KR102601634B1 - 전력 공급 시스템 - Google Patents

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KR102601634B1
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스티안 스코르스타트 모엔
군나르 스닐스베르크
아르브 스케제네
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지멘스 에너지 에이에스
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Abstract

DC 에너지 저장 모듈(10)은, 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 DC 에너지 저장 디바이스들(120); DC 에너지 저장 모듈에서의 내부 제어 유닛(11, 12); 및 내부 제어 유닛을 위한 전력 공급부(120a)를 포함한다. 내부 제어 유닛을 위한 전력 공급부는, 정류 유닛(21, 22)을 통해 내부 제어 유닛에 전기적으로 연결된, 모듈에서의 DC 에너지 저장 디바이스들(120a, 120) 중 하나 이상을 포함한다.

Description

전력 공급 시스템
본 발명은 전기 에너지(energy)를 최종 사용자에게 제공하는, 에너지 저장 모듈(module) 및 이 에너지 저장 모듈을 위한 전력 공급 시스템(system), 특히 전기화학 셀(cell)들 또는 배터리(battery)들을 포함하는 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
다양한 유형들의 저장 전기 에너지 유형 전력 유닛(unit)들은 많은 애플리케이션(application)들에서, 특히, 민감한 환경들에서의 배출들에 관련된 환경 우려들 또는 공중 보건 우려들이 있는 경우에 사용하기 위해 점점 더 흔해지고 있다. 저장 전기 에너지 전력 유닛들은 통상적으로, 해당 저장 에너지가 많은 상이한 방식들로 생성되었을 수 있더라도, 사용 지점에서의 배출들을 방지하기 위해, 장비를 동작시키도록 전기 에너지를 제공하는 데 사용된다. 저장 전기 에너지는 또한, 그리드(grid)로부터, 또는 디젤(diesel) 발전기들, 가스 터빈(gas turbine)들 또는 재생가능 에너지 소스(source)들을 포함하는 다양한 유형들의 발전 시스템으로부터 다른 방식으로 공급받는 시스템들에 피크 쉐이빙(peak shaving)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 원격 위치들에서의 항공기, 차량(vehicle)들, 선박들, 오프쇼어 리그(offshore rig)들 또는 리그들, 그리고 다른 동력 장비가 대규모 저장 전기 에너지의 사용자들의 예들이다. 차량 운전자들은, 마을들 및 도시들에서 유해한 배출들을 감소시키기 위해, 도심부들에서는 저장 에너지 전력 유닛을 사용하고 간선 도로(trunk road)들 상의 내연 기관으로부터 충전할 수 있거나, 또는 이러한 차량 운전자들은 전기 공급부로부터 충전할 수 있다. 거주 영역들에 비교적 가까이 또는 민감한 환경들에서 대부분의 자신들의 항해를 수행하는 페리(ferry)들은 하이브리드(hybrid) 또는 완전 전기 구동 시스템들을 이용하여 설계되고 있다. 페리들은, 해안에 가까울 때에는 선박에 전력을 공급하기 위해 배터리들을 이용하여 동작할 수 있고, 근해에서는 배터리들을 재충전하기 위해 디젤 발전기들을 사용하여 동작할 수 있다. 많은 스칸디나비아(Scandinavian) 국가들에서, 배터리들을 충전하는 데 사용하기 위한 재생가능 에너지 소스들로부터의 전기의 이용가능성은, 어떤 디젤 또는 다른 비-재생가능 에너지 소스도 없는 완전 전기 선박이 바람직함을 의미한다. 하이브리드이든 또는 완전 전기이든, 배터리들은 정박될 때 해안 공급부로부터 충전될 수 있다. 일차 전력원으로서의 연장된 사용을 위해 충분히 신뢰성이 있는 전력 유닛들을 달성하기 위한 배터리 기술의 발전은 소정의 기술 이슈(issue)들을 해결해야 한다.
본 발명의 제1 양상에 따르면, DC 에너지 저장 모듈은, 직렬로 전기적으로 연결된 복수의 전기화학 에너지 저장 디바이스(device)들; DC 에너지 저장 모듈에서의 내부 제어 유닛; 및 내부 제어 유닛을 위한 전력 공급부를 포함하며, 내부 제어 유닛을 위한 전력 공급부는, 정류 유닛을 통해 내부 제어 유닛에 전기적으로 연결된, 모듈에서의 에너지 저장 디바이스들 중 하나 이상을 포함하며; 그리고 직렬인 복수의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 40 V DC를 초과한다.
에너지 저장 유닛의 각각의 모듈은 방수성이고 실질적으로 기밀성이며, 복수의 모듈들은, 방수성이며 실질적으로 기밀성일 수 있는 에너지 저장 유닛을 형성할 수 있다. 외부 전력 공급부 대신에, 내부 제어 유닛에 전력을 공급하기 위해 모듈 내의 에너지 저장 디바이스들의 사용은, 외부로의 부가적인 개구들 ―이러한 개구들은 가스의 유출 또는 물의 유입을 방지하기 위해 밀봉될 필요가 있을 것임― 없이 모듈이 제조될 수 있게 한다.
정류 유닛은 스위칭(switching) 구성요소, 특히, 다이오드(diode), 사이리스터(thyrister), 릴레이(relay) 또는 브리지(bridge) 정류기 중 하나를 포함할 수 있다.
전력 공급부는 정류 유닛과 병렬인 트랜지스터(transistor) 또는 릴레이를 더 포함할 수 있다.
내부 제어 유닛 전자장치(electronics) 회로는 풀(full) 모듈 전압 전력 공급부로부터 전력을 공급받을 수 있지만, 바람직하게는, 내부 제어 유닛에 공급하도록 연결된 하나 이상의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 24 V DC를 초과하지 않는다.
직렬인 복수의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 50 V DC 내지 200 V DC의 범위에 있을 수 있다.
직렬인 복수의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 바람직하게는 100 V DC 이상이다.
전력 공급부는 내부 제어 유닛과, 직렬인 복수의 에너지 저장 디바이스들 사이에 전기적으로 연결된 DC-DC 스텝 다운 컨버터(step down converter)를 더 포함할 수 있다.
각각의 에너지 저장 모듈은 온도 센서(sensor), 전압 모니터링(monitoring) 디바이스 또는 전류 모니터링 디바이스 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
에너지 저장 모듈은 로우 드롭 아웃(low drop out) 또는 무선 스위칭 레귤레이터(regulator)를 더 포함할 수 있다.
중앙 시스템 제어기에 대한 유선 통신 시스템이 사용될 수 있는데, 이를테면, 제어기 영역 네트워크(network) 통신 시스템이 사용될 수 있지만, 공통 모드(mode) 간섭을 감소시키기 위해, 바람직하게는 각각의 에너지 저장 모듈은 무선 통신 시스템을 더 포함한다.
에너지 저장 모듈들은 밀봉식 내화성 케이싱(sealed fire-resistant casing)을 포함할 수 있다.
각각의 에너지 저장 모듈의 하우징(housing)이 폴리머(polymer) 재료를 적어도 부분적으로 포함할 수 있다.
폴리머 재료는 폴리에틸렌(polythene), 폴리아미드(polyamide) 또는 열가소성 플라스틱(thermoplastic) 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양상에 따르면, DC 전력 공급 시스템은, 제1 양상에 따른 복수의 에너지 저장 모듈들; 및 선박 또는 오프쇼어 플랫폼(offshore platform)에서의 전력 이용가능성을 제어하기 위한 공통 시스템 제어기를 포함한다.
전력 공급 시스템 전압은 500 V DC 이상일 수 있다.
요구되는 전력 공급 시스템 전압을 제공하도록 복수의 전력 공급부들이 함께 연결될 수 있다.
공통 시스템 제어기는 에너지 저장 모듈들 각각과 통신하기 위한 무선 통신 시스템을 더 포함할 수 있다.
제1 양상에 따른 DC 전력 공급 시스템에서의 에너지 저장 모듈을 동작시키는 방법은, 에너지 저장 모듈에서의 에너지 저장 디바이스들의 하나 이상의 매개변수들을 검출하는 단계; 및 검출된 매개변수들에 기반하여, 에너지 저장 디바이스들의 충전 및 방전을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
중앙 제어기는 모듈에 대한, 그리고 모듈 내의 에너지 저장 디바이스들에 대한 충전 및 방전 전류의 양(amount) 및 타이밍(timing)을 설정하고, 이러한 충전 및 방전 전류의 양 및 타이밍에 대한 제한치들을 부과할 수 있다.
매개변수들은 하나의 에너지 저장 디바이스 또는 각각의 에너지 저장 디바이스의 온도, 전류 또는 전압 중 하나를 포함할 수 있다.
방법은, 검출된 매개변수들에 대한 응답으로 에너지 저장 디바이스들의 배터리 용량을 능동 밸런싱(active balancing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
내부 제어 유닛은 각각의 모듈에서의 에너지 저장 디바이스들의 능동 밸런싱을 제어하여서, 모듈에서의 각각의 에너지 저장 디바이스의 전압 또는 충전 상태가 실질적으로 동일한 레벨(level)로 유지될 수 있다.
능동 밸런싱은 전전압 벅(full voltage buck) 컨버터를 사용할 수 있다.
낮은 부하들 동안 전압의 서브세트(subset)가 사용되며, 이는, 효율을 증가시키기 위해 나중에 전전압 전력 공급부를 사용하여 밸런싱 아웃된다(balanced out).
방법은, 각각의 에너지 저장 모듈로부터 공통 시스템 제어기로 데이터(data) 또는 검출된 매개변수들을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이제, 본 발명에 따른 전력 공급 시스템의 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 이 도면들에서:
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈이 사용될 수 있는 전력 공급 시스템의 예를 예시하고;
도 2는 종래의 배터리 모듈의 예를 예시하고;
도 3은 도 1의 시스템에서 사용하기 위한, 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈의 예를 예시하고;
도 4a 및 도 4b는 에너지 저장 모듈의 일부를 더욱 상세히 예시하고;
도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b의 예들에서 사용될 수 있는 냉각기들의 추가 세부사항을 도시하고;
도 6은 본 발명에 따른 다수의 에너지 저장 모듈들이 어떻게 함께 적층될 수 있는지를 예시하며; 그리고
도 7은 에너지 저장 모듈의 일부의 추가 세부사항을 예시하고;
도 8은 본 발명에 따른 전력 공급 시스템의 동작 방법의 흐름 다이어그램(diagram)이며; 그리고
도 9는 본 발명에 따른 모듈을 통한 단면도를 도시한다.
도 1은 도입부에서 설명된 바와 같은 모든 유형들의 애플리케이션들을 위한, 그러나 특히, 안전 우려들 뿐만 아니라 공간 및 중량 제약들이 있는 선박 또는 오프쇼어 플랫폼에서 사용하기 위한, 본 발명에 따른 에너지 저장 모듈들을 통합하는 에너지 저장 시스템의 예를 예시한다. 시스템은 통상적으로, 시스템에 의해 요구되는 전압 레벨을 제공하기 위해 DC 버스(bus)(2)에 의해 직렬로 함께 전기적으로 연결된 복수의 에너지 저장 모듈들(M1 내지 Mn)을 포함한다. 에너지 저장 시스템의 각각의 모듈은, 직렬로 함께 전기적으로 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들(미도시)을 통합한다. 에너지 저장 모듈(10)은 통상적으로 하나 이상의 에너지 저장 디바이스들(미도시), 예컨대 배터리 셀들의 스택(stack)을 포함하며, 이러한 에너지 저장 디바이스들 각각은, 도 6에서 더욱 상세히 도시된, 셀들에 대한 캐리어(carrier) 또는 지지부로서의 역할을 또한 하는 냉각기(20) 상에 장착되고, 다음 차례의 냉각기 상의 이웃 에너지 저장 디바이스와 직렬로 함께 전기적으로 연결된다. 예들에서, 냉각기는 지지부의 일체형 부분이지만, 대안은 냉각기가 장착되는 별개의 지지 프레임(frame) 또는 캐리어를 갖는 것일 것이다. 셀들은 바람직하게는, 우수한 패킹(packing) 밀도를 얻기 위해 프리즘(prismatic) 또는 파우치(pouch) 유형 셀들이다. 복수의 에너지 저장 모듈들은 에너지 저장 유닛 또는 큐비클(cubicle)(101)을 형성하도록 DC 버스(미도시)에 의해 직렬로 또는 병렬로 함께 연결될 수 있다. 모듈의 단일 셀은 20 Ah 내지 100 Ah, 더욱 일반적으로는 60 Ah 내지 80 Ah의 용량을 가질 수 있지만, 몇 Ah만큼 낮은 용량 또는 100 Ah를 초과하는 용량을 갖는 셀들이 사용될 수 있다. 모듈은 통상적으로, 모듈(10)당 10 개 내지 30 개의 에너지 저장 디바이스들을 포함하지만, 모듈당 더 많거나 또는 적은 수의 셀들이 가능하다. 큐비클당 50 개만큼 많은 모듈들이 있을 수 있더라도, 통상적으로 큐비클당 9 개 내지 21 개의 모듈들이 선정될 수 있지만, 정확한 수는 요건에 따라 변화될 수 있다.
에너지 저장 시스템(101) 내에서, 각각의 모듈(10)은 DC 버스(2)를 통해 메인(main) 시스템 DC 버스 및 중앙 제어기(103)에 연결될 수 있으며, 이 중앙 제어기(103)는 예컨대, 메인 DC 버스(4) 상의 컨슈머(consumer)들(미도시)에 대한 공급을 제어할 뿐만 아니라, 각각의 모듈(10)의 충전 레이트(rate) 및 충전 상태에 대한 제한치들을 설정할 수 있다. 중앙 제어기(103)는 선박의 요건들 및 각각의 모듈에서 이용가능한 저장 에너지에 따라 어느 모듈들(10)을 충전 또는 방전할지를 결정하고, 선박 DC 버스(4)에 대한 전력의 공급을 제어한다. 특히, 다수의 에너지 저장 모듈들이 연결되는 경우에서, 에너지 공급 시스템의 DC 버스(2)와 각각의 에너지 저장 모듈 사이에 컨버터(미도시)가 있을 수 있다. 에너지 저장 모듈들의 에너지 저장 디바이스들이 공랭에 의해 냉각될 수 있지만, 바람직하게는, 에너지 저장 모듈들은, 입구 파이프(pipe)들(106)을 통해 각각의 모듈에 병렬로 냉각 유체를 공급하고 출구 파이프들(107)을 통해 다시 냉각되도록 복귀되는 냉각 유체를 수용하는 냉각 유닛(105)을 포함하는 폐쇄형 냉각 시스템에서 냉각된다.
해양 애플리케이션들, 이를테면 선박들 및 오프쇼어 플랫폼들에 온보드(onboard)된 시스템들에 DC 전기 에너지를 공급하기 위한 에너지 저장 시스템들은 높은 전압 및 전류 요건들을 갖는다. 이러한 에너지 저장 시스템들은 1 KV DC 이상의 전압 레벨들을 제공할 필요가 있을 수 있으며, 이러한 전압 레벨들은, 셀 용량들 및 물리적 치수들에 따라, 50 V 내지 200 V 범위에서, 바람직하게는 각각의 모듈에 대해 100 V 내지 150 V 범위에서 동작하는 다수의 에너지 저장 모듈들(10)을 결합함으로써 달성된다. 각각의 에너지 저장 모듈이, 셀 밸런싱, 온도 측정 및 셀 전압 모니터링(monitoring)과 같은 그러한 목적들을 위해 모듈 내에 로컬(local) 제어 및 모니터링 회로를 포함하는 자신만의 제어 유닛을 갖는 것이 바람직하다. 그런 다음, 각각의 로컬 제어 유닛은 시스템 전력 제어기(103)에 데이터를 제공할 수 있다. 그러나, 각각의 모듈에서 에너지 저장 디바이스들을 제어 및 모니터링(monitoring)하기 위한 회로에서의 통상적인 프로세서(processor) 또는 마이크로제어기(microcontroller)는 대기 모드에서 매우 낮은 전류 소비 및 단지 몇 볼트(volt) DC의 전압 요건을 갖는다. 선박 시스템들의 요건과 모니터링 회로의 요건은 호환가능하지 않으며, 따라서 제어 및 모니터링 회로에는 외부 전력원을 이용하여 전력이 공급되어야 한다.
도 2는 에너지 저장 시스템의 모듈(10)의 예를 예시하며, 이 모듈(10)은, 모듈 내에 프로세서 또는 마이크로제어기(12) 그리고 제어 및 모니터링 전자장치(11)를 포함하는 내부 제어 유닛을 통합한다. 개별적인 에너지 저장 디바이스들, 이 예에서, 배터리 셀들(120)은, 요구되는 에너지 저장 모듈 전압(15), 이 예에서, 100 V 내지 150 V, 또는 약 100 V 내지 150 V를 생성하도록 직렬로 함께 커플링된다(coupled). 각각의 배터리는 3 V 내지 4 V로, 또는 약 3 V 내지 4 V로 정격화될 수 있는데, 예컨대 Li-이온(Li-ion) 셀들의 경우 3.6 V가 통상적이다. 다수의 모듈들(10)은, 선박에서의 시스템들, 이를테면 추진 시스템들에 전력을 공급하기 위해 충분한 DC 전압을 제공할 수 있도록, 도 1에서 예시된 바와 같이 함께 커플링된다. 예컨대, 100 V 에너지 저장 모듈들을 사용하여, 시스템 요건들에 따라 600 V DC 내지 2 KV DC를 제공하도록 6 개 내지 20 개의 모듈들이 함께 연결될 수 있지만, 더 높은 전압들, 이를테면 3 KV 이상의 전압들로 스케일링 업(scaling up)하는 것은, 단순히 직렬로 부가적인 모듈들(10)을 부가함으로써 간단하게 수행된다. 제어 및 모니터링 전자장치(11, 12)는 보조 전력 공급 케이블(cable)들(18)을 통해 외부 보조 전력 공급부(13)로부터 전력을 공급받으며, 이러한 보조 전력 공급 케이블들(18)은 전자장치(11, 12)와 전력 공급부(13) 사이의 선택적인 로우 드롭 아웃(LDO; low drop out) 레귤레이터(14) 또는 다른 부가적인 레귤레이터를 통해 연결될 수 있다. 외부 전력 공급부는, 배터리 시스템에 의해 전력을 공급받는 온보드(onboard) 시스템들보다는, 내부 제어 및 모니터링 전자장치(11, 12)의 요건들을 충족하도록 선정된다.
외부 전력원(13)으로부터의 보조 전력 공급 케이블들(18)은 모듈(10)에 개구(17)를 필요로 한다. 이는 육상 기반 시스템에 특정한 이슈가 아니라, 각각의 배터리 모듈의 방수 및 화재 안전성에 관한 엄격한 규제들을 받는 근해 설비들의 경우, 모듈 하우징에서의 개구들의 필요는, 모니터링 회로에 적절한 전력을 제공하는 것이 더욱 어렵도록 만든다.
본 발명은, 모듈(10) 자체 내의 에너지 저장 디바이스들(120)을 사용하여 에너지를 공급함으로써, 내부 제어 유닛(11, 12)에 전력을 공급하는 문제를 해결한다. 이는 모듈 하우징에 임의의 부가적인 개구들이 만들어질 필요 ―이러한 개구들은 그런 다음, 규제 요건들을 충족하기 위해 적절하게 밀봉되어야 함― 를 방지한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 에너지 저장 모듈은 프로세서 또는 마이크로제어기(12)를 포함하는 제어 및 모니터링 회로(11)를 포함한다. 이 회로는 선택적인 LDO 레귤레이터 또는 다른 부가적인 레귤레이터(14)에 연결될 수 있다. 그러나, 도 2의 예에서와 같이, 그런 다음 외부 보조 전력 공급부에 연결하기보다는, 에너지 저장 디바이스들(120) 중 하나 이상으로부터 전력을 공급하기 위해 모듈(10) 내에 회로가 제공된다. 이 예에서, 에너지 저장 디바이스들(120)은 멀티-셀 리튬(multi-cell lithium) 이온 배터리(15)의 셀들, 바람직하게는 프리즘 또는 파우치 셀들일 수 있는데, 그 이유는 이들이, 원통형 셀들과 비교하여, 요구되는 총 공간을 감소시키도록 효율적으로 패킹될(packed) 수 있기 때문이다. 그러나, 본 발명은 다른 유형들의 에너지 저장 디바이스, 이를테면, 특히 드릴링(drilling) 리그들을 위한 커패시터(capacitor)들, 슈퍼 커패시터(super capacitor)들, 납산 배터리 셀들, 연료 셀들, 또는 애플리케이션 및 전력 요건에 따른 다른 유사한 에너지 저장 디바이스들에 적용가능하다. 에너지 저장 디바이스들(120)의 수 및 모듈 전압(10)은, 선정된 에너지 저장 디바이스 유형으로부터 이용가능한 전압에 따라 적응될 수 있다. 통상적인 어레인지먼트(arrangement)는, 내부 제어 회로를 위한 24 V 공급부를 생성하도록 스트링(string)에 충분한 에너지 저장 디바이스들을 사용하는 것이다.
앞서 설명된 바와 같이, 산업 애플리케이션들을 위한 배터리들은 통상적으로, 배터리 모니터링, 셀 밸런싱 전자장치가 요구하는 것보다 훨씬 더 높은 전압에 있다. 따라서, 전력 공급부는 각각의 모듈의, 통상적으로는 100 V DC 내지 150 V DC의 총 배터리 전압 범위의 모듈 전압으로부터 제어 및 모니터링 회로(11)의 보조 전자장치 및 CPU(12)의 경우 수 볼트, 통상적으로는 3.3 V로 하향으로 변환할 필요가 있다. 다른 고려사항은, 장기(long term) 저장소에서 또는 대기 모드에서, 배터리 용량을 완전히 소모하지 않게 하도록, 회로들(11, 12)의 전류 소비가 매우 낮게 유지된다는 것이다. 이러한 모드들에서의 전류 소비는 200 ㎂만큼 낮을 수 있다. 통상적인 전력 공급부 구성들은 그러한 작은 전류 소비를 갖는, 150 V 내지 3.3 V의 고효율 공급부를 달성할 수 없다.
모듈(10)의 에너지 저장 디바이스들(120)은, 선박 시스템에 의해 요구되는 비교적 높은 전압을 제공하도록 함께 연결된 복수의 비교적 낮은 전압의 셀들을 포함한다. 따라서, 제어 및 모니터링 회로들(11, 12)에 대한 보조 공급부는, 전체 모듈 전압으로부터 변환하기보다는, 비교적 낮은 전력의 셀들 중 하나 이상에 의해 제공된다. 에너지 저장 디바이스들(120) 중 단 하나 또는 단지 몇몇으로부터 에너지를 취함으로써, 회로들(11, 12)에 대한 전력 공급부는, 예컨대 100 V DC 또는 150 V DC의 모듈 전압으로부터, 요구되는 3 V 또는 4 V로 전압을 하향으로 변환할 필요가 없으며, 단순한 LDO 선형 레귤레이터 또는 다른 저전력 스위칭식(switched) 레귤레이터(14)가 사용될 수 있다. 내부 제어 유닛(11, 12)은 내부 공통 접지 전위를 기준으로 하고, 정류 유닛을 통해 에너지 저장 디바이스들(15) 중 직렬인 에너지 저장 디바이스들(120a)의 마지막 에너지 저장 디바이스에 연결된다. 정류 유닛(21, 22)은 예컨대 사이리스터, 릴레이, 브리지 정류기 또는 다이오드(21)를 포함할 수 있다. 정류 유닛은 다이오드, 릴레이 또는 사이리스터와 병렬인 반도체 디바이스, 이를테면 트랜지스터 또는 릴레이를 더 포함할 수 있다. 정류 유닛은 내부 제어 유닛 회로가 모듈에서의 셀들 중 하나 또는 몇몇으로부터 전력을 공급받는 것을 가능하게 한다. 전력 공급부 전압은 단일 셀의 전압 미만이거나 또는 단일 셀의 전압을 초과할 수 있으며, 따라서 내부 제어 유닛은 능동 밸런싱과 에너지 소비 사이에서 스위칭할(switch) 수 있지만, 통상적으로 30 V DC를 초과하지는 않는다. 하나의 예에서, 공급부는 24 V DC로 정격화된다. 반도체 디바이스, 이를테면 트랜지스터 또는 릴레이와 다이오드, 릴레이, 브리지 정류기 또는 사이리스터의 병렬 결합은 사용되고 있는 셀의 능동 밸런싱을 가능하게 한다. 다이오드, 릴레이, 브리지 정류기 또는 사이리스터를 단독으로 사용하는 것은, 내부 제어 유닛(11, 12)에 대한 공급부를 제어하지만, 아래에서 더욱 상세히 설명된 능동 밸런싱을 제공하지는 않는다. 모듈이 저장소에 있을 때 내부 제어 유닛에 대한 전력원으로서 에너지 저장 디바이스를 사용하는 것은, 많은 사이클(cycle)들을 사용하지 않으며, 심지어 단지 사이클의 일부(fraction)를 사용할 수 있으며, 따라서 사용되지 않았던 다른 셀들에 비해 셀의 수명에 지나치게 영향을 미치지 않고, 모듈이 동작 상태가 되기 전에, 사용되었던 셀은 다른 셀들에 대해 밸런싱될(balanced) 수 있다.
단순히, 모듈(10)에서 에너지 저장소(15)를 형성하는 40 개 쯤의 에너지 저장 디바이스들 중에서 단일 에너지 저장 디바이스(120a) 또는 단지 몇몇 디바이스들만을 연결하는 것은, 회로(11, 12)에 전력을 공급하기에는 충분할 수 있지만, 전체 모듈에 대해서는, 이는, 에너지 저장 디바이스들(120, 120a)이 언밸런싱된(unbalanced) 상태가 된다는 단점을 갖는데, 그 이유는 모든 디바이스들(120, 120a) 각각으로부터 조금씩 취하고 이러한 모든 디바이스들(120, 120a) 각각을 유사한 충전 레벨로 유지하기보다는, 회로(11, 12)에 전력을 공급하기 위해 단 하나의 또는 몇몇 디바이스들만이 사용되고 있기 때문이다. 이 문제를 해결하는 본 발명의 추가적인 특징은, 반도체 디바이스, 이를테면 트랜지스터(22), 사이리스터 또는 릴레이가 다이오드(21)와 병렬로 제공되고, 이것이 전-전압 DC-DC 스텝 다운 컨버터 또는 벅(Buck) 컨버터(20)에 연결되며, 따라서 내부 회로(11, 12)에 공급하기 위해 사용되고 있는 에너지 저장 디바이스(120a)가, 전-전압 벅 컨버터(20)를 통해 올바른 값으로 충전함으로써 능동적으로 밸런싱될 수 있다는 것이다. 능동 모드에서, 추가 전류를 인출할 때, 메인 전력 공급부는 연속적으로 사용될 수 있다. 파워 다운(power down) 또는 저장 모드 동안, 부하가 매우 낮을 때, 단 하나의 셀 또는 몇몇 셀들만이 필요할 수 있다. 따라서, 시스템은 최상의 효율을 달성하기 위해 2 개의 모드들, 즉, 전전압 DC-DC 스텝 다운 컨버터 공급과, 단 하나의 셀 또는 몇몇 셀들에 기반한 공급의 결합을 사용할 수 있다. CPU(12)는 일정한 전력을 가지며, 그리고 메인 벅 컨버터 전력 공급부(20)를 활성화할지 또는 비활성화할지를 선정할 수 있고, 언제라도 바닥 셀(120a)을 충전할지 또는 밸런싱할지(balance)를 선정할 수 있다.
능동 밸런싱은 시운전(commissioning) 시, 저장 동안 자동적으로, 또는 둘 모두에서 수행될 수 있다. 능동 밸런싱이 사용되지 않고, 단순히, 저장 동안 바닥 셀로부터 용량이 소모되면, 셀들은 사용 전에 수동적으로 밸런싱될 수 있다. 그러나, 이는 덜 바람직한데, 그 이유는 이것이, 에너지 저장 시스템의 전체 용량 및 효율에 영향을 미치기 때문이다.
능동 셀 밸런싱과 결합하여, 단일 에너지 저장 디바이스 또는 몇몇의 그러한 디바이스들을 사용하는 전력 공급부는, 항상 전전압 벅 컨버터 전력 공급부를 사용하는 시스템과 비교할 때, 전체 시스템의 효율을 극적으로 증가시킨다. 이는, 외부 전력에 의존하기보다는, 배터리 내로부터 멀티(multi) 셀 배터리 모듈 전자장치가 전력을 공급받는 것을 가능하게 한다. 따라서, 모듈(10)의 저장 동안의 데이터 로깅(logging); 모듈이 내부 회로(11, 12)에 전력을 제공하기 위해 외부 와이어(wire)들 및 케이블(cable) 연결들에 의존하지 않기 때문에, 더욱 견고한 모듈; 및 현장에서 수행될 케이블링(cabling) 작업이 더 적고 모듈 하우징의 관통들이 더 적으며 요구되는 배선이 더 적기 때문에, 더 낮은 비용의 제품을 제공하는 것이 가능하다. 본 발명은 넓은 전류 범위를 갖는 고효율 전력 공급부들에 적용가능하다. 공통 외부 전력 공급부가 고장나면 모니터링 및 제어 기능들을 제공하기 위한 모든 모듈들이 중단될 위험으로 인해서, 공통 외부 전력 공급부를 공유하기보다는, 각각의 에너지 저장 모듈이 자신만의 전력 공급부를 갖기 때문에, 시스템들은 더욱 신뢰성이 있다.
다수의 에너지 저장 유닛들 또는 큐비클들이 선박 또는 플랫폼에, 또는 임의의 다른 설비에 설치될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 모듈들(10)의 추가 세부사항을 제공하는 상이한 도면들을 도시한다. 각각의 모듈은 도 4a 및 도 4b에서 도시된 바와 같은 냉각기(20)를 포함하며, 이러한 냉각기(20) 상에, 에너지 저장 디바이스(미도시), 이를테면 배터리 셀(120)이 피팅된다(fitted). 냉각기는 통상적으로, 경량 및 저비용 때문에 폴리머 플라스틱(polymer plastics) 재료로 제조된다. 분해도인 도 4b에서 도시된 바와 같이, 냉각기에서의 냉각 채널(channel)들(22)은, 동일한 폴리머 플라스틱 재료의 다른 피스(piece)에 통상적으로는 몰딩(moulding)에 의해 형성된 일련의 융기 섹션(section)들(23)에, 플레이트(plate)(21)를 라미네이팅(laminating)하거나 또는 용접함으로써 형성될 수 있다. 이는 폐쇄형 채널들 또는 도관들을 형성하며, 이러한 폐쇄형 채널들 또는 도관들을 통해, 냉각 유체가 하나의 단부로부터 다른 단부로 유동할 수 있다. 대안적으로, 예컨대 도 9에서 하나의 모듈(10)을 통한 단면에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각 채널들(22)은 적층식 제조 또는 다른 기법에 의해 냉각기 케이싱의 일체형 부분으로서 형성될 수 있다. 각각의 냉각기(20)에, 예컨대 냉각기의 외부 표면(27) 상에, 배터리 셀이 설치될 수 있다. 냉각기(22)의 외부 표면은, 에너지 저장 디바이스 또는 셀에 대한 냉각 유체의 어떤 직접 접촉도 없이, 큰 표면적에 걸쳐 효과적인 냉각을 제공하기 위해 배터리 셀의 하나의 표면과 직접 접촉할 수 있다.
냉각 유체는 입구 파이프(106)로부터 냉각기(22)의 채널들 또는 도관들(23)을 통해 유동하여서, 셀의 표면으로부터 얇은 튜빙(tubing)(23)을 통한 냉각 유체로의 열 전달에 의해 셀을 냉각한다. 냉각 유체 채널들 또는 튜빙은 5 mm 내지 20 mm 범위의 통상적인 전체 두께를 갖는데, 폴리머 플라스틱 재료의 경우 1 mm 내지 5 mm 범위의, 그리고 바람직하게는 3 mm 이하인 벽 두께를 갖는다. 냉각 유체는 출구 파이프(107) 안으로 운반되고, 그리고 다시 냉각되도록 냉각 유닛(105)으로 복귀된다. 플레이트(21) 아래에 형성된 튜빙(23)은, 이 튜빙(23)이 접촉하는 측의 셀 표면의 상당한 부분, 즉, 셀의 해당 측의 셀 표면적의 30% 내지 75%에 이르기까지를 커버(cover)한다.
전체 설계는, 종래의 냉각기 블록(block) 및 열 교환기 설계들 대신에, 셀 표면에 바로 인접하게 냉각 유체를 유동시키기 위해 냉각 유체 파이프들을 사용함으로써, 상당히 감소된 총 재료 중량 및 비용을 갖는다. 부가하여, 일회성으로 열 이벤트(event)의 경우에만 이러한 냉각이 제공되기보다는, 성능 및 동작 수명에 유익한 온도 범위 내로 셀을 유지하기 위해, 이러한 냉각은 정상 동작 동안 제공된다. 얇은 냉각 유체 채널들(23)은 튜브(tube)들(5, 6)을 통해 입구 파이프(106)와 출구 파이프(107) 사이에 연결되는 임의의 적절한 형태로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 채널들의 단면은, 냉각 유체와 에너지 저장 디바이스 사이에 플라스틱 재료의 양(amount)을 최소화하고 접촉을 최대화하기 위해 정사각형이다. 그러나, 원형 단면 튜빙과 같이 다른 단면들이 사용될 수 있다. 튜빙(23)은 도 4b의 예 및 도 5a에서 도시된 바와 같이 입구 튜브(5)와 출구 튜브(6) 사이에 연결되는 연속적인 구불구불한 것(11)의 형태일 수 있거나, 또는 입구 튜브(5)에 연결된 입구 파이프(106)로부터 공통 공급부에 의해 피딩되고(fed), 도 5b에서 도시된 바와 같이 출구 튜브(6)를 통해 출구 파이프(107)로 빠져나가는, 튜빙의 다수의 평행한 행들(12)이 있을 수 있다.
튜빙(23)은 금속일 수 있지만, 더욱 통상적으로는, 합성 재료, 이를테면 폴리머 플라스틱(plastic)들, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리아미드, 이를테면 PA66 플라스틱들, 또는 열가소성 플라스틱(thermoplastic)들, 이를테면 TCE2, TCE5, 또는 요구되는 형상을 생성하도록 몰딩되거나(moulded) 또는 압출되거나 또는 적층식 제조 기법들에 의해 형성될 수 있는 다른 적절한 재료들이다. 튜빙 재료는 에너지 저장 모듈들의 정상 동작 온도들을 견딜 수 있다. 대안은, 예컨대 몰딩(moulding)에 의해 베이스(base) 상에 채널 벽들을 형성하고 그런 다음 벽들의 상부 표면에 플레이트를 적용하는 것이며, 이 플레이트는 적소에 용접되거나, 또는 라미네이팅되거나(laminated), 또는 다른 방식으로 고정된다. 냉각 유체를 위한 도관들은 5 mm 내지 20 mm 범위의 전체 두께를 가질 수 있는데, 폴리머 플라스틱 재료의 경우 1 mm 내지 5 mm 범위의, 바람직하게는 3 mm 이하인 벽 두께를 가질 수 있다.
셀은, 열 저항이 거의 없이, 셀 표면의 상당한 부분에 걸쳐 있는 냉각 채널들에서 냉각 유체를 유동시킴으로써 직접적으로 냉각된다. 종래의 냉각 어레인지먼트들은 냉각기 블록 또는 열 교환기로부터 멀리 떨어져 있었던 셀의 영역들의 경우 핫 스팟(hot spot)들을 겪었지만, 각각의 에너지 저장 디바이스에 대한 이러한 냉각기는 이러한 문제를 방지한다. 이는, 셀의 노화 과정(process)을 느리게 하여서 이에 따라 이 셀의 수명을 증가시키는 효과를 갖는다.
도 6에서 도시된 바와 같이, 에너지 저장 모듈들(10)은, 이러한 에너지 저장 모듈들(10)의 냉각기들(20) 상에 함께 적층되는 복수의 셀들로 형성된다. 냉각 유체는, 스택을 따라 이어지는 공통 입구 파이프(106)에 있는 개구(70)로부터 각각의 냉각기의 튜브들에 들어가고, 스택을 따라 이어지는 공통 출구 파이프(107)에 있는 개구(71)를 통해 빠져나간다. 폐쇄형 시스템에서, 냉각 유체는 가압되며, 그리고 각각의 모듈(10)의 개별적인 냉각기들(22) 및 공통 파이프들(106, 107)을 통해 모듈들의 스택 주위를 순환한다. 시간이 지남에 따라 셀의 팽창을 고려하기 위해 냉각기(20)에 의한 셀의 압축을 유지하기 위하여, 시간이 지남에 따라 변화들을 허용하도록 약간의 가요성이 있을 필요가 있다. 이는 에너지 저장 디바이스(40)의 하나의 표면과 인접 냉각기(22a) 사이에 제공되는, 도 7에서 도시된 바와 같은 별개의 가요성 층(32)에 의해 제공될 수 있다. 절연 층이 사용되면, 절연 층이 이 기능을 수행할 수 있거나, 또는 에너지 저장 디바이스의 양측의 냉각기들에 의해 열 전달이 제어되는 경우, 냉각기가 여전히 압력을 적용할 수 있음을 보장하기 위해 가요성 시트(sheet)가 사용될 수 있다. 셀의 전체 수명 동안 정상 동작 및 열화에 기인하는 팽창(swelling)을 수용하고 성능 및 수명을 증가시키기 위해, 셀 벽 상에 통상적으로 0.2 바(bar) 미만의 낮은 압력이 적용된다. 냉각기(22)의 섹션(33)은 에너지 저장 디바이스(120)의 하나의 표면과 직접 접촉하며, 얇은 벽들은, 냉각 유체(34)가 채널들(23)을 통해 유동함에 따라, 이 유체가 에너지 저장 디바이스를 냉각할 수 있게 한다. 냉각기들(20)은 서로의 위에 장착되고, 피팅(fitting)들(24, 25)에서의 볼트(bolt)들과 같이 피팅들을 통해 함께 고정된다. 각각의 냉각기(20) 상의 각각의 물 입구 섹션(106)과 출구 섹션(107) 사이에, 스페이서(spacer) 또는 와셔(washer)(29, 28)가 제공될 수 있다.
장점은, 모듈에서의 각각의 에너지 저장 디바이스의 냉각기(22)가 발생된 열을 셀의 적어도 일 측의 전체 셀 표면을 통해 냉각 액체로 직접적으로 전달한다는 점이다. 도 6에서 도시된 바와 같이 일체형 셀들 및 냉각기들을 적층하는 것은, 단열 층이 해당 측에 사용되지 않으면, 셀의 대향 표면이 스택에서 이웃 셀의 냉각기에 의해 냉각될 수 있게 한다. 각각의 모듈에서의 셀과 냉각기의 직접 접촉은, 공랭보다 또는 수냉을 이용한 전도성 핀(fin)들보다 냉각이 더욱 효과적이 되게 하며, 따라서 정상 동작 시 셀과 냉각제 사이의 온도차가 감소된다. 두 개의 인접 셀들을 냉각하기 위해 하나의 냉각기를 사용하는 적층 어레인지먼트는 중량 및 재료비를 감소시키도록 돕는다. 셀의 표면에 대한 직접 접촉의 다른 이점은, 이러한 직접 접촉이 냉각 액체의 동작 온도가 증가될 수 있게 하여서, 시스템 내부에서 응축이 발생할 가능성을 감소시킨다는 점이다. 금속보다는, 냉각기를 위한 폴리머 플라스틱 재료들의 사용은, 중량 및 비용이 종래의 솔루션(solution)들의 일부(fraction)로 감소될 수 있게 한다. 부가하여, 모듈들은, 종래의 공랭식 또는 수냉식 시스템들에 대해 요구되는 바와 같은 냉각기 블록 또는 열 교환기를 더 이상 필요로 하지 않으며, 따라서 부피 풋프린트(volumetric footprint)가 감소될 수 있다. 이는, 공간이 귀한 해양 및 근해 애플리케이션들에 특히 유용하다.
본 발명의 추가적인 특징은, 효과적인 열 전달을 가능하는, 냉각 액체를 운반하는, 각각의 셀 사이의 냉각 채널들의 얇은 경량 재료에 부가하여, 통상적인 열 폭주 온도들(즉, 170 ℃를 초과하는 온도)에서 용융되는, 냉각 채널들의 재료에 생성되는 섹션들을 냉각 시스템이 더 포함할 수 있다는 것이다. 셀의 일부가, 이러한 섹션들 중 하나 이상이 용융되게 하기에 충분한 고온에 있으면, 냉각 시스템 채널은 개방 지점을 가져서, 열 폭주가 발생하고 있는 셀과 냉각 액체가 직접 접촉하게 될 수 있게 한다. 셀의 이러한 부가적인 능동 냉각은 냉각 액체의 증발에 의해 연소 셀에서 에너지를 소비한다.
열 폭주 또는 다른 과열에 기인하여, 개구를 형성하면서 냉각기의 섹션이 용융되는 이벤트에서, 정상 동작에서의 경우와는 달리, 큰 압력 강하가 있다. 그런 다음, 스택에서 에너지 저장 모듈들의 냉각기들 전부가 병렬로 연결되기 때문에, 열 및 열 폭주가 이웃 셀들로 확산되는 것을 방지하기 위해, 에너지 저장 시스템에서의 모든 냉각기들로부터의 냉각 액체가, 열 이벤트를 겪는 셀에서의 개방 회로로 유동하고 해당 셀을 다량의 냉각 액체에 노출시켜서, 과열 셀과 냉각 유체의 직접 접촉에 의한, 온도의 신속한 감소가 제공된다. 유동하는 물에 임계 영역을 능동적으로 노출시키는 것은, 셀의 온도를 매우 효과적으로 낮춤으로써 에너지 저장 시스템의 안전성을 증가시킨다. 냉각 시스템은 상시 폐쇄(normally closed) 시스템이며, 따라서 과열 셀을 냉각하기 위해 이동하는 유체의 총 부피는 폐쇄형 시스템이 포함하는 양으로 제한된다.
이 부가적인 특징의 추가적인 이점은, 열 이벤트가 이루어지고 있는 셀로부터의 가스 및 퓸(fume)들이 수증기와 혼합되어서, 가스의 가연성이 실질적으로 감소되며, 그리고 수증기와 혼합된 가스가 배터리 케이싱을 통해 배기 시스템으로 방출된다는 점이다. 수증기와 가연성 가스를 혼합하는 것은 열 이벤트에서의 가스 처리를 덜 어렵게 하는데, 그 이유는 가연성 가스가 증기와 혼합되기 때문이다. 부가하여, 배기 냉각이 필요하지 않으며, 그리고 제거되지 않더라도, 모듈 내부의 뜨거운 가스의 자기-점화 위험이 실질적으로 감소된다.
본 발명은 Li-이온 배터리들의 예와 관련하여 설명되지만, 임의의 다른 유형의 전기화학 셀 기반 에너지 저장 디바이스, 이를테면, 알카라인(alkaline), 또는 니켈-금속 하이드라이드(nickel-metal hydride)(NiMH) 또는 다른 것들 뿐만 아니라, 에너지 저장 유닛들의 모듈들의 온도가 바람직한 동작 범위 밖으로 규칙적으로 나가면 ―이는 전체 수명을 감소시키고, 유지보수 비용들을 증가시킴― 또한 어려움을 겪을 수 있는 다른 에너지 저장 기술들, 이를테면, 커패시터들, 슈퍼커패시터(supercapacitor)들 또는 울트라커패시터(ultracapacitor)들에 동일하게 적용가능하다. 자신의 일차 전력원 또는 유일한 전력원으로서 저장 에너지에 의존하는 선박 또는 시스템의 경우, 신뢰성이 특히 중요하며, 동작 조건들을 최적화하는 것이 바람직하다.
본 발명과 결합될 수 있는 추가적인 특징은 각각의 에너지 저장 모듈로부터 시스템 제어기(103)로의 무선 통신의 사용이며, 따라서 어떤 부가적인 외부 연결들(2)도 필요하지 않다. 이는 또한, 통신 케이블들을 제거함으로써 잡음을 감소시켜서 이에 따라 성능 및 신뢰성을 개선시키는 장점을 갖는다. 대안적으로, 와이어 대신에 광섬유 케이블들이 사용될 수 있지만, 이는 무선보다 더욱 비싼 옵션(option)이다. 각각의 모듈 내에서, 각각의 셀에 대한 센서(sensor)들로의 유선 연결들이 있을 수 있지만, 모듈들은 통상적으로 견고하고 기밀이며, 모듈을 관통하는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 종래에, 배터리 모듈들은 금속성 하우징들을 사용했고, 이러한 금속성 하우징들은 무선 통신을 비실용적으로 만드는 패러데이 케이지(Faraday cage)로서의 역할을 한다. 본 발명은, 무선 통신에 의해 DC 에너지 저장 유닛의 각각의 모듈 밖으로 에너지 저장 유닛(101)의 제어기(128)로의 통신 신호들의 송신을 가능하게 하는 비-자기 재료, 통상적으로는 비-금속성, 이를테면 폴리머 재료로 모듈들의 적어도 일부를 제조함으로써, 이 이슈를 극복한다.
도 8은 본원에서 설명된 바와 같은 DC 전력 공급 시스템에서 에너지 저장 모듈을 동작시키는 방법의 메인 특징들을 예시하는 흐름 다이어그램이다. 에너지 저장 모듈에서의 에너지 저장 디바이스들 또는 모듈 자체에 관련된 하나 이상의 매개변수들, 통상적으로는 디바이스들 또는 모듈에서의 센서들로부터의 센서 데이터가 검출된다(40). 이러한 매개변수들은 예컨대, 디바이스 또는 모듈 인클로저(enclosure)의 온도, 또는 에너지 저장 디바이스 또는 각각의 에너지 저장 디바이스의 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 요구되는 매개변수들을 감지하기 위해 모듈 또는 디바이스들에 적절한 센서들이 제공된다. 데이터 또는 검출된 매개변수들은 모듈의 로컬 제어기에서 로컬로(locally) 프로세싱될(processed) 수 있거나(41), 또는 각각의 에너지 저장 모듈로부터 시스템 제어기로 직접적으로 전송될 수 있다(42). 이 중앙 제어기는 센서 데이터를 사용하여 각각의 모듈의 상태를 결정한다(43). 중앙 제어기는 또한, 시스템 전력 요건 및 다른 에너지 저장 모듈들의 상태와 관련된 데이터를 수신한다(44). 이용가능한 데이터로부터, 중앙 제어기는 에너지 저장 디바이스들의 충전 및 방전을 제어한다(45). 중앙 제어기는 수신된 데이터에 기반하여 모듈들에 대한 충전 및 방전 전류의 양 및 타이밍을 설정하고, 이러한 충전 및 방전 전류의 양 및 타이밍에 대한 제한치들을 부과할 수 있다. 필요하면, 중앙 제어기는, 기준 값들과 같은 적절한 제한치들을 자신이 결정할 때 사용하기 위해 다른 저장된 데이터에 접근한다. 내부 제어 유닛은 검출된 매개변수들에 대한 응답으로 에너지 저장 디바이스들의 배터리 용량의 능동 밸런싱을 수행할 수 있으며, 따라서 모듈에서의 각각의 에너지 저장 디바이스의 전압 또는 충전 상태는, 해당 모듈에서의 다른 에너지 저장 디바이스들의 레벨과 실질적으로 동일한 레벨로 유지된다. 능동 밸런싱은 전전압 벅 컨버터를 사용할 수 있다.

Claims (24)

  1. DC 에너지 저장 모듈로서,
    직렬로 전기적으로 연결된 복수의 전기화학 에너지 저장 디바이스들;
    상기 DC 에너지 저장 모듈에서의 내부 제어 유닛;
    상기 내부 제어 유닛을 위한 전력 공급부; 및
    직렬 연결된 상기 복수의 에너지 저장 디바이스들과 상기 내부 제어 유닛 사이에 전기적으로 연결된 DC-DC 스텝 다운 컨버터(step down converter)를 포함하고,
    상기 내부 제어 유닛은 상기 내부 제어 유닛을 위한 전력 공급부에 의해서만 전력 공급되고,
    상기 전력 공급부는, 스위칭 디바이스와 정류 유닛의 병렬 결합을 통해 상기 내부 제어 유닛에 전기적으로 연결된, 상기 DC 에너지 저장 모듈 내의 상기 전기화학 에너지 저장 디바이스들 중 하나 이상의 ― 그러나 상기 전기화학 에너지 저장 디바이스들의 전부는 아님 ― 전기화학 에너지 저장 디바이스만을 포함하고,
    상기 스위칭 디바이스는, 상기 전력 공급부를 구성하는 상기 하나 이상의 전기화학 에너지 저장 디바이스가 상기 스위칭 디바이스를 통해 상기 DC-DC 스텝 다운 컨버터에 의해 충전되거나 밸런싱될 수 있도록, 상기 DC-DC 스텝 다운 컨버터의 출력에 연결되고,
    상기 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 40 V DC를 초과하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류 유닛은, 다이오드(diode), 사이리스터(thyrister), 릴레이(relay), 또는 브리지(bridge) 정류기를 포함하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 제어 유닛에 공급하도록 연결된 상기 하나 이상의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 30 V DC를 초과하지 않는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 50 V DC 내지 200 V DC의 범위에 있는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 디바이스들의 총 전압은 100 V DC 이상인,
    DC 에너지 저장 모듈.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    각각의 에너지 저장 모듈은, 온도 센서, 전압 모니터링(monitoring) 디바이스, 또는 전류 모니터링 디바이스 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 모듈은 로우 드롭 아웃(low drop out) 또는 무선 스위칭 레귤레이터(regulator)를 더 포함하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    각각의 에너지 저장 모듈은 무선 통신 시스템을 더 포함하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    각각의 에너지 저장 모듈의 하우징(housing)이 폴리머(polymer) 재료를 적어도 부분적으로 포함하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리머 재료는, 폴리에틸렌(polythene), 폴리아미드(polyamide), 또는 열가소성 플라스틱(thermoplastic) 중 하나를 포함하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 DC 에너지 저장 모듈들은 밀봉식 내화성 케이싱(sealed fire-resistant casing)을 포함하는,
    DC 에너지 저장 모듈.
  14. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항, 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 복수의 DC 에너지 저장 모듈들; 및
    선박 또는 오프쇼어 플랫폼(offshore platform)에서의 전력 이용가능성을 제어하기 위한 공통 시스템 제어기를 포함하는,
    DC 전력 공급 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    전력 공급 시스템 전압은 500 V DC 이상인,
    DC 전력 공급 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    요구되는 전력 공급 시스템 전압을 제공하도록 함께 연결된 복수의 전력 공급부들을 더 포함하는,
    DC 전력 공급 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 공통 시스템 제어기는 상기 DC 에너지 저장 모듈들 각각과 통신하기 위한 무선 통신 시스템을 더 포함하는,
    DC 전력 공급 시스템.
  18. 제14항에 따른 DC 전력 공급 시스템에서의 에너지 저장 모듈을 동작시키는 방법으로서,
    상기 에너지 저장 모듈에서의 에너지 저장 디바이스들의 하나 이상의 매개변수들을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 매개변수들에 기반하여, 상기 에너지 저장 디바이스들의 충전 및 방전을 제어하는 단계를 포함하는,
    방법.
  19. 제18항에 있어서,
    공통된 중앙 제어기가 상기 DC 에너지 저장 모듈에 대한 또는 상기 DC 에너지 저장 모듈 내의 에너지 저장 디바이스들에 대한 충전 및 방전 전류의 양(amount) 및 타이밍(timing)을 설정하고, 상기 충전 및 방전 전류의 양 및 타이밍에 대한 제한치들을 부과하는,
    방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 매개변수들은 상기 에너지 저장 디바이스 또는 각각의 에너지 저장 디바이스의 온도 또는 전류 또는 전압 중 하나를 포함하는,
    방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 검출된 매개변수들에 대한 응답으로 상기 에너지 저장 디바이스들의 용량을 능동 밸런싱(active balancing)하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 내부 제어 유닛은 각각의 모듈에서의 상기 에너지 저장 디바이스들의 능동 밸런싱을 제어하여서, 상기 모듈에서의 각각의 에너지 저장 디바이스의 전압 또는 충전 상태가 실질적으로 동일한 레벨(level)로 유지되는,
    방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 능동 밸런싱은 전전압 벅(full voltage buck) 컨버터를 사용하는,
    방법.
  24. 제18항에 있어서,
    각각의 에너지 저장 모듈로부터 상기 공통 시스템 제어기로 데이터(data) 또는 상기 검출된 매개변수들을 전송하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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