KR20110004245A - 다수의 전지 셀들을 위한 접속 방법 - Google Patents

다수의 전지 셀들을 위한 접속 방법 Download PDF

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Abstract

버퍼 레지스터를 갖는 직렬-병렬의 전지 시스템은 전지들 또는 전지 셀들의 각각의 접합부에 결합된다. 동일한 행에 있는 버퍼 레지스터들은 측정 노드에 결합된다. 전지 시스템의 단자들 및 측정 노드들은 통상적인 전지 관리 유니트에 결합된 측정 포인트들로서 처리된다. 버퍼 레지스터들은 유입 전류를 제한하기 위한 수단 및 전지들의 병렬 열에서 전지들의 행 전체의 전압 밸런스를 유지하기 위한 수단을 제공한다. 각각의 직렬의 전지들과 직렬로 배치된 제어 유니트는 직렬로 전류를 모니터하고 전류가 미리 결정된 전류 레벨들의 세트를 초과할 때 열을 비활성화시키기 위한 스위치를 포함한다.
직렬-병렬, 전지 시스템, 버퍼 레지스터, 전압 밸런스

Description

다수의 전지 셀들을 위한 접속 방법{A CONNECTION SCHEME FOR MULTIPLE BATTERY CELLS}
본 발명은 전지들, 특히 다수의 셀들을 포함하는 대용량 이차 전지들에 관한 것이다.
이차 전지는 재충전 가능한 전지인 반면, 일차 전지는 재충전될 수 없는 전지가다. 리튬-이온 이차 전지는 고전압, 고용량, 및 낮은 자체-방전을 나타내고, 휴대용 전기 에너지의 대중적인 소스이다. 그러나 다른 타입의 이차 전지들과 비교하여, 리튬-이온 전지는 보다 큰 안전성 위험을 제기한다. 그러므로 전지 관리 유니트(BMU) 하에서 전류, 전압, 온도, 및 몇몇 다른 파라미터들의 항구적인 모니터링 및 제어가 종종 요구된다.
셀은 전기 에너지를 저장할 수 있는 기본 전기화학 유니트이지만, 취급 및 환경 스트레스들에 대해 필수적으로 융통성을 가지지 않는다. 전지는 적어도 하나의 셀을 포함하고, 합리적으로 취급되기에 충분하게 물리적으로 융통성이 있다. 이들 두 개의 정의들 사이에 상당한 오버랩이 존재한다. 문헌 및 이런 개시물에서, 단어 "전지" 및 단어 "셀"은 종종 상호 교환하여 사용된다.
일반적으로 대용량 전지들은 요구된 전류를 전달하기 위해 병렬로 접속되고 요구된 전압을 전달하기 위해 직렬로 접속된 다수의 셀들을 포함한다. 가장 간단한 구성에서, 복수의 셀들은 통상적인 플래시에서 발견될 수 있는 바와 같이 직렬로 접속된다. 보다 많은 전류가 특정 전압에서 요구되면, 부가적인 직렬의 셀들은 제 1 세트의 직렬 접속된 셀들에 병렬로 접속된다.
도 1a는 종래 기술의 직렬-병렬 접속된 전지 방법이 도시되고, 직렬 접속된 셀들(10)의 몇몇 열들(11)은 플러스 전압 출력 단자(12)와 마이너스 전압 출력 단자(13) 사이에 병렬로 접속된다. 열에 있는 셀들의 수는 요구된 전압을 형성하고 병렬로 접속된 열들의 수는 요구된 전류를 제공한다. 직렬-병렬 구성은 누설 전류를 제외한 전류가 각각의 열 전체에 동일하다는 것을 보장한다. 그러므로, 전지 내의 전류 분배는 셀 단위가 아닌 열 단위로 모니터되고 조절될 수 있다. 단락 회로가 임의의 열에서 발생할 때, 다른 열들로부터 전류의 유입은 단락을 포함하지 않는 모든 셀들의 내부 저항에 의해 제한된다. 그러나 이런 구성에서, 각각의 셀의 전압은 독립적으로 모니터 및 밸런싱 될 필요가 있다.
종래 기술의 다른 병렬-직렬 방법은 도 1b에 도시되고, 다수의 셀들(10)은 행(15)을 형성하고, 요구된 전류를 제공하기 위해 병렬로 접속된다. 따라서 다수의 행들(15)은 플러스 전압 출력 단자 및 마이너스 출력 전압 단자 사이에서 요구된 전압을 제공하기 위해 직렬로 접속된다. 리튬-이온 재충전 가능 셀들의 병렬-직렬 매트릭스에서, 각각의 행의 전압은 독립적으로 모니터되고 밸런싱될 필요가 있다. 균일한 전류는 임의의 행(15)에서 병렬 셀들 사이에서 보장되지 않고, 여기 서 예를 들어 셀 임피던스는 로컬 온도에 따라 가변할 수 있다. 단락 회로가 셀들 중 하나에서 발생할 때, 병렬 셀들로부터 전류의 유입은 단일 행에서 셀들의 내부 저항에 의해서만 제한된다. 따라서 유입 전류는 도 1a에 도시된 직렬-병렬 구성보다 크다.
기본 물리학에서, 전류는 본래 각각 절연된 직렬들에서 동일하고, 전압은 본래 각각의 병렬 접속된 행에서 동일하다. 직렬-병렬 구성 및 병렬-직렬 구성 각각은 전류 및 전압 제어를 간략화하기 위하여 물리학에서 상기 두 개의 법칙들 중 하나를 이용한다. 그러나 이웃 구성은 전류 및 전압 제어 모두를 간략화할 수 있다. 직렬-병렬 구성은 각각의 셀에 대한 전압 제어를 요구하고, 병렬-직렬 구성은 각각의 셀에 대한 전류 제어 결핍으로부터 고통 받는다. 제 3 구성(도시되지 않음)에서 전지들의 매트릭스에서 각각의 셀의 전압 및 전류는 복잡한 방법을 제공하여 독립적으로 모니터되고 제어된다. 게다가 보다 많은 에너지가 필요한 제어기들의 수로 인해 소산된다.
US 7,459,882 B2(Morgan)는 개선된 재충전 가능한 전지에 관한 것이고, 상기 개선된 재충전 가능한 전지는 각각 재충전 가능한 입력 및 충전 입력에 셀들 또는 셀들의 그룹들을 접속하기 위한 스위칭 회로를 가진 셀들 각각, 또는 셀들의 각각의 그룹, 또는 그룹들을 병렬로 방전하기 위하여 함께 접속된 복수의 전지 셀들을 포함한다. US 7,394,225 B2(Guang 등)에서, 다수의 셀 전지 충전기는 정전류 충전을 제공하기 위하여 병렬 구성으로 구성되는 것에 관한 것이다. US 7,276,881 B2(Okumura 등)는 전지 셀들이 과방전 및 과충전되는 것을 방지하기 위한 보호 방 법에 관한 것이다. US 6,777,908 B2(Thorne 등)는 몇몇의 셀들이 직렬로 배열되거나 직렬 및 병렬의 결합으로 배열되는 전지 내 셀들을 밸런싱하기 위한 전지 셀 밸런싱 방법 및 장치에 관한 것이다. US 6,735,098 B2(Hussein 등)은 유입 전류 제한 회로, 전력 소스 장치 및 전력 변환 장치에 관한 것이다. US 6,417,646 B1(Huykoman 등)은 다수의-셀 전지의 개별 셀들이 과충전되는 것을 방지하고 셀 건강 상태를 결정하기 위하여 데이터를 수집하기 위한 회로에 관한 것이다. US 6,160,375(Horie 등)에서, 다수의 리튬 이온 셀들의 직렬 배열은 셀 충전을 균일하게 하기 위한 것이고, 제너 다이오드 및 레지스터는 양의 전극 결정 위상이 시작될 때 균일한 셀 충전을 위해 각각의 셀의 양 및 음의 단자 사이에 직렬로 접속된다. US 6,150,795(Kutkut 등)은 전지들의 직렬 접속된 스트링에서 전지들의 쌍들 사이의 엇갈림 수단의 모듈들에 의해 수행된 전지 충전 이퀄라이제이션에 관한 것이다. US 6,114,835(Price)는 다수의 셀 전지의 적어도 두 개의 셀들에서 충전을 이퀄라이징하기 위한 충전 밸런스 모드를 시작할 때를 결정하는 충전 밸런싱 회로에 관한 것이다.
US 6,043,628(Perelle 등)는 직렬로 접속된 셀들에 대한 제어 방법에 관한 것이고, 여기서 각각의 셀은 제어들에 의해 활성화되고 충전 및 방전을 밸런싱하기 위한 측정들로부터 발생하는 바이패스와 연관된다. US 5,956,241(LaCascio)에서 셀 이퀄라이징 회로를 포함하는 전지 전력 회로는 다수의 전지 셀 스택의 각각의 셀이 동일한 속도로 전하가 고갈되는 것을 보장하는 것에 관한 것이다. US 5,821,733(Turnbull)은 다수의 직렬 접속된 전지 셀들에 대한 충전 시스템에 관한 것이고 복수의 분로 레귤레이터(shunt regulator)들을 포함한다. US 5,773,159(Beard)는 전압이 전지 팩 내에 포함된 회로를 사용하여 리튬 셀들 사이에서 미스 매칭되는 직렬 접속된 다수의 리튬 셀들을 포함하는 전지 팩에 관한 것이다. US 5,666,040(Bourbeau)는 전자 모듈들이 과전압, 과소 전압, 과온도 및 플로트 전압을 제어하기 위해 직렬로 접속된 전지들의 단자들에 접속된 전지 모니터 및 제어 시스템에 관한 것이다. US 5,650,240(Rogers)은 적어도 두 개의 셀들의 전지에 대한 다수의-셀 전지 시스템에 관한 것이고, 선택적 바이패스는 다수의-셀 전지의 각각의 셀들에 대해 선택될 수 있다. US 5,578,914(Morita)는 고전류 충전 동작을 수행하기 위해 바이패스 용량을 감소시키도록 배열된 전지 충전 시스템에 관한 것이다. US 5,206,578(Nor)은 충전 동안 전지들에 대한 모니터링 회로에 관한 것이고, 여기서 전지들은 셀들에 대한 손상을 방지하기 위해 셀들의 직렬 접속을 포함한다. US 4,061,955(Thomas 등)에서, 다수의-셀 전지 시스템은 각각의 셀이 개별 보호 회로를 가지는 경우를 개시하고 각각의 셀은 과충전 및 과소충전을 위해 모니터되고 바이패스 회로는 셀들의 직렬 접속으로부터 불량 셀을 제거하기 위해 사용된다. US 3,872,457(Ray 등)은 결함 셀들을 검출하기 위해 개별 전지 셀들을 스캔하는 전지들에 대한 자체-모니터링 시스템에 관한 것이다.
전류 및 전압 둘다의 모니터 및 제어를 간략화하는 전지 접속 방법에 대해 본 발명에 의해 처리될 필요가 있다. 보다 특히 전류 균일성을 보장하고, 유입 전류를 감소시키고 전지 셀 밸런싱을 단순화시키고 단락 검출을 용이하게 하는 새로운 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 인터-행(inter-row) 전압이 각각 직렬로 모니터되고 제어될 필요가 없도록, 자발적인 인트라-행(intra-row) 전압 밸런싱 메카니즘을 가진 직렬-병렬 접속된 전지 셀들의 매트릭스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전류가 각각의 직렬부 전체에 대략 동일하고, 전류 분배가 직렬부들 사이에서 모니터되고 제어되고, 각각의 셀이 결함 중 부호에 대해 독립적으로 모니터될 수 있고, 셀 경험들이 내부 단락을 경험할 때 유입 전류가 감소되도록 적당한 인트라-행 절연을 가진 병렬-직렬 접속된 전지 셀들의 매트릭스를 제공하는 것이다.
상기 목적들은 새로운 "하드-직렬 소프트-병렬" 접속 방법에 의해 달성되고, 하드 접속은 무시할 수 있는 저항과 접속을 말하고, 소프트 접속은 감지할 수 있는 저항과 접속을 말하며, 이후 정전기 방전(EDS) 제어 분야에서 통상적으로 사용된다. 새로운 구성은 직렬-병렬 및 병렬-직렬 구성의 특징들 및 장점들을 결합한다. 버퍼 레지스터들이 무한 저항을 가지면 직렬-병렬 구성의 품질은 떨어진다. 버퍼 레지스터들이 영의 저항을 가지면 병렬-직렬 구성의 품질은 떨어진다.
본 발명의 제 1 실시예에서, 하나 이상의 직렬 접속된 전지들은 직렬-병렬 전지 구성을 형성하는 전지 시스템의 마이너스 및 양의 단자들 사이에 병렬로 접속된다. 각각 직렬의 전지들은 전지 시스템의 마이너스 및 양의의 단자들 사이에 접 속된 동일한 수의 전지들, 또는 전지 셀들을 가지며, 여기서 각각 직렬의 제 1 전지의 마이너스 단자는 전지 시스템의 마이너스 단자에 접속된다. 각각 직렬의 전지들에서 제 2 전지의 마이너스 단자는 제 1 전지의 양의 단자에 접속된다. 각각 직렬의 제 3 전지의 음의 단자는 각각 직렬의 제 2 전지의 양의 단자에 접속되고, n번째 전지의 음의 단자가 n-1번째 전지의 양의 단자에 접속될 때까지 계속된다. 전지들의 직렬 접속에서 제 1 전지의 음의 단자는 전지 시스템의 음의 단자에 접속되고, 차례로 전지 관리 유니트(BMU)에 접속된다. n개의 전지들의 직렬 접속의 n번째 전지의 양의 단자는 전지 시스템의 양의 단자에 접속되고, 차례로 BMU에 접속된다.
여기서 버퍼 레지스터로서 주지된 레지스터는 각각 병렬 직렬의 제 1 전지의 양의 단자로부터 병렬로 접속된 직렬 전지들의 제 1 전지에 대한 제 1 측정 노드(27)(도 2)로 접속된다. 버퍼 레지스터는 병렬로 접속된 직렬 전지들에서 제 2 전지들에 대한 제 2 측정 노드(27)와 병렬 직렬의 전지들 각각의 제 2 전지의 양의 단자 사이에 접속된다. 버퍼 레지스터는 제 3 측정 노드(27)와 각각 직렬의 전지들에서 제 3 전지의 양의 단자 사이에 접속되고 n번째 전지까지 계속되고, 여기서 각각 직렬의 n번째 전지의 양의 단자는 전지 시스템의 양의 단자를 함께 형성하여 직접적으로 접속된다. 각각의 버퍼 레지스터들은 셀이 중대한 내부 단락을 전개할 때 유입 전류를 제한하기에 충분히 크고, 정상 동작 동안 인터-열 전류를 제한하기에 충분히 큰 저항 값을 가진다. 그러므로, 버퍼 저항 값은 버퍼 레지스터들이 접속된 전지들의 내부 저항보다 상당히 높다. 동시에 버퍼 레지스터 값은 버퍼 레지 스터들이 접속된 전지들의 병렬 열들에서 전지들의 행 전체의 전압 밸런스를 유지하기에 충분히 작을 필요가 있다. 버퍼 레지스터들에 대한 저항 값들은 저항이 허용 가능한 연속적인 밸런싱 전류에 의해 분할된 허용 가능한 전압 분할보다 작으면 충족될 수 있다. 예를 들어, 리튬 전지의 동작 전류가 대략 1A이면, 허용 가능한 연속적인 밸런싱 전류는 1mA 미만이고, 10mV의 전압 임밸런스(imbalance)가 허용되면, 버퍼 레지스터들의 저항은 10mV/1mA=10 Ω 정도일 수 있고, 이 값은 0.1 Ω 정도인 전지들의 내부 저항보다 매우 크다. 내부 전지 단락이 발생할 때, 유입 전류는 0.1Ω 정도인 전지들의 내부 저항이 아닌 10 Ω 정도의 저항에 의해 보다 효과적으로 제한될 수 있다.
제 1, 제 2 및 n-1개의 측정 노드들(27), 음의 전지 팩 단자(24), 및 양의 전지 팩 단자(25)는 멀티플렉서를 통해 전지 관리 유니트(BMU)에 결합되어, 전지 전압은 한번에 하나의 행에서 측정될 수 있다. 행 전체의 모든 전지들이 동일한 전압일 때, 버퍼 레지스터들을 통해 전류가 흐르지 않고 전압 측정 노드(27)는 행의 모든 셀들에 대해 정확하다. 전지 전압들이 행에 걸쳐 다를 때, 전류는 버퍼 레지스터들을 통해 흐를 것이고 측정 노드에서의 전압은 행 전체의 평균 전압일 것이다. 이런 구성은 각각의 직렬이 동일한 저항 값을 통해 측정 노드들에 접속되는 측면에서 대칭이다. "주" 및 "보조" 직렬 사이에 구별이 없다. 전지의 내부 저항의 단락 또는 두드러진 증가를 포함하는 심각한 문제가 발생할 때, 측정 노드의 전압은 예상된 값으로부터 크게 변화할 것이고 BMU는 전지 시스템의 밸런스 외부를 측정할 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 직렬(38)(도 3) 중 하나는 "주" 직렬로서 선택된다. 그러므로 모든 다른 직렬들(39)은 "보조" 직렬들이다. 직렬들의 전지 단자들은 측정 노드에 직접 접속되고; 보조 직렬의 전지 단자들은 버퍼 레지스터들을 통해 측정 노드들에 접속된다. 제 1 실시예와 비교하여, n-1개의 버퍼 레지스터들은 대칭에 의해 절약된다. 주 직렬들은 BMU에 의해 직접 밸런싱된다. 다른 직렬들은 버퍼 레지스터들을 통해 주 직렬들에 의해 간접적으로 밸런싱된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 각각 직렬의 전지들은 전지들과 직렬로 접속되고, 전류 제어 엘리먼트(50)(도 6)는 하나 이상의 다음 구성요소들을 포함한다: 전류 감지 엘리먼트, 및 전류 제어 엘리먼트. 전류 감지 엘리먼트는 레지스터, 홀 센서, 또는 자기-저항 센서일 수 있다. 전류 제어 구성요소는 하나 이상의 다음 부품들을 포함할 수 있다: 어셈블리 또는 스케쥴된 유지 동안 전류 분배를 밸런싱하기 위한 조절 가능한 레지스터, 열들 사이에서 전류 분배의 본래의 제어를 위한 저저항 레지스터와 병렬의 전자 스위치(예를 들어, CMOS 게이트) 및 문제가 검출될 때 직렬들을 분리하기 위한 스위치.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 기술될 것이다.
종래 기술의 직렬-병렬 접속 방법은 병렬-접속된 직렬 사이의 전기 절연을 특징으로 하고, 종래 기술의 병렬-직렬 접속 방법은 병렬 접속된 직렬 사이의 저저항 전기 접속을 특징으로 한다. "적당한 전기 절연" 및 "적당한 전기 도전성"의 조건들은 상호 양립할 수 있는데, 그 이유는 전기 절연을 요구하는 이벤트들 및 전 기 접속을 요구하는 이벤트들은 매우 다른 시간 상수들을 나타내기 때문이다. 특히, 열들 사이의 전기 절연은 시간 또는 분 단위로 지속하는 정상적인 충전 및 방전 동안 바람직하다. 열 사이의 전기 절연은 셀이 내부 단락을 전개할 때 또한 바람직하다. 이 경우 손상을 주는 유입 전류는 수분 또는 수초 지속된다. 대조하여, 행을 가로지른 전기 접속은 전압 밸런싱을 위해서만 바람직하고, 이것의 시간 상수는 수개월 또는 수년 정도이다. 각각의 행을 가로지른 접속은 중간 시간 상수, 예를 들어 몇일로 이루어져, 적당한 절연 및 적당한 도전성 모두는 달성된다. 이런 새로운 구성은 "하드-직렬, 소프트-병렬" 구성을 특징으로 하고, 하드 접속은 무시할 수 있는 저항과의 접속이고, 소프트 접속은 감지할 수 있는 저항과의 접속을 말한다. 새로운 구성이 직렬-병렬 및 병렬-직렬 구성들의 바람직한 특성들을 결합하기 때문에, "하이브리드" 구성이라 불릴 수 있다.
도 2a는 전지들, 또는 전지 셀들(21)의 대칭 하드-직렬, 소프트-병렬 배열(20)을 나타내는 본 발명의 제 1 실시예가 도시된다. 전지들(21)은 전지 시스템의 마이너스(24) 및 양의(25) 단자들 사이의 직렬 접속된 전지들(22)의 열에 접속되고, 그 다음 다수의 직렬 접속된 전지들의 이들 열들은 열들을 가로질러 전지들의 병렬 형성 행들(23)에 접속된다. 비록 도 2가 4개의 직렬 접속된 전지들(21) 중 3개의 열들(22)을 도시하지만, 보다 일반적인 구성이 본 발명의 범위내에 있는 n개의 직렬 접속된 전지들의 m 열들인 것이 주지되어야 한다.
각각의 전지(21)의 각각의 양의 단자에 접속된 것은 전지 시스템의 양의 단자(25)에 접속하는 각각 직렬들의 양의 단부를 제외하고 레지스터(26)이다. 각각 의 전지들(23)의 행의 레지스터들(26)은 측정 노드(27)에 추가로 접속된다. n=4인 도 2에서 n-1=3개의 측정 노드들이 있다. 양의 단자(25) 및 음의 단자(24)와 함께 각각의 측정 노드(27)는 BMU에 결합되고, BMU는 연속적인 노드들 또는 단자들 사이의 전압, 즉 각각 행(23)의 전압을 모니터 및 밸런싱한다. BMU가 통상적으로 단일 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터를 사용하여 다수의 행들이 연속적으로 모니터되게 하는 멀티플렉서(도시되지 않음)를 포함한다는 것은 종래 기술에서 공지되었다. BMU는 또한 행들의 과도한 전압을 방출하거나, 과도한 전하를 전하가 결핍된 행들에 전달하기 위해 분로 경로를 형성한다. 레지스터들(26)은 레지스터들이 접속되는 각각의 개별 전지(21)의 내부 저항보다 높은 저항 값을 가지며, 여기서 전지들의 내부 저항은 통상적으로 0.1 Ω 정도이다. 레지스터들(26)은 전지가 단락될 때 유입 전류를 제한하고, 그리고 인터-열 전류를 제한하기 위하여 충분히 높은 저항일 필요가 있고, 이에 따라 정상 동작 전류는 열 전체에서 실질적으로 동일하다. 레지스터(26)의 저항은 또한 충분히 작은 값일 필요가 있어서 인터-열 전류는 전지들(23)의 행 전체의 전압 밸런스를 유지한다.
리튬-이온 전지(21)의 인트라-열 동작 전류는 통상적으로 1 A 정도인 반면, 1 mA 미만의 인터-열 밸런싱 전류는 전지들(23)의 동일한 행에서 다른 전지들(21)에 관련하여 밸런싱된 전지(21)를 유지하기 위하여 요구된 전부이다. 따라서 10mV의 밸런스 전압이 허용되면, 레지스터(26)의 값은 대략 10 Ω이도록 허용될 수 있다. 이런 10 Ω의 상한 경계는 전지들(21)의 내부 저항인 0.1 Ω의 하한 경계보다 매우 크다. 1 Ω의 중간 값은 유입 전류를 적당한 전지에게 제공하고, 실질적으로 동일한 인트라-열 전류를 유지하고, 충분한 마진으로 밸런스된 인트라-열 전지 전압들을 유지한다.
전압 밸런스의 허용오차가 충전 상태 및 전지 셀 설계의 화학 성질에 좌우되는 것이 주의되어야 한다. 충전 상태는 전지 용량에서 이용할 수 있는 충전 비율이다. 리튬-이온 전지는 통상적으로 전지 전압이 도 2b에 도시된 바와 같이 충전 상태의 약한 함수인 "플래토(plateau)"를 나타낸다. 레지스터(26)의 최대 허용 가능한 저항은 Rmax로서 표시되고 Rmax = (ΔSOC ×[k])/i에 의해 계산되고, 여기서 ΔSOC는 충전 상태의 허용 오차이고, i는 전지(21) 자체-방전 전류의 범위이고, [k]는 도 2b의 기울기의 가중 평균이고, 가중 인자는 전지(21)가 대응하는 충전 상태에서 소비되는 예상 시간이다.
또한 전압 밸런싱을 위해 요구된 인트라-열 전류가 작은데, 그 이유가 인트라-열 밸런싱이 자발적이고 연속적이기 때문인 것이 주지되어야 한다. 대조하여, 인터-행 전압 밸런싱은 일반적으로 매우 낮은 듀티 사이클을 사용하여 BMU에 의해 제어된다. 특히, 대부분의 즉석 BMU는 충전 동안만, 그리고 충전이 거의 완료될 때만 인터-행 전압 밸런스를 수행한다. 그러므로 BMU 설계자는 새로운 소프트-병렬 접속들에 필요한 보다 큰 밸런싱 전류 요구조건에 익숙해질 수 있다.
버퍼 레지스터들(26)의 저항은 인트라-행 전류의 시간 상수에 초점이 맞춰진 다른 방법에 의해 최적화될 수 있다. 전지 셀이 충전 상태에 따라 가변하는 용량을 나타내는 것이 당업자에 의해 이해된다. 캐패시턴스 및 저항의 곱은 통상적으로 몇분인 통상적인 병렬-직렬 구성에서 유입 전류의 시간 상수보다 크고, 통상적 으로 몇달인 허용 가능한 자체-방전의 시간 상수보다 작은 버퍼 레지스터를 가진 셀의 시간 상수를 정의한다. 그러므로, 버퍼 레지스터들(26)의 저항의 허용 가능한 범위는 매우 넓다.
전류보다 오히려 시간 상수를 바탕으로 한 버퍼 레지스터(26)의 설계는 특히 열들(22)이 동일하지 않은 경우 편리하다. 예를 들어, 전지 시스템은 다른 위치들에 물리적으로 분포될 수 있고, 그 중 몇몇은 다른 것보다 넓은 공간을 가진다. 전지 시스템은 전력 셀들의 하나 이상의 열들과 병렬의 에너지 셀들의 하나 이상의 열들을 포함할 수 있다. 게다가, 하나 이상의 셀들의 열들은 기존 전지 팩에 부가될 수 있다. 이들 경우들에서, 각각의 전지(21)에 접속된 버퍼 레지스터들은 버퍼 레지스터(들)(26)와 함께 각각의 전지(21)가 실질적으로 동일한 시간 상수를 나타내도록 설계되어야 한다.
버퍼 레지스터들은 그들이 접속된 전지(21)의 소실 밸런싱 전류를 제한한다. 특히 BMU가 과도한 전하를 버리기(drain) 위해 전지들의 행을 분로시킬 때, 방전 전류는 버퍼 레지스터들(26)을 통해 흘러야 한다. 이상적으로, 버퍼 레지스터들(26)의 저항은 부가적인 전류 제한기가 인터-행 전압 밸런싱 속도를 추가로 감소시키기 위해 필요하도록 선택되어야 한다. 제 1 실시예는 팩 단자들(24,25) 및 측정 노드들(27)에 관련하여, 각각의 열이 실질적으로 동일한 시간-상수를 나타낸다는 측면에서 대칭이다. 그러나, 상부 및 바닥 행들 상 전지들의 시간 상수, 즉 팩 단자들(24 또는 25)에 직접 접속된 전지들의 시간 상수가 대략 모든 다른 셀들의 시간 상수의 절반인 것이 주지되어야 한다. 이런 차는 전기 전력의 전송 손실을 최소화하기 위하여 각각의 직렬의 양쪽 단부들이 직접 접속되어야 한다는 사실로 인한 것이다. 바람직하게, 버퍼 레지스터들의 설계 마진은 두 개의 사실보다 넓다. 그러므로, 전지 팩의 양쪽 단부들에서 버퍼 레지스터들의 부재는 상부 및 바닥 행들의 인트라-열 절연을 심각하게 손상시키지 않는다.
도 3에 도시된 것은 열들 중 하나가 버퍼 레지스터들(26) 없이 측정 노드들(27)에 직접 접속되는 본 발명의 제 2 실시예이다. 이런 열은 "주 직렬"(38)이라 불린다. 모든 다른 열들은 제 1 실시예에서처럼 버퍼 레지스터들(26)을 통해 측정 노드들(27)에 결합된다. 주 직렬들과 다른 열들은 "보조 직렬"(39)이라 불린다. 주 직렬들의 전지들(21)의 전압은 측정 노드들(27)을 통해 직접 모니터되고 밸런싱되는 반면, 보조 직렬의 전지들(21)은 모니터되지 않는다. 보조 직렬의 인터-행 전압 밸런스는 버퍼 레지스터들(26)을 통해 주 직렬에 의해 간접적으로 달성된다.
제 1 실시예와 비교하여, 제 1 실시예는 n-1개의 보다 적은 버퍼 레지스터들(26)을 요구한다. 종종, 이런 절약 자체는 대칭 손실을 나타내지 않는데, 그 이유는 비대칭은 특히 인터-행 전압 밸런싱에서 제어하기 때문이다. 제 2 실시예는 인터-행 전압 밸런싱이 큰 충전 전류를 수반할 때 제 1 실시예에 비해 바람직하고, 이것은 밸런싱이 소실에 의해서 보다 전하 전달에 의해 달성될 때, 그리고 밸런싱 매우 낮은 듀티 사이클을 나타낼 때 발생한다. 이 경우, 인터-행 밸런싱 전하는 빠르게 주 직렬(38)의 전지(21)에 전달되고, 열 소실을 최소화하기 위하여 점차적으로 보조 직렬의 전지(21)로 확산한다. 제 2 실시예는 또한 이 실시예가 팩에 대 해 작은 변형을 요구하기 때문에, 기존 전지 팩이 셀들의 추가 행을 첨부함으로써 확장될 때 바람직하다.
도 4a에는 BMU(42)에 결합된 본 발명의 제 1 실시예의 예가 도시된다. BMU는 전지들의 n 내지 n-1개의 행들 각각의 양의 전지 단자들에 접속된 버퍼 레지스터들(26)을 함께 접속하여 형성된 측정 노드들(27)에 접속된다. 전지들의 n=1 행의 음의 단자들은 전지 시스템의 음의 단자를 형성하기 위하여 함께 접속되고 BMU(42)에 접속된다. 전지들의 n번째 행의 양의 단자들은 전지 시스템의 양의 단자를 형성하기 위하여 함께 접속되고 BMU(42)에 접속된다.
도 4b에는 BMU에 결합된 본 발명의 제 2 실시예의 예가 도시되고, 여기서 제 2 열(m=2)은 주 직렬인 것으로 도시된다. 그러나, 주 직렬들의 물리적 위치는 임의적이다. 도 4a 및 도 4b 모두에서, 전지들(21), 또는 전지 셀들의 하드-직렬, 소프트-병렬 배열이 도시되고 n=4 전지들은 직렬로 하드-접속되고, m=3 행들은 병렬로 소프트-접속된다.
본 발명에 의해 영향을 받지 않은 BMU 핀들 및 접속들, 예를 들어 온도 센서(들), 전류 센서, 및 충전/방전 스위치들에 대한 접속은 간략화를 위해 생략된다. 도 4a 및 도 4b 모두의 BMU 접속이 통상적인 병렬-직렬 구성과 동일한 것이 주지되어야 한다. 제 1 실시예에서, 파라미터 세팅을 포함하는 전압 모니터 및 밸런싱 알고리츰은 통상적인 병렬-직렬 구성과 동일할 수 있다. 제 2 실시예에서, 전압 밸런싱 알고리듬 및 파라미터 세팅은 주 및 보조 직렬 사이의 점진적 이퀄라이징을 위해 통상적인 병렬-직렬 구성과 약간 다를 수 있다. 일반적으로, 통상적 인 병렬-직렬 구성은 최소 효과 없이 새로운 하드-직렬, 소프트-병렬 구성으로 업그레이드될 수 있다.
상기된 제 1 두 개의 실시예들에서, 소프트-병렬 접속된 셀들은 개별적으로 모니터되지 않는다. 단일 셀의 함유 결함의 부호들, 예를 들어 자체-방전 전류 증가, 및 직류 저항(DCR) 또는 임피던스의 변화는 측정들이 노드들(27)에서 이루어지고 셀들의 단자에서 직접적으로 이루어지지 않기 때문에 검출하기 어렵다. 도 5a에서 본 발명의 제 3 실시예가 도시되고, 여기서 제 1 실시예의 단자들(51)은 개별 셀 전압들이 측정될 수 있도록 BMU에 접속된다. 도 5b와 유사하게 본 발명의 제 4 실시예가 도시되고, 여기서 제 2 실시예의 단자들(51)은 개별 셀 전압들이 측정되도록 BMU에 접속된다.
도 5a 및 도 5b 모두에서, 단자들(51)은 BMU에 직접 접속된다. 이들 전압들이 BMU의 외측이나 내측에서 수행될 수 있는 멀티플렉싱에 의해 동시에 병렬로, 순차적으로 측정될 수 있다는 것은 당업자에 의해 이해된다. 또한 대신 또는 부가하여 개별 셀에 또는 상기 개별 셀로부터 셀 전압들, 인트라-행 전류가 단자들(51) 및 BMU(42) 사이에 삽입된 작은 레지스터이거나, 단자들(51) 및 BMU(42) 사이의 전기 리드에 인접하여 배치된 원격 센서일 수 있는 전류-센서에 의해 모니터될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다.
또한 여기에서의 도면들 및 논의들이 전지 시스템 및 대응하는 전지 관리 시스템의 예인 것이 주지되어야 한다. 직렬의 전지들의 수(n) 및 병렬의 전지들 열의 수(m)는 여기에 도시된 임의의 도면들의 예로 제한되지 않는다.
통상적인 병렬-직렬 접속 방법에 비교하여 본 발명의 주 장점은 각각 4개의 실시예들에서, 하드-직렬 사이에서 전류 분배가 어셈블리 동안 조절되거나, 응용 동안 제어되는 것이다. 도 6에는 본 발명의 제 5 실시예의 개략도가 도시되고, 여기서 제어 유니트(50)는 제 1 실시예의 각각의 열에 삽입된다. 비록 도시된 바와 같이 제어 유니트들(50)이 음의 단자(43) 및 n=1의 셀들 행들 사이에 접속되지만, 제어 유니트(50)가 어느 곳에서나 직렬로 삽입될 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 또한 제어 유니트들(50)이 제 2, 제 3, 및 제 4 실시예들에서 유사하게 삽입될 수 있다는 것은 주지되어야 한다. 제어 유니트(50)는 어셈블리 및 유지 동안 수동으로 조절되거나, 애플리케이션 동안 자동으로 제어되는 필수적으로 가변 레지스터이다. 제어 유니트(50)는 하나 이상의 다음 엘리먼트들을 포함한다: ⅰ) 진단시 유용하고 값이 싸며, 하나의 직렬 결함의 경우 전지 팩이 감소된 용량으로 동작하게 하는 스위치, 릴레이, 또는 접촉부; ⅱ) 온도 또는 전류에 의해 동작될 수 있는 퓨즈, 여기서 상기 퓨즈는 리셋될 수 있거나 리셋되지 않을 수 있다. 퓨즈는 과부하, 또는 과도하게 높은 온도에서 동작으로부터 직렬을 보호한다; ⅲ) 저항이 온도에 따라 단조롭게, 역방향으로, 그리고 비선형적으로 증가하는 양의 열 계수(PTC) 장치이다. PTC는 셀 내부 저항의 음의 열 계수를 오프셋할 수 있어서, 전지 팩 내의 열 기울기에 대한 전류 분배의 민감도를 감소시킨다. PTC는 또한 놓여질 수 있는 열적 퓨즈로서 기능한다; ⅳ) 저저항 조절 가능 레지스터, 예를 들어 저항이 병렬로 도전체를 부가함으로써 감소될 수 있고(예를 들어, 스트립의 표면상에 납땜 부가, 또는 스트립에 대한 부가적인 도전체 납땜), 그리고 도전성 경로를 차단함으 로써 증가되는(예를 들어, 스트립상에 홀의 펀칭, 또는 스트립 부분 자름) 도전체 스트립. 이것은 어셈블리 및 유지 동안 유용하다; ⅴ) 전류 센서; 및 ⅵ) 피드백 제어에 의해 전류 분배를 제어하기 위해 사용될 수 있는 전자 스위치(예를 들어, CMOS 장치). 제어 유니트(50)의 설계 및 구성은 당업자에게 매우 융통성있다.
제어 유니트들(50)은 극히 신뢰성이 있어야 한다. 단일 결함은 직렬들을 개방하고 다른 직렬로 전류의 공유를 변환하여, 직렬을 과부하시킨다. 제어 유니트들(50)은 낮은 전력 손실 및 열 생성을 나타내어야 한다. 신뢰성 없거나 열을 생성하는 구성요소들에 대한 필요성을 감소시키거나 제어하기 위한 노력들이 이루어져야 한다. 어셈블리 전에, 셀들(21)은 용량(C)이 동일한 직렬(22)의 모든 셀들(21) 사이에서 대략 동일하도록 선택 및 그룹화되어야 한다. 설계 시, 모든 직렬들(22)의 내부 저항(R) 및 용량(C)의 RC 곱은 전체 매트릭스에서 동일하여야 한다. RC의 등가성은 어셈블리 및 유지 동안 검증되어야 한다. 내부 저항(R)이 온도에 따라 가변하고, 전지 팩의 온도가 균일하지 않다는 것이 주지된다. 전지 및 열적 제어 시스템은 각각의 직렬의 평균 온도가 동일하도록 설계되어야 한다. 이것은 전류 분배상 팩 온도 변화 효과를 최소화할 것이다.
본 발명이 바람직한 실시예들을 참조하여 특히 도시 및 기술되었지만, 당업자는 형태 및 항목들의 다양한 변화들이 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 1a는 전지들의 직렬-병렬 접속에 대한 종래 기술의 개략도.
도 1b는 전지들의 병렬-직렬 접속에 대한 종래 기술의 개략도.
도 2a는 직렬 전지들의 다수의 열들에 의해 공유된 측정 노드들과 전지들의 대칭 하드-직렬, 소프트-병렬 하이브리드 접속을 위한 본 발명의 개략도.
도 2b는 전지의 충전 상태 및 개방 회로 전압 사이의 관계를 도시하는 본 발명의 그래프.
도 3은 전지들의 주 직렬들에 직접 접속된 측정 노드들과 전지들의 비대칭 하드-직렬, 소프트-병렬 하이브리드 접속에 대한 본 발명의 개략도.
도 4a는 대칭 하드 직렬 소프트-병렬 접속된 전지 시스템의 측정 노드들에 결합된 전지 관리 유니트(BMU)의 본 발명의 개략도.
도 4b는 비대칭 하드-직렬 소프트-병렬 접속된 전지 시스템의 측정 노드들에 결합된 전지 관리 유니트(BMU)의 본 발명의 개략적인 도면.
도 5a는 측정 노드들의 전압 외에 각각의 셀 전압이 모니터되는 새로운 대칭 하드-직렬 소프트-병렬 접속된 전지 시스템의 개략도.
도 5b는 각각의 셀 전압이 BMU에 의해 모니터되는 새로운 비대칭 하드-직렬 소프트-병렬 접속된 전지 시스템의 개략도.
도 6은 전류 제어 유니트가 직렬-병렬 전지 시스템의 각각의 직렬로 접속되는 본 발명의 개략도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
26 : 레지스터 27 : 제 1 측정 노드
38 : 주 직렬 39 : 보조 직렬

Claims (15)

  1. 전지 관리 시스템으로서,
    a) m 열들을 더 포함하는 직렬-병렬 전지 시스템으로서, 각각의 열은 상기 전지 시스템의 음 및 양의 단자들 사이에 직렬로 접속된 n개의 전지들을 포함하는, 상기 직렬-병렬 전지 시스템;
    b) 상기 m 열들의 각각에서 n-1개의 전지들에 대응하는 n-1개의 측정 노드들로서, 버퍼 레지스터가 m 열들에 배치된 n=1 전지들 각각의 양의 단자로부터 n=1 측정 노드로 접속되고, 상기 버퍼 레지스터는 m 열들의 각각 n=2 전지의 양의 단자로부터 n=2 측정 노드로 접속되고, 상기 버퍼 레지스터가 m 열들의 각각 n-1개의 전지의 양의 단자로부터 n-1개의 측정 노드로 접속될 때까지 유사한 방식이 계속되는, 상기 n-1개의 측정 노드들을 포함하고,
    c) m 열들의 n번째 전지의 상기 양의 전지 단자는 전지 시스템의 양의 단자에 결합되고, m 열들의 n=1 전지의 음의 단자는 전지 시스템의 마이너스 단자에 결합되고,
    d) 상기 n=1 내지 n-1개의 측정 노드들은 전지 시스템 성능 측정을 제공하고 또한 상기 전지 시스템의 결함을 검출하는, 전지 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 직렬-병렬 전지 시스템은 m 열들 사이에서 전류 분배 조절을 위해 m 열들 각각에 제어 유니트를 더 포함하는, 전지 관리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 유니트는 전지들의 m 열들에서 결함 열을 턴오프하기 위하여 전지 관리 유니트(BMU)에 의해 제어되는 전류 및 스위치를 모니터하도록 전류 센서를 더 포함하는, 전지 관리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 BMU는 전지 시스템에서 각각의 전지의 전압을 모니터하는, 전지 관리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼 레지스터들은 전지들의 m-1 열들에 결합되고, m번째 열의 전지들은 측정 노드들에 직접 결합되는, 전지 관리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지들은 동일한 열의 전지들이 대략적으로 동일한 용량이도록 선택 및 그룹화되고, 상기 전지들의 용량 및 내부 저항의 곱은 전지 시스템의 열들 사이에서 대략 동일한, 전지 관리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 시스템은 각각의 열에서 전지들의 평균 온도가 대략 동일하도록 배열된 패키징 및 냉각부를 더 포함하는, 전지 관리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼 레지스터들은 버퍼 레지스터들이 접속된 전지들의 내부 저항보다 큰 저항 값을 가지며, 유입 전류를 제한하기 위해 충분히 큰 저항 값을 가지며, 열 전류가 m 열들에 배치된 전지들의 행 전체의 전압 밸런스를 유지하게 하도록 충분히 작은 저항 값을 가지는, 전지 관리 시스템.
  9. 직렬-병렬 전지 시스템의 성능을 관리하기 위한 방법으로서,
    a) 직렬-병렬 구성에 접속된 m 열들 및 n 행들의 전지 셀들로부터 전지를 형성하는 단계로서, 상기 m 열들의 전지 셀들은 전지의 플러스 및 마이너스 단자들 사이에 직렬로 접속되는, 상기 전지 형성 단계;
    b) n-1개의 측정 노드들을 형성하는 단계로서, 전지 셀들의 행의 각각의 열에서 상기 전지 셀들의 양의 단자는 버퍼 레지스터를 통해 상기 측정 노드들 중 하나에 접속되고, 상기 측정 노드들 중 하나는 상기 행을 나타내는, 상기 n-1개의 측정 노드들 형성 단계;
    c) 측정될 상기 측정 노드를 선택하는 전지 관리 유니트(BMU)에 상기 n-1개의 측정 노드들을 접속시키는 단계;
    d) 전지 셀들의 각각의 m 열들에 제어 유니트를 삽입하는 단계; 및
    e) 상기 m 열들 사이에서 전류 분배를 조절하기 위하여 상기 제어 유니트로 각각의 m 열들의 전류 흐름을 측정하는 단계를 포함하는, 직렬-병렬 전지 시스템 성능 관리 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제어 유니트는 전지 셀들의 m 열들 중 결함 열을 턴오프하기 위해 BMU에 의해 제어되는 전류 및 스위치를 모니터하기 위한 전류 센서 를 더 포함하는, 직렬-병렬 전지 시스템 성능 관리 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 버퍼 레지스터들은 전지 셀들의 내부 저항보다 큰 저항을 가지며, 유입 전류를 제한하기에 충분히 큰 저항 값을 가지며, 열 전류 흐름이 m 열들에서 전지 셀들의 상기 행 전체의 전압 밸런스를 유지하게 하도록 충분히 작은 저항 값을 가지는, 직렬-병렬 전지 시스템 성능 관리 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 버퍼 레지스터들은 전지 셀들의 m-1 열들에 결합되고, 전지 셀들의 m번째 열은 상기 측정 노드들에 직접 결합되는, 직렬-병렬 전지 시스템 성능 관리 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 전지 셀들은 m 열들의 동일한 열에서 전지 셀들이 동일한 용량을 가지며, 셀 용량 및 셀 내부 저항의 곱이 m 열들 사이에서 대략 동일하도록 선택 및 그룹화되는, 직렬-병렬 전지 시스템 성능 관리 방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 전지는 각각의 열에서 상기 셀들의 평균 온도가 대략적으로 동일하도록 패키징 및 냉각부를 더 포함하는, 직렬-병렬 전지 시스템 성능 관리 방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 BMU는 전지 셀들의 m 열들의 각각의 셀의 전압을 모 니터하는, 직렬-병렬 전지 시스템 성능 관리 방법.
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