KR20140050691A

KR20140050691A - 전기 축전지 배터리들의 균형을 유지하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20140050691A
Application number: KR1020147004857A
Authority: KR
Inventors: 리오넬 코르데세; 아나-루시아 드리에메예-프랑코; 다니엘 샤트루
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-04-29
Also published as: US20140191725A1; JP2014522222A; EP2737592A2; WO2013014358A3; CN103765720A; FR2978625A1; FR2978625B1; WO2013014358A2

Abstract

본 발명은 축전지 배터리의 균형을 유지하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 방법에 의하면, 서로 직렬 접속된 축전지들을 포함하는 배터리 및 상기 축전지들을 충전하기 위한 충전 전류가 제공되어 있으며, 상기 축전지들은 최대 충전 상태를 나타내고, 상기 축전지들은 상기 축전지들의 최대 충전 상태에 이르기까지 상기 축전지들의 충전을 증가시키도록 충전 단계 동안 충전된다. 상기 충전 단계는, a) 상기 배터리의 축전지들 중 하나의 축전지가 상기 최대 충전 상태에 이르게 될 때까지 상기 축전지들이 충전 값의 상기 충전 전류로 직렬로 급전되는 부속단계; b) 그 동안, 상기 축전지들 중 하나의 축전지가 해당하는 저항기의 단자들에 연결됨과 동시에, 상기 충전 전류가 감소하게 되는 부속단계; 및 c) 부속단계 a)로 복귀되는 부속단계;를 차례로 포함한다.

Description

전기 축전지 배터리들의 균형을 유지하는 방법 및 장치{Method and device for equilibrating electric accumulator batteries}

본 발명은 전기 축전지 배터리들의 균형을 유지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

예상된 적용분야는 특히 리튬 이온 배터리들의 충전 관리이지만, 이에 국한되지 않는다. 이러한 타입의 배터리는 공칭 전압을 제공하도록 된 충전가능한 전기화학 시스템을 포함하는, 복수 개의 전기 축전지들, 또는 전지들을 구비한다.

이러한 축전지들의 충전 또는 방전은 축전지의 단자들 양단에 걸린 전압의 증가 또는 감소로 각각 다시 표현된다. 축전지가 전기화학 시스템의 전기화학적 균형에 의해 정의된 전압 레벨에 이르게 되었을 때 축전지는 충전되거나 이와는 달리 방전된 상태에 있게 된다. 직렬로 이루어진 복수 개의 축전지들을 포함하는 회로에서는, 모든 축전지들을 통해 모두 하나로 되고 그리고 동일한 전류 값이 흐르게 된다. 따라서, 상기 축전지들의 충전 또는 방전 레벨은 상기 축전지들의 고유 특성들, 다시 말하면 상기 전기화학 시스템의 전극들 및/또는 전해질의 내부의 기생 저항들 및 고유 정전용량에 의존한다. 따라서, 상기 축전지들 간의 전압 차들은 제조 및 노화(aging)에 있어서의 불균형 때문에 생길 수 있다.

더군다나, 모두 하나로 되고 그리고 동일한 전기화학 시스템의 축전지들은 상기 축전지들을 손상시키는 위험을 무릅쓰고 축전지 배터리를 충전할 때 초과하지 않는 것이 바람직한 소정의 최대 충전 상태를 나타낸다.

지금까지, 위의 내용을 고려해 볼 때, 축전지 배터리를 충전할 때, 모든 축전지들이 동시에 소정의 최대 충전에 이르는 것은 아니다. 따라서, 소정의 최대 충전에 이르게 될 때 축전지들 각각에 대해 충전이 중지되는 방식으로 축전지 배터리의 축전지들 각각에 대해 개별 충전을 제공하고, 결과적으로는 상기 축전지들의 충전 균형을 유지할 필요가 있다.

여기서 유념할 점은 방전 문제가 마찬가지로 심각하다는 점이다. 한편으로는, 모두 하나로 되고 그리고 동일한 배터리의 축전지들 모두가 자신들의 최소 충전 레벨을 동시에 획득하는 것이 아니다.

특히, 모두 하나로 되고 그리고 동일한 배터리의 각각의 축전지에 대한 충전기를 포함하는 장치를 개시하는 문헌 US 6 377 024에 대한 참조가 이루어질 수 있다.

이 문헌에 기재된 장치는 상기 축전지들 각각의 개별 충전을 개시한 다음에 중지하도록 상기 축전지들 각각의 최대 및 최소 충전 문턱값들을 고려한다.

이러한 장치의 결함은 상기 장치의 비용에 있는데, 그 이유는 상기 장치가 상기 배터리에 대한 축전지들이 존재하는 만큼의 충전기들의 사용을 필요로 하기 때문이다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 저렴한 균형유지 방법 및 균형유지 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적으로, 본 발명은 제1 주제에 따라 전기 축전지 배터리의 균형을 유지하는 방법을 제안하며, 상기 방법은 첫째로 서로 직렬 접속된 축전지들을 포함하는 전기 축전지 배터리 및 둘째로 상기 축전지들을 충전하기 위한 충전 값을 나타내는 충전 전류가 제공되는 타입으로 이루어지며, 상기 축전지들은 최대 충전 상태를 나타내고, 상기 축전지들은 상기 축전지들의 최대 충전 상태에 이르기까지 상기 축전지들의 충전을 증가시키도록 충전 단계 동안 충전된다. 본 발명에 의하면, 상기 충전 단계는 a) 상기 배터리의 상기 축전지들 중 하나의 축전지가 상기 최대 충전 상태에 이르게 될 때까지 상기 축전지들이 상기 충전 값의 상기 충전 전류로 직렬로 급전되는 부속단계; b) 연결 기간 동안, 상기 축전지들 중 하나의 축전지가 상기 축전지들 중 하나의 축전지를 방전시킴과 동시에, 상기 충전 전류를 균형 값으로 낮추도록 대응하는 방전 요소의 단자들에 연결되는 부속단계, 및 c) 상기 연결 기간보다 짧거나 동일한 시간 후에 부속단계 a)로 프로세스가 복귀되는 부속단계;를 차례로 포함한다.

따라서, 본 발명의 특징은 이하의 내용에서 설명되겠지만 단일 충전 장치로 직렬 접속된 축전지들 모두에 급전하고, 그리고 최대 충전 상태에 먼저 이르게 된 축전지를 미리 결정된 연결 기간 동안 방전 요소 상에 병렬로 배치하는 데 있다. 상기 방전 요소는 저항기인 것이 바람직하다. 그럼에도, 상기 방전 요소는 에너지를 소산(消散)시키지 않고 상기 최대 충전 상태에 아직 이르지 않은 다른 축전지에 에너지를 전달하는 것을 가능하게 하는 장치로 이루어질 수 있다.

이러한 방식으로, 상기 연결 기간 동안에는, 이러한 축전지의 충전이 낮아지게 되고, 그리고나서 이러한 연결 기간 후에는, 축전지가 상기 최대 충전 상태에 다시 이르게 될 때까지 상기 배터리의 축전지들 모두가 다시 충전된다. 이러한 방식으로, 상기 주기가 자체적으로 반복됨에 따라, 상기 축전지 배터리의 축전지들 모두가 상기 최대 충전 상태로 수렴하게 된다. 그 외에도, 상기 축전지들의 개별 충전 상태는 상기 최대 충전 상태 및 상기 결합 기간 동안 균형이 유지된 축전지가 다시 감소하게 될 수 있는 충전 상태 사이로 변동한다. 따라서, 상기 축전지들 모두는 단지 단일 충전 장치를 사용하여 연속적으로 충전되고 균형유지되는데, 이는 그다지 비용이 들지 않는다.

본 발명의 특히 바람직한 구현 모드에서는, 부속단계 b)에서, 상기 방전 요소, 또는 대응하는 저항기는 균형유지 전류에 의해 통과되고 상기 충전 전류는 상기 균형유지 전류보다 낮거나 동일한 값으로 낮아지게 된다. 이러한 방식으로, 다른 축전지들의 충전은 완전히 중단되지 않는다. 상기 충전 전류가 상기 균형유지 전류와 동등한 값일 때, 상기 충전 전류는 이때 "비례 모드(proportional mode)"로 구동되고 추가 구동 요소를 필요로 한다. 바람직하게는, 상기 충전 전류가 0 값으로 낮아지게 되고, 상기 구동이 "전부 또는 전무 모드(all-or-nothing mode)"로 구현되는데, 이는 상기 축전지 배터리의 충전 속도를 실질적으로 감소시키고 그 반면에 조립을 단순화시킨다.

본 발명의 특히 바람직한 구현 모드에서는, 높은 충전 상태가 정의되며, 상기 높은 충전 상태는 상기 최대 충전 상태보다 낮게 되고, 더군다나, 부속단계 b)에서는, 상기 높은 충전 상태 및 상기 최대 충전 상태 사이에 존재하는 충전 상태를 지니는 축전지들이 상기 축전지들을 방전시키는 방식으로 대응하는 방전 요소들에 연결된다. 이러한 높은 충전 상태는, 비록 상기 최대 충전 상태보다 낮게 되지만, 상기 최대 충전 상태에 매우 근접하게 된다. 이러한 방식으로, 최대로 충전된 축전지의 충전은 낮아지게 됨과 동시에, 충전 상태를 나타내는 축전지들의 충전은 상기 최대 충전 상태 부근에 있게 된다. 이러한 방식으로, 다음에 이루어지는 주기가 좀더 길어지고, 그 결과로 이러한 주기들에 따라, 상기 배터리의 축전지들의 충전 속도가 좀더 빨라지게 된다.

더군다나, 바람직하게는, 부속단계 c)에서, 적어도 하나의 축전지가 상기 높은 충전 상태보다 낮은 충전 상태를 나타내는 경우에 그리고 적어도 하나의 축전지가 상기 높은 충전 상태보다 낮은 충전 상태를 나타내는 경우에만 부속단계 a)로 프로세스가 복귀된다. 이러한 방식으로, 상기 배터리의 축전지들의 충전은 상기 축전지들 모두가 상기 최대 충전 상태 및 상기 높은 충전 상태 사이에 존재하는 충전 상태를 나타내는 경우에 중단될 수 있다. 따라서, 상기 축전지들의 급전 및 균형유지는 이러한 것이 더 이상 필요하지 않을 경우에 중단된다.

다른 한 주제에 의하면, 본 발명은 전기 축전지 배터리를 충전하도록 된 균형유지 장치를 제안하며, 상기 전기 축전지 배터리는 서로 직렬 접속된 축전지들을 포함하고, 상기 축전지들은 최대 충전 상태를 나타내며, 상기 균형유지 장치는 충전 값을 나타내는 충전 전류를 제공하는 충전 수단을 포함하고, 상기 충전 전류는 상기 축전지들의 충전을 상기 축전지들의 최대 충전 상태에 이르기까지 증가시키기 위해 충전 단계 동안 상기 축전지들을 충전하도록 된 것이다. 본 발명에 의하면, 상기 균형유지 장치는, 모니터링 수단이 최대 충전 상태에 있는 상기 배터리의 상기 축전지들 중 하나의 축전지를 모니터링할 때까지 상기 충전 값의 상기 충전 전류로 직렬로 상기 축전지들에 상기 충전 수단이 급전하도록 상기 충전 수단을 제어하는, 제어 수단 및 모니터링 수단; 상기 축전지들 중 상기 하나의 축전지를 방전시킴과 동시에 상기 제어 수단이 상기 충전 전류를 낮추게 하도록 연결 기간 동안 대응하는 방전 요소의 단자들에 상기 축전지들 중 상기 하나의 축전지를 연결시키기 위해 상기 제어 수단에 의해 제어될 수 있는 연결 수단;을 포함하며, 상기 제어 수단은 상기 연결 기간보다 짧거나 동일한 시간 후에, 상기 충전 값의 상기 충전 전류로 상기 축전지들에 급전하는 것을 제어할 수 있다. 이하의 내용에서는, 본 발명에 따른 균형유지 장치의 동작 모드가 좀더 구체적으로 설명될 것이다.

더욱이, 상기 연결 수단은 상기 축전지들 각각에 대해, 대응하는 스위치들 및 방전 요소들을 포함하며, 상기 스위치들은 상기 제어 수단에 링크되어 있다. 바람직하게는, 상기 대응하는 방전 요소들은 저항기들이다.

바람직하게는, 상기 모니터링 수단이 상기 축전지들 각각에 대해, 상기 제어 수단에 링크된 제1 모니터링 수단을 포함한다. 따라서, 상기 제1 모니터링 수단은 상기 축전지들의 충전 상태를 상기 제어 수단에 전달하며, 상기 축전지들 중 하나의 축전지가 상기 최대 충전 상태에 이르게 되는 즉시, 상기 제어 수단이 상기 스위치를 제어하여 상기 대응하는 방전 요소 또는 예를 들면 상기 저항기를 상기 축전지들 중 상기 하나의 축전지의 단자들에 접속시킨다.

본 발명의 특히 바람직한 구현 모드에서는, 상기 모니터링 수단이 상기 축전지들 각각에 대해 제2 모니터링 수단을 부가적으로 포함하며, 상기 제2 모니터링 수단은 높은 충전 상태를 모니터링할 수 있고, 상기 높은 충전 상태는 상기 최대 충전 상태보다 낮게 된다. 상기 제1 모니터링 수단 및 상기 제2 모니터링 수단 때문에, 상기 배터리의 축전지들은 상기 축전지들의 최대 충전 상태로 좀더 신속하게 수렴하도록 이루어진다.

바람직하게는, 각각의 모니터링 수단이 전압 비교기로 이루어져 있다. 이러한 전압 비교기들은 전류의 정확한 값이 제공될 수 있게 하는 아날로그-디지털 변환기보다 그다지 비싸지 않다는 이점을 제공한다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 예를 들어 제공된 것이지만 비-제한적인 방식으로 제공된 본 발명의 특정한 구현 모드에 대한 이하의 내용을 이해하면 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따르며 그리고 제1 변형 실시예를 이루는 균형유지 장치의 제1 기본 유닛을 블록 다이어그램으로 보여주는 도면이다.
도 2는 제1 변형 실시예를 이루는 균형유지 장치의 동작 모드를 그래프로 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따르며 제2 변형 실시예를 이루는 균형유지 장치의 제2 기본 유닛을 블록 다이어그램으로 보여주는 도면이다.
도 4는 제2 변형 실시예를 이루는 균형유지 장치의 동작 모드를 그래프로 예시하는 도면이다.

도 1에는, 부분적으로 도시된 제1 변형 실시예로 이루어진 균형유지 장치(14)와 아울러 2개의 단자(A, B) 사이에 직렬로 조립된 n개의 축전지들(12), 또는 전지들의 배터리(10)가 예시되어 있다. 상기 축전지들(12)은 예를 들면 리튬 이온 타입으로 이루어져 있다. 상기 축전지들(12) 각각은 예를 들면 인산철(iron phosphate)을 기재로 하며 3.3 V인 공칭 전압을 지니는 리튬-이온 전기화학 시스템의 경우에 예를 들면 3.6 V에 상응하는 최대 충전 상태를 나타낸다. 더군다나, 여기서 유념할 점은 축전지의 충전 또는 방전이 상기 공칭 전압 부근에 있는 이러한 축전지의 단자들 양단 간의 고전압 및 저전압에 각각 상응한다는 점이다. 그 결과로, 축전지의 단자들 양단 간의 전압을 모니터링함으로써 축전지의 충전 또는 이와는 달리 방전 상태를 측정하는 것이 가능하다. 더욱이, 인산철을 기재로 한 리튬 이온 타입 축전지에 관한 한, 과충전은 상기 전해질의 분해로 다시 표현되는데, 이는 상기 전해질의 수명을 감소시키고 상기 축전지에 손상을 줄 수 있다. 이와는 반대로, 예를 들면 2V 미만의 전압을 초래시키는 과방전은 주로 집전체가 구리로 이루어질 때 음(-) 전극의 집전체를 산화시키고, 결과적으로는 상기 축전지가 손상되는 결과를 초래시킨다. 그 결과로, 다른 축전지들 전에 최대 충전 상태에 이르게 되는 축전지들이 손상되는 것을 방지하기 위하여 상기 배터리(10)가 충전 단계에 있을 때 상기 배터리(10)의 축전지들(12)의 균형을 유지할 필요가 있다. 또한, 이하의 내용에서 설명되겠지만, 상기 축전지들이 최소 충전 상태 미만으로 방전하는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있다.

도 1에는 i번째 축전지(12)와 병렬로 조립된 기본 균형유지 유닛(16)이 도시되어 있다. 이러한 기본 균형유지 유닛(16)은 본질적으로 제1 모니터 또는 비교기(18) 및 대응하는 방전 요소인 저항기(20)를 포함하며, 이들 양자 모두는 상기 축전지(12)의 단자들에 연결되어 있다. 상기 저항기(20)는 제어가능한 스위치(24)에 의해 폐쇄될 수 있는 균형유지 회로(22)의 일부이며, 이들은 연결 수단을 구성한다.

도 1에는 또한 첫째로 상기 제어가능한 스위치(24)에 그리고 상기 제1 비교기(18)에 링크되는 제어 요소들(26), 및 둘째로 상기 배터리(10)의 2개의 단자(A, B)에 접속되는 충전기(28)가 도시되어 있으며, 상기 충전기 자체는 또한 상기 제어 요소들(26)에 링크되어 있다. 상기 제어 요소들(26)은 예를 들면 마이크로제어기를 포함한다. 상기 제1 비교기(18)는 최대 충전 상태, 예를 들면 3.6 V에 이르게 될 때 높은 문턱값 신호를 전송하도록 된 제1 접속부(30), 및 최대 방전 상태, 예를 들면 2 V에 이르게 될 때 낮은 문턱값 신호를 전송하도록 된 제2 접속부(32) 양자 모두에 의해 상기 제어 요소들(26)에 링크된다.

상기 배터리(10)의 축전지들(12) 각각에, 병렬로 조립된 기본 균형유지 유닛(16)이 장착되어 있는 반면에, 상기 균형유지 장치(14)는 상기 기본 균형유지 유닛들(16) 모두가 링크되어 있는 단일 제어 요소들(26) 및 단일 충전기(28)를 지닌다.

상기 균형유지 장치의 동작 모드는 상기 단일 충전기(28)를 사용하여 그리고 서로 다른 상기 배터리(10)의 축전지들(12)의 개별 충전 상태들로 상기 배터리(10)의 축전지들(12) 중 어떠한 축전지도 최대 충전 상태를 초과하지 않고 상기 배터리(10)의 축전지들(12) 모두를 직렬로 충전시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 균형유지 방법은 이러한 제1 변형 실시예로 이하에 설명될 것이다.

따라서, 제1 단계에서, 상기 제어 요소들(26)이 상기 충전기(28)를 제어하여 상기 충전기(28)가 소정의 충전 값의 충전 전류로 축전지들(12)의 배터리(10)에 급전하게 한다. 따라서, 상기 축전지들(12) 모두는 동일한 충전 전류를 수신하는 반면에, 상기 축전지들(12) 자체의 충전 상태는 반드시 동등할 필요가 없으며, 더욱이 상기 축전지들(12)의 충전 정전용량도 또한 동등하지 않아도 된다. 따라서, 충전시, 상기 축전지들(12) 중 하나는 다른 축전지들 전에 반드시 최대 충전 상태에 이르게 된다. 이러한 축전지(12), 예를 들면 도 1에서의 i번째 축전지(12)가 최대 충전 상태에 이르게 되는 즉시, 상기 제1 비교기(18)는 상기 제1 비교기(18)의 제1 접속부(30)를 통해, 높은 문턱값 신호를 상기 제어 요소들(26)에 전송한다. 이러한 신호의 수신시, 상기 마이크로제어기(26)는 상기 스위치(24) 및 상기 회로(22)의 폐쇄, 및 상기 충전 전류의 낮춤을 동시에 제어한다. 이러한 연결 동작은 소정의 연결 기간 동안 미리 프로그램된다. 이러한 단계 동안, 상기 축전지(12)는 상기 저항기(20)의 단자들 양단으로, 예를 들면 최대 충전 상태의 1/10 및 1/100 사이로 방전하지만, 다른 축전지들(12)이 이러한 연결 기간 동안 상기 다른 축전지들(12) 자체의 최대 충전 상태에 이르지 않도록 충전 전류는 낮아지게 된다.

"전부 또는 전무(all or nothing)"라 불리는 제1 구현 모드에서는, 상기 충전 전류가 이러한 연결 기간 동안 0(zero)으로 되는데, 이는 상기 장치의 조립을 단순화하며 그 중에서도 특히 상기 연결 기간이 비교적 길게 될 경우에 다른 한 축전지가 최대 충전 상태에 이르게 됨을 방지하는 것을 가능하게 한다. "비례(proportional)"라 불리는 제2 구현 모드에서는, 상기 충전 전류가 상기 저항기를 통과하는 균형유지 전류의 값과 동등한 값으로 된다.

상기 연결 기간이 만료되는 즉시, 상기 마이크로제어기(26)는 상기 충전기(28)가 상기 소정의 충전 값으로 복귀되도록 상기 충전기(28) 및 상기 회로(22)의 개방을 제어한다.

따라서, 상기 축전지들(12)은 상기 충전기들(12)의 최대 충전 상태 부근에 있는 충전 상태로 되도록 연속적으로 충전된다.

도 2를 참조하면, 도 2에는 배터리의 축전지들의 4개의 축전지의 충전 상태의 진행과정을 예시하는 제1 그래프가 도시되어 있으며, 상기 배터리는 상기 충전 주기들의 함수로서 10개의 축전지를 포함한다. 상기 최대 충전 상태는 여기서 4.2 V이다. 따라서, 여기서 알 수 있는 점은 축전지 09가 상기 방법의 적용 초기에 최대 충전 상태, 4.2 V에 있다는 점이다. 축전지 10은 또한 최대 충전 상태에 근접해 있지만, 축전지 02는 4.12V에 상응하는 충전 상태에 있으며 축전지 08은 4.06 V에 있다.

따라서, 배터리 충전이 개시되는 경우에, 상기 축전지 09는 제1 최대 충전 상태에 이르게 된다. 따라서, 상기 축전지 09는 부분적으로 방전되지만 다른 축전지들은 비례 모드에서 상기 연결 기간 동안 계속 충전되거나 전부 또는 전무 모드에서 이러한 기간 동안 계속 충전되지 않는다. 상기 축전지 10은 최대 충전 상태에 2번째로 이르게 된다. 상기 축전지 10은 상기 연결 기간 동안 다시 부분적으로 방전된다. 따라서, 이미 최대 충전 상태에 이르게 된 축전지들 09 및 10은 상기 연결 기간 동안 상기 저항기에의 연결 후의 충전 상태 및 최대 충전 상태 사이로 변동하지만, 다른 축전지들 02 및 08은 최대 충전 상태로 수렴한다. 상기 축전지 02는 7번째 주기의 도움으로 상기 최대 충전 상태에 이르게 되지만, 상기 축전지 08은 30번째 주기의 도움으로 상기 최대 충전 상태에 이르게 된다.

따라서, 균형유지는 샘플링 기간이 상기 연결 기간에 상응하는 샘플링된 시스템의 방식으로 충전과 충전 간에 수행된다. 상기 축전지들 모두가 최대 충전 상태에 이르게 된 경우에, 상기 축전지들의 충전 상태들, 또는 상응하는 전압들은 상기 최대 충전 상태 및 상기 연결 기간 동안 균형이 유지된 축전지가 다시 감소하게 되는 충전 상태 사이로 변동한다.

더욱이, 최대 방전 상태, 예를 들면 2V에 이르게 될 때 낮은 문턱값 신호를 전송하도록 된 제2 접속부(32) 때문에, 상기 마이크로제어기(26)는 상기 충전기(28)를 제어한다. 이러한 방식으로, 어떠한 축전지도 상기 축전지의 손상 위험을 무릅쓰는 충전 상태가 특정 문턱값보다 낮게 감소하지 않게 할 수 있다.

도 3에 예시된, 본 발명의 제2 변형 실시예에서는, 다시 직면하게 되는 기본 균형유지 유닛(16)이, 또한 상기 축전지(12) 상에 병렬로 연결되며 상기 마이크로제어기(26)에 링크되는 제2 모니터, 또는 비교기(36)를 부가적으로 구비한다. 전체 균형유지 장치는 이전의 변형 실시예의 균형유지 장치와 동일하며, 상기 기본 균형유지 유닛들(16) 모두가 제2 비교기(36)를 구비한다. 이러한 제2 비교기(36)는 높은 충전 상태, 이러한 경우에 3.5 V에 이르게 되는 경우에 문턱값 신호를 전송하도록 된 제3 접속부(38)에 의해 상기 제어 요소들(26)에 링크된다. 따라서, 높은 충전 상태는 상기 최대 충전 상태보다 실질적으로 낮게 된다.

이러한 제2 변형 실시예를 이루는 균형유지 장치의 동작 모드가 지금부터 설명될 것이다.

따라서, 동일한 제1 동작 단계에서는, 상기 제어 요소들(26)이 상기 충전기(28)를 제어하여 소정의 충전 값의 충전 전류를 가지고 축전지들(12)의 배터리(10)에 급전한다. 축전지(12), 이러한 경우에 도 3에서의 i번째 축전지(12)가 최대 충전 상태에 이르게 되는 즉시, 상기 제1 비교기(18)는 자신의 제1 접속부(30)를 통해 항상 높은 문턱값 신호를 상기 제어 요소들(26)에 전송한다. 이러한 신호의 수신시, 상기 마이크로제어기(26)는 상기 스위치(24) 및 동시적인 상기 i번째 축전지(12)에 대한 충전 전류의 낮춤을 제어함과 아울러, 상기 제2 비교기(36)가 또한 문턱값 교차 신호(threshold crossing signal)를 전송하는, 다시 말하면 상기 충전 상태가 3.5 V 및 3.6 V 사이에 존재하는 전압에 상응하는 축전지들(12) 모두에 대한 충전 상태를 제어한다. 따라서, 최대 충전 상태 부근에 있는 충전 상태를 지니는 상기 배터리(10)의 축전지들은 또한 부분적으로 방전된다. 이는 상기 배터리(10)의 축전지들(12)의 신속한 균형유지를 허용하는데, 그 이유는 상기 제1 변형 실시예에 대하여, 최대 충전 상태 부근에 있는 충전 상태를 지니는 축전지들이 동시에 방전되기 때문이다.

더욱이, 상기 마이크로제어기(26)는 상기 축전기들 모두가 3.6 V 및 3.5 V 사이에 존재하는 전압에 상응하는 충전 상태를 나타내는 즉시, 또는 상기 축전지들 모두의 충전 상태가 최대 충전 상태 및 높은 충전 상태 사이에 존재하는 경우에 충전 주기를 중지시킨다. 이러한 제2 비교기(26) 때문에, 상기 충전이 불필요한 경우에 상기 충전이 중지된다.

도 4를 지금부터 참조하면, 도 4에는 상기 배터리의 4개의 축전지의 충전 상태의 진행과정을 예시하는 제2 그래프가 도시되어 있으며, 상기 배터리는 상기 충전 주기들의 함수로서 10개의 축전기를 포함한다. 이때 여기서 알 수 있는 점은 상기 축전기들의 충전이 주기들에 걸쳐 비교적 선형적이며 특히 고려중에 있는 축전기들의 최대 충전 상태가 단지 4개의 동작 주기 다음에만 이르게 된다는 점이다.

따라서, 상기 제2 비교기(36) 때문에, 이러한 것이 필요하지 않을 경우에 균형유지를 수행함으로써 에너지를 손실시키지 않게 하는, 경계가 정의된 정지 수단이 생성된다. 그 외에도, 균형유지는 더 신속해진다.

상기 균형유지를 제어하는 알고리즘은 좀더 개선될 수 있다. 그럼에도, 상기 균형유지를 제어하는 알고리즘은 단일의 문턱값 또는 2개의 문턱값과 상기 축전기들의 전압을 비교하는 동일한 원리에 의존한다. 위에서 설명한 알고리즘은 "뱅-뱅 제어(bang-bang control)", "넓은 이득 제어(wide gain control)" 또는 이와는 달리 "슬라이딩 모드 제어(sliding mode control)"로서 좀더 일반적으로 언급된다.

위에서 설명한 균형유지 장치는 커패시터들과 같은 다른 구성요소들에 적용가능하다.

Claims

전기 축전지 배터리의 균형을 유지하는 방법으로서, 상기 방법은 첫째로 서로 직렬 접속된 축전지들을 포함하는 전기 축전지 배터리 및 둘째로 상기 축전지들을 충전하기 위한 충전 값을 나타내는 충전 전류가 제공되는 타입으로 이루어지며, 상기 축전지들은 최대 충전 상태를 나타내고, 상기 축전지들은 상기 축전지들의 최대 충전 상태에 이르기까지 상기 축전지들의 충전을 증가시키도록 충전 단계 동안 충전되고,
상기 충전 단계는,
a) 상기 배터리의 상기 축전지들 중 하나의 축전지가 상기 최대 충전 상태에 이르게 될 때까지 상기 축전지들이 상기 충전 값의 상기 충전 전류로 직렬로 급전되는 부속단계;
b) 연결 기간 동안, 상기 축전지들 중 하나의 축전지가 상기 축전지들 중 하나의 축전지를 방전시킴과 동시에, 상기 충전 전류를 낮추도록 대응하는 방전 요소의 단자들에 연결되는 부속단계; 및
c) 상기 연결 기간보다 짧거나 동일한 시간 후에 부속단계 a)로 프로세스가 복귀되는 부속단계;
를 차례로 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 균형 유지 방법.
제1항에 있어서, 부속단계 b)에서, 상기 대응하는 방전 요소는 균형유지 전류에 의해 통과되고 상기 충전 전류는 상기 균형유지 전류보다 낮거나 동일한 값으로 낮아지게 되는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 균형 유지 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 충전 전류가 0 값으로 낮아지게 되는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 균형 유지 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 충전 상태가 정의되며, 상기 높은 충전 상태는 상기 최대 충전 상태보다 낮게 되고, 더욱이, 부속단계 b)에서는, 상기 높은 충전 상태 및 상기 최대 충전 상태 사이에 존재하는 충전 상태를 지니는 축전지들이 상기 축전지들을 방전시키도록 대응하는 방전 요소들에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 균형 유지 방법.
제4항에 있어서, 부속단계 c)에서, 적어도 하나의 축전지가 상기 높은 충전 상태보다 낮은 충전 상태를 나타내는 경우에 그리고 적어도 하나의 축전지가 상기 높은 충전 상태보다 낮은 충전 상태를 나타내는 경우에만 부속단계 a)로 프로세스가 복귀되는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 균형 유지 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방전 요소는 저항기인 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 균형 유지 방법.
전기 축전지 배터리를 충전하도록 된 균형유지 장치로서, 상기 전기 축전지 배터리는 서로 직렬 접속된 축전지들을 포함하고, 상기 축전지들은 최대 충전 상태를 나타내며, 상기 균형유지 장치는 충전 값을 나타내는 충전 전류를 제공하는 충전 수단을 포함하고, 상기 충전 전류는 상기 축전지들의 충전을 상기 축전지들의 최대 충전 상태에 이르기까지 증가시키기 위해 충전 단계 동안 상기 축전지들을 충전하도록 된 것이며, 상기 균형유지 장치는,
- 모니터링 수단이 최대 충전 상태에 있는 상기 배터리의 상기 축전지들 중 하나의 축전지를 모니터링할 때까지 상기 충전 값의 상기 충전 전류로 직렬로 상기 축전지들에 상기 충전 수단이 급전하도록 상기 충전 수단을 제어하는, 제어 수단 및 모니터링 수단;
- 상기 축전지들 중 상기 하나의 축전지를 방전시킴과 동시에 상기 제어 수단이 상기 충전 전류를 낮추게 하도록 연결 기간 동안 대응하는 방전 요소의 단자들에 상기 축전지들 중 상기 하나의 축전지를 연결시키기 위해 상기 제어 수단에 의해 제어될 수 있는 연결 수단;
을 포함하며,
상기 제어 수단은 상기 연결 기간보다 짧거나 동일한 시간 후에, 상기 충전 값의 상기 충전 전류로 상기 축전지들에 급전하는 것을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 충전을 위한 균형유지 장치.
제7항에 있어서, 상기 모니터링 수단은 상기 축전지들 각각에 대해, 상기 제어 수단에 링크된 제1 모니터링 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 충전을 위한 균형유지 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 모니터링 수단이 상기 축전지들 각각에 대해 제2 모니터링 수단을 부가적으로 포함하며, 상기 제2 모니터링 수단은 높은 충전 상태를 모니터링할 수 있고, 상기 높은 충전 상태는 상기 최대 충전 상태보다 낮게 되는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 충전을 위한 균형유지 장치.
제8항 및 제9항에 있어서, 상기 제1 모니터링 수단 및 상기 제2 모니터링 수단은 각각 커패시터로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 충전을 위한 균형유지 장치.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 수단은 상기 축전지들 각각에 대해, 스위치들 및 방전 요소들을 포함하며, 상기 스위치들은 상기 제어 수단에 링크되어 있는, 전기 축전지 배터리의 충전을 위한 균형유지 장치.
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방전 요소는 저항기인 것을 특징으로 하는, 전기 축전지 배터리의 충전을 위한 균형유지 장치.