KR20170110678A - 자동차의 배터리용 배터리 셀, 배터리 및 자동차 - Google Patents

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미카엘 힌터버거
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아우디 아게
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Abstract

본 발명은 제1 전극(4) 및 제2 전극(5)을 구비하는 갈바닉 요소(2), 제1 연결부(6)과 제2 연결부(7)를 구비하는 배터리 셀 하우징(3), 상기 배터리 셀(1)의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), 및 제어 장치(19)를 포함하는 자동차의 배터리용 배터리 셀(1)에 관한 것으로서, 상기 갈바닉 요소(2)는 상기 배터리 셀 하우징(3) 내에 배치되고, 상기 배터리 셀(1)은 상기 제1 연결부(6) 및 상기 제2 연결부(7)가 전기적으로 연결될 수 있게 하는 스위칭 장치(S)를 포함하고, 상기 제어 장치(19)는 상기 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)에 의해 검출된 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 배터리 셀(1)의 브릿징을 위해 상기 스위칭 장치(S)를 폐쇄하도록 설계된다. 본 발명은 또한 배터리 및 자동차에 관한 것이다.

Description

자동차의 배터리용 배터리 셀, 배터리 및 자동차
본 발명은 제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 갈바닉 요소, 제1 연결부 및 제2 연결부를 구비하는 배터리 셀 하우징, 상기 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치, 및 제어 장치를 포함하고, 상기 갈바닉 요소는 상기 배터리 셀 하우징 내에 배치되는 자동차의 배터리용 배터리 셀에 관한 것이다. 또한 본 발명은 배터리 및 자동차에 관한 것이다.
알려진 배터리 셀에서, 각 갈바닉 요소는 일반적으로 배터리 셀 하우징 내에 배치된다. 특정 전압 또는 특정 전류를 제공하기 위해, 복수의 배터리 셀이 배터리에 함께 접속될 수 있다. 이러한 배터리는 오늘날 특히 자동차, 특히 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 구동 배터리(traction batteries)로서 자동차의 구동용으로 사용된다. 그러나, 자동차에서 배터리를 사용할 때, 배터리는 소정의 요건을 충족해야 한다. 구동 배터리는 수백 볼트를 제공할 수 있으므로, 예를 들어 인명 피해를 회피하기 위해 특별한 안전 조치를 취해야 한다. 또한 배터리의 높은 가용성이 보장되어야 한다. 이러한 가용성은 특히 배터리의 손상 정도 또는 노후화에 따라 달라진다. 배터리 셀은 제조 결과로서 발생하는 커패시턴스 및 내부 저항의 편차를 갖기 때문에, 일반적으로 다른 속도로 충전 및 방전된다. 이러한 경우, 개별 셀이 예를 들어 심하게 방전되거나 또는 과충전될 때, 배터리가 손상될 수 있다. 여기서 배터리 셀의 손상 또는 고장은 특히 배터리 셀의 직렬 연결에서 전체 배터리의 고장을 발생시킬 수 있다.
배터리 또는 개별 배터리 셀을 모니터링하기 위한 수단이 종래 기술로부터 알려져 있다. 따라서, DE 10 2010 011 740 A1호는 개개의 배터리 셀의 상태가 센서에 의해 검출되고 상위 중앙 유닛으로 무선으로 송신되는 배터리를 도시한다. WO 2012/034045 A1호에서는 측정 장치가 배터리 셀 상에 또는 배터리 셀 내에 장착되는 배터리 모니터링 시스템이 설명된다. 또한 WO 2004/047215 A1호는 배터리의 수명을 연장시키기 위해 배터리의 물리적 특성을 모니터링하는 배터리 관리 시스템을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 배터리 셀을, 특히 안전하게 구성하는 것이다.
이러한 목적은 본 발명에 따르면 독립 청구항에 따른 특징을 갖는 배터리 셀, 배터리 및 자동차에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항, 발명의 상세한 설명 및 도면의 주제이다.
본 발명에 따른 자동차의 배터리용 배터리 셀은 제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 갈바닉 요소, 제1 연결부 및 제2 연결부를 구비하는 배터리 셀 하우징, 상기 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치, 및 제어 장치를 포함하고, 상기 갈바닉 요소는 상기 배터리 셀 하우징 내에 배치된다. 또한, 상기 배터리 셀은 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부가 전기적으로 연결될 수 있게 하는 스위칭 장치를 포함한다. 또한 상기 제어 장치는 상기 센서 장치에 의해 검출된 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라, 상기 배터리 셀의 브릿징을 위해 상기 스위칭 장치를 폐쇄하도록 설계된다.
갈바닉 요소는 특히 전기 부품에의 전력 공급을 위해 방전될 수 있고 방전 후에 다시 충전될 수 있는 2차 전지로서 설계된다. 갈바닉 요소는 배터리 셀 하우징에 배치되고, 갈바닉 요소의 제1 전극은 제1 연결부에 전기적으로 결합되고 갈바닉 요소의 제2 전극은 제2 연결부에 전기적으로 결합된다. 따라서, 갈바닉 요소에 의해 제공되는 전기 에너지는 예를 들어 전기 부품에 전력을 공급하기 위한 연결부에서 태핑될(tapped) 수 있다. 또한, 갈바닉 요소에 연결부를 통해 충전용 에너지를 공급하는 것도 가능하다. 또한 배터리 셀은 연결부를 통해 다른 동일한 유형의 배터리 셀과 배터리에 연결될 수 있다.
배터리 셀 하우징의 내부 또는 외부에 배치될 수 있는 적어도 하나의 센서 장치는 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위해 사용된다. 적어도 하나의 센서 장치 또는 센서는 소위 미소 전자 기계 시스템(MEMS)으로서 구성될 수 있다. 센서는 예를 들어 다음 센서 중 적어도 하나로 구성될 수 있다: 진동 센서, 가속 센서, 자이로스코프, 온도 센서, 역각 센서, 압력 센서, 굽힘 센서, 스트레인 센서, 변위 센서, 경사 센서, 거리 센서, 근접 센서, 광학 센서, 예를 들어 옵토 센서, 광 센서, UV 센서, 컬러 센서, IR 센서, 특히 NDIR(비-분산 적외선) 센서, 스펙트럼 센서, 예를 들어 전해질의 충전 레벨을 측정하기 위한 충전 레벨 측정용 센서, 예를 들어 전해질의 전도도를 측정하기 위한 전도도 측정용 센서, 자유 이동하는 분자, 원자 또는 소립자의 검출을 위한 입자 검출용 센서, 전류 측정용 센서, 자기장 센서, 홀 센서, 전압 측정용 센서, 예를 들어 배터리 셀의 내부의 가스 조성을 위한 가스 센서, 예를 들어 전해질 또는 가스의 화학적 조성을 위한 전기 화학적 센서, pH 센서, 초음파 센서, 정밀도가 높은 거리 측정용 유도 센서, 압전 센서 또는 광전 센서.
배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성, 즉 적어도 하나의 센서 장치에 의해 검출된 센서 데이터는 신호 경로를 통해 신호로서 제어 장치로 전송된다. 신호 경로를 통한 신호 전송은 예를 들어 적외선, 블루투스, WLAN을 통해 무선으로; RFID(무선 주파수 식별) 또는 WIFI, 또는 유선 결합 방식으로 수행될 수 있다. 유선 결합 방식의 전송을 위해, 적어도 하나의 센서 장치 및 제어 장치는 전기적 라인, 예를 들어 가요성 인쇄 회로 기판, 광학적 라인, 예를 들어 유리 섬유, 또는 버스 시스템, 예를 들어 LIN, CAN, I2C, SPI, UART를 통해 결합될 수 있다.
이 경우, 배터리 셀의 모든 센서 장치 및 제어 장치는 네트워크의 네트워크 노드로 설계되는 것이 제공될 수 있다. 여기서 네트워크는, 예를 들어, 완전히 상호 연결된 네트워크로서 가능한 네트워크 토폴로지로 구현될 수 있다. 완전히 상호 연결된 네트워크에서, 각 센서 장치는 직접 또는 적어도 하나의 다른 센서 장치를 통해 제어 장치와 통신할 수 있다. 즉, 이는 센서 장치 각각이 다른 센서 장치의 신호를 수신하여 전송하도록 구성되는 것을 의미한다. 이러한 리던던트한(redundant) 신호 경로에 의해, 제어 장치와 센서 장치 사이의 신호 전송 및 이에 따라 배터리 셀의 모니터링이 특히 안전하게 구성된다.
제어 장치는 마이크로컨트롤러, 예를 들어 디지털 신호 프로세서(DSP) 또는 FPGA(field programmable gate array)(필드 프로그램 가능 게이트 어레이)를 적어도 포함할 수 있다. FGPA의 경우, 제어 장치의 모든 기능들이 또한 후속적으로 프로그래밍될 수 있는, 예를 들어 추가되거나 또는 삭제될 수 있는 장점이 얻어진다. 제어 장치는 또한 다양한 기능 또는 작업을 수행하는 하나 이상의 마이크로컨트롤러를 포함할 수도 있다. 이러한 마이크로컨트롤러는 예를 들어 단일 칩 시스템 또는 SoC(System-on-a-Chip)로 설계될 수 있다. 또한, 제어 장치는 마이크로컨트롤러가 부분적으로 배터리 셀 하우징 내부에 배치되고 부분적으로 배터리 셀 하우징 외부에 배치되고 예를 들어 무선 전송 장치를 통해 서로 통신하는, 분산형 분배 시스템으로 설계되는 것이 제공될 수도 있다.
적어도 하나의 센서 장치의 신호에 기초하여, 제어 장치는 배터리 고유의 특성값을 계산하거나 또는 결정할 수 있다. 이러한 배터리 고유의 특성값은 예를 들어 충전 상태(State of Charge), 소위 활력 상태(State of Health), 기대 수명 또는 잔여 수명 또는 배터리 셀의 손상 정도일 수 있다. 이를 위해, 예를 들어, 배터리 셀에 대한 모델이 제어 장치 내에 저장될 수 있으며, 이 모델에 기초하여 제어 장치는 배터리 고유의 특성 데이터를 결정한다.
스위칭 장치는 예를 들어 릴레이 또는 반도체 스위칭 요소로서 설계될 수 있으며, 스위칭 장치는 각각 예를 들어 전류 레일을 통해 배터리 셀 하우징의 연결부에 연결된다. 스위칭 장치가 개방되면, 전류 레일 및 스위칭 장치를 통해 연결부 사이에 어떠한 전류도 흐르지 않는다. 따라서 개방 상태에서, 배터리 셀은 의도한 바에 따라 전기 에너지를 제공하기 위해 그리고/또는 충전을 위해 사용될 수 있다. 스위칭 장치가 폐쇄되면, 전류 레일 및 스위칭 장치를 통해 연결부 사이에 전류가 흐를 수 있다. 이 경우, 갈바닉 요소는 브릿징된다.
예를 들어, 제어 장치가 배터리 셀의 손상을 결정한 경우, 제어 장치는 폐쇄를 위해 스위칭 장치를 제어하도록 설계된다. 이러한 브릿징의 가능성은 특히 배터리 셀의 직렬 연결의 경우에 유리하다. 예를 들어, 직렬 연결된 배터리 셀 중 하나에 결함이 있는 경우, 즉 손상이 있는 경우, 이 배터리 셀은 스위칭 장치를 사용하여 브릿징될 수 있다. 종래 기술에 따르면, 결함 있는 배터리 셀에 의해 직렬 회로의 전류 흐름이 차단되었다. 전술한 배터리 셀에 의해서는, 결함 있는 배터리 셀을 간단한 방식으로 브릿징할 수 있고, 결함 있는 배터리 셀의 스위칭 장치를 통해 인접한 배터리 셀로 전류가 안내될 수 있다. 즉, 직렬 회로 내부의 전류 및 이에 따라 전체 배터리의 기능 효율성이 유지될 수 있다. 따라서, 예를 들어 자동차를 구동하기 위해 자동차에 배치된 배터리는 또한 전기 에너지를 제공할 수 있다. 따라서, 유리하게는, 자동차 운전자는 자동차를 수리 공장으로 운전해서 갈 수 있는 가능성을 갖게 된다.
특히 바람직하게는, 스위칭 장치는 배터리 셀 하우징 내에 배치되고, 배터리 셀 하우징에 열적으로 결합된다. 따라서, 스위칭 장치는 특히 배터리 셀 하우징 내에 공간 절약형으로 배치되고, 스위칭 장치의 작동 중에 발생하는 열은 배터리 셀 하우징으로 배출되고 배터리 셀의 주변으로도 전달될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예는 상기 전극 중 적어도 하나가 전자 스위칭 요소를 통해 상기 연결부 중 하나에 연결되며, 상기 전자 스위칭 요소는 상기 전극과 상기 각각의 연결부 사이의 전류 흐름을 제한하도록 설계되고, 상기 제어 장치는 상기 적어도 하나의 센서 장치에 의해 검출된 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 전류 흐름을 제한하기 위해 상기 전자 스위칭 요소를 제어하도록 설계되는 것을 제공한다. 전자 스위칭 요소는 특히 전류 흐름이 전자 스위칭 요소를 통해 전자 스위칭 요소 상의 제어 전압에 의해 제어될 수 있는 반도체 스위치로서 설계된다. 예를 들어 전력 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터) 또는 IGBT(절연 게이트 양극성 트랜지스터)로 설계될 수 있는 스위칭 요소는 제어 전압에 따라 다양한 영역에서 작동될 수 있다. 전자 스위칭 요소가 차단 영역에서 작동될 때, 즉 제어 전압이 사전 설정된 임계값 미만이면, 전자 스위칭 요소는 전극과 각각의 연결부 사이의 전류 흐름을 차단하거나 또는 막는다. 전자 스위칭 요소가 선형 영역 또는 3극 영역에서 작동될 때, 전류 흐름은 제어 전압을 상승시킴으로써 선형으로 증가될 수 있다. 전자 스위칭 요소가 포화 영역에서 작동될 때, 연결부와 전극 사이에 특정 제어 전압으로부터 시작하여 일정한 최대의 전류가 흐를 수 있다. 제어 장치는 제어 전압을 그에 상응하게 조절하도록 설계되어, 검출된 물리적 및/또는 화학적 특성에 기초하여 적절한 범위로 제공된다.
적어도 하나의 센서 장치가 예를 들어 갈바닉 요소의 변형을 검출하도록 설계된 역각 센서를 포함한다면, 제어 장치는 검출된 변형에 기초하여 배터리 셀의 손상 정도를 결정할 수 있다. 이러한 손상 정도에 따라, 제어 장치는 전류 흐름을 제한하기 위해 전자 스위칭 요소를 제어할 수 있다. 즉, 이는 배터리 셀로부터 획득된 전류 또는 배터리 셀에 공급되는 전류가 제한되어, 최대 전류값보다 작은 값으로 감소된다는 것을 의미한다. 이를 위해 전자 스위칭 요소는 선형 영역에서 작동된다. 따라서, 바람직하게는, 작동 전략이 배터리 셀의 상태, 예를 들어, 노후화 또는 손상 정도에 맞추어지고, 이를 통해 배터리 셀의 잔여 수명이 연장될 수 있다.
특히 바람직하게는, 적어도 하나의 센서 장치는 갈바닉 요소와 배터리 셀 하우징 사이의 절연 저항을 검출하도록 설계된다. 또한, 제어 장치는 절연 저항이 절연 저항의 사전 설정된 임계값을 초과하는 경우, 상기 연결부를 브릿징시키기 위해 상기 스위칭 장치를 폐쇄하고 상기 전류를 제한하기 위해 상기 전자 스위칭 요소를 제어하도록 설계된다.
배터리 셀 하우징은 2개 부품의 알루미늄 하우징으로 설계될 수 있고, 2개의 부품은 갈바닉 요소 또는 배터리 셀 와인딩의 통합 후에 "가스 밀봉식으로" 서로 용접될 수 있다. 여기서 갈바닉 요소 또는 특히 갈바닉 요소의 전극은 전기 전도성 배터리 셀 하우징에 대해 절연된다. 이를 위해 예를 들어 절연 재료가 배터리 셀 하우징의 벽의 내측면과 갈바닉 요소 사이에 배치될 수 있다. 결함 없는 절연을 검사하기 위해, 본 경우에 소위 절연 모니터로 설계되는 센서에 의해, 배터리 셀 하우징과 갈바닉 요소 사이의 절연 저항이 결정되고, 절연 저항에 대한 사전 설정된 임계값과 비교된다. 측정된 절연 저항이 임계값 미만이 되는 즉시, 즉, 갈바닉 요소가 배터리 셀 하우징에 저 저항으로 연결되는 즉시, 이는 결함 있는 절연을 의미한다. 이러한 결함 있는 절연은 전류가 전기 전도성 배터리 셀 하우징을 통해 안내되는 결과를 가질 수 있다. 결함 있는 절연이 존재하는 경우, 제어 장치는 전류를 차단하도록 전자 스위칭 요소를 제어한다. 따라서, 전자 스위칭 요소는 차단 영역에서 작동된다. 배터리 셀들의 직렬 회로에서 전류 흐름이 차단되는 것을 방지하기 위해, 제어 장치는 추가적으로 스위칭 장치를 차단하도록 그리고 이로써 결함 있는 절연을 갖는 배터리 셀을 브릿징하도록 제어한다. 따라서, 배터리 셀의 결함에도 불구하고, 배터리는 유리하게 기능 효율적으로 유지된다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 상기 배터리 셀은 상기 적어도 하나의 센서 장치에 의해 검출된 상기 배터리 셀의 상기 물리적 및/또는 화학적 특성을 저장하기 위한 저장 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 저장 장치에 의해 저장된 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 연결부를 브릿징시키기 위해 상기 스위칭 장치를 폐쇄하도록 설계된다. 저장 장치에서는, 예를 들어 시간에 따라 모든 센서의 신호가 저장될 수 있다. 따라서, 특히, 시간에 따라, 예를 들어 배터리 셀의 초기 상태(BoL)(Begin of Life)로부터 최종 상태(EoL)(End of Life)까지 배터리 셀의 물리적 및/또는 화학적 특성의 변화가 관찰될 수 있다. 따라서, 배터리 셀 작동 수명의 이력이 생성될 수 있다. 따라서, 예를 들어 배터리 셀이 겪었던 특별 이벤트, 예를 들어 특히 높은 가속도가 문서화되고 언제든지 호출될 수 있다.
가능한 저장 장치로서, 예를 들어 소위 (초)저에너지 메모리 또는 FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)을 사용할 수 있다. 또한, 예를 들면, 일련 번호 또는 일대일 식별 데이터를 포함하거나 또는 활성화 시에 처음 기록되는 것에 의해, 추가적인 로직에 의해 조작이 방지될 수 있는 OTP(One Time Programmable)(일회성 프로그램 가능) 저장 시스템이 모든 전자 프로그램 가능 구성 요소에 적합하다. 따라서 배터리 셀 및 배터리 셀에 대한 모든 정보가 조작에 대해 특히 잘 보호될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 배터리 셀은 상위 제어 장치 및/또는 다른 배터리 셀과 통신하기 위한 통신 장치를 포함한다. 이러한 통신 장치는 바람직하게는 예를 들어 블루투스 또는 WLAN을 통해 데이터를 전송하는 무선 전송 장치로서 구현된다. 예를 들어, 각 배터리 셀의 충전 상태를 나타내는 이러한 데이터는 예를 들어 배터리 관리 시스템으로 또는 다른 동일한 유형의 배터리 셀의 제어 장치로 전송될 수 있다. 따라서 예를 들어, 직렬 연결된 배터리 셀의 충전 상태가 서로 상이한 경우에 충전 상태 조정, 소위 밸런싱을 수행할 수 있다. 이러한 밸런싱은, 가장 강하게 충전된 배터리 셀이 의도적으로 스위치 가능한 저항을 통해 방전되는 소위 패시브 밸런싱(passive balancing)일 수 있으며, 상기 스위칭 가능한 저항은 저항을 통해 열로 변환된 배터리 셀의 에너지가 배터리 셀 하우징을 통해 배출될 수 있도록 바람직하게는 배터리 셀 하우징에 배치되어 있다. 또한 가장 약하게 충전된 배터리 셀이 의도적으로 충전되는 액티브 밸런싱도 수행될 수 있다. 이는 예를 들어 2개의 배터리 셀의 배터리 셀 하우징을 통한 용량성 에너지 전달을 통해 또는 또한 유도성 에너지 전달에 의해서도 수행될 수 있다.
따라서, 통신 장치를 통해 유리하게는 전체 배터리의 상태가 항상 검출되며 모니터링될 수 있고, 이에 따라 전체 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 적어도 하나의 센서 장치는 검출된 값이 제1 경우로 사전 설정된 임계값을 초과하거나 또는 제2 경우로 사전 설정된 다른 임계값 미만인 경우에만, 상기 물리적 및/또는 화학적 특성의 검출된 값을 상기 제어 장치에 전달하도록 설계된다. 즉, 이는 검출된 값이 사전 설정된 값 범위의 밖에 있을 때, 검출된 값이 제어 장치로 전송되는 것을 의미한다. 임계값은 예를 들어 배터리 셀 하우징 내부의 최대 온도값 또는 최대 압력값 또는 연결부와 전극 사이의 최대 전류값일 수 있다. 센서 장치에 의해 검출된 데이터의 이와 같은 이벤트 제어 방식의 전송에 의해, 송신기측 즉 센서 장치측뿐만 아니라 수신기측 즉 제어 장치측에서도 에너지가 절약될 수 있는데, 왜냐하면 검출된 값이 변할 때에만, 데이터의 전송을 위해 에너지가 필요하기 때문이다. 동일한 방식으로, 데이터는 또한 이벤트 제어 방식으로 저장 장치로 전송될 수 있다. 이러한 에너지 절약 수단은 센서 장치, 제어 장치 및 저장 장치가 갈바닉 요소 자체에 의해 전기 에너지를 공급받을 때 특히 유리하다.
본 발명의 다른 유리한 실시예는 상기 적어도 하나의 센서 장치 및/또는 상기 제어 장치 및/또는 상기 저장 장치가 에너지 공급을 위해 각각 주변 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 설계되는 에너지 변환 장치를 포함하는 것을 제공한다. 여기서 에너지 변환 장치는 소위 에너지 수확 센서 또는 에너지 하비스팅 센서(Energy Harvesting Sensor)로 설계된다. 에너지 수확 또는 에너지 하비스팅은 주변 온도, 진동, 공기 유동, 광 및 자기장과 같은 주변 에너지원으로부터 소량의 전기 에너지를 획득하는 것을 지칭한다. 이를 위해 사용되는 구조, 즉 에너지 변환 장치는 또한 나노 발전기라고도 한다.
이러한 나노 발전기는 예를 들어 압력, 진동 또는 음향을 통한 힘의 작용 시, 전압을 생성하는 압전 크리스탈, 및/또는 온도 차이에 의해 전기 에너지를 획득하는 열전 발전기 및 초전기(pyroelectric) 크리스탈, 및/또는 전파 또는 전자기 방사로부터 에너지를 픽업하여 에너지적으로 사용하는 안테나, 특히 패시브 RFID 및/또는 광전 효과를 기반으로 광을 전기 에너지로 변환하는 센서일 수 있다. 에너지 하비스팅은 무선 기술의 경우 케이블 기반 전류 공급 장치 또는 분리된 또는 별도의 배터리에 의한 한계를 회피한다.
본 발명은 또한 특히 본 발명에 따른 적어도 2개의 배터리 셀의 직렬 회로를 포함하는 배터리에도 관련된다.
본 발명에 따른 자동차는 본 발명에 따른 적어도 하나의 배터리를 포함한다. 자동차는 예를 들어, 개인용 자동차, 특히 전기 또는 하이브리드 자동차로서 설계될 수 있다. 그러나, 또한, 자동차는 전기로 구동되는 오토바이 또는 자전거로서 설계될 수도 있다.
그러나, 또한, 고정 에너지 저장 시스템에 배터리를 제공하는 것도 가능하다. 여기서 예를 들어 차량에 제공되었던 배터리가 소위 세컨드 라이프 배터리로 고정식 에너지 저장 시스템에 계속 사용되는 것도 또한 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀을 참조하여 제시된 바람직한 실시예 및 그 장점은 그에 상응하게 본 발명에 따른 배터리뿐만 아니라 본 발명에 따른 자동차에도 적용된다.
이하에서는 본 발명이 첨부된 도면을 참조할 뿐만 아니라 바람직한 예시적인 실시예를 통해 보다 상세히 설명된다.
도 1은 복수의 센서 장치 및 브릿징 장치를 포함하는 배터리 셀의 실시예의 개략도를 도시한다.
이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 양호한 실시예이다. 그러나, 실시예에서, 실시예의 설명된 구성 요소는 각각의 경우에 서로 독립적인 본 발명의 개별적인 특징을 나타내며, 상기 특징 각각은 또한 본 발명을 서로 독립적으로 개선하고, 따라서 또한 개별적으로 또는 도시된 것과 다른 조합으로 본 발명의 일부로서 제공된다. 또한, 설명된 실시예는 본 발명의 이미 설명된 다른 특징을 통해 추가로 보완될 수 있다.
도 1은 갈바닉 요소(2) 또는 배터리 셀 와인딩 및 배터리 셀 하우징(3)을 포함하는 배터리 셀(1)을 도시한다. 여기서 갈바닉 요소(2)는 배터리 셀 하우징(3)에 배치된다. 배터리 셀 하우징(3)은 예를 들어 알루미늄으로 제작될 수 있다. 갈바닉 요소(2)는 제1 전극(4) 및 제2 전극(5)을 포함한다. 배터리 셀 하우징(3)은 2개의 연결부(6, 7)를 포함하고, 여기서 제1 전극(4)은 전자 스위칭 요소(8)를 통해 제1 연결부(6)와 연결되고, 제2 전극(5)은 직접 제2 연결부(7)와 연결된다. 그러나, 제2 전극(5)과 제2 연결부(7)가 다른 전자 스위칭 요소를 통해 서로 연결되도록 제공될 수도 있다. 전자 스위칭 요소(8)는 특히 반도체 스위치로서 설계되며, 이 반도체 스위치를 통해 제어 전압을 인가함으로써 전류 흐름이 제어될 수 있다.
연결부(6, 7)를 통해, 갈바닉 요소(2)에 의해 제공된 에너지가 전기 부품으로 공급되도록 제공될 수 있다. 또한 배터리 셀(1)에는 연결부(6, 7)를 통해 전기 에너지가 충전을 위해 공급될 수 있다. 연결부(6, 7)를 통해 배터리 셀(1)은 또한 동일한 유형의 다른 배터리 셀(1)과 특히 직렬로 배터리에 상호 접속될 수 있다. 이러한 배터리는 예를 들어, 자동차를 구동하기 위해 여기서는 도시되지 않는 자동차에 배치될 수 있다. 그러나, 이러한 배터리는 또한 여기에 도시되지 않는 고정된 에너지 공급 시스템에도 제공될 수 있다.
또한, 배터리 셀(1)은 스위칭 장치(S)를 포함하고, 이 스위칭 장치에 의해 연결부(6, 7)가 서로 전기적으로 연결될 수 있고, 이에 의해 배터리 셀(1)이 브릿징될 수 있다. 스위칭 장치(S)는 예를 들어 릴레이 또는 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 그러나, 스위칭 장치(S)는 또한 릴레이 및 반도체 스위치의 직렬 접속을 포함하는 하이브리드 변형을 포함할 수도 있다.
여기서, 스위칭 장치(S)는 제1 전류 레일(28)을 통해 제1 연결부(6)에 연결될 수 있고, 제2 전류 레일(29)을 통해 제2 연결부에 연결될 수 있다. 스위칭 장치(S)는 또한 배터리 셀 하우징(3) 내부에 배치되고, 배터리 셀 하우징과 열적으로 결합되어 유리하게는 배터리 셀 하우징(3)을 통해 냉각될 수 있다.
또한, 배터리 셀(1)은 여기서 배터리 셀(1)의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 복수의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) 및 제어 장치(19)를 포함한다.
센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)는 신호 경로(20, 21, 22)를 통해 제어 장치(19)와 통신하도록 설계된다. 따라서, 여기서 센서 장치(9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17)는 제어 장치(19)와 함께 공동으로, 네트워크 토폴로지로서 여기서 버스-토폴로지를 포함하는 네트워크의 네트워크 노드를 형성한다. 신호 경로(20)는 이 경우 라인, 예를 들어 전기 라인 또는 광 라인으로 설계될 수 있다. 그러나, 또한, 센서 장치(9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17)가 무선으로, 예를 들어, WLAN, RFID, 블루투스 또는 광 펄스를 통해 제어 장치(19)와 통신하는 것도 가능하다. 이 경우, 센서 장치(9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17)의 각각은 직접 또는 센서 장치(9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) 중 다른 하나를 통해 제어 장치(19)와 통신할 수 있다. 즉, 이는 센서 장치(9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17)의 각각이 다른 센서 장치(9, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17)로부터의 신호를 전달할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 다른 네트워크 토폴로지, 예를 들어 완전 메쉬형 네트워크, 메쉬형 네트워크, 트리형 토폴로지, 라인 토폴로지 또는 별 토폴로지도 가능하다. 이러한 배터리 셀(1)의 구성에서는, 리던던트한 신호 전송 경로가 형성될 수 있다.
센서 장치(10)는 여기서 예를 들어 WLAN 또는 블루투스와 같은 무선 연결(22)을 통해 제어 장치(19)와 직접 통신한다.
센서 장치(13, 14, 18)는 여기서 버스 시스템(21), 예를 들어, LIN, CAN, I2C, SPI, UART를 통해 제어 장치(19)와 통신한다. 제어 장치(19)는 이를 위해 상응하는 인터페이스 또는 접점을 포함한다.
센서 장치(9, 10)는, 예를 들어 배터리 셀 하우징(3) 내부의 온도를 검출하는 온도 센서로서 설계된다. 센서 장치(11)는, 예를 들면 갈바닉 요소(2)와 배터리 셀 하우징(3) 사이의 절연 저항의 측정을 위한 센서로서 설계된다. 절연 측정에 의해, 배터리 셀 하우징(3)과 갈바닉 요소(2) 사이에 저 저항 전기 전도성 연결이 존재하는지 또는 배터리 셀 하우징(3)과 갈바닉 요소(2) 사이에 고 저항 절연된 연결이 존재하는지 여부가 결정될 수 있다. 센서 장치(12)는 여기서 갈바닉 요소(2)의 전해질의 농도를 측정하기 위한 농도 센서로서 설계되고, 센서 장치(13)는 전해질의 전도도를 측정하기 위한 전도도 센서로서 설계되고, 센서 장치(14)는 전해질의 화학적 조성을 측정하기 위한 스펙트럼 분석 센서로서 설계된다. 센서 장치(15)는 배터리 셀 하우징(3) 내부의 압력을 측정하기 위한 압력 센서로서 구현된다. 센서 장치(16)는 여기서 예를 들어 전해질의 분해를 결정할 수 있는 가스 센서로서 구현된다. 센서 장치(17)는 여기서 배터리 셀(1)이 노출되는 가속도를 측정하기 위한 가속도 센서이다. 센서 장치(18)는 배터리 셀(1)의 변형을 측정할 수 있는 힘 센서로서 설계된다.
이들 모든 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)의 데이터는 여기서 갈바닉 요소(2)의 전극(4, 5)에 연결된 제어 장치(19)에 제공된다. 따라서, 제어 장치(19)의 안정된 전류 및 전압 공급이 보장될 수 있다. 제어 장치(19)는 여기서 전압 측정 유닛 그리고 EMV 필터(EMV)(전자기 호환성)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제어 장치(19)는 데이터의 보안 전송 및 저장을 위해 소위 보안 유닛을 포함할 수 있다. 보안 유닛은 여기서 예를 들어 데이터를 암호화하고 해독하도록 설계된다.
제어 장치(19)는 센서 데이터에 기초하여 배터리 셀(1)의 배터리 고유 파라미터, 예를 들어 배터리 셀(1)의 손상 정도 또는 충전 상태를 결정하도록 설계된다. 또한, 제어 장치(19)에 의해 배터리 셀(1) 내부의 임피던스 분석 또는 임피던스 현미경검사(microscopy)가 수행될 수 있어, 주파수 및/또는 온도의 함수로서 복잡한 내부 저항을 결정할 수 있다. 센서 데이터는 또한 예를 들어 전체 수명에 걸쳐 배터리 셀(1)을 모니터링하기 위해 저장 장치(23)에 저장될 수 있다. 예를 들어, 저장 장치에는 충전 상태(State of Charge), SoH(활력 상태), 전류 프로파일, 전류 피크, 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)의 모든 데이터의 경향 또는 구배, 온도 프로파일, 특성 곡선 필드 및 보호된 소스 코드가 저장될 수 있다. 저장 장치(23)로부터 판독 가능한 데이터에 의해, 예를 들어 배터리가 재사용, 예를 들어 고정식 에너지 저장 시스템에서의 소위 세컨드 라이프에 적합한지 여부가 추가 테스트 없이 평가될 수 있다. 데이터를 저장 장치(23)에 기록하기 위해, 데이터는 예를 들어 제어 장치(19)에 저장된 알고리즘에 의해 압축될 수 있다. 데이터는 정의된 시점에 연속적으로 기록되거나 또는 이벤트 제어식으로 기록될 수 있다.
배터리 고유 파라미터에 기초하여, 제어 장치(19)는 스위칭 요소(S)를 배터리 셀(1)의 폐쇄 및 브릿징을 위해 제어하도록 설계된다. 예를 들어, 센서 장치(11)에 의해 절연 결함이 결정되면, 이 절연 결함은 제어 장치(19)에 전송되고, 제어 장치는 이로부터 폐쇄를 위해 스위칭 장치(S)를 제어한다.
또한, 제어 장치(19)는 검출된 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라, 예를 들어, 배터리 셀(1)의 수명에 대한 함수로서, 제1 연결부(6)와 제1 전극(4) 사이의 전류를 동적으로 조정하도록, 예를 들어, 제한하거나 또는 감소시키도록 설계된다. 절연 결함이 있는 경우에, 제어 장치(19)가 전극(4)과 연결부(6) 사이의 전류 흐름을 차단하기 위해 전자 스위칭 요소(8)를 추가적으로 제어하는 것이 특히 바람직하다.
제1 전극(4)과 제1 연결부(6) 사이의 전류 흐름을 모니터링하기 위해, 여기서 매우 정확한 전류 센서(24)가 전극(4)과 연결부(6) 사이에 배치된다.
반대로, 제어 장치(19)는 또한 신호를 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)에 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)의 작동을 위해 전송할 수도 있다.
또한, 여기서 배터리 셀(1)은 여기서 도시되지 않은 상위 배터리 관리 시스템 및/또는 다른 동일한 유형의 배터리 셀(1)과 통신하도록 설계된 통신 장치(25)를 포함한다. 통신 장치(25)에 의해, 제어 장치(19)에 의해 결정된 배터리 고유의 파라미터, 예를 들어 배터리 셀(1)의 충전 상태가 상위 배터리 관리 시스템으로 전송될 수 있으며, 상위 배터리 관리 시스템은 전송된 충전 상태를 배터리의 다른 배터리 셀의 충전 상태와 비교한다. 배터리 셀(1)이, 예를 들어, 다른 배터리 셀에 비해 높은 충전 상태를 갖는 경우, 스위칭 가능한 저항(26)에 의해 소위 패시브 밸런싱이 수행될 수 있다. 이를 위해, 갈바닉 요소(2)로부터 전기 에너지가 목표한 대로 추출되고, 스위칭 가능한 저항(26)을 통해 열에너지로 변환된다. 따라서 배터리 셀(1)은 방전된다. 이 경우, 스위칭 가능한 저항(26)이 배터리 셀 하우징(3)에 열적으로 결합되어, 열로 변환되지 않은 전기 에너지가 배터리 셀 하우징(3)을 통해 주변으로 배출될 수 있다면 특히 바람직하다.
또한, 소위 액티브 밸런싱에 의해 배터리 셀(1)이 방전되고, 방전 에너지가 에너지 전달 장치(27)를 통해 충전을 위해 다른 저 충전된 배터리 셀에 공급되는 것이 제공될 수도 있다. 반대로, 배터리 셀(1)은 또한 에너지 전달 장치(27)를 통해 충전될 수도 있다. 에너지 전달 장치(27)는 예를 들어, 용량성으로 또는 유도성으로 에너지를 전달할 수 있다.
여기서, 최적의 충전 및 방전에 의해 배터리 셀(1)의 수명을 연장시키기 위해, 제어 장치(19)에 의해 지능형 충전 전략이 배터리 셀(1)에 대해 개별적으로 사전 설정될 수 있다. 이를 위해, 충전 칼럼, 즉 충전 에너지를 제공하는 장치가 예를 들어 제어 장치(19)에 의해 통신 장치(25)를 통해 능동적으로 배터리 셀(1)의 실제 상태에 대해 통지받을 수 있다. 따라서, 충전은 배터리 셀(1)의 임계 상태의 경우에 능동적으로 스위칭 오프될 수 있다.
또한, 각 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) 및/또는 제어 장치(19) 및/또는 저장 장치(23) 각각은 여기에 도시되지 않은 에너지 변환 장치를 포함하고, 이 에너지 변환 장치는 소위 에너지 수확 센서 또는 에너지 하비스팅 센서로서 설계된다. 에너지 하비스팅이란 주변 온도, 진동 또는 공기 유동과 같은 소스로부터 소량의 전기 에너지를 획득하는 것을 지칭한다. 이러한 목적으로 사용되는 구조, 즉 에너지 변환 장치는 또한 나노 발전기라고도 한다. 에너지 하비스팅은 무선의 기술적 제한을 케이블 연결된 전류 공급 또는 분리된 또는 별도의 배터리를 통해 회피한다.
이러한 나노 발전기는 예를 들어 압력, 진동 또는 음향을 통한 힘의 작용 시, 전압을 생성하는 압전 크리스탈, 및/또는 온도 차이에 의해 전기 에너지를 획득하는 열전 발전기 및 초전기(pyroelectric) 크리스탈, 및/또는 전파 또는 전자기 방사로부터 에너지를 픽업하여 전기적으로 사용하는 안테나, 특히 패시브 RFID, 및/또는 광전 효과를 기반으로 광을 전기 에너지로 변환하는 센서일 수 있다.
또한, 배터리 셀(1)의 전체 전자 부품, 즉, 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) 및/또는 제어 장치(19) 및/또는 저장 장치(23)는 소위 "저전력" 실시예로서, 특히 "초-저전력" 실시예로서 구현될 수 있다. 이는 이러한 전자 부품이 특히 적은 에너지 소비를 갖는다는 것을 의미한다.
따라서, 전자 부품은 예를 들어 전원을 절약하기 위해 전자 부품이 완전히 비활성화된 딥슬립("DeepDleep") 모드에서 작동될 수 있다. 활성화는 예를 들어 명령 또는 소위 인터럽트(interrupt)를 통해 수행될 수 있다. 활성화는 여기서 패스트 스타트("FastStart")로서, 즉 예를 들어 제어 장치(19) 내부의 기능 시퀀스의 극단적으로 빠른 "램프업" 또는 연속으로서 수행될 수 있다. 이를 위해, 유리하게는, 주기적인 정상 동작이 단순히 다시 계속되기 때문에, 초기화 루틴이 요구되지 않는다. 활성화는 모든 기능이 예를 들어 이벤트 제어 방식으로 재활성화되는 웨이크업("WakeUp")으로서도 수행될 수 있다.
따라서, 예를 들어 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)를 통해 물리적 및/또는 화학적 특성의 변화, 특히 상당한 변화가 검출되는 경우에만, 예를 들어 데이터 전송을 위해 에너지가 소비된다. 이러한 변화는 예를 들어, 배터리 셀(1)의 물리적 및/또는 화학적 특성에 대한 사전 설정된 임계값을 초과하거나 또는 그 미만으로 되는 것 또는 새로운 최소값 또는 최대값의 존재이다.
특히, 제어 장치(19)는 안전한 동작을 가능하게 하면서 동시에 매우 낮은 전류 소비를 가능하게 하도록 설계된다. 이를 위해 클록 주파수 및 동작 전압의 감소를 통해 소비 전류를 줄일 수 있다. 또한, 추가로 특수 레지스터 기능(Special register function)(SRF) 또는 특수 소프트웨어 명령어를 제공할 수도 있다.
에너지 절약 수단에 의해, 예를 들어 전자 부품의 지능형 프로그래밍에 의해, 갈바닉 요소(2) 자체에 의해 전자 부품에 전기 에너지가 공급될 때, 배터리 셀(1)이 방전되는 것을 방지할 수 있다.
데이터의 계산 및 분석은 또한 예를 들어 통신 장치(25)에 의해 고성능 컴퓨팅 유닛으로 데이터를 전송함으로써, 배터리 셀(1) 외부에서 수행될 수 있다. 분석되고 계산된 데이터, 즉, 결과는 계속해서 배터리 셀(1)의 제어 장치(19)로 전송될 수 있으며, 이 제어 장치는 예를 들어 전류의 차단을 위해 스위칭 장치(S)를 제어하고 그리고/또는 전류의 제한을 위해 전자 스위칭 요소(8)를 제어한다.

Claims (10)

  1. 자동차의 배터리용 배터리 셀(1)로서, 제1 전극(4) 및 제2 전극(5)을 구비하는 갈바닉 요소(2), 제1 연결부(6) 및 제2 연결부(7)를 구비하는 배터리 셀 하우징(3), 상기 배터리 셀(1)의 물리적 및/또는 화학적 특성을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18), 및 제어 장치(19)를 포함하고, 상기 갈바닉 요소(2)는 상기 배터리 셀 하우징(3) 내에 배치되는 것인, 상기 배터리 셀(1)에 있어서,
    상기 배터리 셀(1)은 상기 제1 연결부(6) 및 상기 제2 연결부(7)가 전기적으로 연결될 수 있게 하는 스위칭 장치(S)를 포함하며, 상기 제어 장치(19)는, 상기 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)에 의해 검출된 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 배터리 셀(1)의 브릿징을 위해 상기 스위칭 장치(S)를 폐쇄하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 장치(S)는 상기 배터리 셀 하우징 내에 배치되고, 상기 배터리 셀 하우징(3)에 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극(4, 5) 중 적어도 하나가 전자 스위칭 요소(8)를 통해 상기 연결부(6, 7) 중 하나에 연결되며, 상기 전자 스위칭 요소(8)는 상기 전극(4, 5)과 상기 각각의 연결부(6, 7) 사이의 전류 흐름을 제한하도록 설계되고, 상기 제어 장치(19)는, 상기 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)에 의해 검출된 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 전류 흐름을 제한하기 위해 상기 전자 스위칭 요소(8)를 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)는 상기 갈바닉 요소(2)와 상기 배터리 셀 하우징(3) 사이의 절연 저항을 검출하도록 설계되고, 상기 절연 저항이 상기 절연 저항의 사전 설정된 임계값 미만인 경우, 상기 제어 장치(19)는 상기 연결부(6, 7)를 브릿징시키기 위해 상기 스위칭 장치(S)를 폐쇄하고, 상기 전류를 제한하기 위해 상기 전자 스위칭 요소(8)를 제어하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀(1)은 상기 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)에 의해 검출된 상기 배터리 셀(1)의 상기 물리적 및/또는 화학적 특성을 저장하기 위한 저장 장치(23)를 포함하고, 상기 제어 장치(19)는 상기 저장 장치(23)에 의해 저장된 상기 물리적 및/또는 화학적 특성에 따라 상기 연결부를 브릿징시키기 위해 상기 스위칭 장치(S)를 폐쇄하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리 셀(1)은 상위 제어 장치 및/또는 다른 배터리 셀과 통신하기 위한 통신 장치(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)는, 검출된 값이 제1 경우로 사전 설정된 임계값을 초과하거나 또는 제2 경우로 사전 설정된 다른 임계값의 미만인 경우에만, 상기 물리적 및/또는 화학적 특성의 상기 검출된 값을 상기 제어 장치(19)로 전달하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서 장치(9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) 및/또는 상기 제어 장치(19) 및/또는 상기 저장 장치(23)는 에너지 공급을 위해 각각, 주변 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 설계되는 에너지 변환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 셀(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 적어도 2개의, 특히 직렬로 접속된 배터리 셀(1)을 포함하는 배터리.
  10. 제9항에 따른 적어도 하나의 배터리를 포함하는 자동차.
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