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KR101482300B1 - 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템 - Google Patents

무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템 Download PDF

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KR101482300B1
KR101482300B1 KR1020117028285A KR20117028285A KR101482300B1 KR 101482300 B1 KR101482300 B1 KR 101482300B1 KR 1020117028285 A KR1020117028285 A KR 1020117028285A KR 20117028285 A KR20117028285 A KR 20117028285A KR 101482300 B1 KR101482300 B1 KR 101482300B1
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Abstract

복수의 배터리(101, 102, …, 10n)를 관리하고 로드를 구동시키기 위한 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 관리 제어 모듈(1201, 1202, …, 120n), 복수의 양방향 전압 변환기 모듈(401, 402, …, 40n) 및 복수의 에너지 저장소 모듈(1401, 1402, …, 140n)을 포함한다. 양방향 전압 변환기 모듈(401, 402, …, 40n)은 배터리(101, 102, …, 10n) 및 배터리 관리 제어 모듈(1201, 1202, …, 120n) 각각에 연결되고 서로 병렬로 연결된다. 에너지 저장소 모듈(1401, 1402, …, 140n)은 양방향 전압 변환기 모듈(401, 402, …, 40n)과 병렬로 연결되고 로드에 연결된다. 양방향 전압 변환기 모듈(401, 402, …, 40n)은 전기 에너지를 배터리(101, 102, …, 10n)에서 로드로, 또는 에너지 저장소 모듈(1401, 1402, …, 140n)에서 배터리(101, 102, …, 10n)로 전달하도록 구성된다. 배터리 관리 제어 모듈(1201, 1202, …, 120n)은 배터리(101, 102, …, 10n)의 상태 정보를 기초로 하여 사전결정된 프로그램을 실행하고 양방향 전압 변환기 모듈(401, 402, …, 40n)을 제어하도록 구성된다. 배터리(101, 102, …, 10n), 양방향 전압 변환기 모듈(401, 402, …, 40n), 에너지 저장소 모듈(1401, 1402, …, 140n) 및 배터리 관리 제어 모듈(1201, 1202, …, 120n)은, 부품들 중 임의의 하나가 고장나는 경우에, 다른 부품이 고장 부품의 기능을 재개하도록 이중화 토폴로지로 배열된다.

Description

무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템 {FAULT TOLERANT MODULAR BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2009년 6월 15일에 출원된 미국가특허출원번호 제61/187,273호를 우선권으로 주장하며, 상기 출원의 내용은 본원에 참고로 포함된다.
특허출원의 분야
본 발명은 일반적으로 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차용 배터리 관리 시스템, 및 보다 특히 고 전력 요건을 갖는 임계적 부하(critical load)를 지지할 수 있는 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템(MBMS)에 관한 것이다.
전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 전기 자동차(HEV)용 전력 요건은 매우 높을 수 있다. 배터리는 자동차 시동/운행 모드 및 운행/제동/내부 및 외부 충전 모드 각각 동안에 방전 및 충전 사이클이 일어날 것이다. 배터리 건전 상태, 배터리 충전 상태 및 배터리 온도의 관리는 전력이 주행 동안에 중단될 수 없을 때 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차 적용에서 중요하다. 그리고, 상이한 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에서의 상이한 배터리 타입, 전압 및 전력 요건은 상이한 배터리 관리 시스템을 필요로 할 수 있다. 이에 따라, 배터리 전력 공급 시스템 프레임워크(framework)는 배터리 타입, 전력 요건 및 자동차 작동 전압의 차이로 인하여 하나의 자동차 디자인과 다른 자동차 디자인 간에 전체적으로 상이할 수 있다. 때때로, 배터리 팩의 충전 및 교체 시간은 사용자에게 일시적 중단을 일으킬 수 있다. 고장난 배터리 팩은 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에 바로 오작동을 야기시킬 수 있다.
통상적으로, 배터리 팩(또는 셀)은 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차 모터 및 그밖의 보조 시스템에 고전압 및 고전류를 제공하기 위해 직렬로 연결되어 배터리 팩 어셈블리(BPA)를 형성한다. 배터리 팩 또는 셀이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 충전 및 방전 전류는 각 배터리 팩(또는 셀)을 통해 동시에 흐를 것이다. 이는 개개의 배터리 팩(또는 셀) 특징들의 균형을 유지시키는데 있어 문제점을 야기시킨다. 통상적인 배터리 관리 시스템은 배터리 간의 직렬 연결로 인하여 복잡한 배터리 관리 디자인을 통해 개개의 배터리 팩(셀)의 충전 상태, 건전 상태 및 배터리 온도를 감지한다. 개개의 배터리 팩(또는 셀)은 감지된 배터리 팩(또는 셀) 상태에 따라, 직렬 연결된 배터리 팩(또는 셀)과 연결되고(ON) 직렬 연결된 배터리 팩(또는 셀)으로부터 연결이 끊기도록(OFF) 스위칭될 것이다. 그 결과, BPA 출력 전압은 변동한다. 이는 모터 드라이버(motor driver) 및 관련된 회로에 대한 불안정성 문제를 야기시킬 것이다. 이에 따라, DC/DC 변환기는 변동하는 BPA 출력 전압을 모터 드라이버 및 관련된 회로를 위한 안정한 전압 공급으로 변환시키기 위해 사용될 것이다. 그러나, DC/DC 변환기는 고전압 및 고전류 상태에서 작동해야 한다. DC/DC 변환기에서의 고전력 소산은 일반적으로 전체 시스템의 신뢰성을 떨어뜨린다. 이러한 시스템은 DC/DC 변환기가 고장날 때마다 정지될 것이다. 또한, 배터리 팩 어셈블리(BPA) 전력은 상이한 부하 요건과 매칭시키기 위해 쉽게 증가되거나 감소되지 못할 수 있다. 또한, 방전된 배터리(dead battery) 팩 또는 셀은, 배터리 팩 어셈블리(BPA)가 자동차로부터 분해될 때까지 교체되지 못할 수 있다.
이에 따라, 당해 분야에서 배터리 불균형 및 방전된 셀 문제점을 해결하기 위하여 무정지형 특성을 갖는 개선된 배터리 관리 시스템이 요구되고 있다. 또한, 전력 버스 전압, 전력 출력 용량, 및 배터리의 갯수의 변화와 같은 추가적인 특징을 달성하는 것이 요망된다.
상기 배경기술의 기술은 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템을 이해하는데 도움을 주기 위해 제공된 것으로서, 본 발명에 기술되는 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템에 대한 적절한 종래 기술을 기술하거나 구성하는 것으로 인정되지 않는다.
본 발명은 복수의 배터리를 관리하고 로드를 구동시키기 위한 모듈러 배터리 관리 시스템에 관한 것이다. 일 양태에서, 본 시스템은 복수의 배터리 관리 제어 모듈; 각각 배터리에 연결되고 배터리 관리 제어 모듈에 연결되며, 서로 병렬로 연결되는 복수의 양방향 전압 변환기 모듈; 및 각각 양방향 전압 변환기 모듈과 병렬로 연결되고 로드에 연결되는 복수의 에너지 저장소 모듈을 포함한다. 양방향 전압 변환기 모듈은 전기 에너지를 배터리에서 로드로, 또는 에너지 저장소 모듈에서 배터리로 전달하도록 구성된다. 배터리 관리 제어 모듈은 각 배터리의 상태 정보를 기초로 하여 사전결정된 프로그램을 실행시키고 양방향 전압 변환기 모듈을 제어하도록 구성된다.
에너지 저장소 모듈은 커패시터, 수퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 플라이휠 또는 임의의 형태의 재생 가능한 전기 에너지 저장소 부품일 수 있다.
양방향 전압 변환기 모듈은, 에너지 저장소 모듈 상의 전압이 사전결정된 수치를 초과할 때 배터리를 충전하기 위해 전기 에너지를 에너지 저장소 모듈에서 배터리로 전달하도록 구성될 수 있다.
양방향 전압 변환기 모듈은 각각 제 1의 복수의 스위치를 통해 배터리에 연결될 수 있다. 에너지 저장소 모듈은 각각 제 2의 복수의 스위치를 통해 양방향 전압 변환기 모듈과 병렬로 연결된다. 로드는 제 3 스위치를 통해 에너지 저장소 모듈에 연결된다. 제 1의 복수의 스위치, 제 2의 복수의 스위치 및 제 3 스위치는 배터리 관리 제어 모듈에 의해 제어된다.
배터리 관리 제어 모듈은 제 1의 복수의 스위치 중 하나 및 상기 스위치와 연결된 양방향 전압 변환기 모듈을 동시에 작동하지 못하도록 구성될 수 있다.
모듈러 배터리 관리 시스템은 각각 배터리에 연결되고 배터리 관리 제어 모듈에 연결되며 각 배터리의 상태를 모니터링하고 각 배터리의 상태 정보를 배터리 관리 제어 모듈에 전송하도록 구성된 복수의 배터리 상태 모니터링 모듈을 추가로 포함할 수 있다. 배터리 상태 모니터링 모듈 및 양방향 전압 변환기 모듈은 제어 버스를 통해 배터리 관리 제어 모듈에 연결된다.
하나의 배터리 관리 제어 모듈이 실제로 작동을 멈출 때, 다른 배터리 관리 제어 모듈은 배터리 관리 제어 모듈의 기능을 재개하도록 구성될 수 있다.
배터리 관리 제어 모듈은 사용자로부터의 지시를 기초로 하여 양방향 전압 변환기 모듈의 출력 전압 수전을 조정하도록 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템의 개략적 시스템 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템의 개략적 회로도이다.
하기에는 본 발명에 기술된 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템의 바람직한 구체예들을 참조로 하여 상세히 기술될 것이며, 또한 이의 예들이 하기 상세한 설명에 제공될 것이다. 본 발명에 기술되는 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템의 대표적인 구체예가 상세히 기술되지만, 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템의 이해를 위해 특별히 중요하지 않는 몇몇 특징부들을 명료하게 나타내기 위해 명시하지 않을 수 있다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에 기술된 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템이 하기 기술된 정확한 구체예들로 한정되지 않으며 보호 사상 또는 범위를 벗어나지 않으면서 여러 개량 및 변경이 당업자에 의해 달성될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 예를 들어, 상이한 예시적 구체예들의 구성요소 및/또는 특징들은 본 발명의 범위 내에서 서로 합쳐지고/거나 서로 치환될 수 있다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템의 개략적 시스템 블록도이다. 도 2는 도 1에 도시된 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템의 개략적 회로도이다. 도 1 및 도 2를 참조로 하여, 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템은 복수의 배터리 상태 모니터링 모듈(201, 202, ... , 2On), 복수의 양방향 DC/DC 변환기 모듈(401, 402, ... , 4On), 복수의 에너지 저장소 모듈(1401, 1402, ..., 14On), 복수의 배터리 관리 제어 모듈(1201, ... , 12On) 및 복수의 배터리 팩(또는 셀)(101, 102, ... , 1On)을 포함한다. 각 배터리 팩(또는 셀), 예를 들어 101, 102, ... , 1On은 개별적으로 전용 배터리 상태 모니터링 모듈에 연결되고, 이후에 복수의 스위치(301, 302, ... , 30n)를 통해 양방향 DC/DC 변환기(예를 들어, 401, 402, ... , 4On)에 연결된다. 이러한 조합은 배터리 전력 변환 모듈(BPCM)이라 불리워진다. 각 배터리 팩(또는 셀)은 다른 배터리 팩(또는 셀)으로부터 분리되어 있다. 이러한 토폴로지(topology)는 통상적인 배터리 관리 시스템에서 직렬로 연결된 배터리와는 상이하다. 양방향 DC/DC 변환기 출력부는 부하 전류를 제공하기 위한 전체 출력 전류 용량을 증가시키기 위해 병렬로 연결된다.
배터리 팩은 모든 종류의 배터리를 포함할 수 있는데, 이는 납-산 배터리, 니켈-금속 하이드라이드 배터리, 니켈-카드뮴 배터리, 리튬-이온 배터리, 리튬-폴리머 배터리, 제브라(Zebra) Na/NiCl2 배터리, NiZn 배터리, 리튬 철 포스페이트 배터리, 페로우스(Ferrous) 배터리, 또는 임의의 형태의 전기적 재충전 가능한 에너지 저장소 부품일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
본원에서 사용되는 에너지 저장소(ES) 모듈은 전기 에너지 저장소 부품을 칭하는 것으로서, 이는 커패시터, 수퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 플라이휠, 또는 임의의 형태의 재생 가능한 전기 에너지 저장소 부품일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 이러한 구체예에서, 도 1을 참조로 하여, 에너지 저장소 모듈은 커패시터(1401, ... , 14On)로서, 이는 각각 스위치(501, ... , 50n)를 통해 모든 양방향 DC/DC 변환기 모듈에 연결된다.
본원에서 사용되는 양방향 DC/DC 변환기 모듈은 에너지 저장소(ES) 모듈에서 배터리 팩(또는 셀)로 에너지를 충전하거나 배터리 팩(또는 셀)에서 에너지 저장소(ES) 모듈 및 상기 에너지 저장소 모듈과 연결된 로드(load)로 에너지를 변환시키도록 작동할 수 있는 전기적 구조물을 칭하는 것이다.
양방향 DC/DC 변환기 출력부, 에너지 저장소 모듈 및 로드 간의 연결부는 소위 전력 버스(power bus)라고 칭한다. 전기 전류는 전력 버스에서 로드로 흐를 수 있다. 부하 전류는 양방향 DC/DC 변환기 출력부 사이로 분배될 것이다. 양방향 DC/DC 변환기 모듈은 분리형 또는 비-분리형일 수 있고 배터리 전압을 요망되는 부하 전압 수준으로 변환시키도록 구성된다. 이에 따라, 부하 전압은 통상적인 배터리 관리 시스템에서의 직렬 연결된 배터리의 단부 극전압 대신에 양방향 DC/DC 변환기 출력 전압 셋팅에 의해 결정된다. 다른 한편으로, 양방향 DC/DC 변환기 모듈은, 에너지 저장소 모듈에 충분한 에너지가 저장될 때 배터리를 충전시킬 수 있다. 이는 통상적인 배터리 관리 시스템에서의 배터리 팩(또는 셀) 불균형 문제를 해결할 수 있다.
배터리 상태 모니터링(BSM) 모듈(201, 202, ... , 2On)은 배터리 상태 정보를 양방향 DC/DC 변환기 모듈 및 배터리 관리 제어(BMC) 모듈(1201, ... , 12On)에 제공하도록 구성된다. BMC 모듈은 제어 명령을 개개의 작동 상태마다 각 배터리 전력 변환 모듈(BPCM)로 전송하도록 구성된다. 예를 들어, 배터리 에너지는 양방향 DC/DC 변환기 모듈을 통해 배터리에서 전력 버스로 전달될 수 있으며, 배터리는 양방향 DC/DC 변환기 모듈을 통해 배터리를 충전하기 위해 전력 버스로부터 에너지를 수용할 수 있으며, 배터리 팩은 사용 불가능하게 되거나 시스템으로부터 연결이 끊어질 수 있으며, 배터리는 시스템으로부터 제거될 수 있으며, 추가 배터리 전력 변환 모듈(BPCM)이 시스템에 추가될 수 있다. 동시에, BMC 프로그램에서 실행되는 알고리즘에 따라, 일부 배터리 팩(또는 셀)은 방전 사이클(전력 전달(delivering power))을 진행할 수 있으며, 일부 다른 배터리는 충전 사이클(전력 수용(receiving power))을 진행할 수 있으며, 또다른 일부 배터리는 시스템으로부터 연결이 끊어질 수 있다.
배터리 팩(셀)은 완전 충전된, 불안전한 또는 방전된 상태(dead condition) 중 하나의 상태 하에서 연결이 끊어질 수 있다. 배터리 중 하나가 시스템으로부터 제거되는 것이 요구되는 경우에, 배터리 상태 모니터링(BSM) 모듈은 BSM 모듈 패널 상 및 BMC 모듈에 복구 신호를 활성화시킬 것이다. 완전 충전된 배터리 팩(셀)은 BMC 모듈의 제어 하에서 BPCM으로 역으로 연결될 것이다. 불안전한 배터리 팩(또는 셀)은 불안전한 상태가 제거되는 경우에 BMC 모듈의 제어 하에서 BPCM에 역으로 연결된다.
사용자는 모듈러 배터리 관리 시스템으로부터 배터리를 제거할 수 있다. 마찬가지로, 사용자는 모듈러 배터리 관리 시스템에 교체 배터리를 설치하고 이후에 배터리 관리 시스템(BMS) 제어 버스를 통해 배터리 관리 제어(BMC) 모듈의 정보를 제공하기 위하여 배터리 상태 모니터링 모듈을 활성화시킬 수 있다. 새로운 배터리가 시스템에 설치되는 경우에, 추가 BSM 및 양방향 DC/DC 변환기가 요구된다. 새로운 또는 교체 배터리는 모듈러 배터리 관리 시스템(MBMS)의 일부가 될 것이다. 이러한 기술과 관련하여, 사용자는 중대한 시스템 디자인 변경 없이 추가의 배터리 전력 변환 모듈(BPCM)을 추가하거나 요망되는 경우에 배터리 팩(셀)을 시스템으로부터 제거함으로써 모듈러 배터리 관리 시스템(MBMS) 출력 전력을 증가시킬 수 있다.
배터리(또는 셀)의 전력 밀도는 또한 MBMS 출력 전력을 증가시킬 수 있다. 에너지 저장소 모듈은 전력 버스에 병렬로 연결된다. 에너지 저장소 모듈은 짧은 시간(예를 들어, 10 내지 20분) 내에 고에너지로 충전될 수 있는 에너지 저장소 디바이스이다. 에너지 저장소 모듈은 서지 부하 전류(surge loading current) 및 돌입 충전 전류(in-rush charging current)를 위한 버퍼(buffer)로서 제공된다. 에너지 저장소 모듈 상의 전압이 미리 셋팅된 값(preset value)을 초과할 때, 배터리 관리 제어(BMC) 모듈은 BMS 제어 버스를 통해 배터리 팩(또는 셀)을 충전하기 위해 양방향 DC/DC 변환기 모듈을 지시할 것이다. 충전 동안에, ES 모듈은 배터리 팩을 개별적으로 또는 한번 모두 또는 무작위적으로 충전하기 위해 프로그래밍될 수 있다.
배터리 관리 제어(BMC) 모듈은 상이한 운송수단/자동차 요건, 예를 들어 상이한 전압 수준, 상이한 배터리 팩(또는 셀) 특징, 및 상이한 부하 전류 요건을 충족시키기 위해 상이한 알고리즘을 수행하도록 프로그래밍될 수 있는 프로그래밍 가능한 유닛이다. 개개의 BMC 모듈은 BMS 제어 버스를 모니터링하도록 구성된다. BMC 모듈이 고장 상태에 놓이자 마자, 다른 BMC 모듈이 시스템을 정지시키지 않으면서 이러한 제어를 이어받을 것이다.
고장 이중화(fault redundant) 특징 이외에, 배터리 관리 제어 모듈은 등판(hill climbing)을 위해 추가적인 토크가 요구되는 동안에 모터(DC 또는 AC)의 토크를 증가시키기 위하여 양방향 DC/DC 변환기 모듈의 출력 전압 수준을 특정 범위 내로 조정할 수 있다. 이에 따라, 이는 전기적 토크 제어(ETC)로서 제공될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조로 하여, 모듈러 배터리 관리 시스템은 이중화 토폴로지(redundant topology)를 기초로 한다. 이에 따라, 배터리 전력 변환 모듈(BPCM)의 제 1 스테이지에 대한 상세한 설명은 여기에서 설명되며, 이는 n이 양의 정수인 n번째 스테이지까지 시스템을 커버하도록 확장될 수 있다.
제 1 배터리 전력 변환 모듈(BPCM) 스테이지 구조는 배터리(101)를 포함하는데, 이는 양극(+), 음극(-), 및 배터리 온도 신호(1101)를 갖는다. 배터리(101)는 BSM 모듈(201)에 연결된다. BSM(201)은 배터리 상태, 예를 들어, 충전 상태, 건전 상태, 배터리 온도 및 충전 조건/상태를 모니터링하고 이러한 정보들을 신호 통로(601)를 통해 배터리 관리 시스템(BMS) 제어 버스(1)로 피드백하는 전기 회로이다. BSM 제어 버스(1)로부터의 제어 신호(801)는 LED, 디스플레이 패널 또는 램프와 같은 상태 표시 디바이스에 의해 충전 배터리, 방전 배터리, 방전된 배터리일 수 있는 배터리 작동 상태를 디스플레이하기 위해 사용될 것이며, 이는 양방향 DC/DC 변환기에 연결되거나 양방향 DC/DC 변환기로부터 연결이 끊긴다. 배터리(101)의 출력 전압은 스위치(301)에 연결된다. 스위치(301)는 전기적 활성화된 스위치인데, 이는 BSM 모듈(201)과 양방향 DC/DC 변환기(401) 간의 전기적 연결을 제어하기 위해 사용된다. 스위치(301)는 제어 신호(901)에 의해 전기적으로 제어되는데, 이러한 신호는 배터리 관리 제어(BMC) 모듈(1201, ... , 12On)로부터 전송된다. 스위치(301)는 유지 또는 점검 동안에 수작업으로 작동하지 않게 할 수 있다. 이는 유지 또는 점검 동안에 전기적 위험 요소를 방지하기 위한 것이다. 또한, 신호(901)는 양방향 DC/DC 변환기(401)의 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태를 제어한다. 스위치(301)가 신호(901)에 의해 또는 수작업 스위칭에 의해 작동되지 않는 경우에, 양방향 DC/DC 변환기(401)는 동시에 작동하지 못할 것이다. 양방향 DC/DC 변환기(401)는 유지 또는 점검 동안에 제어 신호(1001)에 의해 작동하지 못할 수 있다.
배터리(101)의 온도 신호(1101)는 또한 양방향 DC/DC 변환기(401)에 연결된다. 양방향 DC/DC 변환기 모듈(401)은 신호(1101)에 따라 충전 또는 방전 전류를 조정할 것이다. 양방향 DC/DC 변환기 모듈의 상이한 수준들 간의 전류 분포는 전류 분배 신호 버스(current sharing signal bus)(6)를 통해 제어되는데, 이는 아날로그 또는 디지털 신호 버스일 수 있다. 전류 분배 신호 버스(6)는 양방향이다. 양방향 DC/DC 변환기 모듈(401)은 양방향이고 전류 분배 신호 버스(6)에 연결되는 전류 분배 신호 출력부를 갖는다. 다른 양방향 DC/DC 변환기 모듈의 전류 분배 신호 출력부는 전류 분배 신호 버스(6)에 연결된다. 양방향 DC/DC 변환기 모듈(401)은 전류 분배 신호 버스(6)의 전압 수준 또는 디지털 신호에 따라 이의 출력 전류를 조정할 것이다. 전류 분배 신호 버스(6)의 전압 수준 또는 디지털 정보는 각 양방향 DC/DC 변환기 모듈에 대한 평균 부하 전류를 나타낸다. 양방향 DC/DC 변환기(401)는 양방향 버스(701)를 통해 BSM 제어 버스와 소통할 것이다. 양방향 DC/DC 변환기 모듈의 출력부는 전력 버스(2)에 연결된다. 전력 버스(2)는 에너지 저장소 모듈(1401 내지 최대 140n), 모터 제어기(3)(이는 단일이거나 다수일 수 있음), 내부 충전 회로(4) 및 외부 충전 회로(5)를 연결한다. 에너지 저장소 모듈(1401 내지 14On)은 각각 스위치(501 내지 50n)를 통해 전력 버스(2)에 연결된다. 스위치(501 내지 50n)는 각각 제어 신호(1301 내지 130n)를 통해 BMC 모듈에 의해 전기적으로 제어된다. 에너지 저장소 모듈 활성의 횟수는 BMC에 내장된 프로그램에 의해 제어된다. 에너지 저장소 모듈(1401 내지 14On)은 충전 및 방전 동안에 에너지 버퍼를 제공하도록 구성된다. 충전 모드에서, 이는 외부 충전 회로, 회생제동력 및 내부 전기 발생기(들)로부터의 에너지를 저장할 것이다. 이러한 에너지는 배터리(101)를 각각 양방향 DC/DC 변환기 모듈(401 내지 40n)을 통해 역으로 충전하기 위해 사용될 것이다. 방전 모드에서, 이는 모터 제어기에 전력 및 에너지를 제공할 뿐만 아니라 양방향 DC/DC 변환기 모듈(401 내지 40n)이 과부화되지 않도록 서지 부하 상태를 제공할 것이다. 배터리 관리 제어(BMC) 모듈(1201 내지 120n)은 이중화 토폴로지로 연결되고 프로그래밍된다.
임의의 BMC 모듈이 고장난 경우에, 다른 BMC 모듈이 고장 모듈의 기능을 끊김없이 재개할 것이다. BMC 모듈은 양방향 소통 버스(1501 내지 150n)를 통해 BMS 제어 버스(1)에 연결된다.
스위치(301 내지 30n, 7, 8 및 9)는 BMS 제어 버스를 통해 배터리 관리 제어 모듈(1201 내지 120n)에 의해 제어된다. 자동차가 주차되었을 때, 스위치(301 내지 30n, 7, 8, 및 9)는 꺼진다. 자동차가 주행 상태 이전에 시동을 걸 때, 스위치(7 및 8)는 켜질 것이다. 스위치(8)는, 배터리(또는 셀) 충전이 요구되지 않는 경우에 꺼질 것이다. 외부 충전이 요구되는 동안에, 스위치(9)는 켜질 것이며 스위치(7 및 8)는 꺼질 것이다. 이는 외부 충전 동안에 모터 제어기(3) 및 내부 전기 발생기(들)(4)에 전기적 오버-스트레스(electrical over-stress)를 방지하기 위한 것이다. 모터 제어기 또는 전기 발생기(들)가 스트레스를 견딜 수 있도록 디자인되는 경우에, 스위치(7 및 8)는 켜질 수 있다.
도 2를 참조로 하여, 이러한 회로 실행에서, 배터리 상태 모니터링 모듈 어셈블리(201, 201,...2On)는 시스템의 통합부를 형성한다. 버스 A 커넥터는 BMS 제어 버스에 연결된다. 연결/차단 스위치 및 양방향 DC/DC 변환기 모듈은 시스템의 통합부인 양방향 DC/DC 변환기 어셈블리를 형성한다. 버스 B 커넥터는 BMS 제어 버스에 연결된다. 배터리 상태 모니터링 모듈 어셈블리 및 양방향 DC/DC 변환기 어셈블리는 BMS 제어 버스에 연결된다. 양방향 DC/DC 변환기 어셈블리의 출력부는 DC 전력 버스(2)에 서로 병렬로 연결된다. 마찬가지로, 배터리 관리 제어 모듈은 개개의 버스 A 및 버스 B 커넥터를 통해 BMS 제어 버스에 연결된다. 버스 C 커넥터는 자동차 신호 인터페이스(10)와 배터리 관리 제어 모듈(1201, ... , 12On) 사이에 BMS 제어 버스를 통해 인터페이스를 제공한다. 자동차 신호 인터페이스(10)는 에너지 저장 모듈, 외부 충전 회로 및 외부 충전 회로에 대한 제어 인터페이스이다.
상술된 구체예에서, 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템은 모든 모듈 수준에서 다수의 이중화(multiple redundancy)를 특징으로 한다. 이러한 이중화 특징은 병행 유지보수 작업을 가능하게 하고 다단계 무정지형을 제공한다. 이에 따라, 모듈러 배터리 관리 시스템은 개선된 신뢰성 및 이용가능성을 갖는다. 또한, 모듈러 디자인 프레임워크로 인하여, 모든 수준에서의 모듈은 경제적으로 제작될 수 있다.
상술된 구체예에서, 개개의 부품 또는 모듈은 시스템 유용성에 대한 중단 없이 MBMS로부터 제거되거나 이에 부가될 수 있다. 배터리 팩(또는 셀)은 시스템 유용성에 대한 중단 없이 MBMS로부터 제거되거나 이에 부가될 수 있다. BSM은 시스템 유용성에 대한 중단 없이 MBMS로부터 제거되거나 이에 부가될 수 있다. 양방향 DC/DC 변환기 모듈은 시스템 유용성에 대한 중단 없이 MBMS로부터 제거되거나 이에 부가될 수 있다. 에너지 저장소 모듈은 시스템 유용성에 대한 중단 없이 MBMS로부터 제거되거나 이에 부가될 수 있다. BMC 모듈은 시스템 유용성에 대한 중단 없이 MBMS로부터 제거되거나 이에 부가될 수 있다.
상술된 구체예에서, MBMS는 EV 또는 HEV 또는 배터리 작동 기계/장비에 대한 프레임워크를 제공한다. 이러한 프레임워크는 상이한 배터리 타입, 전력 버스 전압 및 출력 전력 요건에 대해 사용될 수 있다. BSM 및 양방향 DC/DC 변환기 모듈은 특정 적용에서 단일 모듈(또는 유닛)로서 결합될 수 있다. 배터리 팩(또는 셀)은 통상적인 시스템에 직렬 연결되는 대신에 개별적으로 작동된다. 무정지형 모듈러 배터리 관리 시스템은 직렬로 연결된 통상적인 배터리 팩에서 존재하는 배터리 팩(또는 셀) 불균형 문제를 해결한다. 전력 버스에 대한 출력 전압은 직렬 연결된 배터리 팩(또는 셀)의 갯수 대신에 양방향 DC/DC 변환기 모듈에 의해 결정된다. 일부 배터리 팩(또는 셀)이 출력 전력을 제공하지 못할 때, 나머지 배터리 팩(또는 셀)은 모터 구동 회로를 작동시키기 위해 정격 전압에서 제한된 출력 전력을 제공할 수 있다. 출력 전력은 개개의 양방향 DC/DC 변환기 출력 전류의 총합에 의해 제공된다.
상술된 구체예에서, 충전 모드 동안에, 에너지는 에너지 저장소(ES) 모듈(들)에 직접적으로 충전된다. 이는 충전 사이클을 가속시킬 수 있다. 에너지 저장소(ES) 모듈(들)에서의 저장된 에너지는 이후에 양방향 DC/DC 변환기 모듈을 통해 배터리 팩(또는 셀)을 충전시킨다. MBMS에서의 배터리 팩(또는 셀)은 상이한 작동 모드에서 동시에 작동할 수 있다. 이는 배터리 방전, 배터리 충전, 배터리가 MBMS에 연결된 상태 및 배터리가 MBMS로부터 연결이 끊긴 상태를 포함한다. 개개의 배터리 팩(또는 셀)은 BMC 모듈에 의해 방전 또는 충전 모드에서 프로그래밍될 수 있다. 자동차 구동 모드 동안에, 내부 전기 발생기, 회생제동 및 그밖의 전력 발생 디바이스에 의해 공급된 에너지는 에너지 저장소(ES) 모듈(들) 및 양방향 DC/DC 변환기 모듈(들)을 통해 일부 또는 모든 배터리 팩(또는 셀)을 충전시킬 수 있다. 이는 자동차 이동 거리의 범위를 확장시킨다. 배터리 수명이 연장될 수 있다. MBMS 출력 용량은 배터리 전력 변환 모듈(BPCM)의 부가에 의해 증가될 수 있다. MBMS 출력 용량은 배터리 팩(또는 셀), 또는 배터리 전력 변환 모듈(BPCM)의 제거에 의해 줄어들 수 있다. MBMS 출력 전압은 양방향 DC/DC 변환기 출력 전압의 조정에 의해 조정될 수 있다. BMC 모듈에 내장된 제어 알고리즘은 개개의 배터리 팩 충전, 방전, 및 MBMS로부터의 차단을 위해 프로그래밍될 수 있다. BMC 모듈 내측의 제어 알고리즘은 상이한 배터리 특징, 예를 들어 니켈-금속 하이드라이드 NiHM, 리튬-이온 Li 이온, 리튬-이온 폴리머 등에 대해 프로그래밍될 수 있다. BMC 모듈은 BMC 디스플레이 패널을 통해 드라이버와 결합될 수 있다. 배터리 충전 및 방전 상태, 나머지 에너지 수준, 배터리 유지보수 정보를 위한 경보는 BMC 디스플레이 패널에 의해 제공될 수 있다.
상술된 구체예에서, 배터리는 상이한 타입들의 결합일 수 있다. 예를 들어, 납-산 및 리튬 배터리는 시스템에서 동시에 작동할 수 있다. 리튬 배터리의 고 전력 밀도 및 납-산 배터리의 딥 사이클 방전(deep cycle discharge)의 특징이 보다 긴 구동 범위에 기여할 수 있다.
본 특허 출원은 여러 구체예들을 참조로 하여 도시되고 기술되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 여러 개량 및 변경이 이루어질 수 있는 것으로 인식될 것이다.

Claims (22)

  1. 복수의 배터리 관리 제어 모듈;
    각각 배터리에 연결되고 배터리 관리 제어 모듈에 연결되며, 서로 병렬로 연결되는 복수의 양방향 전압 변환기 모듈;
    각각 양방향 전압 변환기 모듈과 병렬로 연결되고 로드에 연결되는 복수의 에너지 저장소 모듈; 및
    각각 배터리에 연결되고, 배터리 관리 제어 모듈에 연결되고, 각 배터리의 상태를 모니터링하고 각 배터리의 상태 정보를 배터리 관리 제어 모듈로 전송시키도록 구성된 복수의 배터리 상태 모니터링 모듈을 포함하며,
    양방향 전압 변환기 모듈이 전기 에너지를 배터리에서 로드로, 또는 에너지 저장소 모듈에서 배터리로 전달하도록 구성되며,
    배터리 관리 제어 모듈이 각 배터리의 상태 정보를 기초로 하여 사전결정된 프로그램을 실행시키고 양방향 전압 변환기 모듈을 제어하도록 구성된, 복수의 배터리를 관리하고 로드를 구동시키기 위한 모듈러 배터리 관리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 에너지 저장소 모듈이 커패시터, 수퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 플라이휠, 또는 임의의 형태의 재생 가능한 전기 에너지 저장소 부품인 모듈러 배터리 관리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 양방향 전압 변환기 모듈이, 에너지 저장소 모듈 상에서의 전압이 사전결정된 수치를 초과할 때 배터리를 충전하기 위하여, 전기 에너지를 에너지 저장소 모듈에서 배터리로 전달하도록 구성된 모듈러 배터리 관리 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 양방향 전압 변환기 모듈이 각각 제 1의 복수의 스위치를 통해 배터리에 연결되며, 에너지 저장소 모듈이 각각 제 2의 복수의 스위치를 통해 양방향 전압 변환기 모듈과 병렬로 연결되며, 로드가 제 3 스위치를 통해 에너지 저장소 모듈에 연결되며, 제 1의 복수의 스위치, 제 2의 복수의 스위치 및 제 3 스위치가 배터리 관리 제어 모듈에 의해 제어되는, 모듈러 배터리 관리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 배터리 상태 모니터링 모듈 및 양방향 전압 변환기 모듈이 제어 버스를 통해 배터리 관리 제어 모듈에 연결되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 하나의 배터리 관리 제어 모듈이 실제로 작동을 멈출 때, 다른 배터리 관리 제어 모듈이 배터리 관리 제어 모듈의 기능을 재개하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 배터리 관리 제어 모듈이 사용자로부터의 지시를 기초로 하여 양방향 전압 변환기 모듈의 출력 전압 수준을 조정하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  8. 제 4항에 있어서, 배터리 관리 제어 모듈이 제 1의 복수의 스위치 중 하나 및 상기 스위치와 연결된 양방향 전압 변환기 모듈을 동시에 작동하지 못하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  9. 복수의 배터리 관리 제어 모듈;
    각각 제 1의 복수의 스위치를 통해 배터리에 연결되고 배터리 관리 제어 모듈에 연결되며, 서로 병렬로 연결된 복수의 양방향 전압 변환기 모듈;
    각각 양방향 전압 변환기 모듈과 병렬로 연결되고 로드에 연결된 복수의 에너지 저장소 모듈; 및
    각각 배터리에 연결되고, 배터리 관리 제어 모듈에 연결되고, 각 배터리의 상태를 모니터링하고 각 배터리의 상태 정보를 배터리 관리 제어 모듈로 전송시키도록 구성된 복수의 배터리 상태 모니터링 모듈을 포함하며,
    양방향 전압 변환기 모듈이 전기 에너지를 배터리에서 로드로, 또는 에너지 저장소 모듈에서 배터리로 전달하도록 구성되며,
    배터리 관리 제어 모듈이 각 배터리의 상태 정보를 기초로 하여 사전결정된 프로그램을 실행하고 양방향 전압 변환기 모듈 및 제 1의 복수의 스위치를 제어하도록 구성된, 복수의 배터리를 관리하고 로드를 구동시키기 위한 모듈러 배터리 관리 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 에너지 저장소가 커패시터, 수퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 플라이휠, 또는 임의의 형태의 재생 가능한 전기 에너지 저장소 부품인 모듈러 배터리 관리 시스템.
  11. 제 9항에 있어서, 양방향 전압 변환기 모듈이, 에너지 저장소 모듈 상의 전압이 사전결정된 수치를 초과할 때 배터리를 충전하기 위하여, 전기 에너지를 에너지 저장소 모듈에서 배터리를 전달하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  12. 제 9항에 있어서, 배터리 관리 제어 모듈이 제 1의 복수의 스위치 중 하나 및 상기 스위치와 연결된 양방향 전압 변환기 모듈을 동시에 작동하지 못하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  13. 제 9항에 있어서, 배터리 상태 모니터링 모듈 및 양방향 전압 변환기 모듈이 제어 버스를 통해 배터리 관리 제어 모듈에 연결되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  14. 제 13항에 있어서, 하나의 배터리 관리 제어 모듈이 실제로 작동을 멈출 때, 다른 배터리 관리 제어 모듈이 배터리 관리 제어 모듈의 기능을 재개하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  15. 제 9항에 있어서, 배터리 관리 제어 모듈이 사용자로부터의 지시를 기초로 하여 양방향 전압 변환기 모듈의 출력 전압 수준을 조정하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  16. 복수의 배터리 관리 제어 모듈;
    각각 배터리에 연결되고, 배터리 관리 제어 모듈에 연결되고, 각 배터리의 상태를 모니터링하고 각 배터리의 상태 정보를 배터리 관리 제어 모듈로 전송하도록 구성된 복수의 배터리 상태 모니터링 모듈;
    각각 제 1의 복수의 스위치를 통해 배터리에 연결되고 배터리 관리 제어 모듈에 연결되며, 서로 병렬로 연결되는 복수의 양방향 전압 변환기 모듈; 및
    각각 제 2의 복수의 스위치를 통해 양방향 전압 변환기 모듈과 병렬로 연결되고 제 3 스위치를 통해 로드에 연결되는 복수의 에너지 저장소 모듈을 포함하며,
    양방향 전압 변환기 모듈이 전기 에너지를 배터리에서 로드로, 또는 에너지 저장소 모듈에서 배터리로 전달하도록 구성되며;
    배터리 관리 제어 모듈이 각 배터리의 상태 정보를 기초로 하여 사전결정된 프로그램을 실행시키고 양방향 전압 변환기 모듈, 제 1의 복수의 스위치, 제 2의 복수의 스위치 및 제 3 스위치를 제어하도록 구성되며,
    배터리 상태 모니터링 모듈 및 양방향 전압 변환기 모듈이 제어 버스를 통해 배터리 관리 제어 모듈에 연결되는, 복수의 배터리를 관리하고 로드를 구동시키기 위한 모듈러 배터리 관리 시스템.
  17. 제 16항에 있어서, 양방향 전압 변환기 모듈이, 에너지 저장소 모듈 상의 전압이 사전결정된 수치를 초과할 때 배터리를 충전하기 위해, 전기 에너지를 에너지 저장소 모듈에서 배터리로 전달하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  18. 제 16항에 있어서, 배터리 관리 제어 모듈이 제 1의 복수의 스위치 중 하나 및 상기 스위치와 연결된 양방향 전압 변환기 모듈을 동시에 작동하지 못하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  19. 제 16항에 있어서, 배터리 관리 제어 모듈이 사용자로부터의 지시를 기초로 하여 양방향 전압 변환기 모듈의 출력 전압 수준을 조정하도록 구성되는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  20. 제 16항에 있어서, 에너지 저장소 모듈이 커패시터, 수퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 플라이휠, 또는 임의의 형태의 재생 가능한 전기 에너지 저장소 부품인 모듈러 배터리 관리 시스템.
  21. 제 5항에 있어서, 배터리 상태 모니터링 모듈이 충전 상태, 건전 상태, 배터리 온도 및 배터리의 충전 조건/상태를 모니터링하는 모듈러 배터리 관리 시스템.
  22. 제 1항에 있어서, 배터리 관리 제어 모듈이 양방향 DC/DC 변환기 모듈의 출력 전압 수준을 특정 범위 내로 조정할 수 있는 모듈러 배터리 관리 시스템.
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