KR20120123410A - 전력 공급 디바이스 - Google Patents

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페터 비르케
올라프 뵈제
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Abstract

본 발명은 전압을 제공하는 전력 소스(1) 및 모니터링 디바이스(4)를 갖는 전력 공급 디바이스에 관한 것이며, 모니터링 디바이스(4)는 상기 전력 소스(1)에 전기적으로 연결되고, 전력 소스(1)로부터 전력이 드로잉(draw)될 때 전력 소스(1)에서의 전압, 전류 및 온도를 측정하고, 전압이 컷오프 임계치 아래로 떨어지는 경우 전력 드로잉을 중단하고, 컷오프 임계치는 전류 및 전력 소스(1)에서의 온도에 의존한다.

Description

전력 공급 디바이스{POWER SUPPLY DEVICE}
본 발명은 전력 공급 디바이스에 관한 것이다.
하이브리드 운송수단들(hybrid vehicles)으로서 또한 지칭되는, 하이브리드 드라이브를 갖는 모터 운송수단들은 예를 들어, 내부 연소 엔진, 하나 이상의 전기 머신들 및 하나 이상의 전기화학 에너지 저장 디바이스를 갖는다. 연료 셀들을 갖는 전기 운송수단들은 일반적으로 에너지 변환을 위한 연료 셀, 액체 또는 기체 에너지 캐리어들을 위한 탱크, 전기화학 및/또는 정전기 에너지 저장 디바이스 및 구동을 위한 하나 이상의 전기 머신들로 구성된다.
하이브리드 운송수단의 전기 머신은 일반적으로 시동기/발생기 및/또는 전기 드라이브로서 구현된다. 시동기/발생기로서, 이것은 흔히 제공되는 교류기 및 시동기 모터를 대체한다. 전기 드라이브와 같은 실시예의 경우에, 운송수단을 전방으로 구동시키기 위안 부가적인 토크(torque), 즉 가속 토크는 전기 머신에 의해 기여될 수 있다. 발생기로서, 이것은 전기 에너지로서 에너지 저장 디바이스 및 온보드(onboard) 전력 공급 시스템으로의 제동 에너지의 만회(recuperation)를 허용한다.
순(purely) 전기 운송수단의 경우에, 원동력(motive power)은 전기 머신에 의해 배타적으로 이용 가능하게 된다. 양(both) 타입들의 운송수단, 즉, 하이브리드 및 전기 운송수단에는 많은 양의 전기 에너지가 이용 가능하게 되고, 전달 및 저장되어야 한다는 사실이 공통적이다.
에너지의 흐름은 하이브리드 제어기로서 일반적으로 지칭되는 전자 시스템에 의해 제어된다. 다른 것들 중에서도, 이 전자 시스템은 전력이 전기 저장 디바이스에 공급되어야 하는지 또는 전기 저장 디바이스로부터 드로잉(draw)되어야 하는지 및 그 양이 어느 정도인지를 제어한다.
연료 셀 또는 에너지 저장 디바이스로부터 드로잉된 전력은 일반적으로 원동력을 제공하고 운송수단의 온보드 전기 시스템에 공급하는데 이용된다. 전력의 공급은 저장 디바이스를 충전하거나, 또는 제동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해, 즉 재생적 제동(regenerative braking)을 위해 이용된다. 매우 폭넓게 다양한 전력 소스들이 전력의 공급기들 및 저장 디바이스들, 예를 들어, 연료 셀들, 특별한 커패시터들 및 특히, 보조 전기화학 엘리먼트들의 광범위한 전기화학 엘리먼트들(저장 배터리들)로서 간주될 수 있다.
근원적인 전기화학(electrochemistry)에 무관하게, 전기화학 엘리먼트들의 방전 곡선은 통상적으로 전력이 드로잉될 때 3개의 상태들에 의해 특징화된다. 전류 로딩의 시작(상태 1)은 거의 순간적인 전압 딥(dip)에 의해 특징화된다. 이것 이후에, 거의 연속적인 로딩을 갖는 일정한 전압 프로파일(상태 2)이 이어진다. 전기화학 반응이 계속됨에 따른 출발 물질(starting material)들의 고갈로 인해 방전 상태의 종료(상태 3)시의 전압 딥은 최종 방전을 특징화하고 컷오프(cutoff) 전압 또는 최종 방전 전압(Us)으로서 일반적으로 알려진 셀 방전의 최저 제한을 한정한다. 최종 방전 전압 아래로의 과도한 방전은 과방전(deep discharge)으로 간주되고, 활성 반응 물질의 높은 로딩으로 인해 커패시티에서의 때 이른 퇴보 및 증가하는 에이징(aging)을 야기할 수 있다.
그러므로 일반적으로, 지금까지의 관행은 전문 지식에 기초하여 모든 경우들에서 일정한 값으로서 각각의 전력 소스에 대한 최종 방전 전압을 특정하는 것이었다. 그러나 이 해결책은 단순하지만, 높은 방전 전류들 및 저온에서의 전압 레벨이 방전의 시작시에 큰 전압 강하로 인해 컷오프 전압을 간신히 초과하고, 이에 따라 드로잉될 수 있는 전력이 심각하게 제한되기 때문에 저온 및 높은 방전 전류들에서 특히 만족스럽지 않다.
본 발명의 목적은 이러한 단점들이 발생하지 않는, 처음에 언급한 타입의 전력 소스를 갖는 전력 공급 디바이스를 특정하는 것이다.
이 목적은 특허 청구항 1에 따른 에너지 저장 디바이스에 의해 달성된다. 독창적인 개념의 실시예들 및 개발들은 종속 청구항들의 대상을 형성한다.
이 목적은 특히, 전압을 제공하는 전력 소스 및 모니터링 디바이스를 갖는 전력 공급 디바이스에 의해 달성되며, 상기 모니터링 디바이스는, 전력 소스에 전기적으로 연결되고, 전력 소스로부터 전력이 드로잉(draw)될 때 전력 소스에서의 전압, 전류 세기 및 온도를 측정하고, 전압이 컷오프 제한(cutoff limit) 아래로 떨어지는 경우 전력 드로잉을 중단하고, 여기서 컷오프 제한은 전류 세기 및/또는 전력 소스에서의 온도에 의존한다.
본 발명은 도면의 그림들로 도시되는 예시적인 실시예들에 의해 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 디바이스에 대한 예시적인 구조를 블록 다이어그램으로 도시하는 도면.
도 2는 3개의 상태들로 분할된, 배터리의 방전 동안의 통상적인 곡선 프로파일을 다이어그램으로 도시하는 도면.
도 3은 방전 전류(전류 레이트 C)에 관한 초기 방전 전압의 의존성을 다이어그램으로 도시하는 도면.
도 4는 1C의 방전 전류의 온도에 관한 초기 전압의 의존성을 다이어그램으로 도시하는 도면.
도 5는 초기 방전 전압(Ua)에 따라 그리고 방전 전류의 함수로서 컷오프 제한의 적응을 다이어그램으로 도시하는 도면.
도 6은 초기 방전 전압(Ua) 상의 방전 전류의 그리고 온도의 영향을 다이어그램으로 도시하는 도면.
도 7은 온도 및 방전 전류를 참작하는, 각각의 계산된 동적 컷오프 제한들을 표로 도시하는 도면.
도 1에 도시된 에너지 공급 디바이스의 본 발명에 따른 실시예에서, 간략성을 위해 이하 배터리(1)로서 지칭되고 예를 들어 연료 셀, 리드 저장 배터리, 니켈-아연 배터리, 이중층 커패시터, 리튬-공기(air) 배터리, 아연-공기 배터리, 알루미늄-공기 배터리, 니켈-금속 수소화물 배터리 또는 리튬-이온 배터리로서 구현된 전력 소스는 제어 가능한 스위치(2)를 통해 로드(3)에 연결된다. 스위치(2)는 특히, 비교기(5)를 포함하는 모니터링 디바이스(4)에 의해 제어된다. 비교기(5) 상에서, 하나의 입력은 접지(6)에 대하여 배터리 전압(U)을 측정하기 위해 배터리(1)의 하나의 극성에 연결되는 반면에, 최종 방전 전압(Us)을 특징화하는 컷오프 제한은 비교기(5)의 다른 단자에 인가된다. 컷오프 제한은 결국 메모리(8)의 출력에 연결되는 보간 디바이스(7)에 의해 이용 가능하게 된다. 온도와 방전 전류의 특정한 조합들과 연관된 각각의 제한들을 포함하는 표가 메모리(8)에 저장된다. 온도 측정 디바이스(9)에 의해 배터리(1)에서 측정된 온도 및 전류 측정 디바이스(10)에 의해 측정된 방전 전류가 이어서 메모리(8)에 공급되는 경우, 대응하는 온도 및 방전 전류 값들이 메모리(8)에 저장되어 있는 경우, 메모리는 대응하는 컷오프 제한을 출력한다. 이 경우, 연관된 컷오프 제한은 이어서 보간 유닛(7)에 의해 비교기(5)에 변경되지 않은 채로 전송된다. 그러나 온도 및 방전 전류에 대한 측정된 값들이 표에 포함된 것들에 대응하지 않는 경우, 온도 및 방전 전류에 대한 측정된 값들에 가장 근접한 2개의 값들이 표에서 판독되고 예를 들어, 비교기(5)에 전송되는 적절한 컷오프 제한을 결정하기 위해 선형 보간에 의해 보간 유닛(7)에서 이용된다.
배터리(1)에서의 전압(U)이 (전압(Us)의 실제 값에 따라) 결정된 컷오프 제한보다 높은 경우, 스위치(2)는 폐쇄되고 로드(3)에 전력이 공급된다. 역으로, 즉, 배터리(1)에서의 전압(U)이 컷오프 제한과 동일하거나, 그 아래로 떨어지는 경우, 스위치(2)는 개방되고, 이에 따라 배터리(1)의 과방전을 방지하기 위해 로드가 배터리로부터 단절된다.
도 2에서, 배터리의 방전 동안 통상적인 곡선 프로파일은 처음에 설명된 3개의 상태들로 분할된다.
전류 로딩의 시작(상태 1)은 이에 따라 거의 순간적인 전압 딥에 의해 특징화된다. 이 전압 딥(ΔU)은 로드 전류(ΔI)의 변화 및 옴의 법칙에 의해 한정되는 바와 같이 전력 소스의 내부 저항(Ri)에 의해 한정된다.
거의 연속적인 로딩(상태 2)을 갖는 일정한 전압 프로파일은 셀 크기, 셀 화학물질 및 셀(배터리)의 로딩에 의존하여, 셀 전압들에서 더 크거나 더 작은 하락(fall)을 갖는 연속적인 전압 강하에 의해 특징화된다.
방전 프로파일을 특징화하는, 방전 상태의 종료(상태 3)시의 전압 딥은 전기화학 출발 물질들(애노드 및 캐소드의 전해질, 활성 물질)이 주로 셀의 통상적인 전기화학 반응에 의해 방전 동안 변환된다는 사실에 기인한다. 출발 물질들의 고갈로 인해, 전압 강하는 상태 2에 비해 상당히 증가한다. 셀 양단의 전압은 상대적으로 빠르게 약해진다. 이 상태는 최종 방전 전압(Us) 또는 컷오프 전압으로서 일반적으로 알려진 셀 방전의 최저 제한을 한정한다. 최종 방전 전압 아래로의 과도한 방전은 과방전으로 간주되고 활성 반응 물질의 높은 로딩으로 인해 커패시티의 손실 및 증가하는 에이징을 야기할 수 있다.
저온 및 높은 방전 전압들에서, 배터리 전압(U)은 방전의 시작 시에 큰 전압 강하로 인해 최종 방전 전압(Us)을 간신히 초과하고, 이는 드로잉될 수 있는 전력을 심각하게 제한한다. 방전 전류 I(C 레이트) 및 온도 τ에 관한 전압(U)의 의존성이 도 3 및 도 4에 도시되며, 여기서 U0는 배터리의 로드-없는(no-load) 전압을 나타내고, Ua는 배터리의 초기 방전 전압을 나타내고, R은 배터리의 내부 저항을 나타내고, ΔU는 전압의 변화를 나타내고, ΔI는 전류의 변화를 나타내고, Us는 최종 방전 전압을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, C 레이트는 단위 시간(1h) 당 배터리의 공칭 커패시티(예를 들어, 200Ah)로부터 획득되고, 본 예에서, 이에 따라 1C = 200A 이다.
본 발명에 따라, 방전 전류의 그리고 순간적인 동작 온도의 함수로서 "동적인" 컷오프 제한이 제공된다. 동작 조건들에 따른 전력 소스에 대한 컷오프 제한내로 이러한 동적인 변동을 도입하는 것은 전압 소스의 커패시티를 증가시필 필요 없이, 특히 저온 및 높은 전류 로드들에서 전압 소스로부터 상당히 더 많은 전력을 드로잉하는 것을 가능하게 하고, 그에 의해, 예를 들어, 전력 소스(특히 이것이 배터리일 때)에 더 심각한 에이징을 부과시킴 없이 하이브리드 또는 전기 운송수단들에 관한 무게-관련 비용들의 견지에서 상당한 절감을 달성하는 것을 가능하게 한다.
임의의 원하는 전력 소스의, 예로서 취해진 셀의 내부 저항은 셀의 온도에 의존한다. 셀들의 전기화학 구조에 의존하여, 내부 저항 R은 저온에서 더 크거나 더 작은 범위로 증가한다. 그 결과, 내부 저항은 예를 들어, 섭씨 20°의 공칭 온도에서의 내부 저항보다 방전의 시작 시에 그리고 저온에서 상당히 더 많은 전압 강하를 야기한다. 방전의 시작 시의 전압 강하는 본질적으로 내부 저항(R)은 물론, 방전 전류(I)에 의해 한정된다. 본 발명에 따라, 방전의 시작(상태 1) 시에서의 이러한 큰 전압 강하는 셀의 순간적인 온도 τ에 따라 최종 방전 전압(컷오프 제한)을 적응시킴으로써 참작된다. 최종 방전 전압의 이러한 적응은 공칭 동작 조건들(공칭 온도 및 공칭 전류) 및 연관된 에이징에 비해 반응 파트너들의 증가하는 소비로 인한 더 높은 로딩을 야기함 없이 내부 저항 R의 증가를 일관되게 참작하게 한다.
동적인 변동의 도입의 제 2 양상은 로드 전류에 인가하는 것이다. 여기서, 상대적으로 높은 전류들 및 일정한 내부 저항에서, 옴의 법칙이 배터리는 방전의 시작 시에 대응적으로 더 큰 전압 강하를 또한 갖는다는 것을 수반한다는 사실에 대한 참작이 이루어진다. 이는 도 5로부터 명확해진다. 초기 전압(Ua)은 방전 전류(I)에 관한 성형 의존성을 나타낸다. 원칙적으로, 함수의 경사에 대한 비 dU/dI는 고려 대상이 되는 각각의 타입의 셀의 내부 저항(R)을 나타내고, 여기서, 원칙적으로 세로좌표(Y 축, I=0)와 이 곡선의 교차점은 배터리의 개방-회로 전압(U0)을 나타낸다. 더 큰 전압 강하로 인해, 전압은 도 5에서도 마찬가지로 볼 수 있는 바와 같이 선형 방식으로 알맞게 적응될 수 있다.
도 6은 양자(both)의 변수들의 영향을 함께 예시한다. 양자(both)의 영향을 주는 변수들을 참작하면서, 도 5에 따라서 다른 온도들에 대한 최종 방전 전압들의 대응하는 프로파일들을 또한 한정하는 것이 가능하다. 따라서, 이에 따라 획득된 계통(family)의 곡선들(또는 대응하는 등식들)은 이어서 상이한 방전 전류들에서의 최종 방전 전압을 결정하는데 이용될 수 있다. 이 경우에, 특정한 온도에 대해 한정되는 직선 등식(방정식 등)이 이용될 수 있고, 예를 들어, 이에 따라 이러한 영향을 주는 변수가 또한 참작된다는 것을 보장한다. 2개의 특정된 온도들 사이의 동작 온도들에서, 예를 들어, 가장 근접한 직선 등식들로부터 선형 보간에 의해 값이 결정될 수 있다. 예로서 취해지는 셀에 대해 이에 따라 획득된 값들은 도 7에서 발견될 수 있다. 관습적인 측정들과 대조적으로, 컷오프 제한내로 동적인 변동의 도입은, 활성 물질의 로딩이 공칭 조건들에 관하여 일정하게 유지되기 때문에 셀의 부가적인 에이징을 야기하지 않는다. 최종 방전 전압의 동적인 적응은 특히, 저온들에서 배터리의 방전 성능을 상당히 향상시키고, 결과적으로 필요로 될 수 있는 배터리의 셀들의 커패시티 또는 셀들의 수에 있어서 임의의 증가를 방지하고, 이는 가격, 부피 및 무게에 관하여 절감을 야기한다. 동시에, 적어도 전류 세기 및 전압으로부터 모니터링 디바이스(4) 자체에 의해 또는 외부 측정 디바이스들에 의해 단 한번, 특정한 시간 간격들로 또는 연속적으로 컷오프 제한이 결정되기 위한 준비(provision)가 이루어질 수 있다.

Claims (6)

  1. 전압을 제공하는 전력 소스(1) 및 모니터링 디바이스(4)를 갖는 전력 공급 디바이스로서,
    상기 모니터링 디바이스(4)는,
    상기 전력 소스(1)에 전기적으로 연결되고, 상기 전력 소스(1)로부터 전력이 드로잉(draw)될 때 상기 전력 소스(1)에서의 전압, 전류 세기 및 온도를 측정하고, 상기 전압이 컷오프 제한(cutoff limit) 아래로 떨어지는 경우 전력 드로잉을 중단하고,
    상기 컷오프 제한은 상기 전류 세기 및 상기 전력 소스(1)에서의 온도에 의존하는,
    전력 공급 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모니터링 디바이스(4)는,
    온도 및 방전 전류의 특정한 조합들과 연관된 각각의 제한들이 표로서 저장되고, 측정된 온도 및 방전 전류 값들이 입력될 때 적절한 컷오프 제한이 출력되는 메모리(8)를 갖는,
    전력 공급 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 모니터링 디바이스(4)는,
    상기 표에 있지 않은 측정된 온도 및/또는 방전 전류 값들에 대해서는 표에서 가장 근접한 값들로부터 각각의 경우 적절한 컷오프 제한을 보간(interpolate)하는 처리 유닛(7)을 갖는,
    전력 공급 디바이스.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    표들은 상기 전력 소스(1)의 내부 저항, 상기 온도, 상기 방전 전류, 상기 전력 소스(1)에서의 전압에 의존하는 컷오프 전압들을 포함하는,
    전력 공급 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 소스(1)는 리드(lead) 저장 배터리, 니켈-아연 배터리, 이중층 커패시터, 리튬-공기(air) 배터리, 아연-공기 배터리, 알루미늄-공기 배터리, 니켈-금속 수소화물 배터리 또는 리튬-황 배터리, 리튬-플루오르 배터리, 나트륨-황 배터리, 나트륨-니켈 염화물 배터리들 또는 리튬-이온 배터리인,
    전력 공급 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모니터링 디바이스(4)는 적어도 상기 전류 세기 및 전압으로부터 컷오프 제한을 결정하도록 설계되는,
    전력 공급 디바이스.
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