KR20200095558A - 광 통신을 이용하는 전기 배터리 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 배터리 모듈(100)에 관한 것이다. 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(1)을 포함한다. 배터리 셀(1)의 그룹(A-C)에는 각각 데이터 전송 장치를 갖는 측정 장치(2A-2C)가 할당된다. 배터리 모듈(100)은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스(6)를 갖는 적어도 하나의 마스터(5)를 포함한다. 데이터 전송 장치 및 적어도 하나의 마스터(5)는 광학 전송 경로를 포함한다. 광학 전송 경로는 각각 2개의 인접한 측정 장치 또는 하나의 측정 장치 및 마스터에 할당되는 광 도파관(7, 8)을 포함한다.

Description

광 통신을 이용하는 전기 배터리 모듈
본 발명은 전기 배터리 모듈에 관한 것이다.
전기 배터리 모듈은 예를 들어 전기 자동차에서 트랙션 배터리(traction battery)의 부품으로서 사용된다. 이 경우, 배터리 모듈은 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함하며, 여기서 원하는 전압 및 용량을 갖는 배터리 유닛을 형성하도록 복수의 배터리 모듈이 직렬 및/또는 병렬로 연결된다. 여기서 개별 배터리 모듈은 중앙 제어 유닛, 배터리 관리 제어 유닛과 데이터 기술적으로 연결된다. 배터리 모듈의 제어 유닛과 중앙 배터리 관리 제어 유닛 간의 데이터 연결은 예를 들어 CAN-버스로 형성된다. 배터리 모듈에서, 배터리 셀의 그룹에 각각 측정 장치가 할당되고, 이러한 측정 장치는 예를 들어 할당된 배터리 셀의 전압 및 온도를 검출하여 배터리 모듈의 중앙 제어 유닛으로 전달한다. 이러한 중앙 제어 유닛은 또한 제어 명령을 측정 장치로 전달할 수 있으며, 이에 따라 예를 들어 셀 밸런싱이 수행된다. 배터리 모듈의 이러한 중앙 제어 유닛은 마스터(Master)로도 또한 지칭될 수 있다. 이 경우, 측정 장치와 마스터 간의 데이터 전송은 전기적 또는 광학적일 수 있다.
DE 10 2009 058 879 A1호로부터 전기 자동차의 일반적인 전기 에너지 저장 시스템이 공지되어 있고, 이러한 전기 에너지 저장 시스템은 복수의 전기 컴포넌트, 및 컴포넌트들 중 적어도 하나로부터 그리고/또는 컴포넌트들 중 적어도 하나로의 데이터 신호의 전송을 위한 데이터 전송 장치를 포함한다. 이 경우, 데이터 전송 장치는 데이터를 전송하기 위해 전자기 복사선을 위한 적어도 하나의 전송 경로를 포함한다. 바람직하게는, 적어도 하나의 전송 경로는 광학 데이터 신호 전송을 위한 광 도파관으로서 형성되고, 여기서 바람직하게는 광 도파관은 플러그 커넥터를 통해 관련된 컴포넌트들과 연결된다. 또한, 적어도 하나의 전송 경로가 광 커플러로서 형성되는 것이 또한 개시되어 있다.
DE 10 2012 202 690 A1호로부터, 메모리 관리 유닛 및 적어도 하나의 셀 모듈을 포함하는 데이터 버스 시스템, 및 차량의 데이터 버스 시스템에 통합된 전기 고전압 메모리를 구비하는 차량이 공지되어 있다. 이 경우, 메모리 관리 유닛은 차량의 데이터 버스 시스템에 연결된다. 또한, 적어도 하나의 셀 모듈에는 전기 셀 모니터링 유닛이 할당되고, 여기서 광학 데이터 버스 시스템은 메모리 관리 유닛 및 전기 셀 모니터링 유닛을 서로 연결한다.
본 발명의 기술적인 과제는 데이터를 위한 대안적인 전송 경로를 갖는 전기 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
이러한 기술적인 과제는 본원의 청구항 제1항, 제7항 또는 제8항의 특징을 갖는 배터리 모듈에 의해 달성된다. 본 발명의 다른 유리한 실시예는 종속 청구항으로부터 명백해질 것이다.
전기 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 포함하고, 여기서 배터리 셀의 그룹에는 각각 데이터 전송 장치를 갖는 측정 장치가 할당된다. 이 경우, 배터리 모듈은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스를 갖는 적어도 하나의 마스터를 포함하고, 여기서 데이터 전송 장치 및 적어도 하나의 마스터는 광학 전송 경로이다. 이 경우, 광학 전송 경로는 각각 2개의 인접한 측정 장치 또는 하나의 측정 장치 및 마스터에 할당되는 광 도파관을 포함한다. 분할된 광 도파관을 갖는 이러한 데이지 체인 네트워크(Daisy Chain Network)의 이점은, 이에 연결된 데이터 전송이 전기 데이터 전송과 유사하다는 것이다. 따라서, 전자 회로 기판이 자체의 로직에 의해 실질적으로 계속 사용될 수 있으며, 여기서 단지 전기 신호를 광학 신호로 변환하거나 또는 그 반대로 변환하는 것만이 구현되기만 하면 된다. 하나의 그룹은 예를 들어 4개 내지 12개의 배터리 셀을 포함한다. 버스 시스템에 대한 마스터의 인터페이스는 바람직하게는 CAN-인터페이스로서 형성된다. 대안적으로, 이러한 인터페이스는 플렉스-레이(Flex-Ray) 인터페이스로서도 또한 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 인터페이스는 또한 무선 인터페이스 또는 광학 인터페이스일 수도 있다. 측정 장치는 셀 밸런싱을 수행하기 위해, 추가적으로 제어 유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 측정 장치의 광학 송신기 및 다른 측정 장치의 광학 수신기는 각각 각각의 광 도파관에 할당되고, 여기서 마스터 및 마지막 측정 장치에는 광 도파관이 할당되어, 링 구조가 형성된다.
대안적인 실시예에서, 하나의 측정 장치의 광학 송신기 및 수신기 각각, 및 다른 측정 장치의 광학 송신기 및 수신기 각각은 각각의 광 도파관에 할당되고, 여기서 측정 장치의 송신기 및 수신기는 2개의 광 도파관에 각각 광을 커플링-인하거나 또는 커플링-아웃하는 방식으로 형성된다. 이를 통해, 부분적으로 링 구조보다 더 빠른 개방형 체인이 구현된다.
일 실시예에서, 측정 장치는 각각 2개의 광학 송신기 및 2개의 광학 수신기를 포함하고, 여기서 하나의 송신기 및 수신기가 각각 광 도파관에 할당된다. 따라서, 2개의 광 도파관으로의 할당이 매우 간단하게 구현될 수 있지만, 그러나 필요한 부품의 개수가 증가된다.
대안적인 실시예에서, 송신기 및 수신기는 그들의 방출 특성 및 수신 특성이 변경될 수 있는 방식으로 형성되어, 부품의 개수가 최소화된다.
일 실시예에서, 광 도파관은 플렉시글라스 패널(plexiglass panel)로서 형성되는데, 이는 특히 비용 측면에서 매우 저렴하다.
대안적인 실시예에서, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 포함하고, 여기서 데이터 배터리 셀의 그룹에는 각각 데이터 전송 장치를 갖는 측정 장치가 할당되고, 여기서 배터리 모듈은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스를 갖는 적어도 하나의 마스터를 포함하고, 여기서 데이터 전송 장치 및 적어도 하나의 마스터는 광학 전송 경로를 포함하고, 측정 장치와 마스터 사이의 전송 경로는 광학 자유 공간 전송으로서 형성되고, 데이터 전송 장치는 측정 장치가 마스터와 직접 양방향으로 통신하는 방식으로 형성된다. 이를 통해, 매우 빠른 통신이 구현될 수 있고, 이는 광 도파관이 완전히 생략될 수 있기 때문에 매우 컴팩트하다.
대안적인 실시예에서, 배터리 모듈은 복수의 배터리 셀을 포함하고, 여기서 배터리 셀의 그룹에는 각각 데이터 전송 장치를 갖는 측정 장치가 할당되고, 배터리 모듈은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스를 갖는 적어도 하나의 마스터를 포함하고, 여기서 데이터 전송 장치 및 적어도 하나의 마스터는 광학 전송 경로를 포함하고, 측정 장치와 마스터 사이의 전송 경로는 공통의 광 도파관을 통해 이루어지고, 여기서 측정 장치 및 마스터는 메쉬형(meshed) 광학 네트워크로서 구성된다. 이것은 메쉬형 네트워크가 일반적인 경우에 자체 복구되기 때문에, 매우 견고하고 빠른 데이터 전송을 허용한다. 이 경우, 바람직하게는 측정 장치 및 마스터가 완전한 메쉬형 광학 네트워크로서 구성되는 것이 제공될 수 있다. 메쉬형 네트워크를 위한 광 도파관은 플렉시글라스 패널인 것이 바람직하다.
배터리 모듈의 바람직한 적용 분야는 전기 자동차의 트랙션 배터리에서의 사용이다.
본 발명은 바람직한 예시적인 실시예에 기초하여 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 배터리 모듈의 제1 실시예의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 2는 배터리 모듈의 제2 실시예의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 3은 배터리 모듈의 제3 실시예의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 4는 배터리 모듈의 제4 실시예의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 5는 배터리 모듈의 제5 실시예의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 1에는 배터리 모듈(100)의 일부가 개략적으로 도시되어 있다. 배터리 모듈(100)은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(1)을 포함한다. 추가적으로, 배터리 셀(1)은 또한 병렬로 연결될 수 있지만, 그러나 이는 명확성을 위해 도시되지 않았다. 배터리 셀(1)은 그룹별로 세분되고, 여기서 예를 들어 그룹(A, B 및 C)이 존재하고, 여기에 측정 장치(2A, 2B 및 2C)가 각각 할당된다. 측정 장치(2A-2C)는 예를 들어 LED로서 형성된 광학 송신기(3)를 각각 포함한다. 또한, 측정 장치(2A-2C)는 예를 들어 광 트랜지스터로서 형성된 광학 수신기(4)를 각각 포함한다. 또한, 배터리 모듈(100)은 마찬가지로 광학 송신기(3) 및 광학 수신기(4)를 포함하는 마스터(5)를 포함한다. 마스터(5)는 도시되지 않은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스(6)를 추가적으로 포함한다. 배터리 모듈(100)은 예를 들어 플렉시글라스 패널로서 형성된 복수의 광 도파관(7, 8)을 포함한다.
광 도파관(7)이 각각 배치되어, 마스터(5) 또는 측정 장치(2A-2B)의 광학 송신기(3) 및 인접한 측정 장치(2A-2C)의 광학 수신기(4)가 광 도파관(7)에 할당된다. 마지막 측정 장치(2C)의 광학 송신기(3)는 광 도파관(8)을 통해 마스터(5)의 광학 수신기(4)와 커플링된다.
이제 예를 들어 마스터(5)가 제어 명령을 측정 장치(2C)로 전달하고자 하는 경우, 마스터(5)는 자신의 광학 송신기(3)에 의해, 이러한 제어 명령을 제1 광 도파관(7)을 통해 측정 장치(2A)로 송신한다. 그곳에서 광학 제어 명령이 수신되고, 이러한 제어 명령이 측정 장치(2C)를 위한 것으로 할당된 것이 확인된다. 그런 다음, 측정 장치(2A)는 제어 명령을 측정 장치(2B)로 계속 송신하고, 마지막으로 이를 측정 장치(2C)로 송신한다. 동일한 방식으로, 측정 장치(2A-2C)는 그들의 측정 데이터를 마스터(5)로 전달한다. 즉, 링 구조가 존재한다.
도 2에는 배터리 모듈(100)의 대안적인 실시예가 도시되어 있고, 여기서 배터리 셀(1)은 도시되지 않는다. 도 1에 따른 실시예와는 상이하게, 측정 장치(2A, 2B)의 광학 송신기(3) 및 광학 수신기(4)는 그들의 송신 특성 또는 수신 특성을 변경할 수 있으므로, 양방향으로 송신할 수 있고, 양방향으로 수신할 수 있다.
도 3에는 도 2에 도시된 바와 유사한 실시예가 도시되어 있고, 여기서 2개의 측정 장치(2A, 2B)는 각각 2개의 광학 송신기(3) 및 2개의 광학 수신기(4)를 포함한다는 것이 차이점이다. 이것은 더 많은 부품을 필요로 하지만, 그러나 광학 송신기(3) 및 광학 수신기(4)는 그들의 특성을 더 이상 변경할 필요가 없다.
도 4에는 배터리 모듈(100)에 대한 제4 실시예가 도시되어 있고, 여기서 측정 장치(2A-2C)와 마스터(5) 사이의 전송 경로는 광학 자유 공간 전송으로서 형성되고, 통신은 양방향이다. 이 경우, 광학 신호가 반사되는 하우징 벽(9)이 사용될 수 있다.
도 5에는 마지막으로 배터리 모듈(100)에 대한 제5 실시예가 도시되어 있고, 여기서 측정 장치(2A-2C)와 마스터(5) 사이의 전송 경로는 공통의 광 도파관(10)을 통해 이루어지고, 여기서 측정 장치(2A-2C) 및 마스터(5)는 메쉬형 광학 네트워크로서 구성된다. 메쉬형 네트워크(Mesh)에서 각각의 네트워크 노드는 하나 이상의 다른 노드와 연결된다. 각각의 노드가 각각의 다른 노드와 연결되는 경우에, 완전한 메쉬형 네트워크라고 한다.
작동 방식을 설명하기 위해, 우선 측정 장치(2A-2C)와 마스터가 완전한 메쉬형 네트워크를 형성한다는 것이 가정되어야 한다. 이러한 경우, 각각의 측정 장치(2A-2C)는 마스터(5)와 직접 통신할 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 바람직하게는, 여기서 통신은 핸드 쉐이크(hand-shake) 방식에 의해 진행된다. 이를 통해, 측정 장치(2A-2C)의 장애가 또한 전체 장애로 이어지지는 않으며, 단지 결함이 있는 측정 장치만이 더 이상 데이터를 제공하지 않거나, 또는 제어 명령을 수신할 수 없게 된다.
이제 네트워크가 완전히 메쉬형이 아닌 경우, 측정 장치(2A-2C)가 2개 이상의 인접한 측정 장치와 각 측에서 통신할 수 있는 것이 보장되기만 하면 되므로, 결함이 있는 측정 장치를 건너뛸 수 있다.
예를 들어 측정 장치(2C)가 데이터를 마스터(5)로 전달하려고 시도하면, 이러한 데이터는 측정 장치(2B 및 2A)에 의해 또한 수신되고, 여기서 이러한 측정 장치들은 데이터가 그들을 위해 할당된 것이 아닌 것을 인식한다. 측정 장치(2B, 2A)는 이제 측정 장치(2C)의 데이터를 임시 저장한다. 이 경우, 마스터(5)가 확인 신호를 측정 장치(2C)로 송신하면, 이러한 확인 신호는 측정 장치(2A, 2B)에 의해 또한 수신되고, 임시 저장된 데이터는 삭제될 수 있다. 반면, 확인 신호를 수신하지 않으면, 측정 장치(2A 및/또는 2B)는 측정 장치(2C)로부터 임시 저장된 데이터를 새로 발송하고, 마스터(5)가 이제 수신을 확인하는지 여부를 기다릴 수 있다. 따라서, 이러한 메쉬형 네트워크는 장애 및 전송 문제에 대해 매우 견고하다. 이 경우, 모든 노드는 모든 방향으로 전송할 수 있으며, 여기서 노드는 또한 시간적으로 동시에 송신할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 광 도파관(10)은 바람직하게는 플렉시글라스 패널로서 형성된다.

Claims (9)

  1. 전기 배터리 모듈(100)로서, 상기 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(1)을 포함하고, 상기 배터리 셀(1)의 그룹(A-C)에는 각각 데이터 전송 장치를 갖는 측정 장치(2A-2C)가 할당되고, 상기 배터리 모듈(100)은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스(6)를 갖는 적어도 하나의 마스터(5)를 포함하고, 상기 데이터 전송 장치 및 상기 적어도 하나의 마스터(5)는 광학 전송 경로를 포함하는, 상기 전기 배터리 모듈(100)에 있어서,
    상기 광학 전송 경로는 각각 2개의 인접한 측정 장치 또는 하나의 측정 장치 및 마스터에 할당되는 광 도파관(7, 8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    하나의 측정 장치(2A-2B)의 광학 송신기(3) 및 다른 측정 장치(2B-2C)의 광학 수신기(4)는 각각 각각의 광 도파관(7)에 할당되고, 마스터(5) 및 마지막 측정 장치(2C)에는 광 도파관(8)이 할당되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    하나의 측정 장치(2A-2B)의 광학 송신기(3) 및 수신기(4) 각각, 및 다른 측정 장치(2B-2A)의 광학 송신기(3) 및 수신기(4) 각각은 각각의 광 도파관(7)에 할당되고, 측정 장치(2A-2B)의 송신기(3) 및 수신기(4)는 2개의 광 도파관(7)에 각각 광을 커플링-인하거나 또는 커플링-아웃하는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측정 장치(2A, 2B)는 각각 2개의 광학 송신기(3) 및 2개의 광학 수신기(4)를 포함하고, 하나의 송신기(3) 및 수신기(4)가 각각 광 도파관(7)에 할당되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 송신기(3) 및 수신기(4)는 그들의 방출 특성 및 수신 특성이 변경될 수 있는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 도파관(7, 8)은 플렉시글라스 패널(plexiglass panel)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  7. 전기 배터리 모듈(100)로서, 상기 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(1)을 포함하고, 상기 배터리 셀(1)의 그룹(A-C)에는 각각 데이터 전송 장치를 갖는 측정 장치(2A-2C)가 할당되고, 상기 배터리 모듈(100)은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스(6)를 갖는 적어도 하나의 마스터(5)를 포함하고, 상기 데이터 전송 장치 및 상기 적어도 하나의 마스터(5)는 광학 전송 경로를 포함하는, 상기 전기 배터리 모듈(100)에 있어서,
    상기 측정 장치(2A-2C)와 상기 마스터(5) 사이의 전송 경로는 광학 자유 공간 전송으로서 형성되고, 상기 데이터 전송 장치는 상기 측정 장치(2A-2C)가 상기 마스터(5)와 직접 양방향으로 통신하는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  8. 전기 배터리 모듈(100)로서, 상기 배터리 모듈(100)은 복수의 배터리 셀(1)을 포함하고, 상기 배터리 셀(1)의 그룹(A-C)에는 각각 데이터 전송 장치를 갖는 측정 장치(2A-2C)가 할당되고, 상기 배터리 모듈(100)은 배터리 관리 제어 유닛에 대한 인터페이스를 갖는 적어도 하나의 마스터(5)를 포함하고, 상기 데이터 전송 장치 및 상기 적어도 하나의 마스터(5)는 광학 전송 경로를 포함하는, 상기 전기 배터리 모듈(100)에 있어서,
    상기 측정 장치(2A-2C)와 상기 마스터(5) 사이의 전송 경로는 공통의 광 도파관(10)을 통해 이루어지고, 상기 측정 장치(2A-2C) 및 상기 마스터(5)는 메쉬형(meshed) 광학 네트워크로서 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측정 장치(2A-2C) 및 상기 마스터(5)는 완전한 메쉬형 광학 네트워크로서 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 배터리 모듈.
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