KR102642868B1 - 직렬 연결된 리튬-황 전지에서 용량의 모니터링 및 밸런싱을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

직렬 연결된 리튬-황 전지에서 용량의 모니터링 및 밸런싱을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들의 적어도 두 개의 전지들, 또는 전지 모듈들(A 및 B) 간의 상대적 용량 및 충전 상태를 모니터하기 위한 장치로서, 상기 장치는: 타이머; 전압 모니터링 회로로부터 입력된 신호들에 기초하여 직렬 연결된 리튬-황 전지들 또는 전지 모듈들의 각각에 걸치는 전압 강하를 모니터하도록 구성된 전압 모니터링 모듈; 및 상기 타이머 및 전압 모니터링 모듈에 접속되고, 상기 전지들이 정전류로 충전되는 충전 사이클 동안: 충전에서 선행하는 제1전지(전지 A)의 모니터된 전압이, 모니터된 전압의 변화율이 측정 가능하게 증가할 때, 충전의 최고치 근처에 존재하도록 설정된 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 A)을 기록하고; 충전에 후속하는 전지 B의 모니터된 전압이 상기 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 B)를 기록하고; 선행하는 상기 전지 A의 모니터된 전압이 실질적으로 충전의 의제 최고치에 있도록 설정된 제2전압 V2(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T2(전지 A)를 기록하고; T2(전지 A)에서 후속하는 전지 B의 모니터된 전압 V2(전지 B)를 기록하고; 그리고 적어도 T1(전지 A), T1(전지 B), V2(전지 A) 및 V2(전지 B)에 기초하여, 전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준을 결정하도록 구성되는 전지 모니터링 모듈을 포함한다.

Description

직렬 연결된 리튬-황 전지에서 용량의 모니터링 및 밸런싱을 위한 장치 및 방법
본 개시는 직렬 연결된 리튬-황 전지(Lithium Sulfur cells)에서 용량의 모니터링(monitoring) 및 밸런싱(balancing)에 사용되는 장치들, 방법들 및 그것들을 위한 컴퓨터 프로그램 제품들에 관한 것이다. 본 개시는 또한 직렬 연결된 리튬-황 전지에서 전하 및 용량의 모니터링 및 밸런싱에 사용되는 배터리 관리 시스템 또는 에너지 시스템 컨트롤러에 관한 것이다.
리튬-이온 이차전지(lithium-ion secondary cells)들이 최근 대량 생산되어 상용화되고 있지만, 리튬-황(Li-S)은 리튬-이온(Li-ion)보다 5배 이상 큰 이론적인 에너지 밀도를 갖는, 광범위한 응용분야에서 전기화학적 에너지 저장 수단으로서 더 양호하게 쓰일 수 있는 차세대 전지화학 기술(cell chemistry)이다.
전형적인 리튬-황 전지는 리튬 금속 또는 리튬 금속합금으로 형성되는 애노드(음의 전극) 및 원소 황(elemental sulphur) 또는 다른 전기활성(electroactive) 황 물질로 형성되는 캐소드(양의 전극)를 포함한다. 상기한 황 또는 다른 전기 활성 황 함유 물질은 그의 전기적 전도성을 향상시키기 위해 카본과 같은 전기적으로 전도성인 물질과 혼합될 수도 있다. 전형적으로, 탄소와 황은 분쇄되고, 이어서 용제 및 결합제와 혼합되어 슬러리를 형성한다. 상기 슬러리는 전류 컬렉터(current collector)에 공급되고, 그 다음에 건조되어 용제를 제거한다. 그 결과적인 구조는 합성 구조를 형성하도록 캘린더(calendering) 가공되고, 이것은 원하는 형상으로 절단되어 캐소드를 형성하게 된다. 캐소드 상에는 분리막(seperator)이 형성되고, 그 분리막 상에는 리튬 애노드가 형성된다. 이어서, 전해액이 상기한 조립된 전지에 도입되어 캐소드와 분리막을 습윤 상태로 만든다.
리튬-황 전지는 이차전지이다. 리튬-황 전지가 방전될 때, 캐소드에 있는 황은 두 단계로 환원된다. 첫 번째 단계에서, 황(예컨대, 원소 황)이 다황화물 종(polysulphide species), Sn2- (n≥2)으로 환원된다. 이 종들은 전해액에서 대체로 용해성이다. 방전의 두 번째 단계에서, 상기 다황화물 종들은 애노드의 표면상에 침적될 수도 있는 황화리튬, Li2S로 환원된다.
리튬-황 전지들은 그 전지에 외부 전류를 인가함으로써 (재)충전이 이루어질 수도 있다. 전형적으로, 상기 전지는, 예컨대, 2.35V의 고정 차단 전압(fixed cut-off voltage)으로 충전된다. 상기 전지가 충전될 때, 두 단계의 메커니즘이 역으로 일어나는데, 즉, 황화리튬이 리튬 다황화물(lithium polysulphide)로 산화되고, 그 후에는 리튬과 황으로 산화된다. 이러한 두 단계의 메커니즘은 리튬-황 전지의 충전 및 방전 프로필 양자에서 관찰 가능하다. 따라서, 리튬-황 전지가 충전될 때, 충전의 제1단계에서는, 긴 안정기(long plateau) 동안 전압은 상대적으로 일정하게 유지된다. 따라서, 충전의 제1단계에서 제2단계 사이에서 전지가 천이함에 따라서(cell transitions)(충전의 최고치 근처에서 일어남), 전압 변화율은 측정 가능하게 증가한다.
그러한 재충전 가능한 이차전지들(Li-ion 또는 Li-S과 같은), 특히 이것들의 적층(stacks) 형태의 전지들(배터리들)의 사용은, 추후의 방전과 사용을 위해 저장된 전기화학적 에너지로써 그것들을 충전할 목적으로, 자동차, 해양 및 기타 차량 응용분야에서, 가정 및 무정전 에너지 공급장치에서, 그리고 가정용 및 계통연계(gid-tied) 전력망에서의 수요 및 부하 평활화(levelling)를 위한 간헐적 및 갱신 가능한 방식의 전기 공급원에서 생산되는 에너지의 저장을 망라하는 광범위한 응용 분야에서 중요성이 증가하고 있다.
이러한 응용 분야들에 있어 에너지의 저장과 사용을 효과적으로 지원하기 위해서는, 전지 스택(cell stack)에서의 전지들의 유효 용량과 수명을 최대화하는 것과 성능을 최적화하기 위한 전지들의 충전 및 방전 사이클을 관리하는 것이 바람직하다.
전지 스택의 전지들은 전형적으로 정격 용량(rated capacities)으로 작동하도록 제조되며, 따라서, 적어도 초기에는 충전-방전 사이클에서 동일하게 작동하여야만 한다(동작상의 그리고 제조시의 허용오차 범위 내에서). 그러나 전지 스택에 있어, 충전-방전 사이클 중의 다른 전지들의 건전 상태와 성능은, 사용시 전지 스택에서의 온도 변화, 센서의 측정 오차, 다른 전기전자 부품들에서의 변화를 포함하는 여러 가지의 요인들로 인하여, 또한 제조상의 공차 내에서의 제조시의 변화, 전지의 고유 성능의 약간의 변화 및 시간 경과와 사용을 통해 악화하는 노화 특성을 통하여, 사용 기간 내내 벗어나기 시작한다. 그리하여, 일정 기간의 사용이 끝나면, 전지 스택의 전지들은 전형적으로 그들의 건전 상태와 용량에 있어 변화하게 되며, 결과적으로는, 소정 시간의 충전/방전 동작시, 다른 전지들은 상이한 상태의 충전 및 저장된 잔여 충전량을 보유할 것이다.
전지들 간의 이러한 변화와 상호작용으로 인하여, 직렬 연결된 개개의 전지들은 그 전지의 조기의 고장으로 귀착되는 과도 스트레스(overstressed) 상태에 놓일 수도 있다. 충전 사이클 중, 만일 용량이 감소 된 성능이 저하된 전지가 그 연결 체인에 존재한다면, 일단 그 전지가 만충전 상태에 도달하고 나면, 해당 체인 내의 전지들 중의 나머지가 그의 만 충전에 도달할 때까지 과충전 상태에 놓일 위험성이 존재할 수도 있다. 그 결과, 온도 및 압력이 가중되어 해당 전지의 손상 가능성이 있게 된다. 매 충전-방전 사이클마다 더 약한 전지들은 더 약하게 되어 그 배터리가 고장 나게 될 것이다. 방전 중, 가장 약한 전지는 가장 큰 폭의 방전을 하게 되어 다른 것들보다 먼저 고장 나게 될 것이다. 더 약한 전지들은 나머지 전지들보다 앞서서 완전히 방전되기 때문에 그것의 전압이 역전될 가능성도 있어서, 또한 전지의 초기 고장으로 귀착될 것이다. 따라서, 직렬 연결된 전지들 또는 전지 모듈들(상기한 전지들의 다수가 병렬로 배열된)의 스택의 충전-방전 사이클에서 전지 충전 상태의 변화로 귀착되는 불균형한 전지 노화(cell aging)는 개개의 전지들의 높은 고장율 및 그 전지 스택의 전체적인 신뢰성 저하로 귀착될 수 있다. 불균형한 노화는 자기 균형(self-balancing) 동작을 하는 경향이 있는 병렬 체인에서는 덜 문제가 되는데, 그 이유는 병렬연결에서는 모든 전지들을 동일 전압에 유지하고, 동시에 외부 전압이 인가되던지 안 되던지 전하가 전지들 사이에서 이동하는 것을 가능케 하기 때문이다. 직렬연결 전지 스택에서 어느 한 전지가 고장 나면, 전체 배터리가 교체되어야만 하며 결과적으로 매우 비용이 많이 들게 된다. 새 전지의 특성은 직렬연결 체인에 있는 노화된 전지들과는 아주 상이할 수도 있고 고장은 곧 또다시 일어날 것이기 때문에 고장 난 개개의 전지를 교체하는 것은 문제를 해결하지는 않는다. 유사한 수명 및 사용량을 갖는 배터리들로 부품재생(cannibalising)을 수행하여 어느 정도의 재정비가 가능하지만, 이것은 새 전지로써 가능한 전지 신뢰성과 정합성의 수준을 결코 달성할 수는 없다.
전지들의 노화와 동작 조건들을 고려하는 이러한 문제점에 대한 동적인 해결책을 제공하기 위하여, 전지 단계의 충전 및 방전을 제어하도록 구성되는 배터리 관리 시스템(battery management system: BMS)은 개개의 전지들이 과도 스트레스 상태로 되는 것을 방지하고 충전시 전지-대-전지 변화를 최소화하기 위한 셀 밸런싱 모듈(cell balancing module)을 일체로 포함할 수도 있다. 이러한 시스템들은 해당 체인에 있는 각각의 전지의 전압(또는 SOC)을 모니터한다. 이어서 스위칭 회로들이 충전 과정(또는 가능하게는 방전 과정) 중에 그 체인에 있는 각각의 개별 전지에 인가되는 충전을 제어하여 해당 팩에 있는 모든 전지들 상에서의 충전을 균등화한다. 배터리 밸런싱 동작은 전지의 상대적인 충전 상태들 간의 단순히 소규모의 단기간, 즉 사이클-대-사이클 또는 사이클내(intra-cycle) 편차보다는 오히려 대규모의 장기간의 불균형(unbalance)을 방지하는 것을 의도하는 충전 상태 균등화를 수행한다. 이러한 배터리 밸런싱 및 배터리 재분배 기법은 직렬 연결된 복수의 전지들을 갖는 배터리 팩의 용량을 최대화하여 그의 에너지 모두를 사용 가능하게 만들고 배터리의 수명을 증가시킨다. 셀 밸런싱 모듈들은 휴대폰 및 랩톱 컴퓨터용의 BMS 리튬-이온 배터리 팩에서 종종 발견된다. 이것들은 또한 전기차 배터리 팩에서도 발견될 수 있다.
충전의 재분배가 없다면, 방전은 가장 낮은 용량을 갖는 전지가 비어 있을 때(다른 전지들이 아직 비어있지 않을지라도) 중단되어야 하는데, 이것은 배터리로부터 획득되고 그것으로 리턴 될 수 있는 에너지를 제한할 수 있다.
밸런싱 기능이 없다면, 가장 작은 용량의 전지는, 그것이 용이하게 과충전 또는 과방전될 수 있는 반면 더 높은 용량을 갖는 전지들은 단지 부분적인 사이클만을 겪게 되므로, 그 전지 스택에서 "약점(weak point)"이 된다. 더 높은 용량의 전지들이 가장 큰 진폭의 전(full) 충전/방전 사이클을 겪기 위해서는 전지 밸런싱 모듈은 더 약한 전지들을 "보호(protect)"하는 기능을 수행해야만 한다. 따라서, 밸런스가 이루어진 배터리에서, 가장 큰 용량을 갖는 전지는 임의의 다른 전지(즉, 더 약하거나 더 낮은 전지)를 과방전시키지 않고 채워질 수 있고, 그것은 임의의 다른 전지를 과방전시키지 않고 비워질 수 있다. 배터리 밸런싱은 가장 낮은 용량을 갖는 전지의 SOC가 그 배터리의 SOC에 동등하게 될 때까지 개별적인 전지들로부터/전지들에 에너지를 전달함으로써 수행된다.
전통적으로, 스택 밸런싱에는 두 가지의 접근 방식이 존재하는데, 즉 액티브 밸런싱(active balancing)과 패시브 밸런싱(passive balancing)이다.
패시브 밸런싱은, 개개의 전지의 전압들이 충전 과정에서 모니터 되고, 전지의 전압이 가장 낮은 전압의 전지의 그것을 선도하는 임의의 전지가 그 전지를 가로지르는 바이패스 저항을 주기적으로 스위칭하여 그 전지로부터의 충전 전류의 일부를 분기하도록 하는 과정이다. 바이패스 저항을 적용함으로써 전지의 충전 과정을 늦춰주고 가장 낮은 전압의 전지들이 따라잡는 것을 가능하게 하며, 이로써 충전의 최고점에서 모든 전지들이 동일한 전압을 유지하게 된다(전형적인 측정 공차 내에서).
패시브 밸런싱은 더 높은 자기-방전율에 종속되는(전형적으로 저장 또는 부착된 전자장치들을 통해) 스택 내의 임의의 전지들이 다른 전지들과 비슷하게 회복될 수 있는 '셀 스프레드(cell spread)'를 조정하기 위해 전형적으로 사용된다. 이 방법은 여전히 가장 약한 전지의 용량에 대해 종속하며, 전류가 충전의 최고점을 향해 둔화하고 있는 경우의 표준 정전류(constant current)/정전하(constant charge) 체계상에서 충전의 정점을 향하는 기간을 대체로 활용하며, 이로써 바이패스 밸런싱 저항이 더 효과적인 것으로 되게 해준다.
액티브 밸런싱은 DC 컨버터(또는 단순한 스위치형 커패시터들)를 이용하여 가장 강한 전지로부터 전하가 획득되고 그것이 가장 약한 전지로 이동되어 그 전지들을 밸런스 상태에 유지하도록 하는 과정이다. 이 접근 방식은 낮은 용량의 전지에 대해 보상하기 위한 충전뿐만 아니라 방전 중에 사용될 수도 있다. 상기한 패시브 밸런싱과 같이, 이것은 점감하는 충전(tapering charge) 동작 중에 대체로 더욱 효과적이다. 모든 개개의 전지들에 대해 동시에 독립적인 충전을 제공하는 것은 비현실적이기 때문에, 밸런싱 충전이 순차적으로 제공되어야만 한다. 각각의 전지에 대하여 충전 시간을 고려하면, 균등화(equalisation) 과정은 또한 시간 단위로 측정되는 충전 시간에 있어 매우 시간 소모적이다.
따라서, 구성 요소를 이루는 전지들을 효과적으로 밸런싱할 수 있는 것이 에너지 저장 및 공급원으로서의 응용에 있어 이차 전지 스택들의 신뢰성과 효율성에 중요하다.
본 개시가 고안된 것은 전술한 상황하에서 존재한다.
액티브 및 패시브 밸런싱 방법들 모두 전형적으로 Li-이온 전지들을 밸런싱하기 위한 용도로 설계된다. 본원 발명자는, 리튬-황(Li-S) 전지들은 한편으로는 그것들의 전압 프로파일(voltage profile)로 인하여 충전의 최종 10% 동안에 전압에 기초한 스택 밸런싱 기법들(stack balancing techniques)을 단지 실질적으로만 적용할 수가 있으며, 그리고 충전 과정은 내내 정전류이고, 어떠한 점감하는 충전 기간도 없어서, 밸런싱은 전체 충전 시간의 최종 십분의 일 동안에만 단지 실질적으로는 일어날 수 있다는 것을 인식하였다. 더욱이, 액티브 및 패시브 밸런싱 기법들 모두 다 효과적이기 위해서는 정확한 전압 또는 충전 상태 측정이 필요하다. Li-S 전지들에 대하여 충전의 제1단계에서, 전지 전압은 내내 안정 상태를 유지하여, 전지 전압의 정확한 측정과 구별을 어렵게 만들고, 또한 전압의 변화율이 측정 가능하게 증가하는 충전의 제2단계가 상대적으로 짧은 시간의 충전 사이클 동안 지속한다고 전제하면, 이러한 제2의 충전의 긴 기간에 전압과 상대적 충전 상태를 정확하게 판단하는 능력이 Li-S 전지들의 전지 밸런싱 체계를 효과적으로 구현함에 있어 필수적이다.
본원 발명자들은 따라서, Li-S 전지들에서, 전형적으로 낮은(수 mV 정도로) 전압 정확도와 실질적인 측정 해상도로 인하여, 전지의 액티브 또는 패시브 밸런싱 체계를 제어하기에 충분히 정확하게 측정된 전압 값들로부터 제2단계의 충전에 있어 충전 상태 또는 상대적인 용량 차이를 결정하는 능력이 제한된다는 것을 인식하였다.
이에 따라, 일 측면에 따르면, 본 개시는 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들의 적어도 두 개의 전지들, 또는 전지 모듈들(A 및 B) 간의 상대적 용량 및 충전 상태를 모니터하기 위한 장치를 제공하는 것으로서, 상기 장치는, 타이머; 전압 모니터링 회로로부터 입력된 신호들에 기초하여 직렬 연결된 리튬-황 전지들 또는 전지 모듈들의 각각에 걸치는 전압 강하를 모니터하도록 구성된 전압 모니터링 모듈; 및 상기 타이머 및 전압 모니터링 모듈에 접속되고, 상기 전지들이 정전류로 충전되는 충전 사이클 동안에, 충전 과정에서 선행하는 제1전지(전지 A)의 모니터된 전압이, 상기 모니터된 전압의 변화율이 측정 가능하게 증가할 때, 충전의 최고점 근처에 존재하도록 설정된 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 A)을 기록하고; 상기 충전에 후속하는 전지 B의 모니터된 전압이 상기 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 B)를 기록하고; 상기 선행하는 상기 전지 A의 모니터된 전압이 실질적으로 충전의 의제 최고점(deemed top of charge)에 있도록 설정된 제2전압 V2(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T2(전지 A)를 기록하고; T2(전지 A)에서 후속하는 전지 B의 모니터된 전압 V2(전지 B)를 기록하고; 그리고 적어도 T1(전지 A), T1(전지 B), V2(전지 A) 및 V2(전지 B)에 기초하여, 전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준을 결정하도록 구성되는 전지 모니터링 모듈을 포함한다.
본 발명의 이러한 측면에 따르면, 여기에서 보는 바와 같이, 스택에서 상이한 전지들이 소정의 전압들에 도달하는 타임스탬프들을 이용함으로써(Li-S 응용에서 충전 중의 전지 전압보다 시간을 더 정확하게 측정할 수 있으므로), 충전 상태의 측정, 특히 상이한 전지들 간의 상대적 충전 상태 및 용량이 정확하게 확인될 수 있다. 즉, 본원 발명자들은, 시간이 실제로는 Li-S 충전 체계에서 전압보다 훨씬 더 정확하게 측정될 수 있고, 또한 Li-S 전지 충전은 정전류이므로, 충전 시간 그 자체가 용량의 지표(indicator)로 활용될 수가 있다는 것을 인식하였다. 따라서, 전지 스택에 있는 다른 전지들이 상이한 측정 전압들에 도달하는 시간을 측정함으로써, 단지 전압 차만을 측정함으로써 이루어지는 것보다 해당 전지들의 상대적 용량들 및 충전 상태들의 훨씬 더 정확한 측정이 실현될 수가 있다. 이것은 특히 전지들이 제2의 충전 단계에서 충전의 최고점에 근접하게 전압 증가분에 걸쳐 충전하는 데에 걸린 시간을 측정함으로써 달성될 수 있다.
제2 전압이 실질적으로 충전의 의제 최고점(deemed top of charge)에 있거나 또는 그것에 근접할 경우, 이것은 충전의 의제 최고치의 대체로 0.5% SOC 내에, 또는 대체로 1% SOC 내에, 또는 대체로 1.5% SOC 내에, 또는 대체로 2% SOC 내에, 또는 대체로 2.5% SOC 내에, 또는 대체로 3% SOC 내에, 또는 대체로 4% SOC 내에, 또는 대체로 5% SOC 내에 존재할 수 있다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은, 전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준으로서, 전지 A가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간과, 전지 B가 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 예상되는 지속시간 사이의 상대적 시간차를 결정하도록 더 구성된다. 실시 예들에 있어, 상기 전지 모니터링 모듈은 전지 A와 전지 B가 하기의 수식을 이용하여 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간 간의 상대적 시간차를 계산하도록 구성되는바:
[수학식 1]
여기서, 는 전압 증가분에 대한 dV/dt의 의제 값이다. 이것은 전지들을 밸런싱하도록 충전 밸런싱 회로의 제어에 사용 가능한 시간차를 제공할 수가 있다.
실시 예들에 따르면, 전압 증가분에 대한 dV/dt의 상기 의제 값은, 전지 B와 같은 변화율 및 충전 효율로 충전할 때, 전압 V1에서 전압 V2로의 전지 A에 해당하는 타입의 정격 리튬-황 전지에 대해 시간에 대한 전압의 평균 변화율로서 계산된다. 대안으로서, 실시 예들에 따르면, 전압 증가분에 대한 dV/dt의 의제 값은 해당 전지에 대해 T1과 T2 간의 전지 A 또는 전지 B에 대하여 시간에 대한 전압의 측정된 평균 변화율로서 계산된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은, 전지 A 및 전지 B 간의 상대적 용량 차이에 대하여, 전지 A 및 전지 B가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간 간의 상대적 시간차를 전지 A가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 전압 증가분에 걸쳐서 충전하기 위한 지속시간으로 나누기 연산을 하여 계산되도록 구성되는바, 즉 하기의 수식에 의해 계산된다:
[수학식 2]
이것은 충전 시간에 기초하는 백분율 차이를 제공하며, 이로써 전지들 간의 상대적 용량 차이를 예시한다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은, T1에서 T2의 시간 기간에 대하여 예상되는 용량과 측정된 충전의 함수로서 계산되는 충전 효율을 고려한 직렬 접속된 다수의 리튬-황 전지들의 각각에 대해 전지들 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준을 결정하도록 더 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은 하기의 수식을 계산함으로써 T2(전지 A)에서 (정격 전지 - 전지 A에 대하여) 상기 전지들 중의 전지 x의 방전의 정도 또는 상대적 SOC를 결정하도록 더 구성된다:
[수학식 3]
전지 x의 상기한 계산된 방전의 정도는, 기준 전지에 관한 해당 전지의 상기 계산된 상대적 용량과 함께, 전지들을 밸런싱하는 충전 밸런싱 회로의 제어에 사용될 수 있다.
실시 예들에 따르면, 상기 다수의 전지들 중의 하나의 전지에 대해 전압 측정 오차에 대해 보상하기 위하여, 상기 전지 모니터링 모듈은: 시간상으로 전지에 대해 상기 모니터된 전압 측정값들을 분석하여, 상기 전지가 V1(전지 A)로부터 V2(전지 A)를 향해 충전할 때 기지의 전압(Vf)에서 전지 A와 동일한 타입의 리튬-황 전지들의 충전 프로파일에서 발생하는 것으로 알려진 전압 곡선 특성의 측정된 관찰 전압(Vm)을 확인하고; 그리고 전지 Ve의 전압 측정 오차를 Vm - Vf 로서 계산하도록 더 구성된다. 소정의 전압에서 일어나는 것으로 알려진 충전 곡선에서의 특징의 상기 측정된 전압을 결정함으로써, 임의의 측정 오차들이 해당 전지들에 대해 보정되고 제거될 수 있으며, 이것은 전지들에서 더 정확한 충전 및 상대적 용량 차이의 악화의 감소를 가능하게 한다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은, 다수의 전지들 중의 어느 하나의 전지에 대하여 상기 모니터된 전압 측정값들에서, V1과 V2 간의 기지의 전압(Vf)에서의 충전 프로파일에서 발생하는 것으로 리튬-황 전지들의 테스트를 통해 알려진 충전 곡선의 특징에 해당하는 측정된 관찰 전압(Vm)을 확인하도록 구성된다.
실시 예들에 따르면, 충전 곡선의 상기한 기지의 특징은 변곡점(inflection point)이며, 그리고 상기 다수의 전지들 중의 하나의 전지에 대해 모니터된 전압 측정값들에서, 충전 곡선의 변곡점에 해당하는 측정된 관찰 전압을 확인하기 위해, 상기 전지 모니터링 모듈은, dV/dt가 변곡의 어느 측면에서 증가 및 감소할 때 전지 dV/dt에 대하여 모니터된 전압의 변화율이 일단의 소정의 값들에 도달하는 타임스탬프들을 기록하고; dV/dt의 증가 및 감소 값들에 해당하는 타임스탬프들 간의 중간점이 발생하는 시점을 평가하고; 그리고 중간점에서 관찰된 모니터된 전압을 변곡점에 대해 모니터된 관찰 전압으로서 평가하도록 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은, V1과 V2 간의 기지의 전압에서의 충전 프로파일에서 일어나는 것으로 리튬-황 전지들의 테스트를 통해 알리어져 있는, 전지에 대해 상기 모니터된 전압 측정값들에 있어, d2V/dt2가 최대인 시점에 해당하는 측정된 관찰 전압을 확인하도록 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은 임의의 관찰된 전압 측정 오차 Ve에 기초하여 T2(전지 A)에서 충전된 용량 계산을 조절함으로써 해당 전지에 대해 실질적인 충전된 용량을 획득하도록 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 모니터링 모듈은 해당 전지에 대해 임의의 관찰된 전압 측정 오차 Ve에 기초하여 전지에 대해 모니터된 전압 값들을 정정하도록 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 장치는 다수의 전지들에 걸쳐 충전을 밸런싱하기 위하여, 전지 밸런싱 제어 모듈을 더 포함하되, 상기 전지 밸런싱 제어 모듈은 하나 또는 다수의 전지들 간에 상대적 충전을 액티브 방식 또는 패시브 방식으로 조절하도록 상기 전지 밸런싱 제어 모듈에 의해 동작 가능한 전지 밸런싱 회로에 접속되고, 상기 전지 밸런싱 제어 모듈은 또한 상기 전지 모니터링 모듈에 접속되고, 다수의 전지들 간의 상대적 용량 차이(들)을 나타내는 측정기준에 관하여, 상기 전지 모니터링 모듈로부터 입력된, 하나 또는 다수의 값들, 및 충전의 최고점에서 하나 또는 다수의 전지들의 SOC 변화의 정도를 나타내는, 상기 전지 모니터링 모듈로부터 입력된, 하나 또는 다수의 값들 중의 하나 또는 다수에 기초하여, 상기 다수의 전지들에 걸치는 충전 상태가 더욱 밸런싱이 이루어지도록 방전 과정에서 또는 정전류 충전 과정에서 상기 전지 밸런싱 회로의 동작을 제어하도록 구성된다. 이러한 방식으로 전지 밸런싱 회로를 제어하는 전지 밸런싱 제어 모듈을 제공함으로써, 상기 장치는 다수의 Li-S 전지들이 그들의 동작을 균등화하고, 그 수명을 연장하고, 사용시 그것들로부터 더 큰 용량을 추출하도록 밸런싱이 가능하다. 일단 상대적 용량 및/또는 충전 상태가 알려지고 나면, 다양한 충전 밸런싱 체계가 가능하게 된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 상기 전지 밸런싱 회로는, 상기 전지들이 더욱 밸런싱이 이루어지도록, 모두 함께: 정전류 충전 과정 중, 충전 과정을 정지하여 상기 전지 모니터링 모듈에 의해 계산되는 시간 기간에 기초하여 가장 강한 전지들로부터 상대적 충전량이 인출되도록 하고, 이로써 다수의 전지들 모두가 가장 약한 전지와 일치하도록 하며; 그리고 이어서, 충전을 재개하여 모든 전지들을 채우도록 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 상기 전지 밸런싱 회로는, 상기 전지들이 더욱 밸런싱이 이루어지도록, 저장 상태 중, 하나 또는 다수의 전지들로부터 다른 전지들로 연장된 시간 기간에 대하여 기지의 충전 양을 전환시켜 다수의 전지들에 걸쳐 충전 상태를 균등화하도록 함께 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 상기 전지 밸런싱 회로는, 상기 전지들이 더욱 밸런싱이 이루어지도록, 방전 과정 중, 하나 또는 다수의 전지들로부터 다른 전지들로의 기지의 충전 양을 전환하여 다수의 전지들에 걸쳐 충전 상태를 균등화하도록 함께 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 전지 밸런싱 회로는, 만일 충전 전압의 최고점에 전압 측정 오차를 통해 도달된 것으로 상기 전지 모니터링 모듈에 의해 결정된다면, '과충전(over charge)'의 기간 동안 충전 과정을 계속하여 상기 전지들에 대해 실질적인 100% 충전 상태에 도달되는 것을 가능하게 하도록 함께 구성된다.
실시 예들에 따르면, 상기 장치는 하나 또는 다수의 프로세서들 및 컴퓨터로 판독 가능한 명령들을 저장하는 매체를 더 포함하되, 상기 명령들은, 하나 또는 다수의 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 프로세서 또는 프로세서들이 전술한 장치 및 실시 예들의 하나 또는 다수의 상기 타이머, 상기 전압 모니터링 모듈, 상기 전지 모니터링 모듈, 및 상기 전지 밸런싱 제어 모듈을 구현하도록 한다.
실시 예들에 따르면, 상기 장치는 직렬 연결된 리튬-황 전지들 각각에 걸쳐 전압 강하를 측정하고, 상기 측정된 전압 강하를 나타내는 신호들을 상기 전압 모니터링 모듈에 제공하도록 구성된 전압 모니터링 회로를 더 포함한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 개시는 다수의 리튬-황 전지들 또는 상기 다수의 리튬-황 전지들에 접속하기 위한 에너지 시스템 컨트롤러를 포함하는 배터리 관리 시스템을 제공하되, 상기 배터리 관리 시스템은 적어도 두 개의 전지들 간의 상대적 용량과 충전 상태를 모니터하고 상기 전지들이 더욱 밸런싱이 되도록 배치된 전기한 측면 및 실시 예에 따른 장치를 포함한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 개시는 명령들을 저장하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체를 제공하되, 상기 명령들은 적어도 두 개의 전지들, 또는 전지 모듈들, 즉, 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들의 전지 A 및 전지 B 간의 상대적 용량 및 충전 상태를 모니터하기 위한 장치의 하나 또는 다수의 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 프로세서 또는 프로세서들이 전술한 측면들 및 실시 예들에 따른 상기 장치의 상기 타이머, 상기 전압 모니터링 모듈, 상기 전지 모니터링 모듈, 및 상기 전지 밸런싱 제어 모듈 중의 하나 또는 다수를 구현하도록 한다.
또 다른 측면에 따르면, 본 개시는 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 중의 적어도 두 개의 전지들 또는 전지 모듈들(A 및 B) 간의 상대적 용량 및 충전 상태를 모니터하기 위한 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은: 전압 모니터링 회로로부터 입력된 신호들에 기초하여 직렬 연결된 리튬-황 전지들 또는 전지 모듈들의 각각에 걸쳐 전압을 모니터하는 동작; 및 상기 전지들이 정전류로 충전되는 충전 사이클 동안, 충전에서 선행하는 제1전지(전지 A)의 모니터된 전압이, 모니터된 전압의 변화율이 측정 가능하게 증가할 때, 충전의 최고치 근처에 존재하도록 설정된 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 A)을 기록하는 동작; 충전에 후속하는 전지 B의 모니터된 전압이 상기 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 B)를 기록하는 동작; 선행하는 상기 전지 A의 모니터된 전압이 실질적으로 충전의 의제 최고점에 있도록 설정된 제2전압 V2(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T2(전지 A)를 기록하는 동작; T2(전지 A)에서 후속하는 전지 B의 모니터된 전압 V2(전지 B)를 기록하는 동작; 및 적어도 T1(전지 A), T1(전지 B), V2(전지 A) 및 V2(전지 B)에 기초하여, 전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이 또는 상대적인 충전 상태의 변화를 나타내는 측정기준을 결정하는 동작을 포함한다.
제1 측면에 따른 상기 장치의 실시 예들에 있어 구현되는 전술한 선택적인 특징들은 또한, 전술한 방법의 실시 예들에 따라 실행되는 선택적인 과정들로서 여기에 개시되는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
이하, 본 개시의 여러 가지의 측면들의 몇몇 실시 예들이 예를 드는 방식으로 기술될 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 전지 스택에서 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한 장치(100)를 개략적으로 예시하는 도면이다.
도 2는 충전 시간에 대해 C/10의 충전율을 갖는 정전류 충전 사이클에 대하여 단일한 Li-S 전지에 대한 전지 전압의 예시적인 도표이다.
도 3은 도 2에 도시된 전지의 충전 곡선에 근접하게 그려진 하나의 전지에 대하여 충전 곡선에서의 용량 손실의 효과를 예시하는 C/10 정전류 충전 과정에 대한 전압 도표이다.
도 4는 도 2에 도시된 전지의 충전 곡선에 근접하게 그려진 하나의 전지에 대하여 충전 곡선에서의 더 큰 폭의 방전의 효과를 예시하는 C/10 정전류 충전 과정에 대한 전압 도표이다.
도 5는 도 2에 도시된 전지의 충전 곡선에 근접하게 그려진 하나의 전지에 대한 충전곡선에서의 전압 측정 오차의 효과를 예시하는 C/10 정전류 충전 과정에 대한 전압 도표이다.
도 6은 Li-S 전지 충전의 제2단계에서 dV/dt 최고점의 중심을 확인하기 위한 타임 스탬핑(tiem stamping) 방법을 도시한다.
도 7은 일 실시 예에 따른 전지 스택에 있어 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한 방법을 구현하는 과정의 흐름도를 도시한다.
이하, 전지 스택(cell stack)에서 직렬 연결된 다수의 리튬-황(Lithium Sulfur) 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한 장치(100)를 개략적으로 예시하는 도면인, 도 1을 참조하여 설명한다. 이 경우, 전지 스택(120)은 직렬 연결되어 적어도 초기에는 동등한 정격 용량들을 갖는 개념적으로 동일한 전지들(121A, 121B, 121C)을 포함하되, 상기 전지들은 방전 사이클에서는 전지들에 저장된 전기화학적 에너지를 변환함으로써 부하(미 도시)에 전하를 제공하고 또한 정전류 충전 사이클에서는 전하를 저장하도록 한다. 대안적인 실시 예들에 있어, 3개를 초과하거나 3개 미만의 Li-S 전지들이 전지 스택에 제공될 수도 있으며, 하나 또는 다수의 전지들이 개별적인 전기화학적 전지로서 또는 병렬 연결된 2개 이상의 전지를 포함하는 셀 모듈로서 제공될 수도 있다.
전지 스택(120)에서 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한 상기 장치(100)는 도 7과 관련하여 후술하는 것과 같은 모니터링, 프로세싱 및 제어 기능을 수행하는 하나 또는 다수의 논리적 모듈들을 구현하는 마이크로컨트롤러(110)를 포함한다. 상기 마이크로컨트롤러(110)는 다수의 전압 모니터들(131A, 131B, 131C)을 포함하는 전압 모니터링 회로(130)에 의해 전지 스택(120)의 전지들에 접속되며, 그 각각의 모니터는 상기 전지 스택의 측정된 전지를 가로지르는 전압 강하를 나타내는 아날로그 전압 신호를 출력하는 비교기를 구비하고 있다. 각각의 전압 모니터(131A, 131B, 131C)는 그 각각의 리튬-황 전지 또는 전지 모듈을 가로지르는 전압 강하를 측정하고 또한 입력 포트들(111A, 11B, 111C)에서 상기 마이크로컨트롤러(110)로 상기 측정된 전압 강하를 나타내는 신호를 각각 제공하도록 구성된다. 상기 전압 모니터링 회로(130) 및/또는 전지 스택(120)은 다수의 리튬-황 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한 상기 장치(100)의 일부로서 제공되어도 좋다. 대안으로서, 상기 전압 모니터링 회로(130) 및/또는 전지 스택(120)은 생략될 수도 있으며, 다수의 리튬-황 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한 상기 장치(100)는 이러한 특징들이 없는 마이크로컨트롤러를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 장치(100)는 Li-S 전지 스택, 전압 모니터링 회로 및 충전 밸런싱 회로와 접속되어 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하고 상기 충전 밸런싱 회로를 제어하여 상기 전지들을 균등화하도록 구성되는 에너지 시스템 컨트롤러의 일부로서 제공될 수도 있다.
실시 예들에 따르면, 다수의 리튬-황 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한 상기 장치(100)는 마이크로컨트롤러(110)에 의해 구성된다. 선택적인 실시 예들에 있어, 마이크로컨트롤러(110) 대신에, 본 개시의 측면들을 구체화하는 논리 모듈들을 구현하는 임의의 다른 적절한 데이터 프로세싱 수단이 제공될 수도 있을 것이다. 예를 들면, 상기 논리 모듈들은 플래시 RAM과 같은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장된 명령들에 의해 프로그램 제어 하에 동작하도록 구성되는 CPU와 같은 범용 마이크로프로세서에 의해 구현될 수도 있다.
상기 마이크로컨트롤러(110), 또는 다른 실시 예들에서의 다른 장치, 즉 적절하게 구성된 데이터 프로세싱 장치는 타이머(112), 전압 모니터링 모듈(113), 전지 모니터링 모듈(114), 및 전지 밸런싱 제어 모듈(115)을 포함한다. 상기 전압 모니터링 모듈(113), 전지 모니터링 모듈(114), 및 전지 밸런싱 제어 모듈(115)은 논리 모듈들을 예시하도록 RAM(116)에 저장된 관련 펌웨어의 프로그램 제어 하의 마이크로컨트롤러(110)의 동작에 의해 마이크로컨트롤러(110)의 RAM(116)에서 예시될 수도 있다.
타이머(112)는 경과된 시간의 표시를 출력하도록 구성되며, 소프트웨어 또는 수정(quartz) 기반의 전자 타이머와 같은 전자 발진기(electronic oscillator)를 이용하여 마이크로컨트롤러(110)에 구현될 수도 있다.
광의의 용어로, 전압 모니터링 모듈(113)은 전압 모니터링 회로(130)에서부터 마이크로컨트롤러의 포트들(111A, 111B, 111C)에 입력된 신호들에 기초하여 직렬로 배열된 리튬-황 전지들 또는 셀 모듈들 각각에 걸치는 전압 강하를 모니터하도록 구성된다. 전형적으로, 상기 전압 모니터링 모듈(113)은 마이크로컨트롤러의 일부로서 제공되는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(미 도시)에 의해 정량화되는 입력 포트들(111A, 111B, 111C)에서 수신되는 아날로그 전압 신호들의 디지털 표시 값을 입력으로 수신하도록 구성되는 마이크로컨트롤러(110)에서 구현되는 하나의 논리적 요소이다. 상기 마이크로컨트롤러는, 예컨대, 12비트 ADC를 이용하여 상기 수신된 전압 신호들을 변환할 수도 있는데, 이것은 2.35V의 충전 값의 의제 최고치(deemed top)까지에 이르는 측정 전압들의 범위에 대해 0.6mV 정도에서 측정 해상도(measurement resolution)를 갖는 전압 모니터링 모듈(113)로 귀착될 것이다.
상기 전지 모니터링 모듈(114)은 타이머(112)와 전압 모니터링 모듈(113)에 접속되며, Li-S 전지들이 정전류로 충전되는(이들이 전형적으로 그러듯이) 충전 사이클 동안 전지들 간의 상대적인 용량 차이를 나타내는 측정기준(metric)을 결정하도록 구성된다. 전지 모니터링 모듈(114)은 또한 전지들의 방전의 정도 또는 충전 상태를 결정하도록, 그리고/또는 전지들의 전압 측정 오차를 결정하도록(예컨대, 전압 모니터링 회로(130)로 인한) 구성될 수도 있다.
전지 밸런싱 제어 모듈(115)은 전지 스택(120)에 있는 다수의 전지들에 걸쳐 충전을 밸런싱 하기 위한 것이다. 상기 전지 밸런싱 제어 모듈(115)은 하나 또는 다수의 전지들 간의 상대적 충전을 액티브 또는 패시브하게 조절하도록 전지 밸런싱 제어 모듈(115)에 의해 (직접적으로 또는 간접적으로) 동작 가능한 전지 밸런싱 회로(미도시)에 접속된다.
이하, 실시 예들에 있어 전지 스택에서 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 간의 상대적 용량과 충전의 상태를 모니터하기 위한, 상기 장치(100)에 의해 실행되는, 방법(700)을 예시하는 과정의 흐름도인 도 7을 참조하여 설명한다.
먼저, 과정 701에서, 정전류 충전 사이클의 시작 시점에서, 상기 타이머(112)는 리셋될 수도 있고, 또는 충전 사이클의 개시 시간이 타임스탬프(time stamp)(T0)로서 기록되는 반면, 전압 모니터링 모듈(113)은 상기 스택(120)에서의 각각의 전지의 전압을 모니터한다.
다음으로, 과정 702에서, 전지 모니터링 모듈(114)은 각각의 전지에 대해 그 전지의 모니터된 전압이 V1에 도달하는 타임스탬프(T1)(전지 121A, 전지 121B,...)를 기록한다. 여기서, V1은, V2에 존재하는, Li-S 전지에 대하여 충전의 의제 최고치에 가까운 소정의 백분율(percentage)로 표시된 전압인 것으로 선택된다. V1 및 V2 양자는 Li-S 전지들을 위한 충전의 제2단계 내에 존재하는 것으로 취해지는데, 여기서 전압 변화율은 측정 가능하게 증가한다. 여기에 개시된 예들에 있어, V1은 2.30V로 취해지고, V2는 2.35V로 취해진다. 그러나 대안적인 실시 예들에서는, 이러한 분석을 위해 적절한 다른 전지 전압들을 선택하여도 좋다.
이어서, 상기 모니터된 전지 스택의 제1전지가 충전의 말미, 즉, V2에 도달할 때, 상기 전지 모니터링 모듈(114)은 또 다른 타임스탬프, 즉 T2를 기록한다. 동시에, 상기 전지 모니터링 모듈(114)은 또한 T2에서 다른 전지들의 모니터된 전압들을 기록한다.
따라서, 모든 전지들이 각각의 전지에 대해 동일한(즉, 2.30V인) 제1전압(V1)에 도달하고 나면, 상기 전지 모니터링 모듈(114)은 전지들이 각각 V1에 도달하는 상이한 시점들 T1(121A), T1(121B), T1(121C)을 기록하게 된다. 이어서, 상기 제1 또는 '선두(leading)' 전지가 충전 전압의 의제 최고치에 도달하였을 때, 전지 모니터링 모듈(114)은 각각의 전지에 대해 동일한 스탬프(T2)와, 각각의 전지에 대해 상이할 수도 있는, 각 전지에 대해 모니터된 전지 전압, 즉 V2(121A), V2(121B), V2(121C)를 기록한다.
이어서, 전지 모니터링 모듈(114)은 이러한 타임스탬프들과 모니터된 전지 전압들을 상기 전지 모니터링 모듈(114)에 전달한다.
도 2는 타이머(112)에 의해 제공되는 것과 같은 충전 시간에 대하여 C/10의 충전율을 갖는 정전류 충전 사이클 동안 전지 모니터링 모듈(114)에 의해 모니터 되는 하나의 전지(121A)에 대한 전지 전압의 도표이다. 통상적으로, 상기 전지가 2.35V의 충전 전압의 최고치에 도달할 때, 충전과정은 중단된다. 그렇지만, 도 2에서 과충전(overcharge) 기간 동안의 전압이 예시적으로 도시된다.
상기 전지(121A)는 해당 전지 타입에 대한 그의 정격 용량에 따라서 동작하고 있다. 도 2는 그 전지(121A)가 전압 V1 = 2.30V 및 V2 = 2.35V에 도달하는 시점들 T1, T2를 예시한다. 즉, 전지(121A)가 V2 = 2.35V에 도달하는 시점 T2는 T0로부터 670분인 것으로 측정된다.
명목상으로는, C/10 충전율로써, 완전히 고갈된 배터리로부터 충전하는 예상 시간은 10시간(즉, 600분)일 것이다. 실제로는, 상기 전지들은 충전 기간을 연장하는 '비-완전(non-perfect)' 충전 효율을 보여줄 것이다. 도 2에서, 이러한 예로서, 2.35V(V2)까지의 충전 지속시간은 670분(T0가 완전 방전에서부터 이었다고 간주하면)인데, 이것은 600/670 또는 89.5% 충전 효율을 제공하는 것이다.
충전 효율을 고려하면, V2는 본 예에서 2.35V로 설정되는 충전 전압의 끝단인 것으로 취해지며, V1은 본 예에서는 2.30V인 충전 상태가 95%일 공칭 전압 지점인 것으로 취해진다. 따라서, V1과 V2 간의 공칭 충전 지속시간은 33.5분(즉, 670*0.05)이다. 이것은 상기 측정된 전압 V1(전지 121A)=2.30V이 636.5분(즉, 670*0.95)인 시간에 의해 확인된다.
따라서, 충전 상태(SOC)의 이러한 시간적 표현을 고려하면, 1% SOC는 10mV 측정 해상도 또는 6.7분의 충전 지속시간을 나타내고, 1분의 충전은 1.49mV의 전지 전압 증가와 같다. 상기한 측정값들은 시간에 대해 참조가 이루어지기 때문에, 전압 측정의 절대적 정확성은 중요하지 않고, 따라서 모든 전압들은 상대적이다.
다음으로, 과정 703에서, 전지 모니터링 모듈(114)은 전지들 간의 상대적인 용량 차이를 결정하고; 과정 704에서는, 상기 전지 모니터링 모듈(114)은 전지들에 대해 방전의 상대적인 정도를 결정하고; 그리고, 과정 705에서는, 전지들에 대한 전압 측정 오차가 결정된다.
따라서, 2.30V와 2.35V 사이의 충전시의 전지들에 대해 관련 측정 전압들과 타임스탬프들 상의 이러한 차이들의 효과는 그들의 효과를 배분하는 것으로 판단된다. 이러한 요인들 각각의 효과들에 관한 예시는 도 3, 4, 및 5에 도시되어 있다. 그러나 도 2-4에 도시된 전지들(121B, 121C 및 121D)에 대한 충전 곡선들의 표현은 실제 데이터에 근거하지는 않지만, 그 대신에, 충전 상태의 차이 및 측정 오차에 대하여 하나의 전지에서의 충전 손실의 과장된 효과를 예시하도록 제공되고 있다는 것을 유념하여야 할 것이다.
상대적인 용량 차이의 효과는 도 3에 예시된다. 여기서, 전지 121B에 대하여 C/10 정전류 충전 과정에 대한 전압 도표는 전지 121A에 관한 충전 곡선에 가까이 구성된다. 전지 121B가 전지 121A를 선행(리드)한다는 것이 이해될 수 있다. 이것은 전지 121B가 이전의 방전 사이클에서 전지 121A보다 더 큰 폭의 방전을 하였기 때문이거나, 그리고/또는 전지 121B가 그의 정격 용량 중의 일부를 상실하였고 따라서 전지 121A보다 더 빨리 100% SOC로 충전되었기 때문일 수도 있다. 그렇지만, 도 3에 대해 더욱 자세히 살펴보면, 전지 121B를 2.30V에서 2.35V로의 전압 증가분에 걸쳐 충전하는 데에 걸리는 시간은 전지 121A를 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하는 데에 걸리는 시간보다 더 작다는 것이 이해될 수 있다. 이것은 전지 121B가 121A보다는 더 빨리 95%에서 100% SOC로 충전하고 있으며, 따라서 전지 121B는 약간의 용량 손실을 겪었기 때문이다. 전압 증가분에 걸쳐서 이러한 충전 지속시간의 차이가 존재하는 경우, 이것은 전지들 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 것이다.
도 4에서는, 대조적으로, 전지 121C를 2.30V에서 2.35V로의 전압 증가분에 걸쳐 충전하는 데에 걸리는 시간은 전지 121A를 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하는 데에 걸리는 시간과 같다. 이 경우, 전지 121A가 전지 121C보다 더 낮은 폭의 방전을 겪기 때문에 전지 121C는 전지 121A에 선행한다. 따라서, 전압 증가분에 걸쳐서 충전 지속시간에 있어 어떤 차이도 존재하지 않지만, 하나의 셀이 또 다른 셀에 선행하는 경우, 이것은 전지들 간의 상대적인 충전 상태 차이를 나타낸다.
도 5에서, 전지들(121D 및 121A)은 동일 용량을 가지며(이것들이 2.30V에서 2.35V로의 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간이 동일하다는 관점에서), 이것들은 동시에 2.35V에서 충전의 최고치에 도달하는 것으로 보인다. 따라서, 그것들은 동일한 충전 상태를 갖는 것으로 보일 것이다. 실제로는, 전지 121D는 상대적으로 낮은 충전 상태를 갖는 전지 121A로 인하여 전지 121A에 실질적으로 선행한다. 그러나 이것은 동시에 2.35V에 도달하는 전지들 121A 및 121D로부터는 명백하지 않은데, 그 이유는 그것이 전압 측정 오차를 갖는 상기한 전지 121D에 의해 마스크 되기 때문이다. 그러한 전압 측정 오차의 존재 여부는 Li-S 전지들에 대하여 충전 곡선의 특징이 전지들 121A 및 121D에 대한 곡선에서 어떤 전압에서 일어나는지, 즉, 주어진 전압에서 그 특징이 어디에서 일어나는 것으로 알려지는지를 전지 모니터링 모듈(114)이 결정함으로써 그 차이를 분명하게 보여줄 수 있다. 예를 들면, Li-S 전지들에 있어, 전압의 변화율이 그의 최고치의 중심에 도달하고 다시 감소하는 충전의 제2단계에서의 변곡점은 동일한 정격 전지들 사이에서는 변함없는 약 2.33 - 2.34V의 전압에서 일어나는 것으로 판명되었다. 따라서, 상기 전지들(121A 및 121D)에 대해 전압의 변화율이 그의 최고치에 도달하는 전압들 간의 어떤 차이가 존재하는 여부를 결정함으로써, 해당 전지들에 대하여 전압 측정 오차의 존재 여부가 확인 가능하다.
이것은 제2 충전 단계에서 전압의 변화율(dV/dt)의 측정된 값을 도표로 나타내는 도 6에서 이해될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, dV/dt가 그의 최대치인 기간은 용량의 약 1-2%에 관련되는, 수 분에 걸쳐 이어질 수 있다. 이러한 참고적 특징에 대해 더 정확한 전압을 획득하기 위해, 상기 전압 모니터링 모듈은 dV/dt 율이 증가하다가 다시 dV/dt가 감소 중에 있을 때 타임스탬프들을 취하도록 구성될 수 있는데, 이로써 최고치의 어느 한쪽에서의 유사한 지점들에서 중간점 시간 값이 결정될 수가 있다. 즉, 시간들 T3 및 T4가 결정 가능한데, 여기서 dV/dt(T3) = -dV/dt(T4)이다. 상기 중간점 시간 값(Tf)이 결정 가능한데, 여기서 Tf = T3 + (T4-T3)/2 이다. 상기한 측정된 시간 값(Tf)에서의 전압은 다른(또는 정격) 전지들에 대하여 상기 측정된 값에서의 전압과 비교될 수 있으며, 임의의 전압 측정 오차가 확인되고 그에 대해 보정될 수 있다. 대안으로서는, 다른 전지들 간의 이러한 기지의 특징에 대하여 상기 측정된 시간 값(Tf)의 차이는 기지의 충전 지점(약 97%로 일어나는)에 도달하는 각각의 전지의 차이이다. 이러한 방법은 그러한 시간적 차이를 판단하기 위해 단독으로 사용될 수도 있지만, 그것만으로는 용량 차이 또는 충전 상태의 차이들로 인하여 하나의 전지가 다른 전지에 선행하는지 아닌지를 명확하게 할 수는 없다.
그럼에도 불구하고, 전지가 97%에 도달했어야만 하는 시점(이것은 다른 전지들에도 모두 관련됨을 고려하여)과 T1 및 T2에 기초한 계산된 시점을 알게 됨으로써, 상기한 둘 간의 어떤 편차는 전압 측정 오차의 탓으로 돌릴 수 있으며, 따라서, Tf에 기초하여 다른 전지들과 비교되는 실제의 충전 상태가 계산될 수 있다. 따라서, 전지 밸런싱(cell balancing)의 정도는 이전에 계산된(방법 1) 상대적 용량들에 기초해 결정될 수 있다.
충전 곡선들에서 확인할 선택적인 특징은 시간에 관하여 전압의 이차 도함수(second order derivative)가 최대치에 도달하는 지점일 것인데, 왜냐면 이것은 전지 별로 불변인 안정 전압에서 다시 일어나는 더욱 정의된 지점이기 때문이다.
이 방법들 중의 어느 것에 의하여, 충전 기준 지점들에 대해 비교함으로써 어떤 전지가 기지의 마커에 먼저, 또한 얼마만큼, 도달하였는지를 결정할 것이며, 이로써 밸런싱 동작이 필요한 곳에 적용될 수 있도록 한다.
전술한 것을 실행하기 위해, 과정 703에서, 전지 모니터링 모듈(114)은 전지들 간의 상대적인 용량 차이를 나타내는 측정기준(metric)을 결정한다. 이것을 위해, 전지 모니터링 모듈(114)은 하기의 수식을 사용하여 전지 A와 전지 B가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하는 지속시간 사이의 상대적 시간 차를 계산한다:
[수학식 1]
여기서, 는 전압 증가분에 대한 dV/dt의 의제 값이며, 이것은 전지 B와 동일한 충전율과 충전 효율로 충전할 때 전압 V1으로부터 전압 V2로의 전지 A에 해당하는 종류의 정격 리튬-황 전지에 대하여 시간에 대한 전압의 평균 변화율이다. 대안으로서, 전압 증가분에 대한 dV/dt의 의제 값은 해당 전지에 대하여 T1과 T2 사이의 전지 A 또는 전지 B에 대한 시간에 대한 전압의 측정된 평균 변화율로서 계산된다. 전지들 A와 B 사이의 상대적 용량에 대하여 상기한 시간차 측정기준은 그것을, 하기의 수학식과 같이, 전지 A가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 전압 증가분에 걸쳐 충전하는 지속시간에 의해 나누기를 함으로써 상대적 용량의 백분율로 변환될 수 있다:
[수학식 2]
과정 704에서, 전지 모니터링 모듈(114)은 아래의 수식을 계산함으로써 전지 B T2(전지 A)에 대하여 방전의 상대적 정도를 결정한다.
[수학식 3]
과정 705에서, 전지 모니터링 모듈(114)은, Vm - Vf 로서, 어느 하나의 전지에 대한 전압 특정 오차, Ve를 결정하는데, 여기서 Vm은 V1과 V2 간의 기지의 전압 Vf에서의 충전 프로파일(charging profile)에서 발생하는 리튬-황 전지들의 테스트를 통해서 알려지는 충전 곡선의 특징에 해당하는 측정된 관찰 전압이다.
충전 곡선의 기지의 특징이 다수의 전지들 중의 하나의 전지에 대하여 모니터된 전압 측정값에서 충전 곡선의 변곡점(inflection point)에 해당하는 상기 측정된 관찰 전압 Vm을 확인하기 위한 변곡점일 경우, 상기 전지 모니터링 모듈(114)은 dV/dt가 상기 변곡점의 어느 한 측면에서 증가 및 감소할 때 상기한 전지의 모니터된 전압의 변화율 dV/dt가 일련의 주어진 값들에 도달하는 타임스탬프들을 기록한다. 이어서 상기 전지 모니터링 모듈(114)은 dV/dt의 증가 및 감소 값들에 해당하는 타임스탬프들 사이의 중간점이 발생하는 시점을 Vm 으로서 평가한다.
대안으로서, 상기 전지 모니터링 모듈(114)은 전지에 대해 상기 모니터된 전압 측정값에서 d2V/dt2가 최대인 지점에 해당하는 측정된 관찰 전압(Vm)을 식별하도록 구성된다.
이어서, 과정 706에서, 상기한 수식들의 출력들은 전지들을 밸런싱 하는 전지 밸런싱 회로를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 직렬 연결된 전지들 모두의 상대적 용량에서의 차이를 계산함으로써, 각 전지에 대해 필요한 용량 밸런싱(capacity balancing)의 정도가 계산 가능하다. 상기 전지 밸런싱 제어 모듈(115)은 전지 모니터링 모듈의 출력들을 입력하고, 전지들을 밸런싱 하는 패시브 및/또는 액티브 구조를 동작시킬 수도 있는 전지 밸런싱 회로를 제어할 수도 있는데, 이것은 저장, 방전 또는 충전(2.30V 제한치 직전에)을 통해 어느 시점에서도 발생할 수 있다. 충전 전압의 말미에 먼저 도달해야 하는 것은 가장 낮은 용량의 전지이며, 만일 그렇지 않으면, 밸런싱이 필요한 것은 그것에 선행하는 모든 전지들일 것이다.
셀 밸런싱(cell balancing) 기능은 하기의 것들 중의 어느 것에 기초할 수 있는 충전 교정 체계를 구현함으로써 달성 가능하다:
1) 충전의 상대적 양이 가장 강한 전지들로부터 인출될 수 있도록, 그것들 모두가 가장 약한 전지와 부합하고, 따라서 충전이 재시작되어 모든 전지들을 채우도록(액티브 또는 패시브 밸런싱 기법이 사용 가능함) 충전 과정을 정지하고, 그렇지만 전압 측정에 기초하기보다는 계산된 시간 기간만큼 전류를 분기시키는 동작.
2) 연장된 시간 기간을 넘어서 각각의 전지로부터 기지의 양의 충전을 다른 데로 분기함으로써 저장 상태 동안에 충전의 균등화가 가능함.
3) 방전 과정 중의 충전 균등화. 필요한 양의 충전을 우회시키도록 기지의 기간만큼 충전 우회술을 적용함으로써 방전 중 전류 우회(current diverting)가 발생할 수 있음.
4) 만일 전압 측정 오차를 통해(하기의 예 1, 전지 121A 참조) 충전 단계의 말미에 도달하였다면, 실제의 100% 충전 상태가 도달되도록 '과충전' 기간이 적용될 수도 있음.
이하, 3개의 작업이 이루어진 예들에 관련하여 이해될 수 있듯이, 상술한 기법들을 활용하여, 상기 전지 모니터링 모듈(114)은, 임의의 측정 오차의 효과에 대해 보정을 하면서, 전압 모니터링 모듈(113)에 의해 그것에 전달되는 전압들 및 타임스탬프들에 기초하여 전지들 간의 상대적 용량 차이와 상대적 충전 상태 차이들이 어느 범위로 존재하는지를 결정한다.
이러한 작업이 이루어진 예들에서 제공되는 데이터는 C/10의 정전류 충전율로 충전되는 일 세트의 Li-S 전지들(121A, 121B, 121C, 121D)에 대한 것이다.
예 1 - 측정 오차
전지 121A는 선행하는 전지이며, T1 = 636.5분에서 V1에, 그리고 T2 = 670분에서 V2에(여기서 100%의 SOC를 갖는 것으로 간주 됨) 도달하는 것으로 측정된다.
전지 121B는 643.2분 후에 T1에 도달하며, T2에서 2.34V의 측정 전압 V2를 갖는다.
상대적 용량들이 아래와 같이 계산될 수 있다(여기서, V1과 V2 사이의 전압의 변화율은 전지 A 및 B의 타입의 정격 전지에 대해 분당 1.49mV이다).
Figure 112018021429102-pct00009
Figure 112018021429102-pct00010
따라서, 어떠한 시간차도 전혀 없다. 차이가 없다는 것은 충전 종료 전압이 다를지라도 그 용량은 여전히 일치한다는 것을 나타낸다.
종료 전압들에 있어 이러한 차이의 이유는 전지 121B의 상대적으로 깊은 방전 때문일 수도 있다. 그러나 실질적인 이유는 전지 121A가 전지 121B보다 더 빨리 6.7분(즉, 1% SO)에서 그의 dV/dt 최고치의 중간점에 도달한다는 dV/dt 분석으로부터 확인되었다. 이것은 여기서 전지 121A의 전압의 측정에서 +10mV 오차를 나타낸다. 따라서, 종료 전압 V2가 전지 121A에 의해 도달될 것이더라도, +10mV 오차로, 상기 전지는 100%를 나타내겠지만, 99%의 실제 충전된 용량을 가질 것이다.
상기한 예에서, 어떤 하나의 전지에 측정 오차가 존재하더라도, 전지들은 동일 용량을 갖는 것으로 입증될 수 있고, 따라서 밸런싱을 필요로 하지 않는다. 그렇지만, 상기 충전 과정은 이어서 계속되어 전지들(121A 및 121B) 모두를 100% SOC까지 충전할 수 있을 것이다.
예 2 - 상대적 충전 상태
전지(121C)는 649.9분 후에 T1에 도달하고, T2에서 2.33V의 측정 전압 V2를 가지며, 따라서, 그것은 하기의 전지(121A)에 관하여 상대적 용량 차이를 갖도록 상술한 바와 같이 계산된다:
Figure 112018021429102-pct00011
또다시, 어떠한 시간 차이도 전혀 존재하지 않는다. 차이가 없다는 것은 충전 종료전압들이 상이하더라도 그 용량들은 여전히 일치한다는 것을 다시 한번 나타낸다.
실제로, 상기한 측정값들을 이용하여 정격 전지의 성능과 비교되는 전지(121B)의 충전 상태를 계산하면, 하기와 같이 주어진다:
Figure 112018021429102-pct00012
이것은 V2에서 20mV 차이가 2% SOC에 필적하므로 이해가 된다. 그러나 전지(121C)의 dV/dt가 그의 dV/dt 최고치의 중간점에 도달하는 전압을 분석함으로써, 전지(121C)에 대해 -5mV 측정 오차가 존재하였고, 이로써 T2에서 그것의 실질적인 전압은 2.335mV라고 판명되었다. 정격 전지에 관하여 전지(121B)의 SOC에 관한 상기 계산을 반복함으로써 하기의 실질적 충전 상태가 주어진다:
Figure 112018021429102-pct00013
따라서, 전지(121C)는 A 및 B와 동일한 용량을 갖지만, 더 높은 자기-방전(self-discharging)을 겪게 되며, 따라서 전지들을 동일한 SOC로 가져오기 위해 밸런싱이 필요하게 될 것이다.
예 3 - 상대적 용량 차이
본 예에서, 전지 121D(미도시)는 T1 = 633.3분 후 V1 = 2.30V에, 그리고 T2 = 666.6분 후 V2 = 2.35V에 도달하며, 따라서 그것은 본 예에서는 선행 전지(leading cell)이다.
전지(121A)는 따라서 T1 = 636.5분에서 전과 같이 V1 = 2.30V에 도달하지만, T2 = 666.6분에서 전지(121A)는 V2 = 2.345V에 도달한다.
따라서, 전지(121D)가 하기의 수식과 같이 전지(121A)에 관하여 상대적 용량 차이를 갖도록 상술한 바와 같이 계산된다.
Figure 112018021429102-pct00014
따라서, 상기한 측정기준에 의해 예시되는 전지들 121A 및 121D 사이에는 용량 차이가 존재하며, 이것은 전지(121A)가 2.30-2.35V의 전압 증가분을 넘어서 충전되도록 전지(121D)보다 9초 더 오래 걸리는 것으로 예상되는 것을 보여준다.
예시를 위해, 이것을 상대적 용량 측정값으로 변환하면:
Figure 112018021429102-pct00015
따라서, 전지(121D)는 다른 전지들에 비교하여 0.5% 감소 된 용량을 실제로 갖는다. 이에 따라서, 전지(121D)가 과충전되지 않고 다른 전지들과 일치하는 것을 보장하기 위하여 전지들의 밸런싱이 필요하다.
따라서, 전지 전압들, 전지들이 어떤 전압들에 도달하는 시점들, 및 충전 곡선들이 소정의 전압들에서 일어나는 것으로 알려진 어떤 특징들에 도달하는 시간들을 모니터함으로써 상대적 용량 차이, 충전 상태 차이 및 Li-S 전지의 측정 오차를 정확하게 결정하는 것이 가능하다는 것은 전술한 것으로부터 자명하다는 것을 유념하여야 할 것이다. 이것은 전압 측정의 정확도가 상대적으로 낮은 경우에조차도 효과적인 Li-S 셀 스택 밸런싱이 수행되는 것을 가능하게 해준다. 실제로, 상기한 예들은 전압 측정에 있어 오프셋 에러(offset error), 즉, 12비트 ADC에 대해 0.6mV 해상도를 전제하면, 전압 측정과 연관되는 오프셋 에러가 완화될 수 있다고 추정한다. 더욱이, 50mV 범위를 넘는 이득 오차(gain error) 및 ADC 선형성은 0.1LSB의 정도에 존재하되, 따라서 또한 완화될 것이며, 0.6mV의 LSB 판독 오차를 남겨두게 된다(~0.3% 상대적 SOC 오차, 가능하게는, 시간에 대해 평균화 과정을 통해서 감축됨). 시간적 오차(timing error)는 또한 중요하지 않을 것이다. 임의의 측정 회로의 이득 오차가 고려되어야 할 필요가 있겠지만, 이것이 아마도 테스트 중인 범위에 대해 의미 있는 영향을 미친다고 할 수는 없을 것을 유념하여야 할 것이다.
상기한 방법들은 또한, 선행 전지의 T1과 T2 간의 시간 차를 모니터함으로써 Li-S 전지들의 상대적 특성과 충전 성능이 모니터 되어, 이것들이 한 충전 사이클에서 또 다른 충전 사이클로 추적되는 것을 가능하게 해준다. 따라서, 전지들의 용량 저하, 및 그의 상대적 용량과 방전 폭은 시간 경과에 따라 모니터 되고 충전 밸런싱 과정에서 보상될 수가 있을 것이다.
덧붙여서, 상기 방법들은 '과충전(overcharging)'을 가능하게 함으로써 충전 밸런싱이 수행될 수 있도록 한다. 즉, 만일 하나의 전지가 또 다른 전지와 동일한 용량을 갖는 것으로 간주 되지만, 그의 충전 종료(EOC: end of charge) 전압에 먼저 도달한다면, 특히 dv/dt 변곡점이 모든 전지들에 대해 용량 비교 마커(capacity comparison marker)로서 활용된다면, 해당 전지에 대해 '과충전'을 허용하는 것이 가능할 수도 있을 것이다. 만일 타임스탬프가 전지 A가 전지 B와 동일한 용량을 갖지만, 전지 A는 전지 B에 앞서서 그의 변곡점과 EOC 지점에 비례하여 도달한다면, 상기 전지 A는 그것들의 변곡점들에 도달하는 전지들 A와 B 사이의 시간 차를 균등화하는 기간 동안 EOC를 지나서 충전하기를 계속할 것이다.

Claims (47)

  1. 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들의 적어도 두 개의 전지들 또는 전지 모듈들(A 및 B) 간의 상대적 용량 및 충전 상태를 모니터하기 위한 장치에 있어서,
    타이머;
    전압 모니터링 회로로부터 입력된 신호들에 기초하여 직렬 연결된 리튬-황 전지들 또는 전지 모듈들의 각각에 걸치는 전압 강하를 모니터하도록 구성된 전압 모니터링 모듈; 및
    상기 타이머 및 전압 모니터링 모듈에 결합되고, 상기 전지들이 정전류로 충전되는 충전 사이클 동안,
    충전에서 선행하는 제1전지(전지 A)의 모니터된 전압이, 모니터된 전압의 변화율이 측정 가능하게 증가할 때, 충전의 최고치 근처의 제2 충전 단계에 존재하도록 설정된 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 A)을 기록하고,
    충전에 후속하는 전지 B의 모니터된 전압이 상기 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 B)을 기록하고,
    선행하는 상기 전지 A의 모니터된 전압이 실질적으로 충전의 의제 최고치에 있도록 설정된 제2전압 V2(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T2(전지 A)를 기록하고,
    T2(전지 A)에서 후속하는 전지 B의 모니터된 전압 V2(전지 B)를 기록하고, 그리고
    적어도 T1(전지 A), T1(전지 B), V2(전지 A) 및 V2(전지 B)에 기초하여, 전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준을 결정하도록 구성되는, 전지 모니터링 모듈을 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은, 전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준으로서, 전지 A가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간과, 전지 B가 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 예상되는 지속시간 사이의 상대적 시간차를 결정하도록 더 구성되는 것인 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은, 하기의 수식을 이용하여 전지 A와 전지 B가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간 사이의 상대적 시간차를 계산하도록 구성되는 것으로서,

    여기서, 는 전압 증가분에 대한 dV/dt의 의제 값인 것인 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    전압 증가분에 대한 dV/dt의 상기 의제 값은, 전지 B와 같은 충전율 및 충전 효율로 충전할 때, 전압 V1에서 전압 V2로의 전지 A에 해당하는 타입의 정격 리튬-황 전지에 대해 시간에 대한 전압의 평균 변화율로서 계산되는 것인 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    전압 증가분에 대한 dV/dt의 의제 값은 그 전지에 대해 T1과 T2 간의 전지 A 또는 전지 B에 대하여 시간에 대한 전압의 측정된 평균 변화율로서 계산되는 것인 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은, 전지A 및 전지 B 간의 상대적 용량 차이에 대해, 전지 A 및 전지 B가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간 간의 상대적 시간차를 전지 A가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간으로 나누기 연산을 하여 계산하도록, 즉 하기의 수식에 의해 계산되는 것인 장치.

  7. 제1항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은, T1에서 T2의 시간 기간에 대하여 예상되는 용량 및 측정되는 충전의 함수로서 계산되는 충전 효율을 고려하여 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 각각에 대해 전지들 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준을 결정하도록 더 구성되는 것인 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은 하기의 수식을 계산함으로써 T2(전지 A)에서 전지들 중의 전지 x의 방전의 정도 또는 상대적 SOC를 결정하도록 더 구성되는 것인 장치:

  9. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 전지들 중의 하나의 전지에 대해 전압 측정 오차에 대해 보상하기 위하여, 상기 전지 모니터링 모듈은:
    시간상으로 전지에 대하여 상기 모니터된 전압 측정값들을 분석하여, 전지가 V1(전지 A)로부터 V2(전지 A)를 향해 충전할 때 기지의 전압 Vf에서 전지 A와 동일한 타입의 리튬-황 전지들의 충전 프로파일에서 발생하는 것으로 알려진 전압 곡선 특징의 측정된 관찰 전압 Vm을 확인하고; 그리고
    전지 Ve의 전압 측정 오차를 Vm - Vf로서 계산하도록 더 구성되는 것인 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은, 다수의 전지들 중의 하나의 전지에 대해 상기 모니터된 전압 측정값들에서, V1과 V2 간의 기지의 전압(Vf)에서의 충전 프로파일에서 발생하는 것으로 리튬-황 전지들의 테스트를 통해 알려진 충전 곡선의 특징에 해당하는 측정된 관찰 전압(Vm)을 확인하도록 구성되는 것인 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    충전 곡선의 상기한 기지의 특징은 변곡점이며, 그리고 상기 다수의 전지들 중의 하나의 전지에 대해 모니터된 전압 측정값들에서, 충전 곡선의 변곡점에 해당하는 측정된 관찰 전압을 확인하기 위해, 상기 전지 모니터링 모듈은:
    dV/dt가 변곡의 어느 측면에서 증가 및 감소할 때 전지 dV/dt에 대하여 모니터된 전압의 변화율이 일단의 소정의 값들에 도달하는 타임스탬프들을 기록하고;
    dV/dt의 증가 및 감소 값들에 해당하는 타임스탬프들 간의 중간점이 발생하는 시점을 평가하고; 그리고
    중간점에서 관찰된 모니터된 전압을 변곡점에 대해 모니터된 관찰 전압으로서 평가하도록 구성되는 것인 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은, V1과 V2 간의 기지의 전압에서의 충전 프로파일에서 일어나는 것으로 리튬-황 전지들의 테스트를 통해 알려지는, 상기 전지에 대해 모니터된 전압 측정값들에 있어, d2V/dt2가 최대인 시점에 해당하는 측정된 관찰 전압을 확인하도록 구성되는 것인 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은 하기의 수식을 계산함으로써 T2(전지 A)에서 전지들 중의 전지 x의 방전의 정도 또는 상대적 SOC를 결정하도록 더 구성되는 것으로:

    여기서, 상기 다수의 전지들 중의 하나의 전지에 대해 전압 측정 오차에 대해 보상하기 위하여, 상기 전지 모니터링 모듈은:
    시간상으로 전지에 대하여 상기 모니터된 전압 측정값들을 분석하여, 전지가 V1(전지 A)로부터 V2(전지 A)를 향해 충전할 때 기지의 전압 Vf에서 전지 A와 동일한 타입의 리튬-황 전지들의 충전 프로파일에서 발생하는 것으로 알려진 전압 곡선 특징의 측정된 관찰 전압 Vm을 확인하고;
    전지 Ve의 전압 측정 오차를 Vm - Vf로서 계산하도록 더 구성되며,
    여기서 상기 전지 모니터링 모듈은 임의의 관찰된 전압 측정 오차 Ve에 기초하여 T2(전지 A)에서 충전된 용량 계산을 조절함으로써 그 전지에 대해 실제로 충전된 용량을 획득하도록 더 구성되는 것인 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 전지 모니터링 모듈은 해당 전지에 대해 임의의 관찰된 전압 측정 오차(Ve)에 기초하여 전지에 대해 상기 모니터된 전압 값들을 정정하도록 더 구성되는 것인 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    다수의 전지들에 걸쳐 충전을 밸런싱하기 위하여, 전지 밸런싱 제어 모듈을 더 포함하되, 상기 전지 밸런싱 제어 모듈은 하나 또는 다수의 전지들 간에 상대적 충전을 액티브 방식 또는 패시브 방식으로 조절하도록 상기 전지 밸런싱 제어 모듈에 의해 동작 가능한 전지 밸런싱 회로에 접속되고,
    상기 전지 밸런싱 제어 모듈은 또한 상기 전지 모니터링 모듈에 접속되고,
    다수의 전지들 간의 상대적 용량 차이(들)을 나타내는 측정기준에 관한, 상기 전지 모니터링 모듈로부터 입력된, 하나 또는 다수의 값들, 및
    충전의 최고점에서 하나 또는 다수의 전지들의 SOC 변동의 정도를 나타내는, 상기 전지 모니터링 모듈로부터 입력된, 하나 또는 다수의 값들
    중의 하나 또는 다수에 기초하여 다수의 전지들에 걸치는 충전 상태가 더욱 밸런싱이 이루어지도록 방전 과정에서 또는 정전류 충전 과정에서 상기 전지 밸런싱 회로의 동작을 제어하도록 구성되는 것인 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 상기 전지 밸런싱 회로는, 상기 전지들이 더욱 밸런싱이 이루어지도록, 모두 함께:
    정전류 충전 과정 중, 충전 과정을 정지하여 상기 전지 모니터링 모듈에 의해 계산되는 시간 기간에 기초하여 가장 강한 전지들로부터 소정의 충전량이 인출되도록 하고, 이로써 다수의 전지들 모두가 가장 약한 전지와 일치하도록 하고; 그리고 이어서,
    충전을 재개하여 모든 전지들을 채우도록 구성되는 것인 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 상기 전지 밸런싱 회로는, 상기 전지들이 더욱 밸런싱이 이루어지도록, 모두 함께,
    저장 상태 중, 하나 또는 다수의 전지들로부터 다른 전지들로 연장된 시간 기간에 대하여 기지의 충전 양을 전환하여 다수의 전지들에 걸쳐서 충전 상태를 균등화하도록 구성되는 것인 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 상기 전지 밸런싱 회로는, 상기 전지들이 더욱 밸런싱이 이루어지도록, 모두 함께,
    방전 과정 중, 하나 또는 다수의 전지들로부터 다른 전지들로 기지의 충전 양을 전환하여 다수의 전지들에 걸쳐서 충전 상태를 균등화하도록 구성되는 것인 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 전지 밸런싱 제어 모듈 및 상기 전지 밸런싱 회로는, 만일 충전 전압의 최고치가 전압 측정 오차를 통해 도달된 것으로 상기 전지 모니터링 모듈에 의해 판단된다면, 모두 함께,
    소정의 기간 동안 충전 과정을 계속하여 상기 전지들에 대해 실질적으로 100% 충전 상태가 도달되는 것을 가능하게 하도록 구성되는 것인 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    하나 또는 다수의 프로세서들 및 명령들을 저장하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체를 더 포함하되,
    상기 명령들은, 하나 또는 다수의 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 프로세서 또는 프로세서들이,
    청구항 제1항에 의해 정의되는 것과 같은 상기 장치의 하나 또는 다수의 상기 타이머, 상기 전압 모니터링 모듈, 및 상기 전지 모니터링 모듈, 및 청구항 제15항에 의해 정의되는 것과 같은 상기 장치의 상기 전지 밸런싱 제어 모듈을 구현하도록 하는 것인 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    직렬 연결된 리튬-황 전지들 각각에 걸쳐 전압 강하를 측정하고, 상기 측정된 전압 강하를 나타내는 신호들을 상기 전압 모니터링 모듈에 제공하도록 구성된 전압 모니터링 회로를 더 포함하는 장치.
  22. 다수의 리튬-황 전지들 또는 상기 다수의 리튬-황 전지들에 접속하기 위한 에너지 시스템 컨트롤러를 포함하는 배터리 관리 시스템에 있어서,
    적어도 두 개의 전지들 간의 상대적 용량과 충전 상태를 모니터하고, 상기 전지들이 밸런싱이 이루어지도록 구성되는 청구항 제1항에 따른 장치를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  23. 명령들을 저장하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체로서,
    상기 명령들은 적어도 두 개의 전지들, 또는 전지 모듈들, 즉, 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들의 전지 A 및 전지 B 간의 상대적 용량 및 충전 상태를 모니터하기 위한 장치의 하나 또는 다수의 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 프로세서 또는 프로세서들이 청구항 제1항에 의해 정의되는 것과 같은 상기 장치의 상기 타이머, 상기 전압 모니터링 모듈, 및 상기 전지 모니터링 모듈, 및 청구항 제15항에 의해 정의되는 것과 같은 상기 장치의 상기 전지 밸런싱 제어 모듈 중의 하나 또는 다수를 구현하도록 하는 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
  24. 직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 중의 적어도 두 개의 전지들 또는 전지 모듈들(A 및 B) 간의 상대적 용량 및 충전 상태를 모니터하기 위한 방법에 있어서,
    전압 모니터링 회로로부터 입력된 신호들에 기초하여 직렬 연결된 리튬-황 전지들 또는 전지 모듈들의 각각에 걸치는 전압을 모니터하는 동작; 및
    상기 전지들이 정전류로 충전되는 충전 사이클 동안,
    충전에서 선행하는 제1전지(전지 A)의 모니터된 전압이, 모니터된 전압의 변화율이 측정 가능하게 증가할 때, 충전의 최고치 근처에 존재하도록 설정된 제2 충전 단계에서 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 A)을 기록하는 동작,
    충전에 후속하는 전지 B의 모니터된 전압이 상기 제1전압 V1(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T1(전지 B)를 기록하는 동작,
    선행하는 상기 전지 A의 상기 모니터된 전압이 실질적으로 충전의 의제 최고치에 있도록 설정된 제2전압 V2(전지 A)에 도달하는 타임스탬프 T2(전지 A)를 기록하는 동작,
    T2(전지 A)에서 후속하는 전지 B의 모니터된 전압 V2(전지 B)를 기록하는 동작, 및
    적어도 T1(전지 A), T1(전지 B), V2(전지 A) 및 V2(전지 B)에 기초하여, 전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이 또는 상대적 충전 상태의 변화를 나타내는 측정기준을 결정하는 동작을 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    전지 A와 전지 B 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준으로서, 전지 A가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간과, 전지 B가 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 예상되는 지속시간 사이의 상대적 시간차를 결정하는 동작을 더 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    하기의 수식을 이용하여 전지 A와 전지 B가 하기의 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간 사이의 상대적 시간차를 계산하는 동작을 더 포함하되:

    여기서, 는 전압 증가분에 대한 dV/dt의 의제 값인 것인 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    전압 증가분에 대한 dV/dt의 상기 의제 값은, 전지 B와 같은 충전율 및 충전 효율로 충전할 때, 전압 V1에서 전압 V2로의 전지 A에 해당하는 타입의 정격 리튬-황 전지에 대해 시간에 대한 전압의 평균 변화율로서 계산되는 것인 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    전압 증가분에 대하여 dV/dt의 의제 값은 해당 전지에 대해 T1과 T2 간의 전지 A 또는 전지 B에 대하여 시간에 대한 전압의 측정된 평균 변화율로서 계산되는 것인 방법.
  29. 제26항에 있어서,
    전지 A 및 전지 B 간의 상대적 용량 차이에 대해, 전지 A 및 전지 B가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 동일한 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간 간의 상대적 시간차를 전지 A가 V1(전지 A)과 V2(전지 A) 간의 전압 증가분에 걸쳐 충전하기 위한 지속시간으로 나누기 연산을 하여 계산하도록, 즉 하기의 수식에 의해 계산되는 것인 방법.

  30. 제25항에 있어서,
    직렬 연결된 다수의 리튬-황 전지들 각각에 대해 전지들 간의 상대적 용량 차이를 나타내는 측정기준을 결정하는 동작을 더 포함하는 방법.
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