KR101588188B1

KR101588188B1 - 우회 전류 모니터링을 통해 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱하기 위한 모듈 우회 스위치

Info

Publication number: KR101588188B1
Application number: KR1020147001389A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이. 화이트; 클로드 엘. 주니어 벤크켄스테인
Original assignee: 싸우쓰웨스트 일렉트로닉 에너지 코포레이션
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2016-01-25
Also published as: US9190855B2; EP2721716A1; US20160064965A1; KR20140044370A; EP2721716B1; WO2012173993A1; US20120319658A1; US9525301B2; EP2721716A4

Abstract

배터리 팩 시스템 모듈은 충전 전류가 배터리 팩 시스템 모듈을 우회하도록 허용하기 위한 모듈 우회 스위치를 포함할 수 있다. 모듈 우회 스위치는 충전 전류를 배터리 팩 시스템 모듈로부터 다른 배터리 팩 시스템 모듈들로 우회하도록 활성화될 수 있다. 충전 전류는 다른 배터리 팩 시스템 모듈들을 배터리 팩 시스템 모듈과의 밸런스와 맞추도록, 즉, 모든 배터리 팩 시스템 모듈들의 충전의 상태를 코스 밸런스와 맞추도록 우회될 수 있다. 모듈 우회 스위치가 활성화될 때, 모듈 우회 스위치를 통한 충전 전류는 전류 감지 저항기와 같은 전류 감지 디바이스에 의해 모니터링될 수 있다. 마이크로프로세서는 우회 전류 레벨에 관한 정보를 수신하고, 모듈 우회 스위치를 비활성화할 때를 결정하기 위해 그 정보를 사용할 수 있다. 모듈 우회 스위치를 통한 전류를 감지하는 것은 더 정확하고 더 빠른 인터-모듈 밸런싱을 허용한다.

Description

우회 전류 모니터링을 통해 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱하기 위한 모듈 우회 스위치{MODULE BYPASS SWITCH FOR BALANCING BATTERY PACK SYSTEM MODULES WITH BYPASS CURRENT MONITORING}

본 출원은 2011년 6월 17일자에 출원되고 David A. White 및 그 외의 "Module Bypass Switch for Balancing Battery Pack System Modules with Bypass Current Monitoring"이란 명칭의 공동-계류중인 미국, 가특허 출원 제 61/498,358 호를 우선권으로 주장하고, 그로 인해 상기 출원은 인용에 의해 통합된다.

본 발명은 일반적으로 복수의 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱하기 위한 시스템에 관한 것이다.

재충전 가능 배터리들에 의해 전력 공급되는 디바이스는 디바이스에 의해 사용되는 전압 및/또는 전류 레벨들을 달성하기 위해 몇몇의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 예컨대, 재충전 가능 배터리 셀이 1 Volt의 정격 출력 전압을 갖는다면, 2 Volt 동작 레벨을 갖는 디바이스는 직렬로 배치된 2 개의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 재충전 가능 배터리 셀이 100 milliamps의 정격 출력 전류를 갖는다면, 400 milliamps 동작 레벨을 갖는 디바이스는 병렬의 4 개의 배터리 셀들을 포함할 수 있다. 병렬 및 직렬의 배터리 셀들은 디바이스의 동작 레벨들에 도달하도록 결합될 수 있다.

배터리 셀들은 배터리 팩 시스템 모듈을 형성하기 위해 배터리 셀들에서 충전 레벨들을 밸런싱하기 위한 회로로 그룹화될 수 있다. 다수의 배터리 팩 시스템 모듈들은 배터리 팩 시스템 모듈들에 연결된 디바이스에 대해 이용 가능한 출력 전압 및 출력 전류를 추가로 증가시키도록 직렬 또는 병렬로 결합될 수 있다. 배터리 팩 시스템 모듈 내의 배터리 셀들이 배터리 팩 시스템 모듈 내의 밸런싱 회로를 사용함으로써 밸런싱될 수 있지만(인트라-모듈 밸런싱으로서 지칭됨), 다른 배터리 팩 시스템 모듈들에 대한 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱할 필요성이 있다(인터-모듈 밸런싱으로서 지칭됨).

인터-모듈 밸런싱을 제공하기 위한 하나의 종래의 해결책은 우회 스위치를 통해 배터리 팩 시스템 내의 배터리 팩 시스템 모듈을 단락(short out)시키는 것을 포함한다. 도 1은 우회 회로를 갖는 종래의 배터리 팩 시스템 모듈을 예시한 블록도이다. 배터리 팩 시스템(100)은 배터리 팩 시스템 모듈들(110, 130)을 포함한다. 모듈(110)은 배터리 셀(118)과 병렬로 연결된 배터리 셀(116)을 갖는 제 1 그룹의 배터리 셀들(114)을 포함한다. 모듈(110)은 또한 배터리 셀(128)과 병렬로 연결된 배터리 셀(126)을 갖는 제 2 그룹의 배터리 셀들(124)을 포함한다. 제 1 그룹(114)은 제 2 그룹(124)과 직렬로 연결된다.

우회 스위치(112)가 활성화할 때, 모듈(110)을 통한 전류는 배터리 셀들(116, 118, 126 및 128)로부터 우회된다. 배터리 셀들(116, 118, 126 및 128)의 단락 회로를 방지하기 위해, 저항기(120)가 스위치(112)와 직렬로 연결된다. 그러나, 저항기(120)는 전력을 소비하고, 줄 열(Joule heating)을 통해 시스템(100)에서 열을 생성한다. 저항기(120)에 의해 생성되는 열은 시스템(100) 내에서 위험한 조건들을 발생시킬 수 있다. 예컨대, 열은 배터리 셀들(116, 118, 126 및 128)을 수반하는 화재를 유발할 수 있다.

저항기(120)에 의해 생성된 열은, 시스템(100)이 분리된 환경에서 동작하는 경우에 문제가 될 수 있다. 예컨대, 잠수함과 같은 수중 차량 상에서, 배터리 팩 시스템들은 가압된 컴파트먼트로 분리될 수 있다. 따라서, 저항기(120)에 의해 소멸되는 열이 전달될 수 없어서, 차량 및 차량의 운전자에 대해 위험한 조건들을 발생시킬 수 있다.

부가적으로, 시스템(100)의 모듈들(110 또는 130) 중 하나가 결함이 있게 되면, 결함이 있는 모듈이 새로운 모듈로 대체될 수 있다. 새로운 모듈은 시스템(100)의 기존의 모듈들과 상당히 충전량이 상이할 수 있다. 종래의 시스템에서, 기존 모듈들과 대체 모듈의 밸런싱은 밸런스에 도달하기 위해 며칠 또는 몇 주가 걸리는 장기간에 걸쳐 발생할 수 있다. 이러한 시간 동안에, 시스템(100)은 사용 불가할 수 있다. 위의 예에서, 차량 내의 하나의 모듈이 대체되면, 차량은 모듈들이 완전히 충전되고 밸런싱될 때까지 동작을 위해 준비되지 않을 수 있다. 동작 밸런싱이 며칠 또는 몇 주를 소비하면, 차량은 이러한 전체 시간 기간 동안에 사용될 수 없다.

통상적으로, 배터리 팩 시스템 모듈의 우회 스위치를 통한 전류가 모니터링되지 않는다. 그러나, 전류를 모니터링하는 것은, 별개의 통신 버스를 설정하지 않고, 다른 배터리 팩 시스템 모듈들에 관한 정보의 캡처를 허용할 수 있다. 다른 배터리 팩 시스템 모듈들로부터 획득된 정보는 배터리 팩 시스템 모듈들의 더 빠르고 더 정확한 충전을 허용할 수 있다.

일 실시예에 따라, 장치는 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 포함한다. 상기 장치는 제 1 단자 및 제 2 단자 사이에 연결된 배터리 셀을 또한 포함한다. 상기 장치는 배터리 셀의 충전을 중단시키기 위해 제 1 배터리 셀 및 제 1 단자와 직렬로 연결된 충전 스위치를 더 포함한다. 상기 장치는 또한 배터리 셀의 방전을 중단시키기 위해 충전 스위치 및 제 1 단자와 직렬로 연결된 방전 스위치를 포함한다. 상기 장치는 제 1 단자 및 제 2 단자를 단락시키기 위한 모듈 우회 스위치를 더 포함한다. 상기 장치는 또한 제 1 단자 및 제 2 단자 중 적어도 하나와 모듈 우회 스위치 사이에 연결된 전류 측정 디바이스를 포함한다.

또 다른 실시예에 따라, 방법은 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 배터리 셀들을 충전하지 않고, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통해 충전 전류를 우회하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통한 충전 전류를 모니터링하는 단계를 또한 포함한다. 상기 방법은 우회하는 단계 동안에, 충전 전류가 임계값 아래로 떨어진다는 것을 검출하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한 충전 전류가 임계값 아래로 떨어질 때, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통한 충전 전류의 우회를 중지시키는 단계를 포함한다.

또 다른 실시예에 따라, 컴퓨터 프로그램 물건은, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 배터리 셀들을 충전하지 않고, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통해 충전 전류를 우회하기 위한 코드를 갖는 비일시적인 컴퓨터-판독 가능 매체를 포함한다. 상기 매체는 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통한 충전 전류를 모니터링하기 위한 코드를 또한 포함한다. 상기 매체는, 우회 동안에, 충전 전류가 임계값 아래로 떨어진다는 것을 검출하기 위한 코드를 더 포함한다. 상기 매체는 또한, 충전 전류가 임계값 아래로 떨어질 때, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통한 충전 전류의 우회를 중지시키기 위한 코드를 또한 포함한다.

일 실시예에 따라, 장치는 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 포함한다. 상기 모듈은 제 1 단자 및 제 2 단자 사이에 연결된 배터리 셀을 포함한다. 상기 모듈은 또한 배터리 셀의 충전을 중단시키기 위해 제 1 배터리 셀 및 제 1 단자와 직렬로 연결된 충전 스위치를 포함한다. 상기 모듈은 배터리 셀의 방전을 중단시키기 위해 충전 스위치 및 제 1 단자와 직렬로 연결된 방전 스위치를 더 포함한다. 상기 모듈은 또한 제 1 단자 및 제 2 단자를 단락시키기 위한 모듈 우회 스위치를 포함한다.

또 다른 실시예에 따라, 방법은 충전 전류로 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 충전하는 단계 동안에, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈이 제 1 기준들에 도달하였다는 것을 검출하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈이 제 1 기준들에 도달하였다는 것을 검출한 후에, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 중지시키는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 또한, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈이 제 1 기준들에 도달하였다는 것을 검출한 후에, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 중지시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 중지시킨 후에, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하지 않고, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 통해 충전 전류를 통과시키기 위해 모듈 우회 스위치를 활성화하는 단계를 더 포함한다.

또 다른 실시예에 따라, 컴퓨터 프로그램 물건은 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 모니터링하기 위한 코드를 갖는 컴퓨터-판독 가능 매체를 포함한다. 상기 매체는 또한, 제 1 기준들이 만족될 때, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 디스에이블하기 위한 코드를 포함한다. 상기 매체는, 제 1 기준들이 만족될 때, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 디스에이블하기 위한 코드를 더 포함한다. 상기 매체는 또한, 제 1 기준들이 만족될 때, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 통한 충전 전류의 통과를 인에이블하기 위한 코드를 포함한다. 상기 매체는, 제 2 기준들이 만족될 때, 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 다시 인에이블하기 위한 코드를 더 포함한다.

앞서 말한 것은, 다음에 오는 본 발명의 상세한 설명이 더 양호하게 이해될 수 있도록 하기 위해 본 발명의 특징들 및 기술적 이점들을 오히려 널리 서술하였다. 본 발명의 청구항들의 대상을 형성하는 본 발명의 부가적인 특징들 및 이점들이 이후에 설명될 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시예들이 본 발명의 동일한 목적들을 수행하기 위해 다른 구조들로 수정 또는 설계하기 위한 기반으로서 용이하게 사용될 수 있다는 것이 당업자들에 의해 인지되어야 한다. 또한, 그러한 동등한 구조들이 첨부된 청구항들에 제시된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는다는 것이 당업자들에 의해 용이하게 인식되어야 한다. 추가적인 목적들 및 이점들과 함께, 본 발명의 동작의 방법 및 조직 모두에 관하여, 본 발명의 특성인 것으로 믿겨지는 신규한 특징들은, 첨부된 도면들과 관련하여 고려될 때 다음의 상세한 설명으로부터 더 양호하게 이해될 것이다. 그러나, 특징들 각각이 단지 예시 및 설명의 목적으로 제공되고, 본 발명의 제한들의 정의로서 의도되지 않는다는 것이 확실히 이해되어야 한다.

본 발명의 더 완전한 이해를 위해, 첨부한 도면들과 관련하여 취해진 다음의 설명들에 대해 이제 참조가 이루어진다.

도 1은 우회 스위치를 갖는 종래의 배터리 팩 시스템 모듈을 예시한 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 충전, 방전, 및 우회 모듈 스위치들을 갖는 예시적인 배터리 팩 시스템 모듈을 예시한 간략한 회로도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 직렬 및 병렬 연결된 배터리 팩 시스템 모듈들을 갖는 예시적인 배터리 팩 시스템을 예시한 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하는 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 인터-모듈 통신을 갖는 예시적인 배터리 팩 시스템을 예시한 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 예시적인 배터리 팩 시스템에 대한 초기화기를 예시한 블록도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 배터리 팩 시스템을 충전하는 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 배터리 팩 시스템을 모니터링하기 위한 소프트웨어 애플리케이션을 예시한 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 충전, 방전 및 모듈 우회 스위치 및 우회 스위치 전류 모니터링을 갖는 예시적인 배터리 팩 시스템 모듈을 예시한 간략한 회로도이다.
도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른 우회 스위치 전류 모니터링을 통해 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하는 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다.

복수의 배터리 팩 시스템 모듈들을 갖는 배터리 팩 시스템은 모듈 우회 스위치, 충전 스위치 및 방전 스위치를 배터리 팩 시스템 모듈들에 포함시킴으로써 인터-모듈 밸런싱될 수 있다. 배터리 팩 시스템 모듈 내의 충전 스위치는 충전 전류가 배터리 팩 시스템 모듈의 배터리 셀들을 통과하는 것을 방지하는데 사용될 수 있다. 배터리 팩 시스템의 하나의 배터리 팩 시스템 모듈이 배터리 팩 시스템의 다른 배터리 팩 시스템 모듈들과 밸런싱되지 않을 때, 충전 전류가 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈 또는 모듈들을 우회하도록 허용하기 위해 모듈 우회 스위치가 활성화될 수 있다. 배터리 팩 시스템 모듈 내의 방전 스위치는, 우회 모듈 스위치가 활성화될 때 방전 전류가 배터리 팩 시스템 모듈의 배터리 셀들을 통과하는 것을 방지하는데 사용될 수 있다.

배터리 팩 시스템 모듈 내의 방전 스위치의 비활성화는 배터리 팩 시스템 모듈 내의 배터리 셀들의 단락을 방지하는데, 그렇지 않다면 단락 우회 모듈 스위치가 활성화될 때, 발생할 것이다. 방전 스위치가 배터리 팩 시스템 모듈의 단자들로부터 배터리 셀들을 물리적으로 접속 해제하기 때문에, 및 종래의 배터리 밸런싱 기술들에서와 같이 우회 스위치와 직렬인 어떠한 저항기도 존재하지 않기 때문에, 우회 모듈 스위치가 활성화될 때, 인터-모듈 밸런싱 동안에 어떠한 전력도 소모되지 않거나 거의 전력이 소모되지 않는다. 소멸된 전력에서의 감소는 배터리 팩 시스템 모듈에서 생성되는 열을 감소시키고, 배터리 팩 시스템을 포함하는 디바이스의 운영자 및 배터리 팩 시스템에 의해 경험되는 안전상 위험들을 감소시킨다.

모듈 우회 스위치는, 시간을 소비하고 비용이 드는 유지 보수 동작들 없이 배터리 팩 시스템 내의 배터리 팩 시스템 모듈들의 빠른 밸런싱을 가능하게 한다. 배터리 팩 시스템 모듈들이 배터리 팩 시스템의 각각의 충전 동안에 밸런싱되기 때문에, 배터리 팩 시스템의 동작은 배터리 팩 시스템을 포함하는 장비의 운영자들에게 감소된 안정성 위험들을 제공한다. 즉, 배터리 팩 시스템 내의 배터리 팩 시스템 모듈들의 과도-충전이 감소 또는 제거되고, 이것은 배터리 팩 시스템에서의 화재 위험들을 감소시킨다. 부가적으로, 충전 동작들 동안에 인터-모듈 밸런싱을 통한 배터리 팩 시스템 모듈들의 밸런싱은 배터리 팩 시스템 모듈들의 수명을 연장시키고, 배터리 팩 시스템 모듈을 포함하는 장비를 동작시키기 위한 대체 비용들을 감소시킨다.

모듈 우회 스위치를 통해 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱하는 것은 밸런싱이 종래의 배터리 밸런싱 기술들에서보다 더 빠르게 발생하도록 허용한다. 종래의 배터리 밸런싱 디바이스들은 대략 수 백 milliAmps의 충전 전류들을 재지향(re-direct)할 수 있다. 모듈 우회 스위치를 통한 저저항 경로를 제공함으로써, 재지향된 전류의 크기는 10 내지 100 Amps와 같은 몇 배 더 높을 수 있다. 따라서, 배터리 팩 시스템 모듈이 배터리 시스템 내의 다른 배터리 팩 시스템 모듈들로부터 밸런싱되지 않을 때, 밸런싱 동작은 더 빠르게 완료된다. 예컨대, 종래의 밸런싱 시스템 하에서 수백 시간이 걸릴 수 있는 밸런싱 동작은 수 시간 또는 그 미만 내에 완료될 수 있다.

도 2는 일 실시예에 따른 충전, 방전, 및 우회 모듈 스위치들을 갖는 예시적인 배터리 시스템 모듈을 예시한 간략한 회로도이다. 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)은 서로 직렬로 연결된다. 도시되지 않지만, 부가적인 배터리 셀들이 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)과 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다. 포지티브 배터리 단자(202) 및 네가티브 배터리 단지(204)가 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)과 연결된다. 일 실시예에 따라, 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)로부터 출력 전압 및/또는 출력 전류를 수신하기 위해 단자들(202 및 204) 사이에 로드(도시되지 않음)가 연결될 수 있다.

또 다른 실시예에 따라, 단자들(202 및 204)은 (도 3을 참조하여 아래에 도시된 바와 같이) 다른 배터리 팩 시스템 모듈들에 병렬로 또는 직렬로 연결될 수 있다. 일 실시예에 따라, 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)은 Li-ion(lithium ion) 배터리 셀들, NiMH(nickel-metal hydroxide) 배터리 셀들, NiCd(nickel cadmium) 배터리 셀들, 납축(lead-acid) 배터리 셀들, 또는 이들의 조합과 같은 전기 화학 셀들일 수 있다. 배터리 셀들은 또한 커패시터들 또는 슈퍼 커패시터들을 포함할 수 있다.

밸런싱 인에이블 트랜지스터들(222, 224, 226 및 228)이 배터리 셀들(212, 214, 216 및 218) 각각에 대한 인트라-셀 밸런싱을 각각 활성화한다. 예컨대, 밸런싱 인에이블 트랜지스터(222)가 활성화될 때, 배터리 셀(212)은 배터리 셀들(214, 216 및 218)과 밸런싱하기 위해 저항기를 통해 방전할 수 있다. 밸런싱 인에이블 트랜지스터들(222, 224, 226 및 228) 각각은 밸런싱 인에이블 신호들(232, 234, 236 및 238)을 통해 각각 제어될 수 있다. 밸런싱 인에이블 신호들(232, 234, 236 및 238)은 마이크로프로세서(206)에 의해 제어될 수 있다. 배터리 팩 시스템 모듈 내의 인트라-모듈 밸런싱의 추가적인 세부 사항들은 2008년 8월 20일자로 출원된 Benckenstein 및 그 외에 의한 "Method for Balancing Lithium Secondary Cells and Modules"이란 명칭의 미국 특허 출원 제 12/195,274 호(미국 특허 출원 공보 제 2008/0309288 호로서 공개됨)에 설명되고, 그로 인해 상기 출원은 인용에 의해 포함된다.

아날로그 제어기(208)는 회로들(260, 262, 264, 266, 및 268)을 통해 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)의 특성들, 전류 상태 및 전압들을 측정한다. 일 실시예에 따라, 회로들(260-268)은 RC 회로와 같이 저항기 및 커패시터의 조합이다. 아날로그 제어기(208)는 라인(284)을 통해 및/또는 전압 레귤레이터(258)를 통한 외부 충전기(도시되지 않음)를 통해 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)에 의해 전력 공급될 수 있다. 마이크로프로세서(206)는 I²C 버스와 같은 통신 버스(242)를 통해 아날로그 제어기(208)로부터 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)에 관한 정보를 수신함으로써 밸런싱 인에이블 신호들(232, 234, 236 및 238)을 인에이블 또는 디스에이블할 수 있다. 마이크로프로세서(206)는 또한 아날로그 신호(246)를 통해 아날로그 제어기(208)로부터 정보를 수신할 수 있다. 일 실시예에 따라, 마이크로프로세서(206)는 라인(278)을 통해 아날로그 제어기(208) 내의 전압 레귤레이터에 의해 전력 공급된다. 아날로그 제어기(208)는 또한 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218) 내의 단락 회로들을 모니터링할 수 있다.

일 실시예에 따라, 마이크로프로세서(206)는 아날로그 제어기(208)가 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218) 중 하나의 출력 전압에 비례하는 신호들을 아날로그 라인(246) 상으로 출력하고 아날로그 라인(246)으로부터 배터리 셀 전압들을 판독하도록 하는 명령들을 버스(242)를 통해 아날로그 제어기(208)로 발생할 수 있다. 아날로그/디지털 변환기(도시되지 않음)가 마이크로프로세서(206) 및 아날로그 라인(246) 사이에 연결될 수 있다. 아날로그/디지털 변환기는 아날로그 제어기(208)로부터 전압들을 수신하기 위한 원하는 민감도를 매칭시키도록 선택된 분해능을 가질 수 있다. 예컨대, 아날로그/디지털 컨버터는 8-비트, 12-비트, 16-비트, 20-비트 또는 24-비트 변환기일 수 있다. 일 실시예에 따라, 마이크로프로세서(206)는 가스 게이징 알고리즘에서 아날로그 제어기(208)로부터 측정된 정보를 사용할 수 있다.

배터리 팩 시스템 모듈(200) 및 다른 배터리 팩 시스템 모듈들(도시되지 않음) 사이의 저전류 인터-모듈 밸런싱을 허용하기 위해, 단자들(202 및 204) 사이에 제너 다이오드(276) 및 전류 제한 저항기(282)가 연결될 수 있다. 제너 다이오드(276) 및 전류 제한 저항기(282)와의 인터-모듈 밸런싱의 추가적인 세부 사항들은, 2009년 4월 2일자로 출원되고 White 및 그 외의 "System for Balancing a Plurality of Battery Pack System Modules Connected in Series"란 명칭의 미국, 특허 출원 제 12/417,435 호(미국 특허 출원 공보 제 2009/0289599 호로서 공개됨)에 설명되며, 그로 인해 상기 출원은 인용에 의해 포함된다.

방전 스위치(254)는 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218) 및 단자(202)와 직렬로 연결될 수 있다. 일 실시예에 따라, 방전 스위치(254)는 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)로부터 방전 전류를 차단하도록 배향된 자신의 바디 다이오드를 갖는 전계 효과 트랜지스터(FET)이다. 방전 스위치는 아날로그 제어기(208)에 의해 제어될 수 있다.

충전 스위치(252)는 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218) 및 단자(202)와 직렬로 연결될 수 있다. 일 실시예에 따라, 충전 스위치(252)는 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)로의 충전 전류를 차단하도록 배향된 자신의 바디 다이오드를 갖는 FET이다. 충전 스위치는 아날로그 제어기(208)에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예에 따라, 드라이버(256)는 충전 스위치(252) 및 아날로그 제어기(208) 사이에 연결된다.

모듈 우회 스위치(240)는 단자들(202 및 204)과 병렬로 연결될 수 있어서, 스위치(240)가 활성화될 때, 배터리 팩 시스템 모듈(200)을 통한 실질적으로 모든 전류가 스위치(240)를 통해 흐른다. 일 실시예에 따라, 스위치(240)는 아날로그 제어기(208)에 의해 제어되는 FET이다. 또 다른 실시예에서, 스위치(240)는 아날로그 제어기(208)를 통해 마이크로프로세서(206)에 의해 제어된다. 또 다른 실시예에서, 스위치(240)는 마이크로프로세서(206)에 접속되고, 마이크로프로세서(206)로부터 직접적으로 명령들을 수신한다. 추가적인 실시예에서, 스위치(240)는 우회 검출 회로(272)에 접속되고, 우회 검출 회로(272)를 통해 마이크로프로세서(206)로부터 명령들을 수신한다. 스위치(240)는 배터리 팩 시스템 내의 다른 배터리 팩 시스템 모듈들(도시되지 않음)이 모듈(200)과 밸런싱되지 않을 때 활성화될 수 있다. 예컨대, 배터리 팩 시스템 모듈(200)이 모듈(200)에 연결된 다른 배터리 팩 시스템 모듈보다 더 높은 충전 레벨로 충전될 때, 모듈 우회 스위치(240)는 다른 모듈들을 모듈(200)과 밸런싱하게 하기 위해 충전 전류를 다른 모듈들에 제공하도록 활성화될 수 있다. 마이크로프로세서(206) 및/또는 아날로그 제어기(208)는, 구성 가능한 전압이 단자들(202 및 204)에 걸쳐 측정될 때 스위치(240)를 활성화할 수 있다. 마이크로프로세서(206) 및/또는 아날로그 제어기(208)는 아래에 설명되는 모듈 우회 스위치 검출 회로(272)로부터 수신되는 정보를 통해 스위치(240)를 동작시키기 위한 결정들을 할 수 있다. 부가적으로, 마이크로프로세서(206) 및/또는 아날로그 제어기(208)는 아래에 설명되는 외부 초기화기를 통해 수신되는 명령들을 스위치(240)로 포워딩할 수 있다.

인터-모듈 밸런싱은 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)을 통해 흐르는 충전 전류를 거의 없거나 아예 없게 감소시키기 위해 충전 스위치(252)를 비활성화함으로써 수행될 수 있다. 충전 스위치(252)가 비활성화된 후에, 인터-모듈 밸런싱은 다이오드(276)를 통해 수행될 수 있다. 더 높은 인터-모듈 밸런싱 전류들은 모듈 우회 스위치(240)를 활성화함으로써 획득될 수 있다. 스위치(240)가 활성화되기 전에, 방전 스위치(254)는 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)의 단락을 방지하도록 비활성화될 수 있다. 방전 스위치(254)를 비활성화한 후에, 모듈 우회 스위치(240)는 충전 전류가 모듈(200)을 우회하도록 허용하기 위해 활성화될 수 있다. 모듈(200)이 배터리 팩 시스템 내의 다른 모듈들과의 밸런스에 도달한 후에, 모듈 우회 스위치(240)가 비활성화되고, 이후 충전 스위치(252) 및 방전 스위치(254)가 활성화될 수 있다.

충전 스위치(252), 방전 스위치(254) 및 모듈 우회 스위치(240)는 마이크로프로세서(206)에 의해 아날로그 제어기(208)를 통해 제어될 수 있다. 예컨대, 마이크로프로세서(206)는 스위치들(252, 254 및 240)을 활성화 또는 비활성화하기 위한 명령들을 버스(242)를 통해 발행할 수 있다. 마이크로프로세서(206)는 배터리 팩 시스템 모듈(200) 및 다른 배터리 팩 시스템 모듈들 사이의 밸런스를 유지하기 위한 명령들을 발생할 수 있다. 일 실시예에 따라, 마이크로프로세서(206)는 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)에 관한 정보 및/또는 모듈(200)을 사용하기 위한 애플리케이션들로 구성된다. 예컨대, 마이크로프로세서(206)는 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)에 대한 개방 회로 전압 곡선들 및/또는 이들의 물리 화학에 관한 정보를 가질 수 있다. 다른 실시예에 따라, 마이크로프로세서(206)는, 모듈(200)이 로드 정보를 포함하는, 차량에서 사용하기 위해 구성되는지와 같은 애플리케이션 정보를 가질 수 있다. 마이크로프로세서(206)는 스위치들(252, 254 및 240)의 동작을 결정하는데 있어서 배터리 셀 정보 및/또는 로드 정보를 사용할 수 있다.

일 실시예에 따라, 쇼트키 다이오드(290)가 단자들(202 및 204) 사이에 연결된다. 쇼트키 다이오드(290)는 단자(202)에서 발생하는 저전압 과도 현상들(transients)로부터 배터리 팩 시스템 모듈(200)에 대한 손상을 방지할 수 있다. 쇼트키 다이오드(290)는 또한, 스위치(240)가 활성화되기 전에 우회 전류를 단자(202)로부터 단자(204)로 전달할 수 있다. 또한, 쇼트키 다이오드(290)에 걸친 반전 전압은 마이크로프로세서(206) 및/또는 아날로그 제어기(208)에 의해 측정되고, 스위치(240)를 활성화할 때를 결정하는데 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 따라, 전류-제한 과도 현상 전압 억제(TVS) 다이오드(292)가 단자들(202 및 204) 사이에 연결된다. 다이오드(292)는 단자(202)에서 고전압 과도 현상들로부터 배터리 팩 시스템 모듈(200)에 대한 손상을 방지할 수 있다. 또 다른 실시예에 따라, 배터리 팩 시스템 모듈(200)은 쇼트키 다이오드(290) 및 다이오드(292) 모두를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 퓨즈(270)가 방전 스위치(254) 및 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218) 사이에 직렬로 연결된다. 퓨즈(270)는 방전 스위치(254)의 고장의 경우에 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)에 대한 손상을 방지한다.

모듈 우회 스위치 검출 회로(272)는 모듈 우회 스위치(240)와 병렬로 연결될 수 있다. 검출 회로(272)는 우회 모듈 스위치(240)에 걸친 전압을 측정할 수 있다. 일 실시예에 따라, 전압은 단자들(202 및 204) 사이의 전압 및 단자(202)와 라인(284) 사이에서 측정되는 배터리 전압으로서 측정된다. 모듈 우회 검출 회로(272)는 또한 배터리 팩 시스템 모듈(200)에서 반전 전압 조건들을 검출할 수 있다. 배터리 팩 시스템 모듈에서 낮은 상태의 충전이 도달될 때, 방전 스위치(254)는 배터리 팩 시스템 모듈(200)의 과도(over) 방전을 방지하도록 비활성화될 수 있다. 다이오드(276)는, 방전 스위치(254)가 비활성화된 후에 방전 전류가 배터리 팩 시스템 모듈(200)을 계속해서 통과하도록 허용할 수 있다. 이것은 반전 전압이 다이오드(276)에 걸쳐 발생하게 할 수 있다. 모듈 우회 검출 회로(272)는 반전 전압 조건을 검출하고, 방전 전류가 배터리 팩 시스템 모듈(200)을 통과하도록 허용하기 위해 모듈 우회 스위치(240)를 활성화할 수 있다. 일 실시예에 따라, 다이오드(276)는 선택 사항일 수 있다. 이러한 실시예에서, 반전 전압은 위에서 설명된 바와 같이 쇼트키 다이오드(290)에 걸쳐 측정될 수 있다.

마이크로프로세서(206)는 또한 서미스터(thermistor)(274) 및 전류 감지 저항기(250)를 통해 배터리 팩 시스템 모듈(200)을 모니터링할 수 있다. 서미스터(274) 및 전류 감지 저항기(250)가 팩 감지 회로에 포함될 수 있다. 서미스터(274)는 마이크로프로세서(206)가 모듈(200)의 온도를 모니터링하도록 허용한다. 마이크로프로세서(206)는 모듈 우회 스위치(240), 충전 스위치(252), 및/또는 방전 스위치(254) 또는 이들의 조합을 활성화 또는 비활성화하기 위해 모듈(200)의 온도에 관한 정보를 사용할 수 있다. 마이크로프로세서(206)는 또한 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)의 충전 상태를 모니터링하기 위해 전류 감지 저항기(250)로부터의 정보를 사용할 수 있다. 예컨대, 마이크로프로세서(206)는 전류 감지 저항기(250)로 쿨롱 계수(Coulomb counting)를 수행할 수 있다. 마이크로프로세서(206)는 측정들에 대한 원하는 민감도를 매칭시키기 위해 선택되는 아날로그-디지털 변환기(도시되지 않음)를 통해 서미스터(274) 및 전류 감지 저항기(250)에 연결될 수 있다.

마이크로프로세서(206) 및 아날로그 제어기(208)는 제어기 조립체를 형성할 수 있다. 제어기 조립체는 버스(244)를 통해 통신한다. 버스(244)는, 예컨대, RS-232 또는 RS-485 버스일 수 있다. 일 실시예에 따라, 마이크로프로세서(206)는 모듈(200)을 인에이블 또는 디스에이블하기 위한 모듈 인에이블 신호(248)를 수신한다. 버스(244)는 전류 측정 저항기(250)로부터 측정된 전류를 보고하거나, 과도-충전 또는 과도-방전 전류들을 보고하거나, 서미스터(274)에 의해 측정되는 온도를 보고하거나, 배터리 셀들(212, 214, 216, 및 218)에 대해 계수된 쿨롱들을 보고하거나, 및/또는 충전 스위치(252), 방전 스위치(254) 및 모듈 우회 스위치(240)의 상태를 보고하기 위해 마이크로프로세서(206) 및/또는 아날로그 제어기(208)에 의해 사용될 수 있다.

일 실시예에 따라, 버스(244)는 분리 회로들(도시되지 않음)을 포함한다. 분리 회로들은 광학적으로 또는 디지털적으로 배터리 팩 시스템 모듈(200) 내의 전압으로부터 버스(244) 상의 전압을 분리할 수 있다.

일 실시예에 따라, 마이크로프로세서(206)는 또한 리셋 신호(도시되지 않음)를 수신할 수 있다. 리셋 신호는 모듈 인에이블 신호(248)와 같은 별개의 라인 접속일 수 있거나, 리셋 신호는 버스(244)를 통해 수신될 수 있다. 리셋 신호는 마이크로프로세서(206)를 재시작하거나 및/또는 고장 수리하도록 허용한다. 마이크로프로세서(206)는 또한 버스(244) 또는 다른 라인 접속을 통해 이용 가능한 다른 디버깅 기능을 포함할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따라 직렬 및 병렬 연결된 배터리 팩 시스템 모듈들을 갖는 예시적인 배터리 팩 시스템을 예시한 블록도이다. 배터리 팩 시스템(300)은 서로 직렬로 연결된 제 1 모듈들(320a, 320b,..., 320h)을 포함한다. 시스템(300)은 또한 제 2 모듈들(322a, 322b,..., 322h), 제 3 모듈들(324a, 324b,..., 324h), 제 4 모듈들(326a, 326b,..., 326h), 및 제 5 모듈들(328a, 328b,..., 328h)을 포함한다. 제 2 모듈들(322)의 모듈들 각각은 서로 직렬로 연결되고, 제 3 모듈(324), 제 4 모듈들(326) 및 제 5 모듈들(328)은 유사하게 직렬로 연결된다. 제 1 모듈들(320), 제 2 모듈들(322), 제 3 모듈들(324), 제 4 모듈들(326) 및 제 5 모듈들(328)은 네가티브 단자(302) 및 포지티브 충전 단자(304) 및 포지티브 방전 단자(306) 사이에 병렬로 연결된다. 다이오드들(308a, 308b,..., 308e)은 포지티브 충전 단자(304) 및 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328) 사이에 연결된다. 다이오드들(310a, 310b,..., 310e)은 포지티브 방전 단자(306) 및 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328) 사이에 연결된다. 다이오드들(308 및 310)은 제 1 모듈들(320), 제 2 모듈들(322), 제 3 모듈들(324), 제 4 모듈들(326) 및 제 5 모듈들(328) 중 어느 것이 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328) 중 임의의 다른 것을 방전시키는 것을 방지하기 위한 분리 다이오드들일 수 있다.

제 1 모듈들(320), 제 2 모듈들(322), 제 3 모듈들(324), 제 4 모듈들(326) 및 제 5 모듈들(328)의 모듈들 각각은 도 2를 참조하여 상술된 바와 같은 모듈 우회 스위치 및 미국 특허 출원 제 12/417,435 호에 설명된 바와 같은 다른 밸런싱 회로들을 포함할 수 있다. 인터-모듈 밸런싱은 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328) 내의 모듈 우회 스위치의 사용을 통해 달성될 수 있다. 예컨대, 모듈(320e)이 모듈(320d)보다 더 높은 충전 상태에 있다면, 모듈(320e)은 충전 스위치를 비활성화하고, 방전 스위치를 비활성화하고, 충전 전류가 모듈(320d)로 흐르도록 허용하기 위해 모듈(320e) 내의 모듈 우회 스위치를 활성화할 수 있다. 전류는 또한, 모듈들(320)의 직렬 접속을 통한 활성화되지 않은 자신들의 모듈 우회 스위치들을 갖는 모듈들(320a-c 및 320f-h)로 흐를 수 있다. 인터-모듈 밸런싱의 제어는 도 4를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이 각각의 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328) 내에서 또는 초기화기(도시되지 않음)에 의해, 클라이언트 디바이스(도시되지 않음)에 의해, 또는 도 5 및 도 6을 참조하여 아래에 설명되는 마스터 배터리 시스템 팩 모듈에 의해 수행될 수 있다.

배터리 팩 시스템(300)은 포지티브 충전 단자(304) 및 네가티브 단자(302)에 연결된 전력 공급기(도시되지 않음)를 통해 충전될 수 있다. 일 실시예에 따라, 전력 공급기는 일정-전류 일정-전압 전력 공급기일 수 있다. 다른 실시예들에 따라, 전력 공급기(332)는 연료 전지, 태양 전지, 또는 이들의 조합들일 수 있다.

도 3이 8 개의 직렬 접속된 배터리 팩 시스템 모듈들의 5 개의 병렬 연결된 그룹들을 예시하지만, 배터리 팩 시스템은 임의의 수의 직렬 또는 병렬 배터리 팩 시스템 모듈들을 통합할 수 있다. 배터리 팩 시스템 내의 배터리 팩 시스템 모듈들은 유사한 용량, 유사한 출력 전압 및/또는 유사한 출력 전류를 갖거나, 상이한 용량들, 상이한 출력 전압들 및/또는 상이한 출력 전류들을 가질 수 있다. 부가적으로, 도 3의 다이오드들(308 및 310)은 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328)의 고전위 또는 저전위 단부에 연결될 수 있다.

일 실시예에 따라, 분리 다이오드들(308 및 310)이 제거될 수 있고, 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328)은 포트들(304 및 306)보다는 단일 포트로부터 충전 및 방전된다. 또 다른 실시예에서, 모듈들(320, 322, 324, 326 및 328)은 포트(302)와 포트들(304 및 306) 사이의 접속들을 통해 병렬로 접속될 수 있다. 예컨대, 모듈들(320g, 322g, 324g, 326g 및 328g)은 서로 병렬로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 모듈들(320-328a, 320-328b 등)의 하나 이상의 다른 세트들은 병렬로 연결될 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따라 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하는 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다. 흐름도(400)는, 배터리 팩 시스템 모듈이 제 1 기준들에 도달하였는지를 결정함으로써 블록(402)에서 시작된다. 일 실시예에 따라, 제 1 기준들은 충전 레벨이다. 다른 실시예들에서, 제 1 기준들은 배터리 셀 온도, 배터리 셀 전압 또는 배터리 셀의 다른 측정 가능한 특성들일 수 있다. 제 1 기준들이 도달되지 않는다면, 흐름도는 제 1 기준들이 만족될 때까지 블록(402)으로 복귀한다.

제 1 기준들이 도달될 때, 블록(404)에서 충전 스위치가 비활성화된다. 블록(406)에서, 배터리 팩 시스템 모듈의 단자들에 걸친 전압은 제 1 전압 값을 초과하는 것으로 결정된다. 배터리 팩 시스템 모듈의 단자들에 걸친 전압이 특정 제 1 전압 값을 초과하지 않는다면, 흐름도는 블록(406)으로 복귀한다. 일 실시예에 따라, 블록(406)의 제 1 전압 값은 전력 공급기의 전압, 배터리 팩 시스템 내의 배터리 팩 시스템 모듈들의 전압 및/또는 배터리 팩 시스템 모듈들의 수 또는 이들의 조합으로부터 결정될 수 있다. 제 1 전압 값은 특정 배터리 팩 시스템 구성에 대해 특정된 값으로서 구성될 수 있다. 충전 스위치 전압이 특정 전압 값을 초과한 후에, 블록(408)에서, 방전 스위치가 비활성화되고, (410)에서 모듈 우회 스위치가 활성화된다. 따라서, 충전 전류는, 모듈의 배터리 셀들을 방전시키지 않고, 저저항 경로를 통해 배터리 팩 시스템 모듈을 통과하도록 허용된다.

타이머는 모듈 우회 스위치를 활성화한 후에 시작될 수 있고, 블록(412)에서 특정 시간 기간이 지날 때, 블록(414)에서 모듈 우회 스위치가 비활성화된다. 충전 스위치 및 방전 스위치는 블록(416)에서 재활성화될 수 있다.

일 실시예에 따라, 방법(400)은 다른 프로세스들과 병렬로 마이크로프로세서 또는 제어기 어셈블리 내에서 실행될 수 있다. 예컨대, 다른 프로세스들은 온도, 충전 상태, 및 충전 또는 방전 전류와 같은 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 다른 프로세스들은 또한 충전 스위치, 방전 스위치 및/또는 모듈 우회 스위치로 명령들을 발행할 수 있다. 예컨대, 다른 프로세스들 중 하나는, 방법(400)이 블록(406)에서 루핑하는 동안에 충전 스위치를 활성화할 수 있다. 이러한 예에서, 충전 스위치는 블록(408)에서 다시 비활성화될 수 있다.

도 4의 방법은, 중앙 컴퓨터로의 통신 없이, 배터리 팩 시스템 모듈이 각각의 개별적인 배터리 팩 시스템 모듈 내의 배터리 셀들의 충전에 걸쳐 자동 제어를 갖도록 허용함으로써 배터리 시스템의 인터-모듈 밸런싱을 제공한다. 또 다른 실시예에 따라, 배터리 팩 시스템 모듈은 배터리 팩 시스템 내의 배터리 팩 시스템 모듈들의 밸런싱을 제어하기 위해 마이크로프로세서와 같은 초기화기와 통신할 수 있다. 도 4의 방법은 상술된 우회 검출 회로(272)와 같은 우회 검출 회로에 의해 실행되는 모듈 우회 스위치를 활성화하기 위한 별개의 방법과 결합하여 사용될 수 있다. 우회 검출 회로와 결합하여 사용될 때, 도 4의 단계들을 수행하도록 프로그래밍된 마이크로프로세서는 우회 검출 회로를 활성화하는 전압에 부가하여 모듈 우회 스위치를 활성화하기 위한 구성 가능한 전압을 허용할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 복수의 배터리 팩 시스템 모듈들을 갖는 예시적인 배터리 팩 시스템을 예시한 블록도이다. 시스템(500)은 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c)을 갖는 배터리 팩 시스템(502)을 포함한다. 배터리 팩 시스템 모듈(504a)은 버스(540) 및 배터리 팩 시스템 모듈(504a) 내의 컴포넌트들과 인터페이싱하기 위한 제어기 조립체(510)를 포함한다. 제어기 조립체(510)는 아날로그 제어기들, 디지털 제어기들 및/또는 마이크로프로세서들을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 배터리 팩 시스템 모듈(504a)은, 상이한 전위에서 동작할 수 있는 버스(540)로부터 배터리 팩 시스템 모듈(504a)을 분리하기 위한 분리형 버스 인터페이스(524)를 포함한다.

제어기 조립체(510)는 모듈 우회 검출기 회로(512) 및 모듈 우회 스위치(514)와 인터페이싱할 수 있다. 모듈 우회 검출기 회로(512)로부터의 출력을 감지함으로써, 제어기 조립체는 모듈 우회 스위치(514) 및 접속 해제 회로(516)를 활성화 및 비활성화할 때를 결정할 수 있다. 접속 해제 회로(516)는 충전 스위치 및 방전 스위치를 포함할 수 있다. 제어 조립체(510)는 또한 팩 감지 회로(518) 및 접속 해제 회로(516)와 인터페이싱할 수 있다. 팩 감지 회로(518)는 배터리 팩 시스템 모듈(504a) 내에 위치된 배터리 셀들(예시되지 않음)의 특성들을 제어 조립체(510)에 보고할 수 있다. 예컨대, 팩 감지 회로(518)는 쿨롱 카운터들로 배터리 셀들의 충전 레벨들 또는 서미스터들로 배터리 셀 온도들을 모니터링할 수 있다. 쿨롱 카운터들 및/또는 서미스터들은 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 통해 제어기 조립체(510)와 인터페이싱할 수 있다. 제어기 조립체(510)는 접속 해제 회로(516) 내의 충전 스위치 및 방전 스위치의 활성화 및 비활성화를 결정하기 위해 팩 감지 회로(518)로부터 획득된 정보를 사용할 수 있다.

부가적으로, 배터리 팩 시스템 모듈(504a)은 배터리 팩 시스템 모듈(504a)의 상태를 배터리 팩 시스템(502)의 운영자와 통신하기 위한 내부 디스플레이(522)를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 팩 시스템 모듈(504a)은 모듈 우회 스위치(514)의 상태를 표시하는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 내부 디스플레이(522)는 배터리 팩 시스템 모듈(504a) 내의 배터리 셀들의 충전 레벨을 표시하는 액정 디스플레이(LCD)일 수 있다.

버스(540)에 연결된 초기화기(542)는 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c) 각각과 통신할 수 있다. 초기화기(542)는 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c)의 충전 동작에 관한 결정들을 하기 위해 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c) 각각으로부터의 정보를 축적할 수 있다. 예컨대, 상이한 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c)의 충전 레벨들을 모니터링함으로써, 초기화기(542)는 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈에게 모듈 우회 스위치를 활성화하도록 지시할 수 있다. 일 실시예에 따라, 초기화기(542)는 배터리 팩 시스템(502)의 상태를 디스플레이하거나 및/또는 배터리 팩 시스템(502)에 대한 운영자 명령들을 수신하기 위해 외부 디스플레이 디바이스(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 초기화기(542)는, 예컨대, 배터리 셀들의 건강, 배터리 셀들의 용량, 과도 충전, 과도 방전, 과도 전류, 단락 회로 전류, 과도 온도, 미달 온도, 배터리 셀들의 충전 상태 및/또는 배터리 셀들의 밸런스와 같은 하나 이상의 이벤트들에 대해 배터리 팩 시스템(502)을 모니터링할 수 있다. 일 실시예에 따라, 초기화기(542)는, 예컨대, 초기화기(542)에서 컴퓨터 명령들을 저장하는 EEPROM에 대한 플래시 업데이트를 통해 새로운 컴퓨터 인스트럭션들 또는 구성 설정들로 프로그래밍될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 초기화기(542)는 새로운 컴퓨터 인스트럭션들 및/또는 구성 데이터를 제어기 조립체(510)로 다운로딩할 수 있다.

일 실시예에 따라, 초기화기(542)는 인트라-모듈 밸런싱 및 저전류 정밀 인터-모듈 밸런싱을 위한 모듈 내의 모든 내부 셀 밸런싱 회로들의 제어, 및 정확한 고전류 인터-모듈 밸런싱을 위한 모듈들 각각에 대한 모듈 우회 스위치에 걸친 제어를 가질 수 있다. 따라서, 초기화기는 인터-모듈 밸런싱 및 인트라-모듈 밸런싱을 수행할 수 있다. 인터-모듈 밸런싱 및 인트라-모듈 밸런싱의 결합은 충전 모드, 방전 모드, 대기(quiescent) 모드 및 저장 모드를 포함하는 임의의 배터리 모드에서 연속적인 밸런싱을 허용한다. 예컨대, 초기화기(542)는 다른 모듈들과 모듈을 밸런싱하기 위해 모듈 내의 모든 인트라-모듈 방전 밸런싱 회로들을 활성화할 수 있다.

초기화기(542)는 클라이언트 디바이스(546)와 통신하기 위해 네트워크(544)에 연결될 수 있다. 초기화기(542)는 클라이언트 디바이스(546)가 각각의 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c) 내의 조건들을 모니터링하거나 및/또는 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c) 내의 컴포넌트들을 제어하도록 허용할 수 있다. 예컨대, 클라이언트 디바이스(546)에서의 운영자는 배터리 팩 시스템 모듈(504a)의 모듈 우회 스위치(514)를 활성화하도록 초기화기(542)에 지시할 수 있다. 또 다른 예에서, 클라이언트 디바이스(546)에서의 운영자는 전류 제한들, 전압 제한들, 온도 제한들, 충전 레벨들, 및/또는 밸런싱 설정들과 같은 초기화기(542) 내의 설정들을 조절할 수 있다. 또 다른 예에서, 클라이언트 디바이스(546)에서의 운영자는 완전한 배터리 시스템의 실시간 연속적인 디스플레이를 위해 및 배터리 시스템 오디오 및 시각(visual) 알람들을 설정 및 재설정하기 위해 버스(540) 상으로 배터리 팩 시스템 모듈 모두로부터 상태 및 데이터를 수집할 수 있다.

일 실시예에 따라, 초기화기(542)는, 마스터 제어기로서 기능하기 위해 배터리 팩 시스템 모듈(504a) 또는 배터리 팩 시스템 모듈들(504a, 504b, 504c) 중 다른 하나의 제어기 조립체(510)를 지정함으로써 시스템(500)으로부터 제거될 수 있다. 마스터 제어기는 다른 배터리 팩 시스템 모듈 제어기 조립체들과 통신하고, 클라이언트 디바이스, 내부 디스플레이 및/또는 외부 디스플레이에 대한 운영자에게 액세스를 제공할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 예시적인 배터리 팩 시스템에 대한 클라이언트 디바이스를 예시한 블록도이다. 컴퓨터 시스템(600)은 시스템 버스(604)에 연결된 중앙 프로세싱 유닛(CPU)(602)을 포함한다. CPU(602)는 범용 CPU 또는 마이크로프로세서, 그래픽 프로세싱 유닛(GPU), 마이크로제어기 등일 수 있다. CPU(602)가, 직접적이든지 또는 간접적이든지, 본원에 기재된 바와 같은 모듈들 및 동작들을 지원하기만 하면, 본 실시예들은 CPU(602)의 아키텍처에 의해 제한되지 않는다. CPU(602)는 본 실시예들에 따라 다양한 논리 인스트럭션들을 실행할 수 있다. 논리 인스트럭션들은 CPU(602), 배터리 팩 시스템 모듈(도시되지 않음), 또는 초기화기(도시되지 않음)에 저장될 수 있다.

컴퓨터 시스템(600)은 또한, 예컨대, SRAM, DRAM, SDRAM 등일 수 있는 랜덤 액세스 메모리(RAM)(608)를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은 배터리 팩 시스템 모듈들을 전자적으로 모니터링 및 제어하기 위한 코드를 갖는 소프트웨어 애플리케이션에 의해 사용되는 다양한 데이터 구조들을 저장하기 위해 RAM(608)을 사용할 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은 또한, PROM, EPROM, EEPROM, 광학 스토리지 등일 수 있는 판독 전용 메모리(ROM)(606)를 포함할 수 있다. ROM은 컴퓨터 시스템(600)을 부팅하기 위한 구성 정보를 저장할 수 있다. RAM(608) 및 ROM(666)은 사용자 및 시스템 데이터를 보유한다.

컴퓨터 시스템(600)은 또한 입력/출력(I/O) 어댑터(610), 통신 어댑터(614), 사용자 인터페이스 어댑터(616) 및 디스플레이 어댑터(622)를 포함할 수 있다. I/O 어댑터(610) 및/또는 사용자 인터페이스 어댑터(616)는, 특정 실시예들에서, 배터리 팩 시스템 모듈에 대한 동작 파라미터들을 입력하기 위해 사용자가 컴퓨터 시스템(600)과 상호 작용하게 할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 디스플레이 어댑터(622)는 배터리 팩 시스템 모듈들을 모니터링 및/또는 제어하기 위해 그래픽 사용자 인터페이스를 디스플레이할 수 있다. 버스(604) 상의 디스플레이 어댑터(622) 또는 다른 사용자 인터페이스 디바이스는 사용자에게 배터리 시스템 상태, 특히, 사용자로부터의 우선 순위 응답을 요구하는 상태를 들을 수 있거나 및/또는 시각적으로 알리기 위한 오디오 출력들 및 고가시성 시각 디스플레이들을 포함할 수 있다.

I/O 어댑터(610)는 하드 드라이브, 콤팩트 디스크(CD) 드라이브, 플로피 디스크 드라이브, 및 테이프 드라이브 중 하나 이상과 같은 하나 이상의 스토리지 디바이스들(612)을 컴퓨터 시스템(600)에 접속할 수 있다. 통신 어댑터(614)는, LAN, WAN 및/또는 인터넷 중 하나 이상일 수 있는 네트워크에 컴퓨터 시스템(600)을 연결하도록 적응될 수 있다. 사용자 인터페이스 어댑터(616)는 키보드(620) 및 포인팅 디바이스(618)와 같은 사용자 입력 디바이스들을 컴퓨터 시스템(600)에 연결한다. 디스플레이 어댑터(622)는 디스플레이 디바이스(624) 상의 디스플레이를 제어하기 위해 CPU(602)에 의해 구동될 수 있다.

본 발명의 애플리케이션들은 컴퓨터 시스템(600)의 아키텍처로 제한되지 않는다. 오히려, 컴퓨터 시스템(600)은, 클라이언트 디바이스(546)의 기능들을 수행하도록 적응될 수 한 형태의 컴퓨터 디바이스의 예로서 제공된다. 예컨대, 제한 없이, PDA들(personal data assistants), 태블릿 컴퓨터들, 스마트폰들, 컴퓨터 게임 콘솔들, 또는 멀티-프로세서 서버들을 포함하는 임의의 적절한 프로세서-기반 디바이스가 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템들 및 방법들은 ASIC(application specific integrated circuits), VLSI(very large scale integrated) 회로들 또는 다른 회로 상에서 구현될 수 있다. 사실상, 당업자들은 설명된 실시예들에 따라 논리 연산들을 실행할 수 있는 임의의 수의 적절한 구조들을 사용할 수 있다.

초기화기를 통한 배터리 팩 시스템의 외부 제어는, 초기화기가 배터리 팩 시스템 모듈들 내의 제어기 조립체들과 통신할 때 수행될 수 있다. 도 7은 일 실시예에 따라 배터리 팩 시스템을 충전하는 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다. 흐름도(700)는, 초기화기가 배터리 팩 시스템 모듈이 배터리 팩 시스템 내의 다른 배터리 팩 시스템 모듈들과 밸런싱되지 않는지를 결정하는 블록(702)에서 시작된다. 일 예에서, 배터리 팩 시스템 모듈은 배터리 팩 시스템 내의 다른 배터리 팩 시스템 모듈들보다 더 높은 레벨로 충전되는 것으로 결정될 수 있다. 배터리 팩 시스템이 밸런싱되지 않는다면, 흐름도는 블록(704)으로 계속된다. 블록(704)에서, 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈 내의 충전 스위치는 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈 내의 배터리 셀들의 추가적인 충전을 방지하도록 비활성화될 수 있다. 부가적으로, 블록(704)에서, 방전 스위치는, 모듈 우회 스위치가 활성화될 때 배터리 셀들의 단락을 방지하도록 비활성화된다. 블록(706)에서, 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈에 대한 모듈 우회 스위치가 활성화된다.

블록(708)에서, 배터리 팩 시스템 모듈들이 밸런싱되지 않은 배터리 팩 모듈과의 밸런싱된 상태에 도달하였는지가 결정된다. 밸런싱이 도달될 때, 흐름도는 블록(710)으로 계속된다. 블록(710)에서, 이전에 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈에 대한 모듈 우회 스위치가 비활성화된다. 블록(712)에서, 이전에 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈에 대한 충전 스위치 및 방전 스위치가 활성화된다. 도 7에 예시된 방법은 초기화기, 클라이언트 디바이스, 또는 다른 모듈들을 제어하도록 마스터 모듈로서 구성된 배터리 팩 시스템 모듈에 의해 수행될 수 있다. 초기화기, 클라이언트 디바이스 또는 마스터 모듈이 디스플레이 또는 클라이언트 디바이스에 연결될 때, 소프트웨어는 배터리 팩 시스템을 모니터링 및/또는 제어하기 위해 사용자 인터페이스를 디스플레이하도록 실행될 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 배터리 팩 시스템을 모니터링하기 위한 소프트웨어 애플리케이션을 예시한 블록도이다. 소프트웨어 애플리케이션(800)은 배터리 팩 시스템 내부의 배터리 팩 시스템 모듈들을 모니터링하기 위한 디스플레이들(810, 820)을 포함할 수 있다. 디스플레이들(810, 820)은 배터리 팩 시스템 내의 각각의 배터리 팩 시스템 모듈에 대한, 예컨대, 온도, 충전 레벨, 전압, 모듈 우회 스위치의 상태 및/또는 경계 경보(도시되지 않음)와 같은 정보를 포함할 수 있다. 부가적으로, 소프트웨어 애플리케이션(800)은 디스플레이들(810, 820)에서 모니터링되는 배터리 팩 시스템 모듈들 내의 모듈 우회 스위치들을 각각 활성화하기 위한 버튼들(812, 822)을 포함할 수 있다. 충전 스위치들 및/또는 방전 스위치들은, 버튼들(812 및 822)이 작동될 때 소프트웨어에 의해 자동적으로 활성화 및 비활성화될 수 있다. 일 실시예에 따라, 디스플레이는 또한 각각의 모듈의 충전 스위치를 활성화 및 비활성화하기 위한 별개의 버튼들(814 및 824) 및 각각의 모듈의 방전 스위치를 활성화 및 비활성화하기 위한 버튼들(816 및 826)을 포함한다. 소프트웨어 애플리케이션(800)은, 예컨대, 콤팩트 디스크(CD), 하드 디스크 드라이브(HDD), 디지털 다기능 디스크(DVD), 플래시 메모리 등과 같은 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장될 수 있다.

본 발명의 배터리 팩 시스템은 모듈 우회 스위치, 충전 스위치 및 방전 스위치를 이용한 배터리 팩 시스템 내의 배터리 팩 시스템 모듈들의 밸런싱을 허용한다. 모듈 우회 밸런싱 프로세스는 배터리 팩 시스템 모듈들의 충전 또는 방전 동안에 계속해서 수행될 수 있어서, 배터리 팩 시스템 모듈들로부터의 증가된 수명 및 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈들로부터의 감소된 안정성 위험들을 발생시킨다. 밸런싱 시간들은, 모듈들을 통과하는 더 높은 충전 또는 방전 밸런싱 전류로 인해, 모듈 우회 스위치, 충전 스위치 및 방전 스위치를 사용하여 감소될 수 있다. 배터리 팩 시스템 모듈에서 부가적인 열 방산이 거의 없거나 아예 없는 경우에, 더 빠른 밸런싱 시간들이 달성될 수 있다. 열 방산을 감소시키는 것은 위험한 조건들이 배터리 팩 시스템 모듈에서 전개되는 것을 방지한다.

더 빠른 밸런싱은, 배터리 팩 시스템 모듈들을 대체할 때 특히 유리할 수 있다. 예컨대, 배터리 팩 시스템 모듈들 중 하나가 대체되면, 대체 배터리 팩 시스템 모듈은, 충전 전류를 밸런싱되지 않은 배터리 팩 시스템 모듈들로 지향하기 위해 모듈 우회 스위치들, 충전 스위치들 및 방전 스위치들을 활성화함으로써 다른 배터리 팩 시스템 모듈들과의 밸런스로 빠르게 맞추게 될 수 있다.

또 다른 실시예에 따라, 모듈 우회 스위치를 통한 우회 전류는 모니터링되고, 모듈 우회 스위치를 활성화 및/또는 비활성화할 때를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 도 9는 일 실시예에 따라, 충전, 방전 및 모듈 우회 스위치들을 갖는 예시적인 배터리 팩 시스템 모듈 및 우회 스위치 전류 모니터링을 예시한 간략한 회로도이다. 배터리 팩 시스템 모듈(900)은 도 2의 배터리 팩 시스템 모듈(200)과 유사하다. 그러나, 모듈 우회 스위치(240)는 전류 감지 저항기(250)에 연결된다. 모듈 우회 스위치(240)가 활성화될 때, 전류는 배터리 셀들(212, 214, 216 및 218)을 우회한다. 대신에, 전류는 실질적으로 모듈 우회 스위치(240) 및 전류 감지 저항기(250)를 통해 단자(202)로부터 단자(204)로 흐른다.

우회 전류가 전류 감지 저항기(250)를 통해 흐를 때, 마이크로프로세서(206)는 전류 감지 저항기(250)에 걸친 전압을 측정하고, 우회 전류의 크기에 대한 값을 계산할 수 있다. 예컨대, 마이크로프로세서(206)는 전류 감지 저항기(250) 및 마이크로프로세서(206) 사이에 연결된 아날로그 디지털 변환기(도시되지 않음)로부터 값을 수신할 수 있다. 마이크로프로세서(206)는, 모듈 우회 스위치(240)를 활성화 및/또는 비활성화하도록 아날로그 제어기(208)에 지시하기 위해 모듈 우회 스위치(240)를 통해 흐르는 우회 전류의 값에 관한 정보를 사용할 수 있다. 모듈 우회 스위치(240)를 통한 우회 전류를 측정하기 위한 전류 감지 저항기(250)가 도 9에 예시되지만, 대신에 다른 전류 측정 디바이스들이 사용될 수 있다.

전류 측정 디바이스를 통한 우회 전류를 모니터링하기 위해 마이크로프로세서(206)를 프로그래밍하기 위한 하나의 방법이 도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명된다. 도 10a 및 도 10b는 일 실시예에 따른, 우회 스위치 전류 모니터링을 통해 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하는 예시적인 방법을 예시한 흐름도이다. 방법(1000)은, 배터리 팩 시스템 모듈이 제 1 기준들에 도달하는지를 결정하는 블록(1002)에서 시작된다. 배터리 팩 시스템 모듈이 제 1 기준들에 도달할 때, 방법(1000)은 충전 스위치를 비활성화하는 블록(1004)으로 계속된다.

방법(1000)은, 모듈 우회 스위치에 걸친 전압이 제 1 전압 값을 초과하는지를 결정하는 블록(1006)으로 계속된다. 모듈 우회 스위치가 제 1 전압 값을 초과하지 않는다면, 흐름도는 블록(1006)으로 복귀한다. 모듈 우회 스위치가 제 1 전압 값을 초과한 후에, 블록(1008)에서 방전 스위치가 비활성화되고, 충전 스위치가 비활성화되고, 블록(1010)에서 모듈 우회 스위치가 활성화된다. 상술된 바와 같이, 충전 스위치는 블록(1004) 후에 블록(1008)에서 비활성화될 수 있는데, 왜냐하면 별개의 프로세스가 충전 스위치를 활성화했을 수 있기 때문이다. 따라서, 모듈의 배터리 셀들을 방전시키지 않고, 충전 전류가 저저항 경로를 통해 배터리 팩 시스템 모듈을 통과하도록 허용된다.

블록(1020)에서, 모듈 우회 스위치를 통과하는 우회 전류가 측정된다. 우회 전류가 임계값을 초과하는 한, 방법(1000)은 블록(1020)에 머문다. 우회 전류가 임계값 아래로 떨어질 때, 배터리 팩 모듈들 중 직렬의 또 다른 배터리 팩 모듈은 자신의 모듈 우회 스위치를 개방할 수 있다. 우회 전류에서의 이러한 감소를 모니터링함으로써, 배터리 팩 시스템 모듈은, 배터리 팩 시스템 모듈이 직렬로 연결된 다른 배터리 팩 시스템 모듈들과 유사한 충전 상태에 그가 도달할 때를 결정할 수 있다. 예컨대, 우회된 배터리 팩 시스템 모듈과 직렬로 연결된 임의의 다른 배터리 팩 시스템 모듈들이 자신의 충전 스위치를 개방하면, 이것은, 모듈들의 제너 다이오드 우회 회로들(예컨대, 도 2의 다이오드(276) 및 다이오드(282))을 통한 가능한 150 mA 전류 및 전류 측정 에러의 가능한 50 mA에 부가하여, 배터리 팩 시스템 모듈의 제어 회로들에 전력 공급하기에 적당한 양의 2 mA 전류를 제외하고 모든 직렬로 접속된 모듈들로의 모든 충전 전류를 정지시키게 할 것이다. 이러한 예에서, 적절한 임계값은 202 mA(예컨대, 2 mA + 150 mA + 50 mA)일 수 있다. 우회 전류가 임계값 아래로 떨어질 때, 방법(1000)은 모듈 우회 스위치를 비활성화하는 블록(1014) 및 충전 스위치를 활성화고 방전 스위치를 활성화하는 블록(1016)으로 진행된다. 도시되지 않지만, 우회 전류를 모니터링하기 위해 마이크로프로세서를 동작시키는 방법은, 예컨대, 우회 전류의 원격 모니터링을 포함하여, 상술된 바와 같은 부가적인 단계들을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 방법(1000)에 따라 프로그래밍된 마이크로프로세서는 우회 전류 스위치, 충전 스위치 및 방전 스위치를 활성화하거나 및/또는 비활성화하는 것에 관한 결정들을 하기 위한 부가적인 정보를 사용할 수 있다. 예컨대, 마이크로프로세서는, 모듈 우회 스위치를 활성화 또는 비활성화할 때를 결정하는데 있어서 모듈 우회 스위치가 활성화된 시간의 양과 같은 정보를 사용할 수 있다.

도 9 및 도 10a 및 도 10b에 설명된 바와 같은 모듈 우회 스위치 동작을 제어하기 위해 우회 전류를 모니터링하는 것은 도 2 및 도 4에 설명된 바와 같은 타이머 기반 방법에 비해 부가적인 이점들을 제공할 수 있다. 우회 전류를 모니터링함으로써, 배터리 팩 시스템 모듈은 자신에 연결된 다른 배터리 팩 시스템 모듈들에 관한 정보를 습득할 수 있다. 우회 전류 모니터링을 통해 다른 배터리 팩 시스템 모듈에 관하여 추론된 정보는 배터리 팩 시스템 모듈들의 비용 및 복잡성을 증가시킬 수 있는 배터리 팩 시스템 모듈들 사이의 통신들을 요구하지 않는다. 배터리 팩 시스템 모듈이 다른 배터리 팩 시스템 모듈들의 충전 상태에 관한 정보를 가질 때, 배터리 팩 시스템 모듈은 더 정확한 결정들을 할 수 있다. 사실상, 배터리 팩 시스템 모듈들은 모듈 우회 스위치를 통한 우회 전류를 모니터링함으로써 자동적인 인터-모듈 밸런싱을 수행할 수 있다.

부가적인 정보 및 자율적인 작동은, 배터리 팩 시스템 모듈들이 밸런싱되는 속도 및/또는 정확성을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 인터-모듈 밸런싱의 정확성은 우회 전류 모니터링이 없는 경우에 10-15 % 에러로부터 우회 전류 모니터링의 경우에 2-3 % 에러로 개선할 수 있다. 인터-모듈 밸런싱의 정확성은, 밸런싱 프로세스가 완료될 때 배터리 팩 시스템 모듈들 사이의 충전 상태에서의 차이를 지칭한다. 즉, 우회 전류 모니터링이 없는 경우에, 인터-모듈 밸런싱은 배터리 팩 시스템 모듈들에 대해 서로 10 % 내의 충전 상태만을 달성할 수 있다. 우회 전류 모니터링의 경우에, 인터-모듈 밸런싱은 배터리 팩 시스템 모듈들에 대해 서로 2 % 내의 충전 상태를 달성할 수 있다.

배터리 팩 시스템 모듈들의 더 정확한 코스(coarse) 밸런싱을 달성함으로써, 배터리 팩 시스템 모듈들의 더 빠른 밸런싱이 획득될 수 있다. 배터리 팩 시스템 모듈들의 모듈 우회 스위치들을 사용하는 인터-모듈 밸런싱을 통해 배터리 팩 시스템 모듈들의 코스 밸런싱 후에, 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱 상태에 더 가깝게 가져가기 위해 배터리 팩 시스템 모듈들의 미세(fine) 밸런싱이 뒤따른다. 미세 밸런싱은 코스 밸런싱보다 더 느린 프로세스이고, 따라서, 코스 밸런싱을 통해 획득되는 밸런스가 더 정확할수록, 미세 밸런싱 모드에서 시간이 덜 소비된다. 예컨대, 100 Amp-hours의 총 용량 및 100 milliAmps/hour의 미세 밸런싱 레이트를 갖는 배터리 팩 시스템 모듈들을 고려하면, 코스 밸런싱이 10 % 정확성을 달성한 후에 미세 밸런싱을 통해 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱하는 것은 하루 또는 그 이상의 날들이 걸릴 수 있다. 전류 우회 모니터링을 사용하여 인터-모듈 밸런싱을 통해 2 % 정확성을 달성한 후에 미세 밸런싱을 통해 동일한 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱하는 것은 몇 시간만을 소비할 수 있다. 따라서, 전류 우회 모니터링을 통한 인터-모듈 밸런싱은 배터리 팩 시스템 모듈들을 밸런싱하는데 소비되는 시간을 감소시킴으로써 배터리 팩 시스템 모듈들의 이용 가능성을 개선한다.

본 발명 및 본 발명의 이점들이 상세히 설명되었지만, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고, 다양한 변화들, 대체들 및 변경들이 본원에서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 출원의 범위는 본 명세서에 기재된 프로세스, 기계, 제품, 물질의 구성, 수단, 방법들 및 단계들의 특정 실시예들로 제한되도록 의도되지 않는다. 당업자가 본 발명으로부터 용이하게 인지할 바와 같이, 본원에 기재된 대응하는 실시예들과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 나중에 개발될 프로세스들, 기계들, 제품, 물질의 구성, 수단, 방법들 및 단계들은 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항들은 그러한 프로세스들, 기계들, 제품, 물질의 구성, 수단, 방법들 또는 단계들을 청구항들의 범위 내에 포함시키도록 의도된다.

Claims

장치로서,
제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 포함하고,
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈은,
제 1 단자 및 제 2 단자 사이에 연결되는 배터리 셀,
상기 배터리 셀의 충전을 중단시키기 위해 상기 배터리 셀 및 상기 제 1 단자와 직렬로 연결되는 충전 스위치,
상기 배터리 셀의 방전을 중단시키기 위해 상기 충전 스위치 및 상기 제 1 단자와 직렬로 연결되는 방전 스위치,
상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자를 단락시키기 위한 모듈 우회 스위치,
상기 제 1 단자 및 상기 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 모듈 우회 스위치 사이에 연결되는 전류 측정 디바이스, 및
상기 모듈 우회 스위치에 그리고 상기 전류 측정 디바이스에 연결되는 제어기 조립체
를 포함하고,
상기 제어기 조립체는:
상기 모듈 우회 스위치가 활성인 동안 상기 전류 측정 디바이스로부터의 우회 전류를 측정함으로써 상기 모듈 우회 스위치를 통한 우회 전류를 모니터링하는 단계;
상기 모듈 우회 스위치를 통한 충전 전류가 임계값 아래로 떨어진다는 것을 검출하는 단계, 및
상기 충전 전류가 상기 임계값 아래로 떨어질 때, 상기 모듈 우회 스위치를 비-활성화함으로써 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통한 상기 충전 전류의 우회를 중지시키는 단계
를 수행하도록 구성되는,
장치.
제 1 항에 있어서,
저항기와 직렬인 제너 다이오드를 더 포함하고,
상기 제너 다이오드 및 상기 저항기는 상기 모듈 우회 스위치와 병렬인,
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 모듈 우회 스위치는 전계 효과 트랜지스터(FET)인,
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈과 직렬로 연결되는 제 2 배터리 팩 시스템 모듈을 더 포함하는,
장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기 조립체는 상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치에 추가로 연결되고,
상기 장치는:
상기 제어기 조립체에 연결되는 버스, 및
상기 버스에 연결되는 초기화기(initializer)
를 더 포함하는,
장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제어기 조립체에 연결되는 팩 감지 회로를 더 포함하는,
장치.
제 5 항에 있어서,
상기 방전 스위치 및 상기 배터리 셀 사이에 연결되는 퓨즈를 더 포함하는,
장치.
제 5 항에 있어서,
상기 버스 및 상기 제어기 조립체 사이에 연결된 분리형 버스 인터페이스를 더 포함하는,
장치.
삭제
방법으로서,
제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 배터리 셀들을 충전하지 않고, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통해 충전 전류를 우회시키는 단계,
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 상기 모듈 우회 스위치를 통한 상기 충전 전류를 모니터링하는 단계,
상기 우회시키는 단계 동안에, 상기 충전 전류가 임계값 아래로 떨어진다는 것을 검출하는 단계, 및
상기 충전 전류가 상기 임계값 아래로 떨어질 때, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 상기 모듈 우회 스위치를 통한 상기 충전 전류의 우회를 중지시키는 단계
를 포함하는,
방법.
제 10 항에 있어서,
상기 충전 전류의 우회를 중지시키는 단계 이후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전 스위치를 활성화하는 단계, 및
상기 충전 전류의 우회를 중지시키는 단계 이후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전 스위치를 활성화하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
제 10 항에 있어서,
상기 충전 전류를 우회시키는 단계 이전에,
충전 전류로 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하는 단계,
상기 충전하는 단계 동안에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈에 걸친 전압이 임계값을 초과한다는 것을 검출하는 단계,
상기 전압이 상기 임계값을 초과한다는 것을 검출한 후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 중지시키는 단계,
상기 전압이 상기 임계값을 초과한다는 것을 검출한 후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 중지시키는 단계, 및
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 중지시킨 후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하지 않고, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 통해 상기 충전 전류를 통과시키기 위해 모듈 우회 스위치를 활성화하는 단계
를 더 포함하는,
방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 중지시키는 단계는, 충전 스위치를 비활성화하는 단계를 포함하는,
방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 중지시키는 단계는, 방전 스위치를 비활성화하는 단계를 포함하는,
방법.
제 10 항에 있어서,
상기 충전 전류로 제 2 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하는 단계를 더 포함하고,
상기 제 2 배터리 팩 시스템 모듈은 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈과 직렬인,
방법.
제 10 항에 있어서,
상기 우회시키는 단계 동안에 상기 충전 전류가 임계값 아래로 떨어진다는 것을 검출하는 단계는, 전류 감지 저항기를 모니터링하는 단계를 포함하는,
방법.
컴퓨터-판독 가능 매체로서,
제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 배터리 셀들을 충전하지 않고, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 모듈 우회 스위치를 통해 충전 전류를 우회하기 위한 코드,
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 상기 모듈 우회 스위치를 통한 상기 충전 전류를 모니터링하기 위한 코드,
상기 우회 동안에, 상기 충전 전류가 임계값 아래로 떨어진다는 것을 검출하기 위한 코드, 및
상기 충전 전류가 상기 임계값 아래로 떨어질 때, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 상기 모듈 우회 스위치를 통한 상기 충전 전류의 우회를 중지시키기 위한 코드
를 포함하는,
컴퓨터-판독 가능 매체.
제 17 항에 있어서,
상기 매체는,
충전 전류로 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하기 위한 코드,
상기 충전 동안에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈에 걸친 전압이 임계값을 초과한다는 것을 검출하기 위한 코드,
상기 전압이 상기 임계 전압을 초과한다는 것을 검출한 후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 중지시키기 위한 코드,
상기 전압이 상기 임계 전압을 초과한다는 것을 검출한 후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 중지시키기 위한 코드, 및
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 방전을 중지시킨 후에, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 충전하지 않고, 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈을 통해 상기 충전 전류를 통과시키기 위해 모듈 우회 스위치를 활성화하기 위한 코드
를 더 포함하는,
컴퓨터-판독 가능 매체.
제 17 항에 있어서,
상기 매체는,
적어도 제 2 배터리 팩 시스템 모듈을 모니터링하기 위한 코드, 및
상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전이 디스에이블될 때, 상기 제 2 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 인에이블하기 위한 코드
를 더 포함하는,
컴퓨터-판독 가능 매체.
제 17 항에 있어서,
상기 매체는 상기 제 1 배터리 팩 시스템 모듈의 충전을 원격으로 모니터링하기 위한 코드를 더 포함하는,
컴퓨터-판독 가능 매체.