KR20210057682A - 하이브리드 및 전기 차량 배터리 팩 유지 보수 장치 - Google Patents

하이브리드 및 전기 차량 배터리 팩 유지 보수 장치 Download PDF

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KR20210057682A
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캐빈 아이. 버트니스
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미드트로닉스, 인크.
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Abstract

배터리 팩에 의하여 동력이 공급되는 자동차의 배터리 팩에 대한 유지 보수를 수행하기 위한 배터리 유지 보수 장치는, 배터리 팩 내의 센서들을 사용하여 얻어진 배터리 팩의 배터리들/전지들의 상태와 관련된 정보를 검색하도록 구성된 통신 회로를 포함한다. 측정 회로는 배터리 팩의 배터리들/전지들에 연결되어 배터리 팩의 배터리들/전지들의 상태와 관련된 측정 정보를 얻는다. 제어기는 검색된 정보를 측정 정보와 비교하여 배터리 팩 내의 센서들의 작동을 검증하여 비교 출력을 제공한다. 출력 회로는 비교 출력을 근거로 하여 배터리 팩 내에서 고장이 난 센서를 표시하는 출력을 제공한다.

Description

하이브리드 및 전기 차량 배터리 팩 유지 보수 장치{HYBRID AND ELECTRIC VEHICLE BATTERY PACK MAINTENANCE DEVICE}
본 발명은 2019년 11월 11일 출원된 미국 가출원 제 62/933,625호에 기초하여 그 이익을 주장하고, 그 전체 내용을 본 발명에 참조로 통합한다.
본 발명은 차량에 동력을 제공하기 위하여 사용되는 전기를 저장하기 위한 배터리 팩을 사용하는 유형의 전기 차량에 관한 것이다. 이 차량은 하이브리드 차량 및 순수 전기 차량을 포함한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전기 차량에 사용되는 이러한 배터리 팩의 유지 보수에 관한 것이다.
전통적으로, 자동차는 내연 엔진을 동력원으로 사용하여 왔다. 그러나 전기적으로 동력을 얻는 차량이 광범위하게 사용 중이다. 이러한 차량은 연료 효율을 높일 수 있고 대체 에너지원들을 이용하여 구동될 수 있다.
일부 유형의 전기 차량은 전기 모터 및 전기를 이용하여 전적으로 동력을 공급받는다. 다른 유형의 전기 차량은 내연 엔진을 포함한다. 내연 엔진은 전기를 발생시켜 전기 모터에 의해 전달된 동력을 보충하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 유형의 차량은 "하이브리드" 전기 차량으로 알려져 있다.
전기 차량의 작동은 많은 양의 전기를 제공할 수 있는 동력원을 필요로 한다. 전형적으로, 전기 차량은 다수의 배터리로 구성되는 대형 배터리 팩에 전기를 저장한다. 이들 배터리는 배터리 및 배터리 팩의 구성에 따라 다수의 개별적인 전지에 의해 형성될 수 있고, 또는 자체가 개별적인 전지일 수 있다. 이들 팩은 크고, 교체 비용이 높고, 접근 및 유지가 어려울 수 있다.
안전한 수송을 위한 또 다른 요구는 배터리를 고정된 충전 상태, 즉 30%까지 방전시키는 것일 수 있다. 이 작업을 가능한 한 빨리 그리고 안전하게 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 이 작업은 종종 영구 구조물의 외부 및 영구 구조물에서 떨어져서 발생하므로, 가벼운 휴대성과 배터리에 대한 작업이 필요하다. 이들 대형 배터리는 직류 400 V 범위의 완전(full) 충전 전압을 가질 수 있고 100 KWH 만큼 많이 저장할 수 있다. 또한, 이는 드물게 수행되는 활동이므로, 저렴한 해결책이 요망된다.
본 발명은 배터리 팩에 의하여 동력이 공급되는 자동차의 배터리 팩에 대한 유지 보수를 수행하는 배터리 유지 보수 장치를 제공한다.
본 발명의 배터리 팩에 의하여 동력이 공급되는 자동차의 배터리 팩에 대한 유지 보수를 수행하는 배터리 유지 보수 장치는, 배터리 팩 내의 센서를 사용하여 얻어진 배터리 팩의 배터리들/전지들의 상태와 관련된 정보를 검색하도록 구성된 통신 회로를 포함한다. 측정 회로는 배터리 팩의 배터리들/전지들에 연결되어 배터리 팩의 배터리들/전지들의 측정된 상태와 관련한 측정 정보를 얻는다. 제어기는 검색된 정보를 측정 정보와 비교하여 배터리 팩 내의 센서들의 작동을 검증하고 비교 출력을 제공한다. 출력 회로는 비교 출력에 근거하여 배터리 팩 내의 고장이 난 센서의 표시를 출력한다.
도 1은 전기 차량에 연결된 본 발명에 따른 배터리 유지 보수 장치의 간략화된 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 배터리 유지 보수 장치의 더 상세한 블록도이다.
도 3은 도 2의 배터리 유지 보수 장치에서 사용하는 제어 가능한 부하(load)의 전기 모식도이다.
도 4는 배터리 유지 보수 장치 내의 부품의 냉각을 촉진하는 하나의 예시적인 부품 배열을 예시하는 도면이다.
도 5는 추가적인 부하 저항을 갖는 플러그(plug)의 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 저항성 부하 코일을 갖는 하우징의 사시도이다.
도 7은 제어 가능한 저항 부하의 모식도이다.
도 8은 배터리 방전 동안 전력, 방전 전류 및 온도를 보여주는 그래프이다.
도 9는 전기 차량에서 사용하는 예시적인 배터리 팩의 간략화된 모식도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른, 배터리 팩 또는 배터리 모듈을 고치는 방법을 예시하는 흐름도이다.
내연 엔진을 가지는 자동차의 유지 보수는 잘 알려져 있다. 차량의 내연 기관, 구동 트레인(drive train), 배터리(일반적으로 차량의 시동을 걸고 차량 내 전기 장치를 작동하는 데 사용됨), 연료 저장 및 분배 시스템을 관리하기 위한 절차들이 잘 알려져 있다. 대조적으로, 전기 차량의 광범위한 사용은 비교적 새로운 현상이고 이러한 차량들의 배터리에 대한 유지 보수를 수행하기 위한 개선된 절차에 대한 지속적인 필요성이 있다. 예를 들어, 내연 엔진을 갖는 전통적인 차량이 사고와 관련될 때, 안전을 위하여 차량으로부터 가솔린 또는 기타 연료를 빼내는 것이 일반적이다. 대조적으로, 전기 차량이 사고와 관련될 때, 차량의 배터리 팩은 비교적 많은 양의 에너지를 보유할 수 있고, 심지어는 완전 충전 상태에 있을 수 있다. 팩에 접근하는 다양한 기술뿐만 아니라, 많은 다른 유형의 배터리 팩이 있기 때문에, 배터리 팩을 방전할 수 있는 방법이 항상 분명한 것은 아니다. 또한, 사고 후, 시스템들이 적절하게 기능을 하고 있지 않을 수 있고 배터리 팩에 대한 유지 보수가 이루어지는 것을 방해할 수 있어서, 정상적인 절차로는 배터리 팩을 방전할 수 없다. 일 양태에서, 본 발명은 전기 차량의 배터리 팩에 안전하게 접근하기 위한 장치 및 방법을 제공하고, 배터리 팩을 방전한다. 그러나 본 발명은 이러한 구성에 한정되지 않고 일반적으로 전기 차량의 배터리 팩에 대한 유지 보수를 수행하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 장치는 전기 차량의 배터리 팩에서 "동력을 제거" 하거나 배터리 팩을 충전하는 것을 비롯하여 배터리 팩에 대한 기타 유지 보수를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 활동은 수많은 이유 때문에 문제가 될 수 있다. 첫 번째로, 상이한 유형의 전기 차량은 상이한 유형의 배터리 팩을 사용한다. 구성, 전압 및 이러한 팩에 대한 연결은 크게 달라진다. 또한, 차량 자체는 일반적으로 배터리 팩의 상태를 감시하는 것뿐만 아니라 충전 및 방전을 제어하는 "지능(intelligence)"을 포함한다. 본 발명의 장치는 배터리 팩의 작동을 제어하고 감시하기 위하여, 차량의 데이터버스(databus) 및/또는 배터리 팩의 데이터버스와 인터페이싱 할 수 있다. 다시, 이들 데이터버스들에 대한 연결은 차량마다 크게 변한다. 또한, 데이터 형식과 특정 데이터는 차량마다 변한다. 배터리 팩에 대한 유지 보수를 수행하는 문제는 차량의 사고가 일어났을 때 악화된다. 배터리 팩에 물리적으로 접근하기 어려울 수 있고, 차량 또는 배터리 팩 데이터버스에 대한 통신뿐만 아니라 배터리를 방전하기 위하여 배터리 팩에 전기적으로 연결하는 것 및/또는 차량에 전기적으로 연결하는 것이 어려울 수 있다. 사고 동안 일어나는 손상에 따라서, 배터리 팩은 안전을 위하여 분리될 수 있다. 이러한 분리는 배터리 팩에 접근함에 있어서 또 다른 도전을 제공한다. 또한, 유지 보수 장치의 회로는 전기 차량의 배터리 팩에 존재하는 비교적 높은 직류(DC) 전압, 예를 들어 400 볼트로 작동할 수 있어야만 한다. 이러한 높은 전압은 작업자뿐만 아니라 장치의 논리 및 제어 회로와 차단되어야만 한다. 추가로, 일 양태에서, 배터리 팩을 점검하기 위하여 장치는 배터리 팩의 전지들의 일부 또는 전부를 충전하는데 사용하기 위한 충전기 기능도 포함한다.
전기 차량은, 일반적으로 배터리 팩의 고전압을 차량의 구동 트레인에서 사용되는 강력한 전기 모터에 선택적으로 연결하기 위하여 사용되고 전기적으로 작동하는 릴레이(스위치)인 "접촉자(contactors)"를 포함한다. 차량 내 위치에서 배터리 팩에 접근하기 위하여, 이들 접촉자는 닫혀서 전기적 회로를 완성하는 것이 필요하다. 그러나 사고 시에, 차량 및/또는 배터리 팩을 제어하는 전자 장치는 일반적으로 안전을 위하여 배터리 팩을 차량에서 분리하기 위하여 접촉자의 연결을 해제(개방)한다. 따라서, 일 실시예에서, 본 발명은 전기 차량 또는 배터리 팩의 제어기와 통신하거나 접촉자가 닫혀서 배터리 팩의 고전압에 대한 접근을 제공하도록 접촉자와 직접 통신한다. 차량의 제어 시스템과 통신하면, 본 발명의 장치는 접촉자가 닫히는 것이 적절하다는 것을 나타내는 정보를 차량 시스템에 제공할 수 있다. 따라서, 차량이 사고 중이라는 것과 관련된 오류를 비롯한 고장 표시 또는 다른 오류들은 억제되어야만 한다. 대신, 배터리 팩 유지 보수 장치는 접촉자가 닫히는 것이 적절하다는 것을 나타내는 정보를 차량 시스템에 제공한다.
도 1은 전기 차량(102)에 연결된 배터리 팩 유지 보수 장치(100)를 보여주는 간략화된 블록도이다. 차량(102)은 간단한 블록도로 예시되고, 동력을 차량의 모터(들)(106)에 제공하는 것을 포함하여 차량(102)에 동력을 제공하기 위하여 사용되는 배터리 팩(104)을 포함한다. 차량(102)은 차량의 데이터버스(110)에 연결된 차량 제어기(108)를 포함한다. 제어기(108)는 센서들(112)을 통해 차량의 작동에 관한 정보를 수신하고 출력(114)을 통해 차량의 작동을 제어한다. 또한, 배터리 팩은, 배터리 팩 센서들(122)을 이용하여 배터리 팩(104)의 작동을 감시하는 자신의 선택적 제어기(120)를 포함하는 것으로 예시된다.
작동 시, 전기 차량(102)은, 예컨대 작업자 I/O(109)를 통한 운전자의 입력을 근거로 제어기(108)에 의해 제어된다. 작업자 I/O(109)는, 예를 들어 발 액셀레이터 입력, 브레이크 입력, 스티어링 휠의 위치를 나타내는 입력, 구동 트레인에 대한 원하는 기어비(gearing ration)와 관련된 정보, 차량 작동과 관련된 출력, 예를 들어 속도, 충전 정보, 배터리 팩(104)에 남아있는 에너지의 양, 진단 정보 등을 포함할 수 있다. 제어기(108)는 전기 모터(106)의 작동을 제어하여 차량을 추진할 뿐만 아니라 차량(102)의 다른 시스템을 감시 및 제어할 수 있다. 배터리 팩(104)의 제어기(120)는 배터리 팩(104)의 작동을 감시하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 임계 온도가 초과되면, 센서(122)는 배터리 팩의 배터리를 분리하도록 구성된 온도 센서를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 센서는 배터리 팩(104)의 충전을 감시하는 데 사용될 수 있는 전류 또는 전압 센서를 포함한다. 도 1은 위에서 기술된 바와 같이 차량(102)의 시스템으로부터 배터리 팩(104)을 선택적으로 분리하는데 사용되는 차량(102)의 접촉자 릴레이(130)를 도시한다. 예를 들어, 제어기(108)는 접촉자(130)를 폐쇄하도록 하는 신호를 제공하여 배터리 팩(104)을 차량(102)의 전기 시스템에 연결할 수 있다.
배터리 팩 유지 보수 장치(100)는 저전압 접속 배선함(152) 및 고전압 접속 배선함(154)을 통해 차량에 연결되는 메인 유닛(150)을 포함한다. 이러한 접속 배선함(152, 154)은 선택 사항이고, 유지 보수 장치(100)를 차량(102)에 연결하기 위한 다른 기술이 사용될 수 있다. 유지 보수 장치(100)는 마이크로프로세서(160), I/O 회로(162) 및 메모리(164)를 포함하고, 메모리(164)는 예를 들어 마이크로프로세서(160)가 사용하기 위한 프로그래밍 명령을 포함한다. I/O 회로(162)는 차량(102)을 이용한 입력 및 출력뿐만 아니라 사용자 입력, 출력, 원격 입력, 출력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 유지 보수 장치(100)는 배터리 팩(104)을 방전하는 데 사용하기 위한 제어 가능한 부하(170)를 포함한다. 선택적인 충전원(171)도 제공되고, 이는 예를 들어 배터리 팩(104)에 대한 유지 보수를 수행하기 위하여 배터리 팩(104)을 충전하는 것이 바람직한 상황에서 사용될 수 있다. 고전압 접속 배선함(154)은 배터리 팩(104)의 단말 및 유지 보수 장치 메인 유닛(150) 사이의 전기적 연결을 제공하는 데 사용된다. 이 연결을 사용하면 배터리 팩(104) 내의 배터리는 부하(170)를 사용하여 방전되거나 충전원(171)을 사용하여 충전될 수 있다. 유사하게, 배터리 팩 유지 보수 장치(100)는 전기 차량의 저전압 시스템을 연결하기 위하여 저전압 접속 배선함(152)을 사용한다. 이러한 시스템은 차량의 데이터버스(110), 센서(112), 출력(114) 등을 포함한다. 이러한 연결을 통해, 위에서 기술된 바와 같이, 유지 보수 장치(100)는 배터리 팩(104)을 포함하는 차량(102) 내의 시스템의 상태에 관한 정보를 수집할 수 있고, 차량(102) 내의 시스템의 작동을 제어할 수 있다. 유사하게, 이 연결을 통해 센서(112)의 출력은 변화되거나 변경될 수 있고, 이에 따라 변경된 센서 출력이 제어기(108)에 제공될 수 있다. 이는, 예를 들어 제어기(108)가 차량(102) 또는 배터리 팩(104)이 센서(112)가 실제로 검출하는 것과는 다른 상태에 있음을 나타내는 정보를 수신하게 하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이 연결은 접촉자(130)가 닫히게 하여 배터리 팩(104)에 전기적 연결을 제공하는데 사용될 수 있다. 또한, 저전압 접속 배선함(152)은 배터리 팩(104)의 제어기(120) 및/또는 센서(122)에 연결하는데 사용될 수 있다.
접속 배선함(152, 154)은 적절한 커넥터를 사용하여 차량(102)에 연결된다. 사용되는 특정 커넥터는 특정 유형의 차량(102) 및 작업자가 이용할 수 있는 연결 유형에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, OBD II 연결은 차량의 데이터버스(110)에 연결하는 데 사용될 수 있다. 센서(112) 또는 출력(114)에 연결하기 위하여 다른 플러그 또는 어댑터가 사용될 수 있다. 고전압 접속 배선함(154)을 배터리 팩(104)에 연결하기 위하여 특정 스타일의 플러그를 사용할 수 있다. 사용 가능한 접촉자가 없거나 접촉자가 접근할 수 없거나 반응이 없는 경우, 하나의 구성에서, 클립이나 다른 유형의 클램프 또는 선택적으로 연결 가능한 접촉자가 연결을 수행하기 위하여 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩 유지 관리 장치(100)의 간략화된 블록도이다. 장치는 메모리(164)에 저장된 명령에 따라 작동하는 마이크로프로세서(160)를 포함한다. 전원 공급 장치는 장치에 전력을 제공하기 위하여 사용된다. 전원 공급 장치(180)는 차량(102)의 배터리 팩(104)을 충전하는 데 사용하기 위하여 벽면 콘센트 또는 다른 고전력 공급원과 같은 AC 전원에 연결될 수 있다. 또한, 장치(100)가 차량 배터리 팩(104)을 방전하기 위하여서만 사용되면, 전원 공급 장치(180)는 12 볼트 배터리와 같은 DC 전원에 연결될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(104)에 더하여, 많은 전기 차량은 또한 표준 12 볼트 자동차 배터리를 포함한다. 이러한 12 볼트 자동차 배터리는 전력 유지 보수 장치(100)에 사용될 수 있다. 마이크로프로세서는 작업자 입력/출력(182)을 사용하여 작업자와 통신한다. 다른 입력/출력 회로(184)는 RS232, USB 연결, 이더넷(Ethernet) 등과 같은 데이터 통신 링크에 물리적으로 연결하는 데 사용하기 위하여 제공된다. 와이파이(WiFi) 기술, 블루투스(Bluetooth®), 지그비(Zigbee®) 등과 같은 무선 기술에 따라 통신하는 데 사용하기 위하여 선택적인 무선 I/O 회로(186)도 제공된다. 저전압 입력/출력 회로(190)는 차량(108)의 데이터버스, 배터리 팩(104)의 데이터버스와 통신하거나 다른 입력을 수신하거나 차량(102)에 출력을 제공하는 데 사용하기 위하여 제공된다. 예로는 CAN 통신 프로토콜, OBDII 등이 포함된다. 추가적으로, 접점 폐쇄(contact closures) 또는 다른 전압 입력 또는 출력이 저전압 I/O 회로(190)를 사용하여 차량에 적용될 수 있다. 도 2는 또한 차단 스위치(194)를 사용하여 배터리(104)로부터 고전압 제어 장치(170)를 즉시 차단하도록 활성화될 수 있는 작업자 차단 스위치(192)를 도시한다. 이 차단 기능을 구현하기 위하여 다른 회로 구성이 사용될 수 있다. 이 구성은 작업자가 긴급 차단을 수행하거나 원한다면 배터리로부터 장치(100)를 즉시 분리할 수 있게 한다.
저전압 접속 배선함(152)은 또한 선택적인 전력 출력을 제공한다. 이 전력은 예를 들어 차량(102)이 전력을 잃은 경우, 차량(102)의 구성 요소에 전력을 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 이는 예를 들어 차량(102)의 제어기(108)에 전력을 제공하여 차량으로부터 정보가 수집될 수 있고, 접촉자(130)와 같은 차량의 다양한 구성 요소가 제어될 수 있도록 하는 데 유용할 수 있다.
본 발명의 일 구성에서, 고전압 제어 회로(170)와 고전압 접속 배선함(154) 사이의 연결은 켈빈(Kelvin)형 커넥터를 통해 이루어진다. 이는, 배선을 통해 큰 전류가 유입될 때 발생하는 전압 강하를 제거하여 더 정확한 전압 측정을 제공하는 데 사용할 수 있다. 접속 배선함(154)과 배터리 팩(104) 사이의 거리가 연결 양단의 전압 강하를 무시할 수 있을 정도로 충분히 짧다면, 접속 배선함(154)과 배터리 팩(104) 사이의 실제 연결은 켈빈 연결을 통해 이루어질 필요가 없다. 퓨즈와 같은 절연 회로가 접속 배선함(154)에 제공되어 유지 보수 장치(100)에 대한 고전압 또는 전류의 인가를 방지하고 이에 따라 장치의 회로를 보호할 수 있다. 유사하게, 저전압 접속 배선함(152) 및/또는 저전압 I/O(190)는 광학 분리기(isolators), 유도 연결을 제공하는 인덕터 또는 다른 기술과 같은 절연 회로를 포함할 수 있다. 저전압 접속 배선함(152)은 또한 선택적인 사용자 출력 및/또는 입력(196)을 포함할 수 있다. 예를 들어 이는 작업자가 관찰할 수 있는 디스플레이일 수 있다. 저전압 접속 배선함, 차량 또는 배터리 팩의 기능과 관련하여 작업자에게 표시를 제공하는 예시적인 디스플레이는 LED 디스플레이 또는 개별 LED를 포함한다. 이러한 디스플레이는 저전압 접속 배선함이 수행하는 다양한 기능, 저전압 접속 배선함에서 검출된 전압에 대해 작업자에게 시각적으로 알리는 데 사용할 수 있다. 시각적 출력 및/또는 입력(198)은 고전압 접속 배선함(154) 상에 제공될 수 있다.
적절한 고전압 접속 배선함(154) 및 저전압 접속 배선함(152)은 검사 중인 특정 차량(102) 또는 배터리 팩(104)에 기반하여 선택될 수 있다. 유사하게, 접속함(152, 154)은 특정 상황에서 이용 가능한 연결 유형을 기반으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 차량이 손상된 경우 사용 가능한 커넥터를 통해 배터리 팩(104)에 연결하는 것이 불가능할 수 있다. 대신, 배터리 팩(104)에 직접 연결될 수 있는 연결 프로브를 포함하는 접속 배선함(154)이 사용될 수 있다. 더욱이, 그러한 연결이 이용 가능하지 않거나 손상된 경우, 커넥터는 배터리 팩(104) 내부의 개별 전지 또는 배터리에 연결하기 위하여 제공될 수 있다.
저전압 및 고전압 접속 배선함(152, 154)의 사용은 여러 가지 이유로 유리하다. 접속 배선함은 유지 보수 장치(100)의 회로에 대해 표준화된 연결을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 접속 배선함(152, 154)으로부터, 다양한 유형의 차량 및/또는 배터리 팩과 함께 사용하기 위한 특수 커넥터가 제공될 수 있다. 유사하게, 상이한 유형의 접속 배선함(152, 154)은 상이한 차량 및/또는 배터리 팩에 사용될 수 있다. 접속 배선함(152, 154)은 단일 세트 케이블 연결이 장치(100)와 원격 위치 사이에서 연장되도록 한다. 이는 더 나은 케이블 관리, 사용 용이성 및 향상된 정확도를 제공한다.
배터리를 방전하기 위한 부하로서 사용하는 것에 더하여, 고전압 제어 회로는 또한 선택적으로 배터리 충전에 사용하기 위한 충전을 포함할 수 있다.
도 3은 제어 가능한 부하(170)의 개략도이다. 도 3에서, 다수의 격리된 게이트 바이폴라(bipolar) 트랜지스터(IGBT)(220A, 220B, 220C 및 220D)가 도시되어 있고, 이들 트랜지스터는 마이크로프로세서(160)에 대한 게이트 연결에 의해 제어된다. IGBT(220A-D)는 부하 저항기(222A, 222B, 224A 및 224B)에 연결된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 4개의 부하 저항기는 33 OHM 저항기이다. 트랜지스터(220A-D)를 사용하면, 저항기(222A, 222B 및 224A, 222B)는 배터리 팩(104)에 상이한 부하를 적용하기 위하여 다양한 직렬-병렬 구성으로 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 배터리 팩(104)에 적용되는 부하는 마이크로프로세서(160)에 의해 제어될 수 있다. 일 양태에서, 본 발명은 팩을 방전하기 위하여 배터리 팩(104)에 부하를 선택적으로 연결하기 위한 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 포함한다. IGBT는 PNPN으로 배열된 4개의 반도체 층으로 구성된 트랜지스터이다. 금속 산화물 반도체가 게이트를 제공하도록 배치된다. 이 구성은 바이폴라 트랜지스터와 같이 큰 전류를 스위칭할 수 있는 전계 효과 트랜지스터와 유사한 방식으로 쉽게 제어되는 트랜지스터를 제공한다.
장치(100)가 사고가 발생한 차량(102)에 연결되면, 장치(100)는 차량(102)에 대해 다양한 테스트를 수행하여 차량 및 배터리의 상태를 판단할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 일 양태에서, 장치(100)는 배터리 팩(102)의 양극 및 음극 단자와 차량(102)의 접지 또는 새시(chassis) 사이의 누설을 검출한다. 예를 들어, 휘트스톤(wheatstone) 브리지 회로(230)는 배터리 팩(104)의 양극과 음극 단자 사이에 사용될 수 있고, 이때 브리지의 다리 중 하나가 접지에 연결된다.
차량용 배터리 팩(104)의 방전 중에, 배터리 팩으로부터 데이터를 수집할 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩은 일반적으로 배터리 팩 내의 다양한 위치로부터 데이터를 수집하도록 배열된 전압, 전류 및 온도 센서와 같은 센서(122)를 포함한다. 이 정보는 데이터버스(110)에 대한 연결을 통해 유지 보수 장치(100)에 의해 획득될 수 있다. 방전 동안, 센서에 의해 측정된 비정상적인 매개변수는 방전을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩(104)이 과도하게 가열되면, 배터리 온도가 허용 가능한 수준으로 돌아올 때까지 방전율이 감소될 수 있다. 배터리 팩의 내부 온도 센서 중 어느 것이 기능을 하지 않으면, 외부 배터리 팩 온도 센서를 사용하여 배터리 팩의 온도를 검출할 수 있다. 유사하게, 팩 내의 전지들에 비정상적으로 높은 전류 방전이 발생하면, 방전 속도가 감소될 수 있다. 또한, 센서가 손상되거나 데이터버스가 손상되거나 접근이 불가능하여 이러한 데이터를 획득할 수 없는 경우, 유지 보수 장치(100)는 배터리가 확실하게 손상되지 않도록 저속/안전 방전 상태로 자동으로 들어갈 수 있다.
배터리 팩(104)을 점검할 때, 유지 보수 장치(100)는 다른 전지보다 더 많거나 덜 충전된 팩(104) 내의 개별 전지 또는 배터리를 식별할 수 있다. 따라서, 팩 내의 개별 전지 또는 배터리는 균형을 이룰 수 있고, 이에 따라 모두 팩 내의 다른 전지 또는 배터리와 실질적으로 동일한 충전 용량 및/또는 충전 상태를 갖는다.
본 발명의 다른 양태에서, 유지 보수 장치(100)는 하이브리드 전기 차량(102)에 "점프 스타트(jump start)"를 제공할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 전기 차량의 내연 엔진이 배터리 팩의 전원으로 직접 시동되고 그리고 배터리 팩(104)의 충전량이 너무 낮으면, 엔진을 시동할 수 있는 에너지가 충분하지 않다. 본 발명의 유지 보수 장치(100)는 엔진 시동을 위한 내연 기관의 시동 모터에 충분한 동력을 제공하는데 사용될 수 있다. 일단 내연 기관이 작동하면, 엔진 자체가 배터리 팩(104)을 충전하는 데 사용된다.
도 3에서. 전압 센서(232)는 휘트스톤 브리지(230)를 가로 질러 연결된다. 또한, 브리지는 스위치(234)를 통해 선택적으로 전기 접지에 연결된다. 브리지(230)를 가로지르는 전압 센서(232)에 의해 검출된 임의의 전압은 배터리 팩(104)의 양극 및/또는 음극 단자와 차량(102)의 전기 접지 또는 새시 사이에 전류 누설이 있다는 표시이다. 전압 센서(232)는 마이크로프로세서(130)에 출력을 제공하고, 잠재적으로 위험한 상황을 작업자에게 경고하고, 추가 유지 보수가 수행되기 전에 배터리 팩(104)이 차량(102)으로부터 분리되어야 한다는 것을 나타내기 위하여 사용될 수 있다.
도 3은 또한 마이크로프로세서(160)에 의해 방전이 명령될 때까지 배터리 팩으로부터 부하 저항(222/224)을 분리하는 데 사용되는 릴레이(226)를 도시한다. 배터리 팩(104)의 양단 전압은 저항과 직렬로 연결된 전압 센서(242)를 사용하여 측정될 수 있다. 센서(242)로부터의 출력은 배터리 팩(104)에서 유지 보수를 수행하는 데 사용하기 위하여 마이크로프로세서(160)에 제공된다.
작동 중에, 장치(100)의 구성 요소는 많은 가열을 경험할 수 있다. 공기 흐름 냉각 시스템을 사용하여 열을 발산할 수 있다. 도 4는 그러한 구성 중 하나를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이. 공기 흐름은 저전력 전자장치(300)로부터 이동하여 고전력 전자장치(302)를 통과하고 부하 저항기(222A, 222B 및 224A, 224B)를 통과한다. 그런 다음 공기 흐름은 장치(100)의 하우징을 떠난다. 도 4에서, 공기 흐름은 팬(304)에 의해 제어된다. 팬(304)은 마이크로프로세서(160)를 사용하여 제어될 수 있고, 이에 의해 장치(100)의 하우징 내의 다양한 위치에 배치될 수 있는 온도 센서(306)에 의한 측정에 기초하여 그 속도가 필요에 따라 조정될 수 있다. 이 구성에서, 부하 저항에 의해 생성된 뜨거운 공기가 임의의 구성 요소를 지나기보다는 오히려 하우징 밖으로 즉시 배출된다.
일부 전기 차량은 "조기 충전(pre-charge) 접촉자"로 지칭되는 것을 포함한다. 조기 충전 접촉자는 도 1에 도시된 메인 접촉자(130)에서 스위칭 전에 느리고 제어된 속도로 차량의 용량을 충전하는 데 사용될 수 있다. 이는 메인 접촉자가 활성화되고 차량의 전기 모터를 제어하는데 사용되는 차량의 견인(traction) 모듈을 포함한 차량의 부하에 팩이 직접 연결될 때, 배터리 팩에서 과도한 전류 방전을 방지한다.
본 발명의 다른 양태에서, 배터리 팩(104)의 테스트 및 방전 동안 획득된 정보의 일부 또는 전부는 후속 접근을 위하여, 예를 들어 도 1에 도시된 메모리(164)에 검색 및 저장된다. 이 정보는 다른 장치, 예를 들어 USB 드라이브 등으로 오프로드 되거나 네트워크 연결을 통해 전송될 수 있다. 이는 차량이 사고를 경험한 후 검색된 정보를 검사하는 데 특히 유용할 수 있다. 정보는 차량(102)의 제어기(108)로부터 다운로드된 정보일 수 있으며, 차량 배터리 팩(104)이 어떻게 방전되고 점검을 받지 않았는지에 관한 정보일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 하나 이상의 유지 보수 장치(100)가 배터리 팩(104)에 연결될 수 있고 다수의 장치가 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 장치(100)는 도 2에 도시된 입력/출력 회로(184)를 사용하여 연결될 수 있고, 이에 의해 장치(100) 중 하나는 주 장치(master)로 작동하고 하나 이상의 다른 장치(100)는 주 장치의 제어 하에 종속 장치(slaves)로 작동한다. 이러한 배열은 배터리 팩(104)이 방전되는 속도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 구성에서, 브리지 가능한 전원 공급 장치도 사용될 수 있다.
도 5는 배터리 팩 유지 보수 장치(100)에 선택적으로 연결될 수 있는 제거 가능한 플러그(350)를 보여주는 간략화된 도면이다. 제거 가능한 플러그(350)는, 커넥터(354, 356)를 통하여 병렬로 연결되는 5 OHM 저항기(352)를 포함한다. 제거 가능한 플러그(350)는, 리드(reed) 스위치(362)를 작동하도록 구성되는 자석(360)을 포함한다. 리드 스위치(362)는 마이크로프로세서(160)에 연결되고, 이에 의해 마이크로프로세서(160)는 플러그(350)의 존재를 검출할 수 있다. 플러그(350)가 장치(100)에 연결되면, 하나 이상의 33 OHM 저항기(222A, 222B 및 224A, 224B)의 저항은 변화될 수 있고, 이는 그 저항기가 약 4.3 OHM의 저항을 생성하는 5 OHM 저항기와 직렬로 연결되어 있기 때문이다. 그러나 원하는 임의의 구성이 제공될 수 있다. 이는 장치(100)가 배터리 팩(104)에 더 작은 저항을 인가하도록 하여 원하는 경우 방전율을 증가시킨다. 예를 들어, 특정 배터리 팩은 충분히 낮은 전압을 가져서 전류 소모를 증가시키고, 배터리 팩(104)이 방전되는 속도를 증가시킬 수 있다. 리드 스위치(362)를 사용하면, 마이크로프로세서(160)는 플러그(350)의 존재를 검출할 수 있고, 이에 의해 인가된 부하 저항의 값에 의존하는 계산이 적절하게 보상될 수 있다. 비록 단 하나의 저항기(352)만이 도시되었지만, 플러그(350)는 장치(100)의 부하 저항과 병렬로 배치되는 임의의 수의 저항기를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 플러그(350)는 저항기(352)의 가열을 감소하기 위한 냉각 메커니즘을 포함한다. 플러그(350)는 금속 또는 다른 열 전도 핀(fins) 등을 포함할 수 있다. 팬(fan)도 사용될 수 있다. 팬은 장치(100)에서 사용되는 것과 동일한 냉각 팬일 수 있고, 또는 플러그(350)는 선택적으로 자체 팬을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 대체 저항 값은 메인 유닛 내에 위치하고 제거 가능한 플러그를 사용하여 회로로 전환된다.
도 6은 하우징(402)에 도시된 제어 가능한 부하(170)의 다른 예시적인 실시예의 사시도이다. 도 6의 구성에서, 저항성 구성요소는 다수의 저항성 코일(400)을 사용하여 제공된다. 일 예시적인 실시예에서, 이들 저항성 코일은 전기 의류 건조기와 같은 소비자 애플리케이션에 사용되는 코일의 유형일 수 있다. 예를 들어, 이러한 코일 중 하나는 240 볼트에서 약 5.3 KW로 평가된다. 정격 전압을 초과하면 코일이 녹아 개방 회로가 된다는 점에 유의하여야 한다. 또한, 코일들(400)은 유사한 저항을 가지는 것이 바람직하다. 코일(400)은 바람직하게는 고온을 다룰 수 있는 전기 절연체로 만들어진 지지체(404) 상에 올려진다. 열 발산을 돕기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 코일(400)을 가로 질러 공기 흐름이 제공될 수 있다.
도 7은 제어 가능한 부하(100)의 다른 예시적인 실시예의 간략화된 개략도이다. 도 7의 구성에서, 도 6에 도시된 4개의 코일(400)은 직렬/병렬 구성으로 전기적으로 연결된다. 이 구성에서, 스위치 K1, K2, K3 및 K4는 제어 가능한 부하(100)에 의해 제공되는 저항을 제어하기 위하여 제공된다. 이러한 스위치는 릴레이 또는 트랜지스터 스위치를 포함하는 모든 유형의 스위치일 수 있다. 본 발명의 일 구성에서, 스위치는 수동 스위치이다. 스위치 K1 및 K2는 회로의 두 개의 병렬 레그(regs)를 제어하는 반면, 스위치 K3 및 K4는 각 레그의 직렬 저항 양을 제어한다. 이 구성에서, 스위치 K1 및 K2가 모두 닫히고 스위치 K3 및 K4가 열려있는 경우 20 KW의 최대 방전 용량이 제공된다. B+ 및 B- 연결은 축전지에 연결하기 위하여 사용되고, 가용성(fusible) 링크(406)는 안전을 위하여 제공된다. 일 예시적인 구성에서, 단자 B+ 및 B-의 양단 전압이 직류 240 볼트 아래로 떨어지면, 스위치 K3 및/또는 스위치 K4를 닫아 배터리(104)에 적용되는 저항을 줄이고 배터리의 부하를 최적화할 수 있다. 도 8은 이러한 배열의 로딩 성능을 보여주는 그래프이다. 도 8에 도시된 바와 같이. 제어 가능한 부하(100)에 의해 제공되는 저항성 부하가 감소될 때, 예를 들어 스위치 K2를 활성화함으로써 단계 변화가 발생한다.
위에서 언급한 바와 같이, 도 4에 도시된 팬은 코일(400)을 가로 질러 공기 흐름을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 본 발명의 일 구성에서, 모든 팬 제어 회로 및 릴레이는 직류 12 볼트로 작동될 수 있고, 예를 들어 보조 배터리 또는 견인(tow) 트럭과 같은 차량의 "담배 라이터" 출력에 의해 전원을 공급받을 수 있다. 예를 들어 히터 코일 고장과 같은 임의의 전기적 결함이 하우징(402) 외부의 위치로 전도될 수 없도록 부하 코일에 근접하여 이중 절연 기술이 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 선택적인 온도 안전 센서(306)가 사용될 수 있다. 온도 센서(306)는 각각의 히터 코일의 입구 및 출구 모두에 제공될 수 있고 팬 고장 또는 차단된 공기 흐름을 검출하는 데 사용될 수 있다. 이 구성은 코일에 의해 가열되는 공기의 양을 검출하는 데에도 사용할 수 있다. 다른 예시적인 구성에서, 가용성 링크(404)는 과열을 방지하기 위하여 유선 온도 차단 스위치를 제공할 수 있다. 이러한 구성에서 온도 임계 값에 도달하면 스위치가 열리게 된다. 방전 중에 획득된 데이터는 로컬 플래시 드라이브 또는 다른 로컬 저장 장치와 같은 메모리(164)와 같은 메모리에 기록될 수 있다. 다른 구성에서, 기록된(logged) 데이터가 분석을 위하여 클라우드 스토리지와 같은 원격 위치로 전송된다. 이러한 기록은 보증 또는 보험 목적으로 중요할 수 있다.
본 발명의 일 구성에서, 전압 센서(232)는 방전 중인 배터리에서 누설 전류를 검출하기 위하여 사용된다. 이 장치는 또한 배터리 전지 전압과 온도를 감시하여 방전 중에 안전하지 않은 상태가 확실하게 발생하지 않도록 할 수 있다.
입력/출력 회로(190)는 VIN, 소프트웨어 및 하드웨어 버전 번호 등과 같은 정보를 수집하기 위하여, 예를 들어 OBDII 연결을 통해 차량의 데이터버스에 연결하는 데 사용될 수 있다. 장치는 특정 배터리 정보 및 방전 프로토콜을 얻기 위하여 CAN, LIN 또는 기타를 포함하는 적절한 프로토콜을 사용하는 배터리 ECU(Electronic Control Unit)와 통신할 수 있다. 이 장치는 유선 연결이나 블루투스 또는 와이파이와 같은 무선 연결을 사용하여 다른 상점 설비에 종속 장치로 연결할 수 있다. 역 극성(reverse polarity) 보호 및 과전압 보호가 제공될 수 있다. 전위, 온도 및 축 지점을 위한 다른 안전 기술이 장치 작동을 방지하기 위하여 완전히 연동될 수 있다. 본 발명의 일 구성에서, 입력/출력(184)은 배터리 종류 또는 일련 번호 및 차량 식별 번호 등과 같은 특정 정보를 캡처하는 데 사용될 수 있는 바코드 스캐너를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 구성에서, 입력/출력 회로(184)는 배터리 온도를 보고하기 위하여 방전기에 전기적으로 연결될 수 있는 원격 온도 센서를 포함한다. 이는 내부 배터리 온도 센서가 손상되었거나 작동하지 않을 때 유용하다. 다수의 제어 가능한 부하(100)가 병렬로 연결될 수 있도록 장치는 확장 가능하다. 릴레이 접점도 제공될 수 있고, 방전중인 배터리 팩의 다양한 회로를 외부에서 제어할 수 있다. 접속 배선함(152)에 의해 제공되는 것과 같은 추가 전압 검출 연결을 사용하여 배터리 팩 위의 다양한 회로를 감시할 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 구성은 도 2에 도시된 전원(180)과 같은 고전압 DC-DC 변환기를 포함한다. 이러한 구성에서, 배터리 팩에서 출력된 고전압은 장치에 전원을 공급하기 위하여 더 낮은 DC 전압으로 변환될 수 있다.
위에서 기술된 바와 같이, 일부 구성에서 본 발명은 배터리 팩의 동적 매개변수를 측정하도록 배열될 수 있다. 이러한 구성에서, 강제 함수(forcing function)는 배터리 팩에 인가되고 동적 전도도, 저항, 어드미턴스(admittance) 등과 같은 동적 매개변수는 배터리 팩의 양단 전압 및 배터리를 통해 흐르는 전류의 변화에 기반하여 결정될 수 있다. 강제 함수는 AC 신호 또는 과도 신호를 포함하는 시간 가변(time varying) 양태를 갖는 모든 유형의 함수일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 유지 보수 장치는 배터리 팩 내의 개별 전지를 "균형을 맞추도록(balance)" 구성될 수 있다. 균형 맞춤은 유사한 저장 용량과 충전 상태를 갖는 팩 내에서 선택한 전지 또는 개별 배터리에 의해 수행될 수 있다. 장치의 충전 특성을 사용하여 전지 또는 배터리의 충전을 다른 전지 또는 배터리의 충전까지 증가시킬 수 있다. 유사하게, 유지 보수 장치를 사용하여 개별 전지 또는 배터리를 팩 내의 다른 전지 또는 배터리와 유사한 수준으로 방전할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 도 1의 장치는 주변 온도 센서를 포함한다. 마이크로프로세서는 주변 온도 센서로부터의 정보를 사용하여 배터리 팩이 방전되어야 하는 방법을 결정할 수 있다. 예를 들어, 주변 온도가 높으면, 방전율을 줄일 수 있다.
배터리 팩의 방전 동안, 적절한 작동을 보장하기 위하여 방전 프로파일을 감시할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전압이 갑자기 떨어지면, 배터리 내의 구성 요소가 고장 났거나 단락이 발생했음을 나타낼 수 있다.
유지 보수중인 차량 및 배터리 팩의 특정 유형을 근거로 상이한 유형의 접속 배선함 및 연결 케이블을 사용할 수 있다. 마이크로프로세서는 작업자에게 적절한 접속 배선함 또는 케이블을 사용하라는 정보를 제공할 수 있다. 이는 작업자가 마이크로프로세서에 차량 식별 번호(vehicle identification number; VIN)를 입력하거나 배터리 팩과 관련된 식별 번호를 포함하는 다른 식별 정보를 근거로 할 수 있다. 배터리 팩을 방전하는 동안, 마이크로프로세서는 방전 완료까지 남은 시간을 나타내는 정보를 작업자에게 제공할 수도 있다. 마이크로프로세서(160)는 또한 정확한 접속 배선함 및 케이블이 유지 보수 중인 특정 배터리 팩 및 차량을 위한 장치 및 배터리 팩에 연결되었는지 여부를 검출할 수 있다. 잘못된 케이블 또는 접속 배선함이 사용된 경우 작업자에게 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 장치는 차량에서 제거된 배터리 팩뿐만 아니라 팩 내의 개별 배터리 또는 배터리 그룹과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩은 일반적으로 배터리 팩(104)에 연결하기 위하여 차량(102)에 의해 사용되는 배터리 커넥터 어셈블리를 포함한다. 그러나 배터리 팩(104)이 차량(102)에서 제거될 때, 장치(100)는 이 배터리 커넥터에 직접 연결될 수 있고, 이에 의해 배터리 팩을 충전 또는 방전하고, 배터리 팩에 대해 테스트를 수행하고, 센서, 제어기 등을 포함하는 배터리 팩의 장치와 상호 작용한다. 위에서 기술한 바와 같이, 장치(100)는 저전압 접속 배선함(152) 및/또는 고전압 접속 배선함(154)을 차량(102) 및/또는 배터리 팩(104)에 연결하는 데 사용하기 위한 다중 커넥터를 포함할 수 있다. 이는 간단하게 적절한 커넥터를 선택함으로써 장치(100)가 쉽게 수정되어 상이한 유형의 배터리 또는 차량과 상호 작용할 수 있게 한다. 본 발명의 일 구성에서, 커넥터는 장치(100)에 의해 판독될 수 있는 일부 유형의 식별자(identifier)를 포함하고, 이에 의해 마이크로프로세서(160) 및 장치(100)는 정보를 수신하여 사용 중인 커넥터의 종류를 식별할 수 있다. 이는 다양한 커넥터를 통해 이용 가능한 정보 또는 테스트의 종류가 무엇인 지를 마이크로프로세서(100)가 알 수 있게 한다. 다른 예에서, 작업자는 도 2에 도시된 작업자 I/O(182)를 사용하여 사용되는 커넥터(들)의 유형과 관련된 정보를 마이크로프로세서(160)에 입력한다. 다른 예시적인 실시예에서, 마이크로프로세서(160)는 유지 보수가 수행되는 차량 또는 배터리의 종류를 식별하는 정보를 수신할 수 있다. 이 정보는 작업자 I/O(182)를 사용하여 작업자가 입력하거나 차량의 데이터버스와 통신하거나 바코드 또는 다른 유형의 입력을 스캔하는 등의 다른 수단을 통해 입력될 수 있다. 이 정보를 근거로 마이크로프로세서는 저전압 접속 배선함(152) 및/또는 고전압 접속 배선함(154)을 차량 및/또는 배터리 팩에 연결하기 위하여 어떤 유형의 상호 연결 케이블을 사용해야 하는지 작업자에게 알려주는 작업자 I/O(182)를 사용하여 작업자에게 출력을 제공할 수 있다.
작업자 I/O(182)는 키패드 입력 또는 터치 스크린과 함께 디스플레이를 포함할 수 있다. 입력은 다양한 형식, 예를 들어, 작업자가 다양한 선택 및 구성을 선택하는 일련의 메뉴를 통해 이동하는 메뉴 구동 형식을 취할 수 있다. 유사하게, 작업자 I/O(182)는 마이크로프로세서(160)에 의해 사용되어 작업자에게 유지 보수 절차를 안내할 수 있다. 일 구성에서, 메모리(164)는 장비를 사용하는 작업자를 식별하는 사용자 식별을 수신하도록 구성된다. 이는, 예를 들어 작업자 I/O(182)를 통해 입력될 수 있고, 수행되는 유지 보수와 관련된 정보가 특정 작업자를 식별하는 정보와 연관되도록 할 수 있다. 유지 관리 데이터와 관련될 수 있는 추가 정보는 차량 및/또는 배터리에 대해 수행된 테스트, 기록 정보, 유지 관리에 따라 수행된 단계, 날짜 및 시간 정보, 지리적 위치 정보, 온도, 테스트 조건 등을 포함하는 환경 정보가 기타 원하는 정보와 함께 포함한다. 이 정보는 추가 분석을 위하여 다른 장치 또는 위치로의 동시 또는 후속 전송을 위하여 메모리(164)에 저장될 수 있다. 메모리(164)는 또한 프로그램 명령, 배터리 매개변수, 차량 매개변수, 테스트 또는 유지 보수 정보 또는 절차뿐만 아니라 다른 정보를 저장할 수 있다. 이러한 프로그래밍 명령은, 예를 들어 I/O (184) 또는 (186)을 사용하여, USB 플래시 드라이브, SD 카드 또는 기타 메모리 장치를 통해 또는 원하는 경우 일부 다른 수단을 통해 업데이트될 수 있다. 이는, 예를 들어 새로운 유형의 차량 또는 배터리 팩 구성이 출시되거나, 새로운 테스트 또는 유지 보수 절차가 요구되면, 장치(100)가 수정될 수 있게 한다.
배터리 팩(104)은 전기 차량(100)의 중요한 구성 요소이다. 배터리 팩(104)의 작동은 차량의 효율, 차량의 전체 범위, 배터리 팩(104)이 충전될 수 있는 속도 및 배터리 팩(104)이 방전될 수 있는 속도를 결정할 것이다.
도 9는 직렬 및 병렬로 연결된 복수의 개별 배터리(140)를 포함하는 배터리 팩(104)의 예시적인 구성의 간략화된 도면이다. 각각의 개별 배터리(140)는 단일 전지를 포함할 수 있거나 직렬 및/또는 병렬로 연결된 다수의 전지를 포함할 수 있다. 배터리(140)는 단일 전지 또는 전지 그룹으로 형성된 제거 가능한 배터리 모듈 일 수 있다. 배터리(140)가 전지 그룹을 포함하면, 일부 구성에서 각 배터리(140) 내에서 개별 연결이 이용 가능하고 본 발명의 실시예에 따라 사용될 수 있다.
차량(102)(도 1)의 수명 동안, 배터리 팩(104)은 시간과 사용에 따라 열화될 것이다. 이러한 열화는 점진적일 수 있고, 또는 센서(122)와 같은 팩(104) 내의 구성 요소의 고장에 기반하여 빠르게 발생할 수 있다. 그러한 고장이 발생하거나 팩(104)이 충분히 열화되면, 전체 배터리 팩(104)은 일반적으로 교체된다. 배터리 팩(104)은 전기 차량(102)의 주요 구성 요소 중 하나이고 그 교체는 매우 비쌀 수 있다. 본 발명의 일부 실시예는 배터리 팩(104)에 대한 유지 보수를 수행하는 것에 관한 것이다. 유지 보수는 배터리 팩이 고장이 난 후 또는 배터리 팩의 고장 이전에 수행될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 실시예는 배터리 팩(104)의 고장, 열화 또는 임박한 고장이 팩(104) 내의 하나 이상의 개별 배터리(140)의 고장 또는 열화로 인한 것일 수 있다는 인식에 관한 것이다. 그러한 경우에, 배터리 팩(104)은 개조되거나 그렇지 않으면 고장났거나, 고장이 진행 중이거나 열화된 배터리(140)를 식별하고 이들을 작동 가능한 배터리(140)로 교체함으로써 수리될 수 있다. 또 다른 양태에서, 본 발명은 배터리 팩(104) 내 결함이 있는 배터리(140)의 간단한 교체가 수리되거나 개조된 배터리 팩(104)을 위한 최적의 구성을 제공하지 않을 수 있다는 인식을 포함한다. 보다 구체적으로, 배터리 팩(102) 내의 "불량(bad)" 배터리(140)를 교체하기 위하여 사용되는 "새(new)" 배터리(140)는 팩(140) 내의 다른 배터리에 대해 균형을 이루지 않는 배터리를 초래할 것이다. 이러한 불균형 배터리(140)는 배터리 팩(104)의 추가 열화를 야기할 수 있다. 또 다른 양태에서, 센서(122)(도 1 참조)에 의해 얻어진 측정치가 검색될 수 있고 유지 보수 장치(100)에 의해 획득된 개별 배터리 또는 전지(140)의 측정치와 비교될 수 있다. 센서(122) 또는 제어기(120)가 고장 나거나 부정확한 측정치 또는 출력을 제공한다는 정보는 배터리 팩(104)을 수리하는데 사용될 수 있다.
차량(102)의 센서(122) 및/또는 유지 보수 장치(100)를 사용하여 팩(104) 내의 배터리(140)의 열화 또는 오작동을 주기적으로 테스트할 수 있다. 이러한 초기 테스트는 센서(122)(도 1 참조)를 사용하여 측정되거나 검출된 각 배터리(140)의 하나 이상의 매개변수와 관련될 수 있다. 이러한 매개변수의 예로는 정적 함수를 사용하여 배터리의 정적 특성을 측정하는 정적 매개변수와 동적 함수를 사용하여 배터리의 특성을 측정하는 동적 매개변수가 있다. 예시적인 매개변수에는 컨덕턴스 저항, 어드미턴스, 임피던스 등과 같은 동적 매개변수와 정적 등가 변수(equivalents)가 포함된다. 부하 테스트-기반(load testing-based) 매개변수도 사용할 수 있다. 다른 예시적인 매개변수로는 배터리 용량, 배터리 충전 상태, 배터리 전압 등이 있다.
배터리 팩(104)에 대한 테스트는 배터리 팩(104)의 제어기(120) 또는 차량(102)의 제어기(108)에 의해 시작될 수 있다. 또한, 유지 보수 장치(100)는, 예를 들어, 저전압 접속 배선함(152) 및 데이터버스(110)(도 1)와 같은 적절한 통신 인터페이스를 통해 배터리 팩(104)에 대한 테스트를 시작할 수 있다. 데이터버스(110) 또는 다른 적절한 데이터 통신 링크를 통해 적절한 스캔 도구, 유지 보수 장치(예를 들어, 장치(100)) 또는 다른 배터리 유지 보수 또는 테스트 장치에 결과가 전달될 수 있다. 따라서, 일 예에서, 유지 보수 장치(100)는 도 1에 도시된 저전압 접속 배선함(152)을 통해 차량(102)으로부터 배터리 테스트 결과를 수신할 수 있다.
센서(122)를 사용한 초기 배터리 테스트가 팩(104)의 하나 이상의 배터리 또는 배터리 모듈(140)의 열화 또는 오작동을 나타내면, 식별된 문제가 있는 배터리 모듈(140)을 수리하거나 문제 있는 배터리 모듈(140)을 팩(104) 내의 다른 배터리 모듈(140)과 일치하는 충전 상태를 갖는 배터리 모듈(140)로 교체함으로써 배터리 팩(104)을 수리하거나 개조할 수 있다.
배터리 모듈(140)을 새로운 배터리 모듈로 교체하는 것은 매우 시간 소모적인 프로세스이며, 예를 들어 냉각 라인과 같은 배터리 팩(104)의 보조 구성 요소를 제거하는 것을 종종 필요하게 만든다. 본 발명의 실시예는 배터리 모듈(140)의 불필요한 교체를 피하기 위한 검증 단계를 포함한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 배터리 팩(104)을 수리하는 방법의 흐름도이다. 이들 단계는, 예를 들어 메모리(164)에 저장된 명령에 따라 마이크로프로세서(160)를 사용하여 수행될 수 있다. 단계 500에서, 배터리 팩(104)에 대한 정보는 적절한 스캔 도구 또는 유지 보수 장치를 통해 획득된다. 정보는 배터리 팩(104) 내의 센서(122)로부터 유래될 수 있다. 위에서 기술된 바와 같이, 이 정보는 데이터버스(110) 또는 다른 통신 인터페이스와 같은 적절한 통신 인터페이스를 통해 차량의 제어기(108)로부터 수신될 수 있다. 정보는 센서(122)를 사용하여 측정 또는 검출된 배터리 매개변수, 배터리 테스트 결과 및/또는 배터리 팩(104) 및/또는 배터리 팩(104) 내의 개별 배터리 모듈(140)의 상태와 관련된 기타 정보를 포함할 수 있다.
단계 500에서 수신된 정보가 하나 이상의 배터리 모듈(140)이 오작동하거나 열화되었음을 나타내면, 정보는 단계 502에서 검증되고, 문제가 있는 것으로 확인되었던 하나 이상의 배터리 모듈(140)에 대해 검증 테스트가 수행된다. 여기서, 유지 보수 장치(100) 또는 다른 배터리 테스트 또는 충전 장치는 고전압 접속 배선함(154)(도 1) 또는 다른 적절한 연결을 통해 오작동하는 배터리 모듈(140)에 연결된다.
오작동하는 배터리 모듈(140)에 대해 수행되는 검증 테스트는 단계 500에서 오작동하는 배터리 모듈(140)과 관련된 정보와 비교할 수 있는 검증 정보를 생성한다. 일부 실시예에서, 검증 테스트는 유지 보수 장치(100)에 의해 수행되거나 적절한 커넥터를 사용하여 배터리 팩(104) 또는 배터리 모듈(140)의 전지 노드(nodes)와 같이 식별된 오작동 배터리 모듈(140)에 연결되는 다른 적절한 배터리 테스터 또는 충전기에 의해 수행된다.
방법의 단계 504에서, 단계 500에서의 검증 테스트의 결과를 수신된 정보와 비교한다. 검증 테스트 결과가 단계 500에서 수신된 정보와 일치하거나 실질적으로 일치하면(예를 들어, 10% 이내), 식별된 배터리 모듈(140)은 단계 506에 표시된 바와 같이 오작동 또는 열화로 확인된다. 특정 허용 범위는 사용자가 선택 가능하고 그리고/또는 메모리(164)에 저장될 수 있다. 그런 다음, 방법은 단계 508로 계속되는 데, 여기서 오작동 모듈은 여기에 설명된 기술 및/또는 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함되는 미국 공개 제2019/0204392호에 설명된 기술에 따라 수리 또는 교체된다. 따라서, 방법은, 예를 들어 교체를 위하여 오작동하는 배터리 모듈(140)을 제거하는 데 필요한 단계를 진행할 수 있다.
검증 정보가 단계 500에서 수신된 정보와 일치하지 않거나 실질적으로 일치하지 않으면(예를 들어, 10% 이내), 단계 510에 표시된 바와 같이, 단계 500에서 수신된 정보를 유도 및/또는 전송 시에 오류가 발생한 것으로 결정된다. 즉, 배터리 팩(104)의 초기 테스트와 관련된 정보를 생성하고 전달하는 체인에서 스캔 도구, 통신 인터페이스 또는 기타 링크에 결함이 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 방법은 배터리 모듈(140)이 수리 또는 교체가 필요한지를 결정하기 위하여 검증 테스트를 사용한다. 일부 실시예에서, 배터리 모듈(140)에 대한 추가 테스트가 수행될 수 있다. 이러한 검증은 배터리 팩(104)에서 결함이 있는 센서(122)를 식별하는 데 사용될 수 있다. 이러한 식별 시, 방법이 점검 단계로 되돌아갈 수 있도록 결함이 있는 센서(122)를 교체하여 팩(104)을 수리할 수 있다. 다른 예시적인 구성에서, 검증 정보는 잘못된 판독을 제공한 센서(122)를 교정하기 위하여 사용된다. 예를 들어, 센서 오프셋 또는 배터리 팩(104)의 제어기(120)의 메모리에 있는 다른 교정 정보. 이어서, 이 정보는 고장이 난 센서(122)에 의해 제공된 잘못된 측정치를 교정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 교정 정보는, 예를 들어 저전압 I/O(190)를 사용하여 배터리(104)에 전달될 수 있다. 다른 예에서, 제어기(120)는 고장이 난 센서(122)로부터의 오류를 보상하도록 프로그래밍 될 수 있다. 보상 값 또는 방정식은 제어기의 메모리에 저장될 수 있고 센서 측정 오류를 수정하는 데 사용될 수 있다. 보상 값 또는 방정식은 센서를 교체할 수 있을 때까지 임시 수리를 제공하는 데 사용할 수 있다. 다른 예에서, 제어기(120)는 특정 센서(122)에 대해 허용 가능한 범위에 있는 고정된 센서 출력을 제공하도록 프로그래밍 될 수 있다. 이는 고장이 난 센서(122)가 교체될 수 있을 때까지 차량이 비상 상황에서 계속 작동할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 바와 같이, 배터리 유지 보수 장치(140) 및 접속 배선함(152 및 154)을 통한 그의 다양한 연결은 유지 보수 장치를 제공하고 통신 회로, 측정 회로, 제어기 및 출력 회로를 포함한다. 검증은, 예를 들어 고전압 접속 배선함(154)을 사용하여 획득된 측정치와 함께 예를 들어 접속 배선함(152) 또는 I/O 회로(162)를 통해 수신된 정보에 기반하여 마이크로프로세서(160)를 사용하여 수행될 수 있다(개별 전지 또는 배터리, 또는 적은 수의 전지 또는 배터리를 테스트할 때, 고전압 접속 배선함(154)은 반드시 고전압원으로 간주되는 전압원에 연결되지 않을 것이라는 점에 주의하여야 한다). 마이크로프로세서(160)는, 예를 들어 I/O 회로(162) 및/또는 저전압 접속 배선함(152)에 비교 출력을 제공한다.
초기에 문제가 있는 것으로 확인된 배터리 모듈(140)이 수리나 교체를 필요로 하지 않으면, 초기에 오작동으로 확인된 배터리 모듈(140)을 제거 및 교체 또는 수리하는 과정을 피할 수 있다. 따라서 수리 또는 교체에 소요되는 시간과 비용을 피할 수 있다.
적용 가능한 경우, 방법은 단계 500에서 수신된 정보에 의해 오작동으로 식별된 다음 배터리 모듈(140)이 선택되는 단계 512로 이동할 수 있고, 선택된 배터리 모듈(140)에 대해 검증 테스트가 수행된다(단계 502).
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항이 변경될 수 있음을 인식할 것이다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 유지 보수 장치(150)는 자동차의 배터리 팩(104)에 대한 유지 보수를 수행하도록 구성되고, 자동차는, 차량(102)의 배터리 팩(104)이 차량(102)의 모터(106)에 동력을 제공하는 전기 차량 또는 하이브리드 차량일 수 있다. 유지 보수 장치(100)는 제어기(120) 및/또는 센서(122) 또는 배터리 팩(104)과 통신하도록 구성된 I/O 회로(190)와 같은 통신 회로를 포함한다. 구성요소(170)는 배터리 팩(104)의 개별 배터리/전지의 측정을 비롯하여 배터리 팩(104)에 대한 측정을 수행하도록 구성된 측정 회로를 제공한다. 이러한 측정은 부하 테스트, 전압 측정, 전류 측정, 정적 매개변수 측정 및/또는 동적 매개변수 측정을 포함한 적절한 기술과 일치할 수 있다. 동적 매개변수 측정은, 강제 함수가 배터리/전지에 인가되고 결과적인 매개변수가 측정되는 적절한 기술을 사용하여 얻어질 수 있고, 예를 들어 인덕턴스, 컨덕턴스, 저항, 임피던스 등을 포함한다. 강제 함수는 과도현상(transient)을 포함하는 시간 가변 요소를 갖는 배터리에 적용되는 입력 또는 출력이다. 마이크로프로세서(160)는 I/O 회로(190)에 의해 검색된 정보를 측정 회로(170)를 사용하여 획득된 측정 정보와 비교함으로써 센서(122)의 작동을 검증하도록 구성된 제어기로서 작동하고, 예를 들어 I/O 회로(182, 184 또는 186)에 비교 출력을 책임감 있게 제공한다. I/O 회로(182, 184 또는 186)는 마이크로프로세서(160)로부터의 비교 출력에 기반하여 배터리 팩(104)의 고장 센서(122)를 나타내는 출력을 제공한다.

Claims (22)

  1. 배터리 팩 내의 센서를 사용하여 얻어진 배터리 팩의 배터리들/전지들의 상태와 관련된 정보를 검색하도록 구성된 통신 회로;
    상기 배터리 팩의 배터리들/전지들에 연결되어 배터리 팩의 배터리들/전지들의 측정된 상태와 관련된 측정 정보를 얻도록 구성된 측정 회로;
    상기 검색된 정보를 측정 정보와 비교하여 배터리 팩 내의 센서들의 작동을 검증하고 비교 출력을 제공하도록 구성된 제어기; 및
    상기 비교 출력에 근거하여 배터리 팩 내의 고장이 난 센서를 표시하는 출력을 제공하도록 구성된 출력 회로를 포함하는,
    배터리 팩에 의하여 동력이 공급되는 자동차의 배터리 팩에 대한 유지 보수를 수행하는 배터리 유지 보수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측정 회로는 켈빈 연결을 사용하여 배터리 팩 내의 배터리/전지들에 연결되는, 배터리 유지 보수 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 측정 회로는 배터리 팩의 배터리/전지들에 강제 함수를 인가하여 응답을 측정하는, 배터리 유지 보수 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 측정 회로는 배터리 팩의 배터리/전지들에 저항성 부하를 인가하는, 배터리 유지 보수 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배터리 팩의 배터리/전지들의 측정된 상태는 전압을 포함하는, 배터리 유지 보수 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배터리 팩의 배터리/전지들의 측정된 상태는 동적 매개변수를 포함하는, 배터리 유지 보수 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어기로부터의 비교 출력은 검색된 정보와 측정치가 허용 가능한 범위 내에 있음을 나타내는, 배터리 유지 보수 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 허용 가능한 범위는 메모리에 저장되는, 배터리 유지 보수 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 출력은 작업자에게 제공되는, 배터리 유지 보수 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 출력은 상기 배터리 팩에 제공되는, 배터리 유지 보수 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 출력은 배터리 팩의 센서를 교정하기 위하여 사용되는, 배터리 유지 보수 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 출력은 배터리 팩의 제어기를 프로그램하기 위하여 사용되는, 배터리 유지 보수 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 출력은 원격 위치에 제공되는, 배터리 유지 보수 장치.
  14. 배터리 팩 내의 센서들을 사용하여 얻어진 배터리 팩의 배터리들/전지들의 상태와 관련된 정보를 검색하는 단계;
    측정 회로를 사용하여 배터리 팩의 배터리/전지들의 상태를 측정하고 측정 정보 출력을 제공하는 단계;
    상기 검색된 정보를 측정 정보와 비교하여 배터리 팩 내의 센서의 작동을 검증하고 비교 출력을 제공하는 단계; 및
    상기 비교 출력에 근거하여 배터리 팩 내의 고장이 난 센서에 관련된 정보를 출력하는 단계를 포함하는, 배터리 팩 또는 배터리 팩의 모듈을 수리하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 측정 회로는 켈빈 연결을 사용하여 배터리 팩 내의 배터리/전지들에 연결되는, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 측정 단계는 배터리 팩의 배터리/전지들에 강제 함수를 인가하여 응답을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 측정 단계는 배터리 팩의 배터리/전지들에 저항성 부하를 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 배터리 팩의 배터리/전지들의 측정된 상태는 전압을 포함하는, 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 배터리 팩의 배터리/전지들의 측정된 상태는 동적 매개변수를 포함하는, 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 비교 출력은 검색된 정보와 측정치가 허용 가능한 범위 내에 있음을 나타내는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 허용 가능한 범위는 메모리에 저장되는, 방법.
  22. 제14항에 있어서, 상기 비교를 근거로 배터리 팩 내의 센서를 교정하는 단계를 포함하는, 방법.
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