KR20160040107A - 배터리의 다수의 배터리 셀들의 스위칭 방법 및 각각 배터리 셀과 배터리 셀에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈을 가진 다수의 배터리 셀 유닛을 포함하는 배터리를 구비한 배터리 시스템 - Google Patents

배터리의 다수의 배터리 셀들의 스위칭 방법 및 각각 배터리 셀과 배터리 셀에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈을 가진 다수의 배터리 셀 유닛을 포함하는 배터리를 구비한 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성된 배터리(111)의 다수의 배터리 셀들(21)의 스위칭 방법에 관한 것이며, 상기 배터리 셀들(21)은 각각 해당하는 제 1 확률(P1i)로 배터리(111)에 전기적으로 연결되고, 각각 해당하는 제 2 확률(P2i)로 배터리(111)로부터 전기적으로 분리되고, 상기 배터리 셀들(21)은 서로 직렬로 스위칭될 수 있다. 상기 방법에서 각각의 배터리 셀(21)에 대해 품질 팩터(Gi)는 해당하는 배터리 셀의 충전 상태(LZi)에 특히 일차 종속하는 함수와, 해당하는 배터리 셀(21)이 배터리(111)에 전기적으로 연결될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류(I, -I)의 전류값(I)과 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 내부 저항 사이의 적에 특히 일차 종속하는 제 2 함수 사이의 합으로서 계산된다. 또한 각각의 배터리 셀(21)에 대해, 해당하는 제 1 확률(P1i)과 해당하는 제 2 확률(P2i)은 각각 해당하는 배터리 셀(21)의 계산된 품질 팩터(Gi)에 따라 결정된다.

Description

배터리의 다수의 배터리 셀들의 스위칭 방법 및 각각 배터리 셀과 배터리 셀에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈을 가진 다수의 배터리 셀 유닛을 포함하는 배터리를 구비한 배터리 시스템{METHOD FOR SWITICHING A PLURALITY OF BATTERY CELLS OF A BATTERY AS WELL AS BATTERY SYSTEM HAVING A BATTERY WITH A PLURALITY OF BATTERY CELL UNITS, EACH HAVING A BATTERY CELL AND A BATTERY CELL MONITORING MODULE ASS0CIATED WITH BATTERY CELL}
본 발명은 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성된 배터리의 다수의 배터리 셀들의 스위칭 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 각각 배터리 셀 및 배터리 셀에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈을 가진 다수의 배터리 셀 유닛을 포함하고 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성된 배터리를 구비한 배터리 시스템에 관한 것이다.
도 1에 선행기술에 공개된 배터리 시스템(10)이 도시되고, 상기 배터리 시스템은 다수의 배터리 셀 유닛(20; Smart Cell Unit;SCU)을 포함하는 배터리(11)를 구비하고, 상기 배터리 셀 유닛들은 각각 배터리 셀(21) 및 배터리 셀(21)에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(22; 배터리 셀 전자장치 모듈 또는 배터리 셀 전자장치)을 포함한다. 도 1의 도시의 간소화를 위해 2개의 배터리 셀 유닛만이 도시되었고, 각각 도면부호 20을 갖는다. 배터리 셀 모니터링 모듈들(22)은 개별 배터리 셀(21)의 개별 제어를 가능하게 한다. 배터리 시스템(10)의 출력 전압(U)으로서도 이용되는 배터리(11)의 출력 전압(전체 출력 전압)(U)의 생성을 위해 배터리 셀 모니터링 모듈들(22)은 연결 노드를 통해 직렬 스위칭으로 서로 연결된다. 배터리 시스템(10)은 또한 배터리 시스템(10)의 제어를 위한 중앙 제어 유닛(30; Central Control Unit; CCU)을 포함한다.
배터리(11)의 조절된 출력 전압(U; 전체 출력 전압)의 생성을 위해 개별 배터리 셀들(21)은 각각 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(22)에 의해 활성화되고, 즉 배터리 셀들(21)은 각각 출력 전압(U)의 탭에 대해 양극성 또는 음극성으로 직렬 회로에 삽입된다. 배터리(11)의 조절된 출력 전압(U; 전체 출력 전압)의 생성을 위해 또한 개별 배터리 셀들(21)은 각각 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(22)에 의해 비활성화되고, 즉 비활성화될 배터리 셀들(21)은 직렬 회로로부터 분리된다. 다시 말하면, 각각의 비활성화될 배터리 셀들(21)의 스위칭 단자들은 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(22)에 의해 전기적으로 연결되므로, 해당하는 배터리 셀들(21)이 바이패스된다. 직렬 회로에 스위칭된 배터리 셀들(21)은 따라서 각각 "포지티브하게 스위칭"이라고 하는 스위칭 상태 또는 "네거티브하게 스위칭"이라고 하는 다른 스위칭 상태일 수 있다. 또한 직렬 회로로부터 분리된 배터리 셀들(21)은 "바이패스"라고 하는 스위칭 상태이다.
이러한 배터리 시스템(10)(SmartCell-배터리 시스템)에서 배터리 셀들(21)의 스위칭 상태의 변경에 관한 결정은 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(22)에서 분산되어 이루어진다. 기본적인 조절 기능은 중앙 제어 유닛(30)에 의해 실시되고, 상기 제어 유닛은 복잡하지 않게 구현된 중앙 조절 장치로서 형성된다.
배터리 시스템(10)에서 제 1 제어 변수(P1) 및 제 2 제어 변수(P2)의 사전 설정은 단방향 통신 인터페이스로서 형성된 통신 라인(31)을 통해 이루어지고, 상기 통신 라인을 통해 중앙 제어 유닛(30)으로부터 현재 제어 변수(P1, P2)를 포함하는 정보만이 모든 배터리 셀 모니터링 모듈(22)에 전송된다. 모든 배터리 셀 모니터링 모듈(22)은 동일한 정보를 수신하고, 직렬 회로의 각각의 관련된 배터리 셀(21)을 자율적으로 스위칭하거나 또는 각각의 관련된 배터리 셀들(21)을 배터리 셀 모니터링 모듈(22) 내에 제공된 해당하는 각각의 스위치(도시되지 않음)에 의해 바이패스한다. 제어 알고리즘에 따라 중앙 제어 유닛(30)은 0과 1 사이의 2개의 수치 형태의 2개의 제어 변수(P1, P2)를 사전 설정하고, 상기 변수들은 통신 라인(31)을 통해 중앙 제어 유닛(30;CCU)으로부터 배터리 셀 모니터링 모듈(SCU;22)로 전송되고, 마찬가지로 모든 배터리 셀 모니터링 모듈(22)에 의해 수신된다. 이 경우 0 ≤ P1 ≤ 1 및 0 ≤ P2≤ 1이 성립한다.
각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(22)에서 균일하게 적용되는 랜덤 프로세스가 실행되고, 상기 프로세스는 P1을 활성화 확률이라고 하는 제 1 확률로서 해석하고, 상기 확률로 각각의 비활성화된 배터리 셀들(21)이 활성화되고, P2를 비활성화 확률이라고 하는 제 2 확률로서 해석하고, 상기 확률로 각각의 활성화된 배터리 셀들(21)이 비활성화된다. 중앙 제어 유닛(30)은, 배터리 시스템(10)의 실제 출력 전압(U)과 소정의 출력 전압(Us) 사이에 가능한 한 작은 편차(조절 편차)가 나타나도록 제어 변수(P1, P2)를 트래킹한다.
배터리(11)의 조절된 출력 전압(U)의 생성을 위해 중앙 제어 유닛(30)에 의해 실시되는 제어 알고리즘의 간단한 확장이 추가로 이루어질 수 있으므로, 배터리 셀들(21)의 가중된 이용 지속 시간이 동시에 사용됨으로써 능동형 배터리 셀 기능 상태 보상(배터리 셀 밸런싱)이 달성된다.
배터리의 조절된 출력 전압(U)의 생성을 위해 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(22)은 관련 제어 변수(P1 또는 P2)를, 즉 동일하게 수신된 그리고 관련된 배터리 셀(21)의 스위칭 상태에 따라 선택된 제어 변수들(P1 또는 P2)을 관련된 배터리 셀(21)의 충전 상태(SOC) 및 노후화 상태(SOH)에 따라 계산된 품질 팩터에 따라 스케일링한다. 배터리의 조절된 출력 전압(U)의 생성을 위해 결과적으로 방전 과정 동안 더 높은 품질 팩터를 갖는 비활성화된 배터리 셀들(21)이 더 낮은(작은) 품질 팩터를 갖는 배터리 셀(21)보다 높은 확률로 활성화되고, 반대로 더 낮은 품질 팩터를 갖는 배터리 셀들(21)은 더 높은 품질 팩터를 갖는 배터리 셀들(21)보다 높은 확률로 비활성화된다. 배터리의 조절된 출력 전압(U)의 생성을 위해 시간 평균으로 더 낮은 품질 팩터를 갖는 배터리 셀들(21)은 덜 자주 방전되므로, 배터리 셀들(21)의 능동형 배터리 셀 기능 상태 보상이 이루어진다.
본 발명의 과제는 배터리의 다수의 배터리 셀들의 스위칭 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명에 따라 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성된 배터리의 다수의 배터리 셀들의 스위칭 방법이 제공된다. 이 경우 배터리 셀들은 각각 해당하는 제 1 확률로 배터리에 전기적으로 연결되고, 각각 해당하는 제 2 확률로 배터리로부터 전기적으로 분리된다. 또한 배터리 셀들은 서로 직렬로 스위칭될 수 있다. 방법에서 각각의 배터리 셀에 대해 품질 팩터는 해당하는 배터리 셀의 충전 상태에 특히 일차 종속하는 제 1 함수와 해당하는 배터리 셀이 배터리에 전기적으로 연결될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류의 전류값과 해당하는 배터리 셀의 내부 저항 사이의 적에 특히 일차 종속하는 제 2 함수 사이의 합으로서 계산된다. 또한 각각의 배터리 셀에 대해 해당하는 제 1 확률과 해당하는 제 2 확률은 각각 해당하는 배터리 셀의 계산된 품질 팩터에 따라 결정된다.
본 발명에 따라 또한 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성되고 다수의 배터리 셀 유닛을 포함하는 배터리를 구비한 배터리 시스템이 제공되고, 상기 배터리 셀 유닛들은 각각 배터리 셀과 배터리 셀에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈을 포함한다. 이 경우 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈은, 관련된 배터리 셀들을 해당하는 제 1 확률로 배터리에 전기적으로 연결하도록 그리고 해당하는 제 2 확률로 배터리로부터 전기적으로 분리하도록 형성된다. 또한 배터리 셀들은 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈에 의해 서로 직렬로 스위칭될 수 있다. 또한 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈은, 관련된 배터리 셀의 품질 팩터를 관련된 배터리 셀의 충전 상태에 특히 일차 종속하는 제 1 함수와 관련된 배터리 셀들이 배터리에 전기적으로 연결될 때, 상기 배터리 셀들을 통해 흐르는 전류의 전류값과 관련된 배터리 셀의 내부 저항 사이의 적에 특히 일차 종속하는 제 2 함수 사이의 합으로서 계산하도록 형성된다. 또한 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈은, 관련된 배터리 셀에 대해 해당하는 제 1 확률과 해당하는 제 2 확률을 각각 관련된 배터리 셀의 계산된 품질 팩터에 따라 결정하도록 형성된다.
본 발명에서 전류의 전류값이란 해당하는 전류의 양극으로 규정된 값이다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 제시한다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서 각각의 배터리 셀에 대해 제 1 확률은 해당하는 배터리 셀의 품질 팩터의, 배터리의 방전 시 단조 증가하는 그리고 배터리의 충전 시 단조 감소하는 특히 일차 함수이고 및/또는 각각의 배터리 셀에 대해 제 2 확률은 해당하는 배터리 셀의 품질 팩터의, 배터리의 방전 시 단조 감소하는 그리고 배터리의 충전 시 단조 증가하는 특히 일차 함수이다. 바람직하게 각각의 배터리 셀의 품질 팩터의 표시에 나타나는 제 1 함수는 배터리의 방전 시에는 물론 배터리의 충전 시에도 해당하는 배터리 셀의 충전 상태의 단조 증가하는 특히 일차 함수이고 및/또는 각각의 배터리 셀의 품질 팩터의 표시에 나타나는 제 2 함수는 해당하는 배터리 셀이 배터리에 연결될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류의 전류값과 해당하는 배터리 셀의 내부 저항 사이의 적의, 배터리의 방전 시 단조 감소하는 그리고 배터리의 충전 시 단조 증가하는 특히 일차 함수이다.
본 발명에서 배터리로부터 전기적으로 분리된 각각의 배터리 셀, 즉 각각의 비활성화된 배터리 셀은 제 1 확률로 배터리에 전기적으로 연결될 수 있고, 즉 활성화될 수 있고, 상기 확률은 해당하는 배터리 셀의 품질 팩터의, 배터리의 방전 시 단조 증가하고 배터리의 충전 시 단조 감소하는 특히 일차 함수이다. 다시 말해서, 배터리의 방전 시 비활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 클수록, 상기 배터리 셀은 더 빈번하게 활성화되고, 반대로 비활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 작을수록, 상기 배터리 셀은 더 드물게 활성화된다. 또한 다시 말해서, 배터리의 충전 시 비활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 클수록, 상기 배터리 셀은 더 드물게 활성화되고, 반대로 비활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 작을수록, 상기 배터리 셀은 더 자주 활성화된다. 또한 각각의 활성화된 배터리 셀은 제 2 확률로 비활성화되고, 상기 확률은 해당하는 배터리 셀의 품질 팩터의, 배터리의 방전 시 단조 감소하고 배터리의 충전 시 단조 증가하는 특히 일차 함수이다. 다시 말해서, 배터리의 방전 시 활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 클수록, 상기 배터리 셀은 더 드물게 비활성화되고, 반대로 활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 작을수록, 상기 배터리 셀은 더 빈번하게 비활성화된다. 또한 다시 말해서, 배터리의 충전 시 활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 클수록, 상기 배터리 셀은 더 빈번하게 비활성화되고, 반대로 활성화된 배터리 셀의 품질 팩터가 작을수록, 상기 배터리 셀은 더 드물게 비활성화된다. 전체적으로, 더 작은 품질 팩터를 갖는 배터리 셀보다 더 큰 품질 팩터를 갖는 배터리 셀이 더 집중적으로 방전된다.
본 발명에 따라 또한 각각의 배터리 셀에 대해 상기 배터리 셀에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈에 의해 품질 팩터는 해당하는 배터리 셀의 충전 상태의, 배터리의 방전 시에는 물론 배터리의 충전 시에도 단조 증가하는 특히 일차 제 1 함수와, 해당하는 배터리 셀이 활성화될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류의 전류값과 해당하는 배터리 셀의 내부 저항 사이의 적의, 배터리의 방전 시 단조 감소하고 배터리의 충전 시 단조 증가하는 특히 일차 제 2 함수 사이의 합으로서 계산될 수 있다. 서로 직렬 스위칭된 배터리 셀들을 통해 동일한 전류가 흐르고 각각의 배터리 셀의 내부 저항은 해당하는 배터리 셀의 노후화 상태에 비례하기 때문에, 결과적으로 적어도 하나의 다른 배터리 셀에 비해 높은 충전 상태 및 동일한 내부 저항 또는 동일한 노후화 상태를 갖는 각각의 배터리 셀은 배터리의 방전 시 적어도 하나의 다른 배터리 셀보다 더 빈번하게 부하를 받고, 배터리의 충전 시 더 드물게 부하를 받는다. 반대로 적어도 하나의 다른 배터리 셀에 비해 낮은 충전 상태 및 동일한 내부 저항 또는 동일한 노후화 상태를 갖는 각각의 배터리 셀도 배터리의 방전 시 적어도 하나의 다른 배터리 셀보다 드물게 부하를 받고, 배터리의 충전 시 더 빈번하게 부하를 받는다. 따라서 적어도 하나의 다른 배터리 셀에 비해 동일한 충전 상태 및 더 큰 내부 저항을 갖는 또는 더 심하게 노후화된 각각의 배터리 셀은 또한, 배터리의 방전 시 및 배터리의 충전 시 적어도 하나의 다른 배터리 셀보다 드물게 부하를 받는다. 반대로 적어도 하나의 다른 배터리 셀에 비해 동일한 충전 상태 및 더 작은 내부 저항을 갖고 또는 덜 노후화된 각각의 배터리 셀은 또한, 배터리의 방전 시 및 배터리의 충전 시 적어도 하나의 다른 배터리 셀보다 빈번하게 부하를 받는다. 높은 전류는 각각의 배터리 셀의 노후화를 가속화하고 더 심하게 노후화된 배터리 셀들은 증가한 내부 저항을 갖기 때문에, 본 발명에 의해 본 발명에 따라 스위칭된 배터리 셀들의 균일한 노후화가 달성된다.
요약하면, 본 발명에 따라 본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리의 각각의 배터리 셀을 위해 하나의 품질 팩터가 사용되고, 상기 품질 팩터는 해당하는 각각의 배터리 셀의 충전 상태 및 노후화 상태에 따라, 해당하는 배터리 셀의 기능 상태가 각각의 품질 팩터에 의해 제시되도록 계산된다. 이 경우 본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리의 배터리 셀의 본 발명에 따라 계산된 품질 팩터에 기초해서 능동형 배터리 셀 기능 상태 보상이 실시될 수 있고, 상기 보상에 의해 상이한 자체 방전 및 상이한 화학적 용량을 갖는 배터리 셀들 사이의 보상과 배터리 셀들의 균일한 노후화가 동시에 달성된다. 다시 말해서, 더 작은 자체 방전과 더 큰 화학적 용량을 갖는 배터리 셀들은 더 높은 자체 방전과 더 작은 화학적 용량을 갖는 배터리 셀들보다 자주 방전되며 자주 충전되고, 반대로 더 높은 자체 방전과 더 작은 화학적 용량을 갖는 배터리 셀들은 더 작은 자체 방전과 더 큰 화학적 용량을 갖는 배터리 셀보다 드물게 방전되고 드물게 충전된다. 동시에 더 양호한 배터리 셀들은, 더 양호하지 않은 배터리 셀들보다 심하게 노후화되도록 부하를 받고, 반대로 더 양호하지 않은 배터리 셀들은, 더 양호한 배터리 셀들보다 덜 노후화되도록 부하를 받는다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서 각각의 배터리 셀의 품질 팩터의 계산을 위해, 해당하는 배터리 셀의 충전 상태, 해당하는 배터리 셀이 배터리에 연결될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 1 전압, 및 해당하는 배터리 셀이 배터리로부터 분리될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 2 전압이 측정된다. 또한 해당하는 제 1 전압과 해당하는 제 2 전압 사이의 차이의 절대값이 결정되고, 상기 절대값은 해당하는 배터리 셀이 배터리에 연결될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류의 전류값과 해당하는 배터리 셀의 내부 저항 사이의 적과 동일하다.
바람직하게 각각의 배터리 셀의 품질 팩터(Gi)는 배터리의 방전 시 하기 관계식(1)에 따라 그리고 배터리의 충전 시 하기 관계식(2)에 따라 계산되고, 이 경우 i는 1과 n으로 표시된 본 발명에 따른 배터리 시스템의 하나의 배터리 내에 제공된 배터리 셀의 개수 사이의 자연수이고, LZi는 해당하는 i번 째 배터리 셀의 충전 상태이고, U1i는 해당하는 i번 째 배터리 셀이 배터리로부터 분리될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 1 전압이고, U2i는 해당하는 i번 째 배터리 셀이 배터리에 연결될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 2 전압이고, 이 경우 U0는 예를 들어 0.25 V의 양의 정규화 변수이고, 상기 변수는 특히, 부등식
Figure pat00002
이 성립하도록 선택된다. 또한 k1과 k2는 해당하는 i번 째 배터리 셀의 품질 팩터(Gi)의 계산에 적합하게 선택된 2개의 양의 상수이다:
Figure pat00003
바람직하게 관계식 1과 2에서, 선택된 정규화 상수 U0의 경우에 다른 부등식
Figure pat00004
이 성립하면, 항
Figure pat00005
은 1의 값을 갖는 상수로 대체된다.
따라서 각각의 배터리 셀의 품질 팩터는 관련된 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈에 의해 매우 간단하게 계산될 수 있다.
바람직하게 각각의 배터리 셀을 위해 제 1 팩터로 스케일링된 제 1 제어 변수가 해당하는 제 1 확률로서 사용되고, 제 2 스케일링 변수로 스케일링된 제 2 제어 변수는 해당하는 제 2 확률로서 사용된다. 또한 제 1 제어 변수와 제 2 제어 변수는 각각 해당하는 배터리 셀의 품질 팩터와 무관하다. 또한 제 1 팩터와 제 2 팩터는 각각 해당하는 배터리 셀의 품질 팩터에 따라서 미리 규정된다.
바람직하게 모든 배터리 셀들을 위해 동일한 제 1 제어 변수와 동일한 제 2 제어 변수가 사용된다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서 배터리의 소정의 출력 전압의 생성을 위해 제 1 제어 변수와 제 2 제어 변수가 사전 설정된다. 바람직하게 배터리의 현재 출력 전압이 측정되고, 배터리의 소정의 출력 전압과 비교된다. 또한 현재 출력 전압과 소정의 출력 전압 사이의 차이가 존재하는 경우에 제 1 제어 변수와 제 2 변수는, 현재 출력 전압과 소정의 출력 전압 사이의 차이의 절대값이 최소화되도록 변경된다. 이 경우 측정된 현재 출력 전압과 소정의 출력 전압은 바람직하게 해당하는 전압의 순시값이 아니라, 다수의 조절 주기에 걸친 해당하는 전압의 평균값이거나 해당하는 전압의 통계적 평균값이다.
바람직하게 본 발명에 따른 배터리 시스템의 배터리의 배터리 셀들은 리튬 이온 배터리 셀이다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명에 따른 배터리 시스템을 구비한 차량에 관한 것이다.
하기에서 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명된다. 동일한 부품들에는 동일한 도면부호가 사용된다.
도 1은 선행기술에 공개된 배터리 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 시스템을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 형성된 배터리 시스템의 배터리에 사용 가능하고 활성화되고 방전된 배터리 셀을 가진 배터리 셀 유닛의 등가 회로도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 형성된 배터리 시스템의 배터리에 사용 가능하고 활성화되고 충전된 배터리 셀을 가진 다른 배터리 셀 유닛의 등가 회로도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 시스템(100)을 도시한다. 도 1에는 선행기술에 공개된 배터리 시스템이 도시된다. 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)은 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성된 배터리(111)를 포함하고, 상기 배터리는 다수의 배터리 셀 유닛(120)을 포함하고, 상기 배터리 셀 유닛들은 각각 배터리 셀(21)과 배터리 셀(21)에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(122)을 포함한다. 또한 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)에서 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 관련된 배터리 셀(21)을 해당하는 제 1 확률(P1i)로 활성화하도록, 즉 배터리(111)에 전기적으로 연결하도록 그리고 해당하는 제 2 확률(P2i)로 비활성화하도록, 즉 배터리(111)로부터 전기적으로 분리하도록 형성된다. 또한 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)의 배터리 셀 유닛들(122)은, 해당하는 배터리 셀들(21)이 활성화되면, 상기 배터리 셀들이 서로 직렬 스위칭되도록, 즉 이 경우에도 활성화된 배터리 셀들(21)이 각각 양극성 또는 음극성으로 직렬 회로에 삽입될 수 있도록 제공된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템(100)과 도 1에 도시된 배터리 시스템의 차이점은 배터리 셀들(21)에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(122)의 기능에 있다. 본 발명에 따른 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 중앙 제어 유닛(30)에 의해 사전 설정된 제어 변수들(P1, P2)의 스케일링을 위해 사용된, 관련된 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi) 및 해당하는 제 1 확률(P1i)과 제 2 확률(P2i)을 도 1에 도시된 배터리 시스템의 배터리 셀 모니터링 모듈과는 다르게 결정하도록 형성된다. 이로 인해 배터리 셀들(21)의 더 효과적인 기능 상태 보상이 이루어진다. 하기에서 본 발명에 따른 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)의 기능이 상세히 설명된다.
또한 도 3에 본 발명의 제 1 실시예에 따라 형성된 배터리 시스템(100)의 배터리(111)에 사용 가능한 배터리 셀 유닛(120)의 등가 회로도가 도시되고, 상기 배터리 셀 유닛(120)의 배터리 셀들(21)은 그 2개의 배터리 셀 단자(26, 27)에 의해 배터리 셀(111)에 전기적으로 연결되고, 방전 전류(I)에 의해 방전된다. 또한 도 4에 본 발명의 제 1 실시예에 따라 형성된 배터리 시스템(100)의 배터리(111)에 사용 가능한 다른 배터리 셀 유닛(120)의 등가 회로도가 도시되고, 상기 배터리 셀 유닛(120)의 배터리 셀들(21)은 그 2개의 배터리 셀 단자(26, 27)에 의해 배터리(111)에 전기적으로 연결되고, 충전 전류(-I)에 의해 충전된다. 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)에서도 활성화된 모든 배터리 셀들(21)은 서로 직렬 스위칭되기 때문에, 활성화된 모든 배터리 셀들을 통해 동일한 전류(I, -I)가 흐른다. 도 3 및 도 4에도 배터리 셀(21)에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(122)이 각각 도시된다. 배터리(111) 내의 각각의 배터리 셀 유닛(120)은 동일한 구조를 갖기 때문에, 하기에서는 도 3 및 도 4에 도시된 배터리 셀 유닛(120)의 배터리 셀들(21)의 기능 상태를 제시하는 사용된 변수에 동일한 인덱스 i가 사용되고, 상기 인덱스는 1과 n으로 표시되는 배터리(111) 내의 배터리 셀 유닛(120)의 개수 사이의 자연수이다.
도 1에 도시된 배터리 시스템의 배터리 셀 모니터링 모듈과 달리, 본 발명에 따른 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 관련된 배터리 셀(21)의 충전 상태(LZi), 관련된 배터리 셀(21)이 활성화될 때 상기 배터리 셀(21)에 인가되는 제 1 전압(U1i), 및 관련된 배터리 셀(21)이 비활성화될 때 상기 배터리 셀(21)에 인가되는 제 2 전압(U2i)을 측정하도록 형성된다. 도 3 및 도 4에 도시된 배터리 셀 유닛(120)의 배터리 셀(21)의 내부 저항은 Ri로 표시되었다.
방전 전류(I)에 의해 방전되는, 도 3에 도시된 배터리 셀 유닛(120)의 배터리 셀(21)에 대해 하기 관계식(3)이 성립한다:
Figure pat00006
충전 전류(-I)에 의해 충전되는, 도 4에 도시된 배터리 셀 유닛(120)의 배터리 셀(21)에 대해 하기 관계식(4)이 성립한다:
Figure pat00007
관계식(4)에서, 충전 전류(-I)는 음인 것이 고려되었다.
관계식(3)과 (4)에 따라 각각의 활성화된 배터리 셀(21)에 대해 해당하는 제 1 전압(U1i)과 해당하는 제 2 전압(U2i) 사이의 차이의 절대값은 해당하는 배터리 셀(21)을 통해 흐르는 방전 전류(I) 또는 충전 전류(-I)의 전류값(I)과 해당하는 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri) 사이의 적과 같다. 이 경우 전류(I, -I)의 전류값(I)이란, 해당하는 전류(I, -I)의 양으로 규정된 절대값
Figure pat00008
이다. 이러한 등식은 관계식 5와 6에 제시된다:
Figure pat00009
본 발명에 따른 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 배터리(111)의 방전 시 관련된 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)를 일반적인 설명에서 이미 설명된 관계식(1)에 따라 계산하도록 형성된다:
Figure pat00010
또한 본 발명에 따른 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 배터리(111)의 충전 시 관련된 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)를 일반적인 설명에서 이미 설명된 관계식(2)에 따라 계산하도록 형성된다:
Figure pat00011
관계식 1과 2에서 U0는 예를 들어 0.25 V의 양의 정규화 변수이고, 상기 변수는 특히, 부등식
Figure pat00012
이 성립하도록 선택된다. 또한 k1과 k2는 각각의 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)의 계산에 적합하도록 선택된 2개의 양의 상수이다.
상수 k1과 k2의 적절한 선택 시 아래와 같은 것이 달성된다:
본 발명에 따른 배터리(111)의 배터리 셀(21)을 통해 전류(I, -I)가 흐르지 않으면, 각각의 배터리 셀(21)에 대해 해당하는 전류값(I)과 해당하는 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri) 사이의 적은 0과 같고, 즉, 각각의 배터리 셀(21)에 대해 변수
Figure pat00013
도 0과 같고, 상기 변수는 해당하는 제 1 전압(Ui1)과 해당하는 제 2 전압(Ui2) 사이의 차이의 절대값이다. 이로 인해 각각의 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)는 해당하는 배터리 셀의 충전 상태(LZi)에 의해서만 영향을 받는다. 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)의 배터리(111)를 통해 흐르는 전류(I, -I)의 전류값(I)이 상승하면, 해당하는 변수
Figure pat00014
도 전류(I, -I)의 전류값(I)과 해당하는 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri)에 비례해서 증가한다. 본 발명에 따른 배터리(111)를 통해 흐르는 전류(I, -I)가 모든 배터리 셀(21)에 대해 동일한 전류값(I)을 갖기 때문에, 이는 높은 전류값(I)을 갖는 방전 전류(I)가 주어질 때 증가한 내부 저항(Ri)을 갖는 배터리 셀(21)은 더 작은 내부 저항(Ri)을 갖는 배터리 셀(21)보다 작은 품질 팩터(Gi)를 갖고, 높은 전류값(I)을 갖는 충전 전류(-I)가 주어질 때 증가한 내부 저항(Ri)을 갖는 배터리 셀(21)은 더 낮은 내부 저항(Ri)을 갖는 배터리 셀(21)보다 큰 품질 팩터(Gi)를 갖는 것을 의미한다.
따라서 증가한 내부 저항(Ri)을 갖는 배터리 셀(21)은 높은 전류값(I)을 갖는 방전 전류(I)가 주어질 때는 물론 높은 전류값(I)을 갖는 충전 전류(-I)가 주어질 때도 드물게 활성화되고, 이로 인해 부하를 덜 받는다. 높은 전류값(I)을 갖는 방전 전류(I) 및 충전 전류(-I)는 각각의 배터리 셀(21)의 노후화를 가속화하고 각각의 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri)은 해당하는 배터리 셀(21)의 노후화 상태에 비례하기 때문에, 배터리 셀(21)의 본 발명에 따라 계산된 품질 팩터(Gi)에 기초해서 배터리 셀(21)의 균일한 노후화가 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 중앙 제어 유닛(30)은 본 발명에 따른 배터리 시스템(100)에서도, 제 1 제어 변수(P1) 및 제 2 제어 변수(P2)를 사전 설정하고 배터리 셀 모니터링 모듈(122)에 통신 라인(31)을 통해 전달하도록 형성된다.
요약하면, 본 발명에 따른 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 관련된 배터리 셀(21)에 대해 해당하는 제 1 팩터(f1i)로 스케일링된 제 1 제어 변수(P1)를 해당하는 제 1 확률(P1i)로서 사용하고, 제 2 팩터(f2i)로 스케일링된 제 2 제어 변수(P2)를 해당하는 제 2 확률(P2i)로서 사용하도록 형성된다. 하나의 제 1 제어 변수(P1)와 하나의 제 2 제어 변수(P2)는 중앙 제어 유닛에 의해 모든 배터리 셀(21)에 대해 사전 설정되기 때문에, 제 1 제어 변수(P1) 및 제 2 제어 변수(P2)는 각각 임의의 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)와 무관하다. 이와 달리, 제 1 팩터(f1i)와 제 2 팩터(f1i)는 각각 관련된 배터리 셀(21)의 본 발명에 따라 계산된 품질 팩터(Gi)에 따라 미리 규정된다.
따라서 본 발명에 따른 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 관련된 배터리 셀(21)에 대해 배터리(111)의 방전 시 관계식(7)에 따라 그리고 배터리(111)의 충전 시 관계식(8)에 따라 해당하는 제 1 확률(P1i)을 결정하도록 그리고 배터리(111)의 방전 시 관계식(9)에 따라 그리고 배터리(111)의 충전 시 관계식(10)에 따라 해당하는 제 2 확률(P2i)을 결정하도록 형성된다:
Figure pat00015
관계식 7 내지 10에서 P1은 제 1 제어 변수이고, P2는 제 2 제어 변수이고, f1i는 해당하는 제 1 팩터이고, f2i는 해당하는 제 2 팩터이다.
이상의 공개 내용 외에 본 발명의 추가 공개 내용에 대해 보완적으로 도 2 내지 도 4의 도시가 참조된다.
21 배터리 셀
22 배터리 셀
100 배터리 시스템
111 배터리
120 배터리 셀 유닛
122 배터리 셀 모니터링 모듈

Claims (11)

  1. 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성된 배터리(111)의 다수의 배터리 셀들(21)의 스위칭 방법으로서, 상기 배터리 셀들(21)은 각각 해당하는 제 1 확률(P1i)로 상기 배터리(111)에 전기적으로 연결되고, 각각 해당하는 제 2 확률(P2i)로 상기 배터리(111)로부터 전기적으로 분리되고, 상기 배터리 셀들(21)은 서로 직렬로 스위칭될 수 있는, 스위칭 방법에 있어서,
    각각의 배터리 셀(21)에 대해 품질 팩터(Gi)는 해당하는 배터리 셀의 충전 상태(LZi)에 특히 일차 종속하는 함수와, 해당하는 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 전기적으로 연결될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류(I, -I)의 전류값(I)과 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 내부 저항 사이의 적에 특히 일차 종속하는 제 2 함수 사이의 합으로서 계산되고, 각각의 배터리 셀(21)에 대해 상기 해당하는 제 1 확률(P1i)과 상기 해당하는 제 2 확률(P2i)은 각각 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 계산된 품질 팩터(Gi)에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 스위칭 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 배터리 셀(21)에 대해 상기 제 1 확률(P1i)은 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)의, 상기 배터리(111)의 방전 시 단조 증가하는 그리고 상기 배터리(111)의 충전 시 단조 감소하는 특히 일차 함수이고 및/또는 각각의 배터리 셀(21)에 대해 상기 제 2 확률(P1i)은 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)의, 상기 배터리(111)의 방전 시 단조 감소하는 그리고 상기 배터리(111)의 충전 시 단조 증가하는 특히 일차 함수이고 및/또는 각각의 배터리 셀(22)의 품질 팩터(Gi)의 항에 나타나는 제 1 함수는 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 충전 상태(LZi)의, 상기 배터리(111)의 방전 시에는 물론 상기 배터리(111)의 충전 시에도 단조 증가하는 특히 일차 함수이고 및/또는 각각의 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)의 항에 나타나는 제 2 함수는 상기 해당하는 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 전기적으로 스위칭될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류(I, -I)의 전류값(I)과 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri) 사이의 적의, 상기 배터리(111)의 방전 시 단조 감소하고 상기 배터리(111)의 충전 시 단조 증가하는 특히 일차 함수인 것을 특징으로 하는 스위칭 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 상기 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)의 계산을 위해 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 충전 상태(LZi), 상기 해당하는 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 연결될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 1 전압(U1i), 및 상기 해당하는 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)로부터 분리될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 2 전압(U2i)이 측정되고, 해당하는 제 1 전압(U1i)과 해당하는 제 2 전압(U2i) 사이의 차이의 절대값이 결정되고, 상기 절대값은 상기 해당하는 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 연결될 때, 상기 배터리 셀을 통해 흐르는 전류(I, -I)의 전류값(I)과 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri) 사이의 적과 동일한 것을 특징으로 하는 스위칭 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 배터리 셀(21)의 상기 품질 팩터(Gi)는 상기 배터리(111)의 방전 시 하기 관계식에 따라
    Figure pat00016

    그리고 상기 배터리(111)의 충전 시 하기 관계식에 따라
    Figure pat00017

    결정되고, 이 경우 K1 +K2 = 1, K1과 K2는 양의 상수이고, i는 1과 상기 배터리(111)의 상기 배터리 셀(21)의 개수 n 사이의 자연수이고, LZi는 해당하는 i번 째 배터리 셀(21)의 충전 상태이고, U1i는 해당하는 i번 째 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 연결될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 1 전압이고, U2i는 해당하는 i번 째 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)로부터 분리될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 2 전압이고, U0는 예를 들어 0.25 V의 양의 정규화 변수이고, 상기 변수는 특히, 부등식
    Figure pat00018
    Figure pat00019
    이 성립하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 스위칭 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 배터리 셀(21)에 대해, 제 1 팩터(f1i)로 스케일링된 제 1 제어 변수(P1)가 상기 해당하는 제 1 확률(P1i)로서 사용되고, 제 2 팩터(f2i)로 스케일링된 제 2 제어 변수(P2)가 상기 해당하는 제 2 확률(P2i)로서 사용되고, 상기 제 1 제어 변수(P1)와 상기 제 2 제어 변수(P2)는 각각 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)와 무관하고, 상기 제 1 팩터(f1i)와 상기 제 2 팩터(f2i)는 각각 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)에 따라서 미리 규정되는 것을 특징으로 하는 스위칭 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 모든 배터리 셀들(21)에 대해 동일한 제 1 제어 변수(P1) 및 동일한 제 2 제어 변수(P2)가 사용되는 것을 특징으로 하는 스위칭 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 배터리(21)의 소정의 출력 전압(Us)의 생성을 위해, 상기 제 1 제어 변수(P1)와 상기 제 2 제어 변수(P2)가 사전 설정되고, 바람직하게 상기 배터리(21)의 현재 출력 전압(U)이 측정되고, 상기 배터리(21)의 상기 소정의 출력 전압(Us)과 비교되고, 상기 현재 출력 전압(U)과 상기 소정의 출력 전압(Us) 사이의 차이가 주어지는 경우에 상기 제 1 제어 변수(P1)와 상기 제 2 변수(P2)는, 상기 현재 출력 전압(U)과 상기 소정의 출력 전압(Us) 사이의 차이의 절대값이 최소화되도록 변경되는 것을 특징으로 하는 스위칭 방법.
  8. 전기 화학적 에너지 저장 장치로서 형성된 배터리(111)를 포함하는 배터리 시스템(100)으로서, 상기 배터리는 배터리 셀 유닛(120)을 포함하고, 상기 배터리 셀 유닛들은 각각 배터리 셀(21)과 상기 배터리 셀(21)에 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(122)을 포함하고, 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 관련된 배터리 셀(21)을 해당하는 제 1 확률(P1i)로 상기 배터리(111)에 전기적으로 연결하도록 그리고 해당하는 제 2 확률(P2i)로 상기 배터리(111)로부터 전기적으로 분리하도록 형성되고, 상기 배터리 셀들(21)은 상기 관련된 배터리 셀 모니터링 모듈(122)에 의해 서로 직렬 스위칭될 수 있는, 배터리 시스템(100)에 있어서,
    각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은 또한, 관련된 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)를 상기 관련된 배터리 셀(21)의 충전 상태(LZi)에 특히 일차 종속하는 제 1 함수와, 상기 관련된 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 전기적으로 연결될 때, 상기 배터리 셀(21)을 통해 흐르는 전류(I, -I)의 전류값(I)과 상기 관련된 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri) 사이의 적에 특히 일차 종속하는 제 2 함수 사이의 합으로서 계산하도록 그리고 상기 관련된 배터리 셀(21)에 대해 상기 해당하는 제 1 확률(P1i)과 상기 해당하는 제 2 확률(P2i)을 각각 상기 관련된 배터리 셀(21)의 계산된 품질 팩터(Gi)에 따라 결정하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(100).
  9. 제 8 항에 있어서, 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은, 상기 관련된 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)의 계산을 위해 상기 관련된 배터리 셀(21)의 충전 상태(LZi), 상기 관련된 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 전기적으로 연결될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 1 전압(U1i), 및 상기 관련된 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)로부터 전기적으로 분리될 때, 상기 배터리 셀에 인가되는 제 2 전압(U2i)을이 측정하도록 그리고 상기 해당하는 제 1 전압(U1i)과 상기 해당하는 제 2 전압(U2i) 사이의 차이의 절대값을 결정하도록 형성되고, 상기 절대값은 상기 관련된 배터리 셀(21)이 상기 배터리(111)에 연결될 때, 상기 배터리 셀(21)을 통해 흐르는 전류(I, -I)의 전류값(I)과 상기 관련된 배터리 셀(21)의 내부 저항(Ri) 사이의 적과 동일한 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(100).
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 각각의 배터리 셀 모니터링 모듈(122)은 또한, 제 1 팩터(f1i)로 스케일링된 제 1 제어 변수(P1)를 상기 해당하는 제 1 확률(P1i)로서 사용하도록 그리고 제 2 팩터(f2i)로 스케일링된 제 2 제어 변수(P2)를 상기 해당하는 제 2 확률(P2i)로서 사용하도록 형성되고, 제 1 제어 변수(P1)와 제 2 제어 변수(P2)는 각각 상기 해당하는 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)와 무관하고, 상기 제 1 팩터(f1i)와 상기 제 2 팩터(f2i)는 각각 상기 관련된 배터리 셀(21)의 품질 팩터(Gi)에 따라 미리 규정되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(100).
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 시스템은 중앙 제어 유닛(30)을 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 배터리(100)의 소정의 출력 전압(Us)의 생성을 위해, 모든 배터리 셀들(21)에 대해 하나의 제 1 제어 변수(P1)와 하나의 제 2 제어 변수(P2)를 사전 설정하도록, 그리고 상기 제 1 제어 변수(P1)와 상기 제 2 제어 변수(P2)를 모든 배터리 셀 모니터링 모듈(122)에 전달하도록, 그리고 바람직하게 상기 배터리(111)의 현재 출력 전압(U)을 측정하여 상기 배터리(111)의 상기 소정의 출력 전압(Us)과 비교하도록 그리고 상기 현재 출력 전압(U)과 상기 소정의 출력 전압(Us) 사이의 차이가 주어지는 경우에 상기 현재 출력 전압(U)과 상기 소정의 출력 전압(Us) 사이의 차이의 절대값의 최소화가 이루어지도록 상기 제 1 제어 변수(P1)와 상기 제 2 변수(P2)를 변경하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템.
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