KR20070050043A

KR20070050043A - 멀티-셀 리치움밧데리 시스템 바란싱방법 및 장치

Info

Publication number: KR20070050043A
Application number: KR1020077002149A
Authority: KR
Inventors: 스테펜 더블유 무어
Original assignee: 에네르델, 인코포레이티드
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-05-14
Also published as: US20060022639A1; WO2006015083A3; WO2006015083A2; EP1771930A4; US7126312B2; EP1771930A2; JP2008508685A

Abstract

멀티-셀-리치움 밧데리 시스템(multi-cell lithium battery cell)에서의 셀-에서-셀(cell-to-cell) 불균형을 등화해주는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 시간-대-바란스(time-to-balance) 파라미터는 충전 개시시점에서 각 셀에 대해 산출되고, 충전개시시점에서 정의 시간-대-바란스를 갖는 각 셀에 대해 바란싱이 일어난다. 또한, 시간-대-바란스 파라미터는 밧데리시스템의 작업중에 그리고 시간-대-바란스값에 따른 원위치에서 일어나는 셀의 등화시에 산출된다.

Description

멀티-셀 리치움밧데리 시스템 바란싱방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR BALANCING MULTI-CELL LITHIUM BATTERY SYSTEMS}

도 1A는 본 발명 멀티-셀 밧데리 시스템(multi-cell battery)을 간단히 개략적으로 나타낸 블럭다이아그램도이다.

도 1B는 본 발명 바란싱을 개략 수행하는데 사용되는 타이머정렬 개요(array of timers)를 나타낸다.

도 2는 도 1에서 도시되어 있는 밧데리 제어유닛(BCU)에 의해 사용되고 메모리부에 저장되는 여러가지 작동 파라미터를 나타내는 표이다.

도 3은 각 셀에 대해 예측하여(in predictive) 그리고 본래 그 자리 셀-에서-셀 등화(in situ cell-to-cell equalization)에 사용하기 위해 시간-대-바란스(time-to-balance)를 결정하기 위한 핵심공정(core process)를 나타내는 플로우챠트를 나타낸다.

도 4는 일례로서의 셀에 대해 간이화된 전압(simplified voltage)에 대한 충전상태(state of charge : SOC) 다이아그램을 나타낸다.

도 5는 충전 및 바란싱사이클 과정에서 예고 셀-에서-셀 등화(predictive cell-to-cell equalization)의 제 1 양태(aspect)를 나타내는 플로우챠트이다.

도 6은 도 5의 방법의 한가지 예를 보다 상세히 나타내는 타이밍 다이아그램(timing diagram)이다.

도 7은 작동사이클 과정에서 원위치 셀-에서-셀 등화(in situ cell-to-cell equalization)에 대한 제 2 양태를 나타내는 플로우챠트이다.

도 8은 제 7도의 방법의 일례를 보다 상세히 나타내는 타이밍 다이아그램이다.

(발명의 목적)

(발명분야)

본 발명은 일반적으로 멀티-셀 리치움화학제밧데리시스템(multi-cell lithium chemistry battery)에 관한 것이고, 보다 상세히는 이들 셀을 바란싱(balancing), 즉 균형, 또는 평형을 잡아주기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

(종래의 기술)

재충전 가능한, 멀티-셀 밧데리시스템은 수십년간 알려져 있는 시스템으로, 연산 또는 납산(lead acid:PbA), 니켈카드뮴(NiCd), 니켈금속수소화물(nickel metal hydride:NiMH), 리치움이온(LiIon), 그리고 리치움폴리머(lithium polymer:LiPo)를 포함하는 여러가지 화학제를 기초로 하여 왔다. 각 밧데리 기술의 핵심적 사항은 어떻게 충전(및 과충전)을 시킬것인가, 그리고 피할 수 없는 셀 불평형(cell imbalances) 또는 셀 불균형을 어떻게 잡아줄 것인가에 있다.

종래에는, 일례로 들면, 납-산 밧데리에서의 셀-에서-셀 불균형(cell-to-cell imbalances)을 과충전 제어에 의해 해결하곤 했다. 과잉에너지가 가스로 방출되기 때문에 납-산 밧데리는 영구적인 셀 파손(cell damage) 없이 과충전 조건(overcharge conditions)을 부여할 수 있다. 이 가스화 메카니즘(gassing mechanism)은 납산 전지셀의 직렬스트링(a series string)을 바란싱하는, 즉, 평형잡아주는(balancing) 자연적인 방법이다. 다른 화학제, 예컨데 NiMH와 같은 것은 이와 유사한 자연적인 셀-에서-셀 바란싱기구(balancing mechanism)를 나타낸다.

리치움이온과 리치움폴리머밧데리 화학제는, 그러나 활성물질(active materials)을 파손시키지 않고는 과충전할 수 없다. 이 전해질 방전개시전압(the electrolyte breakdown voltage)은 충분히 충전된 단자전압(terminal voltage)에 불안정하게 근접되어 있다. 따라서 단일셀(single cell)이라도 과충전에 따라 과전압을 겪는 것을 피하기 위해 조심스런 점검 또는 감시(monitoring)와 제어가 행해져야 한다. 리치움밧데리가 과충전될 수 없기 때문에 셀 등화(cell equalization), 즉 셀 균등화 또는 셀 평형화를 위한 자연적인 기구는 없는 셈이다.

밧데리시스템이 단일 셀(single cell)이냐 다수셀 또는 복수셀(multiple cells)이냐에 따라 큰 논란이 있을 수는 있다. 단일 리치움기 셀(lithium-based cells)은 점검이 필요하므로 셀 전압은 화학제의 미리 정해진 한계를 초과하지 않는다. 직렬-연결된 리치움 셀은, 그러나 보다 복잡한 문제를 일으킨다; 즉, 스트링(string)에 있는 각 셀은 점검, 제어되지 않으면 안된다. 시스템전압이 수용 가능한 한계를 보이더라도, 직렬 스트링의 하나의 셀은 셀-에서-셀 불균형으로 인해 전압파손을 일으키게 된다. 전술한 바에 따라, 밧데리시스템의 최대 사용 가능한 용량(maximum usuable capacity)이 얻어지지 않을 수도 있는데, 그 이유는 충전중에, 밸런스를 벗어난 셀(out-of-balance cell)이 충전압 단부에 너무 이르게 접근하면 충전기를 건드리게 되어 충전기가 꺼져버리게 되기 때문이다(즉, 전술한 바와 같이 과충전으로 인한 파손으로부터 셀을 구하기 위해).

앞서의 문제를 해결하기 위해 관련 기술에서 취하게 되는 한가지 해결방법은 셀 바란싱(cell balancing)의 개념을 갖는 것이다. 셀 바란싱은 나머지 셀이 이를 잡아내는 것이 아닌 이상, 보다 높은 전압셀을 제어하는데 셀 바란싱(cell balancing)이 중요하다.

이와 같이 하면, 충전기는 셀이 충전완료(end-of-chargeLEOC) 상태에 이르기 전에는 꺼지지 않는다.

셀 바란싱이 이르게 되는 한가지 예는 에너지 소산 또는 에너지 방열(energy dissipation)에 관한 것이다. 분로저항기(shunt resistor)의 예를 들면, 각 셀과 평행하게 선택적으로 삽입된다. 이는 분로가 각 셀이 충전완료 상태에 이르게 됨에 따라 과잉의 에너지를 단락시키고, 시스템을 활성화시켜 셀이 충분히 충전에 이를 수 있게 해준다. n 셀, 즉 총합계 갯수의 셀(n total cells)을 가진 시스템에서 충전을 행하여 완전한 충전을 이루는 시점을 앞서는(넘는) 순간, (n-1)셀은 마지막셀(last cell)이 충전완료되자마자 등화에너지(dissipating equalization energy)를 방출하게 된다. 이러한 상태는 열(heat)이라는 형태로 폐기에너지(waste energy)를 만들게 되므로, 이는 열 제어(thermal control)를 개시하게 된다. 즉, 온도가 떨어질 때까지 잠정적으로 충전을 계속되지 않게 일시 중단하는 것이다. 이러한 제어는 밧데리시스템에 필요한 모든 전체 충전시간을 연장되게 하여 시간지연되게 한다.

따라서, 밧데리 시스템의 작업방법 및 장치에서 전술한 한가지 이상의 문제점을 최소화하거나 제거할 필요가 생긴다.

(발명이 해결하고저 하는 기술적 과제)

본 발명의 목적은 복수 셀 리치움화학제 밧데리시스템의 충전과 바란싱에 필요한 시간을 줄이는 데 있다. 본 발명의 또다른 목적은 바란싱 중에, 종래시스템에서 때때로 일어나는 온도피크치(temperature peaks)와 온도가 수용 가능한 수준으로 내려갈 때까지 바란싱사이클(balancing cycle)을 줄여서 피크치를 감소시키는데 있다.

이 들 및 다른 특징들, 장점들, 목적들은 본 발명에 따른 밧데리시스템을 작동시키는 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 제 1 목적은, 충전개시(beginning-of-charge:BOC) 시간을 가진 충전 및 바란싱 사이클을 가진 밧데리시스템을 작동시키기 위한 방법을 제공한다는 점이다. 이 밧데리시스템은 복수의 셀을 갖는다. 이 방법에는 충전개시(BOC) 시간에서 복수의 셀을 충전개시하는 단계가 포함된다. 또한 이 단계에서는 셀 중 적어도 제 1 셀(first cell)에 대해 예측된 바란싱 파라미터에 따라 상술한 충전단계동안 셀 중 적어도 첫번째 셀(at least a first one of the cells)을 바란싱하는 단계가 포함된다. 한가지 예를 들면, 가장 높게 충전된 셀은 충전개시(BOC) 시점에서 식별되고, 충전과정에서 일찍 선택되어 방전된다(즉, 바란싱된다:balanced). 이 가장 높은 셀의 사전, 또는 선행 방전(pre-discharge)은 충전의 끝단계에서 등화 대기상태(equalization wait state)에 있게 되는 셀을 그 상태대로 대기시키는 것을 최소화 해주거나 없애준다.

본 발명의 제 2 목적은, 본 발명이 복수의 셀을 갖는 밧데리 시스템을 작동되게 하는 방법을 제공한다는 점이다. 이 방법에는 연속되는 충전과 바란싱사이클(balancing cycle)동안 등화를 바란싱(balancing equalizing) 하기 위한 목적과 과충전을 가리키는 한계범위를 만족하는 작동사이클 개시시점(또는 작동사이클 동안)에서 적어도 첫번째 셀을 식별하는 단계가 포함된다. 마지막으로, 본 발명 방법에는, 충전과 바란싱사이클에 앞서, 작동사이클동안 식별된 셀(identified cell)을 바란싱하는 단계가 포함된다. 이 식별된 셀은 예측한 바란싱 파라미터(predicted balancing parameter)에 따라 바란싱된다. 한가지 예로서, 본 발명은 충전/바란싱 중에 뒤에 바란싱을 요하는 셀을 검출하고, 충전/바란싱하기 전에 작동사이클 과정에서 그러한 셀을 미리 공의 상태가 되도록 등화(pre-emptively equalizes those cells)시키는 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 장치 또한 제공된다.

(최량의 실시예에 의한 발명의 상세한 설명)

도면을 이용하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 여기에서 동일 참조번호들은 여러가지 도면에서 동일 구성품을 식별하기 위한 것이다. 도 1A는 하나 이상의 복수의 출원예에 관련하여 사용에 적합한 본 발명상의 밧데리시스템(10)을 블럭다이아그램으로 개략적으로 도시한 것이다. 이 실시예에 나타난 어플리케이션(application)(12)은 기계에너지를 전기에너지로 바꾸는 기계(dynamoelectric machine)(14)를 채용하는 타입의 것으로, 이 전기에너지 변환기계(14)가 (ⅰ) 제 1 모드(mode)로는 추진토크(propulsion torque)에 사용되고, (ⅱ) 제 2 모드로는 제 1 모드와 달리 기계(14)가 재생에너지의 생성을 위해 배치된다. 즉, 발전기로서 배치된다. 예컨데, 이러한 어플리케이션은 반드시는 아니지만 자가추진차량 어플리케이션도 포함한다. 물론, 다른 자연적인 어플리케이션 장치(즉, 관성으로 하중을 갖는 회전시스템)도 본 발명 취지에 따라 포함할 수 있다.

전기에너지 변환기계(14)는 종래에 알려진 장치로 구성할 수도 있다. 일부 예를 들어보면, AC 또는 DC 전기모터, 브라쉬를 기반으로 하거나(brush-based) 브라쉬 없는 전기모터, 전기모터에 기한 전기자석 또는 영구자석, 자기저항에 의한 전기모터와 같은 것들이 그것이다. 분명히 알아야 할 것은 앞서 예로 든 것은 어디까지나 일례에 불과할 뿐이라는 것이다. 다른 어플리케이션(12)도 본 발명에 따라, 재충전 가능한 밧데리시스템(10)으로부터 장점을 부여받고 있는 보다 정적인 위치(static situations)를 포함하기도 한다.

도 1A를 참조하여 보면, 밧데리시스템(10)은 입력/출력터미날(input/output terminal)(16)을 포함구성하고 있다. 어플리케이션(12)이 필요로 할 때 이 밧데리시스템(10)으로부터 전력이 나오도록 파워부스(power bus)(18)가 설치된다. 어플리케이션(14)이 정렬되면, 파워부스(18)는 전기에너지를 이송하는데 또한 배치되고 사용되는데, 여기에서 이 전기에너지는 재생에너지로 불리우며, 재생에너지 생성모드(발전기로서)에서 작동될 때 전기에너지 변환기계(14)로 생성된다. 또한 일실시예로 도시한 것을 보면, 밧데리(10)는 도 1A에서 TX/RX(송신/수신)로 표시한, 통신라인(communication line)(20)에 연결하기 위해 배치된 통신포트(communication port)를 포함구성하기도 한다. 통신라인(20)은 양-방향 통신(bi-directional communications)용으로 배치되는데, 예를 들면 제어신호 또는 제어멧시지의 전달은 밧데리시스템(10)과 어플리케이션(12) 사이에서 어플리케이션(12)이 배치되도록 한다.

도 1A는 또한 전기밧데리 충전기(22)를 나타낸다. 여기에는 벽출구(wall outlet:도시안됨)와 같은 것에 연결하기 위한 종래의 전기플러그(24)가 일례로 포함되어 있다. 충전기(22)는 밧데리시스템(10)을 충전(또는 재충전)하기 위해 설치된다. 충전기(22)에는 밧데리시스템(10)에 연결하기 위해 충전전력라인(26)을 또한 설치하므로써 그 밧데리셀을 충전(또는 재충전)하게 한다. 간단히 말해, 라인(26)은 터미널(16)에 연결되는 것으로 나타나 있다. 더우기, 충전기(22)는 밧데리시스템(10)으로부터 제어라인(28)상에서 충전종료신호(charge termination signal)와 같은 제어신호를 받기 위해 배치되는 입력장치(input)를 갖는다. 예를 들어, 밧데리시스템(10)이 충전되었으면 라인(28)상에서의 충전종료신호는 충전기(22)가 충전밧데리시스템(10)을 중단하는데(즉, 충전중지) 필요하다. 또한, 충전기(22)는 라인(28)상의 제어신호가 충전전류를 끝내는 것은 물론 전류를 충전조정하기 위해 그 속에서 작동되는 여러가지 충전기(22)로 사용할 수도 있다. 충전기(22)는 또한 통상 알려진 종래의 충전구성품으로 구성할 수도 있다.

여기 일실시예에서는, 밧데리시스템(10)은 하나 이상의 전압센서(32)에서 하나 이상의 밧데리 셀 30₁, 30₂,……30n을 가지며, 가급적 복수의 전압센서 32₁, 32₂,……32n과 ,복수의 바란싱저항기(balancing resistors) 34₁, 34₂,……34n을 포함구성하고, 대응되는 복수의 제어스윗치 36₁, 36₂,……36n과, 하나 이상의 전류센서(38)와 밧데리 제어유닛(BCU)(40)을 포함구성한다. 이 밧데리 제어유닛(BCU)(40)은 중앙연산장치(CPU)(42), 충전제어기(44), 그리고 메모리(46)로 이루어져 있다.

셀 30₁, 30₂,……30n은 전력을 만들어 내도록 배치되고, 정렬되므로써 그 집합출력(collective output)은, 전류 I로 설계되고, 실시예에서와 같이 I/O 터미널(16)상에서 구비된다. 전류는 터미널 밖으로 나와 부하(load), 즉 어플리케이션(12)으로 흘러간다. 셀 30₁, 30₂,……30n은 또한 재충전되게 설치된다. 예컨데 통상의 전류를 받아 밧데리시스템(10)에 I/O 터미널(16)에서 흘려 넣어지도록 설치되는 것이다. 재충전전류는 충전기(22)로부터이거나 아니면 발전기로서 작동되는 변환기(14)로부터 나오게 된다. 셀 30₁, 30₂,……30n은 에너지 저장기술, 예컨데 여러가지 리치움 화학제용으로 전술한 종래의 기술란에서 설명한 바와 같이 알려져 있는 밧데리 기술에 따라 종래의 장치로 구성할 수도 있다. 실시예에서, 셀 30₁, 30₂,……30n은 미리 지정된 공칭레벨(예컨데, 실시예에서 20개의 셀이, 직렬로 설치되고, 100% 충전상태에서 총 80볼트에 대하여 각각 4볼트 정도의 레벨)로 직류(DC)출력을 집중적으로 만들어주도록 설치된다.

복수의 전압센서(32₁, 32₂,……32n)는 각 셀에 대해 각각의 전압레벨을 검출하고, 검출전압을 나타내는 대응되는 전압지시신호를 만들 수 있도록 설치된다. 일실시예에서는, 밧데리시스템(10)에 포함된 하나 이상의 각 개별 셀에 대해 복수의 전압센서(32)가 채용되어 있다. 또다른 실시예에서는, 하나의 전압센서를 미리 지정된 시간에 각 셀에서 전압을 시험적으로 취하도록 설치되는 다중 배치구조를 구비한다. 이는 다중센서(multiple sensor)(32)를 제공하는 것과 동일한 효과를 가진다. 앞서의 다중센서를 통하여, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있듯이, 진보된 진단과 충전전략을 수행할 수 있다. 이를 아래에 상세히 설명한다. 전압센서 32₁, 32₂,……32n은 종래의 알려져 있는 장치로 구성된다.

밧데리시스템(10)에는 셀-에서-셀 충전 바란싱을 수행하기 위한 장치와 기능부가 포함된다. 본 실시예에서는, 에너지 소산구조가 나타나 있고, 복수의 바란싱저항 34₁, 34₂,……34n을 포함구성되며, 대응되는 복수의 스윗치 36₁, 36₂,……36n이 구성된다. 이 에너지소산바란싱 방법은 선택된 값을 갖는 저항기로 선택된 셀을 선택적으로 단락시켜 이들이 가장 낮은 충전된 셀에서 충전을 완료할 때까지 가장 높이 충전된 셀로부터 충전을 조정하도록 하는 방법이다. 이 외에 다른 셀 바란싱 방법도 알려져 있고, 에너지 분산장소에 사용 가능하며, 활성충전단락을 포함하되 여기에만 한하지 않고 스윗칭한 변환기, 분배변환기(shared transformer), 다중변환기(multiple transformer)와 같은 에너지 변환장치를 사용하는 충전 이동(charge shuttling)을 포함한다. 일 실시예로, 40W 바란싱저항기(balancing resistor)를 사용하는데, 여기에서는 약 3.65V의 정규셀 전압인 것으로 가정하고, 약 0.09125A(약 90mA)의 분산율(dissipation rate: 암페어 단위로 나타냄)을 달성할 수 있다.

전류센서(38)는 전류레벨과 밧데리시스템(10) 밖으로 또는 안으로 터미날(16)을 통해 (통상)전류의 극을 검출하도록 설치되고, 두가지 레벨과 극성을 표시하는 전류지시신호(current indicative signal)에 대응하여 발전이 되게 한다. 전류센서(38)는 종래 알려진 장치로 구성할 수도 있다.

밧데리 제어유닛(BCU)(40)은 밧데리(10)의 전체작동을 제어하도록 배치되고, 여기에는 본 발명에 따라 바란싱 전략제어가 포함된다. BCU(40)은 중앙연산장치(CPU)(42)를 포함구성하기도 하고, 복수의 타이머(43₁, 43₂,……43n), 충전제어기(44), 그리고 메모리(46)를 포함구성하기도 한다.

CPU(42)는 종래 알려진 연산장치로 구성할 수도 있다. 이는 메모리(46)에 저장된 프로그래밍된 지시를 이행하기 위한 것인데, 모두 본원 문헌에 기재되어 있는 기능에 따라 작동된다. 다시 말해, 본원에 기재된 방법이 프로그램화되는 것으로, 그 결과, CPU(42)에 의해 이행되도록 메모리(46)에 저장되는 소프트웨어 코드로 프로그래밍되는 것이라 할 수 있다.

본 발명 방법 로직(logic)의 실행은, 그 기여하는 문헌으로 볼 때, 프로그래밍 기술의 일상적인 어플리케이션 이상을 필요로 하지 않는다. 메모리(46)는 CPU(42)에 합체되고, 통상적인 메모리장치, 예컨데 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리(non-volatile memory)의 적절한 조합으로 주 라인 소프트웨어(main line software)가 저장되고, 계속 저장되게 하며 다양하게 나오는 데이터 및/또는 신호를 처리해줄 수 있게 한다.

도 1B는 타이머 43₁, 43₂,……43n의 배열을 나타내는데, 밧데리시스템(10)에 있는 각 셀에 대응한다. 이 타이머는 소프트웨어타이머 또는 하드웨어타이머(즉, 기록-을 기본으로 한)로서 실행된다. 또한, 타이머(43₁, 43₂,……43n)는 별도의 하드웨어로 구성된다. 타이머(43₁, 43₂,……43n)는 예측성을 가진 바란싱파라미터(predictive balancing parameter)가 들어가도록 설치되는데, 이 파라미터는 예를 들면 대응되는 셀과 관련을 가진 타임-대-바란스 값(time-to-balance value)이다. 타이머가 어떻게 이용되는지에 대해 보다 상세히 아래에 설명한다.

충전제어기(44)는 또한 CPU(42)와 짝을 이루어 복합되는데, CPU(42)가 충전단자전압(charge termination voltage)을 미리 설정하도록 설치되므로써, 실제 전압레벨이 센서(32₁, 32₂,……32n)로부터 각 충전단자전압에 이르도록 할 때 제어기(44)가 상술한 충전단자신호를 라인(28)상에서 발생되도록 하거나/또는 새로이 바란싱저항기(balancing resistor)를 삽입시켜 특수 셀(particular cell(s))용 에너지를 분류/소산(shunt/dissipate energy)시킨다. 이 제어신호는 전술한 바와 같이, 외부충전기(22)를 차단하기 위해 작동한다. 충전제어기(44)는 도시한 바와 같이, 별개의 유닛이나 회로로 설치하거나 CPU(42)상에 실행된 소프트웨어에서 구비되게 하거나 한다.

전술한 발명의 배경난에서 기재되어 있는 바와 같이, 리치움 화학제 밧데리(lithium chemistry batteries)는 비교적 허용할 수 없거나 어려운 과충전상태를 가진다. 따라서, 효과적인 셀에서 셀 바란싱(cell-to-cell balancing)이 채용되지 않는 한, 종래에는, 가장 강한 셀이 최대 충전에 이르게 될 때 이 셀이 파손되는 것을 피하기 위해 충전(재충전)은 중단되어야 했다. 이러한 때이른 중단은 결국 밧데리시스템의 전체용량을 감소시켜 가장 약한 셀로 되게 하므로써 추가적으로 충전을 해야하는 결과를 가져왔다.

종래의 이와 같은 바란싱상의 결점은, 충전과 바란스를 잡기 위한 총 시간을 연장되게 한다는 데 또 하나의 문제점을 가진다. 나아가, 종래의 접근 또는 진입 또한 열이라는 형태로 비교적 큰 에너지 소산 또는 방출을 가져오므로써 국부적으로 온도를 올리게 한다. 극단적인 경우, 한계온도에 이르게 되고, 그렇게 되면, 충전/바란싱이 정지되게 되고, 이에 따라 밧데리시스템이 냉각되어 버리게 된다. 이러한 시나리오 또한 전체 충전/바란싱 시간을 더욱 연장시키는 결과를 빚어낸다.

본 발명의 제 1 특징은 멀티-셀 밧데리시스템(multi-cell battery system) 작업방법이 통상의 종료시점보다 앞서 가장 높이 충전된 셀을 충전 및 바란싱사이클의 개시시점에서 예측되도록 하는 작업방법으로 제공된다는 점이다. 충전 및 바란싱사이클의 이러한 빠른시점(또는 개시시의 시점)에서의 결정은 본 발명에 의해 구축된 제어가 충전 및 바란싱사이클동안 이들 높이 충전된 셀에서 과잉에너지를 즉시 소산 또는 방출을 개시할 수 있도록 해준다. 따라서, 이들 높은 충전된 셀은 통상적인 작업시와 같이, 충전종료시점에서의 등화(equalization)("바란싱") 대기상태에 놓이지 않게 되도록 해준다. 이는 대기시간을 최소화하거나 없애주므로써 전체충전 및 바란싱사이클을 단축시켜주기 때문이다. 이 외에도, 이들 높이 충전된 셀에 일찍 저장된 과잉의 에너지의 분산 또는 소산을 개시하므로써, 소산되는 전체열은 장시간에 걸쳐 분산 또는 확산 가능하다(즉, 전체충전 및 바란싱시간대 바란싱만의 시간). 이는 전체온도를 떨어뜨린다. 그 이유는 이 열이 밧데리시스템으로부터 장시간 주변으로 분산되기 때문이고, 또한 피크온도에 이를 가능성을 줄여주거나 없앨 수 있기 때문이다. 이 피크온도는 밧데리시스템이 냉각되도록 총 충전/바란싱 중단공정을 요하게 한다.

본 발명의 두번째 특징에서는, 높이 충전된 셀의 식별에 대한 유사한 결정이 밧데리시스템의 작업사이클동안 이루어진다(즉, 이들 셀이 계속적인 바란싱을 요한다)는 점이다. 그런다음, 이 방법은 밧데리시스템이 충전과 바란싱사이클 속으로 놓여지기 전에 밧데리시스템의 작업사이클동안 높이 충전된 셀을 등화시키기 위해 진행된다. 충전이 시작되면, 이 셀은 모두 충전으로 동등한 상태로 되고, 따라서 충전이 균일하게 되고, 바란싱을 최소화하거나 없애주며, 시간을 줄여주게 된다.

여기에서 알아야 할 것은, 충전개시(BOC) 시점에서 밧데리시스템이 완전히 방전되어 있는 것을 반드시 요하지 않는다는 점이다. 실제로, 이 시스템은 "완전 채움(full)" 또는 거의 채움 충전으로 된다. 이 충전개시(BOC) 시간은 단순히 충전이 시작되는 시간(예컨데 충전기에서 플러그를 끼우는(plugging) 순간)을 말한다.

또한, 여기에서 알아야 할 것은, 충전종료(EOC) 시간이 (ⅰ) 개개의 셀 모두가 각각 100% 상태로 충전(SOC)된 시점이거나 (ⅱ) 모든 셀이 SOC 레벨과 같은 레벨로 충전되는 것을 의미하는 것이 아니라는 점이다.

예를 들면, 어떤 경우에는 재생에너지(regenerative energy)가 셀을 충전하는데 유용하다고 생각된다. 이러한 경우에는, 일정량의 공간을 가진 헤드룸(headroom)이 제공되므로써 이 재생에너지를 받도록 하고 있는데, 리치움 화학제 밧데리가 전술한 발명의 배경난에서 기재한 바와 같이 과충전을 허용하지 않는 것을 보면 이를 이해할 수 있다. 예컨데, 셀이 각각 80%로 충전(SOC)되는 경우, 다시 말해 총량의 20%는 재생에너지를 받기 위한 유보(reserving)량인 것이다.

본 발명은 또한 모든 셀이 충전종료(EOC) 시점에서 SOC 레벨과 동일한 레벨로 되는 것을 요하지 않는다. 이러한 상태하에서는, 각 셀에 대해 각 셀의 개별특성에 맞게 서로 다르게 최종 충전레벨을 설정하는 것이 바람직한데, 이는 본 발명자들의 US 특허출원 "리치움밧데리 시스템용 셀 바란싱을 위한 방법"에서 설정되어 있는 바와 같다. (변리사 서류번호 7892-8/DP-307,769, 미국특허출원 10/916,785호, 2004년 8월 12일 출원, 현재 계류중이며 그 출원명세서 전체 참조요)

도 2, 도 3을 참조하여 보면, 도 2는 본원발명을 수행하기 위해 사용하는 일 실시예로서의 데이터를 포함하는 테이블 표이다. 도 3은 본 발명의 제 1 및 제 2 양태 두가지 모두에 사용되는 예측바란싱 파라미터(예컨데, 시간-대-바란스)를 산출하기 위한 핵심공정을 나타내는 플로우챠트이다. 일단 여기에 기재되면, 예측 바란싱 파라미터가 어떻게 사용되고 설정되는가에 대래 상세히 설명하고 있으므로 이해할 수 있다. 이 도 2에서의 표는 메모리(46)에서의 하나 이상의 데이터 구조로 실행되고, 그 내용은 CPU(42)에 유용하다. 도 2에서의 표는 기재되어야 할 데이터에 위치하는 추가 칼럼(좌-에서-우)과 더불어 직접 셀을 식별한다.

도 2에서, 칼럼 48에는 각 셀에 대한 충전(SOC) 데이터가 들어있다. 칼럼 52에서는 각 셀에 대해 충분히 충전된(즉, 충전종료(EOC)) 상태 또는 조건에 이르도록 충전할 것을 요한다. 칼럼 54에는, 각 셀에 대해 충전치(값) 차이(difference-in-charge-value)가 들어있다. 칼럼 56에는 본 발명 바란싱 방법의 적용을 위해 충전을 각 셀에서 어떻게 끝낼까에 대한 끝냄순위가 매겨져 있다. 칼럼 58에는 각 셀에 대해 시간-대-바란스 값을 나타내고 있다.

도 3은 방금전 기재한 데이터로 도 2의 표를 만들기 위해 개략적으로 공정에 대응되는 단계 60, 62, 64, 66 및 68을 나타낸다. 여기에서는 도 2 표에 나타나 있는 방법이 설명되어 있다.

도 3에 단계 62가 나타나 있다. 여기에서의 방법(즉, BCU(40)의 프로그램화 된 작업을 통해 실행되는 방법)에는 각 셀에 대해 절대적인 용량과 충전상태(SOC)를 결정하도록 설계되는 방법이 나타나 있다.

충전상태(SOC)는 어느 특정 셀 그 자체의 충전레벨을 가리키거나 지시하는 파라미터 표시(parameter indicative)이다. 한가지 예를 들면, 셀에 대한 이 SOC 파라미터는 셀별로 측정된 개방회로전압(open circuit voltage:OCV)의 지식으로 얻어진다. 도 2에서, 칼럼 48은 기재를 단순화하기 위해 괄호 내에 용량단위는 물론 퍼센테이지(%)로 충전상태를 나타내고 있다.

도 4는 셀(30)의 개방회로전압과 대응되는 충전상태(셀에 대해 최대 SOC 퍼센트로 나타냄) 사이에서 일례로서의 관계를 궤적 또는 선(trace)(70)으로 나타낸 것이다. 셀의 SOC를 결정하기 위한 이 수단(예컨데 경험적 수단)은 본 발명 사용에 적합하다. 알아야 할 것은, 그러나 재충전 가능한 셀의 충전상태를 평가하고 결정하기 위해 이 분야에서 알려진 다른 방법이 존재하고, 이러한 다른 방법은 본 발명의 취지와 범위 내에 속하는 것으로, 현재 알려져 있거나 앞으로 전개될 것으로 생각된다.

절대용량(absolute capacity)은 어떤 특정 셀로부터 저장 가능하고 회복 가능한 다음으로 중요한 최대 충전량을 표시하는 파라미터이다. 도 2의 칼럼 50에는, 용량에 대한 통상적인 측정단위를 암페어-시간(ampere-hour(A-h))으로 하더라도 명확화를 위해 임의의 단위로 나타낸 값이 실려 있다. 셀의 이 절대용량은 시간이 지나면 가변되는데, 이는 "시효(aging)"에 기인하고, 셀의 내부 임피던스(internal impedance)상의 변화에 기인한다(이 두가지는 충전/방전 사이클의 숫자에 관하여는 물론 연대순으로도). 예를 들어 5.0이 공칭이고, 제조시 모든 셀에 있어 최고 절대용량이라고 가정할 때, 도 2에서의 셀 30₁, 30₂, 30₃ 및 30n은 여전히 최대용량(@ 5.0)을 가지나, 셀 30₄, 30₅에 대한 절대용량은 이보다 내려간 용량 (각각 @ 4.9, 4.8)을 나타냄에 유의할 필요가 있다. 멀티-셀 리치움 화학제 밧데리 시스템의 각개 셀의 절대용량을 산출하고 추적하는데 대해서는 여러가지 알려진 다양한 방안이 있다. 그러나 본 발명은 그 어느 방안에만 한정되지 않는다. 이러한 관계로 알아야 할 것은, 밧데리 제어유닛(BCU)(40)은 셀에 대한 충전값 상태(1)와 셀에 대한 절대용량값(2)의 양쪽 모두를 제공하기 위해 알려진 알고리즘으로 사전배열된다.

도 3을 참조하여 보면, 이 방법은 단계 60 내지 단계 62를 진행시키는 방법임을 알 수 있다. 단계 62에서, 방법(즉, BCU(40)의 프로그램화된 작엄을 통해 실행되는 방법)은 각 셀에 대해 필요로 하는 충전량을 산출한다. 이 충전은 암페어-시간(A-h) 단위로 설명할 수 있다. 이 단계는 다음 아래의 공식(1)에 규정한 바에 따라 수행 가능하다. 여기에서 셀이 {11}개 있다고 가정하고, 그 각각의 셀 {n}에 대해 산출하였다:

(1) A h 필요{n}=(1-SOC{n}) ^* (셀_용량_Ah{n})

여기에서 n은 밧데리에 있는 셀의 최대치이다.

본 발명의 제 1 양태에서(즉, 충전하는 동안 일찍 바란싱함), SOC가 결정되는 시간은 충전개시시점(BOC)이라는 점에 유의해야 한다. 본 발명의 제 2 양상에서(즉, 작업하는 동안 본래위치 바란싱(in-situ balancing)), SOC가 결정되는 시간은 (1)제 1 실시예로서, 작업개시 또는 개시전; 또는 (2) 제 2 실시예로서, BCU(40)에 의해 기간상 업데이트가 어떻든 정류작업동안의 둘 중 하나에서 결정된다. 필요로 하는 충전량(도 2의 칼럼 52)은 칼럼 48(SOC)과 칼럼 50(절대용량)에 실려있는 앞서 미리 결정된 데이터에 따라 충전종료(EOC) 조건("꽉채움 또는 완전" 충전)에 이르도록 셀 중 각 하나의 셀에 대해 필요한 충전량의 파라미터 표시로 나타난다(parameter indicative).

계속적으로 도 2, 도 3을 참조하여 보면, 도 3에 도시된 방법은 단계 62 내지 단계 64로 진행된다. 단계 64에서, 방법(즉, BCU(40)의 프로그램화된 작업을 통하여 실시되는 방법)은 대부분의 충전이 완전히 채워 충전된("최대로 필요로 하는 충전" 또는 최대_Ah) 것을 필요로 하는 셀인가를 결정하고, 그러한 충전을 필요로 하는 셀은 아래의 식(2) 및 식(3)에 따라 완전히 충전되도록 하는 최소한의 량 이상으로 충전한다.

(2) Max _ Ah = max ( Ah _필요로 하는 {n})

(3) Min _ Ah = min ( Ah _필요로 하는 {n})

여기에서, 최대치 ( )는 배열에서 모든 구성을 이루는 값 중 최대값을 돌려주는 역할을 하고, 여기에서 최소치 ( )는 배열에서 모든 구성을 이루는 값 중 최소값을 돌려주는 역할을 한다.

도 2에서의 표를 참조하면, 칼럼 52에서, 최대로 필요한 충전은 점선으로 둘러싼 부분에, 이를 52_max라 표시하고, 최소로 필요한 충전도 또한 점선으로 둘러싼 부분에 52_min이라 표시하고 있음을 알 수 있다. 또한, 모든 셀 중에서 이들 필요로 하는 충전 사이에서는 불균형이 있고, 이러한 불균형(imbalance)은 범위 내에 있어야 하며, 밧데리시스템의 용량을 보다 충분히 이용하기 위해 바란싱(또는 등화)이 필요하다는 점에 유의하여야 한다.

도 2, 도 3에서 보면, 또한 도 3에 도시된 방법은 다음 단계 64 내지 단계 66을 진행한다. 단계 66에서, 방법(즉, BCU(40)의 프로그램화한 작업을 거쳐 실행되는 방법)은 각 셀에 대해 충전차이량(difference-in-charge)을 결정하고, 셀의 가장 큰 충전량, 즉 최대_Ah(Max-Ah)과 각 셀만이 요구하는 충전량(식 (ⅰ)에 의해 결정)과의 차이는 다음 아래의 식(4)에 따라 결정된다.

(4) 차이_ Ah {n} = 최대_ Ah - Ah _요구{n}

도 2에서 칼럼 54에는 모든 셀에 대한 충전량 차이값이 실려 있다. 도 2와 도 3을 참조하면, 도 3에서 도시되어 있는 방법은 단계 66 내지 단계 68을 진행한다. 단계 68에서, 이 방법(즉, BCU(40)의 프로그램화한 작업을 실행한다)은 대응되는 충전량 차이에 따라 각 셀에 대해 각각의 시간-대-바란스를 결정한다. 그렇게 하므로써 예측되는 바란싱 파라미터를 한정하게 된다. 시간-대-바란스는 각 셀{n}의 량이고, 다른 셀과 더불어 등화(equalige)시키기 위해 바란싱을 해야 할 필요에 직면하게 된다. 유의해야 할 것은 하나의 셀은 제로 바란싱 시간(zero balancing time)을 필요로하는데-이것이 가장 약한 셀이라는 점이다. 이 가장 약한 셀은 EOC에 이르는 마지막 셀이거나, 또는 완전히 충전되거나 하는 셀이다. 제 1 셀(first cell)은 완전히 충전된 셀로 되는데 가장 바란싱된 시간을 요한다. 각 셀에 대한 시간-대-바란스(time-to-balance)는 다음 식(5)에 따라 산출된다:

(5) 시간 _ 대 _ 바란스 {n} = 차이량 ( Defference ) _ Ah {n} / 분산 _율( Dissipation _ Rate )

여기에서 분산_율은 암페어로 나타나는 바란싱 회로소자(balancing circuitry)의 에너지 분산율이다.

전술한 바와 같이, 일 실시예에서, 이 바란싱저항기(34₁, 34₂,……34n)는 각기 약 40W로 되는데, 그 평균전류는 정규 셀 전압을 3.65 볼트(volts)로 가정할 때, 평균 약 0.09125 mA가 된다.

도 2에서와 같이, 셀의 순위는 예컨데, 셀 30₂은 EOC(완전 충전된)에 이르는데 있어 제일 먼저가 될 것이므로, 가장 완벽한 바란싱을 요하게 된다. 셀 30₁은 EOC에 이르는데 가장 잘된 충전을 요하므로, 그리고 가장 약한 셀이므로, EOC에 이르는 셀로서는 가장 마지막 셀이 될 것이며-이는 바란싱 시간(balancing time)을 필요로 하지 않는다. 이 두가지 셀 30₂와 30₁ 사이에서, 각 셀은 각기, 산출된 시간-대-바란스를 갖게 되고, 가장 큰 시간-대-바란스에서 가장 작은 시간-대-바란스(smallest time-to-balance)의 순으로 설계된다: 즉, 셀 30₂, 30₄, 30₅, 30n, 그리고 30₃에 대해서는 각각 t₅, t₄, t₃, t₂ 및 t₁이 된다. 이 시간-대-바란스는 각 셀별로 본 발명에 의해 실제 충전에 앞서 산출될 수 있다. 그러므로써 예측바란싱(충전에 앞서 그리고 충전중에)을 하거나 원위치 바란싱(in-situ balancing)(작업중에)을 실제작업에 앞서 허용하거나 한다.

예측셀 바란싱 ( Predictive Cell Balancing ), 본 발명의 제 1 양태에서는, 앞서의 코어공정이 예측셀 바란싱에 사용될 수 있는데, 이는 충전과 동시적으로 일어날 수 있다.

도 5는 단계 72, 74 및 76에서 나타나 있는 바의 기본방법적 플로우챠트이다. 이 방법은 여기에서는, 충전개시(BOC) 시점을 가진 단계 72에서 시작된다. 관련된 타이밍의 틀을 제공하기 위해, 타이밍 다이아그램인 도 6을 참조하였다. 밧데리시스템(10)에 있어 두가지 주기는 부호 78로 표시되는 소위 작업사이클과, 부호 80으로 나타나는 충전 및 바란싱사이클이다. 유의해야 할 것은 도 6에서 명확한 도시를 위해 공작업시간(idle time)은 나타내지 않았다. 본 발명의 제 1 양태는 충전 및 바란싱사이클(80) 작동중에서의 등화(equalization)와 관련된 것이다. 아래에 기재할(원위치 등화) 본 발명의 제 2 양태는, 작업사이클(78) 중의 등화에 관한 것이다. 이 충전 및 바란싱사이클(80)은 충전개시(BOC)(82)라 불리우는 시작시간을 갖는다. 그리고 충전완료(EOC)(84)라 불리우는 종료시간을 갖는다. 이 방법은 그런 다음 단계 74로 진행된다.

도 5를 참조하면, 충전개시(BOC)시간(82)에서, 각 셀에 대한 시간-대-바란스 값이 산출되는데, 이때 전술한 공정들이 사용된다. 이 시간-대-바란스 값은 밧데리 제어유닛(40)에서 각 타이머 43₁, 43₂,……43n을 배치하는데 사용된다(즉, 이들 타이머는 각 시간-대-바란스 값으로 부하가 걸리게 된다). 이들 타이머는 소프트웨어에 의한 타이머 또는 하드웨어 타이머 배열을 이룬다(즉, CPU(42)에 설치하거나 또는 별도의 하드웨어 구성품으로 설치한다). 어떤 경우이든, BOC 시점(82)에서 단계(74)에서는 밧데리시스템(10)의 충전이 개시된다. 이 방법은 그런 다음 단계(76)를 진행한다.

단계 76에서, 여기에서는 밧데리시스템(10)의 충전 중 하나 이상의 첫번째 셀을 바란싱하는 방법이 포함된다. 충전개시시에 적어도 하나 이상의 셀과, 그리고 정(正)의 시간-대-바란스 값을 갖는 셀 그룹("바란싱 그룹")에서의 가급적 모든 셀이 바란싱의 대상이 된다. 충전이 개시되면 바란싱 셀그룹에서의 각 셀은, 그 바란싱 저항기 34₁, 34₂,……34n을 갖고, 대응되는 스윗치 36₁, 36₂,……36n의 선택적인 폐로(selective closure)를 통해 삽입되며, 모두 BCU(40)의 제어하에 들어간다. 적어도 하나 이상의 셀은 밧데리시스템(10)에서, 본 발명 방법상으로는 제로시간-대-바란스 값(zero time-to-balance value)을 가진다. 그리고 정(正)의 비-제로 값(positive non-zero value)으로 부하가 걸린 관련 타이머를 갖지 않는다. 이 타이머 43₁, 43₂,……43n는 제로(0)를 향하여 감소(decrement) 쪽으로 정렬된다. 타이머가 제로로의 셀 감소와 관련되면, 이 셀의 바란싱저항기는 BCU(40)의 제어하에 대응되는 스윗치의 선택적 개방에 의해 꺼지게 된다. 셀이 정지될 정도로 바란싱하는 것이다.

도 6은 도 2에 도시되어 있는 챠트에 나타나 있는 일례로서의 값에 대한 이러한 해결방법을 나타낸다. 도 6에서, 가장 약한 셀-셀 #1-은 충전 및 바란싱사이클(80)을 통해 연속적으로 충전된다는 것에 유의할 필요가 있다. 따라서, 바란싱저항기(34₁)는 셀 #1의 경우 이러한 경우에는 삽입되지 않는다.

다음으로 약한 셀-셀 #3-은 다음으로 큰 충전량을 필요로 하고, 거꾸로 최소량의 바란싱을 요한다. 셀 #3은 도 6에서 t₁과 같은 시간동안 바란싱을 요하는데, 이 시간에서 타이머는 제로(0)로 가며, 셀 #3에 대한 바란싱저항기 34₁는 인출되고, 셀 #3은 충전이 허락된다.

다음으로 약한 셀-셀 #n-은 그다음으로 큰 충전량을 가지는데, 거꾸로 다음으로 적은 량의 바란싱을 필요로 한다. 셀 #n은 도 6에서 t₂와 같은 시간에 대한 바란싱을 필요로 하는데, 이 시간에서 타이머는 제로로 가게 되며, 셀 #n에 대한 바란싱저항기 34n는 인출되고, 이 셀 #n는 충전이 허락된다.

이 공정은 그런 다음 각각 시간 t₃, t₅, t₆인 때에 각각 이에 대응되는 셀 #5, #4 및 셀 #2에 해당되는 것으로 기재하고 있다. 시간 t₅ 후에(즉, 모든 바란싱이 완료된 후), 모든 셀은 종래의 바란스 알고리즘하에 모두 같이 충전완료된다.

본 발명의 또 다른 이 실시예에서는, 열 방산레벨제어를 위해, 정의 시간-대-바란스를 갖는 셀 그룹에 있는 모든 셀보다도 적은 미리 지정된 숫자의 셀(only predetermined number of cells)만이 바란싱용으로 선정된다. 예컨데, 하나의 가장 약한 셀과 다른 19개의 셀이 바란스를 요하는 20개의 셀을 갖는 실시예에서, 가장 높은 크기의 시간-대-바란스 값을 가진 미리 지정된 숫자(예컨데 8개)의 셀만이 바란싱된다(즉, 그들의 삽입된 바란싱저항기를 갖는다). 이는 바란싱저항기에서 열 방출량을 줄이고, 밧데리시스템에 주변에 열을 추가적으로 방출하기 위한 시간을 부여한다. 미리 지정된 숫자의 셀은 이들 선정된 셀을 바란싱한 결과에 따라 기대되는 열 효과에 따라 또한 선정할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 가장 약한 셀이 EOC에 접근하기 시작할 때 다른 셀들은 바란싱되고, 충전에 있어 매우 같아지게 충전되므로, 최종바란싱을 최소화하거나 필요 없게 하여준다. 또한, 바란싱하게 되면, 과잉의 에너지를 열이라는 형태로 방출시키므로, 이 바란싱은 장기간에 걸치게 되고, 상승된 온도로 인한 열 차폐조건 또는 열 중단조건을 피할 수 있도록 한다(예컨데, 종래 충전시간 대 바란싱시간 비율이 3:1).

원위치 등화( In - Situ Equalization ). 본 발명의 제 2 양태에서, 시간-대-바란스 값을 산출하는 핵심방법(도 3)은 원위치 등화(in-situ equalization, 예컨데 작업중 바란싱)에 이용될 수 있다.

도 7은 단계 86, 88, 90 및 92에서 도시된 바와 같은 기본적인 방법론적 플로우챠트이다. 이 방법은 작업개시(BOO)를 가진 단계 86에서 시작되는데, 도 8의 도면 참조부호 94에 의해 설계된다. 전술한 바와 같이, 밧데리시스템(10)에 대한 2가지 주 기간은 소위 말하는 작업사이클(78)과 충전 및 바란싱사이클(80)(비구동시간으로 도시안됨)이다. 본 발명의 제 2 양태는 작업사이클(78)에서의 바란싱에 관한 것이다. 이 방법은 다음 단계 88로 진행된다.

단계 88에서, 어플리케이션(12)은 밧데리시스템(10)으로부터(즉, 셀 30로부터) 동력을 인출하도록 작업 또는 가동된다. 이는 작업사이클(78)을 한정한다. 이 방법은 다음 단계 90으로 진행된다.

단계 90에서, 이 방법은 적어도 제 1 셀(first cell)을 바란싱을 위해 식별하는 방법을 포함한다. 한가지 실시예에서, 이 단계는 작업사이클(BOO)의 개시시점에서 수행된다. 이 방법은 셀에 대해 각 시간-대-바란스 값을 지정하기 위한 도 3과 관련된 상기 핵심 알고리즘을 실행하므로써 이 식별을 수행하는 방법이다. 또다른 실시예에서, 작업사이클 개시후, 시간-대-바란스 값을 업데이트하는 것으로, 예컨데, 각 셀에 대한 SOC를 업데이트하여 BCU(40)으로부터 밧데리시스템(10)의 정상적인 작업제어를 통해 평가하는 것은 유용하다. 시간-대-바란스 값을 가지게 됨에 따라, 이 방법은 다음 단계 92로 진행된다.

단계 92에서, 이 방법은 식별된 셀의 바란싱 단계를 포함한다. 이 단계는 도 5, 6과 관련하여 타이머, 스윗치, 그리고 바란싱저항기를 이용하여 전술한 바와 동일한 방법으로 수행된다.

도 8은 도 2의 표에 도시된 예로 든 값에 대해 원위치 등화(in-situ equalization)를 나타낸다. 도 8에서, 가장 약한 셀-셀 #1은-전류를 분로 또는 단락(shunting)시킴이 없이 작업사이클(78) 중에 그리고 전 사이클공정을 통해 부하에 전력을 계속 공급한다는 점에 유의하여야 한다. 따라서, 셀 #1의 경우에는 바란싱저항기(34₁)는 이 예에서는 삽입되지 않는다.

다음으로 약한 셀-셀 #3은-바란싱 최소량을 요한다. 셀 #3은 도 8에서, t₁과 같은 시간동안 바란싱을 필요로 한다. 이 시점에서 타이머는 제로(0)로 향하고, 바란싱저항기(34)는, 셀 #3의 경우 인출되고, 셀 #3은 전류의 단락 없이도 전력을 공급할 수 있도록 해준다.

다음으로 약한 셀-셀 #n은-다음으로 적은 바란싱량을 필요로 한다. 셀 #n은 도 8에서의 t₂와 같은 시간에 대한 바란싱을 요하고, 이 시점에서 그 타이머는 제로(0)로 가게 되며, 셀 #n에 대한 바란싱저항기 34n는 인출되고, 셀 #n은 전류의 단락 없이도 전력을 공급할 수 있도록 해준다.

이 공정은 다음 각각 t₃, t₅, 및 t₆ 시간에서 셀 #5, 셀 #4, 셀 #2로 진행된다. t₅ 시간 후에(즉, 결국 바란싱이 완료된다), 모든 셀은 여하한 전류의 단락 없이 조화를 이루어 전력을 공급하도록 한다(즉, 바란싱). 이 시점에서, 각 셀(30)은 충분히 충전된 상태에 이르기 위해 동일량의 충전을 요한다. 이와 같이, 충전 및 바란싱사이클(80)이 실질적으로 개시되면, 셀-에서-셀 충전을 등화하는데 소비된 시간의 량은 최소화되거나 없어진다.

본 발명의 제 1 양태에서 기재되어 있는 바와 같이, 또한 추가적인 실시예에서, 열 방출량 레벨을 제어하기 위해, 정의 시간-대-바란스 값을 가지는 셀의 그룹에서의 모든 셀보다 적은 갯수의 미리 지정된 셀만이 바란싱 대상으로 선정된다. 예컨데, 하나의 셀이 가장 약하고, 나머지 19개의 셀이 바란싱을 요하는 20개의 셀을 갖는 실시예에서, 미리 지정된 갯수(예컨데 8개)만이 가장 높은 크기의 시간-대-바란스값을 가지고 바란싱된다(즉, 이들 삽입된 바란싱저항기를 가진다). 이는 바란싱저항기에서 소산되는 량을 감소시키고, 밧데리시스템(10)에 주변으로 열을 또한 방출시키는 시간을 부여한다.

전술한 예들은 본 발명 일 실시예들로서 일부예를 든 것에 불과하며, 본 발명의 취지와 범위 내에서 추가적으로 그리고 여러가지 변형된 것으로 만들 수 있음에 유의할 필요가 있다.

Claims

충전개시(beginning-of-charge:BOC) 시간으로 충전 및 바란싱 사이클(charging and balancing cycle)을 갖고, 복수의 셀을 갖는 밧데리 시스템의 작업방법은

충전개시(BOC) 시간에서 개시되는 복수의 셀을 충전(charging)하는 단계와;

적어도 제 1 셀(first cell)에 대해 정해지는 예측된 바란싱파라미터(balancing parameter)에 따라 상기 충전단계동안, 복수의 셀 중 적어도 제 1 셀을 바란싱(balancing)하는 단계로 구성되는 밧데리시스템의 작업방법(A method of operating a battery system).
제 1항에 있어서, 상기 바란싱 단계는, 방전(discharge)을 위해 상기 제 1 셀(first cell)을 가로질러 바란싱 저항기(balancing resistor)를 연결하는 단계로 이루어지는 밧데리시스템의 작업방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계에는 또한

각각의 셀에 대하여, 충전 종료(end-of-charge:EOC) 상태에 도달되는데 필요한 충전량을 지시하는 각 필요충전량(respective required charge amount indicative)을 결정하는 단계;

셀에 대해 결정된 필요로 하는 충전량으로부터 최대 필요충전량(maximum required charge)을 산출하는 단계;

각 셀에 대해 최대 필요충전량과 각기 필요한 충전량 사이의 차이를 나타내는 각 셀에 대한 충전차이량(difference-in-charge)을 결정하는 단계;

예측 바란싱 파라미터(predicted balancing parameter)를 한정하므로써 상기 충전차이량에 대응하여 각 셀에 대해 각 시간-대-바란스를 결정하는 단계; 그리고,

적어도 하나의 제 1 셀과 관련하여 정해진 시간-대-바란스(time-to-balance)에 대하여 상기 바란싱을 행하는 단계

를 포함구성하는 밧데리시스템의 작업방법.
제 3항에 있어서, 상기 단계에는 또한,

정(positive)의 시간-대-바란스를 갖는 셀의 그룹으로부터 적어도 제 1 셀(identifying the at least first cell)을 식별하는 단계를 포함구성하는 밧데리시스템의 작업방법.
제 4항에 있어서, 상기 바란싱 단계는 충전개시(BOC) 시간에 시작되고, 적어도 첫번째 하나의 셀(at least first one cell)과 관련하여 시간-대-바란스를 결정 하기 위해 지속하는 밧데리시스템의 작업방법.
제 4항에 있어서, 상기 바란싱 단계는 정의 시간-대-바란스(time-to-balance)를 가지는 셀의 그룹으로부터 추가적인 셀에 대해 수행되고, 상기 바란싱 단계는 각 시간-대-바란스에 대응되는 시간에 각 추가되는 셀에 대해 지속되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 6항에 있어서, 상기 바란싱단계가 대응되는 시간-대-바란스의 소멸시점에 서 각기 비연속됨에 따라 추가적인 셀에 대해 충전단계가 수행되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 6항에 있어서, 상기 바란싱 단계는 정의 시간-대-바란스(positive time-to-balance)를 가지는 그룹의 모든 셀에 대하여 충전개시시간(BOC)에서 시작되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 6항에 있어서, 상기 바란싱 단계는 정의 시간-대-바란스(positive time- to-balance)를 가지는 그룹에서의 모든 셀보다도 적은 셀의 일부 집합셀(subset of cell)에 대한 충전개시(BOC) 시간에서 시작되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 9항에 있어서, 상기 단계는 또한, 셀에 관련된 시간-대-바란스의 크기에 따른 정의 시간-대-바란스를 가지는 모든 셀의 그룹으로부터 일부 집합셀에 포함되게 하기 위해 셀을 선택하도록 한 밧데리시스템의 작업방법.
제 10항에 있어서, 상기 선택단계는 미리 지정된 온도 한계치(predetermined temperature criteria)에 따라 또한 수행되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 10항에 있어서, 또한 정의 시간-대-바란스를 가진 모든 셀의 그룹으로부터, 최고치를 갖는 각 시간-대-바란스를 갖는 일부 집합셀에 포함되도록 하기 위해 미리 지정된 숫자의 셀(predetermined number of cells)을 선택하는 단계를 또한 구성하는 밧데리시스템의 작업방법.
복수의 셀을 가지는 밧데리시스템의 작업방법은

작업사이클동안 밧데리시스템의 셀로부터 전력을 인출(withdrawing power)하는 단계와;

계속 이어지는 충전과 바란싱사이클동안 예상되는 과충전의 미리 지정된 한계 지시량(predetermined criteria indicative)을 충족하는 작업사이클동안 복수의 셀 중 적어도 첫번째 하나의 셀을 식별(identifying at least a first one)하는 단계;

충전과 바란싱사이클에 앞서 작업사이클동안 식별된 적어도 첫번째 하나의 셀을 바란싱(balancing the identified at least first cell)하는 단계

로 이루어지는 밧데리시스템의 작업방법.
제 13항에 있어서, 상기 식별단계는 작업사이클의 개시시점(beginning of the operating cycle)에서 수행되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 13항에 있어서, 상기 식별단계는 작업사이클의 개시후 작업사이클동안 수행되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 13항에 있어서, 상기 바란싱단계는 방전을 위해 식별된 제 1 셀을 가로질 러 바란싱저항기에 연결되는 일부 단계를 구성하는 밧데리시스템의 작업방법.
제 13항에 있어서, 상기 식별단계는,

충전종료(EOC) 상태에 이르는데 필요한 충전량 중 각각의 필요 충전지시량(required charge amount indicative)을 복수의 셀 중 각 하나의 셀에 대해 결정하는 단계;

셀에 대해 정해진 필요충전량으로부터 최대 필요충전량을 산출하는 단계;

각 셀에 대해 최대 필요충전량과 정해진 각 필요충전량 사이의 차이를 가진 각 대표적인 셀에 대해 충전량 차이를 결정하는 단계;

각 충전량 차이(difference-in-charge)에 따라 각 셀에 대해 시간-대-바란스를 결정하는 단계;

정의 시간-대-바란스를 갖는 그룹셀로부터 바란싱을 하기 위해 적어도 첫번째 셀을 선정하는 단계

로 이루어지는 밧데리시스템의 작업방법.
제 17항에 있어서, 상기 바란싱단계는 작업사이클 개시시점에서 개시되고 또한 적어도 첫번째 하나의 셀과 관련하여 지정된 시간-대-바란스에 대해 지속되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 17항에 있어서, 상기 바란싱단계는 정의 시간-대-바란스를 갖는 셀 그룹으로부터 추가적인 셀에 대해 수행되고, 상기 바란싱단계는 각 시간-대-바란스에 대응되는 시간동안 각 추가적인 셀에 대해 지속되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 17항에 있어서, 상기 바란싱단계는 정의 시간-대-바란스를 갖는 그룹의 모든 셀에 대해 작업사이클 개시시점에서 시작되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 20항에 있어서, 상기 바란싱단계는 정의 시간-대-바란스를 가진 그룹에서의 모든 셀보다도 적은 일부 집합셀에 대해 작업사이클 개시시점에서 개시되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 21항에 있어서, 상기 단계는 또한, 셀과 관련하여 시간-대-바란스 크기에 따라 정의 시간-대-바란스를 갖는 모든 셀의 그룹으로부터 일부 집합셀에 포함시키기 위한 셀의 선정단계를 또한 구성하는 밧데리시스템의 작업방법.
제 22항에 있어서, 상기 선정단계는 미리 지정된 온도한계치에 따라 또한 수행되는 밧데리시스템의 작업방법.
제 21항에 있어서, 상기 단계는 또한, 정의 시간-대-바란스를 갖는 모든 셀의 그룹으로부터 일부 집합셀에 포함되도록 하기 위해 가장 높은 값을 가지는 각 시간-대-바란스를 가진 미리 지정된 수의 셀(predetermined number of cells)을 선정하는 밧데리시스템의 작업방법.