KR20160129748A - 배터리 시스템 - Google Patents

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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 제1 전압을 제공하기 위한 배터리(12), 및 배터리(12)를 제1 부분 전압을 제공하기 위한 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 제2 부분 전압을 제공하기 위한 하나 이상의 제2 배터리 요소(16)로 분할하는 적어도 하나의 탭(15, 19, 21)을 구비하되, 전력 전환 스위치(18)가 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 하나 이상의 제2 배터리 요소(16) 사이에 배치되며, 사전 설정될 전환 속도로 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 하나 이상의 제2 배터리 요소(16) 사이에서 전환되도록 설계되는, 배터리 시스템(10)에 관한 것이다.

Description

배터리 시스템{BATTERY SYSTEM}
본 발명은 전반적으로 배터리 시스템, 특히 차량에서 사용하기 위한 배터리 시스템에 관한 것이다.
최신의 차량에서는 다수의 부품이 전기 에너지 소비 장치로서 부각된다. 요구되는 에너지는 대개 배터리 형태의 중앙 에너지 공급원으로부터 공급된다. 그러나, 각각의 소비 장치들이 매우 상이한 입력 전압을 요구함에 따라, 배터리에 의해 공급된 전압을 DC-DC 컨버터의 도움으로 요구된 전압으로 변환해야 할 필요가 있다. 더 많은 최종 소비 장치가 에너지를 요구할수록, 더 큰 전압이 중앙 에너지 공급원에 의해 제공되어야 한다. 에너지 소비량이 더 높아지는 만큼, DC-DC 컨버터 역시 더 커지고, 더 무거워지며, 그에 상응하게 더 비싸진다. 또한, 고전압 배터리를 직접 충전하기 위한 충전 옵션의 공급이 감소하여, 이를 위해서도 대형 DC-DC 컨버터가 요구될 것이다.
US 공보 2009/0079384 A1호에는, 부하, 예컨대 엔진에 전압을 송출하기 위한 직렬 연결과 충전을 위한 병렬 연결 사이에서 배터리 셀들의 뱅크를 전환하는, 차량용 충전 시스템이 기재되어 있다.
US 공보 2012/0007557 A1호에는, 복수의 배터리가 급속 충전 장치로의 직렬 연결을 사용하여 충전되고 방전 중에는 병렬 연결로 전기 차량과 연결되어 있는, 전기 차량의 배터리 기반 전력 공급의 충전 및 방전 방법이 기술되어 있다.
US 공보 2012/0091731 A1에는, 전기 부하의 구동 중의 직렬 연결과 충전 동작 중의 병렬 연결 사이에서, 복수의 배터리 뱅크 내에 배치되는 복수의 배터리의 배치를 제어하는 배터리 충전 시스템이 기재되어 있다.
US 공보 2012/0200242 A1호에는, 동일하지만 반대되는 전압의 2개의 배터리가 하나의 전기 회로 내에서 바이폴라 DC 출력과 연결되고, 이 경우 센터 탭이 접지되며, 배터리들로 향하는 전하를 제어하기 위해 3상 발전기가 상기 회로 내에 통합되는, 내연기관을 구비한 차량의 전기 시스템을 구동하는 방법이 기술되어 있다.
US 공보 2013/0127400 A1호에는, 전기 차량을 구동하기 위한 고전압 배터리, 복수의 소비 장치, 그리고 상기 복수의 소비 장치를 위한 구동 전류를 제공하기 위한 보조 배터리를 구비한 전기 차량이 기술되어 있으며, 상기 복수의 소비 장치는 제1 전압용 검출 유닛, 전압 변환기, 전력 계전기, 및 차량 제어 유닛을 포함한다.
종래 기술에 근거하여, 자동차 전기 시스템으로의 고전압 배터리의 통합을 더욱 개선하는 과제가 도출된다.
청구항 제1항의 특징부를 구비한 배터리 시스템을 제안한다. 실시예들은 상세한 설명부 및 종속 청구항들을 참조한다.
본 발명에 따라, 제1 전압을 제공하기 위한 배터리, 및 상기 배터리를 제1 부분 전압의 제공을 위한 하나 이상의 제1 배터리 요소와 제2 부분 전압의 제공을 위한 하나 이상의 제2 배터리 요소로 분할하는 적어도 하나의 탭을 구비한 배터리 시스템이 제공되며, 이 배터리 시스템에서는 하나 이상의 제1 배터리 요소와 하나 이상의 제2 배터리 요소 사이에 전력 전환 스위치가 배치되며, 상기 전력 전환 스위치는, 하나 이상의 제1 배터리 요소와 하나 이상의 제2 배터리 요소 사이에서 결정되거나, 정의되거나, 사전 설정될 전환 속도로 전환이 실시되도록 설계된다.
그럼으로써, 또 다른 구현예에서 하나 이상의 제1 배터리 요소와 하나 이상의 제2 배터리 요소로부터 실질적으로 동일한 양의 에너지가 추출되는 점이 보장된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 일 구현예에서, 하나 이상의 제1 배터리 요소에 의해 제공되는 전압은 하나 이상의 제2 배터리 요소에 의해 제공되는 전압과 동일하다. 이는 예컨대 탭핑에 의해 실현될 수 있는데, 상기 탭핑이 배터리의 중간에서 실시됨에 따라 각각 동일한 전압을 제공하는 배터리 요소들이 형성되기 때문이다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 다른 구현예들에서, 배터리들 사이에서 전환되는 전력 전환 스위치는 배터리 내에 통합될 수도 있고, 배터리의 외부에 배치될 수도 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예들에서, 전력 전환 스위치는 단방향으로 또는 양방향으로 설계된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구현예에서, 하나 이상의 제1 배터리 요소로부터 하나 이상의 제2 배터리 요소로, 또는 하나 이상의 제2 배터리 요소로부터 하나 이상의 제1 배터리 요소로의 전환 동작의 전환 속도는 제어 유닛에 의해 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 또 다른 구성에서, 하나 이상의 제1 배터리 요소로부터 하나 이상의 제2 배터리 요소로, 또는 하나 이상의 제2 배터리 요소로부터 하나 이상의 제1 배터리 요소로의 전환 동작의 전환 속도는 1Hz 미만이다.
본 발명의 다른 장점 및 구성은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조한다.
상기에 언급된 특징들 및 이하에 설명될 특징들은, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한, 각각의 명시된 조합뿐만 아니라 다른 조합들의 형태로도, 또는 단독으로도 사용될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 도면 내에 구현예들을 이용하여 개략적으로 설명되며, 도면을 참조하여 상세히 도식적으로 기술된다.
도 1은 전력 전환 스위치 및 2개의 배터리 요소의 단방향 구현을 갖는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 구현예를 도시한다.
도 2는 n개의 배터리 요소 및 (n-1)개의 탭을 갖는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 기본 구현예를 도시한다.
도 1을 참조하여 실질적으로, 예컨대 자동차 전기 시스템에서 사용되는 바와 같은, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 일 구현예의 단방향 구현을 위한 회로를 설명한다. 센터 탭(15)이 배터리(12)를 제1 배터리 요소(14)와 제2 배터리 요소(16)로 분할한다. 도시된 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 구현예에서, 배터리(12)는 800V의 총 전압을 제공한다. 센터 탭(15)으로 인해, 제공되는 총 전압은 2개의 배터리 요소(14, 16)로 분할된다. 그 결과, 제1 배터리 요소(14)는 400V의 제1 부분 전압을 제공하고, 제2 배터리 요소(16)는 마찬가지로 400V의 제2 부분 전압을 제공한다. 배터리 요소들(14, 16)의 비대칭 방전을 방지하기 위해, 2개의 배터리 요소(14, 16)와 400V 에너지 공급망 사이에 단방향 스위칭 방식의 전력 전환 스위치(18)가 연결된다. 이 전력 전환 스위치(18)는 제1 배터리 요소(14)와 제2 배터리 요소(16) 사이에서 낮은 주파수로 상호 전환된다. 이 경우, 주파수는 대략 1Hz의 크기이다. 상호 전환은, 제1 배터리 요소(14)와 제2 배터리 요소(16)로부터 실질적으로 동일한 양의 에너지가 추출되는 점을 보장한다. 상기 전력 전환 스위치(18)는 매우 낮은 스위칭 주파수로 동작하고 자기 부품을 전혀 포함하지 않기 때문에, 거의 100%의 효율로 동작한다. 제어 유닛(20)이 마찬가지로 회로 내에 통합된다. 이 제어 유닛(20)은 제1 배터리 요소(14)와 제2 배터리 요소(16)의 전하 균형을 미세 조정하는 데 사용되며, 전력 전환 스위치(18) 및 배터리(12) 또는 배터리 요소들(14, 16)뿐만 아니라 탭(15)으로의 연결을 갖는다. 예컨대 게이트 드라이버도 포함할 수 있는 제어 유닛(20)은, 전환의 듀티 사이클, 즉 제1 배터리 요소(14)와 제2 배터리 요소 사이에서 상호 전환되는 전환 속도 또는 주파수를 조정하며, 그에 상응하게 하나의 배터리 요소(14, 16)로부터 전하가 각각 추출되는 소요 시간도 조정한다.
본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 도시된 구현예에서, 전력 전환 스위치(18)는 배터리(12)의 외부에 배치되어 있다. 그러나, 전력 전환 스위치(18)가 배터리(12)의 내부에 배치되는 점도 고려될 수 있다. 전력 전환 스위치(18)는 양방향으로도 구현될 수 있다. 그럼으로써, 예컨대 400V-충전소 또는 400V-충전 장치를 이용하여 제1 배터리 요소(14)와 제2 배터리 요소(16)의 독립 충전을 실현할 수 있다. 그로 인해 대형 DC-DC 컨버터가 생략될 수 있다. 결과적으로, DC-DC 컨버터에서 있을 수 있는 손실이 사라지기 때문에, 충전 기간이 증가하지 않을 것이며, 심지어 감소할 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)이 언급된 예시적인 전압으로 제한되지는 않는다. 3개 이상의 배터리 요소를 형성하는 것도 고려할 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 배터리 시스템이 하나의 900V-차내 전기 시스템 및 3개의 배터리 요소로 동작하는 것을 고려할 수 있다.
n개의 무한한 배터리 요소를 위한 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)의 예시적인 회로가 도 2에 도시되어 있다. 배터리(12)가 복수의 탭(15, 19, 21)에 의해 복수의 요소(14, 16, 17)로 분할된다. 여기서, 제1 배터리 요소는 "14"로, 제2 배터리 요소는 "16"으로, 그리고 n번째 배터리 요소는 "17"로 표시되어 있다. 이 경우, 탭(15)은 제1 배터리 요소(14)와 제2 배터리 요소(16) 사이의 탭이며, 그에 따라 탭(19)은 제2 배터리 요소(16)와 제3 배터리 요소(미도시) 사이의 탭에 대응된다. 제3 배터리 요소와 (n-1)번째 배터리 요소 사이에 있을 수 있는 복수의 추가 배터리 요소의 배치는 파선으로 도시되어 있다. 탭(21)은 (n-1)번째 배터리 요소와 n번째 배터리 요소(17) 사이의 (n-1)번째 탭이다. 회로 내에는 관련 배터리 요소들 사이에서 상호 전환되는 전력 전환 스위치(18)가 통합된다. 따라서, 하나의 배터리 요소 회로는 2개의 스위치를 갖는다. 이들 스위치는 배터리 요소 회로에 대한 배정에 상응하게 지칭된다. 따라서 스위치(S1a)는 제1 배터리 요소(14)의 회로 요소 내 제1 스위치(a)이다. 그러므로, 스위치(S1b)는 제1 배터리 요소(14)의 회로 요소 내 제2 스위치(b)이다. 일반화하여 표현하면, 스위치들은 Snj로 표시되고, 이때 n = 1, 2, 3, ...이고, n과 j = a, b이다. 그에 따르면 제3 배터리 요소의 회로 요소 내 스위치(b)는 S3b로 표시될 것이다. 스위치들의 상태에 따라 회로의 일 단부에서 상응하는 출력 전압(Ua)이 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)은, 중앙 고전압 배터리, 예컨대 800V 배터리로부터, 예컨대 400V, 48V, 또는 12V와 같은 더 낮은 입력 전압을 부품들에 공급하기 위한 전압을 발생시킬 수 있는 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 배터리 시스템(10)을 사용하면, 대형의 무거운, 그에 따라 고가인 DC-DC 컨버터가 없어도 된다. 본 발명에 따른 배터리 시스템은 시중에서 입수 가능한 종래의 부품들을 사용하여 구동될 수 있다. 고전압 배터리를 충전하기 위해서도 역시 종래의 부품들을 이용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1 전압을 제공하기 위한 배터리(12), 그리고 상기 배터리(12)를 제1 부분 전압의 제공을 위한 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 제2 부분 전압의 제공을 위한 하나 이상의 제2 배터리 요소(16)로 분할하는 적어도 하나의 탭(15, 19, 21)을 구비한 배터리 시스템(10)으로서, 상기 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 하나 이상의 제2 배터리 요소(16) 사이에 전력 전환 스위치(18)가 배치되고, 이 전력 전환 스위치는, 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 하나 이상의 제2 배터리 요소(16) 간에 사전 설정될 전환 속도로 전환이 실시되도록 설계되는, 배터리 시스템(10).
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)에 의해 제공되는 전압이 하나 이상의 제2 배터리 요소(16)에 의해 제공되는 전압과 동일한, 배터리 시스템(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전력 전환 스위치(18)가 배터리(12) 내에 통합되는, 배터리 시스템(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전력 전환 스위치(18)가 배터리(12)의 외부에 배치되는, 배터리 시스템(10).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전력 전환 스위치(18)가 단방향으로 또는 양방향으로 설계되는, 배터리 시스템(10).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 하나 이상의 제2 배터리 요소(16)로부터 실질적으로 동일한 양의 에너지가 추출되는, 배터리 시스템(10).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전환 동작의 전환 속도는 제어 유닛(20)에 의해 조정될 수 있는, 배터리 시스템(10).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전환 동작의 전환 속도는 1Hz 미만인, 배터리 시스템(10).
  9. 제5항에 있어서, 하나 이상의 제1 배터리 요소(14)와 하나 이상의 제2 배터리 요소(16)가 서로 독립적으로 충전될 수 있는, 배터리 시스템(10).
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