KR20140135973A - 배터리 모니터링 방법 - Google Patents

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KR20140135973A
KR20140135973A KR1020147025209A KR20147025209A KR20140135973A KR 20140135973 A KR20140135973 A KR 20140135973A KR 1020147025209 A KR1020147025209 A KR 1020147025209A KR 20147025209 A KR20147025209 A KR 20147025209A KR 20140135973 A KR20140135973 A KR 20140135973A
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지그베르트 슈타인레흐너
파비안 헨리치
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 배터리(10)를 모니터링하기 위한 방법, 배터리(10), 및 상기 배터리(10)와 협력하여 상기 방법을 수행하기 위한 어셈블리(50)에 관한 것이다. 배터리(10)에는 복수의 센서(20, 22, 24)가 할당되고, 센서들(20, 22, 24)은 데이터 라인(40)을 통해 상호 간에 그리고 제어 유닛(12)과 직렬로 연결되며, 센서들(20, 22, 24) 중 하나 이상의 센서는 각각 하나 이상의 데이터 워드를 데이터 라인(40)에 제공한다.

Description

배터리 모니터링 방법{METHOD FOR MONITORING A BATTERY}
본 발명은, 배터리를 모니터링하기 위한 방법, 이 방법을 수행하도록 형성된 배터리, 그리고 상기 배터리에서 상기 방법을 수행하기 위해 사용되는 어셈블리에 관한 것이다.
배터리는, 대개 복수의 동종 갈바닉 셀들로 구성된 스위칭 회로이면서, 전기화학 에너지 저장 장치 및 전기 에너지의 방출을 위해 제공되는 에너지 변환기이다. 이를 위해, 배터리 내에서는 방전 시 저장된 화학 에너지가 전기화학 반응을 통해 전기 에너지로 변환된다. 이 경우, 병렬로, 또는 직렬로, 또는 혼합된 방식으로 연결될 수 있는 배터리의 셀들이 이른바 모듈식으로 배치된다. 직렬 또는 병렬로 연결된 상기 모듈들 중 하나 또는 복수의 모듈이 배터리를 형성한다.
상기 셀들의 경우 재충전할 수 없는 일차 셀들과 재충전할 수 있는 이차 셀들로 구분된다. 재충전할 수 있는 배터리를 축전지 셀들을 가진 축전지라고도 지칭한다. 하기에서 배터리란 재충전할 수 없는 배터리뿐만 아니라 재충전할 수 있는 배터리를 의미하기도 한다.
배터리들은 예컨대 자동차에서 내연기관의 스타터를 위한 전류를 공급하기 위해 이용된다. 이러한 배터리를 스타터 배터리하고 하며, 예컨대 납 축전지로서 형성된다. 배터리는, 스타터의 전기 공급 외에도, 차량 내 다른 전기 부하 장치들에도 전력을 공급한다. 내연기관을 시동하기 위해서는 단시간에 높은 전류가 필요하며, 이러한 높은 전류는 저온에서도 공급되어야 한다.
전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에서는 배터리들이 차량의 구동을 위한 에너지원으로서도 이용된다. 이러한 배터리들을 구동 배터리(traction battery)라고도 한다.
어느 경우든, 자동차의 안전한 작동을 보장하기 위해, 차량 내 배터리의 기능성을 정기적으로 또는 심지어 연속적으로 모니터링할 필요가 있다. 이를 위해, 예컨대 단자 전압, 온도, 압력, 특히 셀 내부 압력, 전류, 임피던스 등과 같은 배터리의 특성 변수들 또는 작동 변수들이 픽업된다.
모니터링 및 통신을 위해 배터리 내 센서들을 이용하는 점은 공지되어 있다. 그 밖에도, 배터리의 내부에서, 센서 신호들을 위해 제공된 데이터 라인들, 예컨대 통상적으로 자동차에서 사용되는 CAN 버스를 통해 센서 신호들을 검출하는 점도 공지되어 있다.
공보 WO 2009/149690 A1호에는, 배터리 셀들을 구비한 배터리 및 상기 배터리를 모니터링하기 위한 방법이 기술되어 있다. 여기에 소개된 배터리는 복수의 배터리 셀 스택을 포함하며, 여기서는 하나의 배터리 셀 스택이 단일 배터리 셀을 포함하거나, 병렬 연결된 배터리 셀들로 구성될 수 있다. 센서들은 개별 배터리 셀들의 충전 상태를 모니터링한다. 기술된 배터리에는, 개별 배터리들의 허용 충전 상태의 목표값 표를 포함하는 전하 밸런싱 장치가 할당된다. 충전 상태에 따라 전하 밸런싱 장치는 충전 상태와 더불어 변동한다.
개별 배터리 셀들의 충전 상태에 대한 목표값에 도달하면 배터리 셀들의 전하 밸런싱이 중단된다. 각각의 배터리 셀에는 전하 밸런싱 라인의 탭(tap)이 배치되고, 전하 밸런싱 어셈블리들이 와이어링 하니스에 통합되어, 센서들 및 셀 모니터링 회로들을 포함하여 제공된 셀 모니터링 모듈들에 공급되며, 이들 셀 모니터링 컴포넌트들은 함께 전하 밸런싱 장치 내에 공간상 배터리 셀들로부터 분리되어 배치된다.
상기 종래 기술의 배경에서, 청구항 제1항에 따른 배터리를 모니터링하기 위한 방법, 청구항 제9항에 따른 특징들을 가진 배터리, 그리고 이러한 배터리에서 이용되는, 청구항 제12항에 따른 어셈블리가 제안된다. 그 구성들은 종속 청구항들 및 기술 내용으로부터 제시된다.
본원에서 제안하는 방법에 의해, 배터리 셀들에 제공된 배터리 센서들 사이의 통신 및 중앙 제어 유닛과의 통신이 수행될 수 있다.
지금까지, 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 배터리 셀들에, 또는 그 내부에 제공된 센서 시스템에 배터리 센서들을 장착 또는 내장하는 점은 공지되었다. 일반적으로 100개 또는 그 이상의 셀이 제공되며, 이들 셀 각각은 하나의 배터리 센서를 구비할 수 있다. 상기 센서들과 중앙 제어 유닛 사이에서 측정 데이터 및 제어 명령은 단방향 또는 양방향으로 교환되어야 한다.
이제는 개별 센서들 간 직렬 통신의 이용이 기술된다. 각각의 센서는 구현예에서 자신의 데이터 또는 데이터 워드를 다음 센서로 전송하고, 상기 다음 센서는 자신의 데이터를 부가하여 전체 패킷을 그 다음 센서로 전달한다. 제어 유닛은 체인의 말단에 연결되어 모든 센서의 데이터를 포함한 데이터 전체 패킷을 수신한다. 그에 따라, 각각의 센서는 자체에 할당된 데이터 워드를 데이터 라인에 제공한다. 모든 데이터 워드가 서로 합쳐져서 데이터 전체 패킷을 형성한다. 다른 방향에서는 선택적으로 제어 유닛으로부터 체인 내 제1 센서로 향하는 피드백 채널이 제공될 수 있다. 이 경우, 데이터 및/또는 제어 신호들 역시, 이들이 모든 센서에 의해 수신될 때까지 체인을 통해 계속 이동한다. 센서들은 셀의 외부 또는 내부에 배치될 수 있다. 셀의 내부에 배치되는 경우, 2개의 추가 와이어를 위한 피드스루(feed-through)가 필요하다. 피드백 채널이 제공되어 있다면, 데이터 워드들 또는 데이터 전체 패킷이 "회로 내에서 순환"할 수 있고, 각각의 센서들에 의해 다시 겹쳐쓰기될 수 있다.
제안된 방법에서는, 센서들 중 하나 이상의 센서가 각각 하나 이상의 데이터 워드를 데이터 라인에 제공한다. 이 경우, 데이터 워드들이 서로 부가되어 하나의 데이터 전체 패킷을 형성할 수 있고, 상기 데이터 전체 패킷은 데이터 라인을 통해 제어 유닛으로 전송될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 데이터 워드는 하나의 센서로부터 데이터 라인을 통해 다음 센서로 전송되고, 상기 다음 센서에 의해 추가 데이터 워드가 제1 데이터 워드에 부가되며, 이 과정은 모든 센서의 데이터 워드들을 포함하는 데이터 전체 패킷이 제어 유닛에 도달할 때까지 계속해서 수행된다.
제어 유닛에 의해 수신될 데이터 패킷이 얼마나 큰지를 사전에 알고 있어야 한다면, 대안으로, 하나의 센서에 의해 제1 데이터 워드가 데이터 라인에 제공되고 이 제1 데이터 워드가 제어 유닛으로 전송되며, 사전 결정된 시간 이후 다음 센서가 제2 데이터 워드를 데이터 라인에 제공할 수 있다. 이 경우, 제1 센서는 예컨대 8비트 내용을 포함한 "정상적인" RS232 데이터 패킷을 전송할 수 있고, 이어서 제어 유닛으로의 전송을 위해 필요한 시간의 예컨대 200배의 일시정지 시간을 제공할 수 있다. 이어서, 그 다음 센서 또는 제2 센서가 그 뒤에 자신의 데이터 워드를 부가하며, 이어서 그 다음 센서들이 동일한 과정을 반복적으로 수행한다. 그러면 제어 유닛은, 통상적인 RS232 수신기(UART)를 이용하여 연속으로 수신할 수 있는 예컨대 100개의 8비트 데이터 패킷을 수신한다.
제안된 방법은, 실시예들 중 적어도 몇몇 실시예에서 하기와 같은 중요한 장점들을 갖는다.
1. 제안된 방법은 경제적인 접근법을 나타내는데, 그 이유는 센서당 2개의 단자만 필요하고, 센서들 사이에는 단 하나의 단일 와이어 결선만 필요하기 때문이다.
2. 각각의 센서는 바로 이웃하는 센서에 대한 전압차만, 다시 말해 ±4V만 감지하며, 이는, 하나의 병렬 접속에 인가될 수 있는 모든 셀의 전체 총 전압(~400V)과 달리, 표준 CMOS 기술로 간단하게 구현된다.
3. 직렬 접속은 개별 셀들의 식별을 수월하게 하며, 배터리 센서가 체인 내에서 예컨대 35번째 자리에 존재하는지의 여부가 간단하게 확인된다.
4. 원하지 않는 작동 상태, 예컨대 충전 완료 전압에 도달하였음을 경고하려면 단일 비트만 전송하면 된다. 각각의 센서는, 선행 센서의 "OK" 신호를 계속 전송하거나, 자신의 상태가 임계 상태인 경우라면 상기 양호 신호를 "Not OK" 신호로 변경한다.
전술한 방법은 작동 중에 예컨대 온도와 같은 특성 변수들이 측정되어야 하는 모든 용례에 이용될 수 있다. 본원의 방법은, 자동차, 특히 전기 자동차의 배터리에서의 이용하기에 특히 적합하다.
온도 외에 예컨대 셀 전압도 측정될 수 있다. 이 경우, 평가는 연결된 제어 유닛에서 수행될 수 있다. 지원될 수 있는 추가 기능은 이른바 셀 밸런싱(cell balancing)이다.
측정 변수들을 픽업하는 센서들은 할당된 배터리 모듈들 또는 배터리 셀들과 접촉할 수 있으며, 다시 말해 센서들은 모듈들 또는 셀들에, 또는 이들 내부에 배치된다. 이 경우, 각각의 모듈 또는 각각의 셀에 하나씩의 센서가 할당될 수 있다. 그 다음, 센서들은 할당된 모듈 또는 할당된 셀의 상태에 대해 하나 이상의 측정 변수 및/또는 정보, 예컨대 "OK" 및 "Not OK"를 제공할 수 있다.
본 발명의 추가 장점들 및 구현예들은 기술 내용 및 첨부한 도면으로부터 제시된다.
자명한 사실로서, 상기에서 언급되고 하기에서 여전히 설명될 특징들은 각각 명시된 조합으로 이용될 수 있을 뿐 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 또 다른 조합으로, 또는 독자적으로도 이용될 수도 있다.
도 1은, 전술한 배터리의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는, 전술한 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
본 발명은 실시예들에 따라서 도면에 개략적으로 도시되어 있고 하기에서 도면과 관련하여 상세하게 기술된다.
도 1에는, 전체적으로 도면 부호 10으로 표시된 본원 배터리의 일 실시예가 재현되어 있다. 도 1에는 제어 유닛(12), 제1 셀(14), 제2 셀(16), 및 제3 셀(18)이 도시되어 있다. 본 도면에는 편의상 3개의 셀(14, 16 및 18)만이 도시되어 있지만, 모듈들로 그룹화될 수 있는 더 많은 셀(14, 16, 18)이 제공될 수도 있다. 개별 셀들은 다시 복수의 갈바닉 셀을 포함할 수 있다.
제1 셀(14)에는 제1 센서(20)가 할당되고, 제2 셀(16)에는 제2 센서(22)가 할당되며, 제3 셀(18)에는 제3 센서(24)가 할당된다. 본 실시예에서는 각각의 셀(14, 16 및 18)에 정확히 1개의 센서(20, 22 및 24)가 할당되어 있다. 그러나 센서들(20, 22, 24)이 셀들(14, 16, 18) 중 일부, 갈바닉 셀들, 모듈들, 그리고 모듈들 중 일부 모듈에만 할당되는 또 다른 실시예들도 생각해볼 수 있다. 본 실시예에서 셀들(14, 16, 18)은 직렬로 연결되며, 다시 갈바닉 셀들의 병렬 및/또는 직렬 회로를 포함할 수 있다.
그 밖에도, 도 1의 도해에는 2개의 버스바(30 및 32)가 도시되어 있고, 이 버스바들을 통해 셀들(14, 16 및 18)이 연결되며, 그리고 버스바들을 통해 센서들(20, 22 및 24)에도 전력이 공급될 수 있다. 센서들(20, 22, 24)은 각각 할당된 셀(14, 16, 18)로부터, 또는 전용 공급 라인을 통해 전력을 공급받을 수도 있다. 또한, 직렬 데이터 라인(40)을 통해 센서들(20, 22 및 24)이 직렬로 또는 일렬로 연결된다. 직렬 결선의 일측 말단에 제어 유닛(12)이 연결된다. 센서들(20, 22 및 24)은 직렬 센서 인터페이스들(36)을 통해 직렬 데이터 라인(40)과 연결된다. 또한, 더 명확한 설명을 위해, 도면에는 선택적인 피드백 채널(42)과, 도 1에는 도시되지 않은 다음 셀로의 결선(44)도 도시되어 있다.
직렬 데이터 라인(40), 센서 인터페이스들(36), 센서들(20, 22 및 24), 및 제어 유닛(12)은 개별 셀들(14, 16 및 18) 사이의 직렬 통신을 가능하게 하는 하나의 어셈블리(50)를 형성한다. 이를 위해, 각각의 센서(20, 22 및 24)는 데이터 워드를 다음 센서(20, 22 및 24)로 전송할 수 있다. 이어서, 상기 다음 센서는 전송된 데이터 패킷에 자신의 데이터 워드를 부가하고, 이 데이터 패킷을 다음 센서(20, 22 및 24)로 전달한다. 체인 말단에 있는 제어 유닛(12)은 모든 센서(20, 22 및 24) 또는 셀(14, 16 및 18)에 대한 정보를 획득한다. 이를 위해, 제어 유닛(12)으로부터 제1 센서(20)로, 그리고 상기 제1 센서에서 그 다음 센서로 선택적으로 제공되는 피드백 채널(42)은, 센서들(20, 22 및 24)로 데이터, 예컨대 제어 신호들 또는 구성 파일들을 전송하기 위해 이용될 수 있다.
도 2에는, 기본적으로 배터리 내 센서들 사이, 또는 예컨대 셀들 또는 모듈들과 같은 배터리의 부재들 사이의 통신을 가능하게 함으로써 배터리의 모니터링에 이용될 수 있는 방법의 한 가능한 실시예의 흐름도가 도시되어 있다.
제1 단계(70)에서 제1 센서는, 할당된 셀로부터 검출되어 상기 셀의 작동 상태와, 경우에 따라 그 기능에 대한 정보를 제공하는 측정값을, 직렬 센서 인터페이스를 통해 직렬 데이터 라인에 제공한다. 상기 측정값 또는 이 측정값을 나타내는 데이터 워드는 그 다음 단계(72)에서 직렬 데이터 라인을 통해 직렬로 배치된 추가 센서로 전송되며, 상기 추가 센서는 수신된 데이터 패킷에 다시 다음 단계(74)에서 상응하는 데이터 워드를 부가한다.
상기 과정은, 데이터 라인을 통해 직렬로 연결되어 있는 모든 센서가 데이터 패킷에 데이터를 부가할 때까지 반복된다. 마지막으로, 전체 데이터 패킷 또는 데이터 전체 패킷은 단계(76)에서 라인의 마지막 컴포넌트인 제어 유닛에 제공되며, 상기 제어 유닛은 최종 단계(78)에서 전체 데이터 패킷을 평가하고, 이때 데이터 패킷에 포함된 데이터는 라인 내 센서들에 정확히 할당될 수 있다.

Claims (13)

  1. 복수의 센서(20, 22, 24)가 할당된 배터리(10)를 모니터링하기 위한 방법이며,
    상기 센서들(20, 22, 24)은 데이터 라인(40)을 통해 상호 간에, 그리고 제어 유닛(12)과 직렬로 연결되며, 상기 센서들(20, 22, 24) 중 하나 이상의 센서는 각각 하나 이상의 데이터 워드를 제어 유닛(12)으로 전송하기 위해 상기 데이터 라인(40)에 제공하는, 배터리 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서, 데이터 워드들은 서로 합쳐져서 하나의 데이터 전체 패킷을 형성하며, 이 데이터 전체 패킷은 데이터 라인(40)을 통해 제어 유닛(12)으로 전송되는, 배터리 모니터링 방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1 데이터 워드는 하나의 센서(20, 22, 24)로부터 데이터 라인(40)을 통해 다음 센서(20, 22, 24)로 전송되고, 상기 다음 센서(20, 22, 24)에 의해 추가 데이터 워드가 제1 데이터 워드에 부가되며, 이 과정은, 모든 센서의 데이터 워드들을 포함하는 데이터 전체 패킷이 제어 유닛(12)에 도달할 때까지 계속해서 수행되는, 배터리 모니터링 방법.
  4. 제1항에 있어서, 일 센서(20, 22, 24)로부터 제1 데이터 워드가 데이터 라인(40)에 제공되어 제어 유닛(12)으로 전송되고, 사전 결정된 시간 이후 다음 센서(20, 22, 24)가 제2 데이터 워드를 데이터 라인에 제공하는, 배터리 모니터링 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 유닛(12)은 데이터 전체 패킷을 평가하며, 이때 개별 데이터 워드는 관련 센서들(20, 22, 24)에 할당되는, 배터리 모니터링 방법.
  6. 제5항에 있어서, 개별 센서(20, 22, 24)는 그 기계적 위치의 관점에서 식별되는, 배터리 모니터링 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 워드들은 피드백 채널(42)을 통해 다시 센서들(20, 22, 24)에 도달하고, 각각 할당된 센서(20, 22, 24)에 의해 겹쳐쓰기될 수 있는, 배터리 모니터링 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 워드로서 하나의 단일 비트가 전송되는, 배터리 모니터링 방법.
  9. 복수의 셀(14, 16, 18)을 포함하는, 특히 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 배터리이며, 데이터 라인(40)을 통해 상호 간에 그리고 제어 유닛(12)과 직렬로 연결된 복수의 센서(20, 22, 24)를 포함하는 배터리.
  10. 제9항에 있어서, 센서들(20, 22, 24)에 전기를 공급하기 위한 버스바(30, 32)가 제공되는, 배터리.
  11. 제9항에 있어서, 센서들(20, 22, 24)에 대한 전기 공급은 각각의 셀(20, 22, 24)로부터, 또는 전용 공급 라인으로부터 수행되는, 배터리.
  12. 데이터 라인(40)을 통해 상호 간에 그리고 제어 유닛(12)과 직렬로 연결된 복수의 센서(20, 22, 24)를 포함하는 배터리(10)를 모니터링하기 위한 어셈블리.
  13. 제12항에 있어서, 피드백 채널(42)을 포함하는 어셈블리.
KR1020147025209A 2012-02-13 2013-01-10 배터리 모니터링 방법 KR20140135973A (ko)

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DE102012202079A DE102012202079A1 (de) 2012-02-13 2012-02-13 Verfahren zum Überwachen einer Batterie
DE102012202079.9 2012-02-13
PCT/EP2013/050363 WO2013120637A1 (de) 2012-02-13 2013-01-10 Verfahren zum überwachen einer batterie

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