KR20230145367A - 탈착식 배터리 모듈이 있는 전력 시스템 - Google Patents

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팔라토프 그룹 엘엘씨
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Abstract

본 발명에 따르면, 복수의 탈착식 배터리 모듈을 갖는 배터리 팩을 포함하는 차량 또는 고정 설비용 전력 시스템으로서, 각 배터리 모듈은 공통 전원 버스에 대한 내부 제어 가능한 연결부, 파워 컨트롤러 유닛(PCU)에 의해 제어되는 시스템 구성요소, 및 상기 배터리 모듈 각각 및 상기 PCU와 통신하고 전력 시스템의 오퍼레이터로부터 제어 입력을 수신하는 시스템 제어 유닛(SCU)을 갖고, 상기 PCU는 상기 공통 전원 버스에 대한 연결부를 갖는 전력 시스템이 개시된다. 일부 실시예에서, 상기 오퍼레이터는 인간 오퍼레이터, 전자 오퍼레이터 유닛(Electronic Operator Unit, EOU) 또는 이들의 조합일 수 있다. 전력 시스템의 오퍼레이터로부터 SCU에 의해 수신된 제어 입력과 전력 시스템의 모니터링된 상태에 응답하여 각각의 배터리 모듈의 내부적으로 제어 가능한 연결을 작동하기 위한 방법이 개시된다.

Description

탈착식 배터리 모듈이 있는 전력 시스템
본 출원은 2021년 2월 10일에 출원된 발명의 명칭이 'APPARATUS AND METHODS FOR REMOVABLE BATTERY MODULE WITH INTERNAL RELAY AND INTERNAL CONTROLLER'인 일련 번호 제17172613호의 동시 계류 중인 출원의 일부계속출원이며, 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함되어 있다. 추가로, 본 출원은 발명의 명칭이 'BATTERY MODULE WITH SERIES CONNECTED CELLS, INTERNAL RELAYS AND INTERNAL BATTERY MANAGEMENT SYSTEM'인 일련 번호 제17182072호의 동시 계류 중인 출원과 관련되며, 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
차량 배터리 모듈은 이와 관련하여 일반적으로 종종 수백 또는 수천 달러에 이르는 상당한 금전적 가치를 가지고 있다.
당업계에서 일반적으로 알려진 배터리 모듈은 쉽게 접근하거나 서비스할 수 없는 밀봉된 배터리 팩에 영구히 장착되도록 구성된다. 이 사실로 인해, 이러한 모듈의 도난을 추가로 보호, 추적 또는 방지할 필요가 없다. 당업계에 알려진 모듈에 물리적으로 접근해 제거하기 어렵기 때문에 통상적으로 도난을 충분히 방지할 수 있는 것으로 간주된다.
참조된 동시 계류 중인 출원에서, 본 출원인은 개별적으로 활성화 및 비활성화되는 복수의 탈착식 고전압 모듈을 포함하는 배터리 팩을 위한 새로운 장치 및 방법을 개시한다.
모듈 제거의 용이성과 본 출원인이 교시한 새로운 탈착식 고전압 모듈에 내재된 다른 팩들에서 동일한 모듈을 사용하는 능력으로 인해, 모듈의 추적, 사용 제어 및 도난 방지에 대한 필요성이 발생한다.
또한, 새로운 또는 교체 가능한 탈착식 모듈을 수용하도록 구성된 배터리 팩의 경우, 새로 설치된 모듈이 특정 팩 및 그 팩으로 구동되는 장치와 호환되고 안전하게 작동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
차량 배터리 분야에서 필요한 것은 모듈의 사용에 대한 제어를 용이하게 하고, 미인가 또는 호환불가능한 사용을 방지하며, 일반적인 사용에서 모듈의 추적을 용이하게 하고 도난당한 모듈의 회수를 지원하는 탈착식 배터리 모듈 설계 및 작동 방법이다.
본 발명의 제1 목적은 모듈의 사용 시도가 인증되었는지 여부를 확인하고 비인가 사용을 방지할 수 있는 탈착식 고전압 배터리 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 모듈의 일상적인 사용 추적을 용이하게 하는 배터리 모듈 설계, 배터리 팩 설계, 인프라 설계 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 도난당한 모듈의 위치 및 회수를 지원하는 배터리 모듈 설계, 배터리 팩 설계, 인프라 설계 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 배터리 모듈은 제조시 적어도 고유의 식별자(ID)를 부여받는다. 모듈에 서비스 가능한 구성요소가 있는 실시예에서, 제1 고유 ID는 서비스 불가능한 구성요소와 연관될 수 있고, 하나 이상의 서비스 가능한 구성요소에는 추가적인 고유 ID가 할당될 수 있다.
모듈 내에 포함된 본 발명의 모듈 컨트롤러에는 팩 컨트롤러와 안전한 통신 수단이 제공된다.
본 발명의 팩 컨트롤러도 마찬가지로 제조시 고유 ID가 할당되며, 마찬가지로 하나 이상의 탈착식 모듈 내에 포함된 모듈 컨트롤러와의 보안 통신 수단이 제공된다.
팩 컨트롤러에는 인증 컨트롤러와 안전하게 통신할 수 있는 수단이 더 제공된다.
탈착식 배터리 모듈의 별개의 프로그래밍된 상태가 개시되며, 상기 상태 각각은 활성화되는 별개의 모듈 기능 세트를 갖고, 또한 비활성화되는 별개의 모듈 기능 세트를 가질 수 있다. 일부 주(州)에서는, 특정 모듈 기능이 제한되거나 한정될 수 있다. 일부 주에서는, 모듈의 비인가 사용이 금지된다.
별개의 프로그래밍된 상태 사이에서 모듈을 전환하기 위한 방법이 제공된다. 전환 중 일부는 인증 컨트롤러와의 보안 통신에 응답하여 달성될 수 있다.
팩 컨트롤러에서 데이터 센터로 모듈 데이터를 통신하고, 특정 모듈이 도난당한 것으로 보고되었는지 여부를 확인하며, 모듈이 도난당한 것으로 보고하고, 모듈이 회수된 것으로 보고하는 추가 방법이 제공된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
이하의 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도면의 구성요소는 반드시 서로에 대해 비례할 필요는 없다. 동일한 참조 번호는 여러 도면에서 일치하는 부분을 나타낸다.
도 1은 인증 컨트롤러에 통신가능하게 결합된 본 발명의 모듈형 배터리 팩을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 배터리 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 모듈 컨트롤러 및 관련 회로를 포함하는 외부 인터페이스 PCBA를 도시한 것으로, 셀 모니터링 PCBA는 복수의 셀 모니터링 및 컨디셔닝 회로를 가지며, 상기 회로는 복수의 셀에 결합된다.
도 4는 본 발명의 모듈의 프로그래밍된 상태 및 상기 상태들 사이의 전이를 나타내는 상태도이다.
도 5는 본 발명의 인증 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 인증 방법의 추가 단계를 나타낸 도면이다.
도 7은 복수의 배터리 모듈을 이용하는 차량용 전력 시스템의 일 실시예의 예시이다.
도 8은 본 발명의 전기 자동차 전력 시스템의 각 구성요소와 관련된 데이터 맵을 도식적으로 도시한 것이다.
도 9는 탈착식 배터리 모듈의 작동 방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.
도 10은 복수의 배터리 모듈을 이용하는 전기 자동차 전력 시스템의 전원 버스를 활성화하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 11은 전기 자동차의 전력 시스템 제어 방법에 대한 흐름도이다.
도 12는 온보드 배터리 충전기를 더 갖고 외부 배터리 충전기에 더 연결되는 도 7의 차량용 전력 시스템의 실시예를 도시한다.
도 13은 빌딩 또는 다른 고정식 애플리케이션용 전력 시스템을 도시한 것으로, 상기 전력 시스템은 복수의 배터리 모듈을 이용하고 상이한 유형의 복수의 시스템 구성요소를 갖는다.
복수의 탈착식 배터리 모듈(10)을 갖고 인증 컨트롤러(50)에 통신 가능하게 결합된 본 발명의 모듈형 배터리 팩(5)의 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 실시예는 국한되지 않는다. 본 명세서에서 개시된 내용에 기초하여 다른 실시예도 당업자에게 명백할 것이다.
탈착식 배터리 모듈(10)을 갖는 모듈형 배터리 팩(5)을 작동하기 위한 개시된 시스템 및 방법은 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 검토함으로써 더 잘 이해될 것이다. 상세한 설명 및 도면은 본 명세서에 기재된 다양한 발명의 예를 제공한다. 당업자는 개시된 예가 본 명세서에 기재된 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경, 수정 및 변경될 수 있음을 이해할 것이다. 상이한 적용 및 설계 고려사항에 대해 많은 변형이 고려되나, 간결히 하기 위해, 각각의 및 모든 고려된 변형을 다음의 상세한 설명에서 개별적으로 설명하지 않는다.
이하의 상세한 설명 전반에 걸쳐, 배터리 팩(5) 및 배터리 모듈(10)에 대한 시스템 및 방법에 대한 다양한 예가 제공된다. 예에서 관련 특징은 서로 다른 예에서 동일하거나 유사하거나 유사하지 않을 수 있다. 간결히 하기 위해, 관련 특징은 각 예에서 중복 설명하지 않는다. 대신, 관련 특징명을 사용하면 관련 특징명 있는 특징이 앞에서 설명한 예의 관련 특징과 유사할 수 있음을 독자에게 알릴 수 있다. 주어진 예에 특정한 특징은 그 특정 예에서 설명될 것이다. 독자는 주어진 특징이 어떤 주어진 도면이나 예에서 관련 특징의 특정 묘사와 동일하거나 유사할 필요는 없음을 이해해야 한다.
달리 명시되지 않는 한, 다음 정의가 본 명세서에 적용된다.
"실질적으로"는 특정 치수, 범위, 모양, 개념 또는 해당 용어에 의해 수정된 기타 측면에 어느 정도 일치함을 의미하므로, 기능 또는 구성요소가 정확히 일치할 필요는 없다. 예를 들어, "실질적으로 원통형" 물체는 물체가 원통과 유사하지만 실제 원통에서 하나 이상의 편차가 있을 수 있음을 의미한다.
"구비하는", "포함하는" 및 "갖는"(및 이들의 활용형)은 포함하되 반드시 이에 국한되지 않는 의미로 상호 교환적으로 사용되며 명시적으로 인용되지 않은 추가 요소 또는 방법 단계를 배제하려는 의도가 아닌 개방형 용어이다.
"제1", "제2" 및 "제3"과 같은 용어는 그룹 등의 다양한 부재들을 구별하거나 식별하는 데 사용되며 일련의, 연대순 또는 숫자 제한을 나타내려는 의도가 아니다.
"결합된"은 개입 구성요소를 통해 직접 또는 간접적이든 간에 영구적으로 또는 탈착식으로 연결된 것을 의미한다.
"전기적으로 결합된", "전기적으로 연결된"은 요소들 사이에서 전류의 전도를 가능하게 하는 방식으로 연결된 회로 요소를 의미한다.
"커넥터", "전기 커넥터"는 분리 가능한 방식으로 회로 요소를 전기적으로 연결하는 구조 또는 장치를 의미한다.
"상호 연결", "전기적 상호 연결"은 분리할 수 없는 방식으로 회로 요소를 전기적으로 연결하는 구조 또는 장치를 의미한다.
"통신 결합"이란 전자 장치가 통신 네트워크를 통해 직접 또는 간접적이든 간에 전자 메시지를 무선으로 또는 커넥터로 전송할 목적으로 다른 전자 장치와 통신하는 것을 의미한다.
"제어 가능하게 결합된"이란 전자 장치가 다른 전자 장치의 동작을 제어하는 것을 의미한다.
"PCBA"는 비전도성 기판, 회로 요소를 전기적으로 결합하기 위한 하나 이상의 에칭된 전기 전도성 트레이스 및 집적 회로, 릴레이, 셀 상호 연결 등일 수 있는 하나 이상의 전기 회로 요소를 포함하는 인쇄 회로 기판 어셈블리를 의미한다.
"셀", "배터리 셀"은 전압 및 전류를 생성하기 위해 사용되는 전해질에 의해 분리된 단일 양극 및 음극을 의미한다. 본 발명의 배터리 모듈은 그룹 내에서 직렬로 연결된 하나 이상의 셀 그룹을 포함한다. 셀은 원통형, 프리즘형, 파우치형 또는 임의의 다른 유형일 수 있다. 셀은 리튬 이온 또는 기타 화학적 유형일 수 있다.
"명령 메시지", "명령"은 제2 회로에 의해 동작 또는 상태 변경을 개시하기 위해 제1 전자 회로에서 제2 전자 회로로 전송되는 전자 메시지이다. 많은 실시예에서, 명령 메시지는 보안 통신에 의해 전송되는 보안 메시지일 것이다.
"상태 메시지"는 제2 전자 회로에 의해 제1 전자 회로로 전송되는 전자 메시지로, 상기 메시지는 상기 제2 회로 또는 다른 회로의 상태 또는 동작 상태에 관한 정보를 포함한다.
"보안 통신", "보안 메시지"는 암호화된 메시지 또는 미인가 당사자 또는 장치에 의한 읽기, 수정 또는 위조를 방지하는 기타 유형의 메시지를 통한 통신을 의미한다. 공개 키, 개인 키, 디지털 서명 등을 포함하여 알려진 모든 유형의 암호화를 사용할 수 있다. 상이한 유형의 메시지에 대한 실시예 내에서 상이한 유형의 보안 통신이 이용될 수 있다. 메시지의 암호화 및 암호 해독은 소프트웨어에서 수행될 수 있으며 그렇게 장착된 컨트롤러에서 하드웨어 지원으로 수행될 수 있다. 보안 통신은 전자 장치 분야에서 잘 알려져 있으므로 여기서는 자세히 설명하지 않는다.
"고유 ID"라 함은 전자회로, 전자 어셈블리 또는 차량일 수 있는 기계 등 특정 물리적 장치에 고유하게 생성되어 부여되는 숫자 또는 영숫자 값을 의미한다. 고유 ID의 생성 및 할당은 당업계에 잘 알려져 있다. 고유 ID를 데이터베이스에 등록하는 것도 잘 알려져 있다. 차량의 경우, 고유 ID는 일반적으로 차량 식별 번호(VIN) 형식을 취한다. 컨트롤러, 처리 장치, 네트워킹 컨트롤러 등과 같이 제조 시 고유 ID가 할당되고 내장된 다양한 유형의 전자 회로가 알려져 있다. 전자 장치에 고유 ID를 할당하는 것은 전자 장치 설계 분야에서 잘 알려져 있으므로 여기서는 자세히 설명하지 않는다.
"차량 식별 번호", "VIN"은 차량 제조업체가 차량에 공식적으로 할당하고 등록한 고유 ID를 의미한다. VIN은 관례적으로 정부 기관에서 데이터베이스에 기록된다.
"제품 식별 번호", "PIN"은 그런 장치가 차량이 아닌 경우 장치 제조업체가 배터리 팩을 포함하는 장치에 할당하는 고유 ID를 의미한다. PIN이 있는 장치의 예는 배터리 충전기, 가정용 및 상업용 에너지 저장 장치, 백업 전원 공급 장치 등이다. PIN은 장치 제조업체, 산업 기관 또는 정부 기관에서 데이터베이스에 기록될 수 있다.
"모듈 식별 번호", "MIN"은 모듈 제조업체가 배터리 모듈에 할당하는 고유 ID를 의미한다. MIN은 모듈 제조업체, 산업 기관 또는 정부 기관에서 데이터베이스에 기록될 수 있다.
"시스템 제어 유닛", "SCU"는 오퍼레이터 입력에 응답하는 차량 전자 및 전기 기계 시스템에 제어 가능하게 결합되어 작동을 제어하는 전자 컨트롤러를 의미한다.
"인증 컨트롤러"라 함은 배터리 팩 또는 배터리 모듈의 사용 시도가 인증된 것인지 여부를 인증하는 수단을 가진 전자 장치를 의미한다. SCU인 전자 장치의 경우, 이러한 수단은 차량 키에 통신 가능하게 결합되는 것을 포함할 수 있다. 인터넷 또는 다른 네트워크에 연결된 컨트롤러의 경우, 이러한 수단에는 등록된 PIN 또는 MIN의 데이터베이스가 있는 데이터 센터에 통신 연결되는 것이 포함될 수 있다. 다른 인증 수단에는 오퍼레이터 생체 인식 감지, 오퍼레이터에 의한 패스코드 입력 또는 기타 알려진 인증 수단이 포함될 수 있다.
"배터리 모듈", "모듈"은 직렬로 연결된 복수의 셀, 양극 및 음극 단자, 복수의 셀을 각각의 양극 및 음극 단자에 전기적으로 결합시키는 릴레이 및 상기 릴레이를 컨트롤러에 제어가능하게 결합시키는 수단을 포함하는 전자 장치를 의미한다. 일부 실시예에서, 컨트롤러에 릴레이를 제어 가능하게 연결하는 수단은 보안 통신이 가능한 배터리 관리 시스템(BMS) 컨트롤러이다.
"배터리 팩", "팩"은 복수의 배터리 모듈을 탈착식으로 수용하고, 수용된 모듈을 유사한 모듈들 사이에서 병렬로 전기적으로 결합시키며, 모듈을 총체적으로 외부 전기 부하 또는 전원에 전기적으로 결합시키고, 모듈을 총체적으로 컨트롤러에 제어가능하게 결합하도록 구성된 전기, 기계 및 전자 장치를 의미한다. 배터리 팩은 수용된 모듈만 충전하거나 수용된 모듈만 방전하거나 둘 다 수행하도록 구성할 수 있다.
"배터리 모듈 상태", "모듈 상태", "상태"는 모듈의 일부 특정 기능이 활성화될 수 있고, 모듈의 일부 특정 기능이 비활성화될 수 있으며, 모듈의 일부 특정 기능이 한정되거나 제한될 수 있는 배터리 모듈의 별개의 프로그래밍된 구성을 의미한다. 예를 들어, 충전 및 방전 전류 제한은 다른 상태에서 다른 특정 값으로 설정될 수 있으며 일부 상태에서는 0으로 설정될 수 있다. 본 발명 및 본 명세서에 제시된 설명과 관련해, 모듈 상태는 비휘발성 메모리에 저장되는 하나 이상의 제어 파라미터에 응답하고 전류, 전압 및 온도 측정치와 같은 모니터링된 작동 조건에 응답하여 하나 이상의 릴레이를 제어하기 위해 모듈 컨트롤러에서 제어 프로그램의 실행에 의해 구현된다. 작동 조건의 모니터링은 측정 회로를 통해 이루어지며 전자 회로 설계 분야에서 잘 알려져 있다. 비휘발성 메모리에 파라미터를 저장하는 것은 컨트롤러 분야에 알려져 있으며 여기서는 자세히 설명하지 않는다. 상태 간 전환은 모듈 컨트롤러가 수신한 명령 메시지에 프로그래밍 방식으로 응답하여 수행되며 모니터링된 작동 조건에 대해 추가로 응답할 수 있다. 일부 상태 전환은 성공적인 인증을 조건으로 할 수 있다.
"패시브 상태"란 모든 릴레이가 비활성화된 배터리 모듈 상태를 의미하며 액티브 상태로 전환하기 위해 인증된 팩 컨트롤러로부터 유효한 명령 메시지를 수신해야 한다. 제1 패시브 상태에서 다른 패시브 상태로의 전환은 모니터링된 작동 조건에 응답하거나 명령에 응답할 수 있으며 인증이 필요할 수 있다.
"액티브 상태"는 측정된 전류, 측정된 전압, 측정된 온도, 활성화된 지속 기간 만료 등과 같은 모니터링된 작동 조건에 응답하여 하나 이상의 릴레이가 모듈 컨트롤러의 능동 제어하에 있는 배터리 모듈 상태를 의미한다. 액티브 상태에서 패시브 상태로의 액티브 상태들 간 전환은 모니터링되는 작동 조건 또는 명령에 응답할 수 있으며 인증이 필요할 수 있다.
"충전 전류"란 충전기와 같은 외부 전원으로부터 모듈로 유입되어 모듈에 저장된 전기 에너지에 추가되는 전류를 의미한다.
"방전 전류"란 모듈에서 외부 전기 부하로 흐르며 모듈에 저장된 전기 에너지에서 차감되는 전류를 의미한다.
도 1은 통신 링크(45)에 의해 인증 컨트롤러(50)에 통신 결합된 팩 컨트롤러(40)를 갖는 배터리 팩(5)을 도시하는 대표적인 도면이다. 각 팩 컨트롤러(40)에는 제조시 고유 ID가 할당된다. 차량에 설치된 배터리 팩(5)의 실시예에 대해, 인증 컨트롤러(50)는 차량 키에 통신 가능하게 결합된 시스템 제어 유닛(SCU)일 수 있고 통신 링크(45)는 CAN(Controller Area Network) 버스 또는 이와 유사한 것일 수 있다. 충전소 또는 가정용 에너지 저장 장치와 같은 고정 구조물에 설치된 배터리 팩(5)의 실시예에 대해, 인증 컨트롤러(50)는 데이터베이스를 갖는 원격 위치 데이터 센터일 수 있고, 통신 링크(45)는 팩 컨트롤러(40)를 인증 컨트롤러(50)에 통신 가능하게 연결하는 인터넷일 수 있다. 일부 실시예에서, 인증 컨트롤러(50)는 휴대폰일 수 있으며, 이는 인터넷 데이터베이스에 통신 가능하게 더 연결될 수 있고, 통신 링크(45)는 무선일 수 있다.
복수의 탈착식 모듈(10)이 도시되어 있다. 또한 도시되지 않은 추가 모듈을 수용하기 위한 빈 소켓(25)이 도시되어 있다. 도면은 명확히 하기 위해 단순화되었으며 수치적이거나 다른 방식으로 제한되지 않는다.
팩 컨트롤러(40)는 컨트롤 버스(70)를 통해 모듈(10)의 컨트롤 버스 커넥터(700)에 통신적으로 결합된다. 팩 컨트롤러(40)는 모듈(10) 내에 포함된 각각의 컨트롤러(900)에 의해 수신되는 명령의 소스이다.
모듈(10)의 양극 단자(200) 및 음극 단자(300)가 소켓(25)에 의해 양극 전원 버스(20) 및 음극 전원 버스(30)에 전기적으로 연결된다. 인버터와 같은 외부 전기 부하 또는 충전기와 같은 외부 전원은 통상적으로 전원 버스(20) 및 전원 버스(30)에 전기적으로 연결된다. 전기 부하 또는 소스에 대한 배터리 팩 전원 버스의 이러한 연결은 해당 기술 분야에서 잘 알려져 있으며 간략히 하기 위해 도면에서 생략되었다. 배터리 팩(5)의 일부 실시예는 퓨즈, 릴레이, 절연 모니터링 회로, 전류 센서 등과 같은 전원 버스에 결합된 전력 분배 장치를 더 이용할 수 있다. 배터리 팩의 전원 버스에 연결되는 이러한 장치는 해당 기술 분야에 잘 알려져 있으므로 도시하지 않았다. 일부 실시예에서, 팩에 포함된 본 발명의 모듈의 내부 릴레이 및 회로는 추가적인 팩 전력 분배 장치가 필요없게 하여 팩 비용 및 복잡성을 감소시킨다.
도 2는 본 발명의 배터리 모듈(10)의 특징을 개념적으로 도시한 것이다. 인클로저(100)는 복수의 셀(400), 릴레이(500)에 의해 상기 복수의 셀에 전기적으로 연결된 양극 단자(200), 및 릴레이(600)에 의해 상기 복수의 셀에 전기적으로 연결된 음극 단자(300)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 릴레이(500 및 600)는 모듈 컨트롤러(900)에 제어가능하게 결합되며, 모듈 컨트롤러는 컨트롤 버스 커넥터(700)에 추가로 통신가능하게 결합된다. 미도시된 본 발명의 일부 실시예는 단자 중 단 하나에 복수의 셀들의 연결을 제어하기 위해 단 하나의 릴레이를 가질 수 있는 반면, 단자 중 다른 하나는 직접 또는 퓨저블 링크를 통해 복수의 셀에 연결된다.
선택적 오퍼레이터 인터페이스(800)는 모듈 컨트롤러(900)에 통신 가능하게 결합된 것으로 도식적으로 도시되어 있다. 오퍼레이터 인터페이스는 모듈 상태를 나타내고 오퍼레이터 입력을 얻기 위해 시각적 표시기, 푸시버튼, 스위치, 가청 표시기 등을 포함할 수 있다. 오퍼레이터 인터페이스는 당업계에 잘 알려져 있으며 여기서는 상세하게 설명하지 않는다. 일부 실시예는 오퍼레이터 인터페이스를 생략할 수 있다.
일부 실시예에서, 오퍼레이터 인터페이스(800)는 모듈 내에 물리적으로 포함되지 않을 수 있고, 오퍼레이터 인터페이스 앱으로 구성된 휴대폰일 수 있으며, 상기 휴대폰은 블루투스와 같은 무선 링크에 의해 모듈 컨트롤러(900)에 통신 가능하게 결합된다.
오퍼레이터 인터페이스를 갖는 실시예에서, FAULT 또는 LOCKED 상태에 있는 모듈 컨트롤러(도 4에 예시되고 아래에서 추가로 설명됨)는 상기 인터페이스를 통해 주기적으로 그 상태를 보고할 수 있다. 예를 들어, 조명 발광다이오드(LED)와 같은 시각적 표시가 미리 결정된 간격으로 나타내질 수 있다. 오퍼레이터 인터페이스에 대한 무선 링크를 갖는 실시예에서, 주기적인 표시는 무선 전송에 의한 것일 수 있다.
외부 PCBA(925) 및 모듈 조정 및 모니터링 PCBA(115)를 포함하는 모듈(10)의 전자 장치의 일 실시예가 도 3에 더 상세히 예시된다. 다른 실시예에서, 예시된 회로는 단일 PCBA 상에 조합될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 회로는 복수의 별개의 어셈블리에 걸쳐 분포될 수 있으며, 그 중 일부는 유연할 수 있다.
외부 인터페이스 PCBA(925)는 양극 단자(200), 음극 단자(300), 배터리 모듈 컨트롤러(900), 컨트롤 버스 커넥터(700), 셀(400)에 전기적으로 결합하기 위한 커넥터(450), PCBA(115) 및 그 안에 포함된 셀 모니터링 및 컨디셔닝 회로(950)에 통신적으로 결합하기 위한 통신 커넥터(910)를 포함하는 것으로 도시되어 있다.
옵션 오퍼레이터 인터페이스(800)가 모듈 컨트롤러(900)에 통신 가능하게 결합되는 것으로 예시되지만, 일부 실시예는 오퍼레이터 인터페이스를 생략할 수 있다.
전류 센서(905)는 양극 단자(200)에 결합된 것으로 도시되어 있고, 다른 실시예는 전류 센서를 음극 단자(300)에 결합할 수 있다. 전압 측정 회로(907)는 단자(200 및 300)에 연결된 것으로 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 전압 측정 회로(907)는 모듈 컨트롤러(900) 내부에 있을 수 있다. 릴레이(500 및 600)도 도시되어 있다. 다른 실시예는 직렬 연결 셀의 다수의 그룹을 서로 직렬 또는 병렬로 연결하기 위한 추가 릴레이를 가질 수 있다. 그러한 구성은 간략히 하기 위해 본 명세서에 예시되지 않은 인용된 출원에 개시되어 있다. 일부 추가 실시예는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 릴레이(500 및 600) 중 하나를 생략할 수 있으며 마찬가지로 본 명세서에서 설명하지 않는다.
일부 실시예에서, 릴레이(500)는 제1 유형일 수 있고, 릴레이(600)는 제2 유형일 수 있다. 예를 들어, 제1 유형의 릴레이가 전기 기계식인 경우 개방시 완전한 갈바닉 절연을 제공한다. 그러나, 전기 기계식 릴레이는 응답 속도가 상대적으로 느리다. 제2 유형의 릴레이가 제어 입력에 매우 빠르게 응답하는 솔리드 스테이트인 경우, 전류 센서(905)가 과도한 전류를 감지하면 회로를 신속하게 개방하는 데 사용할 수 있다. 일부 솔리드 스테이트 릴레이는 완전한 갈바닉 절연을 제공하지 않을 수 있다. PCBA 925는 두 가지 유형의 릴레이를 활용하여 완전한 갈바닉 절연과 측정된 전류의 변화에 대한 빠른 응답을 모두 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 전류 센서(905)는 홀 효과 유형일 수 있고, 전류의 크기 및 방향 모두를 감지할 수 있다.
회로(950)는 통신 링크(999)에 의해 연결된 업링크 포트(990) 및 다운링크 포트(995)에 의해 모듈 컨트롤러(900) 및 서로에 통신적으로 연결된다. 회로(950)의 세부 사항은 인용된 출원에 개시되어 있으며 본 명세서에서는 예시되지 않는다. 본 명세서에 개시된 방법과 관련하여, 회로(950)는 셀(400)의 개별 전압을 측정하고 인용된 출원에 개시된 수단 및 방법에 의해 측정 결과를 모듈 컨트롤러(900)에 전달한다.
컨트롤 버스 포트(700)는 팩 컨트롤러, 차량 컨트롤러 유닛(SCU), 충전기 등과 같은 외부 컨트롤러와의 통신을 위해 제공된다.
일부 실시예에서, 단자(200, 300) 및 컨트롤 버스 포트(700)는 단일 물리적 커넥터로 결합될 수 있다.
셀(400)과 별개로 모듈 컨트롤러(900) 및 릴레이(500, 600)에 전력을 공급하기 위해 일부 실시예에서 추가적인 저전압 전력 커넥터가 제공될 수 있으며, 또한 단자 및 컨트롤 버스 포트를 갖는 단일 물리적 커넥터로 결합될 수 있다.
도 4는 본 발명의 배터리 모듈의 실시예의 프로그래밍된 상태, 각 상태와 관련된 대표 기능 및 상태 간의 전환을 나타내는 대표적인 상태도이다. 도 4는 예시적이며 제한되지 않다.
배터리 모듈은 모듈 컨트롤러(900)와 관련된 비휘발성 메모리에 실행 가능한 프로그램을 저장한 다음 상기 프로그램을 실행함으로써 별개의 프로그램된 상태를 갖도록 구성된다. 이러한 프로그램, 이를 비휘발성 메모리에 저장하는 수단 및 통신 링크를 통해 안전하게 업데이트하는 수단은 컨트롤러 분야에서 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 자세히 설명하지 않는다. 실행 가능한 프로그램을 저장하기 위한 비휘발성 메모리가 당업계에 공지된 컨트롤러에 통상적으로 제공된다.
도시된 상태는 LOCKED, UNLOCKED 및 ISOLATED를 포함하는 패시브 상태와 CHARGING 및 ENABLED를 포함하는 액티브 상태의 두 가지 유형이 있다. 본 명세서에서 사용된 상태의 명칭은 예시된 상태들을 구별하기 위한 목적으로 설명적이며 국한되지 않다.
액티브 상태에서, 하나 이상의 릴레이는 모니터링된 작동 조건에 응답하고 특정 상태와 관련된 임의의 프로그래밍된 파라미터에 응답하여 모듈 컨트롤러(900)에 의해 능동적으로 제어된다. 컨트롤 버스 포트(700)는 모듈 컨트롤러(900)에 의한 유효한 명령 메시지의 수신을 위해 모니터링된다. 가장 최근의 유효한 명령 메시지의 수신 이후의 시간이 미리 결정된 타임아웃 기간과 비교된다. 이 기능은 도 4의 다이어그램에서 COMM: MONITOR 범례로 표시된다. 모니터링된 작동 조건은 전류 센서(905)에 의해 측정된 전류의 크기 및 방향, 전압 센서(907)에 의해 측정된 단자 전압, 각각의 회로(950)에 의해 보고된 개별 전지 온도 및 전압 등을 포함할 수 있다.
패시브 상태에서, 모든 릴레이가 턴오프되고 복수의 내부 셀(400)이 단자(200, 300)와 전기적으로 절연된다. 모듈 컨트롤러(900)는 저전력 상태에서 활성되거나 전원이 꺼진 상태일 수 있다.
하나의 상태에서 다른 상태로의 전환은 인증된 팩 컨트롤러(40)(도 1)로부터의 유효 명령에 응답하여 모듈 컨트롤러(900)에 의해 개시될 수 있다. 인증된 팩 컨트롤러(40)는 모듈 컨트롤러(900)에 의해 유지되는 인증된 팩 컨트롤러의 목록에 있는 고유 ID를 갖는다. 인증된 컨트롤러의 다수의 목록이 유지되는 실시예에서, 각각의 목록은 열거된 팩 컨트롤러(40)가 명령하도록 인가된 특정 상태 전이 세트에 대응할 수 있으며, 이는 다른 목록에 열거된 컨트롤러가 명령하도록 인가된 상태 전이 세트와 구별될 수 있다.
일부 실시예에서, 인증된 팩 컨트롤러의 목록은 각 인증된 팩 컨트롤러(40)와 관련된 추가 데이터를 포함할 수 있으며, 이는 팩 컨트롤러(40)에 의해 명령될 수 있는 상태 전이를 추가로 인증하거나 제한하는 데 사용될 수 있다. 목록은 모듈 컨트롤러(900)에 포함된 비휘발성 메모리 또는 모듈(10) 내에 포함된 다른 회로에 유지될 수 있다.
일부 실시예에서, 팩 컨트롤러(40)는 팩에 연결된 모듈 컨트롤러 ID의 목록을 더 유지할 수 있다. 이러한 목록에는 모듈 사용에 대한 데이터와 모듈이 승인 없이 제거되었는지 여부가 포함될 수 있다.
모듈 컨트롤러에 의해 유지되는 팩 컨트롤러 목록 및 팩 컨트롤러에 의해 유지되는 모듈 컨트롤러 목록 모두가 임의의 관련 데이터와 함께 인증 컨트롤러(50)(도 1)에 통신적으로 결합될 수 있는 데이터베이스에 주기적으로 업로드될 수 있다.
모듈 컨트롤러(900)(도 2)는 모니터링된 조건에 응답하여 패시브 상태에서 다른 패시브 상태로 전환할 수 있다. 패시브 상태에서, 모듈 컨트롤러(900)는 인증된 팩 컨트롤러(40)의 유효한 명령에 응답하여 액티브 상태로만 전환할 수 있다.
모듈 컨트롤러(900)는 인증된 팩 컨트롤러(40)로부터의 모니터링된 조건 또는 유효 명령에 응답하여 액티브 상태에서 다른 액티브 상태로 전환할 수 있다.
모듈 컨트롤러(900)는 종료 조건, 고장 조건 또는 명령에 응답하여 액티브 상태에서 패시브 상태로 전환할 수 있다.
일부 실시 예에서, 예시된 종료 조건은 유효 불능 명령 수신, 사전 결정된 모듈 전압 임계값 도달, 사전 결정된 모듈 전류 임계값 도달, 사전 결정된 모듈 온도 임계값 도달, 또는 모니터링된 작동 조건의 임의의 다른 프로그래밍된 조합으로 정의될 수 있다. 도시된 실시예에서, 종료 조건은 통상적인 사용을 나타내고, 시정 조치를 요구하지 않으며 모듈의 더 이상의 통상적인 사용을 배제하지 않는다.
종료 조건에 도달하면, 모듈은 패시브 상태로 전환하여 비활성화된다. 추가 인증 없이 특정 후속 상태 전환을 허용하거나 제한할 수 있는 특정 패시브 상태에 모듈을 배치해야 하는지 여부를 결정하기 위해 전환 중에 인증 단계를 시도할 수 있다.
일부 실시예에서, 예시된 고장 조건은 미리 결정된 모듈 전압 임계값을 넘거나, 미리 결정된 모듈 전류 임계값을 초과하거나, 무단 방전 전류를 감지하거나, 미리 결정된 모듈 온도 임계값을 초과하거나, 새로운 유효한 명령을 수신하지 않고 타임아웃 기간을 초과하거나, 모니터링된 작동 조건의 임의의 다른 프로그래밍된 조합으로 정의될 수 있다. 예시된 실시예에서, 고장 상태는 수정 조치를 요구할 수 있는 결함, 무단 또는 위험한 사용을 나타내고 조건이 수정될 때까지 모듈(10)(도 1)의 더 이상의 통상적인 사용을 배제한다.
예를 들어, 그러한 제거를 인증하지 않고 팩에서 모듈을 무단으로 물리적으로 제거하면, 모듈이 LOCKED 상태로 전환된다. 예시된 실시예에서, 이는 모듈이 충전되도록 허용하지만, 모듈이 더 성공적인 인증을 요구한 후에야 ENABLED 상태로 전환할 수 있다.
도 4는 각각의 예시된 모듈 상태와 관련된 대표적인 모듈 기능의 목록을 더 도시한다.
도시된 실시예는 인증이 없는 경우에도 모듈이 안전한 충전 상태로 유지될 수 있도록 LOCKED 상태에 있는 모듈의 충전을 허용한다. 다른 실시예에서, CHARGING 상태로의 전환은 무단 사용을 더 방지하기 위해 또는 충전 장치와 모듈의 호환성을 보장하기 위해 인증을 요구할 수 있다. 이는 인용된 출원에 개시된 바와 같이 하나 이상의 전압에서 작동하도록 구성될 수 있는 모듈에 대해 특히 바람직할 수 있다.
일부 실시예는 각각 별개의 프로그래밍된 파라미터를 갖는 복수의 액티브 상태를 가질 수 있다. 예를 들어, 실시예는 전압 및 온도와 같은 측정된 조건에 응답할 수 있고 인증에 더 응답할 수 있는 각각의 상태와 연관된 별개의 충전 전류 한계를 갖는 복수의 CHARGING 상태를 가질 수 있다.
일부 실시예는 전압 및 온도와 같은 측정된 조건에 응답할 수 있고 인증에 더 응답할 수 있는 각각의 상태와 연관된 별개의 충전 전류 제한 및 방전 전류 제한을 갖는 복수의 ENABLED 상태를 가질 수 있다.
실시예는 다른 상태로의 전환을 명령하도록 인증된 공지의 팩 컨트롤러(40)(도 1)의 관련 목록을 갖는 상태를 포함하는 복수의 패시브 상태를 가질 수 있다. 이러한 인증된 팩 컨트롤러 목록은 모듈 컨트롤러(900)에 포함된 비휘발성 메모리 또는 PCBA(925) 또는 PCBA(115)에 포함된 다른 전자 회로에 저장될 수 있고 더 암호화될 수 있다.
인증된 컨트롤러(40)의 목록은 본 명세서에 개시된 바와 같이 이전의 인증된 설치를 통해 컴파일된 보안 메시지에 의해 또는 모듈 제조 동안의 프로그래밍과 같은 다른 방법에 의해 수신될 수 있다.
프로그래밍된 상태의 일부 실시예에서, 특정 인증 목록에서 식별되거나 목록에 기록된 특정 인증 속성을 갖는 팩 컨트롤러(40)만이 다른 상태로의 전환을 명령할 수 있다. 이러한 상태에서는, 목록에서 식별되지 않은 팩 컨트롤러의 명령은 무시된다.
프로그래밍된 상태의 일부 실시예에서, 인증된 팩 컨트롤러 목록에 없는 팩 컨트롤러는 인증할 필요 없이 특정 다른 상태로 상태 전환 명령을 내보낼 수 있다. 도시된 LOCKED 상태는 CHARGING 상태로의 전환이 미인가 또는 제한된 팩 컨트롤러에 의해 명령될 수 있지만 UNLOCKED 상태로의 전환은 인증된 팩 컨트롤러에 의해서만 명령될 수 있는 그러한 제한 상태의 예이다. 이는 인증에 필요한 통신 링크를 사용할 수 없을 때 유용한다.
패시브 상태에서, 컨트롤 버스 포트(700)를 통해 모듈 컨트롤러(900)에 의한 명령 메시지의 수신은 컨트롤러에 의한 메시지 처리 및 대응하는 응답을 트리거한다. 이 기능은 도 4의 다이어그램에서 COMM: RESPOND 범례로 표시된다. 일부 실시예에서, 웨이크 온 통신(wake-on-comm) 기능은 명령 메시지를 수신하면 모듈 컨트롤러(900)를 전원 차단 또는 저전력 상태에서 벗어나게 하는 데 사용될 수 있다. Wake-on-comm 기능은 컨트롤러 분야에서 잘 알려져 있으며 본 명세서에서는 자세히 설명하지 않는다.
다른 실시예에서, 저전압 전력은 컨트롤러에 의한 명령 메시지의 수신 이전에 컨트롤 버스 포트(700)를 통해 모듈 컨트롤러(900)에 공급될 수 있다.
명령 소스를 인증하는 방법에 대한 흐름도(501)가 도 5에 도시되어 있다. 일부 대안적인 구현에서, 블록에 언급된 기능은 도 5에 언급된 순서와 다르게 발생할 수 있고, 추가 기능을 포함할 수 있고, 및/또는 일부 기능을 생략할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 5에 연속적으로 도시된 2개의 블록은 실제로 실질적으로 동시에 실행될 수 있고, 블록은 때때로 역순으로 실행될 수 있거나, 관련된 기능에 따라 일부 블록이 모든 인스턴스에서 실행되지 않을 수 있으며, 이는 아래에서 더 명확해질 것이다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시의 범위 내에 여기에 포함되도록 의도되어 있다.
블록(502)에서 모듈을 팩에 설치하면, 고유 모듈 ID(MIN)가 블록(503)에서 팩 컨트롤러로 전송된다. 블록(504)에서, 팩 컨트롤러(40)는 고유한 팩 ID로부터 인증서를 요청하고 인증 컨트롤러(50)로부터 모듈 ID를 요청한다. 그런 다음, 블록(505)에서, 팩 컨트롤러(40)는 인증 컨트롤러로부터 인증서를 얻을 수 있고, 상기 인증서는 일부 실시예에서, 특정 MIN을 갖는 모듈 컨트롤러에 의해 판독될 수 있도록 구성된 보안 메시지일 수 있다. 인증서를 획득하는 과정의 한 단계에서, 팩 컨트롤러는 자신의 고유한 팩 ID를 인증 컨트롤러에 전달하여 인증서에 포함시킬 수 있다. 이러한 보안 메시지를 얻는 방법은 보안 통신 분야에서 잘 알려져 있다. 인증서는 모듈이 설치된 배터리 팩과 관련된 차량 ID(VIN) 또는 제품 ID(PIN)와 같은 정보를 더 포함할 수 있다.
일단 획득되면, 블록(506)에서 팩 컨트롤러(40)의 ID를 모듈 내에 포함된 모듈 컨트롤러(900)에 인증하기 위해 인증서가 팩 컨트롤러(40)에 의해 특정 모듈(10)로 전달되며, 상기 컨트롤러(900)는 인증서가 획득된 고유한 MIN을 갖는다. 블록(507)에서, 인증서가 유효한지 여부가 결정된다. 일단 인증되면(YES 조건), 모듈 컨트롤러(900)는 모듈 컨트롤러(900)에 의해 블록(508)에서 팩 컨트롤러(40)의 고유 ID를 인증된 명령 소스 ID 목록에 추가할 수 있으므로, 상기 고유 ID를 갖는 팩 컨트롤러로부터 수신된 명령에 대해 추가 인증이 필요치 않다. 인증되지 않은 경우(NO 조건), 팩 컨트롤러(40)로부터의 추가 명령이 블록(509)에서 거부된다.
성공적으로 인증되어 인증된 명령 소스 ID 목록에 추가된 고유 ID를 갖는 팩 컨트롤러(40)를 본 명세서에 제공되는 명세서에서는 인증된 컨트롤러라 한다. 성공적으로 인증되지 않은 고유 ID를 가진 팩 컨트롤러는 아래에 추가로 설명된 단계를 통해 추가될 수 있으며 본 명세서에 제공된 명세서에서는 제한된 컨트롤러라고 한다.
인증 방법의 추가 단계가 도 6의 흐름도(601)에 예시되어 있다. 일부 대안적인 구현에서, 블록에 언급된 기능은 도 6에 언급된 순서와 다르게 발생할 수 있고, 추가 기능을 포함할 수 있고, 및/또는 일부 기능을 생략할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 6에 연속적으로 도시된 2개의 블록은 실제로 실질적으로 동시에 실행될 수 있고, 블록은 때때로 역순으로 실행될 수 있거나, 관련된 기능에 따라 블록 중 일부가 모든 경우에 실행되지 않을 수 있으며, 이는 아래에서 더 명확해질 것이다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시의 범위 내에 여기에 포함되도록 의도되어 있다.
도 6의 블록에 도시된 기능은 인증을 필요치 않고 일부 명령을 수락할 수 있는 제한된 팩 컨트롤러 목록에 인증 컨트롤러(50)에 대한 사용 가능한 통신 링크가 없는 새로운 팩 컨트롤러(40)(도 1)의 추가를 용이하게 한다. 일부 실시예에서, 이러한 목록은 블록(508)(도 5)에 기술된 목록과 구별될 수 있다. 다른 실시예에서, 목록은 블록(508)에서 기술된 것과 동일한 목록일 수 있지만, 새롭게 추가된 팩 컨트롤러 ID와 관련된 명령 제한에 관한 추가 정보를 갖는다.
인증된 팩 컨트롤러(40)는 블록(602)에서 모듈 컨트롤러(900)에 명령을 발행하여 모듈을 특정 정적 상태(여기서는 OPEN이라고 함)로 전환할 수 있으며, 여기서 모듈과 통신하는 다음 팩 컨트롤러(40)는 새로운 제한된 컨트롤러가 발행할 수 있는 특정 명령에 대한 제한이 있음에도 불구하고 새로운 팩 컨트롤러의 ID를 인증할 필요 없이 제한된 명령 소스 ID 목록에 추가될 것이다.
모듈이 블록(603)에서 OPEN 상태로 전환한 후, 모듈은 블록(604)에서 인증된 팩에서 제거되고 블록(605)에서 새로운 팩에 설치된다. 고유 팩 ID는 블록(606)에서 새로운 팩 컨트롤러(40)로부터 획득되고 블록(607)에서 제한된 팩 컨트롤러 ID 목록에 추가된다. 위의 단계가 완료되면, 블록(608)에서 OPEN 상태가 종료된다.
제한된 컨트롤러와 관련될 수 있는 제한의 예는 OPEN 상태로 전환하기 위해 새로 추가된 팩 컨트롤러로부터의 명령을 무시하는 것이다. 이러한 제한은 인증된 팩 컨트롤러만 모듈이 OPEN 상태로 전환하도록 명령할 수 있도록 한다. 이 예는 설명을 위한 것이며 제한적이지 않다. 상기 실시예에 적절하게 다른 제한이 일부 실시예에서 구현될 수 있다. 일부 실시예는 상이한 제한된 컨트롤러에 대해 상이한 레벨의 제한을 더 구현할 수 있다.
일부 실시예에서, 오퍼레이터 인터페이스를 통한 오퍼레이터 입력이 인증 프로세스의 일부로서 더 요구될 수 있다. 이 입력에는 온스크린 메뉴에서 옵션 선택, 패스코드 입력, 오퍼레이터 생체 인식 감지 등이 포함될 수 있다. 무선 통신이 있는 휴대용 장치를 포함하여 이러한 많은 인증 방법 및 오퍼레이터 인터페이스가 알려져 있으며 본 명세서서에서는 자세히 설명하지 않는다. 본 명세서에 개시된 실시예들은 예시적이며 국한되지 않는다; 다른 실시예는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에서 이루어진 개시에 기초하여 당업자에게 쉽게 명백할 것이다.
일부 계속 출원 명세서
탈착식 모듈(10)용 복수의 소켓(25)을 갖는 배터리 팩(5)(도 1)으로 구성된 차량에서, 배터리 팩(5)에 설치된 하나 이상의 다른 모듈(10)의 특성과 다를 수 있는 특성을 갖는 모듈(10)을 설치할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 특성에는 충전 상태, 전압, 셀 유형, 셀 화학, 에너지 저장 용량, 충전 및 방전 전류 용량 등이 포함될 수 있다. 이러한 특성을 다음 개시에서 총체적으로 "모듈 커패시티(Module Capacity)"이라고 한다. 모듈 커패시티의 주요 특징은 충전 상태(SOC)와 건강 상태(SOH)이다. SOC는 주어진 시간에 모듈에서 사용 가능한 총 전기 에너지의 수치 표현이며 모듈이 저장할 수 있는 최대 에너지의 백분율 또는 사용 가능한 에너지의 직접 수치 표현으로 표시될 수 있다. SOH는 수명, 사이클 수, 물리적 손상, 온도 및 기타 요인으로 인한 모듈의 물리적 열화의 수치 표현이다. SOH는 모듈이 수행할 수 있는 최대 성능의 백분율 또는 다른 유사한 메트릭으로 표시될 수 있다.
모듈 커패시티를 계산하기 위한 많은 기술이 Heeger et al. in Sandia National Laboratories Report SAND2017-10722에 설명된 기술들에 의해 예시된 바와 같이 당업계에 공지되어 있다. 본 명세서에 개시된 모듈(10)의 신규 구성(도 2, 도 3)은 상응하는 셀 모니터링 및 컨디셔닝 회로(950)에 의해 직렬 연결된 각각의 셀(400)을 직접 및 개별적으로 모니터링하는 고유한 능력으로 인해 모듈 커패시티의 정확한 측정 및 계산을 용이하게 한다. 이하에 개시된 신규 방법은 상이한 모듈 커패시티의 복수의 모듈(10)을 갖는 차량 전력 시스템의 성능을 예측 및 제어하고 CHARGING 또는 ENABLED 액티브 상태(도 4)에 있는 동안 양극 전원 버스(20) 및 음극 전원 버스(30)(도 1)에 각 모듈(10)의 연결을 제어하는 데 이러한 계산의 사용을 용이하게 한다. 이하에서는 양극 전원 버스(20)와 음극 전원 버스(30)를 총칭하여 "전원 버스"라 한다.
SOC 및 SOH 특성을 포함한 모듈 커패시티 계산의 정확한 특성은 셀 화학, 셀 유형, 모듈 물리적 구성, 사용 가능한 냉각 용량 등과 같은 세부 사항에 따라 다르다. 그러므로, Heeger 등에 의해 예시된 바와 같이, 그러한 계산을 수행하는 기술은 본 명세서에서 자세히 설명하지 않는다. 모듈 커패시티를 계산하기 위한 임의의 공지된 기술을 이용하는 실시예가 본 개시의 범위 내에 포함되고 본 명세서에서 이루어진 청구범위에 의해 보호되도록 의도되어 있다.
모든 셀(400)이 직렬로만 연결된 본 발명의 모듈(10)의 새로운 구성은 각 셀(400)을 개별적으로 정밀하게 모니터링할 수 있게 하여 계산의 정확성과 충실도를 향상시킨다. 이러한 개별 모니터링은 각 셀의 전압을 개별적으로 측정할 수 없기 때문에 모듈 내에서 셀이 병렬로 연결된 경우에는 불가능하고 그룹으로만 가능하다.
종래 기술에서, 모듈 커패시티가 다른 배터리 모듈의 병렬 연결에 대한 몇 가지 해결책이 알려져 있다. US9,315,113 및 US9,694,707에서 Shrinkle은 트랜지스터와 인덕터를 사용하여 각 모듈에 들어오고 나가는 전류를 제어하는 양방향 벅 레귤레이터를 갖는 배터리 모듈을 교시한다. 이러한 조절은 충전 및 방전 모드 모두에서 에너지 손실을 초래하여 바람직하지 않은 열을 발생시킨다. 이 접근 방식은 또한 추가 비용, 복잡성 및 모듈의 물리적 크기 증가를 수반하며 모두 바람직하지 않다.
US10,333,328 Hom et al.에서, 복수의 모듈에 대한 배터리 충전 스테이션을 교시하고, 설치된 모듈 간에 동일한 모듈 커패시티가 달성될 때까지 중앙 충전 컨트롤러에 의해 충전하는 동안 개별 모듈이 활성화 또는 비활성화된다. 이러한 접근 방식은 차량에 설치되어 모든 모듈을 먼저 충전할 기회 없이 사용해야 하는 모듈 커패시티가 다른 모듈에 대한 방안을 제공하지 않는다.
상기 언급된 종래 기술 방안은 차량의 전기 시스템 구성요소가 일정한 전기 부하가 아니라 차량 운전자로부터의 제어 입력에 응답하는 시스템 제어 유닛(SCU)에 의해 제어되는 것이라는 사실을 고려하거나 이용하지 않는다.
차량용 동력 시스템의 일 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 차량(2)은 바퀴로 구동되는 지상 차량이다. 본 명세서에서 개시된 내용이 트랙 또는 관절식 팔다리를 이용하는 지상 차량 뿐만 아니라 항공기, 선박 또는 우주선에 어떻게 적용될 수 있는지는 당업자에게 명백할 것이며, 따라서 그러한 추가적인 예시는 간략히 하기 위해 본 명세서에서 생략한다.
도 7의 예시적인 실시예에서 견인 모터로 도시된 시스템 구성요소(96)는 견인 모터에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "시스템 구성요소"는 일부 실시예에서 회전식 또는 선형 액추에이터, 가열 또는 냉각 요소와 같은 에너지 변환 유닛, 수소 연료 전지, 배터리 충전기, 발전기 등일 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템 구성요소(96)는 항공기의 제어 표면, 자재 취급 장비의 장치 및/또는 다른 전기 동력 공급 시스템 또는 전력 소싱 시스템과 같은 하나 이상의 기계적 요소를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 상이한 유형일 수 있는 복수의 시스템 구성요소(96) 및 대응하는 PCU(95)가 일부 실시예에서 있을 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시의 범위 내에 본 명세서에 포함되도록 의도되어 있다.
도 7은 오퍼레이터(91)의 지시 하에 전력 시스템(80)을 갖는 차량(2)을 도시한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "차량 오퍼레이터" 및 "오퍼레이터"는 실질적으로 차량의 움직임을 지시하는 제어 실체를 상호교환적으로 지칭한다. 일부 실시예에서, 오퍼레이터(91)는 인간 오퍼레이터(92)일 수 있고 차량에 탑승하거나 원격으로 지시할 수 있다. 다른 실시예에서, 오퍼레이터(91)는 제어 프로그램을 실행하는 전자 컨트롤러인 EOU(Electronic Operator Unit)(93)일 수 있고 기계 학습(ML)의 측면을 통합할 수 있다. ML을 포함하는 예를 포함하여 EOU(93)의 많은 예가 당업계에 알려져 있다. 또 다른 실시예에서, 오퍼레이터(91)는 현재 SAE(Society of Automotive Engineers)에 의해 정의된 바와 같은 6 단계의 자율주행 레벨 중 하나, 또는 미국 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology)에 의해 정의된 ALFUS(Autonomy Levels For Unmanned Systems) 중 하나 또는 다른 유사 분류에서 함께 작동하는 인간 오퍼레이터(92) 및 EOU(93)의 조합일 수 있다.
도 7에 도시된 전력 시스템(80)은 SCU(System Control Unit)(90), 탈착식 차량 배터리 모듈(10a, 10b)을 더 포함하는 모듈형 배터리 팩(5), 전기 추진 모터인 시스템 구성요소(96)를 제어하는 PCU(Power Control Unit)(95)를 더 포함한다. 도 7에 도시된 차량(2)의 구성은 예시적인 것이며 제한되지 않다. 특히, 복수의 PCU(95) 및 전기 모터(96)를 갖는 차량(2)의 구성은 본 명세서에서 이루어진 개시에 기초하여 당업자에게 쉽게 명백할 것이다. 실시예는 배터리 충전기, 발전기, 액츄에이터 등일 수 있는 복수의 시스템 구성요소(96)를 제어하는 복수의 PCU(95)를 더 포함할 수 있다.
SCU(90)는 팩 컨트롤러(40)를 더 포함하는 것으로 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 팩 컨트롤러(40)는 필요한 기능을 구현하기 위해 SCU(90)에 의해 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 루틴일 수 있다. 이 구성은 예시적이며 제한되지 않는다. SCU(90)와 구별되고 SCU(90)에 통신 연결되는 팩 컨트롤러(40)를 갖는 다른 실시예도 본 발명의 범위 내에서 가능하다.
본 명세서에 개시된 SCU(90), EOU(93) 및/또는 PCU(95)의 기능은 일부 실시예에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 단일 물리적 컴퓨팅 유닛으로 결합될 수 있다. EOU(93)는 자율적으로 또는 휴먼 인터페이스(94)를 통해 수신된 인간 오퍼레이터(92)로부터의 입력에 응답하여 차량의 이동을 지시한다. 차량의 이동 지시의 일부로서, EOU(93)는 SCU(90)에 전력 요청을 내보낸다. 이하에 개시된 새로운 방법에 따라, SCU(90)는 EOU(93)로부터 전력 요청을 수신하고, 배터리 팩(5)의 전체 팩 용량 및 PCU(95)로부터 예상되는 전체 전력 수요를 평가하고 PCU(95)에 전력 명령을 내린다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "전력 요청"은 EOU(93)로부터 SCU(90)로 발행된 차량 오퍼레이터(91)에 의한 입력에 응답하는 아날로그 신호 또는 디지털 메시지일 수 있는 전자 신호로서, 전력 시스템(80)이 원하는 크기의 시스템 구성요소 전력을 원하는 방향으로 전달할 것을 요청한다. 전력 요청은 본 발명의 방법에 따라 그렇게 하는 능력의 제한을 받아 전력 시스템(80)에 의해 이행된다.
본 명세서에서 사용된 "전력 명령"은 명령된 방향으로 명령된 시스템 구성요소 전력 레벨을 생성하기 위해 SCU(90)에 의해 PCU(95)로 발행되는 아날로그 신호 또는 디지털 메시지일 수 있는 전자 신호이다. 일부 실시예에서, 특정 회전 속도에서 결과적인 전력 레벨을 지정하는 토크 명령으로서 전력 명령이 발행될 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 명령은 주어진 전류에서 결과적인 전력 레벨을 특정하는 특정 전압을 명령할 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 명령은 주어진 전압에서 결과적인 전력 레벨을 특정하는 특정 전류를 명령할 수 있다.
SCU(90)는 전력 수요가 이하에서 추가로 개시되는 본 발명의 방법에 따라 팩 용량을 초과하지 않도록 보장하는 방식으로 PCU(95)에 대한 전력 명령을 생성한다. PCU(95)는 SCU(90)로부터 전력 명령을 수신하고 시스템 구성요소 전력을 생성하도록 시스템 구성요소(96)를 제어하고, 시스템 구성요소 전력을 방전하는 경우 배터리 팩(5)으로부터 전기 에너지를 인출하거나 시스템 구성요소 전력을 충전하는 경우 에너지를 배터리 팩(5)으로 되돌려 보낸다.
도시된 바와 같이, PCU(95)는 양극 전원 버스(20) 및 음극 전원 버스(30)에 의해 모듈형 배터리 팩(5)에 연결된다. 각각의 탈착식 모듈(10)(도 7에서 10a 및 10b로 도시됨)이 양극 단자(200) 및 릴레이(500)(도 2)를 통해 양극 전원 버스(20)에 제어 가능하게 연결되고 음극 단자(300) 및 릴레이(600)(도 2)를 통해 음극 전원 버스(30)에 연결된다.
본 명세서에서 릴레이의 동작과 관련하여 사용되는 "턴온" 및 "폐쇄된"이라는 용어는 릴레이에 의한 전류 전도를 가능하게 하기 위해 릴레이를 제어하는 것을 나타내기 위해 상호교환적으로 사용되며, "턴오프" 및 "개방된"이라는 용어는 릴레이에 의한 전류 전도를 방지하기 위해 릴레이를 제어하는 것을 나타내기 위해 상호교환적으로 사용된다.
예시된 구성에서, SCU(90)는 통신 버스(72)에 의해 EOU(93)에 통신 가능하게 결합된다. SCU(90) 및 EOU(93)가 단일 컴퓨팅 유닛에 결합되는 실시예에서, 통신 버스(72)는 가상일 수 있고 각각의 기능을 구현하는 소프트웨어 서브루틴 사이의 메시징 프로토콜로서 구현될 수 있다. SCU(90)는 통신 버스(70)에 의해 모듈형 배터리 팩(5) 내에 설치된 각각의 모듈(10)에 추가로 통신 가능하게 결합된다. SCU(90)는 통신 버스(71)에 의해 PCU(95)에 추가로 통신 가능하게 결합된다. 통신 버스(70, 71, 72)는 각각 무선, 유선일 수 있거나 통신 신호를 양극 전원 버스(20) 및 음극 전원 버스(30) 중 하나 또는 둘 다에 결합함으로써 전력선 통신(PLC)을 이용할 수 있음을 이해해야 한다. 하나 이상의 통신 버스(70, 71, 72)와 관련된 신호는 일부 실시예에서 동일한 물리적 매체를 통해 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 통신 버스(71 및/또는 72)는 가상으로 구현될 수 있다.
도시된 실시예들에서, 배터리 팩(5)은 간략히 하기 위해 단일 유닛으로 도시된다. 차량(2) 내의 여러 위치에 분산된 복수의 서브팩을 갖는 실시예가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 이러한 실시예에서, 본 명세서에서 사용되는 "배터리 팩(5)" 및 "팩(5)"이라는 용어는 차량(2) 내의 모든 서브팩의 총체적인 조합을 가리킨다.
일부 실시예에서, 인간 오퍼레이터(92)는 인간 인터페이스(94)에 의해 EOU(93)에 제어 입력을 제공한다. 인간 인터페이스(94)는 하나 이상의 컨트롤러, 예를 들어 하나 이상의 페달, 스티어링 휠, 조이스틱, 하나 이상의 푸시 버튼 또는 다른 수동 액추에이터, 스위치, 하나 이상의 시각적 디스플레이, 하나 이상의 터치 감지 디스플레이, 하나 이상의 카메라 및/또는 하나 이상의 오디오 트랜스듀서를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 휴먼 인터페이스(94)의 일부 실시예는, 컴퓨터의 제어 하에, 음성 인식 및 합성, 얼굴 인식, 제스처 인식 등을 가능하게 할 수 있다.
차량(2)이 외부 전원(96b)인 시스템 구성요소에 연결되고 연결 포트(97)를 통해 외부 배터리 충전기(95c)에 더 연결되며, 상기 외부 배터리 충전기(95c)는 발전기(96c)인 시스템 구성요소에 연결된, 다른 예시적인 실시예가 도 12에 도시되어 있다.
도 13은 차량이 아닌 고정 설비에서 사용되는 본 발명의 전력 시스템의 실시예를 더 도시한다. 예는 건물용 전력 시스템, 차량 충전소, 재생 가능 에너지 저장 시설 등을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 시스템 오퍼레이터는 EOU(93)일 수 있고, 인간 오퍼레이터(92)에 의한 입력을 위한 제어 터미널과 같은 휴먼 인터페이스(94)를 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 시스템 구성요소(96)는 PCU(95)에 결합되는 난방, 환기 및 공기 조절(HVAC) 유닛, 펌프 등일 수 있다. 도 13에 도시된 추가 유형의 시스템 구성요소는 배터리 충전기(95x)에 결합된 차량(96x), 어레이 컨트롤러(95y)에 결합된 태양광 어레이(96y), 및 전압 컨버터(95z)에 결합된 외부 전력망 연결부(96z)이다. 많은 다른 실시예들이 본 명세서에서 개시된 내용에 기초하여 당업자에게 명백해질 것이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "데이터 맵", "모듈 커패시티 데이터 맵", "전력 시스템 데이터 맵", "전력 수요 데이터 맵"은 전자 컨트롤러의 비휘발성 메모리에 저장될 수 있는 전자 데이터 세트를 말하며, 상기 전자 데이터 세트는 전력 시스템(80)의 관련 구성요소가 미리 결정된 범위의 작동 조건에 걸쳐 전기 에너지를 전달하거나 흡수하는 능력을 기술한다. 데이터 맵에는 특정 시간에 데이터 맵이 속하는 시스템 또는 구성요소의 상태를 나타내는 파라미터 측정값을 포함하여 미리 결정되고 계산되고 측정된 데이터의 조합이 포함될 수 있다. 그러한 파라미터는 전압, 전류, 온도, 회전 속도 등을 포함할 수 있다.
데이터 맵은 시간상 주기적 시점에 관한 및/또는 미리 정의된 범위를 벗어난 작동 조건과 같은 이벤트에 관한 이력 데이터를 포함할 수 있다. 이러한 이력 데이터는 SOC, SOH 및 데이터 맵과 관련된 시스템 또는 구성요소의 발생가능한 향후 성능을 추정하기 위한 기타 파라미터를 계산할 때 참조될 수 있다.
일부 실시예에서, 데이터 맵의 일부는 데이터 맵의 다른 부분과 별도로 저장, 전송 및 이용될 수 있다. 특히, 일부 실시예에서, 데이터 맵의 변경된 부분만이 통신 지연을 줄이기 위해 전송될 수 있다. 데이터 맵의 일부는 비휘발성 메모리에 저장되는 반면 데이터 맵의 다른 부분은 휘발성 메모리에 저장될 수 있다.
차량(2)의 전력 시스템(80)을 작동시키는 아래에 개시된 새로운 방법은 EOU(93)로부터 수신된 이동 지시 및 다른 작동 지시에 응답하여 대응하는 PCU(95)에 대한 전력 명령을 생성하기 위해 전력 시스템(80)의 구성요소 및 서브구성요소 각각과 관련된 데이터 맵을 이용한다.
제어 시스템의 실시예는 차량의 전력 시스템을 제어하기 위해 데이터 맵을 참조한다. 예를 들어, 차량의 내연 기관 제어는 특정 엔진 속도 및 스로틀 플레이트 위치에 해당하는 점화 및 연료 분사 타이밍에 대한 데이터 값을 포함하는 데이터 맵을 참조하여 수행된다. 맵 데이터에 대한 수정은 기압, 기온 등과 같은 측정값에 따라 계산된다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 데이터 맵은 온도, 전압, 차량 속도 등과 같은 관련 작동 조건의 각 조합에 대한 특정 데이터 값을 포함하는 하나 이상의 다차원 데이터 테이블을 포함할 수 있다. 표에 포함된 데이터에 대해 보간 및 기타 계산을 수행할 수 있다. 또한, 데이터 맵은 방정식, 실행 가능한 알고리즘, 보정 계수, 측정 결과 및 테이블에 명시적으로 기록되지 않은 작동 조건의 조합에 대한 데이터를 계산하는 데 사용할 수 있는 기타 데이터를 포함할 수 있다. 많은 실시예에서, 모듈 커패시티 데이터 맵(MCDM)은 측정에 기초하여 주기적으로 업데이트될 수 있는 SOC 및 SOH에 대한 데이터를 포함할 것이다.
도 8은 차량(2)에 대한 본 발명의 전력 시스템(80)의 실시예의 각 구성요소 및 서브구성요소와 관련된 데이터 맵을 다이어그램으로 설명한다. SCU(90)는 통신 버스(71)를 통해 차량 오퍼레이터(91)와 통신하는 것으로 도시되어 있다. 전력 시스템 데이터 맵(PSDM)(945)은 SCU(90) 내에 포함되어 있는 것으로 도시되어 있다. PSDM(945)의 사본은 차량 오퍼레이터(91)가 소유하고 있는 것으로 도시되어 있다.
통신 버스(70)를 통해 SCU(90)와 통신하는 배터리 팩(5)이 도시되어 있다. 배터리 팩(5)은 또한 10a, 10b, 10c 및 10d로 도시된 복수의 탈착식 모듈(10)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 도시된 모듈의 수는 예시이며 숫자에 국한되지 않는다. 탈착식 모듈(10) 각각은 930a, 930b, 930c 및 930d로 각각 도시된 연관된 모듈 커패시티 데이터 맵(MCDM)(930)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 각 MCDM(930)의 사본이 SCU(90)를 소유하고 있는 것으로 도시되어 있다.
PCU(95)는 통신 버스(71)를 통해 SCU(90)와 통신하는 것으로 도시되고, PDDM(Power Demand Data Map)(940)을 갖는 것으로 더 도시되어 있다. PDDM(940)의 사본은 SCU(90)를 소유하는 것으로 도시되어 있다.
전력 시스템(80)의 구성요소 또는 서브구성요소와 관련된 데이터 맵은 설계 엔지니어링 분석, 생산 전 테스트, 제조 중 테스트를 통해 생성되거나 사용 중인 측정 데이터로부터 계산될 수 있다. 이전에 생성된 데이터 맵은 아래에서 더 개시되는 바와 같이 사용 중인 측정 데이터로 업데이트될 수 있다.
이하의 설명에서, 흐름도(501)(도 5)에 도시된 것과 같은 인증 절차가 모듈(10)에 대해 성공적으로 완료되고 모듈(10)이 UNLOCKED 프로그래밍된 상태(도 4)에 있다고 가정해야 한다.
팩(5)에 설치되고 인증된 모듈(10)을 작동하는 방법에 대한 흐름도(610)가 도 9에 도시되어 있다. 일부 대안적인 구현에서, 블록에 언급된 기능은 도 9에 언급된 순서와 다르게 발생할 수 있고, 추가 기능을 포함할 수 있고, 및/또는 일부 기능을 생략할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 9에 연속적으로 도시된 2개의 블록은 사실상 실질적으로 동시에 실행될 수 있고, 블록은 때때로 역순으로 실행될 수 있거나, 관련된 기능에 따라 일부 블록이 모든 인스턴스에서 실행되지 않을 수 있으며, 이는 아래에서 더 명확해질 것이다. 특히, 블록(638)에서의 평가 및 블록(640)으로의 후속 진행은 전류 측정 회로(905)(도 3)에 의한 전류 측정에 응답하고/하거나 전압 측정 회로(907)에 의한 전압 측정에 응답하는 아날로그 또는 다른 전자 회로에 의해 수행될 수 있다. 이러한 평가는 도 9에 도시된 임의의 단계와 동시에 수행될 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시의 범위 내에 여기에 포함되고 첨부된 청구범위에 의해 보호되도록 의도되어 있다.
블록(613)에서, 액티브 상태는 팩 컨트롤러(40)로부터 수신된 유효한 명령에 응답하여 입력되고, CHARGING 또는 ENABLED 액티브 상태일 수 있다. 릴레이(600)는 모듈(10)의 음극 단자(300)를 음극 전원 버스(30)에 연결하기 위해 턴온된다. 일부 실시예에서, 릴레이(600)는 전기 기계식일 수 있다. 다른 실시예에서, 릴레이(600)는 생략될 수 있고, 직렬 연결된 셀(400)과 음극 단자 사이에 영구적인 연결을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 릴레이(500)는 음극 단자에 연결되고, 릴레이(600)는 양극 단자에 연결되거나 생략될 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시의 범위 내에 본 명세서에 포함되도록 의도되어 있다.
예시된 실시예에서, 모듈 컨트롤러(900)는 각 셀(400)에 대한 최근 전압값 및 최근 온도값을 결정하기 위해 통신 링크(999)(도 3)를 통해 회로(950)로부터 각 셀(400)에 대한 전압 및 온도 측정값을 획득하도록 구성된다. 블록(614)에서, 모듈(10)의 각 셀(400)에 대한 개별 전압 및 온도 측정값은 대응하는 회로(950)로부터 수신된다. 이러한 측정 동안 릴레이(500)가 턴오프된 사실로 인해, 블록(614)에서 얻은 전압 측정값을 본 명세서에서 개방 회로 전압 측정값이라고 하고 블록(614)에서 얻은 온도 측정값을 본 명세서에서 개방 회로 온도 측정값이라고 한다. 블록(614)에서 측정값을 얻을 때마다, 얻은 값은 각각의 셀(400)에 대한 최근 개방 회로 전압값 및 최근 개방 회로 온도값으로 취해지며, 본 명세서에서는 총체적으로 "최근 개방 회로값"이라 한다.
모듈(10)에 대응하는 MCDM(930)은 블록(615)에서 모듈 컨트롤러(900)에 의해 수신된 측정에 응답하는 최근 개방 회로 전압값 및 최근 온도값으로 업데이트된다. 측정된 모듈 전압(MMV)은 각 셀(400)에 대한 최근 전압값을 더함으로써 계산될 수 있고 MCDM(930)에 포함된다. MCDM(930)에 대한 업데이트의 추가적인 예는 높고 낮은 관찰된 피크 값, 평균 및 경향을 포함할 수 있다. .
업데이트된 MCDM(930)은 블록(616)에서 모듈 컨트롤러(900)에 의해 팩 컨트롤러(40)로 전송된다.
각각의 최근 개방 회로 값은 블록(617)에서 MCDM(930)에 저장될 수 있는 하나 이상의 미리 결정된 한계값과 비교되어 어떤 것도 미리 결정된 허용 범위 밖에 벗어나지 않았음을 확인한다. 최근 개방 회로 값 중 어느 하나가 허용된 범위 밖에 있는 것으로 밝혀지면, 블록(614)에서 시작하는 단계가 반복되어 새로운 최근 개방 회로 값을 얻는다.
모든 최근 개방 회로 값이 사전 결정된 허용 범위 내에 있으면, 블록(618)에서, 전체 측정된 모듈 전압(MMV)은 각 셀(400)의 최근 개방 회로 전압을 더함으로써 계산되고 최근 MMV 값으로 취해진다.
예시된 실시예에서, 모듈 컨트롤러(900)는 전압 측정 회로(907)(도 3)에 의해 양극 단자(200)와 음극 단자(300) 사이의 전압 측정값을 얻도록 구성된다. 블록(619)에서, 측정된 버스 전압(MBV)이 단자 사이의 전압 측정 회로(907)에 의해 측정된다. 블록(619)에서, 측정에 의해 획득된 값은 최근 MBV 값으로 취해진다.
블록(620)에서, 최근 MMV 값과 최근 MBV 값 사이에 전압 비교가 이루어진다. 최근 MMV와 MBV 값 사이의 차이가 MCDM(930)에 기록된 사전 결정된 값일 수 있는 허용 범위 내에 있으면, 방법은 블록(630)으로 진행한다. 그렇지 않으면, 블록(614)에서 시작하는 단계를 반복하여 새로운 최근 개방 회로 값을 얻는다. 비교의 목적은 블록(630)에서 릴레이(500)를 턴온할 때 과도한 전류가 발생하지 않도록 보장하는 것이다.
대안으로, 타겟 버스 전압(TBV) 값이 블록(639)에서 결정된 바와 같이 팩 컨트롤러(40)로부터 유효한 명령을 통해 수신된 경우, 블록(620)에서 MMV와 TBV 간에 비교가 이루어진다. 이 대안적인 비교의 목적은 아래에서 자세히 설명하는 것처럼 전원 버스의 초기 에너지 공급을 용이하게 하는 것이다(도 10).
모듈(10)이 모듈을 대체 전압으로 구성하기 위한 추가 릴레이를 포함하는 일부 실시예에서, 인용된 동시 계류 중인 출원(17182072)에 개시된 바와 같이, 모듈(10)은 수신된 TBV 값에 응답하여 블록(620에서의 비교 전에 구성될 수 있다.
전압 비교 결과가 포지티브이면, 블록(630)에서 릴레이(500)를 턴온한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 비교되는 값들이 서로의 미리 결정된 범위 내에 있거나 같은 것으로 발견되면 비교가 포지티브인 것으로 여겨진다; 그렇지 않으면, 비교가 네거티브인 것으로 간주된다. 릴레이(500)는 일부 실시예에서 실리콘 카바이드 반도체 유형일 수 있다.
예시된 실시예에서, 모듈 컨트롤러(900)는 전류 측정 회로(905)(도 3)에 의해 복수의 직렬 연결된 셀(400)을 통해 양극 단자(200)와 음극 단자(300) 사이의 전류 측정값을 획득하도록 구성된다. 일단 릴레이(500)가 블록(630에서 턴온되면, 모듈 측정 전류(MMC)의 크기 및 방향이 전류 측정 회로(905)에 의해 측정된다. 일부 실시예에서, 전류 측정 회로(905)는 홀 효과 유형일 수 있다.
블록(632)에서, 블록(631)에서 측정된 MMC와 MCDM(930)에 기록된 미리 설정된 범위의 값 사이에 비교가 이루어진다. MMC가 허용된 범위인 것으로 밝혀지면, 방법은 블록(634)으로 진행한다. 그렇지 않으면, 블록(633)에서 릴레이(500)를 턴오프하고, 블록(614)에서 시작하는 단계들이 반복된다.
일부 실시예에서, 블록(632)의 기능은 측정 회로(905)(도 3)에 의해 측정된 바와 같이 미리 결정된 크기의 전류에 응답하여 릴레이(500)를 개방하는 아날로그 또는 다른 전자 회로에 의해 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 측정 회로(905)에 의해 측정된 전류에 응답하여 릴레이(500)를 턴오프하기 위한 아날로그 또는 다른 전자 회로는 모듈 컨트롤러(900)에 의해 흐름도(610)에 예시된 단계의 실행과 병행해 동작할 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 명세서의 범위 내에 포함되고 첨부된 청구범위에 의해 보호되도록 의도되어 있다.
블록(634)에서, 모듈(10)의 각 셀(400)에 대한 개별 전압 및 온도 측정값이 대응하는 회로(950)로부터 수신된다. 블록(634)에서 얻은 전압 측정값을 본 명세서에서 폐쇄 회로 전압 측정값이라고 하고, 블록(634)에서 얻은 온도 측정값을 폐쇄 회로 온도 측정값이라고 한다. 블록(634)에서 측정을 얻을 때마다, 얻은 값은 각각의 전지(400)에 대한 최근 폐쇄 회로 전압값 및 최근 폐쇄 회로 온도값으로 취해지며, 본 명세서에서는 총체적으로 "최근 폐쇄 회로값"이라 한다.
MCDM(930)은 블록(634)에서 수신된 측정값 및 블록(631)에서 측정된 MMC에 응답하여 최근 폐쇄 회로 전압값 및 최근 온도값을 사용하여 블록(635)에서 업데이트된다.
업데이트된 MCDM(930)은 블록(636)에서 모듈 컨트롤러(900)에 의해 팩 컨트롤러(40)로 전송된다.
최근 폐쇄 회로값은 블록(637)에서 MCDM(930)에 저장될 수 있는 미리 결정된 제한값과 비교되어 미리 결정된 허용 범위를 벗어나는 것이 없는지 확인한다. 최근 폐쇄 회로값 중 어느 하나가 허용 범위를 벗어난 것으로 확인되면, 블록(633)에서 릴레이(500)를 턴오프하고, 블록(614)에서 시작하는 단계들을 반복한다. 미리 결정된 허용 범위의 예는 전압, 온도 및/또는 전류에 대한 특정 최소값 및/또는 최대값을 포함할 수 있다. 다른 예에는 바람직하지 않은 작동 조건을 나타낼 수 있는 온도의 백분율 증가와 같은 특정 기간 내 값의 특정 백분율 변경이 포함될 수 있다. 미리 결정된 허용 범위를 지정하는 정확한 값은 배터리 셀 구성, 배터리 모듈 구성 및/또는 전력 시스템의 열 관리 장치의 세부 사항에 따라 다르다.
블록(638)에서, 종료 조건이 충족되었는지 확인이 수행된다. 종료 조건의 예는 팩 컨트롤러(40)로부터의 비활성화 명령, 지정된 시간 내에 팩 컨트롤러(40)로부터 명령을 수신 실패 등을 포함할 수 있다. 종료 조건이 감지되면, 릴레이(500)는 블록(640)에서 턴오프된다. 이어서, 릴레이(600)가 턴오프되고 액티브 상태가 블록(641)에서 종료된다. 전기 기계식 유형일 수 있는 릴레이(600)를 턴오프하기 전에 실리콘 카바이드 반도체 유형일 수 있는 릴레이(500)를 턴오프함으로써, 아크에 대한 가능성 및 릴레이(600)의 관련 고장 모드가 제거된다.
팩(5)에 설치되고 인증된 복수의 모듈(10)을 갖는 전력 시스템(80)의 전원 버스에 전원을 공급하는 방법에 대한 흐름도(650)가 도 10에 도시되어 있다. 일부 대안적인 구현에서, 블록에 기재된 기능은 도 10에 기재된 순서와 다르게 발생할 수 있고, 추가 기능을 포함할 수 있고, 및/또는 일부 기능을 생략할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 10에 연속적으로 도시된 2개의 블록은 실제로 실질적으로 동시에 실행될 수 있고, 블록은 때때로 역순으로 실행될 수 있거나, 관련된 기능에 따라 일부 블록이 모든 인스턴스에서 실행되지 않을 수 있으며, 이는 아래에서 더 명확해질 것이다. 이러한 모든 수정 및 변경은 본 개시의 범위 내에 포함되고 첨부된 청구범위에 의해 보호되도록 의도되어 있다.
이하의 설명에서, 팩 컨트롤러(40)의 기능은 SCU(90)(도 7)의 구성요소인 것으로 간주된다. 모듈(10)로 명령을 전송하고 모듈(10)로부터 데이터를 수신하는 SCU(90)에 대한 참조는 팩 컨트롤러(40)의 기능을 활용하는 것으로 이해되어야 한다.
전원 버스에 전원을 공급하기 전에, 버스에 명령되지 않은 전압이 존재하지 않도록 보장하기 위해, 버스 전압 측정(MBV)이 SCU(90)에 의해 직접적으로 또는 PCU(95) 또는 모듈(10)과 같은 다른 구성요소와 통신함으로써 얻어진다.
블록(652)에서 명령되지 않은 전압이 전원 버스에서 감지되면, 블록(651)에서 시작하는 단계가 반복된다. 이렇게 하면 잔류 전압이 소멸될 시간이 생길 수 있다. 일부 실시예에서는 PCU(95)에 의해 잔류 전압을 방전시키려는 시도와 같은 추가 단계가 취해질 수 있다. PCU(95)에 의한 잔류 전압 방전의 예는 하나 이상의 전기 모터 권선을 통한 전류 전도, 전기 에너지를 열 또는 기계 에너지로 변환, 커패시터 또는 배터리와 같은 축전기에 전기 에너지 저장 등을 포함할 수 있다.
블록(651, 652)의 단계는 전력 시스템의 전원 버스의 전원 차단 능력을 검증하기 위한 안전 조치이다. 이러한 안전 조치(651 및 652)는 일부 실시예에서 생략될 수 있다.
블록(653)에서 액티브 상태로 들어가기 위한 명령이 SCU(90)에 의해 통신 버스(70)를 통해 모든 모듈(10)로 전송된다(도 7). 명령은 각 모듈(10)에 개별적으로 전송되거나 거의 동시에 모든 모듈(10)에 보내질 수 있다. 명령된 액티브 상태는 CHARGING 또는 ENABLED일 수 있다(도 4).
명령된 액티브 상태로 들어가는 것에 응답하여, 각 모듈(10)은 자신의 MCDM(930)을 SCU(90)로 전송한다(도 9). 모든 수신된 MCDM(930)이 블록(654)에서 SCU(90)(도 8)에 의해 저장된다. 각각의 MCDM(930)은 상기 단계(615)의 설명에서 개시된 MMV를 포함한다.
블록(655)에서 타겟 버스 전압(TBV)이 계산되고, 일부 실시예에서는, 설치된 모듈(10) 중에서 가장 높은 MMV일 수 있다.
그런 다음 타겟 전압 명령(TVC)이 통신 버스(70)를 통해 모든 모듈(10)로 전송된다. TVC 명령은 각 모듈(10)에 개별적으로 전송되거나 설치된 모든 모듈(10)에 실질적으로 동시에 보내질 수 있다. 타겟 전압 명령(도 9의 블록(639)) 수신에 응답하여, 각 모듈(10)은 전압 비교를 수행하고(도 9의 블록(620)), 비교가 포지티브인 경우, 해당 릴레이(500)를 턴온한다(도 9의 블록(630)). 전압 비교의 결과는 하나, 여러 개 또는 모든 모듈(10)에 대해 포지티브하지 않을 수 있음을 이해해야 한다.
MBV가 블록(657)에서 다시 검사된다. 모듈(10) 중 적어도 하나가 릴레이(500)를 턴온했고 전원 버스에 예상치 못한 전기 부하가 없으면, MBV는 해당 모듈의 MMV와 거의 일치할 것이다. 하나 이상의 모듈(10)이 릴레이(500)를 턴온하고 임의의 두 모듈(10)의 MMV 사이에 변동이 있는 경우, 등화 전류가 모듈들 사이에 흐를 수 있고 결과적인 MBV가 모듈(10)의 MMV 사이에 있을 수 있다.
임의의 두 모듈의 MMV 간의 차이로 인한 등화 전류가 사전 결정된 범위 밖에 있는 경우, 하나 이상의 모듈은 도 9의 블록(632)에서 이루어진 결정에 응답하여 릴레이(500)를 턴오프할 수 있다.
블록(658)에서, TBV와 MMV가 비교된다. 일부 실시예에서, PSDM(945)(도 8)에 저장될 수 있는 미리 결정된 임계값을 참조하여 비교가 이루어질 수 있다. 비교가 포지티브인 경우, 블록(659)에서 SCU(90)로부터 PCU(95)로의 전력 명령의 발행이 활성화된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 비교되는 값이 서로 동일하거나 미리 결정된 범위 내에 있는 것으로 밝혀지면 비교는 포지티브인 것으로 간주된다. 그렇지 않으면, 비교는 네거티브인 것으로 간주되고 블록(653)에서 시작하는 단계가 반복된다.
팩(5)(도 7)에 설치된 복수의 모듈(10)을 갖는 전력 시스템(80)을 작동하는 방법에 대한 흐름도(670)가 도 11에 도시되어 있다. 일부 대안적인 구현예에서, 블록에 기재된 기능은 도 11에 기재된 순서와 다르게 발생할 수 있고, 추가 기능을 포함할 수 있고, 및/또는 일부 기능을 생략할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 11에 연속적으로 도시된 2개의 블록은 사실상 실질적으로 동시에 실행될 수 있고, 블록은 때때로 역순으로 실행될 수 있거나, 관련된 기능에 따라 블록 중 일부가 모든 인스턴스에서 실행되지 않을 수 있으며, 이는 아래에서 더 명확해질 것이다. 특히 블록(686)에서의 평가 및 블록(687)으로의 후속 진행은 도 11에 예시된 임의의 다른 단계와 동시에 수행될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 이러한 모든 수정 및 변경은 본 개시의 범위 내에 여기에 포함되도록 의도되어 있다.
블록(671)에서, PDDM(940)의 최신 사본은 PCU(95)로부터 SCU(90)에 의해 수신된다. 블록(672)에서, 개별 MCDM(930)의 최신 사본은 팩 컨트롤러(40)의 기능을 통해 모든 개별 모듈(10)로부터 SCU(90)에 의해 수신된다. SCU(90)와 하나 이상의 모듈(10) 사이의 통신에 대한 후속 참조에서, SCU(90) 내에 포함될 수 있거나 별도의 물리적 컨트롤러일 수 있는 팩 컨트롤러(40)의 기능이 통신을 수행하기 위해 이용된다는 것을 이해해야 한다.
블록(673)에서, 최신 PSDM(945)은 블록(671)에서 수신된 PDDM(940) 및 블록(672)에서 수신된 MCDM(930)을 참조하여 SCU(90)에 의해 생성된다. PSDM(945)을 생성하는 정확한 기술 및 그것이 포함하는 데이터의 정확한 특성은 각 실시예의 세부사항에 따라 변할 수 있다. 많은 실시예에서, PDDM(940)은 시스템 구성요소(96)의 특정 작동 조건에서 PCU(95)에 발행된 전력 명령의 특정 값을 이행하는 데 필요한 전원 버스 전압 및 전류에 관한 데이터를 포함한다. 모듈(10)로부터 수신된 각각의 MCDM(930)은 해당 모듈이 주어진 전원 버스 전압에서 전달하거나 흡수할 수 있는 전류의 크기에 관한 데이터를 포함한다. 각각의 개별 모듈(10)에 대해 상이할 수 있는 전원 버스 전압의 일부 값에서, 이러한 전류 크기는 0일 수 있다.
많은 실시예에서, SCU(90)는 미리 결정된 전원 버스 값 전압에서 모든 모듈의 전류 능력을 조합한다. 이 조합된 전류 성능 데이터가 PSDM(945)에 기록된다. 전력 명령을 필요한 전원 버스 전압 및 전류와 연관시키는 PDDM(940)으로부터의 데이터가 PSDM(945)에 추가로 기록된다. 추가 수식, 실행가능한 소프트웨어 서브루틴, 보정 인자 및 기타 데이터가 PSDM(945)에 더 기록될 수 있다. 전력 시스템의 과거 관찰된 성능을 참조하는 이력 데이터가 PSDM(945)에 더 기록될 수 있다.
결과적으로 발생된 생성된 PSDM(945)은 일부 실시예에서 EOU(93)로 전송될 수 있다. 이러한 실시예에서, PSDM(945)은 차량 성능을 예측 또는 추정하고 그에 따라 경로 계획 및/또는 다른 작동 파라미터를 조정하기 위해 오퍼레이터(91)에 의해 더 활용될 수 있다. PSDM(945)에 포함된 데이터의 그래픽 및/또는 수치 표현을 갖는 시각적 디스플레이가 휴먼 인터페이스(94)를 통해 인간 오퍼레이터(92)에게 선택적으로 제시될 수 있다.
블록(675)에서 전원 버스는 흐름도(650)(도 10)에 도시된 방법에 의해 활성화된다. 여기에서 이루어진 개시 내용과 관련하여, 각각의 모듈(10)은 흐름도(610)(도 9)에 도시된 방법에 따라 대응하는 모듈 컨트롤러(900)에 의해 제어되는 것으로 이해되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 결과적으로, 블록(620)에서 포지티브로 비교를 완료한 모듈이 해당 릴레이(500)가 턴온되고 전원 버스에 연결된다. 네거티브로 블록(620)의 비교를 완료하는 모듈은 전원 버스 전압이 블록(620)에서 포지티브인 결과를 가능하게 할 정도로 충분히 변할 때까지 블록(614-620)에서 단계를 계속 반복할 것이다. 이러한 전원 버스 전압 변화는 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 SCU(90)에 의해 PCU(95)로 발행되는 전력 명령에 응답하여 발생할 수 있다. 릴레이(500)를 턴온하기 위해 임의의 특정 모듈(10)에 필요한 전원 버스 전압은 대응하는 MCDM(930) 및/또는 PDSM을 참조하여 SCU(90)에 의해 예측될 수 있다.
도 11의 블록(676)에서 SCU(90)는 EOU(93)로부터의 전력 요청을 대기한다. 많은 실시예에서, 주기적 전력 요청이 EOU(93)로부터 SCU(90)로 발행될 수 있고 초당 여러 번 발행될 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, SCU(90)가 특정 기간 내에 EOU(93)로부터 유효한 전력 요청을 수신하지 못하는 것이 종료 조건을 충족시키는 것으로 구성될 수 있고(블록(686)), SCU가 블록(687)에서 전원 버스의 전원을 차단하게 하는데, 이는 아래에서 더 자세히 설명된다. 유효한 전력 요청은 크기에 관계없이 양수, 음수 또는 0일 수 있다.
유효한 전력 요청을 수신하면, SCU(90)는 PSDM(945) 및/또는 최신 PDDM(940)에 기록된 데이터를 참조하여 현재 작동 조건에서 요청을 이행하는 데 필요한 버스 전압 및 전류의 필요한 값을 얻는다. 그런 다음 PSDM(945)은 원하는 전압에서 전원 버스에 연결할 수 있는 모든 모듈(10)의 결합된 전류 성능이 해당 전압에서 원하는 전류를 전달하기에 충분한지 여부를 평가하기 위해 블록(678)에서 더 참조된다.
각각의 하나 이상의 추가 PCU(95)에 의해 제어되는 하나 이상의 추가 시스템 구성요소(96)가 존재하는 실시예에서, 각각의 이러한 추가 구성요소(96)에 대한 기여 전력 레벨의 평가는 각각의 하나 이상의 추가 PDDM(940)을 참조하여 단계(678)에서 수행될 수 있다. 이러한 실시예의 예시적인 다이어그램이 도 12에 도시되며, 추가 시스템 구성요소는 96b 및 96c로 예시되어 있다. 추가 시스템 구성요소의 기여 전력은 제1 시스템 구성요소(96)의 전력 레벨에 가산되거나 감산될 수 있다. 예를 들어, 발전기인 추가 시스템 구성요소(96c)는 견인 모터인 제1 시스템 구성요소(96)의 전력 레벨에 대해 감산되는 기여 전력 레벨을 가질 수 있다. 견인 모터(미도시)인 다른 추가 시스템 구성요소(96a)는 견인 모터인 제1 시스템 구성요소(96)의 전력 레벨에 추가되는 기여 전력 레벨을 가질 것이다. 이러한 실시예에서, 업데이트된 PSDM은 하나 이상의 추가 시스템 구성요소의 기여 전력 레벨의 결정에 응답하여 생성될 수 있다. 업데이트된 PSDM은 그 후 단계(678)에서 제1 시스템 구성요소(96)의 전력 레벨을 평가하기 위한 PSDM으로 취해진다.
블록(678)에서의 평가가 포지티브이면, 전력 요청과 실질적으로 동일한 전력 명령이 SCU(90)에 의해 PCU(95)로 발행된다. 전력 명령에 응답하여, PCU(95)는 시스템 구성요소(96)를 제어하여 전력이 전원 버스로부터 인출되거나 전원 버스로 전달되게 한다. 전원 버스 전압 및/또는 전류는 전력이 전원 버스로 전달되거나 전원 버스로부터 인출되는 결과로 변경될 수 있다. 하나 이상의 모듈(10)은 흐름도(610)(도 9)에 도시된 방법에 따라 상기 전원 버스 전압 및/또는 전류의 변화에 응답하여 후속적으로 대응하는 릴레이(500)를 턴온하거나 턴오프할 수 있다.
추가 시스템 구성요소를 갖는 실시예에서, 각각의 기여 전력 레벨 명령은 단계(678)에서 추가 시스템 구성요소에 결합된 각각의 개별 PCU에 발행된다.
블록(678)에서의 평가가 네거티브이면, SCU(90)는 블록(680)에서 PSDM(945)의 데이터를 참조하여 원하는 전압에서 모듈(10)의 결합된 전류 용량을 초과하지 않는 감소된 전력 명령을 계산한다.
감소된 전력 명령은 블록(681)에서 SCU(90)에 의해 PCU(945)로 발행된다. 감소된 전력 명령에 응답하여, PCU(95)는 이어서 시스템 구성요소(96)를 제어하여 전력이 전원 버스로부터 인출되거나 전원 버스로 전달되게 한다. 결과적으로 전원 버스 전압이 변경될 수 있다. 하나 이상의 모듈(10)은 흐름도(610)(도 9)에 도시된 방법에 따라 상기 전원 버스 전압의 변화에 응답하여 후속적으로 대응하는 릴레이(500)를 턴온하거나 턴오프할 수 있다.
최신 PDDM(940)은 가장 최근에 발행된 전력 명령을 수행한 결과일 수 있는 \임의의 변경 사항을 포함하는 PCU(95)로부터 SCU(90)에 의해 수신된다.
블록(683)에서, 최신 MCDM(930)은 가장 최근에 발행된 전력 명령을 이행한 결과일 수 있는 임의의 변경 사항을 포함하는 각 모듈(10)로부터 수신된다.
최신 PSDM(945)은 블록(682 및 683)에서 수신된 데이터를 참조하는 블록(684)에서 SCU(90)에 의해 생성된다.
일부 실시예에서, 블록(684)에서 생성된 PSDM(945)의 사본이 블록(685)에서 EOU(93)로 전송된다.
종료 조건의 평가는 블록(686)에서 이루어지며, 또한 흐름도(670)에 도시된 임의의 다른 블록과 동시에 이루어질 수 있다. 종료 조건은 EOU(93)로부터의 정지 명령의 수신, 고장 조건의 감지, 미리 결정된 기간 내에 EOU(93)로부터 유효한 전력 요청의 수신 실패 등일 수 있다. 블록(686)에서, 종료 조건의 평가가 네거티브이면, 블록(676)에서 시작하는 단계가 반복된다.
종료 조건의 평가가 포지티브인 경우, 블록(687)에서 전원 버스는 SCU(90)에 의해 전원이 차단된다. 일부 실시예에서, 타겟 버스 전압(TBV)이 0일 수 있는 분리 명령이 SCU(90)에 의해 모든 모듈(10)로 전송되어, 각 모듈(10)에 의해 블록(638)에서 종료 조건의 포지티브인 평가를 야기할 수 있다. 일부 실시예에서, PCU(95)는 모든 모듈(10)이 각각의 릴레이(500)를 턴오프한 후 전원 버스에 전기 에너지를 계속 공급할 수 있는 실질적인 커패시터들을 가질 수 있다. 그러한 실시예에서, PCU는 시스템 구성요소(96)를 통해 커패시터에 저장된 전기 에너지를 방전하는 능력을 가질 수 있다. 커패시터를 방전하라는 명령이 이러한 실시예에서 커패시터를 방전하기 위해 SCU(90)에 의해 PCU(95)로 발행될 수 있다. 다른 실시예에서, 커패시터는 릴레이를 통해 전원 버스에 연결함으로써 저항 또는 유사한 전기 부하를 통해 방전될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 커패시터로부터 저전압 배터리로 에너지를 전달하기 위해 전압 컨버터 회로가 활성화될 수 있다.
전술한 배터리 모듈(10) 및 차량 전력 시스템(80)의 실시예는 단지 본 발명의 구현의 가능한 예라는 것이 강조되어야 한다. 전술한 실시예에 많은 변형 및 수정이 이루어질 수 있다. 이러한 모든 수정 및 변형은 본 개시의 범위 내에 포함되고 다음 청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도되어 있다.
또한, 상기 개시는 별개의 유용성을 갖는 다수의 별개의 발명을 포함한다. 이들 각각의 발명이 특정 형태로 개시되었지만, 상기 개시되고 예시된 특정 실시예는 많은 변형이 가능하기 때문에 제한적인 의미로 고려되어서는 안 된다. 본 발명의 주제는 이러한 발명에 관한 당업자에게 고유한 상기 개시된 다양한 요소, 특징, 기능 및/또는 특성의 모든 신규하고 자명하지 않은 조합 및 서브조합을 포함한다. 개시 또는 이후에 제출된 청구항이 "a" 요소, "제1" 요소 또는 이와 동등한 용어를 인용하는 경우, 개시 또는 청구항은 하나 이상의 그러한 요소를 포함하며, 둘 이상의 그러한 요소를 요구하거나 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원인(들)은 신규하고 자명하지 않은 것으로 여겨지는 개시된 발명의 조합 및 서브조합에 관한 청구항을 제출할 권리를 보유한다. 특징, 기능, 요소 및/또는 특성의 다른 조합 및 서브조합으로 구체화된 발명은 본 출원 또는 관련 출원에서 해당 청구항의 수정 또는 새로운 청구항의 제시를 통해 청구될 수 있다. 그러한 수정된 또는 새로운 청구범위는 동일한 발명 또는 다른 발명에 관한 것이든, 원래의 청구범위와 범위가 다르거나, 더 넓거나, 좁거나, 동일한지 여부에 관계없이 본 명세서에 기술된 발명의 주제 내에 있는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (16)

  1. 전자 오퍼레이터 유닛(Electronic Operator Unit, EOU);
    제1 시스템 구성요소에 결합되며, 전력 수요가 미리 결정된 제1 전력 컨트롤러 유닛(PCU);
    팩 통신 버스에 통신 가능하게 결합되고, EOU에 추가로 통신 가능하게 결합되며, 제1 PCU에 추가로 통신 가능하게 결합되는 시스템 제어 유닛(SCU); 및
    배터리 모듈을 수용하기 위한 복수의 소켓을 갖고, 복수의 소켓에 수용된 배터리 모듈을 전원 버스에 연결하며, 복수의 소켓에 수용된 배터리 모듈을 팩 통신 버스에 통신 가능하게 연결하기 위한 배터리 팩을 포함하고,
    상기 전력 수요는 제1 시스템 구성요소에서 미리 결정된 전력 레벨을 전달하기 위해 요구되는 관련된 전류 및 전압 수치를 가지며, 상기 관련된 전류 및 전압 수치는 제1 PDDM(Power Demand Data Map)에 기록되고,
    전원 버스는 음극 전원 버스 및 양극 전원 버스를 더 포함하며, 상기 전원 버스는 배터리 팩의 복수의 소켓 각각에 연결되고, 상기 전원 버스는 제1 PCU에 추가로 연결되며;
    제1 PDDM에 기록된 데이터에 응답하여 SCU에 의해 전력 시스템 데이터 맵(PSDM)이 생성되는 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    배터리 팩의 복수의 소켓 중 제1 소켓에 수용되는 제1 배터리 모듈을 더 포함하고, 상기 제1 배터리 모듈은:
    제1 복수의 직렬 연결된 셀;
    제1 양극 단자;
    제1 음극 단자; 및
    제1 복수의 직렬 연결된 전지 각각에 대한 전압 및 온도 측정값을 획득하도록 구성되고, 제1 양극 단자와 제1 음극 단자 사이에 흐르는 전류의 측정값을 획득하도록 구성된 제1 모듈 컨트롤러를 포함하며,
    상기 제1 모듈 컨트롤러는 제1 양극 단자와 제1 음극 단자 사이의 전압의 측정값을 획득하도록 구성되고,
    상기 제1 배터리 모듈은 제1 모듈 컨트롤러에 제어 가능하게 결합된 제1 릴레이를 더 포함하며,
    상기 제1 릴레이는 복수의 직렬 연결된 셀을 양극 단자 및 음극 단자 중 하나에 연결하도록 구성되고,
    상기 제1 모듈 컨트롤러는 SCU와 통신하도록 구성되며,
    상기 모듈은 연관된 제1 모듈 커패시티(Module Capacity)를 포함하고, 상기 제1 모듈 커패시티는 제1 모듈 컨트롤러 내의 제1 모듈 커패시티 데이터 맵(MCDM)에 저장된 데이터에 의해 수치적으로 표현되며;
    PSDM은 제1 MCDM에 기록된 데이터에 응답하여 SCU에 의해 더 생성되는 전력 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    배터리 팩의 복수의 소켓 중 제2 소켓에 수용되는 제2 배터리 모듈을 더 포함하고, 상기 제2 배터리 모듈은:
    제2 복수의 직렬 연결된 셀;
    제2 양극 단자;
    제2 음극 단자; 및
    제2 복수의 직렬 연결된 전지 각각에 대한 전압 및 온도 측정값을 획득하도록 구성되고, 제2 양극 단자와 제2 음극 단자 사이에 흐르는 전류의 측정값을 획득하도록 구성된 제2 모듈 컨트롤러를 포함하며,
    상기 제2 모듈 컨트롤러는 제2 양극 단자와 제2 음극 단자 사이의 전압 측정값을 획득하도록 구성되고,
    상기 제2 배터리 모듈은 제2 모듈 컨트롤러에 제어 가능하게 결합되는 제2 릴레이를 더 포함하며,
    상기 제2 릴레이는 제2 복수의 직렬 연결된 셀을 제2 양극 단자 및 제2 음극 단자 중 하나에 연결하도록 구성되고,
    상기 제2 모듈 컨트롤러는 SCU와 통신하도록 구성되며,
    상기 모듈은 연관된 제2 모듈 커패시티를 포함하고, 상기 제2 모듈 커패시티는 제2 모듈 컨트롤러 내의 제2 모듈 커패시티 데이터 맵(MCDM)에 저장된 데이터에 의해 수치적으로 표현되며;
    PSDM은 제2 MCDM에 기록된 데이터에 응답하여 SCU에 의해 더 생성되는 전력 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제2 시스템 구성요소에 결합되고, 전력 수요가 미리 결정된 제2 전력 컨트롤러 유닛(PCU)을 더 포함하고,
    상기 전력 수요는 제2 시스템 구성요소에서 미리 결정된 전력 레벨을 전달하기 위해 요구되는 관련된 전류 및 전압 수치를 가지며, 상기 관련된 전류 및 전압 수치는 제2 PDDM에 기록되고, 상기 제2 PDDM은 제2 PCU 내에 저장되며, SCU가 제2 PCU에 통신가능하게 더 결합되고, 전원 버스가 제2 PCU에 더 결합되며,
    PSDM은 제2 PDDM에 기록된 데이터에 응답하여 SCU에 의해 더 생성되는 전력 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시스템 구성요소는 전기 모터인 전력 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시스템 구성요소는 발전기인 전력 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시스템 구성요소는 배터리 충전기인 전력 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시스템 구성요소는 수소 연료 전지인 전력 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2 시스템 구성요소는 전기 모터인 전력 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제2 시스템 구성요소는 발전기인 전력 시스템.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 제2 시스템 구성요소는 배터리 충전기인 전력 시스템.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 제2 시스템 구성요소는 수소 연료 전지인 전력 시스템.
  13. 배터리 모듈을 작동하는 방법으로서,
    상기 배터리 모듈은 복수의 직렬 연결된 셀; 양극 단자; 음극 단자; 및 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 전압 및 온도 측정값을 얻고, 양극 단자와 음극 단자 사이에 흐르는 전류의 측정값을 얻으며, 양극 단자와 음극 단자 사이의 전압 측정값을 얻도록 구성되는 모듈 컨트롤러를 갖고, 상기 배터리 모듈은 모듈 컨트롤러에 제어 가능하게 결합되는 릴레이를 더 포함하며, 상기 릴레이는 복수의 직렬 연결된 셀을 제1 양극 단자 및 제1 음극 단자에 연결하도록 구성되고, 상기 모듈 컨트롤러는 SCU와 통신하도록 구성되며, 상기 배터리 모듈은 연관된 모듈 커패시티를 갖고, 상기 모듈 커패시티는 모듈 컨트롤러 내의 MCDM(Module Capacity Data Map)에 저장된 데이터에 의해 수치로 표현되며, 상기 방법은:
    복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 새로운 개방 회로 전압 측정값을 획득하고 각각의 새로운 개방 회로 전압 측정값을 대응하는 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 최근 개방 회로 전압값으로 취하는 단계;
    복수의 직렬 연결된 전지 각각에 대한 새로운 개방 회로 온도 측정값을 획득하고 각각의 새로운 개방 회로 온도 측정값을 대응하는 복수의 직렬 연결된 전지 각각에 대한 최근 개방 회로 온도값으로 취하는 단계;
    복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 최근 개방 회로 전압값 및 최근 개방 회로 온도값을 획득하는 것에 응답하여 MCDM을 업데이트하는 단계;
    MCDM을 SCU에 전달하는 단계;
    각각의 최근 개방 회로 전압값을 미리 설정된 개방 전압 한계값과 개방 회로 전압 비교를 수행하고, 각각의 최근 개방 회로 온도값을 미리 설정된 개방 온도 한계값과 개방 회로 온도 비교를 수행하는 단계;
    개방 회로 전압 비교 및 개방 회로 온도 비교 중 하나가 네거티브인 것에 응답하여, 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 새로운 개방 회로 전압 측정값을 얻는 단계로 시작하여 상기 단계들을 반복하는 단계;
    상기 개방 회로 전압 비교와 상기 개방 회로 온도 비교가 포지티브인 것에 응답하여, 모듈 전압(MV)을 계산하고, 계산된 MV를 최근의 MV값으로 취하는 단계;
    양극 단자와 음극 단자 사이의 버스 전압(BV)의 개방 회로 측정값을 획득하고 획득된 BV 측정값을 최근 BV 값으로 취하는 단계;
    최근 BV 값과 최근 MV 값의 개방 회로 버스 전압 비교를 수행하는 단계;
    개방 회로 버스 전압 비교가 네거티브인 것에 응답하여, 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 새로운 개방 회로 전압 측정값을 얻는 단계로 시작하여 상기 단계들을 반복하는 단계;
    개방 회로 버스 전압 비교가 포지티브인 것에 응답하여, 복수의 직렬 연결된 셀을 제1 양극 단자 및 제1 음극 단자에 연결하도록 릴레이를 제어하는 단계;
    상기 복수의 직렬 연결된 셀을 통해 양극 단자와 음극 단자 사이를 흐르는 전류(EC)의 새로운 측정값을 획득하고, 획득된 EC 측정값을 최근의 EC 값으로 취하는 단계;
    최근 EC 값과 미리 결정된 전류 제한 값의 EC 비교를 수행하는 단계;
    제1 양극 단자 및 제1 음극 단자로부터 복수의 직렬 연결된 셀을 분리하기 위해 릴레이를 제어하고, EC 비교가 네거티브인 것에 응답하여, 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 새로운 개방 회로 전압 측정값을 얻는 단계로 시작하여 상기 단계들을 반복하는 단계;
    복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 새로운 폐쇄 회로 전압 측정값을 획득하고, EC 비교가 포지티브인 것에 응답하여, 각각의 새로운 폐쇄 회로 전압 측정값을 대응하는 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 최근 폐쇄 회로 전압값으로 취하는 단계;
    복수의 직렬 연결된 전지 각각에 대한 새로운 폐쇄 회로 온도 측정값을 획득하고, 각각의 새로운 온도 측정값을 대응하는 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 최근의 폐쇄 회로 온도값으로서 취하는 단계;
    복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 최근 폐쇄 회로 전압값 및 최근 폐쇄 회로 온도값을 획득하는 것에 응답하여 MCDM을 업데이트하는 단계;
    MCDM을 SCU에 전달하는 단계;
    각각의 최근 폐쇄 회로 전압값과 미리 결정된 폐쇄 회로 전압 한계값의 폐쇄 회로 전압 비교를 수행하고, 각각의 최근 폐쇄 회로 온도값과 미리 결정된 폐쇄 회로 온도 한계값의 폐쇄 회로 온도 비교를 수행하는 단계;
    폐쇄 회로 전압 비교 및 폐쇄 회로 온도 비교가 포지티브인 것에 응답하여, 양극 단자와 음극 단자 사이에 흐르는 전류의 새로운 측정값을 얻는 단계로 시작하여 상기 단계들을 반복하는 단계; 및
    복수의 직렬 연결 셀을 제1 양극 단자 및 제1 음극 단자로부터 분리하기 위해 릴레이를 제어하고, 폐쇄 회로 전압 비교 및 폐쇄 회로 온도 비교 중 하나가 네거티브인 것에 응답하여, 복수의 직렬 연결 셀 각각에 대한 새로운 개방 회로 전압 측정값을 획득하는 단계로 시작하여 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    모듈 전압(MV)을 계산하는 단계 이후 및 개방 회로 버스 전압 비교를 수행하는 단계 이전에,
    SCU로부터 TBV(Target Bus Voltage) 값을 수신하는 단계;
    TBV 값과 최근 MV 값 사이의 타겟 버스 전압 비교를 수행하는 단계; 및
    타겟 버스 전압 비교가 포지티브인 것에 응답하여, 복수의 직렬 연결된 셀을 제1 양극 단자 및 제1 음극 단자에 연결하도록 릴레이를 제어하는 단계로 진행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 전력 시스템을 제어하는 방법으로서,
    상기 전력 시스템은 전자 오퍼레이터 유닛(EOU) 및 제1 시스템 구성요소에 결합된 제1 전력 컨트롤러 유닛(PCU)을 갖고, 상기 제1 PCU는 미리 결정된 전력 수요를 가지며, 상기 전력 수요는 제1 시스템 구성요소에서 미리 결정된 전력을 전달하기 위해 필요한 관련된 전류 및 전압 수치를 갖고, 상기 관련된 전류 및 전압 수치는 제1 PDDM(Power Demand Data Map)에 기록되고, 상기 제1 PDDM은 제1 PCU 내에 저장되며, 상기 전력 시스템은 팩 통신 버스에 통신 가능하게 결합되고, EOU에 추가로 통신 가능하게 결합되며, PCU에 추가로 통신 가능하게 결합되는 시스템 제어 유닛(SCU)을 갖고, 상기 전력 시스템은 배터리 모듈을 수용하기 위한 복수의 소켓을 갖고, 복수의 소켓에 수용된 배터리 모듈을 전원 버스에 연결하며, 복수의 소켓에 수용된 배터리 모듈을 팩 통신 버스에 통신 가능하게 연결하기 위한 배터리 팩을 가지며, 상기 전원 버스는 음극 전원 버스와 양극 전원 버스를 더 포함하고, 상기 전원 버스는 배터리 팩의 복수의 소켓 각각에 결합되며, 상기 전원 버스는 PCU에 추가로 결합되고, 상기 전력 시스템은 배터리 팩의 복수의 소켓 중 제1 소켓에 수용되는 제1 배터리 모듈을 갖고, 상기 제1 배터리 모듈은 제1 복수의 직렬 연결된 셀, 제1 양극 단자, 제1 음극 단자, 제1 복수의 직렬 연결된 셀 각각에 대한 전압 및 온도 측정값을 얻도록 구성되는 제1 모듈 컨트롤러를 가지며, 상기 제1 모듈 컨트롤러는 제1 양극 단자와 제1 음극 단자 사이에 흐르는 전류의 측정값을 얻도록 구성되고, 상기 제1 모듈 컨트롤러는 제1 양극 단자 및 제1 음극 단자 사이에 전압의 측정값을 얻도록 구성되며, 상기 제1 배터리 모듈은 제1 모듈 컨트롤러에 제어 가능하게 결합되는 제1 릴레이를 더 갖고, 상기 제1 릴레이는 복수의 직렬 연결된 셀을 양극 단자 및 음극 단자 중 하나에 연결하도록 구성되며, 상기 제1 모듈 컨트롤러는 SCU와 통신하도록 구성되고, 상기 모듈은 연관된 제1 모듈 커패시티를 가지며, 상기 제1 모듈 커패시티는 제1 모듈 컨트롤러 내의 제1 MCDM(Module Capacity Data Map)에 저장된 데이터에 의해 수치로 표현되며, SCU는 제1 PDDM에 저장된 데이터에 응답하고 제1 MCDM에 저장된 데이터에 응답해 SCU에 의해 생성되는 전력 시스템 데이터 맵(PSDM)을 갖고, 상기 방법은:
    SCU에 의해, EOU로부터의 새로운 전력 요청에 대해 모니터링하는 단계;
    SCU에 의해, EOU로부터 새로 요청된 전력값을 포함하는 새로운 전력 요청을 수신하고, 새로 요된청 전력값을 최근 요청 전력값으로 취하는 단계;
    PSDM에 저장된 데이터를 참조하여 가용 전력값을 계산하는 단계;
    최근 요청 전력값과 가용 전력값의 전력 비교를 수행하는 단계;
    PSDM에 저장된 데이터를 참조하여 감소된 전력값을 계산하고, 전력 비교가 네거티브인 것에 응답하여 감소된 전력값을 최근 요청된 전력값으로 취하는 단계;
    최근 요청 전력값을 제1 PCU에 명령하는 단계;
    제1 PCU로부터 업데이트된 제1 PDDM을 수신하는 단계;
    제1 모듈 컨트롤러로부터 업데이트된 제1 MCDM을 수신하는 단계;
    업데이트된 PSDM을 생성하고 PSDM을 업데이트된 PSDM으로 대체하는 단계; 및
    SCU에 의해, EOU로부터의 새로운 전력 요청에 대해 모니터링하는 단계로 시작하여 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전력 시스템은 제2 시스템 구성요소에 결합되는 제2 전력 컨트롤러 유닛(PCU)을 더 포함하고, 상기 제2 PCU는 미리 결정된 기여 전력 수요를 갖고, 상기 기여 전력 수요는 제2 시스템 구성요소에서 미리 결정된 전력을 전달하기 위해 요구되는 관련된 전류 및 전압 수치를 가지며, 상기 관련된 전류 및 전압 수치는 제2 PDDM(Power Demand Data Map)에 기록되고, 상기 제2 PDDM은 제2 PCU 내에 저장되며, PSDM은 제2 PDDM에 저장된 데이터에 응답하여 SCU에 의해 더 생성되며,
    PSDM에 저장된 데이터를 참조하여 가용 전력값을 계산하는 단계는:
    PSDM에 저장된 데이터를 참조하여 제2 시스템 구성요소에 대한 기여 전력값을 결정하는 단계;
    기여 전력값을 제2 PCU에 명령하는 단계;
    기여 전력값을 참조하여 업데이트된 PSDM을 생성하고, PSDM을 업데이트된 PSDM으로 대체하는 단계; 및
    업데이트된 PSDM에 저장된 데이터를 참조하여 가용 전력값을 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
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