KR20100072237A

KR20100072237A - 전지 밸런싱을 갖춘 다중-전지 에너지 저장 시스템용 충전 상태 계산기

Info

Publication number: KR20100072237A
Application number: KR1020107007508A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 제이. 프레데티
Original assignee: 유티씨 파워 코포레이션
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2010-06-30
Also published as: US8358136B2; WO2009038564A1; US20100171503A1; JP2010541520A; EP2212966A1; CN101803102A

Abstract

배터리 전지(C₁, C₂,...C_n)들의 직렬 연결된 하나 이상의 스트링(S₁, S₂, ...S_n)을 갖는 에너지 시스템(230)의 전류 또는 충전 상태(SOC)를 모니터링하기 위한 배열이 개시되어 있다. 배터리 전지는 스트링 내의 전지 전압을 밸런싱하기 위해 배터리 전지와 병렬로 선택적으로 연결 가능한 각각의 소산 소자(D₁, D₂,...D_n)를 각각 갖는다. 소산 소자는 미리 지정된 대체로 동일한 임피던스 수치를 갖는다. 각 전지 양단의 전압(V_c1, V_c2,...V_cn)은 별개로 모니터링될 수 있어서, 전지 양단의 모니터링된 전압을 전지와 병렬 연결된 소산 소자의 임피던스 수치로 분할함으로서 소산 전류가 결정된다. 모든 소산 전류의 합은 오차 수치를 산출하고, 결합된 배터리 전지 및 소산 소자를 통해 흐르는 측정된 총 전류(I_bat)로부터 이러한 오차 수치가 제거되어, 수정된 전류 수치(I_batnet)를 산출한다. 수정된 SOC 수치(Q_net)가 유사한 방식으로 얻어질 수 있다.

Description

전지 밸런싱을 갖춘 다중-전지 에너지 저장 시스템용 충전 상태 계산기 {STATE OF CHARGE CALCULATOR FOR MULTI-CELL ENERGY STORAGE SYSTEM HAVING CELL BALANCING}

본 발명은 미 공군에 의해 허여된 협약 FA8650-06-2-2601하에서 미국 정부의 지원하에 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 소정 권리를 갖는다.

본 발명은 전기 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 특히 전지 밸런싱을 갖는 다중-전지 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는 전지 밸런싱을 갖는 다중-전지 전기 에너지 저장 시스템의 충전 상태의 계산에 관한 것이다.

배터리 등과 같은 전기 에너지 저장 시스템 또는 간단히 에너지 저장 시스템은 다수의 상이한 사용에서 적용예가 있다. 그 예들은 특히 컴퓨터 등의 전력 백업 장치, 전동 모터용 전력을 포함하는 자동차 분야에 대한 에너지 저장 배터리, 연료 전지 등에 의해 과도 응답을 용이하게 하는 에너지 저장 시스템을 포함한다.

대부분의 이러한 에너지 저장 시스템은 로드에 전류를 공급할 뿐만 아니라, 다른 전류 소스로부터 재충전될 수 있다. 에너지 저장 시스템의 방전 및 충전 공정을 유지하기 위해, 에너지 저장 시스템의 충전 상태(state of charge: SOC)을 모니터링하는 것이 편리하거나 심지어 필요하다. 에너지 저장 시스템의 SOC를 알고 그리고/또는 트랙킹함으로써, 에너지 비축을 결정하거나 저장 시스템에 추가의 충전을 부가할 지를 결정하는 것이 가능해진다.

이러한 시스템의 SOC를 측정하고 그리고/또는 모니터링하는 다양한 수단 및 기법이 존재한다. 초기 SOC 레벨을 적어도 정확히 확립하기 위한 본 명세서에 개시되지 않은 별개의 기능이 하기의 설명에 내포되어 있으며, 본 개시의 요점은 에너지 저장 장치가 부하에 전류를 공급함으로써 방전되거나 또는 소스로부터 전류를 공급받아 충전될 때의 SOC의 정착한 트랙킹이다. 에너지 저장 시스템의 SOC의 공지 및/또는 제어는 유용하며, 상승 과도기 중에 부하에 필요한 전력을 제공하기에 너무 낮지 않고 하강 과도기 중에 부하로부터 충전 전류를 받기에 너무 높지 않다는 것을 확인하는 것이 유용하며 필요하다. 예를 들어, 60 내지 80% 충전의 공칭 SOC 범위 부근에서 작동함으로써, 과도기 중에 추가의 충전 또는 방전을 허용하는 것이 바람직할 수 있다.

도1은 연료 전지와 함께 사용되는 에너지 저장 시스템의 SOC를 모니터링하기 위한 종래 기술에 따른 간단한 배열의 일 실시예를 도시하고 있다. 연료 전지(10)는 부하(20)에 공급하기 위한 DC 전력을 발생시킨다. 연료 전지(10)는 전압 조절기로서 작동하는 DC 대 DC 변환기(22)를 거쳐 부하(20)에 연결된다. 부하(20)에 균일하고 충분한 전력 공급을 유지하기 위해, 특히 전기 부하 내의 변동에 의해 발생된 과도기 기간 중에, 재충전가능한 배터리(30)로 지시된 에너지 저장 시스템을 이용하여 보다 천천히 반응하는 연료 전지(10)를 보충하는 것이 바람직하다. 도시된 실시예에서 배터리(30)는 대략 28V_dc의 공칭 전압을 제공하며, 따라서, 각각 아마도 3V_dc의 보다 낮은 전압을 갖는 복수의 직렬 연결된 배터리 전지 C₁, C₂,...C_n의 스트링 S₁으로 구성된다. 적용예에 따라 예컨데 400V_dc 및 700 V_dc를 포함하는 다른 전압 레벨이 가능하다. 더욱이, 과도기 중에 연료 전지(10)를 보충하기 위한 필요한 전류/전력 용량을 제공하기 위해, 서로 병렬 연결된 배터리 전지들의 복수의 직렬 연결된 스트링 S₁, S₂,...S_n이 일반적으로 존재할 수 있다. 추가의 참조 및 명료성을 위해, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 연료 전지는 "연료 전지(fuel cell)"로 지칭되는 반면, 배터리 또는 에너지 저장 장치를 집합적으로 구성하는 개별 전지는 "배터리 전지" 또는 간단히 "전지"로 지칭된다.

배터리(30)의 전술한 구성만이 주어지면, 전류 센서 또는 모니터(36)를 통해 배터리를 빠져나가거나 배터리로 유입되는 방전 및 충전 전류 I_bat를 측정함으로써 배터리의 SOC를 모니터링하는 것은 비교적 간단한 문제이다. 전류 센서(36)는 배터리(30)와 직렬로 연결되며, 전류 I_bat의 크기 뿐만 아니라, 그 방향값 즉, 충전 대 방전을 측정할 수 있다. 충전 또는 방전이라는 전류의 특이한 변수가 주어지고, 정확한 SOC 레벨의 초기 측정을 가정하면, 가변 복잡성의 알고리즘을 통해 연속하고 진행중인 기준으로 SOC를 확립하는 것이 가능하다. 가장 간단한 의미에서, 전하 Q는 전류 I 와 시간 t 의 적분치 즉,

이다. 이는 통상적인 전류의 시간 적분 기법이며, 전류 I 는 배터리가 방전 또는 충전되는 지 여부에 따라 양 또는 음의 값(수치)를 갖는다. 이에 관련된 또 다른 실시예는 미국 특허 5,578,915호 및 5,739,670호에 개시되어 있다.

도1은 종래 기술의 개략적인 실시예를 도시하고 있으나, 아마도 보다 일반적인 배열은 배터리 전지의 일련의 스트링 내의 개별 전지의 전압을 밸런싱하기 위한 설비가 포함되어 있는 조립체이다. 복수의 전지가 직렬로 추가되었기 때문에, 각각의 전지를 통한 전류가 동일하다 하더라도, 각각의 전지의 품질 또는 "상태(health)"는 상이하며, 공칭 전압이 초기에 언급한 바와 같이 대략 3.0V인 상태에서 각각의 전지 양단의 전압은 대략 0.1V 내지 0.5V 또는 그 이상 변경될 수 있으므로, 이러한 필요성이 발생한다. 다른 공칭 전지 전압이 이용될 수 있으며, 개시된 의도 및 범주 내에 있다. 이러한 경우, 상태가 좋은 전지는 상태가 떨어지는 전지를 "감당함으로써(carrying)" 스트레스를 받을 수 있다. 따라서, 각각의 전지가 거의 동일한 전압에서 작동되는 것이 바람직하며, 이는 종래 기술에 따라 도2에 나타난 공지된 전지 밸런싱 기법에 의해 달성된다.

도2를 참조하면, 도1의 구성요소와 동일한 참조번호가 두개의 구성에서 동일한 구성요소이거나 대체로 동일한 구성요소에 대해서 도2에서 사용된다. 그러나, 일부 기능적으로, 구성적으로 또는 구조적으로 차이가 있는 경우에, 도2의 구성요소는 도1의 구성요소와 유사함에도 불구하고, 동일한 참조번호를 부여하되 참조번호 앞에 "1"이 선행한다. 이러한 간단한 설명은 종래 기술의 도2의 실시예의 문자, 구조 및/또는 기능에서의 차이점을 강조하며, 도1에 대해 제공된 설명의 반복을 최소화한다.

도2의 배터리(130)는 도1의 배터리(30)와 유사하나, 각각의 선택적으로 작동가능한 스위치 SW₁, SW₂,...SW_n을 거쳐 개별 배터리 전지 C₁, C₂,...C_n의 각각과 병렬로 연결가능한 저항 D₁, D₂,...D_n등의 소산 소자(dissipative device)를 더 포함한다. (도2에 도시되지 않은) 제어 회로는 하나 이상의 고 임피던스 증폭기 등을 거쳐 직렬 스트링 S₁,...S_n내의 각각의 전지 C₁, C₂,...C_n을 거쳐 전압을 감지하는 성능을 포함하며, 필요에 따라 개별 스위치 SW₁, SW₂,...SW_n의 선택적인 폐쇄(또는 개방) 성능을 추가로 포함한다. 보다 상세하게는, 각각의 소산 소자 D₁, D₂,...D_n는 편의상 동일한 저항 또는 임피던스 수치를 가지며, 따라서 개별 스위치의 폐쇄를 통해 병렬로 연결될 때 특정 전지의 전압에서의 조악하지만 허용가능한 하향 조정이 이루어지며, 개별 스위치의 개방을 통해 그 반대로 된다. 배터리 전지의 특정 장치와 관련된 소산 소자의 선택적인 작동에 의해, 보다 거의 일정한 수치로 각 전지 양단의 전압을 유지하는 것이 가능하며, 그에 따라 배터리(130)의 수명을 연장한다. 동일한 전지 밸런싱 배열의 예들은 미국 특허 제6,873,134호 및 제7,245,108호에 개시되어 있다.

도2의 전지 밸런싱 배열이 거의 동일한 전압으로 배터리(130)의 다수의 전지를 유지하는 잇점을 제공하는 반면에, 배터리의 SOC의 정확한 모니터링 또는 계산을 복잡하게 한다. 도1의 실시예와 관련하여, SOC Q는 시간이 경과함에 따라 충전 및 방전 전류 I_bat 의 흐름을 트랙킹함으로써 간단히 모니터링될 수 있는 반면에, 개별 스위치가 폐쇄되는 한, 단일 전류 센서(36)를 통해 흐르는 I_bat 전류의 일부는 그 각각의 전지와 병렬로 연결된 하나 이상의 다양한 소산 소자 D₁, D₂, ..D_n 를 통해 흐르는 것으로 이해될 것이다. 이러한 이유로, 상기 전류의 일부가 전지의 충전 또는 방전과 더 이상 관련되지 않지만 소산 소자를 통해 흐르므로, 전류 센서(36)를 통해 흐르는 전류 I_bat 를 모니터링함으로써 배터리(130)의 SOC를 간단히 정확히 측정하는 것이 더 이상 가능하지 않다.

필요한 것은 배터리와 같은 에너지 저장 시스템의 SOC를 정확히 모니터링하거나 측정하기 위한 배열이며, 여기에서 배터리는 하나 이상의 직렬 연결된 전지 스트링으로 구성되며, 전지는 각각 스트링 내에서 전지 전압을 밸런싱하기 위한 각각의 소산 소자를 구비한다.

본 개시는 종래 기술보다 비교적 더 정확한 정확도로 배터리와 같은 에너지 저장 시스템의 SOC를 모니터링하거나 측정하기 위한 배열을 제공하는 것으로서, 배터리는 하나 이상의 직렬 연결된 전지 스트링으로 구성되며, 전지는 각각 스트링 내에서 전지 전압을 밸런싱하기 위한 선택적으로 병렬 연결 가능한 각각의 소산 소자를 구비한다.

소산 소자, 전형적으로 저항은 일반적으로 동일한 수치의 공지된 저항 또는 임피던스이다. 더욱이, 각 전지 양단의 전압을 감지하거나 모니터링하는 성능이 존재한다. 따라서, 소산 소자가 전지와 병렬로 연결되었을 때 전지 양단의 감지된 전압 및 소산 소자의 저항/임피던스이 공지되면, 오옴의 법칙으로부터 소산 소자를 통해 흐르는 전류를 측정하는 것이 가능하다. 이러한 전류 I_{dis_i} 의 결정이 각각의 전지와 실질적으로 병렬로 연결된 소산 소자의 각각에 대해 수행될 수 있음을 가정하면, 이들 전류의 합 I_distot 은

인 SOC를 결정하는데 전류 I의 측정치로서 전류 센서(36)에 의해 측정된 I_bat 전류에 도입하는 오차를 나타내도록 제공된다. 따라서, I_bat 전류는 합산된 오차 수치 I_distot 를 감산함으로써 수정되며, 수정된 I_batnet은 순 또는 수정된 전류 수치 I가 요구되는 SOC, Q 또는 또 다른 유사 사용 시에 I의 수치로 제공될 수 있다. 측정된 I_bat 전류에 의해 나타난 신호의 이러한 수정 및 보상은 전지 밸런싱을 갖는 종래 시스템에 의해 제공되었던 것보다 SOC의 정확한 결정을 하게 한다.

전술한 특성이 정확한 SOC 등의 결정 시에 수정된 수치의 후속 사용을 가능하게 하기 위해 I_bat를 수정하는 맥락에서 단독으로 표현되는 반면에, 결과가 Q_net, 즉, Q의 수정된 값이 되도록 주로 전하량 또는 SOC 도메인인 Q에서 유사한 작업을 수행하는 것도 또한 가능하다. 이러한 경우에, 배터리 전지 전압의 감지 또는 모니터링 및 누적 전류 I_bat 의 감지 및 모니터링이 전술한 바와 같이 동일하며, 전지 전압의 시간 적분은 병렬 연결된 밸런싱 임피던스를 갖는 특정 전지에 대한 소산 전하량 소자로서 Q_cell 을 산출하도록 공지된 임피펀스/저항에 의해 분할된다. 그런 다음, Q_cell 수치는 일부 전지에 대한 전체 소산 전하량 Q_tot를 제공하도록, 접속된 임피던스를 갖는 일부 이러한 전지에 대해 합산된다. 시스템 내의 총 전하량 Q_gross의 유사한 측정은 측정된 배터리 전류 I_bat 의 시간 적분을 취함으로써 얻어진다. 전하량의 수정 수치 Q_net는 합산에서와 같이 시스템 내의 총 전하 Q_gross로부터 전체 소산 전하량 Q_tot를 제거함으로서 Q_net을 산출하도록 생성된다.

수정된 수치 I_batnet 의 를 산출하기 위해 전류 I_bat 전류의 누적 수치를 수정하거나 또는 수정된 전하 Q_net를 산출하기 위해 측정되고 계산된 총 전하량 Q_gross를 수정하는 전술한 공정은 적절히 프로그램화된 프로세서/제어기 회로와 같은 적절한 회로로 편리하게 실행된다.

본 개시의 전술한 특징 및 잇점은 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 아래의 예시적인 실시예의 상세한 설명으로 보다 명백해질 것이다.

도1은 연료 전지와 함께 사용되는 다중 전지 에너지 저장 시스템의 SOC를 모니터링하기 위한 종래 기술에 따른 배열의 간단한 실시예를 도시한 도면이다.
도2는 연료 전지와 함께 사용되며 전지 밸런싱 성능을 갖는 다중 전지 에너지 저장 시스템의 SOC를 측정하기 위해 종래 기술에 따른 배열의 간단한 실시예를 도시한 도면이다.
도3 및 도3a는 연료 전지와 함께 사용중에 도시된, 전지 밸런싱 성능을 갖는 다중 전지 에너지 저장 시스템의 I_bat 전류 및/또는 SOC를 개선된 정확도로 나타내기 위한 개시에 따른 배열을 누적적으로 도시한 개략도이다.
도4는 소산 전류에 대해 수정되거나 또는 보상된 I_bat 전류 및/또는 SOC 수치를 제공하기 위해 도3의 배열에 의해 실행된 프로그램 단계를 나타낸 흐름도이다.
도5는 정확한 SOC의 차후의 측정을 위해 수정된 I_bat 를 초기에 제공하기 위해 간략화된 도4와 유사한 흐름도이다.

배터리의 충전 상태(state of charge: SOC)를 측정하고/모니터링하는데 사용하기 위해 에너지 저장 시스템 또는 배터리 내로 흐르거나 이로부터 흐르는 전류를 나타내는 신호를 제공하기 위한 종래 기술에 존재하는 두개의 실시예가 본 발명의 배경 기술에서 참조된다. 모든 실시예들은 연료 전지와 함께 사용하는 것으로 나타나 있다. 도1의 실시예는 전지 밸런싱없이 배터리 전지들의 직렬 스트링의 보다 간단화된 상태를 나타내며, 도2는 수반하는 잇점을 갖는 전지 밸런싱을 포함하지만, 배터리의 SOC 측정/모니터링과 관련하여 한계도 또한 포함하는 보다 복잡한 상태를 나타내고 있다.

도3 및 도3a를 함께 참조하면, 도1 및/또는 도2와 동일한 참조번호는 도3 및 도3a에서 두 개의 구성 모두에서 동일하거나 실질적으로 동일한 구성요소에 대해 사용된다. 그러나, 개시에 의해 일부 기능적으로, 구성적으로 또는 구조적인 차이가 발생하지만 그럼에도 불구하고 도3 및 도3a의 구성요소가 도1 또는 도2의 구성요소와 유사한 것으로 여겨지는 경우에는, 그들 구성요소에 동일한 참조번호가 주어지지만, 참조번호 앞에 "2"가 선행한다. 간단한 설명은 도3 및 도3a의 실시예의 문자, 구조 및/또는 기능에서의 차이점을 강조하며, 도1 또는 도2에 대해 제공된 중복되는 설명의 반복을 최소화한다.

도3을 참조하면, 도1 및 도2에서와 같이, 연료 전지(10)와 같은 주 전력 소스는 DC/DC 컨버터(22)를 거쳐 부하(20)에 연결되며, 부하(20)와 컨버터(22) 사이에 에너지 저장 시스템 또는 배터리(230)를 추가로 포함한다. 부하(20)는 물론 복수의 이산 부하를 포함할 수 있다. 도2의 실시예에서와 같이, 컨버터(22)의 출력 양단에 (출력과 병렬로) 연결된 복수의 배터리 전지 C₁, C₂,...C_n들의 적어도 하나의 직렬 스트링 S₁ 과, 전형적으로 서로 병렬로 연결된 복수의 스트링 S₂,...S_n이 존재한다. 더욱이, 배터리 전지 C₁, C₂,...C_n 각각은 필요에 따라 전지 전압을 밸런싱할 목적으로 각각 선택적으로 작동 가능한 스위치 또는 릴레이 SW₁, SW₂,...SW_n를 통해 그 양단에 선택적으로 연결할 수 있는 각각의 저항 D₁, D₂,...D_n 와 같은 소산 소자를 갖는다. 각각의 소산 소자의 임피던스 또는 저항 수치는 미리 결정되고 일정하게 유지된다. 또한, 간략화를 위해서 각각의 장치에 대한 수치를 동일하게 하는 것이 만족스러운 것으로 알려졌으며, 밸런싱 기능에서 일부 변동이 있을 수 있으나, 이러한 변동은 미미하며 무시가능한 것으로 여겨진다. 전지 밸런싱 기능와 함께, 각각의 전지 C₁, C₂,...C_n 양단의 전압을 감지하고/측정하는 장비가 제공되며, 도3에서 간략화를 위해 각각의 전압 -감지 포트 또는 단자 V_c1, V_c2,...V_cn에 의해 간단히 나타난다.

직렬 스트링을 통해 흐르는 충전 또는 방전하는 총 전류 I_bat 는 전류의 크기 및 방향(충전 또는 방전)의 표시를 제공하기 위해 적절한 측정 또는 계량 장치(36)에 의해 감지되고 측정된다. 병렬 연결된 배터리 전지의 복수의 직렬 스트링 S₁, S₂,...S_n을 가정하면, 전류 측정 장치(36)는 일반적으로 단수이며, 킬초프 법칙(kirchoff's law)에 따라 모든 직렬 스트링 S₁, S₂,...S_n 내의 전류의 합을 측정하기 위해 연결된다.

도3에 연결된 부속물로서 고려되어야 하는 도3a를 참조하면, 적당하고 적절한 성능의 프로세서/제어기(240)는 본 명세서에 개시된 회로 및 기능의 요구되는 제어 및 프로세싱을 제공하기 위해 구성되고/프로그램밍된다. 프로세서/제어기(240)는 바람직하게는 필요에 따라 CPU, 클럭, ROM, RAM 및 D/A 및 A/D포트를 포함하는 이산 I/O 포트를 갖는 마이크로컴퓨터를 포함한다. 간략성을 위해, 도3a의 도시는 "I_bat 으로부터"로 표시된 리드(242), "V_c1, V_c2,...V_cn 으로부터"로 표시된 리드(244), "스위치 SW₁, SW₂,...SW_n의 제어"로 표시된 리드(246) 및 "SOC"로 표시된 리드(248)를 포함하는 프로세서/제어기(240)의 오직 외부로 드러나는 신호 경로 및 제어 기능만을 나타내고 있지만, (도시되지 않은) 다른 신호 경로가 또한 존재할 수 있다고 이해될 것이다.

리드(242)는 미터 또는 센서(36)로부터 누적 전류 신호 I_bat 를 획득한다. 사실상 복수의 리드 또는 전기 접속부일 수 있으나 본 명세서에서는 하나로 도시된 리드(244)는 개별 전지 양단의 전압을 모니터링하기 위해 프로세서(240)와 배터리 전지 C₁, C₂,...C_n들 각각과 합체된 각각의 전압 포트 V_c1, V_c2,...V_cn사이의 접속을 제공한다. 그 기능은 대개 하나 이상의 고 임피던스 증폭기 또는 다른 적합한 전압 모니터를 통해 실행될 수 있다. 사실상 복수의 리드 또는 전기 접속부일 수 있으나 본 명세서에서는 하나로 도시된 리드(246)는 적절한 스위치 또는 릴레이 SW₁, SW₂,...SW_n 각각을 선택적으로 작동하기 위해 리드(244)를 통해 각각의 전지 양단에 행해진 전압 측정에 응답하여 작동된다. 예컨데, 전지 C₁ 양단의 전압 V_c1이 비교적 강력한 3 볼트이나 전지 C₂와 같은 직렬 스트링 내의 하나 이상의 다른 전지 양단의 전압이 덜 강력한 2.7 볼트인 경우, 소산 소자 D₁을 전지 C₁과 병렬로 위치시키기 위해 적절한 스위치(예컨데, SW₁)를 작동시킴으로써, 보다 높은 전압 (예컨데, 전지 C₁)을 갖는 전지 양단의 전압이 감소된다. 직렬의 전류가 전지 C₁과 그 소산 저항 D₁ 사이를 분할하거나 또는 배분되게 되므로, 전지 양단에 더 작은 전압이 초래되어, 다소 낮은 전압을 갖는 전지 또는 전지들의 전압에 보다 근접하게 된다.

배터리 전지 중의 선택된 전지 양단의 전압을 선택적으로 감소시키기 위해 소산 소자를 이용하는 전술한 공정으로 시작되지만, 그 후에 그 전압 포트(예컨데, V_c1)에서 결정된 바와 같이 그 전지 양단의 전압의 공지와 함께, 그 소산 소자의 저항의 공지되거나 미리 지정된 수치에 추가로 의존함으로써, 저항에 의해 전압을 분할하여 저항 D₁ 내에 흐르는 소산 전류를 결정하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 스위치를 폐쇄시키고 소산 전류를 유도하는 각각의 전지 또는 모든 전지에 대해 소산 전류를 결정하는 것이 가능하다. 시간이 경과함에 따라 전류가 적분되면 이러한 소산 전류는 소산 전하량의 성분을 대표한다. 따라서, 총 I_bat 를 이용하여 총 전하량을 먼저 결정하고 산술 합 또는 간단히 "합"을 통해 적분에 의해 결정된 전체 소산 전하량 성분을 감산하여 그 총 전하량을 수정함으로써 순 또는 수정 SOC를 결정하는 것이 가능하다.

대안으로서, 순 I_bat 를 산출하기 위해 합산에 의한 것과 같이 그로부터 전류의 전체 소산 성분을 제거한 다음에 순 I_bat 를 이용하여 수정 SOC를 결정함으로써, I_bat 의 총 수치를 간단히 수정하는 것이 가능하다.

도4를 참조하면, 소산 전류를 위해 수정되거나 또는 보상된 I_bat 전류 및/또는 SOC 의 수치를 제공하기 위해 도3의 프로세서/제어기(240)에 의해 실행된 프로그램 단계를 나타내는 간단한 흐름도이다. 블록(310)은 센서(36)에서 측정된 전류 흐름 I_bat 에 기여하는 각각의 직렬 스트링 S₁, S₂,...S_n내의 배터리 전지 C₁, C₂,...C_n 각각에 대한 전지 전압 V_c1, V_c2,...V_cn을 측정하는 프로그램 루틴을 나타낸다. 이러한 다이어그램에서 이용된 바와 같이, 아래 첨자 표기 "_{cell_i}" 는 1부터 n 까지의 전지 순서에서 개별 전지 "i"를 지칭한다. 아마도 초기의 처리 절차의 반복으로 블록(310)에서 전지 전압을 결정한 결과로서, 임계치보다 큰 전압을 갖는 전지에 대한 각각의 스위치 또는 스위치들은 폐쇄되거나 폐쇄되었을 것이다. 따라서, 소산 전류는 소산 소자 또는 저항 내에서 흐를 것이며, 블록(320)에서 각각의 셀에 대한 전지 전하량 손실에 비례하는 결정이 있다. 전지 전하량 손실의 결정은 전지 전하량 Q_{cell_i}의 결정을 제공하기 위해

와 같은 적절한 알고리즘을 이용한다. 여기서 R은 각각의 소산 소자 D₁...D_n의 미리 결정되거나 또는 공지된 저항이며, V_{cell_i} 은 상응하는 각각의 전지의 측정된 전압 V_c1, V_c2,...V_cn을 나타낸다. 각각의 전지에 대한 전압은 시간에 경과함에 따라 적분되며, 최종 전하량 Q_{cell_i}는 오옴의 법칙으로부터 V/R에 의해 결정된 전류의 함수된다. 각각의 스위치가 폐쇄되지 않은 이들 전지 각각에 대한 전지 전하량 손실은 0으로 추정된다. 함수 블록(330)은 소산 소자를 거쳐 에너지가 소산된 전지 각각에 대해 전체 전지 전하량 손실의 합이며,

로 나타난다. 이는 전체 소산 손실을 나타낸다.

상응하게도, 블록(340)은 각각의 스위치 SW가 폐쇄된 임의의 그리고 모든 소산 소자 D를 포함하는 전지들의 모든 직렬 스트링 S₁, S₂,...S_n을 통해 흐르는 전체 전류에 대해 센서(36)를 통해 배터리 전류 I_bat 를 측정하는 프로그램 루틴을 도시한다. 측정된 전체 배터리 전류 I_bat 를 이용하여, 다음 블록(350)은 총 전하량 Q_gross 를

로 계산하며, 여기서 총 배터리 전류는 시간이 경과함에 따라 적분된다.

노드(360)에서, 블록(330)의 총 전하량 손실 Q_tot은 이들 두 개의 수치의 산술 합을 통해 블록(350)의 총 전하량 Q_gross로부터 제거되거나 감산된다. 이는 배터리(230)에 대한 수정된 전하 상태(SOC) 수치인 Q 또는 Q_net를 초래한다.

도5를 참조하면, 소산 전류에 대해 수정되거나 또는 보상된 I_bat 전류의 수치 I_batnet를 제공하기 위해 도3의 프로세서/제어기(240)에 의해 실행된 프로그램 단계를 나타낸 단순한 흐름도이다. 이는 도4의 루틴과 관련하여 가장 유사하나, 소산 전하량 손실을 측정하고 수정되지 않은 I_bat 로부터 측정된 총 전하량 수치로부터 이를 감산하기 보다는, 이러한 루틴은 수정 SOC의 후속 결정을 위해 수정된 전류 I_bat 를 초기에 제공하도록 간략화된다. 두 개의 구성에서 동일하거나 대략 동일한 기능 또는 루틴은 도4의 참조번호와 동일한 참조번호가 도5에 사용된다. 그러나, 도4의 대응부와 유사하나 도5의 블록에 일부 기능적 차이가 있는 경우, "3"이 아닌 "4"로 선행하며 나머지 두개의 숫자는 동일한 숫자로 표시하였다. 이러한 간단한 설명은 도5의 실시에의 특성 및/또는 기능에서 차이점을 강조하며, 도4에 대해 제공된 중복된 설명의 반복을 최소화한다.

기능 블록(310)은 전지 전압을 측정하며, 그 후에 기능 블록(420)은 이들 측정된 전지 전압으로부터 각각의 소산 전류 I_dis를 결정하며,

이며, V는 병렬로 연결된 소산 저항 수치 R_D를 갖는 각각의 전지 양단의 전압이다. 각각의 스위치가 개방된 전지에 대한 I_dis는 이전과 같이 0이다. 이때, 블록(430)에서 소산 소자 D가 활성 상태인 다양한 전지에 대한 모든 I_dis 수치는 누적 또는 전체 I_distot를 제공하도록 합산된다.

이와 상응하여, 블록(340)은 각각의 스위치 SW가 폐쇄된 임의의 그리고 모든 소산 소자 D를 포함한 전지들의 모든 직렬 스트링 S₁, S₂,...S_n을 통해 흐르는 전체 전류에 대해 센서(36)를 통해 배터리 전류 I_bat를 측정하는 프로그램 루틴을 도시한다. 이러한 수치 I_bat는 전류의 수정되지 않은 전체 측정치이며, 기능 블록(430)으로부터의 수치 I_distot와 노드(460)에서 바로 산술 합산되어 전자로부터 후자를 감산하거나 제거하여 I_batnet로 명명된 수정된 I_bat를 산출한다. 그런 다음, 수치 I_batnet 는 실질적으로 배터리 전지를 자체를 통한 전류의 수정 측정치이며, 시간에 대한 전류의 적분으로서의 전하량 Q를 측정하는 SOC 알고리즘에서 전류 I의 수정 수치로 이후에 이용된다.

본 명세서에서는 본 발명의 실시예들에 대해 기술되고 예시되었지만, 본 기 술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)의 직렬 배열(S₁, S₂,...S_n)과, 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)과 각각 병렬로 관련되고 선택적으로 접속 및 접속해제 가능한(SW₁, SW₂,...SW_n) 다수의 개별 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)과, 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n) 양단의 전압(V_{cell_i})을 측정하기 위한 회로(240, V_c1, V_c2,...V_cn)와, 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 임의의 에너지 소산 소자들을 통해 흐르는 전류(I_bat)의 크기 및 방향을 측정하기 위한 회로(240, 36)를 특징으로 하는 재충전 가능한 에너지 저장 시스템(230)에서, 실질적으로 다수의 배터리 전지들만을 통해 흐르는 전류(I_batnet)의 측정치를 제공하는 방법이며,
a) 각각의 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)에 대한 각각의 미리 지정된 임피던스(R)를 설정하는 단계와,
b) 다수의 개별 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n) 중 어느 에너지 소산 소자가 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)과 사실상 병렬로 접속되는 지를 결정하는 단계(240, 246, SW₁, SW₂,...SW_n)와,
c) 에너지 소산 소자들에 사실상 병렬로 접속되는 각각의 다수의 배터리 전지들 양단의 전압을 결정하는 단계(240, 310, 244, V_c1, V_c2,...V_cn)와,
d) 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내의 전류(I_dis)를 결정하는 단계(240, 420)와,
e) 전체 소산 전류(I_distot)의 측정치를 제공하도록, 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내의 전류(I_dis)들을 합산하는 단계(240, 430)와,
f) 실질적으로 오직 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열 내의 보정된 전류(I_batnet)의 측정치를 제공하도록, 다수의 배터리 전지들의 결합된 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 임의의 에너지 소산 소자들을 통해 측정된 전류(I_bat)로부터 접속된 에너지 소산 소자들의 합산된 소산 전류(I_distot)를 감산하는 단계(240, 460)를 포함하는
전류 흐름 측정 방법.
제1항에 있어서,
각각의 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)에 대한 각각의 미리 지정된 임피던스(R)는 같고, 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내의 전류(I_dis)를 결정하는 단계는 각각의 배터리 전지에 대한 전압(V_{cell_i})을 임피던스(R)로 나누는 단계(240, 420)를 포함하는
전류 흐름 측정 방법.
다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)의 직렬 배열(S₁, S₂,...S_n)과, 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)과 각각 병렬로 관련되고 선택적으로 접속 및 접속해제 가능한(SW₁, SW₂,...SW_n) 다수의 개별 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)과, 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n) 양단의 전압(V_{cell_i})을 측정하기 위한 회로(240, V_c1, V_c2,...V_cn)와, 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 임의의 에너지 소산 소자들을 통해 흐르는 전류(I_bat)의 크기 및 방향을 측정하기 위한 회로(240, 36)를 특징으로 하는 재충전 가능한 에너지 저장 시스템(230)에서, 실질적으로 다수의 배터리 전지들만에 대한 순 전하량(Q_net)의 측정치를 제공하는 방법이며,
a) 각각의 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)을 위한 각각의 미리 지정된 임피던스(R)를 설정하는 단계와,
b) 다수의 개별 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n) 중 어느 에너지 소산 소자가 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)과 사실상 병렬로 접속되는 지를 결정하는 단계(240, 246, SW₁, SW₂,...SW_n)와,
c) 상기 에너지 소산 소자들에 사실상 병렬로 접속되는 각각의 다수의 배터리 전지들 양단의 전압(V_{cell_i})을 결정하는 단계(240, 310, 244, V_c1, V_c2,...V_cn)와,
d) 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내에서 소산되는 소산 전하량(Q_cell)을 결정하는 단계(240, 320)와,
e) 전체 소산 전하량(Q_tot)의 측정치를 제공하도록, 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내의 상기 소산 전하량(Q_cell)을 합산하는 단계(240, 330)와,
f) 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 임의의 소산 소자들을 통해 흐르는 전류(I_bat)의 크기 및 방향의 측정치로부터, 총 전하량(Q_gross)을 결정하는 단계(240, 350)와,
g) 실질적으로 오직 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열에 대한 보정된 전하량(Q_net)의 측정치를 제공하도록, 다수의 배터리 전지들의 결합된 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 임의의 에너지 소산 소자들에 대해 결정된 전체 전하량(Q_gross)으로부터 접속된 에너지 소산 소자들의 합산된 소산 전하량(Q_tot)을 감산하는 단계(240, 360)를 포함하는
순 전하량 측정 방법.
제3항에 있어서,
각각의 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)에 대한 각각의 미리 지정된 임피던스(R)는 같고, 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내의 소산된 소산 전하량(Q_cell)을 결정하는 단계는 각각의 배터리 전지 전압의 시간 적분(∫V_{cell_i}·dt)을 임피던스(R)로 나누는 단계(240, 320)를 포함하는
순 전하량 측정 방법.
제3항에 있어서,
전체 전하량(Q_gross)을 결정하는 단계(350)는 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 임의의 소산 소자들을 통해 흐르는 전류(I_bat)의 크기 및 방향의 시간 적분(∫I_bat·dt)을 결정하는 단계를 포함하는
순 전하량 측정 방법.
다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)의 직렬 배열(S₁, S₂,...S_n)과, 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)과 각각 병렬로 관련되고 선택적으로 접속 및 접속해제 가능한(SW₁, SW₂,...SW_n) 다수의 개별 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)과, 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n) 양단의 전압(V_{cell_i})을 측정하기 위한 회로(240, V_c1, V_c2,...V_cn)와, 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 임의의 소산 소자들을 통해 흐르는 전류(I_bat)의 크기 및 방향을 측정하기 위한 회로(240, 36)를 특징으로 하는 재충전 가능한 에너지 저장 시스템(230)에서,
a) 각각의 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)은 각각의 미리 지정된 임피던스(R)이고,
b) 회로(240, 246, SW₁, SW₂,...SW_n)는 다수의 개별 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n) 중 어느 에너지 소산 소자가 각각의 다수의 배터리 전지들(C₁, C₂,...C_n)과 사실상 병렬로 접속되는 것을 결정하도록 구성되며,
c) 회로(240, 310, 244, V_c1, V_c2,...V_cn)는 에너지 소산 소자들에 사실상 병렬로 접속되는 각각의 다수의 배터리 전지들 양단의 전압을 결정하도록 구성되고,
d) 회로(240, 420)는 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내의 전류(I_dis)를 결정하도록 구성되며,
e) 회로(240, 430)는 전체 소산 전류(I_distot)의 측정치를 제공하도록 각각의 접속된 에너지 소산 소자들 내의 전류(I_dis)들을 합산하도록 구성되고,
f) 회로(240, 460)는 실질적으로 단지 다수의 배터리 전지들의 직렬 배열 내의 보정된 전류(I_batnet)의 측정치를 제공하도록, 다수의 배터리 전지들의 결합된 직렬 배열과 다수의 배터리 전지들과 병렬로 접속된 에너지 소산 소자들을 통해 측정된 전류(I_bat)로부터 접속된 에너지 소산 소자들의 합산된 소산 전류(I_distot)를 감산하도록 구성되는,
재충전 가능한 에너지 저장 시스템.
제6항에 있어서,
각각의 에너지 소산 소자들(D₁, D₂,...D_n)은 같은 값의 저항인
재충전 가능한 에너지 저장 시스템(230).