KR20110095877A

KR20110095877A - 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자의 전압 모니터링 방법

Info

Publication number: KR20110095877A
Application number: KR1020117012689A
Authority: KR
Inventors: 파비엥 가벤; 클라우드 베그넷
Original assignee: 도우 코캄 프랑스 에스.에이.에스.
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-08-25
Also published as: US20110276295A1; AU2009315502A1; EP2366109A1; FR2938657B1; BRPI0921168A2; FR2938657A1; WO2010055233A1; CN102257395A; JP2012508891A

Abstract

본 발명은 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 감산기 어셈블리(6)를 이용하여 상기 소자의 단자에서 전압(U_BRUT)의 측정 및 보정 절차의 수행을 제공한다. 상기 발명은 또한 이러한 방법의 구현을 위한 모니터링 장치, 여러 개의 전기 에너지를 발생시키는 소자들로부터 형성된 적어도 하나의 모듈을 포함하는 전지뿐만 아니라 전지 소자의 전압 모니터링 시스템에 관한 것으로, 상기 전지는, 각각의 모듈에 대한, 전압 모니터링 시스템을 포함한다.

Description

전기 에너지를 발생시키는 전지 소자의 전압 모니터링 방법{METHOD OF MONITORING THE VOLTAGE OF AN ELECTRICAL ENERGY GENERATING ELEMENT OF A BATTERY}

본 발명은 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자의 전압 모니터링 방법, 이러한 방법을 구현하기 위한 모니터링 장치, 뿐만 아니라 전지 소자의 전압 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 여러 개의 전기 에너지를 발생시키는 소자들에 의해 형성된 적어도 하나의 모듈을 포함하는 전지(electric battery)에 관한 것으로, 상기 전지는, 각각의 모듈에 대한, 전압 모니터링 시스템을 포함한다.

상기 전지는 특히 전기 또는 하이브리드 자동차 구동(traction)을 위한 것을 의미하는데, 다시 말해 열 기관(thermal engine) 구동 휠 또는 어쩌면 다른 구동 휠과 결합된 전기 모터로 구동하는 구동 휠(electric motor diriving drive wheel)을 포함한다.

특히, 본 발명은 구동 체인(traction chain)이 완전히 전기화할 수도 있는 열 기관(thermal vehicle)의 고도 하이브리드화(high degree of hybridization)에 적용된다. 이 경우, 전지는 가속 단계에서 차량을 보조할뿐만 아니라 자체적으로 차량이 좀더 많은 또는 좀더 짧은 거리를 이동할 수 있도록 기여한다.

본 발명에 따른 상기 전지는 또한 다른 기술적 분야, 예를 들어 휴대용 전자기기(컴퓨터, 카메라, 개인용 스테레오 등) 또는 태양전지판(solar panel) 같은 고정식 애플리케이션(application)에 응용됨을 찾을 수 있다.

논의되는 응용에서 요구되는 전력 및/또는 에너지의 수준을 보장하기 위해, 특히 연속적으로 배치된 다수의 전기 에너지를 발생시키는 소자들을 포함하는 전지를 창안할 필요가 있다.

안전상의 이유로, 상기 발생 소자들(generating elements)은 어떤 경우에도 지나차게 충전되거나 지나치게 방전되어서는 안 된다고 알려져 있다. 이는 특히 상기 발생 소자들이 적어도 하나의 전기화학 셀(electro-chemical cell)을 포함할 때에 해당하는데, 예를 들어 리튬 이온(Lithium-ion) 또는 리튬 폴리머(Lithium-polymer) 타입이 있으며, 이는 연속하여 양극 및 음극으로 작용하는 전기활성층(electroactive layer) 스택에 의해 형성되고, 상기 층(layer)은 전해질(electrolyte)을 이용하여 접촉하여 배치된다.

전지에 접속한 충전기 및 다른 장비 물품은 국제 표준(global vision) 전압을 가지며, 반면 소자 전압은 균일할 필요가 없으며 각각의 소자의 전압 사이에 차이가 있다. 그러므로, 사용 기간과 시스템의 안전성을 보장하기 위해, 전지 내의 가장 낮은 전압과 가장 높은 전압을 정확히 모니터하는 것이 중요하다.

따라서, 전지의 안전성과 사용 기간을 보장하기 위해, 소자의 전압은 정확히 모니터되어야 한다. 이러한 전압 모니터링은 발생 가능한 과충전(over-charge) 또는 과방전(over-discharge)의 검출을 가능하게 하고 원치 않는 이벤트(event)의 발생을 막는 것을 가능하게 하는 안전 장치의 작동을 가능하게 한다.

소자들이 연속으로 배치될 때, 그들 각각의 전압을 정확히 측정하여 그들의 균형을 확보하는 것이 또한 중요하다. 이러한 균형 품질(balancing quality)은 전지의 사용 기간과 안전성 증가에 기여한다.

전압 모니터링의 정확성은 전지의 충전 상태를 계산하는데 또한 중요하다. 실제로, 방전 중의 전지의 충전 상태는 가장 약한 소자의 전위에 의해 정의되는 반면, 재충전 중에, 충전 상태를 정의하는 것은 가장 높은 전위를 지닌 소자이다.

특히, 소자 전압 측정은 열 폭주(thermal runaway) 발생의 위험 전에 과전압 위험을 모니터하는 것을 가능하게 하며; 시스템을 더욱 신뢰할 수 있게 하고 그것의 사용 기간의 지속을 증가시키는데 또한 기여한다. 이러한 측정은 전지의 전체 사용 기간 동안 특히 신뢰할 수 있어야 한다.

그러나, 전압 값을 얻기가 전지의 크기가 증대됨에 따라 좀더 어려워지고 있는데, 이는 많은 수의 소자를 포함함을 의미한다.

고전압, 특히 약 200 - 400V 상태에서 작동하는 전지를 구성하는 소자의 각각의 전압을 개별적으로 얻기 위해 다른 측정 장치가 사용될 수 있다.

각각의 전압 측정은 일반적인 견해에서, 전지 모니터링을 위한 장치 전체에 공통되게 수행될 수 있다. 관찰된 결점은 각각의 측정 체인이 매우 높은 비용을 불러오는 고전압 측정 수행이 가능해야 한다는 것이다.

측정 체인 각각에 저항 브리지(resistive bridge)의 추가는 고전압 획득의 문제를 제거하나, 그러한 장치는 전압 측정의 정확성 감소를 불러온다.

전자 계전기(electromagnetic relay)가 소자 각각의 단자(terminal)에서 연속적으로 전압을 얻는데 사용될 수 있으나, 이러한 해결책의 비용은 상당히 높으며, 계전기(relay)의 크기가 소형 전지가 필요하다는 면에서 실질적인 문제의 근원이 될 수 있으며, 무엇보다도, 그러한 장치는 적정한 리드타임(lead time) 이내에 모든 전지 전압을 획득하는 것을 가능하지 않게 한다.

또한 각각의 측정 체인을 광커플러(optocoupler)로 분리시키는 것이 가능하지만, 이러한 해결책은 매우 비용이 많이 들고 부피가 크다는 문제점이 여전히 남는다. 특히, 각각의 측정 체인을 직류 전기에 의해(galvanically) 분리시키기 위해 많은 수의 광커플러를 사용하는 것은 고비용을 불러온다.

고전압에서 작동하는 전지 전압 측정치의 정확성을 향상시키기 위해, 특허 제US 6,313,637호는 측정 체인을 제안하는데, 여기서 소자 각각의 전압 획득은 모듈(module)로 나누어지며, 각각의 소자에 대한 전압은 연산 증폭기(operational amplifier)를 통해 획득되고, 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter)를 이용하여 변환되며 프로세서(processor)에 광커플러를 이용하여 디지털 방식으로 전송된다.

전압 측정을 위한 상기 원리는 상기 획득 체인을 구성하는 전자적 구성요소(electronic component)의 성능은 완벽하고 오류의 근원은 전압 획득을 위해 사용되는 감산기 어셈블리에서 공통 모드(common mode)의 오류 증가를 야기하는 전지 소자의 내부 저항기에 연결되는 것으로 여긴다.

이러한 공통 모드 오류는 전압 기준으로부터 멀어질 때마다 좀더 현저해지며 문서 제US 6,313,637호에 따른 측정 체인의 원리는 획득 모듈(acquisition module)의 중앙에 전압 기준을 위치시킴으로써 공통 모드의 이러한 효과를 제한하여 구성한다.

사실, 차동 증폭기는 알려진 기준(known reference)으로 전압 측정치를 되돌리지만, 각각의 측정 채널에 공통 모드 전압을 전송한다. 이러한 공통 모드 전압은 소자가 측정된 지점에 의해 좌우되며, 그것의 값은 전압 기준과 관련된 거리에 따라 증가한다. 상기 연산 증폭기는 또한 지면에 대해서 측정 체인의 위치로부터 독립적인 오프셋(offset)을 가져온다.

또한, 전지 소자에 대한 전자 모니터링 장치는 상기 측정 체인에서 기준 전압을 재생성하기 위해 공급자를 사용한다. 문서 제US 6,313,637호에서, 이러한 전압원은 차량의 12V 네트워크(network)로부터 얻어진다.

따라서, 선행 기술에 따른 모니터링 장치는 차량의 보조 전지(12V 또는 24V 전지)에서 에너지를 소모하며, 이는 차량이 몇 주 동안 사용되지 않을 시에 보조 전지의 빠른 방전을 가져올 수 있다.

또한, 열 기관(thermal vehicle)에 설치된 12V 네트워크는 이러한 전자 모니터링에 의해 구성된 추가적 소모를 수용하기에 적당한 크기가 아니다.

또한, 상기 12V 네트워크로부터 재생성된 상기 전압 기준은 매우 안정적이지는 않는데: 이는 12V 라인에 통합된 많은 소비장치(consumer)에 의해 심하게 방해를 받을 수 있다.

상기 12V 네트워크로부터 재생성된 전압 기준의 사용은 신뢰성 문제를 가져올 수 있다. 실제로, 상기 12V 네트워크(방전된 전지)의 오작동은 구동 전지가 더 이상 모니터링 되지 못하도록 한다.

상술한 것을 상기해 보면, 전지 소자 각각의 전압 측정은 진정한 안전 기능을 구성하는데, 특히 전지에 제공된 에너지 양이 높기 때문이다. 그러므로 가능한 정확하고 신뢰할 수 있는 전압 측정을 구비하는 것이 필요하다. 그러나, 선행 기술에 따른 전기 자동차용 전지에서 사용된 전압 획득 체인은 몇몇 약점을 가지고 있다.

우선, 전자적 구성은 구성요소의 속성이 완벽히 신뢰할 수 있으며 완벽히 정의되었다는 것을 암시한다. 그러나, 전자적 구성요소의 속성은 시간이 지남에 따라 악화되며/되거나 사용환경(온도)의 상관적 요소에 따라 전개되는 것으로 일반적으로 받아들여진다.

또한, 정확하고 믿을 수 있는(특히 "평판" 편파 커브("flat" polarization curve)를 갖는 전지 소자에 대해) 전지의 충전 상태(state of charge, SOC) 측정을 얻기 위해 각각의 전지 소자 전압 측정에서 요구되는 정확성은 전압 획득을 위해 감산기 어셈블리에서 극도로 정확한 저항기(그러므로 매우 비싸거나, 심지어 구할 수 없는)의 사용을 요구한다.

또한, 측정 체인이 오작동할 경우, 전압 값에 대한 오류 정보를 시스템에 되돌려 줄 수 있고, 이는 전지의 안전성에 대해 극적인 결과를 가져올 수 있다. 과대평가된 소자 전압 측정은 시스템에 유도된 비검출 방전을, 과소평가된 측정은 유도된 비검출 충전을 각각 가져올 수 있다.

선행기술에 따른 전압 모니터링 장치는 그러므로 측정 체인의 오프셋과 관련된 오류를 가지며, 또한 전지 소자의 내부 저항기에 따라 좌우되는 공통 모드가 있을 경우, 상기 소자의 노후와 온도의 상관적 요소에 따라 강하게 전개되는 것에 민감하다. 이러한 부정확한 정보원에, 증폭기 이득(gain)에서의 오류, 오프셋, 및 근본적으로 온도에 의해 좌우되는 이득이 추가될 수 있다.

생산 라인에서의 측정 체인 보정은 온도 및 소자의 수명과 관련된 이러한 오류의 차이를 고려하는 것을 가능하게 하지 않는다. 그러므로 이러한 오류를 보상하고 발생 가능한 비선형 오류를 제거하기 위해 각각의 측정 전에 체인을 보정할 수 있는 것이 중요하다.

본 발명은 선행기술의 결점을 극복하는 것을 목적으로 하는데, 특히, 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자의 전압을 모니터링 하기 위한 간단하고 경제적인 장치를 제안하며, 상기 장치는 전압 측정의 정확성에 있어서 탁월한 수준의 신뢰성을 가져서, 사용 기간의 지속, 자율성, 전지의 안전성뿐만 아니라 충전 상태 계산의 정확성을 증가시킬 수 있도록 한다.

이를 위해, 제1 관점에 따라, 본 발명은 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자의 전압(U_ELT) 모니터링 방법을 제안하며, 상기 방법은 감산기 어셈블리를 이용하고 보정 절차를 수행하여 상기 소자의 단자에서 전압(U_BRUT)의 측정을 제공하며 보정 절차는 다음의 단계들:

상기 소자의 단일 양(positive)의 단자에서 상기 감산기 어셈블리의 입력을 정류하고 상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(U_ETAL ₊)을 측정하는 단계;

상기 소자의 단일 음(negative)의 단자에서 감산기 어셈블리의 유입(inlet)을 정류하고 상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(U_ETAL _-)을 측정하는 단계;

관계식

의해 정의된 평균 오프셋 전압(average offset voltage, U_CORR)을 설정하는 단계;

관계식

으로 소자의 전압(U_ELT)을 결정하기 위해 평균 오프셋 전압(U_CORR)을 이용하여 측정 전압(U_BRUT)을 보정하는 단계;

를 포함한다.

제2 관점에 따라, 본 발명은 그러한 방법의 구현에 의한 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자의 전압(U_ELT) 모니터링 장치를 제안하며, 상기 장치는 연산 증폭기와 연계한 저항기들로 만들어진 감산기 어셈블리를 포함하며, 상기 감산기 어셈블리는, 또한, 상기 소자의 단일 단자에서 각각 상기 연산 증폭기 입력의 정류를 가능하게 하는 두 개의 정류자(commutator)를 포함하고, 상기 장치는 상기 어셈블리에 의해 전달된 전압 측정 방법 및 상기 평균 오프셋 전압(U_CORR) 설정과 상기 측정 전압(U_BRUT) 보정 방법을 포함하는 디지털 프로세싱 유닛을 더 포함한다.

제3 관점에 따라, 본 발명은 전지 소자의 전압 모니터링 시스템을 제안하며, 상기 시스템은, 각각의 소자에 대한, 그러한 모니터링 장치, 상기 모니터링 장치에서 공통인 적어도 하나의 기준 전압 발생 가능한 생성 회로(creation circuit)뿐만 아니라 디지털 프로세싱 유닛을 포함하고, 상기 시스템은 전압 측정에 대한 아날로그-디지털 변환기 및 전지를 관리하기 위한 중앙 시스템을 구비한 디지털 프로세싱 유닛에 대한 광커플러를 더 포함한다.

제4 관점에 따라, 본 발명은 여러 개의 전기 에너지를 발생시키는 소자들로 형성된 적어도 하나의 모듈을 포함하는 전지를 제안하며, 상기 전지는, 각각의 모듈에 대한, 전압 모니터링을 위한 그러한 시스템을 포함한다.

본 발명의 다른 특이성들과 이점들은 수반되는 도면과 관련하여 주어진 다음의 기술에서 명백해질 것이다.

도 1은 전지 모듈뿐만 아니라 상기 모듈을 형성하는 소자의 전압 모니터링 시스템을 도시하며;
도 2는 본 발명에 따른 모니터링 장치를 위한 감산기 어셈블리의 제1 실시예의 배선도를 도시하며;
도 3은 도 2에 따른 상기 감산기 어셈블리를 제공하기 위한 두 개의 기준 전압의 생성 회로의 배선도를 도시하며;
도 4는 본 발명에 따른 모니터링 장치를 위한 감산기 어셈블리의 제2 실시예의 배선도를 도시한다.

연속하여 배치된 여러 개의 전기 에너지를 발생시키는 소자들(1)에 의해 형성된 적어도 하나의 모듈(M)을 포함하는 전지의 실시예가 아래에서 설명된다. 특히, 상기 전지는 연속하여 배치된 여러 개의 모듈(M)을 포함한다.

도 1에서, 모듈(M)은 두 개의 인접한 모듈(M+1, M-1)에 연결되어 있는 것으로 나타내지며, 상기 모듈은 평행하게 배치된 두 개의 전기화학 셀(electrochemical cell, 2)로 각각 형성된 6개의 소자(1)를 포함한다.

모범적인 실시예에서, 상기 전기화학 셀(2)은 리튬 이온(Lithium-ion) 또는 리튬 폴리머(Lithium-polymer) 타입이다.

소자(1)의 어셈블리는 제3 및 제4 소자(1) 사이에 위치한 0V 로컬(local)로 일컬어지는 중앙 전위(central potential)를 나타내며, 상기 중앙 전위는 모듈(M)의 영 전위를 정의하며, 각각 세 개의 상부 소자(1) 쪽은 양(positive)의 전위 구역이고 세 개의 하부 소자(1) 쪽은 음(negative)의 전위 구역이다.

이러한 중앙 전위와 관련하여, 제3 상부 소자(1)의 단자는 상기 모듈(M)의 양의 공급(+U)을 정의하고, 반면 상기 모듈(M)의 음의 공급(-U)은 제3 하부 소자(1)에 의해 정의된다. 그러므로, 상기 모듈(M)은 상기 소자(1)의 충전 상태에 의해 좌우되는 가변 전압(variable voltage)을 전달한다. 특히, 각각의 소자(1)는 최대 5V까지 충전될 수 있고 최대 1.7V까지 방전될 수 있어서, 상기 모듈에 의해 전달되는 상기 전압은 15V와 5V 사이에서 구성된다.

상기 전지는 자동차의 구동 전기 엔진에 공급하기 위해 좀더 특별히 개조되는데, 여기서 상기 자동차는 전기 자동차이거나 또는 전기-열 하이브리드 타입의 일종이다. 그러나, 본 발명에 따른 상기 전지는 또한 다른 유형의 운송 수단, 특히 항공술(aeronautics)에서 전기 에너지를 저장하기 위해 응용됨을 알 수 있다. 더욱이, 풍차와 같은 고정식 응용에서, 본 발명에 따른 상기 전지는 또한 안성맞춤으로 사용될 수 있다.

상기 전지는, 각각의 모듈(M)에 대한, 전압 측정 시스템을 더 포함하며, 상기 시스템은, 각각의 소자(1)에 대한, 상기 소자의 전압 측정 장치를 더 포함한다. 도 1에서, 상기 전지는, 각각의 소자에 대한, 온도 측정 장치(3)뿐만 아니라 균형 장치(balancing device, 4), 이에 더하여 주위 온도(ambient temperature) 측정 장치(5)를 더 포함한다.

상기 측정 장치는 연산 증폭기(7)와 연계한 네 개의 저항기(R1-R4)로 만들어진 감산기 어셈블리(6)를 포함한다. 또한, 상기 감산기 어셈블리(6)는 두 개의 정류자(ETAL+, ETAL-)를 포함하는데, 이는 상기 소자(1)의 단일 단자에서 각각 상기 연산 증폭기(7) 입력의 정류를 가능하게 한다.

이러한 장치는 상기 감산기 어셈블리(6)를 사용하여 상기 소자의 단자에서 전압(U_BRUT) 측정을 제공함으로써 소자(1)의 전압 측정을 가능하게 한다. 또한, 상기 모니터링은 보정 절차를 제공함으로써 수행되는데 이 보정 절차는 공통 신호 및 측정 체인의 오프셋에 연결된 오류를 취소하는 것을 가능하게 한다.

상기 보정 절차는 다음의 단계들:

상기 소자(1)의 단일 양의 단자에서 상기 감산기 어셈블리(6)의 입력을 스위치(switch)하기 위해 상기 정류자(ETAL+)를 활성화하고 상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(U_ETAL ₊)을 측정하는 단계;

상기 소자의 단일 음의 단자에서 상기 감산기의 입력을 스위치하기 위해 상기 정류자(ETAL+)를 불활성화하고 상기 정류자(ETAL-)를 활성화하며 상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(U_ETAL _-)을 측정하는 단계;

관계식

의해 정의되는 상기 평균 오프셋 전압(U_CORR)을 설정하는 단계;

관계식

으로 상기 소자의 전압(U_ELT)을 결정하기 위해 상기 평균 오프셋 전압(U_CORR)을 이용하여 상기 측정 전압(U_BRUT)을 보정하는 단계;

를 포함한다.

이러한 보정 절차는 상기 증폭기(7)의 오프셋을 보정하는 것을 가능하게 한다. 이를 위하여, 상기 모니터링 장치는 상기 감산기 어셈블리(6)에 의해 전달된 전압 측정 방법뿐만 아니라 상기 평균 오프셋 전압(U_CORR) 설정 및 상기 측정 전압(U_BRUT) 보정 방법을 포함하는 디지털 프로세싱 유닛(8)을 더 포함한다.

도 1과 관련하여, 상기 프로세싱 유닛(8)은 프로세서(9)를 포함하며, 상기 유닛은 모듈(M)의 모니터링 장치에서 공통된 것이다. 상기 유닛은 전압 측정에 관계되는 아날로그-디지털 변환기(10) 및 상기 전지를 관리하기 위한 중앙 시스템을 구비한 상기 프로세서(9)에 관계되는 광커플러(11)를 더 포함한다. 도시되지 않은 대안으로, 상기 프로세싱 유닛(8)의 구성요소는 눈에 잘 안 띄게 제공될 수 있는데, 특히 상기 변환기(10)는 상기 프로세서(9)로부터 분리될 수 있다.

도시된 실시예에서, 상기 유닛(8)과 상기 중앙 관리 시스템 간의 통신은 자동차의 디지털 링크 버스(12)를 통해 수행되며, 이 버스(12)의 인터페이스(13)가 상기 모니터링 시스템에 제공된다. 또한, 상기 모니터링 시스템은 상기 프로세서(9)와 상기 광커플러(15) 사이의 리셋 기능(reset function, 14)을 더 포함한다. 뿐만 아니라, 상기 유닛(8)은 상기 균형 장치(4)와 통신하기 위한 장치(24)를 포함한다.

유리하게, 상기 보정 절차는 소자(1) 단자에서 각각의 전압(U_BRUT) 측정에 대하여 수행된다. 또한, 상기 보정 절차는 상기 결정 전압(U_ELT)과 측정 전압(U_BRUT)의 차이가 임계 전압보다 낮음을 검증하기 위한 검사를 포함할 수 있고, 상기 검사가 음이면 모니터링 오작동 상태가 설정된다.

또한 상기 측정, 그러한 검증에서의 정확성 증가는 값(U_CORR)을 이전의 결정 임계값과 비교함으로써 상기 측정 체인의 어떠한 오작동도 검출될 수 있는 정도까지 추가적인 신뢰성 기능의 보장을 가능하게 한다. 대안으로, 각각의 소자(1) 값(U_CORR)은 상기 소자들 사이의 상당한 보정 차이를 검출하기 위해 서로서로 비교될 수 있다. 실제로, 특히 상기 측정 체인이 동일한 전자적 구성요소 배치(batch)로 수행되면, 그러한 차이는 검증 검사에 의해 설정될 수 있는 모니터링 오작동을 뜻한다.

도시된 실시예에서, 상기 증폭기(7)의 음의 입력은 기준 전압(U_REF)을 지닌 저항기(R3)를 이용하여 공급된다. 상기 기준 전압(U_REF)은 상기 소자 전압(U_ELT)의 결정에서 상기 측정 전압(U_BRUT)으로부터 감산되기 위해 측정된다.

이를 위해, 상기 모니터링 장치는 상기 감산기 어셈블리(6)에 공급하는 적어도 하나의 기준 전압(U_REF)의 생성 회로(16)를 더 포함한다. 도 1에서, 상기 모니터링 시스템은 상기 모듈(M)의 모니터링 장치에서 공통인 회로(16)를 포함하며, 상기 프로세싱 유닛(8)에 변환기(10)를 이용하여 기준 전압(U_REF) 측정이 제공되어 상기 모니터링 방법의 구현이 가능하도록 한다.

상기 프로세싱 유닛은 상기 모듈(M)의 상기 소자(1)에 의해 전달된 가변 연속 전압(variable continuous voltage)에 의해 전기로 공급되는 배전(electric supply, 17)을 포함한다. 이를 위하여, 상기 공급 회로는 광커플러(20)와 연계한 웨이크업 기능(wake-up function,19)을 사용하여 전지를 관리하기 위한 상기 중앙 시스템에 의해 제어되는 차단기(interruptor, 18)를 갖는다.

상기 설명된 실시예에서, 상기 공급은 상부 소자(1)에 의해 수행되고 상기 전지는 상기 하부 소자(1)에서의 소모를 보상하기 위한 장치(21)를 통합하여 상기 소자들 간의 균형을 유지하도록 한다.

도 1 및 도 3과 관련하여, 상기 회로(16)는 전압 기준(22)을 포함하는데, 예를 들어 5V인 이 전압은 연산 증폭기(23) 및 저항기(R5-R8)를 포함하는 저항 브리지에 의해 나누어진다. 특히, 도 1에 나타난 바와 같이, 전류가 안정된 공급(25)에 의해 상기 전압 기준(22)에 공급된다. 또한, 상기 기준 전압(U_REF)은 상기 전압 기준(22)과 상기 소자(1)를 지닌 회로(circuit series)의 상기 로컬 중앙 전위(0V) 사이에 설정된다.

검증 절차의 구현을 가능하게 하기 위해, 상기 회로(16)는 두 개의 다른 기준 전압을 전달하기 위해 선택기(selector, CDE_TEST)를 포함한다. 제1 전압(도 3에서 상기 선택기의 위치)은, 예를 들어 0.2V 상태인, 상기 소자(1)의 단자에서 전압 측정(U_BRUT)이 수행되는 역 분극 전압(counter-polarizaiton voltage)에 상응한다. 그러므로, 상기 역 분극 전압을 상기 측정 오류보다 더 크게 하여 제공함으로써, 상기 측정 전압(U_BRUT)의 경미한 오프셋이 수행되어 약간 음인 전압이 상기 변환기(10) 영역에서 양으로 판독된다.

검증 전압(U_VER)으로 일컬어지는 제2 전압은 상기 소자(1) 최대 전압의 80%와 120% 사이에 포함된 값을 나타내기 위해 상기 역 분극 전압보다 더 클 수 있다. 그러므로, 상기 증폭기의 이득에 대한 검증은 측정 지역에 대응하는 전압에서 수행된다.

상기 검증 절차는 그러므로 다음의 단계들:

상기 검증 전압(U_VER)을 발생시키기 위하여 상기 선택기(CDE_TEST)를 활성화하고 상기 발생 전압을 측정하는 단계;

상기 감산기 어셈블리(6)에 기준 전압으로 상기 검증 전압을 공급하는 단계;

상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(U_ETAL _{_} _VER)을 측정하는 단계;

상기 측정 전압(U_VER)과 상기 보정 전압(U_ETAL _{_} _VER)의 차이가 임계 전압보다 낮음을 검증하기 위하여 검사를 수행하며, 상기 검사가 음이면 모니터링 오작동 상태가 설정되는 단계;

를 포함한다.

또한, 반복되는 상기 모니터링 프로세스에서, 상기 보정 전압(U_ETAL _{_} _VER)은 이전에 정의된 평균 오프셋 전압(U_CORR)을 이용하여 보정될 수 있어서, 이전의 보정으로부터 이득을 얻을 수 있게 된다.

특히, 상기 검증 절차는 소자(1) 단자에서 각각의 전압(U_BRUT) 측정에 대해 수행될 수 있고, 사용된 상기 평균 오프셋 전압(U_CORR)은 상기 전압의 이전의 측정을 위해 정의된 것에 해당할 수 있다.

더욱이 상기 모니터링의 안전성의 목적으로, 상기 검증 절차는 검증 전압(U_VER) 값이 주어진 범위 내에서 구성되어 있는지를 검증하기 위한 검사를 포함할 수 있으며, 상기 검사가 음이면 모니터링 오작동 상태가 설정된다.

또한, 상기 모니터링 프로세스는 상기 역 분극 전압의 값이 주어진 범위 내에 있는지를 검증하기 위한 검사를 제공할 수 있으며, 상기 검사 결과가 음이면 모니터링 오작동 상태가 설정된다.

도 4와 관련하여, 상기 어셈블리의 이득을 보상하기 위한 절차의 구현을 가능하게 하는 감산기 어셈블리가 아래에 기술되어 있으며, 상기 절차는:

제1 전압 검사(U_TEST ₊)를 발생시키고 상기 발생 전압을 측정하는 단계;

상기 어셈블리의 양의 입력에서 상기 이득(G+)을 결정하기 위하여 상기 감산기 어셈블리(6)에 상기 검사 전압을 공급하는 단계;

제2 전압 검사(U_TEST _-)를 발생시키고 상기 발생 전압을 측정하는 단계;

상기 어셈블리의 음의 입력에서 상기 이득(G-)을 결정하기 위하여 상기 감산기 어셈블리(6)에 상기 검사 전압을 공급하는 단계;

관계식

으로 평균 이득을 계산하는 단계;

관계식

으로 상기 평균 이득(G_MOY)에 의해 결정 전압(U_ELT)을 보상하는 단계;

를 제공한다.

이를 위해, 상기 감산기 어셈블리는 두 개의 다른 정류자(TEST₊, TEST_-)를 포함하는데, 이는 정류자(E_TAL ₊, E_TAL _-)에 각각 연속으로 배치된 것이고, 상기 회로는 네 개의 참조 전압을 전달하기 위해 배열된 것으로, 이는 각각 역 분극 전압(U_REF), 검증 전압(U_VER) 및 두 개의 검사 전압(U_TEST ₊,U_TEST _-)이다.

본 발명은 0.1%의 정확성을 지닌 100kOhms 및 25 ppm/℃의 변화량 및 아날로그 디바이스(Analog Devices) OP747 타입 7, 23 증폭기인 상태에서 저항기(R1-R8)의 사용을 가능하게 하며, 반면 수행된 상기 전압 측정(U_BRUT)의 정확성 면에서 탁월한 수준의 신뢰성을 나타낸다.

특히, 본 발명은 상기 전지 충전 상태에 대한 정확한 정의를 보장하는 것을 가능하게 한다. 실제로, 상기 소자(1)의 방전 곡선(discharge curve)은 잔여 용량 기능으로 무부하 전압(off-load voltage)의 진전을 나타낸다. 이러한 방전 곡선의 기울기는 상기 소자(1)의 화학적 구성요소의 기능에 따라 좀더 많거나 혹은 좀더 적게 나타나고 측정 정확성의 증가는 상기 기울기가 "평평해"짐에 따라 더욱 중요해진다.

그러나, 공통 모드 앞에 연결된 전압 오류를 제거함으로써, 본 발명은 대개의 경우에 4mV보다 낮은 전압 측정에 대한 정확성을 얻는 것을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 측정 오류를 검출 및 보상, 또한 전기적 구성요소 성능의 시간초과에 따른 열화(over-time deterioration)에 대한 보상을 가능하게 하는데, 이는 신뢰성 면에서 정말 이점이 있다.

모두 설명한 바와 같이, 본 발명은 특히 다음의 이점들을 집적하는 것을 가능하게 하는데:

전압 측정의 정확성을 증가시키고 상기 측정 체인의 오작동이라는 좋지 못한 성능으로 연결되는 측정 오류 보상하며;

특히 리튬 이온(Li-ion) 전지용 자동 보정 및 자동 검사 측정 체인을 구현하며;

구성요소의 결함을 제거하며;

구성요소 속성의 시간초과에 따른 열화를 제거하며;

탁원한 균형 품질을 보장하며;

전지의 신뢰성에 기여하며;

광커플러의 수를 제한하며(경제적 이득);

평평한 방전 곡선을 갖는 소자(1)의 정확한 SOC 계산을 수행하며;

상기 측정 체인의 온도에 따른 열화를 보정한다.

Claims

감산기 어셈블리(subtractor assembly, 6)를 이용하고 보정 절차를 수행함으로써 전지 소자의 단자에서 전압(U_BRUT)의 측정을 제공하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법에 있어서,
상기 소자(1)의 단일 양(positive)의 단자에서 상기 감산기 어셈블리(6)의 입력을 스위치하고 상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(calibration voltage, U_ETAL+)을 측정하는 단계;
상기 소자(1)의 단일 음(negative)의 단자에서 상기 감산기 어셈블리(6)의 입력을 스위치하고 상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(U_ETAL _-)을 측정하는 단계;
관계식
에 의해 정의된 평균 오프셋 전압(average offset voltage, U_CORR)을 설정하는 단계; 및
관계식
으로 상기 소자(1)의 전압(U_ELT)을 결정하기 위해 상기 평균 오프셋 전압(U_CORR)을 이용하여 측정 전압(measured voltage, U_BRUT)을 보정하는 단계:
를 포함하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 보정 절차는 상기 소자(1)의 단자에서 각각의 전압(U_BRUT)측정에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 보정 절차는 상기 결정 전압(determined voltage, U_ELT)과 측정 전압(U_BRUT) 사이의 차이가 임계 전압(threshold voltage)보다 더 낮음을 검증하기 위한 검사를 포함하며, 상기 검사가 음(negative)이면 모니터링 오작동 상태가 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감산기 어셈블리(6)에 기준 전압(reference voltage, U_REF)이 공급되며, 상기 기준 전압은 상기 소자(1)의 전압(U_ELT) 결정에 있어서 상기 측정 전압(U_BRUT)으로부터 감산되기 위해 측정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 모니터링 방법은 검증 절차를 제공하되, 상기 검증 절차는:
검증 전압(verification voltage, U_VER)을 발생시키고 상기 발생 전압(generated voltage)을 측정하는 단계;
상기 감산기 어셈블리(6)에 기준 전압으로 상기 검증 전압을 공급하는 단계;
상기 어셈블리에 의해 전달된 보정 전압(U_ETAL _{_} _VER)을 측정하는 단계; 및
상기 측정 전압(U_VER)과 상기 보정 전압(U_ETAL _{_} _VER) 사이의 차이가 임계 전압보다 더 낮음을 검증하기 위한 검사를 수행하는 단계로, 여기서 상기 검사가 음이면 모니터링 오작동 상태가 설정되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 보정 전압(U_ETAL _{_} _VER)은 이전에 정의된 평균 오프셋 전압(average offset voltage, U_CORR)을 이용하여 보정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 검증 절차는 검증 전압(U_VER) 값이 주어진 범위 내에 포함되는 것을 검증하기 위한 검사를 포함하며, 상기 검사가 음이면 모니터링 오작동 상태가 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검증 절차는 상기 소자(1)의 단자에서 각각의 전압(U_BRUT) 측정을 위해 수행되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 검증 전압(U_VER)은 상기 기준 전압(U_REF)보다 높은 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 검증 전압(U_VER)은 상기 소자(1) 최대 전압의 80%와 120% 사이에 포함된 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 4 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기준 전압(U_REF)의 값이 주어진 범위 내에 포함되는 것을 검증하기 위한 검사를 제공하며, 상기 검사가 음이며 모니터링 오작동 상태가 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 4 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소자(1)는 모듈(M)을 형성하기 위해 다른 소자들과 함께 연속적으로 배치되며, 상기 기준 전압(U_REF)은 기준 전압(22)과 상기 회로(circuit series)의 중앙 전위(central potential) 사이에 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모니터링 방법은 상기 감산기 어셈블리(6)의 이득(gain) 보상을 위한 절차를 포함하되, 상기 절차는:
제1 검사 전압(U_TEST ₊)을 발생시키고 상기 발생 전압을 측정하는 단계;
상기 어셈블리의 양의 입력에서 상기 이득(G₊)을 결정하기 위해 상기 감산기 어셈블리(6)에 상기 검사 전압을 제공하는 단계;
제2 검사 전압(U_TEST _-)을 발생시키고 상기 발생 전압을 측정하는 단계;
상기 어셈블리의 음의 입력에서 상기 이득(G_-)을 결정하기 위해 상기 감산기 어셈블리(6)에 상기 검사 전압을 제공하는 단계;
관계식
으로 평균 이득을 계산하는 단계; 및
관계식
으로 상기 평균 이득(G_MOY)에 의해 상기 결정 전압(U_ELT)을 보상하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 방법.
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 방법을 구현함으로써 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 장치에 있어서,
상기 장치는 연산증폭기(operational amplifier, 7)와 연계된 저항기(R1-R4)에 의해 수행되는 감산기 어셈블리(6)를 포함하며, 상기 감산기 어셈블리는 상기 소자(1)의 단일 단자에서 각각 상기 연산 증폭기(7) 입력의 정류를 가능하게 하는 두 개의 정류자(commutator, ETAL₊, ETAL_-)를 더 포함하며, 상기 장치는 상기 어셈블리에 의해 전달된 전압 모니터링 방법 및 상기 평균 오프셋 전압(U_CORR) 설정과 상기 측정 전압(U_BRUT) 보정 방법을 포함하는 디지털 프로세싱 유닛(digital processing unit, 8)을 더 포함하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 장치.
청구항 14에 있어서,
상기 감산기 어셈블리(6)에 공급하는 적어도 하나의 기준 전압을 생성하기 위한 회로(16)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 회로(16)는 연산 증폭기(23) 및 저항기(R5-R8)를 포함하는 저항 브리지(resistive bridge)에 의해 나누어지는 기준 전압(22)을 포함하며, 상기 회로는 두 개의 다른 기준 전압을 전달하기 위한 선택기(selector, CDE_TEST)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 발생시키는 전지 소자(1)의 전압(U_ELT) 모니터링 장치.
전지 소자(1)의 전압 모니터링 시스템에 있어서,
상기 시스템은, 각각의 소자(1)에 대하여, 청구항 14 내지 청구항 16의 어느 한 항에 따른 모니터링 장치, 상기 모니터링 장치들에서 공통인 적어도 하나의 기준 전압 발생 가능한 생성 회로(creation circuit, 16)뿐만 아니라 상기 디지털 프로세싱 유닛(8)을 포함하며, 상기 시스템은 상기 전압 측정에 대한 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, 10) 및 상기 전지를 관리하기 위한 중앙 시스템을 구비한 상기 디지털 프로세싱 유닛(8)의 광커플러(optocoupler, 11)를 더 포함하는 전지 소자(1)의 전압 모니터링 시스템.
여러 개의 전기 에너지 발생 소자(1)로부터 형성된 적어도 하나의 모듈(M)을 포함하는 전지에 있어서,
상기 전지는, 각각의 모듈(M)에 대하여, 청구항 17에 따른 전압 모니터링 시스템을 포함하는 전지.
청구항 18에 있어서,
상기 모니터링 시스템은 상기 소자(1)를 이용하여 전기적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 전지.