KR20130024786A - 축전 장치 및 전기 차량 - Google Patents

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고지 우메쯔
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모리히꼬 사또
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소니 주식회사
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Abstract

축전 장치, 전기 디바이스, 전기 차량, 및 전력 시스템이 개시된다. 일 실시예에서, 축전 장치는 복수의 전지 셀들을 포함하는 전지 블록 및 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 절연 유닛을 포함한다.

Description

축전 장치 및 전기 차량{POWER STORAGE APPARATUS AND ELECTRIC VEHICLE}
본 개시물은 축전 장치 및 그 축전 장치로부터의 전력을 이용하는 전기 차량에 관한 것이다.
최근, 리튬-이온 전지와 같은 2차 전지들이 그 2차 전지들이 태양 전지들 또는 풍력 터빈들과 같은 대안의 에너지 시스템과 결합되는 자동차용 축전지 및 축전 장치와 같은 애플리케이션들로 급속하게 확대되고 있다. 큰 출력을 생성하기 위해 단위 셀들과 같은 다수의 축전 소자들(또한 전기적 셀들 또는 단순히 셀들로서 칭하고, 아래의 설명에서 전지 셀들로 적절하게 칭함)을 사용하는 경우에, 복수의 축전 모듈들이 직렬로 접속되는 구성이 채용된다. 축전 모듈은 복수의 전지 셀들(예를 들어, 4개)이 병렬 및/또는 직렬로 접속되는 전지 블록들을 포함한다. 다수의 전지 블록들이 축전 모듈(또한 조립 전지로 지칭함)을 형성하기 위해 외장 케이스에 수납된다.
또한, 복수의 축전 모듈들이 접속되고, 그 복수의 축전 모듈들에 의해 공유된 제어 장치가 제공되는 전지 시스템이 존재한다. 각 축전 모듈은 모듈 제어기를 포함하고, 모듈 제어기들과 제어 장치 사이의 통신은 통신 유닛 또는 다른 수단을 통해 실현된다.
복수의 전지 셀들을 사용하는 경우에, 일부 경우들에서, 복수의 전지 셀들 중 하나는, 다른 전지 셀들이 저전압 임계값에 아직 도달하지 않았더라도, 전지 셀들에서의 자기 방전의 차 등의 요인들로 인해 저전압 임계값에 도달할 것이다. 전지 셀들이 이러한 상태에서 다시 한번 충전되면, 전지 셀이 충분하게 충전되지 않을 수도 있고, 전지 셀 성능이 충분하게 나타나지 않을 수도 있다는 점에서 문제가 발생한다.
복수의 전지 셀들 간의 이러한 편차를 보상하기 위해, 전지 셀 밸런싱이 통상적으로 실시된다. 셀 밸런싱의 제어는 복수의 전지 셀들에 대한 전압 정보의 취득을 수반한다. 일본 미심사 특허 출원 공개 번호 제2010-081756호는 전지 셀로부터 전지 정보를 취득하는 구성을 기재한다.
복수의 축전 모듈들을 직렬로 접속하는 경우에, 모듈들의 밸런싱이 실시된다. 각 축전 모듈에 접속된 제어 회로에 의한 전력 소비의 차들이 모듈 밸런스를 방해하는 요인이기 때문에, 제어 회로에 대한 전력으로서 축전 모듈들의 전지 팩으로부터의 전력을 사용하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 직렬 접속으로부터의 전압은 복수의 축전 모듈들을 직렬로 접속하는 경우에 매우 높아지기 때문에, 안전을 위해 절연이 요구되고, 또한, 통신 유닛 및 제어기와 같이 저 전압에서 동작할 수 있는 회로 블록들이 저전압 전원을 사용하여 동작하는 것이 바람직하다.
상기 일본 미심사 특허 출원 공개 번호 제2010-081756호에 기재된 구성은 단일 전지 셀들로부터 전지 정보를 취득하기 위한 것이고, 복수의 축전 모듈들이 직렬로 접속되는 경우에와 같이 고전압을 출력하는 경우에 개별 축전 모듈들로부터의 전압 정보의 취득을 고려하지는 않는다.
따라서, 복수의 축전 모듈들이 직렬로 접속되는 경우에 개별 축전 모듈들로부터 전압 정보를 취득하는 데 적합한 축전 장치 및 전기 차량을 제공하는 것이 바람직하다.
단일 전지 셀, 복수의 전지 셀들, 또는 복수의 전지 블록들을 각각 포함하는 복수의 전지 유닛들, 전지 유닛들에서의 전지들의 각각의 전압을 취득하도록 구성된 모니터, 전압에 관한 정보를 모니터로부터 전지 유닛들을 관리하도록 구성된 관리 유닛으로 송신하도록 구성된 통신 유닛, 및 모니터와 통신 유닛 사이에 절연 상태로 배치되고, 전압 정보를 통신하면서 통신 유닛으로부터의 전력 및 모니터 제어 정보를 모니터에 제공하는 절연 송신 유닛을 포함하는 축전 장치가 여기에 개시된다.
또한, 단일 전지 셀, 복수의 전지 셀들, 또는 복수의 전지 블록들을 각각 포함하는 복수의 전지 유닛들, 전지 유닛들에서의 전지들의 각각의 전압을 취득하도록 구성된 모니터, 전압에 관한 정보를 모니터로부터 전지 유닛들을 관리하도록 구성된 관리 유닛으로 송신하도록 구성된 통신 유닛, 및 통신 유닛의 출력측에 절연 상태로 접속되고, 전압 정보를 통신하면서 관리 유닛으로부터의 전력을 통신 유닛에 또한 제공하도록 구성된 절연 송신 유닛을 포함하는 축전 장치가 여기에 개시된다.
또한, 축전 장치로부터 공급된 전력을 수신하여 수신된 전력을 차량용 구동력으로 변환하도록 구성된 변환 장치, 및 축전 장치에 관한 정보에 기초하여 차량 제어에 관한 정보 처리를 수행하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 전기 차량이 여기에 개시된다. 축전 장치는, 단일 전지 셀, 복수의 전지 셀들, 또는 복수의 전지 블록들을 각각 포함하는 복수의 전지 유닛들, 전지 유닛들에서의 전지들의 각각의 전압을 취득하도록 구성된 모니터, 전압에 관한 정보를 모니터로부터 전지 유닛들을 관리하도록 구성된 관리 유닛으로 송신하도록 구성된 통신 유닛, 및 모니터와 통신 유닛 사이에 절연 상태로 배치되고, 전압 정보를 통신하면서 통신 유닛으로부터의 전력 및 모니터 제어 정보를 모니터에 제공하는 절연 송신 유닛을 포함한다.
일 실시예에서, 축전 장치는 복수의 전지 셀들을 포함하는 전지 블록 및 그 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 절연 유닛을 포함한다. 이러한 실시예에서, 절연 유닛은 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대해 구성된 제1 카드 유닛 및 제2 카드 유닛을 포함할 수도 있고, 제1 및 제2 카드 유닛들은 전지 정보를 서로 무선으로 송신하도록 구성된다. 추가로, 절연 유닛은, 인쇄 회로 기판의 제1 배선층 상에 탑재되고 제1 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제1 안테나 및 인쇄 회로 기판의 제2 배선층 상에 탑재되고 제2 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제2 안테나를 포함할 수 있고, 제2 안테나는 제1 안테나와 제2 안테나 사이의 전지 정보의 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 제1 안테나와 방향 정렬된다.
다른 실시예에서, 축전 시스템은 제1 복수의 전지 셀들을 포함하는 제1 전지 블록 및 그 제1 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 제1 절연 유닛을 포함하는 제1 축전 모듈을 포함한다. 이러한 다른 실시예에서, 축전 시스템은 또한 제2 복수의 전지 셀들을 포함하는 제2 전지 블록 및 그 제2 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 제2 절연 유닛을 포함하는 제2 축전 모듈을 포함한다. 추가로, 이러한 실시예에서, 제1 축전 모듈의 전지 정보는 제2 축전 모듈로부터의 전지 정보와 집약된다.
또 다른 실시예에서, 축전 제어 장치는, 복수의 전지 셀들을 포함하는 전지 블록, 그 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제어기, 및 제어기와의 무선 통신을 가능하게 하고 제어기에 전력을 무선으로 송신하는 절연 유닛을 포함한다.
다른 실시예에서, 차량에 전력을 공급하기 위한 축전 장치는, 각 축전 모듈마다 복수의 전지 셀들을 포함하는 적어도 하나의 전지 블록, 그 적어도 하나의 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제어기, 및 제어기와의 무선 통신을 가능하게 하고 제어기에 전력을 무선으로 송신하는 절연 유닛을 포함하는 복수의 축전 모듈을 포함한다. 이러한 실시예에서, 차량에 전력을 공급하기 위한 축전 장치는 차량의 전자식 트랜스미션 또는 모터를 포함하는 전기적 부하를 또한 포함하고, 전기적 부하는 복수의 축전 모듈로부터의 총 전력으로부터 전력을 수신한다.
본 개시물의 모듈 밸런싱 회로에서는, 각 모듈에서의 플라이백(flyback) 트랜스포머들이 별개로 구성되어서, 자심을 공유하는 구성과는 다르게, 스타 패턴으로 배선하지 않고 간략화된 배선을 가능하게 한다. 본 개시물에서는, 플라이백 트랜스포머들의 1차 스위치들 및 2차 스위치들이 독립 제어 펄스 신호들에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 원하는 복수의 플라이백 트랜스포머들을 통해 전력을 송신하는 것이 가능해진다. 또한, 스위칭 동작 동안 온-기간의 길이를 설정함으로써, 플라이백 트랜스포머들을 통해 이동시키기 위한 전력량이 개별적으로 제어될 수 있다. 다시 말해, 이동시키기 위한 전력량은 스위치가 이동시키기 위한 전력량에 따라 스위칭 온되는 기간을 길게 함으로써 가변될 수 있다.
도 1은 예시적인 축전 시스템의 블록도이다.
도 2는 예시적인 축전 시스템의 분해 사시도이다.
도 3은 예시적인 축전 모듈의 배선 구성을 예시하는 배선도이다.
도 4는 축전 시스템의 특정 구성을 예시하는 블록도이다.
도 5는 예시적인 모듈 제어기의 블록도이다.
도 6은 복수의 축전 모듈을 접속한 축전 시스템의 구성의 제1 예를 예시하는 블록도이다.
도 7은 축전 모듈에 대한 다층 회로 기판 상에 부품들이 어떻게 패키징되는지를 예시하는 개략도이다.
도 8은 예시적인 절연기의 회로 레이아웃을 예시하는 배선도이다.
도 9a 및 도 9b는 2층 회로 기판 및 4층 회로 기판을 설명하는 단면도들이다.
도 10a 및 도 10b는 PCB 안테나의 특정한 예를 설명하는 개략도들이다.
도 11a 내지 도 11c는 보텀 밸런싱(bottom balancing)을 설명하는 개략도들이다.
도 12a 내지 도 12c는 보텀 셀 밸런싱 동작을 설명하는 개략도들이다.
도 13a 내지 도 13c는 톱 밸런싱(top balancing)을 설명하는 개략도들이다.
도 14a 내지 도 14c는 톱 셀 밸런싱 동작을 설명하는 개략도들이다.
도 15a 내지 도 15c는 종래 기술의 액티브 보텀 셀 밸런싱 회로의 배선도들이다.
도 16의 (a) 내지 (d)는 종래 기술의 액티브 보텀 셀 밸런싱 회로의 동작을 설명하는 타이밍 차트들이다.
도 17a 및 도 17b는 종래 기술의 액티브 톱 셀 밸런싱 회로의 배선도들이다.
도 18의 (a) 내지 (d)는 종래 기술의 액티브 톱 셀 밸런싱 회로의 동작을 설명하는 타이밍 차트들이다.
도 19는 종래 기술의 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 배선도들이다.
도 20은 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 배선도이다.
도 21은 본 개시물의 제1 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 배선도이다.
도 22는 스위치의 특정예를 예시하는 배선도이다.
도 23은 본 개시물의 제1 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 동작을 설명하는 배선도이다.
도 24의 (a) 내지 (h)는 본 개시물의 제1 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 동작을 설명하는 타이밍 차트들이다.
도 25는 본 개시물의 제2 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 배선도이다.
도 26은 본 개시물의 제3 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 배선도이다.
도 27은 본 개시물의 제4 예시적인 모듈 밸런싱 회로의 배선도이다.
도 28은 본 개시물의 모듈 밸런싱 회로를 포함하는 제1 예시적인 축전 시스템의 블록도이다.
도 29는 복수의 축전 모듈을 접속한 축전 시스템의 구성의 제2 예를 예시하는 블록도이다.
도 30은 다른 예시적인 절연기의 회로 레이아웃을 예시하는 배선도이다.
도 31은 본 개시물의 모듈 밸런싱 회로를 포함하는 제2 예시적인 축전 시스템의 블록도이다.
도 32는 셀 밸런싱 회로에 본 개시물을 적용한 경우에 대한 배선도이다.
도 33은 본 개시물의 모듈 밸런싱 회로를 포함하는 축전 시스템의 제1 예시적인 애플리케이션의 블록도이다.
도 34는 본 개시물의 모듈 밸런싱 회로를 포함하는 축전 시스템의 제2 예시적인 애플리케이션의 블록도이다.
후술되는 실시예들은 개시된 기술의 바람직한 특정한 예들이고, 다양한 기술적으로 바람직한 제한들이 부과되더라도, 개시된 기술의 범위는 구체적으로 제한하는 서술이 아래의 설명에 제공되지 않는 한 이러한 실시예들로 제한되지 않는다.
축전 시스템
큰 출력을 발생시키기 위해 전지 셀들과 같은 다수의 축전 소자들을 사용하는 경우에, 복수의 축전 유닛(이하, 축전 모듈로 칭함)이 접속되고, 복수의 축전 모듈에 의해 공유된 제어 장치가 제공되는 구성이 채용된다. 이러한 구성을 축전 시스템으로 칭한다.
축전 모듈은 복수의 전지 셀과 제어기를 결합한 유닛이다. 도 1에 예시되어 있는 바와 같이, N개의 축전 모듈들(MOD1 내지 MODN)이 직렬로 접속된다. 축전 모듈들(MOD1 내지 MODN)은 절연기(IS)를 통해 인터페이스 버스(BS)에 접속된다.
추가로, 모니터들(이하, 모듈 제어기들로 적절하게 칭함)이 전체 제어 장치(ICNT)(이하, 제어 박스로 적절하게 칭함)에 접속된다. 제어 박스(ICNT)는 충전, 방전 및 열화 억제를 관리한다. 제어 박스(ICNT)는 마이크로제어기에 의해 실현될 수도 있다.
축전 모듈들 내의 버스 및 축전 모듈들(MOD1 내지 MODN)을 제어 박스(ICNT)에 접속하는 버스(BS)로서 직렬 인터페이스가 사용된다. 특정한 직렬 인터페이스에 대해, SM 버스(시스템 관리 버스), CAN(제어기 영역 네트워크), 또는 SPI(직렬 주변 인터페이스)가 사용될 수도 있다. 예를 들어, I2C 버스가 사용될 수도 있다. I2C 버스에서는, 2개의 신호 라인들, 즉, SCL(직렬 클록) 및 쌍방향 SDA(직렬 데이터) 상에서 동기 직렬 통신이 실시된다.
각 축전 모듈(MOD)의 모듈 제어기(CNT)는 제어 박스(ICNT)와 통신한다. 즉, 제어 박스(ICNT)는, 각 축전 모듈의 내부 상태에 관한 정보, 또는 다시 말하면 전지 정보를 수신하고, 각 축전 모듈에 대한 충전 및 방전 처리들을 관리한다. 제어 박스(ICNT)는 N개의 직렬 접속된 축전 모듈들의 출력(N × 51.2 V)을 부하에 공급한다. N=14인 예에서, 출력은 14 × 51.2 V = 716.8 V이 된다.
예시적인 축전 모듈
도 2는 축전 모듈(MOD)의 기계적 구성을 예시하는 사시도이다. 축전 모듈(MOD)의 외장 케이스는 가공된 시트 금속으로 이루어진 금속 하부 외장 케이스(2a) 및 상부 외장 케이스(2b)를 포함한다. 우수한 케이스 방열성이 획득될 수 있고 케이스 내의 온도 상승이 억제될 수 있기 때문에, 하부 외장 케이스(2a) 및 상부 외장 케이스(2b)에 대한 재료로서 높은 열 전도율 및 복사율을 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 하부 외장 케이스(2a) 및 상부 외장 케이스(2b)에 대한 재료는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 또는 구리 합금일 수도 있다. 케이스의 배면에는 축전 모듈(MOD)을 충전 및 방전하기 위한 외부 포지티브 단자(3) 및 외부 네거티브 단자(4)가 제공된다.
전류 차단기(5)가 축전 모듈(MOD)의 배면에 추가로 제공된다. 전류 차단기(5)를 제공함으로써, 안정성이 향상될 수 있다. 추가로, 케이스(2) 내에 배치된 제어 회로와의 통신을 위한 커넥터(6)가 제공된다. 제어 회로는 전지 유닛의 온도를 모니터링하고 충전, 방전 등을 제어하기 위해 제공된다. 추가로, 동작 상태를 나타내는 하나 이상의 LED 또는 다른 디스플레이 소자들이 케이스의 전면에 제공된다.
케이스의 하부 외장 케이스(2a)는 박스형의 구조를 갖고, 상부 외장 케이스(2b)는 개구를 커버하도록 제공된다. 서브-모듈들(AS1 내지 AS4)이 하부 외장 케이스(2a)의 수납 공간 내에 수납된다. 서브-모듈들(AS1 내지 AS4)이 예를 들어, 나사에 의해 제자리에 고정되기 때문에, 복수의 보스(boss)가 하부 외장 케이스(2a)의 저면에 형성된다. 서브-모듈들(AS1 내지 AS4)은 케이스 외부에서 사전 조립된다.
각 서브-모듈은 부(secondary) 수납 케이스로서 작용하는 절연 케이스에 의한 복수의 전지 블록의 일체화된 결합이다. 서브-모듈 케이스에 대해, 플라스틱 또는 다른 성형된 부품이 사용될 수 있다. 서브-모듈들(AS1 내지 AS4)에서, 복수의 전지 블록은 그 전지 블록의 내부 포지티브 및 네거티브 단자들이 노출되지 않도록 케이스들 내에 수납된다.
단일 전지 블록에서, 8개의 원통형 리튬 이온 2차 전지들이 예를 들어, 병렬로 접속된다. 서브-모듈들(AS1 및 AS2)은 상부 케이스 및 하부 케이스에 의한 각각 6개의 전지 블록의 일체화된 결합이다. 서브-모듈들(AS3 및 AS4)은 상부 케이스 및 하부 케이스에 의한 각각 2개의 전지 블록의 일체화된 결합이다. 따라서, 총 6+6+2+2=16개의 전지 블록이 사용된다. 이들 전지 블록은 예를 들어, 직렬로 접속된다.
서브-모듈들(AS1 내지 AS4)의 각각에서 전지 블록을 직렬로 접속하기 위해, 버스 바와 같은 접속 금속판이 사용된다. 버스 바는 길고 얇은 금속으로 된 바이다. 복수의 홀이 전지 블록으로부터 도출하는 접속 금속판 등과 접속하기 위해 버스 바에 형성된다.
도 3에 예시되어 있는 바와 같이, 각각 8개의 전지가 병렬로 접속된 전지 블록들(B1 내지 B16)이 직렬로 접속된다. 전지 블록들(B1 내지 B16)은 각 축전 모듈에 대해 제어 장치로서 작용하는 모듈 제어기(CNT)에 접속되어, 충전 및 방전이 제어된다. 충전 및 방전은 외부 포지티브 단자(3) 및 외부 네거티브 단자(4)를 통해 행해진다. 예를 들어, 전지 블록들(B1 내지 B6)은 서브-모듈(AS1)에 포함될 수도 있고, 전지 블록들(B11 내지 B16)은 서브-모듈(AS2)에 포함될 수도 있다. 추가로, 전지 블록들(B7 및 B10)은 서브-모듈(AS3)에 포함될 수도 있고, 전지 블록들(B8 및 B9)은 서브-모듈(AS4)에 포함될 수도 있다.
각 전지 블록의 포지티브 전극과 네거티브 전극 사이의 전압 등에 관한 정보가 버스(10)를 통해 모듈 제어기(CNT)에 공급된다. 모듈 제어기(CNT)는 각 전지 블록의 전압, 전류, 및 온도를 모니터링하여, 그 모니터링 결과를 전지 정보로서 출력한다. 예를 들어, 단일 축전 모듈(MOD)은 16 × 3.2 V = 51.2 V를 출력할 수도 있다.
도 4는 축전 시스템의 더욱 특정한 접속 구성을 예시한다. 예를 들어, 4개의 축전 모듈들(MOD1 내지 MOD4)이 직렬로 접속될 수도 있다. 이러한 경우에, 포지티브 단자(3)(VB+) 및 네거티브 단자(4)(VB-)로부터 추출된 총 전압은 대략 200V이다. 축전 모듈은 모듈 제어기들(CNT1 내지 CNT4) 및 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB4)을 각각 포함한다. 각 전지 블록 그룹에서, 16개의 전지 블록들이 예를 들어, 직렬로 접속된다.
모듈 제어기들(CNT1 내지 CNT4)은 버스를 통해 접속되어, 모듈 제어기(CNT4)의 통신 단자가 제어 박스(ICNT)에 접속된다. 각 모듈 제어기로부터의 모듈 마다의 전압 등에 관한 정보가 제어 박스(ICNT)에 송신된다. 제어 박스(ICNT)는 외부 통신을 가능하게 하는 통신 단자(11)를 추가로 포함한다.
예시적인 모듈 제어기
모듈 제어기의 예시적인 구성을 도 5를 참조하여 설명한다. 모듈 제어기(CNT)는 직렬로 접속된 n개의 전지 블록들(B1 내지 Bn)의 단자들 사이의 전압 뿐만 아니라 각 전지 블록의 전압을 검출하도록 구성된다. 전지 블록들(B1 내지 Bn)의 단자들 사이의 전압 및 각 전지 블록의 전압을 연속적으로 출력하는 멀티플렉서(15)가 제공된다.
멀티플렉서(15)는 소정의 제어 신호에 따라 채널들을 스위칭하고, 아날로그 전압 데이터의 n개의 세트들 중에서 아날로그 전압 데이터의 하나의 세트를 선택한다. 멀티플렉서(15)에 의해 선택된 아날로그 전압 데이터의 하나의 세트는 A/D 컨버터(16)(도 5에서 ADC 또는 아날로그-디지털 컨버터로 표기함)에 공급된다.
A/D 컨버터(16)는 멀티플렉서(15)로부터 공급된 아날로그 전압 데이터를 디지털 전압 데이터로 변환한다. 예를 들어, 아날로그 전압 데이터는 14비트 내지 18비트의 디지털 전압 데이터로 변환될 수도 있다. 여기서, 연속 근사 또는 델타-시그마와 같은 다양한 기법들이 A/D 컨버터(16)에서 변환 기법으로서 사용될 수도 있다.
A/D 컨버터(16)로부터의 디지털 전압 데이터가 통신 유닛(17)에 공급된다. 통신 유닛(17)은 제어기(18)에 의해 제어되고, 통신 단자들(19a 및 19b)을 통해 접속된 외부 장치와 통신한다. 예를 들어, 다른 모듈의 모듈 제어기와의 통신은 통신 단자(19a)를 통해 실시될 수도 있고, 제어 박스(ICNT)와의 통신은 통신 단자(19b)를 통해 실시될 수도 있다. 추가로, 모듈 제어기(CNT)는 통신 단자(19b)를 통해 제어 박스(ICNT)로부터 제어 신호를 수신한다. 이러한 방식으로, 통신 유닛(17)은 쌍방향으로 통신한다.
추가로, 제어기(18)가 전지 블록들의 전압 균일화(leveling)를 제어하도록 구성된다. 이러한 제어를 셀 밸런싱이라 칭한다. 예를 들어, 복수의 전지 블록(B1 내지 Bn) 중 하나의 전지 블록이 저전압 임계값에 도달하는 경우에, 남은 용량을 갖는 다른 전지 블록이 존재할 수도 있다. 다음의 충전시에, 남은 전하를 갖는 다른 전지 블록이 고전압 임계값 신속하게 도달할 수도 있고, 풀(full) 용량으로 충전하는 것이 어려울 수도 있다. 이러한 언밸런스를 회피하기 위해, 남은 전하를 갖는 전지 블록은 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터)를 스위칭 온함으로써 강제로 방전된다. 그러나, 셀 밸런싱 기법은 전술한 패시브 기법에 제한되지 않고, 소위 액티브 기법들 및 다양한 다른 기법들이 적용될 수도 있다. 본 개시물에서의 모듈 밸런싱은 상세히 후술된다.
한편, 전술한 모듈 제어기(CNT)는 각 전지 블록의 전압을 모니터링하여, 검출된 전압을 디지털 신호로 변환하고, 그 디지털 신호를 제어 박스(ICNT)에 송신한다. 전압에 부가하여, 각 전지 블록의 온도가 또한 검출될 수도 있고, 그 온도는 디지털 데이터로 변환되어 제어 박스(ICNT)에 송신된다.
모듈 제어기(CNT)에 대한 전력은 도 5에 예시되어 있는 바와 같이 전지 블록들(B1 내지 Bn)로부터 공급된다. 그러나, 전지 블록들(B1 내지 Bn)이 전원으로서 사용되는 경우에, 모듈 제어기들(CNT)에 의해 소모된 전력량들이 서로 동일하지 않기 때문에 전지 블록(B1 내지 Bn)의 용량의 편차가 모듈들 사이에서 발생할 수도 있고, 모듈 언밸런싱이 발생할 수도 있다. 이러한 요인으로 인해, 모듈 제어기(CNT)에 대한 전원으로서 전지 블록들(B1 내지 Bn)을 사용하지 않는 것이 바람직하다.
도 5에 예시된 모듈 제어기(CNT)에서, 내부 파선에 의해 둘러싸인 A/D 컨버터(16), 통신 유닛(17), 및 제어기(18)는 예를 들어, 5V 전원에서 동작할 수 있는 저전압 전력 유닛을 구성한다. 본 개시물에서, 저전압 전력 유닛에 대한 전력은 제어 박스(ICNT)로부터 공급되도록 구성된다. 전력이 전지 블록들(B1 내지 Bn)로부터 공급되면, 모듈 제어기들(CNT)에 의해 소모된 상이한 전력량들로 인해 모듈 밸런스를 방해할 위험이 있다. 본 개시물에서는, 모듈 제어기(CNT)의 저전압 전력 유닛에 대한 전력이 제어 박스(ICNT)로부터 공급되기 때문에, 이러한 문제점이 발생하지 않을 수 있다.
본 개시물에 따른 축전 시스템의 제1 예
도 6은 n개의 축전 모듈들(MOD1 내지 MODn)을 갖는 축전 시스템에 본 개시물이 적용된 구성의 제1 예를 예시한다. 축전 모듈들은 통신 유닛들(COM1 내지 COMn), 절연기들(ISC1 내지 ISCn), 모듈 제어기들(CNT1 내지 CNTn) 및 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BBn)을 각각 포함한다. n개의 축전 모듈들은 제어 박스(ICNT)에 접속된다. 접속을 위해, 통신 라인들(L1 및 L2) 및 전원 라인(Lp)이 사용된다. 제어 박스(ICNT)와 축전 모듈들(MOD1 내지 MODn) 사이의 쌍방향 통신이 통신 라인들(L1 및 L2)을 통해 이루어진다. CAN이, 예를 들어, 통신 프로토콜로서 사용된다. 최근, CAN은 차량내 LAN에 대해 사용되고 있다.
축전 모듈들에서의 각각의 통신 유닛들(COM1 내지 COMn)은 도 5의 통신 유닛(17)에 대응한다. 따라서, 도 6의 모듈 제어기들(CNT1 내지 CNTn)은 도 5의 구성에 비교하여 통신 유닛(17)을 포함하지 않도록 구성된다. 그러나, 통신 유닛들(COM1 내지 COMn) 및 통신 유닛(17) 양자가 제공될 수도 있고, 각각 상이한 기능들을 갖도록 구성될 수도 있다. +5V와 같은 전원 전압이 각 축전 모듈에서 저전압 전력 유닛에 대한 전력으로서 전원 라인(Lp)을 통해 공급된다.
절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 통신 유닛들(COM1 내지 COMn) 및 모듈 제어기들(CNT1 내지 CNTn)을 서로 절연시키도록 기능한다. 즉, 통신 유닛들(COM1 내지 COMn)에 대한 전원의 기준 전위 및 모듈 제어기들(CNT1 내지 CNTn)에 대한 전원의 기준 전위가 분리되어 독립적으로 된다. 추가로, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 절연 상태에서 전원 전압을 모듈 제어기들(CNT1 내지 CNTn)에 공급하도록 기능하고 쌍방향 통신 송신 매체로서 기능한다.
일례로서, 제어 박스(ICNT) 및 통신 유닛들(COM1 내지 COMn)에 대한 전원 전압을 0V 내지 +5V인 것으로 간주한다. 축전 모듈(MOD1)의 모듈 제어기(CNT1)에 대한 전원 전압을 0V 내지 +5V인 것으로 간주하고, 축전 모듈(MOD2)의 모듈 제어기(CNT2)에 대한 전원 전압을 +50V 내지 +55V인 것으로 간주하며, 축전 모듈(MODn)의 모듈 제어기(CNTn)에 대한 전원 전압을 (+50 × n) V 내지 (+50 × n) +5 V인 것으로 간주한다.
절연기들
CAN 표준이 절연기들(ISC1 내지 ISCn)을 통해 실시된 쌍방향 통신에 대한 프로토콜로서 사용될 수도 있다. 전자기 유도 기법, 자기 공진 기법, 또는 전자기 방사 기법이 절연기들(ISC1 내지 ISCn)을 통해 실시된 전력 송신을 위한 기법으로서 사용될 수도 있다.
본 개시물에서, 비접촉 스마트 카드 기술이 사용된다. 비접촉 스마트 카드 기술로, 리더/라이터(reader/writer)의 안테나 코일이 카드의 안테나 코일과 자기적으로 결합되어 리더/라이터와 카드 사이의 통신 및 전력 송신이 실시된다. 통신은, 13.56 kHz의 주파수에서 반송파에 진폭 시프트 키잉(ASK) 변조를 적용하는 기법을 활용하여, 212 kbps 또는 424 kbps의 속도에서 실시된다. 절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 상기 비접촉 스마트 카드 프로토콜과 유사한 사양들로 이루어진다. 추가로, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 다층 인쇄 회로 기판의 상이한 층들 상에 형성된 안테나들(코일들) 사이에서 통신 및 전력 송신을 실시하도록 구성된다.
도 7에 예시되어 있는 바와 같이, 제어 박스(ICNT)를 구성하는 마이크로프로세서 유닛(MPU) 및 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대한 리더/라이터 칩(22)이 다층 PCB(21) 상에 탑재된다. 또한, PCB 안테나들(23 및 24), 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대한 카드 칩(25), 및 모듈 제어기(CNT)가 다층 PCB(21) 상에 탑재된다.
도 8에 개략적으로 예시되어 있는 바와 같이, 비접촉 스마트 카드 프로토콜로, 리더/라이터 유닛(26)의 안테나(23)로부터 예를 들어, 2 Vop 내지 13 Vop의 반송파 진폭 및 10% 정도의 변조도를 갖는 카드 유닛(27)으로 송신 신호가 형성된다. 송신 신호는 안테나(23)로부터 카드 유닛(27)의 안테나(24)로 송신된다. 안테나(24)에서, 수신 신호는 예를 들어, 2 Vop 내지 13 Vop의 반송파 진폭 및 10% 정도의 변조도를 갖는 고주파 신호이다. 전력은 수신 신호를 평활화함으로써 카드 유닛(27)에서 형성된다. 카드 유닛(27)의 전력 소모는 현저하게 낮다.
이제, 예시적인 PCB 안테나를 설명한다. 도 9a에 예시되어 있는 바와 같이, 4개의 배선층들(LY1 내지 LY4)을 갖는 4층 PCB가, 도전 패턴들로서 안테나들이 형성되는 다층 PCB(21)로서 사용될 수도 있다. 다르게는, 도 9b에 예시되어 있는 바와 같이, 2개의 배선층들(LY11 및 LY12)을 갖는 2층 PCB가 사용될 수도 있다.
도 10a에 예시되어 있는 바와 같이, 1차 (리더/라이터) 안테나(23)가 코일 패턴(31a), 선형 패턴(31b), 및 선형 패턴(31c)으로 형성된다. 코일 패턴(31a)은 4층 PCB의 제4 배선층(LY4) 상에 형성되어, 패턴(31a)의 중심에서의 단부가 랜드(land) 및 쓰루홀을 통해 제3 배선층(LY3) 상의 랜드(32a)에 접속된다. 선형 패턴(31b)은 랜드(32a)와 랜드(32b) 사이에 형성된다. 랜드(32b)는 쓰루홀 및 제3 배선층(LY3) 상의 랜드를 통해 선형 패턴(31c)에 접속된다. 패턴들(31a 및 31c)의 단부들은 예시되지 않은 커넥터들에 접속된다.
도 10b에 예시되어 있는 바와 같이, 2차 (카드) 안테나(24)가 코일 패턴(41a), 선형 패턴(41b), 선형 패턴(41c), 및 선형 패턴(41d)으로 형성된다. 커넥터(미도시)에 일단이 접속되는 코일 패턴(41a)은 4층 PCB의 제1 배선층(LY1) 상에 형성된다. 랜드(42a)는 쓰루홀 및 제2 배선층(LY2) 상의 랜드를 통해 선형 패턴(41b)에 접속된다. 패턴(41b)의 일단은 랜드(42b) 및 쓰루홀을 통해 제1 배선층(LY1) 상의 랜드에 접속된다. 선형 패턴(41c)의 일단은 제1 배선층(LY1) 상의 랜드에 접속된다. 선형 패턴(41c)의 타단은 커넥터(미도시)에 접속된다. 추가로, 선형 패턴(41d)의 일단은 코일 패턴(41a)에 접속되는 랜드(42c)에 접속된다. 선형 패턴(41d)의 타단은 기준 전위점에 접속된다.
패턴들이 교차하는 경우에, PCB 안테나들은 상이한 배선층 패턴들에 의해 실현된다. 쓰루홀들 및 랜드들은 상이한 배선층들을 접속하는 데 사용된다. 그 결과, 도 10a에 예시되어 있는 바와 같이 제4 배선층 상에 여분의 랜드들(32c 및 32d)이 발생되어, 제1 배선층 상에 여분의 랜드(42d)가 발생된다.
PCB의 다른 배선층들 상에 상술한 패턴들을 형성하는 대신에 점퍼 라인들이 사용되도록 구성될 수도 있다. 즉, 점퍼 라인들은 도 10a의 패턴(31b) 뿐만 아니라 도 10b의 패턴들(41b 및 41d) 대신에 사용될 수도 있다. 이러한 경우에, 2층 PCB가 사용될 수도 있고, 쓰루홀이 생략될 수도 있으며, 여분의 랜드들의 발생이 회피될 수 있다. 쓰루홀들을 형성하지 않음으로써, PCB의 절연 내압을 더 증가시킬 수 있다.
본 개시물에서의 절연기들은 PCB에 의해 1차 안테나와 2차 안테나 사이에 절연을 제공한다. 따라서, 본 개시물의 절연기들을 이용함으로써, 1000V 이상의 DC 절연 전압이 가능해진다. 이것은 또한 쌍방향 통신 및 전력 송신을 가능하게 하면서 비용을 감소시키는 이점을 갖는다.
셀 밸런싱
본 개시물에서, 상술한 복수의 축전 모듈들(MOD1 내지 MODn) 사이의 전압 밸런스(이하, 단순히 모듈 밸런스로 칭함)가 제어된다. 즉, 축전 모듈들의 출력 전압들은 모듈 밸런싱에 의해 균일화된다. 각 축전 모듈이 다수의 전지 셀들을 포함하기 때문에, 모듈들 사이의 편차들이 축전 모듈들 내부의 전지 셀들 사이의 전압 밸런스(이하, 단순히 셀 밸런스로 칭함)보다 일반적으로 크다. 따라서, 축전 모듈들 내의 셀들이 또한 밸런싱되더라도, 모듈들을 밸런싱하는 것이 가치가 있다.
본 개시물을 설명하기 이전에, 통상의 셀 밸런싱을 설명한다. 도 11a 내지 도 11c에 예시되어 있는 바와 같이, 3개의 전지 셀들(BT1, BT2, 및 BT3) 사이의 셀 밸런스를 검토한다. 먼저, 도 11a에 예시되어 있는 바와 같이 모든 전지 셀들이 완전하게 충전되어 있다고 가정한다. 다음으로, 도 11b에 예시되어 있는 바와 같이, 전지 셀들이 방전되어 방전량의 편차들이 발생하였고, 전지 셀(BT1)의 전압이 파선에 의해 표시된 저전압 임계값에 도달하였다고 가정한다. 전지 셀들 사이의 편차들로 인해, 나머지 전지 셀들(BT2 및 BT3)은 저전압 임계값에 아직 도달하지 않았다. 자기 방전율의 차들이 예를 들어, 전지 셀들 사이의 방전량의 편차의 원인일 수도 있다.
충전이 이러한 상태에서 개시되면, 전지 셀(BT1)의 전압이 저전압 임계값에 도달하였을 때 남아 있는 최대 용량을 갖는 전지 셀(BT2)이 풀 충전에 먼저 도달할 수도 있다. 이때, 전지 셀(BT1)은 도 11c에 예시되어 있는 바와 같이 풀 충전으로 충전되지 않을 수도 있다. 따라서, 풀 충전으로부터 방전될 수 있는 양이 방전량(C1)으로부터 방전량(C2)으로 감소할 수도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 12a 및 도 12b에 예시되어 있는 바와 같이, 전지 셀(BT1)이 저전압 임계값에 도달하였을 때 남아 있는 최대 용량(최고 전위)을 갖는 전지 셀(BT2)로부터 가장 적은 용량(최저 전위)을 갖는 전지 셀(BT1)로 전력을 전송함으로써 남아 있는 용량이 거의 등화된다. 그 후, 전지 셀들(BT1, BT2, 및 BT3)을 순차적으로 충전함으로써, 3개의 전지 셀들이 거의 풀 충전 전압으로 충전될 수 있다. 실제로, 이 프로세스는 여러 번 반복된다.
이러한 제어를 액티브 보텀 셀 밸런싱이라 칭한다. 보텀 셀 밸런싱으로, 방전가능한 양의 감소가 방지될 수 있다. 패시브 보텀 셀 밸런싱은, 도 12a에 예시된 상태가 제공되는 경우에, 전지 셀들(BT2 및 BT3)이 최저 전위를 갖는 전지 셀(BT1)의 전위에 매칭하도록 방전되게 하는 기법을 칭한다. 패시브 기법들에 비하여, 액티브 기법들은 용량을 더욱 효율적으로 활용할 수 있어서 바람직하다.
도 13a 내지 도 13c 및 도 14a 내지 도 14c를 참조하여 액티브 밸런싱을 설명한다. 먼저, 도 13a에 예시되어 있는 바와 같이 모든 전지 셀들이 완전하게 충전되어 있다고 가정한다. 다음으로, 도 13b에 예시되어 있는 바와 같이 전지 셀들이 방전된다고 가정한다.
그 후, 충전이 개시되면, 전지 셀(BT2)의 전압은 도 13c에 예시되어 있는 바와 같이 고전압 임계값에 먼저 도달한다. 이 때, 전지 셀들(BT1 및 BT3)의 전압들은 고전압 임계값들에 아직 도달하지 않았다. 따라서, 충전량은 충전량(C11)(도 13a)에 관하여 C12에 의해 표시된 바와 같이 감소한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도 14a 및 도 14b에 예시되어 있는 바와 같이, 전지 셀(BT2)이 고전압 임계값에 도달하였을 때 최대 용량(최고 전위)을 갖는 전지 셀(BT2)로부터 가장 적은 용량(최저 전위)을 갖는 전지 셀(BT1)로 전력을 전송함으로써 남아 있는 용량이 거의 등화된다. 전지 셀들(BT1, BT2, 및 BT3)을 순차적으로 충전함으로써, 3개의 전지 셀들이 거의 풀 충전 전압으로 충전될 수 있다. 실제로, 이 프로세스는 여러 번 반복된다.
이러한 제어를 액티브 톱 셀 밸런싱이라 칭한다. 톱 셀 밸런싱으로, 방전가능한 양의 감소가 방지될 수 있다. 패시브 톱 셀 밸런싱은 도 14a에 예시된 상태가 제공되는 경우에, 전지 셀들(BT2 및 BT3)이 최저 전위를 갖는 전지 셀(BT1)의 전위에 매칭하도록 방전되게 하는 기법을 칭한다. 패시브 기법들에 비하여, 액티브 기법들은 용량을 더욱 효율적으로 활용할 수 있어서 바람직하다.
종래 기술의 셀 밸런싱 회로
이제, 플라이백 트랜스포머를 사용하는 종래 기술의 예시적인 액티브 보텀 셀 밸런싱 회로를 도 15a 내지 도 15b 및 도 16의 (a) 내지 (d)를 참조하여 설명한다. 각 전지 셀의 캐소드와 애노드는 1차 코일들(W1 내지 W6)의 양단에 각각 접속된다. 직렬로 접속된 6개의 전지 셀들(BT1 내지 BT6)의 캐소드와 애노드는 2차 코일(W0)의 양단에 접속된다. 추가로, 공통 자심(M)이 제공된다. 추가로, 2차 코일(W0)은 2차 스위치(S0)에 직렬로 접속되고, 1차 코일들(W1 내지 W6)은 1차 스위치들(S1 내지 S6)에 직렬로 각각 접속된다. 스위치들(S0 내지 S6)은 예를 들어, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)로 실현된다.
도 16의 (a) 내지 (d)는 도 15a 및 도 15b에 예시된 액티브 보텀 셀 밸런싱 회로의 동작에 대한 타이밍 차트들이다. 일례로서, 전지 셀들(BT1 내지 BT6)의 각각의 전압들은 예시되지 않은 모니터에 의해 검출되고, 전지 셀(BT2)의 전압이 최저이다. 이러한 경우에, 전력은 나머지 전지 셀들로부터 전지 셀(BT2)로 이동된다. 먼저, 스위치(S0)는 도 15a 및 도 16a에 예시된 바와 같이 스위칭 온되고, 도 16의 (c)에 예시된 바와 같이 전류(I1)가 코일(W0)에 흘러서, 자심(M)을 자화한다.
다음으로, 코일(W2)에 직렬로 접속된 1차 스위치(S2)가 도 15b 및 도 16의 (b)에 예시된 바와 같이 스위칭 온되고, 또한, 2차 스위치(S0)가 도 16의 (a)에 예시된 바와 같이 스위칭 오프된다. 자심(M)에서의 전자기 에너지가 방출되고, 전류(I2)가 도 16의 (d)에 예시된 바와 같이 1차 코일(W2)을 통해 흐른다. 이러한 전류(I2)는 전지 셀(BT2)로 흘러서, 전지 셀(BT2)을 충전한다.
그 후, 1차 스위치(S2)가 도 16의 (b)에 예시된 바와 같이 스위칭 오프된다. 추가로, 포즈(pause)가 소정의 시간량 동안 그 후 유지된다. 사이클 기간을 구성하는, 상기 2차 스위치(S0)의 온-기간, 1차 스위치(S2)의 온-기간, 및 포즈 기간으로 동작이 반복된다.
종래 기술의 예시적인 액티브 톱 셀 밸런싱 회로를 도 17a 내지 도 17b 및 도 18의 (a) 내지 (d)를 참조하여 설명한다. 각 전지 셀의 캐소드와 애노드는 1차 코일들(W1 내지 W6)의 양단에 각각 접속된다. 직렬로 접속된 6개의 전지 셀들(BT1 내지 BT6)의 캐소드와 애노드는 2차 코일(W0)의 양단에 접속된다. 추가로, 공통 자심(M)이 제공된다. 추가로, 2차 코일(W0)은 2차 스위치(S0)에 직렬로 접속되고, 1차 코일들(W1 내지 W6)은 1차 스위치들(S1 내지 S6)에 직렬로 각각 접속된다. 스위치들(S0 내지 S6)은 예를 들어, MOSFET로 실현된다.
도 18의 (a) 내지 (d)는 도 17a 및 도 17b에 예시된 액티브 톱 셀 밸런싱 회로의 동작에 대한 타이밍 차트들이다. 일례로서, 전지 셀들(BT1 내지 BT6)의 각각의 전압들은 예시되지 않은 모니터에 의해 검출되고, 전지 셀(BT5)의 전압이 최고이다. 이러한 경우에, 전력은 전지 셀(BT5)로부터 나머지 전지 셀들로 이동된다. 먼저, 스위치(S5)는 도 17a 및 도 18의 (b)에 예시된 바와 같이 스위칭 온되고, 도 18의 (d)에 예시된 바와 같이 전류(I1)가 코일(W5)을 통해 흘러서, 자심(M)을 자화한다.
다음으로, 2차 스위치(S0)가 도 17b 및 도 18의 (a)에 예시된 바와 같이 스위칭 온되고, 또한, 1차 스위치(S5)가 도 18의 (b)에 예시된 바와 같이 스위칭 오프된다. 자심(M)에서의 전자기 에너지로 인해, 전류(I2)가 도 18의 (c)에 예시된 바와 같이 2차 코일(W0)을 통해 흐른다. 이러한 전류(I2)는 직렬로 접속된 전지 셀들(BT1 내지 BT6)로 흐르고, 전력이 전지 셀들 사이에 분배된다.
그 후, 2차 스위치(S0)가 도 18의 (a)에 예시된 바와 같이 스위칭 오프된다. 추가로, 포즈가 소정의 시간량 동안 그 후 유지된다. 사이클 기간을 구성하는, 상기 1차 스위치(S5)의 온-기간, 2차 스위치(S0)의 온-기간, 및 포즈 기간으로 동작이 반복된다.
모듈 밸런싱 회로
전술한 종래 기술의 밸런싱 회로는 전지 셀들에 관한 것이고, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 모듈들 사이의 밸런스에 적용될 때 문제점들이 발생한다. 여기서, 모듈 밸런스는 각각의 축전 모듈들 내에 복수의 전지 셀들 또는 전지 블록들을 포함하는 전지 유닛들의 전압 밸런스를 가리킨다. 일반적으로, 모듈들 사이의 언밸런스는 모듈들 내의 언밸런스에 비해 큰 값들을 취한다. 각 축전 모듈의 밸런싱의 결과로서 모듈들 사이의 언밸런스를 해결하는 것이 가능하지만, 프로세스에는 더 많은 시간이 걸린다. 그러나, 전술한 종래 기술의 모듈 밸런싱 및 셀 밸런싱이 함께 사용될 수도 있다. 일례로서, 이러한 경우에, 모듈간(inter-module) 밸런싱이 먼저 실시되고, 그 후, 모듈내(intra-module) 밸런싱이 실시된다.
도 19는 종래 기술의 셀 밸런싱 회로가 액티브 모듈 밸런싱 회로에 그대로 적용된 구성을 예시한다. 밸런싱은 예를 들어, 14개의 모듈들 사이에서 실시된다. 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB14)은 직렬로 접속된다. 각 전지 블록 그룹은, 8개의 전지 셀들이 병렬로 접속되고 이러한 8개의 전지 셀들의 병렬 접속(전지 블록)이 16개 직렬 접속된다(8P16S 구성으로 칭함). 단일 전지 블록 그룹이 3.2 V × 16 = 51.2 V의 전압을 발생시킨다. 따라서, 직렬로 접속된 14개의 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB14)은 51.2 V × 14 = 716.8 V의 전압을 발생시킨다.
직렬로 접속된 14개의 전지 블록 그룹들의 캐소드와 애노드는 2차 코일(W0)의 양단에 접속된다. 추가로, 공통 자심(M)이 제공된다. 2차 스위치(S0)는 2차 코일(W0)에 직렬로 접속되고, 1차 스위치들(S1 내지 S14)은 1차 코일들(W1 내지 W14)에 직렬로 각각 접속된다. 스위치들(S0 내지 S14)은 예를 들어, MOSFET로 실현된다.
도 19의 구성에 있어서 액티브 보텀 셀 밸런싱 동작은 스위치(S0)의 스위칭 온을 수반하여, 2차 코일(W0)을 통해 흐르는 전류로 인해 자심(M)을 자화한다. 다음으로, 1차 스위치는 최저 전압을 갖는 축전 모듈에 대해 스위칭 온되고, 대응하는 축전 모듈의 전지 블록 그룹은 축전 모듈의 1차 코일에 전해진 전자기 에너지에 의해 충전된다. 일례로서, 전지 블록 그룹(BB2)의 전압이 32.0V이고 나머지 전지 블록 그룹들의 전압이 32.6V인 경우에, 2차 스위치(S0)가 소정의 시간량 동안 스위칭 온된 후에, 스위치(S0)는 스위칭 오프되고 전지 블록 그룹(BB2)의 1차 스위치(S2)는 스위칭 온된다. 전지 블록 그룹(BB2)은 1차 코일(W2)을 통해 흐르는 전류에 의해 충전된다.
도 19의 구성을 이용한 액티브 톱 셀 밸런싱 동작은 최고의 전압을 갖는 전지 블록 그룹의 1차 코일에 접속된 스위치의 스위칭 온을 수반한다. 다음으로, 그 스위치는 스위칭 오프되고, 스위치(S0)는 스위칭 온된다. 전류는 2차 코일(W0)을 통해 흐르고, 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB14)이 충전된다. 일례로서, 전지 블록 그룹(BB2)의 전압이 56.5V이고 나머지 전지 블록 그룹들의 전압이 55.9V인 경우에, 1차 스위치(S2)가 소정의 시간량 동안 스위칭 온된 후에, 스위치(S2)는 스위칭 오프되고 2차 스위치(S0)는 스위칭 온된다. 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB14)은 2차 코일(W0)을 통해 흐르는 전류에 의해 충전된다.
트랜스포머의 자심(M)이 도 19의 구성에서 공유되기 때문에, 14개와 같은 복수의 축전 모듈이 별개의 케이스들에 수납되도록 구성하는 것은 어렵다. 이러한 경우에, 트랜스포머 장치는, 자심, 코일 및 스위치를 포함하는 트랜스포머 유닛이 14개의 축전 모듈과는 별개인 케이스에 수납되도록 구성되어, 14개의 축전 모듈들은 트랜스포머 장치를 중심으로 스타 패턴으로 접속된다. 이러한 스타 패턴 구성은, 다수의 축전 모듈들이 존재하면 스타 패턴 배선이 복잡해진다는 문제가 있다.
종래 기술의 모듈 밸런싱 회로의 문제점들
도 19의 구성에서, 716.8V의 전압이 직렬로 접속된 14개의 전지 블록 그룹들에 의해 2차 코일(W0) 및 스위치(S0)의 직렬 회로에 인가된다. 실제로 사용되는 경우에, 바람직한 내압은 인가된 전압의 대략 3배이다. 따라서, 내압은 스위치(S0)를 구성하는 FET 또는 반도체 스위치 소자에 대해 2000V가 된다. 이러한 내압을 갖는 반도체 스위치 소자들을 포함하는 도 19의 구성은 실현하는 것이 어렵다.
도 20에 예시되어 있는 바와 같이, 자심(M)은 14개의 자심들(M1 내지 M14)로 분할될 수 있고, 2차 코일(W0)은 14개의 2차 코일들(W01 내지 W014)로 분할될 수 있다. 이와 같이 행함으로써, 14개의 축전 모듈들이 분할되어 케이스에 수납될 수 있다. 도 20의 구성에서, 716.8V의 전압이 1차 스위치들(S01 내지 S014)에 각각 인가된다. 그러나, 도 20의 구성을 이용하면, 플라이백 트랜스포머들을 개별적으로 구성하여, 스위칭 동작의 독립적 제어를 위해 1차 및 2차 스위치들을 코일들에 각각 접속시키는 것이 가능하다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 복수의 전지 블록 그룹들로부터의 전력의 병렬 추출 뿐만 아니라 복수의 전지 블록 그룹들로의 전력의 병렬 공급을 제어하는 것이 가능해진다. 또한, 전력량은 스위칭 동작 동안 온-기간의 길이를 제어함으로써 제어될 수 있다.
본 개시물에 따른 모듈 밸런싱 회로
도 21에 예시되어 있는 바와 같이, 본 개시물에서, 플라이백 트랜스포머(T1)는 1차 코일(W1), 2차 코일(W01), 및 자심(M1)을 포함한다. 스위치(S1)가 1차 코일(W1)에 직렬로 접속되고, 스위치(S01)가 2차 코일(W01)에 직렬로 접속된다. 플라이백 트랜스포머들(T2 내지 T14)은 1차 코일들(W2 내지 W14), 2차 코일들(W02 내지 W014), 및 자심들(M2 내지 M14)을 마찬가지로 포함한다. 스위치들(S2 내지 S14)이 1차 코일들(W2 내지 W14)에 직렬로 접속된다. 스위치들(S02 내지 S014)은 2차 코일들(W02 내지 W14)에 직렬로 접속된다.
플라이백 트랜스포머(T1)에서의 1차 코일(W1)과 스위치(S1)의 직렬 회로는 축전 모듈에서의 전지 블록 그룹(BB1)의 포지티브 및 네거티브 단들에 접속된다. 1차 코일들(W2 내지 W14)과 스위치들(S2 내지 S14)의 나머지 각각의 직렬 회로들은 축전 모듈에서의 전지 블록 그룹들(BB2 내지 BB14)의 포지티브 및 네거티브 단들에 접속된다.
축전 소자(51)가 제공되고, 공통 전원 전압(CV)이 축전 소자(51)에 의해 발생된다. 공통 전원 전압(CV)은 직렬로 접속된 전지 블록 그룹들의 총 전압 716.8V 보다 낮은 전압인 것으로 간주되고, 바람직하게는, 2차 스위치들의 내압의 대략 1/3 이하로 설정된다. 예를 들어, 공통 전원 전압(CV)은 전지 블록 그룹의 단위 전압(51.2V)과 거의 동일한 값으로 설정될 수도 있다. 총 방전 전류 및 총 충전 전류를 제어함으로써, 공통 전원 전압(CV)은 과전압 또는 부족전압 없이 원하는 전압에서 제어된다.
축전 소자(51)는 전지, 커패시터 등이다. 축전 소자(51)로 인해, 하나의 공통 전원 라인(CL+)이 공통 전원 전압(CV)에 있는 것으로 간주되고, 다른 공통 전원 라인(CL-)은 0V인 것으로 간주된다. 다른 공통 전원 라인(CL-)은 직렬로 접속된 복수의 축전 모듈의 전지 블록 그룹들에 대한 전원(V-)에 접속되지 않은 별개의 전원인 것으로 간주된다. 그러나, 공통 전원 라인(CL-)은 전원(V-)에 접속될 수도 있다. 분할된 2차 코일들(W01 내지 W014)의 각각의 일단은 공통 전원 라인(CL+)에 접속되고, 분할된 2차 코일들(W01 내지 W014)의 각각의 타단은 스위치들(S01 내지 S014)을 통해 공통 전원 라인(CL-)에 접속된다.
스위치들(S1 내지 S14) 뿐만 아니라 스위치들(S01 내지 S014)은 예를 들어, MOSFET로 실현된다. 도 22에 예시되어 있는 바와 같이, 예를 들어, 플라이백 트랜스포머(T1)의 스위치(S01)는 MOSFET(Q01)와 이 MOSFET의 드레인과 소스 사이에 접속된 다이오드(D01)를 포함하고, 스위치(S1)는 MOSFET(Q1)와 이 MOSFET의 드레인과 소스 사이에 접속된 다이오드(D1)를 포함한다. 스위칭 온 및 오프는 제어 박스(ICNT)의 제어기로부터의 신호에 의해 제어된다. 제어 박스(ICNT)는 각 축전 모듈에서의 모듈 제어기(CNT)로부터 전압 모니터링 결과에 관한 정보를 수신하여, 제어 신호(펄스 신호)를 생성한다. 그러나, MOSFET 이외에, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 등의 다른 반도체 스위치 소자들이 사용될 수도 있다. 그러나, (MOSFET 및 이 MOSFET의 드레인과 소스 사이에 접속된 다이오드를 포함하는) 스위치를 이용함으로써, 전류는 제어 신호가 없어도 소스-드레인 방향으로 흐르는 전류에 응답하여 다이오드를 통해 자동으로 흐른다(자동 스위칭 온).
공통 전원 전압(CV)이 2차 코일들(W01 내지 W014)과 스위치들(S01 내지 S014)의 직렬 회로에 인가된다. 예를 들어, 1차 코일들과 스위치들에 인가된 전압과 유사한 전압(51.2V)으로 공통 전원 전압(CV)을 설정함으로써, 2차 스위치들(S01 내지 S014)의 내압은 대략 154V로 간주될 수 있다. 이러한 내압은 2차 스위치들(S01 내지 S014)을 구성하는 반도체 스위치에 대해 특히 높은 값은 아니고, 모듈 밸런싱 회로를 구성하는 것을 용이하게 한다.
플라이백 트랜스포머들(T1 내지 T14) 각각에서, 1차 코일 대 2차 코일의 권선비는 1로 제한되지 않고, 위상은 1차와 2차 사이에서 반전되는 것으로 간주된다. 또한, 플라이백 트랜스포머들(T1 내지 T14)은 전력을 쌍방향으로 송신할 수 있다. 따라서, "1차" 및 "2차"의 표기는 편의를 위한 것이고, 1차로부터 2차로 뿐만 아니라 2차로부터 1차로 모두 전력을 송신하는 것이 가능하다.
일례로서 플라이백 트랜스포머(T1)를 취하면, 스위치들(S1 및 S01)이 오프된 상태로부터 스위치(S1)가 스위칭 온되는 경우에, 전류가 코일(W1)을 통해 흘러서, 자심(M1)을 자화한다. 스위치(S1)가 온인 기간 동안, 시간에 따라 증가하는 전류가 코일(W1)을 통해 흐른다. 다음으로, 스위치(S1)가 스위칭 오프되고 스위치(S01)가 스위칭 온되면, 자심이 자화되어 있기 때문에 전류는 스위치(S01)를 통해 코일(W01)로 흐른다. 이러한 전류는 시간에 따라 감소하는 전류이다. 다른 플라이백 트랜스포머들의 동작도 마찬가지이다. 플라이백 트랜스포머들은 결합된 인덕터들로서 기능한다.
도 21의 구성에 있어서 액티브 보텀 셀 밸런싱 동작은 최고 전압을 갖는 전지 블록 그룹으로부터 축전 소자(51)로 전력을 이동시키기 위한 1차 스위치들의 제어, 및 최저 전압을 갖는 축전 모듈의 전지 블록 그룹으로 전력을 이동시키기 위한 2차 스위치들의 추가적인 제어를 수반한다. 이러한 방식으로, 본 개시물에 따른 모듈 밸런싱 회로는 쌍방향 플라이백 트랜스포머들을 통해 2개의 스테이지들에서 전력을 이동시킨다.
일례로서, 전지 블록 그룹(BB3)의 전압이 32.6V에서 가장 높고, 전지 블록 그룹(BB2)의 전압이 32.0V에서 가장 낮은 경우에 대한 동작을 설명한다. 먼저, 스위치(S3)가 스위칭 온되고, 전지 블록 그룹(BB3)이 전원으로서 작용하면서 플라이백 트랜스포머(T3)의 1차 코일(W3)로 전류가 흐른다. 다음으로, 스위치(S3)가 스위칭 오프되고, 스위치(S03)가 스위칭 온된다. 전자기 에너지로 인해, 전류가 2차 코일(W03)을 통해 흘러서, 축전 소자(51)를 충전한다.
다음으로, 스위치(S03)가 스위칭 오프되고, 스위치(S02)가 스위칭 온된다. 축전 소자(51)로 인해, 전류가 플라이백 트랜스포머(T2)의 2차 코일(W02)을 통해 흐른다. 다음으로, 스위치(S02)가 스위칭 오프되고, 스위치(S2)가 스위칭 온된다. 전지 블록 그룹(BB2)은 1차 코일(W2)을 통해 흐르는 전류에 의해 충전된다. 이렇게 행함으로써, 액티브 보텀 셀 밸런싱 동작이 달성된다.
도 21의 구성에 있어서 액티브 톱 셀 밸런싱 동작은, 최고 전압을 갖는 전지 블록 그룹으로부터 축전 소자(51)로 전력을 이동시키기 위한 1차 스위치들의 제어, 및 최저 전압을 갖는 축전 모듈의 전지 블록 그룹으로 전력을 이동시키기 위한 2차 스위치들의 추가적인 제어를 수반한다. 이러한 방식으로, 본 개시물에 따른 모듈 밸런싱 회로는 쌍방향 플라이백 트랜스포머들을 통해 2개의 스테이지들에서 전력을 이동시킨다.
일례로서, 전지 블록 그룹(BB3)의 전압이 56.5V에서 가장 높고, 전지 블록 그룹(BB2)의 전압이 55.9V에서 가장 낮은 경우에 대한 동작을 설명한다. 먼저, 플라이백 트랜스포머(T3)의 스위치(S3)가 스위칭 온되고, 전지 블록 그룹(BB3)이 전원으로서 작용하면서 1차 코일(W3)로 전류가 흐른다. 다음으로, 스위치(S3)가 스위칭 오프되고, 스위치(S03)가 스위칭 온된다. 전자기 에너지로 인해, 전류가 2차 코일(W03)을 통해 흘러서, 축전 소자(51)가 충전된다.
다음으로, 스위치(S03)가 스위칭 오프되고, 플라이백 트랜스포머(T2)의 스위치(S02)가 스위칭 온된다. 축전 소자(51)로 인해, 전류가 2차 코일(W02)을 통해 흐른다. 다음으로, 스위치(S02)가 스위칭 오프되고, 스위치(S2)가 스위칭 온된다. 전지 블록 그룹(BB2)은 1차 코일(W2)을 통해 흐르는 전류에 의해 충전된다. 이렇게 행함으로써, 액티브 톱 셀 밸런싱 동작이 달성된다.
이제, 액티브 톱 셀 밸런싱 동작을 도 23 및 도 24의 (a) 내지 (h)를 참조하여 더 상세히 설명한다. 도 23에 예시되어 있는 바와 같이, 플라이백 트랜스포머(T3)의 코일(W3)을 통해 흐르는 전류를 i1로 표기하고, 코일(W03)을 통해 흐르는 전류를 i2로 표기한다. 전류들(i1 및 i2)은 역상이다. 플라이백 트랜스포머(T2)의 코일(W02)을 통해 흐르는 전류를 i3으로 표기하고, 코일(W2)을 통해 흐르는 전류를 i4로 표기한다. 전류들(i3 및 i4)은 역상이다. 또한, 동작이 개시될 때 축전 소자(51)가 완전하게 충전되어 있다고 가정한다.
도 24의 타이밍 차트에 예시되어 있는 바와 같이, 플라이백 트랜스포머(T3)를 통한 전력 송신 및 플라이백 트랜스포머(T2)를 통한 전력 송신은 병렬로 실시된다. 먼저, 스위치들(S3 및 S02)이 도 24의 (a)와 (c)에 예시되어 있는 바와 같이 동일한 기간 동안 스위칭 온된다. 스위치(S3)의 스위칭 온은 도 24의 (e)에 예시되어 있는 바와 같이 점진적으로 증가하는 전류(i1)로 하여금 코일(W3)을 통해 흐르게 한다. 스위치(S02)의 스위칭 온은 도 24의 (g)에 예시되어 있는 바와 같이 점진적으로 증가하는 전류(i3)로 하여금 코일(W02)을 통해 흐르게 한다. 전류(i3)는 축전 소자(51)에 대해 방전 방향으로 흐른다.
다음으로, 스위치들(S3 및 S02)이 스위칭 오프되고, 스위치들(S03 및 S2)이 도 24의 (b)와 (d)에 예시되어 있는 바와 같이 동일한 기간 동안 스위칭 온된다. 스위치(S03)의 스위칭 온은 도 24의 (f)에 예시되어 있는 바와 같이 점진적으로 감소하는 전류(i2)로 하여금 코일(W03)을 통해 흐르게 한다. 전류(i2)는 축전 소자(51)에 대해 충전 방향으로 흐른다. 전류(i2)에 의한 축전 소자(51)의 충전으로 인해, 전력은 전지 블록 그룹(BB3)으로부터 축전 소자(51)로 이동된다.
스위치(S2)의 스위칭 온은 도 24의 (h)에 예시되어 있는 바와 같이 점진적으로 감소하는 전류(i4)로 하여금 코일(W2)을 통해 흐르게 한다. 전류(i4)는 전지 블록 그룹(BB2)에 대해 충전 방향으로 흐른다. 전류(i4)에 의한 충전에 의해, 축전 소자(51)에서의 전력은 전지 블록 그룹(BB2)으로 이동된다. 실제 전력 송신에서, 단일 스위칭 동작보다는 오히려 다중 스위칭 동작들에 의해 한번에 조금씩 전력이 이동되도록 구성된다는 것에 유의한다. 또한, 이동할 전력량은, 펄스-폭 변조를 스위치에 대한 펄스 신호에 적용하여 스위치의 온-기간을 제어함으로써 원하는 양으로 설정될 수 있다. 또한, 도 24의 (a)와 (c)에서 스위치들(S3 및 S02)이 동기화된 형태로 도시되어 있지만, 실제로는, 공통 전원 전압(CV)에서 소정의 범위를 허용함으로써 비동기 관계가 수용될 수도 있다.
본 개시물에 따른 모듈 밸런싱 회로의 변형예
본 개시물에 따른 상술한 모듈 밸런싱 회로에서, 단일 플라이백 트랜스포머를 통해 추출된 전력이 단일 플라이백 트랜스포머를 통해 이동되도록 구성된다. 그러나, 전력은 또한 복수의 플라이백 트랜스포머를 통해 추출될 수도 있다. 예를 들어, 전력은 가장 큰 전압을 갖는 축전 모듈 및 다음으로 가장 큰 전압을 갖는 축전 모듈 양자로부터 추출되도록 구성될 수도 있다. 또한, 추출된 전력이 복수의 플라이백 트랜스포머를 통해 이동되도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 전력은 최저 전압을 갖는 축전 모듈 및 다음으로 가장 작은 전압을 갖는 축전 모듈 양자에 공급되도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 전술한 도 21의 구성으로, 전력은 플라이백 트랜스포머(T14)를 통해 작은 전류로 추출될 수 있고, 동시에, 플라이백 트랜스포머(T3)를 통해 큰 전류를 갖는 전력을 추출할 수도 있다. 추가로, 전력 추출과 동시에, 플라이백 트랜스포머들(T1 및 T2)을 각각 통해 중간 전류를 갖는 전력이 공급되도록 구성될 수도 있다.
도 25에 예시되어 있는 바와 같이, 커패시터들(C1 내지 C14)이 축전 모듈들의 플라이백 트랜스포머들(T1 내지 T14) 각각에서 2차측 상의 공통 전원 라인(CL+)과 공통 전원 라인(CL-) 사이에 삽입된다. 커패시터들(C1 내지 C14)로 고주파 성분들을 감소시킴으로써, 공통 전원 라인들(CL+ 및 CL-)상에서 발생된 전압들이 직류(DC) 전력으로서 출력될 수 있다. 이러한 DC 전력이 제어 박스(ICNT)에 대한 전원으로서 공급되도록 구성될 수도 있다.
또한, 도 26에 예시되어 있는 바와 같이, 공통 플라이백 트랜스포머(Tx)가 모든 축전 모듈들에 대해 제공되도록 구성될 수도 있다. 플라이백 트랜스포머(Tx)는 1차 코일(Wy), 2차 코일(Wx), 및 자심(Tx)을 포함한다. 코일(Wx)은 스위치(Sx)에 직렬로 접속된다. 코일(Wy)은 스위치(Sy)에 직렬로 접속된다. 플라이백 트랜스포머(Tx)에서의 2차 코일(Wx)의 일단이 단자(52)에 접속되고, 타단이 스위치(Sx)를 통해 0 V 라인에 접속된다. 단자(52)는 공통 전원 전압(CV) 단자에 접속된다.
1차 코일(Wy)의 일단은 14개와 같은 복수의 축전 모듈들에서의 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB14)의 직렬 접속의 애노드(V+)에 접속된다. 1차 코일(Wy)의 타단은 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB14)의 직렬 접속의 캐소드(V-)에 접속된다. 플라이백 트랜스포머(T1 내지 T14) 및 축전 소자(51)는 도 21의 구성과 마찬가지로 전지 블록 그룹(BB1 내지 BB14)에 접속되고, 전술한 바와 같은 모듈 밸런싱이 실시된다.
도 26의 구성에 따르면, 전력은 플라이백 트랜스포머(Tx)를 통해 모든 축전 모듈들의 전지 블록 그룹들에 1회 공급될 수 있고, 모듈 밸런싱 동작에서의 증가된 변동을 가능하게 한다.
또한, 본 개시물에서, 플라이백 컨버터 기법보다는 포워드 컨버터 또는 링잉 초크 컨버터(Ringing Choke Converter; RCC) 기법과 같은 전자기 결합 기법에 기초한 전력 송신 장치를 사용하는 것이 가능하다.
도 27은 축전 소자들(MOD1 내지 MOD14)(도 21에 예시되어 있는 구성)이 축전 모듈들(MOD101 내지 MOD104)을 포함하는 다른 축전 시스템에 접속되는 본 개시물의 애플리케이션을 예시한다. 공통 전원 전압들(CV)이 2개의 축전 시스템들 사이에서 등가의 관계를 가지면, 공통 전원 라인들(CL+ 및 CL-)을 다른 축전 시스템에 접속하는 것이 가능하다. 즉, 접속된 축전 모듈들의 수를 증가시키는 것이 용이하다.
도 28은 축전 모듈들(MOD1 및 MOD2)과 같은 축전 모듈들을 포함하는 축전 시스템의 예시적인 전체 구성을 예시한다. 제어 펄스들이 전술한 모듈 밸런싱 회로의 플라이백 트랜스포머(T1 및 T2)의 1차 스위치들(MOSFET)(S1 및 S2)로 펄스 발생기(53)로부터 공급된다. 펄스 발생기(53)는 모듈 제어기들(CNT1 및 CNT2)로부터의 제어 신호들에 응답하여 제어 펄스들을 생성한다. 예를 들어, 펄스 발생기(53)는 PWM 제어 펄스들을 출력할 수도 있다. 제어 펄스들은 통신 유닛들(COM1 및 COM2)의 마이크로제어기 유닛(MCU)으로부터 플라이백 트랜스포머들(T1 및 T2)의 2차 스위치들(MOSFET)(S01 및 S02)로 공급된다.
제어 박스(ICNT)는 모듈 마다의 전압 정보로부터 모듈 밸런싱 시퀀스를 결정한다. 임의의 모듈 밸런싱 충전 또는 방전이 각각의 모듈들의 통신 유닛들(COM1 및 COM2)에서의 MCU들에 개별적으로 전달된다. MCU들은 플라이백 트랜스포머들의 2차측에 제어 신호들을 직접적으로 각각 공급하거나, 절연기(ISC)를 통해 절연된 통신에 의해 플라이백 트랜스포머의 1차측에 제어 신호들을 송신한다.
제어 신호들은 제어 신호 레벨들에서의 차이로 인해 1차측과 2차측에 대해 별개의 회로 블록들로부터 공급된다. 또한, 전술한 동작과 병렬로, 제어 박스(ICNT)는 공통 전원 전압(CV)을 공급하는 전원 라인들(CL+ 및 CL-) 사이의 전압을 측정하고, 공통 전원 전압(CV)이 원하는 전압이 되도록 전체 모듈 밸런싱 제어를 적용한다.
본 개시물에 따른 축전 장치의 이점
본 개시물의 모듈 밸런싱 회로에서는, 각 모듈에서의 플라이백 트랜스포머들이 별개로 구성되어서, 자기 코어를 공유하는 구성과는 다르게, 스타 패턴으로 배선하지 않고 간단한 배선을 가능하게 한다.
본 개시물의 모듈 밸런싱 회로에서는, 각 축전 모듈에서의 어느 단에서의 전압이 1차 코일 및 플라이백 트랜스포머의 스위치에 인가되고, 공통 전원 전압(CV)은 2차 코일 및 스위치에 인가된다. 공통 전원 전압(CV)은 예를 들어, 각 축전 모듈에서의 전지 블록 그룹의 어느 단에서의 전압과 등가인 값으로 간주된다. 따라서, 직렬로 접속된 모든 축전 모듈들의 전압이 코일들 및 스위치들에 인가되지 않고, 낮은 내압을 갖는 소자들이 코일들 및 스위치들을 위해 사용될 수 있다는 이점이 있다.
본 개시물에서는, 플라이백 트랜스포머들의 1차 스위치들(S1 내지 S14) 및 2차 스위치들(S01 내지 S014)이 독립 제어 펄스 신호들에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 원하는 복수의 플라이백 트랜스포머들을 통해 전력을 송신하는 것이 가능해진다. 또한, 스위칭 동작 동안 온-기간의 길이를 설정함으로써, 플라이백 트랜스포머들을 통해 이동시키기 위한 전력량이 개별적으로 제어될 수 있다. 다시 말해, 이동시키기 위한 전력량은, 이동시키기 위한 전력량에 따라 스위치가 스위칭 온되는 기간을 길게 함으로써, 가변될 수 있다.
추가로, 큰 전류가 복수의 축전 모듈의 출력 단자들(V+ 및 V-) 사이에 흐르기 때문에, 비교적 많은 양의 잡음이 발생되기 쉬울 수도 있다. 그러나, 공통 전원 전압(CV)이 출력 단자들(V+ 및 V-)로부터 절연되기 때문에, 부하 전류에서의 변동으로 인한 잡음의 영향이 감소될 수 있다.
잡음으로부터의 영향이 거의 없는 공통 전원 전압(CV)이 제어 박스(ICNT)에 대한 전원으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 공통 전원 전압(CV)의 값은 제어기의 전원 전압과 등가의 값(+5V 또는 +12V 등)인 것으로 간주될 수도 있다. 제어 박스(ICNT)에 대한 전원으로서 공통 전원 전압(CV)을 사용할 때, 제어 박스(ICNT)에 대한 전원은 축전 모듈들의 전압 변동에 의한 영향을 받지 않을 수 있다.
본 개시물에 따른 축전 시스템의 제2 예
전술한 축전 시스템의 제1 예에서, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 도 6에 예시되어 있는 바와 같이 통신 유닛들(COM1 내지 COMn)과 모듈 제어기들(CNT1 내지 CNTn) 사이에 배치된다. 그러나, 축전 시스템의 제2 예는, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)이 도 29에 예시되어 있는 바와 같이 통신 유닛들(COM1 내지 COMn)과 제어 박스(ICNT) 사이에 배치되도록 구성된다. 절연기들(ISC1 내지 ISCn) 및 제어 박스(ICNT)는 통신 라인들(L1 및 L2) 및 전력 라인(Lp)에 의해 접속된다. SPI 또는 CAN과 같은 인터페이스가 통신 인터페이스로서 사용된다. 절연기들(ISC1 내지 ISCn)이 도 29에서는 축전 모듈들(MOD1 내지 MODn) 내부에 배치되지만, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 모듈들 외부에 또한 배치될 수도 있다.
전술한 제1 예와 마찬가지로, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 통신 유닛들(COM1 내지 COMn) 및 제어 박스(ICNT)를 서로 절연시키며, 통신 유닛들(COM1 내지 COMn)에 전원 전압을 공급하도록 기능하고, 쌍방향 통신을 위한 송신 매체로서 기능한다. CAN 표준은 예를 들어, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)을 통해 실시된 쌍방향 통신에 대한 프로토콜로서 사용될 수도 있다. 전자기 유도 기법, 자기 공진 기법, 또는 전자기 방사 기법이 절연기들(ISC1 내지 ISCn)을 통해 실시된 전력 송신을 위한 기법으로서 사용될 수도 있다.
전술한 제1 예에서와 같이 비접촉 스마트 카드 기술을 사용하는 절연기 구성 이외에, 도 30a에 예시되어 있는 바와 같이 포토다이오드(61)로부터의 광의 변화가 포토트랜지스터(62)에 의해 전압의 변화로 변환되는 광커플러 구성이 또한 사용될 수도 있다. 광커플러는 데이터 송신을 위해 사용된다. 추가로, 근거리 무선 기술에 기초하여 무선 통신을 실시하는 디바이스가 사용될 수도 있고, 이 디바이스는 도 30b에 예시되어 있는 바와 같이 송신기 디바이스(71) 및 수신기 디바이스(72)를 포함한다. 구체적으로는, Bluetooth(등록 상표), UWB, ZigBee, 또는 NFC와 같은 기술이 사용될 수도 있다. 근거리 무선 기술 이외의 무선 기술들이 또한 사용될 수도 있다.
Bluetooth(등록 상표)는 2.4GHz 주파수 대역을 사용하여 100미터의 최대 통신 범위를 갖는 근거리 무선 기술이다. UWB(Ultra-Wideband)는 약 10 미터의 거리에 걸쳐 최대 480 Mbps까지 통신하는 데 매우 큰 대역폭(3.1GHz 내지 10.6GHz)을 사용할 수 있다. ZigBee는 ZigBee Alliance에 의해 표준화된 근거리 무선 기술이다. ZigBee는 2.4GHz, 902 내지 928MHz, 및 868 내지 870MHz 주파수 대역을 사용하고, 9 내지 69미터의 최대 통신 범위를 갖는다. NFC(Near Field Communication)는 13.56MHz 대역에서의 근거리 무선 기술이다. NFC는 다수의 표준들로부터 비접촉 스마트 카드 기술들의 무선 인터페이스 부분을 표준화하고, 비접촉 스마트 카드들 간에 상호 호환성을 생성한다. NFC는 2개의 스테이지들에서 표준화되었고, 2개의 표준들, 즉, 타입 A 및 타입 B가 존재한다. 또한, 복수의 통신 프로토콜과 호환가능한 구성이 또한 포함될 수도 있다.
본 개시물에서는, 절연기들(ISC1 내지 ISCn)은 데이터의 통신에 부가하여 전력을 송신한다. 전력을 송신하기 위해, 도 30c에 예시되어 있는 바와 같이, 예를 들어, 자기 공진을 활용하는 송전 디바이스(73)와 수전 디바이스(74) 사이에서 무선 전력 송신 프로토콜이 사용된다. 고주파 전원으로부터의 고주파 신호가 매칭 회로를 통해 송전 디바이스(73)에 공급된다. 매칭 회로 및 정류기 회로가 수전 디바이스(74)에 접속된다.
도 31은 축전 모듈들(MOD1 및 MOD2)과 같은 축전 모듈들을 포함하는 축전 시스템의 제2 예의 예시적인 전체 구성을 예시한다. 전지 블록 그룹들(BB1 및 BB2)은 모듈 밸런싱 회로들에 각각 접속된다. 각 모듈 밸런싱 회로에는 모듈 제어기들(CNT1 및 CNT2)로부터의 제어 신호, 및 통신 유닛들(COM1 및 COM2)의 MCU(마이크로제어기 유닛)들로부터의 제어 신호가 제공된다. 모듈 밸런싱 회로들은 도 28에 예시된 구성과 마찬가지로 제어된다.
제어 박스(ICNT)로부터의 전원 라인 및 통신 라인은 단일 라인으로서 각각 예시되어 있다. 제어 박스(ICNT)와 통신 유닛들(COM1 및 COM2) 사이의 접속은 절연기들(ISC1 및 ISC2)을 통해 형성되고, 전력은 절연기들(ISC1 및 ISC2)을 통해 제어 박스(ICNT)로부터 통신 유닛들(COM1 및 COM2)로 공급된다. 본 개시물에 따른 축전 시스템의 제2 예는 전술한 제1 예의 이점들과 유사한 이점들을 마찬가지로 나타낸다.
상술한 설명은 본 개시물이 모듈 밸런싱 회로에 적용되는 경우에 대한 것이지만, 본 개시물은 셀 밸런싱에 또한 적용될 수도 있다. 즉, 전술한 도 21에 예시되어 있는 구성에서 전지 블록 그룹들(BB1 내지 BB14)을 전지 셀들로 각각 대체함으로써, 셀 밸런싱 회로가 실현될 수 있다. 상술한 모듈 밸런싱 회로의 이점들과 유사한 이점들이 셀 밸런싱 회로에 본 개시물을 적용하는 경우에도 획득된다.
본 개시물은 도 32에서 통상의 구성에 의해 예시되어 있는 바와 같이 셀 밸런싱 회로에 적용될 수 있다. 도 32에서, n개의 전지 셀들(B11 내지 B1n)은 직렬로 접속되고, 또한, 직렬로 접속된 전지 셀들의 m개의 세트가 있고, 이 세트들은 병렬로 접속되어 있다. 플라이백 트랜스포머들(T11 내지 T1n 및 Tm1 내지 Tmn)의 1차 코일들은 각 전지 셀에 병렬로 접속되고, 1차 스위치들(S11 내지 S1n 및 Sm1 내지 Smn)은 1차 코일들에 직렬로 접속된다. 각 플라이백 트랜스포머의 2차 코일의 일단은 공통 전원 전압(CV)의 전원 라인(CL+)에 접속되고, 2차 코일의 타단은 각각의 2차 스위치들(S011 내지 S01n 및 S0m1 내지 S0mn)을 통해 공통 전원 전압(CV)의 전원 라인(CL-)에 직렬로 접속된다.
또한, 본 개시물은 아래와 같은 구성들을 취할 수도 있다. 일 실시예에서, 축전 장치는 복수의 전지 셀들을 포함하는 전지 블록 및 그 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 절연 유닛을 포함한다. 이러한 실시예에서, 전지 정보는 전압값, 전류값, 또는 온도값 중 하나를 포함한다. 이러한 실시예에서, 절연 유닛은 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대해 구성된 제1 카드 유닛 및 제2 카드 유닛을 포함하고, 제1 및 제2 카드 유닛들은 전지 정보를 서로 무선으로 송신하도록 구성된다.
일 실시예에서, 절연 유닛은 인쇄 회로 기판의 제1 배선층 상에 탑재되고 제1 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제1 안테나, 및 인쇄 회로 기판의 제2 배선층 상에 탑재되고 제2 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제2 안테나를 포함하고, 제2 안테나는 제1 안테나와 제2 안테나 사이의 전지 정보의 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 제1 안테나와 방향 정렬된다. 일 실시예에서, 비접촉 스마트 카드 프로토콜은 212 kbps와 424 kbps 사이의 속도에서 약 13.56 kHz의 반송파 주파수와의 진폭 시프트 키잉(ASK) 변조를 포함하고, 이 반송파는 10% 변조도로 2볼트 내지 13볼트의 진폭을 갖는다.
일 실시예에서, 절연 유닛은 진폭 시프트 키잉(ASK) 변조를 10kHz와 20kHz 사이의 반송파 주파수에 적용함으로써 비접촉 스마트 카드 기술을 통해 전지 블록과의 무선 통신을 가능하게 한다. 일 실시예에서, 절연 유닛은 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 제어기 영역 네트워크(CAN) 통신 프로토콜을 포함한다. 일 실시예에서, 무선 정보 전송은 전자기 유도, 자기 공진, 또는 전자기 방사 중 적어도 하나를 통한 전송을 포함한다.
일 실시예에서, 축전 장치는 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제어기를 더 포함한다. 일 실시예에서, 절연 유닛은 제어기에 전력을 공급하기 위해 무선 전력 전송을 가능하게 한다. 일 실시예에서, 절연 유닛은 인쇄 회로 기판의 제1 배선층 상에 탑재된 제1 안테나, 및 인쇄 회로 기판의 제2 배선층 상에 탑재된 제2 안테나를 포함하고, 제2 안테나는 제1 안테나와 제2 안테나 사이의 전지 정보의 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 제1 안테나와 방향 정렬된다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 안테나들은 선형 코일 패턴으로 형성된다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 안테나들은 인쇄 회로 기판을 통해 자기적으로 결합된다. 일 실시예에서, 제2 안테나는 수신 전지 정보를 필터링하기 위해 저항기 및 커패시터에 병렬로 접속된다. 일 실시예에서, 제1 배선층은 인쇄 회로 기판의 적어도 하나의 절연층에 의해 제2 배선층으로부터 분리된다.
다른 실시예에서, 축전 시스템은 복수의 제1 전지 셀들을 포함하는 제1 전지 블록 및 그 제1 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 제1 절연 유닛을 포함하는 제1 축전 모듈, 및 제2 축전 모듈을 포함한다. 이러한 다른 실시예에서, 축전 시스템은 또한 복수의 제2 전지 셀들을 포함하는 제2 전지 블록 및 그 제2 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 제2 절연 유닛을 포함한다. 이러한 다른 실시예에서, 제1 축전 모듈의 전지 정보는 제2 축전 모듈로부터의 전지 정보와 집약된다.
일 실시예에서, 전지 정보는 전압값, 전류값, 또는 온도값 중 하나를 포함한다. 일 실시예에서, 절연 유닛들의 각각은 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대해 구성된 제1 카드 유닛 및 제2 카드 유닛을 포함하고, 제1 및 제2 카드 유닛들은 전지 정보를 서로 무선으로 송신하도록 구성된다.
일 실시예에서, 축전 시스템은 제2 축전 모듈로부터의 전지 정보와 제1 축전 모듈의 전지 정보를 집약하도록 구성된 관리 유닛을 더 포함한다. 일 실시예에서, 축전 시스템은 제1 전지 블록의 전지 정보를 관리 유닛에 송신하도록 구성된 제1 축전 모듈 내에 포함된 제1 통신 유닛, 제1 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제1 축전 모듈 내에 포함된 제1 제어기, 제2 전지 블록의 전지 정보를 관리 유닛에 송신하도록 구성된 제2 축전 모듈 내에 포함된 제2 통신 유닛, 및 제2 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제2 축전 모듈 내에 포함된 제2 제어기를 더 포함한다.
일 실시예에서, 절연 유닛은 제1 제어기에 전력을 공급하기 위해 제1 통신 유닛과 제1 제어기 사이 및 제2 제어기에 전력을 공급하기 위해 제2 통신 유닛과 제2 제어기 사이의 무선 전력 전송을 가능하게 한다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 통신 유닛들의 각각은 쌍방향 통신용 제1 배선 및 전원용 제2 배선을 통해 관리 유닛에 통신가능하게 결합된다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 절연 유닛들의 각각은 인쇄 회로 기판의 제1 배선층 상에 탑재된 제1 안테나 및 인쇄 회로 기판의 제2 배선층 상에 탑재된 제2 안테나를 포함하고, 제2 안테나는 제1 안테나와 제2 안테나 사이의 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 제1 안테나와 방향 정렬된다.
다른 실시예에서, 축전 제어 장치는, 복수의 전지 셀들을 포함하는 전지 블록, 그 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제어기, 및 제어기와의 무선 통신을 가능하게 하고 제어기에 전력을 무선으로 송신하는 절연 유닛을 포함한다. 이러한 다른 실시예에서, 전지 정보는 전압값, 전류값, 또는 온도값 중 하나를 포함한다. 이러한 실시예에서, 절연 유닛은 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대해 구성된 제1 카드 유닛 및 제2 카드 유닛을 포함하고, 제1 및 제2 카드 유닛들은 전지 정보를 서로 무선으로 송신하도록 구성된다. 또한 이러한 실시예에서, 절연 유닛은 인쇄 회로 기판의 제1 배선층 상에 탑재되고 제1 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제1 안테나 및 인쇄 회로 기판의 제2 배선층 상에 탑재되고 제2 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제2 안테나를 포함할 수도 있고, 제2 안테나는 제1 안테나와 제2 안테나 사이의 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 제1 안테나와 방향 정렬된다.
일 실시예에서, 축전 제어 장치는 복수의 전지 셀들을 포함하는 제2 전지 블록을 더 포함하고, 여기서, 제어기가 제2 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 추가로 구성된다. 일 실시예에서, 축전 제어 장치는, 제어기에 통신가능하게 결합되고 제2 전지 블록의 전지 정보와는 별개로 제어기가 제1 전지 블록의 전지 정보를 측정할 수 있게 하기 위해 제1 전지 블록과 제2 전지 블록 사이에서 스위칭하도록 구성된 멀티플렉서, 및 멀티플렉서와 제어기에 통신가능하게 결합되고 멀티플렉서를 통해 수신된 제1 및 제2 전지 블록들의 전지 정보에 연관된 아날로그 데이터를 제어기에 대한 대응하는 디지털 데이터로 변환하도록 구성된 아날로그-디지털 컨버터를 더 포함한다.
일 실시예에서, 제어기는 제1 및 제2 전지 블록들의 전압 레벨을 능동적으로 밸런싱하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제어기는, 제1 및 제2 전지 블록의 전위차를 결정하고 큰 전위를 갖는 전지 블록으로부터 낮은 전위를 갖는 전지 블록으로 전력을 전송함으로써 제1 및 제2 전지 블록들의 전압을 능동적으로 밸런싱하도록 구성된다. 일 실시예에서, 절연 유닛은, 제어기에 전력을 무선으로 제공하여 제어기가 전지 블록에 축전된 전력에 관계없이 동작할 수 있도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 차량에 전력을 공급하는 축전 장치는, 각 축전 모듈마다 복수의 전지 셀들을 포함하는 적어도 하나의 전지 블록, 적어도 하나의 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제어기, 및 제어기와의 무선 통신을 가능하게 하고 제어기에 전력을 무선으로 송신하는 절연 유닛을 포함하는 복수의 축전 모듈을 포함한다. 이러한 실시예에서, 축전 장치는 차량의 전자식 트랜스미션 또는 차량의 모터를 포함하는 전기적 부하를 또한 포함하고, 전기적 부하는 복수의 축전 모듈로부터의 총 전력으로부터 전력을 수신한다.
일 실시예에서, 전지 정보는 전압값, 전류값, 또는 온도값 중 하나를 포함한다. 일 실시예에서, 절연 유닛들의 각각은 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대해 구성된 제1 카드 유닛 및 제2 카드 유닛을 포함하고, 제1 및 제2 카드 유닛들은 전지 정보를 서로 무선으로 송신하도록 구성된다.
일 실시예에서, 차량에 전력을 공급하기 위한 축전 장치는 복수의 축전 모듈로부터의 전지 정보와 전력을 집약하도록 구성된 관리 유닛을 더 포함한다. 일 실시예에서, 관리 유닛은 전자식 트랜스미션 또는 모터가 차량을 구동하기 위해 사용되는 동안 복수의 축전 모듈의 전압 레벨들을 능동적으로 밸런싱하도록 구성된다.
일 실시예에서, 절연 유닛은 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 제어기 영역 네트워크(CAN) 통신 프로토콜로 구성된다. 일 실시예에서, 관리 유닛은 CAN 통신 프로토콜을 통해 차량에서의 다른 프로세서들과 집약된 전지 정보를 통신하도록 구성된다.
주택 축전 시스템 형태의 애플리케이션
이제, 주택 축전 시스템에 본 개시물을 적용하는 일례를 도 33을 참조하여 설명한다. 예를 들어, 주택(101)의 축전 시스템(100)에서, 전력은 전력망(109), 정보 네트워크(112), 스마트 미터(107), 및 전력 허브(108) 등을 통해 화력 발전(102a), 원자력(102b), 및 수력 발전(102c)과 같은 집중형 전력 시스템(102)으로부터 축전 장치(103)에 공급된다. 또한, 주택용 발전기(104)와 같은 독립 전원으로부터의 전력이 축전 장치(103)에 공급된다. 축전 장치(103)에 공급된 전력은 축전된다. 주택(101)에서 사용되는 전력은 축전 장치(103)를 사용함으로써 공급된다. 이는 주택(101)에 한정되지 않고, 마찬가지의 축전 시스템이 빌딩에 또한 사용될 수도 있다.
주택(101)에는 발전기(104), 전력 소비 디바이스들(105), 축전 장치(103), 각각의 장치를 제어하는 제어 장치(110), 스마트 미터(107), 및 다양한 정보를 취득하는 센서들(111)이 제공된다. 각각의 장치는 전력망(109) 및 정보 네트워크(112)에 의해 접속된다. 태양 전지들, 연료 전지들 등이 발전기(104)로서 사용될 수도 있고, 발전된 전력은 전력 소비 디바이스들(105) 및/또는 축전 장치(103)에 공급된다. 전력 소비 디바이스들(105)은 냉장고(105a), 에어컨(105b), 텔레비전 수상기(105c), 및 온수기(105d) 등이다. 추가로, 전기 차량(106)이 전력 소비 디바이스들(105)에 포함된다. 전기 차량(106)은 전기 자동차(106a), 하이브리드 카(106b), 및 전기 오토바이(106c)이다.
축전 장치(103)에 대해, 전술한 본 개시물의 전지 유닛이 적용된다. 축전 장치(103)는 2차 전지들 또는 커패시터들을 포함하고, 예를 들어, 리튬-이온 전지를 포함할 수도 있다. 리튬-이온 전지는 고정형일 수도 있거나 전기 자동차(106)에서 사용될 수도 있다. 스마트 미터(107)에는 상업용 전력 사용량을 측정하여 측정된 사용량을 전력 회사에 송신하는 기능이 제공된다. 전력망(109)은 DC 전력 송신, AC 전력 송신, 또는 무선 전력 송신, 또는 이들의 조합 중 하나를 수반할 수도 있다.
다양한 센서들(111)은 모션 센서, 조도 센서, 객체 센서, 전력 소비 센서, 진동 센서, 접촉 센서, 온도 센서, 및 적외선 센서 등이다. 다양한 센서들(111)에 의해 취득된 정보는 제어 장치(110)에 송신된다. 센서들(111)로부터의 정보로, 날씨, 사람 등의 상태가 확인되어 전력 소비 디바이스(105)를 자동으로 제어하고 에너지 소비를 최소화할 수 있다. 추가로, 제어 장치(110)는 주택(101)에 관한 정보를 인터넷을 통해 전력 회사로 외부적으로 송신할 수 있다.
전력 라인 라우팅 및/또는 AC/DC 변환과 같은 프로세스들이 전력 허브(108)에 의해 실시된다. 제어 장치(110)가 접속되는 정보 네트워크(112)에 대한 통신 방법은 UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)와 같은 통신 인터페이스를 사용하는 방법들, 및 Bluetooth(등록 상표), ZigBee, 또는 Wi-Fi와 같은 무선 통신 프로토콜에 따른 센서 네트워크를 사용하는 방법들을 포함한다. Bluetooth 프로토콜은 멀티미디어 통신에 적용되고 일 대 다수 접속에 대해 통신할 수 있다. ZigBee는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.15.4의 물리층을 사용한다. IEEE 802.15.4는 PAN(Personal Area Network) 또는 WPAN(Wireless PAN)이라 칭하는 근거리 무선 네트워크에 대한 표준의 명칭이다.
제어 장치(110)는 외부 서버(113)에 접속된다. 서버(113)는 주택(101), 전력 회사, 또는 서비스 제공자에 의해 관리될 수도 있다. 서버(113)에 의해 송신 및 수신된 정보는 전력 소비 정보, 생활 패턴 정보, 전력 요금, 날씨 정보, 천재지변 정보, 및 전력 거래에 관한 정보일 수도 있다. 이러한 정보는 주택 내의 전력 소비 디바이스(예를 들어, 텔레비전), 또는 주택 외부의 디바이스(예를 들어, 휴대 전화기)에 의해 송신 및 수신될 수도 있다. 이러한 정보는 또한 예를 들어, 텔레비전, 휴대 전화기, 또는 PDA(Personal Digital Assistant)와 같은 디스플레이 기능을 갖는 디바이스 상에 표시될 수도 있다.
각각의 유닛들을 제어하는 제어 장치(110)는 중앙 처리 장치(CPU), 랜덤 액세스 메모리(RAM), 및 판독 전용 메모리(ROM) 등으로 구성되고, 이러한 예에서 축전 장치(103) 내에 수납된다. 제어 장치(110)는 정보 네트워크(112)에 의해 축전 장치(103), 주택용 발전기(104), 전력 소비 디바이스들(105), 다양한 센서들(111), 및 서버(113)에 접속되고, 예를 들어, 소비 전력 사용량 및 발전량을 조절하는 기능을 갖는다. 그러나, 제어 장치(110)에는 또한, 전력 시장에서 전력을 거래하는 기능 등의, 상기한 기능 이외의 다른 기능들이 제공될 수도 있다.
상기한 바와 같이, 화력 발전(102a), 원자력 발전(102b), 및 수력 발전(102c)과 같은 집중형 전력 시스템(102)으로부터의 전력 뿐만 아니라 주택용 발전기(104)(태양광 발전, 풍력 발전)로부터의 발전된 전력도 축전 장치(103)에 축전될 수 있다. 따라서, 주택용 발전기(104)로부터 발전된 전력에서 변동이 있더라도 외부적으로 송출된 전력량은, 일정하게 유지될 수 있거나, 다르게는, 필요한 경우에 전력이 방전되도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 하나의 가능한 사용 시나리오는, 태양광 발전에 의해 얻은 전력을 축전 장치(103)에 축전하면서, 요금이 낮은 야간에 축전 장치(103)에 심야 전력을 또한 축전하고, 요금이 높은 주간 동안 축전 장치(103)에 의해 축전된 전력을 방전하는 것을 수반할 수도 있다.
또한, 이러한 예에서, 제어 장치(110)가 축전 장치(103) 내부에 수납되는 것으로 기재되지만, 스마트 미터(107) 외부에 또한 수납될 수도 있거나 독립형 구성을 가질 수도 있다는 것에 유의한다. 또한, 축전 시스템(100)은 또한 공통 주택 단지에서의 복수의 주택에 대하여 사용될 수도 있고, 복수의 단독 주택에 대하여 또한 사용될 수도 있다.
차량 축전 시스템 형태의 애플리케이션
이제, 차량 축전 시스템에 본 개시물을 적용하는 일례를 도 34를 참조하여 설명한다. 도 34는 본 개시물이 적용된 시리즈 하이브리드 시스템을 구현하는 하이브리드 차량의 예시적인 구성을 개략적으로 예시한다. 시리즈 하이브리드 시스템은 엔진을 구동하는 발전기에 의해 발전된 전력, 또는 전지에 임시로 축전된 전력을 사용하는 전기 트랜스미션으로 주행하는 차량이다.
하이브리드 차량(200)에는 엔진(201), 발전기(202), 전기 트랜스미션(203), 구동 휠(204a), 구동 휠(204b), 휠(205a), 휠(205b), 전지(208), 차량 제어 장치(209), 다양한 센서들(210), 및 충전 포트(211)가 탑재되어 있다. 본 개시물의 전술한 전지 유닛이 전지(208)로서 적용된다.
하이브리드 차량(200)은 동력원으로서 전기 트랜스미션(203)을 취함으로써 주행한다. 모터가 전기 트랜스미션(203)의 일례이다. 전기 트랜스미션(203)은 전지(208)로부터의 전력으로 동작하고, 전기 트랜스미션(203)의 토크가 구동 휠들(204a 및 204b)로 전달된다. 적절한 개수의 DC-AC 또는 AC-DC 변환을 사용함으로써 DC 모터 및 AC 모터 양자가 전기 트랜스미션(203)으로서 적용될 수도 있다. 다양한 센서들(210)은 차량 제어 장치(209)를 통해 엔지 회전수를 제어하고, 예시되지 않은 스로틀 밸브의 위치(스로틀 위치)를 제어한다. 다양한 센서들(210)은 속도 센서, 가속도 센서, 엔진 회전 센서 등을 포함한다.
엔진(201)으로부터의 토크가 발전기(202)로 전달되고, 전지(208)에서의 토크로 인해 발전기(202)에 의해 발전된 전력을 축전할 수 있다.
하이브리드 차량이 예시되지 않은 제어 메커니즘에 의해 감속될 때, 감속 동안의 저항이 토크로서 전기 트랜스미션(203)에 추가되고, 그 토크로 인해 전기 트랜스미션(203)에 의해 발전된 회생 전력이 전지(208)에 축전된다.
하이브리드 차량 외부의 전원에 접속함으로써, 전지(208)는 입구로서 작용하는 충전 포트(211)로 외부 전원으로부터의 공급된 전력을 수신할 수 있고, 그 수신된 전력을 축전할 수 있다.
예시하지는 않았지만, 2차 전지 관련 정보에 기초하여 차량 제어에 관한 정보 처리를 수행하는 정보 처리 장치가 또한 제공될 수도 있다. 이러한 정보 처리 장치는 예를 들어, 전지의 잔존 용량 레벨에 관한 정보에 기초하여 잔존 전지 용량 레벨을 표시하는 정보 처리 장치일 수도 있다.
여기서, 엔진에 의해 구동된 발전기에 의해 발전된 전력 또는 전지에 임시로 저장된 전력을 사용하는 모터로 구동하는 시리즈 하이브리드 카를 예로서 상술하였다. 그러나, 본 개시물은 동력원으로서 엔진 및 모터 양자의 출력을 취하고 엔진만으로 구동하고, 모터만으로 구동하고, 엔진 및 모터로 구동하는 3개의 모드 중에서 적절하게 전환 사용하는 패러렐 하이브리드 카에 유효하게 적용가능하다. 또한, 본 개시물은 엔진을 사용하지 않고 구동 모터에 의해서만 제공된 구동으로 주행하는 전기 차량에 유효하게 적용가능하다.
변형예들
본 발명의 특정한 실시예들을 상술하였지만, 상술한 실시예들은 한정하는 것이 아니고, 본 개시물의 기술적 사상에 기초하는 다양한 변형예들이 가능하다. 예를 들어, 상술한 실시예들에 제공된 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 값들은 단지 예들이고, 상이한 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 값 등이 적절하게 사용될 수도 있다.
또한, 상술한 실시예들의 조합이 본 개시물의 취지를 벗어나지 않는 한, 구성, 방법, 공정, 형상, 재료, 및 값 등이 함께 조합될 수도 있다.
본 개시물은, 그 전체 내용이 참조로 여기에 원용되는, 2011년 8월 31일 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 JP 2011-189562 및 2012년 3월 19일 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 JP 2012-062257에 개시된 내용을 포함한다.
다양한 변형예들, 조합들, 서브-조합들 및 변경예들이 첨부한 청구항들의 범위 또는 그들의 등가물 내에 있는 한, 설계 요건들 및 다른 요인들에 의존하여 발생할 수도 있다는 것이 당업자는 이해해야 한다.

Claims (17)

  1. 축전 장치로서,
    복수의 전지 셀들을 포함하는 전지 블록; 및
    상기 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 절연 유닛을 포함하는, 축전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전지 정보는 전압값, 전류값, 또는 온도값 중 하나를 포함하는, 축전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연 유닛은 상기 무선 정보 전송을 용이하게 하기 위해 비접촉 스마트 카드 프로토콜에 대해 구성된 제1 카드 유닛 및 제2 카드 유닛을 포함하고, 상기 제1 카드 유닛 및 상기 제2 카드 유닛은 상기 전지 정보를 서로 무선으로 송신하도록 구성된, 축전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연 유닛은,
    인쇄 회로 기판의 제1 배선층 상에 탑재되고 상기 제1 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제1 안테나; 및
    상기 인쇄 회로 기판의 제2 배선층 상에 탑재되고 상기 제2 카드 유닛에 전기적으로 접속된 제2 안테나를 포함하고,
    상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나 사이의 상기 전지 정보의 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 상기 제1 안테나와 방향 정렬되는, 축전 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 비접촉 스마트 카드 프로토콜은 212kbps와 424kbps 사이의 속도에서 약 13.56kHz의 반송파 주파수를 이용한 진폭 시프트 키잉(ASK) 변조를 포함하고, 상기 반송파는 10% 변조도로 2볼트 내지 13볼트의 진폭을 갖는, 축전 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 절연 유닛은 10kHz 내지 20kHz의 반송파 주파수에 진폭 시프트 키잉(ASK) 변조를 적용함으로써 비접촉 스마트 카드 기술을 통해 상기 전지 블록과의 무선 통신을 가능하게 하는, 축전 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연 유닛은 상기 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 제어기 영역 네트워크(CAN) 통신 프로토콜을 포함하는, 축전 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무선 정보 전송은 전자기 유도, 자기 공진, 또는 전자기 방사 중 적어도 하나를 통한 전송을 포함하는, 축전 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제어기를 더 포함하는, 축전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 절연 유닛은 상기 제어기에 전력을 공급하기 위해 무선 전력 전송을 가능하게 하는, 축전 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절연 유닛은,
    인쇄 회로 기판의 제1 배선층 상에 탑재된 제1 안테나; 및
    상기 인쇄 회로 기판의 제2 배선층 상에 탑재된 제2 안테나를 포함하고,
    상기 제2 안테나는 상기 제1 안테나와 상기 제2 안테나 사이의 상기 전지 정보의 무선 정보 전송을 가능하게 하기 위해 상기 제1 안테나와 방향 정렬되는, 축전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 선형 코일 패턴의 형상인, 축전 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 안테나 및 상기 제2 안테나는 상기 인쇄 회로 기판을 통해 자기적으로 결합되는, 축전 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 안테나는 수신된 전지 정보를 필터링하기 위해 저항기 및 커패시터에 병렬로 접속되는, 축전 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 배선층은 상기 인쇄 회로 기판의 적어도 하나의 절연층에 의해 상기 제2 배선층으로부터 분리되는, 축전 장치.
  16. 축전 시스템으로서,
    제1 복수의 전지 셀들을 포함하는 제1 전지 블록; 및
    상기 제1 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 제1 절연 유닛을 포함하는
    제1 축전 모듈; 및
    제2 복수의 전지 셀들을 포함하는 제2 전지 블록; 및
    상기 제2 전지 블록의 전지 정보에 관한 무선 정보 전송을 가능하게 하는 제2 절연 유닛을 포함하는
    제2 축전 모듈을 포함하고,
    상기 제1 축전 모듈의 전지 정보는 상기 제2 축전 모듈로부터의 전지 정보와 집약되는, 축전 시스템.
  17. 차량에 전력을 공급하기 위한 축전 장치로서,
    각각이,
    복수의 전지 셀들을 포함하는 적어도 하나의 전지 블록;
    상기 적어도 하나의 전지 블록의 전지 정보를 측정하도록 구성된 제어기; 및
    상기 제어기와의 무선 통신을 가능하게 하고 상기 제어기에 전력을 무선으로 송신하는 절연 유닛을 포함하는
    복수의 축전 모듈들; 및
    차량의 전자식 트랜스미션 또는 모터를 포함하는 전기적 부하를 포함하고,
    상기 전기적 부하는 상기 복수의 축전 모듈들로부터의 총 전력으로부터 전력을 수신하는, 축전 장치.
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