KR20220103696A - 스마트 전자 절연 시스템을 가진 배터리 모듈 - Google Patents

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리차드 휘트니
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스파크차지 인코포레이티드
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Abstract

배터리 모듈은 전력 접점의 제1 세트 및 신호 접점의 제1 세트를 포함한다. 배터리 팩은 전력을 전력 접점의 세트로 전달하도록 작동 가능하다. 전자 절연 시스템은 배터리 팩과 전력 접점의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 전기적으로 연결시키도록 작동 가능하다. 전자 제어 시스템은 배터리 모듈 및 전기 디바이스의 충전 상태, 건강 상태, 온도 및 전력 간의 비교를 획득하도록 작동 가능하다. 비교 중 적어도 하나에 기초한 폐쇄 매개변수가 계산된다. 폐쇄 매개변수는 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값에 비교하여 연결 결정을 발생시킨다. 전자 절연 시스템은 각각 양의 또는 음의 연결 결정 결과에 기초하여 배터리 팩을 전력 접점의 제1 세트에 연결시키거나 또는 분리시킨다.

Description

스마트 전자 절연 시스템을 가진 배터리 모듈
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 제62/892,809호(출원일: 2019년 8월 28일, 발명의 명칭: Battery Interlock Smart Close-In System)의 우선권을 주장한다. 전술한 출원의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
기술 분야
본 개시내용은 배터리 모듈에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용은 스마트 전자 절연 시스템을 가진 배터리 모듈에 관한 것이다.
배터리 모듈 시스템은 임의의 수의 배터리 모듈의 세트이고, 각각의 배터리 모듈은 배터리 팩을 포함한다. 각각의 배터리 팩은 하나 이상의 배터리 전지를 포함한다. 배터리 모듈 시스템의 배터리 모듈이 직렬로, 병렬로 또는 둘 다의 혼합으로 전기적으로 구성되어 임의의 수의 적용을 위해 필요한 원하는 전압, 정전 용량 또는 전력 밀도를 전달할 수도 있다. 배터리 모듈 시스템은 전기차(electric vehicle: "EV")를 충전하는 것, 무거운 듀티 전동 공구에 전력공급하는 것 등과 같은 에너지 밀도가 높은 배터리 적용에서 사용된다.
배터리 모듈 시스템의 배터리 모듈을 조립하는 위험은 배터리 팩이 동일하게 매칭되는 한 낮을 수도 있다. 배터리 팩은 내부 저항, 초기 전압 및 충전 상태(state of charge: SOC)와 같은 이러한 매개변수에 대해 초기 제조업자에게 정밀하게 측정되고, 교정되고, 매칭될 수도 있다. 이어서 배터리 모듈은 수송을 위해 합법적인 SOC(예를 들어, 완전한 충전의 30% 내지 60%)까지 공장에서 방전될 수도 있고 배터리 모듈이 원하는 배터리 모듈 시스템으로 조립되는, 이들의 최종 목적지로 수송될 수도 있다.
그러나, 문제가 많게도, 배터리 모듈은 수송 동안 부주의로 변경된 이들의 SOC, 내부 저항 및 다른 내부 매개변수를 가질 수도 있다. 예를 들어, 전도성 물질은 수송 동안 배터리 모듈의 전력 접점과 접촉할 수도 있다. 부가적으로, 배터리 모듈은 사용 동안 상이한 속도로 또는 상이한 정도로 변경된 이들의 내부 매개변수를 가질 수도 있다. 2개의 배터리 모듈 간의 내부 매개변수의 차가 허용할 수 없게 높다면, 아크 발생, 화재 또는 다른 위험 요소의 위험이 상당히 증가한다.
게다가, 2개의 배터리 모듈이 상당히 상이한 SOC로 있다면, 더 큰 SOC를 가진 배터리 모듈이 더 작은 SOC를 가진 배터리 모듈로 방전될 것이고, 총 전력 출력이 상당히 감소될 것이다. 게다가, 배터리 모듈 간의 상당히 상이한 SOC는 역류 전류를 유발할 수도 있고, 이는 배터리 모듈을 손상시킬 수 있다.
따라서, 내부 매개변수가 상당히 상이하다면 다른 배터리 모듈(또는 다른 유사한 전기 디바이스)와의 전기 접촉을 방지하거나 또는 억제할 수 있는 배터리 모듈이 필요하다. 게다가, 역류를 방지하거나 또는 억제할 수 있는 배터리 모듈이 필요하다. 부가적으로, 배터리 모듈 시스템의 개별적인 배터리 모듈이 각각의 배터리 모듈의 내부 매개변수의 차에 따라 서로 선택적으로 연결될 수도 있는, 배터리 모듈 시스템이 필요하다.
본 개시내용은 배터리 팩과 배터리 모듈의 전력 접점 간에 전기적으로 연결된 전자 절연 시스템 및 전자 절연 시스템을 제어하는 전자 제어 시스템을 제공함으로써 종래 기술에 비해 이점 및 대안을 제공한다. 전자 제어 시스템에 의해 제어되는 전자 절연 시스템은 배터리 모듈 또는 배터리 모듈에 연결되는 제2 전기 디바이스로부터의 하나 이상의 매개변수가 허용 불가능한 값에 있다면 배터리 팩이 전력 접점에 연결되는 것을 방지한다. 예를 들어, 제1 및 제2 배터리 모듈의 SOC가 값의 허용 가능한 범위 외에 있다면, 전자 제어 시스템은 배터리 팩과 제2 배터리 모듈에 연결되는 제1 배터리 모듈의 전력 연결기 간의 전기 접촉을 방지할 수도 있다. 게다가, 배터리 모듈이 배터리 모듈 시스템에 조립될 수도 있고 배터리 모듈의 각각은 이들의 내부 매개변수의 차에 따라 다른 배터리 모듈에 선택적으로 연결될 수도 있다. 부가적으로, 제어 시스템은 배터리 모듈이 연결될지라도 전력 연결기로부터 배터리 모듈의 배터리 팩으로의 전류 역류를 방지하거나 또는 억제한다.
본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른 배터리 모듈은 전력 접점의 제1 세트 및 신호 접점의 제1 세트를 포함한다. 배터리 팩은 전력을 전력 접점의 세트로 전달하도록 작동 가능하다. 전자 절연 시스템은 배터리 팩과 전력 접점의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 전기적으로 연결시키도록 작동 가능하다. 전자 제어 시스템은 전자 절연 시스템에 그리고 신호 접점의 제1 세트 및/또는 전력 접점의 제1 세트에 전기적으로 연결된다. 전자 제어 시스템은 배터리 모듈과 전기 디바이스의 충전 상태 간의 제1 비교를 획득하고, 배터리 모듈과 전기 디바이스의 건강 상태 간의 제2 비교를 획득하고, 배터리 모듈과 전기 디바이스의 온도 간의 제3 비교를 획득하고, 배터리 모듈과 전기 디바이스의 전력 간의 제4 비교를 획득하도록 작동 가능하다. 제1 비교, 제2 비교, 제3 비교 및/또는 제4 비교에 기초하는 폐쇄 매개변수는 전자 제어 시스템에 의해 계산된다. 폐쇄 매개변수가 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값을 비교되어 제1 배터리 모듈을 전기 디바이스에 연결시키는 것이 바람직한지에 대한 연결 결정을 발생시킨다. 전자 절연 시스템은 양의 연결 결정 결과에 기초하여 배터리 팩을 전력 접점의 제1 세트에 연결시킨다. 전자 절연 시스템은 음의 연결 결정 결과에 기초하여 배터리 팩과 전력 접점의 제1 세트를 분리시킨다.
본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른 배터리 모듈 시스템은 배터리 모듈 시스템 전력 버스 및 복수의 배터리 모듈을 포함한다. 복수의 배터리 모듈 중 제1 배터리 모듈은 전력 버스에 전기적으로 연결된 전력 접점의 제1 세트, 신호 접점의 제1 세트, 및 전력을 전력 접점의 제1 세트로 전달하도록 작동 가능한 제1 배터리 팩을 포함한다. 제1 전자 절연 시스템은 제1 배터리 팩과 전력 접점의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 연결시키도록 작동 가능하다. 제1 전자 제어 시스템은 전자 절연 시스템에 그리고 신호 접점의 제1 세트 및/또는 전력 접점의 제1 세트에 전기적으로 연결된다. 전자 제어 시스템은 복수의 배터리 모듈 중 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈의 충전 상태 간의 제1 비교를 획득하고, 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈의 건강 상태 간의 제2 비교를 획득하고, 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈의 온도 간의 제3 비교를 획득하고, 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈의 전력 간의 제4 비교를 획득하도록 작동 가능하다. 폐쇄 매개변수가 제1 비교, 제2 비교, 제3 비교 및/또는 제4 비교에 기초하여 계산된다. 폐쇄 매개변수가 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값과 비교되어 제1 배터리 모듈을 제2 배터리 모듈에 연결시키는 것이 바람직한지에 대한 연결 결정을 발생시킨다. 전자 절연 시스템은 양의 연결 결정 결과에 기초하여 배터리 팩을 전력 접점의 제1 세트에 연결시킨다. 전자 절연 시스템은 음의 연결 결정 결과에 기초하여 배터리 팩과 전력 접점의 제1 세트를 분리시킨다.
본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른 배터리 모듈을 전기 디바이스에 연결시키는 컴퓨터 구현 방법은 배터리 모듈 및 전기 디바이스의 온도를 적어도 하나의 온도 센서를 사용하여 측정하는 단계, 배터리 모듈 및 전기 디바이스의 전류를 적어도 하나의 전류 센서를 사용하여 측정하는 단계 및 배터리 모듈 및 전기 디바이스의 전압을 적어도 전압 센서를 사용하여 측정하는 단계를 포함한다. 배터리 모듈의 충전 상태, 건강 상태 및 전력이 배터리 모듈의 전류, 온도 또는 전압 중 적어도 하나로부터 계산된다. 전기 디바이스의 충전 상태, 건강 상태 및 전력이 전기 디바이스의 전류, 온도 또는 전압 중 적어도 하나로부터 계산된다. 배터리 모듈과 전기 디바이스의 충전 상태 간의 제1 비교가 획득된다. 배터리 모듈과 전기 디바이스의 건강 상태 간의 제2 비교가 획득된다. 배터리 모듈과 전기 디바이스의 온도 간의 제3 비교가 획득된다. 배터리 모듈과 전기 디바이스의 전력 간의 제4 비교가 획득된다. 폐쇄 매개변수가 제1 비교, 제2 비교, 제3 비교 및 제4 비교에 기초하여 계산된다. 폐쇄 매개변수가 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값과 비교되어 연결 결정을 발생시킨다.
본 개시내용은 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 더 완전히 이해될 것이다:
도 1은 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 배터리 모듈 및 이의 외부 인터페이스의 실시예의 개략도;
도 2는 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 도 1의 배터리 모듈의 전력 및 통신 시스템의 실시형태의 실시예의 개략도;
도 3은 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 배터리 모듈(예컨대, 도 1)과 전기 디바이스 간의 제어 인터페이스의 실시예의 개략도;
도 4는 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 도 2의 전기 제어 시스템, 전기 절연 시스템 및 전력 흐름 제어 시스템의 회로망의 실시형태의 실시예의 개략도;
도 5는 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 도 1의 복수의 배터리 모듈을 가진 배터리 모듈 시스템의 실시형태의 실시예의 개략도;
도 6은 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 도 1의 배터리 모듈의 전력 및 통신 시스템의 또 다른 실시형태의 실시예의 개략도;
도 7은 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 도 6의 전기 제어 시스템 및 전기 절연 시스템의 회로망의 또 다른 실시형태의 실시예의 개략도;
도 8은 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 도 1의 복수의 배터리 모듈을 가진 배터리 모듈 시스템의 또 다른 실시형태의 실시예의 개략도; 및
도 9는 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 배터리 모듈, 예컨대, 도 1의 배터리 모듈을 전기 디바이스에 연결시키기 위한 방법의 실시예의 흐름도.
특정한 실시예가 이제 본 명세서에서 개시된 방법, 시스템 및 디바이스의 구조, 기능, 제작 및 용도의 원리의 전반적인 이해를 제공하기 위해 설명될 것이다. 하나 이상의 실시예가 첨부 도면에 예시된다. 당업자는 본 명세서에서 구체적으로 설명되고 첨부 도면에 예시된 방법, 시스템 및 디바이스가 비제한적인 실시예이고 본 개시내용의 범위가 청구범위에 의해서만 규정된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 실시예와 연관되어 예시되거나 또는 설명되는 특징은 다른 실시예의 특징과 결합될 수도 있다. 이러한 변경 및 변형은 본 개시내용의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
청구범위를 포함하는, 본 개시내용 전반에 걸쳐 사용될 수도 있는 용어 "상당히", "실질적으로", "대략", "약", "비교적" 또는 다른 이러한 유사한 용어는 예컨대, 기준 또는 매개변수로부터의 처리 시 변동에 기인하여 작은 변동을 설명하고 기술하기 위해 사용된다. 이러한 작은 변동은 또한 기준 또는 매개변수로부터의 0 변동을 포함한다. 예를 들어, 변동은 ± 10% 이하, 예컨대, ± 5% 이하, 예컨대, ± 2% 이하, 예컨대, ± 1% 이하, 예컨대, ± 0.5% 이하, 예컨대, ± 0.2% 이하, 예컨대, ± 0.1% 이하, 예컨대, ± 0.05% 이하를 나타낼 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 제1 배터리 모듈(100) 및 이의 외부 인터페이스의 실시예의 개략도가 도시된다. 외부 인터페이스는 전력 접점(102)의 하나 이상의 세트 및 신호 접점(104)의 하나 이상의 세트를 포함한다. 전력 접점(102)의 각각의 세트는 배터리 팩(106)(도 2 참조)으로부터 생성된 전력을 배터리 모듈(100)로 전달하도록 작동 가능한 하나 이상의 접점을 가질 수도 있다. 신호 접점(104)의 각각의 세트는 신호를 전달하고, 전송하고/하거나 수신하도록 작동 가능한 하나 이상의 접점을 가질 수도 있다.
개요로서, 배터리 모듈, 예컨대, 배터리 모듈(100)이 수송 및 저장 동안 외부 세계로부터 전기적으로 절연되어 전기 충격 및 다른 안전 위험 요소, 예컨대, 아크 발생을 방지할 수도 있다. 본 명세서에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 전력 접점(102)의 활성화를 허용하기 전에 하드웨어 및 소프트웨어 리던던시를 사용한다.
이것은 배터리 모듈(100) 또는 제2 전기 디바이스(120)의 특정한 측정된 매개변수가 허용 가능한 값을 가질 때 전력 접점(102)이 제2 전기 디바이스(120)(도 3 참조)에 연결된 후 오직 활성화된다는 것을 보장한다. 제2 전기 디바이스는 예를 들어, 에너지 이송 모듈, 특정한 배터리 모듈 충전기, 특정한 사전 결정된 부하, 및/또는 부가적인 배터리 모듈일 수도 있다. 배터리 모듈(100)은 실시예로서, 전기차(207)의 배터리(206)(도 5 참조)를 충전하기 위해 사용되는 에너지 밀도가 높은 배터리 모듈 시스템(200)(도 5 참조)에서 사용될 수도 있다. 또한, 배터리 모듈(100)은 연결된 다수의 배터리 모듈이 서로 방전되지 않는 것을 보장하는 전기 하드웨어를 포함한다. 배터리 모듈(100)의 전력 흐름 제어 시스템(108)은 배터리 모듈(100) 및 제2 전기 디바이스(120)의 전압이 뭐든 실질적으로 소량의 역전류를 보장한다. 이것은 배터리 모듈(100)의 효율 및 신뢰성을 개선시킨다.
도 2를 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 배터리 모듈(100)의 전력 및 통신 시스템의 실시예의 개략도가 도시된다. 앞서 언급된 바와 같이, 배터리 모듈(100)은 외부 인터페이스로서 전력 접점(102) 및 신호 접점(104)의 하나 이상의 세트를 포함한다. 부가적으로, 배터리 팩(106), 전력 흐름 제어 시스템(108), 전자 절연 시스템(110), 및 배터리 모듈(100)과 다른 전기 디바이스, 예컨대, 도 3에 도시된 제2 전기 디바이스(120) 둘 다를 위한 전자 제어 시스템(112)이 배터리 모듈(100) 내부에 있다.
전력 접점(102)은 배터리 모듈(100)을 충전하거나 또는 방전하는 능력을 제공한다. 신호 접점(104)은 배터리 모듈(100)과 다른 전기 디바이스(120) 간에 예비 전압, 제어 신호, 및 직렬 통신 라인을 이송한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전력 흐름 제어 시스템(108)은 더 낮은 충전 상태(SOC)를 가진 배터리 모듈(100)이 더 높은 SOC를 가진 배터리 모듈(100)에 의해 충전되는 것을 방지하거나 또는 억제한다. 전자 절연 시스템(110)은 전력 연결기(102)가 전자 절연 시스템(110) 상의 제어 전압(미도시)의 부재 시 활성화되지 않는 것을 보장하는 능동 전환 소자(도 4 참조)를 포함할 수도 있는 시스템이다. 배터리 모듈(100) 내 전자 제어 시스템(112)은 다수의 기능을 처리한다. 실시예로서, 전자 제어 시스템(112)은 예비 전압을 배터리 모듈(100) 외부의 디바이스에 제공할 수도 있고, 배터리 모듈 시스템(200)(도 5 참조) 내 연결된 배터리 모듈(100)의 수를 결정할 수도 있고, 배터리 모듈(100)과 외부 디바이스(예컨대, 도 3의 전기 디바이스(120)) 간의 직렬 통신을 제공할 수도 있고, 전자 절연 시스템(110)을 안전하게 키고 끌 때를 결정할 수도 있다.
전자 제어 시스템(112)은 전자 절연 시스템(110) 및 전력 흐름 제어 시스템(108)을 제어하도록 사용될 수도 있는 수개의 전기 신호 및 센서(도 4 참조)를 포함한다. 이 신호는 배터리 수, 상단 검출, 하단 검출, CAN 버스, 배터리 인에이블, 및 제어 전압을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 이 신호와 센서의 조합은 배터리 모듈(100) 및 배터리 모듈 시스템(200)으로 하여금 적절한 디바이스(예컨대, 도 3의 제2 전기 디바이스(120))가 연결되고 배터리 모듈(100) 및/또는 배터리 모듈 시스템(200)에 저장된 에너지를 저장할 준비가 될 때 이들이 전력 단자(102)를 오직 활성화시키는 것을 보장하게 한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 배터리 모듈은 외부 인터페이스로서 전력 접점(102)의 제1 세트 및 신호 접점(104)의 제1 세트를 포함한다. 배터리 팩(106)은 전력을 전력 접점(102)의 세트로 전달하도록 작동 가능하다. 배터리 팩(106)은 배터리 전지(미도시)의 시스템으로 구성될 수도 있다. 각각의 배터리 전지는 전해질에 의해 분리된 하나 이상의 애노드 및 캐소드를 포함할 수도 있다.
전자 절연 시스템(110)은 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 전기적으로 연결시키도록 작동 가능하다. 전자 제어 시스템(112)은 전자 절연 시스템(110)에 그리고 신호 접점(104)의 제1 세트 또는 전력 접점(102)의 제1 세트 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된다. 전자 제어 시스템(112)은 제1 배터리 모듈(100) 및/또는 제2 전기 디바이스(120)(도 3 참조)와 연관된 매개변수를 측정하고, 매개변수와 사전 규정된 값을 비교하여 제1 배터리 모듈(100)을 제2 전기 디바이스(120)에 연결시키는 것이 바람직한지를 결정하도록 작동 가능하다. 전자 절연 시스템(110)은 사전 결정된 값에 대한 매개변수의 양의 비교 결과에 기초하여 배터리 팩(106)를 전력 접점(102)의 제1 세트에 연결시킬 수도 있다. 전자 절연 시스템은 음의 비교 결과에 기초하여 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트를 분리시킬 수도 있다.
제2 전기 디바이스(120)는 수개의 상이한 유형의 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 이것은 또 다른 배터리 모듈(100)일 수 있다. 또한 이것은 충전 디바이스 또는 에너지 이송 모듈 또는 특정한 사전 결정된 부하일 수 있다.
위에서 설명된 측정된 매개변수는 기능하는 데 중요한 제1 배터리 모듈(100) 또는 제2 전기 디바이스(120)의 수개의 매개변수 및/또는 특성 중 하나일 수도 있다. 예를 들어, 측정된 매개변수는 제1 배터리 모듈(100) 및/또는 제2 전기 디바이스(120)의 특정한 특성의 존재 또는 부재를 나타낼 수 있다. 또한, 실시예로서, 매개변수는 제1 배터리 모듈(100) 또는 제2 전기 디바이스(120)의 저항, 전류, 충전 상태(SOC) 또는 건강 상태(state of health: SOH)일 수 있다.
제1 배터리 모듈(100) 및/또는 제2 전기 디바이스(120)와 연관된 매개변수는 또한 제1 배터리 모듈(100)과 연관된 제1 매개변수 및 제2 전기 디바이스(120)와 연관된 제2 매개변수를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 사전 규정된 값에 대한 매개변수의 비교는 제1 매개변수와 제2 매개변수 간의 차에 대한 사전 규정된 허용 가능한 범위의 차의 비교를 더 포함할 수도 있다. 차가 허용 가능한 범위 내에 있다면, 전자 절연 시스템(110)은 배터리 팩(106)을 전력 접점(102)의 제1 세트에 연결시킬 수도 있다. 차가 허용 가능한 범위 내에 없다면, 전자 절연 시스템(110)은 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트를 분리시킬 수도 있다.
즉, 매개변수는 또한 제1 배터리 모듈(100)과 제2 전기 디바이스(120) 둘 다에서 측정된 2개의 매개변수의 차일 수도 있다. 예를 들어, 매개변수는 제1 배터리 모듈(100)과 제2 전기 디바이스(120) 간의 건강 상태(SOH) 또는 충전 상태 (SOC) 간의 차일 수도 있다.
매개변수와 비교되는 사전 결정된 값은 제1 배터리 모듈(100) 및/또는 제2 전기 디바이스(120)의 기능을 위해 중요한 값일 수도 있다. 예를 들어, 사전 결정된 값은 제1 배터리 모듈(100)과 제2 전기 디바이스(120)(예를 들어, 제2 전기 디바이스(120)는 제2 배터리 모듈(100)일 수도 있음) 간의 SOC의 차에 대한 허용 가능한 범위일 수도 있다. 예를 들어, 허용 가능한 범위는 제1 배터리 모듈(100)의 SOC가 제2 전기 디바이스의 SOC의 ± 50%, ± 30%, ± 25%, ± 15%, ± 10%, ± 5% 이내인 범위일 수도 있다.
제1 배터리 모듈(100)은 또한 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트 간에 연결되는 전력 흐름 제어 시스템(108)을 포함한다. 도 2에 예시된 실시예에서, 전력 흐름 제어 시스템(108)은 전자 절연 시스템(110)과 전력 접점(102)의 제1 세트 간에 연결된다. 전력 흐름 제어 시스템(108)은 전력 접점(102)의 제1 세트로부터 배터리 팩(106)으로의 전류의 역류를 방지하거나 또는 억제하도록 작동 가능하다. 전력 흐름 제어 시스템(108)은 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트 간에 연결된 적어도 하나의 다이오드(140)(도 4 참조)를 포함할 수도 있다.
도 3을 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 제1 배터리 모듈(100)과 제2 전기 디바이스(120) 간의 제어 인터페이스(128)의 실시예의 개략도가 도시된다. 제1 배터리 모듈(100)은 제어 인터페이스(128)에서 제2 전기 디바이스(120)의 전력 접점(122)의 제2 세트에 전기적으로 연결되도록 작동 가능한 전력 접점(102)의 제1 세트를 포함한다. 부가적으로, 배터리 모듈(100)의 신호 접점(104)의 제1 세트는 제2 전기 디바이스(120)의 신호 접점(124)의 제2 세트에 전기적으로 연결되도록 작동 가능하다.
도 3에 예시된 바와 같이, 배터리 모듈(100)의 전자 제어 시스템(112)과 제2 전기 디바이스(120)의 전자 제어 시스템(126) 둘 다는, 신호 접점(104, 124)의 제1 세트와 제2 세트가 함께 연결될 때 그리고/또는 전력 접점(102, 122)의 제1 세트와 제2 세트가 함께 연결될 때 배터리 모듈(100)과 연관된 제1 매개변수와 제2 전기 디바이스(120)와 연관된 제2 매개변수 간의 차를 측정하도록 작동 가능하다. 배터리 모듈(100)의 전자 제어 시스템(112)은 전력 접점(102)의 제1 세트를 통해 그리고/또는 신호 접점(104)의 제1 세트를 통해 매개변수를 측정할 수도 있다. 제2 전기 디바이스(120)의 전자 제어 시스템(126)은 전력 접점(122)의 제2 세트를 통해 그리고/또는 신호 접점(124)의 제2 세트를 통해 매개변수를 측정할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 배터리 모듈(100)의 전자 제어 시스템(112), 전자 절연 시스템(110) 및 전력 흐름 제어 시스템(208)의 회로망의 실시예의 개략도가 도시된다. 전자 제어 시스템(112)은 메모리를 가진 마이크로프로세서(130) 및 메모리 내 실행 가능한 프로그램을 포함할 수도 있다. 마이크로프로세서(130)는 신호 접점(104) 및/또는 전력 접점(102)으로부터의 신호와 통신하고, 신호를 수신하고/하거나 처리할 수도 있다.
전자 제어 시스템(112)은 전력 접점(102)의 제1 세트와 배터리 팩(106) 간의 다양한 전압을 측정하기 위해, 마이크로프로세서(130)와 전기 통신하는, 다양한 전압 센서(132, 134)를 포함할 수도 있다. 게다가, 전자 제어 시스템(112)은 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트 간에 전달되는 전류를 측정하기 위해, 마이크로프로세서(130)와 전기 통신하는, 전류 센서(136)를 포함할 수도 있다.
전자 절연 시스템(110)은 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트 간에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 전환 디바이스(138)를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 전환 디바이스(138)가 개방된 위치에 있을 때, 전력 접점(102)의 제1 세트는 배터리 팩(106)으로부터 절연된다. 적어도 하나의 전환 디바이스(138)가 폐쇄된 위치에 있을 때, 전력 접점(102)의 제1 세트는 배터리 팩(106)에 전기적으로 연결된다. 적어도 하나의 전환 디바이스(138)는 하나 이상의 계전기, MOSFET 및/또는 다른 유형의 트랜지스터 스위치 등을 포함할 수도 있다.
전력 제어 시스템(108)은 하나 이상의 다이오드(140)를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 다른 단방향 전류 소자 및/또는 회로가 활용될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 복수의 배터리 모듈(100)을 가진 배터리 모듈 시스템(200)의 실시예의 개략도가 도시된다. 배터리 모듈 시스템(200)은 전력 출력을 전기적으로 병렬 연결된 배터리 모듈(100)로부터 외부 전기 부하, 예컨대, 전기차(207)의 배터리(206)로 향하게 하는 배터리 모듈 시스템 전력 버스(202)를 포함한다. 실시예로서, 배터리 모듈 시스템(200)의 전력 출력부는 부하 연결기(208)를 통해 외부 전기 부하에 연결될 수도 있다.
도 5에 예시된 실시예에서, 외부 전기 부하는 배터리 모듈 시스템(200)이 충전하는 전기차(207)를 위한 배터리(206)이다. 그러나, 외부 전기 부하는 임의의 수의 전기 디바이스, 시스템 및 적용을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 외부 전기 부하는 전력 공구, 항공기 시스템 등을 포함할 수도 있다.
배터리 모듈 시스템(200)은 전력 버스(202)에서 병렬로 함께 연결되는 복수의 배터리 모듈(100a 내지 100e)을 포함한다. 그러나, 임의의 수의 배터리 모듈(100)이 배터리 모듈 시스템(200)에서 사용될 수도 있다.
유사한 컴포넌트에 대한 유사한 참조 부호는 배터리 모듈 시스템(200) 내 임의의 또는 모든 배터리 모듈 및/또는 배터리 모듈의 컴포넌트 및 시스템을 나타낼 때 도 5에서 사용된다. 그러나, 명료성의 목적을 위해, 도 5에서 특정한 배터리 모듈, 컴포넌트 또는 시스템을 나타낼 때, 문자 "a 내지 e"가 참조 부호의 끝에 추가된다.
복수의 배터리 모듈(100a 내지 100e) 중 제1 배터리 모듈(100a)은 전력 버스(202)에 전기적으로 연결되는 전력 접점(102a)의 제1 세트를 포함한다. 제1 배터리 모듈(100a)은 또한 신호 버스(204)를 통해 함께 전기적으로 연결되는 신호 접점(104a)의 제1 세트를 포함한다. 대안적으로, 신호 접점은 신호의 공급원, 예컨대, 다양한 센서에 독립적으로 연결될 수도 있다. 이러한 독립 신호는 독립 전도체가 공통 신호 버스 없이 이러한 신호를 전달하는 더 큰 케이블 하네스를 통과할 수 있다.
제1 배터리 모듈(100a)의 제1 배터리 팩(106a)은 전력을 전력 접점(102a)의 제1 세트로 전달하도록 작동 가능하다. 제1 배터리 모듈(100a)의 제1 전자 절연 시스템(110a)은 제1 배터리 팩(102a)과 전력 접점(102a)의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 연결시키도록 작동 가능하다. 제1 전자 제어 시스템(112a)은 제1 전자 절연 시스템(110a)에 그리고 신호 접점(104a)의 제1 세트 및 전력 접점(102a)의 제1 세트 중 하나 또는 둘 다에 전기적으로 연결된다.
제1 배터리 모듈(100a)의 전자 제어 시스템(112a)은 복수의 배터리 모듈(100a 내지 100e) 중 제1 배터리 모듈(100a) 및/또는 제2 배터리 모듈(100b)과 연관된 매개변수를 측정하도록 작동 가능할 수도 있다. 전자 제어 시스템(112a)은 또한 매개변수와 사전 규정된 값을 비교하여 제1 배터리 모듈(100a)을 제2 배터리 모듈(100b)에 연결시키는 것이 바람직한지를 결정하도록 작동 가능할 수도 있다. 이어서 배터리 모듈(100a)의 전자 절연 시스템(110a)은 양의(예를 들어, 충전 전의 호환 가능한 충전 상태 또는 호환 가능한 전압) 비교 결과에 기초하여 배터리 모듈(100a)의 배터리 팩(106a)을 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(102a)의 제1 세트에 연결시킬 수도 있다. 전자 절연 시스템(110a)은 음의(예를 들어, 호환 불가능한 충전 상태) 비교 결과에 기초하여 배터리 팩(106a)과 전력 접점(102a)의 제1 세트를 분리시킬 수도 있다.
배터리 모듈 시스템(200)의 제1 및 제2 배터리 모듈이 각각 배터리 모듈(100a) 및 배터리 모듈(100b)로서 구체적으로 언급되었지만, 제1 및 제2 배터리 모듈은 각각 배터리 모듈 시스템(200)의 임의의 배터리 모듈(100)일 수도 있다. 즉, 제1 배터리 모듈(100)은 배터리 모듈 시스템(200)의 복수의 배터리 모듈 중 임의의 배터리 모듈(100a 내지 100e)을 포함할 수도 있다. 부가적으로, 제2 배터리 모듈(100)은 배터리 모듈 시스템(200)의 복수의 배터리 모듈 중 임의의 다른 배터리 모듈(100a 내지 100e)을 포함할 수도 있다.
전자 제어 시스템(112a)에 의해 측정되고 제1 배터리 모듈(100a) 및 제2 배터리 모듈(100b) 중 하나 또는 둘 다와 연관된 매개변수는 제1 배터리 모듈(100a)과 연관된 제1 충전 상태, 및 배터리 모듈(100b)과 연관된 제2 충전 상태를 더 포함할 수도 있다. 부가적으로, 사전 규정된 값에 대한 매개변수의 비교는 제1 충전 상태와 제2 충전 상태 간의 차와 사전 규정된 허용 가능한 범위의 차의 비교를 더 포함할 수도 있다.
제1 충전 상태(제1 SOC)와 제2 충전 상태(제2 SOC) 간의 차가 허용 가능한 범위 내에 있다면, 전자 절연 시스템(110a)은 배터리 팩(106)을 전력 접점(102a)의 제1 세트에 연결시킬 수도 있다. 차가 허용 가능한 범위 내에 없다면, 전자 절연 시스템(110a)은 배터리 팩(106a)과 전력 접점(102a)의 제1 세트를 분리시킬 수도 있다. 허용 가능한 범위는 제1 배터리 모듈(100a)의 SOC가 제2 배터리 모듈(100b)의 SOC의 ± 50%, ± 30%, ± 25%, ± 15%, ± 10%, 또는 ± 5% 이내인 범위일 수도 있다.
배터리 모듈 시스템(200)의 제1 배터리 모듈(100a)은 또한 제1 배터리 팩(106a)과 전력 접점(102a)의 제1 세트 간에 연결된 제1 전력 흐름 제어 시스템(108a)을 포함할 수도 있다. 제1 전력 흐름 제어 시스템(108a)은 전력 접점(102a)의 제1 세트로부터 제1 배터리 팩(106a)으로의 전류의 역류를 실질적으로 상당한 레벨로 방지하거나 또는 억제하도록 작동 가능하다. 이것은 다른 단방향 전류 소자 또는 회로의 사용에 의한 하나 이상의 다이오드(140)(도 4 참조)에 의해 수행될 수도 있다.
제2 배터리 모듈(100b)은 또한 제2 배터리 팩(106b)과 전력 접점(102b)의 제2 세트 간에 연결된 제2 전력 흐름 제어 시스템(108b)을 포함할 수도 있다. 제2 전력 흐름 제어 시스템(108b)은 전력 접점(102b)의 제2 세트로부터 제2 배터리 팩(106b)으로의 전류의 역류를 방지하거나 또는 억제하도록 작동 가능하다.
배터리 모듈 시스템(200)의 다양한 배터리 모듈(100a 내지 100e)은 또한 상단 검출 디바이스 및 하단 검출 디바이스를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 배터리 모듈(100a)은 제1 배터리 모듈(100a)의 상단부에 배치된 복수의 배터리 모듈(100a 내지 100e) 중 또 다른 배터리 모듈(100)을 검출하도록 작동 가능한 상단 검출 디바이스를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 제1 배터리 모듈(100a)은 제1 배터리 모듈(100a)의 하단부에 배치된 복수의 배터리 모듈(100a 내지 100e) 중 또 다른 배터리 모듈(100)을 검출하도록 작동 가능한 하단 검출 디바이스를 포함할 수도 있다.
상단 및 하단 검출 디바이스는 배터리 모듈(100)이 배터리 모듈(100)의 스택의 중간 위치에 있는지를 결정하도록 설계된 임의의 수의 회로 소자 및 시스템을 포함할 수도 있다. 상단 및 하단 검출 디바이스는 또한 얼마나 많은 배터리 모듈(100)이 임의의 주어진 배터리 모듈(100) 위에 또는 아래에 있는지를 결정하는 것을 도울 수도 있다. 실시예에서, CAN 버스 접점이 배터리 모듈의 스택 내 최하단 배터리 모듈(예를 들어, 배터리 모듈(100a))의 하단 측면에서 이용 가능하여 접점이 이러한 CAN 버스에 연결되게 할 수도 있다. 나머지에서, 즉, 비-최하단 배터리 모듈, 예컨대, CAN 버스 접점은 CAN 버스가 최하단 모듈에 오직 연결될 것이고 스택 내 중간 또는 상단 모듈 상의 CAN 버스 접점이 유용하지 않을 것이기 때문에 이용 가능하지 못할 것이다. 따라서, 위치 검출 디바이스(예를 들어, 상단 또는 하단 검출 디바이스)는 배터리 모듈의 스택의 오직 하나 이상이 또 다른 디바이스에 연결되거나 또는 그렇지 않으면 배터리 모듈의 스택의 나머지와는 상이하게 기능할 때 유용할 수도 있다. 상단 및 하단 검출기를 위한 사용의 또 다른 실시예는 전력 버스가 사용자/조작자로부터 안전하게 절연되는지를 상단 및 하단 검출기가 결정할 수도 있다는 것이다. 최하단 배터리에서, 기저부 또는 덮개가 포함되어 전력 버스가 완전히 절연되는 것을 보장할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 배터리 모듈(100)의 전력 및 통신 시스템의 또 다른 실시형태의 실시예의 개략도가 도시된다. 도 6의 모듈(100)의 실시형태와 도 1의 모듈(100)의 실시형태의 주요한 차이는 전력 흐름 제어 시스템(108)이 제거된다는 것이다. 다이오드(140)(도 4 참조) 및/또는 다른 단방향 회로망을 포함하는 전력 흐름 제어 시스템(108)을 제거함으로써, 배터리 모듈의 효율이 증가될 수도 있다. 그러나, 본 명세서에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 전자 제어 시스템(112)의 회로망은 전력 흐름 제어 시스템(108)의 제거를 보상하기 위해 변경될 수도 있다.
남아 있는 도 6 내지 도 9에서, 설명된 많은 컴포넌트는 본 명세서에서 앞서 설명된 컴포넌트와 동일하거나 또는 유사한 형태 피팅 및 기능을 갖는다. 그 경우라면, 컴포넌트는 동일한 참조 부호로 표현될 것이다.
배터리 모듈(100)은 전력 접점(102)의 제1 세트 및 신호 접점(104)의 제1 세트를 포함한다. 배터리 팩(106)은 전력을 전력 접점(102)의 세트로 전달하도록 작동 가능하다. 전자 절연 시스템(110)은 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 전기적으로 연결시키도록 작동 가능하다.
전자 제어 시스템(212)은 전자 절연 시스템(110)에 그리고 신호 접점(104)의 제1 세트 및/또는 전력 접점(102)의 제1 세트에 전기적으로 연결된다. 그러나, 전자 제어 시스템(212)은 전력 흐름 제어 시스템(108)의 제거를 보상하기 위해 설계된다.
도 7을 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 전기 제어 시스템(212) 및 전자 절연 시스템(110)의 회로망의 실시예의 개략도가 도시된다. 전자 절연 시스템(110)은 도 4에서 앞서 설명된 전자 절연 시스템과 유사하고 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트 간에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 전환 디바이스(138)를 포함할 수도 있다.
그러나, 전자 제어 시스템(212)의 마이크로프로세서(214)는 전력 흐름 제어 시스템(108)의 제거를 보상하기 위해 특별히 설계된 알고리즘을 메모리에 포함한다. 알고리즘은 마이크로프로세서에 의한 실행을 위한 명령어의 세트로서 마이크로프로세서(214)의 메모리에 저장되어 하나 이상의 방법을 수행하여 최소 전류 역류로 배터리 모듈을 또 다른 전기 디바이스(예컨대, 제2 배터리 모듈)에 연결시키기 위한 최적 시간 및 조건을 결정한다. 부가적으로, 마이크로프로세서(214)는 더 많은 기구와 통신하여 배터리 모듈(100)을 또 다른 전기 디바이스에 연결시키는 방법을 실행시킬 수도 있다. 도 7에 예시된 실시예에서, 마이크로프로세서는 하나 이상의 전압 센서(132, 134), 하나 이상의 전류 센서(136) 및 하나 이상의 온도 센서(216)와 전기 통신한다.
따라서, 전자 제어 시스템(212)은 배터리 모듈(100)과 전기 디바이스, 예컨대, 도 3의 전기 디바이스(120)의 충전 상태 간의 제1 비교를 획득하도록 작동 가능하다. 전자 제어 시스템(212)은 또한 배터리 모듈(100)과 전기 디바이스(120)의 건강 상태 간의 제2 비교를 획득하도록 작동 가능하다. 전자 제어 시스템(100)은 또한 배터리 모듈(100)과 전기 디바이스(120)의 온도(예컨대, 평균 온도) 간의 제3 비교를 획득하도록 작동 가능하다. 전자 제어 시스템(100)은 또한 배터리 모듈(100)과 전기 디바이스(120)의 전력(예컨대, 출력 전력) 간의 제4 비교를 획득하도록 작동 가능하다.
이어서 전자 제어 시스템(212)은 제1 비교, 제2 비교, 제3 비교 및/또는 제4 비교에 기초하여 폐쇄 매개변수를 계산할 수도 있다. 그후 폐쇄 매개변수가 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값과 비교되어 제1 배터리 모듈을 전기 디바이스에 연결시키는 것이 바람직한지에 관한 연결 결정을 발생시킬 수도 있다. 전자 절연 시스템은 양의 연결 결정의 결과에 기초하여 배터리 팩(106)을 전력 접점(102)의 제1 세트에 연결시킬 수도 있다. 전자 절연 시스템은 음의 연결 결정의 결과에 기초하여 배터리 팩(106)과 전력 접점(102)의 제1 세트에 분리시킬 수도 있다.
배터리 모듈(100)은 제1 배터리 모듈, 예컨대, 제1 배터리 모듈(100a)(도 5 및 도 8 참조)일 수도 있고 전기 디바이스(120)는 제2 배터리 모듈, 예컨대, 제2 배터리 모듈(100b)(도 5 및 도 8 참조)일 수도 있다. 그러하다면, 제1 비교는 제1 배터리 모듈(100a)과 제2 배터리 모듈(100b)의 충전 상태 간의 차를 포함할 수도 있다. 제2 비교는 제1 배터리 모듈(100a)과 제2 배터리 모듈(100b)의 건강 상태 간의 차를 포함할 수도 있다. 제3 비교는 제1 배터리 모듈(100a)과 제2 배터리 모듈(100b)의 온도 간의 차를 포함할 수도 있다. 최종적으로, 제4 비교는 제1 배터리 모듈(100a)과 제2 배터리 모듈(100b)의 전력 간의 차를 포함할 수도 있다.
도 8을 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 복수의 배터리 모듈(100a 내지 100e)을 가진 배터리 모듈 시스템(300)의 또 다른 실시형태의 실시예의 개략도가 도시된다. 배터리 모듈 시스템(300)은 도 5에 도시된 방식과 유사한 방식으로 배터리 모듈(100a 내지 100e)의 전력 접점(102a 내지 102e)에 연결된 전력 버스(302)를 포함한다. 배터리 모듈 시스템(300)은 또한 도 5에 도시된 방식과 유사한 방식으로 신호 접점(104a 및 104b)에 연결된 신호 버스(304)를 포함한다.
도 8에 예시된 실시예에서, 제1 배터리 모듈(100a) 및 제2 배터리 모듈(100b)은 배터리 모듈 시스템(300)의 복수의 배터리 모듈(100a 내지 100e) 중 적어도 일부이다. 배터리 모듈 시스템(300)은 제1 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(102a)의 제1 세트 및 제2 배터리 모듈(100b)의 접점(102b)의 제1 세트에 연결되도록 작동 가능한 전력 버스(302)를 포함한다.
앞서 설명된 바와 같은 폐쇄 매개변수는 폐쇄 전압과 새그 전압(sag voltage) 간의 차의 절대값일 수도 있다. 본 명세서에서 사용될 때, 새그 전압은 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(102a)이 전력 버스(302)에 연결되기 전에 전력 버스(302)에서 측정된 전압이다. 본 명세서에서 사용될 때, 폐쇄 전압은 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(102a)이 전력 버스(302)에 연결된다면 새그 전압이 될 것의 예측된 값이다.
폐쇄 매개변수와 비교될 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값은 변경될 수도 있다. 예를 들어, 폐쇄 매개변수는 5V 미만, 4V 미만, 3V 미만, 2V 미만 또는 1V 미만일 수도 있다.
마이크로프로세서(212)의 메모리에 명령어로서 저장된 알고리즘은 폐쇄 매개변수를 계산할 수도 있고 배터리 모듈(100a) 및 전기 디바이스, 예컨대, 제2 배터리 모듈(100b)의 온도를 하나의 온도 센서(216)(도 7 참조)를 사용하여 측정함으로써 연결 결정을 결정할 수도 있다. 배터리 모듈(100a) 및 제2 배터리 모듈(100b)의 전류는 전류 센서(136)에 의해 측정될 수도 있다. 제1 배터리 모듈(100a) 및 제2 배터리 모듈(100b)의 전압은 전압 센서(132, 134)에 의해 측정될 수도 있다. 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b)의 충전 상태, 건강 상태 및 전력은 측정된 온도, 전류 및 전압을 사용하여 계산될 수도 있다. 이어서 온도, 전력, 충전 상태 및 건강 상태가 사용되어 앞서 논의된 제1, 제2, 제3 및 제4 비교를 획득할 수도 있다. 이어서 폐쇄 매개변수는 제1, 제2, 제3 및 제4 비교에 기초하여 계산될 수도 있다. 이어서 폐쇄 매개변수는 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값과 비교되어 연결 결정을 발생시킬 수도 있다.
부가적으로, 제1 배터리 모듈(100a)의 실행 상태는 폐쇄 매개변수 그리고 따라서, 연결 결정의 결과에 영향을 줄 것이다. 가장 중요한 3개의 실행 상태는 "전력 인출 전" 실행 상태, "전력 인출 동안" 실행 상태 및 "전력 인출 후" 실행 상태이다. 이들은 다음과 같이 본 명세서에서 규정된다:
"전력 인출 전"은 시스템, 예컨대, 배터리 모듈 시스템(300)이 유휴 상태이고 외부 전기 부하, 예컨대, 전기차(207)의 배터리(206)에 연결된 후 아직 실행되지 않을 때이다. 이것은 임의의 에너지가 배터리 모듈, 예컨대, 배터리 모듈(100a)로부터 인출되기 전에 발생한다. 이 상태에서, 배터리 모듈은 전력 버스로 폐쇄될 수 있거나 또는 이것은 여전히 개방될 수 있다. 다른 2개의 상태에 대해 이 상태를 구별하는 주요한 요인은 일단 배터리 모듈이 전력 버스로 폐쇄된다면, 어떤 전력도 외부 전기 부하로 흐르지 못할 것이라는 것이다. 부하, 예컨대, 전기차(207)에 대해, 이것은 차량이 충전을 시작하기 전 시간일 것이다.
"전력 인출 동안"은 배터리 모듈, 예컨대, 배터리 모듈(100a)이 에너지를 외부 전기 부하, 예컨대, 전기차(207)의 배터리(206)에 공급할 때이다. 부하, 예컨대, 전기차(207)에 대해, 이것은 차량이 충전 중인 동안의 시간이다. 이 상태에서, 전력은 배터리 모듈로부터 외부 전기 부하로 흐른다.
"전력 인출 후"는 배터리 모듈, 예컨대, 배터리 모듈(100a)이 여전히 시스템, 예컨대, 배터리 모듈 시스템(300)에 연결되지만, 어떤 전력도 인출되지 않는 시간이다. 이것은 외부 전기 부하, 예컨대, 전기차(207)가 충전을 중단할 때 또는 외부 전자 부하가 시스템으로부터 제거될 때일 수 있다. 이것은 배터리 모듈이 전력 인출 중단에 기인하여 제거된 임의의 전압 새그를 가질 것이라는 점에서 "전력 인출 전"과는 상이하다. 따라서, 배터리 모듈 전압은 이의 개회로 전압까지 다시 상승할 것이다.
따라서, 연결 결정을 계산하기 위해 마이크로프로세서(214)에 의해 사용되는 방법은 배터리 모듈의 실행 상태를 결정하는 단계를 포함할 수도 있고, 실행 상태는 "전력 인출 전" 상태, "전력 인출 동안" 상태 및/또는 "전력 인출 후" 상태이다. 그후, 실행 상태가 계산되어 폐쇄 매개변수를 계산할 수도 있다.
도 9를 참조하면, 본 명세서에서 설명된 양상에 따른, 배터리 모듈을 전기 디바이스에 연결시키기 위한 컴퓨터 구현 방법의 흐름도(400)의 실시예가 도시된다. 실시예로서 그리고 본 명세서에서 사용될 때, 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈(100a)일 수도 있고 전기 디바이스는 제2 배터리 모듈(100b)일 수도 있다. 배터리 모듈(100a, 100b) 둘 다는 배터리 모듈 시스템, 예컨대, 배터리 모듈 시스템(300)에 연결될 수도 있다.
방법은 제1 배터리 모듈(100a)이 처음에 켜지고 마이크로프로세서(214)를 포함하는 제어 회로가 활성일 때 (402)에서 시작된다. 부가적으로, 전기 디바이스, 예를 들어, 배터리 모듈(100b)이 또한 켜지고 신호를 배터리 모듈(100a)에 제공한다. 이러한 초기 시동 시점에서, 전자 절연 시스템(110)이 디폴트되어 배터리 팩(106)을 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(102)으로부터 분리시킨다.
(404)에서, 제1 배터리 모듈(100a) 및 제2 배터리 모듈(100a)의 온도는 하나 이상의 온도 센서, 예컨대, 온도 센서(216)에 의해 측정된다. 온도는 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b) 둘 다의 평균 온도일 수도 있다. 온도 센서는 배터리 모듈(100a, 100b) 전반에 걸친 수개의 위치에 배치될 수도 있다. 배터리 모듈(100b)로부터의 온도 데이터는 신호 데이터로서 신호 접점(104a)으로 그리고 배터리 모듈(100a)의 마이크로프로세서(214)로 전송될 수도 있다.
부가적으로, (404)에서, 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b)의 전류는 전류 센서, 예컨대, 전류 센서(136)에 의해 측정될 수도 있다. 전류는 배터리 모듈(100a, 100b)의 출력 전류일 수도 있다.
부가적으로, (404)에서, 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b)의 전압은 전압 센서, 예컨대, 전압 센서(132 및 134)에 의해 측정될 수도 있다. 전압은 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b)의 출력 전압일 수도 있다.
(406)에서, 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b)의 충전 상태, 건강 상태 및 전력은 배터리 모듈의 전류, 온도 및/또는 전압 중 적어도 하나로부터 계산된다. 전력은 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b)의 출력 전력일 수도 있다.
(408)에서, 측정된 값 및 계산된 값은 마이크로프로세서(214)의 알고리즘으로 전송된다. 알고리즘은 마이크로프로세서(214)의 메모리에 저장된 실행 가능한 명령어의 형태이다.
(410)에서, 배터리 모듈(100a)의 실행 상태가 결정된다. 실행 상태는 전력 인출 전 상태, 전력 인출 동안 상태 및 전력 인출 후 상태일 수도 있다.
(412)에서, 알고리즘은 제1 배터리 모듈(100a)(즉, 배터리 모듈)과 제2 배터리 모듈(100b)(즉, 전기 디바이스)의 충전 상태 간의 제1 비교를 획득한다. 알고리즘은 또한 제1 배터리 모듈(100a)과 제2 배터리 모듈(100b)의 건강 상태 간의 제2 비교를 획득한다. 알고리즘은 또한 제1 배터리 모듈(100a)과 제2 배터리 모듈(100b)의 온도 간의 제3 비교를 획득한다. 알고리즘은 또한 제1 배터리 모듈(100a)과 제2 배터리 모듈(100b)의 전력 간의 제4 비교를 획득한다. 비교의 하나의 형태는 차일 수도 있다. 즉, 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b) 간의 충전 상태, 건강 상태, 온도 및 전력의 비교는 제1 및 제2 배터리 모듈(100a, 100b)의 충전 상태, 건강 상태, 온도 및 전력의 값간의 차일 수도 있다.
(414)에서, 폐쇄 매개변수는 제1, 제2, 제3 및/또는 제4 비교에 기초하여 계산된다. 폐쇄 매개변수는 또한 결정된 실행 상태에 기초할 수도 있다. 예를 들어, 폐쇄 매개변수는 폐쇄 전압과 새그 전압 간의 차의 절대값일 수도 있다. 새그 전압은 제1 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(102a)이 전력 버스(320)에 연결되기 전에 전력 버스(302)에서 측정된 전압일 수도 있다. 폐쇄 전압은 제1 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(102a)이 전력 버스(302)에 연결된다면 새그 전압이 될 것의 예측된 값일 수도 있다.
(416)에서, 폐쇄 매개변수가 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값과 비교되어 연결 결정을 발생시킨다. 폐쇄 매개변수가 폐쇄 전압과 새그 전압 간의 차의 절대값인 경우에 대해, 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값은 절대값이 5V 미만, 4V 미만, 3V 미만, 2V 미만 또는 1V 미만이어야 한다는 것일 수도 있다. 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값은 실행 상태에 따라 변경될 수도 있다.
연결 결정이 음의 결과라면, 예를 들어, 폐쇄 매개변수가 사전 결정된 폐쇄 매개변수 값의 범위 내에 포함되지 않는다면, 제1 배터리 모듈(100a)은 제2 배터리 모듈(100b)로부터 분리(또는 분리된 채로 유지)될 것이다. 이것은 배터리 팩(106)을 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(104a)에 연결시키지 않기 위해 신호 명령을 전자 절연 시스템(110)에 제공하는 전자 제어 시스템(212)의 마이크로프로세서(214)에 의해 구현될 것이다. 이어서 방법은 (404)로 되돌아갈 것이고 새로운 단계 시퀀스를 시작할 것이다.
(418)에서, 연결 결정이 양의 결과라면, 예를 들어, 폐쇄 매개변수가 사전 결정된 폐쇄 매개변수 값의 범위 내에 포함된다면, 제1 배터리 모듈(100a)은 제2 배터리 모듈(100b)에 연결될 것이다. 이것은 배터리 팩(106)을 배터리 모듈(100a)의 전력 접점(104a)에 연결시키기 위해 신호 명령(예컨대, 제어 전압)을 전자 절연 시스템(110)에 제공하는 전자 제어 시스템(212)의 마이크로프로세서(214)에 의해 구현될 것이다. 이어서 제1 배터리 모듈(100a)의 배터리 팩(106)은 배터리 모듈 시스템(300)의 전력 버스(302)에 그리고 제2 배터리 모듈(100b)에 연결될 수도 있다. 이어서 방법은 (420)에서 중단될 것이다.
전기차(예를 들어, 전기차(207))의 배터리(예를 들어, 배터리(206))를 충전하기 위한 시스템(예를 들어, 배터리 모듈(100), 전기 디바이스(120), 배터리 모듈 시스템(200) 및 배터리 모듈 시스템(300)) 및 방법이 본 명세서에서 설명되지만, 이러한 시스템 및 방법은 전기 에너지를 전기 부하에 공급하고/하거나 전하를 다른 에너지 저장 디바이스에 공급하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 다른 에너지 저장 디바이스는 개인용 전자 장비에서 산업용 전기 차량(예를 들어, 지게차 또는 다른 작업 차량)에 이르는 용도를 위한 계통 연계 에너지 저장 디바이스 또는 모바일 에너지 저장 디바이스일 수 있다.
본 명세서에서 더 상세히 논의되는 전술한 개념 및 부가적인 개념(이러한 개념이 서로 불일치하다고 가정한다면)의 모든 조합이 본 명세서에서 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다는 것을 이해해야 한다. 특히, 본 개시내용의 끝에서 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에서 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다.
본 발명이 특정한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 수많은 변경이 설명된 본 발명의 개념의 정신 및 범위 내에서 이루어질 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 개시내용이 설명된 실시예로 제한되지 않지만, 본 개시내용이 다음의 청구범위의 언어로 규정된 전체 범위를 갖는다는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 배터리 모듈로서,
    전력 접점의 제1 세트;
    신호 접점의 제1 세트;
    전력을 상기 전력 접점의 세트로 전달하도록 작동 가능한 배터리 팩;
    상기 배터리 팩과 상기 전력 접점의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 전기적으로 연결시키도록 작동 가능한 전자 절연 시스템; 및
    상기 전자 절연 시스템에 그리고 상기 신호 접점의 제1 세트 또는 상기 전력 접점의 제1 세트 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 전자 제어 시스템
    을 포함하되, 상기 전자 제어 시스템은,
    상기 배터리 모듈과 전기 디바이스의 충전 상태 간의 제1 비교를 획득하고, 상기 배터리 모듈과 상기 전기 디바이스의 건강 상태 간의 제2 비교를 획득하고, 상기 배터리 모듈과 상기 전기 디바이스의 온도 간의 제3 비교를 획득하고, 상기 배터리 모듈과 상기 전기 디바이스의 전력 간의 제4 비교를 획득하고,
    상기 제1 비교, 상기 제2 비교, 상기 제3 비교 또는 상기 제4 비교 중 적어도 하나에 기초하여 폐쇄 매개변수를 계산하고,
    상기 폐쇄 매개변수와 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값을 비교하여 상기 제1 배터리 모듈을 상기 전기 디바이스에 연결시키는 것이 바람직한지에 대한 연결 결정을 발생시키도록 작동 가능하고;
    상기 전자 절연 시스템은 양의 연결 결정 결과에 기초하여 상기 배터리 팩을 상기 전력 접점의 제1 세트에 연결시키고, 상기 전자 절연 시스템은 음의 연결 결정 결과에 기초하여 상기 배터리 팩과 상기 전력 접점의 제1 세트를 분리시키는, 배터리 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 디바이스는 제2 배터리 모듈을 포함하는, 배터리 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 충전 상태 간의 차를 비교하는 상기 제1 비교;
    상기 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 건강 상태 간의 차를 비교하는 상기 제2 비교;
    상기 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 온도 간의 차를 비교하는 상기 제3 비교; 및
    상기 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 전력 간의 차를 비교하는 상기 제4 비교
    를 포함하는, 배터리 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    배터리 모듈 시스템의 복수의 배터리 모듈의 적어도 일부를 포함하는 상기 배터리 모듈 및 상기 제2 배터리 모듈을 포함하되, 상기 배터리 모듈 시스템은 상기 배터리 모듈의 상기 전력 접점의 제1 세트에 연결되도록 작동 가능한 전력 버스를 포함하는, 배터리 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 폐쇄 매개변수는,
    폐쇄 전압과 새그 전압(sag voltage) 간의 차의 절대값을 포함하되, 상기 새그 전압은 상기 배터리 모듈의 상기 전력 접점이 상기 전력 버스에 연결되기 전에 상기 전력 버스에서 측정된 전압을 포함하고, 상기 폐쇄 전압은 상기 배터리 모듈의 상기 전력 접점이 상기 전력 버스에 연결된다면 상기 새그 전압이 될 것의 예측된 값인, 배터리 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값은 5V 미만인, 배터리 모듈.
  7. 제5항에 있어서, 상기 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값은 2V 미만인, 배터리 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전자 절연 시스템은,
    온도 센서, 전류 센서 및 전압 센서; 및
    상기 온도 센서, 상기 전류 센서 및 상기 전압 센서와 통신하는 마이크로프로세서
    를 포함하되, 상기 마이크로프로세서는,
    메모리, 및
    다음의 단계를 포함하는 방법을 수행하기 위한 상기 마이크로프로세서에 의한 실행을 위한 상기 메모리에 저장된 명령어를 포함하는, 배터리 모듈:
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 온도를 상기 온도 센서를 사용하여 측정하는 단계,
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 전류를 상기 전류 센서를 사용하여 측정하는 단계,
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 전압을 상기 전압 센서를 사용하여 측정하는 단계,
    상기 온도, 상기 전류 및 상기 전압을 사용하여 상기 충전 상태, 상기 건강 상태 및 상기 전력을 계산하는 단계,
    상기 온도, 상기 전력, 상기 충전 상태 및 상기 건강 상태를 활용하여 상기 제1 비교, 상기 제2 비교, 상기 제3 비교 및 상기 제4 비교를 획득하는 단계,
    상기 제1 비교, 상기 제2 비교, 상기 제3 비교 및 상기 제4 비교에 기초하여 상기 폐쇄 매개변수를 계산하는 단계, 및
    상기 폐쇄 매개변수와 상기 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값을 비교하여 연결 결정을 발생시키는 단계.
  9. 제8항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 배터리 모듈의 실행 상태를 결정하는 단계로서, 상기 실행 상태는 전력 인출 전 상태, 전력 인출 동안 상태 및 전력 인출 후 상태를 포함하는, 상기 결정하는 단계; 및
    상기 실행 상태를 활용하여 상기 폐쇄 매개변수를 계산하는 단계
    를 포함하는, 배터리 모듈.
  10. 배터리 모듈 시스템으로서,
    배터리 모듈 시스템 전력 버스; 및
    복수의 배터리 모듈
    을 포함하되, 상기 복수의 배터리 모듈 중 제1 배터리 모듈은,
    상기 전력 버스에 전기적으로 연결된 전력 접점의 제1 세트,
    신호 접점의 제1 세트,
    전력을 상기 전력 접점의 제1 세트로 전달하도록 작동 가능한 제1 배터리 팩,
    상기 제1 배터리 팩과 상기 전력 접점의 제1 세트를 전기적으로 분리시키고 연결시키도록 작동 가능한 제1 전자 절연 시스템, 및
    상기 전자 절연 시스템에 그리고 상기 신호 접점의 제1 세트 또는 상기 전력 접점의 제1 세트 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 제1 전자 제어 시스템
    을 포함하되, 상기 전자 제어 시스템은,
    상기 복수의 배터리 모듈 중 상기 제1 배터리 모듈과 제2 배터리 모듈의 충전 상태 간의 제1 비교를 획득하고, 상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 건강 상태 간의 제2 비교를 획득하고, 상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 온도 간의 제3 비교를 획득하고, 상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 전력 간의 제4 비교를 획득하고,
    상기 제1 비교, 상기 제2 비교, 상기 제3 비교 또는 상기 제4 비교 중 적어도 하나에 기초하여 폐쇄 매개변수를 계산하고,
    상기 폐쇄 매개변수와 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값을 비교하여 상기 제1 배터리 모듈을 상기 제2 배터리 모듈에 연결시키는 것이 바람직한지에 대한 연결 결정을 발생시키도록 작동 가능하고;
    상기 전자 절연 시스템은 양의 연결 결정 결과에 기초하여 상기 배터리 팩을 상기 전력 접점의 제1 세트에 연결시키고, 상기 전자 절연 시스템은 음의 연결 결정 결과에 기초하여 상기 배터리 팩과 상기 전력 접점의 제1 세트를 분리시키는, 배터리 모듈 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 충전 상태 간의 차를 비교하는 상기 제1 비교;
    상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 건강 상태 간의 차를 비교하는 상기 제2 비교;
    상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 온도 간의 차를 비교하는 상기 제3 비교; 및
    상기 제1 배터리 모듈과 상기 제2 배터리 모듈의 전력 간의 차를 비교하는 상기 제4 비교
    를 포함하는, 배터리 모듈 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 폐쇄 매개변수는,
    폐쇄 전압과 새그 전압 간의 차의 절대값을 포함하되, 상기 새그 전압은 상기 제1 배터리 모듈의 상기 제1 전력 접점이 상기 전력 버스에 연결되기 전에 상기 전력 버스에서 측정된 전압을 포함하고, 상기 폐쇄 전압은 상기 제1 배터리 모듈의 상기 제1 전력 접점이 상기 전력 버스에 연결된다면 상기 새그 전압이 될 것의 예측된 값인, 배터리 모듈 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값은 5V 미만인, 배터리 모듈 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값은 2V 미만인, 배터리 모듈 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 상기 전자 절연 시스템은,
    온도 센서, 전류 센서 및 전압 센서; 및
    상기 온도 센서, 상기 전류 센서 및 상기 전압 센서와 통신하는 마이크로프로세서
    를 포함하되, 상기 마이크로프로세서는,
    메모리, 및
    다음의 단계를 포함하는 방법을 수행하기 위한 상기 마이크로프로세서에 의한 실행을 위한 상기 메모리에 저장된 명령어를 포함하는, 배터리 모듈 시스템:
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 온도를 상기 온도 센서를 사용하여 측정하는 단계,
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 전류를 상기 전류 센서를 사용하여 측정하는 단계,
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 전압을 적어도 전압 센서를 사용하여 측정하는 단계,
    측정된 온도, 전류 및 전압을 사용하여 상기 충전 상태, 상기 건강 상태 및 상기 전력을 계산하는 단계,
    상기 온도, 상기 전력, 상기 충전 상태 및 상기 건강 상태를 활용하여 상기 제1 비교, 상기 제2 비교, 상기 제3 비교 및 상기 제4 비교를 획득하는 단계,
    상기 제1 비교, 상기 제2 비교, 상기 제3 비교 및 상기 제4 비교에 기초하여 상기 폐쇄 매개변수를 계산하는 단계, 및
    상기 폐쇄 매개변수와 상기 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값을 비교하여 연결 결정을 발생시키는 단계.
  16. 제15항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 배터리 모듈의 실행 상태를 결정하는 단계로서, 상기 실행 상태는 전력 인출 전 상태, 전력 인출 동안 상태 및 전력 인출 후 상태를 포함하는, 상기 결정하는 단계; 및
    상기 실행 상태를 활용하여 상기 폐쇄 매개변수를 계산하는 단계
    를 포함하는, 배터리 모듈 시스템.
  17. 배터리 모듈을 전기 디바이스에 연결시키는 컴퓨터 구현 방법으로서,
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 온도를 적어도 하나의 온도 센서를 사용하여 측정하는 단계;
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 전류를 적어도 하나의 전류 센서를 사용하여 측정하는 단계;
    상기 배터리 모듈 및 상기 전기 디바이스의 전압을 적어도 전압 센서를 사용하여 측정하는 단계;
    상기 배터리 모듈의 상기 전류, 상기 온도 또는 상기 전압 중 적어도 하나로부터 상기 배터리 모듈의 충전 상태, 건강 상태 및 전력을 계산하는 단계;
    상기 전기 디바이스의 상기 전류, 상기 온도 또는 상기 전압 중 적어도 하나로부터 상기 전기 디바이스의 충전 상태, 건강 상태 및 전력을 계산하는 단계;
    상기 배터리 모듈과 상기 전기 디바이스의 충전 상태 간의 제1 비교, 상기 배터리 모듈과 상기 전기 디바이스의 건강 상태 간의 제2 비교, 상기 배터리 모듈과 상기 전기 디바이스의 온도 간의 제3 비교 및 상기 배터리 모듈과 상기 전기 디바이스의 전력 간의 제4 비교를 획득하는 단계;
    상기 제1 비교, 상기 제2 비교, 상기 제3 비교 및 상기 제4 비교에 기초하여 폐쇄 매개변수를 계산하는 단계; 및
    상기 폐쇄 매개변수와 상기 사전 규정된 폐쇄 매개변수 값을 비교하여 연결 결정을 발생시키는 단계
    를 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    양의 연결 결정 결과에 기초하여, 상기 배터리 모듈을 상기 전기 디바이스에 연결시키는 단계; 및
    음의 연결 결정 결과에 기초하여, 상기 전기 디바이스로부터 상기 배터리 팩을 분리시키는 단계
    를 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 배터리 모듈의 실행 상태를 결정하는 단계로서, 상기 실행 상태는 전력 인출 전 상태, 전력 인출 동안 상태 및 전력 인출 후 상태를 포함하는, 상기 결정하는 단계; 및
    상기 실행 상태를 활용하여 상기 폐쇄 매개변수를 계산하는 단계
    를 포함하는, 컴퓨터 구현 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 전기 디바이스는 제2 배터리 모듈인, 컴퓨터 구현 방법.
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