KR20010071430A - 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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KR20010071430A
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battery
power
cell
control means
management system
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KR1020007013870A
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홀톰스테판웨인
아브라함슨고란
노르린안나
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추후보정
화노우 테크놀러지스 피티와이. 리미티드
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Abstract

본 발명은 전력을 시스템에서 부하까지 이동시키는 출력수단, 배터리시스템의 자동조작파라미터를 감지하는 배터리시스템까지 연결되고, 제 1 조작모드에서 배터리시스템으로부터 출력수단까지 전력을 공급하는 제어수단, 제어수단이 제 2 조작모드에 놓일 때 제어수단으로부터 명령 시그널에 응답하여 저장전력을 배터리시스템으로 공급하는데 적용되는 배터리시스템과 제어수단 사이에 연결된 예정량의 전력을 저장하는 제1 축전지 수단 및 제어수단이 제 2 조작모드에 놓일 때 제어수단으로부터 명령시스널에 응답하여 저장된 전력을 출력수단에 공급하는 출력수단과 제어수단 사이에 연결된 예정량의 전력을 저장하는 제2 축전지 수단으로 이루어진 배터리시스템으로부터 예정 전력출력을 제공하는 전력제어 시스템을 제공한다.
상기 배터리 관리 시스템은 자동판매기 형태로 서비스분야에 응용, 수동 장착된 재충전 모듈, 회전목마의 자동배터리 제거와 교체, 로보트 배터리 교체 시설과 주차장, 충전소에 장착되는 임대에너지 개념으로 사용 가능하다.

Description

에너지 저장 시스템 {ENERGY STORAGE SYSTEM}
배터리 산업은 배터리 관리 기술의 요구, 특히 배터리를 사용하는 이동전화기나 랩탑 컴퓨터와 같은 휴대용 기기의 편의를 도모하는 소비자들의 계속 증가되는 요구로 인해 배터리 산업이 발달되어왔다. 또한, 게다가, 배터리 산업은 새로운 시대의 차량용 전기모터 구동 기구들과 차량의 주동력원으로 배터리를 사용하는 무배기 차량에 있어서 그의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 이러한 동향은 공기 및 소음공해에 대한 급증하는 정부의 규제와 소비자들의 관심 때문이다. 고효율 배터리를 필요로 하는 또 다른 영역은 부하 수평조절, 비상/대기 전력과 민감한 전자부품에 대한 전력품질 시스템과 같은 에너지 저장 응용에 관한 일이다.
배터리 전력 장비가 증가됨에 따라, 현재 배터리 산업은 이상적인 셀을 제조하기 위하여 몰두하고 있다. 이상적인 셀이란 무게는 거의 없고, 공간도 차지하지 않으면서 극대화된 수명과 이상적인 충전/방전 성능을 제공하고, 셀의 수명이 다할 시기에는 그 자체가 환경에 어떠한 위험도 발생하지 않어야 한다. 배터리 산업에 있어서 가장 널리 사용되는 기술은 납축전지이나, 이 납축전지는 고에너지 밀도,소형화, 더 나은 성능, 장기 수명 및 보장된 재활용성에 대해 부합하기 위하여 도전을 받고 있다.
일부 제조업자들은 니켈금속수소화물이나 리튬이온 등을 함유한 색다른 배터리에 관한 연구를 하고 있으나, 일반적으로 이런 타입의 배터리들은 너무 비싸서, 특히 지상에서 가장 급속히 성장하고 있는 시장으로 대두되는 2륜 또는 3륜 차량에 경제적으로 이용될 수 없다. 배터리의 성능, 심지어는 기존의 납축전지 배터리도 배터리의 작동 조건을 적절히 관리해주면 크게 향상될 수 있다는 사실이 잘 알려져 있다.
여기서 적절히 관리되지 않은 배터리의 양상의 몇 가지를 들면, 하기 사항을 들 수 있다.
(i)재충전이나 재생 조작시, 과충전으로부터 보호
(ii)고전력 인출 또는 장시간 작동시 과방전으로부터 보호
(iii) 배터리의 내부저항으로 인한 부정적 효과의 최소화
(iv)배터리시스템의 각 셀의 모니터링, 제어 및 보호하는 기능
전형적으로 납축전지 충전기는 해결하여야 할 2개의 과제가 있다. 그의 첫째는 용량을 가능한 빨리 복원시키는 것이고, 둘째는 자체 방전을 보상함으로써 용량을 유지하는 것이다. 위 2가지 모두에서, 최적의 작동을 위하여는 정확한 배터리의 전압과 온도를 감지하는 것을 필요로 한다. 전형적인 납축전지가 충전될 때 황산납은 배터리의 음극에서는 납으로, 양극에서는 이산화납으로 각각 전환된다. 황산납의 대분분이 전환될 때 과충전 반응은 시작되어 전해질의 붕괴로 인한 수소와 산소기체가 형성되며, 이를 일반적으로 "개싱(gassing)"이라 한다. 배출구나 밸브 조정 배터리에 있어서, 이것은 전해질의 손실과 전해질의 탈수를 일으켜 배터리의 수명에 악영향을 끼친다.
과충전의 개시는 배터리 전압을 모니터링함으로써 측정할 수 있다. 과충전 작용은 셀전압을 급상승시킨다. 과충전 작용의 개시는 충전속도에 의존한다. 즉, 충전속도가 증가할수록 과충전 개시에서의 반환용적 비율이 감소한다. 과충전에 사용된 에너지는 배터리로부터 복구 불가능하다. 제어된 과충전은 일반적으로 되도록 빠른 시간 내에 최대 용적을 회복하고 불균형적인 배터리를 균형적인 상태로 되돌리려하는데, 이때 수명이 단축되는 것을 희생하여야 한다.
배터리를 재충전하는데 몇 개의 방법이 사용되었음에도 불구하고, 모든 방법들은 각 셀그룹을 하나의 유니트로 생각하고, 특별한 배터리에 있는 각 셀들은 실질적으로 모니터링하지 않았는데, 이는 셀그룹 내부에 실제적인 평형을 제공하는데 매우 중요하다. 전형적인 12볼트 전압의 배터리는 1차 연결용 주단자를 갖는 케이스내에 서로 직렬 연결된 2볼트 짜리 셀 6개로 구성되어 있다. 대개 배터리 셀들은 동일하게 작용하지 않으므로, 충전과 방전기능을 수행하는 과정에서 셀들은 결국 평형을 벗어난 상태에 이른다.
셀 수명의 가장 결정적인 2 가지 요소는 고준위 및 저준위 전압이다. 2볼트의 납축전지가 충전 및 재생시 약 2.6볼트를 초과하는 경우, 가스가 발생하여 전해질 탈수현상을 일으켜서 셀 수명에 악영향을 미친다. 또한, 방전시 셀 전압이 약 1.6볼트 미만으로 떨어지면, 셀 양극 표면에 영구적인 손상이 발생할 수 있다. 가장 일반적인 충전 시스템을 갖는 배터리 충전기는 직렬로 연결된 셀들 중 오직 첫 번째와 마지막 단자에만 연결되어져 있어서 각각의 셀이 손상되는 것을 정확하게 모니터링하여 보호할 수 없다. 일반적으로 양호한 셀이 실질적으로 과충전되어 하나의 부실한 셀을 충전기의 예정된 요구사항을 만족시키기 위하여 축적된 총 전압만큼 충분한 전압으로 고전압까지 생성된 축적 전압과 충전기가 반응한다. 이 과충전은 전해질을 탈수시키고, 좋은 셀들을 약하게 만들어 셀뿐만 아니라 전체적인 배터리의 수명에도 심각한 악영향을 끼친다.
배터리의 내부저항은 배터리시스템의 충전과 방전기능에 상당한 영향력을 미치는 또 하나의 요소이다. 배터리는 여러 가지 문제들로 인하여 손실을 보는데, 이러한 결과로 성능에 손실을 가져오지만, 주된 제한중의 하나는 내부저항을 극복하는 일이다. 모든 배터리시스템은 내부저항을 가지고 있으며, 유니트 중량당 최대 에너지 양을 저장하는 동시에 내부저항을 최소화하는 목적을 가지고 있다. 하나의 부하가 배터리시스템에 걸려졌을 때 요구되는 전류가 흐르고, 배터리 전압은 떨어지는 결과를 가져오는데, 이는 배터리의 내부저항 때문이다. 저항이 약할수록 배터리의 전압도 덜 떨어진다. 이는 배터리에 생기는 종합적인 내부저항 때문에 발생하며, 활성과 농도 분극과 같은 분극으로 인한 저항과 구성요소들의 물리적인 저항을 포함한다.
어떤 배터리시스템의 전체 내부저항에 영향을 미치는 중요한 요소는 분극현상이다. 농도 분극은 단순한 형태로 전극 표면에 반응물 또는 생성물의 축적되는데, 이것이 반응물을 전극으로 확산되는 것을 제한하고, 생성물을 전극에서 멀리떨어지게 한다. 배터리시스템에서 고전류가 흐를수록 고분극의 손실이 일어남을 경험상 알 수 있다. 따라서, 배터리시스템에서 인출할 수 있는 최고 전류는 배터리시스템 내의 분극도에 의해 제한된다. 만약 분극 손실이 제어될 수 있다면, 대부분의 배터리시스템으로부터 최소의 전압 손실에서 최대의 고전류가 얻어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 대부분의 배터리들이 경험하고 있는 내부저항 손실을 유의하게 감소시키는 배터리로부터의 예정 전력출력을 공급하는 전력제어 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 에너지 저장 시스템, 더 상세히는 배터리의 성능을 향상시키기 위한 배터리 관리 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 1 실시예에 따라 배터리시스템으로부터의 예정 전력출력을 제공하는 특정 전력제어 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 일반화한 전력제어 시스템의 블록도이다.
도 3은 납축전지에 적용된 도 1에 나타낸 전력제어 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 전력제어 시스템이 있을 때와 없을 때의 납축전지의 배터리 용량에 대한 주기를 나타낸 그래프이다.
도 5는 레독스-겔 배터리에 적용한 도 1에 나타낸 전력제어 시스템을 블록도이다.
본 발명의 목적은
(i) 시스템에서 부하까지의 전력을 이동시키는 출력 수단,
(ii) 배터리시스템의 미리 선택된 조작 파라미터를 감지하는 배터리시스템까지 연결되고, 제 1작동 모드에서 배터리시스템으로부터 출력 수단까지 전력을 제공하는 제어 수단
(iii) 제어 수단이 제 2모드 조작에 놓일 때 제어수단으로부터 명령 시그널에 응답하여 저장 전력을 배터리시스템으로 공급하는 데 적용되는 배터리 시스템과 제어 수단사이에 연결된 예정량의 전력을 저장하는 제 1 축전지 수단,
(iv) 제어 수단이 제 2모드 조작에 놓일 때 제어수단으로부터 명령 시그널에 응답하여 저장 전력을 출력수단에 공급하는 데 적용되는 출력 수단과 제어 수단사이에 연결된 예정량의 전력을 저장하는 제 2 축전지 수단
으로 이루어진 배터리시스템으로부터 예정 전력출력량을 제공하는 전력제어시스템을 제공하는 것이다.
제 1 및 제 2축전지는 배터리에서 전달되는 전력을 작은 비율로 저장하는 것이 바람직하다.
본 발명의 1 실시예로서, 제어수단은 전력제어 시스템에서 전력을 공급 개시이후 예정된 일정 시간간격으로 제 1축전지 수단과 제 2축전지 수단에 명령 시그널을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시예로서, 제어 수단은 배터리 내부의 분극 레벨를 감지하고, 배터리 내의 분극 레벨이 예정 레벨을 초과하면, 제 1축전지 수단 및 제 2축전지 수단에 대한 제어 신호가 개시되도록 하는 것이다.
제 1축전지 수단중에 저장된 전력은 역전하 또는 펄스를 유도하여 제어수단에 의해 감지되는 대로 배터리시스템 내부 저항에 비례하는 비율로 배터리시스템내의 전극을 여기시킨다. 전극 표면의 여기는 배터리 내외부로 훨씬 더 큰 전류가 흐르게 함으로서, 훨씬 강한 전류를 인출하고 더 빠른 재충전과 오랜 수명을 갖도록 한다.
제어시스템은 배터리시스템으로 이루어진 배터리시스템 전체나 각각의 셀의 예정 작동 파라미터를 감지하는데 적용될 수 있다.
전력제어 시스템은 자동적으로 배터리의 전류흐름, 온도, 내부저항과 조작 성능을 모니터링하는데 적용될 수 있다. 더욱이, 전력제어 시스템은 충전/방전 사이클 동안 배터리시스템의 각 셀을 모니터링하는데 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 바와 같이, 전력제어 시스템은 배터리 충전기로부터 배터리시스템에 예정 전력 입력을 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 1개 이상의 셀을 가지며, 1쌍 이상의 전극을 갖고 분극되기 쉬우며,
(i)분극 수준을 지시하는 각 셀의 예정 파라미터를 모니터링하는 수단,
(ii)배터리 내외부로 이동되는 예정전력량의 저장 수단 및
(iii) 분극을 감소시키기 위해 전극에 역전하와 펄스를 유도하는 수단
을 함유하는 배터리 관리시스템을 제공하는 것이다.
도 1에 나타난 전력제어 시스템(10)는 전기 차량과 같은 부하가 연결된 단자 또는 출력 수단(12)에서 배터리시스템(11)으로부터 예정 전력출력을 제공하는데 적용된다. 출력단자(12)와 배터리시스템(11)의 단자(13)사이에는 배터리시스템(11)의 예정 조작 파라미터를 감지하는 제어수단(14)이 있다. 제어수단(14)은 제 1모드가 작동할 때 배터리시스템(11)에서 출력단자(12)까지 전력을 제공한다.
배터리시스템(11)과 제어수단(14)에 연결된 제 1축전지(15)는, 제어수단(14)의 제 1작동모드일 때 배터리시스템(11)으로부터의 예정 전력량을 저장하고, 제어수단이 제 2작동모드일 때 제어수단(14)의 명령시그널에 반응하여 그 저장된 전력을 배터리시스템(11)에 공급한다.
출력단자(12)와 제어수단(14)에 연결된 제 2축전지(16)는 제어수단(14)이 제 1작동모드일 때 배터리시스템(11)으로부터 예정 전력량을 저장하고, 제어수단(14)이 제 2작동모드일 때 제어수단(14)으로부터 명령시그널에 응답하여 그 저장된 전력을 출력단자(12)에 공급한다.
따라서, 전력제어 시스템은 이 두 개의 축전지 네트워크에 결합하며, 배터리시스템(11)의 분극레벨이 너무 높거나, 전력이 처음 부하로 공급되어 미리 조절한 시간간격이 경과되었을 경우, 제어기가 감지하여 때, 전력제어 시스템은 배터리시스템(11)으로 역충전을 개시한다. 방전사이클동안 제어수단(14)은 제 1축전지 네트워크(15)에 저장된 에너지를 배터리시스템(11)을 충전하는데 사용하며, 동시에 제 2축전지(16)는 출력단자(12)로 연속된 전력을 공급하게 한다. 이 역전사이클 또는 방전사이클 시간간격은 매우 작고 효율적이어서 규칙적인 주기로 잘 실행될 수 있다.
역충전은 배터리시스템 내의 효과를 중단시키거나 최소화시키고 분극현상과관련된 손실을 일으키기도 한다.
전력제어 시스템은 작동시간 내내 최적 성능과 배터리를 보호하기 위하여 충전기와 연관된 작동을 한다. 전력제어 시스템은 배터리시스템에 무허가 충전기타입이 연결되는 것을 금지시켜 전위남용 방지와 차량소유자가 가정에서 부적절한 충전기로 배터리시스템을 충전하지 못하게 한다.
전력제어 시스템, 충전기 및 차량은 각각의 전자시그널을 결합하여 전체시스템이 매우 정확하게 탐지되어 모니터링될 수 있도록 한다. 배터리시스템이 충전기 유니트에 장착될 때, 전력제어기는 그 자신, 전력 제어기가 제거된 차량 및 사용자도 인지할 것이다.
충전기 유니트는 배터리의 에너지수치을 모니터링하고 이 값을 사용자가 신용하게 하고, 또한 배터리의 교환, 전력 그리고 월 임대 비용도 나타낸다. 현금이나 신용 카드로 이 비용이 지불되자마자 새 배터리가 출시되어 차량에 장착된다. 만약 소비자가 배터리를 남용하거나 함부로 만지면 이는 충전기에 의해 인지될 것이다.
제어시스템은 배터리 에너지 준위를 나타낼 뿐 아니라 현재 사용중인 에너지 수치를 근거로 하여 운전범위도 평가한다. 따라서 차량 운전자는 남아있는 에너지로 얼마나 많은 거리를 더 달릴 수 있는지를 알게 된다.
각각의 충전기 유니트는 원격측정장치를 통하여 작동센터에 연결되어 질 수 있는데, 이 작동센터는 충전 스테이션들의 네트워크내의 모든 충전 스테이션의 항시 모니터링을 가능케 한다.
전력제어 시스템은 속도제어모듈의 기능과 특징을 나타내기도 하는데, 이것은 차량운전자가 차량의 속도제어장치를 제거하여 전력제어 시스템을 통하여 간단하게 출력을 제어할 수 있다는 것을 의미한다. 이는 차량가격을 하락시키고, 제품보증노출을 감소시키며, 원격측정통신시스템을 통한 지속적인 성능 모니터링기능을 부여한다.
전력제어 시스템은 밸브로 조절되는 납축전지, 니켈금속수소화물 배터리 그리고 레독스 겔 배터리등 각자의 장점과 적용 대상에 따른 여러 가지 배터리시스템에 응용될 수 있다.
전력제어 시스템은 원격영역전력시스템, 부하 평형 그리고 비상예비 배터리시스템과 같은 예비 성능기능을 향상시키는데 사용될 수 있다. 원격영역전력시스템과 비상예비시스템에 사용되는 고정된 배터리시스템은 확장된 기간만큼 충분히 충전되어진다. 각기 다른 속도로 셀들이 자기방전을 하는 관계로, 전력제어 시스템은 정기적으로 각각의 셀 상태를 조사하도록 프로그램화되었으며, 내부적으로 셀들의 균형을 맞추는 셀 균형 기술을 이용한다. 따라서 충전시스템은 대기 상태로 있거나, 필요로 하는 전력제어 시스템의 통제를 받는 상태중 양자 택일되어진다.
블록 형태의 도 2에 나타낸 전력제어 시스템의 바람직한 실시예는 마이크로프로세서(40)와 후술하는 모든 기능들을 관리하는 연합 소프트웨어(57)를 포함한다. 이 경우 8MHz로 작동되는 8 비트나 4, 16, 32 또는 64비트 마이크로프로세서도 사용 가능하다. 프로세서 속도범위는 4MHz에서 166MHz 이다. 또한, 디지털 시그널 프로세싱 칩은 각각의 배터리 요구에 의존하여 사용될 수 있다. 마이크로프로세서는 EEPROM, ROM 그리고 RAM메모리를 가지고 있으며, 선택적으로 ASIC(응용주문형집적회로)를 사용할 수도 있다.
각 셀전압 측정모듈(41)은 각 셀의 접합점에 연결되어진 분리된 전선을 이용한다. 이 전선은 전압측정만을 위한 용도로 사용된다. 개개의 셀전압은 배터리의 바닥상태를 참조로 하여 24볼트까지 측정된다. 또한 이는 정확함이 요구되어질 때, 각각의 셀전압을 직접 측정하는 방법으로도 얻어질 수 있다.
개개의 셀전압의 측정 조건은 셀전압이 저항기 네트워크에 의해 분리되며, 분리기중의 바닥 저항기를 가로질러 연결된 필터축전지에 의해 원활하게 되는 회로를 포함하는 모듈(42)에 의해 이루어진다. 조작 증폭기를 사용하는 능동 필터나 다른 필터 수단을 사용할 수 있다. 아날로그에서 디지털로 전환될 때의 적절한 전압이 분리기와 필터에 의해 측정된다. 이 경우 배터리의 각 연결부위의 최대 예정 전압은 4.95볼트를 나타낸다. 각 셀의 전압측정을 위해 12비트의 아날로그-디지털 전환기가 사용되었다. 아날로그-디지털 전환기는 각각의 전압을 스케일링하고, 셀의 양극 쪽의 전압에서 음극 쪽의 전압을 빼줌으로써 측정되어진 각 전압을 셀전압으로 전환시키는 마이크로프로세서에 의하여 연속적으로 통제를 받는다. 이 방법은 각각의 셀에 사용되어졌으며, 24 또는 30볼트까지의 셀 전압에 적용될 수 있는 방법이다.
24볼트나 30볼트 이상일 때는 위에서 설명한 방법의 다단계적인 절차가 사용되는데, 광학적으로 커플된 연속적 통신방법으로 연속적인 디지털 데이터를 전달하여 셀 전압을 분리하는 방법이다. 셀 전압을 직접적으로 측정하여 이 정보를 주파로 마이크로프로세서에 보낼려면 각각의 셀을 가로질러 연결된 전압-주파 전환기를 사용한다. 이들 전압-주파수 전환기는 주파수를 측정하여 이를 전압으로 전환시키는 마이크로프로세서에 동전기에 의하거나, 광학적으로 연결될 수 있다.
전류측정모듈(43)은 분로 저항기를 통하여 전압을 측정하고 고성능 필터링작용의 전류감지증폭기로 이 값을 스케일한다. 이에 대한 다른 방법은 적절한 시그널 조절로 전류를 측정하는 홀 효과(hall effect) 장치를 사용하는 것이다.
전류측정조절은 회로모듈(44)에 의해 이루어지는데, 이 회로모듈(44) 내에서는 분로 장치를 통과하여 얻어진 전압이 전류의 방향에 관계없이 0∼5볼트의 시그널로 전환되어, 위에서 서술한 바와 같이 전압측정에 이용되는 동일한 12 비트의 아날로그-디지털 전환기의 입력으로 공급되어진다. 그리고 이 조절 회로는 전류의 흐르는 방향을 나타내는 마이크로프로세서에 디지털 입력을 공급하기도 한다. 이러한 기능은 최소 외부요소를 갖는 통합된 회로를 통해서 가능하다. 분리된 요소를 사용하는 것 또한 이 영역에서 가격적인 면에서 큰 효과를 볼 것이다.
온도는 회로판에 설치된 IC회로 온도 감지기를 이용하는 회로 모듈(45)에 의해 측정된다. 이것들은 개수에 관계없이 사용가능하고, 배터리, 각각의 셀 그리고 주위 온도측정을 위한 외부 등 여러 장소에 위치할 수 있다.
온도측정조절은 회로모듈(46)에 의해 이루어지는데, 온도값은 출력되는 전압값이고, 작은 잔류편차의 전압 작동 증폭기가 0∼5볼트까지 이 값을 측정하는데, 이는 전압과 전류측정용 아날로그-디지털 전환기의 입력값을 연결하는데 적절한 수치이다.
액정 디스플레이(LCD)(47)는 잔류 용량, 잔류 킬로미터 그리고 다른 정보 등을 나타낸다.
디스플레이 드라이버(48)는 마이크로프로세서(40) 내부에 저장된 룩업표에 근거한 메모리 위치를 적절한 값으로 표기함으로써 마이크로프로세서(40)에 의해 직접적으로 구동된다. 마이크로프로세서 요구성과 LCD 복잡성에 따라, 분리된 IC드라이버가 사용될 수 있다. LED나 기체 플라즈마 디스플레이가 사용되기도 하며 액정 디스플레이 모듈 역시 사용 가능하다.
청각 지표모듈(49)은 사용자에게 청각적인 시그널을 보내는 압전 부자(piezo electric buzzer)를 가지고 있다. 이는 마이크로프로세서에서 이상적으로 직접 구동되며, 필요에 따라 트랜지스터와 함께 사용될 수 있다.
바퀴에 장착되는 거리감지기(50)는 움직이는 차량용 배터리에서만 사용하여야 한다. 자석이 바퀴에 장착되고 홀 효과 픽업 장치가 비히클 고정부위에 놓이는 위치에서 이 감지기(50)는 마그네틱 픽업 또는 광학감지기 중 하나의 형태를 취할 수 있다.
거리감지기(50)의 출력이 주파수이고, 마이크로프로세서(40)로 스케일하고 측정하여 이를 차례로 속도나 거리값으로 전환시키는 회로모듈(51)에 의해 거리감지조절이 이루어진다,
압력감지모듈(52)은 배터리내부에 위치하는 저전압(0∼100mV) 출력을 나타내는 압력 전환기를 가지고 있다.
압력감지조절모듈(53)은 정확한 작동 증폭기를 통하여 0∼5볼트까지의 출력을 계산하고, 아날로그-디지털 전환기에 이를 공급한다.
통신모듈(54)은 배터리 충전기로부터의 모든 통제와 통신시그널을 직접 직렬버스를 통해 마이크로프로세서(40)에 전달한다. 이 직렬버스는 교정목적으로 PC에 응용될 수 있다.
오랜 배터리 수명을 위해서는 모든 부품은 저전류 소비 기기들을 사용해야 한다. 마이크로프로세서, 아날로그-디지털 전환기 그리고 다른 모든 회로소자들이 마이크로프로세서에서 저전류 모드모듈(55)까지의 시그널에 의해 저전류 소비체제하에 놓일 수 있다.
원하는 만큼의 정확성을 얻기 위해서는, 마이크로프로세서로의 아날로그 입력을 교정모듈(56)로 측정하고, 교정요소와 잔류편차는 전기적으로 소거 가능한 프롬(EEPROM)메모리에 저장한다.
소프트웨어(57)는 에너지 사용 통합시 전류 모니터링과 같은 시간이 결정적 역할을 하는 현상의 흐름 중단 뿐 아니라 오히려 폴링성에 가깝다. 소프트웨어는 오히려 각각의 셀 결점유무와 각자 셀이 배터리 충전기에게 통지했는지의 유무를 측정 가능하다.
소프트웨어는 배터리가 스위치를 열 때 과방전되는 것을 예방하기 위해 다항 전압 전류알고리즘을 포함하기도 한다. 소프트웨어는 아래와 같이 용응된다.
(i) 배터리 자체 방전을 계산하고 셀 균형 과정을 개시할 수 있다.
(ii) 사이클수를 기록하여 이를 배터리 충전기에 전송할 수 있다.
(iii) 과전압 또는 부족전압의 방지를 위해 모니터링, 전달 그리고 보호조치를 개시시킨다.
(iv) 일정 시간간격으로 전류 표본을 측정하여 사용된 암페어시와 잔존 데이터 제공을 위해 시간으로 전류를 적분한다.
(v) 전류 사이클동안 사용되고 잔존한 암페어시는 부하에 정확하게 의존한다.
마이크로프로세서(40)는 모터(58)에 전류를 조절하기 위해 FETS나 IGBT를 구동시킬 수 있다. 이것은 브러시형태의 모터를 위하여 변조 제어된 단일 펄스폭 혹은 릴럭턴스 모터나 브러시없는 DC모터와 같은 브러시없는 다형태의 모터를 위한 다출력 준 사인곡선 제어를 제공한다.
FET 혹은 IGBT 스위치(59)는 배터리의 안전과 보호를 위해 사용된다. FET은 저항이 작은 것을 사용한다.
스위치(59)는 마이크로프로세서(40)가 운영하는 스위치제어모듈(60)에 의해 제어되고, FETS 이나 IGBT 구동은 하이 사이드 구동을 가능하도록 상승전압의 스위치가 연결된 전력공급을 이용한다.
저항제어모듈(61)에서, 마이크로프로세서는 FET을 제어하는데 이 FET은 주기적으로 배터리 전압 이상으로 축전지를 충전시키고, 다시 배터리 전압정도로 이 축전지를 방전시키는 역할을 하며, 이때 동시에 부하전류를 보유한 또 다른 축전지가 가동된다.
출력을 나타내는 에너지 측정기(62)는 잔존한 용량을 액정소자형태로 나타낸다. 이 값은 시간에 대하여 전류를 적분해서 계산되어진다. 일정한 시간간격으로전류를 측정하여 이 값을 누산기에서 가감하고 잔류 출력을 나타내도록 100%까지 표시한다.
내부저항/임피던스 모듈(63)은 전류 변화 개시 전후에서 전압의 변화를 측정하는 수단으로, 내부저항과 임피던스를 계산한다. 이는 충전과 방전 양자 모두에서 가능하다. AC 전류나 전압은 배터리에 투입되어 합성전압이나 전류가 내부저항과 임피던스를 계산되어 측정된다.
셀 균형 모듈(64)은 하나의 셀이 그룹 내에 있는 다른 셀들에 비해 훨씬 자체 방전되는 것으로 고려될 때, 전체 셀그룹에서 전력을 가지고 오도록 작동되어 스위치 모드 전력전환기를 사용하는 적당한 전압으로 전환된 후, 약한 셀에 공급하여 셀 들의 균형을 유지한다.
납축전지는 한정된 용량사용, 방전의 낮은 깊이, 짧은 수명, 저에너지 밀도, 열관리 문제점 그리고 셀 균형 유지를 위한 지속적인 충전 필요성 등 많은 문제가 있었다. 그리고 납축전지는 장시간의 충전시간과 고전하의 전류가 저전하 상태에서는 몇 분밖에 쓰이지 못한다는 문제점도 가지고 있다. 고전류가 사용되는 경우, 허용되는 전압보다 훨씬 높게 되어 전해질 손실과 배터리 용량저하가 발생한다. 납축전지를 충전하시는 시간은 적당한 충전 조건이면 4시간 이하이다.
납축전지 수명은 사이클링 동안 방전의 깊이에 따라 매우 다양하다. 전기비히클의 경우 90∼100%의 방전깊이는 드문 경우가 아니며, 이 같은 방전깊이 정도에서 깊은 사이클의 납축전지 수명은 대략 300 사이클정도이다.
도 3은 전력제어 시스템(20)가 인증되는 납-산 형태의 납축전지에 적용되는것을 나타내고 있으나, 그의 셀구조에 전진 나선 권형 기술을 이용하고 있다. 12개의 개별 셀(21)는 낮은 저항을 갖는 개별 셀을 형성하기 위해 의 나선형으로 이루어져 넓은 표면적의 전극으로 이루어져 있다. 고전류가 배터리시스템으로부터 나오도록 향상된 전해질이 개발되어왔다. 배터리시스템은 전력제어 시스템(20)에 나선 권형 셀 기술과 향상된 전해질를 결합한 것을 포함한다. 셀(21)는 버스(22)에 직렬연결 되어있으며, 이 버스(22)는 제 1축전지(23), 제어수단(24), 제 2축전지(25)와 출력단자(26)에 연결되어 있다. 점선(27)은 제어수단(24)에서 제 1축전지(23)까지의 명령 시그널을 나타낸다. 밸브로 조절되는 납축전지 형태는 임대에너지 시스템을 위한 출발점으로, 비교적 저렴한 가격의 증명된 기술을 제공한다.
전력제어 시스템(20)을 사용하고 이들 특징들의 이점을 최적화한 배터리 설계를 개조함으로서, 제조원가의 마진 폭만으로 전류흐름의 증가, 용량, 증가된 사이클 수명, 그리고 감소된 재충전 시간이라는 괄목할 만한 향상을 나타내는 배터리를 제공한다.
도 4에 본 발명의 전력제어 시스템을 설치한 것과 설치하지 않은 납축전지의 배터리 용량에 대한 사이클 수를 나타낸다. 사이클이란 충전에서 방전까지, 그리고 역으로 충전되기까지를 의미한다.
증가된 전류흐름 용량이란 전력과 용량사용이 향상되어 더 높게 얻어질 수 있는 암페어-시간 정격과 비히클 범위의 연장의 결과로 향상됨을 의미한다. 증가된 사이클 수명이란 새것으로 교체되기 전에 더 많이 재충전이 가능해져 결과적으로 연중 조작 비용을 저감시키는 것을 의미한다. 감소된 충전시간이란 배터리가 훨씬빨리 회전하여 임대에너지 시스템에 요구되는 예비 배터리수를 감소시킬 수 있는 것을 의미한다.
또한, 전력제어 시스템은 배터리 시스템에 일반적으로 고비용이 요구되는 향상된 공정과 고순도 물질을 사용하는 통상의 NiMH배터리에 적용될 수 있다. 고성능의 배터리를 얻기 위하여 고순도 니켈 수산화물과 가공 처리된 금속 합금의 팽창된 니켈포말은 고도의 품질관리를 요구한다.
NiMH 수소화물 배터리는 자체 방전 문제점과 온도에 의해 악영향을 받는다. 어떤 시스템 상에서 고전류의 소비는 배터리 셀을 손상시키는 원인이 되므로, 배터리를 과충전하지 않도록 해야한다. 이러한 점에서 적절한 충전을 확보하는 향상된 배터리 충전기가 필요하다.
본 발명 실시예의 NiMH 배터리시스템은 배터리 전력제어 시스템에 의해 제공되는 모든 이점을 취하도록 설계된 진보된 NiMH 기술을 이용한다. 셀구조는 훨씬 높은 전력출력능을 갖는 셀의 생산을 허용하는 나선 권형 셀기술을 사용한다. 전력제어 시스템은 배터리 팩 셀에 결합된다. 전력제어 시스템은 분극효과를 두드러지게 감소시켜 사이클 수명을 손상시키지 않고, 고전류를 제공할 수 있게 한다.
전력제어 시스템이 모든 유니트 기능을 모니터링하므로 통합유니트는 효과적인 독립형 지능 에너지저장 시스템이다. 전력제어 시스템은 최적 배터리 성능을 유지시키는 조치를 취할 수 있어 결과적으로 수명의 연장이라는 결과를 가져온다.
이 NiMH 시스템은 에너지 고밀도, 고전력, 오랜 수명 그리고 빠른 재충전시간과 같은 장점으로 "임대 에너지" 시스템에 이상적으로 적합하다. 이 시스템은 약간의 상승된 비용으로, 밸브 제어 배터리 시스템에 비하여 전기 자동차가 훨씬 더 먼 거리를 주행하게 한다. 이를 실현시키는 비용은 현재 사용중인 다른 작은 제품의 1/10수준인 기존 NiMH 시스템가격보다 대단히 저렴하다.
NiMH 시스템은 특히 장거리 여행을 요구하는 전기 자전거의 소량 배터리시스템에 적합하다.
또한, 전력제어 시스템은 수년간 연구되어온 레독스 배터리에도 적용될 수 있다. 이들 배터리들은 주로 배터리 스택에 분리 저장되는 액체 전해질중 에너지를 저장하는 레독스 플로어 배터리 형태이다. 작동중, 전해질은 시스템을 통하여 재순환되고 에너지는 전해질로 및 전해질로부터 이동된다. 통상 레독스 플로어 배터리는 에너지 저밀도라는 점과 시스템을 통한 전해질 재순환과 관련된 펌프 손실을 일으키는 문제점을 안고 있다. 어떤 경우, 맴브레인에 의존적이거나 또는 내부 분류전류가 존재하면 자체 방전률이 높게 되기도 한다.
레독스 겔 배터리는 전해질이 고농축 겔이므로 전해질이 재순환이 필요 없다는 레독스 플로어 원리와 다르다.
통상의 배터리시스템은 상간 이동반응을 포함하는 고체 금속 전극의 형태를 채용하고 있다. 통상 이들은 중량이 증가되어 효율이 떨어진다. 레독스 겔 배터리는 고도로 농축된 겔을 사용하며, 이는 각 겔내에 고농도의 양 및 음의 반응성 이온을 포함한다. 모든 반응성 종류가 겔에 포함되므로, 어떠한 상간 이동반응도 일어나지 않아 손실이 최소화되어 고효율 결과를 가져온다.
본 발명의 전력제어 시스템은 분극 효과를 감소시키는 레독스 겔 배터리팩내에 결합될 수 있다. 겔은 고농도이므로 고부하가 배터리시스템에 걸렸을 때 분극현상이 증가하는 경향을 나타낸다. 레독스 겔 배터리를 위해 특별히 설계된 전력제어 시스템은 레독스 겔 셀 시스템의 설계에 관한 많은 불편을 완화시킨다.
도 5의 전력제어시스템(30)은 내부에 셀(32), 제어수단(33), 제 1축전지(34), 제 2축전지(35) 그리고 출력단자(36)를 연결하는 버스시스템(31)을 포함한다. 점선(37)은 명령시그널을 나타낸다.
레독스 겔 셀을 위해 특별히 설계된 제어수단(33)은 각각의 셀 전압과 온도를 모니터링하는 것과 같은 다수의 모니터링 기능을 수행한다. 또한, 이는 밀봉 배터리팩의 내부압력을 모니터링하고, 주어진 조건에서도 시스템의 허용 부하 한계를 확인시켜준다. 제어수단(33)이 부가되면 어떠한 전하 상태에서도 최적의 배터리 성능을 유지하는 능동 단계를 취할 수 있는 중요한 성능을 갖는다. 시스템을 고도로 제어함으로서 시스템은 전체용량을 반복적으로 그리고 장시간 사용할 수 있다.
이 시스템은 가격적인 면에서 매우 경쟁력 있으며 기존의 에너지저장시스템에 우수한 성능을 부여한다. 레독스 겔 셀에 사용되는 전극은 단순하게 에너지를 겔 전해질 내외부로 이동시키는 역할만을 한다. 전극은 비활성이므로 특별히 발달된 플라스틱 물질로부터 만들어질 수 있다.
이 시스템은 레독스 겔 셀에 결합되고, 전력제어 시스템은 NiMH 시스템보다 거의 2배에 가까운 에너지밀도를 갖는 에너지저장시스템 생산한다. 이 시스템은 겔 전해질의 안정성으로 인하여 긴 사이클 수명을 가지며, 가격면에서 효율적이다. 중량이 가볍고 단단하기 때문에 "임대에너지" 차량의 배터리 교환 공정에 적절하다.
본 발명의 또 다른 실시예는 배터리시스템에 결합된 배터리 성능 전력제어 시스템이 결합된 배터리 충전과 조절 모듈에 관한 것이다.
배터리시스템이 가지고 있는 문제점은, 전체적인 배터리 상태가 기록되고 적절한 전하가 공급되는 곳에서의 부정확한 충전 또는 연결 충전 한계와 같은 여러 문제점을 갖는다. 그러나 이 개념은 개개의 셀 조건에는 적용되지 않으므로, 고충전 셀은 과충전되고 저충전 셀은 대개 미충전된다. 결과적으로 전체적인 배터리 수명이 급속히 감소한다.
또 다른 문제점은 여러 구성요소에 내부저항이 있을 경우, 내부효과 때문에 배터리가 고전하전류를 수용할 수 없다는 점이다. 급속 충전은 수소가 발산하여 위험 뿐 아니라 전해질 붕괴로 배터리의 수명을 제한되는 곳에서의 개싱 효과를 초래한다. 이 충전기는 전력제어 시스템과 함께 작용하고, 내부저항을 제한하여 배터리 수명에는 아무런 악영향을 끼치지 않고, 급속 충전을 가능하게 한다.
본 발명은 배터리 시스템에 결합된 전력제어 시스템으로 함께 구성되어 독특한 배터리 충전과 조절모듈을 제공한다. 이 전력제어 시스템의 주된 기능은 배터리 내부 저항으로 인한 분극효과를 감소시키는 것이다. 중요한 것은 이것이 개개의 셀 모니터링, 전력출력제어기능의 제공, 보호와 조절기능을 부여하는 특별 배터리전하와 관련한 작동기능과 같은 다중기능 제어를 할 수 있다는 점이다.
특수 배터리 충전기는 전력제어 시스템을 인지할 수 있으므로 배터리 모듈 직렬 개수를 인지하여, 원격통신시스템을 통하여 작동센터로 중계된다. 일단 배터리가 등록되고 소비자의 계좌가 확인되면 전력제어 시스템에 의하여 배터리 충전기는 충전할 수 있도록 허락되어진다.
실질적인 충전기능은 전력제어 시스템과 함께 각각의 셀이 모니터링되어 그것들의 특정 요구 조건들로 처리 또는 조절되도록 수행하는 것이다. 이는 과소충전이나 과충전으로 인한 셀 손상을 예방함으로서 총수명을 현저히 연장시킨다.
배터리 충전기는 배터리 형태를 인식할 수 있으며, 자동적으로 정확한 충전 포맷을 선별하는 기능을 가지고 있다. 만약 검증되지 않은 배터리가 충전기에 장착되면 충전기는 이를 연결시키지 않는다. 충전기는 또한 전력제어 시스템으로부터 피드백을 통하여 배터리가 어떠한 방법으로 충전되어 왔는지, 최적의 모듈이나 배터리가 어떻게 방해를 받아왔는지를 측정하고 이 정보를 작동센터로 보내는 기능을 수행한다.
각각의 충전기 유니트는 원격시스템을 통하여 작용센터에 연결되어, 지속적으로 네트워크안의 모든 장치, 각각의 배터리위치와 계좌 상태를 모니터링한다.
배터리 관리 시스템은 자동판매기 형태로 서비스분야에 응용, 수동 장착된 재충전 모듈, 회전목마의 자동배터리 제거와 교체, 로보트 배터리 교체 시설과 주차장, 충전소에 장착되는 임대에너지 개념으로 사용 가능하다.

Claims (22)

  1. (i) 전력을 시스템에서 부하까지 이동시키는 출력수단,
    (ii) 배터리시스템의 자동조작파라미터를 감지하는 배터리시스템까지 연결되고, 제 1 조작모드에서 배터리시스템으로부터 출력수단까지 전력을 공급하는 제어수단,
    (iii) 제어수단이 제 2 조작모드에 놓일 때 제어수단으로부터 명령 시그널에 응답하여 저장전력을 배터리시스템으로 공급하는데 적용되는 배터리시스템과 제어수단 사이에 연결된 예정량의 전력을 저장하는 제1 축전지 수단 및
    (iv) 제어수단이 제 2 조작모드에 놓일 때 제어수단으로부터 명령시스널에 응답하여 저장된 전력을 출력수단에 공급하는 출력수단과 제어수단 사이에 연결된 예정량의 전력을 저장하는 제2 축전지 수단
    으로 이루어진 배터리시스템으로부터 예정 전력출력을 제공하는 전력제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 제 1, 제 2축전지가 배터리로부터 전달되는 전력을 작은 비율로 저장하는데 적용되는 전력제어 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 제어수단이 전력시스템으로부터 공급개시 이후, 예정된 시간 간격으로 제 1축전지와 제 2축전지에 명령시그널을 전달하는 전력제어 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 제어수단이 배터리 내부의 분극 정도를 감지하도록 적용되고, 제 1축전지수단과 제 2축전지수단에 대한 제어시그널이 배터리내부 분극 수치가 예정한도를 초과할 때 개시되는 전력제어 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 전력제어 시스템은 제 1축전지수단에 저장된 전력은 역전하 또는 펄스를 유도하여 제어수단에 의해 감지되는 대로 배터리시스템 내부저항에 비례하는 비율로 배터리시스템 내부전극을 자극시키는 전력제어 시스템.
  6. (i) 분극 수준을 지시하는 각 셀의 예정 파라미터를 모니터링하는 수단
    (ii) 배터리 내외부로 이동하는 예정전력량의 저장 수단
    (iii) 분극을 감소시키기 위해 전극에 역전하 또는 펄스를 유도하는 수단
    으로 이루어진 적어도 1쌍 이상의 전극을 함유하고 분극화되기 쉬운 적어도 1개 이상의 셀을 가지는 배터리 관리시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 예정 파라미터가 셀의 내부저항 또는 각 셀인 배터리 관리 시스템.
  8. 제 6항에 있어서, 역전하 또는 펄스가 내부저항 및/또는 셀의 에너지 플로우또는 각 셀에 비례하여 유도되는 배터리 관리 시스템
  9. 제 6항에 있어서, 배터리가 복수의 셀을 가지며, 각 셀의 예정 파라미터를 모니터링하는 모니터링수단을 함유하고, 역전하 또는 펄스가 각자 셀로 유도되는 배터리 관리 시스템.
  10. 제 6항에 있어서, 배터리가 연결되는 배터리 충전기를 인지하는 수단과 배터리를 인지하는 수단에 의거하여 인지된 충전기는 인지되지 않은 배터리를 충전시키지 않은 수단을 추가로 함유하는 배터리 관리 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 배터리가 납축전지인 배터리 관리 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 납축전지가 나선 권형 전극과 고에너지 전달용량의 전해질 매질에 결합된 배터리 관리 시스템.
  13. 제 11항에 있어서, 납축전지가 고에너지 전달 용량의 전해질 매질을 갖는 압축된 전극을 포함하는 배터리 관리 시스템.
  14. 제 11항에 있어서, 납축전지가 양극 셀 배열을 갖는 배터리 관리 시스템.
  15. 제 6항에 있어서, 배터리가 니켈금속수소화물 배터리인 배터리 관리 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 니켈금속수소화물 배터리가 나선 권형 전극과 고에너지 전달 축전지의 전해질 매질을 갖는 배터리 관리 시스템.
  17. 제 15항에 있어서, 니켈금속수소화물 배터리가 압축판 전극과 고에너지 전달 축전지의 전해질 매질을 갖는 배터리 관리 시스템.
  18. 제 6항에 있어서, 배터리가 레독스 겔 배터리인 배터리 관리 시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 레독스 겔 배터리가 나선 권형 전극과 고에너지 전달 용량 전해질 매질에 결합된 배터리 관리 시스템.
  20. 제 18항에 있어서, 레독스 겔 배터리가 압축판 전극과 고에너지 전달 축전지 전해질 매질에 결합된 배터리 관리 시스템.
  21. 제 6항에 있어서, 예정 파라미터가 셀의 전압, 전류, 온도, 압력, 내부저항 또는 내부 임피던스 또는 각 셀로부터 선택된 배터리 관리 시스템.
  22. 제 6항의 배터리 관리 시스템에 결합된 배터리.
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