KR20160087813A - 상이한 개수들의 저장 소자들을 브릿징하여, 두 개의 브랜치들을 구비한 배터리를 밸런싱하는 방법 - Google Patents

Abstract

전기 에너지 축전지의 관리는 상기 배터리의 저장 소자들의 단자 전압들을 밸런싱하기 위한 비-소모적 밸런싱 장치의 공급을 필요로 한다. 이 때, 상기 비-소모적 밸런싱 장치는 : 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 제1 유형의 N+1 개의 스위칭 소자들(C_pk)을 포함하며; 그리고 인접한 스테이지들에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 제2 유형의 2N 개의 스위칭 소자들(C_dk,1, C_dk,2)을 포함한다. 상기 방법은 : 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수보다 적은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것, 그리고 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수보다 적은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제2 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것으로 구성된 선택 단계를 포함한다. 상기 스위칭 소자들은 상기 제1 브랜치에서 선택된 저장 소자들 및 상기 제2 브랜치에서 선택된 저장 소자들을 서로 전기적으로 병렬 연결시키도록 제어된다.

Description

상이한 개수들의 저장 소자들을 브릿징하여, 두 개의 브랜치들을 구비한 배터리를 밸런싱하는 방법 {Balancing of a battery having two branches, with bridging of differential numbers of storage elements}

본 발명은 적어도 두 개의 병렬 분기들을 구비하는 전기 에너지 축전지의 소자들의 전압 밸런싱에 관한 것이다.

더 구체적으로, 본 발명은 적어도 전기적으로 병렬 연결된 제1 분기 및 제2 분기를 포함하는 전기 에너지 축전지를 관리하는 방법 및 장치로서, 상기 제1 분기 및 상기 제2 분기 각각은 전기적으로 직렬 연결된 N 개의 저장 소자들을 구비하는 것인, 방법 및 장치에 관한 것이다.

전기 차량에 사용되는 (예를 들어, 리튬-이온 유형의) 배터리는 애플리케이션에 의해 요구되는 전압 레벨에 도달하기 위해 직렬로 조립되는 저장 소자들(예를 들어, 전기화학 전지들)의 세트로 형성된다. 한편, 상기 애플리케이션에 의해 요구되는 용량 레벨에 도달하기 위해, 배터리는 저장 소자들의 병렬 어셈블리를 포함할 수 있다. 이는 전기 에너지 축전지가 종종 병렬 어셈블리로 서로 전기적으로 연결된 다수의 분기들을 포함하며, 상기 다수의 분기들 각각은 직렬 어셈블리로 서로 전기적으로 연결된 다수의 저장 소자들을 포함하는 경우인 이유이다. 분기들의 개수는 추구 용량에 따라 달라진다. 그 결과, 각각의 분기를 따라 직렬 연결된 소자들의 개수는 추구 전압에 따라 달라진다.

현재 제조 공정들은, 특히 저장 소자들의 용량 및 내부 저항 같은 기능들의 관점에서, 완벽하게 동일한 저장 소자들을 획득할 수 없다. 또한, 이러한 소자들은 배터리 내에서의 그것들의 위치로 인하여, 전지의 수명에 걸쳐 상이한 온도 변화에 노출되며, 이러한 상이한 온도 변화에 대한 도출은 상기 소자들이 불균일하게 노화되도록 유발한다. 상이한 특징들을 갖는 이러한 소자들을 통해 동일한 전류가 통과할 때, 상기 소자들은 불균형이 되며, 이런 의미에서, 소자들의 전하 상태들은 서로 다르다.

상기 배터리에 포함된 에너지의 최적의 사용을 가능하게 하기 위해(사용 범위는 더 많이 충전된 소자들 및 더 적게 충전된 소자들에 의해 결정된다), 이러한 불균형들을 보정하기 위한 배터리 관리 기기들이 공지되어 있다. 상기 소자들의 충전 상태(state of charge; SOC)에 관한 정보에 기초하여, 또는 상기 소자들의 전압 또는 무-부하 전압에 기초하여 밸런싱이 수행될 수 있다.

현재 사용되고 있는 밸런싱 방법들은 패시브(passive) 밸런싱 또는 액티브 밸런싱이다 :

- 패시브 (또는 소모성(dissipative)) 밸런싱은 더 많이 충전된 저장 소자들을 소모성 소자들(저항들)에서 방전시켜서, 상기 저장 소자들이 모두 동일한 충전 상태를 갖도록 만든다;

- 액티브 (또는 비-소모성) 밸런싱은 동일한 충전 상태를 향해 수렴하도록 더 많이 충전된 소자들의 에너지를 더 많이 방전된 소자들에게 전달한다.

오늘날, '패시브' 밸런싱 시스템은 더 많이 충전된 셀들의 에너지를 저항들에서 방출하는 것을 목표로 하며, 이에 따라, 패시브 밸런싱 시스템은 배터리의 소자들의 세트의 충전을 제한하지 않는다 : 따라서 에너지가 손실된다. 배터리의 방전 동안의 이러한 기법의 사용은 배터리 전압의 감소를 야기하며, 이는 배터리가 주어진 전력을 전달하기 위해 필요한 전류의 증가를 야기하며, 자율성의 증가를 허용하지 않는다.

그와 대조적으로, '액티브' 밸런싱은 더 많이 충전된 셀들의 에너지를 더 적게 충전된 셀들에게 분배하는 것을 목표로 하며, 자율성을 획득할 수 있게 한다. 액티브 밸런싱 회로들은 상대적으로 복잡하며, 일반적으로 변압기 같은 에너지 전달 수단을 사용한다. 이러한 에너지 전달 체인은 비-단일적 전환 수율을 갖는다.

본 발명은 비-소모성 밸런싱의 분야에 관한 것이다.

밸런싱 솔루션은 문서 EP1869748B1에 공지되어 있다. 상기 문서 EP1869748B1는 상기 배터리의 모듈들 각각에 포함된 다수의 셀들의 브릿징의 원리, 그리고 상기 모듈들 모두의 브릿징의 원리를 기술한다. 그러나 모듈들 및 셀들 모두는 상기 셀들 각각의 실제 요구들과 무관하게 밸런싱되기 때문에, 이 솔루션은 매우 유연하지 않다. 이 솔루션의 추가 주요 단점은, 이 솔루션은 오직 상기 배터리가 사용되고 있지 않을 때에만, 즉 상기 배터리가 연결되어 있지 않고 충전되거나 방전되지도 않을 때에만 구현될 수 있다는 것이다. 이는 연결 및 단선이 배터리의 단자 전압의 갑작스런 변화를 야기한다는 사실 때문이다.

문서 EP2363935A1은 각각의 스테이지에 세 개의 스위치들이 공급되는 스위칭 구조를 기술한다. 상기 밸런싱 시스템은 제1 기간 동안, 하나의 브랜치의 순서(order) n의 저장 소자를, 다른 브랜치의 순서 n의 저장 소자에 병렬로 연결한다. 그 다음, 상기 밸런싱 시스템은 제 2 기간 동안, 메인 브랜치의 순서 n의 저장 요소를 제2 브랜치의 순서 n-1 의 저장 요소에 병렬 연결한다. 그 후, 상기 밸런싱 시스템은, 제3 기간 동안, 상기 메인 브랜치의 순서 n의 저장 소자를, 상기 제2 브랜치의 순서 n+1의 저장 요소에 병렬 연결한다. 기간이 무엇이든 간에, 상기 브릿징은 상기 제2 브랜치의 오직 다른 하나에 대해, 메인 브랜치의 오직 하나의 스테이지만을 고려한다. 상기 밸런싱 전류들은 제한되며, 이는 아주 만족스럽지는 않다. 한편, 각 기간마다, 상기 메인 브랜치의 각 스테이지는 상기 제2 브랜치의 스테이지에 병렬 연결되며, 이로써, 상기 밸런싱 해결책은 브랜치들의 상이한 저장 소자들에 특유한 실제 요구들로의 적응 및 구현 관점에서 유연성이 부족하다.

본 발명의 목적은 상술한 단점들을 극복하는 배터리 관리 전략을 제안하는 것이다.

특히, 제1 목적은 비-소모적으로, 즉 전하 이동을 이용하여, 배터리를 밸런싱할 수 있는 것이다.

제2 목적은 "비-소모적 밸런싱" 유형의 현재 솔루션들 보다 더 낮은 비용으로 더 단순한 솔루션을 제공하는 것이다.

제3 목적은, 배터리가 사용 중에 있는지 여부와 무관하게, 상기 배터리의 임의의 요소들 간의 에너지 이동을 가능하게 하는 유연한 솔루션을 제공하는 것이다.

제4 목적은 짧은 밸런싱 지속 기간(duration)을 제공하고 개별적으로 고려된 저장 소자들의 실제 요구들에의 적응을 개선시키는 솔루션을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양상은 전기적으로 병렬 연결된 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 적어도 포함하는 전기 에너지 축전지를 관리하는 방법으로서, 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 각각은 전기적으로 직렬 연결된 N 개의 저장 소자들(E_i,j)을 구비하며, 상기 방법은 :

- 상기 배터리의 상기 저장 소자들의 단자 전압들을 밸런싱하기 위한 비-소모적 밸런싱 장치를 제공하는 단계로서,

상기 장치는 :

동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 제1 유형의 N+1 개의 스위칭 소자들(C_pk)을 포함하며; 그리고

인접한 스테이지들에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 제2 유형의 2N 개의 스위칭 소자들(C_dk,1, C_dk,2)을 포함하는 것인, 제공 단계;

- 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수보다 적은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것; 및 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수보다 적은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제2 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것으로 구성된 선택 단계; 및

- 상기 제1 브랜치의 선택된 저장 소자들 및 상기 제2 브랜치의 선택된 저장 소자들을 서로 전기적으로 병렬 연결시키도록 상기 스위칭 소자들을 제어하는 단계를 포함하는 것인, 방법이다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 제어 단계 동안, 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 중 오직 일부, 그리고 상기 제2 유형의 스위칭 소자들 중 오직 일부만이 상태가 변하는 것을 특징으로 할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 배터리의 방전 단계 동안, 상기 선택 단계는 : 단자 전압이 나머지 저장 소자들의 전압 보다 미리 정해진 임계값 만큼 더 낮은 상기 배터리의 적어도 하나의 저장 소자를 결정하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들은 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 배터리의 충전 단계 동안, 상기 선택 단계는 단자 전압이 나머지 저장 소자들의 전압 보다 미리 정해진 임계값 만큼 더 높은 상기 배터리의 적어도 하나의 저장 소자를 식별하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들은 상기 식별 단계에서 식별된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 브랜치 중에서 선택된 스테이지들의 개수 및 스테이지들의 선정, 그리고 상기 제2 브랜치 중에서 선택된 스테이지들의 개수 및 스테이지들의 선정은 :

- 상기 제어 단계 후에 전기적으로 병렬 연결된 저장 소자들의 단자 전압의 추구되는 동적 밸런싱; 및/또는

- 상기 저장 소자들에서 순환하는 전류 세기의 최대값;을 고려하는 선택 기준에 종속한다.

본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 제어 단계가 상기 제1 브랜치로부터의, 그리고 상기 제2 브랜치로부터의 상이한 개수의 스테이지들을 전기적으로 연결하도록, 상기 선택 단계 동안, 상기 제1 브랜치 중에서 선택된 저장 소자들의 개수 및 상기 제2 브랜치 중에서 선택된 상기 저장 소자들의 개수는 서로 다를 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 선택 단계는 :

상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하지 않는 브랜치로부터, 상기 결정 단계에서 결정된 저장 소자들의 개수 보다 더 많은 그리고 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 충전 상태보다 더 큰 충전 상태들을 갖는 다수의 저장 소자들을 식별하는 단계; 그리고, 그 후에,

상기 제어 단계의 구현 후, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자에서 순환하는 전기 밸런싱 전류를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 선택 단계는 상기 제어 단계의 구현 후, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 전기적 재충전을 위해 필요한 시간 기간을 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 선택 단계는 :

특히 상기 밸런싱 장치의 컴포넌트들의 저항들에 대한 정보에 기초하여, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 전기적 재충전을 위해 필요한 전위차를 추정하는 단계를 포함할 수 있으며,

상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하지 않는 브랜치로부터 상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들의 개수 및 스테이지들은, 상기 전위차에 기초하여, 그리고 상기 제어 단계의 구현 후 상기 전기 밸런싱 전류를 생성할 수 있게 하는 방식으로, 선택될 수 있다.

일부 실시예들에서, 상기 방법은 :

- 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들이 서로 전기적으로 병렬 연결되도록, 제1 기간 동안 오직 상기 제1 유형의 모든 스위칭 소자들(C_pk)만을 제어하는 단계로서, 상기 배터리의 각각의 스테이지에 대하여 적용되는 제어 단계; 및/또는

- 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 각각이, 인접하고 더 낮은 스테이지에 있는 상기 제2 브랜치의 저장 소자에 전기적으로 병렬 연결되도록, 제2 기간동안 오직 상기 제2 유형의 상기 제1 절반 스위칭 소자들(C_dk,1)만을 제어하는 단계; 및/또는

- 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 각각이, 인접하고 더 높은 스테이지에 있는 상기 제2 브랜치의 저장 소자에 전기적으로 병렬 연결되도록, 제3 기간동안 오직 상기 제2 유형의 상기 제2 절반 스위칭 소자들( C_dk,2 )만을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

본 출원의 일 양상은 전기적으로 병렬 연결된 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하는 전기 에너지 축전지를 관리하는 장치로서, 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 각각은 전기적으로 직렬 연결된 N 개의 저장 소자들(E_i,j)을 구비하며,

상기 장치는 :

- 상기 배터리의 상기 저장 소자들의 단자 전압들을 밸런싱하기 위한 비-소모적 밸런싱 장치;

- 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결할 수 있는, N+1 개의 제1 유형의 스위칭 소자들(C_p,k);

- 인접한 스테이지들에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 2N 개의 제2 유형의 스위칭 소자들(C_dk,1, C_dk,2); 및

- 상술된 방법들 중 임의의 한 방법을 수행하기 위해, 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 및 상기 제2 유형의 스위칭 소자들을 개별적으로 제어하는 제어 유닛을 포함하는, 장치이다.

본 발명의 효과는 본 명세서에 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

추가 이점들 및 특징들은 첨부된 도면들에 도시되고 비-제한적 예시로서 주어진 본 발명의 특정 실시예들에 대한 다음의 설명으로부터 더 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 관리 방법이 본 발명에 따른 예시적 관리 장치를 통해 적용될 수 있는 제1 축전지의 전기적 구조를 도시한다.
도 2는 6 개의 저장 소자들을 갖는 도 1의 변형예이다.
도 3은 사전에 선택된 스위칭 소자들의 제1 제어 예시 후 도 2의 장치를 도시한다.
도 4는 사전에 선택된 스위칭 소자들의 제2 제어 예시 후 도 2의 장치를 도시한다.
도 5는 4 개의 저장 소자들을 갖는 도 1의 변형예이다.
도 6 내지 도 8은 세 개의 상이한 기간들 동안의 도 5의 장치를 도시하며, 상기 세 개의 상이한 기간들 동안, 상기 스위칭 소자들은 서로 다르게 제어된다.

도 1은 한편으로는 후술되는 관리 방법이 적용될 수 있는 축전지의 전기적 구조를 도시하며, 다른 한편으로는 이러한 방법을 수행하는 관리 장치의 일부를 도시한다.

상기 전기 에너지 축전지는 적어도 전기적으로 병렬 연결된 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하며, 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 각각은 동일한 브랜치 내에 서로 전기적으로 직렬 연결된 N개의 저장 소자들을 갖는다.

더 구체적으로, 각각의 브랜치는 각 브랜치를 따라 직렬 어셈블리로 서로 전기적으로 연결된 다수의 저장 소자들 E_i,j(여기서, 각각의 브랜치가 직렬 연결된 N 개의 저장 소자들을 포함하기 때문에, i는 1 및 N 사이에서 변하며, 상기 배터리가 두 개의 브랜치들을 포함하기 때문에 j는 1 및 2 사이에서 변한다)을 포함한다. 병렬 조립된 브랜치들의 개수 m은 2와 상이할 수 있다는 것은 당연하다.

상기 배터리의 단자 A에서 단자 B까지, 상기 저장 소자들 E_i,j은 주어진 행 i를 갖는 위치들에 순서화된 방식으로 자신의 상응하는(respective) 브랜치에 따라 정렬된다. 이에 따라, 소자 E_i,j는 브랜치 j를 따라 행 위치 i에 배열된다. 상기 두 개의 브랜치들 내에서 동일한 행에 있는 두 개의 저장 소자들은 "스테이지"로 알려져 있는 것을 형성한다. 상기 저장 소자들 E_i,j뿐만 아니라 상기 배터리는 서로에 대한 상기 소자들의 이러한 유형의 어셈블리, 그리고 서로에 대한 상기 브랜치들의 어셈블리를 보장하는 전기적 구조를 포함한다. 특히 이러한 구조는 동일한 브랜치 내에 있는 두 개의 인접한 저장 소자들을 둘씩 짝을 지어 연결하는 직접적인 전기적 연결들을 포함하며, 또한 서로에 대해 상기 브랜치들의 커넥션들을 연결하는 직접적인 전기적 연결들을 포함한다.

상기 저장 소자들 E_i,j 의 무-부하 전압들은 대략 수 볼트로 꽤 낮다. 따라서 상기 배터리에 의해 구동되는 전기 회로의 공칭 동작 전압(nominal operating voltage)에 도달하기 위해, 특정 개수(개수 N으로 정의)의 전기화학 저장 소자들을 직렬 연결하는 것이 필요하다. 상기 배터리의 또 다른 설계 기준은 이를 이용해 얻을 수 있는 자율성에 대응하며, 이는 상기 저장 소자들의 용량에 의해 정의된다. 동일한 유형의 두 개의 저장 소자들을 브릿징하는 것은, 예를 들어, 저장 용량을 두 배로 만들 수 있다. 따라서 브랜치들의 개수 m은 상기 배터리의 전체 용량을 정의할 수 있다.

상기 배터리의 각각의 저장 소자 E_i,j 는, 다음의 설명에서, 슈퍼 커패시터, 또는 전기화학 유닛 셀, 또는 전기적으로 병렬 연결된 이러한 유형의 적어도 한 쌍의 셀들을 갖는 유닛, 또는 서로 전기적으로 직렬 연결된 이러한 유형의 적어도 두 개의 유닛들을 포함하는 모듈, 또는 서로 전기적으로 직렬 연결되거나 병렬 연결된 이러한 유형의 적어도 두 개의 모듈들을 포함하는 어셈블리에 의해 형성된다.

각각의 저장 소자 E_i,j 는 그것의 디자인 면에서 고유하다. 상기 저장 소자들을 제조하는 공정은 완전히 동일한 소자들을 획득할 수 없다. 특히 용량 및 내부 저항이 다를 수 있다. 또한 이러한 저장 소자들의 노화 현상은 용량 손실 및 내부 저항의 증가를 야기하며, 이러한 현상은 기능들의 차이들을 강조하는 경향이 있다. 따라서 동일한 전류가 통과되는 일련의 두 개의 저장 소자들은 서로 다르게 전개하는 자신들의 충전 상태를 볼 수 있으며, 배터리의 최적 사용을 허용할 수 있도록 균형을 이루어야 한다. 도 1의 전기적 구조의 경우에 제기되는 이러한 문제들에 응답하기 위해, 상기 관리 장치는 추가로 후술될 관리 방법을 수행하는 소프트웨어 및/또는 하드웨어 수단을 포함하며, 이러한 관리 장치의 목적은 전압들이 밸런싱될 저장 소자들이 상기 적어도 두 개의 브랜치들 중에서 미리 선택된 후, 상기 배터리에 의해 포함되는 저장 소자들의 전부 또는 일부의 충전 상태들을, 비-소모적 방식으로, 밸런싱하기 위한 것이다.

특히, 상기 관리 장치는 상기 관리 방법을 수행할 수 있도록, 상기 배터리의 저장 소자들의 단자들에서의 전기적 전압들을 밸런싱하기 위한 비-소모적 밸런싱 장치를 포함한다. 이러한 밸런싱 장치는 :

- 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 N+1개의 제1 유형의 스위칭 소자들 C_pk(k는 1에서 N+1까지 변함) ; 및

- 인접한 스테이지들에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 2N 개의 제2 유형의 스위칭 소자들을 포함한다.

더 구체적으로, 상기 밸런싱 장치는 상기 제2 유형의 제1 절반 스위칭 소자들 N개를 포함하며, 이들은 각각 C_dk,1 (k는 2에서 N까지 변한다)으로 참조된다. 각각의 스위칭 소자 C_dk,1는 주어진 스테이지의 상기 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 바로 인근에 있는 더 낮은 스테이지의 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다. 상기 밸런싱 장치는 상기 제2 유형의 제2 절반 스위칭 소자들 N개를 포함하며, 이들은 각각 C_dk,2 (k는 2에서 N까지 변한다)으로 참조된다. 각각의 스위칭 소자 C_dk,2는 주어진 스테이지의 상기 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 바로 인근에 있는 더 높은 스테이지의 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

각각의 스위칭 소자 C_pk는 주어진 스테이지의 상기 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 동일한 스테이지의 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

이상으로부터, 도 1의 다음의 참조부호들은 다음의 의미를 갖는다 :

- E_i,1 (i=1,2,...,N )는 상기 배터리의 메인 브랜치로 지칭되는 상기 제1 브랜치의 저장 소자들을 의미한다;

- E_i,2 (i=1,2,...,N )는 상기 배터리의 2차적인 브랜치로 지칭되는 상기 제2 브랜치의 저장 소자들을 의미한다;

- N_i,1 (i=1,2,...,N+1)는 상기 제1 브랜치의 아키텍처의 전기 노드들을 의미한다;

- N_i,2 (i=1,2,...,N+1)는 상기 제2 브랜치의 아키텍처의 전기 노드들을 의미한다;

- C_pk (k=1,2,...,N+1)는 상기 전기 노드들 N_k,1 및 N_k,2을 연결할 수 있는(또는 연결하지 않을 수 있는) 상기 제1 유형의 스위칭 소자들을 의미한다;

- C_dk,1 (k=1,2,...,N)는 상기 전기 노드들 N_k+1,1 및 N_k,2을 연결할 수 있는(또는 연결하지 않을 수 있는) 스위칭 소자들을 의미한다;

- C_dk,2 (k=1,2,...,N)는 상기 전기 노드들 N_k,1 및 N_k+1,2을 연결할 수 있는(또는 연결하지 않을 수 있는) 스위칭 소자들을 의미한다;

- A는 상기 배터리의 최고 전위 지점을 의미한다; 그리고

- B는 상기 배터리의 최저 전위 지점을 의미한다.

상기 배터리의 "스테이지 X"란 용어는 노드들 N_X,1, N_X,2, N_X+1,1, N_X+1,2 사이에 포함된 소자들을 위해 사용된다. 예를 들어, 스테이지 1은 노드들 N_1,1, N_1,2, N_2,1, N_2,2사이에 포함된 소자들, 즉 상기 저장 소자들 E_1,1 및 E_1,2 뿐만 아니라 상기 스위칭 소자들 C_p1, C_p2, C_d1,1, C_d1,2을 의미한다.

이 아키텍처에 의해 제공되는 가능성들은 다음과 같다 :

- 상기 스위칭 소자들 C_pk은 동일한 스테이지의 저장 소자들을 서로 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있다; 그리고

- 상기 커넥터들 C_dk,1 및 C_dk,2은 인접한 스테이지들의 저장 소자들을 서로 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있다.

유리하게는, 상기 스위치 소자들 C_pk, C_dk,1 및 C_dk,2은 통상 "MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)"으로 알려진 절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터들이다. 이러한 변형은 상기 회로 내의 전류를 제어하기 위해 전압이-제어되는 이점을 갖는다. 그러나 상기 스위칭 소자들은, 그것들이 제어될 수 있다면 그리고 폐쇄될 때 전류의 통로에 낮은 저항을 제시할 수 있다면, 릴레이들 등과 같은 임의의 다른 유형일 수 있다.

바람직하게는, 상기 방법은 :

- 상술된 비-소모적 밸런싱 장치를 제공하는 단계;

- 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수 N 보다 적은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것; 및 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수 N 보다 적은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제2 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것으로 구성된 선택 단계; 및

- 특히 직접적인 병렬 어셈블리 내의 상기 제1 브랜치의 선택된 저장 소자들 및 상기 제2 브랜치의 선택된 저장 소자들을 서로 전기적으로 병렬 연결시키도록 상기 스위칭 소자들 C_pk, C_dk,1 및 C_dk,2을 제어하는 단계를 포함한다.

용어 "직접적인 병렬 어셈블리"는, 직렬 구성을 제외하고, 두 개의 선택된 저장 소자들의 단자들이 서로 둘씩 짝을 지어 직접 연결되어 있다는 사실을 의미한다.

직접적인 전기적 브릿징에 의한 밸런싱 원리는 세 개의 스테이지들을 갖는 배터리에의 적용의 경우에 관하여, 그리고 도 2에 도시된 연관 관리 장치에의 적용의 경우에 관하여, 도 3 및 도 4를 참조하여 제시된다. 두 개의 브랜치들은 서로 병렬로 연결되며, 상기 두 개의 브랜치들 각각은 직렬로 배열된 세 개의 저장 소자들을 포함한다. 상기 제1 브랜치는 적어도 저장 소자들 E_1,1, E_2,1 및 E_3,1 그리고 노드들 N_1,1, N_2,1, N_3,1 및 N_4,1을 포함한다. 상기 제2 브랜치는 적어도 세 개의 저장 소자들 E_1,2, E_2,2, E_3,2 및 상기 노드들 N_1,2, N_2,2, N_3,2 및 N_4,2을 포함한다. 상기 N의 값은 3과 동일하다. 상기 밸런싱 장치는 다음을 포함한다 :

- 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결할 수 있는, N+1 개의, 즉 4 개의 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 C_p1, C_p2, C_p3 및 C_p4; 이 때 각각의 스위칭 소자 C_p1, C_p2, C_p3 및 C_p4는 주어진 스테이지의 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 동일한 스테이지의 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

- 상기 제2 유형의 N 개의, 즉 3 개의 제1 절반 스위칭 소자들 C_d1,1, C_d2,1, C_d3,1 ; 이 때, 각각의 스위칭 소자 C_d1,1, C_d2,1, C_d3,1는 주어진 스테이지의 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 바로 인근에 있는 더 낮은 스테이지의 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

- 상기 제2 유형의 N 개의, 즉 3 개의 제2 절반 스위칭 소자들 C_d1,2, C_d2,2, C_d3,2; 이 때, 각각의 스위칭 소자 C_d1,2, C_d2,2, C_d3,2는 주어진 스테이지의 상기 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 바로 인근에 있는 더 높은 스테이지의 상기 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

도 3에서, 상기 저장 소자 E_1,1는 상기 제1 브랜치의 세 개의 저장 소자들 중에서 사전에 선택되었으며, 상기 저장 소자들 E_1,2 및 E_2,2은 상기 제2 브랜치의 세 개의 저장 소자들 중에서 사전에 선택되었다. 그런 다음, 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 C_p1, C_p2, C_p3 및 C_p4, 그리고 상기 제2 유형의 스위칭 소자들 C_d1,1, C_d2,1, C_d3,1 및 C_d1,2, C_d2,2, C_d3,2의 제어 단계 동안, 오직 상기 제1 유형의 스위칭 소자 C_p1 및 상기 제2 유형의 스위칭 소자 C_d2,2 만이 폐쇄 상태가 되도록 제어되며, 이 때, 다른 모든 스위칭 소자들은 개방 상태로 남겨져서, 상기 제1 브랜치의 상기 선택된 저장 소자 E_1,1 및 상기 제2 브랜치의 상기 선택된 저장 소자들 E_1,2 및 E_2,2을, 특히 직접 병렬 어셈블리(direct assembly in parallel)로, 서로 전기적으로 병렬 연결한다.

도 4에서, 상기 저장 소자들 E_1,1 및 E_2,1 은 상기 제1 브랜치의 세 개의 저장 소자들 중에서 사전에 선택되었으며, 상기 세 개의 저장 소자들 E_1,2, E_2,2 및 E_3,2은 상기 제2 브랜치의 세 개의 저장 소자들 중에서 사전에 선택되었다. 그런 다음, 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 C_p1, C_p2, C_p3 및 C_p4, 그리고 상기 제2 유형의 스위칭 소자들 C_d1,1, C_d2,1, C_d3,1 및 C_d1,2, C_d2,2, C_d3,2의 제어 단계 동안, 오직 상기 제1 유형의 스위칭 소자 C_p1 및 상기 제2 유형의 스위칭 소자 C_d3,2 만이 폐쇄 상태가 되도록 제어되며, 이 때, 다른 모든 스위칭 소자들은 개방 상태로 남겨져서, 상기 제1 브랜치의 상기 선택된 저장 소자들 E_1,1 및 E_2,1 , 그리고 상기 제2 브랜치의 상기 선택된 저장 소자들 E_1,2, E_2,2 및 E_3,2 을, 특히 직접 병렬 어셈블리로, 서로 전기적으로 병렬 연결한다.

상기 제어 단계 후에, 설계에 있어서 고유한 전기화학 셀에 의해 각각 형성된 적어도 두 개의 저장 소자들에 평행한 어셈블리는 동일한 전기 전압이 수반되며, 이는 전기적 밸런싱 전류의 순환을 발생시킨다. 이에 따라, 상기 밸런싱 전류는 최소-충전된 셀을 점진적으로 충전시킬 것이며, 상기 셀의 충전 상태가 상승함에 따라, 상기 밸런싱 전류는 점차적으로 감소할 것이다.

상기 관리 방법을 수행하기 위해, 상기 관리 장치는 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 C_pk, 그리고 상기 제2 유형의 스위칭 소자들 C_dk,1 및 C_dk,2을 개별적으로 제어하는 작동 명령들(actuation commands)을 생성하는 제어 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함한다. 이 때, 이 문서에 설명된 관리 방법을 수행하기 위해, 이러한 명령들은 상이한 브랜치들에 속하는 (주어진 기준에 기초하여 상기 제어 유닛에 의해 사전에 선택된) 저장 소자들을, 특히 병렬 어셈블리로, 연결하도록 선택되며, 이로써, 상기 선택된 저장 소자들의 충전 상태들을 밸런싱하는 단계를 제공할 수 있다. 따라서 상기 브랜치들 간의 다수의 연결들의 배열, 그리고 상기 다수의 스위칭 소자들 C_pk, C_dk,1 및 C_dk,2의 배열 덕분에, 상기 밸런싱 작업에 의해 구현되는 저장 소자들은 상기 배터리에 의해 포함되는 모든 저장 소자들 중에서 선택될 수 있다.

상기 제어 단계 동안, 바람직하게는, 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 C_pk, 그리고 상기 제2 유형의 스위칭 소자들 C_dk,1 및 C_dk,2 , 또는 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 C_pk 중 단지 일부 그리고 상기 제2 유형의 스위칭 소자들 C_dk,1 및 C_dk,2 중 단지 일부는 상태가 변한다. 실제로, 도 3에서, 오직 상기 제1 유형의 스위칭 소자 C_p1 및 상기 제2 유형의 스위칭 소자 C_d2,2만이 개방 상태에서 폐쇄 상태로 상태가 변하며, 다른 모든 스위칭 소자들은 개방 상태를 유지한다. 이와 유사하게, 도 4에서, 오직 상기 제1 유형의 스위칭 소자 C_p1 및 상기 제2 유형의 스위칭 소자 C_d3,2 만이 개방 상태에서 폐쇄 상태로 상태가 변하며, 다른 모든 스위칭 소자들은 개방 상태를 유지한다.

상기 배터리가 연결되어 있을 때, 그리고 상기 배터리의 방전 단계 동안의 관리 전략의 구현에 관하여, 바람직하게는, 상기 선택 단계는 단자 전압이 미리 정해진 임계값 차이로 다른 저장 소자들의 전압 보다 더 낮은 상기 배터리의 적어도 하나의 저장 소자를 결정하는 단계를 포함하며, 이 때, 상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들은 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함한다. 상기 저장 소자의 화학적 특성 및 전류의 세기에 따라, 이러한 미리 정해진 임계값은 변할 수 있다. 그러나 이는 예를 들어 대략 10 mV이다.

이와 대조적으로, 상기 배터리가 연결되어 있을 때, 그리고 상기 배터리의 충전 단계 동안의 관리 전략의 구현에 관하여, 바람직하게는, 상기 선택 단계는 단자 전압이 미리 정해진 임계값 차이로 다른 저장 소자들의 전압 보다 더 높은 상기 배터리의 적어도 하나의 저장 소자를 식별하는 단계를 포함하며, 이 때, 상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들은 상기 식별 단계에서 식별된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함한다. 상기 저장 소자의 화학적 특성 및 전류의 세기에 따라, 이러한 미리 정해진 임계값은 변할 수 있다. 그러나 이는 예를 들어 대략 10 mV이다.

따라서 상기 배터리의 방전 단계 동안 최저 전압을 갖는 저장 소자들을 충전하는 것을 우선적으로 처리하는 것과, 그리고 상기 배터리의 충전 동안 최고 전압을 갖는 저장 소자들을 방전하는 것을 우선적으로 처리하는 것이 바람직하다. 상기 선택 단계 동안의 상기 저장 소자들의 선택은 이러한 우선순위들을 고려한다.

바람직하게는, 상기 제1 브랜치 중에서 상기 선택 단계 동안 선택된 스테이지들의 개수 및 상기 선택 단계 동안 선택된 스테이지들의 선택, 그리고 상기 제2 브랜치 중에서 상기 선택 단계 동안 선택된 스테이지들의 개수 및 상기 선택 단계 동안 선택된 스테이지들의 선택은, 다음을 고려한 선택 기준에 기초하여, 즉 다음을 고려한 선택 기준에 따라 선택된다 :

- 상기 제어 단계 후에 전기적으로 병렬 연결된 저장 소자들 E_i,j 의 단자 전압의 추구되는 동적 밸런싱; 및/또는

- 특히 상기 밸런싱 전류에 대응하는, 상기 저장 소자들에서 순환하는 전류 세기의 최댓값.

특히 이는, 상기 선택 단계 동안, 상기 제1 브랜치 중에서 선택된 저장 소자들 E_i,j 의 개수 및 상기 제2 브랜치 중에서 선택된 상기 저장 소자들 E_i,j 의 개수가 서로 다르도록 구현되어, 상기 제어 단계가 상기 제1 브랜치로부터의, 그리고 상기 제2 브랜치로부터의 상이한 개수의 스테이지들을 전기적으로 브릿징하게할 수 있다. 예를 들어, 도 3에서, 오직 상기 제1 브랜치의 스테이지 1의 저장 소자만이 상기 선택 단계에서 선택되는 반면, 상기 제2 브랜치의 스테이지 1 및 스테이지 2의 두 개의 저장 소자들이 선택 단계에서 선택되어, 상기 제어 단계는 상기 제1 브랜치의 스테이지 1을, 상기 제2 브랜치의 두 개의 스테이지들(스테이지 1, 스테이지 2)과 전기적으로 브릿징한다. 예를 들어, 도 4에서, 오직 상기 제1 브랜치의 스테이지 1 및 스테이지 2의 두 개의 저장 소자들만이 상기 선택 단계에서 선택되는 반면, 상기 제2 브랜치의 스테이지 1, 스테이지 2 및 스테이지 3의 세 개의 저장 소나들이 선택 단계에서 선택되어, 상기 제어 단계는 상기 제1 브랜치의 두 개의 스테이지들(스테이지 1 및 스테이지 2)를, 상기 제2 브랜치의 세 개의 스테이지들(스테이지 1, 스테이지 2 및 스에티지 3)과 전기적으로 브릿징한다. 그러나 이러한 설비들은 배타적이지않으며, 또한 제한적이지도 않고, 그리고 몇몇 조건들에서, 상기 제어 단계가 상기 제1 브랜치로부터 그리고 상기 제2 브랜치로부터 동일한 개수의 스테이지들을 전기적으로 연결하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 상기 선택 단계는 다음을 포함한다 :

- 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하지 않는 브랜치로부터, 상기 결정 단계에서 결정된 저장 소자들의 개수 보다 더 많은 그리고 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 충전 상태보다 더 큰 충전 상태들을 갖는 많은 저장 소자들 E_i,j 을 식별하는 단계; 그 다음

- 상기 스위칭 소자들의 제어 단계를 구현한 후, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자에서 순환하는 전기 밸런싱 전류를 추정하는 단계.

바람직하게는, 상기 선택 단계는 상기 스위칭 소자들의 제어 단계를 구현한 후, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 전기적 재충전을 위해 필요한 시간 기간을 추정하는 단계를 포함한다.

특히, 상기 선택 단계는, 특히 상기 밸런싱 장치의 컴포넌트들의 저항들에 대한 정보에 기초하여, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 전기적 재충전을 위해 필요한 전위차를 추정하는 단계를 포함할 수 있다. 그런 다음, 바람직하게는, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하지 않는 브랜치로부터 상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들의 개수 및 스테이지들은, 상기 전위차에 기초하여, 그리고 상기 스위칭 소자들의 제어 단계를 구현한 후 상기 전기 밸런싱 전류를 생성할 수 있게 하는 방식으로, 선택된다.

실제로, 상기 밸런싱 전류들을 특정 치수로 만들 수 있게 하는 요점은 상기 제어 단계 이후 상기 저장 소자들의 브릿징을 보장하는 상기 스위칭 소자들의 폐쇄 동안 형성되는 메시들의 등가 저항이다. 상기 컴포넌트들의 신중한 선택, 그리고 특히 상기 스위칭 소자들의 신중한 선택은 원하는 등가 저항을 획득할 수 있게 하며, 그 결과, 원하는 최대 밸런싱 전류를 획득할 수 있게 한다. 따라서 상기 컴포넌트들 및 파워 스트립들의 치수화(dimensioning)는 이러한 최대 밸런싱 전류에 따라 구현될 것이다.

이러한 동작 변형예는 단일의 저장 소자에 결함이 있는 경우에 특히 유익할 수 있다. 이러한 결함 있는 저장 소자는, 상기 배터리의 방전 동안 제한 객체(limiting object)를 구성하지 않도록 충전되기 위해, 상당한 밸런싱 전류를 필요로 한다.

이러한 원리들은 도 3의 예에 적용하여 상세히 설명될 것이다 :

제1 단계에서, 상기 제1 브랜치의 상기 결함이 있는 저장 소자(이 예에서, 상기 저장 소자 E_1,1)는 다른 저장 소자들의 전압 보다 훨씬 낮은 전압 측정에 기초하거나, 또는 상기 저장 소자의 감소된 용량 또는 충전 상태의 추정에 기초하여 식별된다.

그 다음, 제2 단계에서, 상기 제어 유닛은 상황이 상기 제2 브랜치의 두 개의 저장 소자들(이 예에서, 상기 저장 소자들 E_1,2 및 E_2,2)을, 상기 제1 브랜치의 단일 소자 E_1,1 로 브릿징하기에 적합한지 여부를 식별한다.

상기 저장 소자들 E_1,2 및 E_2,2이 상기 저장 소자 E_1,1의 충전 상태보다 더 큰 충전 상태를 갖는다면, 상기 제2 브랜치의 두 개의 저장 소자들의 상기 제1 브랜치의 저장 소자 E_1,1로의 브릿징을 제공할 수 있다. 상기 배터리의 저장 소자들의 충전 상태들 및 상기 저장 소자들의 사용을 위한 제한 전압들에 기초하여, 재충전을 위해 필요한 기간 및 전류가 추정된다.

그런 다음, 상기 컴포넌트들의 저항에 대한 정보에 기초하여, 상기 제어 유닛은 상기 결함이 있는 저장 소자 E_1,1의 재충전을 위해 필요한 전위차를 추정한다. 이에 따라, 이러한 전위차는 상기 밸런싱 전류를 생성하기 위해 사용될, 그리고 가장 적합한 스테이지들의 개수에 관한 정보를 제공한다.

바람직하게는, 그리고 도 5에 도시되어 있는 두 개의 스테이지들을 갖는 배터리에의 적용, 그리고 관련 관리 장치에의 적용과 함께 도 6 내지 도 8을 참조하여, 상기 방법은 또한 다음을 포함할 수 있다 :

- 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들이 서로 전기적으로 병렬 연결되도록, 제1 기간 동안 오직 상기 제1 유형의 모든 스위칭 소자들 C_pk만을 제어하는 단계. 이 단계는 상기 배터리의 각각의 스테이지에 대해 적용된다; 및/또는

- 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 각가이, 인근에 있는 더 낮은 스테이지에 있는 상기 제2 브랜치의 저장 소자에 전기적으로 병렬 연결되도록, 제2 기간동안 오직 상기 제2 유형의 상기 제1 절반 스위칭 소자들 C_dk,1 만을 제어하는 단계; 및/또는

- 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 각각이, 인근에 있는 더 높은 스테이지에 있는 상기 제2 브랜치의 저장 소자에 전기적으로 병렬 연결되도록, 제3 기간동안 오직 상기 제2 유형의 상기 제2 절반 스위칭 소자들 C_dk,2 만을 제어하는 단계.

두 개의 브랜치들은 서로 병렬 연결되어 있으며, 각각 직렬로 배열된 적어도 두 개의 저장 소자들을 포함한다. 제1 브랜치는 적어도 저장 소자들 E_1,1 및 E_2,1, 그리고 노드들 N_1,1, N_2,1 및 N_3,1을 포함한다. 상기 제2 브랜치는 적어도 두 개의 저장 소자들 E_1,2 및 E_2,2 그리고 노드들 N_1,2, N_2,2, N_3,2을 포함한다. N의 값은 2이다. 상기 밸런싱 장치는 다음을 포함한다 :

- 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결할 수 있는, N+1 개의, 즉 3 개의 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 C_p1, C_p2 및 C_p3; 이 때 각각의 스위칭 소자 C_p1, C_p2 및 C_p3는 주어진 스테이지의 상기 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 동일한 스테이지의 상기 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

- 상기 제2 유형의 N 개의, 즉 2 개의 제1 절반 스위칭 소자들 C_d1,1, C_d2,1 ; 이 때, 각각의 스위칭 소자 C_d1,1, C_d2,1는 주어진 스테이지의 상기 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 바로 인근에 있는 더 낮은 스테이지의 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

- 상기 제2 유형의 N 개의, 즉 2 개의 제2 절반 스위칭 소자들 C_d1,2, C_d2,2 ; 이 때, 각각의 스위칭 소자 C_d1,2, C_d2,2는 주어진 스테이지의 상기 제1 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자를, 바로 인근에 있는 더 높은 스테이지의 상기 제2 브랜치의 저장 소자의 양(또는 상응하게는, 음)의 단자에 연결하는 전기적 연결부에 배치된다.

도 6에서, 제1 기간 동안, 오직 상기 제1 유형의 모든 스위칭 소자들 C_p1, C_p2 및 C_p3만이 제어되어(상기 제2 유형의 모든 스위칭 소자들은 개방 상태를 유지한다), 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들은 서로 전기적으로 병렬 연결되며, 이는 상기 배터리의 각각의 스테이지에 대해 적용된다. 상기 C_p1, C_p2의 공동 폐쇄는, 상기 제1 기간 동안, 동일한 스테이지 1에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 상기 두 개의 저장 소자들 E_1,1 , E_1,2 이 서로 전기적으로 병렬 연결될 수 있게 만든다. 상기 C_p2, C_p3의 공동 폐쇄는, 상기 제1 기간 동안, 동일한 스테이지 2에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 상기 두 개의 저장 소자들 E_2,1 , E_2,2 이 서로 전기적으로 병렬 연결될 수 있게 만든다. 명확히 하기 위해, 개방 상태에 있는 스위칭 소자들은 도시되지 않았다. 이러한 작동 모드에서, 상기 배터리의 전류는 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 모두를 통과한다. 에너지 이동은 스테이지들 내에서 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 간에 발생한다.

도 7에서, 상기 제2 기간 동안 오직 상기 제2 유형의 제1 절반 스위칭 소자들 C_d1,1, C_d2,1 만이 제어되며, 이로써, 상기 제1 브랜치의 스테이지 2의 저장 소자 E_2,1 는 상기 제2 브랜치의 스테이지 1의 저장 소자 E_1,2 에, 즉 인근에 있는 더 낮은 스테이지의 저장 소자 E_1,2에, 전기적으로 병렬 연결된다. 이는 상기 배터리의 모든 다른 스테이지들에 대해 동일하다.

도 8에서, 상기 제3 기간 동안 오직 상기 제2 유형의 제2 절반 스위칭 소자들 C_d1,2, C_d2,2 만이 제어되며, 이로써, 상기 제1 브랜치의 스테이지 1의 저장 소자 E_1,1 는 상기 제2 브랜치의 스테이지 2의 저장 소자 E_2,2 에, 즉 인근에 있는 더 높은 스테이지의 저장 소자 E_2,2에, 전기적으로 병렬 연결된다. 이는 상기 배터리의 모든 다른 스테이지들에 대해 동일하다. 명확히 하기 위해, 개방 상태에 있는 스위칭 소자들은 도시되지 않았다. 이러한 작동 모드에서, 상기 배터리의 전류는 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 모두를 통과한다. 에너지 이동은 스테이지 1 및 스테이지 2 사이에서 발생한다.

도 5에서, 상기 제1 유형의 모든 스위칭 소자들 및 상기 제2 유형의 모든 스위칭 소자들은 개방 상태에 있다. 이러한 구성에서, 상기 배터리의 전류는 상기 제1 브랜치를 통과하지만, 상기 제2 브랜치는 통과하지 않는다. 상기 스테이지들 간의 에너지 이동은 없다. 작동 모드에서, 상기 배터리의 전류는 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 모두를 통과한다. 에너지 이동은 스테이지 1 및 스테이지 2 사이에서 발생한다.

이에 따라, 이 문서에서, 임시 에너지 저장소로서 상기 배터리의 특정 저장 소자들을 사용하는 것, 그리고 상기 저장 소자들 사이에서 에너지를 이동시키도록 밸런싱 장치를 제어하는 것이 제안된다. 따라서 에너지 변환 체인들은 그것들의 가장 간단한 표현으로 감소되며, 이는 에너지 전달을 위한 중간 전기 에너지 저장 컴포넌트의 추가를 회피한다. 상기 관리 방법은 '연결'모드에서, 즉 상기 배터리가 충전 중일 때 그리고/또는 방전중일 때, 수행될 수 있다. 상기 스위칭 소자들 C_pk, C_dk,1 및 C_dk,2 을 제어하기 위한 수단은, 특히 도 6 내지 도 8의 제어들의 연이은 반복에 의해, 하나의 스테이지에서 나머지 스테이지들 중 임의의 다른 스테이지로 에너지를 이동시키도록 상기 스위칭 소자들을 제어하도록 구성된다.

도 6 내지 도 8에 따른 두 개의 연이은 동작 모드들 사이에서, 도 6 내지 도 8 중 하나에 따른 새로운 동작 모드에 진입하기 전에 상기 제1 유형의 모든 스위칭 소자들 및 상기 제2 유형의 모든 스위칭 소자들이 적절히 개방되어 있음을 보장하기 위해, 모든 스위칭 소자들이 개방되어 있는 도 5에 따른 작동 모드를 거치는 것이 유리할 수 있다.

시뮬레이션들은 심지어 상기 저장 소자들의 용량들의 분포(distribution) 경우에서조차 초기 충전 상태들이 불균형인 경우, 상기 관리 전략이, 상기 배터리의 방전 전류 없이, 충전 상태의 관점에서 균형 상태로 복귀시킬 수 있음을 보여주었다.

또한 시뮬레이션들은, 상기 저장 소자들의 용량들의 분포에도 불구하고, 상기 배터리의 방전 전류가 순환하고 있는 경우에서조차, 상기 관리 전략이 충전 상태의 관점에서 균형 상태로 되돌릴 수 있음을 보여주었다 : 도 5 내지 도 8에 따른 동작 모드들의 교대(alternation)는 충전 상태의 관점에서 밸런싱된 상태로 되돌릴 수 있다.

특정한, 그러나 배타적이지 않은 용도는 차량의 전력 체인을 공급하는 전기 에너지 축전지 및/또는 차량에 탑재된 보조 전기 유닛들을 제어하기 위해, 자동차에 탑재된 이러한 유형의 관리 장치를 조정하는 것이다. 그러나 본 발명은, 예를 들어 랩탑 배터리들 같이, 일련의 적어도 두 개의 전기 화학 셀들로 형성된 임의의 배터리 시스템에 적용될 수 있으며, 또는 슈퍼 커패시터들의 밸런싱에 적용될 수도 있다.

Claims (11)

1. 전기적으로 병렬 연결된 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 적어도 포함하는 전기 에너지 축전지를 관리하는 방법으로서,
   상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 각각은 전기적으로 직렬 연결된 N 개의 저장 소자들(E_i,j)을 구비하며,
   상기 방법은 :
   - 상기 배터리의 상기 저장 소자들의 단자 전압들을 밸런싱하기 위한 비-소모적 밸런싱 장치를 제공하는 단계로서,
   상기 장치는 :
   동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 제1 유형의 N+1 개의 스위칭 소자들(C_pk)을 포함하며; 그리고
   인접한 스테이지들에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 제2 유형의 2N 개의 스위칭 소자들(C_dk,1, C_dk,2)을 포함하는 것인, 제공 단계;
   - 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수보다 작은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것; 및 상기 배터리의 스테이지들의 총 개수보다 적은 개수의 스테이지들에 대응하는 상기 제2 브랜치의 저장 소자들 중 오직 일부만을 선택하는 것으로 구성된 선택 단계; 및
   - 상기 제1 브랜치의 선택된 저장 소자들 및 상기 제2 브랜치의 선택된 저장 소자들을 서로 전기적으로 병렬 연결시키도록 상기 스위칭 소자들을 제어하는 단계;를 포함하는, 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어 단계 동안, 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 중 오직 일부, 그리고 상기 제2 유형의 스위칭 소자들 중 오직 일부만이 상태가 변하는 것을 특징으로 하는, 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 배터리의 방전 단계 동안, 상기 선택 단계는 : 단자 전압이 나머지 저장 소자들의 전압 보다 미리 정해진 임계값 만큼 더 낮은 상기 배터리의 적어도 하나의 저장 소자를 결정하는 단계를 포함하며,
   상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들은 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 배터리의 충전 단계 동안, 상기 선택 단계는 단자 전압이 나머지 저장 소자들의 전압 보다 미리 정해진 임계값 만큼 더 높은 상기 배터리의 적어도 하나의 저장 소자를 식별하는 단계를 포함하며,
   상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들은 상기 식별 단계에서 식별된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 브랜치 중에서 선택된 스테이지들의 개수 및 스테이지들의 선정, 그리고 상기 제2 브랜치 중에서 선택된 스테이지들의 개수 및 스테이지들의 선정은 :
   - 상기 제어 단계 후에 전기적으로 병렬 연결된 저장 소자들의 단자 전압의 추구되는 동적 밸런싱; 및/또는
   - 상기 저장 소자들에서 순환하는 전류 세기의 최대값;을 고려하는 선택 기준에 종속하는 것을 특징으로 하는, 방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어 단계가 상기 제1 브랜치로부터의, 그리고 상기 제2 브랜치로부터의 상이한 개수의 스테이지들을 전기적으로 연결하도록, 상기 선택 단계 동안, 상기 제1 브랜치 중에서 선택된 저장 소자들의 개수 및 상기 제2 브랜치 중에서 선택된 상기 저장 소자들의 개수는 서로 다른 것을 특징으로 하는, 방법.
7. 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,
   상기 선택 단계는 :
   상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하지 않는 브랜치로부터, 상기 결정 단계에서 결정된 저장 소자들의 개수 보다 더 많은 그리고 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 충전 상태보다 더 큰 충전 상태들을 갖는 다수의 저장 소자들을 식별하는 단계; 그리고, 그 후에
   상기 제어 단계의 구현 후, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자에서 순환하는 전기 밸런싱 전류를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 선택 단계는 상기 제어 단계의 구현 후, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 전기적 재충전을 위해 필요한 시간 기간을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
   상기 선택 단계는 :
   특히 상기 밸런싱 장치의 컴포넌트들의 저항들에 대한 정보에 기초하여, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자의 전기적 재충전을 위해 필요한 전위차를 추정하는 단계를 포함하며,
   상기 결정 단계에서 결정된 상기 적어도 하나의 저장 소자를 포함하지 않는 브랜치로부터 상기 선택 단계에서 선택된 저장 소자들의 개수 및 스테이지들은, 상기 전위차에 기초하여, 그리고 상기 제어 단계의 구현 후 상기 전기 밸런싱 전류를 생성할 수 있게 하는 방식으로, 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 :
    - 상기 배터리의 각각의 스테이지에 대하여, 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들이 서로 전기적으로 병렬 연결되도록, 제1 기간 동안 오직 상기 제1 유형의 모든 스위칭 소자들(C_pk)만을 제어하는 단계; 및/또는
    - 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 각각이, 인접한 더 낮은 스테이지에 있는 상기 제2 브랜치의 저장 소자에 전기적으로 병렬 연결되도록, 제2 기간동안 오직 상기 제2 유형의 상기 제1 절반 스위칭 소자들(C_dk,1)만을 제어하는 단계; 및/또는
    - 상기 제1 브랜치의 저장 소자들 각각이, 인접한 더 높은 스테이지에 있는 상기 제2 브랜치의 저장 소자에 전기적으로 병렬 연결되도록, 제3 기간동안 오직 상기 제2 유형의 상기 제2 절반 스위칭 소자들( C_dk,2 )만을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
11. 전기적으로 병렬 연결된 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하는 전기 에너지 축전지를 관리하는 장치로서,
    상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 각각은 전기적으로 직렬 연결된 N 개의 저장 소자들(E_i,j)을 구비하며,
    상기 장치는 :
    - 상기 배터리의 상기 저장 소자들의 단자 전압들을 밸런싱하기 위한 비-소모적 밸런싱 장치;
    - 동일한 스테이지에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결할 수 있는, N+1 개의 제1 유형의 스위칭 소자들(C_p,k);
    - 인접한 스테이지들에서 각각 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치에 속하는 두 개의 저장 소자들을 전기적으로 병렬 연결시킬 수 있는 2N 개의 제2 유형의 스위칭 소자들(C_dk,1, C_dk,2); 및
    - 청구항 1 내지 청구항 10항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위해, 상기 제1 유형의 스위칭 소자들 및 상기 제2 유형의 스위칭 소자들을 개별적으로 제어하는 제어 유닛을 포함하는, 장치.

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