KR20160107173A - 전기화학 에너지 축전지 및 밸런싱 방법 - Google Patents

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Abstract

전기화학 에너지 축전지(100), 및 적어도 하나의 UniBB-모듈을 이용해서 전기화학 축전지 모듈들(10)의 서로 병렬 접속된 다수의 라인(S1, S2, S3)의 밸런싱 방법에 제안된다. 이 경우 하기 단계들이 실시된다: 제 1 축전지 모듈(M1)의 제 1 충전 상태(I)를 검출하는 단계(S100), UniBB-모듈인 제 2 축전지 모듈(M2)의 제 2 충전 상태(II)를 검출하는 단계(S200), 및 제 1 충전 상태(I)와 제 2 충전 상태(II)를 서로 조정하기 위해, 제 2 축전지 모듈(M2)을 전류원으로서 작동시키는 단계(S300).

Description

전기화학 에너지 축전지 및 밸런싱 방법{ELECTROCHEMICAL ENERGY ACCUMULATOR AND BALANCING METHOD}
본 발명은 전기화학 에너지 축전지, 및 전기화학 에너지 축전지들의 전기화학 축전지 모듈의 서로 병렬 접속된 다수의 라인의 밸런싱 방법에 관한 것이다.
전기화학 에너지 축전지는, 하나의 모듈에 의해 제공될 수 없는 높은 필요 전류를 여러 용도를 위해 제공할 수 있도록, 개별 모듈들로 이루어진다. 이러한 용도를 위해 모듈들은 병렬로 접속되어야 한다. 이는 또한 표준 모듈로는 불가능한데, 그 이유는 바람직하지 않은 작동 상태를 야기할 수 있는 보상 전류가 모듈들 사이로 흐를 수 있기 때문이다. 일반적으로 현재의 축전 셀의 모듈들은 리튬 기반 유체를 포함한다. 이러한 셀은 과충전 및 심방전에 대해 민감하다. 셀 또는 모듈당 약 4.2V보다 높은 과충전은 셀의 파손을 야기할 수 있는 발열 과정을 일으킨다. 셀 또는 모듈당 약 2.5V보다 낮은 심방전은 셀의 에너지 저장 및 전류 용량의 영구적인 저하를 야기한다. 셀들이 직렬 접속되면, 상기 셀들은 공통으로만 충전 및 방전된다. 다시 말해서 라인의 각각의 셀의 전하 변동은 동일하다. 셀 특성의 차이로 인해 셀의 충전 상태(state of charge; SOC)는 사용할수록 동일하지 않다. 이는 개별 셀들의 충전 시 과충전을 야기할 수 있는 한편, 다른 셀들은 완전히 충전될 수 없게 한다. 후자의 대안은, 다른 셀들이 완전히 방전되지 않더라도, 방전 시 개별 셀들이 심방전될 수 있는 위험을 야기한다. 이러한 이유로 축전 셀들의 상태가 영구적으로 모니터링되어 충전 또는 방전이 경우에 따라서 중단된다. "밸런싱"이라고도 하는 축전지 팩("전기화학 에너지 축전지")의 셀들 사이의 충전 보상은, 모든 셀들이 동일한 SOC를 갖는 것을 목표로 한다. 하나의 모듈 내의 셀들의 밸런싱을 위해, 이를 위해 설계된 집적 측정 및 밸런싱 회로가 제공된다.
또한 선행기술에 소위 UniBB-(Universal Buck-Boost; 범용 벅 부스트) 모듈이 개시되어 있고, 상기 UniBB-모듈은 전기화학 에너지 축전지(예를 들어 리튬 이온 또는 리튬 중합체 기반) 및 전기 회로를 포함하고, 상기 전기 회로에 의해 UniBB-모듈은 다양한 단자 특성을 구현할 수 있다. 예를 들어 UniBB-모듈은 전압원 및 전류원으로서 사용될 수 있다. UniBB-모듈 내의 전기 회로는 인덕터를 포함하는 "커플링 유닛"이라고도 할 수 있다. UniBB-모듈의 구조와 작동은 예를 들어 선행기술에 개시되어 있다.
CN 102496970호는 전기 작동식 이동 수단의 전기화학 에너지 축전지를 위한 밸런싱 시스템을 개시한다. 전기화학 에너지 축전지는 서로 병렬 연결된 2개의 축전지 라인을 포함한다. 각각의 축전지 라인은 개별 축전 셀을 포함한다. 저항 및 커패시터에 의해 축전지 라인의 SOC-값이 결정되고, 개별 셀의 에너지는 더 낮은 SOC를 갖는 다른 셀들로 시프트된다.
US 2011/025258호는 셀의 과충전 또는 심방전을 방지하면서 밸런싱이 이루어지는 전기화학 축전기 셀의 복합체를 개시한다. 상기 간행물은 셀들의 SOC를 모니터링하여 셀들을 그 SOC에 따라 방전 가능한 그리고 충전 가능한 셀들로 그룹화하는 제어유닛을 개시한다. 그룹 소속에 따라 셀들은 단독으로 또는 함께 충전된다.
US 2009/208824호는 서로 병렬 접속된 전기화학 축전 셀의 복합체를 개시한다. 셀들은 각각의 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 벅 부스트 컨트롤러로서 형성될 수 있다. 셀들이 상이한 충전 상태를 갖는 것이 검출되는 경우에, 개별 셀들로부터 인출되는 에너지가 변한다. 이로 인해, 다양한 셀들은 장기간 상이한 충전 상태를 갖는 것이 방지된다.
본 발명의 과제는 병렬 접속된 전기화학 축전지의 밸런싱을 개선하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 전기화학 에너지 축전지에 의해 그리고 적어도 하나의 UniBB-모듈을 이용한 전기화학 축전지 모듈들의 서로 병렬 접속된 다수의 라인의 밸런싱 방법에 의해 해결된다.
방법은 제 1 축전지 모듈의 제 1 충전 상태의 검출을 포함한다. 추가로 제 2 축전지 모듈의 충전 상태가 검출된다. 제 1 및 제 2 축전지 모듈은 상이한 라인에 배치된다. 제 2 축전지 모듈은 UniBB-모듈로서 형성되고, 제 1 충전 상태와 제 2 충전 상태를 서로 조정하기 위해 전류원으로서 작동된다. UniBB-모듈이 전류원으로서 작동됨으로써, 제 1 축전지 모듈과 제 2 축전지 모듈 사이에서 전하의 제어된 시프트가 이루어질 수 있고, 이때 심한 충전 상태 차이 및/또는 심한 단자 전압 차이로 인해 허용되지 않은 높은 보상 전류가 흐르지 않는다.
종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 제시한다.
바람직하게 제 1 축전지 모듈은 또한 UniBB-모듈이고, 전술한 밸런싱 동안 전압원으로서 작동된다. 특히 전기화학 에너지 축전지 내의 다른 축전지 모듈 전체도 UniBB-모듈로서 형성된다. 이러한 경우에 제 2 축전지 모듈을 제외하고 축전지 모듈 전체는 전압원으로서 작동된다. 이로 인해, 본 발명에 따른 밸런싱을 전류원으로서 각각의 축전지 모듈에 의해 제어하는 것이 가능하다.
바람직하게 제 2 충전 상태는 제 1 충전 상태보다 낮다. 다시 말해서 더 낮은 충전 상태를 갖는 축전지 모듈은 전류원으로서 접속된다. 전류원은 전류 흐름을 제어하고, 상기 전류 흐름에 의해 자신의 SOC는 높아진다. 대안으로서 제 1 충전 상태가 더 높을 수 있으므로, 제 1 축전지 모듈은 전류원으로서 접속되고, 자신의 SOC를 높인다. 물론 전류원 모드로 관련 축전지 모듈의 작동도 가능하므로, 전류원 모드인 축전지 모듈은 자신의 SOC를 낮춘다.
예를 들어 제 1 축전지 모듈은 "조절된", "비조절된", "벅" 또는 "부스트" 그룹으로부터 선택된 하나의 제 1 작동 모드로 작동될 수 있다. 따라서 다른 라인에 제 1 축전지 모듈로서 배치된 제 2 축전지 모듈은 동일한 그룹의 제 2 작동 모드로 작동되고, 이 경우 제 2 작동 모드는 바람직하게 제 1 작동 모드와 동일하지 않다. 이러한 상황은 허용되지 않은 작동 상태들 및 특히 밸런싱 시 증가한 에너지 소비 및 마모를 방지한다.
또한 바람직하게 제 1 축전지 모듈은 비조절되어 작동될 수 있고, 제 2 축전지 모듈은 부스트-전류원-작동 모드로 작동될 수 있다. 대안으로서 제 1 축전지 모듈은 벅-충전-모드로 작동될 수 있고, 제 2 축전지 모듈은 전류원 모드로 작동될 수 있다. 이러한 상황은 상이한 라인에 배치된 축전지 모듈들의 2개의 충전 상태의 바람직한 그리고 특히 바람직한 조합을 제공한다.
또한 바람직하게 전기화학 에너지 축전지 내의 다수의 축전지 모듈은 다른 전기화학 축전지 모듈을 포함한다. 상기 다른 축전지 모듈이 밸런싱에 관여되지 않은 라인에 속하는 경우에, 상기 축전지 모듈은 차단 모드로 바뀌고, 상기 축전지 모듈이 밸런싱에 관여하는 라인에 속하는 경우에, 바이패스 모드로 바뀐다. 차단 모드는 이 경우 전류 회로의 단속을 제공하는 한편, 바이패스 모드는 관련 축전지 모듈의 심한 단락에 해당하므로, 전류 흐름은 방해받지 않고 상기 축전지 모듈을 통과할 수 있다. 이러한 방식으로 밸런싱에 관여하는 라인들의 간단하고 효율적인 선택이 가능하다.
라인 당 하나의 축전지 모듈만이 포함된 경우에, 최고 충전 상태를 갖는 축전지 모듈은 전압원으로서 작동될 수 있으므로, 차단 모드로 바뀌지 않은 나머지 전기화학 축전지 모듈은 전류원 모드로 작동될 수 있다. 그러나 라인 당 하나 이상의 축전지 모듈이 포함된 경우(다시 말해서 전기화학 에너지 축전지 내에 직렬 접속된 축전지 모듈들이 제공된 경우), 최고 충전 상태를 갖는 축전지 모듈은 전류원 모드로 작동되고, 차단 모드 또는 바이패스 모드로 바뀌지 않은 나머지 전기화학 축전지 모듈은 전압원 모드로 작동될 수 있다. 이러한 방식으로 가능한 한 최소의 전기적 손실을 갖는 밸런싱이 구현될 수 있다.
또한 바람직하게 다수의 전기화학 축전지 모듈 내로 인가되는 충전 전류는 축전지 모듈의 각각의 충전 상태에 따라 제어된다. 충전 전류의 제어는 바람직하게 실질적으로 동일한 시점에 축전지 모듈의 미리 정해진, 특히 완전한 충전 상태가 달성되도록 이루어진다.
또한 바람직하게 전기화학 에너지 축전지 내의 전기화학 축전지 모듈들은, 미리 정해진 최고 전압에 도달한 즉시 차단 모드로 바뀐다. 이는 특히, 전기화학 축전지 모듈이 그 라인 내의 유일한 축전지 모듈인 경우에 이루어진다. 제 1 축전지 모듈이 미리 정해진 최고 전압에 도달하는 동안, 라인 내의 제 2 모듈이 충전되어야 하는 경우에, 나머지 축전지 모듈의 충전 과정을 여전히 가능하게 하기 위해, 완전히 충전된 전기화학 축전지 모듈은 바이패스 모드로 바뀔 수 있다. 하나의 관련 라인 내의 마지막 축전지 모듈이 최고 전압에 도달할 때에야, 축전지 모듈 중 적어도 하나의 축전지 모듈은, 나머지 라인들의 추가 밸런싱 과정 동안 불필요한 전기적 손실을 만들지 않기 위해, 차단 모드로 이행한다.
물론, 전기화학 에너지 축전지의 다수의 전기화학 축전지 모듈의 작동 시에도 밸런싱이 실행될 수 있다. 실질적으로 동일한 충전 상태를 갖기 위해, 라인들은 각각의 평균 충전 상태에 따라 공급될 전체 전류에 관여된다. 방전 전류의 라인별 제어는 본 발명에 따른 밸런싱의 특히 손실 감소된 변형예일 수 있는데, 그 이유는 밸런싱을 위해 전체 모듈이 에너지 흡수(충전 과정) 또는 에너지 방출(방전 과정)을 실행하고, 이 경우 밸런싱을 위해서만 전하가 시프트되지 않기 때문이다.
본 발명의 제 2 양상에 따라, 전기화학 축전지 모듈들의 서로 병렬 접속된 다수의 라인 및 전술한 본 발명의 양상에 따른 방법을 실시하기 위한 처리 유닛을 포함하는 전기화학 에너지 축전지가 제안된다. 이 경우 각각의 라인은 하나의 전기화학 축전지 모듈 또는 직렬 접속된 다수의 전기화학 축전지 모듈을 포함할 수 있다. 축전지 모듈들은 전술한 본 발명의 양상에 따라 전체적으로 UniBB-모듈로서 형성될 수 있고, 상기 모듈의 작동 방식은 상위 처리 유닛에 의해 제어되거나 또는 조정된다. 대안 실시예에서 처리 유닛이 하나의 전기화학 축전지 모듈에 포함되고, 상기 처리 유닛이 처음에 언급된 본 발명의 양상에 따른 방법을 실시하고 또는 조정함으로써, 상기 전기화학 축전지 모듈은 (일시적으로) 마스터-기능을 담당한다. 기본적으로 각각의 축전지 모듈은 하나의 처리 유닛을 포함할 수 있고, 이로 인해 상기 축전지 모듈은 전술한 마스터 기능을 담당하도록 설계된다. 본 발명에 따른 전기화학 에너지 축전지의 작동은 처음에 언급된 본 발명의 양상의 작동에 상응하게 제공되므로, 특징들, 특징들의 조합들 및 장점들의 설명을 위해 반복을 피하기 위해 상기 내용들이 참조된다.
이하에서, 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따라 이용 가능한 UniBB-모듈의 실시예를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명에 따라 이용 가능한 UniBB-모듈의 대안적 실시예를 도시한 회로도.
도 3은 3개의 전기화학 축전지 모듈의 동시 작동에 관한 개략적인 회로도.
도 4는 병렬 접속된 전기화학 축전지 모듈의 방전에 관한 개략적인 회로도.
도 5는 병렬 접속된 전기화학 축전지 모듈의 밸런싱에 관한 개략적인 회로도.
도 6은 다른 작동 상태에서 병렬 접속된 전기화학 축전지 모듈의 밸런싱에 관한 개략적인 회로도.
도 7은 전기화학 축전지 모듈의 병렬 라인들의 작동에 관한 개략적인 회로도.
도 8은 제 1 작동 상태에서 전기화학 축전지 모듈의 병렬 접속된 라인들의 밸런싱에 관한 개략적인 회로도.
도 9는 제 2 작동 상태에서 전기화학 축전지 모듈의 병렬 접속된 라인들의 밸런싱에 관한 개략적인 회로도.
도 10은 제 3 작동 상태에서 전기화학 축전지 모듈의 병렬 접속된 라인의 밸런싱에 관한 개략적인 회로도.
도 11은 본 발명에 따른 방법의 실시예의 단계들을 설명하는 흐름도.
도 1은 UniBB-모듈(10)의 실시예의 회로도를 도시한다. UniBB-모듈(10)은 제 1 접속부(11)와 제 2 접속부(12)를 통해 다른 UniBB-모듈(10)과 함께 연결되어 하나의 라인을 형성한다. 제 1 접속부(11)와 제 2 접속부(12) 사이에, 바람직하게 MOSFET 또는 IGBT로서 형성된 4개의 반도체 스위치(T1, T2, T3, T4)가 해당하는 프리휠링 다이오드(D1, D2, D3, D4)와 함께 배치된다. 반도체 스위치(T1 내지 T4)는 관련 프리휠링 다이오드(D1, D2, D3, D4)와 통합되어 전기 쌍극자(ZP1 내지 ZP4)를 형성한다. 이 경우 제 1 쌍극자(ZP1)의 제 1 접속부는 에너지 축전지(7)의 양극 접속부에 연결된다. 제 1 쌍극자(ZP1)의 제 2 접속부는 한편으로는 제 4 쌍극자(ZP4)의 제 1 접속부에 연결되고, 다른 한편으로는 인덕터(L)를 통해 제 2 쌍극자(ZP2)의 제 1 접속부 및 제 3 쌍극자(ZP3)의 제 2 접속부에 연결된다. 제 3 쌍극자(ZP3)의 제 1 접속부는 UniBB-모듈(10)의 제 1 접속부(11)에 연결된다. 제 1 접속부(11)에 또한 커패시터(C)의 제 1 접속부가 접속되고, 상기 커패시터의 제 2 접속부는 UniBB-모듈(10)의 제 2 접속부(12)에 연결된다. 제 2 쌍극자(ZP2) 또는 제 4 쌍극자(ZP4)의 제 2 접속부들은 한편으로는 UniBB-모듈(10)의 제 2 접속부(12)에 연결되고, 다른 한편으로는 전기 에너지 축전지(7)의 제 2 접속부에 연결된다. 에너지 축전지(7)는 모듈 전압(UM)을 공급한다. 도시된 UniBB-모듈(10)은 제 1 접속부(11)에서 양극(플러스극)을 갖고, 제 2 접속부(12)에서 음극(마이너스극)을 갖는다. 반도체 스위치(T1 내지 T4)의 제어를 위한 제어 라인은 명료함을 위해 도시되지 않는다. 전류 센서들에도 동일한 것이 적용된다. 전기 에너지 축전지(7)는 하나 이상의 전기화학 셀(1) 또는 다른 전기 에너지 축전지 유닛들로 이루어질 수 있고, 상기 전기 에너지 축전지 유닛들은 이러한 경우에 함께 모듈 전압(UM)을 제공한다. UniBB-모듈(10)은, 반도체 스위치(T1 내지 T4)가 어떻게 작동되는지에 따라, 다양한 작동 상태를 가질 수 있다. 특히 바이패스, 벅 또는 부스트 모드의 전압원, 벅 또는 부스트 모드의 전류원, 충전 회로 및 차단이 구현될 수 있다. 세부사항에 관해 선행기술이 참조된다.
도 2는 도 1에 도시된 UniBB-모듈(10)에 대한 대안적인 UniBB-모듈(10)의 회로도를 도시한다. 도 1에 도시된 배치와 달리 커패시터(C)와 트랜지스터(T4)(그러나 그것의 다이오드(D4)는 제외)는 생략된다. 또한 명료함을 위해 하나의 축전 셀(1)만 포함된다.
도 3은 병렬 접속된 축전지 모듈들(10)(개별적으로 M1, M2 및 Mn으로 표시됨)이 충전 장치(L)와 컨슈머(V) 사이에 배치된 구조(100)의 회로도를 도시한다. 충전 장치(L)는 충전 접촉기(SL)를 통해 그리고 컨슈머(V)는 컨슈머 접촉기(SV)를 통해 모듈(10)의 병렬 회로에 연결 가능하다. 화살표(P)에 의해, 다른 모듈(10)이 추가 접속될 수 있는 것이 도시된다. 모듈(10)의 음극 접속부는 전기 접지의 방향으로 그리고 양극 접속부는 공통의 버스 바(2)에 접속된다. 후속하는 도면들과 관련해서 다양한 접속 상태들이 더 정확하게 설명된다.
도 4는 충전 장치(L)가 개방된 충전 접촉기(SL)로 인해 작동에 영향을 미치지 않고 따라서 도시되지 않은 상태에 있는, 도 3에 도시된 회로(100)를 도시한다. 컨슈머(V)도 모듈(10)에 연결되지 않는데, 그 이유는 컨슈머 접촉기(SV)가 개방되어 있기 때문이다. 도시된 구조는 예를 들어, 전기 구동 가능한 차량이 충전 스테이션에 연결되지 않고 정지 상태인 경우를 설명한다. 모듈(Mn)이 완전한 충전 상태 SOC I를 갖는 한편, 모듈(M1)은 제 2 충전 상태 SOC II를 갖고, 상기 충전 상태는 충전 상태 I보다 낮다. 전류(IB)에 의해 모듈(M1, Mn) 사이의 밸런싱이 이루어진다. 이를 위해 모듈(M1)은 전압원으로서 작동될 수 있고 모듈(Mn)은 전류원으로서 작동될 수 있거나, 반대로도 작동될 수 있다. 2개의 상황에서 그룹 "조절된", "비조절된", "부스트", "벅"으로부터 선택된 작동 상태들의 다수의 조합이 가능하다. 예를 들어 전압원으로서 모듈(M1)과 전류원으로서 모듈(Mn)의 작동 시 모듈(M1)은 비조절된 상태일 수 있다. 그러한 경우에 모듈(Mn)은 부스트-전류원 모드로 작동해야 하는데, 그 이유는 상기 모듈의 전압은 모듈(M1)의 단자 전압보다 높아야 하기 때문이다. 대안으로서, 모듈(M1)은 벅-충전 모드로 작동하는 것이 가능하다(이 경우 인가된 전압은 모듈(Mn)의 단자 전압보다 작다). 이 경우 모듈(Mn)은 전류원 모드로 작동된다. 실제로 최소 손실을 발생시키는 방법이 사용된다. 변압기의 당업자는 해당하는 사상들에 대해 숙지하고 있기 때문에, 더 상세한 사상들에 대해 관련된 전문 서적들이 참조된다. 모듈(M2)은 밸런싱 방법에 관여되지 않은 라인(S0)을 형성한다. 상기 모듈은 차단 모드로 바뀌고, 상기 차단 모드에서 라인(S0)을 통한 전류 흐름은 이루어질 수 없다. 다시 말해서 라인(S0) 내의 접지와 버스 바(2) 사이의 전기 접속은 중단된다. 2개 이상의 모듈, 예를 들어 3개 이상의 모듈이 밸런싱 시 상호 작용해야 하는 경우, 최고 SOC를 갖는 모듈(예를 들어 모듈(Mn))이 전압원으로서 작동하고, 충전될 모듈(모듈(M1, M2))은 전류원 모드로 작동하는 것이 가정된다. 모듈 내에서 내부적 밸런싱은 일반적으로 저항성 방법에 의해 이루어진다. 즉, 높은 SOC를 갖는 셀(1)의 충전 상태는 저항성 부하에 의해 더 낮은 SOC를 갖는 셀(1)의 상태로 바뀐다. 차량이 정지 상태에 있거나 또는 컨슈머(V)가 컨슈머 접촉기(SV)에 의해 모듈(10)로부터 분리되는 즉시, 이러한 과정은 주기적으로 이루어진다. 이로써 모듈들이 전술한 밸런싱 방법에 관련되지 않은 경우에도, 모듈들(10)의 SOC는 시간에 따라 변동된다. 이러한 이유때문에 전술한 방식으로 모든 모듈(10)을 고려하여 반복적인 모듈-밸런싱이 필요하다.
도 5는 충전 동안 밸런싱의 작동 상태에서 도 3에 도시된 회로(100)를 도시한다. 도시된 예에서 모듈(M1)은 (더 높은 SOC I를 갖는) 모듈(Mn)보다 낮은 SOC II를 갖는다. 충전 장치(L)는 전압원으로서 작용하는데, 그 이유는 모듈들(10)의 충전 전류 조절은, 모듈(M1) 내로 충전 전류(I1)가 모듈(Mn) 내로 충전 전류(In)보다 약간 높도록 제어되기 때문이다. 충전 전류(I1, In)의 적절한 조절에 의해 2개의 모듈(10)은 동일한 시간에 완전히 충전된다. 이러한 원리는 모든 모듈(10)에 일반화될 수 있다. 더 낮은 SOC를 갖는 모듈들(10)은 더 높은 SOC를 갖는 모듈들보다 많이 충전된다. 축전 셀(1; 예를 들어 축전지)이 고전압에 도달한 모듈들은 차단 모드로 바뀐다. 경우에 따라 내부(저항성) 밸런싱이 시작되고, 상기 밸런싱의 종료 후에 모듈(10)은, SOC를 최대화하기 위해, 전체적으로 다시 충전 모드로 이행할 수 있다. 간단함을 위해 컨슈머 접촉기(SV)가 개방되고, 따라서 회로(100)는 순수한 충전 상태이다.
도 6은 방전 동안 밸런싱 방법에서 도 3에 도시된 회로(100)를 도시한다. 다시 말해서 충전 장치(L)는 충전 접촉기(SL)의 개방에 의해 모듈(10)로부터 분리되는 한편, 컨슈머(V)는 폐쇄된 컨슈머 접촉기(SV)에 의해 버스 바(2)를 통해 모듈(10)에 연결된다. 충전 상태(I, II)는 비교를 위해 도 4 및 도 5와 관련해서 논의된 상태들에 해당한다. 모든 모듈(10)이 동일한 SOC일 때, 모든 모듈(10)에서 방전 전류(I1, I2)가 동일한 것이 바람직하다. 그러나 SOC들이 상이한 경우에(다양한 충전 상태 I, II), 더 높은 SOC를 갖는 모듈(10)이 더 심하게 방전되고, 더 낮은 SOC를 갖는 모듈은 더 약하게 방전되는 것이 바람직하다. 이를 위해 도 6에서 I1은 In보다 작아야 한다. 모듈(10)은 어쨌든 전류원 모드이기 때문에, 이러한 조절은 간단하게 실시될 수 있다. 전류 세기를 위한 조절 변수는 모듈(10)의 각각의 SOC이다. 충전 장치(L)는 개방된 충전 접촉기(SL)에 의해 밸런싱에 관여되지 않으므로, 순수한 방전 과정이 나타난다.
도 7은 모듈(10)이 개별적으로 M1-1 내지 M3-n으로 표시되며 각각 직렬 접속된 다른 모듈에 의해 보완된 경우에 도 3에 도시된 회로(100)를 도시한다. 모듈(M1-x)은 제 1 라인(S1)을 형성한다. 모듈(M2-x)은 제 2 라인(S2)을 형성한다. 모듈(M3-x)은 제 3 라인(S3)을 형성한다. 실제로는 추가 병렬 라인들이 제공될 수 있다.
도 8은 정지 상태에서(충전 없이) 밸런싱 동안 도 7에 도시된 에너지 축전지(100)를 도시한다. 이는, 예를 들어 충전 접촉기(SL)와 컨슈머 접촉기(SV)가 개방됨으로써, 도시된 전기화학 에너지 축전지(100)에 의해 구동되는 기계(예를 들어 컨슈머(V)로서 차량 또는 승용차(PKW))가 충전 장치(L)의 관여 없이 작동되지 않는 상태이다. 가장 간단한 실시예에서 상이한 라인(S1, S3, S3) 내의 2개의 모듈(10)만이 서로 상호 작용한다. 도 8에서 예를 들어, 모듈(M1-2)이 (더 높은 SOC I를 갖는) 모듈(M2-n)보다 낮은 SOC II를 갖는 것이 가정된다. 먼저 라인 접촉기들(SS1, SS2)이 폐쇄되고, 해당되지 않은 모듈(M3-1 내지 M3-n)은 예를 들어 라인 접촉기(SS3)의 폐쇄에 의해 바이패스-모드로 바뀐다. SOC I, II를 보상하기 위해, 밸런싱 전류(IB)가 모듈(M2-n)으로부터 모듈(M1-2)의 방향으로 흘러야 한다. 이로써 모듈(M1-2)은 전압원으로서 그리고 모듈(M2-n)은 전류원으로서 접속될 수 있거나 반대로 접속될 수 있다. 두 경우에 그룹 "조절된", "비조절된", "벅", "부스트"로부터 선택된 작동 상태들의 다수의 조합이 가능하다. 예를 들어 모듈(M1-2)이 전압원으로서 작동 시 모듈(M1-2)은 비조절 상태일 수 있다. 그러한 경우에 모듈(M2-n)은 부스트-전류원 모드로 작동해야 하는데, 그 이유는 상기 모듈의 전압이 모듈(M1-2)의 단자 전압보다 높아야 하기 때문이다. 대안으로서, 모듈(M1-2)이 벅-충전 모드로 작동하는 것도 가능하고 (이 경우 인가되는 전압은 모듈(M1-2)의 축전 셀(1)의 전압보다 작다), 모듈(M2-n)은 전류원 모드로 작동한다. 실제로 최소 손실을 발생시키는 방법이 사용된다. 해당되지 않은 모듈들(10)은 바이패스-모드로 바뀌고, 상기 바이패스-모드에서 상기 모듈들은 방해 없이 각각의 라인을 통한 전류 흐름을 허용한다. 2개 이상의 모듈(10), 예를 들어 3개 (이상의) 모듈(10)이 상호 작용해야 하는 경우에, 최고 SOC를 갖는 모듈(10)은 전류원으로서 작동하는 한편, 충전될 모듈(10)은 전압원 모드로 작동하는 것이 가정된다. 더 높은 SOC를 갖는 모듈(10)은 더 낮은 SOC를 갖는 2개의 모듈(10)과 다른 라인에 위치해야 하고, 상기 2개의 모듈은 동일한 라인 S1, S2, S3에서 직렬로 배치되어야 한다. 충전 상태들과 관련해서 보상될 모듈들(10)이, 예를 들어 더 낮은 SOC II를 갖는 모듈(M1-2)과 더 높은 SOC I를 갖는 모듈(M1-n)이 동일한 라인(S1, S2, S3)에 위치하면, 해당 모듈들 사이의 직접적인 밸런싱은 불가능하다. 먼저 인접한 라인(S1, S2, S3) 내의 하나의 모듈(10)은 더 약한 모듈(M1-2), 예를 들어 모듈(M3-1)용 충전원으로 사용되어야 한다. 그리고 나서, 모듈(M3-1)은 더 강한 모듈(M1-n)에 의해 다시 충전될 수 있다. 이러한 중간 단계에 의해 동일한 라인(S1, S2, S3) 내의 2개의 임의의 모듈(10)도 그 충전 상태(SOC)와 관련해서 보상될 수 있다. 모듈(10) 내에서 내부적 밸런싱은 일반적으로 저항성 방법에 의해 이루어진다. 즉, 높은 SOC를 갖는 셀(1)의 충전 상태(SOC)는 저항성 부하에 의해 더 낮은 SOC를 갖는 셀(1)의 상태로 바뀔 수 있다. 차량이 정지 상태에 있거나 또는 컨슈머(V)가 충전 장치(L)와 마찬가지로 모듈(10)에 접속되지 않는 즉시, 이러한 과정은 주기적으로 이루어진다. 이로써, 모듈들이 전술한 밸런싱 방법에 관련되지 않는 경우에도, 모듈들(10)의 SOC는 시간에 따라 변동된다. 이러한 이유로 전술한 방식으로 모든 모듈(10)을 고려하여 반복적인 모듈-밸런싱이 필요하다.
도 9는 충전 과정 중에 밸런싱 동안 도 7과 관련해서 전술한 회로(100)를 도시한다. 예를 들어 모듈(M1-2)은 (더 높은 SOC I를 갖는) 모듈(M2-n)보다 낮은 SOC II를 갖는다. 충전 장치(L)는 전압원으로서 작용하고, 라인(S1, S2)의 충전 전류 조절은, 제 1 라인(S1) 내의 충전 전류(I1)가 제 2 라인(S2) 내의 충전 전류(I2)보다 약간 높도록 제어된다. 2개의 모듈(M1-2, M2-n)은 이러한 방식으로 동일한 시간 내에 완전히 충전되어야 한다. 더 낮은 SOC II를 갖는 라인(S1)은 더 높은 SOC I을 갖는 라인(S2)보다 많이 충전된다. 축전 셀(1; 예를 들어 축전지)이 최대 전압에 도달한 모듈들(10)은 바이패스-모드로 바뀐다. 상기 모드에서 전류(I3)는 방해받지 않고 모듈(M3-1 내지 M3-n)을 통과할 수 있다. 라인의 마지막 모듈(10)이 완전히 충전되면, 모든 모듈(10)은 차단 모드로 바뀌거나 해당하는 라인 접촉기들(SS1, SS2, SS3)이 개방된다.
도 10은 방전 과정 중에 밸런싱 동안 도 7에 제시된 회로(100)를 도시한다. 모든 라인(S1, S2, S3)의 SOC가 동일한 경우에, 모든 라인(S1, S2, S3)의 방전 전류들(I1, I2, I3)이 동일한 것이 바람직하다. 그러나 도 10에 도시된 바와 같이 SOC I, II가 상이한 경우에, 더 높은 평균 SOC I를 갖는 라인(S2)은 더 심하게 방전되고, 더 낮은 평균 SOC II를 갖는 라인(S1)은 더 약하게 방전되는 것이 바람직하다. 이 경우 도 10에서 I1 < I2일 것이다. 방전 과정 중에 라인들(S1, S2, S3)은 어쨌든 전류원 모드에 있기 때문에, 이러한 조절은 간단하게 실시될 수 있다. 조절 변수는 이 경우 라인들(S1, S2, S3)의 평균 SOC이다. 컨슈머(V)의 전력 요구가 이를 허용하는 경우에, 약한 모듈(M1-2)은 일시적으로 완전하게 바이패스-모드로 바뀔 수 있다. 동일한 라인(S1)에 있는 부스트-모드인 더 높은 SOC를 갖는 모듈은 약한 모듈(M1-2)의 역할을 담당할 수 있다. 이러한 메카니즘에 의해 라인(S1, S2, S3) 내에서 모듈 밸런싱이 이루어질 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 방법의 실시예의 단계들을 설명하는 흐름도를 도시한다. 단계 S100에서 제 1 축전지 모듈(10)의 제 1 충전 상태가 검출된다. 단계 S200에서 제 2 축전지 모듈(10)의 제 2 충전 상태가 검출된다. 제 2 축전지 모듈(10)은 UniBB-모듈이다. 제 1 충전 상태 SOC I와 제 2 충전 상태 SOC II를 서로 조정하기 위해, 상기 모듈은 단계 S300에서 전류원으로서 작동된다. 다시 말해서 전류원으로서 UniBB-모듈의 작동에 의해 제 1 축전지 모듈(10)과 제 2 축전지 모듈(10) 사이의 밸런싱이 실시된다.
본 발명에 따른 양상 및 바람직한 구현들이 첨부된 도면과 관련해서 설명된 실시예를 참고로 상세히 설명되었더라도, 당업자의 경우 도시된 실시예들의 특징들의 변형과 조합이, 첨부된 청구항에 의해 규정된 보호 범위를 갖는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 가능하다.
7: 에너지 축전지 10: 축전지 모듈
11: 제 1 접속부 12: 제 2 접속부
S1, S2, S3: 라인 I: 제 1 충전 상태
II: 제 2 충전 상태

Claims (11)

  1. 적어도 하나의 UniBB-모듈을 이용해서 전기화학 축전지 모듈들(10)의 서로 병렬 접속된 다수의 라인의 밸런싱 방법으로서,
    - 제 1 축전지 모듈(M1)의 제 1 충전 상태(I)를 검출하는 단계(S100),
    - UniBB-모듈인 제 2 축전지 모듈(M2)의 제 2 충전 상태(II)를 검출하는 단계(S200) 및,
    - 상기 1 충전 상태(I)와 상기 제 2 충전 상태(II)를 서로 조정하기 위해, 제 2 축전지 모듈(M2)을 전류원으로서 작동시키는 단계(S300)를 포함하는, 밸런싱 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 축전지 모듈(M1)은 UniBB-모듈(M)이고, 특히 전체 축전지 모듈(M1, M2, Mn)은 UniBB-모듈들이고, 밸런싱 동안 전압원으로서 작동되는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 충전 상태(II)는 상기 제 1 충전 상태(I)보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제 1 축전지 모듈(M1)은 그룹 "조절된", "비조절된", "벅", "부스트"로부터 선택된 하나의 제 1 작동 모드로 작동되고,
    - 상기 제 2 축전지 모듈(M2)은 그룹 "조절된", "비조절된", "벅", "부스트"로부터 선택된 하나의 제 2 작동 모드로 작동되는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 축전지 모듈(M1)은 비조절되어 작동되고, 상기 제 2 축전지 모듈(M2)은 부스트-전류원 작동 모드로 작동되거나, 상기 제 1 축전지 모듈(M1)은 벅-충전 모드로 작동되고, 상기 제 2 축전지 모듈(M2)은 전류원 모드로 작동되는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 축전지 모듈(M1, M2, Mn)은 다른 전기화학 축전지 모듈을 포함하고, 상기 다른 전기화학 축전지 모듈이 밸런싱에 관여되지 않은 라인(S0)에 속하는 경우에, 상기 축전지 모듈은 차단 모드로 바뀌고, 및/또는 상기 축전지 모듈이 밸런싱에 관여된 라인(S1, S3)에 속하는 경우에, 바이패스 모드로 바뀌는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 라인(S1, S2, S3) 당 하나의 축전지 모듈(M1, M2, Mn)만 포함된 경우에, 최고 충전 상태(I)를 갖는 축전지 모듈(M1, M2, Mn)은 전압원으로서 작동되고, 차단 모드로 바뀌지 않은 나머지 전기화학 축전지 모듈들은 전류원 모드로 작동되고,
    - 라인(S1, S2, S3) 당 하나 이상의 축전지 모듈(M1, M2, Mn)이 포함된 경우에, 최고 충전 상태(I)를 갖는 축전지 모듈(M1, M2, Mn)은 전류원 모드에서 작동되고, 차단 모드 또는 바이패스-모드로 바뀌지 않은 나머지 전기화학 축전지 모듈들은 전압원 모드에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 전기화학 축전지 모듈(10) 내로 인가되는 충전 전류는 축전지 모듈(10)의 각각의 충전 상태에 따라 제어되므로, 실질적으로 동일한 시점에 축전지 모듈의 특히 미리 정해진, 특히 완전한 충전 상태가 달성되는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    미리 정해진 최고 전압에 도달한 전기화학 축전지 모듈(10)은 차단 모드로 바뀌는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    실질적으로 동일한 충전 상태를 갖기 위해, 라인들(S1, S2, S3)은 각각의 평균 충전 상태에 따라 다수의 전기화학 축전지 모듈(10)의 공급될 전체 전류에 관여되는 것을 특징으로 하는, 밸런싱 방법.
  11. 전기화학 에너지 축전지(100)로서,
    - 전기화학 축전지 모듈들(M1, M2, Mn)의 서로 병렬 접속된 다수의 라인(S1, S2, S3) 및
    - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 설계된 처리 유닛을 포함하는, 전기화학 에너지 축전지.
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