KR20220042214A - 에너지 전달 시스템 - Google Patents

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KR20220042214A
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storage system
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impedance network
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KR1020227007237A
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로버트 엘. 마이어스
알렉세이 틱혼스키
제임스 피. 노박
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라이테크 래보러토리즈 엘엘씨
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Abstract

에너지 전달 시스템은 상이한 화학적 조성들 또는 물리적 구성의 다수의 에너지 저장 소스들/시스템들을, 각각의 시스템의 상이한 성능 특성들의 함수로써 시스템으로부터 에너지를 출력하도록 구성되는 공통 제어 시스템과 조합하고, 이에 따라, 조합된 시스템의 다양한 동작 특성들을 최적화할 수 있다. 제어 시스템은 각각의 에너지 저장 시스템의 사이클 수명, 방전의 심도, 온도, 전달된 전력, 및/또는 지각된 안전성을 최적화하는 것과 같이, 각각의 에너지 저장 시스템의 상대적 출력 전류 또는 방전 레이트를 조절하기 위하여 각각의 에너지 저장 시스템을 위한 별도의 가변 임피던스 네트워크를 사용하도록 구성된다.

Description

에너지 전달 시스템
이 출원은 2017년 12월 22일자로 출원된 국제 출원 제PCT/US2017/068301호의 국내 단계 출원인, 2020년 4월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제16/760,762호의 일부계속 출원(continuation-in-part application)이고, 이 출원들은 둘 모두, 이로써, 인용에 의해 본원에 포함된다. 이 출원은 또한, 2019년 8월 5일자로 출원된 미국 특허 가출원 일련번호 제62/882,817호를 우선권으로 주장하고, 이 가출원은, 이로써, 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로, 전자 디바이스들을 위한 에너지 소스(energy source)들에 관한 것으로, 특히, 에너지 저장 시스템 또는 소스로부터 에너지를 전달하기 위한 시스템에 관한 것이다.
이 섹션은 본 개시내용의 예시적인 실시예들과 연관될 수 있는 본 기술분야의 다양한 양태들을 도입하도록 의도된다. 이 논의는 본 개시내용의 특정한 양태들의 더 양호한 이해를 용이하게 하기 위하여 프레임워크를 제공하는 것을 보조하는 것으로 여겨진다. 따라서, 이 섹션은 반드시 종래 기술의 인정들로서가 아니라, 이러한 관점에서 판독되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.
그 어느 때보다도 더, 기술적인 편리성들을 가능하게 하기 위한 전기적 전력을 제공할 수 있는 에너지 디바이스들에 대한 의존성이 있다. 주로, 전기적 전력은 연속적으로 동작하는 네트워크 그리드(network grid)로부터 나온다. 그러나, 전력 그리드가 이용불가능한 원격 위치들 또는 중단들로 인해 전기적 전력이 비-그리드 소스(non-grid source)들로부터 공급되기 위한 필요성이 있다. 에너지는, 화학적 에너지 저장(chemical energy storage), 위치 에너지 저장(potential energy storage), 또는 운동 에너지 저장(kinetic energy storage)을 포함하는 이러한 소스들을 이용하여 비-그리드 디바이스들 및 시스템들로부터 추출될 수 있고, 기존 전기 그리드 프레임워크와 호환가능하고 전기 작업을 완료하도록 전달되거나 변환될 수 있다. 화학적 에너지 저장 시스템들의 예들은 리튬 배터리(lithium battery)들, 니켈 배터리(nickel battery)들, 플로우 셀 배터리(flow cell battery)들, 및 납산 배터리(lead acid battery)들을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 위치 에너지 저장 시스템들의 예들은 리튬 커패시터(lithium capacitor)들, 슈퍼커패시터(supercapacitor)들, 및 전기 이중층 커패시터(Electric Double-Layer Capacitor)("ELDC")들과 같은 파라메트릭 디바이스(parametric device)들을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 운동 에너지 저장 시스템들의 예들은 기계적-전기적 변환 프로세스를 통해 결합되는 플라이휠(flywheel)들 및 다른 기계적 디바이스들과 같은 회전 질량 시스템(rotating mass system)들을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 이 개시내용의 전반에 걸쳐, 이 용어들은 전압을 인가하고, 전류를 공급하고, 및/또는 작업을 행하기 위하여 전기적 에너지를 각각 전달할 수 있는 에너지 전달 디바이스들과 관련하여 상호 교환가능하게 이용될 수 있다.
배터리, 커패시터, 또는 다른 에너지 저장 시스템의 성능 특성들은 일반적으로, 디바이스의 구성 및 전기화학적 저장 디바이스들의 경우에는 그 화학적 조성들에 의해 결정된다. 이러한 특성들은 용량계측 에너지 밀도(단위 용량 당 와트-시(Watt-hour)), 중량계측 에너지 밀도(단위 질량 당 와트-시), 전력 밀도(즉, 에너지가 디바이스로부터 추출될 수 있는 레이트), 충전/방전 사이클 수명, 동작 온도 범위, 전극 전압(들), 및 노후화에 대한 전체적인 안정성을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 또한, 배터리들의 경우에, 일부 화학적 조성들은 결함 조건들 동안에 더 안정적이고, 그러므로, 열적 폭주(thermal runaway)에 대해 더 저항력이 있고, 따라서, 다른 화학적 제제(chemical formulation)들보다 "더 안전한" 것으로 고려되는 배터리를 산출한다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리(lithium ion battery)들은 가장 보편적으로 이용된 전기화학적 에너지 저장 디바이스들 중에 하나다. 추가적으로, 어떤 원재료들에 대한 변동하는 시장 가격들로 인해, 저장된 에너지의 와트-시 당 단위 가격에 대해 검토될 때에 상이한 조성들의 배터리 셀들 사이에는 상당한 가격 차이들이 있을 수 있다.
배터리 셀들(또한, 본 명세서에서 "에너지 셀들"로서 지칭됨)은 전형적으로, 배터리 셀 스택(battery cell stack)(또한, 본 명세서에서 "셀 스택(cell stack)" 또는 "배터리 스택(battery stack)"으로서 지칭됨)을 형성하기 위하여 직렬 및/또는 병렬 조합들로 결합되고, 적절한 제어 시스템과 조합될 때, 최신 배터리-기반 에너지 저장/전달 시스템들의 기초를 형성한다. 그러나, 아직 제공되지 않았고, 따라서, 서로 상이한(예컨대, 하나 초과의 화학적 조성에 기초한 배터리 셀들을 포함하는) 다수의 에너지 저장 소스들 또는 시스템들을 안전하게 조합할 수 있는 에너지 전달 시스템에 대한 필요성이 있다. 이러한 에너지 저장/전달 시스템은 전기적 성능 장점들 뿐만 아니라, 비용 안전성, 및/또는 수명 장점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 상이한 화학적 조성들의 셀들을 조심스럽게 조합함으로써, 에너지 저장 시스템은 가격, 안전성, 및/또는 확장된 달력 및 사이클 수명을 위하여 화학적으로 최적화된 셀들로 구성될 수 있고, 또 다른 에너지 저장 시스템은 일부 상이하지만, 이와 다르게 중요한 파라미터를 위하여 최적화된 셀들로 구성될 수 있다.
도 1은 배터리 셀을 위한 모델의 개략도를 예시한다.
도 2는 예시적인 배터리 셀을 위한 충전의 상태의 함수로써의 직류 전류 내부 저항(direct current internal resistance)("DCIR") 및 개방 회로 전압의 도표들을 예시한다.
도 3은 직류 전류 부하설정 조건들 하의 배터리 셀을 위한 모델의 개략도를 예시한다.
도 4는 특성 전압 대 충전 상태 곡선들의 집단의 그래프를 예시하고, 각각의 곡선은 예시적인 단일 배터리 셀을 위한 배터리 전류의 상이한 레벨을 표현한다.
도 5는 직렬로 결합된 다수의 배터리 셀들을 위한 모델의 개략도를 예시한다.
도 6은 직렬로 결합된 다수의 배터리 셀들을 위한 단순화된 모델의 개략도를 예시한다.
도 7은 특성 전압 대 충전 상태 곡선들의 집단의 그래프를 예시하고, 각각은 예시적인 배터리 셀 스택을 위한 상이한 셀 스택 전류 레벨에서 취해진다.
도 8은 가변 임피던스 네트워크와 결합된 배터리 셀 스택을 위한 모델의 개략도를 예시한다.
도 9는 가변 임피던스 네트워크가 직렬로 결합된 복수의 스위칭가능한 다이오드들을 포함하는 회로 블록도를 예시한다.
도 10은 직렬로 결합된 복수의 스위칭가능한 다이오드들을 도입한 결과로서, 예시적인 배터리 셀 스택을 위한 특성 전압 대 충전 상태 곡선들의 집단에 대한 효과의 예를 입증하는 그래프를 예시한다.
도 11은 가변 임피던스 네트워크가 병렬로 결합된 복수의 스위칭가능한 저항성 엘리먼트(resistive element)들을 포함하는 회로 블록도를 예시한다.
도 12는 저항성 엘리먼트를 도입한 결과로서, 예시적인 배터리 셀 스택을 위한 특성 전압 대 충전 상태 곡선들의 집단에 대한 효과의 예를 입증하는 그래프를 예시한다.
도 13은 에너지 전달 시스템의 블록도를 예시한다.
도 14는 본 개시내용의 실시예들에 따라 구성된 에너지 전달 시스템의 블록도를 예시한다.
도 15는 도 14의 에너지 전달 시스템을 위한 모델의 개략도를 예시한다.
도 16은 복수의 스위칭가능한 다이오드들이 가변 임피던스 네트워크들 내에서 직렬로 결합되는 도 14의 에너지 전달 시스템의 모델의 개략도를 예시한다.
도 17은 본 개시내용의 실시예들에 따라 구성된 플로우차트 도면을 예시한다.
도 18은 본 개시내용의 실시예들에 따라 구성된 에너지 전달 시스템의 블록도를 예시한다.
도 19는 본 개시내용의 실시예들에 따라 구성된 에너지 전달 시스템의 블록도를 예시한다.
도 20은 상이한 화학적 조성들을 가지는 2 개의 배터리 셀 스택들의 예시적인 방전들 동안의 특성 전압 대 충전 상태 곡선들의 집단의 그래프를 예시한다.
도 21은 2 개의 상이한 배터리 셀 스택들의 방전들의 도표들을 예시한다.
도 22는 본 개시내용의 실시예들에 따라 구성된 에너지 전달 시스템의 블록도를 예시한다.
도 23은 상이한 화학적 조성들을 가지는 2 개의 상이한 배터리 셀 스택들을 위한 특성 전압 대 충전 상태의 그래프를 예시한다.
도 24는 2 개의 상이한 배터리 셀 스택들의 방전들의 도표들을 예시한다.
본 명세서에서 설명된 특정한 실시예들은 발명의 실시예들의 제한들로서 아니라 예시로서 도시된다는 것이 이해될 것이다. 이 발명의 주요한 특징들은 발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서 다양한 실시예들에서 채용될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 다른 유형들의 에너지 저장 및 기계적 디바이스들과 비교하여 그 개선된 에너지 밀도 및 더 높은 전개된 애플리케이션 및 사용으로 인해 전기화학적 저장 시스템들(예컨대, 배터리 기술들)에 대하여 설명된다. 그러나, 본 개시내용의 실시예들은 에너지 저장 시스템들을 위한 배터리 셀들의 사용으로 제한되지는 않고; 본 명세서에서 설명된 본 개시내용의 다양한 실시예들은, 본 명세서에서 개시된 것들과 같은 위치 에너지 및 운동 에너지 저장 시스템들을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는 임의의 유형의 에너지 저장 시스템의 사용에 적용가능하다.
본 개시내용의 실시예들은, 상이한 화학적 조성들 또는 물리적 구성의 다수의 에너지 저장 소스들/시스템들을, 각각의 시스템의 상이한 성능 특성들의 함수로써 시스템으로부터 에너지를 전달하도록 구성되는 공통 제어 시스템과 조합하고, 그러므로, 조합된 시스템의 다양한 동작 특성들을 최적화할 수 있는 에너지 전달 시스템을 제공한다. 본 개시내용의 어떤 실시예들에 따르면, 병렬로 결합되고 공통 부하에 결합되는 2 개 또는 그 초과의 배터리 또는 다른 에너지 저장 시스템들을 조합하는 에너지 전달 시스템이 제공된다. 결합된 에너지 저장 시스템들의 각각은 뚜렷하게 상이한 화학적 조성들, 구성들, 또는 동작 방법들의 배터리 셀들을 포함한다. 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 제어 시스템은 각각의 에너지 저장 시스템의 사이클 수명, 방전의 심도(depth of discharge), 온도, 전달된 전력, 및/또는 지각된 안전성을 최적화하는 것과 같이, 각각의 에너지 저장 시스템의 상대적 출력 전류 또는 방전 레이트를 조절하기 위하여 각각의 에너지 저장 시스템을 위한 별도의 가변 임피던스 네트워크를 사용하도록 구성된다. 예를 들어, 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 에너지 전달 시스템은 각각이 상이한 배터리 화학적 조성들을 갖는 2 개 또는 그 초과의 배터리 셀 스택들을 포함할 수 있다. 이러한 멀티-화학물질 시스템(multi-chemistry system)은 에너지 전달 시스템을 제공하기 위한 공통 제어 시스템의 제어 하에서 2 개 이상의 배터리 스택들을 형성하기 위하여 직렬/병렬 접속된 셀들의 2 개 또는 그 초과의 개별적인 그룹들을 포함할 수 있다. 이러한 비-제한적인 예에서, 각각의 배터리 스택은 이 배터리 스택 내의 셀들의 화학적 조성들에 의해 결정된 고유하고 상이한 성능 특성들을 가질 수 있다. 2 개 또는 그 초과의 별도의 배터리 스택들은 출력 전력을 결합된 부하에 전달할 배터리 시스템을 생성하기 위하여 병렬로 결합될 수 있다. 본 개시내용의 어떤 실시예들에 따르면, 각각의 배터리 스택의 직렬 셀 카운트는 각각의 스택의 총 스택 전압들이 최적으로 정합하도록 미리 결정될 수 있다. 본 개시내용의 어떤 실시예들에 따르면, 각각의 배터리 스택의 병렬 셀 카운트는 최종 이용 애플리케이션에 의해 요구된 바와 같은 각각의 배터리 스택의 와트-시에서의 용량을 최적화하도록 미리 결정될 수 있다.
리튬 이온 배터리 셀들은 일반적으로, 에너지 능력 또는 전력 능력에 관련된 2 개의 클래스(class)들로 분할될 수 있다. 리튬 이온 "에너지 셀들"은 최대화된 용량계측 또는 중량계측 에너지 밀도를 가지는 것으로서 설명되고, 리튬 이온 저장을 최대화하는 내부 화학적 조성을 가지지만, 3C(여기서, "C"는 배터리 용량을 지칭함) 초과의 높은 전류들을 전달하기 위한 그 능력을 제한하는 높은 내부 임피던스를 가진다. 이러한 에너지 셀들은 에너지가 시간들 또는 일자(day)들의 주기에 걸쳐 느리게 추출되는 노트북 컴퓨터들 및 셀 전화들과 같은 애플리케이션들에서 사용된다. 리튬 이온 "전력 셀들"은 최대화된 전류 전달 능력을 가지는 것으로서 설명되고, 리튬 이온들의 비지연된 질량 수송을 허용하고, 따라서, 그 차단 제한들로의 셀 단자 전압의 감소 없이 매우 높은 펄스 또는 연속적인 전류들이 전달되는 것을 허용하기 위하여 내부 임피던스를 최소화하는 내부 화학적 조성을 가진다. 전력 셀들은 8C 초과 및 50C에 이르는 방전 레이트를 가질 수 있다. 전력 셀들은 전형적으로, 에너지 셀들과 비교하여 더 두꺼운 전류 수집기(current collector)들을 가진다. 이 내부 구성 및 화학적 차이들은 에너지 셀들과 비교하여 더 낮은 에너지 저장 용량 및 사이클 수명 능력으로 귀착된다. 전력 셀들은 전형적으로, 높은 양들의 에너지가 짧은 시간 주기에 걸쳐 전달되어야 하고 저장된 에너지의 전부는 1 시간 이하와 같은 방전 시간들에 걸쳐 추출되는 코드리스 드릴(cordless drill)들 및 다른 공구들과 같은 애플리케이션들에서 이용된다. 각각의 셀 분류(전력 또는 에너지) 내에서는, 변동되는 에너지 밀도들 및 변동되는 내부 저항 값들을 갖는 광범위한 셀 부품 번호들이 있을 수 있다.
리튬 이온 배터리들은 광범위한 화학적 조성들 및 구성 기법들로 이용가능하고, 각각은 다음의 표에서 열거된 바와 같은 사이클 수명, 비용, 안전성, 및 에너지 밀도에 관련된 성능에서의 특정적인 상대적 장점들 및 단점들을 갖는다:
Figure pct00001
열거된 배터리 유형들의 각각은 다른 것들과는 실질적으로 상이한 화학적 조성을 가지는 것으로 말할 수 있다. 설계자가 5000 개의 충전 및 방전 사이클들의 요구된 사이클 수명을 갖는 에너지 저장 시스템을 설계하도록 태스크를 부여받았을 경우에, 리튬 인산철(lithium iron phosphate)("LFP") 또는 리튬 산화티타늄(lithium titanium oxide)("LTO")은 더 적절한 선택들일 것인 반면, 그 상대적으로 더 짧은 사이클 수명으로 인해, 리튬 니켈 망간 코발트(lithium nickel manganese cobalt)("NMC")는 그렇지 않을 것이라는 것이 표로부터 명백하다. 또한, LFP 및 LTO는 이용가능한 2 개의 가장 높은 비용 선택들이므로, 이러한 시스템의 상대적 비용은 더 높을 것이라는 것이 명백하다. 그리고, 이 2 개의 셀 유형들의 에너지 밀도들은 상대적으로 낮기 때문에, 더 많은 셀들이 와트-시인 임의의 주어진 시스템 용량을 달성하도록 요구될 것이다.
다양한 에너지 저장 소스들/시스템들의 상이한 상대적 특성들에 대한 상기한 예시적인 정보를 취하면, 가능한 에너지 저장 성능 요건들의 큰 서브세트(subset)에 대하여, 시스템의 적어도 일부 특성들이 단일 화학물질의 셀들만을 이용하여 달성가능한 것에 비해 증대되도록, 단일 에너지 전달 시스템으로 구성될 수 있는 2 개 또는 그 초과의 셀 화학물질들의 조합이 존재한다.
본 개시내용의 실시예들의 장점들을 입증하기 위하여, 예시적인 에너지 전달 시스템은, LFP 셀들을 포함하는 제1 배터리 스택, 및 LFP의 상대적으로 더 긴 수명 및 증대된 안전성 특성들을 활용하도록 구성되지만, NMC의 감소된 상대적 비용 및 더 높은 에너지 밀도 특성들로 인해 더 낮은 비용점 및 더 작은 크기인, 대략 60% LFP 및 40% NMC의 와트-시 용량 비율로 조합된 NMC 셀들을 포함하는 제2 배터리 스택의 에너지 저장 시스템을 포함하는 것으로 지금부터 설명될 것이다. 본 개시내용의 예시적인 실시예들에 따르면, 시스템 성능 및 특성들은 이용된 셀 화학물질들 및 셀 유형들 및 이들이 조합되는 비율들을 조절함으로써 추가로 구성가능할 수 있다. 이하에서 설명된 예시적인 실시예들은 각각이 리튬 이온 배터리들의 상이한 화학적 조성들에 기초한, 에너지 저장 엘리먼트들의 2 개의 스택들에 기초한 시스템을 제공하지만, 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따르면, 피크 펄스 전력에 대하여 최적화될 수 있고 배터리들을 단독으로 이용하여 가능한 것보다 더 빠른 재충전을 허용할 수 있는, 배터리 셀들의 제1 스택 및 ELDC들의 제2 스택에 기초한 시스템과 같은 다른 에너지 저장 시스템들이 사용될 수 있다. 본 개시내용의 실시예들에 따르면, ((예컨대, 임의의 위치 에너지 저장 시스템들, 화학적 에너지 저장 시스템들, 및/또는 운동 에너지 저장 시스템들로부터 선택된) 상이한 화학물질 또는 에너지 저장 기술들로 구성된 이러한 시스템들 중의 적어도 2 개 또는 그 초과를 갖는) 2 개 초과의 에너지 저장 시스템들은 에너지 전달 시스템의 전체적인 시스템 성능 및/또는 특성들을 추가로 맞춤화하기 위하여 포함될 수 있다.
배터리 셀은 도 1에서 예시된 바와 같은 전자 회로 네트워크로서 모델링될 수 있다(예컨대, 이로써 인용에 의해 본원에 포함되는, R. Rao 등, "Battery Modeling for Energy-Aware System Design," Computer, vol.36, no.12, pp.77-87, December 2003을 참조). 보편적으로 수락된 모델은 개방 회로 전압(본 명세서에서 "OCV" 또는 "Voc"의 어느 하나로서 지칭됨)을 표현하는 이상적인 전압원의 등가부, 전류(Is)가 이를 통해 흐르는 내부 직렬 저항(Rs), 및 직렬 및/또는 병렬 접속된 저항기들 및 커패시터들(RnCn)의 조합들의 리액티브 컴포넌트(reactive component)를 포함하고, 여기서, In은 리액티브 컴포넌트를 통해 흐르는 전류이다. 모델은 셀 임피던스의 총 리액티브 컴포넌트에 기여하는 다수의(즉, n, 여기서
Figure pct00002
) RC 엘리먼트들을 포함할 수 있다는 것에 주목한다.
직류 전류(direct current)("DC") 부하설정 조건들 하의 배터리 단자들의 전압("Vbatt")은 다음의 수학식에 따라 표현된다:
Figure pct00003
배터리의 내부 직렬 저항(
Figure pct00004
)은 또한, 직류 전류 내부 저항("DCIR")으로서 지칭될 수 있다. DCIR은 배터리의 충전 상태(state of charge)("SOC")의 함수로써 변화한다.
도 2는 전형적인 NMC 배터리 셀을 위한 SOC의 함수로써 배터리 셀 DCIR 및 OCV의 둘 모두를 도시하는 그래프를 예시한다. 충전 상태가 더 높을수록, Voc 전압이 더 높고, DCIR은 더 낮다. DCIR은 낮은 충전 상태들에서 증가하고, 특히, 약 30 퍼센트(30%) SOC 미만에서 증가한다.
시간-기반 컴포넌트들은 돌발적인 부하 변화들 및 충전 및/또는 방전 사이클들 동안의 순시적인 응답(transient response)들 및 패러데이 기여분(Faradaic contribution)들을 참작할 수 있다는 것에 주목한다. 전류들이 시간과 함께 변동되지 않는 DC 부하설정 조건들 하에서의 배터리 셀의 전체적인 거동을 고려하면, 저항성 엘리먼트들은 합산될 수 있고 커패시티브 엘리먼트(capacitive element)들은 무시될 수 있고, 따라서, 모델은 다음으로 단순화될 수 있다:
Vbatt = Voc - RbattIbatt
이 단순화된 셀 모델은 도 3에서 예시된다. 그 결과, Vbatt는 상이한 Ibatt 전류 값들에서 취해진 다양한 전류들에서의 전압 대 SOC 곡선들(또한, 본 명세서에서 특성 V-I 곡선들로서 지칭됨)의 집단에 의해 특성화될 수 있다. 전형적인 단일 NMC 셀을 위한 특성 V-I 곡선들의 이 집단은 도 4에서 예시된다. (도 4 및 전압 대 SOC 곡선들의 그래프들을 예시하는 다른 도면들에서, 라인들은 C, 배터리의 등급화된 용량에 관련된 바와 같은 상이한 전류 값들에서의 전압들을 표현함).
도 5를 참조하면, 다수의(n) 동일한 배터리 셀들이 직렬로 결합될 때, 모델은 다음으로서 표현될 수 있다:
Vbatt = n(Voc - RbattIbatt)
여기서, n은 직렬인 배터리 셀들의 수이다. 단순화된 모델은 도 6에서 도시된다.
도 7을 참조하면, 단일 배터리 셀의 이전에 설명된 예에서와 같이, 예시적인 특성 V-I 곡선들의 집단은 이러한 직렬 접속된 셀 시스템(이 비-제한적인 예에서, 이전에 설명된 전형적인 NMC 셀들의 배터리 스택, 여기서, 11 개의 셀들이 직렬로 접속됨)을 위하여 생성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 배터리 스택은 가변 임피던스 회로(본 명세서에서 "Zvar" 또는 "Zvariable"의 어느 하나로서 지칭됨)에 결합될 수 있다. Zvar 항은 스위칭가능한 엘리먼트들의 네트워크로서 구성될 수 있는 회로의 가변 임피던스를 표현한다(이와 같이, 가변 임피던스 회로는 또한, 본 명세서에서 "가변 임피던스 네트워크"로서 지칭될 것임). 임의의 주어진 출력 전류 값에 대하여, Zvar 항은 Zvar의 값을 조절함으로써, 그렇게 구비된 각각의 에너지 소스(예컨대, 배터리 셀 스택)가 그 Vbatt 출력 특성 곡선 포지션을 (Zvar = 0일 때에 관찰된 방전 곡선인) 그 정상적인 특성 전압 곡선 포지션에 대하여 아래로 이동시키는 것을 허용한다.
본 개시내용의 실시예들은 가변 임피던스 회로 및/또는 네트워크 내의 임의의 적절한 회로부를 사용하도록 구성될 수 있다. 국제 특허 출원 제PCT/US2017/068301호(이하, "제PCT/US2017/068301호"로서 지칭됨)는, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따라 가변 임피던스 네트워크 내에서 사용될 수 있는 스위칭가능한 엘리먼트들을 포함하는 회로부의 예시적인 구현예들을 개시한다. 도 9에서 예시된 바와 같이, 제PCT/US2017/068301호에서 개시된 바와 같은 제1 구현예(제PCT/US2017/068301호로부터의 도 6은 도 9로서 제공됨)는, 시스템(600)을 실시간으로 모니터링하고 있을 수 있는 제어 시스템(602)에 의해 수행된 제어 알고리즘에 따라 회로로부터 (스위칭 엘리먼트들, 예컨대, FET들을 이용하여) 선택적으로 삽입될 수 있거나 제거될 수 있는 다수의 직렬-접속된 스위칭가능한 다이오드 회로들(610a...610c)을 사용한다. 도 9에서 예시된 실시예는 3 개의 직렬-접속된 스위칭가능한 다이오드 회로들(610a 내지 610c)을 도시하지만, 더 많거나 더 적은 이러한 스위칭가능한 다이오드 회로들이 정확한 시스템 구성 및 최종 이용 요건들에 따라 사용될 수 있다. 도 9에서 예시된 나머지 엘리먼트들은 단순함을 위하여 추가로 설명되는 것이 아니라, 제PCT/US2017/068301호를 검토함으로써 참조될 수 있다는 것에 주목한다.
도 10은 다수의 직렬-접속된 다이오드들(이 경우에, 5 개의 이상적인 다이오드들)이 회로로 도입되는 특성 곡선들의 포지션에 대한 효과를 예시한다. 특성 곡선들의 각각은 삽입되지 않은 임피던스(즉, Zvariable = 0)에 대하여 동일한 양만큼 아래로 시프팅된다(전압에 있어서 저하됨)는 것에 주목한다. 이 비-제한적인 예에서, Zvariable = 5 * Vf이고, 여기서, Vf는 이상적인 다이오드의 순방향 전압이다. 배터리 전류는 이 시프트의 레벨에 있어서 효과를 가지지 않고; 각각의 전류 레벨에 대한 곡선들은 동일한 양만큼 시프팅된다는 것에 주목한다. 직렬-접속된 스위칭가능한 다이오드들을 이용하는 이 실시예의 가변적인 본질은 임의의 수의 다이오드들(즉, 제로 다이오드들로부터 최대 수의 구현된 다이오드들에 이름)이 임의의 시간에 회로에 추가될 수 있거나 회로로부터 제거될 수 있다는 사실로부터 기인한다. 따라서, 구현된 배터리 셀 스택과 연관된 특성 V-I 곡선들은 이러한 가변 임피던스 네트워크로 구성된 에너지 전달 시스템의 동작 동안에 임의의 시간에 위로 또는 아래로 시프팅될 수 있다.
도 11은 제PCT/US2017/068301호에서 개시된 스위칭가능한 엘리먼트들을 포함하는 회로부의 제2 예시적인 구현예를 제공한다(제PCT/US2017/068301호로부터의 도 7은 도 11로서 제공됨). 이 예시적인 구현예에서, 스위칭가능한 엘리먼트들을 포함하는 회로부는 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들(750a 내지 750d)의 병렬 접속으로서 구성된다. 각각의 스위칭가능한 저항성 엘리먼트는 제어 시스템(702)에 의해 수행된 제어 알고리즘에 따라 회로로부터 (스위칭가능한 엘리먼트들, 예컨대, FET들을 이용하여) 선택적으로 삽입될 수 있거나 제거될 수 있고, 스위칭가능한 저항기 네트워크의 총 임피던스는 주어진 시간에 온(on) 또는 오프(off)로 스위칭되는 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들의 수에 의해 결정된다. 도 9에 대하여 설명된 것과 매우 동일한 방식으로, 이러한 회로부에서 저항을 추가하거나 차감하는 것은 배터리 셀 스택의 특성 V-I 곡선들의 포지션에서의 시프트로 귀착될 것이다. 도 11에서 예시된 나머지 엘리먼트들은 단순함을 위하여 추가로 설명되는 것이 아니라, 제PCT/US2017/068301호를 검토함으로써 참조될 수 있다는 것에 주목한다.
도 12는 0 오옴(ohm)의 값으로 설정된 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들(즉, Zvariable = 0)을 포함하는 회로부를 갖는 특성 곡선들과, 1 오옴의 값으로 설정된 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들(즉, Zvariable = 1 오옴)을 포함하는 회로부를 갖는 곡선들의 비교를 예시한다. 알 수 있는 바와 같이, 결과적인 특성 시프트는 스위칭가능한 다이오드들이 구현될 때의 예시적인 구현예에 대하여 입증된 것과는 본질적으로 상이하다. 도 10에서 도시된 바와 같이 동일한 양만큼 모든 곡선들을 하향으로 시프팅하는 것이 아니라, 각각의 곡선의 하향 시프트의 크기는 각각의 곡선에 의해 표현된 전류에 비례한다. 이것은 고정된 전압 값만큼의 모든 곡선들의 하향 시프트가 아니라, 다양한 특성 곡선들의 "떨어져서 확산하는 것(spreading apart)"으로 귀착된다. 저항기를 가로지르는 전압 강하(voltage drop)는 전류 x 저항인 반면, 이상적인 다이오드를 가로지르는 전압 강하는 전류에 독립적인 고정된 전압이다. 그러므로, 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들의 네트워크의 경우에, 특성 V-I 곡선들에 대한 효과는 전류에 종속된다(예를 들어, 제로 전류는 제로 전압 강하로 귀착되고, 1X 전류는 1X 전압 강하로 귀착되고, 2X 전류는 2X 전압 강하로 귀착되는 등). 이것은 각각의 특정한 전류 레벨에서의 특성 V-I 곡선이 저항의 함수로써 "확산(spread)"할 것이고; 더 높은 삽입된 저항은 더 많은 확산으로 귀착된다는 것을 의미한다. 스위칭가능한 다이오드들의 경우에, 순방향 전압 강하는 전류 크기에 관계 없이 고정된다. 그러므로, 특성 V-I 곡선들의 전부는 회로로 스위칭된 다이오드들의 수(즉, 스위치들에 의해 단락되지 않은 다이오드들의 수)만큼 하향으로 시프팅된다. 다이오드들에 존재하는 전류의 크기에 관계 없이, 하나의 다이오드는 곡선들의 전부를 동일한 양(예컨대, Vf = 0.75 V)만큼 아래로 시프팅할 것이고; 2 개의 다이오드들은 곡선들을 1.5 V만큼 아래로 시프팅할 것이고; 5 개의 다이오드들은 곡선들을 3.75 V만큼 아래로 시프팅하는 등과 같을 것이다.
도 13을 참조하면, 배터리 스택(1301)이 복수의 직렬 접속된 배터리 셀들을 포함하고 가변 임피던스 네트워크(1302)가 Vo 포지티브(Positive) 단자에서 전압을 제시하는 시스템(1300)이 예시되어 있다. 배터리 스택(1301)에서의 각각의 셀은 아날로그 프론트 엔드(analog front end) 측정 디바이스("AFE")(1303)에 의해 모니터링된 그 전압을 가진다. AFE(1303)는 또한, 온도 데이터를 수집할 수 있고, 수집된 데이터를 제어 시스템(예컨대, 마이크로제어기 "MCU")(1304)으로 전달할 수 있다. 배터리 스택(1301)은 감지 저항기(Rsense)(1305)를 통해 Vo 네거티브(Negative)에 결합될 수 있다. 감지 저항기(1305)의 각각의 측부는, 전류가 감지 저항기(1305)에 존재할 때마다 연료 게이지 IC(1306)로의 배터리 전류(i 0 )의 값을 표현하는 전압을 제공하는 연료 게이지 집적 회로(fuel gauge integrated circuit)("IC")(1306)에 결합될 수 있다. 연료 게이지 IC(1306)는 MCU(1304)와 배터리 스택(1301)의 충전 상태("SOC")에 대한 정보를 통신할 수 있다. MCU(1304)는 가변 임피던스 네트워크(1302)에 결합되고, 가변 임피던스 네트워크(1302)를 제어한다. MCU(1304)는 미리 결정된 방식으로 시스템(1300)의 동작 상태를 제어(예컨대, 최적화)하도록 구성된 하나 또는 그 초과의 제어 알고리즘들을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(1304)에 의해 동작된 제어 알고리즘은 배터리 스택(1301)의 상태를 결정하고, 이 파라미터를 결정하는 특성 V-I 곡선들의 포지션(들)을 조절함으로써 시스템(1300)의 Vo 포지티브 단자에 제시된 전압을 제어(예컨대, 조절하거나 수정)하기 위하여 가변 임피던스 네트워크(1302)를 조작하도록 구성될 수 있다. MCU(1304)는 (예컨대, 통신 링크 또는 버스(1307)를 통해) 데이터 및/또는 정보를 외부 호스트 시스템으로 통신하도록 구성될 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 개시내용의 실시예들에 따라 구성된 에너지 전달 시스템(1400)이 예시되어 있다. 에너지 전달 시스템(1400)에서, 제1 배터리 셀 스택(1401a)은 제2 배터리 셀 스택(1401b)에 병렬로 결합되고, 여기서, 각각은 유사한 제어 및 모니터링 회로들에 결합될 수 있다. 배터리 셀 스택들(1401a, 1401b)은, 각각의 배터리 스택으로부터의 파라메트릭 정보가 (예컨대, 동시에) 수집될 수 있고 제어 알고리즘들이 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 어느 하나 또는 둘 모두의 동작들을 제어하기 위하여 수행될 수 있도록 공통 제어 시스템(예컨대, 마이크로제어기 "MCU")(1404)에 결합될 수 있다. 배터리 스택(1401a)에서의 각각의 셀의 전압은 아날로그 프론트 엔드 측정 디바이스("AFE")(1403a)에 의해 모니터링될 수 있다. AFE(1403a)는 또한, 온도 데이터를 수집할 수 있고, 수집된 데이터를 제어 시스템(1304)으로 전달할 수 있다. 배터리 스택(1401a)은 감지 저항기(Rsense)(1405a)를 통해 Vo 네거티브에 결합될 수 있다. 감지 저항기(1405a)의 각각의 측부는, 전류가 감지 저항기(1405a)에 존재할 때마다 연료 게이지 IC(1406a)로의 배터리 전류(i 1 )의 값을 표현하는 전압을 제공하는 연료 게이지 집적 회로("IC")(1406a)에 결합될 수 있다. 연료 게이지 IC(1406a)는 제어 시스템(1404)과 배터리 스택(1401a)의 충전 상태("SOC")에 대한 정보를 통신할 수 있다. 배터리 스택(1401b)에서의 각각의 셀의 전압은 AFE(1403b)에 의해 모니터링될 수 있다. AFE(1403b)는 또한, 온도 데이터를 수집할 수 있고, 수집된 데이터를 제어 시스템(1304)으로 전달할 수 있다. 배터리 스택(1401b)은 감지 저항기(Rsense)(1405b)를 통해 Vo 네거티브에 결합될 수 있다. 감지 저항기(1405b)의 각각의 측부는, 전류가 감지 저항기(1405b)에 존재할 때마다 연료 게이지 IC(1406b)로의 배터리 전류(i 2 )의 값을 표현하는 전압을 제공하는 연료 게이지 집적 회로 IC(1406b)에 결합될 수 있다. 연료 게이지 IC(1406b)는 제어 시스템(1304)과 배터리 스택(1401b)의 SOC에 대한 정보를 통신할 수 있다. 필수적으로, 연료 게이지 IC들(1406a, 1406b)은 순간적 전류 및 심지어 배터리 온도를 측정하고, 그 다음으로, 측정된 데이터 또는 그것으로 전달된 데이터로부터, 평균 전류, 순간적 충전 상태, 배터리 스택에 의해 경험된 충전/방전 사이클들의 수, 배터리 스택의 저항, 및 다른 파라미터들을 계산하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용의 어떤 실시예들에 따르면, Vo 포지티브 출력 단자는 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b) 사이에서 공통적이라는 것에 주목한다. 그 결과, 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 시스템(1300) 내에서 수행된 바와 같이 단자 Vo 포지티브에 제시된 출력 전압을 제어하는 것이 아니라, 제어 시스템(1404)으로부터의 신호들에 의한 선택적인 제어 하에서의 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)은 각각의 가변 임피던스 네트워크(1402a, 1402b)를 통해 흐르고 출력 단자로 전달된 전류의 레벨을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템(1404)에 의한 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 선택적인 제어는, 배터리 스택들(1401a, 1401b)의 각각이 에너지 전달 시스템(1400)의 미리 결정된 성능 기준들에 따라 미리 결정된 출력 전류 범위에서 유지되도록 수행될 수 있다.
제어 시스템(1404)은 (예컨대, 통신 링크 또는 버스(1407)를 통해) 데이터 및/또는 정보를 외부 호스트 시스템으로 통신하도록 구성될 수 있다. 다양한 컴포넌트들 사이 및/또는 외부적으로 제어 시스템(1404)으로부터의 내부 통신들은 유선 또는 무선일 수 있다. 사용될 수 있는 통신 프로토콜들은 SMB, I2C, RS232, TTL, 직렬(Serial), USB, CAN, 네트워크 등을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
비-제한적인 예에서, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)은 도 11의 시스템(700)에서 사용된 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들(750a...750d)의 구성과 같은 복수의 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 각각의 스위치(710a...710d)는 미리 결정된 제어 알고리즘들에 따라 제어 시스템(1404)에 의해 개별적으로 개방될 수 있거나 폐쇄될 수 있다. 저항기들(750a...750d)은 동일한 또는 상이한 저항 값들로 구성될 수 있다. 그 대응하는 스위치들(710a...710d)에 의해 병렬로 결합되는 저항기들(750a...750d)의 수를 변경함으로써, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 어느 하나 또는 둘 모두의 유효 저항은 (예컨대, 미리 결정된 최소 저항 값으로부터 미리 결정된 최대 저항 값으로) 미리 결정된 범위 상에서 조절될 수 있다.
에너지 전달 시스템(1400)은 다음 수학식들에 의해 설명될 수 있는, 도 15에서 예시된 단순화된 모델에 의해 표현될 수 있다:
Vo 포지티브 = V1 - R1*i 1 - i 1 *가변 R1
Vo 포지티브 = V2 - R2*i 2 - i 2 *가변 R2
i 1 + i 2 = i 출력
에너지 전달 시스템(1400)이 (예컨대, 상이한 재료들 및/또는 화학적 조성들 때문에) 동작 파라미터들의 상이한 세트들을 가지는 배터리 셀 스택들을 포함하고, 여기서, 셀 스택(1401a)은 셀 스택(1401b)에서의 셀들에 비해 더 높은 사이클 수명으로 구성된 셀들을 포함하고, 셀 스택(1401b)은 셀 스택(1401a)에 비해 더 낮은 사이클 수명으로 구성된 셀들을 포함하지만, 또한, 더 높은 상대적 에너지 밀도를 갖는 셀들을 포함할 수 있는 본 개시내용의 예시적인 실시예를 고려한다. 2 개의 셀 스택들의 에너지 용량들이 거의 동일하다는 것을 가정한다. 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 방전 동안에, 더 높은 상대적 사이클 수명을 가지는 셀 스택(즉, 셀 스택(1401a))이 에너지의 대부분을 전달하는 것이 에너지 전달 시스템(1400)의 동작을 위하여 유리할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 제어 시스템(1404)은 방전 동안에, 셀 스택(1401a)의 더 긴 사이클 수명을 활용하기 위하여, 셀 스택(1401a)으로부터 인출된 전류가 셀 스택(1401b)으로부터 인출된 것의 2 배이거나, 다시 말해서, 셀 스택(1401a)으로부터 인출된 순환적 에너지가 셀 스택(1401b)으로부터 인출된 것의 2 배가 되도록 구성될 수 있다. 이러한 예시적인 동작 시나리오 하에서, 수학식들은 다음과 같이 재기록될 수 있다:
i 1 = 2*i 2 (i 1 은 항상 i 2 2배)
Vo 포지티브 = V1 - R1*2i 2 - 2i 2 *가변 R1; 및
Vo 포지티브 = V2 - R2*i 2 - i 2 *가변 R2
값들 V1, V2, R1, 및 R2는 (도 2에서 예시된 것과 같은) 셀 스택들(1401a, 1401b)에서 사용된 배터리 셀들의 유형들과 연관된 셀 특성화 곡선들로부터 알려질 수 있고, 따라서, i 1 = 2*i 2 조건을 유지하기 위하여 가변 R1 및 가변 R2에 대한 값들에 대한 수학식들을 구하여, 적절한 값들로 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)을 구성하는 것은 간단하다.
에너지 전달 시스템(1400)은 또한, 도 16에서 예시된 단순화된 모델에 의해 표현될 수 있고, 여기서, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)은 각각 도 9의 시스템(600)에서 사용된 스위칭가능한 다이오드들(610a...610c)의 구성과 같은 복수의 스위칭가능한 다이오드들을 포함한다. 스위칭가능한 다이오드들(610a...610c)의 각각은 다이오드 주위의 임의의 전류를 우회시킬 수 있는 스위치(예컨대, FET)와 결합된다. 스위치들은 제어 시스템(1404)으로부터 수신된 제어 신호들(예컨대, 도 9의 제어 신호들(621a...621c)과 유사함)에 따라 개방될 수 있거나 폐쇄될 수 있다. 다이오드들의 각각은 동일한 또는 상이한 순방향 전압 강하(Vf) 값들로 구성될 수 있다. 그 연관된 스위치들을 개방되게 하고, 따라서, 순방향 전압 강하에 기여하는 다이오드들의 수와, 그 연관된 스위치들을 폐쇄되게 하고, 따라서, 그 연관된 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)에 대한 순방향 전압 강하에 기여하지 않는 다이오드들의 수는 제어 시스템(1404)에 의해 조절가능하고, 전압 강하들의 합은 그러므로 가변적이다.
도 15에 대하여 설명된 예에서와 같이, 시스템은 수학식들에 의해 설명될 수 있다:
Vo 포지티브 = V1 - Vvar1 - i 1 *R1
Vo 포지티브 = V2 - Vvar2 - i 2 *R2
i 1 + i 2 = i 출력
다시, 이전의 예에서와 같이, 에너지 전달 시스템(1400)은 2 개의 상이한 배터리 셀들을 포함하고, 예컨대, 여기서, 셀 스택(1401a)은 셀 스택(1401b)에 비해 매우 높은 사이클 수명으로 구성된 셀들을 포함하고, 셀 스택(1401b)은 셀 스택(1401a)에 비해 더 낮은 사이클 수명으로 구성된 셀들을 포함하지만, 또한, 더 높은 상대적 에너지 밀도를 포함할 수 있다는 것을 고려한다. 2 개의 셀 스택들의 에너지 용량이 거의 동일하다는 것을 가정한다. 그리고, 이전의 예에서와 같이, i 1 = 2*i 2 이고, 따라서, 수학식들은 다음과 같이 재작성되는 것이 바람직한 에너지 전달 시스템(1400)을 고려한다:
i 1 + i 2 = i 출력
i 1 = 2*i 2 (i 1 은 항상 i 2 2배)
Vo 포지티브 = V1 - Vvar1 - 2*i 2 *R1
Vo 포지티브 = V2 - Vvar2 - i 2 *R2
값들 V1, V2, R1, 및 R2는 도 3에서 예시된 것과 같은 셀 특성화 곡선들로부터 다시 알려지고, 따라서, i1= 2*i2 조건을 유지하기 위하여 Vvar1 및 Vvar2에 대한 정확한 값들을 위한 수학식들을 구하고 적절한 값들로 각각의 임피던스 네트워크에서의 다수의 활성 다이오드들을 구성하는 것은 간단하다.
값들 V1, V2, R1, 및 R2는 (도 2에서 예시된 것과 같은) 셀 스택들(1401a, 1401b)에서 사용된 배터리 셀들의 유형들과 연관된 셀 특성화 곡선들로부터 알려질 수 있고, 따라서, i 1 = 2*i 2 조건을 유지하기 위하여 Vvar1 및 Vvar2에 대한 값들을 위한 수학식들을 구하고 적절한 값들로 각각의 가변 임피던스 네트워크(1402a, 1402b)에서의 다수의 활성 다이오드들을 구성하는 것은 간단하다. 각각의 다이오드를 위한 Vf의 값은 반도체 기술 및 디바이스 유형에 따라 고정된 그리고 특성 값이므로, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 각각의 가변 임피던스 네트워크의 정확한 값은 정밀하게 조절가능한 것이 아니라, Vf 값들의 일부 고정된 배수인 것에 주목하는 것이 중요하다.
본 개시내용의 실시예들에 따르면, 에너지 전달 시스템(1400)의 구현예들은, 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들, 스위칭가능한 다이오드들, 또는 그 조합을 사용하는 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)로 구현되든지 간에, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b) 내의 저항성 엘리먼트들 또는 다이오드들의 스위칭을 제어하기 위하여, 경우에 따라, 도 15 또는 도 16의 어느 하나에 대하여 설명된 수학적 표현들을 구체화하는 제어 시스템(1404) 내에서 프로그래밍된 제어 알고리즘들을 사용할 수 있다. 추가적으로, 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 배터리 셀 특정 값들 V1, V2, R1, 및 R2는 그 개별적인 셀 특성화 곡선들로부터 결정될 수 있다. 이러한 값들은 셀들의 충전 상태, 온도, 및 연식으로 상당히 가변적이므로, 이러한 값들은 특성화된 데이터를 캡처하고 모델들을 생성하여 노후화 특성들을 추정하기 위하여, 룩업 테이블(lookup table)들과 같은 일부 종류의 적절한 데이터베이스 내로 통합될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들에 따르면, 제어 시스템(1404)은 연속적인 근사에 기초한 제어 알고리즘들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 에너지 전달 시스템(1400)이 초기화될 때, 그리고 임의의 에너지의 임의의 방전이 시작되기 전에, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 초기 상태들이 (예컨대, 서술적인 수학식들을 구함으로써) 구성될 수 있다. 그 다음으로, 일단 방전이 시작되었으면, 제어 시스템(1404)이 연속적인 수학식 프로세싱을 수행하는 것이 아니라, 제어 시스템(1404)은, 각각의 셀 스택(1401a, 1401b)의 전압, 전류, 및 SOC와 같은, 에너지 전달 시스템(1400)의 동적으로 변화하는 동작 조건들이 측정되는 파라메트릭 측정 단계와, 그 다음으로, 각각의 셀 스택(1401a, 1401b)의 출력 전류들 또는 다른 선택된 파라미터들이 서로에 대하여 그리고 타겟화된 성능에 대하여 비교되는 비교 단계를 통해 반복적으로 루프화(loop)할 수 있고, 그 다음으로, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)이 각각의 조절로 희망된 거동을 향해 제어된 파라미터들을 이동시키도록 (예컨대, 작은 별개의 단계들에서) 조절되는 정정 단계가 수행된다. 배터리 파라미터들이 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 어느 하나에 대한 각각의 조절 후에 안정화하는 것을 허용하기 위하여 지연이 루프에서 추가될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 대하여 설명된 에너지 전달 시스템(1400)의 이전의 예를 이용하면, 제어 시스템(1404)은 i 1 및 i 2 를 동일한 것으로, 또는 i 1 을 i 2 의 고정된 백분율이 되거나, 또는 셀 스택(1401a)의 SOC가 25 % 초과일 때에만 i 1 을 i 2 의 고정된 백분율이 되고 셀 스택(1401a)의 SOC가 25 % 미만일 때에 상이한 고정된 백분율이 되는 것으로 일정하게 유지하거나, 셀 스택 온도들 사이의 차이가 일부 임계치에 도달할 때마다 최고 온도를 갖는 셀 스택의 전류를 최저 온도를 갖는 셀 스택의 전류의 10 %로 감소시키도록 구성될 수 있다. 상기한 예들은 가능한 제어 알고리즘들에서의 가능한 변동들에 대해 비-제한적이다.
도 17은 본 개시내용의 실시예들에 따라, 에너지 전달 시스템(1400)의 제어 시스템(1404) 내에서 수행된 예시적인 제어 알고리즘들을 포함하는 프로세스(1700)의 플로우차트 도면을 예시한다. 추가로 설명되는 바와 같이, 프로세스(1700)는 또한, 도 18, 도 19, 및 도 22에 대하여 설명된 시스템(1800)의 제어 시스템(1804) 내에서 수행될 수 있다.
에너지 전달 시스템(1400)은 초기화될 수 있다(시작). 프로세스 블록(1701)(머신 상태 평가)에서, 에너지 전달 시스템(1400)의 상태가 결정될 수 있다. 예를 들어, (예컨대, AFE들(1403a, 1403b)를 통한 배터리 스택들(1401a, 1401b) 내의 셀들의) 전압들, (예컨대, 감지 저항기들(1405a, 1405b)에 의해 감지된 바와 같은) 전류들, (예컨대, AFE들(1403a, 1403b)을 통한 배터리 스택들(1401a, 1401b) 내의 셀들의) 온도들이 측정될 수 있고, 이 데이터는 제어 시스템(1404)에 의해 수집될 수 있다. 이 데이터를 이용하면, 결정은 에너지 전달 시스템(1400)이 방전할 준비가 되어 있는지 여부에 대하여 프로세스 블록(1702)에서 행해질 수 있다. 그렇지 않을 경우에, 일부 정정 액션이 프로세스 블록(1710)에서 취해질 수 있다.
예를 들어, 셀 스택들(1401a, 1401b) 중의 하나 또는 둘 모두가 완전히 충전되지 않은 것으로 수집된 데이터에 의해 결정될 경우에, 충전 전류는 외부 에너지 소스(예컨대, 각각 도 9 및 도 11에서의 충전기들(603, 703)을 참조)로부터 인가될 수 있다. 셀 스택들(1401a, 1401b) 중의 하나 또는 둘 모두가 너무 뜨거운 것으로 수집된 데이터에 의해 결정될 경우에, 냉각 시스템(도시되지 않음)이 활성화될 수 있다. 수동적 인터로크(interlock)가 계합될 경우에, 에너지 전달 시스템(1400)은 그것이 소거될 것을 대기하도록 구성될 수 있다. 정정 액션이 개시된 후에, 프로세스(1700)는 프로세스 블록(1701)으로 복귀할 수 있고, 이 루프는 제어 시스템(1404) 내의 프로세스(1700)가 에너지 전달 시스템(1400)이 에너지를 부하(도시되지 않음)로 방전하기 위하여 준비된 것으로 결정하였을 때까지 계속적으로 수행될 수 있다.
일단 제어 시스템(1404) 내의 프로세스(1700)가 에너지 전달 시스템(1400)이 방전하기 위하여 준비된 것으로 결정하였으면, 둘 모두의 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)은 미리 결정된 초기 값들로 설정될 수 있다. 이 초기 값들은 실시간으로 제어 시스템(1404) 내에서 수행된 수학식들(예컨대, 도 15 및 도 16에 대하여 설명된 수학식들을 참조)로부터 결정될 수 있고, 프로세스 블록(1701)에서 측정되었던 SOC, 셀 스택 전압들, 온도들 등과 같은 파라미터들에 기초하여 미리 결정된 초기 값들의 미리 결정된 룩업 테이블로부터 설정될 수 있고, 및/또는 셀 스택들(1401a, 1401b)과 연관된 특성 V-I 곡선들에 기초하여 미리 결정된 룩업 테이블로부터 설정될 수 있다.
일단 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 초기 값들이 설정되었으면, 프로세스(1700)는 에너지 전달 시스템(1400)에 대한(예컨대, Vo 포지티브 및 Vo 네거티브 단자들에 대한) 부하 회로의 결합 시와 같이, 부하 전류의 방전이 시작하는 것을 대기할 수 있다. 이것은 프로세스 블록(1701)으로 루프백(loop back)하는 프로세스(1700)를 포함할 수 있다. 일단 방전 전류가 프로세스 블록(1704)에서 검출되면, 프로세스 블록(1705)은 배터리 셀 스택들(1401a, 1401b), 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b), 및/또는 시스템(1400)의 다른 부분들로부터 파라미터들(또한, "파라메트릭 데이터"로서 지칭됨)을(예컨대, AFE들(1403a, 1403b) 및 전류 센서들(1405a, 1405b)을 사용하여 전압, 전류, 온도, SOC, 충전/방전 사이클들, 저항, 임피던스 등을) 수집한다. 프로세스 블록(1706)에서, 이 데이터는 방전이 계속되도록 허용될 수 있는지를 결정하기 위하여 분석될 수 있다. 예를 들어, 방전을 종결할 수 있는 파라미터들은 안전한 제한 미만인 셀 스택 전압, 안전한 제한 초과인 셀 스택 전류, 안전한 제한들 외부의 셀 스택 온도, 계합된 수동적 안전성 인터로크, 및/또는 제어 또는 측정 시스템에서의 임의의 다른 결함 등을 포함한다. 방전이 안전하게 계속될 수 없는 것으로 프로세스 블록(1706)에서 결정될 경우에, 프로세스(1700)는 적절한 액션을 취하기 위하여 프로세스 블록(1710)으로 진행할 수 있다.
방전이 안전하게 계속될 수 있는 것으로 프로세스 블록(1706)에서 결정될 경우에, 프로세스 블록(1707)에서는, 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 어느 하나 또는 둘 모두의 조절이 필요한지가 결정될 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 비-제한적인 실시예에 따르면, 제어 시스템(1404)에서 수행된 제어 알고리즘은 동작의 (예컨대, 전류 센서들(1405a, 1405b)의 미리 결정된 시간의 주기에 걸쳐 측정된 바와 같은) 평균 전류를 둘 모두의 셀 스택들(1401a, 1401b)에서 동일한 것으로 유지하도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 가장 최근에 수집된 파라메트릭 데이터가 셀 스택(1402a)에서의 평균 전류가 셀 스택(1401b)에서의 평균 전류보다 더 높다는 것을 표시할 경우에, 제어 시스템(1404)에 의해 수행된 제어 알고리즘은 정정을 적용하기 위한 2 개의 잠재적인 액션들 중의 하나를 취하도록 구성될 수 있다. MCU(1404)는 그 총 임피던스의 값을 증가시킬 것을 가변 임피던스 네트워크(1402a)에서의 스위치들에 시그널링할 수 있거나, 또는 제어 시스템(1404)은 그 총 임피던스의 값을 감소시킬 것을 가변 임피던스 네트워크(1402b)에서의 스위치들에 시그널링할 수 있다. 어느 하나의 선택이 수락가능할 수 있지만, 제어 시스템(1404)은 임의의 하나 또는 그 초과의 미리 결정된 인자들에 따라 다른 것에 비해 이 정정 액션들 중의 하나를 선호하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가변 임피던스 네트워크(1402a)는 그 최소 임피던스 값 근처에서 이미 설정될 수 있고, 이 경우에, 제어 시스템(1404)은 그 대신에 가변 임피던스 네트워크(1402b)의 임피던스 값을 감소시키도록 구성될 수 있다. 제어 시스템(1404)은 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b)의 둘 모두의 상태를 알도록 구성되므로, 제어 시스템(1404)은 가장 적절한 액션을 선택하도록 구성될 수 있다. 일단 정정 액션이 프로세스 블록(1707) 내에서 결정되었으면, 프로세스 블록(1708)에서, 제어 시스템(1404)은 액션을 구현하기 위하여(즉, 새로운 임피던스 설정들을 적용함) 하나 또는 그 초과의 제어 신호들을 가변 임피던스 네트워크들(1402a, 1402b) 중의 하나 또는 둘 모두로 전송한다. 일단 새로운 설정들이 적용되면, 프로세스(1700)는 배터리 셀 스택 전류들(i 1 , i 2 ) 중의 하나 또는 둘 모두가 이 새로운 설정들 하에서 안정화하는 것을 허용하기 위한 지연 루틴(프로세스 블록(1709))을 구현하도록 구성될 수 있다. 일단 이 지연이 만료되었으면, 프로세스(1700)는 프로세스 블록(1705)으로 복귀할 수 있다. 프로세스 블록(1707)에 대하여 설명된 상기한 알고리즘들은 예시적이고, 본 개시내용의 실시예들에 대해 제한적이지 않다는 것에 주목한다.
본 개시내용의 실시예들은 다음의 예들에 의해 추가로 예시되고, 이러한 예들은 현재 개시된 발명 요지를 예시하도록 기재되고, 제한적인 것으로 해석되지 않아야 한다. 예들은 본 시스템들의 실시예들이 사용될 수 있는 다양한 환경들을 예시하는 다양한 조건들 하에서 하나 또는 그 초과의 재료들을 전달하고 방출하기 위한 본 시스템들의 실시예들의 능력을 확인하도록 수행된 테스팅을 설명한다.
도 18을 참조하면, 본 개시내용의 실시예들에 따라 구성된 에너지 전달 시스템(1800)이 예시되어 있다. 에너지 전달 시스템(1800)에서, 제1 배터리 셀 스택(1801a)은 제2 배터리 셀 스택(1801b)에 병렬로 결합되고, 여기서, 각각은 유사한 제어 및 모니터링 회로들에 결합될 수 있다. 배터리 셀 스택들(1801a, 1801b)은, 각각의 배터리 스택으로부터의 파라메트릭 정보가 (예컨대, 동시에) 수집될 수 있고 제어 알고리즘들이 가변 임피던스 네트워크들(1802a, 1802b)의 어느 하나 또는 둘 모두의 동작들을 제어하기 위하여 수행될 수 있도록 공통 제어 시스템(예컨대, 마이크로제어기 "MCU")(1804)에 결합될 수 있다. 배터리 스택(1801a)에서의 각각의 셀의 전압은 아날로그 프론트 엔드 측정 디바이스("AFE")(1803a)에 의해 모니터링될 수 있다. AFE(1803a)는 또한, 온도 데이터를 수집할 수 있고, 수집된 데이터를 제어 시스템(1304)으로 전달할 수 있다. 배터리 스택(1801a)은 감지 저항기(Rsense)(1805a)를 통해 Vo 네거티브에 결합될 수 있다. 감지 저항기(1805a)의 각각의 측부는, 전류가 감지 저항기(1805a)에 존재할 때마다 연료 게이지 IC(1806a)로의 배터리 전류(i 1 )의 값을 표현하는 전압을 제공하는 연료 게이지 집적 회로("IC")(1806a)에 결합될 수 있다. 연료 게이지 IC(1806a)는 제어 시스템(1804)과 배터리 스택(1801a)의 충전 상태("SOC")에 대한 정보를 통신할 수 있다. 배터리 스택(1801b)에서의 각각의 셀의 전압은 AFE(1803b)에 의해 모니터링될 수 있다. AFE(1803b)는 또한, 온도 데이터를 수집할 수 있고, 수집된 데이터를 제어 시스템(1304)으로 전달할 수 있다. 배터리 스택(1801b)은 감지 저항기(Rsense)(1805b)를 통해 Vo 네거티브에 결합될 수 있다. 감지 저항기(1805b)의 각각의 측부는, 전류가 감지 저항기(1805b)에 존재할 때마다 연료 게이지 IC(1806b)로의 배터리 전류(i 2 )의 값을 표현하는 전압을 제공하는 연료 게이지 집적 회로 IC(1806b)에 결합될 수 있다. 연료 게이지 IC(1806b)는 제어 시스템(1804)과 배터리 스택(1801b)의 SOC에 대한 정보를 통신할 수 있다. 제어 시스템(1804)은 (예컨대, 통신 링크 또는 버스(1807)를 통해) 데이터 및/또는 정보를 외부 호스트 시스템으로 통신하도록 구성될 수 있다. 다양한 컴포넌트들 사이 및/또는 외부적으로 제어 시스템(1804)으로부터의 내부 통신들은 유선 또는 무선일 수 있다. 사용될 수 있는 통신 프로토콜들은 SMB, I2C, RS232, TTL, 직렬, USB, CAN, 네트워크 등을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
각각의 가변 임피던스 네트워크(1802a, 1802b)는 도 16에 대하여 설명된 것과 같은 우회 스위치들을 갖는 다수의 다이오드들을 포함한다. 다이오드들 및 대응하는 스위치들의 수는 각각의 가변 임피던스 네트워크(1802a, 1802b)에서 동일한 것으로서 예시되지만, 실제적인 수는 이 둘 사이에서 동일할 수 있거나 상이할 수 있다. 각각의 가변 임피던스 네트워크(1802a, 1802b)에 존재하는 다이오드들의 수는 모든 다이오드들의 순방향 전압(Vf) 강하들의 합인, 각각의 배터리 셀 스택(1801a, 1801b)의 높은 측으로부터 출력 단자 Vo 포지티브까지의 최대 전압 강하를 정의한다. 본 개시내용의 어떤 실시예들에 따르면, 다이오드들 중의 하나 또는 그 초과는 상이한 순방향 전압 강하가 각각의 다이오드를 통해 달성되도록 상이한 파라메트릭 특성들을 가질 수 있다. 활성인 다이오드들의 수 및 각각의 가변 임피던스 네트워크(1802a, 1802b)에서 우회된 다이오드들의 수는 각각의 배터리 스택(1801a, 1801b)의 특성 곡선들에서의 하향 시프트의 미리 결정된 크기를 생성하기 위하여, 그리고 따라서, 에너지 전달 시스템(1800)에서의 각각의 배터리 스택(1801a, 1801b)의 부하 전류 기여분에 영향을 주기 위하여 제어 시스템(1804)에 의해 제어될 수 있다.
도 18은 각각의 가변 임피던스 네트워크(1802a, 1802b)에서의 다이오드들의 전부의 전체 순방향 전압 강하들이 각각의 배터리 스택(1801a, 1801b)과 출력 단자 Vo 포지티브 사이에서 실현되도록, 가변 임피던스 네트워크들(1802a, 1802b)의 둘 모두에서 개방된 스위치들을 갖는 에너지 전달 시스템(1800)을 도시한다. 도 18은 이중 배터리 스택 에너지 전달 시스템을 개시하지만, 본 개시내용의 실시예들은 다양한 직렬 및/또는 병렬 조합들로 결합되고 제어 시스템(1804)에 의해 모니터링되고 제어된 2 개 초과의 배터리 스택들로 구성될 수 있다.
에너지 전달 시스템(1800)의 예시적인 실시예에 따르면, 배터리 스택(1801a)은 그 단자 전압 및 특성 V-I 곡선들이 도 20에서의 예시적인 특성 V-I 곡선들로 예시된 바와 같이, NMC 배터리 셀들을 포함하는 배터리 스택(1801b)의 그것들과 중첩하도록, 상대적으로 높은 사이클 수명 배터리 화학물질(예컨대, LFP 또는 LTO)로 구성된 배터리 셀들을 포함한다. LFP 스택(1801a)은 44 V 내지 46.8 V 사이의 전형적인 전체 충전 전압(3.6 V/셀)을 갖는 13 개의 셀들을 포함한다. NMC 배터리 스택(1801b)은 43.3 V 내지 46.2 V 사이의 전형적인 전체 충전 전압(4.0 V/셀)을 갖는 11 개의 셀들을 포함한다. LFP 및 NMC 배터리 스택들의 둘 모두는 전체 충전에서 동일한 전압으로 충전될 수 있거나, 또는 대안적으로, 최대 충전 전압은 배터리 스택들 중의 하나의 배터리 스택의 전압이 다른 배터리 스택의 전압보다 더 높게 유지되도록 조정될 수 있다. 이 실시예에서, LFP 배터리 스택(1801a) 및 NMC 배터리 스택(1801b)은 암페어-시(Amp-hour)인 유사한 화학적 용량들을 가지도록 구성된다.
도 19를 참조하면, 디폴트 동작 모드에서, 시스템(1800)은 가변 임피던스 네트워크들(1802a, 1802b)의 둘 모두 내에서의 다이오드 스위치들의 전부가 폐쇄되도록 구성될 수 있어서, 가변 임피던스 네트워크들(1802a 및 1802b)로부터의 임의의 영향 없이, 각각의 배터리 스택(1801a, 1801b)의 특성 V-I 곡선들이 Vo 포지티브 단자에서 제시되도록 다이오드들을 우회할 수 있다. 관심 있는 부하 전류 범위들 내에서, 배터리 스택들(1801a, 1801b)은 충전 상태의 대부분의 조건들 하에서, 특성 V-I 곡선들의 2 개의 집단들이 서로의 위에 존재하기 때문에, 방전 동안에 시간에 있어서의 모든 포인트들에서 그 특성 V-I 곡선들에 의해 정의된 바와 같은 그 스택 전압에 기초하여 부하를 공유할 것이다. 임의의 주어진 순간에는, 각각의 배터리 스택에서의 전류들은 LFP 스택(1801a)에서의 전류 i 1 및 NMC 스택(1801b)에서의 전류 i 2 가 배터리 단자들 상의 동일한 전압에 대응하는 개개의 특성 V-I 곡선들 상에 존재하도록 되어 있을 것이다. 특성 V-I 곡선들의 포지션들에서의 차이가 클수록, 더 큰 전류 격차가 스택들(1801a, 1801b) 사이에 있을 것이다. 도 20에서 예시된 충전 상태의 함수로써의 배터리 스택 전압(들)을 참조하면, 일정한 부하 포인트들에서, NMC 배터리 스택(1801b)은 초기에 제1의 대략 10 %의 방전 심도를 위한 더 높은 단자 전압을 가진다는 것은 병렬로 결합된 LFP 배터리 스택(1801a) 및 NMC 배터리 스택(1801b)의 예시적인 방전으로부터 알 수 있다. 방전 심도의 나머지 동안에, LFP 배터리 스택(1801a)은 더 높은 단자 전압을 가지고, 방전 동안에 전류의 비례적으로 더 큰 할당분(share)을 가질 것이다.
도 21은 100 W의 일정한 전력에서 도 19에서 구성된 바와 같은 시스템(1800)의 예시적인 방전의 그래프를 예시한다(가변 임피던스 네트워크들(1802a, 1802b)의 둘 모두 내에서의 다이오드 스위치들의 전부는 둘 모두에 대하여 Zvar = 0이 되어, 배터리 스택 전압들이 출력 부하에 직접적으로 결합되도록 폐쇄됨). 각각의 배터리 스택(1801a, 1801b)은 44 V의 시작 전압으로 충전된다. 방전 기간은 대략 1.8 시간이다. 배터리 스택들(1801a, 1801b)은 각각, 각각의 배터리 스택의 특성 V-I 곡선들에 기초하여 전류를 방전할 수 있고 균형화할 수 있다. 도 20에서의 전압 곡선들과 부합하게도, 에너지 전달 시스템(1800)에 대한 부하의 결합 시에, 도 21은 전류 i 1 이 LFP 스택(1801a)에서 상승하고, 전압이 NMC 스택(1801b)의 전압 미만으로 신속하게 하락하는 것을 도시한다. 이것은 전체 충전 상태 근처에서의 LFP 화학물질을 위한 급격한 개방 회로 전압 곡선, 및 가벼운 부하의 V-I 곡선으로부터 더 높은 현재의 V-I 곡선으로의 동작 포인트에서의 시프트에 기인한다. NMC 스택(1801b)은 LFP 스택(1801a)에 비해 약간 더 높은 단자 전압을 곧 달성하고, 부하 전류의 상당한 대부분을 전달한다. 대략 0.18 시간의 방전 후에, NMC 전압은 그 감소된 SOC로 인해 저하되었고, 스택 전압은 LFP 스택(1801a)의 범위로 꺽이기 시작한다. 방전에서의 이 포인트에서, LFP 스택(1801a)은 더 높은 백분율의 전류를 전달하기 시작한다. 이 포인트로부터, LFP 스택(1801a)이 NMC 스택(1801b)보다 더 빨리 SOC에 있어서 하락하고 궁극적으로 고갈되도록, LFP 스택(1801a)은 NMC 스택(1801b)보다 더 높은 전압 및 더 높은 전류를 유지한다. LFP 스택(1801a)에 대한 SOC는 대략 1.4 시간의 주기에 걸쳐 100 %로부터 대략 5 %로 느리게 이동한다. 방전 이벤트에서의 이 포인트에서, LFP 스택(1801a)은 그 단자 전압이 NMC 배터리 스택(1801b)의 그것 미만으로 하락하도록 에너지가 거의 고갈된다. NMC 배터리 스택(1801b)은 그 다음으로, 그 전류 할당분을 방전의 최종적인 몇 분 동안에 거의 100 %로 증가시키는 것을 떠맡는다.
도 22는 방전의 시작부터 LFP 스택(1801a)에서의 에너지가 완전히 고갈될 때까지, LFP 전류 i 1 이 NMC 전류 i 2 보다 항상 더 높도록, 그 목적이 에너지 방전을 NMC 스택(1801b)로부터 멀어져서 그리고 LFP 스택(1801a)으로 바이어싱하도록 시스템(1800)을 구성하기 위한 것인 시스템(1800)을 위한 프로세스 블록들(1707 내지 1708)의 동작의 예시적인 실시예를 예시한다. 이 예시적인 실시예에서, LFP 스택(1801a)을 위한 가변 임피던스 네트워크(1802a)에서의 다이오드 스위치들은 폐쇄되어, LFP 스택(1801a)에 대하여 Zvar = 0을 생성하고, NMC 스택(1801b)을 위한 가변 임피던스 네트워크(1802b)에서의 다이오드 스위치들은 개방되어, Zvar(Zvar = 3*Vf)의 최대 값을 생성한다. 도 23에서 예시된 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, LFP 특성 V-I 곡선들은 이전의 예(도 20 참조)에서와 같이 유지되지만, NMC 특성 V-I 곡선들은 3*Vf와 동일한 양만큼 하향으로 이제 시프팅되었다.
예상된 바와 같이, 도 22에서 예시된 에너지 전달 시스템(1800)의 구성에 기초하여, NMC 스택(1801b)을 위한 전압 곡선들은 Zvar 기여분으로 인해 LFP 스택(1801a)보다 더 낮게 오프셋될 것이다. 시프팅된 전압 곡선들은 도 23에서 도시된다. LFP 전압은 전체 SOC 범위에 걸쳐 거의 NMC 전압보다 더 크고, 그 연관된 Zvar에 의해 야기된 NMC 전압에서의 이 하향 시프트는 대부분의 방전 동안의 LFP 스택(1801a)에 대한 전류의 현저한 바이어스로 변환한다.
도 24는 100 W의 일정한 전력에서 도 22에서 구성된 바와 같은 시스템(1800)의 예시적인 방전의 그래프를 예시한다. 각각의 배터리 스택(1801a, 1801b)은 44 V의 시작 전압으로 충전된다. 방전 기간은 대략 1.8 시간이다. 이 예에서, 가변 임피던스 네트워크(1802a)에서의 다이오드 스위치들은 그 Zvar = 0이고 LFP 배터리 스택 전압이 출력 부하 Vo 포지티브에 직접적으로 결합되도록 폐쇄되는 반면, 가변 임피던스 네트워크(1802b)에서의 다이오드 스위치들은 NMC 스택 전압이 3*Vf만큼 하향으로 오프셋되도록 개방된 상태로 유지된다. 배터리 스택들(1801a, 1801b)의 각각의 배터리 스택의 동작 포인트들은 에너지 전달 시스템(1800)의 출력 전류가 도 20 및 도 21에서의 예에서보다 훨씬 더 많이 LFP 스택(1801a)을 향해 바이어싱되도록, 그 개개의 특성 V-I 곡선들 상의 포인트들에서 위치된다. 도 21에서 예시된 방전에 대하여 도 24에서 예시된 방전을 대조하면, NMC 스택(1801b)은 초기에, NMC 특성 V-I 곡선들의 더 낮은 포지션으로 인해 부하 전류의 대략 20 %를 전달한다는 것을 알 수 있다. 시스템 동작 포인트들이 다양한 배터리 스택들의 변화하는 SOC에 따라 특성 V-I 곡선들을 통해 전환할 때에 더 이후의 짧은 시간을 갑자기 반전시킬 때까지, NMC 전류(i 2 )가 초기에 LFP 전류(i 1 )를 초과하여 상승할 경우 나타나는 전류 "반전"이 없다. LFP 스택(1801a)은 LFP 스택(1801a)이 거의 고갈될 때에 이러한 시간까지 총 방전 전류의 더 높은 비율을 유지한다. LFP 스택(1801a)에 대한 SOC는 대략 1.4 시간의 주기에 걸쳐 100 %로부터 대략 5 %로 느리게 전환한다. 방전 이벤트에서의 이 포인트에서, LFP 배터리 스택(1801a)은 에너지가 거의 고갈되고, 여기와 같은 충전의 낮은 상태들에서, LFP 특성 V-I 곡선들은 훨씬 더 높은 NMC SOC에서 대응하는 NMC 특성 V-I 곡선들 미만으로 하락하고, 따라서, NMC 스택(1801b)은 방전 종결까지 총 출력의 그 비율을 꾸준하게 증가시키는 것을 떠맡는다.
대응하는 특성 V-I 곡선들의 포지션들이 또한 조절되도록 각각의 가변 임피던스 네트워크(1802a, 1802b)를 조절함으로써, 상이한 배터리 스택들 사이의 전류 공유를 시프팅할 수 있고, 특정 목적을 충족시키고 특정 성능 특성들을 최적화하기 위하여 방전 전류를 하나의 스택 또는 또 다른 것을 향해 바이어싱할 수 있다. 예를 들어, 수백 개의 중간 기간 방전 이벤트들의 경우에, 더 높은 사이클 수명 배터리 스택이 다른 배터리 스택의 순환적 에너지의 다수 배를 전달하도록, 상대적으로 더 높은 사이클 수명을 갖는 배터리 스택을 향해 그리고 상대적으로 더 낮은 사이클 수명을 갖는 스택으로부터 멀어지도록 방전 전류를 바이어싱한다.
에너지 저장 시스템을 위한 총 방전 심도는 부하 기간에 종속될 것이다. 종종, 배터리 스택들은 총 저장된 에너지의 40 % 내지 70 %가 전달되는 부분적인 방전을 오직 완료한다. 도 24에서의 예에서 입증된 바와 같이, 1.3 시간 지속되는 부분적인 방전의 경우에, 높은 사이클 수명의 LFP 배터리 스택(1801a)은 그 에너지의 95 %를 방전하였고(0.95 사이클을 완료함), NMC 스택(1801b)은 그 에너지의 약 40 %를 오직 방전하였다(0.40 사이클을 완료함). 이 동일한 방전이 1000 번 발생하였을 경우에, LFP 배터리 스택(1801a)은 오직 400 개의 사이클들을 완료하는 NMC 배터리 스택(1801b)과 비교하여 950 개의 사이클들을 완료한 것으로 고려될 것이다.
본 개시내용의 다양한 실시예들에 따르면, 에너지 전달 시스템들(1400 및 1800)은 유사하게 구성될 수 있고, 이에 의해, 이들이 결합되는 에너지 저장 시스템들의 유형, 및 가변 임피던스 네트워크들 내에서 사용된 구성들의 유형에 따라 어느 하나의 시스템에 대해 행해질 수 있는 수정들을 제외하고는, 제어 시스템들, AFE들, 연료 게이지 IC들, 및 감지 저항기들은 실질적으로 유사한 방식들로 동작한다.
디지털 통신 링크들(1407, 1807)은 제어 시스템(1404, 1804)으로부터의 어떤 데이터를 호스트 시스템(도시되지 않음)으로 전송하도록 구성될 수 있다. 1400, 1800과 같은 에너지 전달 시스템들은 컴퓨터들, 전기 자전거들 또는 스쿠터들, 전기 차량들 등과 같은 더 대형 시스템들 내로 내장될 수 있다. 이와 같이, 이러한 더 대형 시스템들은 그 내장된 에너지 전달 시스템들에 대한 호스트들로서 고려되고, 안전한 동작을 위한 그 지원하는 에너지 전달 시스템들의 최신 스테이터스에 의존할 수 있는 모터 제어들, 사용자 또는 조작자 인터페이스들, 및 유사한 것과 같은 다른 시스템들을 가질 수 있다. 전기 차량의 경우에, 이러한 호스트 시스템은 배터리 온도가 일부 임계치를 초과하거나 이용가능한 에너지가 일부 임계치보다 더 낮아질 경우에 모터들의 속력을 감소시킬 수 있는 모터 제어 시스템일 수 있다. 디지털 통신 링크들(1407, 1807)은 에너지 전달 시스템(1400, 1800)의 스테이터스의 순간적 설명을 급전된 장비에 업스트림으로 전달하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들에 따르면, 에너지 전달 시스템들(1400, 1800)에 대하여 개시된 연료 게이지들은 MCU(1404, 1804)로부터의 별도의 패키지 내에 있을 수 있는 집적 회로로서 구현될 수 있지만, 그 기능들은 또한, MCU(1404, 1804) 내로 통합될 수 있다. 연료 게이지들은 직접적인 측정에 의해, 또는 MCU(1404, 1804)에 의해 연료 게이지로 중계되는 AFE들로부터의 디지털 데이터의 패킷으로서 배터리 온도 정보 및 배터리 셀 전압 정보를 수신하도록 구성될 수 있고, 및/또는 전류 감지 저항기를 가로질러 나타나는 아날로그 전압을 측정하고 이 측정치들을 디지털 또는 아날로그 도메인들에서의 어느 하나에서 연속적으로 수학적으로 통합하는 쿨롱 카운터(coulomb counter)로서 구성된 아날로그-대-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 감지 저항기를 가로질러서 전개된 이 전압은 배터리 셀 스택 내로 또는 배터리 셀 스택 외부로 흐르는 전류의 직접적인 표현이고, 여기서, 네거티브 전압들은 배터리 셀 스택의 외부로 흐르는 전류를 표현하고(방전), 포지티브 전압들은 배터리 셀 스택 내로 흐르는 전류를 표현한다(충전). 시간에 대하여 이 전류들을 수학적으로 적분함으로써, 배터리 셀 스택 내에 포함된 충전에서의 순변화(net change)가 결정될 수 있고, 알려진 시작 SOC를 갖는 임의의 주어진 시간에 배터리 충전에서의 순변화를 합산함으로써, 현재의 SOC가 결정될 수 있다. 연료 게이지는 또한, 충전 및 현재의 SOC에서의 단지 총 순변화(net change) 뿐만 아니라, 감지 저항기에서의 순간적인 전류, (수 초 또는 수십 초와 같은) 일부 평균화 시간 주기에 걸친 감지 저항기에서의 평균 전류, (배터리 셀 스택의 가동중 날짜로부터 시작하는 각각의 방향에서의 총 통과된 충전에 의해 결정된) 충전 및 방전 사이클들의 총 수, 및 개별적인 셀들 및/또는 모든 셀들의 전체에 대한 배터리 셀들의 저항과 같은 다른 파라미터들을 컴퓨팅하기 위하여 디지털 하드웨어 및 프로그래밍된 명령들을 포함하도록 구성될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들에 따르면, 에너지 전달 시스템들(1400 및 1800)에 대하여 개시된 배터리 스택들은 또한, 공통 제어 시스템에 의해 관리된 역류-방지 디바이스(anti-backflow device)를 포함할 수 있다. 이러한 역류-방지 디바이스의 기능은 하나의 배터리 스택으로부터 또 다른 것으로의 에너지의 원하지 않는 전송을 방지하기 위한 것이다. 이러한 역류-방지 디바이스의 동작이 제PCT/US2017/068301호에서 설명된다.
본 개시내용의 대안적인 실시예들에 따르면, 가변 임피던스 네트워크(들)는 가변 임피던스 네트워크(들)는 다수의 직렬 접속된 저항기들, 및 병렬로 그 다음으로 접속되는 연관된 스위치들로 구성될 수 있다. 이러한 가변 임피던스 네트워크로 구성된 에너지 전달 시스템은 유사한 방식으로 별도의 배터리 스택들의 특성 V-I 곡선들을 조작하기 위한 능력을 제공하고, 배터리 스택들 또는 에너지 저장 시스템들 사이에서 방전 전류들을 바이어싱할 시에 유사한 결과들을 달성할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 실시예에서, 가변 임피던스 네트워크(들)는 직렬인 저항기들보다 전류-종속적 전압 강하에서의 더 미세한 분해능을 제공하기 위하여 병렬로 접속된 저항기들로 구성될 수 있다. 전압 단계들에 대한 증가된 분해능은 에너지 전달 시스템(1400, 1800)의 출력 전압을 추가로 조정하기 위하여 이용될 수 있다.
본 개시내용의 대안적인 실시예들에 따르면, 가변 임피던스 네트워크들 중의 임의의 것 또는 전부에서의 스위칭가능한 다이오드들 중의 하나 또는 그 초과는 병렬 스위칭가능한 저항기들의 네트워크로 대체될 수 있다. 이러한 구성들 하에서, 제어 시스템은 "대략적" 조절을 위하여 직렬 다이오드들을, 그리고 "미세한" 조절로서 병렬 저항기들을 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 개시내용의 실시예들은 스위칭가능한 다이오드들, 스위칭가능한 저항기들, 또는 둘 모두의 조합을 포함하는 가변 임피던스 네트워크들 중의 하나 또는 그 초과로 구현될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 본 개시내용의 실시예들은 용량계측 에너지 저장을 최대화하기 위하여 높은 에너지 밀도를 요구하는 비중단가능한 전력 공급(uninterruptable power supply)("UPS") 시스템들 및 에너지 저장 시스템들에서 사용될 수 있다. 이들은 또한, 특히, 반복적인 심층 방전 조건들에서 높은 사이클 수명을 요구한다. 에너지 저장 시스템들은 하루에 한 번 전체 충전/방전 사이클을 거치도록 구성될 수 있다. 그러나, 시스템을 위한 방전의 심도는 부하 수요에 기초하여 변동될 것이다. 낮은 부하 수요는 에너지 저장 시스템에 의해 전달된 요구된 에너지를 감소시킬 것이어서, 전력 밀도를 위하여 설계된 배터리 스택을 비우는(drain) 것이 아니라, 높은 사이클 카운트를 위하여 설계된 배터리 스택을 먼저 비울 것이다.
본 명세서에서 설명된 본 개시내용의 실시예들은 긴 사이클 수명의 긴 실행 시간들이 우선순위를 취하는 차량 애플리케이션들을 위하여 사용될 수 있지만, 순시적인 높은 전류 부하들을 위한 주기적인 수요들이 있다.
본 기술분야에서의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이, 본 발명의 양태들(예컨대, 제어 시스템들(1404, 1804) 및 프로세스(1700))은 시스템, 방법, 및/또는 프로그램 제품으로서 구체화될 수 있다. 따라서, 본 발명의 양태들(예컨대, 제어 시스템들(1404, 1804), AFE들, 연료 게이지들, 가변 임피던스 네트워크들)은 전적으로 하드웨어 실시예, (펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함하는) 전적으로 소프트웨어 실시예, 또는 "회로", "회로부", "모듈", 또는 "시스템"으로서 본 명세서에서 일반적으로 모두 지칭될 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 양태들을 조합하는 실시예들의 형태를 취할 수 있다. 또한, 본 발명의 양태들(예컨대, 프로세스(1700))은 매체 상에서 구체화된 컴퓨터 판독가능 프로그램 코드를 가지는 하나 또는 그 초과의 컴퓨터 판독가능 저장 매체(들)에서 구체화된 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. (그러나, 하나 또는 그 초과의 컴퓨터 판독가능 매체(들)의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 판독가능 신호 매체 또는 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다.)
또한, 프로세스(1700)에서 표현된 회로 블록도들 및/또는 기능성들의 각각의 블록, 및 프로세스(1700)에서 표현된 회로 블록도들 및/또는 기능성들에서의 블록들의 조합들은 특정된 기능들 또는 액트들을 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템들, 또는 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령들의 조합들에 의해 구현될 수 있다는 것이 또한 주목될 것이다. 예를 들어, 모듈(예컨대, 제어 시스템들(1404, 1804), AFE들, 연료 게이지들, 가변 임피던스 네트워크들)은 맞춤형 VLSI 회로들 또는 게이트 어레이들, 로직 칩들과 같은 기성품 반도체들, 트랜지스터들, 제어기들, 또는 다른 개별 컴포넌트들을 포함하는 하드웨어 회로로서 구현될 수 있다. 모듈(예컨대, 제어 시스템들(1404, 1804), AFE들, 연료 게이지들, 가변 임피던스 네트워크들)은 또한, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이들, 프로그래밍가능 어레이 로직, 프로그래밍가능 로직 디바이스들 등과 같은 프로그래밍가능 하드웨어 디바이스들에서 구현될 수 있다.
본 명세서에서 이용된 제목들은 오직 편성적 목적들을 위한 것이고, 설명의 범위를 제한하기 위하여 이용되도록 의도된 것은 아니다. 이 출원의 전반에 걸쳐 이용된 바와 같이, 단어 "할 수 있다(may)"는 의무적 의미(즉, must를 의미함)가 아니라, 허용적 의미(즉, 가능성을 가진다는 것을 의미함)로 이용된다. 유사하게, 단어들 "포함한다(include)", "포함하는(including)", 및 "포함한다(includes)", "포함한다(contain)", "포함하는(containing)", 및 "포함한다(contains)"는 포함하는 것을 의미하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.
다양한 유닛들, 회로들, 회로부, 또는 다른 컴포넌트들(예컨대, 제어 시스템들(1404, 1804), AFE들, 연료 게이지들, 가변 임피던스 네트워크들)은 태스크 또는 태스크들을 수행하도록 "구성된" 것으로서 설명될 수 있다. 이러한 문맥들에서, "~도록 구성된(configured to)"은 동작 동안에 태스크 또는 태스크들을 수행 "할 수 있는 회로부를 가지는(having circuitry that is capable of)"을 일반적으로 의미하는 구조의 폭넓은 인용구이다. 이와 같이, 유닛/회로/컴포넌트는 유닛/회로/컴포넌트가 현재 온(on)이 아니더라도 태스크를 수행하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, "~도록 구성된"에 대응하는 구조를 형성하는 회로부는 하드웨어 회로들 및/또는 (펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함하는) 소프트웨어를 포함할 수 있다. 유사하게, 다양한 유닛들/회로들/컴포넌트들은 설명에서의 편의성을 위하여 태스크 또는 태스크들을 수행하는 것으로서 설명될 수 있다. 이러한 설명들은 어구 "~도록 구성된"을 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 하나 또는 그 초과의 태스크를 수행하도록 구성되는 유닛/회로/컴포넌트를 인용하는 것은 그 유닛/회로/컴포넌트에 대한 35 U.S.C. §112 단락 6 해석을 소환하지 않도록 명백히 의도된다.
이와 다르게 정의되지 않으면, 본 명세서에서 이용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 개시된 발명 요지가 속하는 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게 보편적으로 이해된 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서에서 이용된 바와 같이, 용어들 "약(about)" 및 "대략(approximately)"은 주어진 값이 종점을 "약간 초과(a little above)" 또는 "약간 미만(a little below)"일 수 있다는 것을 규정함으로써 수치적 범위 종점에 대한 신축성을 제공하기 위하여 이용된다.
본 명세서에서의 설명에서, 플로우차트 기법은 일련의 순차적인 액션들로 설명될 수 있다. 액션들의 시퀀스(sequence), 및 액션들을 수행하는 당사자는 교시사항들의 범위로부터 이탈하지 않으면서 자유롭게 변경될 수 있다. 액션들은 몇몇 방식들로 추가될 수 있거나, 삭제될 수 있거나, 변경될 수 있다. 유사하게, 액션들은 재순서화될 수 있거나 루프화될 수 있다. 또한, 프로세스들, 방법들, 알고리즘들 등은 순차적인 순서로 설명될 수 있지만, 이러한 프로세스들, 방법들, 알고리즘들, 또는 그 임의의 조합은 대안적인 순서들로 수행되도록 동작가능할 수 있다. 또한, 적어도 일정 시점 동안에 동시에 수행될 수 있는 프로세스, 방법, 또는 알고리즘 내의 일부 액션들(예컨대, 병렬로 수행된 액션들)은 또한, 전체적으로, 부분적으로, 또는 그 임의의 조합으로 수행될 수 있다.
반대로 명백히 언급되지 않는다면, "또는(or)"은 배타적-또는(exclusive-or)이 아니라 포함적-또는(inclusive-or)을 지칭한다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 다음 중의 임의의 하나에 의해 만족된다: A는 참(또는 존재함)이고 B는 거짓(또는 존재하지 않음)이고, A는 거짓(또는 존재하지 않음)이고 B는 참(또는 존재함)이고, A 및 B의 둘 모두는 참(또는 존재함)이다.
본 명세서에서 이용된 바와 같이, 용어 "및/또는(and/or)" 및 엔티티들의 리스트의 문맥에서 이용될 때의 2 개의 단어들 사이의 "/" 문자의 이용은 단독으로 또는 조합으로 존재하는 엔티티들을 지칭한다. 따라서, 예를 들어, 어구 "A, B, C, 및/또는 D(A, B, C, and/or D)"는 A, B, C, 및 D를 개별적으로 포함하지만, 또한, A, B, C, 및 D의 임의의 그리고 모든 조합들 및 하위조합들을 포함한다.
또한, 단수 표현의 이용은 본 명세서에서 설명된 엘리먼트들 및 자원들을 설명하기 위하여 채용된다. 이것은 단지 편의성을 위하여, 그리고 발명의 범위의 일반적인 의미를 부여하기 위하여 행해진다. 이 설명은 하나 또는 적어도 하나를 포함하도록 판독되어야 하고, 단수는 또한, 단수가 이와 다르게 의도되는 것이 명확하지 않으면, 복수를 포함하거나 그 반대도 마찬가지이다. 예를 들어, 단일 디바이스가 본 명세서에서 설명될 때, 하나 초과의 디바이스가 단일 디바이스 대신에 이용될 수 있다. 유사하게, 하나 초과의 디바이스가 본 명세서에서 설명될 경우에, 단일 디바이스는 그 하나의 디바이스를 위하여 치환될 수 있다.
본 명세서에서 설명되지 않은 한도까지, 특정 재료들, 프로세싱 액트들, 및 회로들에 관한 많은 세부사항들은 기존의 것이고, 컴퓨팅, 전자, 및 소프트웨어 기술분야들 내의 텍스트북(textbook)들 및 다른 소스들에서 발견될 수 있다.

Claims (20)

  1. 에너지 전달 시스템으로서,
    제1 에너지 저장 시스템;
    제2 에너지 저장 시스템;
    상기 제1 에너지 저장 시스템과 출력 단자 사이에 결합된 제1 가변 임피던스 네트워크 ―상기 제1 가변 임피던스 네트워크는 제1 조절가능한 임피던스를 가짐―;
    상기 제2 에너지 저장 시스템과 상기 출력 단자 사이에 결합된 제2 가변 임피던스 네트워크 ―상기 제2 가변 임피던스 네트워크는 제2 조절가능한 임피던스를 가짐―; 및
    선택적으로, (1) 상기 제1 에너지 저장 시스템에 의해 상기 출력 단자로 전달된 제1 전류의 레벨을 변화시키기 위하여 상기 제1 조절가능한 임피던스를 조절할 것을 상기 제1 가변 임피던스 네트워크에 시그널링하고, 그리고 (2) 상기 제2 에너지 저장 시스템에 의해 상기 출력 단자로 전달된 제2 전류의 레벨을 변화시키기 위하여 상기 제2 조절가능한 임피던스를 조절할 것을 상기 제2 가변 임피던스 네트워크에 시그널링하도록 구성된 제어 시스템
    을 포함하는, 에너지 전달 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 가변 임피던스 네트워크는 상기 제어 시스템의 제어 하에서 미리 결정된 범위에 걸쳐 상기 제1 가변 임피던스 네트워크의 유효 저항을 조절하도록 구성된 복수의 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들을 포함하는, 에너지 전달 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 가변 임피던스 네트워크는 상기 제어 시스템의 제어 하에서 미리 결정된 범위에 걸쳐 상기 제1 가변 임피던스 네트워크에 존재하는 다수의 순방향 다이오드 전압 강하들을 조절하도록 구성된 복수의 스위칭가능한 다이오드들을 포함하는, 에너지 전달 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 상기 제2 에너지 저장 시스템과 실질적으로 상이한, 에너지 전달 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 제1 특성 V-I 곡선으로 구성되고, 상기 제2 에너지 저장 시스템은 제2 특성 V-I 곡선으로 구성되고, 상기 제1 특성 V-I 곡선은 상기 제2 특성 V-I 곡선과 상이하고, 상기 제1 특성 V-I 곡선은 미리 결정된 충전 상태에서 상기 제2 특성 V-I 곡선과 교차하는, 에너지 전달 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 제1 특성 V-I 곡선이 상기 제2 특성 V-I 곡선과 교차하는 곳을 조절하기 위하여 상기 제1 가변 임피던스 네트워크 및 상기 제2 가변 임피던스 네트워크 중 적어도 하나에 시그널링하도록 구성되는, 에너지 전달 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 각각이 제1 화학적 조성을 가지는 복수의 배터리 셀들의 제1 배터리 셀 스택을 포함하고, 상기 제2 에너지 저장 시스템은 각각이 제2 화학적 조성을 가지는 복수의 배터리 셀들의 제2 배터리 셀 스택을 포함하고, 상기 제1 화학적 조성은 상기 제2 화학적 조성과 상이하고, 상기 제1 배터리 셀 스택은 상기 출력 단자에 대하여 상기 제2 배터리 셀 스택에 병렬로 결합되는, 에너지 전달 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 배터리 셀 스택은 제1 수의 배터리 셀들을 포함하고, 상기 제2 배터리 셀 스택은 제2 수의 배터리 셀들을 포함하고, 상기 제1 수는 상기 제2 수와 상이한, 에너지 전달 시스템.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 화학적 에너지 저장 시스템, 운동 에너지 저장 시스템, 및 위치 에너지 저장 시스템으로 구성되는 제1 그룹으로부터 선택되고, 상기 제2 에너지 저장 시스템은 화학적 에너지 저장 시스템, 운동 에너지 저장 시스템, 및 위치 에너지 저장 시스템으로 구성되는 제2 그룹으로부터 선택되는, 에너지 전달 시스템.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 제1 에너지 저장 시스템 및 상기 제2 에너지 저장 시스템에 의해 상기 출력 단자에 제공된 전류의 상대적 백분율을 제어하기 위하여 상기 제1 가변 임피던스 네트워크 및 상기 제2 가변 임피던스 네트워크 중 적어도 하나에 시그널링하도록 구성되는, 에너지 전달 시스템.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 제1 에너지 저장 시스템 및 상기 제2 에너지 저장 시스템으로부터 수집된 파라메트릭 데이터(parametric data)의 함수로써 상기 제1 가변 임피던스 네트워크 및 상기 제2 가변 임피던스 네트워크에 선택적으로 시그널링하도록 구성되고, 상기 파라메트릭 데이터는 제1 에너지 저장 소스에 의한 상기 제1 전류의 전달 및 제2 에너지 저장 소스에 의한 상기 제2 전류의 전달과 연관된 전압 및 전류 측정치들을 포함하는, 에너지 전달 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템과 연관된 제1 전압을 측정하고 상기 제1 전압을 상기 제어 시스템으로 통신하도록 구성된 제1 아날로그 프론트 엔드;
    상기 제2 에너지 저장 시스템과 연관된 제2 전압을 측정하고 상기 제2 전압을 상기 제어 시스템으로 통신하도록 구성된 제2 아날로그 프론트 엔드;
    상기 제1 에너지 저장 시스템에 결합된 제1 감지 저항기;
    상기 제1 감지 저항기에 결합된 제1 연료 게이지 회로 ―상기 제1 연료 게이지 회로는 상기 제1 감지 저항기에 의해 감지된 상기 제1 전류의 함수로써 제1 정보를 결정하고 상기 제1 정보를 상기 제어 시스템으로 통신하도록 구성됨―;
    상기 제2 감지 저항기에 결합된 제2 연료 게이지 회로 ―상기 제2 연료 게이지 회로는 상기 제2 감지 저항기에 의해 감지된 상기 제2 전류의 함수로써 제2 정보를 결정하고 상기 제2 정보를 상기 제어 시스템으로 통신하도록 구성됨―
    를 더 포함하고, 상기 제어 시스템은 상기 제1 전압, 상기 제2 전압, 상기 제1 정보, 및 상기 제2 정보의 함수로써 상기 제1 가변 임피던스 네트워크 및 상기 제2 가변 임피던스 네트워크에 선택적으로 시그널링하도록 구성되는, 에너지 전달 시스템.
  13. 에너지를 부하(load)에 전달하기 위한 방법으로서,
    제1 에너지 저장 시스템에 의한 상기 부하에 대한 제1 전류의 공급에 관련한 전압 및 전류 정보를 포함하는 제1 파라메트릭 데이터를 수집하는 단계;
    제2 에너지 저장 시스템에 의한 상기 부하에 대한 제2 전류의 공급에 관련한 전압 및 전류 정보를 포함하는 제2 파라메트릭 데이터를 수집하는 단계;
    상기 수집된 제1 파라메트릭 데이터 및 제2 파라메트릭 데이터의 함수로써 제1 가변 임피던스 네트워크로 상기 제1 전류를 조절하는 단계 ―상기 제1 가변 임피던스 네트워크는 상기 제1 에너지 저장 시스템과 상기 부하 사이에 결합됨―;
    상기 수집된 제1 파라메트릭 데이터 및 제2 파라메트릭 데이터의 함수로써 제2 가변 임피던스 네트워크로 상기 제2 전류를 조절하는 단계
    를 포함하고, 상기 제2 가변 임피던스 네트워크는 상기 제2 에너지 저장 시스템과 상기 부하 사이에 결합되고, 상기 제1 에너지 저장 시스템 및 상기 제2 에너지 저장 시스템은 상기 부하에 대하여 병렬로 결합되고, 상기 제1 에너지 저장 시스템은 상기 제2 에너지 저장 시스템과는 상이한 화학적 조성 또는 물리적 구성을 갖는, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 전류의 조절은 상기 제1 파라메트릭 데이터를 수집한 제어 시스템으로부터 수신된 제1 제어 신호에 응답하여 수행되고, 상기 제2 전류의 조절은 상기 제2 파라메트릭 데이터를 또한 수집한 상기 제어 시스템으로부터 수신된 제2 제어 신호에 응답하여 수행되는, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 가변 임피던스 네트워크는 상기 제1 제어 신호에 응답하여 상기 제1 가변 임피던스 네트워크의 유효 저항을 조절하도록 구성된 복수의 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들을 포함하고, 상기 제2 가변 임피던스 네트워크는 상기 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제2 가변 임피던스 네트워크의 유효 저항을 조절하도록 구성된 복수의 스위칭가능한 저항성 엘리먼트들을 포함하는, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 가변 임피던스 네트워크는 상기 제1 제어 신호에 응답하여 상기 제1 가변 임피던스 네트워크에 존재하는 순방향 다이오드 전압 강하들의 수를 조절하도록 구성된 복수의 스위칭가능한 다이오드들을 포함하고, 상기 제2 가변 임피던스 네트워크는 상기 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제2 가변 임피던스 네트워크에 존재하는 순방향 다이오드 전압 강하들의 수를 조절하도록 구성된 복수의 스위칭가능한 다이오드들을 포함하는, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 제1 특성 V-I 곡선으로 구성되고, 상기 제2 에너지 저장 시스템은 제2 특성 V-I 곡선으로 구성되고, 상기 제1 특성 V-I 곡선은 상기 제2 특성 V-I 곡선과 상이하고, 상기 제1 특성 V-I 곡선은 미리 결정된 충전 상태에서 상기 제2 특성 V-I 곡선과 교차하고, 상기 제어 시스템은 상기 제1 특성 V-I 곡선이 상기 제2 특성 V-I 곡선과 교차하는 곳을 조절하기 위하여 상기 제1 가변 임피던스 네트워크 및 상기 제2 가변 임피던스 네트워크 중 적어도 하나에 시그널링하도록 구성되는, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
  18. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 각각이 제1 화학적 조성을 가지는 복수의 배터리 셀들의 제1 배터리 셀 스택을 포함하고, 상기 제2 에너지 저장 시스템은 각각이 제2 화학적 조성을 가지는 복수의 배터리 셀들의 제2 배터리 셀 스택을 포함하고, 상기 제1 화학적 조성은 상기 제2 화학적 조성과 상이한, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
  19. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 화학적 에너지 저장 시스템, 운동 에너지 저장 시스템, 및 위치 에너지 저장 시스템으로 구성되는 제1 그룹으로부터 선택되고, 상기 제2 에너지 저장 시스템은 화학적 에너지 저장 시스템, 운동 에너지 저장 시스템, 및 위치 에너지 저장 시스템으로 구성되는 제2 그룹으로부터 선택되는, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
  20. 제14 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 제1 전류 및 상기 제2 전류에 의해 출력 단자에 제공된 전류의 상대적 백분율을 제어하기 위하여 상기 제1 가변 임피던스 네트워크 및 상기 제2 가변 임피던스 네트워크 중 적어도 하나에 시그널링하도록 구성되는, 에너지를 부하에 전달하기 위한 방법.
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