KR20170030512A - 배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법, 그리고 상기 방법을 실시하도록 설계된 배터리 시스템 - Google Patents

배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법, 그리고 상기 방법을 실시하도록 설계된 배터리 시스템 Download PDF

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슈테판 부츠만
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 복수의 배터리 셀(2)을 포함하는 배터리 시스템(1)의 출력 전압의 제어를 위한 방법에 관한 것이며, 복수의 배터리 셀은, 배터리 시스템의 배터리 셀들(2)이 각각 배터리 시스템(1)에 접속될 수 있으며 전기적으로 브리지될 수 있는 방식으로, 전기적으로 서로 연결되어 있고, 설정 출력 전압에 대한 배터리 시스템(1)의 실제 출력 전압(3)의 매칭을 위해 적어도 하나의 스위치 온 확률이 생성되고, 배터리 셀들(2)은 적어도 하나의 생성된 스위치 온 확률로 배터리 시스템(1)에 접속되며, 그리고 추가로 적어도 하나의 스위치 오프 확률이 생성되고, 배터리 셀들(2)은 적어도 하나의 생성된 스위치 오프 확률로 전기적으로 브리지된다. 또한, 본 발명은, 전기적으로 서로 연결된 복수의 배터리 셀(2)과, 복수의 활성화 회로(10)와, 하나의 제어 유닛을 포함하여, 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계된 배터리 시스템(1)에도 관한 것이며, 배터리 셀들(2)은 각각 활성화 회로들(10)에
의해 배터리 시스템(1)에 접속될 수 있거나, 또는 전기적으로 브리지될 수 있다.

Description

배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법, 그리고 상기 방법을 실시하도록 설계된 배터리 시스템{METHOD FOR CONTROLLING AN OUTPUT VOLTAGE OF A BATTERY SYSTEM AND BATTERY SYSTEM DESIGNED TO CARRY OUT THE METHOD}
본 발명은 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 시스템의 출력 전압의 제어를 위한 방법에 관한 것이며, 복수의 배터리 셀은, 배터리 시스템의 배터리 셀들이 각각 배터리 시스템에 접속될 수 있으며 전기적으로 브리지될 수 있는 방식으로, 전기적으로 서로 연결되어 있고, 설정 출력 전압에 대한 배터리 시스템의 실제 출력 전압의 매칭을 위해 적어도 하나의 스위치 온 확률(switch-on probability)이 생성되며, 배터리 셀들은 적어도 하나의 생성된 스위치 온 확률로 배터리 시스템에 접속된다.
또한, 본 발명은, 전기적으로 서로 연결된 복수의 배터리 셀과, 복수의 활성화 회로와, 배터리 셀들에 의해 공급되는 배터리 시스템의 출력 전압의 제어를 위한 하나의 제어 유닛을 포함하는 배터리 시스템에 관한 것이며, 배터리 셀들에는 활성화 회로들 중 각각 하나의 활성화 회로가 할당되며, 배터리 셀들은 각각 활성화 회로들에 의해 배터리 시스템에 접속될 수 있거나, 또는 전기적으로 브리지될 수 있다.
배터리 시스템들의 용량 및/또는 출력과 관련하여 배터리 시스템들의 요건들의 충족을 위해, 배터리 셀들을 전기적으로 서로 연결하는 것은 공지되어 있다. 특히, 복수의 배터리 셀을 전기적으로 직렬로 연결하여 하나의 배터리 스트링을 형성하고 이런 배터리 스트링들은 다시 전기적으로 병렬로 서로 연결하는 것도 공지되어 있다. 또한, 요구되는 출력 전압을 배터리 시스템에 의해 공급하기 위해, 상기 배터리 스트링들 및/또는 배터리 시스템의 개별 배터리 셀들을 배터리 시스템에 접속함으로써 상기 배터리 셀들이 출력 전압에 기여하게 하는 것도 공지되어 있다. 또한, 요구되는 출력 전압의 공급을 위해, 배터리 시스템으로부터 배터리 셀들을 분리하도록 배터리 시스템의 배터리 셀들을 전기적으로 브리지함으로써 상기 배터리 셀들이 배터리 시스템의 출력 전압에 기여하지 않게 하는 것도 공지되어 있다.
이 경우, 문제점은, 특히, 개별 배터리 셀들이 그 용량 및 그 내부 저항과 관련하여 특히 제조 기술상의 이유에서 편차를 가지며, 그럼으로써 배터리 셀들이 통상적으로 서로 상이한 충전 상태를 갖는다는 것이다.
특허 공보 KR 2003-92464, KR 2007-66293 및 US 2005/053092로부터는, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 시스템들이 공지되어 있으며, 이에 따르면 배터리 시스템의 사전 설정된 설정 출력 전압에 대해 배터리 시스템의 실제 출력 전압을 매칭하기 위해, 개별 배터리 셀들이 임의로 스위치 온 또는 오프되고 그에 따라 배터리 시스템의 출력 전압에 기여하거나, 또는 기여하지 않게 된다.
또한, 종래 기술에서, 스위치 온 확률을 생성하여, 배터리 셀들이 상기 스위치 온 확률로 배터리 시스템에 접속되게 하는 것도 공지되어 있다. 배터리 시스템이 예컨대 400볼트의 최대 출력 전압을 공급하도록 형성되고, 모든 배터리 셀은 출력 전압의 공급을 위해 서로 연결되며, 그리고 300볼트의 설정 출력 전압이 요구된다면, 사전 설정된 설정 출력 전압을 달성하기 위해 75%의 스위치 온 확률이 사전 설정된다.
입력 전압은 바람직하게는 배터리 시스템의 중앙 통신 버스를 통해 배터리 셀들로, 또는 배터리 셀들의 상응하는 활성화 회로들로 전달된다.
특히, 각각의 배터리 셀이 자신에게 할당되는 양호도(quality factor)를 결정하고, 이 양호도는 예컨대 상기 배터리 셀의 배터리 셀 전압, 배터리 셀 온도, 및/또는 상기 배터리 셀의 충전 상태(SOC, SOC: State of Charge)에 따라서 결정될 수 있다는 것이 공지되어 있다.
그 다음, 배터리 셀의 양호도 및 사전 설정된 스위치 온 확률을 고려해서, 배터리 셀들은 배터리 시스템에 접속된다. 이 경우, 평균하여 설정 출력 전압이 설정된다. 이런 방법의 단점은, 설정 출력 전압과 실제 출력 전압의 큰 편차가 발생할 정도로 배터리 셀들이 스위칭되는 경우가 발생할 수 있다는 것이다. 이는, 그 다음, 제어에 의해, 스위치 온 확률이 상응하게 매칭되는 것을 통해 정정될 수 있다. 그러나 이 경우 실제 출력 전압의 의도하지 않은 이상 값들(outlier)이 발생할 수 있다.
본 발명의 과제는, 상기 종래기술의 배경에서, 배터리 시스템의 출력 전압의 제어를 향상시키는 것이다. 특히 본 발명의 과제는, 설정 출력 전압에 대한 배터리 시스템의 실제 출력 전압의 향상된 매칭이 달성되게 하는 것이다. 이와 동시에, 본 발명의 과제는, 설정 출력 전압과 실제 출력 전압의 큰 편차가 방지되게 하는 것이다.
상기 과제의 해결을 위해, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 시스템의 출력 전압의 제어를 위한 방법으로서, 복수의 배터리 셀은, 배터리 시스템의 배터리 셀들이 각각 배터리 시스템에 접속될 수 있으며 전기적으로 브리지될 수 있는 방식으로 전기적으로 서로 연결되고, 설정 출력 전압에 대한 배터리 시스템의 실제 출력 전압의 매칭을 위해 적어도 하나의 스위치 온 확률이 생성되며, 배터리 셀들은 적어도 하나의 생성된 스위치 온 확률로 배터리 시스템에 접속되고, 그리고 설정 출력 전압에 대한 배터리 시스템의 실제 출력 전압의 매칭을 위해 추가로 적어도 하나의 스위치 오프 확률이 생성되며, 배터리 셀들은 적어도 하나의 생성된 스위치 오프 확률로 전기적으로 브리지되는, 상기 방법이 제안된다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 방법의 경우, 바람직하게는 배터리 셀들을 배터리 시스템에 접속하기 위해, 그리고 배터리 시스템의 내부에서 배터리 셀들을 전기적으로 브리지하기 위해, 즉, 말하자면, 배터리 시스템의 배터리 셀들을 스위치 온 및 스위치 오프하기 위해, 2개의 상이한 확률이 전송된다. 이 경우, 스위치 온 확률은, 전기적으로 브리지된 배터리 셀이 배터리 시스템에 접속되게 하는 확률이다. 이와 반대로, 스위치 오프 확률은, 배터리 시스템에 접속된 배터리 셀이 전기적으로 브리지되게 ㅎ는 확률이다. 배터리 시스템의 배터리 셀은 바람직하게는 항상 배터리 시스템에 접속되거나, 또는 전기적으로 브리지되며, 배터리 셀은 상호 연결의 변경에 의해, 특히 스위칭 부재들의 활성화에 의해, 하나의 상호 연결 상태로부터 다른 상호 연결 상태로 전환될 수 있으며, 다시 말해 예컨대 "전기적으로 브리지되는" 상호 연결 상태로부터 "배터리 시스템에 접속되는" 상호 연결 상태로 전환될 수 있다.
배터리 시스템의 배터리 셀이 배터리 시스템에 접속된다면, 상기 배터리 셀은 바람직하게는 배터리 시스템의 출력 전압에 기여한다. 배터리 시스템의 충전 시, 배터리 시스템에 접속된 배터리 셀들은 바람직하게는 재충전된다.
배터리 시스템의 배터리 셀이 전기적으로 브리지된다면, 상기 배터리 셀은 바람직하게는 배터리 시스템의 출력 전압에 기여하지 않는다. 배터리 시스템의 충전 시, 전기적으로 브리지된 배터리 셀들은 바람직하게는 재충전되지 않는다.
스위치 온 확률 또는 스위치 오프 확률이 배터리 셀들로 전송될 때 배터리 시스템의 하나의 배터리 셀이 배터리 시스템에 접속되는지, 또는 전기적으로 브리지되는지의 여부는 바람직하게는 배터리 셀에 할당된 양호도에 따라서 결정되고, 상기 양호도는 특히 배터리 셀의 충전 상태 및/또는 배터리 셀 온도 및/또는 배터리 셀 전압에 따라 결정될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 스위치 온 확률은 각각 스위치 온 확률 함수로부터 생성된다. 적어도 하나의 스위치 오프 확률은 바람직하게는 각각 스위치 오프 확률 함수로부터 생성된다. 이 경우, 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률 함수는 바람직하게는 각각 배터리 시스템의 설정 출력 전압과 실제 출력 전압에서의 차이에 따르는 함수들이다. 다시 말하면, 스위치 온 확률 함수가 공급하는 스위치 온 확률, 또는 스위치 오프 확률 함수가 공급하는 스위치 오프 확률은 배터리 시스템의 실제 출력 전압이 설정 출력 전압과 얼마만큼 편차를 갖는지에 따라 결정된다.
스위치 온 확률 함수 및/또는 스위치 오프 확률 함수는 본 발명은 구현 변형예에 따라서 비선형 함수들이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률 함수는 선형 함수들이다.
특히, 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률 함수는, 바람직하게는 설정 출력 전압이 실제 출력 전압과 동일한 지점을 통해 연장되는 대칭축과 관련하여 반사 대칭이다. 특히 이 경우 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률 함수는 선형 함수들이다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 구현예에 따라서, 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 크다면, 적어도 하나의 스위치 온 확률은 영(0)이고, 및/또는 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 작다면, 적어도 하나의 스위치 오프 확률이 영(0)이다. 상기 바람직한 구현예에 따라서, 설정 출력 전압이 실제 출력 전압보다 더 큰 경우, 단지 전기적으로 브리지된 배터리 셀들만이 배터리 시스템에 접속되어야 하지만, 그러나 접속된 배터리 셀들은 브리지되지 않아야 한다. 이와 반대로, 설정 출력 전압이 실제 출력 전압보다 더 작은 경우에는, 단지 배터리 시스템에 접속된 배터리 셀들만이 전기적으로 브리지되어야 한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 구현 변형예에 따라서, 설정 출력 전압에 대한 배터리 시스템의 실제 출력 전압의 매칭을 위해, 각각 하나의 스위치 온 확률 및 각각 하나의 스위치 오프 확률이 생성되고, 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 작다면, 스위치 온 확률은 스위치 오프 확률보다 더 크며, 그리고 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 크다면, 스위치 오프 확률이 스위치 온 확률보다 더 크다. 상기 구현 변형예의 경우, 특히 배터리 셀들은 각각 하프 브리지 구성(half-bridge configuration)을 통해 배터리 스트링에 연결되며, 적어도 하나의 스위칭 부재의 활성화에 의해 배터리 셀은 배터리 시스템에 접속되거나, 또는 배터리 셀은 전기적으로 브리지된다.
본 발명에 따른 방법의 추가의 바람직한 구현 변형예에 따라서, 배터리 시스템에 배터리 셀들의 접속은 각각의 배터리 셀에 대해 양의 극성으로 또는 음의 극성으로 수행될 수 있으며, 설정 출력 전압에 대한 실제 출력 전압의 매칭을 위해 양의 스위치 온 확률이 생성되고, 배터리 셀들은 생성된 양의 스위치 온 확률로 양의 극성을 갖는 배터리 시스템에 접속되고, 및/또는 음의 스위치 온 확률이 생성되고, 배터리 셀들은 생성된 음의 스위치 온 확률로 음의 극성을 갖는 배터리 시스템에 접속되고, 및/또는 양의 스위치 오프 확률이 생성되고, 배터리 셀들은 양의 극성을 가지면서 생성된 양의 스위치 오프 확률로 전기적으로 브리지되고, 및/또는 음의 스위치 오프 확률이 생성되고, 배터리 셀들은 음의 극성을 가지면서 생성된 음의 스위치 오프 확률로 전기적으로 브리지된다. 특히 이 경우 배터리 셀들은 풀 브리지 구성(full-bridge configuration)으로 배터리 시스템의 배터리 스트링에 연결된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법의 상기 구현 변형예의 경우, 배터리 시스템에 배터리 셀들의 접속 그리고 배터리 시스템의 배터리 셀들의 브리지를 위해, 배터리 셀들을 스위칭하기 위한 상이한 확률들이 전송된다.
이 경우, 양의 스위치 온 확률은 바람직하게는 브리지된 배터리 셀이 양의 극성을 가지면서 배터리 시스템에 접속되게 하는 확률이다.
이 경우, 음의 스위치 온 확률은 바람직하게는 브리지된 셀이 음의 극성을 가지면서 배터리 시스템에 접속되게 하는 확률이다.
이 경우, 양의 스위치 오프 확률은 바람직하게는 배터리 시스템에 접속된 배터리 셀이 양의 극성을 가지면서 브리지되게 하는 확률이다.
이 경우, 음의 스위치 오프 확률은 바람직하게는 배터리 시스템에 접속된 배터리 셀이 음의 극성을 가지면서 브리지되게 하는 확률이다.
이 경우, 특히 스위치 온 확률들 및 스위치 오프 확률들에는 부호가 붙어 있다. 이 경우, 양의 스위치 온 확률은 바람직하게는 양의 부호를 가지며, 음의 스위치 온 확률은 음의 부호를 갖는다. 양의 스위치 오프 확률은 바람직하게는 양의 부호를 가지며, 음의 스위치 오프 확률은 음의 부호를 갖는다.
예컨대 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 다 작으면, 브리지된 배터리 셀이 배터리 시스템에 접속되게 하는 확률은 높고, 배터리 시스템에 접속된 배터리 셀이 브리지되게 하는 확률은 낮다. 각각의 스위치 온 및 스위치 오프 확률들의 생성을 위해 선택된 함수들은 바람직하게는 대칭으로 형성되며, 특히 바람직하게는 선형 함수들로서 형성된다.
또한, 전술한 과제의 해결을 위해, 전기적으로 서로 연결된 복수의 배터리 셀과, 복수의 활성화 회로와, 배터리 셀들에 의해 공급되는 배터리 시스템의 출력 전압의 제어를 위한 하나의 제어 유닛을 포함하는 배터리 시스템이 제안되며, 배터리 셀들에는 활성화 회로들 중 각각 하나의 활성화 회로가 할당되고, 배터리 셀들은 각각 활성화 회로들에 의해 배터리 시스템에 접속될 수 있거나, 또는 전기적으로 브리지될 수 있으며, 배터리 시스템은 바람직하게는 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계된다.
특히 배터리 시스템은 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 또는 전기 자동차의 작동을 위해 요구되는 전기 에너지를 공급하도록 형성된 배터리 시스템이다. 이 경우, 배터리 셀들은 바람직하게는 2차 배터리 셀들이며, 다시 말하면 재충전 가능한 어큐뮬레이터 셀들이며, 바람직하게는 리튬이온 셀들이다.
특히 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 스트링을 포함하며, 배터리 스트링은 각각 복수의 배터리 셀을 포함한다. 바람직하게는 배터리 시스템은 복수의 배터리 스트링을 포함하며, 배터리 스트링들은 바람직한 방식으로 전기적으로 병렬로 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 특히 바람직한 구현예에 따라서, 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 스트링을 포함하며, 배터리 셀들은 각각 하프 브리지 구성으로 배터리 시스템의 배터리 스트링에 연결된다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 추가의 특히 바람직한 구현예에 따라서, 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 스트링을 포함하며, 배터리 셀들은 각각 풀 브리지 구성으로 배터리 시스템의 배터리 스트링에 연결된다. 풀 브리지 구성에 의해, 배터리 시스템의 배터리 셀은, 바람직하게는, 각각, 스위치 위치의 변경에 의해 상기 배터리 셀이 양의 극성을 가지면서 배터리 시스템에 접속될 수 있고, 음의 극성을 가지면서 배터리 시스템에 접속될 수 있고, 양의 극성을 가지면서 브리지될 수 있으며, 음의 극성을 가지면서 브리지될 수 있는 방식으로, 전기적으로 서로 연결되며, 배터리 셀들은 바람직하게는 (스위칭 순간을 제외하고) 상기 스위칭 상태들 중 어느 한 스위칭 상태에 있다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 추가의 특히 바람직한 구현예에 따라서, 배터리 셀에 할당된 활성화 회로는 적어도 하나의 스위칭 부재와, 적어도 하나의 구동기와, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 회로와, 적어도 하나의 인터페이스를 포함한다. 이 경우, 마이크로컨트롤러 회로는 바람직하게는 적어도 하나의 인터페이스를 통해 적어도 하나의 스위치 온 확률 및/또는 적어도 하나의 스위치 오프 확률을 수신하도록 형성된다. 또한, 바람직하게는, 마이크로컨트롤러 회로는 적어도 하나의 스위치 온 확률 및/또는 적어도 하나의 스위치 오프 확률을 기반으로 활성화 신호를 생성하도록 형성된다. 상기 활성화 신호는 바람직하게는 적어도 하나의 구동기로 전송된다. 이 경우, 구동기는 바람직하게는 생성된 활성화 신호에 따라서 적어도 하나의 스위칭 부재를 스위칭하도록 형성된다. 특히 스위칭 부재는 트랜지스터이며, 바람직하게는 MOSFET(MOSFET: metal oxide semiconductor field-effect transistor)이다. 또한, 특히 배터리 시스템은 버스 시스템, 바람직하게는 CAN 버스(CAN: Controller Arial Network)를 포함하며, 이런 버스 시스템을 통해 각각 적어도 하나의 스위치 온 확률 및/또는 적어도 하나의 스위치 오프 확률이 배터리 셀들로 전송되며, 바람직하게는 중앙으로 전송된다.
바람직하게는, 배터리 시스템은 배터리 관리 시스템을 포함한다. 배터리 관리 시스템은 바람직하게는 제어 유닛을 포함한다. 특히 배터리 관리 시스템의 제어 유닛, 바람직하게는 배터리 제어 유닛(BCU)은 적어도 하나의 스위치 온 확률 및/또는 적어도 하나의 스위치 오프 확률을 생성하도록 형성된다. 제어 유닛에는 특히 실제 출력 전압 및 설정 출력 전압이 공급된다. 이 경우, 설정 출력 전압과 실제 출력 전압의 차이에 따라서, 바람직하게는 스위치 온 확률 함수로부터 적어도 하나의 스위치 온 확률이 생성되고, 및/또는 스위치 오프 확률 함수로부터 적어도 하나의 스위치 오프 확률이 생성된다. 적어도 하나의 스위치 온 확률 및 적어도 하나의 스위치 오프 확률은 바람직하게는 출력 전압의 제어부의 설정 변수들이다.
본 발명의 추가의 바람직한 상세 내용들, 특징들 및 상세 구성들은 도면들에 도시된 실시예들과 관련하여 더 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 시스템에 대한 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 시스템에 대한 추가 실시예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 위해 스위치 온 확률을 생성하기 위한 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률을 생성하기 위한 스위치 오프 확률 함수에 대한 일 실시예를 도시한 개략적 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법을 위해 스위치 온 확률을 생성하기 위한 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률을 생성하기 위한 스위치 오프 확률 함수에 대한 추가 실시예를 도시한 개략적 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법을 위해 스위치 온 확률을 생성하기 위한 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률을 생성하기 위한 스위치 오프 확률 함수에 대한 추가 실시예를 도시한 개략적 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법을 위해 상응하는 스위치 온 확률들 및 스위치 오프 확률들을 생성하기 위한 양의 스위치 온 확률 함수, 음의 스위치 온 확률 함수, 양의 스위치 오프 확률 함수 및 음의 스위치 오프 확률 함수에 대한 일 실시예를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법을 위해 상응하는 스위치 온 확률들 및 스위치 오프 확률들을 생성하기 위한 양의 스위치 온 확률 함수, 음의 스위치 온 확률 함수, 양의 스위치 오프 확률 함수, 및 음의 스위치 오프 확률 함수에 대한 일 실시예를 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 배터리 시스템(1)은 전기적으로 서로 연결된 복수의 배터리 셀(2)을 포함하지만, 도면에는 더 나은 명확성을 이유로 단지 하나의 배터리 셀(2)만이 배터리 셀(2)에 할당되는 활성화 회로(10)와 함께 도시되어 있다. 이처럼 활성화 회로를 포함한 배터리 셀의 배치구조는 배터리 시스템의 배터리 스트링(6) 내의 점 표시에 의해 상징적으로 도시되어 있는 것처럼 수 회 반복된다.
배터리 셀들(2)은 도 1에 도시된 실시예의 경우 하프 브리지 구성(7)으로 배터리 스트링(6)를 통해 배터리 시스템(1)에 접속될 수 있거나, 또는 전기적으로 브리지될 수 있다. 이는, 스위칭 부재(14)의 스위치 위치에 따라서 결정된다. 이 경우, 스위칭 부재(14)는 각각의 배터리 셀(2)에 할당된 활성화 회로(10)에 의해 활성화된다. 스위칭 부재(14)는 특히 트랜지스터들에 의해 구현될 수 있다. 배터리 셀(2)에 각각 할당되는 활성화 회로(10)는 인터페이스(11)와, 마이크로컨트롤러 회로(12)와, 구동기(13)를 포함한다.
또한, 배터리 시스템(1)은 제어 유닛(16)을 추가로 포함하며, 바람직하게는 배터리 시스템의 배터리 제어 유닛이 제어 유닛으로서 형성된다. 제어 유닛(16)에는, 배터리 시스템(1)의 실제 출력 전압(3)이 입력 변수로서 공급된다. 제어 유닛(16)은, 실제 출력 전압(3) 및 사전 설정된 설정 출력 전압에 따라서 스위치 온 확률 및 스위치 오프 확률을 생성하도록 형성된다. 상기 스위치 온 확률 및 스위치 오프 확률은 배터리 시스템(1)의 통신 버스(15)를 통해 활성화 회로(10)로 전송되며, 이는 도 1에 제어 유닛(16)과 인터페이스(11) 사이의 화살표에 의해 상징적으로 도시되어 있다.
인터페이스(11)를 통해, 스위치 온 확률 및 스위치 오프 확률이 마이크로컨트롤러 회로(12)로 전송된다. 바람직하게는, 마이크로컨트롤러 회로(12)는 배터리 셀(2)에 할당되는 양호도를 결정하도록 형성된다. 상기 양호도의 결정에는, 특히 배터리 셀 전압, 배터리 셀 온도 및 배터리 셀의 충전 상태와 같은 배터리 셀 파라미터들이 관여한다. 양호한 배터리 셀 상태에 의해 높은 양호도가 주어지고, 불량한 배터리 셀 상태에 의해 낮은 양호도가 주어진다.
또한, 마이크로컨트롤러 회로(12)는, 수신된 스위치 온 확률, 수신된 스위치 오프 확률, 및 배터리 셀(2)에 할당된 양호도를 기반으로, 배터리 셀(2)이 배터리 시스템(1)에 접속되어야 하는지, 또는 전기적으로 브리지되어야 하는지의 여부를 결정하도록 형성된다. 양호도가 높다면, 이는 배터리 시스템(1)에 배터리 셀들(2)의 접속을 증진한다. 양호도가 낮으면, 이는 배터리 셀(2)의 브리지를 증진한다. 이 경우, 마이크로컨트롤러 회로(12)는 배터리 셀(2)을 브리지하기 위해, 또는 배터리 시스템(1)에 배터리 셀(2)을 접속하기 위해 상응하는 스위칭 신호를 구동기(13)로 송신하며, 그 다음 구동기는 스위칭 부재(14)를 스위칭한다.
도 2에는, 도 1에 도시되고 도 1과 관련하여 설명한 배터리 시스템(1)의 바람직한 구현 변형예가 도시되어 있다. 배터리 시스템(1)의 배터리 셀들(2)은, 도 1에 도시된 실시예와 달리, 풀 브리지 구성(8)을 통해 배터리 스트링(6)에 연결된다. 풀 브리지 구성(8)은 도 2에 개략적으로만 도시되어 있다. 풀 브리지 구성(8)에 의해, 배터리 셀들(2)은 바람직한 방식으로 음의 극성을 갖거나, 또는 양의 극성을 가지면서 배터리 시스템(1)에 접속될 수 있다. 이 경우, 서로 상반되는 극성을 갖는 배터리 셀들은 바람직하게는 다른 배터리 셀들에 의해 충전될 수 있으며, 그럼으로써 바람직한 방식으로 자율적인 셀 밸런싱이 실시될 수 있다. 또한, 배터리 셀들(2)은 음의 극성을 가지면서 브리지될 수 있거나, 또는 양의 극성을 가지면서 브리지될 수 있다. 제어 유닛(16)은 바람직하게는 양의 스위치 온 확률, 음의 스위치 온 확률, 양의 스위치 오프 확률 및 음의 스위치 오프 확률을 생성하도록 형성된다.
미도시한 바람직한 실시 변형예에 따라서, 배터리 시스템의 하나의 소정 개수의 배터리 셀이 하프 브리지 구성으로 배터리 시스템의 배터리 스트링에 연결될 수 있고 상기 배터리 시스템의 다른 소정 개수의 배터리 셀이 풀 브리지 구성으로 상기 배터리 시스템의 배터리 스트링에 연결될 수 있다.
도 3 내지 도 7에는, 본 발명에 따른 방법의 실행의 범위에서 스위치 온 확률들 및 스위치 오프 확률들이 각각 생성될 수 있는 근거가 되는 스위치 온 확률 함수들 및 스위치 오프 확률 함수들에 대한 바람직한 실시예들이 간소화되어 도시된 x-y 좌표계들에 도시되어 있다. 이 경우, 스위치 온 확률 함수들 및 스위치 오프 확률 함수들은 ΔU의 함수들이며, 여기서 ΔU는 배터리 시스템의 설정 출력 전압과 실제 출력 전압의 차이이다. 다시 말하면, 각각의 값(ΔU)에는 구체적인 스위치 온 확률(PEIN) 및 구체적인 스위치 오프 확률(PAUS)이 각각 할당된다.
스위치 온 확률들(PEIN) 및 스위치 오프 확률들(PAUS)은 각각 y 축 상에 표시되고, ΔU에 대한 값들은 x 축 상에 표시된다. 특히 y 축의 왼쪽에서 ΔU에 대한 값들은 음수이며, 다시 말하면 y 축의 왼쪽에서 실제 출력 전압은 설정 출력 전압보다 더 크다.
도 3에는, 스위치 온 확률 및 스위치 오프 확률이 생성되는 근거가 되는 스위치 온 확률 함수(4) 및 스위치 오프 확률 함수(5)에 대한 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 스위치 온 확률 함수(4) 및 스위치 오프 확률 함수는 ΔU의 함수들이며, ΔU는 배터리 시스템의 설정 출력 전압과 실제 출력 전압의 차이이다.
스위치 온 확률 함수(4) 및 스위치 오프 확률 함수(5)는 도 3에 도시된 실시예의 경우 y 축에 의해 형성되는 대칭축(17)과 관련하여 대칭이며, 대칭축은 설정 출력 전압이 실제 출력 전압과 동일한 지점을 통과한다. 특히, 스위치 온 확률 및 스위치 오프 확률은 각각 "0"과 "1" 사이의 값을 가질 수 있다.
도 3에서 알 수 있는 것처럼, 실시예에서, 스위치 온 확률 함수 및 스위치 오프 확률 함수는 선형 함수들이다. 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 작다면, 다시 말해 ΔU가 양의 수라면, 스위치 온 확률(PEIN)은 크고 스위치 오프 확률(PAUS)은 작다. 이와 반대로 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 크다면, 다시 말해 ΔU가 음의 수라면, 스위치 온 확률(PEIN)은 스위치 오프 확률(PAUS)보다 더 작다.
도 4에는, 축(17)에 대해 반사 대칭이 아닌 방식으로 형성되는 스위치 온 확률 함수(4) 및 스위치 오프 확률 함수(5)에 대한 추가의 바람직한 실시예가 도시되어 있다.
도 5에는, 스위치 온 확률 함수(4) 및 스위치 오프 확률 함수(5)에 대한 다른 바람직한 실시예가 도시되어 있으며, 여기서 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 크다면, 스위치 온 확률(PEIN)은 영(0)이다. 또한, 실제 출력 전압이 설정 출력 전압보다 더 작다면, 스위치 오프 확률(PAUS)이 영(0)이다.
도 6 및 도 7에는, 특히 도 2와 관련하여 설명된 것처럼, 특히 배터리 셀들이 풀 브리지 구성으로 서로 연결되어 있는 배터리 시스템에서, 양의 스위치 온 확률(PEIN), 음의 스위치 온 확률(PEIN), 양의 스위치 오프 확률(PAUS) 및 음의 스위치 오프 확률(PAUS)의 생성을 위해 사용될 수 있는 양의 스위치 온 확률 함수들(18), 음의 스위치 온 확률 함수들(19), 양의 스위치 오프 확률 함수들(20) 및 음의 스위치 오프 확률 함수들(21)에 대한 바람직한 구현예들이 도시되어 있다. 이 경우, 특히 음의 스위치 온 확률 함수는 음의 부호를 갖는 스위치 온 확률(PEIN)을 제공하고, 음의 스위치 오프 확률 함수는 음의 부호를 갖는 스위치 오프 확률(PAUS)을 제공한다.
도 7에 도시된 실시예의 경우, 스위치 온 확률들(PEIN) 및 스위치 오프 확률들(PAUS)은 ΔU에 대한 특정 값부터 최댓값(22) 또는 최솟값(23)으로 제한된다.
도면들에 도시되고 도면들과 관련하여 설명된 실시예들은 본 발명을 설명하기 위해 사용되며 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
1: 배터리 시스템
2: 배터리 셀
3: 실제 출력 전압
4: 스위치 온 확률 함수
5: 스위치 오프 확률 함수
6: 배터리 스트링
7: 하프 브리지 구성
8: 풀 브리지 구성
10: 활성화 회로
11: 인터페이스
12: 마이크로컨트롤러 회로
13: 구동기
14: 스위칭 부재
15: 통신 버스
16: 제어 유닛
17: 대칭축
18: 양의 스위치 온 확률 함수
19: 음의 스위치 온 확률 함수
20: 양의 스위치 오프 확률 함수
21: 음의 스위치 오프 확률 함수
22: 최댓값
23: 최솟값
ΔU: 설정 출력 전압과 실제 출력 전압에서의 차이

Claims (10)

  1. 복수의 배터리 셀(2)을 포함하는 배터리 시스템(1)의 출력 전압의 제어를 위한 방법으로서, 상기 복수의 배터리 셀은, 상기 배터리 시스템(1)의 배터리 셀들(2)이 각각 상기 배터리 시스템(1)에 접속될 수 있으며 전기적으로 브리지될 수 있는 방식으로, 전기적으로 서로 연결되어 있고, 설정 출력 전압에 대한 상기 배터리 시스템(1)의 실제 출력 전압의 매칭을 위해 적어도 하나의 스위치 온 확률이 생성되고, 상기 배터리 셀들(2)은 생성된 상기 적어도 하나의 스위치 온 확률로 상기 배터리 시스템(1)에 접속되는, 상기 방법에 있어서,
    상기 설정 출력 전압에 대한 상기 배터리 시스템(1)의 상기 실제 출력 전압(3)의 매칭을 위해 추가로 적어도 하나의 스위치 오프 확률이 생성되고, 상기 배터리 셀들(2)은 상기 적어도 하나의 생성된 스위치 오프 확률로 전기적으로 브리지되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위치 온 확률은 각각 스위치 온 확률 함수(4)로부터 생성되고, 및/또는 상기 적어도 하나의 스위치 오프 확률은 각각 스위치 오프 확률 함수(5)로부터 생성되며, 상기 스위치 온 확률 함수(4) 및 상기 스위치 오프 확률 함수(5)는 각각 상기 설정 출력 전압과 상기 실제 출력 전압의 차이에 따르는 함수들인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위치 온 확률 함수(4) 및 상기 스위치 오프 확률 함수(5)는, 상기 설정 출력 전압이 상기 실제 출력 전압과 동일한 지점을 통과하여 연장되는 대칭축(17)과 관련하여 반사 대칭인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실제 출력 전압(3)이 상기 설정 출력 전압보다 더 크다면, 상기 적어도 하나의 스위치 온 확률은 영(0)이고, 및/또는 상기 실제 출력 전압(3)이 상기 설정 출력 전압보다 더 작다면, 상기 적어도 하나의 스위치 오프 확률이 영(0)인 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 설정 출력 전압에 대한 상기 배터리 시스템(1)의 실제 출력 전압의 매칭을 위해, 각각 하나의 스위치 온 확률 및 각각 하나의 스위치 오프 확률이 생성되며, 상기 실제 출력 전압이 상기 설정 출력 전압보다 더 작다면, 상기 스위치 온 확률은 상기 스위치 오프 확률보다 더 크고, 상기 실제 출력 전압이 상기 설정 출력 전압보다 더 크다면, 상기 스위치 오프 확률이 상기 스위치 온 확률보다 더 큰 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리 시스템(1)에 상기 배터리 셀들(2)의 접속은 각각의 배터리 셀(2)에 대해 양의 극성으로 또는 음의 극성으로 수행될 수 있고, 상기 설정 출력 전압에 대한 상기 실제 출력 전압(3)의 매칭을 위해 양의 스위치 온 확률이 생성되고, 상기 배터리 셀들(2)은 생성된 상기 양의 스위치 온 확률로 양의 극성을 갖는 상기 배터리 시스템(1)에 접속되고, 및/또는 음의 스위치 온 확률이 생성되고, 상기 배터리 셀들(2)은 상기 생성된 음의 스위치 온 확률로 음의 극성을 갖는 상기 배터리 시스템(1)에 접속되고, 및/또는 양의 스위치 오프 확률이 생성되고, 상기 배터리 셀들(2)은 양의 극성을 가지면서 생성된 상기 양의 스위치 오프 확률로 전기적으로 브리지되고, 및/또는 음의 스위치 오프 확률이 생성되고, 상기 배터리 셀들(2)은 음의 극성을 가지면서 생성된 상기 음의 스위치 오프 확률로 전기적으로 브리지되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템의 출력 전압 제어 방법.
  7. 전기적으로 서로 연결된 복수의 배터리 셀(2)과, 복수의 활성화 회로(10)와, 배터리 셀들(2)에 의해 공급되는 배터리 시스템(1)의 출력 전압의 제어를 위한 하나의 제어 유닛을 포함하는 배터리 시스템(1)으로서, 상기 배터리 셀들(2)에는 활성화 회로들(10) 중 각각 하나의 활성화 회로가 할당되고, 상기 배터리 셀들(2)은 각각 상기 활성화 회로들(10)에 의해 배터리 시스템(1)에 접속될 수 있거나, 또는 전기적으로 브리지될 수 있는, 상기 배터리 시스템에 있어서,
    상기 배터리 시스템(1)은 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(1).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 스트링(6)를 포함하며, 상기 배터리 셀들(2)은 각각 하프 브리지 구성(7)으로 상기 배터리 시스템(1)의 배터리 스트링(6)에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(1).
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 배터리 시스템은 적어도 하나의 배터리 스트링(6)를 포함하며, 상기 배터리 셀들(2)은 각각 풀 브리지 구성(8)으로 상기 배터리 시스템(1)의 배터리 스트링(6)에 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(1).
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 활성화 회로들(10)은 각각 적어도 하나의 스위칭 부재(14)와, 적어도 하나의 구동기(13)와, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 회로(12)와, 적어도 하나의 인터페이스(11)를 포함하며, 상기 마이크로컨트롤러 회로(12)는, 상기 적어도 하나의 인터페이스(11)를 통해 적어도 하나의 스위치 온 확률 및/또는 적어도 하나의 스위치 오프 확률을 수신하고, 이를 기반으로 활성화 신호를 생성하도록 형성되며, 상기 구동기(13)는 생성된 상기 활성화 신호에 따라서 상기 적어도 하나의 스위칭 부재(14)를 스위칭하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 시스템(1).
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