KR20230011922A - 배터리 모듈을 균형맞춤하기 위한 방법 - Google Patents

배터리 모듈을 균형맞춤하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")을 구비하는 배터리 팩(100)의 동작 효율을 개선하기 위한 방법에 관한 것으로, 각 배터리 팩이 공동 가스 공간(29)을 갖도록 구성된다. 방법은 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 데이터를 획득하는 단계(101)로서, 데이터가 배터리 모듈(10, 10', 10") 당 배터리 셀의 수, 배터리 모듈의 수, 각 배터리 모듈의 온도, 및 배터리 모듈의 에너지 용량과 관련되는, 단계(101); 배터리 모듈에 대한 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)의 표시를 획득하는 단계(102); 배터리 모듈 중 어느 것 사이에서의 표시 파라미터의 차이가 제1 임계값을 초과하는 경우, 배터리 팩에 충전될 산소의 충전량을 결정하는 단계(104), 및 산소의 결정된 충전량을 기초로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계(107)를 포함한다.

Description

배터리 모듈을 균형맞춤하기 위한 방법
본 발명은 일반적으로 배터리의 분야에 관한 것으로, 특히 니켈 금속 수소화물(NiMH; nickel metal hydride) 배터리의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 수소(hydrogen) 또는 산소 가스(oxygen gas) 또는 과산화수소(hydrogen peroxide)가 성능을 개선하기 위해 첨가되는 배터리 팩(battery pack)에 대한 방법에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 특히 배터리 팩의 수명을 증가시키는 분야에 관한 것이다.
NiMH(nickel metal hydride) 배터리는 긴 수명 및 빠른 충전 및 방전 성능을 갖는다. 충전 및 방전 동안, 수소가 전극 사이에서 물 분자의 형태로 운반됨에 따라 전극은 알칼리 전해질을 통해 서로 상호작용한다. 방전 동안, 수소가 음극으로부터 방출되고 그것이 흡장되는(intercalates) 양극(니켈 전극)으로 이동하도록 된다. 에너지의 이러한 바인딩 결과가 방출된다. 충전하는 동안 수소 이동(hydrogen migration)이 역전된다.
특히, NiMH 배터리는 결핍된 전해질(starved electrolyte)로 제한된 니켈 전극으로 되도록 설계된다. 이는 기체상(gas phase)을 매개로 배터리 셀 화학적 성질(battery cell chemistry) 및 충전 상태(state-of-charge)를 제어하는 것에 의해 배터리 셀의 과충전 및 과방전 상태를 회피할 수 있도록 하기 위해 수행된다.
배터리 셀이 충전될 때, 수소는 수성 알칼리 전해질(aqueous alkaline electrolyte)의 물 분자에 의해 수산화니켈(nickel hydroxide)로부터 금속 수소화물(metal hydride)로 운반된다. 방전 동안, 수소는 다시 물 분자의 형태로 수산화니켈 전극으로 되돌려 운반된다.
PCT 공개공보 WO 2017/069691은 과충전 비축 및 과방전 비축 양쪽의 적절한 양과 함께 금속 수소화물 전극 용량에 관한 니켈 전극 용량의 적절한 균형은 잘 기능하는 배터리 모듈에 대해 필수적이고, 이는 안정적인 장시간 충전/방전 성능에 도달할 수 있음을 설명한다. 산소 가스, 수소 가스 또는 과산화수소를 첨가하는 것은 적절한 과충전 및 방전 비축을 제공하고 전해질을 보충하며, 이는 배터리 모듈의 수명을 연장시키고 가능한 사이클의 수를 증가시킨다.
산소를 첨가하는 것은 배터리 모듈이 동작하지 않을 때 바람직하게 수행된다. 따라서, 배터리 모듈의 동작을 최적화하기 위해, 배터리 모듈의 용량뿐만 아니라 동작 시간도 최적화하는 방식으로 산소를 충전하는 것이 바람직하게 수행되어야 한다.
본 발명의 목적은 적어도 2개의 배터리 모듈을 구비하는 배터리 팩에 산소를 첨가하는 것에 의해 동작 효율을 개선하는 단계를 포함하는 방법을 제공하는 것으로, 여기서 각 배터리 모듈은 종래 기술의 단점 중 하나를 적어도 완화시키는 적어도 하나의 배터리 셀을 구비한다.
이 목적은 독립항에 따른 방법으로 충족된다.
본 발명의 추가 이점은 종속항의 특징과 함께 제공된다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 적어도 2개의 배터리 모듈을 구비하는 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 방법이 제공되고, 각 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀을 구비한다. 각 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러싸고 가스 공간을 에워싸는 케이싱을 갖고, 배터리 모듈의 가스 공간은 공동 가스 공간을 형성하기 위해 서로 연결된다. 각 배터리 셀은 제1 전극, 제2 전극, 다공성 분리막, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배열된 수성 알칼리 전해질을 구비하고, 다공성 분리막, 제1 전극 및 제2 전극은 가스가 전극 사이에서 이동하도록 하는 것에 의해 수소와 산소의 교환을 허용하도록 구성된다. 케이싱 중 적어도 하나는 케이싱의 공동 가스 공간에 가스 또는 액체를 첨가하기 위한 가스 주입구를 구비한다. 방법은 배터리 모듈에 대한 데이터를 획득하는 단계로서, 데이터가 배터리 모듈 당 배터리 셀의 수, 배터리 모듈의 수, 각 배터리 모듈의 온도, 및 배터리 모듈의 에너지 용량과 관련되는, 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 방법은 또한 배터리 모듈 중 적어도 2개에 대한 내부 저항과 관련된 표시 파라미터를 획득하는 단계; 배터리 모듈 중 어느 것 사이에서의 표시 파라미터의 차이가 소정의 제1 임계값을 초과하는 경우, 배터리 모듈에 대한 데이터 및 표시 파라미터를 기초로, 제1 임계값 미만의 레벨로 소정의 2개의 배터리 모듈 사이의 표시 파라미터의 차이를 감소시키기 위해 배터리 모듈에 충전될 산소의 충전량을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
방법은 또한 산소의 결정된 충전량으로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계를 포함할 수 있다. 개시(initiation)는 배터리 모듈로 보내질 정확한 압력에서 정확한 산소의 충전량으로 가스 용기에 대한 주문을 하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 배터리 모듈이 산소 공급원에 연결된 경우, 개시는 산소 공급원으로부터 산소를 충전하는 단계의 개시를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 측면에 따른 방법에 의해, 배터리의 동작 효율은 종래 기술에 따른 방법에 비해 개선될 수 있다. 동작 효율은 배터리 모듈의 수명이 향상됨과 동시에 산소 재충전 시간을 낮게 유지하는 것을 의미한다. 여러 배터리 모듈에 대한 배터리 셀 당 내부 저항의 적절한 균형은 더 긴 수명을 제공한다. 여러 배터리 모듈에 대한 배터리 셀 당 내부 저항 사이의 불균형에 대한 임계값을 갖는 것에 의해 배터리가 높은 내부 저항으로 실행되는 것이 방지되는 한편 동시에 충전 사이의 너무 짧은 시간이 방지된다.
방법은 컴퓨터를 포함할 수 있는 제어 유닛에서 구현될 수 있다.
배터리 모듈 중 적어도 2개에 대한 내부 저항 또는 건전성 상태(SOH)를 결정하기 위한 데이터와 같은 표시 파라미터를 획득하는 단계가 바람직하게는 배터리 모듈 중 적어도 2개에 대한 표시 파라미터를 획득하도록 구성된 측정 유닛(measuring unit)으로부터 데이터를 수신하는 것에 의해 구현된다. 배터리 모듈의 배터리의 셀 수는 배터리 모듈에 대한 데이터로부터 획득된다. 결정에서의 셀의 수는 실제 제한 사항에 따라 좌우된다. 일반적으로, 이는 단지 배터리 모듈의 단자 접점에 대한 접근만 가능하다. 따라서, 표시 파라미터, 예컨대 SOH 또는 내부 저항은 배터리 모듈의 모든 배터리 셀에 대해 결정된다.
데이터가 적어도 배터리 모듈의 배터리 셀의 수 및 배터리 모듈의 에너지 용량과 관련되는, 배터리 모듈에 대한 데이터를 획득하는 단계는 많은 다른 방식으로 수행될 수 있다. 하나의 대안은 방법을 수행하는 컴퓨터 장치에 배터리 모듈에 대한 데이터를 보내도록 구성된 측정 유닛을 갖는 것이다. 데이터는 측정 유닛으로부터 보내질 수 있지만, 측정 유닛의 복잡성을 최소화하기 위해 측정 유닛이 식별 번호(identification number)만을 보내는 것이 바람직하다. 측정 유닛으로부터의 식별 번호의 수신에 대해, 데이터는 예컨대 메모리로부터 획득될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 데이터는 적어도 배터리 모듈의 배터리 셀의 수, 각 배터리 모듈의 온도, 및 배터리 모듈의 에너지 용량과 관련된다. 이 데이터는 배터리 모듈에 충전될 산소의 충전량을 결정할 수 있는데 필요하다. 그러나, 결정에서 배터리 모듈의 배터리 셀의 실제 수, 또는 배터리 모듈의 에너지 용량을 이용하는 것이 필요로 되지는 않는다. 하나의 대안에 따르면, 제어 유닛은 배터리 모듈의 식별 번호에 대응하는 배터리에 대한 데이터를 검색하기 위해 메모리의 룩업 테이블(look-up table)을 참조할 수 있다. 배터리에 대한 데이터는 일례에 있어서 배터리의 형태을 식별하는 형태 번호(type number)일 수 있다. 이어, 제어 유닛은 결정된 표시 파라미터, 온도 및 형태 번호를 기초로 산소의 필요한 충전량을 여러 룩업 테이블로부터 검색할 수 있다. 룩업 테이블에서 산소의 필요한 충전량은 결국 유사한 배터리 형태를 갖는 초기 실험을 기초로 할 수 있다. 형태 번호는 소정의 수의 배터리 셀과 소정의 에너지 용량 및 선택적으로 소정의 공동 가스 공간의 체적을 갖는 배터리 모듈을 정의한다.
바람직하게는, 획득된 표시 파라미터가 복수의 배터리 셀에 대한 내부 저항을 나타내는 내부 저항인 경우, 배터리 셀 당 평균 내부 저항은 측정된 배터리 팩 및/또는 배터리 모듈 온도에서 계산된다. 이어 배터리 셀 당 평균 내부 저항이 단일 배터리 셀에 대한 측정된 온도 값에서 저항 임계값과 비교된다. 원론적으로, 여러 배터리 모듈 사이의 내부 저항의 차이를 차이에 대한 저항 임계값과 비교하는 것이 가능하지만, 이는 여러 배터리 모듈로부터의 배터리 셀 간의 내부 저항의 차이를 측정된 온도에서 저항 임계값과 비교하는 것과 동등하다. 여러 배터리 모듈 간의 내부 저항의 차이를 저항 임계값과 비교함에 따른 단점은 여러 저항 임계값이 배터리 모듈의 배터리 셀 수에 따라 제공되어야만 한다는 점이다.
방법은 또한 적어도 하나의 배터리 모듈의 측정된 온도에서, 개방 회로 전압(OCV), 또는 충전의 상태(SOC)와 같은, 전압 표시를 획득하는 단계, 적어도 2개의 배터리 모듈 중 어느 것 당 전압 표시가 소정의 전압 간격 내에 있는가를 결정하는 단계, 및 각 배터리 모듈의 획득된 전압 표시가 소정의 전압 간격을 벗어나는 값을 갖지 않는 경우에만 배터리 팩에 산소를 충전하는 것이 안전한 것임을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명자들은 전압 표시가 전압 간격 밖에 있을 때 배터리 모듈이 산소로 충전되면 화재의 위험이 있음을 인식하였다. OCV가 전압 표시로서 이용될 때, 배터리 셀 당 평균 전압이 각 배터리 모듈에 대한 전압으로부터 계산되는 것이 바람직하다. 해당 방식에 있어서는 단지 하나의 전압 임계값만이 이용되어야 한다.
소정의 전압 간격은 하위 전압 표시 임계값 및 상위 전압 표시 임계값에 의해 정의되고, 전압 표시는 배터리 모듈에 대한 개방 회로 전압(OCV) 또는 배터리 모듈에 대한 충전의 상태(SOC)일 수 있다.
방법은 또한, 산소로 배터리 팩을 충전하는 것이 안전하지 않은 것으로 결정되는 경우, 결정된 산소의 충전량으로 배터리 팩의 충전을 개시하기 전에 전압 간격 내에서 상기 적어도 하나의 배터리 모듈에 대한 전압으로 배터리 팩의 방전 또는 충전을 개시하는 단계를 포함할 수 있다. 방전 또는 충전의 개시는 하나의 대안에 따라 배터리를 방전 또는 충전시키도록 배터리의 오퍼레이터에게 메시지를 보내는 것일 수 있다. 대안적으로, 배터리 모듈이 자동 방전 또는 충전을 위해 연결되면, 개시는 자동 방전 또는 충전을 시작하는 단계를 포함할 수 있다.
불활성 가스로 배터리 팩을 충전하는 것은 산소로 배터리 팩의 충전의 개시와 함께, 예컨대 동시에 개시될 수 있다. 산소와 불활성 가스의 조합으로 충전하는 것에 의해 화재 위험이 더욱 최소화된다. 배터리 모듈이 가스 공급 장치에 연결되는 경우, 가스 공급 장치는 바람직하게는 산소와 불활성 가스의 정확한 가스 혼합물을 포함한다.
방법은 또한, 산소로 배터리 팩을 충전하는 것이 안전하지 않다고 결정되는 경우, 산소로 배터리 팩을 충전하기 전에 공동 가스 공간에 수소 가스를 첨가하는 단계를 포함할 수 있고, 이는 배터리 모듈의 동작 효율을 더욱 개선한다.
방법은 또한 산소로 배터리 팩을 충전한 후 공동 가스 공간에 수소 가스를 첨가하는 단계를 포함할 수 있고, 이는 배터리 모듈의 동작 효율을 더욱 개선한다.
방법은 또한 산소로 배터리 팩을 충전하는 단계 후, 배터리 팩 및/또는 배터리 모듈 온도를 측정하고 배터리 모듈의 각각에 대한 내부 저항과 관련된 충전 후 파라미터를 획득하는 단계, 적어도 2개의 배터리 모듈 중 어느 것 사이의 충전 후 파라미터의 차이가 측정된 온도에서 소정의 제2 임계값을 초과하는지의 여부를 결정하는 단계, 배터리 모듈 중 어느 것 사이의 충전 후 파라미터의 차이가 제2 임계값을 초과하는 경우, 측정된 배터리 팩 및/또는 배터리 모듈 온도에서 배터리 모듈의 충전 후 파라미터 및 각 배터리 모듈에 대한 데이터를 기초로, 제2 저항 임계값 미만의 레벨로 소정의 2개의 배터리 모듈 사이의 충전 후 파라미터의 차이를 더욱 감소시키기 위해 배터리 팩에 충전될 산소의 추가 충전량을 결정하는 단계, 및 산소의 결정된 추가 충전량으로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 표시 파라미터를 획득하는 단계는 측정된 배터리 팩 및/또는 배터리 모듈 온도에서 배터리 팩의 모든 배터리 모듈의 내부 저항을 획득하는 단계를 포함한다. 방법은: 배터리 팩의 배터리 모듈의 소정의 쌍의 배터리 모듈 사이의 배터리 셀 당 내부 저항의 차이가 측정된 온도에서 소정의 제1 저항 임계값을 초과하는지의 여부를 결정하는 단계; 및 측정된 배터리 팩 온도에서 배터리 모듈의 어느 한 쌍의 배터리 모듈 사이의 배터리 셀 당 내부 저항의 차이 및/또는 배터리 팩의 배터리 모듈 온도가 소정 온도에서 소정의 제1 저항 임계값을 초과하는 경우, 제1 저항 임계값 미만으로 배터리 모듈 중 각 하나의 내부 저항 차이를 감소기키기 위해, 여러 배터리 모듈의 내부 저항과 배터리 팩에 대한 획득된 데이터로부터, 배터리 팩에 충전될 산소의 양을 결정하는 단계;를 더 포함한다. 모든 배터리 모듈의 내부 저항을 획득하는 것에 의해, 측정된 온도에 대해 보상되는 내부 저항의 가장 큰 차이가 검출됨을 확신할 수 있다.
산소의 양을 결정하는 단계는 제2 저항 임계값 미만으로 배터리 모듈 사이의 배터리 셀 당 내부 저항의 차이를 획득하기 위해 배터리 모듈에 충전될 산소의 충전량을 결정할 수 있고, 여기서 제2 저항은 임계값은 제1 저항 임계값보다 낮다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 적어도 하나의 프로세서 상에서 실행될 때, 적어도 하나의 프로세서가 본 발명의 제1 측면에 따른 방법을 수행하도록 하는 명령을 포함하는 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 컴퓨터 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 제공된다.
바람직하게는, 배터리 팩은 적어도 하나의 NiMH 배터리 셀을 갖춘 다수 배터리 모듈을 포함한다.
도 1은 2개의 배터리 모듈을 구비하는 배터리 팩을 균형맞춤하기 위한 배터리 시스템을 예시한다.
도 2는 3개의 배터리 모듈을 구비하는 배터리 팩을 균형맞춤하기 위한 배터리 시스템을 예시한다.
도 3은 배터리 모듈을 균형맞춤하기 위한 위한 일 실시예에 따른 방법에 대한 흐름도를 나타낸다.
도 4는 저항과 전압의 여러 측정값이 표시된 도면을 나타낸다.
도 5는 도 2에 따른 배터리 팩에서 배터리 셀에 대한 전압이 산소 충전 전에 배터리의 품질 보증을 위한 사이클 동안 어떻게 변하는지를 예시한다.
도 6은 도 2에 따른 배터리 팩에서 배터리 셀에 대한 전압이 산소 충전 후에 배터리의 품질 보증을 위한 사이클 동안 어떻게 변하는지를 예시한다.
도 7은 배터리 팩을 균형맞춤할 때 내부 저항이 어떻게 변하는지를 예시하는 제1 예를 나타낸다.
도 8은 배터리 팩을 균형맞춤할 때 내부 저항이 어떻게 변하는지를 예시하는 제2 예를 나타낸다.
바람직한 실시예의 다음 설명에서 참조가 도면에 대해 이루어질 것이다. 도면은 축척에 맞게 그려지지 않았고 모든 기능을 명확하게 나타내기 위해 몇몇 치수는 과장될 수 있다. 동일한 참조부호가 여러 도면에서 유사한 특징에 대해 이용될 것이다.
여기서 이용된 용어는 단지 본 발명의 특정 측면을 설명하는 목적을 위해 이용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 여기서 이용된 바와 같이, 단수 형태는, 문맥이 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다.
본 출원에 있어서, 배터리 모듈의 내부 저항과 관련된 용어 표시 파라미터(indicative parameter)는 내부 저항뿐만 아니라 배터리 모듈의 건전성 상태(state of health; SOH) 측정값을 포함한다. SOH 측정값은 내부 저항과, 내부 가스 압력과 같은, 배터리 모듈의 상태를 결정하는데 중요한 다른 파라미터를 포함할 수 있다.
내부 DC 저항(internal DC resistance)으로 해석되어야 하는 용어 "내부 저항(internal resistance)"은 각 배터리 모듈, 따라서 배터리 셀의 상태를 나타내는 척도로서 설명에서 통상적으로 이용된다. 내부 저항은 소정의 방전 전류를 이용하여 제어된 방전 동안 전압 강하를 측정하는 것에 의해 획득된다. 그 후 내부 저항이 측정된 전압 강하 및 방전 전류를 기초로 계산된다. 예가 다음의 스탠다드 IEC 63115-1, Ed. 1.0(2020-01), 챕터 7.6.3 내부 DC 저항의 측정(Measurement of the internal DC resistance)에서 발견된다.
여기에 제시된 몇몇 예시적 실시예는 배터리 셀, 바람직하게는 MH 전극을 갖는 배터리 셀, 보다 바람직하게는 NiMH 배터리 셀을 균형맞춤하기 위한 방법에 관한 것이다. 여기에 제시된 예시적 실시예의 개발의 일부로서, 문제가 먼저 식별되고 논의될 것이다.
각 배터리 모듈이 적어도 하나의 배터리 셀을 구비하는, 다수 배터리 모듈, 예컨대 NiMH 배터리 모듈을 구비하는 배터리 팩의 충전 및 방전 동안, 각 배터리 셀의 성능은 전해질 건조(electrolyte dry out)에 기인하여 저하될 것이다. 산소 가스의 첨가는 가스 재결합이 개선되므로 이용 동안 내부 가스 압력이 감소함을 초래하는 전해질을 회복시키는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 배터리 모듈은 의도하지 않은 과충전 및 과방전에 덜 민감해진다. 결핍된 전해질 설계는 최소한의 양의 전해질만이 배터리 모듈에서 이용할 수 있음을 의미한다. 전해질의 소정의 손실은 내부 저항의 증가에서 주로 드러난 성능을 저하시킬 것이다. 전해질 건조는 주로 과도한 내부 배터리 셀 압력으로 인해 야기되고, 이는 전해질을 소비하고 셀 내부의 압력 레벨을 증가시키는 수소를 형성하는 음극의 부식 및 과도한 과충전 또는 과방전에 따라 산소 또는 수소 가스를 방출하는 안전 밸브를 개방할 수 있다. 2개 이상의 배터리 셀이 가스적으로 연결될 때, 배터리 셀은 고르지 않게 전해질을 손실할 것이다. 이는 다수 셀을 갖춘 배터리 모듈에 대해서도 유효하도록 확장될 수 있다.
이에 대한 주된 이유는 배터리 셀이 100% 동일하지 않으므로 배터리 셀이 고르지 않게 충전된다는 것이다. 이로 인해 몇몇 셀이 다른 셀 이전에 가열될 것이고, 물(가스 형태)이 가스적으로 연결된 배터리 셀과 덜 따뜻한 곳에서의 응축물(condensate) 사이를 이동한다. 따라서, 물이 배터리 모듈 내에서 그리고 배터리 모듈 사이에서도 이동한다. 따라서, 배터리 모듈 중 하나는 다른 배터리 모듈보다 내부 저항에서 더 빠른 증가를 나타낼 것이다. 내부 저항의 증가는 배터리 모듈의 감소된 수명을 유도할 수 있다. 배터리 모듈 간의 내부 저항의 불균일한 증가는 배터리 모듈의 불균일한 수명을 유도할 수 있고, 그에 의해 배터리 팩의 수명이 감소될 수 있다.
도 1은 배터리 팩(100)을 형성하기 위해 직렬로 연결된 2개의 배터리 모듈(10, 10')을 구비하는 배터리 시스템(50)을 나타낸다. 각 배터리 모듈(10, 10')은 적어도 하나의 배터리 셀(12)(바람직하게는 니켈-금속 수소화물 배터리 셀(nickel-metal hydride battery cells))을 구비한다. 각 배터리 모듈(10, 10')은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하고 가스 공간(gas space)을 둘러싸는 케이싱(30; casing)을 갖는다. 배터리 모듈(10, 10')의 각 배터리 셀(12)은 제1 양극, 제2 음극, 다공성 분리막(porous separator), 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배열된 수성 알칼리 전해질(aqueous alkaline electrolyte)을 구비한다. 분리막, 제1 전극 및 제2 전극은 가스가 두 전극 사이에서 이동할 수 있도록 하는 것에 의해 수소와 산소의 교환을 허용하도록 구성된다. 각 배터리 모듈(10, 10')은, 각 배터리 모듈의 적어도 하나의 배터리 셀(12)과 전기적으로 접촉하는, 양극 단자(11; positive terminal) 및 음극 단자(12; negative terminal)를 구비하고, 배터리 셀은 바람직하게는 직렬 연결된다. 제1 모듈(10)의 양극 단자(11)는, 플러스 기호로 표시된 바와 같이, 배터리 팩(100)의 양극 단자를 구성하고, 마지막 모듈(10')의 음극 단자(12)는, 마이너스 기호로 표시된 바와 같이, 배터리 팩(100)의 음극 단자를 구성한다.
배터리 팩(100)은 또한 공동 가스 공간(29; common gas space)을 생성하기 위해 각 배터리 모듈(10, 10')의 가스 공간을 연결하도록 구성된다. 배터리 팩(100)은 공동 가스 공간(29)에 가스 또는 액체를 첨가하기 위한 가스 주입구(25; gas inlet)를 더 구비한다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이, 양극 단자 커넥터(11)와 음극 단자 커넥터(12) 사이에서, 각 배터리 모듈의 양극 단자(11) 및 음극 단자(12)에 연결되고, 배터리 모듈(10, 10')의 내부 저항에 관한 표시 파라미터(indicative parameter)를 계산하는데 필요한 데이터를 획득하도록 구성되는 측정 유닛(13; measuring unit)이 도 1에 도시된다. 측정 유닛(13)에 의해 획득된 데이터는 전류 센서가 측정 유닛(13) 내에 포함되는 경우 내부 저항, 온도, 내부 압력, 및 전류를 결정하기 위해 방전 동안 전압 강하(voltage drop)를 포함할 수 있다. 측정 유닛(13)은 또한 각 배터리 모듈(10, 10')의 양극 단자(11)와 음극 단자(12) 사이에서 개방 회로 전압(open circuit voltage; OCV)을 측정하도록 구성될 수 있다. 대안으로서, 단지 하나의 배터리 셀(12)에 대한 데이터를 획득하기 위해 측정 유닛(13)을 연결하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 기능을 갖는 배터리 모듈을 제조하는 것은 매우 비용이 많이 든다. 주입구 밸브(16; inlet valve)가 가스 주입구(25)에 연결된다. 도 1에 있어서, 선택적 가스 용기(17; optional gas container)가 주입구 밸브(16)에 연결된다. 로컬 제어 유닛(20; local control unit)이 측정 유닛(13) 및 주입구 밸브(16)에 연결되고, 로컬 제어 유닛은 측정 유닛(13)으로부터 제공된 데이터를 기초로 표시 파라미터를 계산하도록 구성될 수 있다. 안전 밸브(24; safety valve), 예컨대 파열 디스크(bursting disc)가 공동 공간(29)에 연결된다. 안전 밸브는 공동 가스 공간(29)에 축적되는 위험한 가스 압력을 방지한다. 압력 센서(23; pressure sensor)가 또한 공동 가스 공간(29)의 내부 압력을 측정하기 위해 안전 밸브(24)에 부착될 수 있다. 압력 센서(23)는 또한 로컬 제어 유닛(20)에 연결된다.
로컬 제어 유닛(20)은 유선 또는 무선으로 연결되는 것에 의해 제어 유닛(14; control unit)과 통신한다. 로컬 제어 유닛(20)과 제어 유닛(14) 사이에 하나 이상의 중간 유닛(intermediate units)을 갖는 것도 가능하다. 로컬 제어 유닛을 생략하고 주입구 밸브(16) 및 측정 유닛(13)에 직접 연결된 제어 유닛(14)을 갖는 것도 가능하다. 제어 유닛(14)은, 예컨대 배터리 모듈 제조업체와 같은 원격 위치에 위치될 수 있다. 중앙 제어 유닛(14)은 메모리(26)에 연결되거나 이를 구비한다.
제어 유닛(14)은, 각 배터리 모듈(10, 10')의, 양극 단자(11)와 음극 단자(12) 사이의 내부 저항과 같은, 표시 파라미터를 계산하는데 필요한 온도, 압력, 전압 및 전류의 측정을, 소정의 간격에서, 측정 유닛(13)으로 시작하고, 배터리 모듈(10, 10')을 식별하는 정보와 함께 제어 유닛(14)에 이 정보를 보내도록 구성된다. 이를 달성하기 위해, 제어 유닛(14)은 로컬 제어 유닛(20)에 요청(request)을 보내고, 이는 배터리 모듈(10, 10')의 전류 표시 파라미터와, 선택적으로 또한 배터리 모듈(10, 10')에 대한 개방 회로 전압에 관한 응답 정보(answer information)로서 되돌아온다. 내부 저항은 측정 유닛(13)에 의해 직접 측정되지 않는다. 소정의 방전 전류로 방전 동안 전압 강하를 측정하고, 이어 상기한 바와 같이 내부 저항이 계산된다.
배터리 모듈(10, 10')의 이용 동안, 배터리 모듈은 도면에서 플러스 및 마이너스 기호로 표시된 배터리 팩의 단자를 매개로 방전 및 충전된다. 배터리 모듈의 내부 저항은 충전 및 방전의 증가하는 수에 대해 증가한다.
제1 예(도시되지 않았음)에 있어서, 배터리 모듈(10)은, 본 출원인에게 양도된 공개된 출원 WO2006/104442 또는 WO 2007/093626에 개시된 바와 같이, 배터리 모듈 내의 모든 배터리 셀을 위한 가스 공간을 생성하는 하우징을 갖는 독립형 배터리 모듈(standalone battery module)이다. 독립형 배터리 모듈에 있어서, 셀이 바이폴라 구성(bipolar configuration)으로 구성된다. 본 예에서의 셀은 배터리 셀의 스택을 형성하기 위해 바이플레이트(biplates)와 직렬 연결된다. 배터리 모듈은 배터리 셀을 포함하고 가스 공간을 둘러싸는 케이싱(casing)을 갖는다. 연결 튜브(connection tube)가 공동 가스 공간에 배터리 모듈의 가스 공간을 연결하도록 제공되어질 것이다.
제2 예(도시되지 않았음)에 있어서, 배터리 모듈은 바이폴라 방식(bipolar manner)으로 직렬 연결된다. 해당 경우에 있어서, 배터리 모듈은 제2 모듈(10')의 음극 단자에 대해 제1 배터리 모듈(10)의 양극 단자를 위치시키는 것에 의해 전기적으로 연결되고, 그에 의해 2개의 배터리 모듈을 직렬 연결할 때 저항을 최소화하기 위해 각각의 엔드플레이트(endplates)의 전체 표면을 이용한다. 연결 튜브는 필요로 되지 않는다. 대신 밀봉 O-링(sealing O-ring)이 각 배터리 모듈 내의 가스 공간 사이에서 밀봉 구성을 보장하도록 모듈 사이에 배치된다. 이러한 형태의 배터리 모듈이 본 출원인에게 양도된 WO 2018/111182에 개시된다.
도 2는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 배터리 팩(120)을 구비하는 배터리 시스템(150)을 나타낸다. 도 2의 실시예에 있어서, 3개의 배터리 모듈(10, 10', 10")이 배터리 팩(120)을 형성하기 위해 직렬로 연결된다. 배터리 팩(120)은 또한 공동 가스 공간(29)에 배터리 모듈(10, 10', 10")의 가스 공간을 연결하는 밀봉 링(sealing rings)(도시되지 않았음)을 구비한다. 배터리 팩(120)은 공동 가스 공간(29)에 가스 또는 액체를 첨가하기 위한 가스 주입구(gas inlet)를 더 구비한다. 주입구 밸브(16)가 가스 주입구에 연결된다. 선택적인 가스 용기(17)가 주입구 밸브(16)에 연결된다. 안전 밸브(도시되지 않았음)가 공동 공간(29)에 연결될 수 있고 압력 센서(23)가 공동 가스 공간(29) 내의 내부 압력을 측정하도록 제공될 수 있다.
배터리 시스템은 측정 유닛(13) 및 주입구 밸브(16)에 연결된 로컬 제어 유닛(20)을 더 구비한다. 안전 밸브는 공동 가스 공간(29)에 위험한 가스 압력이 축적되는 것을 방지한다. 각 배터리 모듈(10, 10', 10")은 또한 양극 단자 및 음극 단자를 구비한다. 여러 배터리 모듈(10, 10', 10") 사이의 전기적 연결이 배터리 모듈 사이에 위치된 접촉 플레이트(contact plate)를 매개로 제공된다.
로컬 제어 유닛(20)은 또한 압력 센서(23)에 연결될 수 있고 로컬 제어 유닛(20)은 본 예에서 유선에 의해 제어 유닛(14)과 통신한다. 로컬 제어 유닛(20)과 제어 유닛(14) 사이에 하나 이상의 중간 유닛을 갖는 것도 가능하다. 로컬 제어 유닛을 생략하고 압력 센서(23), 주입구 밸브(16) 및 측정 유닛(13)에 직접 연결된 제어 유닛(14)을 갖는 것도 가능하다. 앞서 언급한 바와 같이, 제어 유닛(14)은 예컨대 배터리 모듈 제조업체와 같은 원격 위치에 위치될 수 있다. 중앙 제어 유닛(14)은 본 예에서 메모리(26)를 구비한다. 측정 유닛은, 제1 내부 저항(Ri1) 및 선택적으로 제1 배터리 모듈(10)의 단자 사이의 제1 개방 회로 전압(U1), 제2 내부 저항(Ri2) 및 선택적으로 제2 배터리 모듈(10')의 양극 단자 사이의 제2 개방 회로 전압(U2), 및 제3 내부 저항(Ri3) 및 선택적으로 제3 배터리 모듈(10")의 양극 단자 사이의 제3 개방 회로 전압(U3)과 같은, 표시 파라미터를 결정하는데 필요한 데이터를 획득하도록 구성된다. 내부 저항이 (위에서 설명한 바와 같이) 방전 전류 동안의 전압 강하를 기초로 계산된다. 제1 배터리 모듈(10)에 대한 배터리 셀 당 평균 내부 저항(Ric1)은 측정된 내부 저항(Ri1)을 제1 배터리 모듈(10)에서의 수, 예컨대 10개의 배터리 셀로 나누는 것에 의해 결정된다. 제2 배터리 모듈(10') 및 제3 배터리 모듈(10")에 대한 배터리 셀 당 내부 저항(Ric2, Ric3)이 유사하게 계산된다. 내부 저항과 관련된 표시 파라미터는 온도 의존성이고, 이는 올바르게 내부 저항을 계산하기 위해 각 모듈 온도, 또는 적어도 팩 온도를 측정하도록 측정 유닛에 대해 필요함을 주지해야 한다.
도 3은 배터리 팩에서 복수의 배터리 모듈을 균형맞춤(balancing)하기 위한 방법의 흐름도를 나타낸다. 방법은 배터리 팩에 대한 데이터를 획득하는 제1 단계(101)를 포함한다. 이는 많은 여러 방법으로 행해질 수 있다. 어떻게 데이터가 획득될 수 있는가에 대한 예는 로컬 제어 유닛이 제어 유닛에 고유 식별 번호(unique identification number)를 보내는 것이다. 이어 제어 유닛은 메모리로부터 배터리 팩에 대한 데이터를 검색할 수 있다. 제2 단계(102)에 있어서, 여기서 내부 저항(Ri)으로서 예시화된, 배터리 모듈의 적어도 2개의 표시 파라미터, 예컨대, Ri1 및 Ri3가 획득된다. 일 실시예에 따르면, 내부 저항을 계산하기 위한 데이터는 측정 유닛으로부터 획득되고, 제어 회로(예컨대, 로컬 제어 유닛(20))는 각 배터리 모듈의 양극 단자 사이의 저항을 결정한다. 이어 로컬 제어 유닛은 제어 유닛에, 각 배터리 모듈에 대해 계산된 내부 저항, Ri1, Ri2, Ri3 또는 소정의 방전 전류에서 전압 강하의 측정에 관한 정보인, 내부 저항과 관련된 데이터를 보낸다.
제3 단계(103)에 있어서, 제어 유닛(14)은 2개의 배터리 모듈 중 어느 것 사이의 내부 저항의 차이가 측정된 배터리 팩 및/또는 배터리 모듈 온도에서 셀 당 제1 저항 임계값(Rtc1)에 대응하는 소정의 제1 저항 임계값(Rt1)을 초과하는지의 여부를 결정한다. 제어 유닛은, 배터리 모듈이 다른 수의 배터리 셀을 구비할 때 필요한, 각 배터리 모듈에 대한 배터리 셀 당 평균 내부 저항, Ric을 계산할 수 있다. 그러나, 배터리 모듈이 동일한 수의 배터리 셀을 구비하면, 해당 단계가 생략될 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 각 배터리 모듈에 대한 표시 파라미터는, 예컨대 배터리 팩에서 배터리 모듈의 균형을 맞추는 프로세스가 수행되어지도록 하기 위해, 배터리 모듈이 새 것이었을 때 내부 저항의 적어도 2배에 대응하는 레벨인, 공동 임계값 이상이 되는 것이 필요하다. 예컨대, 새 것일 때 내부 저항이 6mΩ이면, 공동 임계값은 적어도 12mΩ이 되도록 선택될 수 있다.
따라서, 동일한 수의 배터리 셀을 갖는 배터리 모듈에 대해, 단계(103)에서의 결정은 2개의 배터리 모듈, 예컨대 모듈(10 및 10") 사이의 내부 저항의 절대 차이를 소정의 제1 저항 임계값(Rt1)과 비교하는 것, 즉 ΔRi = ｜Ri1-Ri3｜>Rt1에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로, 비교가, 배터리 모듈의 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)을 기초로, 소정의 차이가 소정의 제1 저항 임계값(Rt1)을 초과하는지 결정하기 위해 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10' 및 10") 중 어느 것 사이에서 계산된다.
배터리 모듈이 다른 수의 배터리 셀을 갖는 경우, 각 배터리 모듈에 대한 배터리 셀 당 평균 내부 저항, 예컨대 Ric1, Ric2, Ric3를 계산하는 것이 필요하고, 단계(103)는 2개의 배터리 모듈, 예컨대 모듈(10 및 10") 사이의 평균 내부 저항을 소정의 제1 셀 저항 임계값(Rtc1)과 비교하는 것, 예컨대 ΔRic = ｜Ric1-Ric3｜>Rtc1에 의해 수행될 것이다. 대안적으로, 비교가, 배터리 모듈의 평균 내부 저항(Ric1, Ric2, Ric3)을 기초로, 소정의 차이가 소정의 제1 셀 저항 임계값(Rtc1)을 초과하는지를 결정하기 위해 적어도 2개의 배터리 모듈의 어느 것 사이에서 배터리 셀 당 계산된다.
제1 저항 임계값(Rt1)은 메모리(26)에 저장되거나 방법, 예컨대 방법의 실행을 제어하는 컴퓨터 프로그램에서 구현될 수 있다. 단계(103)에서의 계산이 배터리 모듈의 평균 내부 저항에 대해 수행되면, 제1 셀 저항 임계값(Rtc1)은 배터리 팩, 예컨대 각 배터리 모듈의 배터리 셀의 수에 대한 데이터와 함께 각 배터리 셀에 대한 제1 저항 임계값(Rt1)을 기초로 결정될 필요가 있다. 더욱 상세하게, 제어 유닛은 로컬 제어 유닛(20)으로부터 식별 번호(identification number)를 수신하고, 메모리로부터 배터리 모듈에 대한 데이터를 검색한다. 이 데이터는, 도 2에 도시된 배터리 팩(120)에서와 같이, 배터리 팩이 각 배터리 모듈에서 10개의 배터리 셀을 구비하고, 배터리 팩이 3개의 배터리 모듈을 구비한다는 것일 수 있다.
각 배터리 셀의 에너지 용량, 배터리 셀 수 및 선택적으로 공동 가스 공간의 체적에 관한 정보가 메모리로부터 제어 유닛으로 전달된다. 이어, 제어 유닛은 상기 2개의 배터리 모듈 중 각 하나에 대한 배터리 셀 당 평균 내부 저항 (Ric1, Ric2)에 도달하도록 획득된 저항을 배터리 셀의 수로 나눌 수 있다. 2개의 다른 배터리 모듈로부터 내부 저항의 절대 차이가 소정의 제1 저항 임계값(Rt1)을 초과하지 않거나, 대안적으로 2개의 다른 배터리 모듈로부터의 배터리 셀 당 평균 내부 저항이 소정의 제1 셀 저항 임계값(Rtc1)을 초과하지 않는 경우, 제어 유닛은 배터리 모듈의 내부 저항의 업데이트된 값을 획득하기 위해 다음 기회를 위해 대기 시간(Tw) 동안 대기한다.
소정의 2개의 다른 배터리 모듈로부터의 내부 저항의 절대 차이(ΔRi)가 소정의 제1 저항 임계값(Rt1)을 초과하는 경우, 제1 저항 임계값(Rt1) 미만, 또는 바람직하게는 소정의 제2 저항 임계값(Rt2) 미만의 레벨로 차이를 감소시키도록 소정의 2개의 배터리 모듈 사이의 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)의 차이를 감소시키기 위해, 제어 유닛은 배터리 모듈의 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)과 배터리 팩의 데이터를 기초로 배터리 팩에 채워질 산소의 충전량을 결정하고(단계 104), 여기서 제2 임계값은 제1 임계값보다 낮다(Rt1 > Rt2). 대안적으로, 이는 배터리 모듈이 다른 수의 배터리 셀을 포함하는 경우 평균 내부 저항을 이용하여 수행된다. 산소의 필요한 양의 결정에 이용되는 데이터는 바람직하게는 각 배터리 셀의 에너지 용량과 각 배터리 모듈 내의 배터리 셀 수, 그리고 선택적으로 공동 가스 공간의 체적에 관한 정보와 관련된다. 산소의 필요한 양은 아래에 설명되는 바와 같이 많은 여러 방식으로 결정될 수 있다.
하나의 대안에 따르면, 제어 유닛은 배터리 팩의 공동 공간에 충전될 산소의 필요한 양을 획득하기 위해 초기 측정값에 의존한다. 제어 유닛은 배터리 팩의 식별 번호에 대응하는 배터리 팩에 대한 데이터를 검색하기 위해 메모리의 룩업 테이블을 찾아볼 수 있다. 배터리 팩에 대한 데이터는 일 예에 있어서 배터리 팩의 형태를 식별하는 형태 번호일 수 있다. 이어 제어 유닛은 측정된 저항과 형태 번호를 기초로 산소의 필요한 양을 다른 룩업 테이블로부터 검색할 수 있다. 룩업 테이블에서 산소의 필요한 양은 결국 유사한 배터리 팩 형태를 갖는 이전 실험을 기초로 될 수 있다.
다른 대안에 따르면, 제어 유닛은 산소의 양을 계산하는데 필요한 데이터를 룩업 테이블로부터 획득한다. 룩업 테이블의 데이터는 각 배터리 모듈의 배터리 셀의 수, 배터리 팩의 배터리 모듈의 수, 및 각 배터리 셀의 에너지 용량, 그리고 선택적으로 공동 가스 공간의 체적일 수 있다.
방법은 또한 적어도 2개의 배터리 모듈(Un)의 각각에 대한 전압 표시(voltage indication)를 획득하는 선택적 단계(105)를 포함할 수 있고, 여기서 n은 배터리 팩의 배터리 모듈의 수, 예컨대 U1, U2, U3와 동일하다. 전압 표시는 배터리 모듈에 대한 OCV(open circuit voltage) 또는 배터리 모듈에 산소를 첨가하는 것이 안전함을 나타내는 SOC(state of charge) 측정일 수 있다. 본 예에 있어서, OCV가 이용될 것이고 단계(105)에서의 결정은 배터리 모듈(Un)에 대한 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 측정하는 것에 의해 수행되고, 이어지는 선택적인 단계(105a)는 적어도 2개의 배터리 모듈을 위한 각 배터리 모듈에 대한 전압이 소정의 전압 간격(Ut0<Un<Ut1) 내인가의 여부를 결정한다. 대안적으로, 단계(105)는, 예컨대 배터리 모듈이 다른 수의 배터리 셀을 포함할 때, 배터리 셀, Uci, 당 결정된다. 이 경우, 제어 유닛(14)은 평균 배터리 셀 전압을 획득하고 이를 소정의 셀 전압 임계값(Uct)과 비교하기 위해 전압 측정에 포함된 배터리 셀의 수에 대한 정보를 가질 필요가 있다.
도 1 내지 도 2의 실시예에 나타낸 바와 같이. 전압 측정값은 일반적으로 전체 배터리 모듈에 대해 단지 수행된다. 모듈 전압(Un)이 소정의 전압 임계값(Ut)을 초과하지 않는 것으로 결정되면, 배터리 팩에 산소를 충전하는 것이 안전한 것으로 결정된다. 한편, 배터리 모듈 전압이 전압 간격 내에 있지 않다면, 단계(105)를 반복하기 전에 배터리 팩을 충전 또는 방전하는 것에 의해 배터리 모듈의 모듈 전압을 조정하는 선택적 단계(106)가 수행된다. 이는 배터리 모듈 전압이 상위 전압 표시 임계값(upper voltage indication threshold) 보다 더 높거나 동일하면(Un ≥ Ut1), 배터리 팩이 방전되고(단계 106a), 배터리 모듈 전압이 하위 전압 표시 임계값 보다 더 낮거나 동일하면(Un ≤ Ut0), 배터리 팩이 충전(단계 106b)됨을 의미한다. 배터리 셀에 대한 전압이 너무 높을 때 산소가 배터리 팩에 충전되는 경우 화재에 대한 위험을 감소시키기 위해 이들 선택적 단계(105, 105a 및 106)를 수행하는 것이 유리하고, 이는 산소 재결합 속도가 배터리 셀에 대한 고전압에서 너무 높아지게 된다는 사실에 의해 야기될 수 있다. 배터리 모듈 전압이 너무 낮아지면, 산소는 흡장된 수소(intercalated hydrogen)로부터 보호되지 않는 음극과 직접 반응한다.
도 4는 실온, 예컨대 20℃±2℃에서 배터리 모듈에 대한 저항(Rin)과 n번째 배터리 모듈에 대한 대응하는 OCV(Un)에 대해 플롯팅된 복수의 측정값에 대한 도면이다. 도 4의 데이터는 10개의 배터리 셀을 갖는 NiMH 배터리 모듈에 대한 것이다. 모듈에 대한 전압 임계값(Ut)은, 도 4에 예시된 바와 같이, 배터리 모듈에 대한 저항(Rin)의 함수이다. 4개의 원으로 둘러싸인 점(27)은 전압이 산소를 충전하기 위해 너무 높은 측정값을 나타낸다.
위에서 언급한 바와 같이, 산소로 배터리 팩을 충전하는 것이 안전하지 않은 것으로 결정되는 경우, 방법은 배터리 모듈의 배터리 모듈 전압을 조정하는 선택적 중간 단계(106)를 포함할 수 있다. 이는 배터리 팩의 각 배터리 모듈에 대한 개방 회로 전압이, 배터리 팩의 충전을 개시하기(단계 107) 전에, 산소의 결정된 양에 따라 표시된 전압 간격 내에 있음을 보장하기 위해 전압에 대해 배터리 팩을 충전 또는 방전하는 것에 의해 수행된다. 예로서, +20℃±2℃의 온도에서 상위 전압 표시 임계값은 1.39V/cell이고 하위 전압 표시 임계값은 1.3V/cell이다. 상위 전압 표시 전압 임계값뿐만 아니라 하위 표시 전압 임계값은 온도 의존성이고, OCV가 전압 간격 1.3 - 1.39V/cell 내에 있음을 보장할 수 있도록 하기 위해 (실온과 같은) 소정의 온도 범위로 표준화될 수 있다. 그렇지 않으면, 산소로 배터리 모듈을 충전하는 것이 안전하다는 것을 결정하기 위해 여러 온도에 대한 임계값이 이용될 필요가 있다.
배터리 모듈이 산소로 충전되어지는 것이 안전한지를 결정하기 위해 SOC가 이용되는 경우, 상위 SOC 임계값은 95%이고 하위 SOC 임계값은 50%이다.
배터리 모듈(10, 10', 10")은 배터리 모듈이 산소로 충전됨과 동시에 불활성 가스(inert gas)로 충전될 수 있고, 이는 충전 동안 화재의 위험을 감소시킨다. 충전이 주입구 밸브(16)를 매개로 가스 주입구(25)에 연결가능한 가스 용기(17)와 함께 도 1에 예시된다. 제어 유닛(14)은 배터리 모듈(10, 10', 10")의 장소로 용기(17)를 보내는 것을 개시하는 것에 의해 충전을 개시하도록 구성될 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계는 또한 산소로 배터리 팩을 충전하기 전에 공동 가스 공간에 수소 가스를 첨가하는 단계를 포함할 수 있고, 이는 배터리 모듈의 동작 효율을 더욱 향상시킨다. 그러나, 이 단계는 전압 표시가 전압 표시 간격 이내이고, 배터리 모듈이 산소로 충전되는 것이 안전할 때에만 수행될 수 있다.
예방 조치로서, 단계(107)에서 산소로 배터리 모듈을 충전한 후, 방법은 선택적으로 제8 단계(108)를 포함하고, 이는 제어 유닛(14)이 배터리 팩의 상기 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")의 충전 후 내부 저항과 관련된 충전 후 파라미터(after filling parameter)를 획득한다. 선택적 제9 단계(109)에 있어서, 소정의 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 사이의 내부 저항의 차이가 소정의 제2 임계값, 예컨대 제2 저항 임계값(Rt2)을 초과하는지의 여부가 결정된다. 이것이 방법이 단계(104)로 되돌아가는 경우이면, 제2 저항 임계값(Rt2) 미만의 레벨로 배터리 팩(100)의 적어도 2개의 배터리 모듈 중 2개 사이의 충전 후 파라미터에서의 차이를 감소시키기 위해 배터리 팩에 충전될 산소의 추가적인 양이 결정된다. 추가적인 양은 단계(107)에서 배터리 팩에 충전될 산소의 양이다. 이들 선택적 단계는 배터리 모듈의 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)이 다시 제1 저항 임계값(Rt1)을 초과하기 전에 배터리의 더 많은 사이클을 허용하게 됨에 따라 보다 강력한 방법을 제공한다. 단계(109)에서 단계(104)까지의 선택적 피드백 루프는 원칙적으로 필요하지 않지만, 배터리 팩에 소정의 추가적인 산소를 충전하는 것이 필요한 경우, 배터리 팩은 산소의 결정된 양으로 충전된다. 이 단계가 의미를 갖기 위해서는 산소의 충전이 다소 즉각적으로 수행될 수 있음이 필요하다. 용기(17)가 충전을 위해 보내져야만 하는 경우, 배터리 팩이 산소로 충전될 때까지 몇 시간에서 며칠의 지연이 있을 수 있다.
방법이, 제2 저항 임계값 미만의, 소정의 2개의 다른 배터리 모듈, 예컨대 10, 10" 사이의 내부 저항의 차이를 획득하는 것을 목표로 하는 경우, 2개의 다른 배터리 모듈(10 및 10") 사이의 배터리 모듈 당 내부 저항의 절대 차이 ΔRi =｜Ri1-Ri3｜는 제2 저항 임계값(Rt2) 미만, ΔRi < Rt2 , 이어야 한다.
결정하는 단계(109)는, 내부 저항이 QA 단계의 일부로서 결정되므로, QA 단계로 대체될 수 있다.
제어 유닛은 데이터가 획득되었였던 마지막 시간으로부터 경과된 시간의 길이에 따라 다르게 배터리 팩에 대한 데이터를 획득하는 단계(101)를 수행하는 것이 가능하다. 데이터는 짧은 시간 동안 제어 유닛(14)의 작업 메모리(working memory)에 저장될 수 있다.
상기 설명에 있어서, 제어 유닛(14)이 어떻게 방법을 수행할 수 있는지가 설명되었다. 제어 유닛은 적어도 하나의 프로세서(14')(도 1)를 구비할 수 있다. 프로세서는, 적어도 하나의 프로세서 상에서 실행될 때, 적어도 하나의 프로세서가 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 방법을 수행하도록 하는 명령을 구비하는 컴퓨터 프로그램으로 프로그래밍될 수 있다. 제어 유닛에서의 방법은 컴퓨터로 구현될 수 있다.
예
도 5는, 도 2에 따른 배터리 팩에 있어서, 배터리 셀에 대한 전압이 산소 충전 전에 배터리의 품질 보증을 위한 사이클 동안 어떻게 변하는지를 예시한다.
도 6은, 도 2에 따른 배터리 팩에 있어서, 배터리 셀에 대한 전압이 산소 충전 후에 배터리의 품질 보증을 위한 사이클 동안 어떻게 변하는지를 예시한다.
다음의 표는 배터리 팩으로의 산소 충전(배터리 팩의 충전을 개시하는 단계의 일례, 도 4의 단계(107))에 대한 상세내용과 여러 배터리 모듈에 대한 배터리 셀 당 내부 저항에 대한 상세내용을 포함한다.
배터리 팩 모듈 1
(mΩ/cell)
Ric1 		모듈 2
(mΩ/cell)
Ric2 		모듈 3
(mΩ/cell)
Ric3 		저항
차이
ΔRi 		팩
저항
(mΩ/cell)		 용량
(Ah)
시작 18.75 15.36 15.54 3.21 16.53 11.41
9.8 리터 O2 첨가 15.96 12.70 12.97 2.99 13.87 12.24
9 리터 O2 첨가 11.98 9.56 9.92 2.06 10.48 12.03
9 리터 O2 첨가 10.28 8.59 8.83 1.45 9.18 11.82
QA 반복 10.28 8.83 8.83 1.45 9.27 12.03
9 리터 O2 첨가 8.47 7.74 7.62 0.85 7.94 11.01
상기 표 1에 있어서, 여러 배터리 모듈(1-3)에 대한 배터리 셀 당 저항이 배터리 팩(120)의 균형맞춤 동안 여러 경우로 도시된다. 제1 열에서 알 수 있는 바와 같이, 산소가 4단계로 첨가된다. 제1 단계 전에, 배터리 셀 당 내부 저항(Ric1, Ric2, Ric3)이 배터리 팩에 연결된 배터리 모듈로 획득된다. 제5 열에서의 차이는 제1 배터리 모듈(10)과 제3 배터리 모듈(10") 사이의 배터리 셀 당 내부 저항(Ric1, Ric2, Ric3)의 차이를 언급한다. 이러한 선택의 이유는 산소의 4번째 충전 후 배터리 셀 당 내부 저항(Ric1, Ric2, Ric3)의 가장 큰 차이는 도 2에서 배터리 모듈(10, 10")에 대응하는 제1 배터리 모듈 1과 제3 배터리 모듈 3 사이에서 가장 크다는 것이다.
산소의 첫 번째 주입 전에, 품질 보증 사이클이 도 5에 나타낸 바와 같이 수행된다. 제1 배터리 모듈(1)에 대한 제1 전압 곡선(31)은 제2 배터리 모듈(2)에 대한 제2 전압 곡선(32) 및 제3 배터리 모듈(3)에 대한 제3 전압 곡선(33)과 명확하게 분리된다. 이는 제1 배터리 모듈 1에 대한 배터리 셀 당 평균 내부 저항(Ric1)과 제2 및 제3 배터리 모듈에 대한 배터리 셀 당 평균 내부 저항(Ric2, Ric3) 사이의 큰 차이에 기인한다. 제2 전압 곡선(32)과 제3 전압 곡선(33)은 배터리 셀 당 유사한 평균 내부 저항(Ric2, Ric3)에 기인하여 서로 가깝다.
배터리 팩(120)에 산소의 네 번째 충전 후, 여러 배터리 모듈 사이에서 배터리 셀 당 내부 저항( Ric1, Ric2, Ric3)의 차이는 위의 표의 마지막 행으로부터 명백한 바와 같이 상당히 더 작다. 이 작은 차이는 또한 제1 전압 곡선(31), 제2 전압 곡선(32) 및 제3 전압 곡선(33)이 서로 매우 근접하는 도 6으로부터도 분명하다. QA 반복으로 표시된 단계는 배터리 모듈의 충전 및 방전을 포함하는, 품질 보증(quality assurance)을 반복하는 단계이다.
도 7은 배터리 팩을 균형맞춤 할 때 내부 저항이 어떻게 변하는지를 예시하는 제1 예를 나타낸다. 아래의 표 2에 있어서, 배터리를 균형맞춤하는데 필요한 충전량을 결정하기 위한 데이터로서 이용되는 배터리 팩에 대한 저항 측정값은 평균 K-팩터(average K-factor)와 그 표준 편차(standard deviation)로서 표현된다. K-팩터는 배터리 팩의 초기 평균 저항으로부터 평균 내부 저항의 증가를 반영한다. 예로서, 2.5의 K-팩터는 4mΩ으로부터 10mΩ까지의 내부 저항의 증가를 나타낸다.
더욱이, 식 (1)은 산소의 필요한 충전량을 결정하는 데 이용되었다.
Figure pct00001
(1)
여기서 Y는 리터 단위로의 산소의 충전량, C1 및 C2는 상수, x는 배터리 팩의 평균 K-팩터, M은 배터리 팩의 모듈의 수이다. 상수는 각 배터리 모듈의 배터리 셀의 수 및 배터리 용량과 같은 배터리 모듈의 데이터를 기초로 결정된다. 본 예에서는 C1 = 5.8958, C2 = 5.3106 및 M = 12가 식 (2)에서 초래된다.
Figure pct00002
(2)
K-팩터 산소 [리터] 저항
평균 표준
편차		 계산된
양		 충전된
양		 차이
ΔRi [mΩ]
초기 값 1.0 0.020 0.419
사이클링 후 2.62 0.224 121.3 3.750
제1 산소 충전 72
제1 충전 후 1.44 0.078 37.9 1.210
제2 산소 충전 40
제2 충전 후 1.23 0.018 0.242
배터리 팩을 충전하는 프로세스는 내부 저항의 차이(ΔRi = Rmax - Rmin)가 소정의 값보다 크거나, 내부 저항의 표준 편차가 소정의 값을 초과할 때 개시될 수 있다. 본 예에 있어서, (도 7의 곡선(40)에 의해 예시된 바와 같이) ΔRi>3.5mΩ일 때, 프로세스가 활성화되었고 산소의 필요한 양이 계산되었다. 본 예에 있어서, 산소의 최대 충전량이 72 리터로 제한되어 있고, 따라서 2단계로 수행된다. 72 리터의 제1 충전 후의 결과가 곡선(41)에 의해 예시되고, 산소의 추가적인 양이 40 리터의 제2 충전을 초래하는 제1 충전(37.9 리터) 후에 계산된다. 40 리터의 제2 충전 후의 결과가 곡선(42)에 의해 예시된다. 표 2에 있어서, 내부 저항의 표준편차가 초기 표준편차 0.020 미만의 레벨로 감소되어 배터리 팩이 균형이 맞추진 것으로 고려됨을 알 수 있다.
도 8은 배터리 팩을 균형맞춤할 때 내부 저항이 어떻게 변하는지를 예시하는 제2 예를 나타낸다. 식 (2)는 충전될 산소의 양을 계산하는데 이용되었고, 표 3은 배터리 팩에 대한 저항 측정값, 배터리 팩을 균형맞추기 위한 계산된 충전량, 내부 저항의 편차 및 충전량으로부터의 결과를 나타낸다.
K-팩터 산소 [리터] 저항
평균 표준
편차		 계산된
양		 충전된
양		 차이
ΔRi [mΩ]
초기 값 1.0 0.040 0.708
제1 사이클링 후 2.42 0.147 107.8 2.661
제1 산소 충전 53
제1 충전 후 1.46 0.046 39.9 0.726
제2 산소 충전 40
제2 충전 후 1.22 0.024 0.484
제2 사이클링 후 1.86 0.219 67.6 3.266
산소 충전 68
산소 충전 후 1.26 0.027 0.363
본 예에 있어서, (도 8의 곡선(50)에 의해 예시된 바와 같이) ΔRi>2.5mΩ일 때, 프로세스가 활성화되었고 산소의 필요한 양이 계산되었다. 107.8 리터의 계산된 체적은 충전 장비의 용량보다 크고, 따라서 충전 단계는 2가지 개별 단계로 수행되며, 여기서 제1 충전 단계에서 충진될 양은 계산된 양, 예컨대 53 리터의 약 절반으로 되도록 선택된다. 53 리터의 제1 충전 후의 결과가 곡선(51)에 의해 예시되고, 산소의 추가적인 양이 40 리터의 제2 충전을 초래하는 제1 충전(39.9 리터) 후에 계산된다. 40 리터의 제2 충전 후의 결과가 곡선(52)에 의해 예시된다. 표 3에 있어서, 내부 저항의 표준편차가 제2 충전 후 초기 표준편차 0.040 미만의 레벨로 감소되어 배터리 팩이 균형이 맞추진 것으로 고려됨을 알 수 있다.
그 후 배터리 팩이 사이클링되었고 배터리 팩의 내부 저항이 증가하고 배터리 모듈 간의 내부 저항의 차이가 또한 (도 8의 곡선(55)에 의해 예시된 바와 같이) 2.5mΩ을 초과할 때까지 증가한다. 필요한 산소량은 배터리 팩을 균형맞춤 하기 위해 67.6 리터로 계산되었다. 68리터의 제3 충전 후의 결과가 곡선(56)에 의해 예시된다. 표 3에서 내부 저항의 표준편차가 제3 충전 후 0.030 미만의 레벨로 감소되어 배터리 팩이 균형이 맞추진 것으로 고려됨을 알 수 있다.
본 발명은 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")을 구비하는 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 방법에 관한 것으로, 각 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀을 구비한다. 각 배터리 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러싸고 가스 공간을 에워싸는 케이싱을 갖고, 배터리 모듈의 가스 공간은 공동 가스 공간(29)을 형성하기 위해 서로 연결된다. 각 배터리 셀은 제1 전극, 제2 전극, 다공성 분리막, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배열된 수성 알칼리 전해질을 구비하고, 다공성 분리막, 제1 전극 및 제2 전극은 가스가 전극 사이에서 이동하도록 하는 것에 의해 수소와 산소의 교환을 허용하도록 구성된다. 케이싱 중 적어도 하나는 공동 가스 공간에 가스 또는 액체를 첨가하기 위한 가스 주입구를 구비한다. 방법은: 배터리 모듈에 대한 데이터를 획득하는 단계로서, 데이터가 배터리 모듈 당 배터리 셀의 수, 배터리 모듈의 수, 각 배터리 모듈의 온도, 및 배터리 모듈의 에너지 용량과 관련되는, 단계; 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 적어도 2개에 대한 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)과 관련된 표시 파라미터를 획득하는 단계; 배터리 모듈 사이에서의 표시 파라미터의 차이가 소정의 제1 임계값을 초과하는 경우, 배터리 모듈에 대한 데이터 및 표시 파라미터를 기초로, 제1 임계값 미만의 레벨로 소정의 2개의 배터리 모듈 사이의 표시 파라미터의 차이를 감소시키기 위해 배터리 모듈에 충전될 산소의 충전량을 결정하는 단계; 및 산소의 결정된 충전량을 기초로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 표시 파라미터는 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 적어도 2개에 대한 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)이 되도록 선택되고, 제1 임계값은 제1 저항 임계값(Rt1)이며, 배터리 팩에 산소를 충전하는 단계는 제1 저항 임계값(Rt1) 미만의 레벨로 배터리 모듈(10, 10', 10")의 적어도 2개 중 어느 것 사이의 내부 저항의 차이를 감소시킨다.
몇몇 실시예에 따르면, 표시 파라미터는 배터리 모듈의 건전성의 상태(state of health; SOH)와 관련된다.
몇몇 실시예에 따르면, 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 표시 파라미터 및 제1 임계값이 각 배터리 모듈의 표시 파라미터 및 각 배터리 모듈의 배터리 셀의 획득된 수를 기초로 배터리 셀 당 결정된다.
몇몇 실시예에 따르면, 방법은 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")의 각각에 대한 전압 표시(U1, U2, U3)를 획득하는 단계(105); 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것에 대한 전압 표시(U1, U2, U3)가 소정의 상위 전압 표시 임계값(Ut1)을 초과하는지의 여부를 결정하는 단계(105a); 및 산소의 결정된 충전량으로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계(107) 이전에 적어도 2개의 배터리 모듈의 각각의 획득된 전압 표시가 소정의 상위 전압 표시 임계값(Ut1)보다 낮을 때 충전하는 단계(107)를 수행하는 단계;를 더 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 소정의 전압 표시 임계값(Ut1)이 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)과 관련된 표시 파라미터의 함수이다.
몇몇 실시예에 따르면, 방법은 적어도 2개의 배터리 모듈 중 어느 것에 대한 획득된 전압 표시가 소정의 상위 전압 표시 임계값(Ut1)과 동일하거나 더 높을 때, 산소의 결정된 충전량으로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계(107) 이전에 소정의 상위 전압 표시 임계값 미만의 레벨로 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 전압을 감소시키기 위해 배터리 팩을 방전하는 단계(106a)를 더 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 방법은 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것에 대한 전압 표시가 소정의 하위 전압 표시 임계값(Ut0)보다 낮거나 동일한지의 여부를 결정하는 단계(105a); 및 적어도 2개의 배터리 모듈의 각각에 대한 획득된 전압 표시가 소정의 하위 전압 표시 임계값(Ut0)을 초과할 때 충전을 개시하는 단계(107)를 수행하는 단계;를 더 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 방법은 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것에 대한 획득된 전압 표시가 소정의 하위 전압 표시 임계값(Ut0)보다 낮거나 동일할 때, 산소의 결정된 충전량으로 배터리 모듈의 충전을 개시하는 단계(107)를 수행하기 이전에, 하위 전압 표시 임계값(Ut0) 이상의 레벨로 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 전압을 증가시키기 위해 배터리 팩을 충전하는 단계(106b)를 더 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 충전을 개시하는 단계(107)는 산소로 적어도 2개의 배터리 모듈을 충전하기 이전에 수소로 배터리 팩을 충전하는 단계를 더 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 전압 표시는 적어도 2개의 배터리 모듈에 대한 개방 회로 전압으로 되도록 선택되고, 상위 및 하위 전압 표시 임계값은 온도 의존성이다.
몇몇 실시예에 따르면, 전압 표시는 배터리 모듈의 충전의 상태(State of Charge; SOC)와 관련된다.
몇몇 실시예에 따르면, 불활성 가스로 배터리 팩(100; 150)을 충전하는 단계는 산소로 배터리 팩(100; 150)을 충전하는 단계와 함께 한다.
몇몇 실시예에 따르면, 불활성 가스는 아르곤, 질소, 헬륨 및/또는 공기 중 어느 것의 조합으로 되도록 선택된다.
몇몇 실시예에 따르면, 충전을 개시하는 단계(107)는 적어도 2개의 배터리 모듈 사이의 표시 파라미터의 차이를 감소시키기 위해 산소의 결정된 충전량으로 용기(17)의 준비를 개시하는 단계를 더 포함한다. 용기의 가스의 압력은 용기의 체적과 용기의 가스의 양에 의존한다. 작은 용기에 대해, 용기의 가스의 양은 산소의 충전량과 거의 동일하다. 그러나, 용기로부터 산소를 충전한 후, 산소의 잔류량은 용기에 항상 남아 있게 된다. 용기로부터 배터리 모듈로의 가스의 흐름은 용기의 압력이 배터리 모듈의 공동 가스 공간의 압력과 동일할 때까지 계속될 것이다. 따라서, 용기의 가스의 양은 충전량보다 근소하게 더 커야만 한다.
몇몇 실시예에 따르면, 산소로 배터리 팩을 충전하는 단계 후, 배터리 팩의 충전 후 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)과 관련된 충전 후 파라미터를 획득하는 단계(108), 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것 사이의 충전 후 파라미터의 차이가 소정의 제2 임계값을 초과하는지의 여부를 결정하는 단계(109), 배터리 모듈 중 어느 것 사이의 충전 후 파라미터의 차이가 제2 임계값을 초과하는 경우, 배터리 모듈의 충전 후 파라미터 및 각 배터리 모듈에 대한 데이터를 기초로, 제2 저항 임계값(Rt2) 미만의 레벨로 소정의 2개의 배터리 모듈 사이의 충전 후 파라미터의 차이를 감소시키기 위해 배터리 팩에 충전될 산소의 추가 충전량을 결정하는 단계, 및 산소의 결정된 추가 양으로 배터리 팩을 충전하는 단계를 더 포함한다.
몇몇 실시예에 따르면, 방법은 니켈 금속 수소화물(NiMH) 배터리 셀을 구비하는 배터리 팩 상에서 수행된다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 프로세서(14') 상에서 실행될 때, 적어도 하나의 프로세서(14')가 상기한 바와 같은 방법을 수행하도록 하는 명령을 포함하는 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
본 발명은 또한 상기한 바와 같은 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 컴퓨터 프로그램을 운반하는 컴퓨터 판독가능 기록매체에 관한 것이다.
본 발명은 또한 배터리 팩(100; 150)을 균형맞춤하기 위한 용기(17)에 관한 것으로; 용기는 상기한 방법을 수행하도록 산소의 충전량으로 배터리 팩을 충전하기 위해 적어도 가압 산소의 양으로 충전된다.
본 발명의 측면은 도면, 예컨대 블록도 및/또는 플로우차트를 참조하여 설명된다. 도면의 다양한 엔티티, 예컨대 블록도의 블록, 및 또한 도면의 엔티티의 조합은 컴퓨터 프로그램 명령에 의해 구현될 수 있고, 명령은 컴퓨터 판독가능 메모리에 저장될 수 있고, 또한 컴퓨터 또는 다른 프로그램가능 데이터 처리 장치 상으로 로딩될 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램 명령은 머신을 생산하기 위해 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터 및/또는 다른 프로그램가능 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공될 수 있고, 따라서 컴퓨터 및/또는 다른 프로그램가능 데이터 처리 장치의 프로세서를 매개로 실행되는 명령은 프로그램 가능한 데이터 처리 장치, 블록도 및/또는 플로우차트 블록 또는 블록들에서 특정된 기능/동작을 구현하기 위한 수단을 생성한다.
몇몇 구현에 있어서 그리고 본 발명의 일부 측면에 따르면, 블록에서 주지된 기능 또는 단계는 동작 예시에서 주지된 순서를 벗어나 야기될 수 있다. 예컨대, 포함된 기능/동작에 따라, 연속적으로 도시된 2개의 블록은 사실상 실질적으로 동시에 실행될 수 있고 또는 블록은 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 또한, 블록에서 주지된 기능 또는 단계는 본 발명의 몇몇 측면에 따라 루프로 연속적으로 실행될 수 있다.
도면 및 명세서에 있어서, 본 발명의 예시적인 측면이 개시된다. 그러나, 많은 변형 및 수정이 본 발명의 원리로부터 실질적으로 벗어나는 것 없이 이들 측면에 대해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 제한적이기 보다는 예시적인 것이고, 위에서 논의된 특정 측면으로 제한되는 것으로 간주되어서는 않된다. 따라서, 특정 용어가 채택됨에도 불구하고, 일반적이고 설명적인 의미로만 이용되고 한정적으로는 이용되지 않는다.

Claims (19)

  1. 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")을 구비하는 배터리 팩(100; 150)의 동작 효율을 개선하기 위한 방법으로, 각 배터리 모듈이 적어도 하나의 배터리 셀을 구비하고, 각 배터리 모듈(10, 10', 10")이 적어도 하나의 배터리 셀을 둘러싸고 가스 공간을 에워싸는 케이싱을 갖고, 배터리 모듈(10, 10', 10")의 가스 공간이 공동 가스 공간(29)을 형성하기 위해 서로 연결되고, 각 배터리 셀이 제1 전극, 제2 전극, 다공성 분리막, 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배열된 수성 알칼리 전해질을 구비하고, 다공성 분리막, 제1 전극 및 제2 전극은 가스가 전극 사이에서 이동하도록 하는 것에 의해 수소와 산소의 교환을 허용하도록 구성되고, 케이싱 중 적어도 하나가 공동 가스 공간에 가스 또는 액체를 첨가하기 위한 가스 주입구를 구비하고; 방법이,
    - 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 데이터를 획득하는 단계(101)로서, 데이터가 배터리 모듈(10, 10', 10") 당 배터리 셀의 수, 배터리 모듈(10, 10', 10")의 수, 각 배터리 모듈의 온도, 및 배터리 모듈(10, 10', 10")의 에너지 용량과 관련되는, 단계(101),
    - 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 적어도 2개에 대한 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)과 관련된 표시 파라미터를 획득하는 단계(102),
    - 배터리 모듈 중 어느 것 사이에서의 표시 파라미터의 차이가 소정의 제1 임계값을 초과하는 경우, 배터리 모듈에 대한 데이터 및 표시 파라미터를 기초로, 제1 임계값 미만의 레벨로 소정의 2개의 배터리 모듈 사이의 표시 파라미터의 차이를 감소시키기 위해 배터리 모듈(10, 10', 10")에 충전될 산소의 충전량을 결정하는 단계(104), 및
    - 산소의 결정된 충전량을 기초로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계(107)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    표시 파라미터가 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 적어도 2개에 대한 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)이 되도록 선택되고, 제1 임계값은 제1 저항 임계값(Rt1)이며, 배터리 팩에 산소를 충전하는 단계는 제1 저항 임계값(Rt1) 미만의 레벨로 배터리 모듈(10, 10', 10")의 적어도 2개 중 어느 것 사이의 내부 저항의 차이를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    표시 파라미터가 배터리 모듈의 건전성의 상태(SOH)와 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 표시 파라미터 및 제1 임계값이 각 배터리 모듈의 표시 파라미터 및 각 배터리 모듈의 배터리 셀의 획득된 수를 기초로 배터리 셀 당 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    방법이,
    - 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")의 각각에 대한 전압 표시(U1, U2, U3)를 획득하는 단계(105),
    - 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것에 대한 전압 표시(U1, U2, U3)가 소정의 상위 전압 표시 임계값(Ut1)을 초과하는지의 여부를 결정하는 단계(105a), 및
    - 산소의 결정된 충전량으로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계(107) 이전에 적어도 2개의 배터리 모듈의 각각의 획득된 전압 표시가 소정의 상위 전압 표시 임계값(Ut1)보다 낮을 때 충전하는 단계(107)를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    소정의 전압 표시 임계값(Ut1)이 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)과 관련된 표시 파라미터의 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    적어도 2개의 배터리 모듈 중 어느 것에 대한 획득된 전압 표시가 소정의 상위 전압 표시 임계값(Ut1)과 동일하거나 더 높을 때,
    - 산소의 결정된 충전량으로 배터리 팩의 충전을 개시하는 단계(107) 이전에 소정의 상위 전압 표시 임계값(Ut) 미만의 레벨로 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 전압을 감소시키기 위해 배터리 팩을 방전하는 단계(106a)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것에 대한 전압 표시가 소정의 하위 전압 표시 임계값(Ut0)보다 낮거나 동일한지의 여부를 결정하는 단계(105a), 및
    - 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")의 각각에 대한 획득된 전압 표시가 소정의 하위 전압 표시 임계값(Ut0)을 초과할 때 충전을 개시하는 단계(107)를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것에 대한 획득된 전압 표시가 소정의 하위 전압 표시 임계값(Ut0)보다 낮거나 동일할 때,
    - 산소의 결정된 충전량으로 배터리 모듈의 충전을 개시하는 단계(107)를 수행하기 이전에, 하위 전압 표시 임계값(Ut0) 이상의 레벨로 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10")에 대한 전압을 증가시키기 위해 배터리 팩을 충전하는 단계(106b)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    충전을 개시하는 단계(107)가 산소로 적어도 2개의 배터리 모듈을 충전하기 이전에 수소로 배터리 팩을 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    전압 표시가 적어도 2개의 배터리 모듈에 대한 개방 회로 전압으로 되도록 선택되고, 상위 및 하위 전압 표시 임계값이 온도 의존성인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    전압 표시가 배터리 모듈의 충전의 상태(State of Charge; SOC)와 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    불활성 가스로 배터리 팩(100; 150)을 충전하는 단계는 산소로 배터리 팩(100; 150)을 충전하는 단계와 함께 하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    불활성 가스가 아르곤, 질소, 헬륨 및/또는 공기 중 어느 것의 조합으로 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전을 개시하는 단계(107)가 적어도 2개의 배터리 모듈 사이의 표시 파라미터의 차이를 감소시키기 위해 산소의 결정된 충전량으로 용기(17)의 준비를 개시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소로 배터리 팩을 충전하는 단계 후,
    - 배터리 팩의 충전 후 내부 저항(Ri1, Ri2, Ri3)과 관련된 충전 후 파라미터를 획득하는 단계(108),
    - 적어도 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것 사이의 충전 후 파라미터의 차이가 소정의 제2 임계값을 초과하는지의 여부를 결정하는 단계(109),
    - 배터리 모듈(10, 10', 10") 중 어느 것 사이의 충전 후 파라미터의 차이가 제2 임계값을 초과하는 경우, 배터리 모듈의 충전 후 파라미터 및 각 배터리 모듈에 대한 데이터를 기초로, 제2 저항 임계값(Rt2) 미만의 레벨로 소정의 2개의 배터리 모듈(10, 10', 10") 사이의 충전 후 파라미터의 차이를 감소시키기 위해 배터리 팩에 충전될 산소의 추가 충전량을 결정하는 단계, 및
    - 산소의 결정된 추가 양으로 배터리 팩을 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서,
    방법이 니켈 금속 수소화물(NiMH) 배터리 셀을 구비하는 배터리 팩 상에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 적어도 하나의 프로세서(14') 상에서 실행될 때, 적어도 하나의 프로세서(14')가 청구항 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 하는 명령을 포함하는 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 컴퓨터 프로그램.
  19. 청구항 제18항에 따른 배터리 팩의 동작 효율을 개선하기 위한 컴퓨터 프로그램을 운반하는 컴퓨터 판독가능 기록매체.
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