KR20100015998A - 에너지 저장 시스템에서의 셀 모니터링 - Google Patents

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Abstract

직렬로 연결된 여러 셀로 이루어진 에너지 저장 시스템을 모니터링하는 시스템은 제1 및 제2 모니터를 포함하는 일련의 모니터를 포함한다. 상기 제1 모니터는 제1 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 상기 에너지 저장 시스템 내의 적어도 제1 셀을 모니터링한다. 상기 제2 모니터는 제2 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 상기 에너지 저장 시스템 내의 적어도 제2 셀을 모니터링한다. 상기 제1 모니터는 상기 제2 모니터로 상기 제1 모니터링 데이터를 전송하도록 구성된다.
에너지 저장 시스템, 모니터링, 셀, 배터리

Description

에너지 저장 시스템에서의 셀 모니터링{MONITORING CELLS IN ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 발명은 본 명세서에 참조로서 편입되는 2007년 4월 2일 출원된 "VOLTAGE STACKABLE DATA PORT"의 발명의 명칭을 갖는 미국 가특허 출원 제60/907,423호의 우선권을 주장한다.
[기술 분야]
본 개시 내용은 전원 회로에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 직렬로 연결된 에너지 저장 셀을 모니터링하는 회로 및 방법에 관한 것이다.
전기 배터리 또는 울트라 커패시터(ultracapacitor)나 수퍼 커패시터(supercapacitor) 에너지 저장 시스템과 같은 에너지 저장 시스템의 관리는 에너지 저장 시스템 및 에너지 저장 시스템에 의해 전력이 공급되는 설비의 긴 수명, 효율 및 신뢰성에 필수적이다. 적절한 관리는 셀 전압을 실시간으로 아는 것이 요구된다. 즉, 각 에너지 저장 셀에서의 전압은 영구적으로 모니터링되어야 한다. 에너지 저장 시스템은 직렬로 연결된, 즉, "스택된(stacked)" 여러 에너지 저장 셀을 포함하여, 스택의 상부에 가까운 개별 셀이 시스템 접지에 대하여 상승된 전압을 가질 수 있다.
도 1은 에너지 저장 시스템의 예를 나타내는 배터리(10)를 도시한다. 배터리(10)는 직렬로 연결된 여러 셀로 이루어진다. 접지 단자에 더 가깝게 배열된 셀이 낮은 전위에 있는 반면, 배터리 스택의 다른 측에 연결된 다른 셀은 높은 전위에 있을 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 81개의 4.2 V 셀은 대략 340V의 전체 전압을 발생시킨다. 따라서, 개별 셀의 전압들을 측정할 수 있는 전압 측정 장치는 매우 높은 전압을 견뎌야만 한다. 스택된 배터리 관리를 위한 이러한 고전압 측정 장치는 매우 비싸고 에러를 발생하기 쉽다.
에너지 저장 시스템의 다른 예는 울트라 커패시터 또는 수퍼 커패시터 시스템이다. 울트라 커패시터 또는 수퍼 커패시터는 전기 에너지 저장 분야에서 최신의 기술혁신 중의 하나를 대표하며, 대량 에너지 저장, 전력 분배를 포함하는 많은 애플리케이션에서 자신의 위치를 가진다. 이들은 하이브리드 자동차를 위한 자동차 애플리케이션에서 또한 배터리 전기 자동차를 위한 보조 저장고로서 특히 관심을 받는다. 종래의 커패시터에 비하여, 이러한 새로운 부품은 매우 높은 에너지 밀도를 더 높은 전력 밀도와 함께 허용한다. 울트라 커패시터 또는 수퍼 커패시터는 전하 밀도를 증가시키기 위한 이층(double layer) 기술에 기초하여 생산될 수 있다. 그러나, 이층 커패시터는 상대적으로 낮은 최대 전압을 갖는다. 이는 허용가능한 전력 변환 효율에 도달하기 위하여 더 높은 전압에서의 동작을 지원하기 위한 셀의 직렬 연결을 필요로 한다.
셀의 전압이 더 높을수록, 이층 커패시터의 기대 수명은 더 짧아진다. 따라서, 울트라 커패시터 또는 수퍼 커패시터 시스템에서의 셀 전압은 개별 셀에서의 전압이 최대값을 초과하는 것을 방지하기 위하여 모니터링되어야만 한다. 또한, 울트라 커패시터 또는 수퍼 커패시터는 충전 전압이 정격 전압을 초과하는 것을 방지하기 위하여 충전하는 동안에 모니터링되어야만 한다.
높은 공통 모드에서 전압을 측정하는 일반적인 방법은, 공통 모드 전압 분배기로서 배치된 저항 네트워크를 갖는 4-저항 차동 증폭기를 포함한다. 예를 들어, 이러한 배치는 본 발명의 양수인인 리니어 테크놀러지 코포레이션(Linear Technology Corporation)에 의해 개발된 LT®1990 차동 증폭기에서 사용된다. 그러나, 저항 네트워크에서 저항을 매칭시키는 것은 어려운 문제이다. 잘못 매칭된 저항은 공통 모드 전압이 증가함에 따라 측정 정밀도를 양보할 수 있다. 또한, 저항 분배기는 배터리에서의 부하를 나타낸다.
전압을 측정하는 다른 공지된 방법은 용량성(capacitive) 스위칭을 포함한다. 이 방법은, 예를 들어, 본 발명의 양수인인 리니어 테크놀러지 코포레이션에 의해 개발된 LTC®1043 듀얼 스위칭 방식 커패시터 구축 블록에서 낮은 전압을 측정하는데 사용된다. 이 블록에서, 한 쌍의 스위치는 외부 커패시터를 입력 전압으로 교대로 연결하고, 그 다음 충전된 커패시터를 출력 포트에 걸쳐 연결한다. 그러나, 높은 공통 모드 전압에서, 이 방법은 높은 전압의 MOSFET을 필요로 하나, 이는 모놀리식(monolithic) 칩에서는 용이하게 사용가능하지 않다.
다른 공지된 방법은 직접 디지털화(direct digitization)와 디지털 정보의 레벨 시프트를 포함한다. 이러한 종류의 측정은, 다음의 디자인 노트가 전압이 아니라 전류의 측정에 관한 것이지만, "16-bit ADC Simplifies Current Measurements"의 명칭을 갖는 Mark Thoren의 리니어 테크놀러지 디자인 노트 DN341에 설명된다. 이 디자인 노트는 직류 전류(DC) 측정을 위한 16 비트 델타-시그마 아날로그/디지털 컨버터(ADC)를 이용한 -48V 통신 공급 전류를 설명한다. 모니터는 데이터 전송을 위한 레벨 시프팅 장치로서 광 아이솔레이터(optoisolator)를 사용한다. 그러나, 이 방법은 적은 수의 측정에 적합하다. 많은 수의 셀에서 전압을 측정하는 것은 많은 광 아이솔레이터(또는 트랜지스터)를 필요로 하고 번거러울 수 있다.
따라서, 직렬로 연결된 여러 에너지 저장 셀에서 전압을 모니터링하기 위한 간단하고 효율적인 방법을 창작하는 것이 바람직하다.
본 개시 내용은 직렬로 연결된 여러 셀로 이루어진 에너지 저장 시스템에서 개별 셀을 모니터링하는 회로 및 방법을 제안한다. 본 시스템은, 적어도 제1 및 제2 모니터를 포함하는 일련의 모니터를 포함한다. 상기 제1 모니터는 제1 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 상기 에너지 저장 시스템 내의 적어도 제1 셀을 모니터링한다. 상기 제2 모니터는 제2 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 상기 에너지 저장 시스템 내의 적어도 제2 셀을 모니터링한다. 상기 제1 모니터는 상기 제2 모니터로 상기 제1 모니터링 데이터를 전송하도록 구성된다.
특히, 상기 제1 모니터는 상기 제1 셀을 포함하는 제1 셀 그룹을 모니터링하도록 구성될 수 있으며, 상기 제2 모니터는 상기 제2 셀을 포함하는 제2 셀 그룹을 모니터링하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 모니터링 데이터는 상기 제1 셀 그룹에서의 각 셀의 적어도 하나의 파라미터를 나타낼 수 있으며, 상기 제2 모니터링 데이터는 상기 제2 셀 그룹에서의 각 셀의 적어도 하나의 파라미터를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 상기 모니터링 데이터는 각 셀에서의 전압 및 상기 셀에 영향을 미치는 온도를 나타낼 수 있다.
상기 제1 및 제2 모니터는, 상기 제2 모니터에 인접하고 상기 에너지 저장 시스템에서 적어도 제3 셀을 모니터링하여 제3 모니터링 데이터를 생성하도록 구성된 제3 모니터를 더 포함하는 상기 일련의 모니터에서 인접한 모니터일 수 있다. 상기 제3 모니터는 상기 제2 모니터를 통해 상기 제1 모니터로부터 상기 제1 모니터링 데이터를 수신하고 상기 제2 모니터로부터 상기 제2 모니터링 데이터를 수신하도록 더 구성될 수 있다.
본 개시 내용의 일 실시예에 따라, 모니터는 모니터링 데이터를 인접한 모니터를 통해 컨트롤러로 전송할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 인접한 모니터를 통해 상기 모니터에 전송되는 제어 데이터를 생성할 수 있다.
상기 제어 데이터는 상기 모니터링 데이터에 응답하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 데이터는 에너지 저장 시스템이 충전되고 있을 때 상기 에너지 저장 시스템에서의 개별 셀이 과충전되는 것을 방지할 수 있다. 특정 셀에 관련된 상기 모니터링 데이터에 응답하여, 상기 모니터는 충전 전류가 그 셀을 바이패스하도록 하는 션트를 생성할 수 있다. 상기 모니터는 상기 제어 데이터에 의해 제어된 스위치를 구비하여 상기 션트를 생성할 수 있다.
본 개시 내용의 방법에 따르면, 제1 셀 그룹은 제1 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 제1 모니터에 의해 모니터링될 수 있고, 제2 셀 그룹은 제2 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 제2 모니터에 의해 모니터링될 수 있다. 상기 제1 모니터링 데이터는 컨트롤러로의 전달을 위하여 상기 제2 모니터로 전송될 수 있다.
반대 방향으로, 제어 데이터는 상기 제2 모니터를 통해 상기 컨트롤러로부터 상기 제1 모니터로 전송될 수 있다. 상기 제어 데이터는 상기 제1 셀 그룹에서의 셀의 상태를 제어하기 위하여 상기 제1 모니터링 데이터에 응답하여 전송될 수 있다.
본 개시 내용의 추가적인 이점과 양태는 본 개시 내용을 실시하도록 안출된 최선의 형태의 예로서 본 개시 내용의 실시예들이 예시되고 설명된 이어지는 상세한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 설명되는 바와 같이, 본 개시 내용은 다른 상이한 실시예들이 가능하며, 그 여러 가지 상세 내용은 본 개시 내용의 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 다양하고 분명한 관점에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면과 설명은 본질적으로 한정적이지 않은 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
본 개시 내용의 일 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 특징이 배율에 반드시 맞추어져 작도된 것은 아니지만 적절한 특징을 가장 잘 도시하도록 작도된 다음의 도면과 연계하여 판독될 때 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 직렬로 연결된 여러 셀로 이루어진 배터리를 도시한다.
도 2는 직렬로 연결된 여러 셀로 이루어진 에너지 저장 시스템을 모니터링하기 위한 본 개시 내용의 예시적인 모니터링 시스템을 도시한다.
도 3은 본 개시 내용의 시스템에서 모니터링 유닛의 예시적인 구현례를 도시한다.
도 4는 컨트롤러 및 연속으로 연결된 여러 모니터링 유닛을 포함하는 예시적인 배치를 도시한다.
본 개시 내용은 모니터링 회로의 특정 예를 이용하여 이루어질 것이다. 그러나, 본 개시 내용의 개념은 여러 셀을 갖는 임의의 에너지 저장 시스템을 모니터링하는 임의의 회로에 적용가능하다는 것이 명백할 것이다.
도 2는 에너지 저장 시스템(102)의 단자들 사이에 직렬로 연결된 n개의 셀(C1 내지 Cn)로 이루어진 에너지 저장 시스템(102)을 모니터링하는 본 개시 내용의 예시적인 모니터링 시스템(100)을 도시한다. 도시된 예에서, 셀(C1 내지 Cn)은 소비 전자 제품 및 하이브리드 전기 자동차와 같은 애플리케이션에서 보통 사용되는 리튬-이온(Li-Ion) 배터리일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 인식하는 바와 같이, 셀(C1 내지 Cn)은 임의의 에너지 저장 소자일 수 있다. 예를 들어, 이들은 울트라 커패시터 또는 수퍼 커패시터 셀일 수 있다. 셀(C1)은 접지 단자에 연결될 수 있는 반면, 셀(Cn)은 에너지 저장 시스 템(102)의 높은 전압 단자, 예를 들어, +350V 단자로 연결될 수 있다.
모니터링 시스템(100)은 m 개의 일련의 배터리 모니터링 유닛(BM1 내지 BMm)을 포함하며, 그 각각은 미리 설정된 개수의 셀(C)을 모니터링하도록 구성될 수 있다. 각 유닛(BM)에 의해 모니터링되는 셀(C)의 개수는 1 내지 16이나 또는 그 보다 더 높은 범위에 있을 수 있다. 이 개수는 전압을 견디는 모니터링 유닛(BM)의 능력에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 각 유닛(BM)의 견디는 능력은 대략 60V일 수 있다. 또한, 모니터링되는 셀(C)의 개수는 특정 유닛(BM)이 제공되는 반도체 칩의 핀 수에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 모니터링 유닛(BM1)이 3개의 셀(C1 내지 C3)을 모니터링하고, 모니터링 유닛(BM2)이 3개의 셀(C4 내지 C6)을 모니터링하고, ..., 마지막으로, 모니터링 유닛(BMm)이 2개의 셀(Cn-1 내지 Cn)을 모니터링하는 것을 도시한다. 모니터링 유닛(BM)은 각 셀(C)의 전압이나 또는 셀(C)에 영향을 미치는 온도와 같은 파라미터를 결정함으로써 셀(C)의 상태를 모니터링할 수 있다.
각 모니터링 유닛(BM)은 개별 유닛(BM)에 의해 모니터링되는 셀 팩(cell pack)을 이용하여 전력이 공급될 수 있다. 이 대신에, 모니터링 유닛(BM)은 모니터링되는 셀(C)에 독립적인 전력 공급원을 가질 수 있다.
인접한 모니터링 유닛(BM)은 인접한 셀(C) 그룹을 모니터링할 수 있다. 예 를 들어, 모니터링 유닛(BM1)은 셀(C1 내지 C3)을 모니터링할 수 있으며, 유닛(BM1)에 인접한 유닛(BM2)은 셀(C4 내지 C6)을 모니터링 할 수 있다. 이 대신에, 인접한 유닛(BM)은 임의의 미리 설정된 셀(C) 그룹을 모니터링할 수 있다.
인접한 유닛(BM)의 각 쌍은 유닛 사이의 데이터 전송을 위한 경로를 제공하는 통신 링크(104)에 의해 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통신 링크(104)는 유닛(BM1)과 유닛(BM2) 사이, 유닛(BM2)과 유닛(BM3) 사이, 유닛(BM3)과 다음 모니터링 유닛 사이, 마지막으로 유닛(BMm-1)과 유닛(BMm) 사이에 배치될 수 있다. 각 통신 링크(104)는 인접한 유닛(BM) 사이에서 직렬 및/또는 병렬 데이터 전송을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 2는 각 통신 링크(104)가 6개의 라인으로 이루어진 것을 도시하지만, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 통신 링크(104)는 선택된 직렬 및/또는 병렬 데이터 전송 프로토콜에 따라 데이터 전송을 지원하는데 필요한 임의의 개수의 라인을 포함할 수 있다는 것을 인식할 것디다. 예를 들어, 아래에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 통신 링크(104)는 모니터링 유닛(BM1 내지 BMm)으로부터 모니터링 데이터를 수신하고 그리고/또는 이들에게 제어 데이터를 공급하기 위하여 유닛(BM1)에 연결될 수 있는 외부 컨트롤러와 모니터링 유닛(BM1) 사이에 구축된 SPI(Serial Peripheral Interface)와 같은 인터페이스에 대응하는 데이터 전송 프로토콜을 지원할 수 있다. 이 대신에, 외부 컨트롤러는 다른 모니터링 유닛(BM)에 연결될 수 있다.
각 통신 링크(104)는 인접한 유닛(BM) 사이에 직렬 및/또는 병렬 방식으로 모니터링되고 제어된 데이터의 양방향 전송을 지원할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 유닛(BMk)에 의해 생성된 모니터링 데이터는 일련의 모니터링 유닛에서 유닛(BMk)에서 유닛(BMk)에 인접한 모니터링 유닛(BMk-1)으로 "아래로(down)" 전송될 수 있으며, 여기에서, 유닛(BMk)은 유닛(BMk-1)에 의해 모니터링되는 셀(C)보더 접지 단자로부터 더 멀리 배치되고 유닛(BMk+1)에 의해 모니터링되는 셀(C)보다 접지 단자에 더 가까이 배치되는 셀(C)을 모니터링하기 위한 BM1과 BMm 사이에 제공된 임의의 모니터링 유닛일 수 있다. 유닛(BMk-1)이 컨트롤러에 연결되지 않는다면, 모니터링 데이터를 다음 통신 링크(104)를 통해 유닛(BMk-2) 등으로 전송할 것이다. 제어 데이터는 유닛(BMk-1)에서 유닛(BMk)으로, 그 다음, 유닛(BMk)에서 유닛(BMk+1)으로 역방향으로 전송될 수 있다. 예를 들어, 모니터링 데이터가 직렬 포맷으로 시프트될 수 있는 반면, 제어 데이터는 병렬 포맷으로 전송될 수 있다. 이 대신에, 모니터링 데이터 및 제어 데이터 모두가 유사한 방식 - 병렬 포맷 또는 직렬 포맷 - 으로 전송될 수 있다.
모니터링 데이터는 셀 전압 및 온도와 같은 개별 모니터링 유닛(BM)에 의해 모니터링되는 셀 또는 셀 그룹의 하나 또는 그 이상의 파라미터를 포함할 수 있다. 제어 데이터는 특정 셀 또는 셀 그룹을 식별하는 어드레스 정보, 및/또는 특정 셀 또는 셀 그룹과 관련되어 수행되는 동작을 나타내는 제어 정보를 포함할 수 있다.
예를 들어, 모니터링 시스템(100)은 에너지 저장 시스템(102)의 충전을 모니터링할 수 있다. 에너지 저장 시스템(102)의 개별 셀(C)이 상이한 순간에 완충될 수 있기 때문에, 모니터링 시스템(100)은 손상되는 것을 방지하기 위하여 미리 설정된 전압에 도달할 때 특정 셀의 충전을 중지하거나 속도를 늦추도록 제어될 수 있다. 특히, 충전 절차 동안, 모니터링 유닛(BM)은 각 셀(C)에서의 전압과 각 셀(C)에 영향을 미치는 온도를 모니터링할 수 있다. 통신 링크(104)를 통하여, 유닛(BMk)에 의해 결정된 모니터링 데이터는, 전송된 데이터가 컨터롤러에 연결된 유닛(BM1)에 도달할 때까지, 인접한 유닛(BMk-1)으로, 그 다음, 유닛(BMk-1)에서 다음 유닛(BMk-2)로 전송될 수 있다. 유닛(BM1)으로부터, 모니터링 데이터는 특정 셀(Ci)이 특정 온도에서 미리 설정된 전압에 도달하는지를 결정할 수 있는 컨트롤러에 전송된다. 이 정보에 기초하여, 컨트롤러는 셀(Ci)을 식별하고, 셀(Ci)이 더 충전되는 것을 방지하도록 모니터링 시스템(100)을 지시하는 제어 데이터를 생성한다. 제어 데이터는 컨트롤러에 연결된 유닛(BM1)에 전송된다. 유닛(BM1)으로부터, 제어 데이터는, 제어 데이터가 셀(Ci)을 모니터링하는 유닛(BMk)에 도달할 때까지, 통신 링크(104)를 통해 다음 유닛(BM2)으로 전송되고, 그 다음, 유닛(BM2)으로부터 다음 BM 유닛으로 전송된다. 제어 데이터는 셀(Ci)이 더 충전되는 것을 방지하기 위하여 유닛(BMk)이 적합한 조치를 취하도록 할 수 있다. 예를 들어, 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 유닛(BMk)에서의 개별 스위치는 충전 전류가 셀(Ci)을 바이패스하게 하기 위하여 셀(Ci) 주위로 충전 전류 션트(shunt)를 생성하도록 제어될 수 있다.
도 3은 모니터링 시스템(100)에서의 모니터링 유닛(BMk)의 예시적인 배치를 도시한다. 모니터링 유닛(BMk)은 12개의 셀(Ci, Ci+1, ... , Ci+11)로 이루어진 12 셀 팩의 에너지 저장 시스템(102)을 모니터링하기 위하여 일련의 모니터링 유닛(BM)에서 유닛(BMk+1)과 유닛(BMk-1) 사이에 배치될 수 있다. 유닛(BMk)의 내전압 성능을 따르기 위하여, 12 셀 팩(Ci 내지 Ci+11)은 셀 팩의 단자 V+ 및 V- 사이에서 60V보다 작은 전체 전압을 제공하도록 선택될 수 있다. 모니터링 유닛(BMk)은 셀 팩에 의해 제공된 전압에 의해 전력이 공급되는 칩 상에 구현될 수 있다.
모니터링 유닛(BMk)은 해당하는 셀(Ci 내지 Ci+11)에서 전압을 결정하기 위하여 셀(Ci 내지 Ci+11)의 각각에 걸쳐 연결된 여러 개의 병렬 입력을 갖는 멀티플렉서(202)를 포함할 수 있다. 멀티플렉서(202)의 출력은 셀 전압의 단일 시컨스로서 여러 입력 셀 전압을 제공할 수 있다.
스위치(Si 내지 Si+11)는 상태를 제어하기 위하여 셀(Ci 내지 Ci+11)에 각각 연결될 수 있다. 특히, 스위치(Si 내지 Si+11)는 해당하는 셀을 션트하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 시스템(102)을 충전하는 동안에, 임의의 스위치(S)는 해당하는 셀(C) 주위의 충전 전류에 바이패스를 제공하기 위하여 ON 상태로 스위칭될 수 있다. 그 결과, 해당하는 셀(C)은 과충전되는 것이 방지될 수 있다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터가 스위치(Si 내지 Si+11)로서 사용될 수 있다. 전력 저항(Ri 내지 Ri+11)은 해당하는 스위치(Si 내지 Si+11)에 연결되어 전류를 제한하고 전력 소비를 제어할 수 있다. 예를 들어, 저항(Ri 내지 Ri+11)은 대략 10 내지 100Ω의 값을 가질 수 있다.
또한, 멀티플렉서(202)는 유닛(BMk)이 형성되는 칩의 내부 온도를 나타내는 입력 신호를 멀티플렉서에 제공하는 다이 온도 센서(204)에 연결될 수 있다. 또한, 유닛(BMk)은 칩에 대한 외부 온도를 결정하기 위하여 칩에 연결된 저항 분배기(R1, R2)를 이용할 수 있다. 저항 분배기는 NTC(Negative Temperature Coefficient)를 갖는 저항과 같은 온도 센서 저항(R1), 및 1.2V와 같은 기준 전압을 제공하는 기준 전압원(206)에 연결된 저항(R2)을 포함할 수 있다. 저항 분배기(R1, R2)는 멀티플렉서(202)에 외부 온도를 나타내는 입력 신호를 제공한다.
내부 및 외부 칩 온도 정보는 멀티플렉서(202)의 출력에서 셀(Ci 내지 Ci+11)에서의 전압을 나타내는 전압 시컨스와 함께 제공될 수 있다. A/D(analog-to-digital) 컨버터(208)는 멀티플렉서(202)의 아날로그 출력 신호를 디지털 형태로 변환할 수 있다. 기준 전압원(206)은 아날로그 - 디지털 변환을 수행하는데 필요한 기준 전압을 제공할 수 있다. 따라서, A/D 컨버터(208)의 디지털 출력 신호는 셀(Ci 내지 Ci+11) 각각에서의 전압에 대한 정보와 셀(Ci 내지 Ci+11)에 영향을 미치는 내부 및 외부 칩 온도에 대한 정보를 포함하는 모니터링 유닛(BMk)에 의해 모니터링된 데이터를 나타낸다.
모니터링 데이터는 결과 레지스터와 레벨 시프트를 수행하고 통신 링크(104)를 통해 모니터링 데이터를 유닛(BMk)에 의해 모니터링되는 셀(Ci 내지 Ci+11)보다 접지 단자에 더 가깝게 연결된 셀(Ci-1 내지 Ci-12)로 이루어진 다음 셀 팩을 모니터링할 수 있는 유닛(BMk-1)으로 전송할 수 있는 통신 회로(210)로 공급된다. 이 대신에, 회로(210)가 컨트롤러에 연결된 "하부(bottom)" 모니터링 유닛(BM1)에 배치된다면, 회로(210)는 모니터링 데이터를 컨트롤러로 전송한다.
또한, 회로(210)는 접지 단자로부터 셀(Ci 내지 Ci+11)보다 더 멀리 연결된 셀(Ci+12 내지 Ci+24)로 이루어진 셀 팩을 모니터링할 수 있는 유닛(BMk+1)으로 다른 통신 링크(104)에 의해 연결될 수 있다. 이 통신 링크를 통해, 유닛(BMk)의 회로(210)는 유닛(BMk+1 내지 BMm)에 의해 모니터링 데이터를 수신하여 유닛(MBk-1)로 전송한다. 예를 들어, 회로(210)는 유닛(BMk+1)에서 수신된 데이터를 유닛(BMk-1)으로 전송하기 위한 하드웨어 연결을 포함할 수 있다.
또한, 유닛(BMk)의 회로(210)는 통신 링크(104)를 통해 유닛(BMk-1)으로부터 데이터를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어 데이터는 유닛(BMk-1)으로부터 유닛(BMk)으로 전송될 수 있다. 제어 데이터가 유닛(BMk)에 의해 모니터링되는 임의의 셀(Ci 내지 Ci+11)에 관련되면, 회로(210)는 제어 데이터에 의해 지시된 명령을 실행하도록 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 유닛(BMk)으로부터 수신된 제어 데이터는 하나 또는 그 이상의 셀(Ci 내지 Ci+11)이 충전되는 것을 방지되는 것을 요청할 수 있다. 이 경우, 회로(210)는 대응하는 셀 주위로 충전 전류 션트를 형성하도록 스위치를 ON 상태로 놓기 위하여 해당하는 스위치(Si 내지 Si+11)의 게이트에 공급되는 제어 신호를 생성할 수 있다. 유닛(BMk-1)으로부터의 데이터가 셀(Ci 내지 Ci+11)에 관련되지 않는다면, 유닛(BMk)의 회로(210)는 수신된 데이터를 유닛(BMk+1)으로 전송한다.
도 4는 각각이 도 3에 도시된 유닛(BMk)의 배치와 유사한 배치를 가질 수 있는 유닛(BM1 내지 BMm) 사이의 예시적인 연결을 개략적으로 도시한다. 특히, 유닛(BM1)이 유닛(BM2)에 연결되고, 유닛(BM2)이 다음 BM 유닛에 연결되는 등과 같이, 유닛(BM1 내지 BMm)은 연속으로 연결될 수 있다. 한 BM 유닛의 V+ 단자는 인접한 BM 유닛의 V- 단자에 연결될 수 있다. 유닛(BM1)의 V- 단자는 에너지 저장 시스템(102)의 접지 단자에 연결될 수 있다. 유닛(BMm)의 V+ 단자는 +350V 단자와 같은 에너지 저장 시스템(102)의 고전압 단자에 연결될 수 있다. V+와 V- 단자 사이에 연결된 셀 팩은 해당하는 유닛(BM)에 전원을 제공할 수 있다.
마이크로 프로세서 유닛(MPU)(300)은 유닛(BM1 내지 BMm)에 의해 모니터링된 데이터를 수신하고 이러한 모니터링 유닛에 제어 데이터를 공급하기 위하여 유닛(BM1)에 연결될 수 있다. MPU(300)은 에너지 저장 시스템(102)으로부터 독립적인 전원 라인으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이 대신에, MPU(300)는 유 닛(BM1)과 동일한 셀 팩으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 본 개시 내용의 모니터링 시스템(100)은 자동차의 전기 배터리를 모니터링하기 위하여 전기 자동차에 배치될 수 있다. 이 경우, MPU(300)는 자동차의 중앙 컨트롤러와 상호작용할 수 있다. MPU(300)는 배터리에서 각 셀의 상태를 나타내는 전압 및 온도 정보를 처리할 수 있다.
이 정보에 기초하여, MPU(300)는, 예를 들어, 에너지 저장 시스템(102)이 충전되고 있을 때 개별 셀이 과충전되는 것을 방지하도록 모니터링 시스템(100)을 제어할 수 있다. 특히, 각 셀은 특정 온도 조건에서 미리 설정된 셀 전압에 도달할 때까지 안전하게 충전될 수 있다. 이 전압을 초과한 후에, 셀은 손상을 입을 수 있다. 셀에 대한 손상을 방지하기 위하여, MPU(300)는 에너지 저장 시스템(102)이 충전되고 있을 때 개별 셀(C)의 상태를 결정하기 위하여 모니터링 유닛(BM1 내지 BMm)에 의해 모니터링된 전압 및 온도 정보를 처리할 수 있다. 유닛(BMk)에 의해 모니터링 데이터가 셀(Ci)에서의 전압이 특정 온도 조건에서 미리 설정된 레벨에 도달한 것을 나타낼 때, MPU(300)는 셀(Ci) 및 셀(Ci)을 모니터링하는 유닛(BMk)을 식별하는 어드레스 정보를 갖는 제어 데이터를 생성한다. 연속되어 있는 유닛(BMk)에 선행하는 모니터링 유닛(BM)을 통해, 제어 데이터는 셀(Ci)에 대응하는 스위치(Si)를 ON 상태로 스위칭하는 게이트 제어 신호를 발생하도록 유닛(BMk)로 전송된다. 그 결과, 충전 전류 션트가 셀(Ci) 주위에 생성되어 충전되는 것을 방지한다.
BM1은 인터페이스(302)를 통해 MPU(300)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 모토롤라에 의해 개발된 SPI(Serial Peripheral Interface)가 MPU(300)를 모니터링 유닛(BM)에 연결하기 위하여 사용될 수 있다. SPI는 풀 듀플렉스 모드(full duplex mode)에서 동기 직렬 데이터 전송을 제공할 수 있다. SPI는 마스터-슬레이브 모델을 이용하며, 여기에서, 마스터 장치는 여러 슬레이브 장치와 상호작용한다. 예를 들어, MPU(300)는 SPI 마스터 장치 역할을 할 수 있으며, 여러 모니터링 유닛(BM1 내지 BMm)은 SPI 슬레이브 장치 역할을 할 수 있다. SPI는 4개의 신호 라인을 갖는다: 마스터 장치로부터 슬레이브 장치로의 데이터 전송을 위하여 사용되는 MOSI(Master Output Slave Input), 슬레이브 장치로부터 마스터 장치로의 데이터 전송을 위하여 사용되는 MISO(Master Input Slave Output), MOSI 및 MISO 데이터를 동기화하기 위하여 마스터 장치에 의해 생성되는 CLK(Serial Clock), 및 상이한 슬레이브 장치를 어드레싱하기 위하여 마스터 장치에 의해 생성되는 CS(Chip Select). MOSI, MISO, CLK 및 CS 신호 라인은 MPU(300) 및 유닛(BM1) 사이에 제공될 수 있다. 인접한 모니터링 유닛(BM) 사이의 통신 링크(104)는 MPU(300)와 해당하는 유닛(BM) 사이의 양방향 SPI 데이터 전송을 지원하도록 배치될 수 있다.
따라서, 본 개시 내용은 개별 모니터링 유닛(BM)이 에너지 저장 시스템의 전체 스택된 전압을 견딜 필요가 없는 모니터링 시스템을 제공한다. 이 대신에, 각 유닛(BM)은 그 유닛에 의해 모니터링되는 셀 팩의 전압만을 견뎌야만 한다. 또한, 먼 위치에 있는 칩이 아닌 자신의 지역적인 이웃과이 통신을 위한 각 모니터링 유닛 칩을 구성함으로써 통신 및 제어 라인이 최소화될 수 있다.
전술한 설명은 본 발명의 양태를 예시하고 설명한다. 또한, 본 개시 내용은 단지 바람직한 실시예만을 보여주고 설명하지만, 전술한 바와 같이, 본 발명은 다양한 다른 조합, 수정 및 환경에서 실시될 수 있고, 본 명세서에서 표현되고 전술한 교시 내용 및/또는 관련 기술 분야의 기술이나 지식과 상응하는 바와 같이, 본 발명의 개념의 범위 내에서 변형이나 수정을 할 수 있다.
전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는 최선의 형태를 설명하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특정 적용 또는 실시에 의해 필요한 다양한 수정을 가하면서 이러한 또는 다른 실시예에서 본 발명을 실시할 수 있도록 의도된다.
따라서, 상술된 설명은 본 발명을 본 명세서에 개시된 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 첨부된 특허청구범위는 대체 실시예를 포함하도록 해석되는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 직렬로 연결된 여러 셀로 이루어진 에너지 저장 시스템을 모니터링하는 시스템에 있어서,
    제1 및 제2 모니터를 포함하는 일련의 모니터;
    를 포함하며,
    상기 제1 모니터는 제1 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 배터리 내의 적어도 제1 셀을 모니터링하도록 구성되고,
    상기 제2 모니터는 제2 모니터링 데이터를 생성하기 위하여 상기 배터리 내의 적어도 제2 셀을 모니터링하도록 구성되고,
    상기 제1 모니터는 상기 제2 모니터로 상기 제1 모니터링 데이터를 전송하도록 더 구성된,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모니터는 상기 제1 셀을 포함하는 제1 셀 그룹을 모니터링하도록 구성되고,
    상기 제2 모니터는 상기 제2 셀을 포함하는 제2 셀 그룹을 모니터링하도록 구성된,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 모니터링 데이터는 상기 제1 셀 그룹에서의 각 셀의 파라미터를 나타내고,
    상기 제2 모니터링 데이터는 상기 제2 셀 그룹에서의 각 셀의 파라미터를 나타내는,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모니터링 데이터는 상기 제1 셀에서의 전압을 나타내고,
    상기 제2 모니터링 데이터는 상기 제2 셀에서의 전압을 나타내는,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 모니터링 데이터는 상기 제1 셀 주위의 온도를 더 나타내고,
    상기 제2 모니터링 데이터는 상기 제2 셀 주위의 온도를 더 나타내는,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 모니터는 상기 일련의 모니터에서 인접한 모니터인,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 일련의 모니터는, 상기 제2 모니터에 인접하고 상기 에너지 저장 시스템에서 적어도 제3 셀을 모니터링하여 제3 모니터링 데이터를 생성하도록 구성된 제3 모니터를 더 포함하고,
    상기 제3 모니터는 상기 제2 모니터를 통해 상기 제1 모니터로부터 상기 제1 모니터링 데이터를 수신하고 상기 제2 모니터로부터 상기 제2 모니터링 데이터를 수신하도록 구성된,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 모니터는 상기 제1 및 제2 모니터링 데이터를 컨트롤러로 전송하도 록 더 구성된,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 모니터는 상기 컨트롤러에 의해 생성된 제1 제어 데이터를 상기 제1 모니터로 전송하고 상기 컨트롤러에 의해 생성된 제2 제어 데이터를 수신하도록 구성된,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 제어 데이터는 상기 제1 모니터링 데이터에 응답하여 생성되고,
    상기 제2 제어 데이터는 상기 제2 모니터링 데이터에 응답하여 생성되는,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 모니터는 상기 에너지 저장 시스템이 충전되고 있을 때 충전 전류가 상기 제1 셀을 바이패스하게 하는 제1 션트를 제공함으로써 상기 제1 제어 데이 터에 응답하도록 구성되고,
    상기 제2 모니터는 상기 에너지 저장 시스템이 충전되고 있을 때 충전 전류가 상기 제2 셀을 바이패스하게 하는 제2 션트를 제공함으로써 상기 제2 제어 데이터에 응답하도록 구성되고,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 모니터는 상기 제1 제어 데이터에 의해 제어되는 제1 스위치를 포함하여 상기 제1 션트를 생성하고,
    상기 제2 모니터는 상기 제2 제어 데이터에 의해 제어되는 제2 스위치를 포함하여 상기 제2 션트를 생성하는,
    에너지 저장 시스템 모니터링 시스템.
  13. 직렬로 연결된 여러 셀로 이루어진 에너지 저장 시스템의 셀을 모니터링하는 방법에 있어서,
    제1 모니터에 의하여 제1 셀 그룹을 모니터링하여 제1 모니터링 데이터를 생성하는 단계;
    제2 모니터에 의하여 제2 셀 그룹을 모니터링하여 제2 모니터링 데이터를 생 성하는 단계; 및
    컨트롤러로의 전달을 위하여 상기 제1 모니터링 데이터를 상기 제2 모니터로 전송하는 단계;
    를 포함하는
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 모니터를 통해 상기 컨트롤러에서 상기 제1 모니터로 제1 제어 데이터를 전송하는 단계;
    를 더 포함하는,
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 제어 데이터는 상기 제1 셀 그룹에서의 제1 셀의 상태를 제어하는,
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 제어 데이터는 상기 제1 모니터링 데이터에 응답하여 상기 제1 모니터로 전송되는,
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 모니터링 데이터는 상기 제1 셀에서의 전압을 나타내는,
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 모니터링 데이터는 상기 제1 셀의 영역에서의 온도를 나타내는,
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1 제어 데이터는 상기 에너지 저장 시스템의 충전 동안 상기 제1 셀의 파라미터를 나타내는 상기 제1 모니터링 데이터에 응답하여 전송되는,
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제1 제어 데이터는 상기 에너지 저장 시스템의 충전 동안 상기 제1 셀이 과충전되는 것을 방지하는,
    에너지 저장 시스템 셀 모니터링 방법.
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