KR20180092261A - 이종 전기 에너지 저장 시스템 및 관리 방법 - Google Patents

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Abstract

이종 전기 에너지 저장 시스템 관리방법은 복수의 에너지 저장 요소를 포함하는 배터리 팩과 동적 전력 부하를 포함하는 시스템에 대하여, 상기 동적 전력 부하의 전력 요구량을 측정하는 단계;, 측정된 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 하나 이상의 에너지 저장 요소를 공급원으로 선택하는 단계; 및 선택한 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하로 전력을 공급하는 단계;를 포함한다.

Description

이종 전기 에너지 저장 시스템 및 관리 방법{Heterogeneous Electrical Energy Storage System}
복수의 배터리를 포함하는 이종 전기 에너지 저장 시스템의 충전 및 방전 거동을 관리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기 자동차가 대중 시장으로 진입함에 따라 배터리 팩과 차량의, 현재 널리 보급되어 있는 내연 기관과 경쟁할 수 있는 능력이 중요해지고 있다. 전기자동차가 내연 기관과 경쟁하기 위해서는 증가된 주행거리, 비용 절감, 배터리 수명 연장, 성능 향상 또는 보다 짧은 충전 시간이 필요할 수 있다.
현재의 전기 자동차는 일반적으로 단일의 화학 배터리를 사용하여 전체 배터리 팩을 구성한다. 이 때, 주어진 전기 자동차에 대해, 성능, 수명, 비용, 충전 시간 등을 고려하여 절충안이 되는 화학 배터리가 선택된다.
이종 전기 에너지 저장 시스템은 상이한 장점들 및 최적의 동작 조건들을 갖는 다수의 에너지 저장 요소를 포함시킴으로써 단일 화학 배터리 팩에 존재하는 트레이드오프를 최소화 하고자 한다.
일 실시예에서,
여러 가지 종류의 복수의 에너지 저장 요소를 포함하는 배터리 팩과 동적 전력 부하를 포함하는 시스템에 대하여, 상기 동적 전력 부하의 전력 요구량을 측정하는 단계;
상기 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중, 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 하나 이상의 에너지 저장 요소를 공급원으로 선택하는 단계;
선택된 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하로 전력을 공급하는 단계; 를 포함하는, 이종 전기 에너지 저장 시스템(Heterogeneous electrical storage system, HESS)의 관리방법이 제공된다.
상기 복수의 에너지 저장 요소에 각각의 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 및 사이클 수명 중 적어도 하나에 기초하여 우선적인 전력 공급 순서를 할당할 수 있다. 이 때, 상기 전력 공급 순서가 첫 번째인, 첫 번째 에너지 저장 요소는 상기 전력 공급 순서가 두 번째인, 두 번째 에너지 저장 요소보다 더 높은 에너지 전달률과 더 긴 사이클 수명 중 적어도 하나를 갖을 수 있다.
상기 선택하는 단계는, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중 적어도 일부의 잔존 용량을 측정하고, 측정된 잔존 용량에 따라 공급원을 선택할 수 있다. 이 때, 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 잔존 용량을 측정하고; 측정된 잔존 용량이 임계치 이상인 경우, 상기 첫 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하고; 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 잔존 용량이 임계치 미만인 경우, 상기 두 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택할 수 있다.
상기 선택하는 단계는,
상기 복수의 에너지 저장 요소 중 적어도 하나의 한계 방전율(rate limit)을 상기 전력 요구량과 비교할 수 있다. 이 때, 상기 전력 요구량이 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 한계 방전율 내에 있는 경우, 상기 첫 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하고; 상기 전력 요구량이 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 한계 방전율을 초과하는 경우, 동적 전력 부하의 전력 요구량을 충족시키도록 상기 첫 번째 에너지 저장 요소 및 상기 첫 번째 에너지 저장 요소와 다른 적어도 하나 이상의 에너지 저장 요소를 함께 상기 공급원으로 선택할 수 있다.
상기 전력을 공급하는 단계는 상기 복수의 에너지 저장 요소 내의 잔존 용량이 각각의 설정된 예비 수준에 모두 도달한 경우, 각각의 방전율로 상기 복수의 에너지 저장 요소 모두로부터 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 수 있다.
상기 전력을 공급하는 단계는 상기 첫 번째 에너지 저장 요소 내의 잔존 용량이 전력원에 의해 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 예비 수준 이상으로 회복되는 경우, 상기 두 번째 에너지 저장 요소로부터의 전력 공급을 중단하고 상기 첫 번째 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 수 있다.
상기 복수의 에너지 저장 요소는 화학적 특성, 저장 방식, 활성 물질, 또는 전극 구조 중 하나 이상에 대해 서로 구별될 수 있다. 또한, 상기 복수의 에너지 저장 요소는 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 그리고 사이클 수명 중 하나 이상에 대하여 서로 적어도 부분적으로 구별될 수 있다.
다른 일 실시예에서,
복수의 에너지 저장 요소로 이루어지는 배터리 팩; 및
상기 배터리 팩을 관리하는 프로세서;를 포함하며,
상기 프로세서는
상기 배터리 팩에 연결된 동적 전력 부하의 전력 요구량을 측정하는 단계,
상기 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중, 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 하나 이상의 에너지 저장 요소를 공급원으로 선택하는 단계, 및
선택된 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하로 전력을 공급하는 단계를 수행하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)을 제공한다.
다른 일 실시예에서,
복수의 에너지 저장 요소로 이루어지는 배터리 팩과 동적 전력 부하로 구성된 시스템에서 상기 동적 전력 부하의 전력 요구량을 측정하는 단계;
상기 전력 요구량을 측정하는 단계에 대응하여 상기 복수의 에너지 저장 요소 중 일부의 잔존 용량을 측정하는 단계;
잔존 용량을 측정한 상기 복수의 에너지 저장 요소 중 일부의 한계 방전율(rate limit)을 측정하고 이를 상기 동적 전력 부하의 전력 요구량과 비교하여 부하에 전력을 전달하기 위한 에너지 저장 요소를 선택하는 단계; 및
선택된 에너지 저장 요소가 전력을 동적 전력 부하에 공급하는 단계;를 적어도 하나의 프로세싱 장치로 하여금 수행하게 하는 컴퓨터가 판독 가능한 프로그램 코드를 포함하는 비 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 제공한다.
상기 컴퓨터가 판독 가능한 프로그램 코드는, 상기 에너지 저장 요소의 각각의 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 그리고 수명 특성 중 적어도 어느 하나에 기초한 순서에 따라 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 동적 전력 부하에 전력을 전달하도록 할 수 있다.
이종 전기 에너지 저장 시스템은 상이한 장점들 및 최적의 동작 조건들을 갖는 다수의 에너지 저장 요소를 포함시킴으로써 단일 화학 배터리 팩에 존재하는 트레이드오프를 최소화 할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)이 적용되는 예시적인 전기 자동차의 전자부품들의 블록도이다.
도 3은 실시예에 따른 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)을 관리하는 시스템의 블록도이다.
도 4A~4D는 도 3의 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS) 관리 시스템에 의한 제어에 기초한 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 충전 및 방전 동작의 예시를 나타내는 그래프이다
도 5A~5C는 도 3의 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS) 관리 시스템에 구비된 지능형 배터리 관리 시스템의 제어에 기초한 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 충전 및 방전율의 동작의 예시를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 충전 및 방전을 관리하는 방법에 대한 흐름도이다.
이하에서 논의된 도 1 내지 도 6 및 이 특허 문헌에서 이종 전기 에너지 저장 시스템(Heterogeneous Electrical Energy Storage System)의 원리를 설명하기 위해 사용된 다양한 실시예들은 단지 설명을 위한 것이고 HESS의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는 HESS의 원리가 임의 적절하게 갖추어진 시스템에서 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 특허 명세서 전체에 걸쳐 사용 된 특정 단어 및 어구의 정의를 기술하는 것이 바람직할 수 있다. “수신(receive)”, 및 “통신(communication)”과 그 파생어는 직접 및 간접적인 의사소통을 의미한다. 용어 “포함하는” 및 “구성하는”과 그 파생어는 제한 없는 포함 및 구성을 의미한다. “또는”이라는 용어는 포괄적이며 및/또는의 의미를 지닌다. 어구 “~와 관련된”과 그 파생어는 포함하는, 내부에 포함되는, 서로 연결된, 보유하는, 안에 들어 있는, 서로 연결된, 접촉하는, 서로 상호 교류하는, 협업하는, 교차 배치된, 병치된, 가까운, 구속된, 가지는, 특성을 가지는, 관계를 가지는 등의 의미를 지닌다. “제어 장치”는 적어도 하나의 동작을 제어하는 장치, 시스템, 또는 그 일부를 의미한다. 이러한 제어 장치는 하드웨어와 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 조합으로 구현 될 수 있다. 특정 제어 장치와 관련된 기능은 국소적 또는 원격의 중앙 집중식 또는 분산형일 수 있다. “적어도 하나”라는 문구는 항목 목록과 함께 사용될 때 나열된 항목 중 하나 이상의 상이한 조합을 사용할 수 있으며 목록에 있는 하나의 항목만 필요할 수 있음을 의미한다. 예를 들어 “A, B, 및 C 중 적어도 하나”에는 A,B,C,각각, A와B의 조합, A와C의 조합, B와C의 조합 및 A와 B와 C의 조합이 포함된다.
또한, 이하에서 설명하는 다양한 기능들은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램에 의해 구현되거나 지원 될 수 있으며, 각각의 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터 판독 가능 프로그램 코드로 형성되고 컴퓨터 판독 가능 매체에 구현된다. “프로그램”이라는 용어는 적절한 컴퓨터 판독 가능 프로그램 코드로 구현하기 위해 맞추어진 하나 이상의 컴퓨터 프로그램, 소프트웨어 구성 요소, 명령어 세트, 절차, 기능, 객체, 클래스, 인스턴스, 관련 데이터 또는 그 일부를 나타낸다. “컴퓨터 판독 가능 프로그램 코드”라는 문구는 소스 코드, 객체 코드 및 실행 가능 코드를 포함하며 모든 유형의 컴퓨터 코드를 포함한다. “컴퓨터 판독 가능 매체”라는 문구는 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 엑세스 메모리(RAM), 하드 디스크 드라이브, 컴팩트 디스크(CD), 디지털 비디오 디스크(DVD) 등의 컴퓨터에 의해 접근될 수 있는 임의의 유형의 매체를 포함한다. “비 일시적인(non-transitory)” 컴퓨터 판독 가능 매체는 일시적인 전기 또는 다른 신호를 전송하는 유선, 무선, 광학 또는 다른 통신 링크를 배제한다. 비 일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체는 데이터가 영구적으로 저장될 수 있는 매체 및 재기록 가능한 광 디스크 또는 소거 가능 메모리 장치와 같이 데이터가 저장되고 나중에 겹쳐 쓰기 될 수 있는 매체를 포함한다.
실시예들은 여러 가지 종류의 복수의 에너지 저장 유형를 포함하는 배터리 팩의 개선된 방전 관리에 관한 것이다 “복수개의 화학 전지(multi-chemistry battery)” 라고 불릴 수 있는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)은 에너지 저장 시스템의 기능이나 비용을 최적화하기 위해 둘 이상의 다른 유형의 에너지 저장 요소를 결합한다. 다양한 유형의 에너지 저장 요소는 서로 다른 에너지 저장 메커니즘(예 : 배터리, 커패시터 등), 서로 다른 배터리 활성 물질(예 : 흑연, 리튬-금속 애노드), 동일한 물질을 사용하는 서로 다른 배터리 전극 구조(예 : 상이한 공극율)등의 특징으로 구별된다. 각 에너지 저장 요소는 원하는 작동 상황의 일부 측면에 맞게 조정된 특정 성능이나 비용 특성을 갖는다. 예를 들어, HESS는 배터리와 강력커패시터의 조합으로 구성될 수 있는데, 여기서 배터리는 큰 에너지 저장소를 제공하고 강력커패시터는 높은 전력 성능을 제공한다. 이러한 HESS에서의 배터리와 강력커패시터의 비율은 사용 시 요구되는 사항 및 고려되는 비용 사항에 따라 달라질 수 있다.
HESS는 배터리 팩에 연결된 동적 전력 부하의 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중, 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 하나 이상의 에너지 저장 요소를 공급원으로 선택한다. 예를 들어, 전기자동차에 HESS가 구현되는 경우, HESS는 평균 주행 거리에 대해 긴 사이클 수명을 제공하면서도 높은 가속 기간 또는 장시간의 주행으로 인한 급증한 전력 요구량을 충족시킬 수 있다.
HESS(102)는 복수의 에너지 저장 유형를 하나의 배터리 팩에 결합하여 각 유형의 이점을 활용하면서 복잡하고 다양한 부하 하에서 작동할 때 생기는 결함을 완화시킨다. HESS의 작동 원리는(예를 들어) 최우선적으로 그리고 가장 자주, 긴 사이클 수명의 전지를 사용하고, 민감한 전지들에 대한 방전을 적은 양으로 제한하고, 그리고 급증한 높은 비율의 전력 요구량을 충족시키기 위해 고출력 에너지 저장 장치로 가용 에너지를 보강함으로써 각각의 에너지 저장 유형의 능력을 극대화시키는 것에 기초한다.
도 1은 실시예에 따른 예시적인 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 개략도이다. HESS(102)는 다양한 유형의 에너지 저장 요소, 제1 내지 제4 저장 요소(104)(106)(108)(110)를 포함한다. 도시된 예에서, 제1 저장 요소(104)는 제1유형의 전기 에너지 저장 요소이다. 제2 저장 요소(106)은 제2유형이고, 제3 저장 요소(108)는 제3유형, 제4 저장 요소(110)는 제4유형일 수 있다. HESS(102)는 선택적으로 제1 내지 제4유형의 전기 에너지 저장 요소(104)(106)(108)(110)뿐만 아니라 추가 유형(들)의 추가 전기 에너지 저장 요소(들)(도시되지 않음)를 포함 할 수 있고, 또는, 일부 유형이 생략될 수 있다. 하나의 예시적인 구현에서, 제1 저장 요소(104)는 하나 이상의 중간 크기 에너지 및 매우 긴 사이클 수명의 배터리들에 의해 형성되거나 이들을 포함할 수도 있고, 제2 유형 전기 에너지 저장 요소(106)는 하나 이상의 범용 리튬 이온(Li-ion) 배터리에 의해 형성되거나 이를 포함할 수 있고, 그리고 상기 제3 유형 전기 에너지 저장 요소(108)는 초 고 에너지 및 짧은 사이클 수명을 가진 배터리 의해 형성되거나 이들을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 사이클 수명은 많거나 적은 수의, 배터리가 완전히 또는 실질적으로 충전되고 나서 다시 충전되기 전에 완전히 또는 실질적으로 고갈되는 충전 및 방전 사이클에 걸쳐 실질적으로 전체 동작을 유지하는 배터리의 능력을 의미한다. 각각의 전기 에너지 저장 요소들(104)(106)(108)은 사실상 단일 장치로서 서로 연결되어 작동되는 복수의 별개의 저장 전지들 또는 장치들에 의해 형성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제4 유형 전기 에너지 저장 요소(110)는 하나 이상의 고비율, 저 에너지 밀도 배터리에 의해 형성되거나 이를 포함할 수 있다. 또한, HESS(102)는 강력 또는 초강력 캐패시터나 플라이휠 에너지 저장 장치들과 같은 일시적인 에너지 저장 장치들을 선택적으로 포함할 수 있다. HESS(102)는 부하(들)(116)(130) 에 전기 에너지를 공급함으로써 주로 방전된다. HESS(102)는 전력 그리드에 대한 접속부(122)(연결이 가능할 때), 회생 제동 장치(124) 및 연소 엔진(126)(예를 들어, 연소기관 및/또는 발전기)을 포함할 수 있는 다양한 발전기 또는 회복 전력 공급 장치들(120)로부터 충전 될 수 있다.
상이한 복수의 에너지 저장 요소들(104)(106)(108)(110)은 화학적 특성, 저장 방식, 활성 물질, 또는 전극 구조 중 하나 이상에 대해 서로 구별될 수 있고 또한 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 그리고 사이클 수명 중 하나 이상에 대하여 서로 적어도 부분적으로 구별될 수 있다. 주어진 에너지 저장 요소에서 에너지 밀도와 최대 전력 출력 비율 사이에 트레이드오프가 존재 할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 부하들(116)(130)의 상이한 전력 요구량을 다루기 위해서 에너지 저장 요소들의 묶음을 갖는 것이 유리하다. 예를 들어, 사이클 수명이 매우 긴 배터리는 일반적인 전력 요구량을 처리하는 데 유용할 수 있지만, 고 전력 부하를 운용하는 데 충분한 전력을 생산할 수 없을 것이다. 따라서 더 높은 최대 전력 출력 에너지 저장 요소가 가끔씩 간헐적 또는 산발적으로 발생하는 고 전력 부하의 요구량에 충족하는데 유용할 것이다. 또한, 사이클 수명이 매우 긴 배터리는 가끔씩 발생하는 높은 에너지 요구량(예 : 더 긴 주행 거리에 따른 전력 요구량)에 대한 부하의 요구를 충족시키기에 충분한 에너지를 저장하지 못할 수 있으므로 높은 에너지 밀도의 에너지 저장 요소가 높은 에너지 요구량을 충족시키는 데 유용할 것이다. 이와 같이 적절한 상황에 맞게, HESS는 전력 요구량과 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 전력 부하로 전력을 공급할 에너지 저장 요소를 선택할 수 있다. 예를 들어, 복수의 에너지 저장 요소 각각의 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 및 사이클 수명 중 적어도 하나에 기초하여 우선적인 전력 공급 순서를 할당할 수 있다. 이 때, 전력 공급 순서가 첫 번째인, 첫 번째 에너지 저장 요소는 전력 공급 순서가 두 번째인, 두 번째 에너지 저장 요소보다 더 높은 에너지 전달률과 더 긴 사이클 수명 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
HESS(102)는 나아가 상기 에너지 저장 요소(104)(106)(108)(110)의 충전 및 방전을 관리하는 HESS 관리 시스템(112)을 더 포함한다. 각각의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)(110)는 HESS 관리 시스템과 상호 작용한다. HESS 관리 시스템(112)은 상기 에너지 저장 요소(104)(106)(108)와 전기 모터와 같은 부하(116) 또는 보조 장치와 같은 부하(130), 그리고 전력원(120)과의 상호 작용을 조정한다. 이하에서 더 자세히 설명될 내용처럼, HESS 관리 시스템(112)은 부하(들)(116)(130)의 요구를 감지하고 상이한 상기 에너지 저장 요소(104)(106)(108)들로부터의 전력 전달을 제어 할 수 있다. HESS 관리 시스템(112)은 상기 전력원(120)으로부터의 전력공급을 검출하고 상이한 상기 에너지 저장 요소로의 전력 전달을 조정할 것이다.
HESS(102)의 구성, 구체적으로는 HESS(102)내의 각각의 에너지 저장 요소의 유형 및 용량은 각각의 에너지 저장 요소에 대한 질량 및/또는 부피에 부분적으로 기초하여 선택될 것이다. 바람직하게는, HESS(102)의 구성은 자동차의 통상적인 사용의 범위 분포와 같은, HESS(102)로부터의 구체적인 전기 에너지 요구의 빈도에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 것이다. 그래프(150)은 예시적인 전기자동차의 운전자의 행동을 나타내주는 실례적인 그래프이다. 그래프(150)의 x축은 충전 간의 주행거리를 km단위로 나타내주고 y축은 일반적인 운전자가 충전 간의 x축 상에 표현되는 거리를 주행하는 횟수를 나타낸다. 도시된 예에서, 평균적으로 운전자는 짧은 거리(즉, 20~50km)를 주행한다. 이것은 대게는 통근을 하고 때로는 더 멀리 도로 여행을 떠나는 운전자의 전형이다. 상이한 유형의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 폭은 특정된 3개의 범위(0~25km, 25~125km, 125~200km)와 나란하도록 도시된다. 이러한 도시는 대응하는 범위 안에서의 사용 중에 발생하는 요구량을 실질적으로 충족시키는 상이한 유형의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)에 대한 용량의 선택을 도식적으로 나타낸다.
추가 설명으로서, HESS(102)의 특정 실시예에서 에너지 저장 요소들(104)(106)(108)의 유형 및/또는 용량은 그래프(150)에 도시된 것과 같은 예상된 주행 거동에 기초하여 선택될 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 그래프(150)에 대하여x축 방향으로 에너지 저장 요소들(104)(106)(108)(110)의 상대적 길이는 그래프(150)와 관련하여 그들의 에너지 용량을 나타낼 수 있고, HESS 관리 시스템(112)은 전력이 각 에너지 저장 요소로부터 인출 될 때 시스템을 조정한다. 예를 들어, 중간 크기 에너지 및 매우 긴 사이클 수명을 갖는 에너지 배터리 에너지 저장 요소(이하 제1 저장 요소(104))는 상대적으로 작은 용량을 가질 수 있고, 평균 주행 거리 정도인 약 25km정도를 다룰 수 있는 충분한 에너지를 가질 수 있다. HESS 관리 시스템(112)은 제1 저장 요소(104)가 매우 짧은 주행(예를 들어, 평일 통근 또는 주말 심부름)의 전체 에너지 비용을 부담하도록 제1 저장 요소(104)로부터 먼저 전력을 끌어 오도록 설계될 수 있다. 또한, 제1 저장 요소(104)는 더 긴 주행에서도 사용되는 첫 번째 배터리일 수 있으며, 이는 30km 또는 35km 주행의 경우에도 대부분의 에너지 비용(및 이에 따르는 대부분의 방전과 충전)이 제1 저장 요소(104)상에 배치되는 것을 의미한다. 왜냐하면 사이클 수명이 매우 긴 에너지 저장 요소가 사이클 수명이 다른 도시된 예의 나머지 에너지 저장 요소(106)(108)보다 그러한 사용에 더 적합하기 때문이다. 제1 저장 요소(104)는 성능 저하에 견딜 수 있도록 설계될 수 있어 반복 충전 및 방전의 최우선 순위에 가장 적합하다.
범용 리튬 이온 배터리(이하 제2 저장 요소(106))는 대략 평균 100km 거리의 주행에 대해 에너지를 제공하기 위해 선택될 수 있다. 왜냐하면 이것은 다소 짧은 사이클 수명을 갖고, 그러나 제1 저장 요소(104)보다 더 높은 에너지 밀도 또는 최고치 전력 출력을 가질 수 있기 때문이다. 그래프(150)의 예에서, 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)의 조합은 예시 전기자동차의 대부분의 사용 케이스(최대 125km의 범위)에 필요한 에너지 및 전력을 공급할 수 있다.
매우 큰 에너지 및 짧은 사이클 수명을 갖는 배터리 에너지 저장 요소(이하 제3 저장 요소(108))는 전기자동차의 주행거리를 200km까지 확장하기 위해, 및/또는 전기자동차의 전력 출력 성능을 향상시키기 위해 HESS(102)에 포함 될 수 있다. 일부의 실시예에서는, 강력캐패시터와 같은 부가적인 에너지 저장 요소(110)가 제1 저장 요소(104), 제2 저장 요소(106), 제3 저장 요소(108)의 조합으로부터의 가용 최대치 전력 출력을 초과한 부하들(116)(130)의 추가적인 전력 출력 요구를 제공하기 위해 매우 높은 최대치 전력 출력 예비로서 제공될 수 있다. HESS관리 시스템(112)은 가능한 한, 제3 저장 요소(108)로부터 에너지를 방전시키는 것을 피할 것이다. 왜냐하면 상대적으로 짧은 사이클 수명을 갖는 제3 저장 요소(108)와 같은 저장소는 반복되는 충전 및 방전에 의해 성능 저하가 되기 쉽기 때문이다. 하지만 제3 저장 요소(108)는 일상적인 사용의 경우에 사용하는 제1 저장 요소(104) 또는 제2 저장 요소(106)보다 빨리 성능 저하가 되지 않도록 하기 위해서 평균적인 운전자의 거동과 HESS관리 시스템(112)의 거동에 기초하여 눈금이 새겨질 것이다.
도 1에서 전기자동차에 대한 HESS(102)의 한 예를 설명하고 있지만, 도 1의 구조에 다양한 변화가 가해질 수 있다. 예를 들어, 더 많거나 더 적은 에너지 저장 요소가 HESS(102)에 포함될 수 있고, 에너지 저장 요소의 상대적인 크기와 구성이 서로 다를 수 있고, 또는 운전자의 거동이 그래프(150)에 개시된 것과는 다를 수 있다. 구체적인 예로서, HESS(102)는 도시된 세 가지 에너지 저장 요소, 즉 제1 저장 요소(104), 제2 저장 요소(106), 및 제3 저장 요소(108)에 제4 저장 요소(110)로서 강력캐패시터 대신에 플라이휠 에너지 저장 요소를 구비할 수 있다. 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)는 각각 최대 100km의 평균 주행을 지원하도록 설계 될 수 있는 반면, 플라이휠 에너지 저장 요소는 부하(들)(116)(130)로부터의 일시적인 고 전력 출력 요구에 대해 대응할 수 있다. 또한, 당업자는 간결함과 명확함을 위해 HESS 및 관련 전기자동차의 전체 구조가 도 1(또는 이하에서 설명되는 도 2 내지 도 3)에 도시되지 않았음을 알 수 있을 것이다. 그러나 단지 HESS에 대해 고유하거나 HESS을 이해하는데 필요한 많은 HESS와 전기자동차의 구조 및 동작이 도면들에 도시되고 본 출원에서 설명된다.
도 2는 실시예에 따른 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)이 적용되는 예시적인 전기 자동차의 전자부품들의 블록도이다. 도 2에 개시된 전기자동차(100)는 단지 설명을 위한 것이다. 전기자동차(100)에 관한 다른 실시예들이 HESS의 범위를 벗어나지 않고 구현될 수 있다. 전기 자동차(100)는 HESS(102)와 HESS에 의해 구동되는 다양한 전자 구성 요소를 포함한다.
도 2에서 개시된 것처럼, 전기 자동차(100)는 위에서 전술한 것처럼 두 개 이상의 에너지 저장 요소를 포함하는 HESS(102)를 포함한다. 더 많거나 적은 에너지 저장 요소가 HESS(102)에 포함 될 수 있고, HESS(102)는 상이한 유형의 에너지 저장 요소를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. HESS(102)는 전기 자동차(100)의 다양한 전자 구성 요소로의 전력 분배와 HESS(102)의 에너지 저장 요소의 재충전을 관리하는 HESS 관리 시스템(112)를 더 포함한다. 운전 제어 장치들(114)중 조향 제어 장치는 조향으로 인한 전력 요구량의 증가를 야기하는 신호를 HESS 관리 시스템(112)에 보낼 수 있다. 실시예에서, 이러한 정보는 HESS 관리 시스템(112)이 모터(116)에 전달되는 전력량을 변경하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 운전자가 가속 제어 장치를 통해 전기 자동차(100)를 가속시키며 회전하는 동안 전기 자동차(100)의 구동력을 유지하기 위해 이러한 정보가 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 운전 제어 장치(114)는 운전자의 명령을 수정하는 자동 운전 보조 제어 장치를 더 포함한다.
전력원(120)은 상기 에너지 저장 요소(104)(106)(108)(110)를 재충전하기 위해 기능한다. 상기 전력원(120)은 상기 에너지 저장 요소(104)(106)(108)에 전력을 제공하는 상이한 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전력원(120)은 전기 그리드에 연결된 연결부(122)로부터의 전력, 회생 제동 장치(124) 및 연소 엔진(126)으로부터의 전력을 포함할 수 있다. 전기 그리드는 연결부(122)를 이용하여 HESS(102)로 벽 소켓을 통해 전력을 전달할 수 있다. 따라서 이 전력원은 전기 모터(116)와 같은 부하에 전력을 전달하고 있는 동안은 에너지 저장 요소를 재충전 하는 데에 이용 가능하지 않을 수 있다. 회생 제동 장치(124)는 예를 들어, 제동 중에 흡수된 에너지를 전력으로 전환하고 이 에너지를 HESS(102)에 전달하는 전기 자동차(100)의 제동 장치에 연결된 시스템이다. 연소 엔진(126)은 예를 들어, 전기 자동차(100)의 하이브리드 버전의 연소 엔진일 수 있으며, 전기 자동차(100)의 변속기 및/또는(발전기를 통해) HESS(102)에 직접적으로 전력을 제공할 수 있다.
인터페이스 제어 장치(128)는 최소한의 보조 장치(130)를 포함하여 다양한 전자 구성 요소의 제어 장치를 포함할 수 있다. 상기 보조 장치(130)는 운전자에 의해 제어되지만 전기 자동차(100)의 움직임에는 직접적으로 영향을 주지 않는다. 예를 들어, 인터페이스 제어 장치(128)는 오디오 제어 장치, 라이트 제어 장치, 와이퍼 제어 장치, 트랜스미션 모드 제어 장치(예를 들어, 이코노미 및 스포츠 모드 셀렉터)등을 포함할 수 있다. 인터페이스 제어 장치(128)는 인터페이스 제어 장치(128)에 의해 제어되는 보조 장치(130)를 구동하기 위한 전력을 끌어오기 위해서 HESS(102)의 HESS 관리 시스템(112)과 소통할 수 있다. 보조 장치(130)는 예를 들어, 오디오 시스템, 헤드라이트, 신호등, 캐빈 라이트, 와이퍼, 계기판 조명, 동력 조향 장치, 동력 제동, 구동력 제어, 기후 제어, 자물쇠, 경보 시스템, 주행 안전 시스템 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 보조 장치(130)는 인터페이스 제어 장치(128)에 의해 제어되고, HESS(102)에 의해 전력을 공급받는다. 일부 실시예에서, 보조 장치(130)는 운전 제어 장치를 통한 운전자의 입력에 의해 간접적으로 제어된다. 예를 들어, 동력 조향 장치는 운전자의 자동차 핸들에 대한 입력에 기초하여 자동으로 구동되고, 구동력 제어 장치는 운전자의 자동차 핸들 및 가속기 또는 제동 제어 장치 등에 대한 입력에 의해 자동으로 구동된다. 다른 실시예에서, 보조 장치들은 또한 HESS(102)에 의해 전력을 전달 받는 센서들(132)에 의해 제어된다.
도 2가 전기 자동차(100)의 한 예를 도시하고 있지만, 도 2에 다양한 변화가 가해질 수 있다. 예를 들어, 상기 전기 자동차(100)는 적절한 배치로 더 많거나 적은 구성 요소를 포함할 수 있다. 도 2는 HESS의 범위를 전기 자동차(100)의 특정 구성으로 제한하지 않는다. 한편 도 2가 HESS에 개시된 다양한 특징들이 채택될 수 있는 작동 환경을 도시하고 있지만, 이러한 특징들은 임의의 다른 적합한 시스템에도 사용될 수 있다. HESS는 전기 자동차(100)가 아닌 다른 환경에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, HESS(102)는 전력 그리드로부터 일관된 전력 공급을 얻을 수 없는 정지된 원격 장치에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 이러한 원격 장치는 예를 들어, 방송탑이 될 수 있다. 방송탑의 전력원(120)은 태양열 패널 어레이 또는 다른 에너지 원일 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 예시적인 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)을 관리하는 관리 시스템의 블록도이다. 이 예시에서, HESS 관리 시스템(112)은 적어도 랩톱 또는 데스크톱 컴퓨터의 일부 측면과 유사한 컴퓨팅 혹은 프로세싱 시스템이다. HESS 관리 시스템(112)은 (도 2에 도시된)전기 자동차(100)에 위치한 특수하게 제작된 컴퓨팅 장치 혹은 시스템이거나, 특수화 된 프로그래밍을 사용하는 전기 자동차(100)의 더 일반적인 컴퓨팅 장치에서 구현될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, HESS 관리 시스템(112)은 적어도 하나의 프로세싱 장치(310), 적어도 하나의 저장 장치(315), 적어도 하나의 통신 장치(320), 적어도 하나의 입출력(I/O) 장치(325), 그리고 제어 장치(350)들 사이의 상호 교류를 지원하는 버스 시스템(305)를 포함한다. HESS 관리 시스템(112)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 설정된 명령어 및 데이터 저장 장치(315)에 저장된 관련된 데이터의 형태를 취하고, 제어 장치(350)에 출력되는 제어 신호를 생성하기 위해 프로세싱 장치(310)에 의해 실행되는 지능형 배터리 관리 시스템(battery management system, BMS)을 포함한다. BMS(340)를 형성하는 명령어들 및 관련된 데이터는 작동하는 도중에 영구 기억 장치(335)에 저장되고 메모리(330)에 복사될 수 있다. 프로세싱 장치(310)는 명령어를 실행시키고 영구 기억 장치(335)에서 메모리(330)로 옮겨진 관련된 데이터를 사용한다. 프로세싱 장치(310)는 임의의 적당한 배열로 적절한 수 및 유형의 프로세서들을 포함할 수 있다. 적절한 프로세서의 예는 프로그래밍 가능한 마이크로프로세서, 마이크로 제어기, 디지털 신호 프로세서, FPGA(field programmable gate array), 응용 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit) 및 이산 회로를 포함한다. 메모리(330) 및 영구 기억 장치(335)는 단지 정보(데이터, 에너지 저장 요소의 과거 작동 내역, 프로그램 코드 또는 명령어, 및/또는 임시 또는 영구적인 기타 적절한 정보)의 검색을 저장하고 촉진 할 수 있는 구조를 나타내는 기억 장치(315)의 예시일 뿐이다. 메모리(330)는 랜덤 엑세스 메모리 또는 임의의 다른 적절한 휘발성 또는 비 휘발성 저장 장치를 나타낼 수 있다. 영구 기억 장치(335)는 읽기 전용 메모리, 하드 드라이브, 플래시 메모리, 또는 광디스크와 같은 장기간의 데이터 기억 장치를 지원하는 하나 이상의 구성 요소 또는 장치를 포함 할 수 있다.
통신 장치(320)는 다른 시스템 또는 장치들과의 통신을 지원한다. 예를 들어, 통신 장치(320)는 유선 다중 스테이션 통신 네트워크 용 네트워크 인터페이스 카드 또는 무선 네트워크를 통한 통신을 용이하게 하는 무선 트랜시버(transceiver)를 포함 할 수 있다. 통신 장치(320)는 임의의 적당한 물리적 또는 무선 통신 링크(들)을 통한 통신을 지원할 수 있다. 일부 실시예에서, 통신 장치(320)는 에너지 저장 요소(104)(106)(108)들의 상태에 관한 정보를 모으기 위해 이들과 상호 교류하고, 에너지 저장요소(104)(106)(108)로부터의 방전을 제어하기 위해 제어 장치(350)와 교류한다. 제어 장치(350)는 부하(들)(116)(130)와 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 상호 연결 유무를 조절하는 스위칭 역할에 적합한 제어 장치이다. 따라서, 제어 장치(350)는 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 개별에, 또는 부하(들)(116)(130)과의 다양한 조합에 대한, 적어도 HESS 관리 시스템(112)과 BMS(340)에 의해 선택적으로 제어되는 스위치를 포함한다. 다른 실시예에서, 제어 장치(350)는 예를 들어, 버스 시스템(305)과 분리된 스위치 매트릭스를 통해 프로세싱 장치(310)에 직접 연결 된다.
입출력 장치(325)는 데이터(BMS(340)의 업데이트를 위한 명령어를 포함한다)의 입력과 출력을 허용한다. 예를 들어, 입출력 장치(325)는 키보드, 마우스, 키패드, 터치 스크린, 스위치 또는 다른 적절한 입력 장치들 개별 또는 이들의 선택된 조합을 통해 사용자의 입력을 위한 연결을 제공할 수 있다. 입출력 장치(325)는 또한 출력을 디스플레이, 프린터, 무선 트랜시버(transceiver) 또는 다른 적절한 출력 장치들 개별 또는 이들의 선택된 조합에 출력을 보낼 수 있다. 예를 들어, 입출력 장치(325)는 HESS(102)의 상태에 관한 정보를 운전자에 제공하기 위해서 전기 자동차(100)내부에 있는 디스플레이 스크린에 출력을 보낼 수 있다.
지능형 BMS(340)는 HESS(102)의 에너지 저장 요소들(104)(106)(108)을 감독하고, 전력원(120)으로부터 각각의 에너지 구성 요소를 어떻게 충전할 것인지 및 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량에 기초하여 에너지 저장 요소(들)(개별적으로 혹은 조합으로)를 어떻게 방전시킬 것인지 결정한다. 일부 실시예에서, BMS(340)는 HESS(102)의 충전 및 방전 거동을 지시하는 스태틱 로직을 포함한다. 다른 실시예에서, BMS(340)는 다음과 같은 기능을 행함에 따라 동적으로 조정되는 로직을 포함한다: (1)BMS(340)가 장치의 사용 패턴(예를 들어, 전기 자동차(100)의 주행 패턴)들을 배운다. (2)BMS(340)가 미래의 사용을 예측하게 해주는 다가올 주행 루트나 주행 조건들에 대한 지식(예를 들어, GPS 루팅, 하루의 통근 동안의 주행 기록, 교통 체중 정보, 일기 예보, 및/또는 위상 정보(topological information))을 미리 갖는 경우, 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 양호 상태(예를 들어, 용량 저하의 수준) 및 온도 등을 측정한다.
도 4A 내지 4D는 도 3의 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS) 관리 시스템에 의한 제어에 기초한 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 충전 및 방전 동작의 한 예시를 나타내는 그래프이다. HESS에 의해 고려되는 충전 및 방전 관리를 설명하기 위한 목적으로만 사용되는 본 예시에서, HESS(102)는 제1 저장 요소(104), 제2 저장 요소(106) 및 제3 저장 요소(108)로 구성되어 있다. HESS는 복수의 에너지 저장 요소(104)(106)(108) 중 적어도 일부의 잔존 용량을 측정하고, 측정된 잔존 용량에 따라 공급원을 선택한다.
도 4A는 HESS의 한 실시예에 따른 HESS(102)의 방전 거동의 예를 나타내 주는 그래프(400)를 도시하고 있다. 그래프(400)의 y축은 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 현재 에너지 용량(즉, 저장된 에너지의 양)을 나타내고 x축은 시간을 나타낸다. 본 예시에서, HESS(102)는 모든 에너지 저장 요소(104)(106)(108)이 완전히 고갈 될 때까지 운전되는 전기 자동차(100)안에 있다. 경로(402)는 시간이 지남에 따른 제1 저장 요소(104)의 용량을, 경로(404)는 시간이 지남에 따른 제2 저장 요소(106)의 용량을, 그리고 경로(406)은 시간이 지남에 따른 제3 저장 요소(108)의 용량을 나타낸다. 본 예시에서, HESS 관리 시스템(112)의 로직은 제1 저장 요소(104)를 방전시킴으로써 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량이 가능한 정도까지 먼저 충족되도록 하게 한다. 만약 제1 저장 요소(104)만으로 전력 요구량을 충족시킬 수 없다면, 필요에 의해 더 많은 전력이 제2 저장 요소(106)로부터 방전된다. 그리고 만약 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)의 조합으로 전력 요구량을 충족시킬 수 없다면, 필요에 의해 제1 저장 요소(104), 제2 저장 요소(106)와 제3 저장 요소(108)의 조합으로부터 방전된다. 일부 실시예에서, 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 방전 순서는 각각의 에너지 저장 요소의 잔존 용량, 사이클 수명, 에너지 밀도, 역사적 조건(historical condition), 사용 이력 등의 특성들 중 하나 이상에 기초하여 HESS 관리 시스템(112)에 의해서 동적으로 조정된다.
이러한 방전 거동은 도 4A에 개시될 수 있다. 제1 저장 요소(104)의 용량(경로(402)로 표현되는 방전)은 제2 저장 요소(106)의 방전(경로(404)로 표현되는 방전)전에 고갈되고, 제2 저장 요소(106)의 용량은 제3 저장 요소(108)의 방전(경로(406)으로 표현되는 방전)전에 고갈된다.
도 4A에서 보면 제2 저장 요소(106) 및 제3 저장 요소(108)의 용량은 제1 저장 요소(104)가 상당히 고갈 될 때까지 거의 완전한 상태로 남아 있고, 그리고 제3 저장 요소(108)의 용량은 제2 저장 요소(106)가 상당히 고갈될 때까지 거의 완전한 상태로 남아 있다는 것을 알 수 있다.
도 4B는 도 4A의 일부의 확대도(410)인데, 이것은 도 4A에 대응하는 부분에 초점이 맞춰져 있다. 현재 예시적인 실시예에서, 에너지 저장 요소(104)(106)(108)는 지정된 예비 용량(대체적으로는, 예비“레벨”)을 갖고 있다. 각각의 에너지 저장 요소는 선택적으로 상이한 예비 용량을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 저장 요소(104)는 제2 저장 요소(106)의 예비 용량(405)(예: 8%)과는 상이한 예비 용량(403)(예: 5%)을 가질 수 있다. 그렇지 않으면, 각각의 에너지 저장 요소(104)(106)의 예비 용량은 최대 용량의 동일한 비율(예를 들어, 5%)로 설정 될 수 있으며, 이에 따라 각각의 에너지 저장 요소(104, 106)의 예비 용량이 최대 용량에 따라 변할 수 있다. 제3 저장 요소(108)은 이하에서 설명되는 예시에서 가장 나중에 고갈 되는 에너지 저장 요소이다.
에너지 저장 요소들(104)(106)(108) 중 어느 하나가 각각의 예비 용량까지 고갈되면, HESS 관리 시스템(112)은 그 구성 요소를 특별한 상황에서 보면 비어 있는 것으로 취급한다(즉, 그 구성 요소로부터 어떤 전력도 배출되지 않는다.). 이러한 특별한 상황은 에너지 구성 요소(104)(106)(108)의 잔존 에너지의 총 출력 전력 능력을 초과하는 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량의 일시적 급증이 일어나는 경우를 예로 들 수 있다. 예비 용량은 HESS(102)는 HESS(102)의 총 용량이 거의 고갈된 상태라도 이러한 일시적인 전력 요구량의 급증을 만족시키기 위해 충분한 잠재적인 전력 출력을 유지하도록 한다. 예를 들어, 제1 저장 요소의 잔여 용량이 비록 대응하는 예비 용량(403) 이하로 떨어지더라도 HESS 관리 시스템(112)이 제1 저장 요소(104)로부터 일부 에너지를 방전시키는 영역(412), 그리고 잔여 용량이 비록 대응하는 예비 용량(405) 아래로 떨어지더라도 HESS 관리 시스템(112)이 제2 저장 요소(106)로부터 에너지를 방전시키는 영역(414)(416)에서 보면 전력 요구량의 급증을 확연히 알 수 있다.
도 4B는 또한 사용 중에 HESS(102)를 재충전하도록 동작 가능한 전력 공급 장치(120)로부터의 에너지를 수신하는 효과를 나타낸다. 예를 들어, 회생 제동 장치(124) 또는 연소 엔진(126) 각각은 전기 자동차(100)의 작동 중에 HESS(102)에 전력을 공급하도록 작동할 수 있다. 본 실시예에서, HESS 관리 시스템(112)은 전력원(120)에서 제1 저장 요소(104)로(즉, 첫 번째로 방전되는 에너지 저장 요소로) 전력을 보내도록 프로그램 될 수 있다. 제1 저장 요소(104)의 재충전은 용량이 예비 용량(403)을 기준으로 들쑥날쑥 하는 영역(418) 전체에 걸쳐서 명확하게 나타난다. 제1 저장 요소(104)는 매우 긴 사이클 수명을 가졌기 때문에, 이 구성 요소는 반복되는 충전 및 방전 사이클로 인한 성능 저하를 최소화 시킬 것이다. 제1 저장 요소(104)의 용량의 증가는 HESS 관리 시스템(112)이 전원 공급 장치(120)로부터 제1 저장 요소(104)에 공급한 전력을 나타낸다. 이것은 제1 저장 요소(104)의 용량이 예비 용량(403)을 초과하는 것을 야기한다. 이에 따라, 제1 저장 요소(104)는 더 이상 HESS 관리 시스템(112)에 의해 더 이상 비어 있는 것으로 취급되지 않는다. 경로(402)에서 보여지는 것처럼, 제1 저장 요소의 충전 용량의 증가 이후에, HESS 관리 시스템(112)은 다시 한번 제1 저장 요소(104)로부터(가능한 한) 이 에너지 요소(104)의 잔존 용량이 다시 예비 용량(403)까지 고갈될 때까지 부하(들)(116)(130)에 전력 요구량을 공급한다.
도 4C는 도4B의 확대도(420)인데, 이것은 도 4B의 대응하는 부분에 초점이 맞춰져 있다. 영역(422)에서, 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)는 각각의 예비 용량(403)(405)에 도달했고, 제3 저장 요소(108) 또한 예비 용량에 도달하거나 거의 완전히 방전되었다. 일부 실시예에서, 제3 저장 요소(108)는 HESS(102)에서 다른 에너지 저장 요소의 예비 용량(예를 들어, 최대 용량의 5%)에 비례하는 양까지 방전 되면 거의 완전히 방전된 것으로 간주된다.
각각의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)가 거의 완전히 방전되면(예를 들어, 최대 용량의 5%만 남아 있는 경우), HESS 관리 시스템(112)은 각각의 에너지 저장 요소 모두로부터 방전 시키기 시작한다. 에너지 저장 요소(104)(106)(108)은 완전히 고갈될 때까지 각각의 잔존 용량에 비례하여(또는 소정의 방전율에 따라서)모두 함께 방전될 수 있다. 그리하여 영역(430)에 나타나 있는 것처럼, 세 개의 모든 에너지 저장 요소는 동시에 실질적으로 완전히 고갈된다. 다른 실시예에서, HESS 관리 시스템(112)은 각각의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)로부터 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량의 3분의 1을 충전할 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, HESS 관리 시스템(112)은 부하(들)(116)(130)으로부터의 전력 요구량을 공급하기 위해 동일한 시간 동안 각각의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)사이에서 연속적으로 순환 동작할 수 있다. 그럼으로써, 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량을 충족시킬 수 있고, 모든 전력이 HESS(102)로부터 방전되는 순간까지 가능한 한 많은 잠재적 순간 전력 출력(예를 들어, 각각의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 결합된 에너지)의 가용성을 보장할 수 있다.
도 4A-4C의 어느 지점에서도, 전력원(120)은 HESS 관리 시스템(112)을 통해 HESS(102)에 전력을 공급할 수 있으며, 이는 에너지를 제1 저장 요소(104), 제2 저장 요소(106), 및 제3 저장 요소(108)중 하나 이상의 에너지 저장 요소로 향하게 할 수 있다. 이러한 전력은 회생 제동 장치(124), 연소엔진(126), 또는 다른 임의의 적당한 전력원에 의해 공급될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에서, HESS 관리 시스템(112)은 전력원(120)에 의해 공급된 임의의 전력을 다양한 에너지 저장 요소(104)(106)(108) 중 가장 긴 사이클 수명을 갖도록 설계된 제1 저장 요소(104)에 공급한다.
도 4D는 HESS 관리 시스템(112)에 의해 제어되는 HESS(102)의 방전 거동을 더 확실하게 도시하기 위해 y축이 로그 스케일로 표현된 그래프(400)이다. 영역(424)에서, HESS 관리 시스템(102)은 모든 에너지 저장 요소(104)(106)(108)가 남아 있는 예비 용량보다 더 많은 에너지를 가지고 있는 경우, 에너지 저장 요소(104)(106)(108)가 우선적인 순서(첫 번째로 104, 두 번째로 106, 마지막으로 108)로 방전되도록 한다. 영역(426)에서, HESS 관리 시스템(112)은 예비 용량 이상으로 에너지를 갖고 있는 각각의 에너지 저장 요소로부터의 이용 가능한 에너지보다 더 많은 전력의 요구량의 일시적 급증을 나타내는 영역(412)같은 상황을 제외하고, 에너지 저장 요소들이 그것들의 각각의 예비 용량(403)(405)에 해당하면 에너지 저장 요소(104)(106)로부터 에너지를 방전시키지 않는다. 영역(414)(416)은 제2 저장 요소(106)로부터, 비록 그것이 각각의 예비 용량에 있다고 하더라도, 전력이 공급되어 에너지 요구량의 급증이 충족되었음을 도시한다. 영역(428)에서, HESS 관리 시스템(112)은 에너지 저장 요소(104)(106)(108)가 영역(430)에서 완전히 고갈 될 때까지 에너지 저장 요소들(104)(106)(108)이 함께 방전되도록 한다.
도 5A-5C는 도 3의 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS) 관리 시스템에 구비된 지능형 배터리 관리 시스템의 제어에 기초한 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 충전 및 방전율의 동작의 예시를 나타낸 그래프이다. 본 예시에서, 도 4A-4D에서처럼, HESS(102)는 제1 저장 요소(104), 제2 저장 요소(106), 및 제3 저장 요소(108)로 구성된다. 제1 저장 요소(104)의 방전은 경로(502)에 의해, 제2 저장 요소(106)의 방전은 경로(504)에 의해, 제3 저장 요소(106)의 방전은 경로(506)에 의해 나타난다. 그래프(500)(510)(520)의 y축은 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 충전 및 방전율(the C-rate)을 나타내고, x축은 시간을 나타낸다. 플러스 충전 및 방전율은 방전을, 마이너스 충전 및 방전율은 충전을 나타낸다. 이러한 예에서, 도 4A-4D에서처럼, HESS(102)는 전기 자동차(100) 내부에 있다. 경로(502)는(도 4A-4D의 경로(402)처럼) 제1 저장 요소(104)로부터 공급된 전력이고, 경로(504)는(도 4A-4D의 경로(404)처럼) 제2 저장 요소(106)로부터 공급된 전력이고, 경로(506)은(도 4A-4D의 경로(406)처럼) 제3 저장 요소(108)로부터 공급된 전력이다.
도 5A는 모든 에너지 저장 요소(104)(106)(108)가 이용 가능한 예비 용량보다 많은 전력을 갖고 있는 동안 HESS(102)의 방전율 거동의 예시를 나타내는 그래프(500)이다. 각각의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)는 HESS 관리 시스템에 의해 설정되거나 및/또는 각각의 구성 요소의 구조에 기초한 한계 방전율을 갖는다. 도시된 예에서, (-5)에서 (+5)가 방전율(C-rate)을 나타내는데 여기서, 제1 저장 요소(104)의 한계 방전율은 5, 제2 저장 요소(106)의 한계 방전율은 3을 나타낸다. 상기 방전율(C-rate)은 “1”이 각각의 에너지 저장 유형에 대해 각각의 총 에너지가 1시간 만에 소모되는 방전율을 가리키는 정의된 정규화 된 값이다. 각 에너지 저장 요소에 대한 방전율 “1”에서 암페어/시간 단위의 값은 다를 수 있으며 이는 각 에너지 저장 요소의 총 에너지 저장 용량에 따라 결정될 수 있다. HESS 관리 시스템(112)은 에너지가 에너지 저장 요소(104)(106)(108)로부터 각각의 한계 방전율 이상으로 방전되는 것을 허용치 않는다. 일부 실시예에서, HESS 관리 시스템(112)은 에너지 저장 요소 (104)(106)(108)의 각각의 잔존 용량, 사이클 수명, 에너지 밀도, 사용 이력, 양호 상태, 온도 등의 특성 중 하나 이상에 기초하여 하나 이상의 에너지 저장 요소(104)(106)(108)의 한계 방전율을 동적으로 조정할 수 있다.
단순화를 위해서, 각각의 에너지 저장 요소는 단일의 한계 방전율을 가지고 있는 것으로 위에 도시된다. 하지만, 이 위에 도시된 실시예는 어떠한 에너지 저장 요소에 대해서도 HESS의 범위를 단일한 방전율로 제한하려는 것은 아니다. 당업자는 주어진 에너지 저장 요소가 상이한 상황들에 적용되는 상이한 한계 방전율을 가질 수 있다는 것을 이해한다. 예를 들어, 에너지 저장 요소는 상이한 연속적이고 순간적인(또는 정점을 찍는) 한계 방전율을 가질 수 있다. 이는 에너지 저장 요소의 열적 조건, 물질적 특성, 물리적 특성, 과거의 작동, 충전 상태, 양호 상태 등에 기인 할 수 있다. 다른 예로서, 에너지 저장 요소는 매우 빠른 속도로 매우 많은 양의 전력을 전달할 수 있지만, 그 동안 발생하는 열을 소멸시킬 수는 없다. 이러한 상황에서, HESS 관리 시스템(112)은 한계 방전율의 최대치보다 낮은, 연속적인 방전율을 정의할 수 있다. 일부 실시예에서, HESS 관리 시스템(112)은, 적어도 예상되는 방전 지속 기간에 기초하여 허용 가능한 한계 방전율을 동적으로 정의하거나 시간 평균 방전율의 최대값을 정의하는 기능을 할 수 있다. 당업자에게 자명한 이들 변형 예 및 다른 변형 예들이 HESS의 범위 내에 포함되도록 고려된다
이러한 예시에서, 도 4A-4D의 예시처럼, 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량에 응하여, HESS 관리 시스템(112)은 제1 저장 요소(104)로부터 처음으로 에너지를 방전시킨다. 영역(507~513)에 개시된 것처럼, 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량이 제1 저장 요소(104)의 한계 방전율을 초과하면 HESS 관리 시스템(112)은 제1 저장 요소(104)로부터의 전력 방전의 한계를 정하고(필요하다면), 전력 요구량을 충족시키기 위하여 제2 저장 요소(106)와 제3 저장 요소(108)중 어느 하나 또는 둘 모두로부터 전력을 방전시킨다. 이러한 환경은 도 5A의 영역(507및530)의 시점에서 일어난다. 비슷하게, 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량이 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)의 결합된 한계 방전율을 초과하면, HESS 관리 시스템(112)은 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)로부터의 전력 방전의 한계를 정하고(필요하다면), 제3 저장 요소(108)로부터 전력을 방전시킨다. 이러한 상황은 도 5A의 영역(508)(531)(540)의 시점에서 일어난다.
도 5A는 또한 사용 중에 HESS(102)를 재충전 하기 위해 작동할 수 있는 전력원(120)으로부터 에너지를 수신하는 효과를 도시한다. 예를 들어, 회생 제동 장치(124) 또는 연소 엔진(126)은 각각 전기 자동차(100)의 작동 중에 HESS(102)에게 전력을 공급하기 위해 작동할 수 있다. 각각의 에너지 저장 요소 (104)(106)(108)는 HESS 관리 시스템(112)에 의해 설정된 한계 방전율 및/또는 각각의 에너지 저장 요소의 구조에 기초한 한계 방전율을 갖는다. 개시된 예시에서, HESS 관리 시스템(112)은 전력원(120)으로부터 제1 저장 요소(104)로(즉, 처음으로 방전되는 에너지 구성 요소로) 전력을 직접 전달하도록 프로그램된다. 도 5A의 방전율이 마이너스인 각각의 영역에서, 제1 저장 요소(104)는 전력원(120)에 의해 충전되고 있다. 일부 실시예에서, 전력원(120)으로부터의 에너지는 제1 저장 요소(104)가 완전히 충전되어 있을 때, 다른 에너지 저장 요소(예를 들어, 제2 저장 요소(106))을 재충전 시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 전력원(120)으로부터의 에너지는 이용 가능한 재충전 전력이 제1 저장 요소(104)의 한계 방전율보다 큰 경우 다른 에너지 저장 구성요소(예를 들어, 제2 저장 요소(106))를 재충전시킨다. 이 경우, 에너지 저장 유형들 사이의 연속적인(cascading) 충전 우선 순위가 위에 기술 된 방전 우선 순위와 유사하게 설정 될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 저장 요소(104)와 같은 에너지 저장 요소는 에너지 저장 요소(들)에 대한 전력 요구량이 없는 경우에만 충전될 것이다. 예를 들어, 회생 제동 장치(124)가 작동하는 동안에는, 전기 모터에 의한 전력 소비가 없고, 전력원(120)으로부터의 에너지가 제1 저장 요소(104)를 재충전 하는 데에 쓰인다. 비슷하게, 연소 엔진(126)이 HESS(102)대신에 전기 자동차(100)를 가속시키기 위해 전력을 제공할 때, 연소 엔진(126)으로부터의 초과 에너지가 에너지 저장 요소 중 하나를 재충전 하기 위해 공급된다.
간편화를 위해, 각각의 에너지 저장 요소는 단일 한계 방전율을 갖는 것으로 설명되었다. 하지만, 전술한 실시예는 HESS의 범위를 임의의 에너지 저장 요소에 대해 단일 한계 방전율로 제한하려는 것이 아니다. 당업자는 주어진 에너지 저장 요소가 상이한 상황에 적용되는 상이한 한계 방전율을 가질 수 있다고 이해할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 요소는 상이한 연속적이고 순간적인(또는 피크의) 한계 방전율을 가질 수 있다. 이것은 에너지 저장 요소의 가변적인 한계 방전율과 관련하여 전술한 바와 같이, 열적 조건, 물질적 특성, 물리적 특성, 과거 작동, 충전 상태, 양호 상태 등에 기인할 수 있다.
도 5B는 도 5A의 기간 다음에 오는 기간, 즉 제1 저장 요소(104)는 자신의 예비 용량에 도달한 이후지만, 제2 저장 요소(106)와 제3 저장 요소(108)는 예비 용량 이상의 잔존 용량을 갖고 있는 기간에서의 HESS(102)에 대한 예시적인 방전율 거동을 나타내는 그래프 510이다. 제1 저장 요소(104)가 예비 용량 이하이기 때문에, HESS 관리 시스템(112)은 특수한 경우를 제외하고는 이 것을 비어 있는 것으로 취급한다. 이에 따라, 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량에 응하여, HESS 관리 시스템(112)은 에너지가 제2 저장 요소(106)에서 먼저 방전되도록 한다. 이러한 실시예에서도, 여전히 HESS 관리 시스템(112)은 제1 저장 요소(104)로부터 먼저 에너지를 끌어오도록 프로그램 된다. 그와 같은 방식으로, 제1 저장 요소(104)가 예비 용량 이상의 용량으로 재충전될 때, 제1 저장 요소(104)가 예비 용량까지 다시 한 번 고갈될 때까지 부하(들)(116)(130)로 먼저 전력이 그 구성 요소(104)로부터 공급된다. 이러한 상황, 즉 전력 요구량이 먼저 제2 저장 요소(106)에 의해 충족되어지는 상황은 도 5B에 나타나 있지 않다. 제1 저장 요소(104)가 전력원(120)에 의해 가능한 한 재충전 되지만, 도 5B의 이 기간 동안 제1 저장 요소(104)는 각각의 예비 용량 이상으로 상승하기 위한 충분한 전력 공급을 받지 못한다. 따라서 HESS 관리 시스템(112)은 제2 저장 요소(106)로부터 방전된 전력이 각각의 한계 방전율 이하이기만 하면 여전히 제2 저장 요소(106)로부터 방전된 에너지로 부하의 요구량을 충족시킨다.
제2 저장 요소(106)가 자신의 각각의 한계 방전율에 다다르면, HESS 관리 시스템(112)은 영역(522~526)에 나타난 것처럼, 부하(들)(116)(130)의 요구량을 충족시기기 위하여 제2 저장 요소(106)로부터 방전되는 전력의 한계를 정하고(필요하다면), 제1 저장 요소(104)로부터 추가적으로 전력이 방전되도록 한다. 제1 저장 요소(104)가 예비 용량 이하에 있더라도, 제3 저장 요소(108) 이전에, 제1 저장 요소(104)로부터의 전력이 이용될 수 있다. 부하(들)(116)(130)의 요구량이 제2 저장 요소(106)와 제1 저장 요소(104)의 조합된 한계 방전율을 초과하는 경우, HESS 관리 시스템(112)은 이러한 두 개의 에너지 저장 요소(104,106)로부터 방전되는 전력의 한계를 정하고(필요하다면), 제3 저장 요소(108)로부터 추가적으로 전력이 방전되도록 한다. 이러한 상황은 도 5B의 영역(514)(523)(531)에 나타난다.
도 5C는 도 5B의 다음에 오는 기간 즉, 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)가 그들의 각각의 예비 용량까지 고갈된 이후이지만 제3 저장 요소(108)는 예비 용량이상의 잔존 용량을 가지고 있는 기간에 HESS(102)에 대한 예시적인 방전율의 거동을 나타내는 그래프(520)이다. 제1 저장 요소(104)와 제2 저장 요소(106)가 그들 각각의 예비 용량에 있기 때문에, HESS 관리 시스템(112)은 두 구성 요소를 비어 있는 것으로 취급한다. 이에 따라, 부하(들)(116)(130)의 전력 요구량에 응하여 HESS 관리 시스템(112)은 제3 저장 요소(108)로부터 에너지가 방전되도록 한다. 제1 저장 요소(104)가 전력원(120)에 의해서 예비 용량 이상으로 재충전되면, 개시된 것처럼 제1 저장 요소(104)가 다시 한번 각각의 예비 용량까지 고갈될 때까지 제1 저장 요소(104)로부터 부하(들)(116)(130)로 전력이 공급된다. 도 5C의 예시에서, 제3 저장 요소(108)가 각각의 한계 방전율에 다다르는 경우는 없다. 하지만, 이러한 경우에, 제3 저장 요소(108)의 방전율은 각각의 한계 방전율에서 제한될 것이고, 전력은 그 각각의 한계 방전율에 따라 추가적으로 먼저 제1 저장 요소(104)로부터 우선적으로, 그 다음에 필요하다면 제2 저장 요소(106)로부터 추출될 것이다.
도 6은 HESS에 따른 HESS의 충전 및 방전을 관리하는 방법에 대한 흐름도이다. 실시예에 따른 HESS 관리 방법은 상기 부하의 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 특성들을 비교하는 단계; 상기 부하에 전력을 공급할 에너지 저장 요소를 선택하는 단계;를 포함한다. 실시예에 따른 HESS 관리 방법은 도 1의 HESS에 대한 관리 방법일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 개시된 예시적인 프로세스에서, HESS(102)는 에너지 저장 요소 (104)(106)(108)로 구성된다. 임의의 수의 에너지 저장 요소가 도 6의 프로세스(600) 또는 당업자에게 자명한 변형예에 따라 운영되는 HESS(102)에 포함될 수 있다. 각각의 에너지 저장 요소 (104)(106)(108)는 각각의 에너지 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 사용 이력, 그리고 사이클 수명을 갖는다. 도 6 의 예시적인 프로세스(600)는 HESS 관리 시스템(112)의 지능형 BMS(340)에 의해 수행된다. 에너지 저장 요소 (104)(106)(108)는 모든 에너지 저장 요소가 대응하는 예비 용량을 초과한 상태일 때를 최우선으로 첫 번째, 두 번째, 세 번째의 순서로 현재 전력 요구량을 충족시키기 위해 우선 순위가 매겨지고, 하나 이상의 에너지 저장 요소 (104)(106)(108)가 대응하는 예비 용량 미만인 경우를 부차적인 우선 순위로 우선 순위가 매겨진다. 도시되는 예시에서, 최우선의 우선 순위는 제1 저장 요소(104)가 첫 번째, 제2 저장 요소(106)가 두 번째, 에너지 저장 요소(108)가 세 번째 순서이다. 제1 저장 요소(104)만이 대응하는 예비 용량 미만인 경우일 때의 부차적인 우선 순위는 제2 저장 요소(106)가 첫 번째, 제1 저장 요소(104)가 두 번째, 그리고 제3 저장 요소(108)가 세 번째 순서이다. 제1 저장 요소(104) 및 제2 저장 요소(106) 모두가 대응하는 예비 용량 미만인 경우일 때의 부차적인 우선 순위는 제3 저장 요소(108)가 첫 번째, 제2 저장 요소(104)가 두 번째, 그리고 제2 저장 요소(106)가 세 번째 순서이다.
블록(602)에서 상기 지능형 BMS(340)는 부하(들)(116)(130)의 현재 전력 요구량을 측정한다. 예를 들어, 부하는 전기 자동차 엔진 및 전기 자동차(100)내의 다른 전기적으로 전력 공급되는 시스템으로 구동되는 동적(또는 순간적) 가변 전력 부하일 수 있다. 당업자들은 현재 전력 요구의 측정이 초당 수회와 같이 매우 빈번하게 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 사실, 전체 프로세스(600)는 (예를 들어) 전기 자동차(100)의 신뢰성 있는 동작을 위해 부하의 현재 전력 요구량를 적절하게 충족시키기 위해 매우 짧은 시간 내에 완전히 수행되고 반복적으로 매초마다 수회에 걸쳐 일어날 수 있다.
현재의 전력 요구량은 지능형 BMS(340)에 의해 전력 요구량을 만족시키는 데에 필요한 하나 이상의 에너지 저장 요소에 대한 방전율로 변환될 수 있다. 결정 블록(604)에서, 지능형 BMS(340)는 첫 번째 에너지 저장 요소(예를 들어, 제1 저장 요소(104))가, 정적 또는 (에너지 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 사용 이력, 양호 상태, 온도 또는 사이클 수명과 같은 제1 저장 요소의 특성 중 하나 이상에 기초하여)동적으로 조정될 수 있는 각각의 예비 용량 이상의 잔존 에너지 용량을 갖는지 여부를 측정한다. 일부 실시예에서 상기 지능형 BMS(340)는 가능한 경우, 에너지 방전을 위한 첫 번째 저장 요소의 순서를 매기도록 프로그램 된다. 이러한 우선순위는 첫 번째 에너지 저장 요소의 에너지 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 양호 상태, 온도 및 사이클 수명과 같은 특징에 기초할 수 있다.
만약, 결정 블록(604)에서, 첫 번째 에너지 저장 요소가 각각의 예비 용량 이상의 잔존 에너지 용량을 갖고 있다면, 지능형 BMS(340)는 블록(606)에서 첫 번째 에너지 저장 요소를 에너지 공급원으로 선택한다. 만약, 결정 블록(604)에서, 첫 번째 에너지 저장 요소의 잔존 에너지 용량이 예비 용량 미만인 경우, 지능형 BMS(340)는 결정 블록(608)에서, 두 번째 에너지 저장 요소(예를 들어, 제2 저장 요소(106))가 정적으로, 또는 (에너지 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 사용 이력, 양호 상태, 온도 또는 사이클 수명 중 하나 이상에 기초하여) 동적으로 조정되는 각각의 예비 용량 이상의 잔존 에너지 용량을 가지는지 여부를 측정한다. 일부 실시예에서, 지능형 BMS(340)는 가능하다면 방전을 위한 첫 번째 에너지 저장 요소 이후의 두 번째 에너지 저장 요소의 순서를 매기도록 프로그램 된다. 이러한 우선 순위는 두 번째 에너지 저장 요소의 에너지 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 양호 상태, 온도, 및 사이클 수명과 같은 특징에 기초할 수 있다.
만일, 결정 블록(611)에서, 세 번째 에너지 저장 요소가 예비 용량 이상의 잔존 에너지 용량을 갖고 있다면, 지능형 BMS(340)는 블록(612)에서, 에너지 공급원으로서 세 번째 에너지 저장 요소를 선택할 것이다. 만일, 결정 블록(611)에서, 세 번째 에너지 저장 요소가 각각의 예비 용량 미만인 경우, 지능형 BMS(340)는 블록(613)에서, 에너지 공급원으로서 모든 에너지 저장 요소를 선택하고, 블록(615)에서는, 전력 요구량을 충족시키기 위하여 선택된 에너지 저장 요소로부터 에너지를 방전시켜 부하에 공급한다.
블록들(604)(608)(611)이 도 6에 순차적으로 도시되어 있지만, 실제로 각각의 결정들은 동시에 또는 적어도 부분적으로 중첩되는 방식으로 이루어질 수 있다. 각각의 블록(606)(610)(612)에서, 전체 프로세스(600)는 블록(614)를 향하여 진행한다. 이 때, 블록(614)는 지능형 BMS(340)가 부하의 현재 전력 요구량이 선택된 에너지 저장 요소(들)(예를 들어, 첫 번째, 두 번째, 세 번째 에너지 저장 요소(들))의 한계 방전율을 초과하는지 여부를 결정하는 단계이다. 일부 실시예에서, 각각의 에너지 저장 요소의 한계 방전율은 대응하는 각각의 에너지 저장 요소의 에너지 용량, 에너지 전달률 성능, 현재 에너지 밀도, 사이클 수명, 양호 상태, 온도, 및 사용 이력에 기초하여 정적으로 설정되거나 동적으로 조정될 수 있다. 블록(614)의 결정은 현재의 전력 요구량이 각각의 에너지 저장 요소의 한계 방전율 뿐만 아니라, 각각의 에너지 저장 요소들의 다양한 조합(예를 들어, 첫 번째와 두 번째, 두 번째와 세 번째, 또는 첫 번째와 세 번째 에너지 저장 요소)의 한계 방전율을 초과하는 지 여부를 포함한다. 이러한 결정은, 블록 모두(604)(608)(611)의 결정들과 함께 에너지 저장 요소로부터의 에너지 방전을 제어하는데 사용될 것이다. 만일, 결정 블록(614)에서, 지능형 BMS(340)가 현재 전력 요구량이 선택된 에너지 저장 요소의 한계 방전율을 초과하지 않는다고 결정한다면, 지능형 BMS(340)는 블록(615)에서 전력 요구량을 충족시키기 위해 선택된 에너지 저장 요소(들)로부터 에너지를 방전시켜 부하에 공급할 것이다.
만일, 결정 블록(614)에서, 지능형 BMS(340)가 현재 전력 요구량이 선택된 에너지 저장 요소의 한계 방전율을 초과한다고 결정하면, 지능형 BMS(340)는 블록(616)에서, 다음 우선 순위의 에너지 저장 요소를 추가적으로 방전시켜 부하에 에너지를 공급할 것이다. 도 4A-4D 및 5A-5C에서 전술한 것으로부터 명백한 바와 같이, 지능형 BMS(340)는 현재 전력 요구량을 충족시키기 위하여 하나 이상의 에너지 저장 요소가 함께 에너지를 방전하도록 할 수 있다. 블록(616)에서의 다음 우선 순위의 에너지 저장 요소의 선택은 블록들(604)(608)(611)에서 결정된 바와 같이, 어떤 에너지 저장 요소가 예비 용량 이하인가에 부분적으로 의존할 것이다. 예를 들어, 도 5A와 관련하여 논의 된 바와 같이, 모든 에너지 저장 요소가 대응하는 예비 용량을 초과하고, 현재 전력 요구량이 (우선 순위에 따른)제1 에너지 저장 요소의 한계 방전율을 초과하면, 전력은 제2 저장 요소로부터(제1 저장 요소와 함께), 현재 전력 요구량을 충족시키기 위해 필요하다면, 제3 저장 요소로부터도 방전된다. 도 5B와 관련하여 논의된 바와 같이, 제1 저장 요소가 대응하는 예비 용량 미만이지만 제2, 제3 저장 요소는 대응하는 예비 용량을 초과하는 경우, 그리고 현재 전력 요구량이 제2 저장 요소의 한계 방전율을 초과하는 경우에, 전력은 제1, 제2 저장 요소 모두로부터(비록 제1 저장 요소가 각각의 예비 용량 미만인 경우라도) 그리고, 현재 전력 요구량을 충족시키기 위해 필요하다면, 제3 저장 요소로부터도 방전 될 수 있다. 도 5C와 관련하여 논의된 바와 같이, 제1 저장 요소가 대응하는 예비 용량 미만이지만 제3 저장 요소가 대응하는 예비 용량을 초과하고, 현재 전력 요구량이 제3 저장 요소의 한계 방전율을 초과하는 경우에, 전력은 제1, 제3 저장 요소 모두로부터 그리고, 현재 전력 요구량을 충족시키기 위해 필요하다면, 제2 저장 요소로부터도 방전 될 수 있다.
블록(616)에서의 하나 이상의 에너지 저장 요소(들)의 선택에 이어서, 지능형 BMS(340)는 블록(615)에서, 현재 전력 요구량을 충족시키기 위해 선택된 에너지 저장 요소(들)로부터 에너지를 방전시켜 부하에 공급하고, 블록(602)의 결정을 반복한다.
블록(602)(604)(608)(614)의 결정들이, 도 6의 순차적인 프로세스 내에서 일어나는 것으로 도시되어 있지만, 실제로는 하나의 결정이 다른 하나를 위해 필요한 경우(예를 들어, 블록(602)의 현재 전력 요구량의 측정값이 현재 전력 요구량이 하나 이상의 선택된 에너지 구성 요소(들)의 한계 방전율(들)을 초과하는지 여부의 결정에 필요한 경우)를 제외하고는 동시에 또는 적어도 부분적으로 중첩되는 방식으로 만들어진다는 것을 주목해야 한다.
본 출원의 어떠한 설명도 특정 요소, 단계, 또는 기능이 청구 범위에 포함되어야 하는 필수 요소임을 암시하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
100 : 전기 자동차
102 : 이종 전기 에너지 저장 시스템
104 : 제1 저장 요소
106 : 제2 저장 요소
108 : 제3 저장 요소
110 : 제4 저장 요소
112 : HESS 관리 시스템
114 : 주행 제어 장치
116, 130 : 부하
118 : 변류기
120 : 전력원
122 : 그리드 전력
124 : 회생 전력 장치
126 : 연소 엔진
128 : 인터페이스 제어 장치
130 : 보조 장치
132 : 센서
305 : 버스 시스템
310 : 프로세싱 장치
315 : 데이터 저장 장치
320 : 통신 장치
325 : 입출력 장치
330 : 메모리
335 : 영구 기억 장치
340 : 지능형 배터리 관리 장치
350 : 제어 장치

Claims (22)

  1. 여러 가지 종류의 복수의 에너지 저장 요소를 포함하는 배터리 팩과 동적 전력 부하를 포함하는 시스템에 대하여, 상기 동적 전력 부하의 전력 요구량을 측정하는 단계;
    상기 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중, 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 하나 이상의 에너지 저장 요소를 공급원으로 선택하는 단계;
    선택된 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하로 전력을 공급하는 단계; 를 포함하는, 이종 전기 에너지 저장 시스템(Heterogeneous electrical storage system, HESS)의 관리방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 저장 요소에 각각의 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 및 사이클 수명 중 적어도 하나에 기초하여 우선적인 전력 공급 순서를 할당하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전력 공급 순서가 첫 번째인, 첫 번째 에너지 저장 요소는 상기 전력 공급 순서가 두 번째인, 두 번째 에너지 저장 요소보다 더 높은 에너지 전달률과 더 긴 사이클 수명 중 적어도 하나를 갖는, 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는,
    상기 복수의 에너지 저장 요소 중 적어도 일부의 잔존 용량을 측정하고, 측정된 잔존 용량에 따라 공급원을 선택하는, 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는
    상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 잔존 용량을 측정하고; 측정된 잔존 용량이 임계치 이상인 경우, 상기 첫 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하는 단계; 및
    상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 잔존 용량이 임계치 미만인 경우, 상기 두 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하는 단계;
    를 더 포함하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는,
    상기 복수의 에너지 저장 요소 중 적어도 하나의 한계 방전율(rate limit)을 상기 전력 요구량과 비교하는, 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는
    상기 전력 요구량이 첫 번째 에너지 저장 요소의 한계 방전율 내에 있는 경우, 상기 첫 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하는 단계; 및,
    상기 전력 요구량이 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 한계 방전율을 초과하는 경우, 동적 전력 부하의 전력 요구량을 충족시키도록 상기 첫 번째 에너지 저장 요소 및 상기 첫 번째 에너지 저장 요소와 다른 적어도 하나 이상의 에너지 저장 요소를 함께 상기 공급원으로 선택하는 단계;
    를 포함하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전력을 공급하는 단계는
    상기 복수의 에너지 저장 요소 내의 잔존 용량이 각각의 설정된 예비 수준에 모두 도달한 경우, 각각의 방전율로 상기 복수의 에너지 저장 요소 모두로부터 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 전력을 공급하는 단계는
    상기 첫 번째 에너지 저장 요소 내의 잔존 용량이 전력원에 의해 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 예비 수준 이상으로 회복되는 경우, 두 번째 에너지 저장 요소로부터의 전력 공급을 중단하고 상기 첫 번째 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급하는 단계; 를 더 포함하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 저장 요소는 화학적 특성, 저장 방식, 활성 물질, 또는 전극 구조 중 하나 이상에 대해 서로 구별되는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 저장 요소는 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 그리고 사이클 수명 중 하나 이상에 대하여 서로 적어도 부분적으로 구별되는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  12. 복수의 에너지 저장 요소로 이루어지는 배터리 팩; 및
    상기 배터리 팩을 관리하는 프로세서;를 포함하며,
    상기 프로세서는
    상기 배터리 팩에 연결된 동적 전력 부하의 전력 요구량을 측정하는 단계,
    상기 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중, 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 하나 이상의 에너지 저장 요소를 공급원으로 선택하는 단계, 및
    선택된 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하로 전력을 공급하는 단계를 수행하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)
    로 구성된 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 에너지 저장 요소에 각각의 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 비 에너지, 및 사이클 수명 중 적어도 하나에 기초하여 우선적인 전력 공급 순서를 할당하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  14. 제 13항에 있어서
    상기 전력 공급 순서가 첫 번째인, 첫 번째 에너지 저장 요소는 상기 전력 공급 순서가 두 번째인, 두 번째 에너지 저장 요소보다 더 높은 에너지 전달률과 더 긴 사이클 수명 중 적어도 하나를 갖는, 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는,
    상기 복수의 에너지 저장 요소 중 적어도 일부의 잔존 용량을 측정하고, 측정된 잔존 용량에 따라 상기 공급원을 선택하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  16. 제 15항에 있어서
    상기 선택하는 단계는
    첫 번째 에너지 저장 요소의 잔존 용량을 측정하고; 측정된 잔존 용량이 임계치 이상인 경우, 상기 첫 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하는 단계; 및
    상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 잔존 용량이 임계치 미만인 경우, 두 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하는 단계;
    를 더 포함하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는,
    상기 복수의 에너지 저장 요소 중 적어도 하나의 한계 방전율(rate limit)을 상기 전력 요구량과 비교하는, 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS)의 관리 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는
    상기 전력 요구량이 첫 번째 에너지 저장 요소의 한계 방전율 내에 있는 경우, 상기 첫 번째 에너지 저장 요소를 상기 공급원으로 선택하는 단계; 및,
    상기 전력 요구량이 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 방전율을 초과하는 경우, 상기 동적 전력 부하의 전력 요구량을 충족시키도록 상기 첫 번째 에너지 저장 요소 및 상기 첫 번째 에너지 저장 요소와 다른 적어도 하나 이상의 저장 요소를 함께 상기 공급원으로 선택하는 단계;
    를 포함하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  19. 제 18항에 있어서
    상기 전력을 공급하는 단계는
    상기 복수의 에너지 저장 요소 내의 잔존 용량이 각각의 설정된 예비 수준에 모두 도달한 경우, 각각의 방전율로 상기 복수의 에너지 저장 요소 모두로부터 상기 동적 전력 부하에 전력을 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  20. 제 18항에 있어서
    상기 전력을 공급하는 단계는
    상기 첫 번째 에너지 저장 요소 내의 잔존 용량이 전력원에 의해 상기 첫 번째 에너지 저장 요소의 예비 수준 이상으로 회복시키는 경우, 두 번째 에너지 저장 요소로부터의 전력 공급을 중단하고 상기 첫 번째 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급하는 단계; 를 더 포함하는 이종 전기 에너지 저장 시스템(HESS).
  21. 복수의 에너지 저장 요소를 포함하는 배터리 팩과 동적 전력 부하를 포함하는 시스템에 대하여, 상기 동적 전력 부하의 전력 요구량을 측정하는 단계;
    상기 전력 요구량과 상기 복수의 에너지 저장 요소의 성능을 비교하여, 상기 복수의 에너지 저장 요소 중, 상기 동적 전력 부하에 전력을 공급할 하나 이상의 에너지 저장 요소를 선택하는 단계;
    선택된 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 상기 동적 전력 부하로 전력을 공급하는 단계; 를 적어도 하나의 프로세서가 수행하게 하는 컴퓨터가 판독 가능한 프로그램 코드를 포함하는 비 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 프로그램 코드는, 상기 에너지 저장 요소의 각각의 용량, 에너지 전달률, 에너지 밀도, 그리고 수명 특성 중 적어도 어느 하나에 기초한 순서에 따라 하나 이상의 에너지 저장 요소로부터 동적 전력 부하에 전력을 전달하도록 하는 코드를 를 더 포함하는 비 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.
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