KR20220115785A - 배터리 관리 시스템으로부터 독립적인 고장 안전 배터리 보호를 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

배터리 관리 시스템으로부터 독립적인 고장 안전 배터리 보호를 위한 시스템들 및 방법들 Download PDF

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프레데릭 라콕스
유진 브이. 솔로도브니크
존 에이. 트렐라
콜튼 씨. 밀러
카미아르 제이. 카리미
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더 보잉 컴파니
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Abstract

과충전으로부터 보호하면서 배터리 스트링을 충전하기 위한 방법들 및 시스템들이 제공된다. 하나의 시스템은: 한 쌍의 분리 디바이스들; 분리 디바이스들을 통해 배터리 스트링에 전기적으로 접속되는 전력 분배 버스; 배터리 스트링을 충전하기 위해 전력 분배 버스에 배터리 전력을 공급하도록 접속된 배터리 충전기; 충전 중에 개별 배터리 셀 전압들을 감지하도록 구성된 모듈 모니터링 유닛; 감지된 개별 배터리 셀 전압들이 과충전을 표시할 때 개방되게 하나의 분리 디바이스를 활성화하도록 구성된 제1 프로세서; 배터리 스트링에 걸쳐 측정된 전체 스트링 전압, 그리고 배터리 스트링의 제1 하프 스트링 및 제2 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제1 하프 스트링 전압 및 제2 하프 스트링 전압을 감지하도록 접속된 복수의 센서들; 및 충전 중에 센서 데이터를 수신하도록 접속된 제2 프로세서를 포함한다. 제2 프로세서는, 센서 데이터가 계속되는 과충전을 표시할 때 개방되게 제2 분리 디바이스를 독립적으로 활성화하도록 구성된다.

Description

배터리 관리 시스템으로부터 독립적인 고장 안전 배터리 보호를 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR FAIL-SAFE BATTERY PROTECTION INDEPENDENT FROM BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
본 개시내용은 일반적으로 항공기와 같은 차량에 탑재된 모듈식 배터리 시스템의 제어된 또는 제어되지 않은 충전 동안 과충전을 완화하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
항공기의 추진을 위해 전기 모터들이 사용될 때, 전기 에너지는 전원에 의해 공급된다. 예컨대, 전기 에너지는 배터리 모듈들의 스트링(string)들을 포함하는 DC 전원에 의해 공급될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "배터리 모듈"이라는 용어는 단일 배터리 셀, 또는 직렬, 병렬, 또는 이들의 혼합으로 배선된 다수의 배터리 셀들을 포함하는 배터리를 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "배터리 스트링"이라는 용어는 직렬로 배선된 복수의 배터리 모듈들을 의미한다. 일 구현에서, 배터리 스트링들은 개재 스위치들 또는 접촉기들의 폐쇄에 의해 전력 분배 버스에 접속될 때 고전압 직류(HVDC: high-voltage direct-current) 전력을 제공한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "접속된"이라는 용어는 전기 전력을 공급하기 위해 결합되는 것을 의미하고, "분리(disconnect)된"이라는 용어는 전기 전력을 공급하지 않도록 결합 해제되는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 직류와 관련하여 "고전압"이라는 용어는 실제로, 600VDC보다 높은 임의의 DC 전압을 의미한다.
전전기(all-electric) 또는 하이브리드 전기 추진 시스템을 갖는 어떤 항공기에서는, 대형 전기 모터들에 전력을 제공하기 위해 고용량 고전압(예컨대, 600/1000/2000VDC) 배터리 팩들이 사용된다. 항공기 배터리 팩들은 고정된 동작 레벨에서 부하(들)로의 충분한 전력 흐름을 보장하기 위해 병렬로 배열된 다수의 스트링들을 갖는 아키텍처들을 가질 수 있다. 공수(airborne) 애플리케이션들에서, 고전력/고전압 전기 보호들을 위한 안전성 및 임계성 레벨들은 엄중하며, 고장 안전(fail-safe) 및 셧다운(shutdown) 메커니즘들을 포함하는 다수의 상이한 중복 보호들을 요구한다. (본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "고장 안전"이라는 용어는, 특정 타입의 고장의 경우에 본질적으로, 시스템의 고장의 위험한 결과들을 방지 또는 완화할 방식으로 응답하는 설계 특징 또는 실시를 의미한다.) 공수 애플리케이션들은 배터리 과충전 보호, 또는 배터리 열 폭주로 이어질 수 있는 다른 이벤트들 또는 이벤트들의 조합에 대해 극도로 높은 레벨의 임계성 및 무결성을 요구한다.
배터리(예컨대, 리튬 이온 배터리)는 정상 재생 모드 또는 고장 모드 동안 배터리 충전기 전자기기에 의해 그리고 HVDC 부하들에 의해 충전될 수 있다. 제1 보호 층인 배터리 관리 시스템(BMS: battery management system)은 통상적으로, 듀얼 배터리 관리 유닛들(이하, "모듈 모니터링 유닛들")을 사용하여 과충전으로부터 보호하기 위해 개별 셀 전압들을 사용하는 중복 모니터링 및 보호를 포함한다. 항공기 애플리케이션의 경우, CAT Ⅲ 감항(airworthiness) 요건들(예컨대, 10-9 미만의 고장 확률)과 호환되는 이중 또는 삼중 중복 솔루션을 제공하기 위해, 배터리 관리 유닛들로부터 분리된 추가 독립적이고 상이한 고장 안전 층이 요구된다.
특히, 다양한 시나리오들을 완화하기 위해 항공기의 배터리의 충전 중에 중복적이고 독립적인 고장 안전 동작을 제공하는 문제에 대한 솔루션이 요구된다. 리튬 이온 배터리 과충전 조건은 적어도 3개의 상이한 타입들의 고장 이벤트: (1) 배터리 충전 전압이 충전 종료 전압보다 더 높아지게 하는 배터리 충전기 조절 회로 고장; (2) 더 적은 셀들이 직렬로 접속되게 하여 배터리 충전기가 그 정상 충전 종료 전압 대역에서 동작하게 하는 배터리 내부 고장(예를 들어, 내부 가용성(fusible) 링크에 의해 클리어(clear)된 하나의 배터리 모듈의 단락); 및 (3) 예를 들어, 모터 및/또는 인버터의 고장 또는 오작동의 경우, 배터리에 피드백되는 전력의 제어 불가능한 재생에 의해 생성될 수 있다. 이는 지상 및 비행 중 동작들 모두의 중요한 측면인데, 이는 현재의 추세들은 예를 들어, 본질적으로 덜 정확하게 제어되는 고전압 고속 충전기들을 이용함으로써 배터리 충전 시간을 감소시키는 것이 목표가 되거나 충전기들의 제어들이 보다 신뢰할 수 있고 고가의 솔루션들을 필요로 하기 때문이다.
현재, 충전 도중의 보호 기능은 (배터리 충전기와 같은) 충전 소스에서 또는 (회생 충전이 가능하다면) 능동적으로 제어되는 부하에서 BMS의 모듈 관리 유닛(module management unit)들(이하, "MMU들")에 의해 구현된다. 통상적으로, MMU들은 각각의 개별 셀 전압을 모니터링하고 배터리를 격리시킴으로써 이러한 과충전 조건들을 검출하도록 설계된다. 또한, MMU들에서 구현되는 솔루션은 개별 배터리 셀들을 모니터링하는 것에 의존하며, 이는 (동작 전압에 도달하는 데 필요한 직렬 접속된 셀들의 수의 증가에 비례하여) 동작 전압이 증가할 때 배터리 시스템의 비용을 증가시키고 시스템의 신뢰성을 감소시킨다. MMU들과 독립적이고 상이한 추가 보호 및 격리 층(고장 안전 타입)은 위에서 설명된 과충전 조건들에 대한 추가 안전을 제공할 것이다.
아래에서 다소 상세히 개시되는 청구 대상은 공수 고전압 배터리 팩들(이를테면, 공수 전기 추진 시스템들을 위한 배터리 팩들)의 과충전에 대한 중복적이고 상이한 보호를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "배터리 팩"이라는 용어는 단일 배터리 스트링 또는 병렬로 배선된 복수의 배터리 스트링들을 포함하며, 각각의 배터리 스트링은 복수의 직렬 접속된 배터리 모듈들을 포함한다. 본 명세서에서 제안되는 배터리 과충전 보호 방식은, CAT Ⅲ 감항 요건들과 호환되는 이중 또는 삼중 중복 솔루션을 제공하기 위해, 모듈 관리 유닛(MMU)들과 별개인 추가 독립적이고 상이한 고장 안전 층을 포함한다. 추가 고장 안전 층은 견고하고 단순하다. 바람직하게는, 추가 고장 안전 층은 개별 셀 전압 감지를 사용하지 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 이 시스템 및 방법은 배터리 충전 및 방전 사이클들 동안 배터리 팩의 과충전에 대한 중복적이고 상이한 보호를 제공하도록 접속되고 구성되는 배터리 보호 디바이스들을 포함한다. 본 명세서에서 제안되는 배터리 보호 디바이스들은 배터리 관리 시스템 외부에 있지만, 과충전으로부터 배터리의 독립적인 고장 안전 보호를 제공한다.
독립적인 고장 안전 삼중 중복 배터리 보호 시스템의 제안되는 설계는 통상적인 배터리 보호 시스템과는 다른 솔루션을 사용하여 구현된다. 일부 실시예들에 따르면, 고장 안전 디바이스는 배터리 스트링의 중간 탭으로부터 각각 포지티브 버스 바(busbar) 및 네거티브 버스 바까지의 하프 스트링(half-string) 전압들뿐만 아니라 전체 스트링에 걸친 전압(포지티브 버스 바와 네거티브 버스 바 사이의 전위 차)을 측정하기 위해 전압 변환기들을 사용한다. 전압들은 MMU에서 그리고 고장 안전 디바이스 내부의 충전기에서 구현되는 처리와 유사한 방식으로 소프트웨어에 의해 또는 하드웨어(예컨대, 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이)에 의해 처리되며, 미리 결정된 임계 값 레벨들과 비교된다. 임계 값 레벨들은 전압들이 안전 마진들 내에 있는지 여부를 모니터링하기 위해 동적으로 계산된다. 안전 마진들은: (a) 포지티브 측으로부터 네거티브 측으로의 배터리 과전압; 및 (b) 충전 및 방전 사이클들 동안 동일한 배터리 스트링의 2개의 하프 스트링들의 전압들 사이의 불균형을 방지하도록 정의된다. 비정상적인 체제의 검출 시에, 고장 안전 제어기는 내부의 독립적인 분리 디바이스들을 개방하도록 지시함으로써, (예컨대, 결함을 격리시킴으로써) 결함 상태를 클리어한다. 고장 안전 디바이스는 전용 인클로저(enclosure)에서 구현되거나 항공기 전력 분배 패널 내부에 내장될 수 있다.
공수 고전압 배터리 팩들의 과충전에 대한 중복적이고 상이한 보호를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들의 다양한 실시예들이 아래에 다소 상세히 설명될 것이지만, 이러한 실시예들 중 하나 이상은 다음의 양상들 중 하나 이상을 특징으로 할 수 있다.
아래 상세히 개시되는 청구 대상의 일 양상은, 중간점(mid-point)에서 전기적으로 접속되는 제1 하프 스트링 및 제2 하프 스트링을 포함하는 배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템이며, 각각의 하프 스트링은 직렬로 접속된 개개의 복수의 배터리 모듈들을 포함하고, 각각의 배터리 모듈은 개개의 복수의 배터리 셀들을 포함하며, 이 시스템은: 배터리 스트링에 걸쳐 측정된 전체 스트링 전압, 제1 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제1 하프 스트링 전압, 및 제2 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제2 하프 스트링 전압을 감지하도록 접속된 제1 복수의 센서들; 제1 분리 디바이스, 및 충전 중에 제1 복수의 센서들로부터 센서 데이터를 수신하고 제1 분리 디바이스에 지시들을 전송하도록 접속된 프로세서를 포함하는 고장 안전 과충전 시스템; 제1 분리 디바이스가 폐쇄되면 제1 분리 디바이스를 통해 배터리 스트링에 전기적으로 접속되는 전력 분배 버스; 및 배터리 스트링의 충전을 위해 전력 분배 버스에 배터리 전력을 공급하도록 접속되고 구성된 배터리 충전기를 포함한다. 고장 안전 과충전 시스템의 프로세서는, 제1 복수의 센서들로부터의 센서 데이터가 충전 중의 바람직하지 않은 전기 상태― 바람직하지 않은 전기 상태는 충전 중단에 의해 완화될 것임 ―를 표시할 때, 제1 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 구성된다. 보다 구체적으로, 고장 안전 과충전 시스템의 프로세서는, 센서 데이터로부터 제1 측정치를 도출하고, 제1 측정치를 제1 임계 값과 비교하고, 그리고 제1 측정치가 제1 임계 값을 초과하면 제1 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 프로그래밍된다.
일부 실시예들에 따르면, 직전 단락에서 설명된 시스템은 제2 분리 디바이스를 더 포함하며, 제1 분리 디바이스 및 제2 분리 디바이스가 폐쇄되면 제2 분리 디바이스를 통해 전력 분배 버스가 배터리 스트링에 전기적으로 접속된다. 이 경우, 고장 안전 과충전 시스템의 프로세서는 추가로, 센서 데이터로부터 제2 측정치를 도출하고, 제2 측정 값을 제1 임계 값보다 더 높은 제2 임계 값과 비교하고, 그리고 제2 측정치가 제2 임계 값을 초과하면 제2 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 프로그래밍된다. 하나의 제안된 구현에서, 제1 분리 디바이스는 접촉기이고, 제2 분리 디바이스는 파이로(pyro) 스위치이다.
아래 상세히 개시되는 청구 대상의 다른 양상은, 중간점에서 전기적으로 접속되는 제1 하프 스트링 및 제2 하프 스트링을 포함하는 배터리 스트링을 충전하기 위한 방법이며, 각각의 하프 스트링은 직렬로 접속된 개개의 복수의 배터리 모듈들을 포함하고, 각각의 배터리 모듈은 개개의 복수의 배터리 셀들을 포함한다. 이 방법은: 폐쇄 상태에서 제1 분리 디바이스를 통해 배터리 스트링을 충전하는 단계; 충전 중에 제1 하프 스트링에 걸쳐 제1 하프 스트링 전압을 측정하는 단계; 충전 중에 제1 하프 스트링에 걸쳐 제2 하프 스트링 전압을 측정하는 단계; 측정된 제1 하프 스트링 전압과 제2 하프 스트링 전압 간의 차이를 계산하는 단계; 차이를 차이 임계 값과 비교하는 단계; 및 차이가 차이 임계 값보다 더 큰 것에 대한 응답으로 제1 분리 디바이스에 개방하라는 지시를 내리는 단계를 포함한다.
아래 상세히 개시되는 청구 대상의 추가 양상은, 중간점에서 전기적으로 접속되는 제1 하프 스트링 및 제2 하프 스트링을 포함하는 배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템이며, 각각의 하프 스트링은 직렬로 접속된 개개의 복수의 배터리 모듈들을 포함하고, 각각의 배터리 모듈은 개개의 복수의 배터리 셀들을 포함하며, 이 시스템은: 제1 분리 디바이스 및 제2 분리 디바이스; 제1 분리 디바이스 및 제2 분리 디바이스가 폐쇄되면 제1 분리 디바이스 및 제2 분리 디바이스를 통해 배터리 스트링에 전기적으로 접속되는 전력 분배 버스; 배터리 스트링의 충전을 위해 전력 분배 버스에 배터리 전력을 공급하도록 접속되고 구성된 배터리 충전기; 충전 중에 배터리 셀들의 개별 배터리 셀 전압들을 감지하도록 구성되는 모듈 모니터링 유닛; 모듈 모니터링 유닛에 의해 감지된 개별 배터리 셀 전압들이 과충전을 표시할 때 개방되게 제1 분리 디바이스를 활성화하도록 구성된 제1 프로세서; 배터리 스트링에 걸쳐 측정된 전체 스트링 전압, 제1 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제1 하프 스트링 전압, 및 제2 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제2 하프 스트링 전압을 감지하도록 접속된 복수의 센서들; 및 충전 중에 복수의 센서들로부터 센서 데이터를 수신하도록 접속되고 그리고 센서 데이터가 과충전을 표시할 때 개방되게 제2 분리 디바이스를 활성화하도록 구성된 제2 프로세서를 포함한다.
공수 고전압 배터리 팩들의 과충전에 대한 중복적이고 상이한 보호를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들의 다른 양상들이 아래에서 개시된다.
이전 섹션에서 논의된 특징들, 기능들 및 이점들은 다양한 실시예들에서는 독립적으로 달성될 수 있거나 또 다른 실시예들에서는 결합될 수 있다. 이하, 앞서 설명한 그리고 다른 양상들의 예시를 위해 도면들을 참조하여 다양한 실시예들이 설명될 것이다. 도면들 중 어느 것도 실척대로 그려져 있지 않다.
도 1은 교대로 엔진 또는 전기 모터에 의해 기어 박스를 통해 단일 추진기가 구동되는 하이브리드 전기 항공기 추진 아키텍처를 나타내는 도면이다.
도 2는 4개의 배터리 스트링들을 갖는 배터리 다중 스트링 아키텍처를 나타내는 도면이며, 각각의 스트링은 개개의 스마트 중간점 배터리 분리 서브시스템을 통해 직렬로 접속된 4개의 배터리 모듈들의 2개의 세트들로 구성된다.
도 3은 단일 배터리 모듈, 및 배터리 모듈 내부의 개별 셀 전압들을 모니터링하도록 접속되고 구성된 연관된 배터리 모듈 모니터링 유닛들을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 명세서에서 제안되는 배터리 보호 시스템의 일 실시예에서 이용되는 로직에 대한 기반을 형성하는 배터리 셀 과충전 결함 트리를 나타내는 도면이다.
도 5a는 배터리 충전 중에 배터리 충전기 조절 회로의 고장 이후 배터리 스트링의 모든 배터리 모듈들이 전기적으로 접속된 상태로 유지되는 시나리오를 나타내는 도면이다.
도 5b는 8개의 모듈들(각각의 모듈은 다수의 셀들로 구성됨)을 갖는 배터리 스트링의 하나의 배터리 모듈이 배터리 충전 중에 단락됨으로써, 배터리 스트링 내의 나머지 셀들이 과충전의 위험에 노출되는 시나리오를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 시스템의 일부를 나타내며 통상적인 중간점 배터리 분리 서브시스템의 컴포넌트들을 식별하는 도면이다. 도면은 단일 배터리 모듈 또는 그 일부가 배터리 모듈 내부의 단락으로 인해 손실된 시나리오를 표시하는 기호 표시를 포함한다.
도 7은 도 6에 도시된 단락된 배터리 모듈의 내부 컴포넌트들을 나타내는 도면이다.
도 8은 (도 5b에 도시된 바와 같이) 단락된 배터리 모듈을 갖는 배터리 스트링에서 전체 스트링 및 하프 스트링 전압들을 측정하도록 배열된 한 세트의 전압 변환기들을 나타내는 도면이다.
도 9는 전력 분배 패널이 배터리 관리 시스템과는 독립적으로 배터리 과충전에 대한 고장 안전 보호를 제공하기 위한 고장 안전 디바이스를 포함하는 하이브리드 전기 항공기 추진 아키텍처를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른, 고장 안전 배터리 과충전 보호 회로에 접속된 2개의 배터리 스트링들 및 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 컴포넌트들을 식별하는 도면이다.
도 11은 하나의 제안된 구현에 따라, 과충전으로부터 보호하기 위해 배터리 스트링 및 하프 스트링 전압들을 모니터링하기 위한 알고리즘의 단계들을 식별하는 흐름도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른, 고장 안전 배터리 과충전 보호 회로에 접속된 2개의 배터리 스트링들 및 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 컴포넌트들을 식별하는 도면이다. 도면은 단락으로 인해 배터리 하프 스트링이 손실된 시나리오를 표시하는 기호 표시를 포함한다.
도 13은 본 명세서에서 제안되는 배터리 보호 시스템의 다른 실시예에서 이용되는 로직에 대한 기반을 형성하는 개선된 배터리 셀 과충전 결함 트리를 나타내는 도면이다.
도 14는 추가 과전압 보호 층이 개별 부하들에 통합된, 도 9에 도시된 타입의 하이브리드 전기 항공기 추진 아키텍처를 나타내는 도면이며, 부하의 고장이 과도하게 배터리 전압을 증가시키는 회생 모드를 야기할 때 개별 보호가 발동된다.
도 15는 모터에 전기적으로 접속되며 고장 모드에서 모터에 의해 재생되는 전류로부터 배터리를 보호하기 위한 안전 제어 보드를 포함하는 모터 제어기를 나타내는 도면이다.
이하, 서로 다른 도면들의 비슷한 엘리먼트들이 동일한 참조 번호들을 갖는 도면들에 대해 참조가 이루어질 것이다.
공수 고전압 배터리 팩들의 과충전에 대한 중복적이고 상이한 보호를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들의 예시적인 실시예들이 아래에 다소 상세히 설명된다. 그러나 이 명세서에서 실제 구현의 모든 특징들이 설명되는 것은 아니다. 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 임의의 그러한 실시예의 개발 시 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약들의 준수와 같은 개발자의 구체적인 목표들을 달성하기 위해 많은 구현 특정 결정들이 이루어져야 한다는 것을 인식할 것이며, 이는 구현마다 다를 것이다. 더욱이, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 본 개시내용의 이점을 갖는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게는 통상적인 일일 것이라고 인식될 것이다.
본 명세서에서 제안되는 혁신적인 기술은 도 1에 도시된 하이브리드 전기 항공기 추진 시스템(2)에 부가될 수 있으며, 여기서는 교대로 엔진(34) 또는 AC 모터(30)에 의해 기어 박스(36)를 통해 프로펠러(32)가 구동된다. 그러나 본 명세서에서 제안되는 기술은 또한 전전기 아키텍처들에 적용 가능하다. 어느 경우든, 프로펠러(32)는 AC 모터(30)의 출력 샤프트에 기계적으로 결합되는 프로펠러 샤프트, 및 복수의 프로펠러 블레이드들을 포함한다.
도 1에 도시된 하이브리드 전기 항공기 추진 시스템(2)은 포지티브 고전압 버스 바(38a) 및 네거티브 고전압 버스 바(38b)(이하 "고전압 버스 바들(38a, 38b)")에 의해 전력 분배 패널(20)에 접속되는 배터리 시스템(21)을 포함한다. 전력 분배 패널(20)은 전력 분배 버스(44) 및 부하들 측의 복수의 분리 디바이스들(62)을 포함한다. 다양한 부하들이 분리 디바이스들(62)을 통해 전력 분배 버스(44)에 접속된다. 배터리 시스템(21)은 배터리 팩(18) 및 배터리 관리 시스템(22)(이하, "BMS(22)")을 포함한다. 배터리 팩(18)은 전력 분배 버스(44)에 전력을 제공한다. 배터리 팩(18)은 BMS(22)에 의해 모니터링 및 동작된다. 배터리 팩(18)은 개개의 계전기들(9)에 의해 구동되는 포지티브 측과 네거티브 측 모두의 또는 이들 중 어느 한 측의 한 세트의 접촉기들(8)을 통해 전력 분배 버스(44)에 접속되고 전력 분배 버스(44)로부터 분리된다. 접촉기들(8)을 개방 또는 폐쇄하도록 계전기들(9)에 대한 지시들이 BMS(22)에 의해 내려진다.
배터리 팩(18)으로부터의 전력은 전력 분배 버스(44)(이는 포지티브 및 네거티브의 2개의 레일들을 가짐; 단순화를 위해 도면은 두 레일들 모두를 단일 엘리먼트로서 도시함)로 흐른다. 전력 분배 버스(44)의 부하들 측에는, 전용 분리 디바이스들(62)을 통해 접속된 다수의 부하들이 존재한다. 통상적인 큰 부하들은 도 1에 도시된 것들과 같은 AC 모터(30) 및 펌프(68)일 수 있다. AC 모터(30) 및 펌프(68)는 전력 분배 버스(44)를 통해 배터리 팩(18)으로부터 DC 전력을 수신하는 개개의 모터 제어기들(10, 66)에 의해 전력을 공급 받는다. 하이브리드 아키텍처들에서, AC 모터(30)는 기어 박스(36)를 통해 항공기 상의 프로펠러(32)에 결합될 수 있다. 기어 박스의 출력 샤프트에는, 프로펠러(32)가 부착되어 추력을 발생시킨다. 더 작은 유틸리티 부하들(이를테면, 냉각 펌프)은 재생의 경우에 소스를 향한 전력의 역류를 방지하는 차단 다이오드들(70)을 사용할 수 있다.
도 1에 도시된 하이브리드 전기 항공기 추진 시스템(2)은 배터리 충전기(64)를 더 포함한다. 배터리 충전기(64)는 항공기가 지상에 있고 배터리 팩(18)이 충전될 필요가 있을 때만 사용된다. 배터리 충전기(64)는 전력 분배 버스(44)를 통해 배터리 팩(18)에 전력 흐름을 제공한다. 부하들은 대개 배터리 팩(18)이 충전되고 있을 때는 오프(OFF)이다. 모든 항공기 부하들이 오프 상태인 동안, 배터리 충전기(64)는 부하들 측의 전력 분배 버스(44)에 접속되고, 배터리 팩(18)은 소스 측의 전력 분배 버스(44)에 접속된다. 배터리 팩(18)은 BMS(22)에 의해 대응하는 지시가 내려질 때마다 충전될 준비가 된다. BMS는 충전 사이클 동안 배터리 팩(18)을 지속적으로 모니터링하고 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 다수의 독립적인 배터리 스트링들을 포함하는 배터리 팩(18) 형태의 배터리 다중 스트링 아키텍처를 나타내는 도면이다. 배터리 팩(18)은 배터리 전력 분배 유닛(BPDU: battery power distribution unit)(12)을 통해 전력 분배 패널(20)(도 1 참조)에 접속된다. BPDU(12)는 본질적으로, 배터리 팩(18)에 의해 출력되는 DC 전력을 모니터링, 정류 및 제어하기 위해 필요한 하드웨어를 포함하는 인클로저이다.
도 2에 도시된 배터리 시스템(21)에 따르면, BPDU(12)는 고전압 버스 바들(38a, 38b)을 포함한다. BPDU(12)는 배터리 스트링들(24)의 일 단부를 고전압 버스 바(38a)에 접속하는 제1 복수의 스트링 접촉기들(8) 및 배터리 스트링들(24)의 다른 단부를 고전압 버스 바(38b)에 접속하는 제2 복수의 스트링 접촉기들(8)을 더 포함한다. (접촉기는 전력 회로를 스위칭하기 위해 사용되는 전기적으로 제어되는 스위치이다. 접촉기들은 고전류 부하 디바이스들에 직접 접속되도록 설계된다.) 전력 분배 패널(20)은 (폐쇄되면) 스트링 접촉기들(8)을 통해 배터리 스트링들(24a-24d)로부터 DC 전력 신호들을 수신하고, 그 DC 전력을 모터 제어기(10)에 공급한다.
BPDU(12)는 배터리 관리 시스템(22)(이하, "BMS(22)")을 더 포함한다. 배터리 팩(18)의 동작은 BMS(22)에 의해 관리된다. 다수의 병렬 배터리 스트링들(24a-24d)은 팩 내부 고장의 경우에 중복성을 제공할 수 있다. BMS(22)는 중복 보호들, 고장 안전 동작, 및 배터리 스트링들의 선택적 셧다운을 보장하도록 구성될 수 있다. BMS(22)는 배터리 과충전 보호를 제공하도록 또는 배터리 열 폭주로 이어질 수 있는 다른 이벤트들 또는 이벤트들의 조합을 미연에 방지하도록 추가로 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 스트링 접촉기들(8)의 스위칭 상태들은 BMS(22)에 의해 제어된다. 본질적으로, BMS(22)는 충전기와 함께 제1 보호 층이다. 어느 하나가 고장난다면, 본 명세서에서 제안되는 고장 안전 디바이스는 시스템의 나머지로부터 배터리를 분리한다.
도 2에 도시된 예에서, 배터리 팩(18)은 4개의 배터리 스트링들(24a-24d)을 포함한다. 각각의 배터리 스트링은, 직렬로 접속되며 개개의 (스마트) 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)을 통해 서로 직렬로 추가 접속되는 여러 개(이 실시예에서는 4개)의 배터리 모듈들(4)의 2개의 세트들로 구성된다. 각각의 스트링은 직렬로 접속된 다수의 배터리 모듈들(4)(도 2에 도시된 예에서는 스트링당 8개의 배터리 모듈들)로 구축된다. 배터리 스트링들(24a-24d) 각각은 개개의 복수의 모듈 모니터링 유닛들(6a, 6b)(이하, "MMU들(6a, 6b)")을 더 포함한다. MMU(6a, 6b)의 개개의 쌍은 각각의 배터리 모듈의 상태를 모니터링한다. 배터리 스트링들(24a-24d) 각각은 개개의 스트링 접촉기들(8)을 통해 고전압 버스 바들(38a, 38b)에 DC 전력을 공급한다. 고전압 버스 바들(38a, 38b)로부터의 DC 전력은 모든 HVDC 부하들에 분배된다.
도 2에서 확인되는 바와 같이, 배터리 스트링들(24a-24d) 각각은 스트링 단위로 갈바닉(galvanic) 격리를 제공하기 위해 포지티브 측 및 네거티브 측에 위치된 스트링 접촉기들(8)의 전용 세트를 갖는다. 배터리 스트링들(24)은 스트링 접촉기들(8)이 폐쇄되면 고전압 버스 바들(38a, 38b)을 통해 BPDU(12)에서 함께 접속된다. 추가로, 개개의 전용 종단점 전류 센서(16)(예컨대, 홀 효과 전류 센서)가 각각의 하프 스트링(25a)을 포지티브(또는 네거티브) 고전압 버스 바(38a)에 접속하는 접촉기(8) 사이에 배치된다. BMS(22)는 동작 모드(충전, 방전 등) 및 시스템/팩 보호(시스템 단락 보호, 불균형 스트링 전류 등)에 따라 상이한 포지티브 및 네거티브 스트링 접촉기들(8)을 제어하도록 구성(예컨대, 프로그래밍)된다. 포지티브 및 네거티브 스트링 접촉기들(8)의 각각의 쌍은 개개의 중간점 배터리 분리 서브시스템(14) 및 BMS(22)에 의한 이중 제어 하에 있다. BMS(22)는 조정 목적들로 모든 중간점 배터리 분리 서브시스템들(14)에 통신 가능하게 결합된다. BMS(22)는 전기 추진 시스템의 자동 조종 장치(autopilot) 및 다른 라인 교체 가능 유닛들과의 통신을 담당한다.
도 2에 도시된 BPDU(12)는 또한, (배터리 전력 출력 라인들(40a, 40b)에 걸쳐 접속된) 통합 중립 접지 네트워크(52) 및 격리 모니터링 디바이스(insulation monitoring device)(26)(이하, "IMD(26)")를 포함한다. 배터리 팩 중립은 중립 접지 네트워크(52)를 통해 기계적 접지에 접속된다. 접지 임피던스는 접지에 대한 기생 포지티브 및 네거티브 임피던스들뿐만 아니라 개인 안전을 보장하기 위해 요구되는 전체 절연 임피던스를 고려하여 포지티브 및 네거티브 버스 전압들을 밸런싱하는 데 사용된다. 예를 들어, 슬립 모드를 위해 접지 접속을 리프팅하는 데 접지 스위치가 사용될 수 있다. IMD(26)는 접지에 대한 저항을 동적으로 그리고 능동적으로 모니터링한다.
내부 셀들의 단락들은 배터리들이 열 폭주를 겪게 할 수 있으며, 이는 배터리들을 고장 나게 할 수 있다. 통상적으로, 셀의 애노드 부분과 캐소드 부분은 절연성 배리어에 의해 분리된다. 그러나 절연성 배리어들은, 배리어를 통해 캐소드 부분과 애노드 부분들 사이에 단락이 생성되도록 열화될 수 있다. 이러한 내부 단락은 배터리의 내부 저항을 감소시킴으로써, 셀을 과충전 또는 과방전시킬 가능성을 증가시키며, 이는 결국 셀 온도를 증가시키고 결국 열 폭주로 이어질 수 있다.
대안적인 시나리오에서, 도 1에 도시된 배터리 팩(18)은 방전 동작(배터리 충전기(64)가 오프임) 동안 접속된 부하로부터 전력을 수신할 수 있다. 예를 들어, AC 모터(30) 및 모터 제어기(10)는 정상 모터 감속, 제동 단계들 또는 과도(transient) 동작 동안 DC 전력을 다시 전력 분배 버스(44)에 재생할 수 있다. 추가로, 특정 모터/모터 제어기 고장 조건들은 또한 상당한 재생성을 갖는 시나리오를 생성할 수 있다. DC 재생 전력은 배터리 소스에 의해(또는 동일한 분배 버스에 접속되는 다른 부하들에 의해) 흡수될 필요가 있을 것이다. 차단 다이오드들(70)을 통해 접속되는 부하들은 시스템으로 다시 재생되지 않는다. 정상 동작 조건들에서, 모터 및 모터 제어기는 허용 가능한 최대 시스템 전압/전류를 고려하여 시스템 및 배터리 팩(18)에 재생되는 에너지의 양을 제어하고 있다. 고장 조건의 경우, 전력은 제어되지 않은 방식으로 재생될 수 있고, 잠재적으로 과도한 전압 또는 전류에 의해 배터리 팩(18)을 손상시킬 수 있다. MMU들(6a, 6b)(도 3 참조)은, 전력이 제어되지 않은 방식으로 재생되고 있을 때 배터리 팩(18)을 격리시키도록 배터리 시스템(21) 내부에 제1 보호 층을 형성한다.
도 3은 하나의 제안되는 구현에 따른 단일 배터리 모듈(4) 및 연관된 MMU들(6a, 6b)을 나타내는 도면이다. 각각의 배터리 모듈(4)은 개별 셀들(5)의 병렬/직렬 배열이다. 도 3에 도시된 예에서, 배터리 모듈(4)은 셀들(5)의 4개의 행들을 포함하며, 각각의 행은 한 쌍의 셀 버스 바들(54a, 54b)에 걸쳐 병렬로 접속된 20개의 셀들을 포함한다. 각각의 병렬 셀 배열은 가상 셀(또는 브릭)인 것으로 간주된다. 4개의 가상 셀들(50a-50d)은 직렬로 접속된다. 셀 배열은, 셀 고장으로부터 보호하기 위해, 각각의 개별 셀(5)과 직렬인 개개의 가용성 링크(56)를 사용하여 이루어진다. 기본 모듈 구성은 안전 전압, 관리 가능한 무게, 볼륨 및 고장 억제의 절충들을 고려하여 선택된다.
각각의 배터리 모듈(4)은 (도 3에서 MMU1 및 MMU2로 표기된) 2개의 독립적인 상이한 모듈 모니터링 유닛들(6a, 6b)에 의해 모니터링된다. 각각의 모듈 모니터링 유닛은 각각의 가상 셀 전압 및 각각의 개별 셀 온도를 독립적으로 측정하기 위한 센서들(58)을 포함한다. 모듈 모니터링 유닛들(6a)은 또한 밸런싱 회로들(60)을 포함한다. 밸런싱 회로들(60)은 연관된 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)에 의해 활성화 및 제어되는 수동(또는 능동) 밸런싱 기능을 수행한다. 모듈 모니터링 유닛(6a)은 가상 셀 전압 및 개별 셀 온도를 나타내는 센서 데이터를 연관된 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)에 전달한다. 충전 모드에서, 스마트 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)은 가상 셀로부터 가상 셀로의 적절한 밸런싱을 보장하도록 밸런싱 회로들(60)에 지시들을 전송한다. 모듈 모니터링 유닛(6b)은 가상 셀 전압 및 개별 셀 온도를 나타내는 센서 데이터를 BMS(22)에 전달한다. 추가로, 모듈 모니터링 유닛(6b)은 범위들 밖의 셀 전압 및 셀 온도에 대한 집성된 플래그(aggregated flag)를 제공할 수 있다.
배터리 시스템(21)이 동작하고 있을 때, MMU들(6a, 6b)은 개별 셀 전압들을 모니터링하고 BMS(22) 및 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)에 전달한다. BMS(22) 및 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)은 또한 과전류 조건들을 모니터링하기 위해 (도 2에 도시된) 홀 효과 전류 센서들로부터 판독들을 수신한다. BMS(22) 및 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)은 하나 이상의 셀들의 전압이 안전 마진을 초과하는지 여부를 검출함으로써, 과충전 조건을 검출할 것이다. 그 경우, BMS(22)와 중간점 배터리 분리 서브시스템(14) 둘 다 접촉기들(8)을 개방하라는 지시들을 내려 배터리 팩(18)을 잠재적인 추가 과충전으로부터 격리시킨다. 추가로, 충전 모드 동안, BMS(22)는 셀들 사이의 전하를 균등화하도록 밸런싱 회로들(60)을 제어하고 있다(도 3 참조).
MMU들(6a, 6b)은 셀 전압들 및 온도들을 모니터링한다. 위에서 언급된 바와 같이, 셀들 중 하나가 안전 임계 값 전압보다 더 높은 레벨로 과충전된다면, BMS(22)와 중간점 배터리 분리 서브시스템(14) 둘 다 포지티브 측과 네거티브 측에서 접촉기들(8)을 개방하라는 지시들을 내린다. 도 3에 도시된 가용성 링크들(5)은 셀의 내부 단락에 대한 보호를 제공한다. 이 이벤트가 발생한다면, 모든 다른 병렬 셀들(도 3에 도시된 예에서는 19)이 단락된 셀에 과도한 전류를 공급하며, 과도한 전류는 배터리 모듈을 열 폭주 체제로 과열시킨다. 이를 완화하기 위해, 작은 단면의 가용성 링크들(5)은 통상적으로 캐소드에 접속되며, 전류가 특정 임계 값을 초과한다면 못쓰게 된다. 또한, 결과적으로, 배터리 모듈(4) 내의 직렬 접속된 가상 셀들의 스택 외부에서 단락이 발생할 때, 배터리 모듈 내의 가상 셀들 중 하나의 모든 가용성 링크들(5)이 못쓰게 됨으로써, 결함이 클리어된다.
배터리 시스템(21)은 리튬 이온 배터리들로 이루어질 수 있다. 리튬 이온 배터리 과충전 조건은 적어도 3개의 상이한 타입들의 고장 이벤트: (1) 배터리 충전 전압이 충전 종료 전압보다 더 높아지게 하는 배터리 충전기 조절 회로 고장; (2) 더 적은 셀들이 직렬로 접속되게 하여 배터리 충전기가 그 정상 충전 종료 전압 대역에서 동작하게 하는 배터리 내부 고장(예를 들어, 내부 가용성 링크에 의해 클리어된 하나의 배터리 모듈의 단락); 및 (3) 모터 및/또는 모터 제어기(인버터)의 고장 또는 오작동의 경우, 배터리에 피드백되는 전력의 제어 불가능한 재생에 의해 생성될 수 있다.
예를 들어, 리튬 이온 배터리의 경우, 배터리 충전기 조절 회로 고장은 배터리 충전기 조절 전압이 충전 종료 전압(예컨대, 900VDC)보다 더 높아지게 할 수 있다. MMU들(6a, 6b)은 각각의 개별 셀 전압(예컨대, MMU1 > 4.3VDC, MMU2 > 4.4VDC)을 모니터링함으로써 이러한 조건을 검출해야 한다. 배터리 내부 고장은 더 적은 셀들이 직렬로 접속되게 하여 배터리 충전기(64)가 그 정상 충전 종료 전압 대역에서 동작하게 할 수 있다(예컨대, 내부 가용성 링크들에 의해 클리어된 하나의 배터리 모듈의 단락). MMU들(6a, 6b)은 각각의 개별 셀 전압(MMU1 > 4.3VDC, MMU2 > 4.4VDC)을 모니터링함으로써 이러한 조건을 검출해야 하며, 그 다음에 배터리 모듈이 격리된다.
엄중한 항공 우주 요건들을 충족시키기 위해, 배터리 시스템(21)과 완전히 독립적이고 상이한 추가 보호 층이 요구된다. 본 개시내용은 모터/모터 제어기, 배터리 충전기 고장 또는 배터리 내부 고장들과 같은 HVDC 부하들로부터의 제어되지 않은 재생에 의해 야기되는 과충전 위험들을 완화하기 위한 추가 보호 층을 다룬다.
도 4는 중복적이고 상이한 방식으로 고장 안전 기능을 구현하기 위해 이용되는 로직에 대한 기반을 형성하는 배터리 셀 과충전 결함 트리(23)를 나타내는 도면이다. 로직은 도 4의 AND 게이트들(76, 78) 및 OR 게이트(80)로 표현된다. 배터리 셀 과충전 결함 트리(23)는 배터리 셀(예컨대, 리튬 이온 셀)이 정상적으로는 4.2VDC(리튬 이온 셀이 정상 환경 조건들 하에서 노출될 수 있는 절대적으로 가장 높은 전압은 4.6VDC임)로 충전된다는 가정에 기반한다. 따라서 직렬로 접속된 192개의 셀들로 구성된 배터리 모듈(이 순간, 병렬 접속들의 수는 중요하지 않음)은 192 * 4.2VDC = 806VDC(충전 상태(SOC: state of charge) = 100%)로 충전되어야 한다. 배터리 충전기가 통제를 벗어나고(예컨대, 출력 전압이 806VDC를 초과함) MMU1과 MMU2 둘 다 (2개의 독립적인 고장들로서) 오작동한다면, 셀들은 4.6VDC보다 높은 전압들로 과충전된다. 이 순간에, 셀들이 과충전되고, 과열되어 결국 열 폭주 체제에 진입하는 것을 막는 것은 아무것도 없다. 다른 시나리오는 배터리 모듈들 중 하나가 자신의 단자들에 걸쳐 단락되어 MMU1과 MMU2 둘 다 다시 오작동하는 경우이다. 충전기는 계속 806VDC를 제공하지만 직렬로 더 적은 배터리 모듈들로(예컨대, 8개 대신에 단지 7개의 배터리 모듈들만으로) 제공한다. 이 경우, 셀들은 또한 과충전되어 고장 날 수 있다.
도 5a는 배터리 충전 중에 배터리 충전기 조절 회로의 고장 이후 배터리 스트링(24)의 모든 배터리 모듈들(4)이 전기적으로 접속된 상태로 유지되는 시나리오를 나타내는 도면이다. 이 예에서, 최대 배터리 충전기 전압은 883.2VDC에 도달하며, 이 경우 셀 전압은 4.6VDC와 같다. 따라서 도 5a는 배터리 충전기가 통제를 벗어나고 절대 안전 한계를 초과하며, 그 이후 리튬 이온 셀들이 열 폭주 체제에 진입하는 시나리오를 도시한다. 따라서 배터리 충전기가 제어 불가능하게 192 * 4.6VDC = 883VDC를 제공한다면, MMU들이 고장 나는 경우 셀들은 열 폭주에 진입한다.
도 5b는 8개의 배터리 모듈들(각각의 모듈은 다수의 셀들로 구성됨)을 갖는 배터리 스트링(24)의 하나의 배터리 모듈(4)이 배터리 충전 중에 내부 모듈 단락(42)이 됨으로써, 배터리 스트링(24) 내의 나머지 셀들이 과충전의 위험에 노출되는 시나리오를 나타내는 도면이다. 배터리가 직렬로 접속된 다수의 배터리 모듈들로 구성될 때, 배터리 모듈의 크기는 과충전을 해결하기 위해 설계 안전 마진들을 결정할 수 있다. 도 5b에 도시된 예는 다음과 같다: 정상 충전 조건들 하에서, 배터리 충전기는 806VDC를 제공하여 192개의 직렬 접속된 셀들 각각을 4.2VDC로 충전한다. 그런 다음, 단락의 경우에 하나의 배터리 모듈이 포함해야 하는 직렬 접속된 셀들의 최대 수는 192 - 806/4.6 = 16개의 셀들/모듈이다. 하나의 배터리 모듈이 단락 고장 난다면, 셀들의 나머지(176개)는 (비정상이지만 열 폭주를 야기하지 않을 수 있는) 806/176 = 4.58VDC로 충전될 것이다. 이에 반해, 192개의 셀들 중 172개만이 동작 가능하다면, 개별 셀 전압은 4.7VDC일 것이며, (설계 한계인 4.6VDC를 초과하는) 이 값은 과충전의 위험을 증가시킨다. 따라서 이 예에서 과충전을 피하기 위해 필요한 최소 수의 셀들은 176개이다. 이 솔루션은 모듈 단락 고장에 대해 본질적으로 안전하며, 모듈 단락의 경우에 과충전되지 않게 할 것이다. 그러나 이는 배터리당 더 높은 모듈 카운트 및 더 작은 배터리 모듈들을 사용하도록 설계 제한을 부과하며, 이로써 비용, 복잡성 및 신뢰성에 영향을 미친다.
통상적으로, 모듈당 20개를 넘는 직렬 접속된 셀들(하나의 경우에는 24개, 이는 셀당 806/(192 - 24) = 4.8VDC를 야기할 것임)이 존재한다. 셀들의 수를 16개로 축소하는 것은 직렬 접속 배터리 모듈들의 수를 8개에서 12개로 증가시킬 것이다. 이는 배터리 시스템에 대해 상당히 더 높은 비용을 야기하고 감소된 볼륨 및 비에너지(specific energy) 및 그에 따른 시스템의 감소된 효율을 야기할 것이다. 본 명세서에서 제안되는 기술은 배터리 모듈들이 더 많은 수의 직렬 접속된 셀들을 가질 때 모듈 고장을 해결하기 위한 보호 솔루션을 제공한다.
도 6은 하나의 제안되는 구현에 따른 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)의 내부 컴포넌트들을 포함하며 도 2에 도시된 시스템의 일부를 나타내는 도면이다. 배터리 스트링(24)은 내부 모듈 단락(42)으로 인해 단일 배터리 모듈 또는 모듈의 일부가 손실된 상태로 도시된다. 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)은 스마트 중간점 분리 유닛(smart mid-point disconnect unit)(28)(이하, "SMDU(28)") 및 중간점 분리 접촉기(48)를 포함한다. 각각의 배터리 스트링(24)은 개개의 전용 SMDU(28)를 갖는다. SMDU(28)는 중간점 분리 접촉기(48)의 상태를 제어하도록 구성된 프로세서를 포함한다. SMDU(28)는 BMS(22)에 통신 가능하게 결합된다. 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)은 중간점 전류 센서(46)가 폐쇄될 때 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)을 통해 흐르는 전류를 나타내는 전기 신호를 SMDU(28)에 출력하는 중간점 전류 센서(46)를 더 포함한다. SMDU(28)는 또한, MMU1/SMDU 데이터 버스(7a) 및 MMU2/BMS 데이터 버스(7b)를 통해 모듈 모니터링 유닛들(6a, 6b)로부터 개별 셀 온도들 및 가상 셀 전압들을 나타내는 전기 신호들을 수신한다. BMS(22) 및 SMDU(28)는 스트링 접촉기들(8)의 상태들을 독립적으로 제어하도록 구성된다.
SMDU(28)의 목적은 각각의 배터리 스트링(24)의 자율적인 안전한 동작을 보장하는 것이다. SMDU(28)는 고장의 경우에 배터리 스트링(24)의 배터리 및 전기적 보호/격리를 구현하기 위한 스마트 제어기/분리 시스템을 포함한다. 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)은, 배터리 스트링(24)을 구성하는 직렬 접속된 배터리 모듈들(4)의 제1 하프 스트링(25a) 및 제2 하프 스트링(25b)을 통해 흐르는 전류를 나타내는 전기 신호를 SMDU(28)에 출력하는 중간점 전류 센서(46)를 더 포함한다. 중간점 배터리 분리 서브시스템(14)은 중간점 전류 센서(46)와 하프 스트링(25b) 사이에 배치된 중간점 분리 접촉기(48)를 더 포함한다. 도 5에 도시된 실시예에 따르면, SMDU(28)는, 중간점 전류 센서(46)를 통해 흐르는 전류에 의해 표시될 때의 고장의 경우에 중간점 분리 접촉기(48)를 개방하는 배터리 스트링 보호 기능을 수행하도록 구성된다.
SMDU(28)는 각각의 모듈 모니터링 유닛(6a)과 통신하도록 추가로 구성된다. 각각의 모듈 모니터링 유닛(6a)은 각자의 키 파라미터들(Tcell1, Vcell1 등)을 각자 개개의 SMDU에 보고한다. SMDU(28)는 배터리 스트링(24)의 안전을 보장하기 위해 특정 배터리 셀 보호 기능들을 구현하도록 구성된다. 하나의 제안된 구현에 따르면, SMDU(28)는 다음의 조건들: 과충전(예컨대, Vcell > 4.2 VDC); 과방전(예컨대, Vcell < 2.5 VDC); 과열(예컨대, Tcell > 80℃); 높은 충전 레이트(예컨대, 30Q 셀들의 경우 Icharge > 1C 레이트 또는 LTO 애노드들을 갖는 셀들의 경우 Icharge > 3C 레이트); 저온(예컨대, Tcell < -20℃); 및 가상 셀 불균형(예컨대, ΔVcell > 50㎷) 중 임의의 조건에 대한 응답으로 조치를 취하도록 구성된다. 배터리 모듈 스트링 내부 고장의 경우, SMDU(28)는 중간점 분리 접촉기(48)를 개방하고 순차적으로, 전용 스트링 접촉기들(8)을 개방하게 할 것이다.
충전 모드에서, SMDU(28)는 가상 셀로부터 가상 셀로의 적절한 밸런싱을 보장하도록 모듈 모니터링 유닛(6a)(MMU1)에 내장된 밸런싱 회로들(60)을 제어하고 있다. 충전 또는 재생 모드의 경우, SMDU/MMU1 배터리 보호는 스트링 접촉기(8)를 개방하여 충전 전류를 중단시킬 것이다. 선택적으로, 배터리 충전기는 충전 전류 조절 또는 재생 전력을 제로화하기 위한 정보를 수신할 수 있다. 팩 레벨에서의 BMPS/MMU2 배터리 보호는 배터리 임계 보호(과충전, 과방전, 과열 등)를 위해 SMDU/MMU1과의 비유사성 및 중복성을 제공할 것이다.
SMDU(28)는 또한 스트링 전기 보호 기능을 수행하도록 구성된다. SMDU(28)는 특정 배터리 스트링 전기 보호, 이를테면: 과전류 보호(트립 곡선(trip curve)들의 예); 스트링 차동 전류 보호; 및 (도 2에 도시된 IMD(26)를 이용하는) 선택적인 스트링 격리 모니터링 보호를 구현하도록 구성된다.
도 6에서 확인되는 바와 같이, SMDU(28)는 중간점 분리 접촉기(48)와 직렬인 자신의 통합 전류 센서들(예컨대, 홀 효과 또는 션트(shunt) 타입 전류 센서들)로 전류를 측정하고 있다. 고장의 경우에, SMDU(28)는 중간점 분리 접촉기(48)를 개방하고 배터리 스트링(24)을 격리시키게 할 것이다. 중간점 분리 접촉기(48)의 개방 후에 순차적으로, SMDU(28)는 전용 스트링 접촉기(8)를 개방하여 갈바닉 격리를 제공할 것이다.
도 7은 도 6에 도시된 단락된 배터리 모듈의 내부 컴포넌트들을 나타내는 도면이다. 이 경우, 가상 셀(50a)의 셀 버스 바(54a)와 가상 셀(50d)의 셀 버스 바(54b) 사이에 내부 단락(42)이 있다. 하나의 가상 셀의 모든 가용성 링크들은 단락에 대한 응답으로 못쓰게 되며, 이로써 결함이 클리어될 것이다. (개개의 링크들의 저항률의 확률론적(stochastic) 분산으로 인해, 어느 가상 셀이 자신의 모든 가용성 링크들을 먼저 나가게(blow) 할 것인지를 예측할 수 없다.)
각각의 배터리 모듈(4)은 안전한 독립형 동작을 보장하기 위한 기본적인 보호들을 포함한다. 개별 셀 단락 고장의 경우에, 고장난 셀(5)과 직렬인 가용성 링크(56)는 모든 병렬 셀들(5)의 전류를 확인하고 과전류로 인해 개방될 것이다. 고장난 셀(5)은 격리될 것이고, 배터리 모듈(4)은 감소된 능력으로 계속 동작할 것이다. 단일 가용성 링크(56)에 걸친 낮은 전압(예컨대, 5VDC 미만)으로 인해 아킹이 없다. (도 7에 도시된) 배터리 모듈 내부 단락(42)의 경우, 하나의 가상 셀(50)의 조합된 가용성 링크들(56)이 과전류로 인해 개방되고 배터리 모듈(4)을 격리시킬 것이다. 따라서 배터리 모듈(4)은 개방 회로이고 비작동 상태일 것이다. 모듈 설계(직렬 셀의 수, 가용성 링크 크기 등)는, 가용성 링크(56)가 개방된다면, (고려되는 고도에서) 가용성 링크(56)에 걸친 전압이 용인 가능한 임계 값보다 더 낮고 어떤 지속적인 아킹도 생성하지 않을 상태를 가능하게 한다. 예를 들어, 가상 셀의 모든 가용성 링크들(56)에 걸친 낮은 전압(예컨대, 100VDC 미만)으로 인해 아킹이 존재하지 않는다. 셀 가용성 링크들(56)은 내부 배터리 모듈 고장(셀 단락 또는 가상 셀 단락)만을 위한 보호 피처이다. 스트링에 설치될 때, 가상 셀의 조합된 또는 개별 가용성 링크들은 외부 단락을 위해 개방되지 않아야 한다. 모듈 외부 결함의 경우에 (특히, 완전한 가상 셀에 대한) 가용성 링크의 개방은 셀에 매우 근접하게 높은 에너지를 갖는 상당한 연속 아킹을 생성할 수 있다.
도 6 및 도 7은 배터리 모듈 내부 단락(42)으로 인해 단일 배터리 모듈 또는 모듈의 일부가 손실되는 시나리오를 예시한다. 그러한 결함이 발생한다면, 형성된 회로에서는 병렬로 접속된 셀들로부터 결함의 위치를 통해 매우 큰 전류가 흐른다(다수의 병렬 셀들이 가상 셀을 형성하고; 다수의 직렬 접속 가상 셀들이 모듈을 형성함). 특정 순간에, 가상 셀들 중 하나의 가용 링크들(56)이 나감으로써, 회로를 차단하고 단락 전류를 중단시킨다. 그러나 배터리 스트링(24) 내의 다른 모듈들은 단락된 배터리 모듈(도 7 참조)을 우회하여, 결함의 위치를 통해 부하들에 전류를 계속 공급한다.
충전 사이클 동안, 배터리 충전기(64)(도 1 참조)에 의해 공급되는 전류가 제한된다. 따라서 배터리 시스템(21)은, 가용성 링크들(56)을 개방함으로써 배터리 모듈에 걸친 결함을 클리어한 후에, 배터리 충전기(64)에 접속된 상태로 유지되고 계속 충전되며, 이는 위에서 설명된 바와 같이 배터리의 과충전(8개의 배터리 모듈들 중 나머지 7개의 과충전)을 야기할 수 있다.
본 명세서에서 제안되는 고장 안전 배터리 보호 방식은, 충전 모드 또는 방전 모드에 있는 동안 배터리 과충전 또는 남용으로부터 보호하기 위한 BMS(22)의 능력과는 독립적으로, 배터리를 충전기로부터 분리하는 성능을 제공하는 개념에 기반한다. (a) BMS(22) 및 MMU들(6a, 6b)(도 3 참조)과는 독립적이고; (b) 상이한 데이터 처리 기법을 사용하며(예컨대, BMS 데이터가 소프트웨어를 사용하여 처리된다면, 고장 안전 디바이스에 의한 데이터 처리가 FPGA에서 이루어짐); (c) 배터리 시스템(21)으로부터 완전히 분리되고; (d) 단순하고 견고하며(개별 셀 전압들을 사용할 필요가 없음); (e) 충전 모드와 방전 모드 모두에서 과충전으로부터 보호하고; 그리고 (f) (고전압 전력 시스템에 대한 상당한 손실들 및 추가 열을 생성하고 정상 재생/에너지 회복 모드를 허용하지 않을) 방전 모드에서의 차단 다이오드들을 사용하지 않는, 추가 고장 안전(최후의 수단) 보호 층이 제공된다.
한편으로, 배터리 충전기의 조절이 실패한 시나리오를 검출하기 위해, 본 명세서에서 제안되는 배터리 충전 보호 방식은 각각의 배터리 스트링의 단부 단자들에 걸친 스트링 전압(Vbat)을 측정하고, 측정된 스트링 전압이 이상(abnormality)의 존재를 표시하는 스트링 전압 임계 값을 초과하는 경우를 검출한다. 다른 한편으로, 배터리 모듈이 단락 고장을 갖는 시나리오를 검출하기 위해, 본 명세서에서 제안되는 배터리 충전 보호 방식은 각각의 배터리 스트링의 2개의 하프 스트링들의 단부 단자들에 걸친 하프 스트링 전압들(Vstack(+), Vstack(-))을 측정하고, 이들의 차이가 이상의 존재를 표시하는 하프 스트링 전압 차 임계 값을 초과하는 경우를 검출한다. 선택적으로, 개별 배터리 모듈들에 걸친 전압들은 충전 중에 이상을 검출하기 위해 측정될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 동작하기 위해 배터리 전압을 사용하는 전용 하우스키핑(housekeeping) 전력 공급부를 갖는 개별 분배 박스 또는 전력 분배 패널에 내장된 단순한 배터리 보호 하드웨어(예컨대, FPGA 또는 이산 로직)에 의해 추가 중복 배터리 보호가 제공될 수 있다. 하나의 제안된 구현에 따르면, 고장 안전 배터리 과충전 보호 회로는 전용 접촉기 및 전용 파이로 스위치를 포함하며, 이들은 배터리 충전기로부터 배터리를 분리하기 위해 순차적으로 활성화될 수 있다. 보다 구체적으로, 접촉기가 동작하지 않는다면, 측정된 과충전 전압의 추가 증가에 대한 응답으로 파이로 스위치가 활성화될 수 있다. 과도한 충전 전류 및 단락 고장으로부터 보호하기 위해 추가 션트가 사용될 수 있다.
도 8은 (도 5b에 도시된 바와 같이) 단락(42)을 갖는 배터리 스트링(24)에서 전체 스트링 및 하프 스트링 전압들을 측정하도록 배열된 한 세트의 전압 변환기들(3a-3c)을 나타내는 도면이다. 도 8은 이상이 존재한다(예컨대, 단락(42)으로 인한 배터리 모듈 오프)고 결론을 내리는 데 사용될 전압들을 측정 및 보고하기 위한 셋업을 도시한다. 전압 변환기(3a)는 V(+) 레일로부터 배터리 스트링(24)의 중간점까지의 하프 스트링 전압(Vstack(+))을 측정한다. 하프 스트링(25a)의 단자들에 걸친 하프 스트링 전압(Vstack(+))은 V(+)와 중간점 전압(Vmp) 간의 차이와 같다. 전압 변환기(3b)는 V(-) 레일로부터 하프 스트링(25b)에 대응하는 배터리 스트링(24)의 중간점까지의 하프 스트링 전압(Vstack(-))을 측정한다. 하프 스트링(25b)의 단자들에 걸친 하프 스트링 전압(Vstack(-))은 V(-)와 중간점 전압(Vmp) 간의 차이와 같다. 전압 변환기(3c)는 V(+) 레일로부터 V(-) 레일까지의 전체 스트링 전압(Vbat)을 측정한다. 배터리 스트링(24)의 단자들에 걸친 전체 스트링 전압(Vbat)은 V(+)와 V(-) 간의 차이와 같다. 대안적인 실시예들에 따르면, 2개의 전압 변환기들의 임의의 조합은 수학적 연산(Vstack(+) + Vstack(-) = Vbat 또는 Vbat - Vstack(+) = Vstack(-) 또는 Vbat - Vstack(-) = Vstack(+))의 구현을 통해 원하는 기능을 가능하게 하지만, 이러한 경우들에는 계산된 전압들이 독립적이지 않다.
측정치(Vbat)는 충전을 위해 설정된 전압 레벨과 비교된다. 충전 사이클 동안, 센서에 의해 검출된 전압이 Vbat + Vacc(공칭 전압) 및 Vbat - Vacc + dV(열 폭주를 허용하지 않는 절대적으로 가장 높은 전압, 여기서 Vacc는 센서의 정확도, 예컨대 2.5%이고, dV는 배터리가 견딜 수 있는 공칭 전압을 초과하는 마진인데, 예컨대 공칭 전압이 4.2VDC인 단일 셀의 경우, 안전 마진은 0.4VDC이며, 이는 가능한 최고 절대 전압을 4.6VDC - Vacc가 되게 함)보다 크다면, 이 조건은 BMS(22)(도 2 참조)에 의해 과충전으로서 식별된다. 예를 들어, 1000VDC 정격 센서의 정확도가 ±0.5%(± 5VDC)라면, 192개의 셀들로 구성된 전체 배터리 스트링에 대해 측정된 공칭 전압은 (192 × 4.2) + 5 = 806.54 + 5 = 811.4VDC를 초과하지 않아야 하고, 그러면 절대 최고 전압은 Vbat = (192 × 4.6VDC) - 5VDC = 878.2VDC가 될 것이다. 그런 다음, 안전 임계 값(dV)이 dV = (Vmax_cell - Vnom_cell) × #of_cells = (4.6 - 4.2) × 192 = 76.8 VDC로서 결정된다고 결론을 내릴 수 있다.
하프 스트링 전압들을 측정하는 전압 변환기들이 500V로 정격화되고 또한 ±0.5%(±2.5VDC)의 정확도를 갖는다고 가정한다. 그러면, 192개의 배터리 셀들의 하프 스트링에 대해, 공칭 전압은 192/2 × 4.2VDC ± 2.5VDC = 403.2VDC ± 2.5VDC가 된다. 배터리 모듈들 중 하나가 누락되자마자, Vstack(+) 및 Vstack(-)의 판독들은 정확도로 인해 2 × (±2.5VDC) = 5VDC의 합보다 더 많이 차이가 나고, 임계 값(dV)은 예컨대, 15V로 설정된다. 예를 들어, 이 경우 최대 공칭 차이는 이를테면, Vstack(+) 및 Vstack(-)이 각각 413.2VDC 및 393.2VDC를 판독했다면, 20VDC일 것이다. 현실적으로, 이러한 수들은 단일 배터리 모듈당 셀들의 최대 수들을 반영해야 한다. 예를 들어, 도 5b를 참조하여 이전에 설명된 바와 같이, 배터리 스트링 내의 셀들의 총 수가 192개라면, 모듈당 셀들의 최대 수는 16이어야 한다는 결정이 이루어질 수 있다. 따라서 하나의 배터리 모듈이 누락될 때, (100% SOC에서) 셀들은 셀당 806.2/176 = 4.58VDC에 노출되고 안전 한계 이내이다. 그런 다음, 불균형 전압은 (20-V 임계 값보다 큰) 16 × 4.2VDC = 67.2VDC이다. 그러나 실제로, 오리지널 장비 제조사들은 배터리 모듈당 셀들의 수를 최대화하려고 시도하며, BMS 보호와 상이한 중복 보호의 구현이 필수적이다.
전압 변환기 판독들은 3개(또는 최소 2개)의 독립적인 측정치들로서 (BMS뿐만 아니라) 고장 안전 디바이스에 보고된다. 고장 안전 디바이스는 도 11을 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 절대 과전압에 대해 그리고 불균형에 대해 전압 측정치(Vbat)를 체크하고 그리고 결함 상태를 클리어하기 위한 지시들을 내리도록 구성된 프로세서를 포함한다. 대안적인 솔루션은 각각의 배터리 모듈(예를 들어, 8개의 모듈들)의 전압을 측정하고 유사한 불균형 로직 보호를 적용하는 것이지만, 이 경우 복잡성 및 비용이 증가하고 시스템 신뢰성이 감소된다.
도 9는 전력 분배 패널(20)이 BMS(22)와는 독립적으로 배터리 과충전에 대한 고장 안전 보호를 제공하기 위한 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)를 포함하는 하이브리드 전기 항공기 추진 아키텍처를 나타내는 도면이다. 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는 다음과 같이 시스템의 나머지와 독립적이다: (a) 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는 전용 하우스키핑 전력 공급부(11)를 사용하여 배터리 팩(18)으로부터 자신의 전력을 도출하고; (b) 선택적으로, 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는 항공기에 탑재된 보조 전력 공급부(도 8의 "Aux PS")로부터 전력을 수신할 수 있으며; 그리고 (c) 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는 도 9에서 확인되는 전류 센서(15) 및 도 8에서 확인되는 전압 변환기들(3a-3c)을 포함하는 자체 전용 센서들을 모니터링에 사용한다.
도 9의 접촉부들(19a-19c)은 중간점에서의 전압(Vmp), 포지티브 고전압 버스 바(38a)의 전압(V(+)) 및 네거티브 고전압 버스 바(38b)의 전압(V(-))이 기준 전압에 대해 측정되는 탭 포인트들을 나타낸다. 접촉부들(19a-19c)은 도 8에 도시된 전압 변환기들(3a-3c) 중 하나의 입력에 각각 전기적으로 접속된다. 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는 전압 변환기들(3a-3c)로부터의 출력들을 처리하는 고장 안전 과충전 프로세서(13)를 포함한다. 접촉부들(19a, 19b)에서의 측정된 전압들(Vmp, V(+))의 차이는 하프 스트링(25a)의 단부 단자들에 걸친 하프 스트링 전압(Vstack(+))이다. 접촉부들(19a, 19c)에서의 측정된 전압들(Vmp, V(-))의 차이는 하프 스트링(25b)의 단부 단자들에 걸친 하프 스트링 전압(Vstack(-))이다. 접촉부들(19b, 19c)에서의 측정된 전압들(V(+), V(-))의 차이는 배터리 스트링(24)의 단부 단자들에 걸친 전체 스트링 전압(Vbat)이다. 대안적인 구현에서, 배터리 스트링(24)이 고 임피던스 중심 탭을 갖는다면, 이러한 전압들은 접지를 기준으로 할 수 있다. 선택적으로, 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1) 및 BMS(22)는 둘 다 동일한 전체 스트링 및 하프 스트링 전압들을 독립적으로 측정할 수 있다. 추가로, BMS(22)에 의해 이루어진 측정들은 건전성(health) 모니터링 이유들로 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)에 의해 이루어진 측정들과 비교될 수 있다.
고장 안전 과충전 프로세서(13)는 하우스키핑 전력 공급부(11)로부터 전력을 수신하고, 전압 변환기들(3a-3c)로부터 3개(또는 최소 2개)의 신호들을 수신한다. 그런 다음, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 도 11을 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이 계산되는 미리 설정된 임계 값과 Vbat를 비교한다. Vbat가 임계 값을 초과한다면, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 (배터리 충전기(64)로부터 또는 재생 모드에서는 AC 모터(30)로부터) 과전압을 식별하고, (네거티브 고전압 버스 바(38b) 상에 도시된) 접촉기(17)를 개방하도록 지시한다. 이 동작은 리셋 가능한데, 즉 접촉기(17)는 파일럿 오버라이드(pilot over-ride)에 의해 다시 폐쇄하도록 지시될 수 있다. 추가로, 상이한 보호 수단으로서, 접촉기(17)가 용접에 실패한다면 또는 접촉기(17)가 전류를 차단할 수 없다면, 파이로 스위치(72)가 또한 개방되도록 지시될 수 있다. 파이로 스위치(72)는 포지티브 고전압 버스 바(38a)를 따라 배치된 파이로 퓨즈를 포함한다. 파이로 퓨즈는 접촉부들을 더 빨리 분리함으로써 아킹을 방지하기 위해 용융 금속 바보다는 폭발성을 사용하는 고전압용 퓨즈의 한 타입이다.
하우스키핑 전력 공급부(11)의 고장의 경우, 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)의 접촉기(17)는 자동으로 개방 상태로 해제될 것이며, 이로써 배터리 팩(18)이 안전한 상태에 있게 된다. 또한, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 Vstack(+) 및 Vstack(-) 판독들을 수신하고 이러한 값들을 비교하여, 2개의 하프 스트링들의 건전성을 결정하는데, 예컨대 배터리 모듈이 동작하지 않는지 여부를 결정한다.
고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는 개별 인클로저에서 구현될 수 있다. 바람직하게는, 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는 부하들 측에서 분배 버스(44) 및 분리 디바이스들(62)을 또한 포함할 수 있는 전력 분배 패널(20)과 같은 기존의 항공기 장비에 내장된다. 또한, 3개 또는 2개의 전압 변환기들이 또한 전력 분배 패널(20) 내부에 설치될 수 있고, 이로써 배터리 시스템(21)으로부터 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)의 절대적인 분리를 보장할 수 있다.
도 10은 대안적인 실시예에 따른, 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)에 접속된 2개의 배터리 스트링들(25a, 25b) 및 BMS(22)를 포함하는 배터리 시스템의 컴포넌트들을 식별하는 도면이다. 이 예에서, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 포지티브 고전압 버스 바(38a)에 접속되는 션트 타입 전류 센서로부터 전류 측정치를 수신한다.
도 11은 하나의 제안된 구현에 따라 과충전으로부터 보호하기 위해 전체 스트링 및 절반 스트링 전압들을 모니터링하기 위한 알고리즘(100)의 단계들을 식별하는 흐름도이다. 보다 구체적으로, 알고리즘(100)은 전압 변환기들의 판독들 및 미리 설정된 임계 값들에 기반하여 보호를 활성화한다. 알고리즘(100)은 배터리 스트링(24)이 충전되고 있는 동안 수행된다. 예를 들어, 도 9에 도시된 배터리 스트링(24)과 배터리 충전기(64) 사이에 배치된 (접촉기(17) 및 파이로 스위치(72)를 포함하는) 임의의 분리 디바이스들은 충전 중에 폐쇄된다. 충전 중에, V(+), V(-) 및 Vmp 전압들이 감지된다(단계(102)). 이러한 감지된 전압들에 기초하여, 전체 스트링 및 하프 스트링 전압들이 측정된다. 보다 구체적으로, 하프 스트링(25a)에 걸쳐 제1 하프 스트링 전압(Vstack(+) = V(+) - Vmp)이 측정되고(단계(106)), 하프 스트링(25b)에 걸쳐 제2 하프 스트링 전압(Vstack(-) = V(-) - Vmp)이 측정된다(단계(108)). 추가로, 배터리 스트링(24)에 걸쳐 전체 스트링 전압(Vbat = V(+) + V(-))이 측정된다(단계(110)). 마지막으로, 측정된 제1 하프 스트링 전압(Vstack(+))과 제2 하프 스트링 전압들(Vstack(-)) 간의 차이(ΔVstack)가 계산된다(단계(104)).
여전히 도 11을 참조하면, 차이(ΔVstack)가 차이 임계 값(ΔVthr)과 비교된다(단계(112)). 한편으로, 단계(112)에서 차이(ΔVstack)가 차이 임계 값(ΔVthr)보다 크지 않다는 결정이 이루어진다면, 프로세스는 단계(102)로 돌아간다. 다른 한편으로, 단계(112)에서 차이(ΔVstack)가 차이 임계 값(ΔVthr)보다 크다는 결정이 이루어진다면, 고장 안전 과충전 프로세서(13)(도 9 참조)는 접촉기(17)를 개방하라는 지시를 내린다(단계(120)).
추가로, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 (하드웨어 또는 소프트웨어에서) 측정된 전체 스트링 전압(Vbat)의 크기를 전체 스트링 전압 임계 값(Vthr(bat))과 비교(단계(118))하도록 구성된다. 한편으로, 단계(118)에서, 측정된 전체 스트링 전압(Vbat)이 전체 스트링 전압 임계 값(Vthr(bat))보다 크지 않다는 결정이 이루어진다면, 프로세스는 단계(102)로 돌아간다. 다른 한편으로, 단계(118)에서, 측정된 전체 스트링 전압(Vbat)이 전체 스트링 전압 임계 값(Vthr(bat))보다 크다는 결정이 이루어진다면, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 접촉기(17)를 개방하라는 지시를 내린다(단계(120)).
추가로, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 측정된 하프 스트링 전압(Vstack(+))의 크기를 하프 스트링 전압 임계 값(Vthr(+))과 비교하고(단계(114)), 또한 측정된 하프 스트링 전압(Vstack(-))의 크기를 하프 스트링 전압 임계 값(Vthr(-))과 비교(단계(116))하도록 구성된다. 단계(114)에서, 측정된 하프 스트링 전압(Vstack(+))이 하프 스트링 전압 임계 값(Vthr+))보다 크지 않다는 결정이 이루어진다면, 프로세스는 단계(102)로 돌아간다. 유사하게, 단계(116)에서, 측정된 하프 스트링 전압(Vstack(-))이 하프 스트링 전압 임계 값(Vthr(-))보다 크지 않다는 결정이 이루어진다면, 프로세스는 단계(102)로 돌아간다. 이에 반해, 측정된 하프 스트링 전압(Vstack(+))이 하프 스트링 전압 임계 값(Vthr(+))보다 크다는 결정이 단계(114)에서 이루어진다면, 그리고 측정된 하프 스트링 전압(Vstack(-))이 하프 스트링 전압 임계 값(Vthr(-))보다 더 크다는 결정이 단계(116)에서 이루어진다면, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 ΔV(+) = Vstack(+) - Vthr(+)를 ΔV(-) = Vstack(-) - Vthr(-)와 비교함으로써 센서가 고장 나지 않았음을 확인한다. ΔV(+) = ΔV(-)라면, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 접촉기(17)를 개방하라는 지시를 내린다(단계(120)).
시스템의 상태가 하나의 배터리 모듈이 동작하고 있지 않는 것일 때, 차이(ΔVstack)가 차이 임계 값(ΔVthr)보다 더 커지도록 차이 임계 값(ΔVthr)이 계산된다. 이어서, 접촉기(17)는 제1 임계 값에 도달할 때 개방되도록 지시된다. 이러한 구현에서, 접촉기(17)가 용접되고 전압이 계속 증가한다면, 제2 임계 값이 파이로 스위치(72)를 활성화하는 데 사용될 수 있다. 이러한 조정은 또한, 하우스키핑 전력 공급부(11)가 전력을 상실한다면, 파이로 스위치(72)가 회로를 차단하도록 지시될 수 없고, 동시에, 낮은 전압을 유지하는 것으로 인해 (정상적으로는 개방인) 접촉기가 자동으로 개방된다는 것을 고려할 수 있다.
단계들(110, 118)을 포함하는 루프는 (3개의 전압 변환기들이 사용된다면) Vbat를 모니터링하거나 (2개의 전압 변환기들이 사용된다면) Vstack(+) + Vstack(-)를 계산한다. 측정된 전체 스트링 전압(Vbat)은 전체 스트링 전압 임계치(Vthr(bat))와 비교되며, 이는 소비된 에너지의 함수로써 배터리 전압의 프로그래밍된 룩업 테이블을 사용하여 고장 안전 과충전 프로세서(13)에 의해 동적으로 조정될 수 있다. 전체 스트링 전압 임계 값(Vthr(bat))이 초과된다면, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 배터리 충전기(56)가 조절되지 않은 체제에 진입했거나 재생 중에 생성된 피드백 전압이 너무 높고 접촉기(17) 또는 파이로 스위치(72)를 개방함으로써 배터리 팩(18)이 분리된다고 결론을 내린다.
도 11에 제시된 흐름도는 적절한 배터리 보호 응답을 결정하기 위해 고장 안전 과충전 프로세서(13)에 의해 이용되는 전압 기반 로직을 보여준다. 대안적인 구현에서, 전류 기반 로직이 이용될 수 있다. 도 12는 3개의 전류 센서들: 하프 스트링들(25a, 25b) 간의 중간점에 접속되는 전류 센서(46), 및 전력 분배 패널(20)에 내장 또는 부착된 전류 센서들(15a, 15b)로부터의 데이터를 처리하도록 구성된 고장 안전 배터리 과충전 보호 회로(1)에 접속된 배터리 시스템(21)의 컴포넌트들을 식별하는 도면이다. 도 12는 단락(42)으로 인해 배터리 하프 스트링(25a)이 손실된 시나리오를 도시한다.
상이한 보호 수단으로서, 접촉기(17)가 용접된다면 또는 전류가 전류를 차단하는 접촉기의 능력을 초과한다면, 파이로 스위치(72)가 또한 개방되도록 지시될 수 있다. 후자의 상황은, 고장 안전 디바이스가 (전류 센서(15a) 및/또는 전류 센서(15b)의 판독을 분석함으로써) 과전류 조건을 검출하는 경우에 특히 중요한데: 고장 안전 디바이스와 배터리 시스템(21) 사이에 단락이 발생한다면, 전류 센서들(15a, 15b)은 충전 사이클 동안 충전 전류(제1 전류 임계치)보다 상당히 더 큰 전류를 보고하고, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 파이로 스위치(72) 및 접촉기(17)를 개방하도록 지시한다. 다른 충전 시나리오는 배터리 내부에서(포지티브와 중간 탭 또는 네거티브와 중간 탭 사이에서) 단락이 발생할 때, 전류 센서(46)가 전류 센서들(15a, 15b, 46) 모두에 의해 동일한 값으로서 검출되는 정상 충전 전류보다 훨씬 더 높은 매우 높은 전류(제2 전류 임계치(2))를 보고하는 것이다. 이는 BMS(22)가 배터리를 차단하라는 지시를 전송하게 하는 차동 보호를 구성하고, BMS(22)는 이러한 비정상적인 시나리오를 고장 안전 과충전 프로세서(13)에 전달하며, 그 다음, 고장 안전 과충전 프로세서(13)는 접촉기(17) 및 파이로 스위치(72)를 개방함으로써 배터리 충전기(64)의 분리를 활성화한다. 파이로 스위치(72)의 활성화는 시스템의 리셋 불가능한 구성을 야기한다. 전력 분배 패널(20)에 대해 상류의 방전 동안 포지티브 측과 네거티브 측 사이에 단락이 발생한다면, 두 전류 센서들(15a, 15b) 모두에 의해 매우 높은 단락 전류가 검출되고, 고장 안전 디바이스는 접촉기(17) 및 파이로 스위치(72)를 개방함으로써 단락을 차단한다.
도 13은 중복적이고 상이한 방식으로 고장 안전 기능을 구현하기 위해 이용되는 로직에 대한 기반을 형성하는 개선된 배터리 셀 과충전 결함 트리(23')를 나타내는 도면이다. 로직은 도 4의 AND 게이트들(76, 78, 82, 84) 및 OR 게이트(80)로 표현된다. 배터리 셀 과충전 결함 트리(23)는 리튬 이온 셀이 정상적으로는 4.2VDC로 충전되어야 하고 동작 중에는 2.6VDC 미만으로 유지되어야 한다는 가정에 기반한다. 따라서 직렬로 접속된 192개의 셀들로 구성된 배터리 모듈(이 순간, 병렬 접속들의 수는 중요하지 않음)은 192 * 4.2VDC = 806VDC(충전 상태(SOC) = 100%)로 충전되어야 한다. 배터리 충전기가 통제를 벗어나고(예컨대, 출력 전압이 806VDC를 초과함) MMU1과 MMU2 둘 다 (2개의 독립적인 고장들로서) 오작동하며, 과전압 보호 기능의 고장이 존재한다면, 셀들은 4.6VDC보다 높은 전압들로 과충전된다. 이 순간에, 셀들이 과충전되고, 과열되어 결국 열 폭주 체제에 진입하는 것을 막는 것은 아무것도 없다. 다른 시나리오는 배터리 모듈들 중 하나가 자신의 단자들에 걸쳐 단락되어 MMU1과 MMU2 둘 다 오작동하고, 고장 안전 디바이스와 중간점 사이의 통신의 고장이 있어 보호의 손실을 야기하는 경우이다. 충전기는 계속 806VDC를 제공하지만 직렬로 더 적은 배터리 모듈들로(예컨대, 8개 대신에 단지 7개의 모듈들만으로) 제공한다. 이 경우, 셀들은 또한 과충전되어 고장 날 수 있다.
도 14는 추가 독립적인 과전압 보호 층이 개별 부하들에 통합된, 도 9에 도시된 타입의 하이브리드 전기 항공기 추진 아키텍처를 나타내는 도면이며, 부하의 고장이 과도하게 배터리 전압을 증가시키는 회생 모드를 야기할 때 개별 보호가 발동된다. 복수의 부하들 및 전력 분배 버스(44)에 대한 다른 접속부들(예컨대, 배터리 충전기) 각각에서 과전압(OV: overvoltage) 보호가 구현된다. 보호가 실현되는 방식의 차이는 주로 시스템의 부하들 측에 접속된 장비의 타입에 좌우된다. 하나의 부하가 고장 나고 재생을 생성한다면, 그 부하는 바람직하게는, 고장 안전 디바이스를 작동시키기 전에 격리됨으로써, 나머지 건전한 부하들이 계속 동작할 수 있게 한다.
도 14에 도시된 예에서, 모터 제어기(10)는 과전압 보호 회로(90a)를 포함한다. 예를 들어, 모터 제어기(10)가 고장으로 인해 과전압을 생성하고 있을 때, 그 과전압은, 그 단자들 상의 전압이 미리 설정된 임계 값을 초과하는 경우를 검출함으로써 모니터링될 수 있으며; 추가로, 션트 타입 전류 센서(74a)는 모터 제어기(10)로부터 흐르는 음의 전류를 검출한다. 그 경우, 결함 있는 모터 제어기는 셧다운되도록 지시된다. 유사하게, 배터리 충전기(64)는 또한 션트 타입 전류 센서(74b)로부터 센서 데이터를 수신하는 과전압 보호 회로(90b)를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 각각의 HVDC 능동 제어 부하에 분리된 독립적인 보호가 내장된다. 이러한 보호는 전압 및 전류를 모니터링한 다음, 부하들이 전력 분배 버스(44) 및 배터리 시스템(21)에 다시 과도한 전압 또는 전류를 생성하는 것으로 인한 고장으로부터 보호하기 위한 로직을 적용하는 것에 기반하여 구현된다. 버스 및 배터리 과전압으로 이어질 수 있는 부하 고장의 경우, 부하를 차단함으로써, 다른 부하들에 대한 서비스를 중단시키지 않으면서 안전한 조건을 생성하는 것이 유리할 수 있다. DC 전력을 AC 모터를 위한 AC 전력으로 변환하는 모터 제어기(10)의 경우, 펄스 폭 변조 드라이버 및/또는 하우스키핑 전력 공급부를 디세이블함으로써 회생 모드 구동 버스 전압이 종결될 수 있다. 예를 들어, 모터 제어기(10)의 과전압 보호 회로(90a)는 재생된 전압이 850VDC를 초과할 때 보호를 활성화하도록 구성될 수 있다. 그런 다음, 일정 시간 지연 후에, 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는, 재생된 전압이 865VDC를 초과할 때(부하 보호가 실패한다면) 접촉기(17)의 개방을 활성화하도록 구성된다. 그런 다음, 추가 시간 지연 후에, 고장 안전 배터리 과충전 보호 디바이스(1)는, 재생된 전압이 875VDC를 초과할 때(접촉기가 개방에 실패한다면) 파이로 스위치(72)를 활성화하도록 구성된다. 따라서 고장 안전 디바이스 층은 부하 고장으로부터 보호하기 위한 조정을 위해 더 높은 레벨들로 설정될 수 있다.
도 15는 AC 모터(30)에 전기적으로 접속되며 고장 모드에서 AC 모터(30)에 의해 재생되는 전류로부터 (도 15에 도시되지 않은) 배터리를 보호하기 위한 안전 제어 보드(94)를 포함하는 모터 제어기(10)를 나타내는 도면이다. AC 모터(30)는 모터 제어기(10)의 제어 하에서 동작한다. 일부 구현들에서, 모터 제어기(10)는 AC 모터(30)의 고정자 권선들(98)의 개개의 세트들에 AC 전류를 제공하기 위한 3개의 채널들을 갖는다. 모터 제어기(10)의 각각의 채널(도 15에는 하나의 채널만이 도시됨)은 AC 모터(30)의 권선들(98)에 병렬로 접속되는 개개의 인버터(91)를 포함한다. 도 15에 도시된 단순화된 구현에서, 채널은 (3개의 위상들과 각각 연관된 전력 스위치들(86)의 3개의 세트들을 포함하는) 인버터(91) 및 HVDC 버스 바들(99a, 99b)에 걸쳐 접속된 DC 링크 커패시터(95)를 포함한다. 개개의 다이오드(88)는 각각의 전력 스위치(86)와 역-병렬(anti-parallel)로 접속된다.
각각의 인버터(91)의 동작은 개개의 인버터 제어기(92)에 의해 제어되며, 인버터 제어기는 (도 15에 도시되지 않은) 스위치 신호 라인들을 통해 인버터(91)에 스위치 제어 신호들을 전송하고 인버터(91)로부터 스위치 상태 신호들을 수신한다. 인버터들(14)은 DC 전력을 AC 모터(30)를 위한 다상 AC 전력으로 변환한다. 인버터들 및 인버터 제어기들은 조합하여, 모터 제어기(10)의 일부인 DC-AC 변환기를 형성한다. 보다 구체적으로, 인버터 제어기(92)는 최적의 기계적 토크 출력을 달성하기 위해 AC 모터(30)에 소싱될 필요가 있는 기준 전류들 및 전압들로서 기능하는 펄스 폭 변조된 신호들을 생성한다. 이러한 기준 신호들은, 인버터 제어기(92)에 의해 제어되는 인버터(91)의 전력 스위치들(86)의 게이트 드라이버들에 전송되는 지시들을 생성하는 펄스 폭 변조(PWM: pulse width modulation) 생성 함수를 사용하여 변조된다.
도 15에 도시된 시나리오에서, 재생된 전기 에너지의 DC 컴포넌트는 모터 제어기(10)에 의해 시스템에 지속적으로 피드백되고 있다. 통상적으로, 배터리는 과충전 조건들 미만의 용인 가능한 레벨로 이 전력을 수신한다. 그러나 AC 모터(30)가 동일한 속도로 계속 회전하고 생성된 모터 역기전력(EMF: electromotive force)을 상쇄시킬 것이 아무것도 없는 조건들 하에서, 모터 역 EMF가 갑자기 증가한다. 그 다음, 재생된 전압이 모터 제어기(10)의 환류 다이오드들(88)을 통해 정류되고, 결과적인 전압은 배터리 시스템에 의해 제공되는 DC 링크 전압보다 상당히 더 높다. 이것이 발생하면, 모터(30)가 제어 불가능하게 배터리 시스템에 전력을 다시 재생한다. 배터리가 저 임피던스 소스이고, 재생된 전력이 상당하기 때문에, 결과는 배터리로 다시 흐르는 큰 전류가 된다. 이 전류는 배터리 공칭 충전 전류보다 훨씬 더 클 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 조건은 배터리 과충전 및 후속적인 과열 및 열 폭주로 이어질 수 있다.
시스템 내로 흐르는 과전압 및 전류가 검출된다면, 안전 제어 보드(94)는 과충전 조건이 존재한다고 결정하고 게이트들로부터 전력을 제거함으로써 (예컨대, MOSFET들 또는 IGBT들일 수 있는) 전력 스위치들(86a, 86b)을 개방하게 지시함으로써, 시스템의 나머지로부터 부하(이 경우, AC 모터(30))를 격리시키도록 구성된다. 보다 구체적으로, 안전 제어 보드(94)는 DC 링크 커패시터(95) 양단의 전압을 측정하기 위한 전압 변환기를 포함할 수 있다. 션트 타입 전류 센서(74)는 모터 제어기(10)로부터 흐르는 음의 전류를 검출한다. 셧다운 메커니즘(96)은 PWM 드라이버들의 직접적인 비활성화이다.
도시된 서로 다른 실시예들의 흐름도들 및 블록도들은 예시적인 실시예의 장치 및 방법들의 일부 가능한 구현들의 아키텍처, 기능 및 동작을 예시한다. 이와 관련하여, 흐름도들 또는 블록도들 내의 각각의 블록은 모듈, 세그먼트, 기능, 및/또는 동작이나 단계의 일부를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 블록들 중 하나 또는 그보다 많은 블록은 프로그램 코드로서, 하드웨어로, 또는 프로그램 코드와 하드웨어의 결합으로 구현될 수도 있다. 하드웨어로 구현될 때, 하드웨어는 예를 들어, 흐름도들 또는 블록도들의 하나 이상의 동작들을 수행하도록 제조 또는 구성되는 집적 회로들의 형태를 취할 수 있다.
위에 개시된 실시예들은 하나 이상의 처리 또는 컴퓨팅 디바이스들을 사용한다. 이러한 디바이스들은 통상적으로 프로세서, 처리 디바이스 또는 제어기, 이를테면 범용 중앙 처리 유닛, 마이크로컨트롤러, 축소 명령 세트 컴퓨터 프로세서, 주문형 집적 회로, 프로그래밍 가능 로직 회로, 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이, 디지털 신호 프로세서, 및/또는 본 명세서에서 설명된 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 처리 디바이스를 포함한다. 본 명세서에서 설명된 방법들은 제한 없이 저장 디바이스 및/또는 메모리 디바이스를 포함하는 비-일시적 유형의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 구현된 실행 가능 명령들로서 인코딩될 수 있다. 이러한 명령들은 처리 디바이스에 의해 실행될 때 처리 디바이스로 하여금, 본 명세서에서 설명한 방법들의 적어도 일부를 수행하게 한다.
본 명세서에서 설명된 방법들은 제한 없이 저장 디바이스 및/또는 메모리 디바이스를 포함하는 비-일시적 유형의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 구현된 실행 가능 명령들로서 인코딩될 수 있다. 이러한 명령들은 처리 또는 컴퓨팅 시스템에 의해 실행될 때 시스템 디바이스로 하여금, 본 명세서에서 설명한 방법들의 적어도 일부를 수행하게 한다.
다양한 실시예들과 관련하여 공수 고전압 배터리 팩들의 과충전에 대한 중복적이고 상이한 보호를 제공하기 위한 시스템들 및 방법들이 설명되었지만, 본 명세서의 교시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형들이 이루어질 수 있고 등가물들이 이들의 엘리먼트들을 대신할 수 있다고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 이해될 것이다. 추가로, 본 명세서의 교시들을 그 범위를 벗어나지 않으면서 특정 상황에 맞추도록 많은 변형들이 이루어질 수 있다. 따라서 청구항들은 본 명세서에 개시된 특정 실시예들에 국한되지 않는 것으로 의도된다.
본 명세서에 첨부된 방법 청구항들에서, 단계들의 임의의 알파벳 순서는, 방법 단계들이 알파벳 순서로 수행될 것을 요구하도록 청구항의 범위를 제한할 목적이 아니라, 선행 단계들에 대한 후속적인 약식 참조들을 가능하게 할 유일한 목적을 위한 것이다.
주: 다음 단락들은 본 개시내용의 추가 양상들을 설명한다:
A1. 중간점에서 전기적으로 접속되는 제1 하프 스트링 및 제2 하프 스트링을 포함하는 배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템으로서, 각각의 하프 스트링은 직렬로 접속된 개개의 복수의 배터리 모듈들을 포함하고, 각각의 배터리 모듈은 개개의 복수의 배터리 셀들을 포함하며, 이 시스템은:
제1 분리 디바이스 및 제2 분리 디바이스;
제1 분리 디바이스 및 제2 분리 디바이스가 폐쇄되면 제1 분리 디바이스 및 제2 분리 디바이스를 통해 배터리 스트링에 전기적으로 접속되는 전력 분배 버스;
배터리 스트링의 충전을 위해 전력 분배 버스에 배터리 전력을 공급하도록 접속되고 구성된 배터리 충전기;
충전 중에 배터리 셀들의 개별 배터리 셀 전압들을 감지하도록 구성되는 모듈 모니터링 유닛;
모듈 모니터링 유닛에 의해 감지된 개별 배터리 셀 전압들이 과충전을 표시할 때 개방되게 제1 분리 디바이스를 활성화하도록 구성된 제1 프로세서;
배터리 스트링에 걸쳐 측정된 전체 스트링 전압, 제1 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제1 하프 스트링 전압, 및 제2 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제2 하프 스트링 전압을 감지하도록 접속된 복수의 센서들; 및
충전 중에 복수의 센서들로부터 센서 데이터를 수신하도록 접속되고 그리고 센서 데이터가 과충전을 표시할 때 개방되게 제2 분리 디바이스를 활성화하도록 구성된 제2 프로세서를 포함한다.
A2. 단락 A1에서 언급된 시스템은, 배터리 스트링으로부터의 전력을 제2 분리 디바이스를 개방하도록 활성화하기 위한 전력으로 변환하도록 구성된 하우스키핑 전력 공급부를 더 포함한다.
A3. 단락 A1에서 언급된 시스템에서, 제2 프로세서는, 센서 데이터로부터 제1 측정치를 도출하고, 제1 측정치를 제1 임계 값과 비교하고, 그리고 제1 측정치가 제1 임계 값을 초과하면 제1 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 프로그래밍된다.
A4. 단락 A3에서 언급된 시스템에서, 제1 측정치는 감지된 제1 하프 스트링 전압과 제2 하프 스트링 전압 간의 차이고, 제1 임계 값은 차이 임계 값이다.
A5. 단락 A3에서 언급된 시스템에서, 제1 측정치는 감지된 제1 하프 스트링 전압의 크기이고, 제1 임계 값은 하프 스트링 전압 임계 값이다.
A6. 단락 A3에서 언급된 시스템에서, 제1 측정치는 감지된 배터리 스트링 전압의 크기이고, 제1 임계 값은 배터리 스트링 전압 임계 값이다.
A7. 단락 A3에서 언급된 시스템은, 제3 분리 디바이스를 더 포함하며, 제1 분리 디바이스 내지 제3 분리 디바이스가 폐쇄되면 제3 분리 디바이스를 통해 전력 분배 버스가 배터리 스트링에 전기적으로 접속되고, 제2 프로세서는 추가로, 센서 데이터로부터 제2 측정치를 도출하고, 제2 측정 값을 제1 임계 값보다 더 높은 제2 임계 값과 비교하고, 그리고 제2 측정치가 제2 임계 값을 초과하면 제3 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 프로그래밍된다.
A8. 단락 A7에서 언급된 시스템에서, 제2 분리 디바이스는 접촉기이고 제3 분리 디바이스는 파이로 스위치이다.

Claims (15)

  1. 중간점(mid-point)에서 전기적으로 접속되는 제1 하프 스트링(half-string) 및 제2 하프 스트링을 포함하는 배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템으로서,
    각각의 하프 스트링은 직렬로 접속된 개개의 복수의 배터리 모듈들을 포함하고, 각각의 배터리 모듈은 개개의 복수의 배터리 셀들을 포함하며,
    상기 시스템은:
    상기 배터리 스트링에 걸쳐 측정된 전체 스트링 전압, 상기 제1 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제1 하프 스트링 전압, 및 상기 제2 하프 스트링에 걸쳐 측정된 제2 하프 스트링 전압을 감지하도록 접속된 제1 복수의 센서들;
    제1 분리(disconnect) 디바이스, 및 충전 중에 상기 제1 복수의 센서들로부터 센서 데이터를 수신하고 상기 제1 분리 디바이스에 지시들을 전송하도록 접속된 프로세서를 포함하는 고장 안전(failsafe) 과충전 시스템;
    상기 제1 분리 디바이스가 폐쇄되면 상기 제1 분리 디바이스를 통해 상기 배터리 스트링에 전기적으로 접속되는 전력 분배 버스; 및
    상기 배터리 스트링의 충전을 위해 상기 전력 분배 버스에 배터리 전력을 공급하도록 접속되고 구성된 배터리 충전기를 포함하며,
    상기 고장 안전 과충전 시스템의 프로세서는, 상기 제1 복수의 센서들로부터의 센서 데이터가 충전 중의 바람직하지 않은 전기 상태― 상기 바람직하지 않은 전기 상태는 충전 중단에 의해 완화될 것임 ―를 표시할 때, 상기 제1 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 구성되는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 고장 안전 과충전 시스템의 프로세서는, 상기 센서 데이터로부터 제1 측정치를 도출하고, 상기 제1 측정치를 제1 임계 값과 비교하고, 그리고 상기 제1 측정치가 상기 제1 임계 값을 초과하면 상기 제1 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 프로그래밍되는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 측정치는 상기 감지된 제1 하프 스트링 전압과 제2 하프 스트링 전압 간의 차이고, 상기 제1 임계 값은 차이 임계 값인,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 측정치는 상기 감지된 제1 하프 스트링 전압의 크기이고, 상기 제1 임계 값은 하프 스트링 전압 임계 값인,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 측정치는 상기 감지된 배터리 스트링 전압의 크기이고, 상기 제1 임계 값은 배터리 스트링 전압 임계 값인,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  6. 제2 항에 있어서,
    제2 분리 디바이스를 더 포함하며, 상기 제1 분리 디바이스 및 상기 제2 분리 디바이스가 폐쇄되면 상기 제2 분리 디바이스를 통해 상기 전력 분배 버스가 상기 배터리 스트링에 전기적으로 접속되고,
    상기 고장 안전 과충전 시스템의 프로세서는 추가로, 상기 센서 데이터로부터 제2 측정치를 도출하고, 상기 제2 측정 값을 상기 제1 임계 값보다 더 높은 제2 임계 값과 비교하고, 그리고 상기 제2 측정치가 상기 제2 임계 값을 초과하면 상기 제2 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 프로그래밍되는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 분리 디바이스는 접촉기이고, 상기 제2 분리 디바이스는 파이로(pyro) 스위치인,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 복수의 센서들은 전압 변환기들인,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    전력 분배 패널을 더 포함하며,
    상기 제1 분리 디바이스, 전력 분배 버스 및 고장 안전 과충전 시스템은 상기 전력 분배 패널 상에 배치되는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    배터리 셀 전압 및 온도를 감지하도록 접속된 제2 복수의 센서들; 및
    제2 분리 디바이스, 및 충전 중에 상기 제2 복수의 센서들로부터 센서 데이터를 수신하고 상기 제2 분리 디바이스에 지시들을 전송하도록 접속된 프로세서를 포함하는 배터리 관리 시스템을 더 포함하며,
    상기 전력 분배 버스는 상기 제1 분리 디바이스 및 상기 제2 분리 디바이스가 폐쇄되면 상기 제1 분리 디바이스 및 상기 제2 분리 디바이스를 통해 상기 배터리 스트링에 전기적으로 접속되고; 그리고
    상기 배터리 관리 시스템의 프로세서는, 상기 제2 복수의 센서들로부터의 센서 데이터가 충전 중의 바람직하지 않은 전기 상태― 상기 바람직하지 않은 전기 상태는 충전 중단에 의해 완화될 것임 ―를 표시할 때, 상기 제2 분리 디바이스를 개방하라는 지시를 전송하도록 구성되는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 시스템.
  11. 중간점에서 전기적으로 접속되는 제1 하프 스트링 및 제2 하프 스트링을 포함하는 배터리 스트링을 충전하기 위한 방법으로서,
    각각의 하프 스트링은 직렬로 접속된 개개의 복수의 배터리 모듈들을 포함하고, 각각의 배터리 모듈은 개개의 복수의 배터리 셀들을 포함하며,
    상기 방법은:
    폐쇄 상태에서 제1 분리 디바이스를 통해 상기 배터리 스트링을 충전하는 단계;
    충전 중에 상기 제1 하프 스트링에 걸쳐 제1 하프 스트링 전압을 측정하는 단계;
    충전 중에 상기 제1 하프 스트링에 걸쳐 제2 하프 스트링 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 제1 하프 스트링 전압과 제2 하프 스트링 전압 간의 차이를 계산하는 단계;
    상기 차이를 차이 임계 값과 비교하는 단계; 및
    상기 차이가 상기 차이 임계 값보다 더 큰 것에 대한 응답으로 상기 제1 분리 디바이스에 개방하라는 지시를 내리는 단계를 포함하는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    충전 중에 상기 배터리 스트링에 걸쳐 전체 스트링 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 전체 스트링 전압의 크기를 전체 스트링 전압 임계 값과 비교하는 단계;
    상기 측정된 제1 하프 스트링 전압의 크기를 제1 하프 스트링 전압 임계 값과 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 제2 하프 스트링 전압의 크기를 제2 하프 스트링 전압 임계 값과 비교하는 단계를 더 포함하는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 배터리 스트링을 충전하는 단계는, 상기 제1 분리 디바이스를 통해 상기 배터리 스트링에 직류를 제공하도록 접속되는 배터리 충전기를 활성화하는 단계를 포함하는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 배터리 스트링을 충전하는 단계는 상기 제1 분리 디바이스를 통해 모터 제어기로부터 상기 배터리 스트링에 직류를 공급하는 단계를 포함하는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 분리 디바이스의 개방 실패에 대한 응답으로, 제2 분리 디바이스를 개방하도록 활성화하는 단계를 더 포함하는,
    배터리 스트링을 충전하기 위한 방법.
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