KR20090008473A - 다수의 결함 허용범위를 가지며 다중 구성 가능한 가변형 중복 배터리 모듈 - Google Patents

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KR20090008473A
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Abstract

에너지 전달 시스템은 직렬로 전기 연결된 2개 이상의 에너지 전달 모듈로 이루어진 적어도 하나의 스트링을 포함한다. 각각의 에너지 전달 모듈은 전기 전류를 저장 및 전달하는 하나 이상의 에너지 전달 장치와, 에너지 전달 장치의 각각을 모니터링 및 제어하는 모듈 모니터를 포함한다. 각각의 에너지 전달 모듈 스트링은 에너지 전달 모듈 각각이 액세스할 수 있는 스트링 통신 경로를 포함하고, 각각의 에너지 전달 모듈의 모듈 모니터는 스트링 통신 경로릍 통하여 각자의 에너지 전달 모듈과 연관된 정보를 통신하도록 동작한다. 각각의 스트링은 또한 스트링 통신 경로를 통하여 스트링 내의 각각의 모듈 모니터와 통신하는 스트링 관리자 장치를 포함한다. 에너지 전달 시스템은 또한 시스템 통신 경로를 통하여 각각의 스트링 관리자 장치와 통신하는 시스템 컨트롤러를 포함한다.

Description

다수의 결함 허용범위를 가지며 다중 구성 가능한 가변형 중복 배터리 모듈{MULTI-CONFIGURABLE, SCALABLE, REDUNDANT BATTERY MODULE WITH MULTIPLE FAULT TOLERANCE}
본 발명은 에너지 전달 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변성(scalability)과 결함 허용(fault tolerance)을 용이하게 하는 계층 배열된 에너지 전달 시스템에 관한 것이다.
배터리, 전기 전원, 컴퓨터 하드 드라이브, 마이크로프로세서, 및 통신 링크와 같이 병렬형 중복 시스템(parallel redundant system)의 많은 예들이 존재한다. 페일오버(failover) 방법이 존재하는데, 그에 의해 병렬형 중복 시스템의 하나 이상의 컴포넌트의 장애가 전체 시스템의 정지를 초래하지는 않는다.
현재, 최신 기술의 에너지 전달 시스템(EDS; Energy Delivery System)은 종종 이러한 중복성을 제공하도록 병렬로 접속된다. 전원, 배터리, 및 발생기는 모두 이러한 시스템의 잘 알려진 예들이다.
도 1a는 중앙 배터리 관리 컴포넌트(12)가 스트링(16) 내의 모든 배터리 셀 또는 직렬 소자(14)에 접속되는 종래 기술의 배터리 관리 시스템(BMS)(10)을 도시한다.
도 1b는 중앙 배터리 관리 컴포넌트(22)가 각각의 셀 또는 직렬 소자(24)에 연결되는 개별 셀 모니터링 컴포넌트(28)로부터 정보를 수신하는 종래 기술의 BMS(20)를 도시한다. 도 1b의 구조에서, 각각의 배터리 셀 또는 직렬 소자(24)와 연관된 데이터는 중앙 배터리 관리 컴포넌트(22)에 도달하기 전에 셀 모니터링 컴포넌트(28)를 통하여 하향(downstream) 전달된다.
이들 종래 기술의 중복 시스템의 단점으로는 다수 방향에서의 그들 가변성이 제한된다는 점이다. 종래 기술의 BMS는 보통, 직렬로 접속되는 경우에는 셀의 수에 의해 그리고 병렬로 접속되는 경우에는 배터리의 사이즈에 의해, 배터리의 특정 구성에 대하여 맞춤 설계된다. 배터리 팩의 사이즈를 확장하기 위해서는, 추가의 접속 및 감지 회로를 구비한 새로운 회로 카드가 설계되어야 한다.
모든 셀 또는 직렬 소자(14)에 인터페이스하는 중앙 배터리 관리 시스템(10)(도 1a에 도시된 바와 같음)은 배터리 팩을 통하여 접속되는 수많은 와이어를 갖는다는 단점이 있다. 배터리 소자들 각각에 대한 전압 및 온도 정보를 수송하는 긴 와이어들은 상당한 전자기 간섭을 겪게 되며, 이는 신호 무결성(integrity)을 떨어뜨리고 BMS(10)의 측정 정확도를 낮춘다. 또한, 이 와이어들은 중앙 배터리 관리 컴포넌트(12)를 호스트하는 BMS 회로 카드에 접속하는 다른 와이어에 비해 높은 전압을 가질 수 있다. 이 때문에 다른 회로 기능 및 무장해(hazard free) 동작에 대한 높은 전압 간섭을 방지하도록 주의깊은 PCB 레이아웃 및 커넥터 설계를 필요로 한다.
직렬 구성된 셀 모니터링 해결책(도 1b에 도시된 바와 같음)은, 셀 모니터 장치(28)가 다수의 직렬 접속된 셀로부터의 정보를 통과시킬 수 없기 때문에, 직렬로 너무 많은 셀(24)은 가변할 수 없다는 제한이 있다. 통상의 통과 방법은, 각각의 셀 모니터(28)가 하향 모니터(28)로부터의 정보를 수용하고, 버퍼링하고, 그들 자신의 정보를 첨부한 다음, 중앙 배터리 관리 컴포넌트(22)에 더 가까운 다음 모니터를 향하여 패킷을 상향(upstream) 전달하게 하는 것이다. 그렇게 모니터로부터 모니터로 이동함에 따라, 패킷은 그 사이즈가 증가한다. 어느 시점에, 패킷은 직렬 모니터들의 어느 모니터의 메모리 버퍼에 맞출 수 없을 정도로 너무 커질 수 있다. 그 결과, 이 방식은 일반적으로 약 25개 셀에 한정된다. 어떠한 경우든, 직렬 스트링이 커질수록, 정보가 스트링 내의 마지막 모니터로부터 BMS(22)로 리플하는데 걸리는 시간으로 인해 적합한 응답 시스템 동작을 지지할 수 없게 된다.
또한, 직렬 소자들 중 하나가 고장이 나면, 이는 일반적으로 직렬 내의 다른 모듈로부터 BMS(22)에 정보를 상향 전달할 수 없다.
마지막으로, 배터리 스트링 내의 각각의 직렬 소자에 부속되는 지능 측정 및 통신 장치를 갖는데 점진적으로 더 많은 비용이 들게 된다. 보통, 이러한 시스템은 병렬 방향 또는 직렬 방향으로 가변될 수 있지만, 양자의 방향으로는 될 수 없다. 이는, 이러한 시스템이 설계 단계에서 또는 조립 단계에서 더 많은 병렬 소자를 추가하거나 더 많은 직렬 소자를 추가할 수 있지만, 둘 다는 할 수 없음을 의미한다.
종래 기술의 시스템은 또한, 시스템 컨트롤러가 고전압 경계를 가로질러 통신할 수 없기 때문에, 직렬로 다수의 셀을 가변할 수 없다는 제한을 갖는다.
종래의 배터리 모듈 설계는 보통 특정 애플리케이션에 대하여 설계된 대규모 의 맞춤 팩이다. 하나의 일반적인 기본 패키지에서 보다 콤팩트하고 가변적이며 다중 구성 가능한 배터리 팩 해결책이 필요하다.
여기에 설명된 이 실시예는, 본 명세서에서 에너지 전달 장치(EDD; Energy Delivery Device)로 부르는, 모듈을 어셈블링하는 방법 및/또는 모듈 어셈블리를 구성하는 방법을 포함한다. EDD는, 직렬로 접속되어 있는 경우에는 어셈블리가 구성요소 EDD의 전압 각각의 합산을 제공하고 병렬로 접속되어 있는 경우에는 EDD의 전류 용량 각각의 합산을 제공하는 방식으로, 에너지를 저장하고 전달한다. 일반적으로, EDD는 소정의 전압, 전류 및 에너지 등급(rating)을 갖는 단일 배터리 셀 또는 다수의 배터리 셀일 수 있다.
설명된 실시예에 따르면, EDD들 어셈블리인 EDD가 마치 단일 EDD인 것처럼, 모니터링, 관리 및 제어된다. 각각의 EDD는, EDD 외부의 엔티티에 상태를 보고하고 EDD 외부의 엔티티로부터 수신된 커맨드에 기초하여 제어 기능을 수행하는 전자 회로(여기서는 “프록시(proxy)”로 칭함)에 의해 모니터링, 관리, 및 제어된다.
설명된 실시예에서, EDD들은 구성요소 EDD들의 전압의 합산을 달성하도록 직렬로, 또는 구성요소 EDD들의 전류 용량의 합산을 달성하도록 병렬로 와이어 연결될 수 있다. EDD들은 병렬 EDD 또는 직렬 EDD 또는 다양한 병렬-직렬 조합의 클러스터로 그룹화될 수 있고, 하나의 인터페이스를 통하여 외부 엔티티에 대한 단일 EDD로서 여전히 간단하게 관리, 모니터링, 및 제어될 수 있다. 또한, 설명된 방법은 EDD 또는 통신 요소의 다수 고장이 발생하여도 다른 작업 요소 또는 EDD에 대한 통신을 중단하지 않게 할 수 있다.
일 양상에서, 본 발명은 직렬로 전기 연결된 2개 이상의 에너지 전달 모듈의 적어도 하나의 스트링을 포함하는 에너지 전달 시스템이다. 각각의 에너지 전달 모듈은 전기 전류를 저장 및 전달하는 하나 이상의 에너지 전달 장치를 포함한다. 스트링은 또한 스트링 내의 에너지 전달 장치 각각을 모니터링 및 제어하는 모듈 모니터를 포함한다. 에너지 전달 모듈의 각각의 스트링은 에너지 전달 모듈의 각각이 액세스할 수 있는 스트링 통신 경로를 더 포함한다. 각각의 에너지 전달 모듈의 모듈 모니터는 스트링 통신 경로를 통하여 각자의 에너지 전달 모듈과 연관된 정보를 통신하도록 동작한다. 시스템은 스트링 통신 경로를 통하여 스트링 내의 각각의 모듈 모니터와 통신하는 스트링 관리자 장치, 및 시스템 통신 경로를 통하여 각각의 스트링 관리자 장치와 통신하는 시스템 컨트롤러를 더 포함한다.
하나의 실시예에서, 시스템은 각각의 에너지 전달 장치를 모니터링 및 제어하는 장치 모니터를 더 포함한다. 각각의 장치 모니터는 모듈 모니터가 장치 모니터 및 에너지 전달 장치에 대한 프록시로서 기능하도록 모듈 모니터와 통신한다.
다른 실시예에서, 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 에너지 전달 모듈의 전기적 특성을 포함한다. 다른 실시예에서, 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 에너지 전달 모듈을 제어하기 위한 커맨드를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 시스템 내의 모듈들의 소정의 배열을 구성하기 위한 명령을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 모듈과 연관된 환경적 정보를 포함한다.
일 실시예는 통신 경로로부터 비정상(abnormal) 모듈을 분리하는 하나 이상의 분리(isolating) 스위치를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 통신 경로는 어드레스된 통신 프로토콜을 지원하는 와이어 통신 버스이다.
또 다른 실시예에서, 시스템은 하나의 모듈 스트링만 포함하고, 시스템 컨트롤러는 시스템 컨트롤러가 스트링 관리자와 연관된 기능을 제공하도록 스트링에 대한 스트링 관리자를 포함한다.
일 실시예에서, 각각의 스트링 관리자는 스트링에 더 많거나 더 적은 모듈을 수용하고, 시스템 관리자는 시스템에 더 많거나 더 적은 스트링 관리자를 수용한다.
다른 양상에서, 에너지 전달 시스템은 하나 이상의 에너지 전달 장치를 포함한다. 각각의 에너지 전달 장치는 자신에에 제공된 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 전기 전류로서 전달하도록 동작한다. 시스템은 하나 이상의 에너지 전달 장치의 모니터링, 제어 및 관리 중 적어도 하나에 관련된 기능을 제공하는 하나 이상의 전기 장치를 더 포함한다. 시스템은 또한 인쇄 회로 기판을 포함하는데, 인쇄 회로 기판은 에너지 전달 장치를 그 인쇄 회로 기판에 전기 연결하는 전기 접촉부와, 소정의 배열로 에너지 전달 장치를 서로에 대해 전기 연결하는 전기 전도체를 갖는다. 전기 전도체는 또한 에너지 전달 장치를 하나 이상의 전기 장치에 연결한다. 하나 이상의 에너지 전달 장치 및 하나 이상의 전기 장치는 인쇄 회로 기판에 직접 실장된다.
다른 양상에서, 에너지 전달 시스템을 어셈블링하는 방법은 한 쌍의 엔드캡(endcap)을 제공하는 단계를 포함한다. 엔드캡은 소정의 배열로 에너지 전달 장치의 어레이를 구속(constrain)하는 포스트(post), 에너지 전달 장치에 전기 접속을 제공하는 전기 전도성 플레이트, 및 에너지 전달 장치의 전기 포트에 대응하는 위치에서 엔드캡을 통하여 전기 전도성 플레이트에 액세스하는 액세스 포트를 포함한다. 본 방법은 엔드캡들 사이에 에너지 전달 장치를 배치하는 단계를 더 포함하며, 그리하여 포스트가 소정의 배열로 에너지 전달 장치를 구속하고 에너지 전달 장치의 전기 포트가 전기 전도성 플레이트와 접촉하게 된다. 본 방법은 또한 소정의 배열로 엔드캡들 사이에 배터리를 클램핑(clamp)하도록 엔드캡들을 같이 고정(secure)시키는 단계, 및 에너지 전달 장치의 전기 포트와 전기 전도성 플레이트 상의 소정 위치 사이에 전기 전도성 본드를 형성하도록, 전기 전도성 플레이트에 액세스 포트를 통하여 열을 가하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 액세스 포트를 통하여 열을 가하는 단계는 전도성 플레이트를 저항 용접(resistance welding)하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예는 엔드캡의 상부에 인쇄 회로 기판을 배치하는 단계를 더 포함한다. 전도성 플레이트로부터 연장하는 하나 이상의 전도성 탭(tab)은 셀과 인쇄 회로 기판 사이의 전기 연결을 제공한다.
다른 실시예는 소정의 구성으로 2개 이상의 모듈을 배열하는 프레임을 제공하는 단계를 더 포함한다.
다른 양상에서, 에너지 전달 시스템은 소정의 배열로 에너지 전달 장치의 어레이를 구속하는 포스트, 에너지 전달 장치에 전기 접속을 제공하는 전기 전도성 플레이트, 및 에너지 전달 장치의 전기 포트에 대응하는 위치에서 엔드캡을 통하여 전기 전도성 플레이트에 액세스하는 액세스 포트를 포함하는 한 쌍의 엔드캡을 포함한다. 에너지 전달 장치는 엔드캡들 사이에 배치되며, 그리하여 포스트가 소정의 배열로 에너지 전달 장치를 구속하고 에너지 전달 장치의 전기 포트가 전기 전도성 플레이트와 접촉하게 된다. 소정의 배열로 엔드캡들 사이에 배터리를 클램핑하도록 엔드캡들이 같이 고정된다. 에너지 전달 장치의 전기 포트와 전기 전도성 플레이트 상의 소정 위치 사이에 전기 전도성 본드가 형성된다.
일 실시예는 엔드캡의 상부에 배치된 인쇄 회로 기판을 더 포함한다. 인쇄 회로 기판은 전기 전도성 플레이트로부터 연장하는 하나 이상의 탭에 전기 연결된다.
다른 실시예는 통신 경로에 연결하는 전기 커넥터를 더 포함한다. 전기 커넥터는 인쇄 회로 기판 상에 실장된 하나 이상의 전기 장치에 전기 연결된다.
다른 실시예에서, 에너지 전달 장치는 교대(alternating) 극성의 그룹들로 배열되며, 그리하여 에너지 전달 장치의 그룹들이 직렬로 전기 접속된다.
또 다른 실시예에서, 에너지 전달 장치 그룹들은 병렬로 전기 접속된다.
다음의 설명으로부터 첨부 도면과 함께 보면 본 발명의 상기 및 기타 목적, 이들의 다양한 특징 뿐만 아니라 본 발명 자체를 보다 완전히 이해할 수 있다.
도 1a는 종래 기술의 배터리 관리 시스템을 도시한다.
도 1b는 다른 종래 기술의 배터리 관리 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 양상에 따른 EDD 팩의 실시예를 도시한다.
도 3은 고장이 검출되는 경우 분리되는 고장 프로세서를 도시한다.
도 4는 EDD 모듈과 통신 경로 사이의 통신 접속의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 통신 경로와 모듈 모니터 사이에 분리 장치를 갖는 EDD 모듈의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 EDD 팩 내의 모듈에 어드레스를 할당하는 절차의 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 양상에 따른 EDD 모듈 어셈블리의 실시예이다.
도 8은 도 7의 EDD 모듈의 컴포넌트의 다른 도면을 도시한다.
도 9는 도 7의 EDD 모듈의 컴포넌트의 또 다른 도면을 도시한다.
도 10은 도 7의 EDD 모듈의 컴포넌트의 또 다른 도면을 도시한다.
도 11은 도 7의 EDD 모듈의 컴포넌트의 또 다른 도면을 도시한다.
도 12는 인쇄 회로 기판 상에 실장된 셀 그룹으로서 EDD 팩을 도시한다.
도 13은 EDD 팩의 또 다른 실시예의 분해 도면을 도시한다.
설명된 실시예에서, EDD 모듈의 콜렉션(collection)은 EDD 팩(100) 내에 병렬 및/또는 직렬 구성으로 구성될 수 있다. 도 2는 EDD 모듈(102)이 팩(100)의 단자(106)에 대해 원하는 전압을 얻도록 직렬 스트링(104)(도 2에서는 수직으로)으로 와이어 연결되는 구성의 일반화된 도면을 도시한다. 모듈(102)의 각각은 병렬의 하나 이상의 셀(108)에 직렬의 하나 이상의 셀(108)을 갖도록 구성될 수 있다. 셀(108)의 각각은 포지티브 전기 포트 및 네가티브 전기 포트를 포함한다. 마찬가지로, 모듈(102)의 각각은 포지티브 전기 포트 및 네가티브 전기 포트(즉, 단자(106))를 포함하며, 이는 모듈 내의 셀(108)의 일부 복합 배열을 나타낸다.
단순화를 돕기 위해, 하나의 스트링(104)만 상세하게 도 2에 도시되지만, 이들 상세 사항은 모든 스트링에 대하여 공통적인 것으로 이해하여야 한다. 또한, 상세하게 도시된 스트링은 3개 모듈(102)을 포함하지만, 각각의 스트링이 더 많거나 더 적은 모듈(102)을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 마지막으로, 도 2는 팩(100)에 4개의 스트링(104)을 도시하고 있지만, 여기서 설명된 팩은 더 많거나 더 적은 스트링을 가질 수 있다.
각각의 모듈(102)은 모듈 모니터(110)를 포함하며, 모듈 모니터(110)는 그 모듈(102) 내의 셀(108)을 모니터링 및 관리한다. 셀 모니터(110)는 무엇보다도 전압, 전류, 환경적 조건(예를 들어, 온도), 및 고장 상태와 같은 모듈(102)의 다양한 양상을 측정할 수 있다. 예를 들어, 셀 모니터는 모니터(110)에 연결된 전류 센서(122)를 통하여 모듈이 발생시키는 전류를 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 모듈 모니터(110)는 마이크로프로세서를 포함하는 전기 장치이다. 다른 실시예에서, 모듈 모니터(110)는 FPGA(field programmable gate) 또는 ASIC(application specific integrated circuit)을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 모듈 모니터(110)는 프로세서/컨트롤러 기능을 제공하는 임의의 전기 회로일 수 있다.
각각의 모듈 모니터(110)는, 통신 경로(114)를 통하여, 각자의 모듈(102)과 연관된 정보를 송신하고, 모듈(102)의 관리를 위한 정보를 수신한다. 하나의 실시예에서, 통신 경로(114)는 와이어 버스를 포함하지만, 다른 실시예에서 통신 경로(114)는 광섬유, 오디오 채널, RF 또는 기타 무선 채널, 또는 일반적으로 정보를 수송할 수 있는 임의의 매체와 같은 매체를 포함할 수 있다.
EDD 모듈(102)의 각각의 스트링에 대하여, 스트링 관리자(116)는 통신 경로(114)를 통하여 그 스트링 내의 모듈 모니터(110)와 통신한다. 일 실시예에서, 스트린 관리자(116)는 마이크로프로세서를 포함하는 전기 장치이다. 다른 실시예에서, 스트링 관리자(116)는 FPGA 또는 ASIC을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 스트링 관리자(116)는 프로세서/컨트롤러 기능을 제공하는 임의의 전기 회로일 수 있다.
각각의 스트링 관리자(116)는 각자의 스트링 내의 모듈 모니터(110)로부터 모듈 정보를 수신하고, 스트링 내의 모듈(102)의 관리에 관련된 정보를 모듈 모니터(110)에 송신한다.
부가의 중복성 또는 에너지 가변성을 위해 다수의 스트링(104)이 팩(100) 내측에 병렬로 접속될 수 있다. 도 2는 팩 통신 버스(118)를 통하여 스트링 관리자(116)의 행(row)과 통신하는 팩 컨트롤러(120)를 도시한다. 상기 설명된 통신 경로(114)와 같이, 통신 버스(118)는 일반적으로 정보를 수송할 수 있는 임의의 매체일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 팩 컨트롤러(120)는 연관된 모듈 모니터(110) 및 스트링 관리자(116)를 통하여 각각의 모듈(102)과 연관된 정보를 수신하고, 동일한 경로를 통하여 모듈(102)에 제어 및 관리 정보를 제공한다. 일부 실시예에서, 팩(100)은 모듈 정보를 수신하고 관리 정보를 분배하기 위해 별도의 통신 경로를 이용한다. 팩 매니저(120)가 모듈(102)에 송신하는 정보는, 예를 들어 모듈(102) 내의 셀(108)을 조정하거나 밸런싱(balancing)하기 위한 커맨드, 또는 셀 내의 원하는 모듈 배열에 관련된 명령을 포함할 수 있다.
상기 설명된 계층(hierarchy)은 EDD 팩(100)의 요건에 따라 늘어나거나 줄 수 있다. 예를 들어, EDD 팩(100)이 하나의 스트링(104)으로만 구성되어 있는 경우, 팩 컨트롤러(120)는 EDD 모듈 모니터(110)의 단일 열(column)과 통신한다.
요약하면, EDD 팩(100)의 최하위 레벨에서 모듈 모니터(110)는 모듈(108) 내의 셀(108)을 모니터링 및 관리하고, 다른 EDD에 의해 공유되는 통신 버스를 통하여 상위 레벨 모니터에 정보를 전달한다. 최상위 레벨에서, 배터리 관리 시스템(BMS- 여기서는 팩 컨트롤러(120)로도 불림)은 공유 통신 버스를 통해 한번에 하나씩 하위 레벨 모니터와 독립적으로 통신한다. 다수의 EDD 모듈 스트링이 존재하는 경우에, BMS(120)는 각자의 스트링 내의 모듈에 대해 프록시로서 각각 작용하는 스트링 관리자(116)와 통신하고, 모듈 모니터의 각각과 통신한다. 하나의 모듈(102) 스트링만 존재하는 경우에, BMS(120)는 모듈 모니터와 직접 통신한다.
임의의 하나의 EDD 모듈 모니터(102)에서 고장이 발생하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 다른 EDD 모니터(102)는 공통 버스를 따라 스트링 관리자(116) 프록시와 통신하기를 계속하며, 비정상 조건(예를 들어, 고장, 오작동 또는 열화)이 검출되면 고장난 프로세서는 공통 버스로부터 분리될 수 있다. 하나의 실시예에서, 분리 스위치(130)가 모듈(102)에 대해 개별 컴포넌트로서 포함되고, 그리하여 모듈 모니터가 완전히 비기능적인 경우에도 여전히 분리가 가능하다. 다른 실시예에서, 모듈 모니터(110)의 다른 부분이 기능을 멈춘 경우에도 분리 스위치(130)가 계속 기능할 가능성을 증가시키는 비상 안전(fail-safe) 설계를 사용하여 분리 스위치(130)가 모듈 모니터에 통합된다.
상기 설명된 바와 같이, 각각의 EDD 모듈(102)은 통신 경로(114)를 통해 통신하는 모듈 모니터를 포함한다. 이 통신 버스를 통해 자신들을 식별하기 위하여, 모듈 모니터 각각은 BMS(120)가 초기화(initialize)될 때 식별 절차에 참여한다. 하나의 실시예에서, BMS(120)는 각각의 모듈 모니터(110)에 고유 어드레스를 제공한다. 모듈 각각이 각자의 어드레스를 수신하면, BMS(120)는 EDD 모듈 중 임의의 하나에 제어 또는 질의 커맨드를 발행하고, 그 모듈에 특정한 정보를 수신할 수 있다. 커맨드를 발행하기 위해, BMS(120)는 스트링 관리자(116)에 팩 통신 버스(118)를 통해 커맨드 코드 및 어드레스 정보를 송신하고, 이어서 스트링 관리자(116)는 통신 버스(114)를 통하여 이 정보를 모듈 모니터(110)에 전달한다. 이는 글로벌 브로드캐스트 메시지(global broadcast message) 뿐만 아니라 모듈 특정 메시지를 가능하게 한다. 글로벌 브로드캐스트 메시지의 경우, 어드레스 정보는 모듈 모니터의 전부에 의해 인식되는 글로벌 어드레스를 포함하거나, 각각의 개별 모듈 어드레스를 포함할 수 있다. 모듈 특정 메시지의 경우, 각각의 모듈 모니터(110)는 메시지를 수신하고 해석하지만, 일치하는 어드레스를 갖는 모듈(102)만 커맨드에 응답한다. 모듈(102)이 커맨드를 수신하면, 모듈(102)은 통신 경로(114)를 통해 커맨드에 응답하는 데이터를 송신함으로써 응답한다. 대응하는 스트링 관리자(116)는 팩 통신 버스를 통하여 데이터를 수신하고 BMS(120)에 그것을 전달한다.
이하, BMS(120)가 모듈 모니터(110)와 통신하거나 모듈 모니터가 BMS(120)와 통신하는 것에 관련된 설명의 경우, 통신은 스트링 관리자(116)를 통하여 전달된다고 가정된다.
통신 프로토콜
통신 경로(114) 및 팩 통신 버스(118)는 시리얼, CAN, LIN, SPI, I2C 또는 공유 물리적 매체를 통하여 어드레스된 프로토콜을 구현하는 것으로 당해 기술 분야에 공지된 기타 통신 기술 중 임의의 하나일 수 있다. 그러나, BMS 기준에 비해 모듈(102) 각각과 연관된 높은 전압으로 인해, 통신 경로(114)(및 일부 실시예에서 팩 통신 버스(118))는 통신 경로(114)와 각각의 모듈(102) 사이의 당해 기술 분야에 공지된 분리 장치(예를 들어, 광학, 자기 또는 RF)(124)를 사용하여 분리된다. 도 4는 통신 경로(114)에 대한 EDD 모듈(102) 통신 접속의 하나의 실시예를 도시한다. 도 5는 통신 경로(114)와 모듈 모니터(110) 사이에 분리 장치(124)를 갖는 예시적인 실시예를 도시한다.
어드레스 할당
상기 설명된 바와 같이, BMS(120)가 초기화될 때, BMS(120)는 모듈 모니터(110) 각각에 어드레스를 제공한다. 어드레스를 제공하는데 다른 절차가 사용될 수도 있지만, 이어지는 다음 설명은 하나의 예시적인 실시예에서 사용되는 절차이다.
BMS(120)는 트리거 입력 라인을 통해 제1 접속 EDD 모듈 모니터(110)에 개별 트리거 신호를 송신한다. 일부 실시예에서 트리거 입력 라인은 개별 경로인 반면, 다른 실시예에서 트리거 라인은 통신 프로토콜의 일부이다.
트리거 신호에 응답하여, 모듈 모니터(110)는 BMS(120)에 확인응답 메시지를 송신한다. BMS(120)는 스트링 관리자(116)에 통신 경로(114)를 통해 어드레스 할당을 반환한다. 스트링 내의 모든 모듈 모니터(110)가 어드레스 할당을 수신하지만, 트리거 신호를 수신한 모듈 모니터(110)만 자신에게 신규 어드레스를 할당한다.
BMS(120)가 제1 접속 모듈, 즉 “현재 모듈”(어드레스가 현재 할당되어 있는 모듈)에 어드레스를 성공적으로 할당하면, BMS(120)는 그 현재 모듈에 “활성화 트리거(activate trigger)” 메시지를 송신하며, 이는 다음 접속된 모듈에의 트리거 신호를 활성화시킨다. BMS는 모듈(102)에 다음 어드레스를 송신하며, 이는 자신의 트리거 신호가 활성인 제2 접속 모듈(즉, 이는 새로운 “현재 모듈”임)에 의해 수락된다.
BMS(120)가 제2 접속 모듈에 어드레스를 성공적으로 할당하면, BMS(120)는 제1 접속 모듈(즉, “현재 모듈 -1”)에 비활성화(de-activate) 트리거 메시지를 송신하고, 이어서 제2 접속 모듈에 활성화 트리거 메시지를 송신하며, 이는 제3 접속 모듈이 “현재 모듈”이 되게 한다. 따라서, 트리거 신호의 이러한 재할당은 제2 접속 모듈로부터 제3 접속 모듈로 스트링을 따라 “현재 모듈” 역할을 이동시키며, 제1 접속 모듈로부터 제2 접속 모듈로 “현재 모듈-1” 역할을 이동시킨다.
그 다음, BMS(120)는 다음 어드레스를 송신하며, 이는 새로운 “현재 모듈 ”(즉, 제3 접속 모듈)에 의해 수락되는데 자신의 트리거가 이제 활성이기 때문이다. 이러한 어드레스 할당 프로세스는 마지막 모듈이 자신의 어드레스를 확립할 때까지 계속된다. BMS(120)는 그의 호스트 EDD 팩(100)에 얼마나 많은 모듈이 구성되어 있는지에 관한 정보를 갖고, 그리하여 모든 모듈이 할당될 때까지 어드레스를 할당하기를 계속한다.
EDD 팩(100)의 동작 중의 일부 시점에서, 모듈 모니터(110)가 특정 기간 내에 트리거 신호에 응답하지 않는 경우, BMS(102)는 응답하지 않은 모듈이 “시작 고장(failure to start)” 조건을 일으키는 고장난 것으로 결론짓는다.
모듈 모니터(110)의 전부에 어드레스가 할당되면, BMS(120)는 어떠한 임의 순서대로 개별적으로 모듈 모니터(110)에 액세스할 수 있다. 상기 설명된 절차에 대한 예시적인 흐름도가 도 6에 도시되어 있다.
공유 버스 프로토콜의 값/영향력(leveraged) 측정 회로
동작 동안, BMS(120)는 정확하게 동시에 셀 모듈(102)의 전압 전부를 획득할 수 있다. 모듈(102) 전부에 의해 인식되고 수락되는 셀 전압에 대한 글로벌 요청을 송신함으로써 이를 달성한다. 각각의 모듈(102)에 대한 모듈 모니터(110)는 BMS(120)로부터 스냅샷(snapshot) 커맨드를 수신하면 자신의 구성요소 셀과 연관된 전압의 “스냅샷”(즉, 샘플)을 획득한다. 모듈 모니터(110)가 스냅샷 커맨드를 수신하면, 그들은 전부 거의 동시에 자신의 셀의 스냅샷을 취한다.
그 다음, BMS(120)는 샘플링된 전압 정보를 요청하도록 각각의 모듈에 체계적으로 어드레스한다. 이 기술의 이점은 각각의 셀의 전압 정보가 특정 시간에 관 련된다는 점이다. 이 시간은, 팩(100)의 전류가 샘플링될 때 또는 BMS(120)가 어떤 다른 이벤트를 검출할 때일 수 있다. 모든 셀 전압은 전류와 상관될 수 있기 때문에, 성능 상태(State Of Health), 또는 팩과 셀의 임피던스를 계산하는 것이 가능하다.
여기에 설명된 바와 같은 EDD 팩의 하나의 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 베이스 팬(150)은 EDD 팩(100)에 대한 기본 하우징을 제공한다. 베이스 팬(150) 내에 장착된 프레임(152)은 모듈(102)을 지지하기 위한 구조를 제공한다. 모듈(102)에 전기 연결되는 통신 경로(114)가 도시된다.
도 7의 EDD 팩에서의 개별 모듈(102)의 일부분이 도 8에 도시되어 있다. 2개의 엔드캡(endcap)(154)은 셀(108)(이 도면에서는 셀이 보이지 않음- 도 10 참조) 배열의 어느 한 측에 위치된다. 이 실시예에서, 엔드캡(154)은 사출 성형된 UL 94-V0 관련 PC/ABS 재료로 제조되지만, 당해 기술 분야에 공지된 다른 저전도성 재료가 사용될 수도 있다.
가까운 엔드캡(154)을 커버하는 절연체 시트(156)가 도시된다. 이 실시예에서, 절연체 시트(156)는 인접한 모듈들(102) 사이의 전기 전도를 방지하기 위해 낮은 전기 전도성을 갖는 FR 폴리프로필렌 시트이다. 그러나, 다른 실시예에서 절연체 시트(156)에 대하여 당해 기술 분야에 공지된 다른 절연 재료를 사용할 수도 있다.
도 8은 또한 통신 경로(114)와 모듈(102)의 모듈 모니터(110) 사이의 물리적 및 전기적 접속을 제공하기 위한 전기 커넥터(158)를 도시한다. 더스트 커버(160) 는 모듈 모니터(110) 및 모듈(102)과 연관된 기타 전기 컴포넌트를 호스트하는 인쇄 회로 기판(162)에 대하여 외부 환경으로부터의 보호를 제공한다.
도 9는 엔드캡(154) 중 하나의 상세도를 도시한다. 셀(108)의 전기 포트에 대한 전기 접속을 제공하도록 전기 전도성 플레이트(164)가 엔드캡(154)의 내부 표면 상에 위치되어 있다. 이 실시예에서, 플레이트(164)는 Ni-200 용접 스트랩(Weld Strap)이지만, 당해 기술 분야에 공지된 다른 전도성 재료가 사용될 수도 있다.
다수의 포스트(166)가 엔드캡(154)으로부터 전도성 플레이트(164)를 통하여 연장한다. 포스트는 엔드캡들(154) 사이에 위치되어 있는 셀(108)에 대한 물리적 경계 및 구조적 지지를 제공한다. 포스트(166)는, 플레이트(164)와 셀(108) 사이의 전기 접속을 형성하기 전에, 엔드캡(54)에 대하여 그리고 서로에 대하여 소정의 원하는 위치에 셀(108)을 구속한다.
전도성 탭(168)은 플레이트(164)로부터 엔드캡(154)의 상부로 연장한다. 이들 전도성 탭(168)은 플레이트(164)로부터 각각의 엔드캡(154) 쌍의 상부에 위치되어 있는 인쇄 회로 기판(162)(도시되지 않음)에 전기 접속을 제공한다. 이들 탭(168)은 모듈 모니터(110)(인쇄 회로 기판(162) 상에 상주함)에 대하여 모듈(102) 내의 셀(108)에의 전기적 액세스를 제공한다.
도 10은 엔드캡(154)의 포스트들(166) 사이에 배열된 셀(108) 어레이를 도시한다. 명확하게 하기 위하여, 이 도면에서는 몇몇 셀(108)만 참조 번호로 표시되어 있다. 도시된 바와 같이, 셀(108)은 교대 극성의 병렬 접속된 그룹으로 배열되어 있으며, 그리하여 셀(108) 그룹은 엔드캡들(154) 사이에 앞뒤에 직렬로 전기 접속 될 수 있다. 엔드 전도체(170)는 셀의 직렬 접속된 그룹의 양극단에서 엔드캡(154)의 각각의 단부에 위치되어 있다.
도 11은 도 8에 도시된 바와 유사하지만 절연 시트(156)는 없는 어셈블링된 모듈(102)을 도시한다. 셀(108)은 엔드캡들(154) 사이에 안정적으로 클램쉘(clamshell)되며, 이는 이어서 구조적 지지를 위해 엔드캡(154) 전반에 걸쳐 다수의 지점에서 같이 스크류된다. 엔드캡(154)에서의 액세스 포트(172)(즉, 홀)는, 각각의 셀이 플레이트(164)의 내부 표면 상의 전도성 플레이트(164)와 접촉하는 위치에서 전도성 플레이트(164)의 외부 표면을 노출시킨다. 다시, 명확하게 하기 위하여, 도면에는 몇몇 포트(172)만 참조 번호로 표시되어 있다. 이어서, 셀(108)은 액세스 포트(172)를 통하여 전도성 플레이트(164)에 저항 용접된다. 어셈블리의 이러한 순서와 포스트(166)에 의해 제공된 구조는 용접에 대한 스트레스 방지를 위한 비결이다.
하나의 실시예에서, EDD 팩(200)은 도 12에 도시된 바와 같이 인쇄 회로 기판(202)(PCB) 상에 실장된 셀(108)의 그룹이다. PCB(202)는 셀에 접속하여 셀이 제공하는 전류를 전도하는 전기 접촉부(204)를 호스트한다. 셀(108)은 각각의 셀(108)의 단자에 용접된 전기 접촉부(204)를 통하여 PCB(202)에 전기 연결되며, 이어서 이는 PCB(202)에 납땜된다. 셀(108)은 또한 접착제, 기계적 패스너(예를 들어, 스트랩, 클램프 등), 또는 PCB(202)에 셀(108)을 물리적으로 부착하기 위해 당해 기술 분야에 공지된 기타 기술을 이용하여 PCB(202)에 물리적으로 연결될 수 있다.
PCB(202)는 또한 소정의 배열로 서로에 대해 에너지 전달 장치를 전기 연결하기 위해 필요한 셀 대 셀 전기적 상호접속부를 호스트하며, 그로써 셀(108)의 원하는 직렬 접속, 병렬 접속, 또는 이들 조합을 구현한다. 마지막으로, PCB(202)는 밸런싱 장치, 모니터 및 제어 장치와 같은 다양한 전자기기(206)와, EDD 팩(200)의 모니터링, 제어 및 관리에 관련된 기능을 제공하는 기타 전기 컴포넌트를 호스트한다.
도 13은 EDD 팩(300)의 또 다른 실시예의 분해도를 도시한다. 이 실시예는 셀(108), 엔드캡(154), 전도성 플레이트(164), 포스트(166), 전도성 탭(168), 및 액세스 포트(172)와 같은 여기에 설명된 수많은 컴포넌트의 다양한 버전을 포함한다.
본 발명은 이의 사상 또는 필수적 특성을 벗어나지 않고서 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 실시예는 설명을 위한 것으로서 비한정적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구항에 의해 지시되어야 하며, 따라서 청구항의 등가물의 의미 및 범위 내에 속하는 모든 변경은 본 발명에 포함되는 것으로 의도되어야 한다.

Claims (20)

  1. 에너지 전달 시스템으로서,
    직렬로 전기 연결된 2개 이상의 에너지 전달 모듈로 이루어진 적어도 하나의 에너지 전달 모듈 스트링으로서, 각각의 에너지 전달 모듈은 전기 전류를 저장 및 전달하는 하나 이상의 에너지 전달 장치와, 상기 에너지 전달 장치의 각각을 모니터링 및 제어하는 모듈 모니터를 포함하는 것인, 적어도 하나의 에너지 전달 모듈 스트링을 포함하고,
    각각의 상기 에너지 전달 모듈 스트링에 대하여,
    (i) 상기 에너지 전달 모듈의 각각이 액세스할 수 있는 스트링 통신 경로로서, 상기 각각의 에너지 전달 모듈의 모듈 모니터가 상기 스트링 통신 경로를 통하여 각자의 에너지 전달 모듈과 연관된 정보를 통신하도록 동작하는 것인, 스트링 통신 경로, 및
    (ii) 상기 스트링 통신 경로를 통하여 상기 스트링 내의 각각의 모듈 모니터와 통신하는 스트링 관리자 장치를 포함하며,
    시스템 통신 경로를 통하여 각각의 상기 스트링 관리자 장치와 통신하는 시스템 컨트롤러를 포함하는 에너지 전달 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각각의 상기 에너지 전달 장치를 모니터링 및 제어하는 장치 모니터를 더 포 함하고, 각각의 상기 장치 모니터는 상기 모듈 모니터가 상기 장치 모니터와 상기 에너지 전달 장치에 대한 프록시로서 기능하도록 상기 모듈 모니터와 통신하는 것인 에너지 전달 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 상기 에너지 전달 모듈의 전기적 특성을 포함하는 것인 에너지 전달 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 상기 에너지 전달 모듈을 제어하기 위한 커맨드를 포함하는 것인 에너지 전달 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 상기 시스템 내에서 상기 모듈들의 소정의 배열을 구성하기 위한 명령을 포함하는 것인 에너지 전달 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 전달 모듈과 연관된 정보는 상기 모듈과 연관된 환경적 정보를 포함하는 것인 에너지 전달 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신 경로로부터 비정상(abnormal) 모듈을 분리하는 하나 이상의 분리 스위치를 더 포함하는 에너지 전달 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 통신 경로는 어드레스된 통신 프로토콜을 지원하는 와이어 통신 버스인 것인 에너지 전달 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스템은 하나의 모듈 스트링만 포함하고, 상기 시스템 컨트롤러는 상기 시스템 컨트롤러가 상기 스트링 관리자와 연관된 기능을 제공하도록 상기 스트링에 대한 스트링 관리자를 포함하는 것인 에너지 전달 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    각각의 스트링 관리자는 상기 스트링에 더 많거나 더 적은 모듈을 수용하고, 시스템 관리자는 상기 시스템에 더 많거나 더 적은 스트링 관리자를 수용하는 것인 에너지 전달 시스템.
  11. 에너지 전달 시스템으로서,
    하나 이상의 에너지 전달 장치로서, 각각의 에너지 전달 장치는 자신에게 제 공된 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 전기 전류로서 전달하도록 동작하는 것인, 하나 이상의 에너지 전달 장치;
    상기 하나 이상의 에너지 전달 장치의 모니터링, 제어, 및 관리 중 적어도 하나에 관련된 기능을 제공하는 하나 이상의 전기 장치; 및
    인쇄 회로 기판으로서, (i) 상기 인쇄 회로 기판에 상기 에너지 전달 장치를 전기 연결하는 전기 접촉부와, (ii) 소정의 배열로 상기 에너지 전달 장치를 서로에 대해 전기 연결하고 상기 하나 이상의 전기 장치에 상기 에너지 전달 장치를 연결하는 전기 전도체를 포함하는, 인쇄 회로 기판을 포함하고,
    상기 하나 이상의 에너지 전달 장치 및 상기 하나 이상의 전기 장치는 상기 인쇄 회로 기판에 직접 실장되는 것인 에너지 전달 장치.
  12. 에너지 전달 시스템을 어셈블링하는 방법으로서,
    한 쌍의 엔드캡(endcap)을 제공하는 단계로서, 상기 엔드캡은 (i) 소정의 배열로 에너지 전달 장치의 어레이를 구속하는 포스트(post), (ii) 상기 에너지 전달 장치에 전기 접속을 제공하는 전기 전도성 플레이트, 및 (iii) 상기 에너지 전달 장치의 전기 포트에 대응하는 위치에서 상기 엔드캡을 통하여 상기 전기 전도성 플레이트에 액세스하는 액세스 포트를 포함하는 것인, 엔드캡 제공 단계;
    상기 엔드캡들 사이에 상기 에너지 전달 장치를 배치하는 단계로서, 그리하여 상기 포스트가 상기 소정의 배열로 상기 에너지 전달 장치를 구속하고 상기 에너지 전달 장치의 전기 포트가 상기 전기 전도성 플레이트와 접촉하게 되는 것인, 에너지 전달 장치 배치 단계;
    상기 소정의 배열로 상기 엔드캡들 사이에 배터리를 클램핑하도록 상기 엔드캡들을 같이 고정시키는 단계; 및
    상기 에너지 전달 장치의 전기 포트와 상기 전기 전도성 플레이트 상의 소정 위치 사이에 전기 전도성 본드를 형성하도록, 상기 전기 전도성 플레이트에 상기 액세스 포트를 통하여 열을 가하는 단계를 포함하는 에너지 전달 시스템 어셈블링 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 액세스 포트를 통하여 열을 가하는 단계는 상기 전도성 플레이트를 저항 용접하는 단계를 더 포함하는 에너지 전달 시스템 어셈블링 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 엔드캡의 상부에 인쇄 회로 기판을 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 전도성 플레이트로부터 연장하는 하나 이상의 전도성 탭은 셀과 인쇄 회로 기판 사이의 전기 연결을 제공하는 것인 에너지 전달 시스템 어셈블링 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    소정의 구성으로 2개 이상의 모듈을 배열하는 프레임을 제공하는 단계를 더 포함하는 에너지 전달 시스템 어셈블링 방법.
  16. 에너지 전달 시스템으로서,
    (i) 소정의 배열로 에너지 전달 장치의 어레이를 구속하는 포스트, (ii) 상기 에너지 전달 장치에 전기 접속을 제공하는 전기 전도성 플레이트, 및 (iii) 상기 에너지 전달 장치의 전기 포트에 대응하는 위치에서 상기 엔드캡을 통하여 상기 전기 전도성 플레이트에 액세스하는 액세스 포트를 포함하는 한 쌍의 엔드캡을 포함하고,
    상기 에너지 전달 장치는 상기 엔드캡들 사이에 배치되며, 그리하여 상기 포스트가 상기 소정의 배열로 상기 에너지 전달 장치를 구속하고 상기 에너지 전달 장치의 전기 포트가 상기 전기 전도성 플레이트와 접촉하게 되고,
    상기 소정의 배열로 상기 엔드캡들 사이에 배터리를 클램핑하도록 상기 엔드캡들이 같이 고정되고,
    상기 에너지 전달 장치의 전기 포트와 상기 전기 전도성 플레이트 상의 소정 위치 사이에 전기 전도성 본드가 형성되는 것인, 에너지 전달 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 엔드캡의 상부에 배치된 인쇄 회로 기판을 더 포함하고, 상기 인쇄 회로 기판은 상기 전기 전도성 플레이트로부터 연장하는 하나 이상의 탭에 전기 연결되는 것인 에너지 전달 시스템.
  18. 청구항 17에 있어서,
    통신 경로에 연결하는 전기 커넥터를 더 포함하고, 상기 전기 커넥터는 상기 인쇄 회로 기판 상에 실장된 하나 이상의 전기 장치에 전기 연결되는 것인 에너지 전달 시스템.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 에너지 전달 장치는 교대 극성의 그룹들로 배열되며, 그리하여 상기 에너지 전달 장치의 그룹들이 직렬로 전기 접속되는 것인 에너지 전달 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 에너지 전달 장치의 그룹들은 병렬로 전기 접속되는 것인 에너지 전달 시스템.
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