들이 있으며, 충전 전력은 43 kWh와 동일하며, M=6개 블록들이 동시에 연결되며, 충전 전류에 대한 감소 계수는 1.5와 동일하며, 매 120초마다 충전 상태들에 대한 주기적인 재계산을 한다. 도 9는 암페어-시간 (Ah) 블록들 사이에서의 분산 (dispersion)을 충전 시간의 함수로서 도시한다. 상기 분산은 도 4 내지 도 7에서 도시된 상기 첫 번째 방법에 비해서 매우 빠르게 감소된다는 것을 알 수 있다. 하강 부분은 충전 시간이 약간 증가한다는 것이다; 최대 전력에서의 첫 번째 단계는 첫 번째 방법에서의 1600 초가 아니라 2000초 동안 유지되며, 충전의 마지막은 첫 번째 방법에서의 2300 내지 2500초가 아니라 3300초 이후에 도달된다. 그러나, 이 두 번째 방법을 이용하여, 62 Ah 배터리에 대해서, 상기 블록들의 받아들일 수 있는 균형 잡기는 빠르게 달성되며, 상기 분산은 블록들 사이에서 약 3 Ah로 감소된다. 균형 잡을 때에서의 이 개선이 충전 시간의 손해에 대해서 수행된다고 하더라도, 이것은 완료 이전에 충전을 방해하기 위해서 선택되는 경우에 특히 유리하다. 그러나, 상기 두 빠른 충전 방법들 [상기 첫 번째 방법에 따른 완전 충전 단계에 이어지는 상기 두 번째 방법에 따른 균형 잡기를 위한 단계] 사이에서의 타협을 구현함으로써 이 충전 시간들을 줄이는 것이 가능하다.

Claims

셀들의 N개 (N>2) 블록들의 전기적인 충전의 전체 레벨들의 균형을 잡기 위한 디바이스로서,
상기 N 개 블록들은 충전 단계 동안에 그리고 방전 단계 동안에 회로 내부에 연결되도록 설계되며, 그 충전 단계 동안에 상기 연결된 블록들의 셀들은 전하를 축적하며 그리고 방전 단계 동안에 상기 연결된 블록들의 셀들은 상기 전하를 전류의 형상으로 돌려주며,
상기 디바이스는 적어도 하나의 스위치 SSi 그리고 하나의 스위치 PSi를 포함하며 (
):
- 상기 스위치 SSi는 닫힌 위치에 있을 때에 그리고 상기 스위치 PSi가 열린 위치에 있을 때에 상기 스위치 SSi는 블록 Bi를 다른 블록들과 직렬로 상기 회로 내부에 연결시킬 수 있으며, 그래서 상기 블록 Bi가 충전 단계 및 방전 단계 동안에 연결되도록 하며;
- 상기 스위치 PSi가 닫힌 위치에 있고 그리고 상기 스위치 SSi는 열린 위치에 있을 때에 상기 스위치 PSi는 상기 블록 Bi를 상기 회로로부터 제거할 수 있으며, 그래서 방전 단계 동안에 방전 단선 (discharging disconnection) 기준이 충족된다면 또는 상기 충전 단계 동안에 충전 단선 (charging disconnection) 기준이 충족된다면 상기 블록 Bi가 단선되도록 하며, 상기 블록 Bi는 자신이 단선될 때에 자신의 셀들의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 블록 Bi의 셀들 (Cij)의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 상기 수단은 상기 셀들의 단자들 양단의 전압들을 자신들의 충전 레벨을 추론하기 위한 방식으로 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 셀들 (Cij)의 단자들 양단의 전압들을 측정하기 위한 상기 수단은 복수의 전압 측정 채널들을 포함하는 집적 회로 (ICi)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 블록 Bi의 셀들 (Cij)의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 상기 수단은 상기 블록 내 과-충전 상태에서 상기 셀들로부터 에너지를 방산 (dissipate)하기 위한 수단 (Mi)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 블록 Bi의 셀들 (Cij)의 충전의 레벨들을 국지적으로 균형 잡기 위한 상기 수단은 과-충전 상태에 있는 셀들로부터 상기 블록 내 다른 셀들로 에너지를 전달하기 위한 수단 (Mi)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 블록 Bi를 위한 상기 방전 단선 기준은 운반하고 있는 전류가 주어진 문턱값 (threshold)보다 더 높을 때에는 언제나 상기 블록 Bi의 방전의 제한 레벨을 초과하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 블록 Bi를 위한 상기 방전 단선 기준은 운반하고 있는 전류가 주어진 문턱값보다 더 낮을 때에는 언제나 상기 블록 Bi의 방전의 최대 레벨을 초과하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 블록 Bi를 위한 상기 충전 단선 기준은 상기 블록 Bi에 인가된 전기적인 충전 전류가 주어진 문턱값보다 더 높을 때에는 언제나 상기 블록 Bi의 충전의 제한 레벨을 초과하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 블록 Bi를 위한 상기 충전 단선 기준은 상기 블록 Bi에 인가된 전기적인 충전 전류가 주어진 문턱값보다 더 낮을 때에는 언제나 상기 블록 Bi의 충전의 최대 레벨을 초과하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 셀들은 리튬-이온 셀들인 것을 특징으로 하는, 디바이스.
전기 또는 하이브리드 차량용의 기동 전력 배터리로서,
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 기동 전력 배터리.
전기 또는 하이브리드 차량으로서,
제11항에서의 기동 전력 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
제11항에서의 배터리를 충전시키기 위한 방법으로서,
상기 방법은 한 단계로부터 다음 단계로 감소하는 강도의 충전 전류들로 연속하여 충전하는 단계들을 포함하며,
100%와 실질적으로 동일한 충전 상태를 가지지 않은 모든 블록들이 각 단계의 시작에서 연결되며, 100%와 실질적으로 동일한 충전 상태를 가지지 않은 상기 블록들 중으로부터의 하나의 블록 Bi는:
- 자신의 단자들 양단의 전압이 미리 정해진 최대 문턱값에 도달한다면 다음 단계의 시작 때까지 임시로 단선되며, 상기 문턱값은 상기 충전 전류의 전류 강도에 종속되며;
- 자신의 충전 상태가 실질적으로 100%에 도달한다면 충전 프로세스 끝까지 한정적으로 단선되며;
현재의 단계부터 다음 단계로의 통과는 여전히 연결된 블록들의 개수가 미리 정해진 최소 번호 M에 도달하자마자 트리거되며, M은 1 내지 현재 단계의 시작에서 연결되었던 블록들의 개수 사이의 범위인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.
제11항에서의 배터리를 충전시키기 위한 방법으로서,
상기 방법은 한 단계로부터 다음 단계로 감소하는 강도의 충전 전류들로 연속하여 충전하는 단계들을 포함하며,
100%와 실질적으로 동일한 충전 상태를 가지지 않은 블록들 중에서 가장 작은 전하를 가진 M개 블록들이 각 단계의 시작에서 연결되며, 이 경우 1<M<N이며, 이 M개 블록들은 고정된 주기로 그리고 미리 정해진 시간 간격들로 정해지며, 이 M개 블록들 중에서의 하나의 블록 Bi는:
- 자신의 단자들 양단의 전압이 미리 정해진 최대 문턱값에 도달한다면 더 뒤의 충전 단계들 중 하나의 단계가 시작할 때까지 임시로 단선되며, 상기 문턱값은 상기 충전 전류의 전류 강도에 종속되며;
- 자신의 충전 상태가 실질적으로 100%에 도달한다면 충전 프로세스 끝까지 한정적으로 단선되며;
현재의 단계부터 다음 단계로의 통과는 여전히 연결된 블록들의 개수가 미리 정해진 최소 번호 M에 도달하자마자 트리거되며, M은 1 내지 현재 단계의 시작에서 연결되었던 블록들의 개수 사이의 범위인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 방법.