KR102336970B1 - 배터리 시스템 - Google Patents

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KR102336970B1
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다니엘 크롤리
잔 발렌틴 뮤엔젤
제 장
다니엘 폴렌트
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리렉트리파이 홀딩스 피티와이 리미티드
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Abstract

본 발명은 배터리 시스템에 관한 것이다. 배터리 시스템은 복수의 배터리 셀 유닛과, 복수의 배터리 셀 유닛 중 임의의 하나의 배터리 셀 유닛을 복수의 배터리 셀 유닛 중 임의의 다른 배터리 셀 유닛과 직렬로 선택적으로 전기적으로 연결하도록 동작 가능하게 구성된 하나 이상의 스위칭 어셈블리를 포함한다. 상기 복수의 배터리 셀 유닛들 중 어느 하나의 배터리 셀 유닛과 다른 배터리 셀 유닛이 연결되는 것을 차단하고, 상기 스위칭 어셈블리들은 제어 파라미터들의 세트에 기초하여 상기 배터리 셀 유닛들을 선택적으로 연결 및 연결해제하도록 구성된다 . 배터리 시스템은 제어 파라미터 세트를 결정하고 제어 가능한 전압 프로파일을 갖는 시스템 출력을 제공하도록 스위칭 어셈블리를 제어하기 위한 2 개 이상의 제어기를 더 포함한다. 두 개 이상의 제어기가 동기화된 작동을 위해 구성됩니다.

Description

배터리 시스템
관련 출원
본 출원은 2017 년 2 월 8 일자로 출원된 호주 임시 특허 출원 제 2017900386 호에 기초하여 우선권 주장하며, 그 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 명세서에 기술된 본 발명은 일반적으로 배터리 시스템에 관한 것이다.
완전한 전기 차량, 하이브리드 전기 차량, 그리드 연결 또는 오프 그리드 애플리케이션에서의 고정식 에너지 저장과 같은 애플리케이션용 에너지 저장 시스템은 종종 다수의 에너지 저장 셀 유닛들의 배치를 포함한다.
다수의 에너지 저장 유닛들을 포함하는 에너지 저장 시스템에서, 셀 유닛들 간의 차이는 전체 에너지 저장 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있다. 특히, 재사용 배터리 셀 유닛을 포함하는 배터리 시스템에서, 셀 유닛들 간의 이러한 차이는 두드러질 수 있다. 더욱이, 단일 불량 셀 유닛은 전체 시스템의 성능 및 신뢰성에 바람직하지 못하게 영향을 줄 수 있다.
종래의 배터리 관리 시스템은 일반적으로 더 높은 전하를 가진 셀 유닛으로부터 잉여 에너지를 방출하는 스위치형 저항기, 스위치형 커패시터 또는 스위치형 인덕터를 사용하여, 더 높은 전하를 가진 셀 유닛으로부터 더 낮은 전하를 가진 셀 유닛으로 에너지를 전달한다. 이러한 시스템의 주요 역할은 충전 방전 사이클의 특정 지점에서, 예컨대 충전 종료 시에 직렬로 연결된 셀 유닛의 충전 상태의 차이를 균등하게 하는 것이다. 사이클의 특정 지점에서 충전 상태를 균등하게 하면, 직렬 배열의 가장 낮은 용량의 셀 유닛이 사이클 전체에 걸쳐 완전히 충전 및 방전될 수 있다. 그러나, 더 높은 용량의 셀 유닛은 사이클 전체에 걸쳐 완전히 충전 및 방전되지 않는다.
직렬로 연결된 다수의 셀 유닛을 포함하는 에너지 저장 시스템에서 가장 낮은 용량의 셀 유닛에 의해 야기된 한계를 극복하기 위해, 보다 진보된 접근법이 요구된다. 본 발명의 목적은 상술한 하나 이상의 단점 또는 문제점을 극복하거나 개선하거나, 적어도 소비자에게 유용한 선택을 제공하는 배터리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면,
배터리 시스템으로서,
직렬로 연결된 복수의 배터리 셀 유닛;
하나 이상의 스위칭 어셈블리; 및
제어 가능한 전압 프로파일을 갖는 시스템 출력을 제공하기 위해, 하나 이상의 제어 파라미터를 결정하고, 상기 제어 파라미터에 기초하여, 선택적으로,
상기 배터리 셀 유닛 중 어느 하나를 상기 복수의 배터리 셀 유닛 중 임의의 다른 배터리 셀 유닛과 연결해제하고,
상기 배터리 셀 유닛 중 어느 하나를 상기 복수의 배터리 셀 유닛 중 임의의 다른 배터리 셀 유닛과 직렬과 전기적 연결하도록,
상기 스위칭 어셈블리를 제어하고, 동기화된 작동을 위해 구성된 2 개 이상의 제어기들;
을 포함하는 배터리 시스템을 제공한다.
일 실시 예에서, 상기 제어기들은 선택적으로,
제 1 배터리 셀 유닛과 제 2 배터리 셀 유닛이 직렬로 전기적 연결되고, 제 3 배터리 셀 유닛이 연결해제되는 제 1 상태에서 작동하고,
상기 제 1 배터리 셀 유닛과 상기 제 3 배터리 셀 유닛이 직렬로 전기적 연결되고, 상기 제 2 배터리 셀 유닛이 연결해제되는 제 2 상태에서 작동하고,
상기 제 2 배터리 셀 유닛과 상기 제 3 배터리 셀 유닛이 직렬로 전기적 연결되고, 상기 제 1 배터리 셀 유닛이 연결해제되는 제 3 상태에서 작동하도록,
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
상기 스위칭 어셈블리를 제어하는 배터리 시스템을 제공한다.
제어기들 중 적어도 하나는 둘 이상의 제어기들의 시간 동기화를 위한 동기화 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
배터리 시스템은 2 개 이상의 제어기 들간에 시간 동기화 신호를 통신하기 위한 전용 동기화 라인을 더 포함할 수 있다.
출력 전압 프로파일은 DC 또는 정류된 DC 출력일 수 있다. 대안으로, 출력 전압 프로파일은 AC 출력일 수 있다.
배터리 시스템은 시스템 출력을 제어하기 위한 출력 모듈을 더 포함할 수 있으며, 출력 모듈은 연결된 배터리 셀 유닛을 시스템 출력에 선택적으로 연결하거나 연결해제하기 위한 하나 이상의 출력 스위치를 갖는다.
배터리 시스템은 출력 전압을 평활화하기 위해 시스템 출력에 커패시터를 더 포함할 수 있다. 또한, 배터리 시스템은 출력 전류를 평활화하기 위해 시스템 출력에 인덕터를 더 포함할 수 있다.
배터리 시스템은 하나 이상의 배터리 셀 모듈을 포함할 수 있으며, 각각의 배터리 셀 모듈은 배터리 셀 유닛을 포함할 수 있으며, 각각의 배터리 셀 유닛은 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 각각의 배터리 셀 모듈의 출력은 그 대응하는 배터리 셀 유닛의 출력과 동일할 수 있다.
복수의 배터리 셀 유닛은 미리 사용되거나 및/또는 상당한 양만큼 전하 저장 용량이 다른 2 개 이상의 배터리 셀 유닛을 포함할 수 있다. 이 양은 경우에 따라 5 % 이상의 전하 저장 용량 차이일 수 있다.
각각의 배터리 셀 모듈은 대응하는 배터리 셀 유닛을 연결 또는 연결해제(또는 바이패스)하기 위한 스위칭 어셈블리를 포함할 수 있다. 상기 스위칭 어셈블리는 대응하는 배터리 셀 유닛을 연결하기 위한 제 1 스위치 및 대응하는 배터리 셀 유닛을 연결해제하기 위한 제 2 스위치를 포함할 수 있다.
제어 파라미터 중 하나는 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 타임 시프트를 포함할 수 있다. 타임 시프트는 복수의 배터리 셀 유닛에서 각각의 배터리 셀 유닛을 하나 이상의 다른 배터리 셀 유닛과 직렬로 전기적 연결시키는 시간을 결정할 수 있다.
제어 파라미터들 중 하나는 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클을 포함할 수 있다. 듀티 사이클은 복수의 배터리 셀 유닛 내에서 하나 이상의 다른 배터리 셀 유닛과 직렬로 전기적 연결될 때, 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 전기적 연결을 유지하기 위한 시간의 백분율을 결정할 수 있다.
제어 파라미터들은 각각의 셀 유닛 전압 측정들에 기초한 제어기들 중 하나에 의해 결정되는, 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클을 포함할 수 있다. 듀티 사이클은 동작 동안 각각의 배터리 셀 유닛이 연결된 시간의 백분율을 결정할 수 있다. 셀 유닛의 듀티 사이클의 총합과 100 %의 듀티 사이클 사이의 비율은 배터리 시스템 출력 전압과 배터리 시스템 내의 배터리 셀 유닛의 평균 전압 사이의 비율에 비례할 수 있다. 일 실시 예에서, 셀 유닛들의 듀티 사이클들의 총합과 100%의 듀티 사이클 사이의 비율은 배터리 시스템 출력 전압과 각각의 배터리 셀 유닛의 평균 전압 사이의 비율과 동일할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 셀 유닛들의 듀티 사이클들의 총합과 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클 사이의 비율은 배터리 시스템 출력 전압과 각각의 배터리 셀 유닛의 평균 전압 사이의 비율과 동일한 값으로 동일하게 되거나 스케일링될 수 있다.
일 실시 예에서, 각각의 배터리 셀 모듈에 대한 듀티 사이클(D)은 방전 및 충전 각각에 대하여 다음의 2 개의 식에 기초하여 계산될 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00001
여기서,
Dx,charge는 충전 중에 배터리 셀 유닛 'x'에 대한 듀티 사이클이고,
Dx,discharge는 방전 중에 배터리 셀 유닛 'x'에 대한 듀티 사이클이고,
'cap'은 주어진 배터리 셀 유닛이 완전히 충전되었을 때 저장할 수 있는 암페어-시간으로의 총 용량이고, 예컨대 이는 배터리 셀 유닛을 완전 충전 및 방전한 경우, 배터리 셀 유닛이 완전히 충전된 상태와 완전히 방전된 상태 사이에서 전이하는 동안 제공할 수 있는 충전량을 측정함으로써, 결정되고,
Cx는 셀 유닛 'x'의 암페어-시간으로 저장된 전하의 현재 레벨이고,
X는 배터리 셀 유닛 'x'에 할당된 숫자 값(각각의 배터리 셀 유닛에는 1에서 N까지의 숫자가 할당됨)이고,
N은 배터리 시스템의 배터리 셀 유닛의 총수이고,
Y는 일시적 또는 영구적으로 사용될 수 없게 된 특정 배터리 셀 유닛의 인덱스 'x'의 집합이고,
Z는 임의의 주어진 시간에 연결될 필요가 있는 배터리 셀 유닛의 수이고,
α와 β는 식의 합계를 위해 사용된 변수이다.
일부 실시 예들에서, 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클(D)은 각각의 배터리 셀 유닛의 현재 전압 및 배터리 시스템 내의 복수의 다른 배터리 셀 유닛들 중 하나 이상의 현재 전압, 및/또는 측정되거나 미리 결정된 배터리 시스템 출력 전류 또는 전압에 의존할 수 있다.
또한, 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클(D)은 특정 배터리 셀 유닛(Cx)의 전하 레벨, 배터리 시스템(Ctot)의 총 전하 레벨, 및 주어진 시간 Z에서 동시에 연결된 배터리 셀 유닛들의 수에 기초하여 계산될 수 있다.
일부 실시 예에서, 시스템은 원하는 출력 프로파일을 제공하기 위해, 듀티 사이클 값을 스케일 업 또는 스케일 다운할 수 있다. 일 실시 예에서, 시스템은 1을 초과하는 듀티 사이클 값을 스케일 다운하고, 1보다 작은 듀티 사이클 값을 스케일 업할 수 있다.
일부 실시 예에서, 시스템은 표준 또는 소정 범위를 벗어나는 성능 파라미터를 갖는 배터리 셀 유닛을 검출하고, 검출된 배터리 셀 유닛을 연결해제할 수 있다. 성능 파라미터는 전압 및/또는 전류 출력, 온도 등을 포함할 수 있다.
제어 파라미터는 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 타임 시프트 값을 더 포함할 수 있다. 타임 시프트 값은 배터리 시스템 내의 배터리 셀 유닛의 총수 및/또는 원하는 배터리 시스템 출력 전압에 기초하여, 제어기들 중 하나에 의해 계산될 수 있다. 타임 시프트 값은 각각의 배터리 셀 유닛의 듀티 사이클 시작의 각 주기에 대한 타임 오프셋을 결정할 수 있다. 특히, 타임 시프트 값은 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 제어 기준 기간의 시작을 결정할 수 있다. 환언하면, 타임 시프트 값은 각각의 배터리 셀 유닛이 듀티 사이클에 기초하여 스위치 온 및 스위치 오프될 때를 결정할 수 있다.
일 실시 예에서, 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 타임 시프트(T)는 다음의 식에 기초하여 계산될 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00002
여기서,
Tx는 배터리 셀 유닛 'x'에 대한 타임 시프트 값이고,
TD는 듀티 사이클의 주기이고,
Figure 112019085846847-pct00003
, f는 배터리 시스템의 제어 주파수이고,
X는 배터리 셀 유닛 'x'(각각의 배터리 셀에는 1에서 N까지의 숫자가 할당 됨)에 할당된 숫자 값이고,
N은 배터리 시스템내의 배터리 셀 유닛들의 총수이다.
다른 실시 예들에서, 타임 시프트 값은 반복적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 제 1 배터리 셀 유닛의 타임 시프트 값은 0일 수 있고, 제 2 배터리 셀 유닛의 타임 시프트 값은 제 1 배터리 셀 유닛의 타임 시프트 더하기 제 1 배터리 셀 유닛의 듀티 사이클일 수 있다.
배터리 시스템은 임의의 적절한 제어 기준 주파수를 사용할 수 있다. 일 실시 예에서, 배터리 시스템은 고주파수 동작을 사용한다. 특히, 제어 주파수는 0.1Hz 내지 10kHz일 수 있다. 일부 실시 예에서, 제어 주파수는 40Hz 미만일 수 있다. 일부 실시 예에서, 제어 주파수는 70Hz 이상일 수 있다.
일부 실시 예에서, 제어 파라미터는 소정의 출력을 제공하기 위해 임의의 주어진 시간에 직렬로 연결되는 다수의 배터리 셀 유닛을 포함할 수 있다. 일 예시에서, 배터리 시스템 출력이 DC 파형이고 모든 배터리 셀 유닛이 동일한 현재 전압을 갖는 경우, 임의의 주어진 시간 Z에서 직렬로 연결되는 배터리 셀 유닛의 수는 다음의 식을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00004
여기서,
Z는 임의의 주어진 시간에서 직렬로 연결될 배터리 셀 유닛의 수이고,
Figure 112019085846847-pct00005
은 배터리 시스템의 미리 결정된 목표 출력 전압이고,
Figure 112019085846847-pct00006
은 배터리 시스템의 배터리 셀 유닛의 전압이다.
시스템 출력 전압 프로파일은 정전압(DC), 반복 발진 전압(AC), 정류된 발진 전압 파형 또는 임의의 다른 파형일 수 있다.
일부 실시 예에서, 시스템 출력 전압은 사용자 정의된 값일 수 있다. 다른 실시 예에서, 미리 결정된 출력은 배터리 시스템에 의해 전력이 공급되거나 배터리 시스템에 전력을 제공하기 위한 전기 장치 또는 기기로부터의 입력일 수 있다.
일부 실시 예에서, 배터리 시스템은 출력을 평활화하기 위한 출력 필터를 포함할 수 있다. 임의의 적합한 출력 필터가 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 출력 필터는 LC 회로이다.
배터리 시스템은 배터리 시스템의 출력 전류를 측정하기 위한 전류 센서를 더 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 배터리 시스템은, 예를 들어 배터리 시스템 출력 전압 또는 전류 제한과 같은 동작 요구 사항을 충족시키기 위해, 배터리 시스템의 출력을 선택적으로 연결하거나 연결해제하기 위한 하나 이상의 출력 스위치를 포함할 수 있다.
각각의 배터리 셀 유닛은 각각의 제어기에 의해 제어될 수 있다. 대안적으로, 둘 이상의 배터리 셀 유닛은 공유 제어기에 의해 제어된다. 일 실시 예에서, 제어기들 중 적어도 하나는 하나 이상의 다른 제어기들에 대한 제어 신호를 생성하기 위한 중앙 제어기이다.
일 실시 예에서, 제어기들 중 하나는 중앙 제어기이고, 각각의 배터리 셀 유닛은 중앙 제어기와 통신하고 스위칭 어셈블리들을 제어하기 위한 분산형 셀 유닛 제어기와 연관된다. 특히, 각각의 배터리 셀 모듈은 배터리 셀 유닛, 배터리 셀 유닛을 시스템에 연결 또는 연결해제하기 위한 스위칭 어셈블리, 및 스위칭 어셈블리를 제어하고 중앙 제어기와 통신하기 위한 셀 유닛 제어기를 포함할 수 있다. 이 실시 예에서, 배터리 시스템은 중앙 제어기를 배터리 셀 모듈에 연결하기 위한 공유 케이블링을 포함할 수 있다. 특히, 중앙 제어기에 연결되는 단일 제어 통신 회선은 각 셀 제어기에 연결될 수 있으며, 중앙 제어기와 셀 제어기 사이에서 일-방향 또는 다-방향 통신을 전송할 수 있다. 또한, 중앙 제어기에 연결된 단일 타임 신호 라인이 각각의 셀 제어기에 연결될 수 있고, 임의의 하나의 제어기로부터 다수의 다른 제어기로 단일 타임 신호를 전송할 수 있고, 상기 신호는 중앙 제어기 및 셀 유닛 제어기의 시간 동기화를 위해 사용된다.
일부 실시 예에서, 시스템은 중앙 집중식 또는 반(semi)-집중형 구성을 가질 수 있다. 특히, 중앙 집중식 구성은 중앙 제어기를 복수의 배터리 셀 유닛 스위칭 어셈블리에 연결하는 전용 케이블로 셀 유닛 스위칭 어셈블리를 직접 제어하는 중앙 제어기를 포함할 수 있다.
반-집중형 구성은 배터리 셀 유닛의 클러스터 또는 그룹, 및 배터리 셀 유닛들의 각 클러스터 또는 그룹에 연결된 개별 제어 라인을 갖는 단일 중앙 제어기를 포함할 수 있다. 배터리 셀 유닛들의 각 클러스터 또는 그룹은 단일 그룹 제어기를 공유할 수 있다.
각각의 배터리 셀 유닛은 하나 이상의 배터리 셀을 포함할 수 있으며, 작동 중에 배터리 셀 유닛을 배터리 시스템에 선택적으로 연결하거나, 배터리 셀 유닛을 배터리 시스템으로부터 연결해제하기 위한 스위칭 어셈블리에 연결될 수 있다. 각각의 스위칭 어셈블리는 하나 이상의 스위칭 요소(예컨대, MOSFET, 2 극 스위치를 포함한 전자기계 접촉기)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 하나 이상의 스위칭 어셈블리는 각각 최대 2 개의 스위칭 요소를 포함한다. 각각의 스위칭 어셈블리는 전기 절연을 포함할 수 있는 단일 제어 신호를 사용하여 제어할 수 있다. 전기적 절연은 광 절연체, 절연 변압기 또는 다른 절연 수단에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시 예에서, 스위칭 어셈블리는 배터리 셀 유닛 제어기에 연결될 수 있다.
일 실시 예에서, 적어도 하나의 스위칭 어셈블리는,
상기 제어기들 중 적어도 하나로부터 제어 신호를 수신하기 위한 게이트 구동 전자 장치들로서, 상기 적어도 하나의 스위칭 어셈블리를 상기 제어기들로부터 절연시키기 위한 하나 이상의 절연 요소들을 갖는 게이트 구동 전자 장치들; 및
직렬로 연결된 배터리 셀 유닛들 사이의 직접적 전기 경로를 흐르는 전류를 전도하기 위한 하나 이상의 스위칭 요소들;을 포함하고,
상기 절연 요소들의 수는 상기 스위칭 요소들의 수보다 적다. 게이트 구동 전자 장치는 광-커플러를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 제 1 스위칭 어셈블리는 하나 이상의 대응하는 배터리 셀 유닛을 제어하도록 구성될 수 있으며, 제 1 스위칭 어셈블리는 제어기 중 적어도 하나로부터 제어 신호를 수신하기 위한 게이트 구동 전자 장치를 포함한다. 게이트 구동 전자 장치는 하나 이상의 대응하는 배터리 셀 유닛에 의해 적어도 부분적으로 전력 공급받을 수 있다.
일부 실시 예에서, 각각의 배터리 셀 유닛은 개별 배터리 셀 유닛과 병렬 연결된 셀 블록의 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, "배터리 셀 유닛" 또는 "셀 유닛"이라는 용어는 개별 배터리 셀 또는 병렬로 연결된 셀 블록, 또는 다수의 개별 배터리 셀 또는 병렬 셀 블록, 또는 직렬로 연결된 이들의 혼합, 및 복수형과 같이 이들 용어의 유사한 추론을 나타낸다. 또한, 그것은 병렬 또는 직렬로 연결된 셀들의 블록을 나타낼 수 있는데, 여기에서는 퓨즈, 저항기 또는 인덕터와 같이 하나 이상의 회로 구성 요소가 개별 셀과 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있다.
일 실시 예에서, 중앙 제어기는 하나 이상의 배터리 셀 유닛에 의해 전력 공급될 수 있다. 또한, 각각의 셀 유닛 제어기는 각각의 배터리 셀 유닛에 의해 전력이 공급될 수 있다.
배터리 시스템은 배터리 시스템 출력에서 직류 신호를 교류로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다. 배터리 시스템은 인버터를 더 포함할 수 있다. 배터리 시스템 출력은 인버터의 입력에 요구되는 특정 DC 출력 전압 프로파일을 제공할 수 있다.
배터리 시스템은 정류된 사인파 출력 신호를 완전한 사인파 출력 신호로 변환하기 위한 H-브릿지 회로를 더 포함할 수 있다.
선택적으로, 배터리 시스템은 변압기를 더 포함할 수 있다. 변압기는 시스템 출력에서 전압 진폭을 변경할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술한 바와 같은 2 개 이상의 배터리 시스템을 포함하는 배터리 팩 시스템이 제공되며, 상기 배터리 시스템은 서로 병렬로 연결된다. 일 실시 예에서, 배터리 팩 시스템은 각각의 배터리 시스템의 출력 전압 프로파일을 제어함으로써, 각각의 배터리 시스템의 전력 기여도를 제어한다. 각각의 배터리 시스템의 출력 전압 프로파일은 DC 전압일 수 있다.
또한,
복수의 에너지 저장 셀 유닛,
하기 전기적 연결과 연결해제를 선택적으로 작동하도록 구성된 하나 이상의 스위칭 어셈블리로서,
상기 복수의 에너지 저장 셀 유닛 중 어느 하나의 에너지 저장 셀 유닛을 상기 복수의 에너지 저장 셀 유닛 중 임의의 다른 에너지 저장 셀 유닛과 직렬로 전기적 연결하고,
상기 에너지 저장 셀 유닛들 중 어느 하나가 상기 복수의 에너지 저장 셀 유닛들로부터의 임의의 다른 에너지 저장 셀 유닛들과 연결되는 것을 연결해제하고, 상기 스위칭 어셈블리들은 제어 파라미터 세트에 기초하여 상기 에너지 저장 셀 유닛들을 선택적으로 연결 및 연결해제하도록 구성되는 하나 이상의 스위칭 어셈블리, 및
제어 가능한 출력 프로파일을 갖는 시스템 출력을 제공하기 위해 상기 스위칭 어셈블리를 제어하고 상기 제어 파라미터 세트를 결정하기 위한 2 개 이상의 제어기들로서, 상기 2 개 이상의 제어기는 동기화된 동작을 위해 구성된 2 개 이상의 제어기들,
를 포함하는 에너지 저장 시스템이 개시된다.
에너지 저장 유닛은 배터리 셀 유닛, 커패시터, 수퍼커패시터 및/또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술한 내용에 기재된 바에 따라 배터리 시스템을 제어하는 방법이 제공된다.
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본 발명이 보다 용이하게 이해되고 실행될 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 하나 이상의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 단지 실시 예로서만 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 배터리 시스템의 출력 보드를 도시한 개략 회로도이다.
도 3은 도 1의 배터리 시스템을 위한 대안적인 출력 보드를 도시한 개략 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 배터리 시스템의 배터리 셀 모듈의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 도 1의 배터리 시스템의 배터리 셀 모듈의 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 배터리 시스템을 사용하여 시스템 전압 출력을 제공하는 방법을 도시한 프로세스 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클 및 타임 시프트 값을 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 도 1의 배터리 시스템을 사용하여 시스템 전압 출력을 제공하는 방법을 도시한 프로세스 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 배터리 시스템을 사용하여 시스템 전압 출력을 제공하는 방법을 도시한 프로세스 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클 및 타임 시프트 값을 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클 및 타임 시프트 값을 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 배터리 시스템을 사용하여 시스템 전압 출력을 제공하는 방법을 도시한 프로세스 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 시간 경과에 따른 배터리 시스템의 출력 전압을 목표 전압과 비교하여 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 배터리 셀 유닛에 대한 듀티 사이클 및 타임 시프트 값을 시간에 따라 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 출력 구성을 도시한 개략 회로도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 출력 구성을 도시한 개략 회로도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템의 출력 구성을 도시한 개략 회로도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 병렬로 연결된 2 개의 배터리 시스템을 포함하는 배터리 시스템 배열의 구성을 도시한 개략 회로도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템의 중앙 집중형 구성을 도시한 개략도이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 배터리 시스템에 대한 2 개의 예시적인 반-집중형 구성을 도시한 개략도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따라 임의의 전용 중앙 제어기를 제외하고 배터리 시스템에 대한 집중화되지 않은 구성을 도시한 개략도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시 예에 따라 전력선 통신을 이용하고 임의의 전용 중앙 제어기를 제외한 배터리 시스템에 대한 집중화되지 않은 구성을 도시한 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리 시스템(100)은 복수의 배터리 셀 모듈(102), 배터리 셀 모듈(102)의 동작을 제어하기 위한 중앙 제어기(104), 및 원하는 출력 전압 프로파일을 제공하기 위하여 출력의 처리 및/또는 배터리 셀 모듈(102)로부터의 출력을 측정 및 밸리데이팅(validating)하기 위한 출력 모듈(106)을 포함한다. 출력 프로파일은 사용자 입력 또는 배터리 시스템(100)에 의해 전력이 공급될 장치 또는 기구의 전압 요구 사항에 기초하여 결정될 수 있다.
중앙 제어기(104)는 전체 배터리 시스템(100)에 대한 전압 값 뿐만 아니라, 각각의 배터리 셀 모듈(102)에 대한 현재 전압, 최대 충전 전압 및 최소 방전 전압과 같은 배터리 셀 모듈(102)로부터 검색된 입력 파라미터에 기초하여 배터리 셀 모듈(102)을 제어하기 위한 제어 파라미터 세트를 결정하는 마이크로 제어기를 포함한다. 제어 파라미터는 각각의 배터리 셀 모듈(102)이 임의의 주어진 시점에서 언제 및 어떻게 동작하는지를 결정한다. 특히, 제어 파라미터는 하기에서 더 상세히 설명되는 듀티 사이클 및 타임 시프트를 포함한다.
각각의 배터리 셀 모듈(102)은 중앙 제어기(104)와 통신하기 위한 셀 마이크로 제어기(108)를 포함한다. 임의의 적합한 통신 프로토콜이 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 중앙 제어기(104)는 I2C 프로토콜을 사용하여 출력 모듈(106) 뿐만 아니라 배터리 셀 모듈(102) 각각의 셀 마이크로 제어기(108)와 통신한다.
각각의 배터리 셀 모듈(102)은 배터리 셀 유닛(110) 및 스위칭 어셈블리(112)를 더 포함한다. 스위칭 어셈블리(112)는 배터리 셀 유닛(110)을 선택적으로 연결 또는 연결해제(또는 바이패스)하기 위한 트랜지스터(114) 및 트랜지스터(114)를 제어하기 위한 스위치 제어 회로(도 4 및 도 5)를 포함한다. 일 실시 예에서, 2 개의 전력 트랜지스터(즉, MOSFET)가 각각의 스위칭 어셈블리(112)에 사용되며, 예컨대 '하프-브릿지' 회로 구성에서 하나의 MOSFET은 배터리 셀 유닛(110)을 연결하기 위한 것이고, 다른 하나는 배터리 셀 유닛(110)을 연결해제하기 위한 것이다. 모든 연결된 배터리 셀 모듈(102)의 출력은 직렬로 전기적 연결된다. 스위칭 어셈블리 및 셀 유닛의 몇몇 추가적인 구성들이 PCT 출원 PCT/AU2016/050917에 개시되어 있으며, 이의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
이러한 실시 예에서, 출력 모듈(106)은 출력 마이크로 제어기(116) 및 백-투-백(back-to-back) NMOS MOSFET일 수 있는 출력 스위치들의 세트(106)를 포함한다. 도 2에 보다 정확하게 도시된 바와 같이, 출력 모듈(106)은 2 개의 전압 센서들(119, 121)을 더 포함한다. 제 1 전압 센서(119)는 배터리 셀 모듈(102)의 누적(cumulative) 전압 출력 단자(125)와 병렬로 연결된다. 제 2 전압 센서는 배터리 시스템(100)의 누적 출력 단자(127)와 병렬로 연결된다. 출력 모듈은 배터리 셀 모듈(102)과 직렬로 연결된 전류 센서(123)를 더 포함한다. 전압 센서(119, 121) 및 전류 센서(123)는 배터리 시스템 성능을 측정하고 배터리 시스템 진단 기능을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 출력 스위치는 배터리 시스템의 처리 및/또는 배터리 시스템 및/또는 출력에 부착된 전기 장치에 대한 보호를 제공할 수 있다.
대안적인 출력 모듈(107)이 도 3에 도시된다. 이러한 실시 예에서, 출력 모듈(107)은 출력 스위치들(125) 세트, 하나 이상의 전압 및 전류 측정 센서들(미도시)을 포함하고, 또한 배터리 셀 모듈(102)의 누적된 전압 및 전류 출력을 평활화하기(smoothing) 위한 LC 필터(118)를 더 포함한다. LC 필터(118)는 배터리 셀 유닛(110)의 스위칭에 의해 야기된 전압 변화 및/또는 전류 스파이크를 감소시킴으로써, 배터리 시스템 출력의 추가적 안정화를 제공하는데 사용된다. 출력 마이크로 제어기(116)는 중앙 제어기(104)와 통신하고, 센서 및 트랜지스터(125)와 인터페이스 연결된다. 트랜지스터(125)는 중앙 제어기(104)에 의해 지시받은 경우, 또는 출력 모듈(107)상의 센서가 예상 동작 임계 값을 벗어나는 전류 또는 전압을 나타낼 경우, 전기 장치 또는 기구(미도시)로부터 전체 배터리 시스템(100)을 연결해제하기 위해 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 실시 예에서, 배터리 시스템(100)은 모듈식 물리적 레이아웃에 따라 구성된다. 모듈식 물리적 레이아웃에서, 각각의 배터리 셀 모듈(102)은 개별적인 회로 보드 상에 있다. 이는 일부 상황들, 예컨대 각각의 모듈(102)에 대한 셀 유닛(110)이 공유 회로 보드를 손상시킬 수 있는 상대적인 물리적 움직임을 겪을 경우, 유용하다. 또한, 배터리 시스템(100)에 포함될 수 있는 배터리 셀 유닛(110)의 총수가 공유 보드상의 스위칭 인터페이스의 수에 의해 고정되지 않아서, 상이한 수의 배터리 셀 유닛(110)을 수용하기 위해 공유 회로 보드를 재설계해야하는 것보다 도 1에 도시된 전용 회로를 갖는 배터리 셀 모듈(102)을 간단히 추가하거나 제거함으로써, 팩 크기를 변경할 수 있다는 장점이 있다.
배터리 시스템(100)의 모듈식 물리적 레이아웃에서, 시스템 구성요소들 사이의 통신은 모듈식 제어 라인(122)을 통해 수행된다. 보다 구체적으로는, 각각의 배터리 셀 모듈(102)이 중앙 제어기(104)로부터 하나 이상의 전용 및 고유의(unique) 제어 신호를 수신하는 것 보다는, 각각의 배터리 셀 모듈(102)이 동일한 세트의 제어 라인(122)에 연결되고 중앙 제어기(104)로부터 동일한 제어 신호를 수신한다. 제어 신호는 배터리 셀 모듈(102)이 어드레스되는(addressed) 정보를 포함하므로, 주어진 메시지는 모든 모듈 보다는 하나 이상의 특정 배터리 셀 모듈(102) 상에서 단지 작용된다. 모듈식 제어의 이점은 중앙 제어기(104)가 중앙 제어기(104)로부터 각각의 셀 모듈(102)까지 '스파이더(spider)' 배열로 이어지는 독립적인 제어 라인 세트를 갖는 것이 아니라, 모든 배터리 셀 모듈(102)이 연결되는(즉, 중앙 제어기(104)를 배터리 셀 모듈(102)에 연결하는 '선형' 제어 라인 배치를 허용하는) 한 세트의 제어 라인(122)을 단지 제공해야만 한다는 것이다. 배터리 시스템(100)의 모듈식 제어는 케이블링(cabling) 요구사항들을 감소시키고, 예컨대 도 1에 도시된 레이아웃의 하단부에 배터리 셀 모듈(102)을 단순히 추가하거나 감소시킴으로써, 배터리 셀 모듈(102)의 수를 쉽게 변경할 수 있게 한다.
도 1의 도면은 모듈식 제어 라인(122)이 SYNC 또는 동기화 라인(124), SDA 또는 데이터 라인(126)(I2C 통신용), 및 SCL 또는 클록 라인(128)(I2C 통신용)을 포함함을 도시한다.
동기화 라인(124)은 중앙 제어기(104)로부터 배터리 셀 모듈(102)로 시간 신호를 전송하여, 배터리 셀 모듈(102)이 이에 따라 각각의 제어 타이밍을 밀접하게 동기화할 수 있게 한다. 고주파수 제어 환경에서, 모든 배터리 셀 모듈(102)은 각각의 스위칭 어셈블리(112)를 매우 타이밍 적절한(well-timed) 방식으로 동작시켜야한다. 종종, 타이밍 정확도 요건들은 셀 마이크로 제어기(108)의 표준 클록에 의해 허용되는 허용 오차보다 엄격하고, 동기화 라인(124)으로부터의 동기화 신호는 셀 모듈(102)이 더 높은 타이밍 정확도로 동작하는 것을 가능하게 한다.
데이터 라인(126)은 듀티 사이클 및 타임 시프트 값을 중앙 제어기(104)로부터 각각의 배터리 셀 모듈(102)로 전송하고, 측정된 전압 및 온도 센서 값을 각각의 배터리 셀 모듈(102)로부터 중앙 제어기(104)로 전송하는데 사용된다. 듀티 사이클 및 타임 시프트 값은 각 모듈(102)의 스위칭 어셈블리(112)가 작동하는 방법을 결정한다. 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명한다.
I2C 통신에 따라, 클록 신호는 중앙 제어기(104)로부터 수신된 데이터를 해독하기 위해 셀 마이크로 제어기(108)에 의해 사용된다.
배터리 시스템(100)에 대한 대안적인 하드웨어 구성은 도 19 내지 도 23을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명된다.
이제, 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 셀 모듈(102)의 회로 레이아웃이 도시되어 있다. 셀 유닛은 셀 마이크로 제어기(108), 배터리 셀 유닛(110) 및 스위칭 어셈블리(112)를 포함한다. 스위칭 어셈블리(112)는 4 개의 트랜지스터(114a, 114b, 114c, 114d), 및 전압 및 선택적으로 온도 센서(미도시)를 포함한다. 또한 절연 전자 장치(132)(예를 들어, 광-커플러)를 포함하는 게이트 구동 회로(130)를 포함한다.
동작 동안, 셀 마이크로 제어기(108)는 전압 센서 판독(reading)의 센서 입력을 수신하고, 중앙 제어기(104)와 통신하고, 센서 판독 값에 기초하여 제어 신호를 수신한다. 제어 신호는 셀 마이크로 제어기(108)에 의해 해독되고, 절연 전자 장치(132)를 통해 게이트 구동 회로(130)를 구동하는데 사용된다. 절연 전자 장치(132)는 셀 마이크로 제어기(108)(이는 그라운드에 전기적으로 연결되고 고전압을 견딜 수 없음)가 구동 회로(132) 및 배터리 셀 유닛(110)(이는 다수의 셀 유닛이 직렬로 연결된 배터리 팩에서 고전압일 수 있음)에 인터페이스 연결되게 한다.
게이트 구동 회로(132)는 셀 마이크로 제어기(108)가 전력 트랜지스터들(114)을 제어하는 전자 부품들의 집합체를 포함한다. 구동 회로(132)는 신호들을 트랜지스터들(114)을 구동하고 바람직하지 못한 배터리 셀 유닛의 단락과 같이 트랜지스터(114)가 결코 동시에 단락되지 않도록 보장하기 위해 요구되는 적절한 전압들 및 전류들로 변환한다(예컨대, MOSFET는 전형적으로 충분히 높은 전압에 있고 높은 전류를 제공하는 신호를 수신할 때 보다 우수하게 동작한다).
도 4에 도시된 바와 같이, 저전력 트랜지스터(114a)는 NMOS이고, 도통될(conduct) 때 셀 유닛(110)을 연결해제하는 역할을 한다. 상부 전력 트랜지스터(114c)는 PMOS이고, 도통될 때 셀 유닛(110)을 포함하는 역할을 한다. 하나의 NMOS 및 하나의 PMOS 트랜지스터를 사용한다는 것은 양쪽 전력 트랜지스터(114a, 114c)를 통해 공유되는 주어진 입력 신호(하이 또는 로우)가 항상 하나의 트랜지스터를 턴온하고 다른 하나를 턴오프함으로써 셀 쇼트 회로를 피하는 것을 의미한다. 입력 신호가 변경되면(하이에서 로우로 또는 그 반대로), 저항기(134)는 전력 트랜지스터(114) 중 하나가 다른 것보다 큰 제어 게이트 전류를 수신하게 하고, 이는 제 2 트랜지스터가 도통하기 전에 도통을 중단하게 한다. 이 실시 예에서, 2 개의 게이트 트랜지스터(114b(NMOS) 및 114d(PMOS)) 및 관련 저항기(136 및 138)는 절연 전자 장치(132)가 제공하는 저-전류 신호를 취하여, 이를 전력 트랜지스터(114)를 구동하기 위한 충분히 고-전류인 신호로 변환하는데 사용된다.
2 개의 노드(140, 142) 및 관련 전압 디바이더 저항기(144, 146, 148, 150)는 전압 측정을 위해 사용된다. 이 실시 예에서, 전력 트랜지스터(114)의 게이트 구동 전압을 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 의해 제공되는 전압보다 높게 증가시키려는 노력은 없다. 이는 전력 트랜지스터(114)가 이러한 전압 범위를 고려하여 신중하게 선택되어야 함을 의미한다.
도 4에 도시된이 실시 예의 이점은 전용 드라이버 전자 장치 및 전압 컨버터의 비용을 회피한다는 것이다. 게이트 구동 회로(130)는 단일 절연 요소를 포함하여, 비용을 더욱 감소시킨다. 그러나, 높은 전력 트랜지스터 게이트 전압의 부재는 사용하기에 적합한 전력 트랜지스터의 선택을 제한하는 것으로 알려진다. 또한, 게이트 트랜지스터들(114b, 114d)은 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 의해 직접 전력 공급된다. 일부 실시 예에서, 게이트 트랜지스터들(114b, 114d)은 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 의해 부분적으로 전력 공급될 수 있다.
이제, 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 배터리 셀 모듈(102 ')이 도시되어 있다. 2 개의 NMOS 전력 트랜지스터(144a, 144b) 각각은 배터리 셀 유닛(110)을 연결 또는 연결해제하는데 사용된다. 각각의 전력 트랜지스터(144)는 신호를 분리하고(isolate), 트랜지스터(144)를 구동하기에 적절하게 높은 전류 용량을 제공하는 전용 전자 하이 사이드 드라이버 전자 장치(148,150)에 연결된다. 추가적인 DC-DC 전압 컨버터(152)는 하이 사이드 드라이버 전자 장치(148, 150)에 트랜지스터(144)를 구동하기에 적절하게 높은 전압 용량을 제공하는데 사용된다. DC-DC 전압 컨버터(152)는 배터리 셀 유닛(110)으로부터 양극 및 음극 전력 입력을 수신한다. 셀 마이크로 제어기(154)는 2 개의 하이 사이드 드라이버 전자 장치(148, 150)를 제어하고, 배터리 셀 유닛 쇼트-회로의 가능성을 피하기 위해, 전력 트랜지스터(144) 중 하나가 다른 하나가 도통 시작하기 이전에 도통하는 것을 보장하도록 작용한다. 2 개의 하이 사이드 드라이버 전자 장치(148, 150)는 DC-DC 전압 컨버터로부터의 구동 전압 입력을 통해, 따라서 배터리 셀 유닛(110)으로부터 간접적으로 그 전력을 수신한다.
이 실시 예의 장점은 넓은 범위의 게이트 전압을 갖는 광범위의 전력 트랜지스터를 사용하는 능력을 포함한다. 그러나, 이 실시 예는 하이 사이드 드라이버(148, 150) 및 전압 컨버터(152)의 증가된 비용을 수반하는 것으로 인식된다.
이제, 도 6을 참조하면, 이는 배터리 셀 모듈(102)을 제어하기 위하여 듀티 사이클 및 타임 시프트를 포함하는 제어 파라미터 세트를 결정함으로써, 배터리 시스템(100)을 동작시키는 방법(200)을 도시한다.
단계(202)에서, 중앙 제어기(104)는 각각의 배터리 셀 모듈(102)로부터 전압 및 잠재적인 전류 측정 값을 포함하는 입력(204)을 검색하고, 각각의 배터리 셀 모듈(102)의 현재 전하(charge) 레벨을 추정한다.
단계(206)에서, 중앙 제어기(104)는 배터리 시스템(100)에 대한 요구되는 또는 목표 출력을 결정하기 위해 원하는 또는 미리 결정된 출력에 관한 입력(208)을 수신한다. 전술한 바와 같이, 출력은 사용자 입력 값 또는 배터리 시스템(100)에 의해 전력 공급받는 장치 또는 기기의 전압 요구사항에 기초할 수 있다.
중앙 제어기(104)가 목표 출력 및 동시에 연결될 셀 유닛들의 연관된 총수를 계산하는 방식은 이하의 예와 함께 설명될 것이다.
이 예에서, 배터리 시스템(100)은 직렬로 연결된 배터리 셀 모듈(102)을 갖고, 각각의 셀 모듈(102)은 완전 충전시 4.2V 및 완전 방전시 2.7V의 전압을 제공할 수 있는 배터리 셀 유닛(110)을 갖는다. 이 예에서, 배터리 시스템(100)은 모든 배터리 셀 유닛(100)이 완전 충전된 상태로 시작되었다. 배터리 시스템은 260-280V의 좁은 범위 내에서 배터리 시스템 DC 출력 전압을 제공하는 동안, 방전한다.
이 예에서, 배터리 시스템 출력은 DC 파형이고, 모든 배터리 셀 유닛은 동일한 현재 전압을 갖고, 동시에 직렬로 연결되는 배터리 셀 유닛의 수(Z)는 다음의 식을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00007
여기서,
Z는 임의의 주어진 시간에서 직렬로 연결될 배터리 셀 유닛의 수이고,
Figure 112019085846847-pct00008
은 배터리 시스템의 목표 출력 전압이고,
Figure 112019085846847-pct00009
은 배터리 시스템의 배터리 셀 유닛의 전압이다.
따라서, 약 270V의 안정된 출력 전압을 제공하기 위해, 64 개의 배터리가 초기에 직렬로(64 × 4.2V = 270V) 동시에 연결된다. 방전 동안, 셀 전압이 감소함에 따라, 제어기(104)는 동시에 직렬로 연결되는 배터리의 수를 점차 증가시킬 것이다. 결과적으로, 배터리 셀 유닛(110)이 거의 완전히 방전될 때, 100 개의 셀 유닛(110) 모두가 270V(100 × 2.7V = 270V)의 출력을 제공하도록 연결될 것이다.
유사하게, 완전히 방전될 때, 원하는 전압이 모든 셀 유닛(110)의 최소 전압의 합보다 낮으면, 특정 적합성을 가지고 다른 배터리 출력 값이 선택될 수 있다. 이러한 경우에, 모든 셀 유닛(110)이 완전히 방전될 때, 모든 셀 유닛(110)이 시스템(100)에 연결되지는 않는다.
방전 중에 동시에 연결된 셀 유닛의 수를 계산하기 위하여 이 예에서 사용된 상기 식은 충전하는 동안 동시에 연결된 셀 유닛의 수를 계산하는데도 똑같이 사용될 수 있다. 이 경우, 배터리 시스템의 목표 출력 전압은 배터리의 외부 충전 전압이다.
단계(210)에서, 중앙 제어기(104)는 단계(202)에서 검색된 측정된 입력 값(204)에 기초하여 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 대한 듀티 사이클 값을 계산한다. 듀티 사이클은 작동하는 동안에, 스위칭 어셈블리(112)가 각각의 배터리 셀 유닛(110)을 배터리 시스템(100)에 연결하는 시간의 양 또는 비율을 정의한다.
단계(212)에서, 중앙 제어기(104)는 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 대한 타임 시프트 값을 계산하고, 필요하다면 단계(202, 206)에서 얻어진 입력 값(204, 208)에 기초하여 단계(210)에서 계산된 듀티 사이클 값을 스케일링한다. 타임 시프트는 특정 배터리 셀 모듈(102)에 대한 듀티 사이클이 시작될 때를 제어하는데 사용되는 변수이다. 예를 들어, 1Hz 시스템 듀티 사이클 주파수로 동작하는 배터리 시스템(100) 및 듀티 사이클 값이 50 % 인 배터리 셀 모듈(102)에 대해, 관련된 스위칭 어셈블리(112)는 t = 0에서 관련 배터리 셀 유닛(110)을 출력에 연결할 수 있고, t = 0.5s에서 관련 배터리 셀 유닛(110)을 연결해제한다. t = 1s에서, 1Hz 주파수로 인해 사이클이 반복될 것이다. 그러나, 배터리 셀 모듈(102)은 대안적으로 t = 0에서 연결되고, t = 0.25s에서 연결해제되고, t = 0.75s에서 다시 연결된다. 타임 시프팅은 목표 배터리 시스템 출력을 제공하기 위해 각각의 배터리 셀 모듈(102)의 연결된 듀티 사이클이 발생하는 때를 제어한다.
중앙 제어기(104)가 각각의 배터리 셀 모듈(102)에 대한 듀티 사이클 및 타임 시프트를 계산하는 방식은 이하의 예와 함께 설명될 것이다.
이 예에서, 배터리 시스템(100)은 충전될 7 개의 배터리 셀 모듈(102)을 포함한다. 이 예에서, 배터리 시스템의 목표 출력은 배터리 셀 유닛(110)의 평균 전압 출력의 3 배이다. 간략화를 위해, 각각의 셀 모듈(102)은 아래의 표에 나열된 바와 같이, '하이' 또는 '로우'로 유지될 수 있는 최대 충전 용량을 갖는다. '하이' 용량을 갖는 각각의 셀 모듈(102)은 1.5Ah의 충전량을 유지할 수 있는 반면, '로우' 용량 레벨을 갖는 각각의 셀 모듈(102)은 1Ah의 충전량을 유지할 수 있다. 또한, 이 예에서, 모든 배터리 셀은 완전히 방전된 상태에서 시작하고, 모든 배터리는 동일한 전압을 갖는다.
Figure 112019085846847-pct00010
그러나, 실제로, 배터리 시스템(100)은 많은 상이한 최대 전하 저장 용량, 시작하는 전하 레벨, 및 전압 레벨을 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
이 예에서, 중앙 제어기는 다음의 식을 사용하여 셀 모듈(102)의 충전 듀티 사이클을 계산한다:
Figure 112019085846847-pct00011
여기서,
Dx,charge는 충전 중에 배터리 셀 유닛 'x'에 대한 듀티 사이클이고,
'Cap'는 주어진 배터리 셀 유닛(110)이 완전히 충전되었을 때 저장할 수 있는 총 용량이고, 이는 배터리 셀 유닛을 완전히 충전 및 완전히 방전한 경우, 배터리 셀 유닛이 완전히 충전된 상태와 완전히 방전된 상태 사이에서 전이하는 동안 제공할 수 있는 충전량을 측정함으로써, 결정되고,
Cx는 셀 유닛 'x'의 현재 전하 레벨이고,
X는 배터리 셀 유닛 'x'(110)에 할당된 수치이고(각각의 배터리 셀 유닛에는 1에서 N까지의 숫자가 할당됨),
N은 배터리 시스템(100)의 총 배터리 셀 유닛(110)이고,
Y는 일시적 또는 영구적으로 사용될 수 없게 된 특정 배터리 셀 유닛의 인덱스 'x'의 집합(collection)이고,
Z는 임의의 주어진 시간에 연결될 필요가 있는 배터리 셀 유닛(110)의 수이고,
α와 β는 식의 합계를 위해 사용된 변수이다.
상기 식은 각각의 배터리 셀 모듈(102)에 대하여 0과 1(또는 0 %와 100 %) 사이의 듀티 사이클 값을 제공하는데, 이는 주어진 배터리 셀 유닛(110)이 스위칭 어셈블리(112)를 통해 시스템(100)에 연결된 시간의 백분율을 나타낸다.
이 예에서, 듀티 사이클 식에 기초하여, '하이' 충전을 갖는 각각의 셀 유닛은 50 %의 듀티 사이클을 수신하고, '로우' 충전을 갖는 각각의 셀 유닛은 33.3 %의 듀티 사이클을 수신한다. 모든 듀티 사이클 값의 합계(Dtotal)는 다음과 같이 계산된다:
Figure 112019085846847-pct00012
Dtotal은 100 %의 듀티 사이클의 약 3 배이기 때문에, Z에서 요구되는 셀의 수와 일치하고, 스케일링이 필요하지 않다. 그러나, Dtotal이 300 %보다 크거나 낮으면, 중앙 제어기(104)는 300 %의 Dtotal이 달성되도록, 듀티 사이클 값을 스케일링하기 위한 스케일링 인자 S를 계산할 수 있다. 그러면, 중앙 제어기(104)는 스케일링된 듀티 사이클 값에 따라 각각의 배터리 셀 모듈(102)을 제어할 것이다.
단계(212)에 따라, 중앙 제어기(104)는 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 대한 시프트 값을 그 다음 계산한다. 전술한 바와 같이, 타임 시프트는 주어진 배터리 시스템 듀티 사이클 동안 배터리 셀 유닛이 연결되지 않을 때와 연결될 때 사이에서 전환할 때를 정의한다.
이 실시 예에서, 제 1 셀 유닛(110)은 사실상 타임 시프트(T1)를 갖지 않는다:
Figure 112019085846847-pct00013
각각의 후속 셀 유닛(Tx)에 대한 타임 시프트는 이전의 셀 유닛(110)(Tx-1)의 타임 시프트 값 더하기 이전의 셀 유닛(110)(Dx-1)의 듀티 사이클 값이고, 1 보다 크지 않고:
Figure 112019085846847-pct00014
위의 듀티 사이클 및 타임 시프트 값으로부터 기인한 셀 유닛 동작은 도 7에서 볼 수 있다. 이 도면에서, x 축은 시스템 듀티 사이클 측면에서 측정된 시간을 나타낸다. 이 경우, 하나의 시스템 듀티 사이클은 각각의 셀 유닛(110)이 한번 스위치 온되고 한번 스위치 오프되는 시간을 나타낸다. y 축은 배터리 셀 유닛(110)이 출력에 연결되어 있는지 또는 연결해제되어 있는지를 나타낸다. 예를 들어, 시스템 듀티 사이클(Time = 0 %)의 시작에서, 셀 유닛(1, 3 및 5)이 연결되고, 다른 모든 셀 유닛은 연결해제된 것을 볼 수 있다. 모든 시점에서, 3 개의 셀 유닛이 연결되고, 이는 요구되는대로 각각의 셀 유닛(110)의 평균 출력 전압의 약 3 배의 총 출력값을 제공할 것이다. 사이클이 계속해서 반복되기 때문에, 셀 유닛(3)을 포함하는 일부 셀 유닛은 하나의 듀티 사이클의 끝단 근처에서 시작하여, 그 다음 튜티 사이클까지 계속된다. 동작 동안, 중앙 제어기에 의해 새로운 듀티 사이클 값이 계산되고 할당될 때까지, 셀 유닛 작동은 여러 번 되풀이하여 반복되고, 그에 의해 셀 모듈(102)의 스위칭 작동에서의 변화를 야기한다.
상기 예에서, 중앙 제어기(104)는 특정 시점에서 연결될 셀 유닛의 수를 선택함으로써, 시스템(100)의 총 출력을 제어하도록 배터리 셀 모듈(102)을 제어할 수 있다. 위의 예에서 한 번에 3 개의 셀 유닛이 사용되지만, 다른 예에서는 더 높은 출력 전압을 제공하기 위해 더 적은 또는 더 많은 셀 유닛이 동시에 사용될 수 있다.
다른 실시 예에서, 중앙 제어기(104)는 단계(210)에서 다음 식에 기초하여 각각의 배터리 셀 유닛(110)의 듀티 사이클을 계산할 수 있다.
Figure 112019085846847-pct00015
여기서,
Dx는 배터리 셀 유닛 'x'에 대한 듀티 사이클이고,
Vt는 각각의 배터리 셀 유닛 'x'내의 배터리 셀의 현재 전압이고,
Vmin은 배터리 셀 유닛 'x'의 배터리 셀의 최소 허용가능 전압(예를 들어, 배터리 셀이 완전히 방전될 때)이고,
Vcharge는 완전히 충전된 배터리 셀 유닛 'x'의 배터리 셀의 전압이다.
현재 셀 전압은 저장된 전하와 관련되므로, 상기 듀티 사이클 계산은 상이한 양의 저장된 전하를 갖는 배터리 셀 유닛(110)에 대해 상이한 듀티 사이클을 제공할 것이다.
일부 실시 예에서, 중앙 제어기(104)는 단계(2012)에서 다음의 식에 기초하여 타임 시프트를 계산할 수 있다
Figure 112019085846847-pct00016
여기서,
Tx는 배터리 셀 유닛 'x'에 대한 타임 시프트 값이고,
TD는 듀티 사이클의 주기이고,
Figure 112019085846847-pct00017
, f는 배터리 시스템의 제어 주파수이고,
X는 배터리 셀 유닛 'x'(각각의 배터리 셀에는 1에서 N까지의 숫자가 할당 됨)에 할당된 숫자 값이고,
N은 배터리 시스템내의 배터리 셀 유닛들의 총수이다.
이 식은 배터리 셀 모듈(102)에 대한 타임 시프트 값이 0과 TD 사이에서 균등한 간격을 가진 값이 되도록 한다. 따라서, 배터리 셀 유닛들(112)은 엇갈린 방식으로 교대로 연결될 것이고, 특정 듀티 사이클에 대해 바람직한 전압 출력 프로파일을 제공한다.
단계(214)에서, 중앙 제어기(104)는 입력(208)으로부터 얻은 값에 상응하는 원하는 출력을 제공하기 위하여, 각각의 배터리 셀 모듈(102) 및 출력 모듈(106)의 동작을 제어하는 제어 신호를 셀 마이크로 제어기(108) 및 출력 마이크로 제어기(116)로 보낸다.
원하는 전압 출력을 제공하기 위해 배터리 시스템(100)을 제어하는 또 다른 방법(250)이 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
단계(252)에서, 시스템(100)은 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 현재 저장된 전하 레벨인 Cx를 결정한다. Cx에 대한 값은 예를 들어, 측정된 셀 전압을 룩업 테이블 또는 셀 전압의 함수와 비교하고, 전하 및 온도를 포함하는 특정 조건 하에서 잔존 용량 관계를 고려하고, 및/또는 시간 경과에 따라 각각의 배터리 셀에 유입 및/또는 배출된 전하량을 측정함으로써, 결정된다.
단계(254)에서, 시스템(100)은 원하는 출력 전압을 제공하기 위해, 동시에 연결될 셀 유닛의 총수를 결정한다.
단계(256)에서, 셀 마이크로 제어기(108)는 각각의 셀 유닛(110)의 성능 파라미터를 체크한다. 이들 성능 파라미터 중 일부는 온도, 출력 전압, 전류 등을 포함할 수 있다. 각각의 셀 유닛(110)이 표준 또는 소정의 범위를 벗어나는 성능 파라미터를 갖는 경우, 마이크로 제어기(108)는 중앙 제어기(104)에 각각의 셀 유닛(102)이 현재의 동작 사이클에서 연결해제될 것임을 통보한다. 시스템(100)은 연결해제된 셀 유닛(110)을 비활성 셀 유닛(110)으로 표시한다. 후속 사이클에서, 성능 파라미터들의 값이 표준 또는 미리 결정된 범위 내에 있다고 결정되면, 셀 마이크로 제어기(108)는 중앙 제어기(104)에 각각의 셀 유닛(110)이 현재 동작 사이클에서 사용을 위해 연결될 수 있음을 통보한다. 시스템(100)은 연결된 셀 유닛(110)을 활성 배터리 셀 유닛(110)으로 표시한다.
단계(258)에서, 시스템(100)은 각각의 셀 유닛(110)'x'에 대한 방전 듀티 사이클(Dx,discharge)(예컨대, 배터리 시스템(100)이 부하에 전력을 공급하고 있을 때) 및 충전 듀티 사이클(Dx,charge)(예컨대, 배터리 시스템(100)이 외부 전원에 의해 충전되고 있을 때)를 다음의 2 개의 식에 따라 결정한다.
시스템(100)이 부하에 전력을 제공하여 방전하고 있는 경우, 방전 동안 특정 셀 유닛 x의 듀티 사이클은 다음과 같이 계산된다:
Figure 112019085846847-pct00018
여기서,
Dx,discharge는 방전 중의 배터리 셀 유닛 'x'에 대한 듀티 사이클이고,
Cx는 셀 유닛 'x'의 현재 전하 레벨[단계(252)에서 계산됨]이고,
X는 배터리 셀 유닛 'x'(110)(각각의 배터리 셀 유닛에는 1에서 N까지의 숫자가 할당됨)에 할당된 숫자 값이고,
N은 배터리 시스템(100) 내의 배터리 셀 유닛(110)의 총수이다.
Y는 일시적 또는 영구적으로 사용될 수 없게 된 특정 배터리 셀 유닛의 인덱스 'x'의 집합이다[단계(256)에서 결정됨].
Z는 임의의 주어진 시간에서 연결될 필요가 있는 배터리 셀 유닛(110)의 수이다[단계(254)에서 계산됨].
α와 β는 식에서 합계를 위해 사용된 변수이다.
식 1에서,
Figure 112019085846847-pct00019
는 방전 동안 모든 배터리 셀 유닛(110)에 존재하는 총 용량이고,
Figure 112019085846847-pct00020
는 임의의 주어진 이유 때문에 사용될 수 없는 모든 셀 유닛(110)의 용량이고, 예컨대 여기서의 셀은 안전한 전압 또는 온도 동작 영역에서 유지하기 위해 및/또는 단계(256)에서 결정된 바와 같이 과도한 열화로부터 그것을 보호하기 위해 배제된 셀일 수 있다. 모든 셀 유닛(110)의 총 용량으로부터 사용될 수 없는 셀 유닛(110)의 총 용량을 빼기하면, 이용 가능한 셀 유닛(110)의 총 용량('총 가용 용량')을 제공한다.
식 1은 각각의 셀 유닛 x의 용량을 총 가용 용량으로 나눈다. 결과적인 항
Figure 112019085846847-pct00021
은 최적의 방전에 기여하기 위해 개별 셀이 총 방전의 몇 퍼센트를 필요로 하는지를 나타낸다. 마지막으로, 이를 정기적인(on-time) 듀티 사이클로 변환하기 위해서는 수용 가능한 출력 전압을 제공하기 위해 직렬로 연결될 필요가 있는 셀 유닛(110)의 수를 곱해야 한다.
시스템(100)이 부하에 전력을 공급하지 않고 충전중인 경우, 충전 중의 특정 셀 유닛 x의 듀티 사이클은 다음과 같이 계산된다:
Figure 112019085846847-pct00022
여기서,
'Cap'는 주어진 배터리 셀 유닛(110)이 완전히 충전되었을 때 저장할 수 있는 총 용량이고, 이는 배터리 셀 유닛을 완전히 충전 및 완전히 방전한 경우, 배터리 셀 유닛이 완전히 충전된 상태와 완전히 방전된 상태 사이에서 전이하는 동안 제공할 수 있는 전하량을 측정함으로써, 결정된다.
다른 모든 용어는 방전 식과 동일한 의미를 가진다.
판단 단계(260)에서, 시스템(100)은 임의의 배터리 셀 유닛(110)에 대한 듀티 사이클이 1 또는 100 %를 초과하는지를 결정한다. 시스템(100) 내의 임의의 하나 이상의 배터리 셀 유닛(110)이 100 %를 초과하는 듀티 사이클 값을 갖는다면, 방법(250)은 단계(262)로 진행한다. 그렇지 않다면, 방법(250)은 단계(264)로 진행한다.
듀티 사이클에 대한 계산된 값은 1을 초과할 수 있는데, 예를 들어, 방전 배터리 시스템이 방전시 다른 것보다 상당히 높은 저장 전하를 보유하는 하나의 주어진 배터리 셀 유닛을 포함할 때이다. 유사하게, 이는 또한 하나의 셀이 다른 셀과 동일한 양의 저장 전하를 가지지만 상당히 높은 용량을 가질 때, 충전 동안에 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 100% 보다 큰 듀티 사이클에서 임의의 배터리 셀 유닛(110)을 동작시키는 것이 불가능하기 때문에, 시스템(100)은 원하는 출력에 가능한 근접한 출력을 달성하기 위하여, 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 대한 출력 요건들을 균일하게 하도록 100% 보다 작은 듀티 사이클을 갖는 배터리 셀 유닛(110)에 대한 튜티 사이클 값을 스케일업한다. 몇몇 경우에, 이것은 가능하지 않을 수 있는데, 예를 들어, 각각 6V의 출력을 갖는 3 개의 활성 배터리 셀 유닛(110)으로는 24V의 출력을 제공하는 것이 불가능하다. 이 경우, 시스템(100)은 가장 근접하게 가능한 출력을 제공하도록 지시받거나, 턴 오프될 수 있다.
단계(262)에서, 정확히 100 %의 듀티 사이클을 갖는 임의의 배터리 셀 유닛(110)을 제외한 모든 배터리 셀 유닛(110)의 듀티 사이클 값은 하기 식에 따라 스케일링된다.
100 %보다 큰 듀티 사이클 값을 갖는 배터리 셀 유닛(110)에 대해, 스케일링된 듀티 사이클 값(
Figure 112019085846847-pct00023
)은 1 또는 100 %이다.
100 % 미만의 듀티 사이클 값을 갖는 배터리 셀 유닛(110)에 대해, 스케일링된 듀티 사이클 값(
Figure 112019085846847-pct00024
)은 하기 식 3에 기초하여 계산된다.
Figure 112019085846847-pct00025
여기서,
Dx는 각각의 배터리 셀 유닛(110)의 계산된 언스케일된 듀티 사이클 값이고,
Dα는 1 또는 100 %를 초과하는 듀티 사이클 값을 갖는 각각의 배터리 셀 유닛(110)의 계산된 언스케일된 듀티 사이클 값이다.
따라서, Dα-1은 이들 각각의 듀티 사이클 값이 1을 초과하는 양('듀티 사이클 초과량(surplus)')이다.
따라서,
Figure 112019085846847-pct00026
는 듀티 사이클이 1을 초과하는 모든 배터리 셀 유닛(110)에 대한 듀티 사이클 초과량의 총합이다.
W는 1을 초과하는 언스케일된 듀티 사이클 값을 갖는 특정 배터리 셀 유닛(110)의 인덱스 'x'의 집합이고, α는 식에서 합산을 위해 사용되는 변수이다.
Figure 112019085846847-pct00027
는 1 미만인 언스케일된 듀티 사이클 값을 갖는 배터리 셀 유닛(110)의 듀티 사이클 값의 총합이다.
V는 1 미만인 언스케일된 듀티 사이클 값을 갖는 특정 활성 배터리 셀 유닛(110)의 인덱스 'x'의 집합이고,
α와 β는 식에서 합산을 위해 사용되는 변수이다.
단계(262)에서 1 미만의 언스케일된 듀티 사이클 값을 갖는 임의의 배터리 셀 유닛이 1을 초과하게 되면, 스케일링 단계(262)는 모든 언스케일된 듀티 사이클로 반복되고, 이런 언스케일된 듀티 사이클은 이전의 스케일링 단계 동안 계산된 듀티 사이클 값으로 대체된다. 이는 모든 스케일링된 듀티 사이클이 100 % 이하의 값을 가질 때까지 수행된다. 식 3의 듀티 사이클 계산이 제로에 의한 나눗셈을 초래하는 경우, 이는 출력 요구 사항과 사용 가능한 배터리 셀이 근본적으로 호환되지 않음을 나타내며, 그 시점에서 시스템은 사용자 설정에 따라 부분적으로 기능이 감소된 상태로 전환하거나 출력을 완전히 연결해제할 수 있다.
단계(264)에서, 시스템(100)은 이전 단계에서 계산된 바와 같이 각각의 듀티 사이클 값(스케일링되거나 언스케일된 것)에 기초하여 각각의 활성 배터리 셀 유닛(110)에 대한 타임 시프트 값을 계산한다. 전술한 바와 같이, 단계(258)에서 계산된 듀티 사이클 값 중 어느 것도 1을 초과하지 않으면, 언스케일된 듀티 사이클 값이 사용되고, 그렇지 않으면 단계(262)에서 계산된 스케일링된 듀티 사이클 값이 사용된다.
제 1 연결된 셀 유닛(110)은 타임 시프트을 갖지 않으므로,
Figure 112019085846847-pct00028
각각의 후속 셀 유닛(Tx)에 대한 타임 시프트는 이전의 셀 유닛(110)(Tx-1)의 타임 시프트 값 더하기 이전의 셀 유닛(110)(Dx-1)의 듀티 사이클 값이고, 1 보다 크지 않고:
Figure 112019085846847-pct00029
floor 함수 항을 포함하면, Tx-1 + Dx-1이 1 이상인 경우, 1을 빼서 Tx를 0 이상 1 미만의 부분(fraction)으로 리턴하는 것을 보장한다. floor 함수 내부의 항이 0 이상 1 미만 경우, floor 함수는 0의 값을 리턴하고 타임 시프트 계산에 기여하지 않는다. 그 결과, 활성 배터리 셀 유닛(110)은 엇갈린 방식으로 연결 및 연결해제되어, 원하는 출력 프로파일과 동일하거나 근접하게 상응하는 출력 프로파일을 제공한다.
단계(266)에서, 중앙 제어기(104)는 원하는 출력을 제공하기 위해, 각각의 배터리 셀 모듈(102) 및 출력 모듈(106)의 동작을 제어하는 제어 신호를 셀 마이크로 제어기(108) 및 출력 마이크로 제어기(116)로 제어 신호를 보낸다.
도 1에 도시된 구성에서, 방법(250)의 단계들은 주로 중앙 제어기(104)에 의해 수행된다. 각각의 셀 마이크로 제어기(108)는 각 셀 유닛(110)에 대해 대응하는 값을 중앙 제어기(104)에 전달하고, 중앙 제어기(104)로부터 각각의 셀 유닛(110)에 대응하는 관련 듀티 사이클 및 타임 시프트를 해독하고, 이들 값을 사용하여 각각의 스위칭 어셈블리(114)를 제어하여 적절한 시간에 각각의 셀 유닛(110)을 연결해제하거나 연결한다. 그러나, 다른 구성들에서, 상기 방법 단계들은 중앙 제어기(104)가 사용되지 않으면 임의의 하나 이상의 셀 마이크로 제어기들(108)에서 수행될 수 있다.
방법(250)의 예가 도 8 내지 도 11을 참조하여 아래에 설명될 것이다.
배터리 팩은 각각 용량이 2, 3, 4, 4, 5 및 6 Ah인 x = 1에서 6까지의 6 개의 배터리 셀 유닛으로 구성되며, 각각의 배터리 셀 유닛은 완전히 충전된 상태에서 약 4V, 반-충전된 상태에서 3.5V, 방전된 상태에서 3V의 출력 전압을 제공한다고 가정한다. 이 배터리 팩은 완전히 충전된 상태에서 시작하여, 10.5-14V 범위의 출력 전압을 제공하는 동안, 먼저 방전된 다음 충전될 것이다. 방전이 시작될 때 모든 유닛은 가동되므로, 인덱스 Y를 갖는 셀은 없다. 방전을 개시하면 시스템은 출력 전압 범위내의 전압을 제공하기 위해 계산하고, 4V/셀 * 3 셀 = 12V이기때문에, 3 개의 배터리 셀이 동시에 사용될 필요가 있다. 셀에 대한 결과적인 듀티 사이클은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112019085846847-pct00030
이전에 제공된 타임 시프트 식 및 프로세스에 기초하여, 셀 유닛 타임 시프트는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00031
위의 듀티 사이클과 타임 시프트 값으로부터 야기된 셀 유닛 동작은 도 9에서 볼 수 있다. 셀 유닛(1)이 연결해제될 때, 셀 유닛(2)가 연결되는 것을 볼 수 있다. 우측에서 볼 수 있는 결과는 모든 시점에서 4 개의 셀 유닛이 연결된 시스템이다.
배터리 셀이 반-방전될 때까지, 셀 유닛 x = 1 내지 6은 각각 1, 1. 5, 2, 2, 2.5 및 3Ah의 잔류 저장된 전하를 갖는다. 이 시점에서 팩의 전압은 3.5V/셀 * 3 셀 = 10.5V에 도달한다. 팩을 더 방전하면, 배터리 출력 전압이 10.5V 이하로 떨어지게 되므로, 시스템은 3.5V/셀 * 4 셀 = 14V, 즉 팩이 계속 방전함에 따라 팩 전압 감소될 여지를 갖는 원하는 전압의 하이 엔드(high end)이기에, 연속된 방전을 위해 4개의 셀을 동시에 사용하는 것이 지금 바람직하다고 계산한다. 셀(1, 4 및 6)에 대한 4 개의 셀로 변경하기 직전의 듀티 사이클은 위와 동일하게 계산할 수 있다.
Figure 112019085846847-pct00032
유사하게, 변경 전의 타임 시프트 값은 다음과 같이 동일하게 유지된다:
Figure 112019085846847-pct00033
이러한 변경 직후의 듀티 사이클은 다음과 같이 계산할 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00034
대응 타임 시프트는 다음과 같이 계산할 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00035
위의 듀티 사이클 및 타임 시프트 값으로부터 야기되는 셀 유닛 동작은 도 10에서 볼 수 있다.
이러한 변경 직후, 시스템은 현재의 온도 또는 전압 측정에 기초하여, 셀 유닛(3)이 작동 수명을 연장시키기 위해 일시적으로 연결해제되어야 한다고 결정한다고 가정하자. 이 경우 듀티 사이클은 다음과 같이 변경된다:
Figure 112019085846847-pct00036
셀 유닛(3)은 일시적으로 연결해제되고, 이는 0의 듀티 사이클을 가짐을 의미한다.
전술한 바와 같이, 임의의 주어진 셀의 듀티 사이클은 100 %를 초과할 수 없다. 셀(6)의 듀티 사이클이 상한(cap) 없이 이 양을 초과하므로, 스케일링이 시작된다. 위의 예에서, 연결된 셀의 듀티 사이클의 합이 40 % + 60 % + 80 % + 100 % + 100 % = 3.8이기 때문에, 임의의 시점에서 직렬인 4 개의 셀을 더 이상 제공하지 않는 것을 볼 수 있다. 즉, 동작에 걸쳐 4 개의 셀을 동시에 직렬 연결하는 경우에는 4는 더 이상 필요하지 않을 것이다.
이전에 제공된 스케일링 식에 따라, <100 %의 용량을 가진 모든 셀이 다시 계산된다. 따라서 셀(1, 2 및 4)에 대한 새로운 듀티 사이클은 다음과 같게 된다:
Figure 112019085846847-pct00037
이 스케일링 이후, 듀티 사이클의 총합은 44.4 % + 66.7 % + 88.9 % + 100 % + 100 % = 4로 계산될 수 있다. 이와 같이, 결과적인 시스템 동작은 필요에 따라 동시에 연결되는 4 개의 직렬 셀을 제공할 수 있다.
대응 타임 시프트 값은 다음과 같이 계산할 수 있다:
Figure 112019085846847-pct00038
위의 듀티 사이클 및 타임 시프트 값으로부터 야기된 셀 유닛 동작은 도 11에서 볼 수 있다.
상기 예들은 시스템이 DC 출력 전압 프로파일을 생성할 수 있는 방법을 예시하지만, 배터리 시스템(100)은 유사하게 다른 출력 파형을 생성할 수 있다. 출력을 정류된 사인 파형으로 선택하면, AC 출력으로의 변환을 간편화할 수 있다. 배터리 시스템(100)은 또한 사용자 입력 또는 출력에 연결된 장치들에 의해 요구되는 바에 기초하여, 상이한 출력 파형들 사이에서 스위칭할 수 있다.
AC 출력을 제공하기 위해, 중앙 제어기(104)는 특정 주파수(예를 들어, 가정에서 사용되는 50 또는 60Hz)에서 출력 전압 변동을 제공하도록, 임의의 주어진 시간에 연결될 배터리 셀 유닛(110)의 수를 결정한다. 예를 들어, 100 개의 배터리 셀 모듈(102)을 포함하는 배터리 시스템은, 주어진 레벨의 총 출력 전압, 예컨대 270V에 도달하면 다시 감소하고 0으로 돌아갈 때까지, 연결된 배터리 셀 유닛(110)을 전혀 갖지 않는 상태(출력 = 0V)와 연결된 배터리들의 수가 증가하는 상태 사이에서 번갈아 일어나도록 제어될 수 있다. 적시에 그렇게 함으로써, 정류된 사인파를 생성할 수 있다. 정류된 사인파의 장점은 H 브릿지와 같은 비교적 단순하고 표준적인 전자 스위치 세트를 사용하면, 이 출력을 양-음의 오실레이팅 50/60Hz 신호로 변환할 수 있다는 것이다. 선택적으로, 표준 AC 변압기를 추가로 사용하면, AC 신호를 원하는 레벨로 높이거나 낮출 수 있다(예컨대, 출력 전압을 230V로 낮출 수 있다).
원하는 전압 출력을 제공하기 위해 배터리 시스템(100)을 제어하는 추가적인 방법(600)이 도 12를 참조하여 설명될 것이다.
단계(602)에서, 시스템(100)은 각각의 배터리 셀 유닛(110)의 전압인 Vx 및 각각의 배터리 셀 유닛(110)에 현재 저장된 전하 레벨 Cx를 결정한다. Cx에 대한 값은 예를 들어, 측정된 셀 전압을 룩업 테이블 또는 셀 전압의 함수와 비교하고, 전하 및 온도를 포함하는 특정 조건 하에서 잔존 용량 관계를 고려하고, 및/또는 시간 경과에 따라 각각의 배터리 셀에 유입 및/또는 배출되는 전하량을 측정함으로써, 결정된다.
단계(604)에서, 셀 마이크로 제어기(108)는 각각의 셀 유닛(110)의 성능 파라미터를 체크한다. 이들 성능 파라미터 중 일부는 온도, 출력 전압, 전류 등을 포함할 수 있다. 각각의 셀 유닛(110)이 표준 또는 소정의 범위를 벗어나는 성능 파라미터를 갖는 경우, 마이크로 제어기(108)는 중앙 제어기(104)에 각각의 셀 유닛(102)이 현재의 동작 사이클에서 연결해제될 것임을 통보한다. 시스템(100)은 연결해제된 셀 유닛(110)을 비활성 셀 유닛(110)으로 표시한다. 후속 사이클에서, 성능 파라미터들의 값이 표준 또는 미리 결정된 범위 내에 있다고 결정되면, 셀 마이크로 제어기(108)는 중앙 제어기(104)에 각각의 셀 유닛(110)이 현재 동작 사이클에서 사용을 위해 연결될 수 있음을 통보한다. 시스템(100)은 연결된 셀 유닛(110)을 활성 배터리 셀 유닛(110)으로 표시한다.
단계(606)에서, 시스템(100)은 사용 가능한 셀 유닛(110)의 모든 가능한 조합을 계산하고, 연관된 결합된 전압을 계산한다. 조합 전압은 조합의 일부인 모든 셀 유닛의 셀 유닛 전압의 합이다. 시스템(100)은 모든 가용 셀 유닛 조합 및 조합 전압을 포함하는 룩업 테이블을 형성한다.
일 예에서, 배터리 시스템(100)은 5 개의 배터리 셀 유닛(110)을 포함하며, 각각은 아래 표에 열거된 바와 같이 충전 용량, 저장된 전하 및 전압을 갖는다.
Figure 112019085846847-pct00039
정의된 다중 조합의 선택 하위 집합 및 계산할 수 있는 조합 전압이 아래에 제공된다.
Figure 112019085846847-pct00040
단계(608)에서, 시스템(100)은 미리 결정된 또는 원하는 시스템 출력 전압을 셀 유닛들의 조합들에 매칭시키기 위해 룩업 테이블을 사용한다. 시스템(100)은 이 룩업 테이블을 사용하여 각각의 셀 유닛(110)에 대한 하나 이상의 듀티 사이클 및 타임 딜레이를 정의한다.
위의 예에서, 원하는 시스템 출력 전압은 도 13에 도시되어 있는 비선형 정현파 목표 전압일 수 있다. 시스템은 전압 측면에서 가장 근접한 각각의 조합을 이러한 프로파일에 매칭시키도록 진행하고, 가장 적합한 조합을 달성하는데 필요한 듀티 사이클 및 타임 딜레이를 정의하게 한다. 일부 실시 예에서, 시스템은 시스템 목표와 조합 전압(예컨대, t <0.05 x 10-2 초 동안의 예에서) 사이의 불일치의 기간 동안, 펄스 폭 변조 접근법을 추가로 사용하여 전압 적합성을 더 향상시킬 수 있다. 관련 듀티 사이클 및 타임 시프트 값으로부터 야기된 셀 유닛 동작은 도 14에서 볼 수 있다. 관련 듀티 사이클 및 타임 시프트 값으로부터 야기된 시스템 전압은 도 13에서 볼 수 있다.
단계(610)에서, 배터리 시스템은 최상의 목표 전압 적합성과 셀 용량의 최적 사용 사이의 트레이드-오프(trade-off) 프로세스를 수행한다. 위의 예를 가정하고 배터리 팩이 방전될 경우, 이러한 프로세스는 다음의 수학 부등식에 따라 2 개의 셀의 모든 세트를 검사한다.
Figure 112019085846847-pct00041
여기서,
Cx,used는 특정 듀티 사이클 및 타임 시프트에 의해 정의된 시간(T)에서 연결되도록 의도된 제 1 배터리 셀 유닛(110)에 저장된 전하이고,
Cx,unused는 시간(T)에서 연결해제되도록 의도된 제 2 배터리 셀 유닛(110)에 저장된 전하이고,
F는 배터리 팩에서 액세스 가능한 용량을 최대화하는 중요성과 비교하여, 원하는 출력 전압에 가까운 시스템 출력 전압을 제공하는 중요성을 정의하는 0보다 큰 값의 트레이드-오프 팩터이고,
VT,used는 시간(T)에서 연결되도록 의도된 제 1 배터리 셀 유닛(110)의 전압이고,
VT,unused는 시간(T)에서 연결해제되도록 의도된 제 1 배터리 셀 유닛(110)의 전압이다.
주어진 셀 유닛 세트에 대해 상기 부등식이 참이라면, 주어진 시간(T)에 연결해제되도록 의도된 셀 유닛(110)이 그 시점에서 연결되어야 하는 반면, 그 시점에서 연결되도록 의도된 셀이 그 시점에 연결해제될 것이다. 이 식은 보다 많이 저장된 전하를 가진 하나의 셀 유닛이 연결해제되도록 의도된 경우, 더 적게 저장된 전하를 가진 다른 하나의 셀 유닛이 연결될 것이지만, 그 전압이 과도하게 다르지 않으면, 보다 많이 남은 용량을 가진 셀 유닛이 출력에 더 많은 기여를 할 수 있도록 역할을 스위치함을 효과적으로 보장한다. 위의 특정 예에서, 모든 셀 유닛은 동일한 저장 전하를 가지기 때문에, 2 개의 셀 유닛의 임의의 세트에 대해, 부등식은 유지되지 않고, 트레이드 오프는 발생하지 않는다.
단계(612)에서, 중앙 제어기(104)는 원하는 출력을 제공하기 위해, 각각의 배터리 셀 모듈(102) 및 출력 모듈(106)의 동작을 제어하는 제어 신호를 셀 마이크로 제어기(108) 및 출력 마이크로 제어기(116)에 보낸다.
도 15를 참조하면, 배터리 시스템(100)의 구성요소들을 통합하고, 인버터(302)를 더 포함하는 배터리 시스템(300)을 도시한다. 인버터(302)는 단자들(304)로부터 출력된 DC 전압을 변환하고(전술한 바와 같이 생성됨), 출력 단자(306)에서 DC 신호를 AC 신호로 변환한다.
도 16은 배터리 시스템(100)의 구성요소들을 통합하고, H 브릿지(402)를 더 포함하는 배터리 시스템(400)의 일 실시 예를 도시한다. 배터리 시스템(400)은 정류된 정현파 출력과 같은 '한쪽만의(one-sided)' 신호를 단자(304)에서 전술한 바와 같이 제공할 수 있고, H 브릿지(402)는 파형을 변환하여, 출력 단자(406)에서 양-음의 오실레이션을 제공한다.
도 17은 배터리 시스템(400)의 구성요소들을 통합하고, 변압기(502)를 더 포함하는 배터리 시스템(500)의 또 다른 실시 예를 도시한다. 도 9와 유사하게, 출력 단자들(504)은 오실레이팅 양-음의 파형을 갖는 출력 신호를 제공한다. 변압기(502)는 출력 신호를 소정 레벨로 승압 또는 강압할 수 있다. 시스템(500) 내의 배터리 셀 유닛(510)의 수가 출력 전압을 목표 레벨로 허용하지 않는 경우, 시스템(500)은 특정 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템(500)이 완전 충전시 4.2V를 각각 제공하는 10 개의 배터리 셀 유닛(510)만을 포함한다면, 변압기(502)는 승압 변압기로서 동작하는 경우, 시스템(500)이 42V보다 큰 총 출력 전압(10 * 4.2V)을 제공할 수 있게 한다.
도 18은 2 개의 배터리 시스템(100)이 병렬로 연결된 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템(900)을 도시한다. 배터리 시스템(100)으로부터의 출력 전압이 전술한 방식으로 제어될 수 있기 때문에, 각각의 시스템(100)으로부터의 출력 전류는 2 개의 배터리 시스템(100)의 상대 전압을 제어함으로써 유사하게 제어될 수 있다. 시스템 각각에 대한 출력 제어의 레벨은 시스템(100)이 도 11에 도시된 방식의 병렬 연결에 호환가능하게 한다. 도 11은 각각의 시스템(100)이 대응하는 출력 모듈(106)을 포함하는 것을 도시하지만, 2 개의 시스템(100)은 또한 일부 애플리케이션에서 단일의 출력 모듈(106)을 공유할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
표준 배터리 팩 시스템에서, 상이한 배터리 팩은 상이한 용량을 가지기 때문에, DC 터미널을 병렬 연결하는 것이 문제가 될 수 있고, 하나의 팩에서 다른 팩보다 더 많은 에너지가 소모될 수 있다. 결과적으로, 팩 전압을 서로 분리하고(decouple) 제어 레벨을 가능하게 하기 위해, DC-DC 컨버터가 병렬 연결에 앞서 각각의 팩의 출력 단자에 요구되는데, 이에 의해 비용이 추가된다.
일부 경우에는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리 시스템(100)을 표준 또는 종래의 배터리 시스템에 연결할 수 있다. 일반적으로 서로 다른 화학적 성질 및 유형의 2 개의 배터리 팩을 병렬 연결하면, 각 시스템의 배터리가 서로 다른 전압 프로파일을 따르게 되므로 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 배터리 시스템(100)을 사용하여, 병렬 연결을 위해 표준 또는 종래의 배터리 팩 시스템의 전압 프로파일과 일치하도록 배터리 시스템(100)을 구성할 수 있다.
도 19는 중앙 마이크로 제어기가 각각의 분산형 제어기와 전용 통신선을 갖는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템을 도시한다. 이 실시 예에서, 출력 모듈만이 분산형 제어기를 포함하는 반면, 스위칭 어셈블리는 전기 절연 이외의 국부적인 처리없이, 중앙 마이크로 제어기로부터 전용선을 통해 제어 신호를 수신한다. 이 실시 예는 셀 유닛 스위칭 어셈블리와 관련된 분산형 제어기에 대한 필요성을 회피함으로써 제어기 비용을 감소시키는 장점을 가지지만, 시스템 레이아웃 복잡성을 증가시키고 신뢰성을 감소시킬 수 있는 각각의 스위칭 어셈블리에 대한 전용 신호 라인의 단점을 갖는다.
도 20은 중앙 마이크로 제어기가 공유 통신 라인을 통해 반(semi)-분산형 마이크로 제어기와 통신하고, 이어서 배터리 셀 모듈에 대한 전용 통신 라인을 갖는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템을 도시한다. 이 실시 예에서, 전기적 절연은 중앙 마이크로 제어기와 반-분산형 마이크로 제어기 사이의 통신 신호상에서 구현된다. 따라서, 각각의 반-분산형 마이크로 제어기는 그것이 제어하는 대응 셀 모듈의 접지 전위와 같거나 근접한 접지 전위에서 작동한다.
도 21은 중앙 마이크로 제어기가 공유 통신 라인을 통해 반-분산형 마이크로 제어기와 통신하고, 이어서 배터리 셀 모듈에 대한 전용 통신 라인을 갖는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템을 도시한다. 이 실시 예에서, 전기적 절연은 반-분산형 마이크로 제어기와 자신이 제어하는 대응하는 셀 모듈 사이의 신호상에서 구현된다. 따라서 각각의 반-분산형 마이크로 제어기는 다른 반-분산형 마이크로 제어기 및/또는 중앙 마이크로 제어기의 접지 전위와 같거나 근접한 접지 전위에서 작동한다.
도 22는 다수의 분산된 마이크로 제어기들 사이에 하나 이상의 공유 통신 라인을 갖는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템을 도시한다. 그렇지 않으면, 제어기(104)에 대해 예약된 제어 결정은 분산형 제어기 중 하나에 의해 개별적으로 또는 여러개의 분산형 제어기에 의해 공동으로(jointly) 이루어진다.
도 23은 다수의 분산된 마이크로 제어기가 전력선을 통해 통신하는 또 다른 실시 예에 따른 배터리 시스템을 도시한다. 그렇지 않으면, 제어기(104)에 대해 예약된 제어 결정은 분산형 제어기 중 하나에 의해 개별적으로 또는 여러개의 분산형 제어기에 의해 공동으로 이루어진다.
해석
청구 범위를 포함하는이 명세서는 다음과 같이 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예 또는 예는 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서, 본 발명을 설명하기 위한 것이다. 본 발명은 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 다양한 수정 및 추가로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명되거나 도시된 정확한 구성 및 동작에 한정되지 않고, 다음의 청구 범위에 의해서만 제한된다는 것을 이해해야한다.
본 명세서에서 방법 단계 또는 제품 요소의 단순한 개시는 청구 범위에 명시 적으로 또는 명시적으로 인용된 경우를 제외하고는, 본 명세서에서 청구된 발명에 필수적인 것으로 해석되어서는 안된다.
청구 범위에서의 용어는 관련 일자에 당업자에 의해 제공되어졌을 의미의 가장 넓은 범위를 갖는다.
용어 "a" 및 "an"은 달리 명시되지 않는 한 "하나 이상"을 의미한다.
본 출원의 제목이나 요약은 청구된 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
청구항의 서문이 청구된 발명의 목적, 이점 또는 가능한 용도를 인용한 경우, 청구된 발명을 그 목적, 이점 또는 가능한 용도로만 제한하는 것은 아니다.
청구 범위를 포함하는 명세서에서, 용어 "포함한다(comprise)" 및 "포함하는(comprises)" 또는 "포함하고 있는(comprising)"과 같은 해당 용어의 변형은 달리 명시되지 않는 한 또는 문맥 또는 용법에서 용어의 배타적 해석이 요구되지 않으면, "포함하지만 제한되지 않는다"를 의미하기 위해 사용된다.
본 명세서에 언급된 임의의 문헌의 개시사항은 본 발명의 개시사항의 일부로서, 본 특허 출원에 참조로 포함되지만, 기술된 설명 및 실시의 목적으로만 사용되며, 그러한 참조 없이는 확실한 의미를 제공지 못했을 본 출원서에서의 어떠한 용어를 제한, 한정 또는 달리 해석하기 위해 사용되지 않아야 한다. 참고 문헌에 의한 모든 통합은 본질적으로 그리고 자연적으로, 일체의 문서에 포함된 진술, 의견 또는 논증을 보증하거나 비준하지 않는다.
본 명세서에서의 임의의 배경 기술이나 선행 기술에 대한 언급은 그러한 배경 기술이나 선행 기술이 해당 분야에서 일반적인 지식을 구성하거나 청구범위의 유효성과 관련하여 선행 기술로 인정할 수 있다는 것을 의미하지 않는다.

Claims (24)

  1. 배터리 시스템으로서,
    직렬로 연결된 복수의 배터리 셀 유닛;
    하나 이상의 스위칭 어셈블리; 및
    제어 가능한 전압 프로파일을 갖는 시스템 출력을 제공하기 위해, 하나 이상의 제어 파라미터를 결정하고, 상기 제어 파라미터에 기초하여, 선택적으로,
    상기 배터리 셀 유닛 중 어느 하나를 상기 복수의 배터리 셀 유닛 중 임의의 다른 배터리 셀 유닛과 연결해제하고,
    상기 배터리 셀 유닛 중 어느 하나를 상기 복수의 배터리 셀 유닛 중 임의의 다른 배터리 셀 유닛과 직렬과 전기적 연결하도록,
    상기 스위칭 어셈블리를 제어하고, 동기화된 작동을 위해 구성된 2 개 이상의 제어기들;을 포함하고,
    상기 제어기들 중 적어도 하나는 상기 2 개 이상의 제어기들의 시간 동기화를 위한 동기화 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 배터리 시스템은 상기 2 개 이상의 제어기들간에 시간 동기화 신호를 통신하도록 구성된 동기화 라인을 더 포함하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기들은 선택적으로,
    제 1 배터리 셀 유닛과 제 2 배터리 셀 유닛이 직렬로 전기적 연결되고, 제 3 배터리 셀 유닛이 연결해제되는 제 1 상태에서 작동하고,
    상기 제 1 배터리 셀 유닛과 상기 제 3 배터리 셀 유닛이 직렬로 전기적 연결되고, 상기 제 2 배터리 셀 유닛이 연결해제되는 제 2 상태에서 작동하고,
    상기 제 2 배터리 셀 유닛과 상기 제 3 배터리 셀 유닛이 직렬로 전기적 연결되고, 상기 제 1 배터리 셀 유닛이 연결해제되는 제 3 상태에서 작동하도록,
    상기 스위칭 어셈블리를 제어하는 배터리 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 동기화 라인은 상기 2 개 이상의 제어기들간에 시간 동기화 신호만을 통신하도록 구성되는 배터리 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 동기화 라인은 상기 2 개 이상의 제어기들간에 적어도 시간 동기화 신호를 통신하도록 구성되는 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 시간 동기화 신호는 단일의 시간 신호를 포함하는 배터리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 어셈블리를 제어하기 위해 상기 2 개 이상의 제어기들에 의해 사용되는 제어 파라미터는 배터리 시스템 전압, 배터리 시스템 전류, 연결된 부하에 제공되는 전압, 최대 충전 전압, 각 배터리 셀에 대한 최소 방전 전압, 셀 전압 및/또는 셀 전압들의 조합 중 적어도 하나의 측정치에 기초하는 배터리 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 배터리 셀 유닛은 각각의 제어기에 의해 제어되는 배터리 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 2 이상의 배터리 셀 유닛은 공유된 제어기에 의해 제어되는 배터리 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기들 중 적어도 하나는 하나 이상의 다른 제어기들에 대한 제어 신호를 생성하기 위한 중앙 제어기인 배터리 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 시스템 출력을 제어하기 위한 출력 모듈을 더 포함하고, 상기 출력 모듈은 상기 연결된 배터리 셀 유닛을 상기 시스템 출력에 선택적으로 연결 또는 연결해제하기 위한 하나 이상의 출력 스위치를 갖는 배터리 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 출력 전압을 평활화하기 위해 상기 시스템 출력에 커패시터를 더 포함하는 배터리 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 출력 전류를 평활화하기 위해 상기 시스템 출력에 인덕터를 더 포함하는 배터리 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 복수의 배터리 셀 유닛은 실질적으로 5 % 이상의 전하 저장 용량의 차이를 갖는 적어도 2 개의 배터리 셀 유닛을 포함하는 배터리 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제어 파라미터들 중 하나는 상기 배터리 셀 유닛 각각에 대한 타임 시프트를 포함하고, 상기 타임 시프트는 상기 각각의 배터리 셀 유닛을 상기 복수의 배터리 셀 유닛의 하나 이상의 다른 배터리 셀 유닛과 직렬로 전기적 연결하기 위한 시간을 결정하는 배터리 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제어 파라미터들 중 하나는 상기 배터리 셀 유닛 각각에 대한 듀티 사이클을 포함하고, 상기 듀티 사이클은 상기 복수의 배터리 셀 유닛 중 하나 이상의 다른 배터리 셀 유닛과 직렬로 전기적 연결될 때, 상기 각각의 배터리 셀 유닛에 대한 전기적 연결을 유지하기 위한 시간의 백분율을 결정하는 배터리 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 스위칭 어셈블리는,
    상기 제어기들 중 적어도 하나로부터 제어 신호를 수신하기 위한 게이트 구동 전자 장치들로서, 상기 적어도 하나의 스위칭 어셈블리를 상기 제어기들로부터 절연시키기 위한 하나 이상의 절연 요소들을 갖는 게이트 구동 전자 장치들; 및
    직렬로 연결된 배터리 셀 유닛들 사이의 직접적 전기 경로내에 흐르는 전류를 전도하기 위한 하나 이상의 스위칭 요소들;을 포함하고,
    상기 절연 요소들의 수는 상기 스위칭 요소들의 수보다 적은 배터리 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 게이트 구동 전자 장치는 광 커플러를 포함하는 배터리 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 제 1 스위칭 어셈블리는 하나 이상의 대응하는 배터리 셀 유닛을 제어하도록 구성되고, 상기 제 1 스위칭 어셈블리는 상기 제어기들 중 적어도 하나로부터 제어 신호를 수신하기 위한 게이트 구동 전자 장치를 포함하고,
    상기 게이트 구동 전자 장치는 상기 하나 이상의 대응하는 배터리 셀 유닛에 의해 적어도 부분적으로 전력이 공급되는 배터리 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 스위칭 어셈블리는 각각 최대 2 개의 스위칭 요소를 포함하는 배터리 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 배터리 시스템 출력에서 직류 신호를 교류로 변환하기 위한 AC/DC 컨버터를 더 포함하는 배터리 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 정류된 정현파 출력 신호를 완전한(full) 정현파 출력 신호로 변환하기 위한 H-브릿지 회로를 더 포함하는 배터리 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 시스템 출력에서 전압 진폭을 변경하기 위한 변압기를 더 포함하는 배터리 시스템.
  23. 삭제
  24. 삭제
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