KR102238978B1 - 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀 어레이 - Google Patents

배터리 관리 시스템 및 배터리 셀 어레이 Download PDF

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Abstract

배터리 관리 시스템이 제공된다. 이 배터리 관리 시스템은 여러 개의 블럭, 즉 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 어레이; 배터리 셀을 충전하기 위해 배터리 셀 어레이에 전기적으로 연결되어 있는 충전 선택기 어레이; 배터리 셀의 조건 또는 상태를 모니터링하고 또한 각 배터리 셀의 조건 또는 상태를 보고하도록 구성된 분석기 어레이; 배터리 셀로부터 전력을 제공하기 위해 배터리 셀 어레이에 전기적으로 연결되어 있는 배터리 출력부 어레이; 및 분석기 어레이로부터 보고된 조건 또는 상태에 따라 충전 선택기 어레이 및 배터리 출력부 어레이와 같은 배터리 시스템내의 블럭들 간의 전하 이동 및 명령 흐름을 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다. 따라서, 개별 배터리 셀의 마모를 고르게 하여 배터리 팩이 충전 횟수를 증가시킬 수 있게 해주고 전체 배터리 수명을 연장시키고 또한 성능을 향상시키는 배터리 관리 시스템을 제공할 수 있다. 잉여 제공 기술은 또한 노후 또는 쓸모 없는 셀과의 대체를 위한 추가의 배터리 셀(들)을 제공하여 배터리 수명을 연장시키는데에 도움을 준다. 배터리 시스템에 있는 제안된 매트릭스 기반 배터리 어레이는 또한 전기 차량의 순간 가속과 같이 전력이 부족한 때에 배터리 출력을 증대시킬 수 있고 또한 환경 친화적인 모드의 경우에는 배터리 전력을 감소시킬 수 있다.

Description

배터리 관리 시스템 및 배터리 셀 어레이{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM AND BATTERY CELL ARRAY}
본 발명의 하나 이상의 실시 형태는 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀 어레이에 관한 것이다.
배터리가 일회 충전 및 방전될 때, 이를 충전 사이클이라고 한다. 배터리 용량은 충전 사이클의 수가 증가함에 따라 악화된다. 배터리 수명은 충전 사이클로 측정되고, 80% 용량에 대한 사이클의 산업 표준이 종종 기준으로서 사용된다. 배터리 수명을 단축시키는 4개의 주 요인이 있는데, 높은 온도, 과충전 또는 높은 전압, 깊은 방전 또는 낮은 전압, 및 높은 방전 또는 충전 전류가 그것이다.
예컨대, 리튬 배터리 전압은 최대 충전 전압과 같은 미리 설정된 배터리 문턱 레벨을 초과해서는 안 되는데, 그러지 못하면, 배터리 수명이 단축되거나 배터리 자체가 조기에 손상될 수 있다. 어떤 배터리에서는, 배터리 관리 시스템(BMS)을 사용하여, 최대 충전 전압 및/또는 온도가 초과되지 않도록 충전 전압을 제어한다.
높은 전압은 또한 사용 기간(calendar life)이라고 하는 다른 한계를 초래할 수 있다. 배터리가 노화됨에 따라, 이온의 교환이 일어나는 층이 증가하여 내부 저항이 증가하게 된다. 어떤 때에는, 이온이 통과할 수 없는 정도로 층이 너무 크게 되어 배터리 수명이 끝나게 된다. 셀이 최대 전압 및 높은 온도에서 더 오랫동안 유지될 수록, 이러한 종류의 배터리 수명 한계는 더 악화된다. 여기서의 아이디어는 연장된 기간 동안에 최대 전압과 높은 온도를 피하는 것이다.
셀의 사용 기간을 증가시키기 위해, 과전압과 높은 온도를 피해야 한다. 추가로, 셀 전압 및 충전의 다른 끝에서, 최대 수명을 위해, 깊은 방전 또한 회피되어야 한다. 실험 데이타에 의하면, 수명은 역 거듭제곱 법칙에 따라 DoD (depth of discharge; 방전 깊이)에 의존하며, 그래서 100%에서 50% DoD로 되면 4배의 수명 이득이 얻어지게 되며, 여기서 DoD는 방전되는 정도를 의미한다. 최대 배터리 수명을 위해, 100% DoD는 회피되어야 한다. 다른 설명은 충전 상태(State of Charge 또는 SoC)라고 한다. 셀이 완전히 충전되면, 100% SoC에 있다고 말한다. SoC는 연료 게이지처럼 작용한다.
모든 배터리 셀이 동일하게 만들어지는 것은 아니다
배터리 시스템은 통상적으로 복수의 배터리 셀로 이루어진다. 일반적으로, 모든 배터리 셀이 동일하게 제조되는 것은 아니고, 각 배터리 셀은 유한한 수명을 가지며 그의 고유한 내구 능력에 있어 크게 변할 수 있다. 셀이 반복적으로 충방전됨에 따라 재료의 화학적, 물리적, 기계적 및 전기적 특성이 악화되고 또한 배터리 셀로의 충전 및 그로부터의 방전의 과정이 반복됨으로 인한 절연체의 느린 침식 때문에 배터리 셀은 전압 및 전하 저장 능력에 있어 더 악화될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 셀은 악화되고 전기 전하를 유지할 수 있는 능력이 감소된다.
반복되는 충전/방전 과정의 횟수에 의해 결정되는 유한한 수명을 배터리 셀이 견딜 수 있는 충전 사이클이라고 한다. 위에서 언급한 바와 같이, 그 용어는 일반적으로 배터리의 예상 수명을 특정하기 위해 사용되는데, 충전 사이클의 수는 단순한 시간 경과 보다 수명에 더 많이 영향을 주기 때문이다. 재충전 전에 배터리를 완전히 방전시키는 것을 "깊은 방전" 이라고 할 수 있으며, 부분적으로 방전하고 나서 재충전하는 것을 "얕은 방전"이라고 할 수 있다.
충전된 배터리 셀, 방전된 배터리 셀 및 노후 배터리 셀
본 발명에서는, 충전된 셀, 방전된 셀 및 노후 셀과 같은 배터리 셀의 여러 가지 상태가 있다. 충전된 셀은 어떤 기간 내에 그의 최대 충전 가능 전압 레벨의 이하인 어떤 높은 문턱 전압 레벨까지 충전된다. 방전된 셀은 그의 최소 금지 레벨 또는 완전 방전 레벨의 이상인 낮은 문턱 전압 레벨까지 방전된다. 노후 셀은, 노화 또는 손상 때문에 어떤 기간 내에 어떤 전압 레벨까지 충전될 수 없거나 전기 전하를 유지할 수 있는 능력이 악화되고 상실되는 배터리 셀이다.
본 발명은 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀을 제공하는 데 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시 형태는 과도하게 사용되는 배터리 셀(들)의 조기 마모(wear-out)를 피하기 위해 배터리 관리 시스템을 포함한다.
추가적인 양태는 이하의 설명에서 설명될 것이고, 또한 부분적으로는 그 설명으로부터 명백할 것이며, 또는 주어진 실시 형태를 실시하여 배울 수 있다.
본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 배터리 관리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 셀 어레이(array); 상기 배터리 셀을 충전하기 위해 상기 배터리 셀 어레이에 전기적으로 연결되어 있는 충전 선택기 어레이; 배터리 셀의 조건 또는 상태를 모니터링하고 또한 각 배터리 셀의 조건 또는 상태를 보고하도록 구성된 분석기 어레이; 상기 배터리 셀의 전압을 전체적으로 또는 부분적으로 제공하기 위해 상기 배터리 셀 어레이에 전기적으로 연결되어 있는 배터리 출력부 어레이; 및 상기 분석기 어레이로부터 보고된 상기 조건 또는 상태에 따라 상기 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이의 작동을 제어하도록 구성되고 있고 또한 배터리 어레이에서 배터리 셀(들)을 선택하기 위해 선택 신호(들)를 선택적으로 활성시키도록 구성되어 있는 제어기를 포함한다.
상기 조건 또는 상태는, 충전 및 방전되는 양 또는 정도, 충방전 횟수, 적절히 작동하고 있는지의 여부, 어떤 시간 내에 어떤 용량 레벨까지 충전될 수 있는지의 여부, 최대 충전 가능 용량, 및 각 배터리 셀에 대한 충전 용량 레벨을 포함할 수 있다.
상기 조건 또는 상태는, 어떤 배터리 셀이 어떤 시간 내에 어떤 미리 정해진 용량 레벨까지 충분히 재충전될 수 없는 결함을 가지고 있는지에 대한 정보를 포함할 수 있다.
상기 제어기는 배터리 셀 어레이 및/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이를 따라서 재구성하여 다양한 용례에 대해 요구되는 특정한 내구성 수준을 만족하도록 상기 배터리 셀 어레이를 조정하도록 구성되어 있다.
상기 제어기는 충전/방전 과정을 다른 배터리 셀(들)에 새로 주어, 과도하게 사용되는 배터리 셀(들)의 조기 마모를 피하도록 구성되어 있다.
상기 제어기는, 배터리 셀 어레이 및/또는 상기 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이를 따라서 재구성하여, 유효한 배터리 작동을 위한 정상적인 셀로서 선택할 때 노후 또는 쓸모 없는 셀을 배제하고 그 노후 또는 쓸모 없는 셀을 여분의 셀의 풀(pool)에서 선택된 후보 정상 셀로 대체하도록 구성되어 있다. 본 명세서에서, 대체는 배터리 시스템 내부적으로 전기적 또는 기계적 연결의 재구성을 의미하며, 실질적이고 물리적인 배터리 셀 교환을 의미하는 교체와 다르다.
제어기는 부스트(boost) 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 예비의 또는 여분의 배터리 셀(들)이 주어진 배터리 셀 네트워크에 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 연결될 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 주어진 배터리 셀 네트워크에는 활성 풀의 배터리 셀(들)은 이미 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있어 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 증가가 일어나게 된다.
제어기는 감소 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 더 소수의 활성된 셀로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 활성 풀의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 이미 연결되어 있는 주어진 배터리 셀 네트워크로부터 활성된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시켜 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 감소가 일어나게 된다.
상기 제어기는 열적 스로틀링(throttling) 배터리 모드시에 배터리 셀(들) 및/또는 배터리 시스템에 배치되어 있는 온도 센서(들)로부터 보고된 온도 정보에 근거하여 온도를 신속하게 감소시키기 위해 상기 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 더 소수의 활성된 셀로 작동하거나 또는 충전 풀 또는 여분 풀과 같은 다른 풀로부터 이용 가능한 다른 배터리 셀(들)로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 과열된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시키고 그리고/또는 과열된 셀(들)을 주어진 배터리 셀 네트워크 내의 다른 풀의 덜 가열된 후보 셀(들)로 대체하게 된다.
배터리 셀은 대기열(queue) 또는 풀(pool)에서 추적 및/또는 선택될 수 있고, 상기 대기열 또는 풀에 대한 데이타 구조가 장치 밖에 또는 장치 내에 저장될 수 있다.
배터리 셀의 배터리 어레이 내의 배터리 셀은 활성 풀(Active pool), 방전 풀 (Discharged pool) 및 충전 풀(Charged pool)과 같은 풀들 중의 하나로 분류될 수 있고, 상기 활성 풀은, 전기적으로 충전되어 있고 배터리 출력 단자에 전력을 제공하기 위해 선택되는 배터리 셀로 이루어지고, 상기 방전 풀은, 깊게 또는 얕게 방전되어 있고 활성되기 위해 재충전될 필요가 있는 배터리 셀로 이루어지며, 상기 충전 풀은, 충분히 충전되어 있고 활성 준비가 된 배터리 셀로 이루어진다. 배터리 셀에 결함이 있거나 생기게 되면, 그 배터리 셀은, 위에서 언급된 활성 풀, 충전 풀 및 방전 풀로부터 배제되고/배제되거나 혹시 필요한 경우 노후 풀(Obsolete pool)을 포함한 다른 풀에 속하게 되고 노후 또는 쓸모 없는 셀이 된다.
본 발명의 한 실시 형태에 따르면, 배터리 셀 어레이는, 각기 2차원의 mХn 또는 이 보다 높은 차수의 배터리 셀 매트릭스를 포함하는 복수의 배터리 뱅크(bank); 워드라인(들)을 포함하는 선택된 어드레스 라인을 활성시키도록 구성된 행(row) 어드레스 디코더; 비트라인(들)을 포함하는 선택된 어드레스 라인을 활성시키도록 구성된 열(column) 어드레스 디코더; 2차원 보다 높은 배터리 셀 매트릭스의 경우, 다른 추가적인 어드레스 라인(들)을 선택하기 위해 선택 신호(들)를 활성시키도록 구성된 어드레스 디코더(들); 및 상기 복수의 배터리 뱅크 중의 한 배터리 뱅크를 선택하기 위해 뱅크 선택 신호(들)를 직접 또는 간접적으로 활성시키도록 구성된 제어기를 포함한다.
m은 행의 수이고 n은 열의 수이다.
제어기는 충전/방전 과정을 다른 배터리 셀(들)에 새로 재지정하여, 과도하게 사용되는 배터리 셀(들)의 조기 마모를 피하도록 구성되어 있다.
제어기는, 상기 배터리 셀 매트릭스 및/또는 상기 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력 어레이를 따라서 재구성하여, 유효한 배터리 작동을 위한 정상적인 셀로서 선택할 때 노후된 셀을 배제하고 그 노후된 셀을 여분의 셀의 풀에서 선택된 후보 정상 셀로 대체하도록 구성되어 있다.
제어기는 부스트(boost) 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 예비의 또는 여분의 배터리 셀(들)이 주어진 배터리 셀 네트워크에 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 연결될 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 주어진 배터리 셀 네트워크에는 활성 풀의 배터리 셀(들)은 이미 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있어 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 증가가 일어나게 된다.
제어기는 감소 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 더 소수의 활성된 셀로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 활성 풀의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 이미 연결되어 있는 주어진 배터리 셀 네트워크로부터 활성된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시켜 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 감소가 일어나게 된다.
상기 제어기는 열적 스로틀링(throttling) 배터리 모드시에 배터리 셀(들) 및/또는 배터리 시스템에 배치되어 있는 온도 센서(들)로부터 보고된 온도 정보에 근거하여 온도를 신속하게 감소시키기 위해 상기 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 더 소수의 활성된 셀로 작동하거나 또는 충전 풀 또는 여분 풀과 같은 다른 풀로부터 이용 가능한 다른 배터리 셀(들)로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 과열된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시키고 그리고/또는 과열된 셀(들)을 주어진 배터리 셀 네트워크 내의 다른 풀의 덜 가열된 후보 셀(들)로 대체하게 된다.
2차원의 mХn 또는 그 보다 높은 차수의 배터리 셀 매트릭스에 있는 배터리 셀은, 대기열(queue) 또는 풀(pool)을 통해 추적되거나 선택될 수 있고, 그 대기열 또는 풀에 대한 데이타 구조가 장치 밖에 또는 장치 내에 저장될 수 있다.
2차원의 mХn 또는 그 보다 높은 차수의 배터리 셀 매트릭스에 있는 배터리 셀은, 활성 풀, 방전 풀 및 충전 풀과 같은 풀들 중의 하나로 분류될 수 있고, 상기 활성 풀은, 전기적으로 충전되어 있고 배터리 출력 단자에 전력을 제공하기 위해 선택되는 배터리 셀로 이루어지고, 방전 풀은, 깊게 또는 얕게 방전되어 있고 활성화되기 위해 재충전될 필요가 있는 배터리 셀로 이루어지며, 충전 풀은, 충분히 충전되어 있고 활성되기에 준비가 된 배터리 셀로 이루어진다. 배터리 셀에 결함이 있거나 생기게 되면, 그 배터리 셀은, 위에서 언급된 활성 풀, 충전 풀 및 방전 풀로부터 배제되고/배제되거나 혹시 필요한 경우 노후 풀과 같은 다른 풀에 속하게 되고 노후 또는 쓸모 없는 셀이 된다.
상술한 배터리 관리 시스템 및 배터리 셀에 의하면, 개별 배터리 셀의 마모를 고르게 하여 배터리 팩이 충전 횟수를 증가시킬 수 있게 해주고 전체 배터리 수명을 연장시키고 또한 성능을 향상시키는 배터리 관리 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 잉여 제공 기술은 또한 노후 또는 쓸모 없는 셀과의 대체를 위한 추가의 배터리 셀(들)을 제공하여 배터리 수명을 연장시키는데에 도움을 준다.
그리고 배터리 시스템에 있는 제안된 매트릭스 기반 배터리 어레이는 또한 전기 차량의 순간 가속과 같이 전력이 부족한 때에 배터리 출력을 증대시킬 수 있고 또한 환경 친화적인 모드의 경우에는 배터리 전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 체인으로 배터리 셀 연결의 비유를 든 것을 나타내며, 그 체인에서 링크는 직렬로 연결되어 있는 배터리의 셀을 나타낸다.
도 2는 4개 셀의 직렬 또는 일련의 연결을 나타낸다.
도 3은 하나의 결함 셀이 있는 직렬 연결을 나타낸다.
도 4는 4개의 셀의 병렬 연결을 나타낸다.
도 5는 하나의 결함 셀이 있는 병렬 연결을 나타낸다.
도 6은 4개의 셀의 직렬 및 병렬 연결을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 배터리 셀 어레이의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 배터리 관리 시스템의 개념도이다.
이제 실시 형태를 상세히 참조할 것인데, 실시 형태의 예는 첨부 도면에 도시되어 있고, 도면에서 유사한 참조 번호는 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타낸다. 이와 관련하여, 본 실시 형태는 다른 형태를 가질 수 있고, 여기에 나타나 있는 설명에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 설명의 양태를 설명하기 위해 도면을 참조하여 아래에서 실시 형태를 단순히 설명한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 배터리 장치를 설명한다.
배터리 셀 및 팩
배터리는 여러 개의 셀을 직렬로 연결하여 원하는 작동 전압을 얻는데, 각 셀은 그 전압 전위를 더하여 최종 단자 전압에 도출된다. 병렬 연결은 각 셀의 암페아 시간(ampere-hour; Ah)를 합산하여 더 높은 총 용량을 얻는다.
어떤 배터리 팩은 직렬 연결 및/또는 병렬 연결의 조합으로 이루어진다. 예컨대, 랩탑 배터리는 통상적으로 직렬로 연결되는 4개의 3.6V 리튬 이온 셀을 가지고 있어 14.4V의 공칭 전압이 얻어지며, 또한 병렬로 연결되는 2개의 리튬 이온 셀을 가지고 있어 용량이 2,400 mAh에서 4,800 mAh으로 증대된다. 4s2p라고 하는 이러한 구성은, 직렬로 연결되는 4개의 배터리 셀 및 병렬로 연결되는 2개의 배터리 셀이 있음을 의미한다. 셀 사이의 절연 포일이 전도성 금속 표피부가 전기적 단락(short)을 야기하는 것을 방지한다.
대부분의 배터리 화학이 직렬 및 병렬 연결에 적합하다. 동일한 전압 및 용량(Ah)을 갖는 균일한 배터리 유형을 사용하고 또한 다른 종류와 크기를 혼합하지 않는 것이 중요하다. 더 약한 셀은 불균형을 야기하고 또한 배터리 장치의 수명 및 사용 시간을 감소시킬 것이다.
도 1은 체인으로 배터리 셀 연결의 비유를 든 것을 나타내며, 그 체인에서 링크는 직렬로 연결되어 있는 배터리의 셀을 나타낸다.
이는 직렬 구성에서 특히 중요한데, 왜냐하면, 배터리는 체인내의 가장 약한 링크만큼만 강하기 때문이다.
약한 셀은 즉시 기능 불능 상태로 되지 않을 수 있지만, 계속 사용되면 강한 셀 보다 빨리 마모될 것이다. 충전시, 낮은 셀은 강한 셀 보다 먼저 충전되는데, 왜냐하면, 충전량이 더 적고 또한 낮은 셀은 다른 셀 보다 더 오랫동안 과충전 상태로 유지되기 때문이다. 방전시에는, 약한 셀이 먼저 비워지고 더 강한 인접 셀에 의해 해머링된다(hammered). 다중 팩 내의 셀은 특히 중 부하(heavy load) 하에서 사용될 때에는 맷칭(matching)되어야 한다.
체인 링크는 전압을 증가시키는 직렬 셀을 나타내고 링크의 더블링(doubling)은 전류 부하를 증대시키는 병렬 연결을 나타낸다.
일련의 또는 직렬 연결
더 높은 전압을 필요로 하는 휴대용 장치는 2개 이상의 셀이 직렬로 연결되어 있는 배터리 팩을 사용한다.
도 2는 4개의 셀의 일련의 또는 직렬 연결을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 14.4V의 공칭 전압을 발생시키기 위해 직렬로 연결되어 있는 4개의 3.6 V 리튬 이온 셀을 갖는 배터리 팩이 나타나 있다(4s로 알려져 있음). 이와 비교하여, 2V/셀을 갖는 6-셀 납 산성 스트링이 12V를 발생시킬 것이고 1.5V/셀을 갖는 알칼리 스트링은 6V를 발생시킬 것이다.
스트링에서 셀을 추가하면, 전압이 증가하고 용량은 동일하게 유지된다.
무선 전동 공구는 12V 및 18V 배터리로 작동하고 고급 모델은 24V 및 36V를 사용한다. 대부분의 전기 자전거는 36V 리튬 이온 배터리를 가지며, 어떤 전기 자전거는 48V 배터리를 갖는다. 자동차 산업에서는 18개의 납 산성 셀을 직렬로 배치하여, 시동 배터리를 12V(14V)에서 36V(42V로 더 잘 알려져 있음)로 증가시키는 것을 원했다. 그러나, 이는 전기 부품을 교체하는 물류 및 기계적 스위치에서의 전호 발생(arcing) 문제로 인해 실패했다. 어떤 가벼운(mild) 하이브리드 자동차는 48V의 리튬 이온 배터리로 작동되며 전기 시스템을 위해 12V로의 DC-DC 변환을 사용한다. 엔진 시동은 종종 별도의 12V 납 산성 배터리로 행해진다. 다른 한편으로, 초기의 하이브리드 자동차는 148V 배터리로 작동되었으며 전기 차량은 일반적으로 450 ∼~ 500V 이다. 이러한 배터리는 직렬로 연결되는 100개 이상의 리튬 이온 셀을 필요로 한다. 더욱이, 테슬라(Teslar) 85는 90 KWh 팩을 구성하기 위해 7,000 개 이상의 18650 셀을 사용한다.
고전압 배터리는, 특히 중 부하를 낼 때 또는 저온에서 작동할 때 주의 깊은 셀 맷칭(matching)을 필요로 한다. 복수의 셀이 스트링으로 연결되어 있는 경우, 한 셀이 기능 불능 상태로 될 가능성은 실재하고 이는 기능 불능을 야기할 것이다. 이런 일이 일어나는 것을 방지하기 위해, 어떤 큰 팩 내의 반도체(solid state) 스위치는 기능 불능 상태인 셀을 우회하여, 더 낮은 스트링 전압이더라도 전류가 계속 흐를 수 있게 해준다.
셀 맷칭은 노화되는 팩에 있는 결함 셀을 교체할 때 어려운 일이다. 새로운 셀은 다른 셀 보다 더 높은 용량을 가지고 있어, 불균형을 야기한다. 용접 구조는 수리의 복잡성을 증가시키며, 이 때문에 통상적으로 배터리 팩은 한 유닛 단위로 교체된다.
완전 교체가 보통 금지되어 있는 전기 차량의 고전압 배터리는 팩을 모듈로 분할하는데, 각 모듈은 특정한 수의 셀로 이루어진다. 한 셀이 기능 불능 상태로 되면, 영향을 받은 모듈만 교체된다. 새로운 셀을 갖는 새로운 모듈이 설치되면 약간의 불균형이 일어날 수 있다.
도 3은 하나의 결함 셀이 있는 직렬 연결을 나타낸다.
도 3은 "셀 3"이 정상적인 3.6V 대신에 2.8V만 발생시키는 배터리 팩을 나타낸다. 작동 전압이 감소되어 있어, 이 배터리는 통상의 팩 보다 빨리 방전 종료 점에 도달하게 된다. 그러면 전압이 쇠퇴하고, "저 배터리" 메시지가 표시되면서 장치는 오프 상태로 된다.
결함 셀은 총 전압을 저하시키고 장치를 조기에 작동 중단시키게 된다.
스트링 내의 한 셀이 약하게 되면, 높은 부하 전류를 필요로 하는 취미자용 드론 및 원격 제어기 내의 배터리는 종종 예상치 못한 전압 강하를 보이게 된다. 최대 전류의 발생은 약한 셀에 스트레스를 주어 갑작스런 기능 불능이 일어날 수 있다. 충전 후에 전압을 판독하는 것은 이러한 이상(anomaly)을 확인하지 못하며, 배터리 분석기로 셀 상태를 조사하거나 잔여용량을 검사하는 것이 도움이 될 것이다.
병렬 연결
도 4는 하나의 결함 셀이 있는 병렬 연결을 나타낸다.
더 높은 전류가 필요하지만 더 큰 셀이 이용 가능하지 않거나 설계 요건에 맞지 않으면, 하나 이상의 셀이 병렬로 연결될 수 있다. 대부분의 배터리 화학적 성질은 부작용이 거의 없는 병렬 구성을 허용한다. 도 4는 4p 배치로 병렬로 연결되어 있는 4개의 셀을 도시한다. 도시되어 있는 팩의 공칭 전압은 3.6V로 유지되지만, 용량(Ah) 및 실행 시간은 4배 증가된다.
높은 저항을 발생시키거나 개방되는 셀은 직렬 구성에서 보다 병렬 회로에서 덜 치명적이지만, 기능 불능 상태의 셀은 총 부하 능력을 감소시킬 것이다. 이는 4개의 모든 실린더 대신에 단지 3개의 실린더에서 점화되는 엔진과 유사하다. 다른 한편으로, 전기적 단락(electrical short)이 더 심각한데, 결함 셀은 다른 셀로부터 에너지를 소비시켜 화재의 위험을 야기할 수 있기 때문이다. 대부분의 소위 전기적 단락은 가벼우며(mild), 높여진 자기 방전(self-discharge)으로 나타나게 된다.
도 5는 하나의 결함 셀을 갖는 병렬 연결을 나타낸다.
전기 단락은 역 분극 또는 수지상 결정(dendrite)의 성장을 통해 일어날 수 있다. 큰 팩들은 종종 퓨즈를 포함하는데, 이는 단락이 일어나면 기능 불능 상태의 셀을 병렬 회로로부터 분리시킨다.
약한 셀은 전압에 영향을 주지 않을 것이지만, 감소된 용량으로 인해 짧은 실행 시간을 제공할 것이다. 단락된 셀은 과도한 열을 발생시키고 또한 화재의 위험이 될 수 있다. 큰 팩에서는 퓨즈가 결함 셀을 격리시켜 높은 전류 흐름을 방지하게 된다.
직렬/병렬 연결
도 6에 나타나 있는 직렬 및 병렬 구성에서는, 설계의 유연성이 나타날 수 있고, 또한 주어진 18650 표준 셀 유닛(이 예에서는 3.6V 3400mAh)으로 원하는 전압 및 전류 등급을 얻을 수 있다. 총 전력은 전압과 전류의 곱으로 얻어지는데, 4개의 3.6V(공칭) 셀 Х 3,400mAh는 12.24 Wh이다. 각각 3,400mAh인 4개의 에너지 셀은 나타나 있는 바와 같이 직렬 및 병렬로 연결되어 7.2V(공칭) 및 12.24Wh가 얻어진다. 슬림한 셀은 유연한 팩 설계를 가능하게 하지만 보호 회로가 필요하다.
리튬 이온 셀은 직렬/병렬 구성에 잘 적합하지만, 셀은 전압 및 전류 한계 내에 유지되도록 모니터링을 필요로 한다. 최대 13개의 리튬 이온 셀을 관리하기 위해, 다양한 셀 조합을 위한 집적 회로가 이용 가능하다. 큰 팩은 맞춤형 회로를 필요로 하고, 이는 90kWh 팩을 구성하기 위해 7,000개 이상의 18650 셀을 사용하는 전기 자전거, 하이브리드 자동차 및 테슬라 모델 85에 적용된다.
도 6은 4개의 셀의 직렬 및 병렬 연결을 나타낸다.
상기 구성은 최대의 설계 유연성을 제공한다. 셀의 병렬 연결은 전압 관리에 도움이 된다.
직렬 및 병렬 연결의 안전 장치
온도계와 같은 기계적 온도 센서, 양 온도 계수(Positive Temperature Coefficient 또는 PTC) 및 음 온도 계수(Negative Temperature Coefficient 또는 NTC) 서미스터(thermistor)와 같은 전기적 온도 센서, 및 충전 차단 장치(Charge Interrupt Device 또는 CID)가 배터리를 과전류 및 과도한 압력으로부터 보호해 준다. 이들 보호 장치는, 직렬 및 병렬 구성을 갖는 더 작은 2-셀 또는 3-셀 팩에서의 안전을 위해 추천되지만, 전동 공구용 배터리와 같은 더 큰 다중 셀 배터리에서는 종종 생략된다. NTC, PTC 및 CID는 전류 및 내부 셀 압력이 과도한 경우에 예상대로 작동하여 셀을 스위치 오프시키는데, 하지만 차단은 캐스케이드(cascade) 방식으로 일어난다. 어떤 셀은 조기에 오프라인(offline) 상태로 될 수 있지만, 부하 전류가 나머지 셀에 과도한 전류를 야기시키게 된다. 이러한 과부하 상태는 나머지 안전 장치가 활성되기 전에 열 폭주(thermal runaway)를 유발할 수 있다.
어떤 셀은 내장형 NTC 및/또는 PTC 및/또는 CID를 가질 수 있는데, 이들 보호 장치는 소급적으로 추가될 수도 있다. 어떤 안전 장치도 고장날 수 있음을 유의해야 한다. 또한, PTC는 부하 전류를 줄이는 작은 내부 저항을 유발한다.
1. 배터리 관리 시스템의 어레이 구조
도 7은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 배터리 셀 어레이의 구성도이고, 도 8은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 배터리 관리 시스템의 개념도를 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명은 배터리 셀 어레이(110), 충전 선택기 어레이(120), 분석기 어레이(130), 배터리 출력부 어레이(140), 배터리 셀 어레이에 대한 온도 센서 어레이(160), 및 제어기(150)를 포함한다.
충전 선택기 어레이(120)는, 전력 입력 소스(VDD 및 GND)가 복수의 배터리 셀이 부착되어 있는 배터리 셀 어레이(들)를 택일적으로 그리고/또는 동시에 충전할 수 있게 해준다. 충전 선택기(121)는, 전력 입력 소스가 선택된 배터리 어레이(들)에 전력 라인(PL)을 통해 전달되도록 충전 선택기(121) 신호에 따라 전력 소스(VDD 및 GND)를 전력 라인(PL)에 연결하는 전기적 또는 기계적 스위치이다. 관련된 배터리 셀(들)이 방전 모드에 있을 때 충전 선택기(들)(121)는 오프로 된다.
PL이 열(column) 방향을 따라 배치되고 또한 제안된 배터리 셀 어레이의 서로 인접하는 두 열에 의해 공유된다. 열 선택 신호(CS)는 어레이의 어느 열(들)이 PL에 연결되는지를 제어한다. 복수의 CS 신호가 구현되고, 시분할(time sharing) 방식으로 활성될 수 있다. 도면에서, CS0 및 CS1 신호의 택일적인 표명(assertion)에 의해, 각 PL이 하나의 전기적 극성을 갖게 되며 또한 배터리 시스템이 전력 입력 소스 사이에서 전기적으로 단락되는 것을 방지한다.
배터리 셀 어레이(110)는 mХn 매트릭스의 형태인데, 여기서 m은 행의 수이고, n은 열의 수이다. 필요한 경우, 배터리 셀 매트릭스는 3차원 매트릭스와 같은 더 높은 차수의 매트릭스로 확장될 수 있다. 예컨대, 도 7에 나타나 있는 배터리 셀 어레이는 3Х4 매트릭스 또는 어레이의 배터리 셀을 포함하는 단일 배터리 뱅크를 도시하는데, 여기서 행 어드레스는 하나 또는 복수의 워드라인(wordline 또는 WL)으로 형성되는데, 이 행 어드래스는 4개의 비트라인(bitline 또는 BL) 각각에 있는 하나의 셀을 활성시키도록 구동된다. 배터리 셀 어레이 또는 매트릭스 내의 셀(들)은 WL 및 BL 모두를 활성시켜 선택될 수 있다. 각 셀은 한쌍의 스위치(111a)를 가지고 있는데, 한 스위치(111a)는 WL에 의해 제어되고 다른 스위치는 BL에 의해 제어되며, 이들 스위치는 셀과 해당 PL을 서로 전기적 또는 기계적으로 연결시키거나 분리시킨다.
배터리 셀의 고유한 매트릭스 또는 어레이 형태는 원한다면 대상 용례에 따라 더 큰 크기와 용량을 위한 더 많은 셀 요소를 포함하도록 확장될 수 있음을 유의해야 한다. 전기 배터리가 넓은 범위에 맞도록 크기를 가질 때 많은 이점이 나타난다. 대용량 배터리에서는, 평균 방전 깊이가 더 낮고 따라서 수명이 더 길어지고 또한 최고 충방전 속도가 더 낮게 된다. 배터리 팩이 긴 범위를 제공하는 용량을 갖도록 설계된 경우, 매일의 충전은 낮은 방전 깊이에서 일어날 수 있다. 예컨대 전기 차량 설계에 대한 이의 영향은 중요하다. 이는 긴 범위 또는 고 용량에 대한 루트로 인해 주어진 배터리 화학에 대해 방전 깊이는 더 낮아지고 또한 수명은 더 길어짐을 의미한다. 대부분의 작동 중에 최대 충전이 그의 최대 용량의 약 80%로 제한되면, 최대 전압이 회피된다. 배터리 팩이 또한 열적으로 제어되면, 최대 전압 및/또는 고온 모두에 도달하는 것이 회피된다. 이렇게 해서, 제어되는 조건이 배터리 수명을 실질적으로 증가시킬 수 있다.
배터리 셀 어레이에서, 셀 어레이의 서로 인접하는 두 열이 열 방향을 따르는 하나의 PL을 공유한다. 각 열에 있는 복수의(예컨대, 도면에서는 3개) 셀이 열 방향으로 PL에 연결될 수 있지만, 표명된 WL 및 BL 모두에 의해 선택된 오로지 하나의 셀만이 충전 단계 또는 방전 단계 동안 한 번씩 해당 PL로부터 충전되거나 그에 방전될 것이다.
배터리 셀(111)은, 하나 또는 복수의 재충전 가능한 배터리 유닛을 포함하는 패키지이다. 예컨대, 도 4에 나타나 있는 배터리 셀은 병렬로 연결되는 2개의 3.6V 3,400 mAh 배터리 유닛으로 이루어진다. 선택된 뱅크(예컨대, 이 예에서는 뱅크 0) 내부의 전달된 행 및 열 어드레스에 의해 선택된 도 7의 배터리 셀은 회색으로 표시되어 있고(셀(2, 1), (3,2), (1,3) 및 (2,4)), 전달된 행(WL) 및 열(BL) 어드레스는 회색으로 나타나 있다. 각 열에서 적어도 하나의 배터리 셀이 선택되고 선택된 셀은 어레이에서 중간에 배치되어 있는 PL을 통해 전기적 또는 기계적으로 연결되고 그의 전압은 행 방향을 따라 전기적으로 축적됨을 유의해야 한다.
모든 PL 또는 이의 일부는 배터리 출력부 어레이(140)까지 이어져 있고, 여기서 PL들로부터 전달되는 입력 전압들이 재구성된다. 배터리 셀 어레이에 의해 구동되는 한 세트의 결과적인 출력 전압은 PartialOUT1, PartialOUT2 등 및/또는 OUT인데, 이는 참조 전압 레벨(즉, OUTB)을 기준으로 해서 열 방향으로 부분적 그리고/또는 완전히 축적된 전압 레벨들이다.
분석기 어레이(130)는 분석기 또는 복수 분석기들의 어레이를 포함하고, 각 분석기는 관심 대상 열에 있는 표명된 WL 및 BL으로 선택된 셀의 조건 또는 상태를 모니터링한다. 분석기는 모니터링된 정보를 제어기(150)에 보고할 수 있고, 이제 그 제어기는 각 배터리 셀의 충전 또는 방전의 정도(각 배터리 셀이 얼마나 많이 충전 또는 방전되어 있는지), 충방전 횟수(셀이 얼마나 많은 횟수로 충방전되었는지), 적절히 작동하고 있는지의 여부, 일정 시간 내에 일정 전압 레벨까지 충전될 수 있는지의 여부, 최대 충전 가능 전압(셀이 얼마나 많이 충전될 수 있는지), 및 각 배터리 셀에 대한 충전 레벨(셀이 얼마나 충전되는지) 등과 같은 상황을 포함하지만 이에 한정되지 않는 개별 셀의 조건 또는 상태를 실시간으로 추적한다. 또한, 실시간으로 배터리 셀(들) 및/또는 배터리 어레이에 배치되어 있는 온도 센서(들)(160)가 대응하는 개별 배터리 셀(들) 또는 전체 배터리 어레이의 온도 정보를 제어기(150)에 보고할 수 있다.
분석기(130) 및 온도 센서(160)로부터 보고된 정보에 근거하여, 제어기(150)는 다음 셀 접근을 위해 어느 셀(들)이 충전 또는 방전될지를 선택할 수 있다. RR(Round Robin) 및/또는 LRU(Least Recently Used) 및/또는 LFU(Least Frequently Used)와 같은 잘 알려져 있는 알고리즘을 사용하여, 통상적으로 방전(외부에 전력 제공) 또는 충전 접근을 위해 각각 충전 또는 방전 풀 또는 그룹으로부터 셀(들)을 선택할 수 있다.
도 8은 또한 명령 전달 및 디코드, 뱅크 내의 셀 접근, 및 장치로부터의 출력과 같은 복수의 중첩된 작동 단계를 도시한다.
배터리 관리 시스템은 도 8에 나타나 있는 바와 같은 복수의 배터리 뱅크를 포함할 수 있으며, 여기서 각 뱅크는 자체의 배터리 셀 어레이(110), 행 및/또는 열 어드레스 디코더, 충전 선택기 어레이(120)와 분석기 어레이(130) 및 배터리 출력부 어레이(140)를 가질 수 있다. 단일 뱅크는 배터리 셀의 복수 어레이로 이루어져 있고, 여기서 행 어드레스(들)는, 수천 개의 비트라인(BL) 각각에 있는 하나 또는 복수의 셀(들)을 활성시키기 위해 동시에 구동되는 하나 또는 복수의 워드라인(WL)으로 형성된다. 배터리 출력부는 다른 뱅크에 있는 상대 출력부와 조합될 수 있어, 조합된 배터리 출력부는 전체 배터리 시스템의 최종 배터리 출력부로서 작용하게 된다.
배터리 시스템(또는 장치)는 어드레스 레지스터(들)를 포함할 수 있는데, 이는 셀 위치(들)를 저장하고 또한 명령 및/또는 시스템 내에서의 데이타 흐름을 제어하기 위해 사용된다. 어드레스는 단일의 어드레스가 아닌 개별적인 행 및 열 어드레스로 이루어질 수 있다. 개별적인 어드레스의 경우, 이에 따라 어드레스 레지스터는 배터리 작동을 제어하는 개별적인 행 및 열 어드레스 레지스터로 이루어질 수 있다. 워드라인(WL) 및 비트라인(BL)은 WL 및/또는 BL 어드레스를 어떤 기간 동안 유지하는 레지스터(들)를 통해 동시에 또는 택일적으로 구동될 수 있다. WL(들) 및 BL(들)은 행 및 열 디코더로부터 직접 또는 간접적으로 또한 동시에 또는 순차적으로 구동되거나, 또는 행 어드레스 및 열 어드레스는 그의 대응하는 레지스터로 버퍼링되며, 이제 그 레지스터는 타겟 WL(들) 및 BL(들)을 구동시킨다. 후자의 경우, 관련된 행 및/또는 열 어드레스 레지스터는 순차적으로 또는 병렬적으로 프로그램되는데, 이는 내부 버스 폭과 같은 필요한 하드웨어 자원을 절충시켜 하드웨어의 복잡성을 줄이고 또한 설계 효율을 증가시키는 데에 도움이 될 수 있다.
배터리 셀 접근 명령에 대해, 어드레스 레지스터(들)로부터의 어드레스(들)가 행 어드레스 랫치(latch) 및 디코더에 전달되고, 그 어드레스(들)를 사용하여 WL 또는 BL과 같은 선택된 어드레스 라인(들)을 활성시킨다. 그런 다음, 활성된 WL 및 BL에 의해 선택된 배터리 셀(들)로부터의 전기 전하가 대응하는 전력 라인(PL)(111b) 상으로 방전된다. PL은 PL과 관련된 전압으로부터 부분적으로 그리고/또는 완전히 축적된 전압을 발생시키는 입출력(I/O) 게이팅 회로로 공급된다. 부분적 및/또는 전체 전압은 이제 최종적으로 배터리로부터 외부 세계에 전달된다.
배터리 셀의 배터리 매트릭스의 차수가 2-차원 보다 높은 경우, 행 및 열 어드레스 디코더 외에, 필요하다면, 적어도 하나 이상의 어드레스 디코더가 선택 신호(들)를 활성시켜 추가 어드레스 라인(들)을 선택하게 된다.
제어기(150)는 뱅크 선택 신호(들)를 제어하여 복수의 배터리 뱅크 중의 한 배터리 뱅크를 선택한다.
도 8을 참조하면, 다음과 같이 추상적인 배터리 셀 접근 명령을 위한 복수의 중첩된 작동 단계가 있을 수 있는데, 즉 단계 1(명령 전달 및 디코드)에서, 명령이 명령 및 어드레스 버스를 통해 전달되고 상기 장치에 의해 디코딩되고, 단계 2(뱅크에서의 셀 접근)에서, 전기 전하가 뱅크 내에서 셀(들)로부터 PL로 이동하거나 또는 PL로부터 배터리 셀 어레이(들) 안으로 이동하고, 단계 3(장치로부터의 출력)에서는, 배터리 코어 어레이로부터 구동되는 PL 상의 개별적으로 배치되는 전압(들)으로부터 부분적으로 그리고/또는 완전히 축적된 결과적인 전압 출력(들)이 장치의 출력 단자 상으로 공급되어 I/O 게이팅을 통해 외부 세계에 전달된다. 출력 단자는 배터리의 복수의 뱅크에 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 이점
본 발명은 배터리 셀의 어레이 연결을 동적으로 재구성할 수 있고 그래서 충전 단계 동안에 C-레이트(rate)를 높게 유지시키고 방전 단계 동안에는 낮게 유지시켜 배터리의 C-레이트를 효율적으로 관리하는데에 도움을 줄 수 있다. C-레이트는 C의 단위로 정의되며, 여기서 1C는 배터리가 한 시간 내에 충전될 수 있음을 의미한다. 배터리가 2C로 충전되면, 그 배터리는 반 시간 내에 충전될 수 있다. 본 발명에서 배터리 셀(들)은 고유적으로 어레이로 배치되며 동적으로 재구성될 수 있다. 활성된 셀의 네트워크 구성에 따라, 더 소수의 셀이 병렬로 연결되어 더 높은 C-레이트가 얻어지면, 배터리 장치는 충전 모드시에 더 빨리 충전될 수 있고, 더 많은 셀이 병렬로 연결되면, 동일한 장치가 더 높은 전류를 방전할 수 있고 또한 더 큰 에너지를 발생시킬 수 있고, 더 낮은 C-레이트를 갖는 개별 셀은 그의 C 한계 내에 있고 더 오랫동안 지속될 수 있다.
2. 활성 풀, 방전 풀, 충전 풀, 및 기타 풀
배터리에서 관리되는 보통 배터리 셀(들)의 다양한 풀(또는 그룹 또는 대기열(queue) 또는 비트맵(bitmap)), 즉 활성 풀(Active pool), 방전 풀(Discharged pool) 및 충전 풀(Charged pool)등이 있을 수 있다. 활성 풀은, 충전되어 있고 배터리 어레이(들)에서 전기적으로 연결되며 또한 외부 또는 용례에 전력을 즉시 제공할 수 있는 활성된 배터리 셀(들)을 포함하고, 방전 풀은, 깊게 또는 얕게 방전되어 있고 활성되기 위해 재충전될 필요가 있는 셀(들)을 포함한다. 충전 풀은 바로 활성될 준비가 된 충전된 셀(들)을 가지고 있다. 배터리 셀에 결함이 있거나 생기게 되면, 그 셀은, 위에서 언급된 활성 풀, 충전 풀 및 방전 풀로부터 배제되고/배제되거나 혹시 필요한 경우 노후 풀(Obsolete pool)과 같은 다른 풀에 속하게 되고 노후 또는 쓸모 없는 셀이 된다.
일단 제어기(150)는 활성시킬 충전 풀 내의 셀(들)을 선택하면, 제어기(150)는 그 셀(들)을 활성시키도록 구성되어 있고 따라서 예컨대 내부 이력 테이블 형태로 유지되는 내부 정보를 업데이트하게 된다. 방전 풀의 셀(들)이 일정한 시간 내에 어떤 전압 레벨까지 충분히 충전된 후에, 제어기(150)는 새로 충전된 셀을 방전 풀로부터 충전 풀로 이동시키고 따라서 그런 다음에 새로운 활성 셀 위치를 가리키도록 그의 내부 정보를 업데이트한다. 활성되기에 너무 방전되었고 또한 어떤 레벨로 낮아진 전압 레벨을 갖는 방전된 셀은 활성된 셀 풀로부터 삭제되고 방전 풀에 할당되며 나중에 충전될 후보 셀로 이용 가능하게 된다.
각 배터리 셀은 그 자신의 이력 테이블(history table)을 가지고 있다. 각 배터리 셀이 겪은 충전(및 방전) 사이클의 수(얼마나 많이 충전 및 방전되었는지), 및/또는 충전 시간(정해진 용량(capacity)(예를 들면, 전압 또는 충전(charge)) 레벨까지 충전되는 데에 얼마나 오래 걸리는지), 및/또는 상태(셀이 활성 풀, 충전 풀, 방전 풀, 노후 풀 등의 중에 어느 풀에 속하는지), 및/또는 유효성(셀이 유효한 보통 셀인지 또는 결함이 있는 노후 또는 쓸모 없는 셀인지) 등을 포함하는(이에 한정되지 않음) 셀의 거동을 추적하기 위해, 각 셀에 대한 어떤 종류의 이력 테이블이 유지될 수 있다.
미디어 상의 배터리 셀(들)이 RR(Round Robin) 및/또는 LRU(Least Recently Used) 및/또는 LFU(Least Frequently Used) 등의 대기열 또는 풀을 통해서 추적 및/또는 선택될 수 있다. 대응하는 대기열 자체에 대한 데이타 구조는 장치 밖에 또는 장치 내에 저장될 수 있다.
배터리 장치에서, 본 발명에서 제안된 기술은 내장형 마이크로제어기에 의해 하드웨어로 구현될 수 있다. 이러한 장치에서, 마모 평등화(wear leveling)를 포함하는 본 발명에서 제안된 기술이 평이하고, 가장 통상적인 배터리 시스템이 그 자체로 그것에 사용될 수 있다. 본 발명에서 제안된 기술은 또한 미디어에서 소프트웨어로 구현될 수 있는데, 이는 미디어가 원형 로그(log)로서 처리될 수 있고 또한 순차적인 패스(pass)로 배터리 셀에 접근하도록 선택될 수 있다는 점에서 로그 구조화된 시스템일 수 있다.
3. 마모 평등화(wear leveling)
마모 평등화는 배터리 장치의 사용 기간 또는 수명을 연장하는 기술이다. 마모 평등화는, 미디어에 걸쳐 모든 충전 사이클을 동등하게 분포시켜 모든 배터리 유닛 셀의 고른 마모를 보장해 주며, 그 결과 내구성이 증가 된다. 이렇게 해서, 단일의 셀이 충전/방전 과정의 높은 빈도로 인해 조기에 기능 불능 상태로 되는 일이 없게 된다. 마모 평등화가 없으면, 용례는 일부 배터리 셀만 계속 충전 및 재충전할 수 있는데, 이러면 그 배터리 셀이 빠르게 마모될 것이다. 결과적으로, 자주 사용되는 위치의 셀은 빨리 마모될 것이고, 다른 위치의 셀은 전혀 사용되지 않을 것이다. 일단 몇 개의 셀의 수명이 끝나면, 그러한 배터리는 작동 불가능하게 된다.
마모 평등화에서, 모든 새로운 전기 전하는 어떤 전압 레벨을 유지하지 못하는 방전 풀에 속하는 셀(들)에 주어진다. 제어기(150)는 셀(들)이 이미 겪은 충전 사이클의 수와 같은 보고된 정보에 근거하여 방전 풀로부터 셀(들)을 선택한다. 마모 평등화는, 새로운 충전/방전 과정을 다른 셀(들)에 주어, 과도하게 자주 사용되는 배터리 셀(들)의 조기 마모를 피함으로써 그 배터리 셀(들)에 대한 반복된 충방전 사이클의 문제를 해결한다.
마모 평등화는 배터리를 미디어의 개별적인 배터리 셀이 아닌 시스템으로서 처리한다. 실시간으로 각 셀이 어떻게 거동하는지(충전 시간 및 충전 능력 등)를 분석하는 행위에 의해, 배터리 시스템 내의 제어기(150)는 어느 셀이 너무 노화되는지 또는 결함이 있는지를 알 수 있다. 또한, 각각의 개별 셀이 얼마나 많은 횟수로 충방전되는지를 동적으로 모니터링할 수 있기 때문에, 시스템 내의 제어기(150)는 어느 셀이 다른 것 보다 더 자주 충전되어야 하는지를 선택할 수 있다. 이로써, 시스템은 다양한 용례에 대해 요구되는 특정한 내구성 수준을 만족하도록 배터리를 조절할 수 있다. 분명히, 내구성이 높을수록 배터리는 더 오랫동안 작동할 수 있을 것이다.
마모 평등화에서, 전체 이미지가 평등화된다. 다른 특별한 언급이 없으면, 배터리 장치에 있는 모든 이용 가능하고 유효한 셀이 마모 평등화 작업에 참여하게 된다. 이러한 순환적인 효과에 의해, 모든 유효한 셀이 비슷한 정도로 마모될 수 있고 또한 대부분의 셀의 수명이 거의 끝날 때까지 장치는 계속 작동할 수 있게 된다. 일반적인 용례에서는 정적인 마모 평등화가 가장 자주 사용될 것이다.
4. 잉여 제공(over-provisioning) 또는 중복 구성(redundancy)
잉여 제공 기술은 경우에 따른 사용을 위해 추가의(또는 여분의 또는 더미(dummy)) 물리적 배터리 셀을 확보하는 것이며, 그 결과 더 높은 내구성과 더 양호한 성능이 나타나게 된다. 여분의 배터리 셀은 필요시에 주 배터리 어레이에 연결되도록 프로그램될 수 있다. 다른 배터리 셀과 유사하게, 잉여 제공된 또는 예비의 배터리 셀은 전용 풀 또는 그룹 및/또는 비트맵을 통해 관리될 수 있고 또는 보통의 셀들을 위한 풀 또는 그룹 및/또는 비트맵을 통해 관리될 수 있다.
주 어레이 내의 어떤 셀(들)에 결함이 생기면(예컨대, 일정 시간 내에 어떤 미리 정해진 용량 레벨까지 충분히 충전될 수 없으면), 배터리 관리 시스템 내의 제어기(150)는, 배터리 셀 매트릭스 및/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이를 따라서 재구성하여, 유효한 배터리 작동을 위한 정상적인 셀로서 선택할 때 그 노후된 셀을 배제하고 그 노후된 셀을 여분의 셀의 풀에서 선택된 후보 정상 셀로 대체하게 된다. 이 경우, 제어기(150)는 쓸모 없는 셀을 선택된 여분의 셀로 논리적으로 재맵핑하며 그리고/또는 주 배터리 및/또는 여분의 셀(들)의 네트워크 연결을 물리적으로 재구성하게 되며, 그래서 선택된 여분의 정상 배터리 셀은 노후 셀을 실질적으로 대체할 수 있다. 여분의 또는 추가의 셀(들)은, 정상적인 셀로서 기능하기에 너무 노화되었거나 손상된 배터리 셀을 대체하기 위해 준비되어 있는 예비 셀(들)이다. 각 배터리 셀은 제조될 때부터 제한된 내구성(최대 충방전 횟수) 및 용량을 가지며 또한 충전/방전 과정이 반복적으로 수행되는 중에 자연적으로 노화되고 결함이 생기게 되며 또한 전압과 전하 유지가 악화됨을 유의해야 한다. 또한 모든 배터리 셀 사이에 차이가 존재하며, 각 배터리 셀은 제조시 설정되는 그 자신의 최대 내구성, 전기적 특성, 열역학적 특성 및 기계적 특성을 가질 수 있다. 다시 말해, 각 셀들은 PVT(공정, 전압 및 온도) 변이(variations)로 인해 서로 다른 내구성과 수명을 가질 수 있다. 제조 업자는 보통 최소 수명의 제품 사양을 각 제품에 제공한다. 전압 및 충전 용량 면에서 배터리 시스템의 전체 목표 품질을 유지하면서, 어느 셀(들)이 쓸모 없게 되는지를 알지 못하므로, 실시간으로 필요시 노화된, 노후 또는 결함 있는 셀(들)을 대체하기 위해 여분의 셀(들)을 제공하면, 일정한 전체 품질을 유지하고 또한 전체 배터리 시스템의 수명과 신뢰성을 증대시키는 데에 도움이 된다.
잉여 제공은, 광고되는 사용자 용량으로 주어지는 것 보다 많은 배터리 셀(들)을 사용(employment)하는 것이다. 마모 평등화 작업에 포함되는 이 여분의 셀(들)은, 사용자에게 제시되는 배터리 충전 용량을 증가시키지 않는다. 배터리 시스템이 더 많은 잉여 제공 공간을 가질수록, 그 배터리 시스템의 수명은 더 길어질 것이다. 경험으로 보건 데, 배터리 장치의 잉여 제공이 두 배로 될 때마다, 장치의 내구성은 1x 만큼 증가된다. 잉여 제공에는 단순히 비용이 들 수 있다. 최종 사용자는 더 긴 배터리 수명의 댓가로 접근할 수 없는 전기 충전 가능한 공간에 대해 비용을 지불한다.
5. 부스팅/감소/스로틀링 모드
부스팅(BOOSTING), 감소(LESSENING) 및 스로틀링(THROTTLING) 기술은 배터리 셀 어레이 네트워크 또는 연결을 재구성하는 것이다. 부스팅은 배터리 시스템으로부터 순간적인 출력 전력/전압 증가를 필요로 하는 긴급한 상황 등을 위해 배터리 성능을 높여 준다. 부스팅 배터리 모드시에, 이용 가능한 보통의 셀 및/또는 예비 셀이 주어진 배터리 셀 네트워크에 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 추가 연결되며, 이리하여, 배터리 출력부에서 전압 또는 전력이 신속하게 증가될 수 있다. 감소는 부스팅의 반대이다. 감소 모드에서는, 배터리로부터 더 작은 출력 전력 또는 전압을 필요로 하는 논-비지(non-busy) 순간을 위해 배터리 성능을 낮추도록 배터리 셀 어레이 네트워크가 재구성된다.
제어기(150)는 부스트 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이(110)가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기(120) 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이(140)가 예비의 또는 여분의 배터리 셀(들)이 주어진 배터리 셀 네트워크에 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 연결될 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 그 주어진 배터리 셀 네트워크에는 활성 풀의 배터리 셀(들)이 이미 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있어 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 증가가 일어나게 된다.
제어기(150)는 감소 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이(110)가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 주어진 배터리 셀 네트워크로부터 활성된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시켜 충전 선택기(120) 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이(140)가 더 소수의 활성된 셀로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 그 주어진 배터리 셀 네트워크에는 활성 풀의 배터리 셀(들)이 이미 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있어 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 감소가 일어나게 된다.
제어기(150)는 열적 스로틀링 배터리 모드시에는 배터리 셀(들) 및/또는 배터리 시스템에 배치되어 있는 온도 센서(들)(160)로부터 보고된 온도 정보에 근거하여 온도를 신속하게 감소시키기 위해 배터리 셀 어레이(110)가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 과열된 활성된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시키고/분리시키거나 과열된 활성 셀(들)을 주어진 배터리 셀 네트워크 내의 다른 풀의 덜 가열된 후보 셀(들)로 대체하여 충전 선택기 어레이(120) 및/또는 배터리 출력부 어레이(140)가 더 소수의 활성된 셀 또는 충전 풀 또는 여분 풀(redundant pool)과 같은 다른 풀로부터 이용 가능한 다른 배터리 셀(들)로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있다.
통상적으로, 과도한 배터리 셀 및 불충분한 배터리 셀은 활성되지 않고, 배터리 시스템은 정규 전압과 전력을 최종 출력 단자에 제공하게 된다. 부스팅 모드 및/또는 감소 모드를 이용할 수 있음으로 해서, 배터리 장치를 환경 친화적인 방식으로 사용하는 방식이 더 제공될 수 있다. 예컨대, 전기자동차(EV)에서 사용되는 경우, 부스팅 주행 모드는 전기 차량이 순간적으로 가속하거나 중(heavy) 부하를 구동시키기 위한 여분의 전력을 제공할 수 있다. 감소 작동 모드는 배터리 장치가 전력을 과도하게 발생시키는 것을 방지하여 전기 에너지를 절약한다. 감소 모드에서는, 주어진 용례처럼 전기자동차가 정지되어 있고 유휴(idle) 시간에 있는 중에, 배터리 셀 네트워크 어레이는 예컨대 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있는 더 소수의 셀로서 훨씬 더 작은 전력 모드 또는 큰 전력 절약 모드에서 작동하도록 동적으로 재구성된다.
스로틀링 모드는 배터리 장치가 과열되는 것을 방지하여 그 장치를 보호해 준다. 과도한 온도는 배터리의 수명을 단축시킬 수 있고 또는 심지어 배터리 자체를 조기에 손상시킬 수 있다. 온도 센서(들)(160)가 대략 어떤 문턱값(예컨대, 130℃?)의 온도 기록값을 나타내면, 배터리 장치는 스로틀링을 시작하게 된다. 기계적 및/또는 전기적 온도 센서(들)(160)는 개별 셀(들) 및/또는 전체 배터리 장치의 본체 및/또는 주변 온도를 측정할 수 있다. 센서(들)로부터 읽혀진 온도 정보는 제어기(150)에 보고될 수 있고 다음 셀 평가 중에 과열된 셀의 대체에 사용될 수 있다. 이 열적 스로틀링 모드는 출력 전압 및 전력 성능과 같은 전체 배터리 성능을 저하시킬 수 있다.
여기서 설명된 예시적인 실시 형태는 단지 설명적인 것이지 한정적인 것은 아님을 이해해야 한다. 각 실시 형태 내의 특징적 사항 또는 양태에 대한 설명은 일반적으로 다른 실시 형태의 다른 유사한 특징적 사항 또는 양태에도 이용될 수 있는 것으로 생각되어야 한다.

Claims (8)

  1. 배터리 셀 어레이로서,
    각기 2차원의 mХn 또는 이 보다 높은 차수의 배터리 셀 매트릭스를 포함하는 복수의 배터리 뱅크(bank);
    워드라인을 포함하는 선택된 어드레스 라인을 활성시키도록 구성된 행(row) 어드레스 디코더;
    비트라인을 포함하는 선택된 어드레스 라인을 활성시키도록 구성된 열(column) 어드레스 디코더;
    2차원 보다 높은 배터리 셀 매트릭스의 경우, 필요하다면, 추가적인 어드레스 라인(들)을 선택하기 위해 선택 신호(들)를 활성시키도록 구성된 어드레스 디코더(들); 및
    상기 복수의 배터리 뱅크 중의 한 배터리 뱅크를 선택하기 위해 뱅크 선택 신호(들)를 직접 또는 간접적으로 활성시키도록 구성된 제어기를 포함하고,
    상기 m은 행의 수이고 n은 열의 수인, 배터리 셀 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 충전/방전 과정을 다른 배터리 셀(들)에 새로 주어, 많이 사용되는 배터리 셀(들)의 조기 마모를 피하도록 구성되어 있는, 배터리 셀 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 배터리 셀 매트릭스, 충전 선택기 어레이 및 배터리 출력 어레이 중 적어도 하나를 조정하여, 유효한 배터리 작동을 위한 정상적인 셀을 선택할 때 적어도 하나의 노후 또는 쓸모 없는 셀을 배제하고, 상기 노후 또는 쓸모 없는 셀을 여분의 셀의 풀에서 선택된 적어도 하나의 후보 정상 셀로 대체하는, 배터리 셀 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 부스트(boost) 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 예비의 또는 여분의 배터리 셀(들)이 주어진 배터리 셀 네트워크에 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 연결될 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 주어진 배터리 셀 네트워크에는 활성 풀의 배터리 셀(들)은 이미 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 있어 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 증가가 일어나게 되는, 배터리 셀 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 감소 배터리 모드시에 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 더 소수의 활성된 셀로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 활성 풀의 배터리 셀이 직렬 및/또는 병렬로 이미 연결되어 있는 주어진 배터리 셀 네트워크로부터 활성된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시켜 상기 배터리 출력부에서 전압 또는 전력의 신속한 감소가 일어나게 되는, 배터리 셀 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 열적 스로틀링(throttling) 배터리 모드시에 배터리 셀(들) 및/또는 배터리 시스템에 배치되어 있는 온도 센서(들)로부터 보고된 온도 정보에 근거하여 온도를 신속하게 감소시키기 위해 상기 배터리 셀 어레이가 재구성될 수 있게 해주고 그리고/또는 충전 선택기 어레이 및/또는 배터리 출력부 어레이가 더 소수의 활성된 셀로 작동하거나 또는 충전 풀 또는 여분 풀과 같은 다른 풀로부터 이용 가능한 다른 배터리 셀(들)로 작동할 수 있게 해주도록 구성되어 있고, 과열된 셀(들)을 전기적으로 그리고/또는 기계적으로 분리시키고 그리고/또는 과열된 셀(들)을 주어진 배터리 셀 네트워크 내의 다른 풀의 덜 가열된 후보 셀(들)로 대체하게 되는, 배터리 셀 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    2차원의 mХn 또는 그 보다 높은 차수의 배터리 셀 매트릭스는 대기열(queue) 또는 풀(pool)에서 추적 및/또는 선택될 수 있고, 상기 대기열 또는 풀에 대한 데이타 구조가 장치 밖에 또는 장치 내에 저장될 수 있는, 배터리 셀 어레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀 매트릭스는, 활성 풀, 방전 풀 및 충전 풀 중 하나로 분류되며, 상기 활성 풀은 전기적으로 충전되어 있는 배터리 셀로 이루어지고, 상기 활성 풀의 배터리 셀은 전력을 즉시 제공하며, 상기 방전 풀은, 깊게 또는 얕게 방전되어 있고 활성되기 위해 재충전될 필요가 있는 배터리 셀로 이루어지며, 상기 충전 풀은, 충분히 충전되어 있고 활성되기에 준비가 된 배터리 셀로 이루어지며, 상기 배터리 셀에 결함이 존재하면, 상기 배터리 셀은, 상기 활성 풀, 상기 충전 풀 및 상기 방전 풀에서 배제되어 노후 풀을 포함한 다른 풀에 속하게 되는, 배터리 셀 어레이.
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