KR20170110724A - 자동차용 배터리, 자동차 및 배터리를 작동하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16)을 포함하는 자동차용 배터리(20)에 관한 것이고, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16) 중 제1 배터리 셀의 경계 표면(26)이 제1 제어 장치(36)에 결합된 제1 전기 전도성 표면(22)을 포함하고, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16) 중 제2 배터리 셀의 경계 표면(28)이 제2 제어 장치(36)에 결합된 제2 전기 전도성 표면(24)을 포함한다. 상기 2개의 전기 전도성 표면(22, 24)은 서로 전기적으로 절연되어 배치되고, 커패시터 요소(C)를 형성하며, 상기 제어 장치(36)는 상기 커패시터 요소(C)에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16) 중 제1 배터리 셀과 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16) 중 제2 배터리 셀 사이에 전기 에너지를 전송하도록 설계된다. 또한 본 발명은 상기 이러한 배터리를 포함하는 자동차 및 상기 이러한 배터리(20)를 작동하는 방법에 관한 것이다.

Description

자동차용 배터리, 자동차 및 배터리를 작동하는 방법
본 발명은 청구항 제1항의 상위 개념에 따른 자동차용 배터리에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 배터리를 갖는 자동차에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 배터리를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
높은 에너지 및 전력 밀도로 인해, 리튬 이온 배터리 또는 리튬 이온 배터리 시스템은 모바일 에너지 저장소의 거의 모든 영역에서 사용되고 있으며, 페델렉, 파워 툴, 하이브리드 드라이브, 전기 자동차 또는 철도 응용 분야에 사용된다. 동시에 리튬 이온 배터리 시스템은 고정식 에너지 저장 시스템에서 점점 더 중요해지고 있다. 많은 리튬 이온 셀 또는 리튬 이온 셀의 셀-케미스트리의 특징은 편평한 충전 상태-전압-특성 곡선이다. 그러나, 약 10% 미만 및 90% 초과의 충전 상태(SOC, State of Charge)의 주변 영역에서 배터리 셀의 전압 레벨은 매우 빠르게 변한다. 시간이 지남에 따라, 배터리 셀들은 전압 레벨이 가능하게는 서로 차이가 커지게 된다. 이는 상이한 효과에 의해 발생할 수 있는데, 예를 들어 상이한 자체 방전율, 작동 시의 불균일한 온도 또는 배터리 팩에서 일부 셀의 조기 노화 또는 상이한 충전(상이한 생산 로트(production lot)로부터의 전달)에 의해 발생할 수도 있다. 이러한 셀 팩의 배터리 시스템은 배터리 셀이 상한 또는 하한 전압 임계값에 도달할 때까지만 방전되거나 또는 충전될 수 있다. 따라서 배터리 관리 시스템(BMS)은 또한 배터리의 이러한 셀 전압의 차이를 상쇄시키는 역할을 하며, 이를 "밸런싱"이라고 한다. 이는 배터리 또는 배터리 시스템의 완전히 사용 가능한 용량을 얻는데 사용된다.
"셀-밸런싱"이 없다면 다중 셀 배터리 시스템에서 "가장 약한" 배터리 셀이 전체 시스템의 용량과 중층 연관성이 있다. "가장 약한" 배터리 셀은 또한 흡수 또는 방출될 수 있는 에너지의 양을 결정한다. 이는 특히 상응하는 전체 전압을 달성하기 위해 복수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 고전압 배터리와 관련이 있다. 자동차의 고전압 배터리는 일반적으로 60 볼트 이상의 전압을 갖는 배터리인 것으로 이해되며, 사용 목적에 따라 선택된 전압은 수백 볼트가 될 수 있다. 현재 배터리용 배터리 관리 시스템은 대부분 수동 배터리 셀 밸런싱에 의해 배터리 셀 전압 또는 배터리 용량 측면에서 균형을 유지하는데 사용되는 방식으로 설계된다. 배터리에서 대부분 매우 많은 배터리 셀이 직렬로 연결된다는 사실에 근거하여, 모든 배터리 셀(직렬 접속)에 양방향 전류 부하가 있는 경우 - 가능하다면 - 모든 배터리 셀이 또한 동일하게 부하를 받는 것이 물론 매우 중요하다.
하나의 가능성은 충전 전류의 일부가 배터리 셀을 통과하도록 제어될 수 있는 각각의 개별 배터리 셀에 저항성 바이패스를 제공하는 것이다. 여기서 단점은, 모든 배터리 셀이 완전히 충전될 때까지 불균형하게 높은 비율의 충전 에너지가 열로 변환되고, "밸런싱" 원리가 충전 상태에서만 작동하며, 방전 동안에는 작동하지 않는다는 것이다. 또한 배터리의 스탠바이 상태에서 배터리의 점진적인 방전을 발생시킬 수 있는 밸런싱이 이루어진다. 고정적 적용에서 방전 작동 시에도 또한 개별 배터리 셀 사이의 밸런싱을 제공하는 능동 충전 밸런싱 장치가 알려져 있다. 변압기를 기반으로 구현되는 이러한 DC/DC-컨버터는 한편으로는 복잡한 상호 연결을 필요로 하며, 특히 모바일 이용 시 부정적으로 느끼도록 만드는 많은 공간적 요구뿐만 아니라 큰 질량으로 이어진다.
따라서 본 발명의 과제는, 낮은 회로 기술 비용 및 적은 공간적 요구 조건에서 내부 충전 밸런싱을 요구하는 배터리를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 과제는 이러한 배터리를 갖는 자동차 및 이러한 배터리를 작동하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 청구항 제1항의 특징을 갖는 배터리에 의해 또는 청구항 제9항의 특징을 갖는 자동차에 의해, 또한 청구항 제10항의 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항의 주제이다.
본 발명은 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀의 경계 표면이 제1 제어 장치에 결합된 제1 전기 전도성 표면을 포함하고, 적어도 2개의 배터리 셀 중 제2 배터리 셀의 경계 표면이 제2 제어 장치에 결합된 제2 전기 전도성 표면을 포함하도록 개발된, 서로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 배터리 셀을 포함하는 자동차용 배터리에 관한 것이고, 2개의 전기 전도성 표면은 서로 전기적으로 절연되어 배치되고, 커패시터 요소를 형성한다. 제어 장치는 커패시터 요소에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 적어도 2개의 배터리 셀 중 제2 배터리 셀 사이에 전기 에너지를 전송하도록 설계된다.
본 발명은 커패시터 요소에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 적어도 2개의 배터리 셀 중 제2 배터리 셀 사이에 전기 에너지를 전송하도록 개발된 서로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 배터리 셀을 갖는 자동차용 배터리를 작동하는 방법에 관한 것이고, 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀의 경계 표면이 제1 제어 장치에 결합된 제1 전기 전도성 표면을 포함하고, 적어도 2개의 배터리 셀 중 제2 배터리 셀의 경계 표면이 제2 제어 장치에 결합된 제2 전기 전도성 표면을 포함한다. 따라서 2개의 전기 전도성 표면은 서로 전기적으로 절연되어 배치되고, 커패시터 요소를 형성한다.
배터리 셀은 이하에서 각각의 배터리 셀의 활성 부분으로 지칭되는 갈바닉 요소를 각각 포함한다. 이는 전기 부품의 전력 공급을 위해 방전될 수 있고, 방전 후에 다시 충전될 수 있는 2차 요소로서 형성된다. 여기서 갈바닉 요소는 잘 알려진 방식으로, 갈바닉 요소의 전극의 전기 화학적 활성 재료로 코팅되는 예를 들어 금속 필름의 형태의 어레스터를 포함한다. 또한 전해질이 제공되고 그리고 전기 화학적 활성 재료를 서로 분리하는 세퍼레이터가 제공된다. 이러한 갈바닉 요소에서 어레스터가 적층되고, 접히고 또는 와인딩될 수 있으므로, 갈바닉 요소는 셀 스택 또는 셀 와인딩으로도 지칭된다.
여기에 제시된 개념에서, 액티브 밸런싱 또는 에너지 전송의 특히 유리한 구현은 용량(capacitance)의 도움으로 이루어질 수 있다. 가변 전계에 의한 변위 전류를 기반으로 하는 용량성 에너지 전송의 큰 장점은, 열의 형태로 손실되는 에너지가 거의 없다는 것이다. 현재 약 5 내지 10 와트 범위의 전력을 문제 없이 전송할 수 있다. 따라서 거의 손실이 없는 용량성 에너지 전송은 능동 충전 밸런싱 기능이 가능한 지능형 배터리 셀과 함께 사용하기에 특히 적합하다. 배터리 셀의 개별 충전 및 방전이 이루어지는 "액티브 밸런싱"은 따라서 배터리 모듈의 용량, 즉, 구조적으로 상호 접속된 배터리 셀이 배터리 팩에 통합된 구조의 수명에 걸친 최대 용량 및 밸런싱된 충전 상태(State of Charge, SoC)를 획득하는데 적합하다. 전체 배터리 시스템은 이를 통해 보다 양호하게 사용될 수 있으므로, 전체 효율 및 유효 사용 가능 용량이 증가된다. 따라서 예를 들어 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 범위도 또한 증가된다.
바람직한 실시예에서 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀의 제어 장치가 상위 제어 장치에 그리고/또는 적어도 2개의 배터리 셀 중 제2 배터리 셀의 제어 장치에 통신 연결을 통해, 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀과 적어도 2개의 배터리 셀 중 제2 배터리 셀 사이에 능동 충전 밸런싱을 제어하기 위해 결합된다. 바람직하게는 통신 연결은 여기서 무선으로, 특히 지그비(ZigBee), 블루투스, WLAN 등과 같은 로컬 무선 연결을 통해 가능할 수 있다. 바람직하게 제어 장치는 각각의 배터리 셀에 관한 상태 정보를 상위 제어 장치에 전송하도록 설계될 수 있고, 상기 상위 제어 장치는 이용 가능한 데이터 전체로부터, 어떤 배터리 셀 사이에 목적에 맞게 에너지 교환을 수행할지 그리고 이를 통해 개별 배터리 셀 사이에 액티브 충전 교환을 제어하도록 결정한다. 이를 통해 개별 제어 장치가 조정되어 작동될 수 있고, 이를 통해 특히 배터리 셀 사이의 불필요한 에너지 전송을 회피할 수 있다는 장점이 있다.
유리한 개발예에서, 상위 제어 장치는 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀로부터 추출될 에너지에 대한 목표값을 사전 설정하여, 적어도 2개의 배터리 셀 중 제1 배터리 셀의 제어 장치로 통신 연결을 통해 제공하도록 설계된다. 이 경우, 제어 장치는 제공된 목표값에 따라 커패시터 요소에서 전기적 교번 자장을 생성하도록 설계된다. 따라서, 예를 들어 상위 제어 장치를 통해, 제1 배터리 셀로부터 전기 에너지가 전기 화학적으로 저장된 에너지의 형태로 추출되도록 설정될 수 있다. 또한 예를 들어 여기서 전송 경로로부터 분리되는 에너지 없이, 에너지가 해당 제어 장치를 통해, 서로 인접한 2개의 배터리 셀 사이에 각각 형성된 하나 이상의 커패시터 요소를 통해 전송되는 것이 설정될 수 있다. 마지막으로 에너지를 체인의 다른 배터리 셀에서 이 배터리 셀의 제어 장치를 통해 다시 결합시키고, 그곳에 전기 화학적 에너지를 저장하는 것이 설정될 수 있다. 따라서 제시된 개념에 따른 용량성 에너지 전송은 배터리 셀로부터 배터리 셀로의 에너지의 편리한 전송을 가능하게 하고, 에너지를 셀 자체에 우선 저장한 다음 다시 추출할 필요가 없다. 따라서, 특히 충전 또는 최종 충전을 필요로 하지 않는 배터리 셀에 밸런싱 과정 동안 추가적으로 부하를 가하지 않을 가능성도 또한 생긴다.
바람직한 실시예에서, 제1 전기 전도성 표면 및 제2 전기 전도성 표면이 각각 적어도 2개의 배터리 셀의 각각의 하우징에 의해 형성된다. 이러한 경우 하우징은 각각의 배터리 셀의 활성 부분과 분리되어 배치되는데, 즉 전극 중 하나 또는 전해질, 예를 들어 배터리 셀의 갈바닉 요소와 직접 전기적으로 연결되는 양극 또는 음극 단자 또는 다른 요소의 형태의 연결 요소에 대한 직접적인 전기적 연결이 존재하지 않는다.
여기서 특히 전극이 평평한 적층으로 이루어지고, 이에 따라 일반적으로 직사각형의 베이스 표면을 갖는 소위 프리즘형 셀의 경우, 2개의 하우징의 2개의 서로 인접한 측면을 통해 대략 이상적인 플레이트 커패시터가 형성되고, 상기 플레이트 커패시터의 유전체는 배터리 셀의 두 하우징 사이에 삽입된 추가적으로 삽입될 얇은 절연 필름에 의해 제공될 수 있다. 이러한 필름은 또한 배터리 내에 설치되기 전에 배터리 셀의 하우징에 이미 장착될 수도 있다. 이를 통해 배터리 셀의 개별 하우징 사이에 이중 절연이 형성되며, 이는 손상 또는 재료 결함의 경우에도 또한 절연의 완전한 기능 부전의 확률이 현저하게 감소된다는 장점이 있다. 대안적으로 개별의 배터리 셀의 절연이 도포될 래커(lacquer) 또는 다른 플라스틱 코팅의 형태로도 또한 존재할 수 있다.
바람직하게는 배터리는 적어도 하나의 제3 배터리 셀을 포함하고, 제1 제어 장치는 제1 배터리 셀에 전기 화학적으로 저장된 에너지를 추출하고, 이를 커패시터 요소에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 전송하고, 전기 에너지를 제2 배터리 셀을 통해 전송하고, 에너지를 전기 화학적으로 제2 배터리 셀에 임시 저장하지 않도록 설계되고, 제3 제어 장치가 전송된 전기 에너지를 제3 배터리 셀로 공급하도록 설계된다. 따라서 상호 연결된 플레이트 커패시터 장치에 의해, 분배될 에너지의 양을 제어 장치에 의해 직접적으로, 즉 임시 저장 없이 직접 전기 화학적 형태로 전송 경로에 위치한 배터리 셀의 충전 및 후속 방전에 의해, 다음 배터리 셀로 동적으로 그리고 의도한 대로 전송할 수 있는 가능성이 존재한다. 이를 통해 배터리 셀의 수명이 상당히 증가될 수 있고, 전체 배터리 시스템의 성능이 증가될 수 있다. 전기 화학적으로 갈바닉 요소에 저장된 에너지로 전기 에너지를 전송할 때 불가피하게 발생하는 에너지 손실은 이에 따라 최소량으로 감소될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서, 배터리는 적어도 2개의 배터리 모듈을 포함하고, 적어도 2개의 배터리 모듈은 각각 모듈 제어 장치와 결합된 서로 전기적으로 절연되어 배치되고 모듈 커패시터 요소를 형성하는 전기 전도성 모듈 표면을 갖고, 각각의 배터리 모듈의 모듈 제어 장치는 모듈 커패시터 요소에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 적어도 2개의 배터리 모듈 사이에 전기 에너지를 전송하도록 설계된다. 이를 통해 특히 고전압 사용에 필요한 보다 많은 개수의 배터리 셀을 갖는 대형 배터리 구조에서, 전송될 에너지는 충전 밸런스를 위해 개별 배터리 셀 사이에서 반드시 각각 개별 배터리 셀을 통해 그 구조에 상응하게 전송될 필요가 없고, 배터리 모듈에서 배터리 모듈로의 에너지 전송이 가능하게 되고, 따라서 보다 짧은 전송 경로가 달성되는 장점이 생긴다. 따라서 한편으로는 하나의 모듈로부터 다음 모듈로 또는 개별 셀에 대해 이미 도시된 전송 원리에 따라 추가의 이격된 배터리 모듈로 에너지가 직접 전송될 수 있고, 동시에 모듈 내부에서도 개별 배터리 셀 사이에 에너지 교환이 이루어질 수 있다.
특히 유리한 개발예에서, 모듈 제어 장치는 배터리 모듈을 각각 형성하는 배터리 셀 전체에 결합된다. 이를 통해 바람직하게는 배터리 모듈 내부에서 이용 가능한 전체 배터리 전압이 공급되는 오직 하나의 추가적인 모듈 제어 장치만이 모듈당 요구된다. 따라서 이러한 경우 각각의 그 안에 위치한 배터리 셀의 공통 블록으로서 개별의 배터리 모듈 사이에 에너지 교환이 이루어지고, 이러한 경우 개별 배터리 셀 사이의 에너지 교환이 배터리 모듈 내부에서만 이루어진다.
대안적으로 모듈 표면에 각 개별 배터리 셀의 병렬 결합이 제공될 수 있다. 이를 통해 각 개별 배터리 셀이 직접적으로 배터리 모듈의 결합 경로를 통해 상호간의 에너지를 다른 배터리 모듈의 다른 배터리 셀과 소위 "고속 레인에서" 교환할 수 있다는 장점이 발생한다. 따라서 개별의 배터리 셀이 또한 동시에 모듈 표면 상에 결합할 수 있도록, 개별 제어 장치들의 동기화된 공급 가능성이 제공될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서 제어 장치는 단일 집적 회로 및 수동 컴포넌트에 의해 형성된다. 예를 들어 "스마트 셀 반도체 칩"에 "액티브 밸런싱"에 필요한 모든 기능을 통합함으로써, 특히 비용 면에서 효율적이고 공간을 절약할 수 있는 구조를 구현할 수 있다. 이러한 경우 바람직하게는 예를 들어 인덕터 및 커패시터를 갖는 공진 회로의 구조를 위해, 특히 변압기, 인덕터, 커패시터 또는 저항기로 이해되는 다른 패시브 부품만이 제공된다. 바람직하게는 또한 전압의 적응을 허용하는 변압기를 사용할 수도 있다. 커패시터 요소에서의 높은 전압(결합 용량)으로 또한 용량성 전송 가능한 에너지도 증가한다.
본 발명에 따른 자동차는 적어도 하나의 본 발명에 따른 배터리를 포함한다. 자동차는 예를 들어 승용차, 특히 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로서 형성될 수 있다. 또한 자동차는 전기 구동식 오토바이 또는 전기 구동식 자전거일 수도 있다. 특히 상위 제어 장치는 자동차의 버스 시스템, 예를 들어 CAN-버스에 결합될 수 있고, 이를 통해 배터리 상태에 대한 정보가 편리하게 이용 가능하게 될 수 있다.
또한 고정식 에너지 저장 시스템에 배터리를 제공하는 것도 가능하다. 또한 자동차에 제공된 배터리가 소위 세컨드 라이프 배터리로서 재사용될 수 있고, 이 경우 배터리는 상이한 유형의 사용을 위해 공급되는 것이 제공될 수 있다. 즉 특히 세컨드 라이프 사용에서 예를 들어 배터리 셀의 성능에 관한 요구 사항은 자동차 배터리용 배터리 셀을 사용할 때보다 더 낮을 수 있다.
본 발명에 따른 배터리에 대해 설명된 장점 및 바람직한 실시예는 본 발명에 따른 자동차에도 적용된다.
본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 자동차에 대해 설명된 장점 및 특징 및 실시예는 상응하는 방법에 동등하게 적용되며 그 반대도 마찬가지이다. 따라서 상응하는 방법의 특징이 장치 특징에 대해 제공될 수도 있고, 그 반대일 수도 있다.
앞선 상세한 설명에서 언급된 특징 및 특징들의 조합 및 이하의 도면에 대한 설명에서 언급되는 그리고/또는 도면에 단독으로 도시되는 특징 및 특징들의 조합은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 각각의 언급된 조합뿐만 아니라, 다른 조합으로 또는 단독으로도 적용 가능하다. 따라서 도면에 명확하게 도시되지 않거나 또는 설명되지 않았지만, 그러나 개별 특징들의 조합을 통해 설명될 실시예에서 나타나고 생성될 수 있는 실시예들도 또한 본 발명에 포함되고 개시되는 것으로 간주될 수 있다.
추가적인 장점 및 특징은 후술될 바람직한 실시예의 상세한 설명을 기초로 첨부 도면을 참조하여 분명해진다. 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 특징 및 기능을 나타낸다.
도 1은 용량성 에너지 전송이 가능한 배터리 셀을 갖는 배터리의 제1 변형의 세그먼트를 간략화된 개략적 사시도로 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 배열의 개략적인 회로도를 도시한다.
도 3은 배터리 셀 사이의 용량성 에너지 전송의 간략화된 개략도를 도시한다.
도 4는 용량성 에너지 전송의 결합 원리의 간략화된 개략도를 도시한다.
도 5는 개별 셀들 사이의 모듈 평면 상의 에너지 전송 및 개별 배터리 모듈 사이의 배터리 시스템 평면 상의 에너지 전송의 간략화된 개략도를 도시한다.
도 1은 서로 인접하게 배치되는 배터리 셀을 갖는 배터리(20)의 세그먼트의 개략적인 사시도로서, 그 중에서 예로서 오직 배터리 셀(10, 12, 14, 16)만이 도시된다. 본 실시예에서 배터리(20)는 도시되지 않은 자동차의 전기 시스템의 일부이고, 자동차의 전기 드라이브의 전기 에너지 공급에 사용되는 축전지이다.
본 실시예에서 배터리 셀(10, 12, 14, 16)은 직렬 접속으로 연결되고 이에 상응하여 전류 레일(48)과 전기 전도성으로 연결된다. 각각의 배터리 셀(10, 12, 14, 16)은 본 실시예에서 리튬 이온 배터리로서 형성되고, 본질적으로 직육면체형의 외부 구조를 갖는다. 직육면체형의 구조는 대향하는 측면 경계 표면(26, 28)을 제공한다. 경계 표면(26, 28)은 전기 절연 재료, 본 실시예에서는 플라스틱으로 형성된다. 경계 표면(26, 28) 상에는 각각 제1 및 제2 전기 전도성 표면(22, 24)이 접착제 연결에 의해 제공된다. 전기 전도성 표면(22, 24)은 서로 전기적으로 절연되어 배치되고, 각각의 배터리 셀(10, 12, 14, 16)뿐만 아니라 각각의 인접한 배터리 셀(10, 12, 14, 16)의 각각의 대향하는 전기 전도성 표면(22, 24)과도 관련된다. 본 실시예에서, 인접한 배터리 셀(10, 12, 14, 16)의 대향하는 전기 전도성 표면(22, 24) 사이에 각각 절연 재료, 예를 들어 폴리아미드로 된 전기 절연 필름(44)이 배치되는 것이 제공된다. 본 실시예에서 인접한 배터리 셀(10, 12, 14, 16)의 각각의 전기 전도성 표면(22, 24)을 갖는 경계 표면(26, 28)은 각각의 절연 필름(44)을 통해 직접 서로 인접하는 것이 제공된다.
개별 배터리 셀(10, 12, 14, 16) 사이에 또한 예를 들어 절연 필름(44)의 형태로 전기 절연이 존재하기 때문에, 이 경로 상에는 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 플레이트 커패시터가 구성될 수 있다는 것은 명백하다. 각각의 배터리 셀(10, 12, 14, 16)에 속하는 전기 전도성 표면(22 및 24)은 여기서 서로 전기적으로 절연되어 작동될 뿐만 아니라, 또한 동일한 전위로 함께 작동될 수도 있다. 특히 전기 전도성 표면(22 및 24)이 각각의 배터리 셀(10, 12, 14, 16)의 전기 전도성 하우징의 부분이고, 상기 전기 전도성 하우징은 활성 부분, 즉 배터리 셀(10, 12, 14, 16)의 갈바닉 요소와의 갈바닉 연결 및 특히 배터리 셀의 2개의 전기 연결부와의 갈바닉 연결을 포함하지 않는 것이 또한 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 여기서 배터리 셀(10, 12, 14, 16) 및 다른 배터리 셀(10, 12, 14, 16)과 같이 형성된 추가의 도시된 배터리 셀(18)의 개별 하우징(40)은 각각 인접한 하우징(40)과 플레이트 커패시터(C)를 구성할 수 있다. 따라서 에너지는 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)의 플레이트 커패시터(C)의 상호 연결된 배치에 의해 인접한 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)(왼쪽 또는 오른쪽)로 그리고 그 반대로 전송될 수 있다.
양방향 화살표(P)를 통해 부호로 도시되는, 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)에서 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)로의 에너지 전송 시, 전송될 에너지 양을 전송 경로에 존재하는 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)의 각각에 우선 저장하고, 이어서 다시 추출하고 그리고 이를 통해 가능하게는 배터리 셀(10,12, 14, 16, 18)을 배터리 셀 화학에 의해 설정된 한계 밖으로 작동시키는 것이 절대적으로 필요하지는 않다. 따라서 예를 들어 배터리 셀(12)의 에너지가 직접적으로 배터리 셀(14 및 16)의 각각의 하우징(40)의 상호 결합된 배치를 통해 배터리 셀(18)로 전송되고, 에너지 추출은 관련된 제어 장치(36)에 의해 이루어질 수 있는 것이 가능하다. 상호 연결된 플레이트 커패시터 배치에 의해, 각각의 전송될 에너지 양을 "액티브 밸런싱" 개념에 상응하게 직접적으로 추출 및 후속하는 재공급 없이 용량성 결합 경로에서 다음 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)로 동적으로 그리고 의도한 대로 전송할 수 있는 가능성이 존재한다.
이전에 이미 상술된 바와 같이, 상호 연결된 플레이트 커패시터(C)는 특히 바람직하게는 하우징(40)에 의해 자체적으로 "커패시터 플레이트"로서 구현될 수 있다. 하우징(40)은 대부분 알루미늄으로 이루어지며, 보통 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)의 활성 부분에 대향하여 절연 형태로 존재한다. 하우징(40)은 여기서 오직 제어 장치(36)에만 연결되고, 이는 배터리 셀의 활성 부분과 자체적으로 전기적으로 연결된다(양극 및 음극 단자). 하우징(40)이 절연 구조에 적합하지 않은 경우, 또한 커패시터 요소(C)를 플레이트 커패시터로서 배터리 셀 사이에 전기 전도성 표면(22 및 24)의 형태로 구현할 수 있는 가능성도 존재한다.
배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18) 중 하나는 각각 상위 제어 장치(42)와 예를 들어 무선으로 통신할 수 있다. 제어 장치(42)는 모든 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)을 통해 필요로 하는 에너지 수요를 결정할 수 있고, 액티브 밸런싱 원리에 따른 사전 설정 가능한 지능형 알고리즘에 상응하게 분할할 수 있다.
도 3은 2개의 배터리 셀(10, 12) 사이에 용량성 에너지 전송의 간략화된 묘사를 도시한다. 이 경우, 배터리 셀(10)뿐만 아니라 배터리 셀(12)도 각각 송신 및 수신 유닛(32)(트랜스시버)(Tx/Rx)에 결합된 제어 및 모니터링 장치(36)를 포함한다. 여기서 송신 및 수신 유닛(32)은 또한 제어 및 모니터링 장치(36)의 구성 요소일 수도 있다. 송신 및 수신 유닛(32)은 여기서 각각 배터리 셀(10) 또는 배터리 셀(12)의 2개의 연결부에, 즉 양극 및 음극에 전기적으로 결합된다. 또한 각각의 송신 및 수신 유닛(32)은 각각의 배터리 셀(10, 12)에 속한 제1 전기 전도성 표면(22) 및 제2 전기 전도성 표면(24)에 각각 전기적으로 결합된다. 갈바닉 분리 표면(45)에는 따라서 배터리 셀(12)에 속하는 제1 전기 전도성 표면(22)으로부터 그리고 배터리 셀(10)에 속하는 제2 전기 전도성 표면(24)으로부터 플레이트 커패시터(C)가 형성된다. 이러한 플레이트 커패시터(C)를 통해 가변 전계(E)(
Figure pct00001
)에 의해 에너지 전송이 결과적인 전기적 변위 전류를 통해 이루어질 수 있고, 용량성 에너지 전송을 표시하는 양방향 화살표(P)를 통해 도시되었다. 용량성 에너지 전송이 전계에서 전하 캐리어의 변위를 기초로 하기 때문에, 저항 손실이 거의 발생하지 않는다. 따라서 특히 매우 적은 에너지 양이 전송될 때, 매우 높은 효율이 달성될 수 있다.
2개의 전기 전도성 표면(22 및 24)은 여기서 구리 필름으로서 형성될 수 있고, 매우 얇게 설계될 수 있는데, 이는 유리하게도 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18)의 크기에 영향을 주고, 추가적인 전송 경로의 생성을 위해 체적이 큰 구성 요소들에 의해 보완될 필요가 없다. 이는 여기서 바람직하게는 예를 들어 금속에 의한 증착에 의해 또는 전도성 표면에 의한 금속의 전기 화학적 피착에 의해 구성되는 금속화된 필름일 수도 있다. 전기 전도성 표면(22, 24)의 형태는 여기서 임의로 형성될 수 있다. 특히 배터리 셀(12)에 속하는 제1 전기 전도성 표면(22) 및 배터리 셀(10)에 속하는 제2 전기 전도성 표면(24)이 완전히 중첩되는 것도 또한 필요하지 않다.
이러한 유형의 에너지 전송에서 현재 전송 가능한 전력은 약 5 와트 내지 10 와트이다. 바람직하게는 용량성 에너지 전송을 위한 주파수는 100 kHZ 내지 2 MHz 사이의 영역이다. 전송 가능한 전력을 증가시키기 위해, 여기서 가능한 한 높은 전압이 선택되고, 가능한 높은 전압은 물리적 조건에 기인한 절연 필름(44)의 절연 강도에 의해 제한된다.
용량성 에너지 전송의 결합 원리는 이하에서 도 4에 설명된다.
발전기(G)는 변압기(TG)의 1차 권선에 공급된다. 변압기(TG)의 2차측 출력에는, 용량(CG)에 전기 직렬 공진 회로(LC1)에 결합된 공진 인덕턴스(LG)가 전기적으로 결합된다. 용량(CG)에 의한 전류가 iG로 지칭된다. 변압기(TG)의 2차측의 제2 연결점은 여기서 전기적으로 커패시터(CG)에 결합된다. 공진 주파수는 또한 점선으로 표시된 내부 용량에 의해 영향을 받고, 이 내부 용량은 발전기(G)와 용량(CG) 사이에 존재하는 점선으로 둘러싸인 송신기 회로의 일부이다. 이에 상응하여 전류(iL)가 흐르는 용량(CL)을 포함하는 부하측에 회로가 구성된다. 용량(CL)은 변압기(TL)의 2차측에 전기적으로 결합된 직렬 공진 회로(LC2)를 인덕턴스(LL)와 함께 형성한다. 공진 주파수는 또한 발전기 측에서와 마찬가지로, 용량(CL)과 변압기(TL)의 1차측과 전기적으로 결합된 부하(RL) 사이에 존재하는 점선으로 둘러싸인 수신기 회로의 일부인 점선으로 표시된 내부 용량에 의해 영향을 받는다. 2개의 공진 회로(LC1 및 LC2)의 두 중심점 사이에 결합 용량(CM)이 발생된다. 공진 회로의 중심점은 여기서 공진 인덕턴스와 공진 용량(예를 들어 LG 및 CG)의 연결점으로 이해된다. 이러한 2개의 구성 요소 각각의 다른 연결점은 언급된 예에서 변압기(TG)의 2차측의 연결부에 연결된다.
예를 들어 용량(CG)의 상부 전극은 송신 및 수신 유닛(32)에 결합된 전기 전도성 표면(24)(도 2에서 좌측)에 의해 그리고 용량(CL)의 상부 전극은 송신 및 수신 유닛(32)에 결합된 전기 전도성 표면(22)(도 3에서 우측)에 의해 형성된다. 이러한 경우 용량(CG)의 하부 전극은 배터리 셀(10)의 활성 부분과의 전기적 연결을 포함하는 배터리 셀(10)의 하우징에 의해 형성될 수 있다. 마찬가지로 용량(CL)의 하부 전극은 배터리 셀(12)의 활성 부분과의 전기적 연결을 포함하는 배터리 셀(12)의 하우징에 의해 형성될 수 있다. 2개의 하우징은 여기서 (도 3에 도시되지 않은) 전류 레일(48)을 통해, 고주파 신호에 대한 저 임피던스 연결을 나타내는 서로에 대한 규정된 전위 관계로 존재한다. 분리된 전기 전도성 표면(22 및 24) 대신에, 본 실시예에서 각각의 배터리 셀의 활성 부분에서 절연되어 배치되는 배터리 셀(10 및 12)의 각각의 하우징(40)이 사용되는 경우에, 용량(CG)의 하부 전극은 배터리 셀(10)의 활성 부분에 의해 그리고 용량(CL)의 하부 전극은 배터리 셀(12)의 활성 부분에 의해 주어진다.
도 5는 각각의 복수의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)을 각각 갖는 복수의 배터리 모듈(50)을 포함하는 2개의 추가의 배터리 셀(46, 52)을 더 갖는 배터리 시스템(60)의 예시적인 구조를 도시한다. 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)은 배터리 모듈(50)의 내부에 전류 레일(48)을 통해 전기 전도성으로 연결된다.
이는 여기서 전기적 직렬 회로, 전기적 병렬 회로 또는 혼합 직렬-병렬 회로일 수도 있다. 이미 상술한 바와 같이, 전기 전도성 표면(22 및 24) 또는 인접하게 배치된 배터리 셀(52)의 상응하는 대응 물체를 갖는 각각의 배터리 셀의 하우징은 용량(C)을 형성한다. 모듈의 내부에서 개별의 배터리 셀(52)은 예를 들어 1, 2, 3 내지 n으로 번호가 매겨져 있다. 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)로부터 인접한 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)로의 플레이트 커패시터(C)의 상호 연결된 배치에 의해 에너지가 왼쪽에서 오른쪽으로(10-12-14-16-18-46-52) 또는 오른쪽에서 왼쪽으로(52-46-18-16-14-12) 전송될 수 있다. 따라서 에너지는 배터리 모듈(50) 전체에 의해 전송될 수 있으며, 이는 도 5에 파동 부호로 표시된다. 따라서 한편으로는 에너지 전송이 인접한 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)로 예를 들어 배터리 셀(12)로부터 배터리 셀(14)로, 또는 예를 들어 그 반대의 방향으로 배터리 셀(46)로부터 배터리 셀(18)로 직접적으로 이루어질 수 있다. 그러나 그 사이에 위치하는 배터리 셀(14, 16, 18, 46)에 의해 용량성으로 여기된 결합 경로로부터 에너지를 취하지 않고, 배터리 셀(12)로부터 예를 들어 배터리 셀(52)로 에너지를 전송하는 것도 또한 가능하다.
또한 개별 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)은 배터리 모듈(50)로 그룹화될 수 있다. 배터리 모듈(50)은 인접한 배터리 모듈(50)과 결합 용량(CM)을 형성하는 특히 하나 이상의 전기 전도성 표면의 형태의 공통 전극을 가질 수 있다. 배터리 모듈(50)은 여기서 모듈 연결 요소(54)를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 이미 셀 평면에 대해 제안된 바와 같이, 모듈 평면 상에 개별 모듈(50)의 직렬 회로, 병렬 회로 또는 조합된 직렬-병렬 회로가 또한 존재할 수도 있다. 배터리(60)는 또한 배터리 양극 단자(56) 및 배터리 음극 단자(58)를 갖는다. 또한 배터리 평면 자체에 배터리 모듈(50)로부터 배터리 모듈(50)로의 용량성 에너지 전송을 구현할 수 있는 가능성이 존재한다. 배터리 모듈(50) 사이에는 이를 위해 상응하는 결합점이 제공된다. 가장 단순한 경우, 이러한 결합점이 단순한 플레이트 커패시터로서 구현될 수 있고, 배터리(60)에 통합될 수 있다. 제어 장치(42)는 한정된 에너지 교환을 상위로 제어한다.
여기서 간섭에 의해 서로 방해하지 않으면서, 복수의 배터리 모듈(50) 사이에 동시에 조정된 용량성 에너지 교환도 또한 가능하다(다중 에너지 전송). 따라서 예를 들어 제1 전기 전도성 표면(22)과 제2 전기 전도성 표면(24)이 전기적으로 독립적으로 배치되고, 별도로 제어될 수 있는 것도 또한 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각 제1 단계에서 오직 에너지 전송이 소정의 방향으로 바로 인접하여 위치한 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)로 제공된다. 이를 통해 예를 들어 공급 위상 및 공급 주파수의 동기화가 이루어질 필요 없이, 동시에 에너지 교환이 배터리(60)의 많은 지점에서 동시에 이루어질 수 있다. 여기서 또한, 에너지가 단지 셀을 통해서만 전도되는 경우, 제1 전기 전도성 표면(22)과 제2 전기 전도성 표면(24) 사이에 일시적 전기 결합을 제공하도록 제공될 수 있다.
m개의 배터리 모듈(50)의 결합에서 배터리 모듈(50)로부터 인접한 배터리 모듈(50)로의 에너지 전송이 도 5에 따른 도시에서 m = 3로 도시된다. 파동 기호로 도시된 에너지 전송은 여기서 제1 배터리 모듈(50)과 중간 배터리 모듈(50) 사이에 도시되었다.
여기서 각각의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)은 배터리 모듈(50)의 내부에서 배터리 모듈(50)의 해당 전기 전도성 표면으로 용량 결합될 수 있는 것이 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로 모든 배터리 셀(52)이 배터리 모듈(50)의 내부에 소정의 전기 회로로 공통으로 단일 송신 및 수신 유닛(32)을 통해, 결합 용량(CM)의 형성을 위해 인접하게 배치된 배터리 모듈(50)에 대해 필요로 하는 해당 전기 전도성 표면으로 용량 결합되는 것이 제공될 수도 있다. 배터리 모듈(50)은 또한 복수의 층으로 적층되어 배치될 수 있다. 이러한 경우 상응하는 결합 유닛이 용량 결합 경로의 제공을 위해 아래에서 위로 제공되어야 한다.
용량성 에너지 전송이 자동차와 관련된 배터리에 기초하여 설명되었더라도, 그 적용이 이러한 용도에 제한되지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. 용량성 에너지 전송은 물론 고정 전기 시스템, 특히 전기 개폐 장치의 영역에도 또한 사용될 수 있다. 또한 여기서는 특히 양호하게는 무정전 에너지 공급 장치에 사용될 때, 특히 안전 관련 기능에 사용될 때 장점이 특히 분명하다. 이는 특히 신호 기술 또는 통신 기술의 전기 시스템에 큰 장점이 있다.
따라서 용량성 결합 유닛에 의한 에너지 전송이 특히 용량성 에너지 전송을 위해 플레이트 커패시터의 사용에 의해 또는 하우징(40)의 사용에 의해 자체적으로 설계될 수 있는 방법이 위에서 제시되었다.

Claims (10)

  1. 서로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)을 포함하는 자동차용 배터리(20, 60)에 있어서,
    상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀의 경계 표면(26)이 제1 제어 장치(36)에 결합된 제1 전기 전도성 표면(22)을 포함하고, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제2 배터리 셀의 경계 표면(28)이 제2 제어 장치(36)에 결합된 제2 전기 전도성 표면(24)을 포함하고, 상기 2개의 전기 전도성 표면(22, 24)은 서로 전기적으로 절연되어 배치되고, 커패시터 요소(C)를 형성하며, 상기 제어 장치(36)는, 상기 커패시터 요소(C)에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀과 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제2 배터리 셀 사이에 전기 에너지를 전송하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀의 상기 제어 장치(36)는, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제2 배터리 셀의 상기 제어 장치(36) 및/또는 상위 제어 장치(42)로의 통신 연결을 통해, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀과 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제2 배터리 셀 사이의 능동 충전 밸런싱을 제어하기 위해 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상위 제어 장치(42)는 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀로부터 추출될 에너지에 대한 목표값을 사전 설정하여, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀의 상기 제어 장치(36)로의 상기 통신 연결을 통해 제공하도록 설계되고, 상기 제어 장치(36)는 상기 제공된 목표값에 따라 상기 커패시터 요소(C)에서 전기적 교번 자장을 생성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전기 전도성 표면(22) 및 상기 제2 전기 전도성 표면(24)은 각각 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)의 각각의 하우징(40)을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리(20, 60)는 적어도 하나의 제3 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)을 포함하고,
    상기 제1 제어 장치(36)는 상기 제1 배터리 셀에 전기 화학적으로 저장된 에너지를 추출하고, 이를 상기 커패시터 요소(C)에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 전송하도록 설계되고,
    전기 에너지를 상기 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제2 배터리 셀을 통해 전송하고, 상기 전기 에너지를 전기 화학적으로 상기 제2 배터리 셀에 임시 저장하지 않으며,
    제3 제어 장치(36)가 상기 전송된 전기 에너지를 상기 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제3 배터리 셀로 공급하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배터리(20, 60)는 적어도 2개의 배터리 모듈(50)을 포함하고, 상기 적어도 2개의 배터리 모듈(50)은 각각 모듈 제어 장치와 결합된 전기 전도성 모듈 표면을 포함하고, 상기 전기 전도성 모듈 표면은 서로 전기적으로 절연되어 배치되고 모듈 커패시터 요소(CM)를 형성하며, 상기 각각의 배터리 모듈(50)의 상기 모듈 제어 장치는 상기 모듈 커패시터 요소(CM)에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 상기 적어도 2개의 배터리 모듈(50) 사이에 전기 에너지를 전송하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모듈 제어 장치는 배터리 모듈(50)을 각각 형성하는 배터리 셀(52) 전체에 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치(36)는 단일 집적 회로 및 수동 컴포넌트에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 배터리(20, 60)를 포함하는 자동차.
  10. 서로 인접하게 배치되는 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52)을 포함하는 자동차용 배터리(20, 60)를 작동하는 방법에 있어서,
    커패시터 요소(C)에서 전기적 교번 자장을 생성함으로써 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀과 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제2 배터리 셀 사이에 전기 에너지를 전송하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제1 배터리 셀의 경계 표면(26)이 제1 제어 장치(36)에 결합된 제1 전기 전도성 표면(22)을 포함하고, 상기 적어도 2개의 배터리 셀(10, 12, 14, 16, 18, 46, 52) 중의 제2 배터리 셀의 경계 표면(28)이 제2 제어 장치(36)에 결합된 제2 전기 전도성 표면(24)을 포함하고, 상기 2개의 전기 전도성 표면(22, 24)은 서로 전기적으로 절연되어 배치되고, 상기 커패시터 요소(C)를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차용 배터리(20, 60)를 작동하는 방법.
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