KR20120073247A

KR20120073247A - 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템

Info

Publication number: KR20120073247A
Application number: KR1020127007724A
Authority: KR
Inventors: 콘래드 러셀
Original assignee: 보이트 파텐트 게엠베하
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-07-04
Also published as: DE102009039161A1; RU2012111677A; WO2011023265A3; EP2471157A2; US20120229099A1; CN102754300A; WO2011023265A2

Abstract

본 발명은 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템에 관한 것으로서, 복수의 저장 셀을 포함하며, 각각의 작동 전압을 갖는다. 장치와 연속하는 스위칭 소자뿐만 아니라 전기 부하가 저장 셀에 병렬로 배열된다. 한계 전압에 도달하거나 혹은 초과할 때 스위칭 소자가 닫힌다. 게다가 시스템은 복수의 저장 셀의 작동 전압으로부터 설정된 전압 값에 따라 한계 전압을 조절하기 위하여 배열되는, 제어 장치를 포함한다. 또한 복수의 저장 셀을 갖는 전기 에너지를 저장하기 위하여 디자인되는 시스템을 제어하기 위한 방법뿐만 아니라 전기 에너지를 저장하기 위한 저장 셀이 제공된다.

Description

전기 에너지를 저장하기 위한 시스템{SYSTEM FOR STORING ELECTRICAL ENERGY}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 더 상세히 정의된 것과 같은 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 게다가 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템에 관한 것이다.

전기 에너지를 저장하기 위한 시스템, 및 특히 여기서는 전기 차량 또는 특히 하이브리드 차량에서의 전기 운전 에너지(electric traction energy)를 저장하기 위한 시스템들이 종래에 일반적으로 알려져 있다. 전기 에너지를 저장하기 위한 그러한 시스템들은 일반적으로 예를 들면 직렬 및/또는 병렬로 전기적으로 함께 연결된 각각의 저장 셀(storage cell)을 포함한다.

저장 셀로서 다양한 축전지 셀(accumulator cell) 혹은 커패시터 셀(capacitor cell)들이 기본적으로 고려될 수 있다. 차량 및 여기서는 특히 다용도 차량의 구동 트레인에서 사용되는 경우에 있어서 에너지를 저장하고 이용하기 위하여 발생하는, 상대적으로 높은 에너지 양 및 특히 높은 성능 때문에, 사용되는 저장 셀들은 충분한 에너지 함량 및 높은 성능을 갖는 바람직한 것들이다. 그렇게 하기 위하여, 축전지 셀은 예를 들면 리튬 이온 기술에서 사용될 수 있거나 또는 특히 매우 강력한 이중 층(double-layer) 커패시터의 형태로 저장 셀에서 사용될 수 있다. 이러한 커패시터들은 전문 직종에서 또한 슈퍼커패시터(supercapacitor), 슈퍼캡스(supercaps) 또는 울트라커패시터로서 디자인된다. 높은 에너지 함량을 갖는 종래의 슈퍼커패시터 또는 축전지 셀이 현재 사용되는가와 상관없이, 전체로서 연결될 수 있거나 또는 또한 서로 직렬로 블록을 이루는 복수의 저장 셀을 포함하는 현재의 어셈블리와 함께, 다양한 저장 셀의 전압은 그것들의 디자인에 의해, 상부 전압 값 혹은 한계 전압(threshold voltage)에 한정된다. 예를 들면 전기 에너지를 저장하기 위하여 시스템을 충전할 때 상기 상부 전압 값이 초과하면 저장 셀의 수명은 일반적으로 급격히 감소한다.

미리 설정된 제조 허용 오차 때문에, 각각의 저장 셀은 일반적으로 예를 들면 자가 충전과 관련하여 실제로 그것들의 특성에 있어서 서로 약간 벗어날 수 있다. 그 결과 다른 저장 셀에 대해서보다 약간 더 작은 작동 전압이 각각의 저장 셀을 위하여 이용될 수 있다. 그러나 최대 전압은 일반적으로 전체 시스템에 대하여 동일하게 남으며 최대 전체 전압은 특히 충전 동안 일반적인 작용 기준을 나타내기 때문에, 효과는 변함없이 낮은 작동 전압을 갖는 저장 셀에 직렬로 연결되는 다른 저장 셀들이 다소 높은 전압을 가지며 충전 과정 동안 허용되는 각각의 최대 전압 한계를 넘어 충전된다는 것이다. 그러한 과전압은 이미 위에서 설명된 것과 같이, 상기 각각의 저장 셀 및 따라서 또한 전기 에너지를 저장하기 위한 전체 시스템의 가능한 수명의 상당한 감소에 이르게 한다.

다른 한편으로는, 전압이 강하게 내려간 저장 셀은 사이클릭 작동(cyclic operation)에서 강력한 전기 에너지를 위한 시스템에서 반대의 극성을 갖는데, 이는 또한 수명을 현저히 감소시킨다.

그러한 문제에 대처하기 위하여, 일반적인 기술은 두 가지 서로 다른 형태의 이른바 셀 전압 균형(cell voltage balance)을 제공한다. 일반적으로 보통의 "셀 전압 균형" 용어가 여기서는 다소 오해할 수 있는데 그 이유는 여기서 전압 또는 더 정확히는 각각의 저장 셀의 에너지 함량은 서로 균형잡히지 않기 때문인데, 그러나 너무 높은 전압을 갖는 셀들은 그것들의 전압이 감소되는 것을 알 수 있다. 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템의 전체 전압은 일정하게 유지되기 때문에, 전압이 내려간 셀은 시간이 지나 이른바 셀 전압 균형을 거쳐 회복될 수 있으며 따라서 적어도 극성 역전의 위험은 배제된다.

전기 저항기가 각각의 저장 셀에 서로 병렬로 스위치되고 그 결과 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템의 열뿐만 아니라 바람직하지 않은 꾸준한 방전이 존재하는 수동(passive) 셀 전압 균형에 더하여, 활성(active) 셀 전압 균형이 또한 적용된다. 그렇게 하기 위하여, 각각의 저장 셀에 서로 병렬로 연결되는 저항기에 더하여, 저장 셀에 병렬로 그리고 저항기에 직렬로 전기 한계 스위치(electric threshold switch)가 연결된다. 따라서 또한 우회(by-pass) 전자 어셈블리로서 지정되는, 상기 어셈블리는 셀의 작동 전압이 현재의 한계 전압 위에 위치할 때, 전류만 흐르게 한다. 각각의 저장 셀의 전압이 현재 한계 전압 아래 영역으로 회복되자마자, 스위치는 열리며 더 이상 어떤 전류도 흐르지 않는다. 각각의 저장 셀의 전압이 미리 설정된 한계 값 아래일 때 전기 저항기는 항상 스위치를 거쳐 불활성화되는 사실 때문에, 전기 에너지를 저장하기 위한 전체 시스템의 바람직하지 않은 방전이 광범위하게 예방될 수 있다. 또한 바람직하지 않은 꾸준한 열 발생은 활성 셀 전압 균형으로의 그러한 접근에 문제가 되지 않는다.

확실히, 상기 활성 셀 전압 균형은 서로 관련된 셀들의 다양한 전압의 어떠한 실제 균형도 유도하지 않으나, 저장 셀들은 천천히 감소하는 과전압에 의한 초과를 제한하기 위하여, 한계 전압이 초과한 경우에 작은 우회 전류와 함께 방전된다. 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템이 다시 방전하자마자 그때 우회 전압만이 흐르는데, 그 이유는 이러한 상황에서 전압은 상응하는 한계 아래로 떨어지며 스위치가 다시 열리기 때문이다. 이는 특히 예를 들면 하이브리드 구동과 같은, 사이클릭 작동을 갖는 적용에서 볼 수 있는데, 그 이유는 만일 회복의 부족 때문에 그리고 강력한 증가 발생 동안에 저장 장치가 완전히 충전되지 않으면 이러한 적용의 경우에 각각의 전압 셀을 위한 한계 전압은 매우 짧은 시간 동안만 달성되거나 혹은 상당한 시간 동안 전혀 달성되지 않기 때문이다. 이는 셀 전압 균형이 작동하는 것을 방지하며 특히 다른 셀들이 너무 높은 전압에서 작동되는 동안 낮은 작동 전압을 갖는 다양한 저장 셀들의 심각한 방전 또는 극성 역전의 위험을 수반하는 것을 방지한다.

전기 에너지를 저장하기 위한 시스템의 수명은 설명된 하이브리드 구동, 여기서는 특히 도시 및 지역 교통에서의 옴니버스(omnibus)와 같은 다용도 차량용 하이브리드 구동과 함께 필수적으로 중요하다. 그러한 적용에 적절한 성능 범주 내의 종래의 구동 트레인과 달리, 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템은 하이브리드 구동을 위한 경비의 상당 부분을 대표한다. 따라서 그러한 적용으로 상당히 높은 수명이 달성될 수 있다는 것이 특히 중요하다.

따라서 본 발명의 목적은 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템을 제공하는 것인데, 이는 부분적으로 설명된 단점들을 예방하고 특히 사이클릭 작동에서 효율적인 셀 전압 균형을 포함한다.

본 발명의 목적은 독립항들의 특징을 갖는 시스템 및 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 또 다른 실시 예들이 종속항에 개시된다.

특히, 본 발명은 각각 작동 전압을 갖는 저장 셀을 포함하며, 반면에 장치와 연속하는 스위칭 소자뿐만 아니라 전기 부하가 저장 셀에 병렬로 배열되며 반면에 한계 값에 도달하거나 혹은 초과할 때 스위칭 소자가 닫히는, 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템을 제시한다. 시스템은 복수 혹은 모든 저장 셀의 작동 전압으로부터 설정되는 전압 값에 따라 한계 전압을 조절하기 위하여 배열되는, 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 따라 저장 셀의 전류 작동 상태, 즉 그것들의 작동 전압으로부터 유래될 수 있는 전압 값 상의 제어 장치에 의해 예를 들면 각각의 저장 셀에 대한 한계 전압을 조절하는 것이 가능하다. 복수의 저장 셀은 예를 들면 큰 저장 시스템 또는 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템의의 모든 저장 셀 전체의 모듈 또는 서브모듈(submodule)일 수 있다. 복수의 전압 값 또는 모든 저장 셀로부터 결정되는 전압 값은 예를 들면 평균 셀 전압, 결정된 평균 셀 전압, 또는 가변 값에 의해 변형되는 평균 셀 전압일 수 있다. 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템 또는 시스템의 모듈의 실제 전하 레벨에 따른 한계 전압의 그러한 동적 적용은 예를 들면 한계 전압을 현재 이용하는 평균 전압 위의 0.1V로 설정할 수 있다. 한계전압의 그러한 운전은 모듈 또는 전체 시스템의 전하 레벨에 관계없이, 증가된 셀 전압을 갖는 각각의 저장 셀이 방전된다는 사실을 제시한다.

평균 전압 값에 더해지는 전압의 양은 고정된 양일 수 있다. 그러나 또한 예를 들면 절대 전체 전압에 따라 또는 실제 작동 모드에 따라 또는 주변 혹은 다른 파라미터에 따라 선택될 수 있다. 따라서 예를 들면 전 세계적으로 낮은 전압 레벨의 저장 시스템의 존재하에서 상대적으로 높은 전압 값이 더해질 수 있으며, 반면에 반대로 상부 절대 한계 전압(upper absolute threshold voltage) 한계 부근에서 적은 양의 전압이 더해진다는 사실이 제공할 수 있다. 이는 낮은 전체 전압의 존재 하에서 셀 전압 균형을 위하여 사용되는 에너지의 양이 너무 높지 않으며 반면에 각각의 저장 셀의 최대 전압에 근접하는 전압 범위에서 상기 에너지의 양이 초과해서는 안 된다는 사실을 보장한다. 복수의 저장 셀의 작동 전압에 따른 한계 전압의 조절에 더하여, 부가적으로 복수의 저장 셀의 작동 전압과 관계없이, 한계 전압 값이 적용된다는 사실이 제공되는데, 이는 복수의 저장 셀로부터 유래되는 전압 값과 관계없이 최대 작동 전압이 초과할 수 있다는 사실을 보장한다. 그러나 이러한 절대 상부 최대 한계 전압 값은 또한 전체 시스템 또는 개별 모듈의 작동 상태 혹은 저장 장치의 현재 필요한 프로파일 혹은 또한 주변 온도 또는 시스템 온도와 같은, 주변 또는 다른 시스템 파라미터에 따라 달라질 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 일 실시 예에서 몇몇의 저장 셀을 위하여 중앙 제어 장치가 제공될 수 있다. 하나 혹은 몇몇의 중앙에서 제어되는 저장 모듈은 따라서 한계 전압의 고정과 관련하여 형성될 수 있는데, 상기 모듈은 한계 전압이 모듈 내부에서 균일하게, 그러나 예를 들면 각각의 모듈에 대하여 뚜렷하게 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시 예에서, 저장 셀의 복수의 작동 전압 중에서 공동의 전압 값을 형성하기 위하여 그리고 복수의 저장 셀의 한계 전압을 공동의 전압 값을 포함하는 값으로 조절하기 위하여 제어 장치가 설정된다. 복수의 저장 셀의 작동 전압 값 중에서 평균값을 형성하고 그와 같이 적용하는 것에 대해 언급한 가능성에 더하여 혹은 설정 혹은 가변 부를 더한 후에, 다른 파라미터들이 이러한 작동 전압 값 외에 한계 전압의 계산에 고려될 수 있다. 따라서 과거의 동력 프로파일 또는 예상되는 미래의 동력 프로파일뿐만 아니라, 현재의 동력 출력 또는 입력 프로파일이 한계 전압 값의 계산에 고려될 수 있다.

본 발명에 따른 시스템에서, 제어 장치는 결정된 간격에서 한계 전압을 조절한다는 사실이 제공된다. 시스템 또는 탐지된 모듈의 그러한 일시적 스캔(scan)은 또한 최소량의 제어로 저장 셀의 향상된 전압 제어를 가능하게 한다. 따라서 두 스캔 사이의 시간 간격은 예를 들면 시스템 또는 모듈의 전체 전압의 순서 혹은 전체 전압의 높이에 적용될 수 있다.

일 실시 예에서 또한 제어 장치는 한계 전압을 연속적으로 제어한다는 사실이 제공될 수 있다. 그러한 한계 전압의 실시간 적용은 언제든지 설정 한계 전압의 유지를 보장하며 따라서 발생할 수 있는 각각의 저장 셀의 초과 전압을 감소시킨다. 한계 전압 값은 특히 제어 유닛으로서 뿐만 아니라 폐쇄 조절 회로(closed regulating circuit)로서 조절될 수 있다.

본 발명의 동일하게 바람직한 실시 예는 스위칭 소자가 한계 전압을 제어하기 위하여 제어 입력을 갖는다는 사실을 제시한다. 스위칭 소자는 중앙에 배열될 수 있는 제어 장치를 거쳐 제어 입력에 의해 제어될 수 있다.

바람직한 실시 예는 제어 장치가 버스 라인(bus line)에 의해 저장 셀에 연결된다는 사실을 제시한다. 이는 복수의 저장 셀의 효율적인 작용을 가능하게 하며, 반면에 변경된 전압 값이 제어 장치로부터 저장 셀로 전달될 수 있을 뿐만 아니라, 현재의 작동 전압 값도 저장 셀로부터 저장 장치로 전달될 수 있다. 이는 시스템의 탐지된 모듈을 더 정확하게 하기 위하여 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템의 저장 레벨의 정확한 복제를 생성하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 간단한 실시 예에서, 부하는 저항기이나, 또한 예를 들면 빔 방사(beamed radiation)에 의한 것과 같이, 전기 에너지를 방출하기 위한 또 다른 수단들이 제공될 수 있다. 저장 셀은 이른바 슈퍼커패시터, 즉 이중 층의 커패시터로서 디자인될 수 있다. 간단한 일 실시 예에서, 스위칭 소자는 한계 스위치일 수 있다. 한계 스위치의 한계는 따라서 신호 또는 데이터 버스에 의해 제어 장치를 거쳐 조절될 수 있다. 그렇게 하기 위하여, 특히 스위칭 소자의 제어 입력이 적용될 수 있다.

제어 장치를 통한 스위칭 소자의 작용은 비접촉식 트랜스미션 유닛, 특히 절연 증폭기(isolation amplifier)를 포함할 수 있다. 절연 증폭기는 예를 들면 광커플러(optocoupler) 또는 또한 유도성 커플링에 의해 실현될 수 있으며 따라서 직류 전기에 의한 저장과 별도로, 스위칭 소자의 작용을 가능하게 한다. 그 결과, 한계 전압은 저장 셀로 직접 전달될 수 있거나 혹은 스위칭 소자를 위한 활성 신호가 또한 전달될 수 있다.

처음에 언급된 본 발명의 목적은 또한 장치에 연속적으로 배열되는 스위칭 소자뿐만 아니라 저장 셀에 병렬로 배열되는 전기 부하를 가지며, 반면에 한계 값에 도달하거나 혹은 초과할 때 스위칭 소자가 닫히는, 전기 에너지를 저장하기 위한 저장 셀로 해결된다. 본 발명에 따라 스위칭 소자는 한계 전압을 제어하기 위한 제어 입력을 갖는다는 사실이 제공된다. 모듈에 배열될 수 있는 부가적인 저장 셀들 뿐만 아니라 저장 셀의 현재 작동 전압이, 그 안에 프로세스되기 위하여 제어 입력에 의해, 중앙 제어 장치로 공급될 수 있으며 저장 셀의 한계 전압은 제어 입력을 거쳐 탐지된 작동 전압을 사용하여 그에 알맞게 조절될 수 있다.

위에 언급된 본 발명의 목적은 저장 셀을 충전하는 단계, 저장 셀의 작동 전압을 한계 전압과 비교하는 단계, 작동 전압이 한계 전압에 도달하거나 혹은 초과할 때의 경우에 있어서, 스위칭 소자를 닫는 단계를 갖는, 저장 셀을 충전하는 단계를 포함하며, 각각 저장 장치 전압을 갖는 저장 셀을 가지며, 반면에 스위칭 소자뿐만 아니라 전기 부하가 저장 셀에 병렬인 장치에 직렬로 배열되는, 전기 에너지를 저장하기 위하여 디자인된 시스템을 제어하기 위한 방법에 의해 해결된다. 본 발명에 따른 방법과 함께 복수의 저장 셀의 작동 전압으로부터 설정된 전압 값에 따라 한계 전압이 조절된다는 사실이 제공된다.

본 발명에 따른 저장 셀의 발명에 따른 시스템 및/또는 본 발명에 따른 방법의 부가적인 바람직한 실시 예들이 제공되는데, 이는 도면을 참조하여 아래에 더 상세히 설명된다.
도면들은 다음과 같다:
도 1은 하이브리드 차량의 바람직한 어셈블리이며; 및
도 2는 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템의 실시 예를 나타낸 도면이다.

도 1은 바람직한 하이브리드 차량(1)을 언급한다. 그것은 각각 예로서 나타낸 두 개의 휠(4)을 갖는 두 개의 액슬(2, 3)을 포함한다. 액슬(3)은 따라서 차량(1)의 구동 액슬이어야 하며, 반면에 액슬(2)은 예외적으로 그 자체로 알려진 방법으로 그것과 함께 회전한다. 액슬을 구동하기 위하여 예로서 트랜스미션(5)이 대표되는데, 이는 내연기관(6) 및 전기 기계(7)로부터 동력을 얻고 그것을 구동 액슬(3) 내로 전달한다. 사용중일 때, 자체로서 혹은 내연기관(6)의 구동 동력에 보완하여 전기 기계(7)는 구동 동력을 구동 액슬(3)의 영역으로 인도할 수 있으며 따라서 차량(1)을 구동하거나 차량(1)의 작동을 지원한다. 게다가, 전기 기계(7)는 제동 동안에 생산되는 동력을 회복하고 그에 알맞게 그것을 저장하기 위하여 차량(1)을 제동할 때 발전기로서 작동될 수 있다. 예를 들면 도시 버스와 같은 차량(1)을 사용할 때 충분한 에너지 함량을 공급할 수 있도록 하기 위하여, 확실히 대략 최대 70㎞/h일 수 있는 최대 속도로부터의 제동 과정뿐만 아니라, 그러한 경우에 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템(10)에 대략 350-700 Wh 규모의 에너지 함량이 제공되어야만 한다. 이는 예를 들면 상기 속도로부터 약 10초의 제동 사이클로 발생하는 에너지를 저장할 수 있도록 하는데, 이는 일반적으로 약 150KW의 규모를 갖는, 전기 기계(7)를 거쳐, 전기 에너지로 전환될 수 있다.

전기 에너지를 저장하기 위한 시스템(10)을 충전하거나 방전하기 위한 것뿐만 아니라 전기 기계(7)를 작동하기 위하여, 도 1에 따른 어셈블리는 자체로 에너지 관리를 위한 통합 제어 장치를 갖는 방식으로 디자인되는 정류기(rectifier)를 갖는다. 전기 기계(7) 및 에너지를 저장하기 위한 시스템(10) 사이의 에너지 흐름은 통합 제어 장치를 갖는 변환기(9)를 거쳐 그에 알맞게 조정된다. 제어 장치는 반드시 제동할 때, 발전기에 의해 구동되는 전기 기계(7)의 영역에서 생산되는 동력이 그때 가능한 한 많이, 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템(10) 내에 저장되도록 하며 반면에 시스템(10)의 미리 설정된 상부 전압 한계는 일반적으로 초과하지 않도록 해야 한다. 사용중일 때, 변환기(9) 내의 제어 장치는 이러한 반대의 경우에 있어서 이러한 이용된 동력에 의해 전기 기계(7)를 구동하기 위하여, 시스템(10)으로부터 전기 에너지의 이용을 조정한다. 여기에 설명된 하이브리드 차량(1)에 더하여, 예를 들면 도시 버스로서 디자인될 수 있기 때문에, 비슷한 어셈블리가 또한 순수 전기 차량에서도 계획될 수 있다는 것은 말할 것도 없다.

도 2는 일 실시 예에 따라 전기 에너지를 저장하기 위하여 본 발명에 따른 시스템(10)의 절단면을 도표로 도시한다. 원칙적으로, 서로 다른 에너지를 저장하기 위한 시스템(10)이 예상될 수 있다. 그러한 시스템(10)은 일반적으로 복수의 저장 셀(12)이 일반적으로 직렬로 연결되는 것과 같은 방법으로 만들어진다. 이러한 저장 셀들은 따라서 축전지 셀 및/또는 슈퍼커패시터 셀 또는 그것들의 조합일 수 있다. 여기에 나타나는 바람직한 실시 예를 위하여, 모든 저장 셀(12)은 슈퍼커패시터, 즉 하이브리드 드라이브를 구비한 차량(1)에서 에너지를 저장하기 위한 단일 시스템(10)에 설치되는, 이중 층 커패시터로서 디자인될 수 있다. 그러나 어셈블리는 바람직하게는 예를 들면 도시 및 지역 교통용 옴니버스의, 다용도 차량에 장착될 수 있다.

이러한 상황에서, 매우 높은 차량 질량과 관련하여 빈번한 시동 및 제동 조치는 슈퍼커패시터를 통하여 전기 에너지의 매우 효율적인 저장을 달성할 수 있도록 하는데 그 이유는 상대적으로 높은 전류가 흐르기 때문이다. 저장 셀(12)로서의 슈퍼커패시터는 예를 들면 축전지 셀보다 매우 작은 내부 저항을 갖기 때문에, 따라서 여기서 더 상세히 설명되는 바람직한 실시 예를 위하여 전자가 바람직하다.

이미 언급된 것과 같이, 저장 셀(12)이 도 2에 도시된다. 이 경우에 있어서, 직렬로 연결된 몇몇의 저장 셀(12) 중 단지 세 개만이 설명된다. 이것들은 일렬로 늘어선 저장 셀에서 제 1 모듈(A)을 형성한다. 부가적 모듈(B, C)이 또한 개략적으로 도시된다. 모듈의 정확한 수는 시스템의 의도되는 사용에 따라 달라진다. 약 100∼200KW, 예를 들면 120KW의 전기 구동 동력과 상응하는 위의 바람직한 실시 예에서, 이는 실현 가능한 어셈블리에서 전체 약 150∼250 개의 저장 셀(12)을 의미할 것이다. 만일 이것들이 슈퍼커패시터 당 약 2.7V의 현재의 상부 전압 한계 및 3000 패럿(Fadad)의 용량을 갖는 슈퍼커패시터로 디자인되면 도시 옴니버스의 하이브리드 구동을 위한 실현 가능한 적용을 제공할 것이다.

도 2에 도시된 것과 같이, 각각의 저장 셀(12)은 옴 저항기(14)의 형태로 각각의 저장 셀(12)에 병렬로 연결되는 전기 장치를 갖는다. 상기 부하는 각각의 저장 셀(12)과 병렬로, 이 경우에 있어서 각각의 슈퍼커패시터(12)와 병렬인 스위칭 소자(16)와 직렬로 연결된다. 커패시터(12)가 상부 한계 전압을 초과하자마자 슈퍼커패시터(12)로부터 저항기(14) 너머로 전류가 흐를 수 있도록 스위치(16)가 닫힌다. 그렇게 하기 위하여, 커패시터에 위치하는 전하 및 따라서 전압은 그에 알맞게 감소되며, 따라서 동일한 커패시터(12)에서 한계 전압 값은 다시 초과하지 않는다.

중앙 제어 장치(22)가 부가적으로 제공된다. 그것은 차례로 모든 저장 셀(12)과 연결되는 버스(20)에 연결된다. 제어 장치는 각각의 저장 셀(12)에 대한 한계 전압을 조절할 수 있도록 하기 위하여 각각의 제어 입력(18)을 거쳐, 버스(20)에 의해 저장 셀 상에 배열되는 스위칭 소자(16)를 활성화하기 위하여 디자인된다. 반대로, 제어 장치(22)는 버스(20) 및 따라서 제어 입력을 거쳐 제어 장치(22)를 통과한 것과 같은 상응하는 신호 또는 상응하는 데이터만큼 스위칭 소자(16)의 작동 전압 탐지를 사용하여, 버스(20)를 거쳐 각각의 저장 셀(12)의 전류 작동 전압을 탐지할 수 있다.

이제 만일 서로 상당히 벗어나는 작동 전압이 서로 다른 내부 저항에 기인하거나 또는 저장 셀(12) 사이의 서로 다른 구성 관련 차이에 기인하여 가능하게 작동중인 시스템(10)에 발생하면, 상기 작동 전압은 버스(20)를 거쳐 제어 장치(22)로 전달된다. 제어 장치(22)는 다양한 저장 셀(12)의 이러한 각각의 작동 전압 값 중에서, 모듈들(A, B, C) 중 하나에 대하여 각각, 유효한 평균 작동 전압 값을 결정한다. 이는 예를 들면 전압 값의 고정된 양 또는 전류 작동 모드에 따른 전압 값의 양이 평균값에 더해지는 것과 같은 방법으로 각각의 모듈(A, B, C)에서의 저장 셀(12)에 유효한 한계 전압을 설정한다. 대안으로서, 산술적으로 설정된 평균 값이 또한 독점적으로 사용될 수 있다. 따라서 이러한 계산된 한계 전압 값은 제어 장치(22)로부터 버스(20)를 거쳐 각각의 모듈의 저장 셀(12)로 전달된다. 만일 평균 작동 전압 값으로부터 설정된 한계 전압을 넘는 많은 수의 저장 셀이 각각의 모듈(A, B, C)에 위치되면 평균값은 개별적인 저장 셀(12)의 방전을 통하여 감소된다. 제어 유닛(22)은 상기 감소된 평균값으로부터 다시 하부 한계 전압을 계산하고, 버스(20) 및 제어 입력(18)을 거쳐 각각의 스위칭 소자(16)로 상기 전압을 전달한다. 만일 반복적으로 필요하면 저장 셀(12)의 작동 전압은 이러한 방법으로 모듈(A, B, C)의 평균값에 순응한다.

그 결과 실질적으로 언제라도 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템(10)의 수명에 손상 없이 최대 저장 사용을 가능하게 하는 모든 저장 셀(12)의 내구성 있는 동기화를 갖는다.

예를 들면 하이브리드 구동에서와 같이, 사이클릭 작동에서 잠시 동안에만 전체 시스템 또는 전체 모듈에 대하여 한계 전압이 달성될 수 있을 때 이는 특히 바람직하다. 상기 한계 전압은 더 이상 상당히 긴 시간 동안 달성될 수 없을 수도 있는데 그 이유는 동시의 강력한 추진 작동을 갖는 회복에 지장이 있을 경우에, 저장 장치가 더 이상 한계 전압까지 채워지지 않기 때문이다. 이러한 문제점은 본 발명에 따른 해결책에 의해 해소되는데 그 이유는 한계 스위치로서 디자인되는 스위칭 소자(16)가 그것의 한계 값과 관련하여 연속적으로, 즉, 또한 예를 들면 평균 전압과 모든 셀의 수로부터 유래하거나 혹은 모듈 또는 서브모듈의 평균 셀 전압으로부터 유래하는 평균 셀 전압에 따라, 예를 들면 에너지 저장에 기인하여 전압이 증가하는 회복 과정에서의 사이클릭 작동 동안에, 적절한 제어 입력(18)을 거쳐 실시간으로 적용하기 때문이다.

1 : 하이브리드 차량
2, 3 : 액슬
4 : 휠
5 : 트랜스미션
6 : 내연기관
7 : 전기 기계
9 : 변환기
10 : 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템
12 : 저장 셀
14 : 저항기
16 : 스위칭 소자
18 : 제어 입력
20 : 버스
22 : 제어 장치

Claims

각각 작동 전압을 갖는 저장 셀(12)을 포함하며, 반면에 부하(14)와 직렬인 스위칭 소자(16)뿐만 아니라 전기 부하(14)가 저장 셀(12)에 병렬로 배열되며 반면에 한계 값에 도달하거나 혹은 초과할 때 스위칭 소자(16)가 닫히는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템(10)에 있어서,
상기 시스템(10)은 복수의 저장 셀(12)의 작동 전압으로부터 설정된 전압 값에 따라 한계 전압을 조절하기 위하여 배열되는, 제어 장치(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 몇몇의 저장 셀(12)에 중앙 제어 장치(22)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
제 1항 혹은 2항에 있어서, 상기 제어 장치(22)는 저장 셀(12)의 복수의 작동 전압으로부터 공동의 전압 값을 형성하기 위하여 그리고 저장 셀(12)의 복수의 전압 값을 공동의 전압 값을 포함하는 값으로 조절하기 위하여 디자인되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치(22)는 결정된 간격에서 한계전압을 조절하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치(22)는 한계 전압을 연속적으로 제어하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 소자(16)는 한계 전압을 제어하기 위하여 제어 입력(18)을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치(22)는 버스 라인(20)에 의해 저장 셀(12)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하는 저항(14)이거나 및/또는 상기 저장 셀은 슈퍼커패시터(12)인 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 소자는 한계 스위치(16)인 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치(22)는 비접촉식 트랜스미션 장치를 거쳐 스위칭 소자(16)를 활성화하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
제 10항에 있어서, 상기 비접촉식 트랜스미션 장치는 버퍼 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템(10)은 특히 하이브리드 구동용, 에너지 저장 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 장치.
부하(14)에 직렬로 배열되는 스위칭 소자(16)뿐만 아니라 저장 셀에 병렬로 배열되는 전기 부하(14)를 가지며, 반면에 한계 값에 도달하거나 혹은 초과할 때 스위칭 소자(16)가 닫히는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 저장 셀에 있어서,
상기 스위칭 소자(16)는 한계 전압을 제어하기 위한 제어 입력(18)을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위한 저장 셀.
저장 셀을 충전하는 단계;
저장 셀의 작동 전압을 한계 전압과 비교하는 단계;
작동 전압이 한계 전압에 도달하거나 혹은 초과할 때의 경우에 있어서, 스위칭 소자를 닫는 단계;를 포함하며,
각각 작동 전압을 갖는 저장 셀(12)을 가지며, 반면에 장치와 연속하는 스위칭 소자뿐만 아니라 전기 부하가 저장 셀(12)에 병렬로 배열되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위하여 배열되는 시스템을 제어하기 위한 방법에 있어서,
복수의 저장 셀의 작동 전압으로부터 결정된 전압 값에 따라 한계 전압을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지를 저장하기 위하여 배열되는 시스템을 제어하기 위한 방법.