KR102595567B1 - 배터리 관리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

서로 병렬 연결된 다수의 배터리 셀들(101, 102)을 포함하는 배터리(100)를 위한 배터리 관리 시스템(103). 상기 배터리 관리 시스템은 다수의 배터리 셀들 중 적어도 하나를 가로질러 연결되는 전자 회로(104)를 포함한다. 상기 전자 회로는 전하 저장 장치(105) 및 스위칭 장치(106)를 포함한다. 상기 스위칭 장치는 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전하가 방전되어 전하 저장 장치로 인가되는 제1 상태와, 전하 저장 장치로부터 전하가 방전되어 적어도 하나의 배터리 셀로 인가되는 제2 상태 사이에서 회로를 스위칭한다. 상기 스위칭 장치는 적어도 하나의 배터리 셀이 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전을 하도록 하는 상기 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하도록 구성된다.

Description

배터리 관리 장치 및 방법
본 개시는 서로 병렬 연결된 다수의 배터리 셀들들을 포함하는 배터리에 사용하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기한 장치 및 방법은 리튬-황(lithium sulphur) 배터리 셀을 포함하는 배터리 분야에서 특별한 응용을 할 수 있다.
전형적인 배터리 셀은 애노드(anode), 캐소드(cathode) 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질(electrolyte)을 포함한다. 상기한 애노드, 캐소드 및 전해질은 하우징, 예를 들어, 파우치(pouch) 내에 포함될 수 있다. 전기적 연결, 예를 들어, 연결 탭은 전지의 애노드 및 캐소드와의 전기적 연결을 제공하도록 하우징에 접속될 수 있다. 전형적인 배터리는 다수의 배터리 셀들을 포함한다. 상기 셀들은, 예를 들어, 전기 연결부를 전기 커넥터에 연결함으로써 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다.
충전식(rechargeable) 배터리는 전형적으로 연속적인 충전-방전 사이클을 겪도록 설계된 복수의 충전식 셀을 포함한다. 추후의 방전 및 사용을 위해 저장된 전기 화학적 에너지로 이들을 충전할 목적을 위한, 이러한 충전식 전지, 특히 그의 스택(배터리)의 사용은 자동차, 해양 및 기타 차량 응용 분야, 가정용 및 무정전 에너지 공급 장치, 가정용 및 계통 연계 전력 네트워크의 수요 및 부하 평준화를 위한 간헐적이고 재생 가능한 전력 공급원에서 생산된 에너지 저장을 포함하는 다양한 응용 분야에서 점점 더 중요해지고 있다.
배터리의 충전 및 방전 동안, 하나의 배터리를 형성하는 상이한 배터리 셀들의 용량 상태가 서로 거의 동일하게 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 배터리에서 상이한 셀들의 충전 상태(또는 동등하게는, 방전 정도)가 충전 및 방전 동안 조화롭게 증가 및 감소하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀은 그 배터리 셀을 형성하는 각각의 셀이 소정의 충전 상태에 도달할 때까지 충전될 수 있다. 각각의 셀의 충전 상태가 서로 실질적으로 동일하게 유지되면, 각각의 셀은 상기한 소정의 충전 상태(이때 충전이 중지됨)에 거의 동시에 도달할 수 있다.
배터리의 이러한 동작은 배터리 내의 하나 또는 다수의 셀들의 성능 저하를 감소시킬 수 있으며, 이것은 그렇지 않을 경우 하나의 배터리를 형성하는 다른 셀들의 충전 상태의 차이로 인해 발생할 수 있다.
어떤 배터리(예를 들어, 리튬-이온 셀을 포함하는 배터리)에서는, 서로 병렬로 연결된 배터리 셀들은 전형적으로 서로 셀프-밸런싱(self-balancing)하도록 작용하여 그 배터리 셀들 사이의 용량 상태의 차이가 수정되도록 하는 전압 특성을 나타낸다. 그러나 리튬-황(lithium sulphur) 배터리 셀과 같은 다른 배터리 셀들은(적어도 일부 상황에서는) 각각 병렬로 연결된 셀들 사이의 셀프-밸런싱을 촉진하도록 작용하지 않는 전압 특성을 나타낸다. 따라서, 서로 병렬로 연결된 셀들 사이에서 발생할 수 있는 용량 상태 차이의 감소를 촉진하는 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 고려되는 특정 유형의 배터리 셀은 리튬-황(Li-S) 배터리 셀이다. 리튬-황은, 예를 들어, 리튬 이온보다 5배 더 큰 이론적 에너지 밀도를 갖는 차세대 전지 화학 물질이며, 다양한 응용 분야에 대해 전기화학적 에너지 저장소로서 더 잘 역할을 할 수 있다. 전형적인 리튬-황 셀은 리튬 금속 또는 리튬 금속 합금으로 형성된 애노드(anode), 및 원소 황 또는 기타 전기활성 황 물질로 형성된 캐소드(cathod)를 포함한다. 황 또는 기타 전기활성(electroactive) 황 함유 재료는 그의 전기전도성(electrical conductivity)을 향상시키기 위해 탄소와 같은 전도성 물질과 혼합될 수도 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 어떤 배터리 셀에서는, 배터리 셀 양단 사이의 전압은 그 배터리 셀의 충전 상태에 의존한다. 예를 들어, 배터리 셀 양단 간의 전압은 그 배터리 셀의 용량 상태에 대략 비례할 수 있다. 이러한 배터리 셀들이 서로 병렬로 연결될 때, 그 배터리 셀들 사이의 용량 차이가 수정되고 각각의 배터리 셀이 대략 동일한 용량을 갖도록 그 배터리 셀들은 일반적으로 서로 셀프-밸런싱을 이룬다. 예를 들어, 서로 병렬로 연결된 두 개의 셀들이 서로 다른 용량을 가지면 각 셀에 걸치는 전압은 다를 수도 있다. 이러한 전압 차는 그 2개의 배터리 셀들 사이에 전류가 흐르도록 하여 더 높은 용량의 배터리 셀로부터 더 낮은 용량의 배터리 셀로 충전 전하를 전달함으로써, 상기 2개의 셀들 사이의 용량 차이를 수정하도록 작용한다.
그러나 리튬-황 배터리 셀과 같은 일부 배터리 셀들은 그 배터리 셀에 걸친 개방 셀 전압이 비교적 넓은 범위의 상이한 용량에 걸쳐 비교적 일정하게 유지되는 전압 특성을 나타낸다. 더욱이, 리튬-황 배터리 셀과 같은 일부 배터리 셀들은 일반적으로 배터리 셀로부터 전류가 거의 또는 전혀 인가되지 않을 때 개방 셀 전압으로 안정화된다. 즉, 배터리 셀이 능동적으로 충전되거나 부하로 방전되지 않을 때, 그 배터리 셀 양단의 전압은 개방 셀 전압으로 떨어진다. 그러한 배터리 셀들이 서로 병렬로 연결될 경우, 상이한 용량들에서 상이한 셀들 사이의 전압 차이가 거의 없거나 전혀 없을 수도 있고, 따라서 용량 차이를 수정하도록 하는 셀들 사이의 전류가 거의 또는 전혀 흐르지 않도록 구동된다.
서로 병렬로 연결된 배터리 셀들의 펄스 충전 및 방전을 통해, 배터리 셀들의 개방 셀 전압 특성이 전형적으로 그 배터리 셀 용량들의 셀프-밸런싱을 구동하지 않을 경우에도 상이한 셀들 간의 용량 차이가 감소될 수 있음이 밝혀졌다.
본 발명의 제1양태에 따르면, 서로 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 시스템이 제공되는 것으로서, 상기 배터리 관리 시스템은: 상기 다수의 배터리 셀들 중의 적어도 하나에 가로질러 연결되는 전자회로로서, 상기 전자 회로는 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 방전된 전하를 저장하도록 구성된 전하 저장 장치; 및 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전하가 방전되어 상기 전하 저장 장치의 충전을 위해 상기 전하 저장 장치로 향하게 되는 제1 상태와, 상기 전하 저장 장치로부터 전하가 방전되어 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 충전을 위해 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 향하게 되는 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능한 스위칭 장치를 포함하되; 상기 스위칭 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전(pulsed charging and discharging)을 하도록 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하도록 구성된다.
적어도 하나의 배터리 셀로부터 전하가 도출되는 제1 상태와 적어도 하나의 배터리 셀로 전하가 향하도록 되는 제2 상태 사이에서 상기한 적어도 하나의 배터리 셀을 스위칭하는 것은 적어도 하나의 배터리 셀로/로부터 전류가 흐르는 것을 보장한다. 배터리 셀로 또는 배터리 셀로부터 전류가 흐를 때, 배터리 셀 양단에 걸리는 전압은 배터리 셀의 내부 저항에 의존하는 그 셀의 동작 전압으로 지칭 될 수도 있다. 배터리 셀의 내부 저항은 배터리 셀의 용량에 의존하고, 따라서 배터리 셀의 동작 전압은 그 배터리 셀의 용량에 의존한다. 따라서, 배터리 셀들이 그 동작 전압을 채택하도록 하는 것은(배터리 셀들의 펄스 방전 및 충전을 통해) 용량 상태가 다른 셀들 간의 전압 차이로 귀착된다. 이러한 전압 차이는 배터리 셀들 사이에 흐르는 전류의 밸런싱을 맞추도록 작용한다. 이러한 밸런싱 전류는 용량이 더 큰 셀에서 용량이 더 작은 셀로 전하를 전달하여 서로 다른 셀 간의 용량 차이를 줄이도록 작용한다. 따라서, 서로 병렬로 연결된 하나 또는 다수의 배터리 셀들의 펄스 충전 및 방전은, 바람직하게는, 서로 다른 셀 사이의 용량 상태의 차이를 감소시키도록 한다.
달리 말하면, 상이한 충전 상태의 병렬 셀들은 셀의 충전 상태 또는 용량에 대한 내부 저항의 의존성으로 인해 상이한 내부 저항을 가질 수 있다. 그러한 병렬 셀들을 전하 저장 장치로 방전하는 동안, 셀들 사이의 내부 저항의 차이(및 그 셀들의 결과적인 전압 차이)는 비교적 높은 충전 상태에 있는 병렬 셀이 비교적 낮은 충전 상태의 병렬 셀보다 전하 저장 장치에 더 많은 전류를 전달하게 한다. 마찬가지로, 전하 저장 장치로부터의 병렬 셀의 충전 동안, 비교적 높은 충전 상태의 병렬 셀은 비교적 낮은 충전 상태의 병렬 셀보다 낮은 충전 전류를 받아들일 것이다. 결과적으로, 전하 저장 장치로/로부터의 펄스 방전 및 충전 동안 상기한 병렬 셀들의 충전 상태의 차이가 감소한다.
적어도 하나의 배터리 셀로부터 인출된 전하는 상기 전하 저장 장치로부터 적어도 하나의 배터리 셀로 다시 방전되기 전에 상기 전하 저장 장치에 일시적으로 저장된다. 이러한 메커니즘은 비교적 에너지 효율적일 수 있다. 예를 들어, 이러한 방식으로 적어도 하나의 배터리 셀로/로부터 전하를 이동시킬 때 대략 95%를 초과하는 에너지 효율이 달성될 수 있다.
어떤 실시 예들에서, 상기 전자 회로는 다수의 병렬 셀들의 양단에 걸치는 연결에 적합할 수 있다. 이러한 실시 예들에서, 다수의 병렬 셀들이 전하 저장 장치로 방전되고 그 전하 저장 장치로부터 충전될 수 있다.
다른 실시 예들에서, 상기 전자 회로는 서로 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들 중 하나의 배터리 셀에 걸치는 연결에 적합할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 단일 셀이 전하 저장 장치로 방전되고 그 전하 저장 장치로부터 충전된다.
어떤 실시 예들에서는, 전술한 유형의 다수의 전자 회로가 제공될 수 있는바, 여기서 각각의 전자 회로는 상이한 하나 도는 다수의 배터리 셀들에 걸치는 연결에 적합하다. 예를 들어, 제1 전자 회로는 제1 배터리 셀에 걸치도록 연결될 수 있고, 제2 전자 회로는 상기 제1 배터리 셀과 병렬로 연결된 제2 배터리 셀에 걸치도록 연결될 수 있다. 따라서, 상기한 제1 및 제2 배터리 셀들은 각각 제1 및 제2 전자 회로의 일부를 형성하는 상이한 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전될 수도 있다.
전하가 제1 상태에서 방전되는 상기 적어도 하나의 배터리 셀은 제2 상태에서 충전을 위해 전하가 향하는 상기 적어도 하나의 배터리 셀과 동일할 수도 있다. 즉, 제1 상태에서 서로 병렬로 연결된 하나 또는 다수의 배터리 셀로부터 전하가 인출되고 제2 상태에서 상기 하나 또는 다수의 배터리 셀을 충전하기 위해 동일한 하나 또는 다수의 배터리 셀로 다시 되돌아간다. 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들을 포함하는 실시 예들에 있어, 제1 상태에서 전하 저장 장치로 방전되는 다수의 셀들은 제2 상태에서 전하 저장 장치로부터 충전되는 상기 동일한 다수의 셀들(즉, 동일한 수의 셀들 및 동일 그룹의 셀들)이다. 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 하나의 배터리 셀(적어도 하나의 다른 셀과 병렬로 연결된)을 포함하는 실시 예들에 있어, 제1 상태에서 전하 저장 장치로 방전되는 단일한 셀은 제2 상태에서 전하 저장 장치로부터 충전되는 동일한 셀이다.
다시 말해서, 적어도 어떤 실시 예들에서, 제1 상태에서 전하 저장 장치로 방전되지 않은 어떤 셀들도 제2 상태에서 상기 전하 저장 장치로부터 충전되지 않는다. 유사하게, 제2 상태에서 전하 저장 장치로부터 충전되지 않은 어떤 셀들도 제1 상태에서 전하 저장 장치로 방전되지 않는다.
상기 배터리 관리 시스템은 서로 병렬 연결된 다수의 배터리 셀들 중 적어도 2 개의 배터리 셀이 상이한 충전 상태 또는 용량을 가질 경우 상기 스위칭 장치가 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하도록 구성될 수 있다.
상기 스위칭 장치는 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전을 하도록 하기 위해 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하도록 구성될 수 있으며, 이로써 서로 병렬 연결된 다수의 배터리 셀들 중 적어도 두 개 사이의 충전 상태 또는 용량의 차이가 감소한다.
상기 회로는 배터리가 아이들 상태에 있을 때 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 상기 아이들 상태는 상기 배터리가 충전 또는 방전을 위해 외부 장치에 걸치도록 연결되지 않은 상태일 수 있다. 즉, 배터리는 아이들 상태에서 외부 장치로 또는 외부 장치로부터 능동적으로 충전 또는 방전되지 않는다. 상기 아이들 상태는 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류의 크기가 임계 전류보다 작은 상태이다.
상기 임계 전류는, 예를 들어, 배터리가 대략 0.01 C의 율(rate)로 충전 또는 방전될 때 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류에 해당할 수 있다. 상기 임계 전류에 해당하는 충전/방전율은 대체로 약 0.05 C 미만, 약 0.03 C 미만, 또는 심지어는 약 0.01 C 이하일 수도 있다.
펄스 충전 및 방전은 배터리와 임의의 외부 장치 사이에 전류가 거의 또는 전혀 흐르지 않는 시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 펄스 충전 및 방전은 배터리가 전원으로부터 충전되지 않고 외부 부하로 방전되지 않을 때 수행될 수 있다. 펄스 충전 및 방전은 또한 낮은 레벨의 충전 전류가 배터리로 흐르거나 낮은 레벨의 방전 전류가 배터리로부터 외부 부하로 흐르는 시간 동안 수행될 수 있다. 이러한 배터리 상태는 배터리의 '아이들(idle)' 상태의 예인 것으로 간주 된다.
일반적으로 아이들 상태는 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류의 크기가 임계 전류보다 작은 임의의 상태이다. 예를 들어, 아이들 상태 동안 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류의 크기는 실질적으로 0일 수 있다. 이러한 상태는 배터리의 저장 상태로 지칭 될 수 있다. 상기 저장 상태는 아이들 상태의 예로 간주 된다.
배터리의 아이들 상태 동안, 배터리와 임의의 외부 장치 사이에 전류가 거의 또는 전혀 흐르지 않기 때문에, 배터리 셀을 가로지르는 전압은 개방 셀 전압으로 안정될 수 있다. 상이한 용량에서 상이한 배터리 셀의 개방 셀 전압은 대략 동일할 수 있고, 따라서 상이한 용량을 갖는 셀들 간에 전압 차이가 거의 없거나 전혀 없을 수 있다. 따라서, 이러한 시간 동안, 적어도 하나의 배터리 셀을 가로지르는 전압을 그들의 동작 전압으로 가져오고 셀프-밸런싱(self-balancing) 전류가 상이한 용량 상태의 상이한 셀들 사이에서 흐르는 것을 촉진하기 위해 상기 저장 장치에/로부터 펄스 충전 및 방전을 제공하는 것이 특히 유리하다.
배터리의 아이들 상태 동안, 어떤 배터리 셀들(예를 들어, 리튬-황 셀)은 시간이 지남에 따라 자체-방전(self-discharge)을 겪을 수 있다. 이러한 자체-방전은 상이한 셀들에 대해 약간 다른 율(레이트)로 발생할 수 있고 아이들 상태 동안 상이한 셀들 사이에서 용량 차이가 발생하도록 할 수도 있다. 따라서, 배터리가 아이들 상태에 있는 동안 펄스 충전 및 방전을 제공하여 다른 경우에 아이들 상태 동안 발생할 수도 있는 임의의 용량 차이를 감소시키는 것이 특히 유리하다.
상기 배터리 관리 시스템은, 스위칭 장치가 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하는 제1 모드와, 상기 스위칭 장치가 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하지 않는 제2 모드 사이에서 스위칭하도록 동작 가능한 컨트롤러(controller)를 더 포함할 수 있다.
소정의 시간에 전하 저장 장치에/로부터 펄스 충전 및 방전을 수행하는 것만이 유리할 수도 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 배터리가 아이들 상태에 있을 때 저장 장치로 및 저장 장치로부터 펄스 충전 및 방전을 수행하는 것이 유리할 수 있다. 그러나 다른 경우에는 저장 장치에/로부터 펄스 충전 및 방전을 수행하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 외부 연결을 통해 실질적인 충전 또는 방전 전류가 배터리로 또는 그로부터 흐를 때, 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전을 수행하지 않는 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, 상기 컨트롤러는 펄스 충전 및 방전을 수행하는 것과 펄스 충전 및 방전을 수행하지 않는 것 사이에서 선택적으로 교번하도록 제1 모드와 제2 모드 사이에서 스위칭하도록 동작 가능하다.
더욱이, 배터리의 아이들 상태 동안, 전하 저장 장치에 대한 펄스 충전 및 방전이 항상 요구되지는 않을 수도 있다. 예를 들어, 아이들 상태 동안 컨트롤러를 항상 제1 모드로 유지하는 대신, 어떤 충/방전도 수행되지 않는 제2 모드로 컨트롤러를 때때로 전환하는 것이 보다 에너지 효율적일 수 있다.
상기 컨트롤러는 배터리가 아이들 상태에 있을 때 제1 모드와 제2 모드 사이에서 주기적으로 스위칭하도록 구성될 수 있다.
상기 컨트롤러는, 그 컨트롤러가 제1 모드에 있는 시간들 사이에 발생했을 수 있는, 셀들 사이의 어떤 용량 차이들을 수정하도록 아이들 상태에 있을 때 주기적으로 제1 모드로 스위칭하도록 구성될 수 있다. 상기 컨트롤러는 소정의 시간 구간 동안 제1 모드에 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 24시간 간격마다 대략 1시간 동안 제1 모드로 전환할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 배터리 셀들의 1시간의 펄스 충전 및 방전은 컨트롤러가 마지막으로 제1 모드로 전환된 사이의 24시간 동안 배터리 셀들 사이에서 발생했을 수도 있는 임의의 용량 차이를 수정하기에 충분할 수 있다.
상기 컨트롤러는 배터리가 아이들 상태에 있는 것으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 배터리가 아이들 상태에 있다는 것을 결정하기 위해 배터리의 하나 또는 다수의 속성을 모니터할 수도 있다. 예를 들어, 배터리와 외부 장치 사이에 흐르는 전류가 임계 전류 레벨 아래로 떨어지면, 이것은 그 배터리가 아이들 상태에 있음을 나타낼 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 컨트롤러는 배터리가 아이들 상태에 있다고 판단될 때, 전하 저장 장치에/로부터 펄스 충전 및 방전을 수행할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류를 측정하도록 구성된 전류 모니터링 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 측정된 전류가 임계 전류 아래로 떨어질 때 배터리가 아이들 상태에 있는 것으로 결정하도록 구성될 수 있다.
상기 임계 전류는, 예를 들어, 배터리가 대략 0.01 C의 충전율로 충전 또는 방전될 때 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류에 상당할 수 있다. 임계 전류에 해당하는 충전/방전율(charge/discharge rate)은 대체로 약 0.05 C 미만, 약 0.03 C 미만, 또는 심지어 약 0.01 C 이하일 수 있다.
상기 컨트롤러는 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 측정 된 전류에 기초하여 제1 및 제2 모드 사이에서 스위칭할 시기를 결정하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러가 제1 모드로 스위칭하는 간격 주기는 외부 연결을 통한 배터리로 또는 배터리로부터의 전류의 크기에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 제1 모드로의 스위칭 사이의 시간 주기는 실질적으로 배터리로 또는 배터리로부터 전류가 흐르지 않는 경우보다 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 약간의 전류가 흐를 때 더 클 수 있다. 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리에서 약간의 전류가 흐르면 병렬 셀들 간에 일부 셀프-밸런싱이 발생할 수 있다. 따라서 배터리에 전류가 흐르지 않는 경우보다 병렬 셀들 간에 상당한 용량 차이가 발생하는 데 시간이 더 많이 걸릴 수도 있다. 따라서, 제1 모드로 스위칭함으로써 셀들 간에 용량 밸런싱(capacity balancing)을 수행하는 사이의 기간은 배터리로 또는 배터리로부터 전류가 실질적으로 흐르지 않는 상황에 비해 증가할 수도 있다.
상기 스위칭 장치는 적어도 하나의 배터리 셀이 약 0.5 헤르츠보다 큰 주파수에서 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전되도록 구성될 수 있다.
상기 스위칭 장치는 적어도 하나의 배터리 셀이 약 10 헤르츠 미만의 주파수에서 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전되도록 구성될 수 있다.
상기 전자 회로는 DC-DC 변환기 회로를 포함할 수 있다.
상기 전하 저장 장치는 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 전하 저장 장치는 제1 커패시터를 포함할 수 있으며, 상기 전자 회로는 제2 커패시터를 더 포함하되, 상기 스위칭 장치는, 상기 제1 커패시터가 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전류를 인출하여 상기 제1 커패시터를 충전하도록 연결되어 있는 제1 상태와, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 전류를 공급하도록 제1 커패시터와 제2 커패시터가 서로 직렬로 연결되어 있는 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능하다.
상기 회로가 제1 상태에 있을 때, 제1 커패시터를 충전하기 위해 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전류가 인출된다. 따라서, 전하는 상기 회로가 제2 상태로 전환될 때 적어도 하나의 배터리 셀로 나중에 다시 방전될 수 있는 제1 커패시터에 저장된다. 제2 상태에서, 상기 제1 및 제2 커패시터는 그들의 전압을 조합하여 상기 커패시터들로부터 적어도 하나의 배터리 셀로 전류를 공급하도록 서로 직렬로 연결된다. 상기 제2 커패시터는, 예를 들어, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 미리 충전될 수도 있고, 직렬로 연결될 때 커패시터를 가로지르는 전압을 상승시켜 상기 커패시터들로부터 적어도 하나의 배터리 셀로 전류를 공급하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하도록 하는 역할을 할 수도 있다.
상기 제2 커패시터의 커패시턴스는 제1 커패시터의 커패시턴스보다 적어도 10배 더 클 수 있다.
어떤 실시 예들에 있어, 제2 커패시터의 커패시턴스는 제1 커패시터의 커패시턴스의 10배보다 훨씬 크다. 예를 들어, 제2 커패시터의 커패시턴스는 제1 커패시터의 커패시턴스의 약 20배 초과, 약 40배 초과, 약 60배 초과, 또는 약 80배 이상일 수도 있다. 제2 커패시터의 커패시턴스는, 예를 들어, 제1 커패시터의 커패시턴스보다 최대 약 100배까지 더 클 수도 있다.
상기 스위칭 장치는 제2 커패시터를 충전하도록 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전류를 인출하기 위해 제2 커패시터가 연결되어 있는 제3 상태로 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능할 수 있다.
상기 제3 상태에서, 제2 커패시터는 적어도 하나의 배터리 셀에 의해 충전된다. 전술한 바와 같이, 제2 커패시터의 커패시턴스는 제1 커패시터의 커패시턴스의 몇 배일 수 있고, 제2 커패시터는 직렬로 연결될 때 커패시터의 전압을 승압하여 그 커패시터로부터 및 적어도 하나의 배터리 셀로 전류가 흐르게끔 구동하도록 주로 작용할 수 있다. 적어도 하나의 배터리 셀의 펄스 충전 및 방전을 수행하기 위해 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하기 전에, 제2 커패시터는 완전히 충전된 상태에 근접하도록 미리 충전될 수도 있다. 제2 커패시터는, 예를 들어, 상기 회로를 제3 상태로 스위칭함으로써 미리 충전될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상기 회로는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 반복적인 스위칭 동안 그것이 방전된 후에 제2 커패시터를 재충전하기 위해 주기적으로 제3 상태로 스위칭 될 수도 있다.
상기 배터리 관리 시스템은 제1 상태와 제2 상태 사이에서의 회로의 반복된 스위칭을 중단하고 적어도 하나의 배터리 셀로부터 제2 커패시터를 충전하도록 상기 회로를 제3 상태로 스위칭하도록 상기 스위칭 장치를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 배터리 셀에 충전 전류를 공급하기 위해 커패시터들이 직렬로(상기 회로를 제2 상태로 스위칭함으로써) 연결될 때, 제1 커패시터는 제2 커패시터보다 더 큰 정도로 방전될 수 있다(그것의 더 작은 용량으로 인해). 따라서, 제2 커패시터는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로의 반복적인 스위칭 동안(적어도 하나의 배터리 셀에 펄스 충전 및 방전을 제공하기 위해) 제1 커패시터보다 훨씬 더 느리게 방전될 수도 있다. 따라서, 제2 커패시터는 그 제2 커패시터가 상당히 방전되지 않으면서 상기한 제1 상태와 제2 상태 사이에서 다수의 연속적인 스위칭 사이클을 통해 사용될 수 있다. 한편, 제1 커패시터는 제1 상태와 제2 상태 사이의 스위칭 사이클마다 충전 및 방전된다. 그러나 제2 커패시터는 제1 상태와 제2 상태 사이에서의 반복적인 스위칭 동안 여전히 느리게 방전될 것이며, 주기적으로 재충전될 필요가 있을 수도 있다. 제2 커패시터는, 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전류를 끌어 와서 제2 커패시터를 재충전하도록 상기 회로를 제3 상태로 스위칭함으로써 재충전될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 서로 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들 및 선행하는 청구항에 정의된 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리가 제공된다.
상기 다수의 배터리 셀들은 리튬-황(lithium sulphur) 배터리 셀일 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 서로 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리를 제어하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 제1 상태와 제2 상태 사이에서 다수의 배터리 셀들 중의 적어도 하나를 가로질러 연결된 전자 회로를 반복적으로 스위칭하는 단계를 포함하되, 상기 제1 상태에서 전하는 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 방전되어 전하 저장 장치의 충전을 위해 상기 전하 저장 장치로 보내지고, 상기 제2 상태에서는 전하가 상기 전하 저장 장치로부터 방전되어 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하기 위해 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 향하도록 하되, 상기 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로의 반복적인 스위칭은 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전을 겪도록 한다.
본 출원의 범위 내에서, 선행하는 단락들, 청구항들 및/또는 후술하는 상세한 설명과 도면들, 특히 그의 개별적인 특징들에 제시된 다양한 양태들, 실시 예들, 예들 및 대안들은 독립적으로 또는 임의의 조합으로 취해질 수도 있음을 유념하여야 할 것이다. 즉, 모든 실시 예들 및/또는 어떤 실시 예의 특징들은 이러한 특징들이 비-호환성이지 않는 한 임의의 방식 및/또는 조합으로 결합되어도 좋다. 본 출원인은 최초에 제출된 청구항들을 변경하거나 그에 상응하게 새로운 청구항을 제출하는 권리를 포함하여, 최초에는 그런 방식으로 출원되지 않았을지라도, 원래의 청구항을 어떤 다른 청구항에 종속하게 하거나 그 항의 어떤 특징을 포함하도록 수정하는 권리를 보유한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예들은 단지 예로서 첨부된 도면에 개략적으로 도시되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리의 개략도이다.
도 2a 및 2B는 방전 중 리튬-황 배터리 셀의 전압의 개략도이다.
도 3은 상이한 자체 방전(self-discharge) 기간 전후의 리튬-황 배터리 셀의 용량의 개략적 도면이다.
도 4a 및 4B는 방전 및 충전 중의 리튬-황 배터리 셀의 저항을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 방전 및 충전 중의 리튬-황 배터리 셀의 동작 전압의 개략도이다.
도 6은 병렬로 연결된 2개의 배터리 셀의 등가 회로도의 개략도이다.
도 7은 도 1의 배터리의 일부를 형성하는 회로의 개략도이다.
본 발명의 특정 예가 설명되기 전에, 본 개시는 여기에 설명된 특정한 배터리 관리 시스템, 배터리 또는 그 방법으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 청구 범위의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 배터리 관리 시스템, 배터리 및 그 방법을 기술하고 청구범위에 기재함에 있어, 다음의 용어가 사용될 것인바, 명세서 중 단수 형태(영문의 "a", "an"및 "the"에 상응하는)는 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수 형태도 포함한다. 따라서, 예를 들어, "배터리 셀(battery cell)"에 대한 언급은 이러한 요소들 중의 하나 또는 다수에 관한 언급을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배터리(100)의 개략도이다. 배터리(100)는 제1 배터리 셀(101), 제2 배터리 셀(102) 및 배터리 관리 시스템(103)을 포함한다. 배터리 관리 시스템(103)은 도 1의 점선 박스(103) 내에 도시된 구성 요소들을 포함한다. 제1 배터리 셀(101)과 제2 배터리 셀(102)은 서로 병렬로 연결되어 있다. 도 1에 도시된 배터리(100)는 2개의 셀(101, 102)을 포함하지만, 다른 실시 예에 있어 배터리(100)는 2개를 초과하는 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 배터리는 적어도 2개의 배터리 셀이 서로 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들의 임의의 배열을 포함한다. 상기 배터리는 서로 병렬 연결된 적어도 두 개의 셀 이외에 서로 직렬 연결된 셀들을 포함할 수도 있다. 상기 배터리 셀들은 충전식(rechargeable) 배터리 셀이다.
배터리 관리 시스템(103)은 전자 회로(104)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 배터리 관리 시스템(103)은 또한 컨트롤러(107)를 포함한다. 도 1에 도시되지는 않았지만, 상기 회로(104)는 배터리 셀들(101, 102)과 외부 장치 사이에 접속을 설정하도록 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 배터리 셀들(101, 102)에 충전 전류를 전달하기 위해 외부 전원이 배터리 셀들(101, 102)에 걸쳐 연결될 수 있다. 상기 회로(104)는 배터리 셀(101, 102)을 부하로 방전시키도록 배터리 셀들(101, 102)에 걸쳐 외부 부하를 연결하도록 동작 가능할 수 있다. 상기 회로(104)는, 예를 들어, 배터리 셀들과, 외부 전원 공급 장치 및/또는 외부 부하가 연결될 수 있는 배터리(100)의 단자들(도시되지 않음) 사이의 연결부들을 포함할 수 있다. 상기 회로는 배터리 셀(101, 102)을 배터리(100)의 단자에 대해 연결 및 분리하기 위해 동작 될 수 있는 하나 또는 다수의 스위치를 포함할 수 있다. 상기 회로(104)는 배터리 셀들(101, 102) 및 외부 장치(전원 및/또는 부하와 같은) 사이에 흐를 수 있는 충전 및/또는 방전 전류들을 조절하도록 배치된 회로 또는 다른 장치를 포함할 수 있다.
상기 배터리(100)의 수명 동안, 제1 및 제2 셀(101, 102)의 충전 상태는 그들 사이에 차이를 발생시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 어떤 배터리 셀들(예를 들어, 리튬-이온 셀)에서, 하나의 배터리 셀을 가로지르는 개방 셀 전압은 그 배터리 셀의 용량 상태에 대략 직접적으로 비례한다. 따라서, 용량 상태가 다른 배터리 셀들은 그에 걸치는 전압이 상이하다. 이러한 셀들이 서로 병렬로 연결될 때, 그 셀들 사이의 전압 차이(셀들의 용량 상태 변화에 의해 야기됨)는 그 셀들 사이에 셀프-밸런싱 전류가 흐르도록 구동하여 용량의 차이를 수정하도록 작용한다. 예를 들어, 서로 병렬로 연결된 두 셀의 용량 상태가 서로 다르면, 각 셀을 가로지르는 전압이 달라진다. 이러한 전압 차는 2개의 배터리 셀 사이에 전류가 흐르도록 구동하여 용량 상태가 높은 배터리 셀로부터 용량이 낮은 상태의 배터리 셀로 전하를 전달함으로써 그 2개의 배터리 셀들 사이의 용량 차이를 수정하는 역할을 한다.
그러나 Li-S 셀과 같은 어떤 배터리 셀들은 상이한 용량 상태를 갖는 셀들 사이에서 셀프-밸런싱 전류가 흐르게 구동하도록 전형적으로는 역할을 하지 않는 전압 특성을 나타낸다. 도 2a는 셀의 방전 중의 방전 용량의 함수로서 전형적인 Li-S 셀의 동작 전압의 개략적인 표현을 도시한다. 상기 동작 전압은 방전 전류는 그 셀로부터 인출되고 있는 동안의(또는, 등가적으로는 충전 전류가 셀로 전달되는 동안) Li-S 셀의 전압이다. 도 2a에서 알 수 있듯이, 비교적 높은 충전 상태에서 셀은 짧은 높은 용량의 안정기(plateau) 영역(201)을 나타내는바, 그동안의 전압은 용량 변화에 따라 비교적 일정하게 유지된다. 고용량 안정기 영역(201) 후, 전압의 급격한 변화(202)는 비교적 긴 낮은 용량의 안정기 영역(203)에 도달하기 전에 발생하며, 그동안의 전압은 용량 변화에 따라 비교적 일정하게 유지된다. 낮은 용량의 안정기 영역(203)은 낮은 충전 상태에서 전압이 0으로 급격히 떨어질 때까지 계속된다.
상기한 안정기 영역들(201, 203)에서 셀의 전압이 넓은 범위의 상이한 용량에 걸쳐 상대적으로 일정하게 유지된다는 것을 도 2a로부터 알 수 있다. 그러므로 서로 병렬로 연결되고 안정기 영역(201, 203)에서 상이한 용량 상태를 갖는 상이한 셀들(101, 102)은 대략 유사한 전압을 가질 것이다. 따라서, 병렬 셀들(101, 102) 사이에 큰 전압 차이가 없을 것이며, 이는 병렬 셀들(101, 102) 사이의 용량 차이를 수정하기 위해 셀프-밸런싱 전류를 구동할 것이다.
더욱이, 전형적인 Li-S 셀의 전압은 그 셀로부터 전류가 거의 또는 전혀 공급되지 않는 비교적 짧은 시간 기간 후에 공칭 '개방 셀 전압(open cell voltage: OCV)'으로 안정화되는 경향이 있다. 도 2b는 Li-S 셀의 동작 전압(실선) 및 그 Li-S 셀의 개방 셀 전압(OCV)(점선)의 개략도이다. 상기 개방 셀 전압(OCV)은 셀이 부하에 연결되지 않은 경우의 셀 전압이다. 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, Li-S 셀의 OCV는 넓은 범위의 상이한 전하 상태에 대해 실질적으로 일정하다. 상이한 용량을 갖는 병렬 셀들(101, 102)이 그들의 개방 셀 전압으로 정착될 때, 그 셀들에 걸치는 전압들 사이에는 차이가 거의 없거나 전혀 없을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 상기 셀들(101, 102) 사이의 어떤 용량 차이를 수정하기 위해 그 셀들 사이에 셀프-밸런싱 전류가 흐르도록 구동하기 위한 전압 차이가 거의 없거나 전혀 없다.
또한, 방전 용량의 함수로서 Li-S 셀의 내부 저항(점선)이 도 2b에 도시되어 있다. 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 셀의 내부 저항은 방전 중의 Li-S 셀의 충전 상태의 함수에 따라 변한다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, Li-S 셀의 충전 상태에 대한 내부 저항의 의존성은 서로 병렬로 연결된 셀들의 충전 상태의 균형을 촉진하기 위해 사용될 수 있다.
일부 배터리 셀들(예를 들어, Li-S 셀)은 또한 시간이 지남에 따라 비교적 높은 정도의 자체-방전(self-discharge)을 나타내는 것으로 알리어져 있다. 예를 들어, 시간이 지남에 따라 배터리 셀들(101, 102)의 충전 상태는 외부 부하에 연결되지 않는 경우에도 감소할 수 있다. 상기 셀들(101, 102)의 자체-방전율은 그 셀들 내의 변화에 따라 변할 수 있고, 따라서 그 셀들(101, 102)은 서로 다른 방전율로 자체-방전될 수도 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 셀(101, 102)의 충전 상태 사이의 차이가 자체-방전 동안 발전할 수도 있다.
자체-방전은 특히 리튬-황(Li-S) 셀에서 비교적 빠른 방전율로 발생할 수 있다. 예를 들어, 전형적인 Li-S 셀의 충전 상태는 자체-방전으로 인해 48시간 동안 대략 25% 감소할 수 있다. 도 3은 그 셀들이 저장 상태에 있는(따라서 외부 부하에 연결되지 않은) 다수의 상이한 시간주기 전후에 Li-S 셀의 용량 상태를 개략적으로 나타낸 도표이다. 여기서 용량 상태는 암페어 시간(A h)으로 표시되며, 5, 10, 50 및 168 시간의 저장 기간에 대해 표시된다. 저장 기간이 시작될 때의 용량 상태는 좌측의 해시로 채워진 직사각형으로 표시되고, 또한 저장 기간이 끝날 때의 용량 상태는 채워지지 않은 직사각형으로 표시된다. 가장 왼쪽에 있는 4개의 직사각형 쌍들은 20℃의 주변 조건에서 저장된 셀을 나타내고, 가장 오른쪽에 있는 4개의 직사각형 쌍들은 40℃의 주변 조건에서 저장된 셀을 나타낸다.
Li-S 셀의 용량 상태는 도 3에 표현된 각각의 저장 기간 동안 감소한다는 것을 도 3으로부터 알 수 있다. 상기 셀들은 그 표현된 저장 기간 동안 외부 부하에 연결되지 않기 때문에, 용량 상태의 저하는 그 셀들의 자체-방전으로 인한 것이다. Li-S 자체-방전의 정도는 저장 시간이 증가함에 따라 증가하고 셀이 저장되는 온도에 의존한다는 것을 도 3으로부터 추가로 알 수 있다.
서로 병렬로 연결된(예를 들어, 제1 및 제2 셀들(101, 102)) Li-S 셀의 저장 기간 동안, 상이한 Li-S 셀은 상이한 양만큼(예를 들어, 다른 셀들의 특성의 차이로 인해) 자체-방전될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 자체-방전 기간 후, 병렬 셀들(101, 102)은 상이한 용량 상태에 있을 수 있다.
셀의 저항 특성으로 인한 셀들(101, 102)의 추가적인 방전 동안 병렬 셀들(101, 102) 사이의 용량 상태의 차이는, 그것이 수정되지 않고 남아 있으면, 증가할 수도 있다. 도 4a는 충전 상태의 함수로서 방전 중의 다수의 상이한 Li-S 셀들의 저항의 개략적인 표현이다. 도 4b는 충전 중의 상이한 Li-S 셀의 저항의 등가 표현이다. 도 4a 및 4B에 묘사된 상이한 셀들은 10%까지의 초기 용량의 확산을 갖는다. 도 4a 및 4B의 실선은 초기 기준 용량을 갖는 셀의 방전 및 충전 동안의 저항을 나타낸다. 도 4a 및 4B에 도시된 다른 라인들은 도 4a 및 4B에 도시된 범례에 의해 지시된 바와 같이 초기 기준 용량보다 1%, 2%, 5% 및 10% 더 큰 초기 용량을 갖는 셀들의 방전 및 충전 동안의 저항을 나타낸다.
Li-S 셀의 방전 동안, 셀의 내부 저항은 피크 저항에 도달하기 전에 초기에는 증가하고, 그 다음에는 추가적인 방전에 따라 감소한다는 것을 도 4a로부터 알 수 있다. 상이한 초기 용량을 갖는 상이한 셀들도 또한 그들의 충전 상태에 대하여 상이한 저항을 가지는 것을 알 수 있다. 상이한 저항을 가지는 셀들이 서로 병렬로 연결되고 부하에 걸쳐 접속되어 그 부하로 방전될 때, 그 셀들은 그의 저항에 따라 상이한 방전율로 방전할 것이다. 특히, 저항이 높은 셀은 저항이 낮은 셀보다 더 낮은 율로 방전된다.
상술한 특성은 서로 병렬로 연결되고 부하로 방전되는 상이한 셀들의 용량의 확산을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4a를 참조하면, 대략 30%의 방전 깊이에서 초기 기준 용량을 갖는 셀들(도 4a에서 실선으로 표시됨)이 그의 최대 저항에 도달하고 추가적 방전으로 그의 저항이 감소하기 시작한다. 셀의 저항이 감소함에 따라 그의 방전율은 동시적으로 증가할 것이(그의 저항의 감소로 인하여).
동시에, 기준 용량보다 10% 큰 초기 용량을 갖는 셀(도 4a에서 점선으로 표시됨)은 그 피크 저항을 향해 계속 증가하는 저항을 가진다. 전지의 저항이 증가함에 따라 방전율은 동시에 감소할 것이다(그의 저항 증가로 인하여).
전술한 상황에서, 용량이 더 작은 셀은 더 빠른(및 증가하는) 방전율로 방전되고, 용량이 더 큰 셀은 더 느린(및 감소하는) 방전율로 방전된다. 따라서 두 셀 사이의 용량 차이는 추가적인 방전 중에 증가한다. 이러한 효과는, 특히, 방전 동안 셀이 그의 저항 피크에 도달한 후에 발생하는데, 이는 예를 들어, 대략 30%의 방전 정도에서 발생할 수도 있다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 대략 20℃에서 저장된 셀은 50시간 후에는 그의 초기 용량의 약 25%를 잃고, 자체-방전으로 인해 168시간(1주일) 후에는 그 용량의 35% 이상을 잃는다. 따라서 이러한 셀은 그의 저항 피크에 근접하고 있거나 그것을 통과할 정도로 방전될 것이다.
예를 들어, 도 1에 도시된 제1 및 제2 셀(101, 102)이 최대 용량으로 충전된 다음 50시간을 초과하는 기간 동안 저장되면, 그 셀은 상이한 방전율로 자체-방전될 수도 있다. 상기 셀들은 다른 용량을 가질 수 있고 그의 저항 피크에 접근하거나 그것을 지나갈 수도 있다. 이후에 셀들이 부하에 연결되고 그 부하로 방전을 시작하면, 그의 저항의 차이로 인해 방전 중 그 용량의 차이가 증가할 수 있다.
전술한 것과 같이, 서로 병렬로 연결된 셀들(예컨대, 도 1에 도시된 제1 및 제2 셀들(101, 102))은 그들 자신 사이에서 용량 차이를 발생시킬 수 있는데, 이들은 전형적으로는 그들 자신을 수정할 수는 없고, 사용 중(예를 들어, 부하로 방출하는 동안) 증가할 수도 있다. 따라서, 병렬 셀들 사이에서 발생할 수 있는 용량 차이를 정정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
서로 병렬로 연결된 배터리 셀의 펄스 충전 및 방전을 통해, 배터리 셀들의 개방 셀 전압 특성이 전형적으로 배터리 셀 용량의 셀프-밸런싱을 구동하지 않을 때 조차도 상이한 셀들 간의 용량 차이는 감소할 수 있음이 밝혀졌다. 도 1을 다시 참조하면, 배터리 관리 시스템(103)의 일부를 형성하는 상기 회로(104)는 셀(101, 102)의 펄스 충전 및 방전을 상기 그 회로(104)의 일부를 형성하는 저장 장치로/저장 장치로부터 전달하도록 동작할 수 있다.
일반적으로, 상기 회로(104)는 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 전하 저장 장치(105) 및 스위칭 장치(106)를 포함한다. 상기 전하 저장 장치(105)는 셀(101, 102)로부터 방출되는 전하를 저장하도록 구성된다. 상기 스위칭 장치(106)는 상기 회로(104)를 제1 상태와 제2 상태 사이에서 스위칭하도록 동작 가능하다. 제1 상태에서, 전하는 셀(101, 102)로부터 방출되어 전하 저장 장치(105)의 충전을 위해 전하 저장 장치(105)로 보내진다. 제2 상태에서, 전하는 전하 저장 장치(105)로부터 방출되어 상기 셀들(101, 102)을 충전하기 위해 그 셀들로 보내진다. 상기 스위칭 장치(106)는 셀들(101, 102)이 전하 저장 장치(105)로 및 그로부터 펄스 충전 및 방전을 수행하도록 하기 위해 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하도록 동작 가능하다.
셀들(101, 102)로부터 인출된 전하는 전하 저장 장치(105)로부터 그 셀들(101, 102)로 다시 방출되기 전에 전하 저장 장치(105)에 일시적으로 저장된다. 이러한 메커니즘은 비교적 에너지 효율적일 수 있다. 예를 들어, 이러한 방식으로 셀들(101, 102)로 및 그로부터 전하를 이동할 때 대략 95%를 초과하는 에너지 효율이 달성될 수 있다. 전하 저장 장치(105)로 방전되는 셀들(101, 102)은 그 전하 저장 장치(105)로부터 차후에 충전될 동일한 셀들(101, 102)이다. 즉, 상기 회로(104)는 동일한 하나 또는 다수의 셀들(101, 102) 및 전하 저장 장치(105)로/그로부터 전하를 전달하도록 구성된다. 적어도 어떤 실시 예에 있어, 제1 상태에서 전하 저장 장치(105)로 방전되지 않은 어떤 셀들도 제2 상태에서 상기 전하 저장 장치(105)로부터 충전되지 않는다. 마찬가지로, 제2 상태에서 전하 저장 장치(105)로부터 충전되지 않은 어떤 셀은 제1 상태에서 상기 전하 저장 장치(105)로 방전되지 않는다.
배터리 셀들로부터 전하가 인출되는 제1 상태와, 상기 셀들(101, 102)로 전하가 인가되도록 하는 제2 상태 사이에서의 셀들(101, 102)의 스위칭은 상기 배터리 셀들(101, 102)로/그로부터 전류가 흐르게 한다. 전류가 셀(101, 102)로 또는 셀로부터 흐를 때, 그 셀들(101, 102) 양단의 전압은 셀의 내부 저항에 의존하는 셀의 동작 전압을 채택한다. 전술한 바와 같이(또한, 도 2b, 4A 및 4B에 도시된 바와 같이), 셀의 내부 저항은 셀의 용량 상태에 의존한다. 따라서, 배터리 셀(101, 102)로부터 저장 장치(105)로 전류를 반복적으로 끌어당기고, 또한 저장 장치(105)로부터 상기 셀(101, 102)로 전류를 반복적으로 끌어당김으로써, 상기 배터리 셀들(101, 102)이 그의 동작 전압을 채택하도록 하는 동작은, 상기 셀들(101, 102)이 상이한 용량 상태를 가질지라도, 그 셀들(101, 102) 사이에서 전압 차를 야기한다.
도 5는 다수의 상이한 충전 및 방전율로 충전 및 방전 동안 특정 용량의 함수로서 나타낸 Li-S 셀의 동작 전압의 개략도이다. Li-S 셀의 동작 전압은 충전 및 방전 중 용량, 특히 높은 충전 및 방전율(예컨대, 0.6C 및 1C)에 의존하여 강하게 된다는 것을 도 5로부터 알 수 있다. 따라서, Li-S 셀의 충전 및 방전 동안, 상이한 용량 상태의 상이한 셀들은 그에 걸치는 서로 다른 전압을 가질 것이다. 그러한 셀들이 병렬로 연결되고(셀들(101, 102)과 같이) 상이한 용량 상태에 있을 때, 충전 및 방전 동안 셀들 사이에는 이에 따른 전압 차이가 존재할 것이다.
병렬로 연결된 셀들 사이의 이러한 전압 차이는 셀들(101, 102) 사이에서 전류가 흐르도록 구동하는 역할을 한다는 것이 이해될 것이다. 특히, 전류는 더 높은 용량을 갖는 셀로부터 더 작은 용량을 갖는 셀로 흐를 것이다. 이러한 전류는 밸런싱 전류(balancing current)로 지칭될 수 있다. 밸런싱 전류는 더 높은 용량 상태를 갖는 셀로부터 더 낮은 용량 상태를 갖는 셀로 전하를 전달함으로써 셀들(101, 102) 사이의 용량 차이를 감소시키도록 작용한다. 따라서, 셀(101, 102)의 펄스 충전 및 방전을 야기하기 위해 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로(104)를 스위칭하는 것은, 바람직하게는, 상기 셀들(101, 102) 사이의 임의의 용량 차이를 감소 시키도록 작용한다.
본 발명을 이해하는 데에 도움을 주기 위해, 2개의 병렬 셀들(101, 102)의 등가 회로도가 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 각 셀(101, 102)은 순수한 오믹 저항(Ohmic resistance)(R01, R02) 및 그 저항의 확산/과도 손실 성분들(RC1a, RC1b, RC2a 및 RC2b)의 직렬 조합에 등가인 내부 저항을 가진다. 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 확산/과도 손실 저항 성분들(RC1a, RC1b, RC2a, RC2b)은 커패시턴스와 병렬 상태인 순수한 오믹 저항과 등가이다. 상기 셀들(101, 102)의 동작 전압(oV1 및 oV2)이 도 6에 또한 도시되어 있다. 실제로, 상기 셀들(101, 102)은 도 6에 도시된 전기 부품을 포함하지 않는 것으로 이해될 것이다. 도 6은 단순히 상기 셀들(101, 102)의 전기적 작용을 설명하는데 사용될 수 있는 등가 회로도를 제공하고 있다.
상기 셀들(101, 102)에 펄스 충전 및 방전을 적용하는 것은 그 셀들의 동작 전압들(oV1, oV2)을 서로 더 가깝게 하도록 작용하고 종국에는 그 동작 전압들(oV1, oV2)의 균형을 초래할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 상이한 충전 상태에 있는 셀들은 상이한 내부 저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 셀(101)이 제2 셀(102)보다 높은 충전 상태에 있다면, 그 셀들(101, 102)의 내부 저항이 다를 수도 있다. 특히, 상기 오믹 저항 성분들(R01 및 R02)은 상이할 수 있고/있거나 상기 확산/과도 손실 성분들(RC1a, RC1b 및 RC2a, RC2b)은 상이할 수도 있다.
상기 셀들의 저항의 차이로 인해 방전 펄스 동안 그 셀들(101, 102)로부터 전하 저장 장치로 상이한 양의 전하가 방전되고 충전 펄스 동안에는 그 셀들(101, 102)에 의해 상이한 양의 전하가 충전되는 것으로 귀착될 것이다. 예를 들어, 만일 제1셀(101)이 제2셀(102)보다 높은 충전 상태에 있다면, 상기 셀(101, 102)은 상이한 내부 저항을 가질 것이고, 그 셀과 연관된 동작 전압(oV1, oV2)은 상이할 것이다. 상기 셀(101, 102)이 전하 저장 장치(105)로 방전될 때의 방전 펄스 동안, 상기 두 셀들(101, 102) 사이의 내부 저항의 차이는 제1셀(101)이 제2셀(102)보다 전하 저장 장치(105)에 더 높은 전류를 방전하도록 한다. 마찬가지로, 상기 셀들(101, 102)이 전하 저장 장치(105)로부터 충전될 때의 충전 펄스 동안, 상기 두 셀들(101, 102) 사이의 내부 저항의 차이 및 충전 중의 소정의 충전 상태에 대한 내부 저항 대 방전 중의 그것에 대한 비례적 차이는, 제1 셀(101)은 방전 중 그것이 포기한 것보다 더 작은 충전 전류를 수신하고, 제2 셀(102)은 방전 중 그것이 포기한 것보다 더 큰 충전 전류를 수신하도록 만든다. 따라서, 전하 저장 장치(105)로/로부터의 셀의 펄스 충전 및 방전은 병렬 셀들(101, 102) 사이의 충전 상태의 차이를 감소시키고, 동작 전압(oV1, oV2)의 차이를 감소시키는 작용을 한다. 상기 셀들(101, 102)이 전하 저장 장치(105)로/그로부터 반복적으로 충전 및 방전된다면, 그 셀들의 충전 상태 및 동작 전압(oV1, oV2)은 실질적으로 동일할 수 있다.
바람직한 밸런싱 전류는 도 4a 및 4B에서 401로 표시된 점선 안에 있는 충전 상태에서 특히 촉진될 수 있다. 상기 점선(401)에 의해 경계가 이루어진 영역 내에 속하는 충전 상태에서, 방전 펄스 동안 저항은 용량이 감소함에 따라 증가하고, 충전 펄스 동안 저항은 용량이 감소함에 따라 감소한다. 이러한 조건은, 바람직하게는, 더 높은 용량 상태의 셀로부터 더 낮은 용량 상태의 셀로 흐르는 전류의 밸런싱을 촉진할 수 있다. 따라서, 도 4a 및 4B에 표시된 충전 상태에서 셀들(101, 102)의 펄스 충전 및 방전을 수행하는 것이 특히 유리할 수 있다. 이러한 펄스 충전 및 방전은, 바람직하게는, 셀의 저항 피크에 도달하기 전에 병렬 셀들 사이의 용량 차이를 감소시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 셀들 중 하나가 그의 저항 피크에 도달한 후 병렬 셀의 추가적인 방전은 그 셀들 간의 용량 차이의 증가를 초래할 수도 있다. 따라서, 상기한 셀들 중 하나가 저항 피크에 도달하기 전에 병렬 셀들 사이의 임의의 용량 차이를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
도 7은 도 1의 회로(104)의 실시 예의 개략도이다. 상기 회로(104)는 제1 셀(101) 및 제2 셀(102)을 가로질러 연결되며, 이들은 서로 병렬로 연결된다. 상기 회로(104)는 셀들(101, 102)로부터 저장 장치로 전하를 전달하고 상기 저장 장치로부터 셀들(101, 102)로 전하를 다시 전달하도록 배열된 DC-DC 변환기 회로이다. 도 7의 실시 예에서, 상기 저장 장치는 제1 커패시터(C1)를 포함한다.
상기 회로(104)는 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2), 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3), 다수의 저항기(R1-R7), 인덕터(L), 연산증폭기(op-amp)(501) 및 인버터(502)를 포함한다. 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스보다 크다. 어떤 실시 예에서, 제2 커패시터(C2)의 용량은 제1 커패시터(C2)의 용량보다 몇 배 더 크다. 예를 들어, 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스의 약 10배 이상일 수 있다. 어떤 실시 예에서, 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스의 약 20배 초과, 약 40배 초과, 약 60배 초과 또는 심지어 약 80배 이상일 수도 있다. 어떤 실시 예들에서는, 제2 커패시터의 커패시턴스는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스보다 최대 약 100배까지 더 클 수도 있다.
제2 커패시터(C2)는 셀들(101, 102)의 펄스 충전 및 방전을 제공하기에 앞서 미리 충전될 수 있다. 예를 들어, 제2 커패시터(C2)는, 그것이 상기 셀들(101, 102)을 가로질러 연결되도록 제1 스위치를 닫음으로써, 상기 셀들(101, 102)로부터 미리 충전될 수 있다. 제1 스위치(S1)는 그 제1 스위치(S1)에 제1 스위칭 신호(504)를 출력하는 컨트롤러(503)에 의해 제어된다. 도 7에 도시된 컨트롤러(503)는 도 1에 도시된 컨트롤러(107)와 동일한 구성 요소이거나 다른 구성 요소일 수도 있다. 제1 스위치(S1)의 상태는 제1 스위칭 신호(504)에 의존한다. 제1 스위치(S1)는, 예를 들어, 트랜지스터일 수 있다. 제2 커패시터(C2)가 셀(101, 102)로부터 미리 충전되면, 컨트롤러(503)는 제1 스위치(S1)를 개방하도록 제1 스위치(S1)를 제어할 수 있다.
상기 셀들(101, 102)의 펄스 충전 및 방전은 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)의 반복적인 개폐에 의해 수행될 수 있다. 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 각각 제2 스위칭 신호(505) 및 제3 스위칭 신호(506)에 응답하여 동작한다. 제3 스위칭 신호(506)는 연산 증폭기(501)의 출력에 대응한다. 제2 스위칭 신호(505)는 인버터(502)를 통과했기 때문에 연산 증폭기(501)의 출력의 역수에 해당한다. 따라서, 제2 스위칭 신호(505)는 제3 스위칭 신호(506)의 역수에 해당한다. 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 일반적으로 서로 반대로 개방 및 폐쇄된다. 즉, 제2 스위치(S2)가 열리면 제3 스위치(S3)가 닫히고, 제2 스위치(S2)가 닫히면 제3 스위치(S3)가 열리도록 동작한다. 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는, 예를 들어, 트랜지스터일 수 있다.
전술한 회로(104)의 제1 상태는 제2 스위치(S2)가 개방되고 제3 스위치(S3)가 폐쇄된 상태에 해당한다. 제1 상태에서, 제1 커패시터(C1)가 제1 및 제2 셀들(101, 102)의 양단 사이에 접속됨으로써 전류가 상기 셀들(101, 102)로부터 제1 커패시터(C1)로 흘러서 제1 커패시터(C1)를 충전하도록 한다.
전술한 회로(104)의 제2 상태는 제2 스위치(S2)가 닫히고 제3 스위치(S3)가 열린 상태에 해당한다. 제2 상태에서, 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2)는 서로 직렬로 연결되고 셀들(101, 102)과 직렬로 연결된다. 제2 커패시터(C2)는 미리 충전되었고 비교적 높은 정전 용량(capacitance)을 가지므로, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 직렬 전압은 상기 셀(101, 102)을 충전하도록 커패시터(C1, C2)로부터 셀(101, 102)로 충전 전류를 구동하기에 충분하다.
제2 커패시터(C2)는 제1 커패시터(C1)보다 훨씬 큰 정전 용량을 가지므로(및 미리 충전되었으므로) 제2 커패시터(C2)의 충전 상태는 상기 회로(104)가 제2 상태에 있을 때 제1 커패시터(C1)의 충전 상태보다 더 느리게 감소한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 제1 커패시터(C1)는 상기 회로가 제2 상태에 있을 때 상대 방전 상태에 도달하고, 상기 회로가 제2 상태에서 제1 상태로 전환될 경우마다 상기 셀들(101, 102)로부터 재충전된다. 대조적으로, 제2 커패시터(C2)는 재충전되지 않고 제1 상태와 제2 상태 사이에서 많은 반복적인 스위칭을 겪을 수 있을 것이다. 제2 커패시터(C2)는 직렬로 연결된 경우 커패시터(C1, C2)의 전압을 상승시켜 상기 셀들(101, 102)에 충전 전류를 공급하도록 효과적으로 작용한다.
제2 커패시터(C2)는 재충전되지 않고 제1 상태와 제2 상태 사이에서 수많은 스위칭의 반복을 겪을 수도 있지만, 그것은 상기 회로(104)가 제2 상태에 있을 정도까지 여전히 방전되므로 주기적인 재충전이 필요할 수도 있다. 제2 커패시터(C2)는 상기 셀들(101, 102)을 가로질러 제2 커패시터(C2)를 연결하고 그 셀들(101, 102)로부터 제2 커패시터(C2)를 충전하도록 제1 스위치(S1)를 폐쇄함으로써(예를 들어, 컨트롤러(503)의 제어 하에) 재충전될 수 있다. 제1 스위치(S1)가 폐쇄된 상기 회로(104)의 상태는 그 회로(104)의 제3 상태로 지칭될 수도 있다. 일반적으로, 상기 회로(104)의 제3 상태는 제2 커패시터(C2)가 상기 셀(101, 102)로부터 전류를 인출하도록 연결됨으로써 제2 커패시터(C2)를 충전시킨다.
전술한 바와 같이, 제2 스위칭 신호(505) 및 제3 스위칭 신호(506)는 연산 증폭기(501)의 출력에 의존한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연산 증폭기(501)로의 입력은 제1 커패시터(C1)의 어느 한쪽으로부터 취해진다. 따라서, 연산 증폭기(501)의 출력은 제1 커패시터(C1) 양단의 전압에 의존하며, 이것은 제1 커패시터(C1)의 충전 상태에 의존한다. 도 7의 실시 예에서, 셀들(101, 102)은 연산 증폭기(501)에 대한 전력 공급원으로서 작용하도록 연결된다.
도 7에 도시된 연산 증폭기(501) 및 저항들(R4-R7)은, 제1 커패시터(C1)가 완전히 충전될 때(또는 완전히 충전되는 것에 가까워질 때) 제2 스위칭 신호(505)가 제2 스위치(S2)를 폐쇄되도록 하고, 제3스위칭 신호(506)가 제3 스위치(S3)를 개방되도록 함으로써 상기 회로(104)가 제1 상태에서 제2 상태로 천이하도록 설계될 수 있다. 제2 상태에서, 제1 커패시터(C1)는 상기 셀들(101, 102)로 방전되고 제1 커패시터 양단의 전압은 감소할 것이다. 도 7에 도시된 연산 증폭기(501) 및 저항들(R4-R7)은 제1 커패시터(C1)가 소정의 정도로 방전될 때, 제2 스위칭 신호(505)가 제2 스위치(S2)를 개방되게 하고 또한 제3스위칭 신호(506)가 제3 스위치(S3)를 폐쇄되도록 함으로써 상기 회로(104)가 제2 상태에서 제1 상태로 천이하도록 설계될 수도 있다. 제1 상태에서, 제1 커패시터(C1)는 상기 셀들(101, 102)로부터 재충전된다.
전술한 프로세스는 상기 회로(104)가 제1 상태와 제2 상태 사이에서 반복적으로 스위칭하여 셀들(101, 102)이 제1 커패시터(C1)로/로부터 펄스 충전 및 방전을 하도록 하는 것으로 이해될 것이다. 상기 셀들(101, 102)은, 예를 들어, 약 0.5 헤르츠보다 큰 주파수에서 펄스 충전 및 방전을 겪을 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 펄스 충전 및 방전이 발생하는 주파수는 약 10 헤르츠 미만일 수 있다.
도 7에 도시된 실시 예에서, 인덕터(L) 및 저항(R2)은 제2 커패시터(C2)로의 전류 서지(current surges)를 제한하도록 작용한다. 어떤 실시 예에서, 인덕터는 대략 1μH의 인덕턴스를 가질 수 있다. 저항(R2)은 대략 0.03 옴(Ohms)의 저항을 가질 수 있다. 저항(R2)은 또한 회로의 시간 상수를 변경하도록 그의 저항이 조정될 수 있는 밸런싱 저항으로서 작용한다. 저항(R2)은 회로의 원하는 해상도 및 정확도 및/또는 병렬 셀들의 수에 따라 조정될 수 있다.
어떤 실시 예들에서, 제1 커패시터(C1)는 대략 1F의 커패시턴스를 가질 수 있다. 제2 커패시터(C2)는 대략 10mF의 커패시턴스를 가질 수 있다. 이러한 실시 예에서, 저항(R4)은 대략 12K 옴의 저항을 가질 수 있다. 저항(R5)은 약 1.2K 옴의 저항을 가질 수 있다. 저항(R6)은 대략 10K 옴의 저항을 가질 수 있다. 저항(R7)은 약 1.1KΩ의 저항을 가질 수 있다. 이러한 실시 예들에서, 다이오드(502)는 그것이 도통할 때 그 다이오드(502)에 걸리는 어떤 전압 강하도 없는 이상적인 다이오드인 것으로 간주 될 수 있다. 그러나 저항(R4-R7)의 저항은 다이오드(502)에 걸리는 전압 강하를 설명하기 위해 조절될 수 있으며, 이는 당해 기술분야의 전문가에게 이해될 수 있는 바와 같이 실제적으로 발생할 수도 있다.
도 7의 실시 예에서, 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3), 연산 증폭기(501), 저항기(R4-R7) 및 인버터(502)는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능한 스위칭 장치(106)를 형성하도록 구성된다. 따라서, 제2 스위치(S2), 제3 스위치(S3), 연산 증폭기(501), 저항(R4-R7) 및 인버터(502)는 함께 스위칭 장치(106)의 일 실시 예를 형성하는 것으로 간주 될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 스위칭 장치(106)는, 그 스위칭 장치(106)가 제2 커패시터(C2)가 배터리 셀들로부터 전류를 인출하기 위해 연결되어 제2 커패시터(C2)를 충전하도록 하는 제3 상태로 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능한 제1 스위치(S1)를 포함하는 것으로 또한 고려될 수도 있다.
상기 컨트롤러(503)는 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로(104)의 반복적인 스위칭을 중단하고 상기 셀들(101, 102)로부터 제2 커패시터(C2)를 충전하기 위해 상기 회로를 제3 상태로 스위칭하도록 제1 스위치(S1)를 제어하도록 구성될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(503)는 연산 증폭기(501)의 출력에 해당하는 입력(507)을 수신할 수 있다. 따라서 컨트롤러(503)는 그 컨트롤러(503)에 제공된 입력(507)으로부터 회로(104)의 상태를 모니터할 수 있고 상기 입력(507)에 의존하여 제1 스위치(S1)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 입력(507)이 제2 커패시터가 재충전이 필요하다는 것을 나타내는 경우, 상기 컨트롤러(503)는 제1 스위치(S1)가 폐쇄되도록 하는 제1 스위칭 신호(504)를 출력할 수 있으며, 이로써 상기 회로(104)는 제2 커패시터(C2)가 충전되는 제3 상태로 스위칭 된다.
다른 실시 예들에서, 컨트롤러(503)는 회로(104)를 주기적으로 제3 상태로 스위칭하도록 제1 스위치(S1)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 회로(104)는 주어진 시간 기간이 지난 후에 제3 상태로 전환될 수 있다. 그 기간은, 예를 들어, 소정의 시간 기간일 수 있다.
상기 회로를 제1 상태와 제2 상태(및 선택적으로는 제3 상태)로 스위칭하도록 동작 가능한 스위칭 장치는 많은 다른 적절한 형태를 취할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 그러므로 스위칭 장치에 관한 언급은 도 7을 참조하여 제시된 예에만 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다. 또한, 전하 저장 장치는 도 7에 도시된 실시 예에서 2개의 커패시터의 형태로 구현되는 반면, 다른 실시 예에서, 전하 저장 장치는 임의의 적절한 형태를 취할 수도 있다.
일반적으로, 전하 저장 장치 및 스위칭 장치를 포함하는 회로는 본 발명에 따른 기능을 수행하기 위한 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전하 저장 장치(예를 들어, 제1 커패시터(C1))로/로부터 셀들(101, 102)의 펄스 충전 및 방전을 제공함으로써, 상기 셀들(101, 102) 사이에서 어떤 용량 차이를 감소시키도록 상기 셀들(101, 102) 사이에서 셀프-밸런싱 전류가 흐르는 것을 촉진시킨다. 전술하였듯이, 용량 차이는 그 배터리가 저장 상태에 놓였을 때와 같이 그 셀로 또는 셀로부터 전류가 거의 또는 전혀 흐르지 않는 기간 동안 해당 셀들 사이에서 특히 발생할 수 있다.
일반적으로, 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류의 크기(예를 들어, 배터리의 충전을 위한 외부 부하 및/또는 전원 공급 장치로의 연결)가 소정의 임계치보다 작은 상태는 배터리의 아이들 상태로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 어떤 외부 장치도 배터리에 연결되어 있지 않거나, 어떤 전력도 충전을 위해 배터리로부터 공급되거나 배터리에 공급할 필요가 없는 경우, 아이들 상태(idle state)가 발생할 수 있다. 대안적으로, 전류가 배터리로부터 인출되거나 배터리로 전달될 때 아이들 상태가 발생할 수 있지만 그 전류의 크기는 비교적 낮다. 임계 전류는, 예를 들어, 배터리가 대략 0.01 C의 속도로 충전 또는 방전될 때 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류에 해당할 수 있다. 임계 전류에 대응하는 충전/방전율은, 일반적으로, 약 0.05 C 미만, 약 0.03 C 미만, 또는 약 0.01 C 이하일 수 있다.
아이들 상태 동안 병렬 셀들 사이에서 발생할 수 있는 어떤 용량 차이를 감소시키기 위해, 배터리가 아이들 상태에 있을 때 배터리의 펄스 충전 및 방전을 제공하는 것이 특히 유리할 수 있다. 그러므로 상기 회로(104)는 배터리가 아이들 상태에 있을 때 상기 회로(104)를 제1 상태와 제2 상태 사이에서 반복적으로 스위칭하도록 구성될 수 있다.
어떤 실시 예에서, 스위칭 장치(106)가 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하는 제1 모드와, 상기 스위칭 장치가 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하지 않는 제2 모드 사이에서 스위칭하도록 동작 가능한 컨트롤러(107)(도 1에 도시됨)가 제공될 수 있다. 상기 컨트롤러(107)는, 예를 들어, 도 7에 도시되고 전술한 바와 같은 컨트롤러(503)와 동일할 수 있거나, 아니면 상이한 컨트롤러일 수도 있다. 상기 컨트롤러(107)는, 예를 들어, 제1 모드와 제2 모드 사이에서 스위칭하도록 상기 회로(104)의 하나 또는 다수의 요소에 대한 접속을 연결 및/또는 분리하기 위한 하나 또는 다수의 스위치를 작동시키도록 동작 가능할 수도 있다.
상기 컨트롤러(107)는, 예를 들어, 배터리가 아이들 상태에 있을 때 제1 모드로 스위칭할 수 있고, 배터리가 아이들 상태에 있지 않을 때는 제2 모드로 스위칭할 수 있다. 이것은 실질적인 전류가 셀과 외부 장치 사이에 흐르고 있는 경우, 전하 저장 장치로의 셀의 펄스 충전 및 방전을 방지할 수 있다.
어떤 실시 예들에서, 컨트롤러(107)는 배터리가 아이들 상태에 있을 때 제1 모드와 제2 모드 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리가 아이들 상태인 어떤 경우에는 펄스 충전 및 방전만 전달하고, 배터리가 아이들 상태에 있는 다른 경우에는 펄스 충전 및 방전을 전달하지 않는 것이 더욱 에너지 효율적일 수도 있다. 전하가 비교적 효율적으로 전하 저장 장치(105)로 또한 그로부터 셀들(101, 102)로 전달될 수 있지만, 이러한 전달은 여전히 일부 에너지의 손실을 초래할 수 있다. 따라서, 셀들(101, 102)의 불필요한 방전을 피하기 위해 특정 시간에는 펄스 충전 및 방전의 성능을 제한하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 배터리가 아이들 상태인 시간의 일부 동안 펄스 충전 및 방전을 수행하도록 제1 모드로 스위칭하는 것만으로 충분할 수도 있다.
상기 컨트롤러(107)는 배터리가 아이들 상태에 있을 때 주기적으로 제1 모드와 제2 모드 사이에서 스위칭하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리가 아이들 상태에 있을 때, 컨트롤러(107)는 24시간 주기마다 대략 1시간 동안 제1 모드로 전환할 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 1시간의 펄스 충전 및 방전은 배터리가 제2 모드에 있었던 동안 병렬 셀들 사이에서 형성된 임의의 용량 차이를 수정하기에 충분할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 제1 모드로 연속적으로 스위칭하는 시간 주기 및/또는 배터리가 제2 모드로 다시 스위칭되기 전에 배터리가 제1 모드에 있는 시간 주기는 상이할 수 있다. 상기 기간 주기는 특정 응용에 적합하도록 조절될 수도 있다.
어떤 실시 예들에서, 컨트롤러(107)는 배터리가 아이들 상태에 있다고 판단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템은 배터리의 하나 또는 다수의 속성을 모니터할 수 있고, 컨트롤러(107)는 배터리가 하나 또는 다수의 측정 된 속성에 의존하여 아이들 상태인 것으로 결정할 수도 있다. 상기 배터리 관리 시스템은, 예를 들어, 외부 연결을 통해(예를 들어, 외부 부하 및/또는 충전 전류를 전달하는 전원으로부터) 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류를 측정하도록 구성된 전류 모니터링 장치를 포함할 수 있다. 만일 상기 컨트롤러(107)가 측정된 전류가 임계 전류 아래로 떨어지는 것으로 판단하면, 컨트롤러(107)는 배터리가 아이들 상태에 있다고 결정할 수 있다.
어떤 실시 예들에서, 상기 컨트롤러(107)는 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 측정된 전류에 기초하여 제1 상태와 제2 상태 사이를 스위칭할 시기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 모드로의 스위칭 간격은 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류의 크기에 따라 달라질 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 제2 모드로 다시 스위칭하기 전에 제1 모드가 유지되는 시간 간격은 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류의 크기에 따라 변할 수도 있다.
예를 들어, 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 전류가 흐르면, 이것은 병렬 셀들 사이에서 일부 셀프-밸런싱이 발생하게끔 할 수 있다. 그러나 전류의 크기는 배터리가 아이들 상태인 것으로 간주 될 정도로 충분히 작을 수 있다(예를 들어, 전류가 임계 전류보다 작을 수 있다). 전류의 작은 크기는 또한 병렬 셀들 사이에서 용량 차이가 여전히 발생할 수 있다는 것을 의미할 수 있고, 따라서 그러한 용량 차이를 감소시키기 위해 셀들에/셀들로부터 약간의 펄스 방전 및 충전을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 그러나 작은 외부 전류가 흐르기 때문에 외부 전류가 흐르지 않는 경우보다 용량 차이가 발생하는 데 시간이 더 오래 걸릴 수 있다. 따라서, 실질적으로 외부 전류가 흐르지 않는 상황에 비해, 제1 모드로의 스위칭 사이의 시간 주기는 증가할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 제1 모드로의 스위칭과 제2 모드로의 스위칭 사이의 시간 주기는 펄스 충전 및 방전이 더 짧은 시간 주기 동안 수행되도록 감소 될 수 있다.
일반적으로, 상기 컨트롤러(107)는 병렬 셀들 사이의 용량 차이를 감소시키기 위해 셀프-밸런싱 전류가 병렬 셀들 사이로 흐르는 것을 촉진하기 위해 임의의 적절한 시간 및 임의의 적절한 시간 주기 동안 제1 모드로 전환할 수 있다. 컨트롤러(107)가 제1 및 제2 모드 사이에서 스위칭하는 시간은 미리 결정된 스케줄에 따라 결정될 수 있거나 배터리의 하나 또는 다수의 측정된 특성에 기초하여 가변적 일 수 있다.
지금까지 배터리가 서로 병렬로 연결된 2개의 셀을 포함하는 실시 예가 설명되었지만, 다른 실시 예에서 배터리는 2개를 초과하는 셀들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 본 명세서에서 이루어진 개시 내용은 서로 병렬로 연결된 적어도 2개의 셀들을 포함하는 임의의 배터리에 적용 가능하다. 상기 배터리는 서로 병렬로 연결된 2개를 초과하는 셀들을 포함할 수 있고 서로 직렬로 연결된 셀들을 추가로 포함할 수 있다.
상기 회로(104)가 서로 병렬로 연결된 다수의 셀들(101, 102)을 가로질러 연결되는 실시 예가 위에서 설명되었다. 어떤 실시 예들에서는, 전술한 유형의 회로는 단일 셀을 가로질러 연결될 수 있으며, 이는 적어도 하나의 다른 셀과 병렬로 연결된다. 일반적으로, 상기 회로(104)는 적어도 하나의 다른 셀과 병렬로 연결된 적어도 하나의 셀을 가로질러 연결될 수 있다. 어떤 실시 예에서, 배터리 관리 시스템은 전술한 유형의 복수의 회로를 포함할 수 있다. 각각의 회로는 적어도 하나의 배터리 셀을 가로질러 연결될 수 있고 적어도 하나의 배터리 셀의 펄스 충전 및 방전을 야기하도록 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시 예들에서, 제1회로는 제1 배터리 셀을 가로 질러 연결될 수 있고 제1 배터리 셀의 펄스 충전 및 방전을 야기하도록 동작 가능할 수 있으며, 제2회로는 제2 배터리 셀을 가로 질러 연결될 수 있고 제2 배터리 셀의 펄스 충전 및 방전을 야기하도록 동작 가능할 수 있다. 상기 제1 및 제2 배터리 셀은 서로 병렬로 연결될 수 있고, 그 셀들의 펄스 충전 및 방전은 셀들 사이에 셀프-밸런싱 전류가 흐르도록 촉진할 수도 있다.
본 발명의 특정한 측면, 실시 예 또는 예와 관련하여 기술된 특징, 개체(integers), 특성, 화합물, 화학적 성분들(chemical moieties) 또는 그룹들은, 그것이 비-호환성이지 않는 한, 본 명세서에 기술된 임의의 다른 측면, 실시 예 또는 예에도 적용 가능한 것으로 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에 개시된 모든 특징들(임의의 청구 범위, 요약 및 도면을 포함하여) 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 모든 단계들은 그러한 특징들 중 적어도 일부가 상호 배타적인 경우의 조합들을 제외하고는 어떤 조합으로든 조합될 수 있다. 본 발명은 임의의 전술한 실시 예들의 세부 사항에만 한정되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(임의의 청구 범위, 요약 및 도면을 포함하여)에 개시된 특징들 중 어떤 새로운 것, 또는 임의의 새로운 조합, 또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 공정의 단계의 어떤 새로운 것 또는 어떤 새로운 조합에까지 확장된다.

Claims (19)

  1. 서로 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리를 위한 배터리 관리 시스템으로서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 다수의 배터리 셀들 중의 적어도 하나에 가로질러 연결되는 전자 회로를 포함하고,
    상기 전자 회로는:
    상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 방전된 전하를 저장하도록 구성된 전하 저장 장치; 및
    상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전하가 방전되어 상기 전하 저장 장치의 충전을 위해 상기 전하 저장 장치로 향하게 되는 제1 상태와, 상기 전하 저장 장치로부터 전하가 방전되어 상기 적어도 하나의 배터리 셀의 충전을 위해 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 향하게 되는 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능한 스위칭 장치를 포함하되;
    상기 스위칭 장치는 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하여 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전을 하게 함으로써 다수의 배터리 셀들 각각 사이의 용량 차이가 감소되도록 구성되는 것인 배터리 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회로는 배터리가 아이들 상태에 있을 때 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하도록 구성되고, 상기 아이들 상태는 외부 연결을 통해 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류의 크기가 소정의 임계 전류보다 작은 상태인 것인 배터리 관리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 장치가 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 상기 회로를 반복적으로 스위칭하는 제1 모드와, 상기 스위칭 장치가 제1 상태와 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하지 않는 제2 모드 사이에서 스위칭하도록 동작 가능한 컨트롤러를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 배터리가 아이들 상태에 있을 때 상기 제1 모드와 상기 제2 모드 사이를 주기적으로 스위칭하도록 구성되는 것인 배터리 관리 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 배터리가 아이들 상태인 것을 결정하도록 구성되는 것인 배터리 관리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    외부 연결을 통해 상기 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 전류를 측정하도록 구성된 전류 모니터링 장치를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은 상기 측정된 전류가 임계 전류 아래로 떨어질 때 상기 배터리가 아이들 상태인 것으로 결정하도록 구성되는 것인 배터리 관리 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 외부 연결을 통해 상기 배터리로 또는 배터리로부터 흐르는 측정된 전류에 기초하여 상기 제1 및 제2 모드 사이에서 스위칭할 시기를 결정하도록 구성되는 것인 배터리 관리 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 약 0.5Hz 초과의 주파수에서 상기 전하 저장 장치로 및 그로부터 펄스 충전 및 방전을 하도록 구성되는 것인 배터리 관리 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 약 10Hz 미만의 주파수에서 상기 전하 저장 장치로 및 그로부터 펄스 충전 및 방전을 하도록 구성되는 배터리 관리 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자 회로는 DC-DC 변환기 회로를 포함하는 것인 배터리 관리 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전하 저장 장치는 적어도 하나의 커패시터를 포함하는 것인 배터리 관리 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전하 저장 장치는 제1 커패시터를 포함하고 상기 전자 회로는 제2 커패시터를 더 포함하되, 상기 스위칭 장치는 상기 제1 커패시터가 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전류를 인출하여 상기 제1 커패시터를 충전하도록 연결되어 있는 제1 상태와, 상기 적어도 하나의 배터리 셀에 전류를 공급하도록 제1 커패시터와 제2 커패시터가 서로 직렬로 연결되어 있는 제2 상태 사이에서 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능한 것인 배터리 관리 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 커패시터의 커패시턴스는 상기 제1 커패시터의 커패시턴스보다 10배 이상 더 큰 것인 배터리 관리 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 상기 제2 커패시터를 충전하기 위하여 적어도 하나의 배터리 셀로부터 전류를 인출하도록 상기 제2 커패시터가 연결된 제3 상태로 상기 회로를 스위칭하도록 동작 가능한 것인 배터리 관리 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 상태와 제2 상태 사이에서의 상기 회로의 반복적인 스위칭을 중단하고 적어도 하나의 배터리 셀로부터 상기 제2 커패시터를 충전하기 위해 상기 회로를 상기 제3 상태로 스위칭하도록 상기 스위칭 장치를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
  17. 서로 병렬 연결된 다수의 배터리 셀들 및 제1항 또는 제2항에 기재된 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다수의 배터리 셀들은 리튬-황(lithium sulphur) 배터리 셀인 것인 배터리.
  19. 서로 병렬로 연결된 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리를 제어하는 방법으로서,
    제1 상태와 제2 상태 사이에서 다수의 배터리 셀들 중의 적어도 하나를 가로질러 연결된 전자 회로를 반복적으로 스위칭하는 동작을 포함하되, 상기 제1 상태에서는 전하는 상기 적어도 하나의 배터리 셀로부터 방전되어 전하 저장 장치의 충전을 위해 상기 전하 저장 장치로 향하고, 상기 제2 상태에서는 전하가 상기 전하 저장 장치로부터 방전되어 상기 적어도 하나의 배터리 셀을 충전하기 위해 상기 적어도 하나의 배터리 셀로 향하도록 하고;
    상기 제1 상태와 제2 상태 사이에서의 상기 회로의 반복적인 스위칭은, 상기 적어도 하나의 배터리 셀이 상기 전하 저장 장치로/로부터 펄스 충전 및 방전을 수행하게 하여 다수의 배터리 셀들 사이의 용량 차이가 감소되도록 하는 것인 배터리 제어 방법.


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