KR20010040917A - 복합 상호연결된 축전지 망 - Google Patents

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KR20010040917A
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Abstract

축전지 작동 시스템은 망을 구성하기 위해 복합 직-병렬 연결로 배열된 개개의 구성요소 축전지들의 배열을 포함한다. 개개의 구성 요소 축전지들의 배열은 X종렬 및 Y횡렬을 갖는 2차원 축전지 망을 제공하기 위해 구성된다. 망의 각각의 종렬은 축전지의 열을 형성하도록 직렬로 전기 연결된 Y축전지들을 포함한다. 각각의 X 종렬들 또는 열들은 병렬로 함께 연결된 X종렬 축전지들의 망을 생성하기 위해 이후에 별렬로 함께 추가적으로 전기 연결되는데, 각각의 X종렬은 함께 직렬로 연결된 Y축전지들을 갖는다. 최종적으로, 각 개개의 구성 요소 축전지들이 복합 상호 연결로 추가 배열되어, 각 개개의 구성 요소 축전지들이 동일한 횡렬의 모든 인접한 개개의 구성 요소 축전지들과 병렬로 연결되도록 한다.

Description

복합 상호연결된 축전지 망{BATTERY NETWORK WITH COMPOUNDED INTERCONNECTIONS}
차량에 동력을 제공하기 위해 휘발유 대신에 전기를 사용하는 것이 오랜기간 공지되었지만, 전기차들(EVs)은 최근에 더욱 더 널리 보급되기 시작했다. 실예로, 1996년 12월 제너럴 모터스의 EV1 전기차가 첫 출시되었다.
EV의 전체 성능에 대한 가장 중요한 구성요소들 중 하나는 차량을 작동시키기 위해 필요한 동력을 제공하는 에너지 저장 시스템이다. EV를 위한 통상적인 에너지 저장 시스템은 소정의 성능 특성을 제공하기 위해 일정한 형태로 함께 전기적으로 연결되는 하나 이상의 축전지들을 포함하는 축전지 팩(battery pack)을 포함한다. 가장 종래기술 EV 에너지 저장 시스템들은 EV에 필요한 동력을 제공하기 위해 고전압, 고전류 해법에 초점을 맞췄다. 이러한 종래기술 시도 배후의 기반이 되는 추정은 EV를 소정 속도로 움직이도록 동력을 제공하기 위해 비교적 고 전류 수준들이 요구된다는 것이다. 실예로, EV1은 312볼트의 유효 전압과 약16.3kW의 저장용량을 위해 단일 직렬 열로 함께 전기적으로 연결된 26밸브로-조정되는 납산(Valve-Regulated Lead Acid:VRLA) 모듈들로 구성되는 축전지 팩을 포함한다.
도1에 도시된 바와 같이, 다른 유사한 종래기술 수단은 소정의 총 팩 전압에 도달하기 위해 다수의 단일 구성요소 축전지(2)들을 단일의 직렬 종렬(4)로 연결하여 이러한 종렬(4)들의 쌍을 병렬로 종렬의 각 단부에서 연결시키는 것을 포함한다.
그러나, 이런 종래기술 수단들과 관련된 다수의 중대한 단점들이 존재한다. 실예로, 단일의 직렬 열로 구성된 축전지 팩은 팩의 임의의 각 축전지 구성 요소의 고장이 축전지 팩의 방전 또는 재충전 동안 팩을 통해 전류 흐름이 발생하지 않는 개방 회로를 통해 전체 축전지 팩 고장(또는 축전지의 전체적인 각 종렬의 고장)을 초래하기 때문에 본질적으로 높은 고장율을 겪기 쉽다.
부가적으로, 단일 직렬 열로 함께 연결된 구성요소 축전지들을 포함하는 축전지 팩의 성능은 방전 및 재충전 동안 모두 상기 직렬 열에서 가장 약해진 축전지에 의해 한정된다. 방전동안, 전체 축전지 팩의 전류 전달 용량은 열에서 가장 낮은 용량을 갖는 각 구성요소 축전지의 전류전달 용량으로 제한된다. 마찬가지로, 축전지 팩의 충전동안, 가장 낮은 용량을 갖는 각 구성요소 축전지는 맨 처음 완전충전 상태에 도달하여 전체 축전지 팩의 재충전을 제한한다.
더욱이, 가장 낮은 용량을 갖는 이러한 축전지 팩내 개별적인 구성요소 축전지는 각각의 방전 사이클동안 과-방전되고 각각의 충전 사이클 동안 과-충전된다. 이런 상태들 둘 모두는 축전지 용량 및 사이클 수명에 손상을 입힌다. 그러므로, 단일 직렬 열로 구성된 축전지 팩의 정상적인 사이클링은 가장 약한 구성요소 축전지들이 점점 더 약해져, 이런 축전지들 그리고 궁극적으로는 전체 축전지 팩의 고장으로 집중되는 본질적으로 비안정한 상태를 제공한다.
더욱이, EV1 축전지 팩은 직렬의 각 개별적인 구성요소 축전지들을 통해 고 레벨의 전류를 이끌어낸다. 결과적으로, 보다 큰 깊이의 방전(DOD)은 작동동안 필요한데, 이것은 각각의 구성요소 축전지들 및 전체적으로 축전지 팩의 사이클 수명에 역으로 영향을 미친다.
종래기술 축전지 팩들과 관련된 작동상 단점들에 부가하여, 또한 중요한 구조적 단점들이 존재한다. 실예로, EV1 축전지 팩은 1175lbs 하중을 가하므로써 EV의 전체 중량의 큰 구성요소가 되어, 재충전을 필요로하기 이전에 차량의 전위 범위에 역 영향을 끼친다.
결과적으로, 개선된 에너지 저장 시스템, 그리고, 보다 상세하게는 EV들을 위한 개선된 축전지 작동 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 요약
그러므로, 본 발명은 상기한 단점들을 극복하기 위해 설계된 EV들을 위해 개선된 축전지 작동 시스템을 제공한다. 개개의 구성요소 축전지들의 배열은 축전지 망을 형성하기 위해 복합된 직렬 및 병렬 연결로 연결된다. 본 발명에 따라, 축전지 망은 개별적인 축전지들의 이차원 또는 삼차원 배열 구조로 형성된다. 그러므로, 형성된 축전지 망은 각 노드 축전지들의 직렬 전압이 소정의 전체 축전지 패키지 전압에 합산되도록 직렬로 연결된 충분한 개별적인 축전지들을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 개개의 축전지 구성요소들의 X Y 이차원 배열은 그 배열의 각 노드 축전지를 직렬 및 병렬 연결로 전기 도전성 물질을 사용하여 그 가장 인접한 인접 노드에 연결시키므로써 형성된다. 개개의 구성요소 축전지들의 배열은 X종렬 Y횡렬을 갖는 이차원 축전지 망을 제공하기 위해 형성된다. 망의 각각의 종렬은 축전지의 열을 형성하도록 직렬로 전기 연결된 Y축전지들을 포함한다. 각각의 X종렬들 또는 열들은 병렬로 함께 연결된 축전지들의 X종렬들의 망을 생성하도록 이후에 병렬로 함께 추가로 전기 연결되는데, 각각의 X종렬들은 직렬로 함께 연결된 Y축전지들을 갖는다. 최종적으로, 각 개개의 구성 요소 축전지들이 복합 상호 연결로 추가 배열되어, 각 개개의 구성 요소 축전지들이 동일한 횡렬의 모든 인접한 개별적인 구성 요소 축전지들과 병렬로 연결되도록 한다.
본 발명의 이런 그리고 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면과 연결하여 고려될 때 이하 상세한 설명을 참고로 동일한 것들이 보다 잘 이해됨에 따라 인지될 것이다.
본 발명은 일반적으로 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 복합 연결된 축전지 망에 관한 것이다.
도1은 종래기술에 따른 축전지 망의 개략도이며,
도2는 개별적인 구성요소 축전지들의 배열이 X종렬 및 Y횡렬을 갖는 망으로 배열되는, 본 발명에 따른 축전지 망의 개략도이고,
도3A는 다수의 각 구성요소 축전지들이 직렬로 연결되는 도2의 축전지 망의 열들 중 하나의 개략도이며,
도3B는 다수의 열들이 병렬로 연결되고, 각각의 상기 다수의 열들은 직렬로 연결된 다수의 각 구성요소 축전지들로 구성되는, 병렬 연결로 추가로 배열되는, 도3A의 축전지 망의 개략되이고,
도3C는 각각의 해당 구성요소 축전지들이 망의 모든 인접한 해당 구성요소 축전지들에 직렬 및 병렬 연결로 연결되는, 복합 상호 연결로 추가로 배열되는, 도3B의 축전지 망의 개략도이며,
도4는 9개의 각 구성요소 축전지들의 배열이 3개의 종렬들 및 3개의 횡렬들을 갖는 망으로 구성되는 도2의 축전지 망의 개략도이고,
도5는 40개의 각 구성 요소 축전지들의 배열이 4개의 종렬들 및 10개의 횡렬들을 갖는 망으로 구성되는 도2의 축전지 망의 개략도이며,
도6은 도5의 축전지 망의 변형 실시예이고,
도7은 X 및 Y의 다른 값들에 대한 도2의 축전지 망의 축전지 팩 고장률을 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 축전지 작동 시스템(10)을 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 실시예에 있어서, 상기 축전지 작동 시스템(10)은 망(network)을 형성하도록 복합 직-병렬 연결로 형성된 개개의 구성요소 축전지(12)의 배열을 포함한다. 특히, 개개의 구성요소 축전지(12)의 배열은 X 종렬(column) 및 Y 횡렬(row)을 갖는 2차원 축전지 망을 제공하도록 형성된다. 상기 망에서 각 종렬은 한 열(string)의 축전지(14)를 형성하도록 직렬의 전기적으로 연결된 Y 축전지를 포함한다(도 3A 참조). 그 후 X 종렬 또는 열(14)들의 각각은 함께 병렬로 전기적으로 연결되어, 병렬로 함께 연결된 축전지의 X 종렬의 망을 생성하며, Y 축전지(12)를 갖는 X 종렬의 각각은 직렬로 함께 연결된다(도 3B 참조). 결국, 개개의 구성요소 축전지의 각각은 복합 상호연결체(16)를 가지고 추가 구성되어, 개개의 구성요소 축전지(12)의 각각은 동일한 횡렬의 인접한 모든 개개의 구성요소 축전지와 병렬로 연결된다(도 3C 참조). 상기 축전지 망에서 직렬, 병렬 및 복합 연결은 특정의 바람직한 수단으로 이루어 질 수 있으며, 일 실시예인 기계적인 연결들은 충분한 전류 전송 용량(carrying capacity)의 전기 도체들을 사용하여 이루어 질 수 있다.
상기 망에서 개개의 구성요소 축전지의 수는 전체 네트워크의 바람직한 특성 및 개개의 구성요소 축전지 특성의 함수이다. 종렬에서 직렬로 연결된 축전지의 수는 바람직한 전체 전압 및 개개의 구성요소 축전지 전압의 함수이다. 상기 축전지 망의 각 종렬은 그 종렬에서 개개의 구성요소 축전지 각각의 출력 전압의 합에 일치하는 출력 전압을 생성하도록 직렬로 링크된 Y 축전지를 포함한다. 예를 들어, 24V 축전지 팩(pack)을 생성하기 위해서 두개의 12V, 12A 축전지를 사용하며, 상기 두개의 축전지는 직렬로 연결되어 24A, 12A 축전지 팩을 생성한다.
또한, 병렬로 연결된 종렬의 수는 바람직한 전체 전류 및 개개의 구성요소 축전지 전류 전달 용량(delivery capacity)의 함수이다. 상기 축전지 망의 X 종렬은 상기 열의 각 하나를 경유하여 흐르는 전류의 합에 일치하는 출력 전류를 생성하도록 병렬로 연결되어 있다. 예를 들어, 24A 축전지 팩을 생성하기 위해 두개의 12V, 12A 축전지를 사용하며, 상기 두개의 축전지는 병렬로 연결되어 12V, 24A 축전지 팩을 생성한다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 축전지 망은 X(종렬 또는 열의 수)가 3개이며, Y(각 열에서 횡렬 또는 개개의 구성요소 축전지의 수)는 3개로 도시되어 있다. 다시 말해서, 상기 축전지 망은 각 3개의 축전지들의 3개의 종렬로 배열된 9개의 축전지 배열로 구성되어 있다. 이해를 쉽게 하기 위해서, 상기 종렬은 왼쪽에서 오른쪽으로 종렬 A-C로 지시되어 있으며, 상기 횡렬은 위에서 아래로 횡렬 1-3으로 지시되어 있다. 이들 지시를 사용함으로서, 각 개개의 구성요소 축전지는 상기 망에서 상기 축전지의 종렬 및 횡렬 위치를 정하는 좌표의 세트로 참조될 수 있다. 예를 들어, 축전지(18)는 상기 망의 종렬 A, 횡렬 1의 위치를 지시함으로서 A,1로 참조될 수 있다. 또한, 축전지(20)는 상기 망의 종렬 A, 횡렬 3의 위치를 지시함으로서 A,3으로 참조될 수 있으며, 축전지(22)는 상기 망의 종렬 C, 횡렬 2의 위치를 지시함으로서 C,2로 참조될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 축전지 망의 전기 연결은 더 상세히 기술될 수 있다. 종렬 A에서, 축전지(A,1)의 양극(22)은 축전지(A,2)의 음극(24)에 직렬로 연결되며, 축전지(A,2)의 양극(28)은 축전지(A,3)의 음극(30)에 직렬로 전기 연결된다. 종렬 B에서, 축전지(B,1)의 양극(32)은 축전지(B,2)의 음극에 직렬로 전기 연결되며, 축전지(B,3)의 양극(36)은 축전지(B,3)의 음극(38)에 직렬로 전기 연결된다. 종렬 C에서, 축전지(C,1)의 양극(40)은 축전지(B,2)의 음극(42)에 직렬로 전기 연결되며, 축전지(B,2)의 양극(44)은 축전지(B,3)의 음극(46)에 직렬로 전기 연결된다. 또한, 횡렬(1)에서 축전지의 음극(48,50,52)은 음극 터미널(54)을 전체 축전지 망에 제공하기 위해 병렬로 함께 전기 연결되며, 횡렬(3)에서 모든 축전지의 양극(56,58,60)은 양극 터미널(62)을 전체 축전지 망에 제공하기 위해 병렬로 함께 전기 연결된다.
상기 망은 또한 복합 상호연결체(16)를 포함한다. 횡렬(1)에서 축전지(A,1)의 양극(22)은 축전지(B,1)의 양극에 병렬로 전기 연결되며, 축전지(B,1)의 양극(32)은 축전지(C,1)의 양극(40)에 병렬로 전기 연결된다. 횡렬(2)에서, 축전지(A,2)의 음극(24)은 축전지(B,2)의 음극(34)에 병렬로 전기 연결되며, 축전지(B,2)의 음극(34)은 축전지(C,2)의 음극(42)에 병렬로 전기 연결된다. 또한, 축전지(A,2)의 양극(28)은 축전지(B,2)의 양극(36)에 병렬로 전기 연결되며, 축전지(B,2)의 양극(36)은 축전지(C,2)의 양극에 병렬로 전기 연결된다. 횡렬(3)에서, 축전지(A,3)의 음극(30)은 축전지(B,3)의 음극(38)에 병렬로 전기 연결되며, 축전지(B,3)의 음극(38)은 축전지(C,3)의 음극(46)에 병렬로 전기 연결된다.
본 발명에 따른 축전지 망의 일 실시예는 도 5에 도시되어 있으며, X(종렬 또는 열의 수)는 4개이며, Y(각 열에서 횡렬 또는 개개의 구성요소 축전지의 수)는 10개이다. 더 자세하게는, 40개의 개개의 구성요소 축전지의 배열은 복합 직-병렬 연결된 각각 10개의 축전지로된 4열의 망으로 구성되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 축전지 망 사이의 유일한 차이점은 개개의 구성요소 축전지의 수와, 각 망에서 횡렬 및 종렬의 수이다. 다른 양상에서, 상기 두개의 망은 함수적으로, 구조적으로 그리고 기능상으로 동일하다. 상술된 바와 같이, 도 5에 도시된 상기 축전지 망은 상기 배열에서 각 개개의 구성요소 축전지를 상기 배열의 모든 인접한 개개의 구성요소 축전지에 직렬 및 병렬 연결로 연결함으로서 구성된다. 상기 배열의 각 종렬은 상기 종렬에서 각 개개의 구성요소 축전지의 양극을 그 종렬에서 각 개개의 구성요소 축전지의 음극에 연결함으로서 구성된다. 상기 배열의 각 횡렬은 상기 횡렬에서 각 개개의 구성요소 축전지의 양극을 그 횡렬의 인접한 개개의 구성요소의 축전지의 양극에 연결하며, 상기 횡렬에서 각 개개의 구성요소의 축전지의 음극을 그 횡렬의 인접한 개개의 구성요소 축전지의 음극에 연결함으로서 구성된다.
도 5에 도시된 상기 축전지 망의 실시예들은 납축전지를 상기 망에서 개개의 구성요소 축전지로 사용한다. 더 상세하게는, 실시예들은 [MFG, SUPPLER, LOCATION, PART NUMBER]로 부터 이용가능한 것과 같은 무정전 전원(Uninterruptable Power Source(UPS)) 축전지를 사용한다. 상기 UPS 축전지는 12Ah 용량을 갖는 12V 축전지이며, 그러므로 (12V x 12A)144W의 전원을 생성할 수 있다. 이들 축전지의 40개의 배열은 복합 직-병렬 연결되어 함께 연결되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 결과는 120V(직렬의 12V 축전지 10개), 48A(병렬의 12A 축전지 4개) 축전지 팩이다. 그러므로 결과적인 팩은 (120V x 48A) 5.76kW의 전원을 생성할 수 있다. 축전지 작동 시스템의 기술된 실시예는 120V, 48A 축전지 팩이지만, 본 발명의 범위 내의 축전지 팩은 다른 비율 및/또는 용량을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 다른 비율을 갖는 리듐이온 또는 리듐이온 고체 폴리머 축전지는 중량 및 크기의 절약, 및 에너지의 증가를 위해 사용될 수 있다.
당업자는 상술된 복합 직-병렬 연결된 축전지 망을 형성하는데 사용된 특정 방법이 그 결과 생성된 축전지 팩의 성능에 영향을 미치지 않는다는 것을 이해할 것이다. 도 6은 본 발명의 원리에 따라 구성되며, 복합 직-병렬 연결로 구성된 40개의 개개의 구성요소 축전지를 갖는 축전지 망의 다른 실시예를 도시한다. 상기 망은 10개의 축전지가 직렬로 연결된 4개의 열을 포함하므로, 각 열은 전체 축전지 팩에 대해 양극(64) 및 음극(68)이 상기 팩의 동일한 측(side)에 있도록 물리적으로 반으로 나뉘어지며 역방향으로 된다.
또한, 도 6에 도시된 상기 축전지 망에서 복합 상호연결체(66)는 각 개개의 구성요소 축전지(12)의 양극에서 인접한 횡렬 및 인접한 종렬의 개개의 구성요소 축전지의 인접한 음극에 이어진다. 예를 들어, 복합 상호연결체는 축전지(70)(A,2)의 양극(68)과 축전지(74)(B,3)의 음극(72) 사이에 위치한다. 또한, 복합 상호연결체는 축전지(80)(B,7)의 양극(78)과 축전지(84)(C,8)의 음극(82) 사이에 위치된다.
도 6에 도시된 축전지 망에서 이들 구조적 차이점에도 불구하고, 결과적인 축전지 망은 기능 및 작동상으로 도 5에 도시된 망과 동일하다. 더 상세하게는, 상기 망에서 각 개개의 구성요소 축전지의 음극은 상기 망의 인접한 횡렬의 개개의 구성요소 축전지의 인접한 양극에 작동되게 직렬 연결되며, 상기 망의 동일한 횡렬의 개개의 구성요소 축전지의 인접한 음극에 작동되게 병렬 연결된다. 각 개개의 구성요소 축전지의 양극은 상기 망의 인접한 횡렬의 개개의 구성요소 축전지의 인접한 음극에 작동되게 직렬 연결되며, 상기 망의 동일한 횡렬의 개개의 구성요소 축전지의 인접한 양극에 작동되게 병렬 연결된다.
개개의 축전지의 복합된 연결은 축전지 형태에 무관하며, 자체 밸런싱(self balancing)하고, 더 안정적이며 고장 내성인 축전지 망을 생성할 수 있다.
상술된 축전지 망의 주요 장점 중 하나는 독립적인 축전지 형태라는 것이다. 다시 말해서, 동일한 장점들은 상기 망에서 개개의 구성요소 축전지로 사용된 축전지의 특정 형태에 상관없이 실현될 수 있다. 예를 들어, 상술된 바와 같이, 납축전지는 개개의 구성요소 축전지로 사용된다. 그러나, 축전지 기술에서의 진보는 계속되므로, 리듐-이온, 니켈-철(nickel-iron), 니켈-카드뮴(nickel-cadmium), 니켈-수소(nickel-hydrogen), 니켈-아연(nickel-zinc), 아연-클로라이드(zinc-chloride), 아연-브롬화물(zinc-bromide), 아연-공기(zinc-air)와 같은 다른 형태의 축전지, 또는 리듐-이온 고체 폴리머 축전지는 상기 망에서 개개의 구성요소 축전지로 사용될 수 있다.
예를 들어, 납축전지 대신에 리듐-이온 축전지를 사용하는 다른 장점은 상기 축전지의 특정 에너지의 큰 증가이다. 특정 에너지는 축전지가 특정 비율의 방전에 대해 그 질량의 킬로그램당 저장할 수 있는 Wh형태인 총 에너지 양의 측정치이며, 축전지가 EV에 제공할 수 있는 작동 범위 또는 거리를 결정하는 중요한 요소이다. 통상적인 납축전지에 대한 특정 에너지는 약 24 Wh/kg - 50Wh/hg의 범위이다. 대조적으로, 리듐-이온 축전지에 대한 특정 에너지는 약 500Wh/kg이다. 그러므로, 개개의 구성요소 축전지로서 리듐-이온 축전지를 사용하는 축전지 망에서 결과적으로 유효한 범위는 통상적인 납축전지를 사용하는 망에서 이용가능한 범위보다 약 10배 더 크다.
또한, 본 발명에 따른 축전지 망은 고전압 축전지 팩을 구성하는, 즉 바람직한 전체 팩 전압을 생성하도록 다수의 모놀리식(monolithic) 축전지를 직렬로 연결하는 가장 일반적이 방법 중 상술된 근본적이며 고유의 약점을 해결한다. 복합 직렬 및 병렬 연결로 구성된 본 발명에 따른 축전지 망은 개개의 구성요소 축전지 고장 및 개개의 구성요소 축전지 용량차에 대하여 근본적으로 더 안정하다.
도 3C의 복합된 상호연결체(16) 때문에, 상기 망에서 하나 이상의 개개의 축전지가 고장나면, 고장난 축전지에 대응하는 종렬의 전류는 고장난 축전지를 우회하여 다른 종렬을 경유하여 흐른다. 사실상, 고장난 축전지는 상기 망의 전체 출력 전류 또는 출력 전압에 영향을 끼치지 않으므로 없어도 괜찮게 된다. 결국, 축전지 망은 전체 네트워크의 고장의 낮은 가능성을 갖는 고장 내성의 망이다. 전체 네트워크에 대한 고장율은 개개의 구성요소 축전지의 고장율 및 축전지 망의 지오메트리(geometry)를 기초로 하여 계산될 수 있다.
도 7에 도시된 데이타는 X x Y 축전지 배열에 대해 계산되었으며, X는 병렬 연결 차원(즉, 종렬의 수)을 나타내며, Y는 직렬의 연결 차원(즉, 횡렬의 수)을 나타낸다. 개개의 구성요소 축전지에 대한 고장율은 1/Y로 추정된다. 이 분석의 목적을 위해, 고장은 개방된 회로 상태로 되는 파국적인 축전지 고장을 나타낸다. 이들 추정에 따르면, 고장율이 1/Y이므로, 각 직렬 차원 또는 축전지 배열의 종렬은 평균적으로 고장난 1개의 구성요소 축전지를 포함할 것이다. 모든 구성요소 축전지 고장이 축전지 배열에서 단일 병렬 차원 또는 횡렬로 포함되면 전체 축전지 팩 고장이 발생할 것이다. 이 경우에, 전류 흐름은 축전지 망의 방전 또는 재충전 중에는 발생하지 않는다.
X x Y 축전지 배열에 대해, 구성요소 축전지 고장의 전체 수는 XY(1/Y)=X 이다. 이 배열에서 축전지 고장의 전체 조합의 수는 (XY!)/(XY-X)! 이다. 전체 팩 고장으로 되는 축전지 고장의 전체 조합의 수는 모든 고장이 단일 병렬 차원 또는 축전지 배열의 열에서 발생하는 고장 조합의 수에 일치하므로, 그것은 X!Y이다. 그러므로, 전체 축전지 팩 고장의 가능성은 (X!Y)/(XY!)/(XY-X)! 이다.
도 7에 도시된 데이타의 분석은 본 발명의 축전지 망 지오메트리의 장점을 도시하고 있다. Y의 모든 값에 대해서, X=1이면 전체 팩 고장율은 100/%이다. 이들 계산에서 추정된 고장율은 1/Y이므로, 축전지의 단일 열이 항상 1개의 고장난 구성요소 축전지를 포함하므로, 전체 팩이 고장날 것이다. 그러나, 1 보다 큰 Y의 값에 대해서, 전체 팩 고장율은 X의 값이 증가하는 것 만큼 빠르게 감소한다. 병렬 차원(X)을 3 또는 그 이상으로 증가시키면 전체 팩 고장의 가능성을 1 이상인 Y의 모든 값에 대해 10% 이하로 감소시킨다.
예를 들어, 망 고장율이 1/Y의 축전지 고장율로 추정되면, 순차적으로 단일 열의 10개 축전지에 대한 망 고장율은 100%이다. 상기 망에서 열의 수를 본 발명의 복합 직-병렬 연결로 연결된 두개의 열로 증가시키는 것은 망 고장율을 5%로 감소시킨다. 만일 열의 수가 복합 직-병렬 연결로 연결된 3 및 4개의 열로 더 증가되면, 결과적으로 망 고장율은 각각 약 0.2% 및 0.01%로 감소한다.
고정 용량의 축전지 팩내에서 병렬의 정도를 증가시킴으로서, 상기 팩의 신뢰성은 효과적으로 증가된다. 물론, 축전지 팩의 전체 용량이 개개의 구성요소 축전지 고장에 의해 감소되지만 단일 선형 직렬(X=1)의 경우에 영(0)으로 감소되지는 않는다. 축전지 팩을 구성하는 등가의 비용은 상기 축전지 팩내의 복합 직/병렬 상호연결로 증가된 수이다. 이들 연결은 충분한 전류 전송 용량의 전기 도체를 사용하는 간단한 기계적 연결이다. 기계적 상호연결들은 개개의 구성요소 축전지보다 더 신뢰할만 하며, 그러한 복합 상호연결의 고장율은 순수한 축전지 고장율보다 더 낮다. 당업자들은 도 7에 도시된 결과는 또는 1/Y보다 다른 개개의 구성요소 축전지 고장율에 적용된다는 것을 이해할 것이다.
또한, 상술된 복합 직-병렬 축전지 구성을 갖는 축전지 망은 자체 밸런싱이다. 일반적으로 두개 이상의 축전지가 병렬로 연결되면, 그것들은 유효한 출력 전압에 대해 자동적으로 조절한다. 그러므로, 개개의 구성요소 축전지에 부적당한 다수의 전압이 상술된 복합 직-병렬 구성에 연결되면, 도 3C의 복합 상호연결체(16)를 사용하여, 부적당한 개개의 구성요소 축전지가 자동적으로 조절된다.
일반적으로 개개의 축전지 전압 사이의 실질적인 불일치 때문에, 본 발명의 이 자체 밸런싱 장점은 실제로 매우 중요하다. 예를 들어 12V UPS 축전지가 공급기(supplier)로 부터 수신되면, 상기 축전지는 전압에 관하여 300-400mV 만큼까지 불일치 할 수 있다. 결국, 개개의 구성요소 축전지중 하나는 약 12.8-13.2V를 가리키는 전압을 제공할 수 있다. 그러나, 일단 개개의 축전지가 본 발명의 복합 직-병렬 구성으로 함께 연결되면, 그것들은 자동적으로 서로 약 2.5mV 내로 조절한다. 망에서 개개의 구성요소 축전지의 자체 밸런싱 특징은 특정 축전지가 임의대로 하락하는 위험을 제거하므로, 전체 축전지 팩의 사이클 수명(cycle life)을 상당히 증가시킨다.
복합 상호연결 및 자체 밸런싱으로 인한 다른 중요한 장점은 축전지 팩이 저-전류 에너지원으로서 효과적으로 작동할 수 있다는 것이다. 고전압, 고전류 이전 기술인 축전지 팩에 대조적으로, 복합 직-병렬 축전지 망의 일 실시예는 약 20A에서 작동하는 120V, 48A 시스템이다. 결국, 4열 망에 있어서, 약 5A 만이 평균적으로 각 열을 경유하여 채워진다. 축전지 망의 저전류 필요조건은 축전지에 의해 격게되는 방전의 깊이를 감소시키므로, 상기 망에 있어서 개개의 구성요소 축전지의 사이클 수명 및 전체적으로 축전지 팩의 사이클 수명을 증가시킨다. 본 발명의 축전지 팩 중 본 실시예는 1000회 이상의 사이클 수명을 나타내며, 이전 기술의 시스템보다 상당하게 우월하다.
또한, 축전지 망의 모듈식(modular) 구성은 적용의 특정 필요조건에 기반하여 망에 용량을 제공하는 에너지를 선택적으로 최적화 하는 것을 가능하게 한다. 특정 적용에 따라, 추가적인 개개의 구성요소 축전지들이 각 열에 추가될 수 있으며 그리고/또는 축전지의 추가적인 열들이 상기 망에 추가될 수 있다. 예를 들어, 축전지 작동 시스템이 전기의 ATV(all terrain vehicle)용의 에너지원으로 이용되면, 축전지 망은 단지 복합 직-병렬 연결로 구성된 2열의 축전지를 필요로 한다. 한편으로, 축전지 작동 시스템이 전기 골프 카트(cart)와 같은 더 까다로운 적용의 에너지원으로서 이용되면, 축전지 망은 4 열의 축전지를 포함하며, 전기차 용으로는 8 열의 축전지를 포함할 수 있다.
기술된 축전지 작동 시스템의 다른 장점은 시스템 중량에서 상당히 감소한다는 것이다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 40개의 개개의 구성요소 축전지를 포함하는 축전지 팩은 단지 EV1 축전지 팩 중량의 절반 이하인 약 576 lbs의 무게가 나간다.
본 발명의 특정 실시예들은 도시되고 기술되었지만, 많은 변형이 본문의 사상으로부터 벗어나지 않고 가능하다는 것이 당업자에게는 명백하다. 예를 들어, 본 발명은 축전지의 2-차원 망으로서 기술되고 도시되었지만, 당업자는 X 종렬 및 Y 횡렬을 갖는 2 차원 망이 X 종렬, Y 횡렬, 및 Z 높이(여기서 Z=1)를 갖는 개개의 구성요소 축전지의 3 차원 망의 하위 분류이다. 그러므로, 복합 직-병렬 상호연결로 구성된 다수의 2 차원 축전지 망은 3 차원 축전지 망을 형성하기 위해서 각각의 망은 다른 망에 대해 쌓이거나 삽입되도록 더 구성될 수 있다. 그러므로, 본 발명이 특정의 상술된 예보다 다른 방법으로 실시될 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (14)

  1. 복합 직-병렬 연결로 구성된 다수의 개별적인 구성요소 축전지들을 갖는 축전지 상호연결 망에 있어서,
    병렬로 연결된 다수의 개별적인 구성요소 축전지를 각각 갖는, 상기 개별적 구성요소 축전지들의 다수의 횡렬; 및
    직렬로 연결된 다수의 개별적인 구성요소 축전지를 각각 갖는, 상기 개별적인 구성요소 축전지들의 다수의 횡렬과 상호 연결된 개별적인 구성요소 축전지의 다수의 종렬을 포함하되,
    상기 망의 각각의 다수의 개별적인 구성요소 축전지는 동일한 종렬의 인접한 개별적인 구성요소 축전지와 직렬로 전기 연결되며 동일한 횡렬의 인접한 개별적인 구성요소 축전지와 병렬로 전기 연결되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 다수의 개별적인 구성요소 축전지는 양극 및 음극을 포함하며, 각각의 다수의 종렬에 대해 상기 종렬의 각각의 다수의 개별적인 구성요소 축전지의 상기 양극은 동일한 종렬의 인접한 개별적인 축전지의 상기 음극과 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  3. 제 1 항에 있어서, 각 다수의 횡렬에 대해, 상기 횡렬의 각 다수의 개별적인 구성요소 축전지의 상기 양극은 동일한 횡렬의 인접한 개별적인 구성요소 축전지의 상기 양극과 병렬로 연결되며, 상기 횡렬의 각 다수의 개별적인 구성요소 축전지의 상기 음극은 상기 동일한 횡렬의 인접한 개별적인 구성요소 축전지의 상기 음극과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 망 고장률은 약10%이하인 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 망 고장률은 약5%이하인 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 망 고장률은 약1%이하인 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 망의 상기 개별적인 구성요소 축전지 중 임의의 하나의 전압은, 상기 개별적인 구성요소 축전지가 상기 복합 직-병렬 연결로 구성된 이후에 바로 상기 망의 임의의 다른 개별적인 축전지의 전압의 약 10밀리볼트내로 매칭되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 망의 상기 개개의 구성요소 축전지 중 임의의 하나의 전압은, 상기 개별적인 구성요소 축전지가 상기 복합 직-병렬 연결로 구성된 이후에 바로 상기 망의 임의의 다른 개별적인 축전지의 전압의 약 4밀리볼트내로 매칭되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 망은 약110볼트 내지 약200볼트 범위의 전압을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 망은 약 120볼트를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  11. 제 1 항에 있어서, 다수의 개별적인 구성요소 축전지 중 적어도 수 개는 리튬-이온 축전지인 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  12. 제 1 항에 있어서, 축전지의 3차원 망을 제공하도록 서로 전기적으로 연결되는 다수의 축전지 상호 연결 망을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
  13. 전기차를 위한 내고장성 축전지 팩에 있어서,
    각각 양극 및 음극을 가지는 개별적인 구성요소 축전지들의 배열을 포함하되,
    상기 개별적인 구성요소 축전지들의 배열은 복합 직-병렬 연결로 다수의 종렬 및 다수의 횡렬을 갖는 망으로 구성되며,
    종렬의 각각의 상기 개별적인 구성요소 축전지의 상기 양극이 동일한 종렬의 인접한 개별적인 구성요소 축전지의 상기 음극에 직렬로 연결되도록, 각각의 다수의 종렬은 직렬로 함께 전기 연결된 개별적인 구성요소 축전지를 포함하고,
    각각의 상기 다수의 종렬은 다른 종렬과 병렬로 함께 전기 연결되며,
    각각의 다수의 횡렬에서, 상기 횡렬의 각각의 상기 개별적인 구성요소 축전지의 상기 양극은 동일한 횡렬의 임의의 인접한 개별적인 구성요소 축전지의 상기 양극과 병렬로 연결되며 상기 횡렬의 각각의 상기 개별적인 구성요소 축전지의 상기 음극은 상기 동일한 횡렬의 임의의 인접한 개별적인 구성요소 축전지의 상기 음극과 병렬로 연결되도록, 각각의 상기 개별적인 구성요소 축전지는 상기 동일한 횡렬의 임의의 인접한 개별적인 구성요소 축전지와 병렬로 함께 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전기차를 위한 내고장성 축전지 팩.
  14. 전기차에 사용하기 위해 다수의 개별적인 구성요소 축전지를 상호연결시키는 방법에 있어서,
    각각 직렬로 연결된 다수의 개별적인 구성요소 축전지의 서브셋(subset)을 가지는 다수의 축전지의 종렬을 형성하기 위해 상기 다수의 개별적인 구성요소 축전지의 서브셋을 직렬로 연결시키는 단계;
    축전지의 종렬 및 축전지의 횡렬의 망을 형성하기 위해 다수의 축전지의 종렬을 병렬로 연결시키는 단계; 및
    각각의 상기 개별적인 구성요소 축전지를 복합 상호 연결된 상기 망으로 구성하는 단계를 포함하되,
    각각의 상기 개별적인 구성요소 축전지는 축전지의 동일한 횡렬의 모든 인접한 개별적인 구성요소 축전지와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 축전지 상호연결 망.
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