KR101727622B1 - 고전류 배터리 시스템 및 고전류 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

고전류 배터리 시스템 및 고전류 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 큰 동작 전류가 흐르는, 특히 차량용 구동 트레인들을 위한 고전력 배터리 시스템(1)에 관한 것이다. 고전력 배터리 시스템(1)은 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12) 및 복수의 배터리 모듈들(4)을 포함하고, 복수의 배터리 모듈들 각각은 적어도 하나의 재충전가능한 배터리 셀(10)을 포함하고, 동작 동안, 동작 전류가 동작 전류 라인(5)을 통해서 흐르는 방식으로 상기 동작 전류 라인(5)을 통해서 전기적으로 직렬로 접속된다. 배터리 모듈들(4) 중 적어도 하나는 바이패스 배터리 모듈(6)로서 구성되고, 이 바이패스 배터리 모듈(6)은 바이패스 스위치(7) 및 바이패스 라인(8)을 포함하며, 이 바이패스 스위치(7) 및 바이패스 라인(8)은 바이패스 스위치(7)가 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위칭되었던 경우, 동작 전류가 바이패스 라인(8)을 통해서 흐르도록 배터리 모듈(6)이 바이패스 라인(8)을 통해서 전기적으로 바이패싱되도록 설계 및 배치된다. 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12)는 각 바이패스 배터리 모듈(6)에 대한 모듈 모니터링 유닛(11)을 포함하고, 모니터링 유닛(11)은 연관된 배터리 모듈(6)을 모니터링하고, 모듈(6)의 고장 상태를 검출한다. 배터리 모듈(6)의 고장 상태가 모듈 모니터링 유닛들(11) 중 하나에 의해 검출되는 경우, 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12)는 동작 전류 라인(5)에서 전류 흐름을 측정하고, 동작 전류 라인(5)에서의 전류 흐름이 미리결정된 제한값 미만일 때, 관련된 바이패스 배터리 모듈(6)의 바이패스 스위치(7)를 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위칭한다.

Description

고전류 배터리 시스템 및 고전류 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법{HIGH-CURRENT BATTERY SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A HIGH-CURRENT BATTERY SYSTEM}
본 발명은 큰 전류가 흐르고, 특히, 차량 구동 트레인(drivetrain)들에 적합한, 고전력 배터리 시스템에 관한 것이다. 고전력 배터리 시스템은 복수의 배터리 모듈들을 포함하며, 이 복수의 배터리 모듈들 각각은 적어도 하나의 재충전가능한 배터리 셀(축전지 셀)을 포함하고, 동작 동안, 동작 전류가 동작 전류 라인을 통해서 흐르는 방식으로 동작 전류 라인을 통해서 전기적으로 직렬로 접속된다.
고전력 배터리 시스템들은, 수십 또는 수백 암페어의 범위에서 고 정전용량이 요구되고 고전류들이 흐를 수 있는, 수많은 이동 장치들에 사용된다. 고전력 배터리 시스템들의 사용의 예들은 이동 수단들, 또는 심지어 차량들, 특히 최대 전류가 100A에서 약 400A까지의 범위 내에서 일반적으로 발생되는 전기 차량들이다. 그러나, 고전력 배터리 시스템은 또한 다른 전기 장치들, 특히, 모터를 포함하고, 모터를 시동하기 위해 고전류들을 요구하는 장치들에 필요하다.
배터리 시스템들이 사용되는 경우, 개별 배터리 셀들은, 예를 들면, 과충전으로 인해 또는 배터리 내의 고장들에 때문에 발생할 수 있는 배터리들을 손상시키거나 또는 파괴하는 위험들을 회피하기 위해 모니터링되어야 함은 종래 기술로부터 알려져 있다.
복수의 재충전가능한 배터리들을 포함하는 배터리 시스템에서 개별 셀들의 과충전을 방지하기 위해, 독일 특허 제10 2004 013 351 A1호는 전하를 분배하고, 직렬로 접속된 복수의 재충전가능한 배터리들을 모니터링하기 위한 장치를 제안한다. 개별 재충전가능한 배터리들은, 입력 전압, 전압 구배(voltage gradient), 및 충전 동안의 온도를 기록함으로써 모니터링된다. 고장이 발생하면, 해당 재충전가능 배터리는, 충전 전류 공급을 인터럽트하거나 또는 감소시키는 가변 임피던스를 통해 바이패싱되고, 바이패스가 활성화된다.
위험 상태들은 충전중일 때, 특히 과충전으로 인한 경우에 뿐만 아니라, 동작 동안에도 발생할 수 있다. 배터리들 및 배터리 시스템들의 다양한 동작 상태들은 모니터링되어야만 하고, 결함이 있는 배터리는 결함 상태가 발생한 즉시 배터리 시스템으로부터 격리되어야 함은 종래 기술로부터 알려져 있다. 이러한 배터리 관리 시스템에 대한 하나의 제안은, 예를 들면, 미국 특허 제2008/0084182 A1호에 개시된다.
미국 특허 제2007/0212596 A1호는 하나 또는 둘 이상의 배터리 셀들을 포함하는, 특히, 어떤 모니터링된 파라미터들이 목표 값들로부터 벗어난 경우, 리튬 이온 배터리들을 갖는 배터리 시스템에 대한 안전 차단(safety shutoff)에 관한 것이다. 예를 들면, 배터리들의 온도가 체크된다. 모든 셀들은, 그 셀들 중 적어도 하나가 미리결정된 온도를 초과하는 경우, 전기적으로 접속해제될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 모니터링 장치는 셀들의 충전 상태 및 충전 주기를 모니터링할 수 있다. 전기화학 셀들의 전압 및/또는 내부 임피던스도 또한 모니터링될 수 있다.
미국 특허 제 2002/0074861 A1호는 차량에서 배터리를 접속해제하기 위한 장치를 제안한다. 고장이 발생하면, 단락, 화재, 사고 또는 유사한 상황이 차량 또는 그의 사용자들의 안전을 위협하는 경우, 차량 내의 배터리는 접속해제된다. 차단된 장치는 활성화 및 비활성화될 수 있어서, 이에 따라, 차량이 완전히 움직이지 못 하게됨을 방지함이 더 제공된다. 단락 또는 전압의 강하가 발생하는 경우에도 배터리가 전체적으로 전압 공급이 없는 것이 아니어서 안전 차단이 영향을 미칠 수 있도록 보장하기 위해 커패시터가 제공된다. 이러한 안전 차단은 바람직하게는 배터리를 접속해제하기 위한 스위치로서 기능하는 트랜지스터를 통해서 보장되는 것이 바람직하다.
배터리들이 사용되는 많은 분야들, 예를 들면, 전기 차들에서, 배터리는 고장이 발생하면 신뢰성 있게 및 가능한 빨리 접속해제되어야만 한다. 이러한 이유 때문에, 어떤 시점의 기술 수준에서, 결함이 있는 배터리를 접속을 끊거나 바이패스하기 위해 배터리의 고 동작 전류들을 처리할 수 있는 고 전류 스위치가 사용된다. 그러나, 고 전류 스위치의 결점은 매우 고가라는 것이다. 또한, 별개의 고 전류 스위치가 각 배터리 또는 배터리 셀에 대해 사용되어야만 한다. 이는, 특히, 수많은 배터리 셀들이 전기 차량들에 사용되는 경우, 이러한 비용들을 이에 따라 증가시킨다.
고 전류 스위치들의 사용 이외에, 심각한 고장이 발생하면, 개별 배터리 셀의 공급 선 또는 동작 전류 라인이 적어도 접속해제되도록, 예를 들면, 그것을 폭파시킴으로써, 개별 배터리 셀의 공급 선 또는 동작 전류 라인을 파괴하는 것이 또한 알려져 있다.
이와 관련하여, 본 발명의 목적은 개별 배터리 모듈들이 모니터링될 수 있고, 고장 상태가 검출되는 경우 접속해제될 수 있는 개선된 고전력 배터리 시스템을 제안하기 위한 것이다.
이러한 문제는 청구항 1의 특징들을 갖는 고전력 배터리 시스템, 및 청구항 15의 특징들을 갖는 고전력 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법에 의해 해결된다. 하위 청구항들은 개별적인 독립 청구항들을 다시 인용하고, 본 발명에 따른 고전력 배터리 시스템의 바람직한 명백하지 않은 실시예들 및 본 발명에 따른 방법의 각각을 설명한다.
본 발명에 따른 고전력 배터리 시스템내에서는 고 동작 전류가 흐른다. 그의 최대값은 일반적으로 적어도 수십 암페어의 범위이고, 종종 100 내지 400 A의 범위에 있다. 동작 전류는 고전력 배터리 시스템이 충전되는 충전 전류이고, 또는 에너지가 고전력 배터리 시스템으로부터 소모되는 방전 전류이다. 본 발명의 문맥에서, 용어 "고 동작 전류"는 대략 적어도 10 A, 바람직하게는 적어도 20 A 정도의 충전 또는 방전 전류를 의미하는 것으로 이해된다. 이러한 종류의 고전력 배터리 시스템들은, 특히, 차량 구동 트레인들, 예를 들면, 전기적으로 전력이 공급되는 차량들에 사용하기에 특히 적합하다. 이하, 설명은 차량 구동 트레인들을 위한 고전력 배터리 시스템을 참조할 것이고, 본 발명은 그들의 일반적인 응용의 제한 없이 이러한 종류의 구동 트레인 및 전기 차량을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
고전력 배터리 시스템은 배터리 시스템 모니터링 전자장치 및 복수의 배터리 모듈들을 포함한다. 각 배터리 모듈은 적어도 하나의 재충전가능한 배터리 셀을 포함한다. 배터리 셀은 폐쇄된 유닛이고, 전기 에너지를 저장하거나 방출할 수 있으며, 다시 말하면, 배터리 셀은 충전되거나 방전될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 셀 내에 함유되는 활성 물질들이 필요하다. 본 발명의 목적을 위해, 활성 물질은 충전 및 방전 동안, 산화 또는 환원 반응을 보증하는 포지티브 또는 네거티브 전극의 전기화학적으로 효과적인 물질들이다. 이 전극들은 배터리 셀 내부에서 전기적으로 서로 절연되어야만 한다. 그러나, 이 전극들 사이에서의 이온들의 이동은 적절한 전해질에 의해 보증되어야만 한다.
리튬 이온 배터리 셀에서, 예를 들면, 활성 물질들은 충전-유지(bearing) 리튬 이온들의 가역적인 흡수 또는 손실을 가능하게 하는 물질들이다. 이들은 포지티브 전극 또는 네거티브 전극의 주요 컴포넌트들이다. 예를 들면, 포지티브 전극은 리튬 코발트 산화물을 함유할 수 있다. 충전 동안, 리튬 이온들은 그 포지티브 전극에 의해 방출되어 코발트 이온들이 산화된다. 네거티브 전극은, 예를 들면, 셀이 충전되는 경우 및 리튬 이온들을 받아들이는 과정에서 환원된 탄소를 함유한다. 전해질은 유기 용제 또는 용제 혼합물 및 전도성 염으로 구성된다.
본 발명에 따른 배터리 셀은 전극 및 활성 물질을 함유한다. 활성 물질들 또는 전해질의 어느 것도 배터리 셀이 동작하는 동안 보충되지 않거나, 부가되거나 제거되지 않는다. 다시 말하면, 전해질 또는 활성 물질들의 어느 것도 부가되거나 빼지지 않고, 배터리 셀에 존재하는 물질들의 양은, 배터리 셀의 안으로 또는 밖으로 중 어느 하나로 전류가 흐르는 충전 또는 방전 과정 동안 외부로부터 어떠한 방식으로도 아무런 영향을 받지 않는다. 셀은 에너지를 저장하기 위해 그리고 충전 및 방전할 수 있게 하기 위해 필요한 모든 컴포넌트들을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 배터리 셀은 활성 물질들 및 전해질을 함유하는 하우징을 갖는다. 이 하우징은, 활성 물질들 또는 전해질의 어느 하나도 셀이 동작하는 동안 어느 것도 제거되거나 보충될 수 없는 방식으로 폐쇄된다.
배터리 셀은 포지티브 전극 및 네거티브 전극을 포함하는 적어도 하나의 전극 쌍을 포함한다. 이에 따라, 그 가장 간단한 구성에서, 배터리 셀은 단지 2개의 전극들만을 포함한다. 예를 들면, 원통형 셀들에서, 하나의 네거티브 전극 및 하나의 포지티브 전극은 롤의 형태로 함께 권취된다(wound). 배터리 셀은 각각의 전극에 대해 하나의 접속 갖는 하우징을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 다수의 포지티브 전극 및 네거티브 전극들이 하나의 배터리 셀에 포함되는 것이 또한 가능하다. 이러한 종류의 배터리 셀들은, 그 표면 영역이 그 두께보다 상당히 더 크고, 하나가 다른 하나의 상부에 또는 그 밖에 서로의 위에 배열된 몇몇 층들의 구성이 통상적이다. 이들은 대략적으로 동일한 표면 면적들을 가지며, 배터리 셀의 내부에서 샌드위치 방식으로 배열된다. 예를 들면, 입방형 하우징을 갖는 각기둥 모양의 배터리 셀들이 일반적이다. 전형적으로, 포지티브 및 네거티브 전극들 모두는 배터리 셀 내부에서 병렬로 접속된다.
배터리 셀은 2 개의 접속들(단자들)을 갖고, 배터리 셀이 전기 회로에 통합될 수 있도록 하나의 커넥터는 하나 또는 둘 이상의 포지티브 전극과의 접촉을 제공하며, 다른 커넥터는 하나 또는 둘 이상의 네거티브 전극과의 접촉을 제공한다.
고전력 배터리 시스템 내의 복수의 배터리 모듈들은 고전력 배터리 시스템이 동작할 때, 동작 전류(방전 전류 또는 충전 전류)가 동작 전류 라인을 통해서 흐르도록, 동작 전류 라인에 전기적으로 직렬로 접속된다. 동작 전류 라인은 적어도 2개의 인접한 배터리 모듈들을 접속한다. 그러나, 본 발명의 목적을 위해, 용어 동작 전류 라인은 배터리 시스템의 부하 접속들을 유도하는 고전력 배터리 시스템 내부의 선을 지명하기 위해 또한 사용된다.
고전력 배터리 시스템의 배터리 모듈들 중 적어도 하나는 바이패스 배터리 모듈로서 구성된다. 그것은 바이패스 스위치 및 바이패스 라인을 포함한다. 바이패스 스위치는, 그 스위치가 정상 동작 위치에 있는 경우, 동작 전류가 연관된(바이패스) 배터리 모듈을 통해서 흐르도록 설계된다. 바이패스 라인은, 바이패스 스위치가 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위칭되었을 때, 바이패스 배터리 모듈이 바이패스 라인을 통해서 전기적으로 바이패싱되도록, 설계되고 배열된다. 스위치가 바이패스 위치인 경우, 동작 전류가 바이패스 배터리 모듈을 통하지 않고, 바이패스 라인을 통하여 흐르며, 배터리 셀이 외부적으로 단락되지 않는다. 고전력 배터리 시스템은 각 바이패스 배터리 모듈에 대한 모듈 모니터링 유닛을 포함한다. 이러한 모듈 모니터링 유닛은 관련된 바이패스 배터리 모듈을 모니터링하고, 모듈의 고장 상태를 검출한다.
본 발명에 따른 방법은 다음 단계들을 포함한다:
시스템에서 바이패스 배터리 모듈들은 고전력 배터리 시스템의 모듈 모니터링 유닛을 통해서 모니터링된다. 배터리 모듈들 중 하나에서 고장 상태가 발생하는 경우, 이러한 상태가 검출된다. 배터리 시스템 모니터링 전자장치들은 동작 전류 라인에서의 전류 흐름을 측정한다. 그후, 배터리 모듈들이 고장이면, 동작 전류 회로에서의 전류 흐름이 사용되고 있는 고전력 배터리 시스템 바이패스 스위치에 따라 일반적으로 정의되는 미리결정된 제한값보다 작은지의 여부를 결정하기 위해 체크가 이루어진다. 전류 흐름이 제한값 미만으로 떨어진 직후, 바이패스 스위치는 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위치된다. 그 결과, 동작 전류가 바이패스 라인을 통해서 흐르도록 고장 상태가 검출되었던 (연관된) 바이패스 배터리 모듈은 전기적으로 바이패스된다. 이러한 경우, 따라서, 동작 전류는 더 이상 고장 배터리 모듈을 통해 흐르지 않고, 그 대신 그것을 바이패스한다. 동작 전류는 고전력 배터리 시스템에서 손상되지 않은 배터리 모듈들을 통해서 계속 흐른다.
본 발명에 따른 고전력 배터리 시스템은 바이패스 스위치를 통한 외부적인 단락이 고장 상태의 검출에 의해 방지되는 장점을 갖는다. 바이패스 스위치는, 고장이 발생하는 경우, 고장 배터리 모듈이 배터리 모듈 커넥터들을 통해서 바이패스되지 않지만, 대신에 동작 전류가 개별 바이패스 라인을 통해서 우회시키는 방식으로, 구성 및 설계된다. 결과적으로, 그것으로부터 분리되었던 배터리 모듈은 더 이상 고전력 배터리 시스템의 전력 회로의 일부가 아니다. 이는 배터리 모듈이 단지 하나의 배터리 셀만을 포함하는 경우, 그 배터리 셀은 분리되어 있음을 의미한다. 이러한 방식으로, 배터리 셀들 중 어느 것도 외부적으로 단락되지 않고, 다시 말하면, 단락은 그들의 접속 단자들 사이에 생성될 수 없음이 보장된다.
배터리 모듈 접속들을 통한 고장 배터리 모듈을 바이패스하는 것은 모듈의 외부적인 단락을 초래할 것이다. 외부적인 단락이 배터리 모듈 또는 전기화학 배터리 셀에서 발생하는 경우, 배터리 셀에 저장된 에너지의 모두는 내부적인 단락과 유사하게 방전된다. 예를 들면, 유기 전해질 용액을 갖는 종래의 리튬 이온 셀들에서, 에너지의 자발적인 방출에 의해 셀이 폭발하고 불붙게 했던 상태들을 내부적인 단락들이 초래하였음이 알려진다. 따라서, 활성 물질들을 전기화학적으로 함유하는 임의의 종류의 배터리 내에서의 단락은 일반적으로 회피된다. 이러한 발생은, 본 발명에 따른 바이패스 스위치 및 바이패스 라인을 통한 전류의 수정된 경로(routing)를 통해 신뢰성 있게 방지될 수 있다.
배터리 시스템 모니터링 전자장치들은 모니터링될 배터리 모듈들에 대한 모든 모듈 모니터링 유닛들 및 임의의 다른 컴포넌트들 역시 포함한다. 배터리 시스템 모니터링 전자장치들은 고전력 배터리 시스템을 모니터링 및 제어하기 위해 필수적인 모든 기능들을 제공한다. 특히, 그것은 마이크로프로세서 또는 다른 하드웨어를 포함할 수 있다. 그 기능들의 일부는 소프트웨어를 통해 보장될 수 있다. 또한, 바람직하게는, 예를 들면, 고전력 배터리 시스템 외부의 모듈들 또는 컴포넌트들과 통신하기 위한 추가 기능들을 수행할 수 있다.
바이패스 배터리 모듈에 대한 에러 상태가 검출되는 경우, 동작 전류 라인(5)에서의 전류 흐름은 배터리 시스템 모니터링 전자장치들을 통해서 측정된다. 이러한 검출은 배터리 시스템 모니터링 전자장치들의 컴포넌트에 의해 수행된다. 그것은 결함이 있는 배터리 모듈의 모듈 모니터링 유닛을 통해서 바람직하게 달성된다. 이런 상황에서, 개별 모듈 모니터링 유닛들은 서로 자립적으로 및 독립적으로 기능할 수 있다. 이들은 바이패스 스위치가 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위치하도록 전류 흐름을 측정하고, 미리정의된 제한값과 비교를 수행하며, 및/또는 바이패스 스위치를 작동시키도록 구성될 수 있다. 이러한 경우, 바람직하게는 각각의 하나는 그 자신의 마이크로프로세서를 갖는다. 대안적으로, 이러한 기능들 중 일부 또는 전부는 배터리 시스템 모니터링 전자장치들의 별도의 컴포넌트에 의해 또한 수행될 수 있다.
모듈 모니터링 유닛들은 또한 하드웨어, 및 어떤 경우에는 선택적으로 소프트웨어의 형태를 가질 수 있다. 물론, 전자 컴포넌트들은 필요조건에 의존하여 하나 또는 둘 이상의 어셈블리들에 결합될 수 있다. 특히, 모듈 모니터링 유닛은 독립적인 어셈블리로서 각 배터리 모듈에 할당될 수 있다. 예를 들면, 모듈 모니터링 유닛들은 동작 전류 라인에서의 측정된 전류 흐름을 배터리 시스템 모니터링 전자장치들의 컴포넌트(예를 들면, 마이크로프로세서)에 전달할 수 있고, 그래서 배터리 시스템 모니터링 전자장치들의 마이크로프로세서는, 예를 들면, 배터리 시스템 모니터링 전자장치들의 메모리에 저장되는 미리결정된 제한값과 비교를 수행한다.
필요한 센서들을 제외하면, 모듈 모니터링 유닛들은 배터리 시스템 모니터링 전자장치들의 중앙 유닛에 통합되는 것이 바람직하다. 공간적 통합은, 이것이 매우 소형 구조를 가능하게 하고, 복수의 모듈 모니터링 유닛들이 결합될 수 있기 때문에, 유리할 수 있다. 이러한 실시예에서, 배터리 모듈들은 오직 고장 상태를 기록하기 위해 필수적인 센서(예를 들면, 온도 센서)들만을 갖는다. 측정값들은 배터리 시스템 모니터링 전자장치의 중앙 유닛에서 추가 처리를 겪는다.
각 모듈 모니터링 유닛은 할당된 배터리 모듈을 모니터링하고, 고장 상태가 발생하면 그것을 검출한다. 배터리 모듈의 고장 상태는 표준 값 또는 참조 값으로부터 동작 파라미터 또는 동작 값의 편차일 수 있다. 과열, 누설, 또는 배터리 모듈 상의 초과 압력의 존재와 같은 기술적인 고장 또는 결함은 또한 고장 상태로 분류된다. 전압, 전류, 충전 주기 또는 온도와 같은 개별 파라미터들은 배터리 모듈을 모니터링하는 목적을 위해 측정 또는 관찰되고, 참조 값들과 비교될 수 있다. 고장 상태는, 모니터된 측정값이 참조 값으로부터 벗어나고 배터리 셀 또는 배터리 모듈이 손상될 수 있거나 또는 화재 또는 폭발할 수 있는 위험이 존재하게 되는 정도까지, 허용 오차 범위 외부로 벗어난 직후 검출된다. 고장 검출 및 필요한 센서들은 예를 들면, 관련 기술로부터, 특히, 독일 특허 제10 2004 013 351 A1호로부터 당업자에게 공지된다.
특히, 바람직한 실시예에서, 고전력 배터리 시스템의 배터리 셀들은 알칼리 금속 셀들이다. 그들의 활성 금속은 알칼리 금속들의 화학적 그룹으로부터의 금속, 바람직하게는 리튬이다. 예를 들면, 그 용도가 매우 광범위한 리튬 이온 배터리 셀들은 우수한 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 전해질이 SO2에 기초하는 알칼리 금속 셀들 또는 리튬 셀들이 특히 바람직하다. 일반적으로 사용되는 유기 전해질들을 갖는 리튬 이온 셀들과 비교하면, SO2 전해질을 갖는 리튬 이온 셀은 다른 장점들 중에서 보다 큰 기능적 신뢰성을 나타낸다.
전기 차량의 고전력 배터리 시스템은 매우 변하기 쉬운 방식으로 동작된다. 일정한 구동 및 가속의 조건들 하에서, 전류는 배터리 시스템으로부터 얻어지고, 방전 전류로 하여금 전기 차량의 구동 모터로 흐르게 한다. 차량이 브레이크가 걸리는 경우, 브레이킹 에너지는 배터리 시스템을 충전하기 위해 사용되고, 충전 전류로 하여금 고전력 배터리 시스템으로 흐르게 한다. 구동 동작과 브레이크 동작 사이의 변화는 전기 모터와 배터리 시스템 사이의 공급 라인에 흐르는 전류가 낮은 동작 상태들을 반복적으로 초래한다. 동작 전류는 종종, 영으로 떨어지므로, 고전력 배터리 시스템은 전원이 끊긴다. 따라서, 전기 차량 구동 트레인들은 실제 조건들에서 동작되고, 동작 전류 라인에서의 동작 전류가 제한값 미만인 동작 상태들이 종종 발생한다. 이러한 상태들은 바이패스 스위치로 하여금 스위칭하게 하고, 고장 배터리 모듈을 바이패싱하게 하기에 충분히 긴 기간 동안 존재한다.
본 발명은 이러한 구현을 이용한다. 배터리 모듈들에서의 고장이 모듈 모니터링 유닛들 중 하나에 의해 검출된 경우, 바람직하게는 배터리 시스템 모니터링 전자장치들은 동작 전류 라인에서의 전류의 흐름을 측정하고, 동작 전류 라인에서의 전류 흐름이 미리결정된 제한값보다 낮을 때, 문제의 배터리 모듈에 대한 바이패스 스위치로 하여금 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위치하게 한다.
개별 경우의 필요조건들에 의존하여, 배터리 모듈은 상대적으로 짧은 시간 내에, 바람직하게는 1분보다 작은, 특히 바람직하게는 (10 초보다 크지 않은)수 초 내에 접속해제되어야만 한다. 이를 달성하기 위해, 바이패스는 고장 모듈을 전기적으로 분리하고, 전류가 다른 (손상되지 않은) 배터리 모듈들을 통해 흐른다는 것을 보장하도록 스위치된다. 제한값 이하의 동작 전류를 갖는 동작 상태가 소정의 주기 내에 발생할 모든 경우들에 대해 보장하는 것은 가능하지 않다. 이를 달성하기 위해, 배터리 모듈들을 갖는 전체 고전력 배터리 시스템은 부하 또는 (예를 들면, 전기 모터로부터의)충전으로부터 잠시 접속해제될 수 있다. 이러한 접속해제는 시스템의 바이패스 스위치가 스위칭될 때까지 그리고 결함이 있는 배터리 모듈이 바이패싱될 때까지 유지된다.
고전력 배터리 시스템(고전류 배터리 시스템)의 바람직한 실시예에서, 배터리 시스템에서의 동작 전류가 제한값보다 작은 이러한 저 전류 동작 상태를 발생시키기 위해 부하 전류 구동이 사용된다. 이러한 전류 구동은, 동작 전류 라인에서의 전류가 제한값 미만이 되는 방식으로 고전력 배터리 시스템과 부하 사이의 전류의 흐름을 제어한다. 본 발명의 맥락에서, 전기 차량에 존재하는 전기 모터 제어 유닛이 그것이 센더(sender)로서 전자 가스 페달에 의해 발생된 목표 값을 조정하게 함으로써 이러한 목적을 위해 유리하게 사용될 수 있음이 발견되었다. 전기 모터 제어 유닛은 구동 및 가속 조건들 동안 전류가 고전력 배터리 시스템으로부터 전류가 얻어지는 방식으로 차량의 전기 모터를 조정한다. 브레이크하는 동안, 전류는 전기 모터에 의해 발생되고, 배터리 시스템으로 공급된다. 프리휠링하는(freewheeling) 동안, 모터는 고전력 배터리 시스템으로부터 분리된다. 필요한 고성능 전자 엘리먼트들은 전기 모터 제어 유닛의 컴포넌트들로서 전기 차량에 이미 존재한다.
본 발명의 맥락에서, 차량내에 이미 존재하는 전기 모터 제어 유닛의 고성능 전자 엘리먼트들이 본 발명의 목적을 위해 필요한 경우에서와 같이, 고전력 배터리 시스템을 부하로부터 분리시키기 위해 사용될 수 있음이 발견되었다. 단선은 바이패스 스위치가 스위치하고, 고정 배터리 모듈들이 바이패스되기에 충분히 길게 발생해야만 한다. 이러한 잠시 동안의 단선은 바람직하게는 1 초 미만, 특히 바람직하게는 100 밀리 초 미만, 특히 바람직하게는 20 밀리 초 미만으로 유지한다. 따라서, 사용자는 대개 전혀, 심지어 전기 차량이 구동중인 경우에도 그것을 거의 알아채지 못한다.
대안적으로, 부하를 고전력 배터리 시스템으로부터 완전히 접속해제하는 대신, 전기 모터 제어 유닛은 고전력 배터리 시스템에서의 동작 전류가 필요한 제한값 미만이 되도록 부하 전류를 감소시킬 수 있다. 이러한 종류의 제한은 모터에서의 위상각 제어에 의해, 전류 펄스화, 또는 전류 쵸핑(chopping)에 의해, 또는 당업자에게 알려진 임의의 유사한 방법에 의해 영향을 받을 수 있다.
전기 차량이 구동중인 경우, 가속 동안, 400A 까지의 전류가 정상적으로 흐른다. 바이패스가 구동 또는 가속 모드에서 차량에 의해 활성화되었으면, 다시 말하면, 그것이 부하 조건하에 있는(under load) 동안, 브레이크어웨이 아킹(breakway arcing) 또는 스파크오버(sparkover)에 대한 큰 위험이 있다. 배터리 모듈이 이미 고장이고, 하나 또는 둘 이상의 고장 셀들을 갖기 때문에, 이러한 스파크들이 화염을 발화할 수 있고, 훨씬 많은 손상을 초래할 수 있는 위험이 존재한다.
본 발명에 따른 안전 차단에 의해, 고장 배터리 모듈은 부하 조건하에서 접속해제되지 않지만, 동작 전류 라인에서의 동작 전류가 낮은 상태에 있다. 바이패스 스위치가 스위칭되는 경우, 동작 전류는 바람직하게는 1A 미만이고, 특히 바람직하게는 0 암페어에 근접한다. 특히, 동작 전류 (훨씬) 미만의 단지 상대적으로 작은 전류들만이 스위칭되어야 하기 때문에, 그 다음 바이패스 스위치는 스위치하기가 더 용이하다. 여하튼, 동작 전류는 사용되고 있는 바이패스 스위치에 따른 미리결정된 제한값 미만이어야 한다.
(1A 미만의)작은 전류들을 스위칭하는 것은, 전류가 수십 또는 적어도 100 암페어의 범위에 있는 경우에서와 같이 아크(arcing) 또는 스파크(sparking)가 발생하지 않는 장점을 갖는다. 결과적으로, 아크 소멸에 대한 요구가 없다. 고전력 배터리 시스템의 바람직한 실시예에서, 전류 흐름에 대한 미리결정된 제한값은 그것이 0.5A보다 크기 않게, 바람직하게는 0.2A보다 크지 않게, 특히 바람직하게는 0.1A보다 크지 않게 되도록 선택된다. 일반적으로, 또한, 미리결정된 제한값을 2A, 5A, 또는 10A로 설정하는 것이 가능하다. 그러면, 바이패스 스위치는 그에 따라서 조정되어야만 한다.
1 A를 초과하지 않는 미리결정된 제한값에 의해, 간단한 스위치가 사용될 수 있고, 그것은 고부하 또는 고전력 스위치일 필요 없다. 이러한 간단한 스위치들은 고부하 또는 고전력 스위치들보다 덜 비싸기 때문에, 이는 현저한 비용 절약을 나타낸다. 예를 들면, 자기 스위치들, 간단한 계전기, 또는 다른 간단한 스위치들이 사용될 수 있다. 스위치가 만족해야만 하는 유일한 기준은 "폐쇄" 상태에서 고장 없이, 다시 말하면, 그것이 정상 동작 위치 또는 바이패스 위치인 경우, 고전력 배터리 모듈에서의 동작 전류를 신뢰성 있게 우회시키는 것이 가능해야만 하는 것이다.
본 발명에 따른 배터리 시스템의 바람직한 실시예는 다음의 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이지만, 그의 일반적인 적용가능성에 제한되지 않는다. 여기 설명되는 특정 특징들은 개별적으로 또는 조합하여 발생할 수 있다.
도 1은 전기 모터, 고전력 배터리 시스템, 및 전기 모터 제어 유닛을 갖는 전기 차량의 전체도를 도시한다.
도 2는 복수의 배터리 모듈들 및 적어도 하나의 바이패스 배터리 모듈을 갖는 본 발명에 따른 고전력 배터리 시스템을 도시한다.
도 3은 복수의 개별 셀들을 갖는 바이패스 배터리 모듈의 상세도를 도시한다.
도 4는 접속된 소모기 부하를 갖는 도 2의 고전력 배터리 시스템을 도시한다.
도 5는 바이패스 배터리 모듈의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 고전력 배터리 시스템(1)(고전류 배터리 시스템), 전기 모터(2), 및 전기 모터(2)를 제어하는 전기 모터 제어 유닛(3)을 갖는 전기 차량을 도시한다. 전기 모터 제어 유닛(3)을 위한 센더(31)는 전자 가스 페달의 형태를 갖는다. 그러나, 센더(31)는 또한, 수동 제어기 또는 유사한 것일 수 있다. 전기 차량이 동작되고 있는 경우, 대략적인 에너지가 고전력 배터리 시스템(1)으로부터 얻어지고, 전자 "가스 페달"(31)의 위치에 따라 전기 모터(2)로 공급된다. 전류 흐름은 같은 정도이다. 바이패스 배터리 모듈(6)이 고장 상태를 갖는 것으로 결정되는 경우, 고전력 배터리 시스템(1)과 전기 모터(2) 사이에 흐르는 부하 전류는, 고전력 배터리 시스템(1)의 동작 전류 라인(5)내의 복수의 배터리 모듈들(4) 사이에 흐르는 전류가 미리결정된 값 이하가 되는 방식으로 전기 모터 제어 유닛(3)을 통해서 제어되는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 부하 전류가 쓰로틀되므로(throttled), 고장 배터리 모듈은 이어서 접속 해제될 수 있다. 이러한 제어 때문에, 그 다음, 바람직하게는 1A 미만의 저 전류가 고전력 배터리 시스템(1)에서 흐르는 상태에서 차량이 구동되고 있는 동안 자연스럽게 발생하는 동작 상태를 의도적으로 초래하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 고장이 배터리 모듈에서 검출되는 경우, 고장 모듈은 즉시 접속해제될 수 있다. 시스템은 제한값 미만의 동작 전류를 갖는 "저 전류 상태"가 적당한 때에 발생할 때까지 기다릴 필요 없다.
도 2 및 도 3에서, 본 발명에 따른 고전력 배터리 시스템(1)이 상세하게 도시된다. 그것은 직렬로 접속된 복수의 재충전가능한 배터리 모듈들(4)을 포함한다. 동작 전류 라인(5)은 동작 전류가 배터리 모듈들(4)을 통해서 흐를 수 있는 방식으로 직렬-접속된 배터리 모듈들(4)을 접속한다. 배터리 모듈들은 모듈 체인을 형성한다. 대안적인 실시예에서, 하나보다 많은(예를 들면 2개) 모듈 체인들이 복수의 배터리 모듈들(4)과 병렬로 접속될 수 있다.
도 2는 모든 배터리 모듈들(4)이 바이패스 배터리 모듈(6)로서 구성되고, 각각은 바이패스 스위치(7) 및 바이패스 라인(8)을 가지는 것으로 도시한다. 바이패스 배터리 모듈들(6)은 스위치(7)가 바이패스 위치에 있는 경우, 동작 전류 라인(5)에서의 동작 전류가 바이패스 라인(8)을 통해서 흐르도록 바이패스 스위치(7)을 통해서 스위치될 수 있고, 바이패스 배터리 모듈(6)은 바이패스 배터리 모듈(6)내에서 고장 상태가 발생하거나 검출되는 경우 바이패싱된다(도 3).
바람직한 실시예에서, 고전력 배터리 시스템(1)은 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 5개의 바이패스 배터리 모듈들(6)을 갖는다. 적어도 10개의 바이패스 배터리 모듈들(6)을 갖는 실시예가 특히 바람직하다. 고전력 배터리 시스템에서 16개 바이패스 배터리 모듈들이 전기 차량에 활용을 위해 가장 유리한 것으로 증명되었다. 직렬 접속된 바이패스 배터리 모듈들(6)의 수가 더 많으면 많을수록, 고장이 있고 바이패싱되어야만 하는 배터리 모듈(6)의 영향이 더 작아진다. 고전력 배터리 시스템(1)의 전체 용량은 고장 배터리 모듈들(6)에 비례하여 감소된다. 본 발명에 따른 고전력 배터리 시스템(1)은, 개별적인 배터리 모듈들(6)이 용이하게 모니터링되게 하는 것을 가능하게 하는 이점을 갖고, 단지 하나 또는 작은 수의 배터리 모듈들(6)이 고장난 경우, 차량 동작이 또한, 어려움 없이 재개될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 배터리 모듈들(4)은 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀들(10)을 갖는다. 6개의 배터리 셀들(10)(도 3)을 갖는 실시예가 바람직하다. 개별 배터리 셀들(10)의 전압은, 배터리 모듈이 25V 미만의 전체 전압을 갖도록 선택되는 것이 바람직하다. 6개의 배터리 셀들(10)의 전체가 모듈로 결합되는 경우, 예를 들면, 각 셀은 4 V의 전압을 가질 수 있다. 물론, 다른 전압들 및/또는 배터리 셀들의 상이한 수가 가능하다. 중요한 점은 배터리 모듈이 단지 매우 작은 안전 전압(안전 최저 전압(Safety Extra Low Voltage), SELV)만을 갖도록 전체 전압이 25 V 전압 이하여야 하고, 그래서, 서비스 기술자들, 또는 예를 들면, 사고 구조 대원의 경우, 그 자신들에 대한 위험 없이 배터리 모듈들을 체크할 수 있다. 모든 바이패스 회로들은 바람직하게 서비스 기술자들에 의해 트리거될 수 있고, 그래서, 고전력 배터리 시스템은 서로 분리되는 개별 배터리 모듈에 지나지 않는 것으로 구성되며, 그 전압은 25V 보다 작다. 사고의 경우, 바이패스 스위치는 모듈들을 서로 접속해제하기 위해 자동적으로 트리거되어야 한다. 이는, 예를 들면, 에어백 구축에 결합될 수 있다.
하나의 바이패스 스위치(7)는 바이패스 배터리 모듈(6)의 2개의 접속 단자들(9)의 각각에 바람직하게는 분류 가감기로서 배열되는 것이 바람직하고, 이 분류 가감기는 배터리 모듈을 동작 전류 라인(5)에 접속한다. 바이패스 라인(8)은 바이패스 배터리 모듈(6)의 배터리 셀들(10)에 평행하게 구성된다. 고장이 바이패스 배터리 모듈(6)에서 검출되고, 동작 전류 라인(5)에서 흐르는 전류의 절대 값이 미리결정된 제한값보다 미만이면, 양측 바이패스 스위치들(7)은 지금 도시된 정상 동작 위치에서 2개의 스위치들(7)이 바이패스 라인(8)을 동작 전류 라인(5)에 접속하는 바이패스 위치로 스위치된다.
제한값의 레벨은 바이패스 스위치(7)를 (예를 들면 과열시킴으로써)손상시키지 않고, 스파크-오버 또는 브레이크어웨이 아킹을 유발하지 않고 선택된 스위치(7)를 신뢰성 있게 스위치하는 것이 가능한 바이패스 스위치(7)의 최대 스위칭 전류에 의존한다.
물론, 단지 하나의 바이패스 스위치(7)만을 갖는 바이패스 배터리 모듈(6)을 구성하는 것이 가능하다. 그 다음, 제 2 바이패스 스위치(7)는 배터리 모듈(6)의 접속 단자(9)에서 바이패스 라인(8)이 동작 전류 라인(5)에 접속된 도전성 부분으로 대체된다.
고전력 배터리 시스템(1)의 모듈 모니터링 유닛들(11)은 배터리 시스템 모니터링 전자장치들(12)을 형성한다. 도 2에 도시된 고전력 배터리 시스템(1)의 실시예에서, (필요한 센서들을 제외하고)바이패스 배터리 모듈들(6)의 모듈 모니터링 유닛들(11)은 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12)의 중앙 유닛(12a)에 통합된다. 배터리 모듈(4)에서 고장 상태가 검출되는 경우, 전자 배터리 모니터링 수단(12)은 동작 전류 라인(5)에서의 전류 흐름을 측정한다. 전류는 동작 전류 라인(5)에서 임의의 위치, 예를 들면, 2개의 인접한 배터리 모듈들(4) 사이 또는 고전력 배터리 시스템(1)의 접속 단자(19)와 배터리 모듈(4) 사이에서 측정된다.
도 4에서 도시된 바와 같이 바람직한 실시예에서, 고전력 배터리 시스템(1)은 부하 전류 라인(15)을 통해서 고전력 배터리 시스템(1)에 접속된 소모기 부하(14)를 통한 전류 흐름을 제어하는 부하 전류 구동장치(13)가 구비된다. 고장 상태가 바이패스 배터리 모듈들(6) 중 하나에서 검출되는 경우, 부하 전류 라인(15)에서의 전류 흐름은 동작 전류 라인(5)에서의 전류 흐름이 미리결정된 제한값보다 작게 되는 방식으로 제어되고, 그래서, 고장 모듈(6)의 바이패스 스위치(7)는 활성화될 수 있다. 고전력 배터리 시스템(1)이 전기 차량에서 사용되고 있는 경우, 부하 전류 구동장치(13)는 전기 모터 제어 유닛(3)이다. 소모기 부하(14)는 전기 모터(2)이고, 그래서 전기 모터 제어 유닛(3)은 그에 따라 전기 모터(2) 안으로 및 밖으로의 전류 흐름을 조정한다. 전자 배터리 모니터링 수단(12), 모듈 모니터링 유닛들(11), 바이패스 스위치들(7), 부하 전류 구동장치(13), 및/또는 전기 모터 제어 유닛(3) 사이의 통신은, 예를 들면, 버스 시스템(예를 들면, CAN 버스) 또는 다른 신호 회로들을 통해서 보장된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각 배터리 셀(10)은 각 모듈상에 선택적으로 배열될 수 있는 모듈 모니터링 유닛(11)에 의해 모니터링된다. 바이패스 배터리 모듈(6)을 모니터링하기 위해 그리고 바이패스 배터리 모듈(6) 및 배터리 셀(10)의 상태를 체크하기 위해, 예를 들면, 전압 및 전압이 배터리 셀들(10)에서 측정된다. 대안적으로, 배터리 셀들(10)의 일부만 또는 전체 바이패스 배터리 모듈(6)만이 모니터링될 수 있다. 바이패스 배터리 모듈(6)이 모니터되는 경우, 예를 들면, 배터리 모듈(6)의 온도, 전압 또는 전류가 기록될 수 있다. 이러한 및 유사한 종류의 모니터링 회로들은, 예를 들면, 독일 특허 제10 2004 013 351 A1호에 설명된다. 모듈 모니터링 유닛(11)은, 예를 들면, 동작 전류 회로(8)에서의 전류를 또한 측정할 수 있고, 및/또는 바이패스 스위치(7)를 제어할 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 상이한 배터리 셀들(10)이 배터리 모듈들(4)의 컴포넌트들로서 사용될 수 있다. 바람직하게는, 알칼리-금속 셀들이 사용되고, 특히, 활성 물질이 리튬인 셀들이 사용된다. 매우 일반적으로 사용되는 리튬 이온 배터리 셀들이 유리하게 사용될 수 있다. 그러나, 리튬 셀들 또는 SO2-계 전해질을 갖는 다른 알칼리 금속 셀들이 특히 바람직하다. 그것들은 유기 전해질들과 함께 작용하는 표준 리튬 이온 셀들과 특히, 그들이 보다 기능적으로 신뢰성이 있다는 점에서 상이하다. 보다 완전한 세부사항들은 관련 있는 문헌들에서 제공되며, 예를 들면, WO 제2005-031908호, WO 제2009/077140호, WO 제2000/79631호 및 그 안에 인용된 문헌들에 대해 참조가 이루어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 고전력 배터리 시스템(1)은 개별 배터리 모듈들(4)의 배터리 셀들(10)이 SO2-계 전해질 용액을 함유하는 방식으로 구성된다. 이런 종류의 셀들은 배터리 시스템의 전해질 용액 및 다른 컴포넌트들이 내화성이라는 점에서 다른 셀들과 상이하다. 셀은 안전-임계 상태들에서 조차 착화하지 않는다. SO2 배터리 셀들의 추가 장점은 그것들이 심각하게 방전되었을지라도, 또는 개별 셀의 극성이 반대일 지라도, 안전-임계 상태들이 그로부터 초래되지 않는다는 것이다.
과충전인 경우 형성되는 반응 생성물들은 전해질 용액의 컴포넌트들로 가역적으로 축퇴될 수 있고, 그래서 배터리 셀(10)은 모듈의 즉시의 접속해제를 필요로 하지 않고 일정 정도까지 과충전될 수 있다. 또한, 고장 셀(10)을 갖는 모듈은 일종의 자기-복구가 발생하기 때문에, 그것이 고전력 배터리 시스템(1)으로부터 접속해제되었던 동안, 일정한 유휴 상태 기간 이후에 전류 회로에 또한 재삽입될 수 있다. 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12) 및/또는 모듈 모니터링 유닛(11)은 바람직하게는 셀이 다시 기능하고, 바이패스 스위치(7)를 다시 정상 동작 위치로 스위치하며, 이에 따라 또한 바이패스 배터리 모듈(6)을 다시 고전력 배터리 시스템(1)의 전류 회로로 스위칭하는 것으로 검출한다. 이러한 스위칭은 또한 동작 전류 라인(5)에서의 동작 전류가 제한값 이하인 경우에만 발생한다.
본 발명의 맥락에서, SO2 배터리 셀들을 갖는 이러한 배터리 시스템들은 또한 "전원이 끊어질" 수 있음이 발견되었다. 도 5에 도시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 바이패스 배터리 모듈(6)은 모듈(6)에 평행하게 스위칭되는 방전 라인(16)을 갖는데, 이는 방전 스위치(17) 및 방전 저항기(18)를 포함한다. 이러한 방전 회로는 바이패스 배터리 모듈(6)에 통합될 수 있다. 방전 스위치(17)가 폐쇄된 직후, 배터리 모듈(4)은 배터리 모듈(4)에서의 전압이 0V로 하락할 때까지 방전 저항기(18)를 통해서 방전된다. 배터리 모듈(6)의 커패시터는 방전 저항기(18)를 통해서 방전되고, 에너지는 열로 전환된다. 방전 저항기(18)는 그에 의해 생성된 열이 (저항기를 파괴하지 않고) 전도될 수 있도록 선택되어야만 한다.
배터리 모듈(6)의 이러한 전원이 끊어진 상태는 모듈(6)이 안전을 완전하게 조정되게 한다. 그것이 전기 차량들에 사용되는 경우, 개별 모듈들은 배터리가 교체되기 전에 또는 임의의 작업이 전기 차량에서 수행되기 전에 전원이 끊어질 수 있다. 예를 들면, 설치 또는 제거 동안, 초래되는 돌발적인 단락들은 더 이상 발생할 수 없다. 고전력 배터리 시스템(1)은 그것이 사고의 경우에 방전 회로를 통해서 완전하게 전원이 끊어질 수 있는 장점을 갖는다. 너무 많은 이송 동안, 배터리 모듈들(4)에 입력되는 전압이 없기 때문에, 안전-임계 상태들이 발생할 수 없다. 이러한 모듈들(4)은 매우 안전한데, 이는 특히 항공 교통에 대하여 유리하다.
바람직한 실시예에서, 방전 스위치(17)는 바이패스 스위치(7)가 바이패스 위치로 스위칭되었고, 배터리 모듈(6)이 고전력 배터리 시스템(1)의 전류 회로로부터 분리될 때까지 폐쇄되지 않는다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 방전 스위치(17)가 활성되기 전에, 바이패스 스위치(7)가 바이패스 위치로 스위칭되었는지를 결정하기 위한 체크가 이루어진다. 그 다음 방전 스위치(17)가 폐쇄 위치로 유일하게 스위칭한다.

Claims (22)

  1. 큰 동작 전류가 흐르는 고전력(high power) 배터리 시스템으로서,
    배터리 시스템 모니터링 전자장치(12), 및
    복수의 배터리 모듈들(4) ― 상기 복수의 배터리 모듈들(4) 각각은, 적어도 하나의 재충전가능한 배터리 셀(10)을 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈들(4)은 동작 동안, 동작 전류가 동작 전류 라인(5)을 통해서 흐르는 방식으로 상기 동작 전류 라인(5)을 통해서 전기적으로 직렬로 접속됨 ― 을 포함하고,
    S02-계 전해질 및 활성 물질들이 전기 에너지를 저장하기 위해 상기 배터리 셀(10)에 함유되고,
    상기 배터리 모듈들(4) 중 적어도 하나는 바이패스 배터리 모듈(6)로서 구성되고, 상기 바이패스 배터리 모듈(6)은 바이패스 스위치(7) 및 바이패스 라인(8)을 포함하고, 상기 바이패스 스위치(7) 및 상기 바이패스 라인(8)은 상기 배터리 모듈(4)의 상기 배터리 셀(10)의 외부 단락을 회피하기 위해 상기 바이패스 스위치(7)가 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위칭되었을 때 상기 동작 전류가 상기 바이패스 라인(8)을 통해서 흐름으로써 상기 배터리 모듈(4)이 상기 바이패스 라인(8)을 통해서 전기적으로 바이패싱하도록 설계 및 배열되며,
    상기 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12)는 각 바이패스 배터리 모듈(6)에 대한 모듈 모니터링 유닛(11)을 포함하고, 상기 모듈 모니터링 유닛은 상기 배터리 모듈(4)을 모니터링하고 상기 배터리 모듈(4)의 고장 상태를 검출하며, 그리고
    상기 배터리 모듈(4)의 고장 상태가 모듈 모니터링 유닛들(11) 중 하나에 의해 검출되는 경우, 상기 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12)는 상기 동작 전류 라인(5)에서의 상기 전류 흐름을 측정하고, 상기 동작 전류 라인(5)에서의 상기 전류 흐름이 1 암페어보다 작은 미리결정된 제한값 미만인 시기에, 관련된 상기 배터리 모듈(4)의 상기 바이패스 스위치(7)를 상기 정상 동작 위치에서 상기 바이패스 위치로 스위치하는,
    고전력 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 물질들 또는 상기 전해질의 어느 것도 상기 배터리 셀(10)의 동작 동안, 상기 배터리 셀(10)에 보충되거나, 추가되거나 또는 상기 배터리 셀(10)로부터 제거되지 않는,
    고전력 배터리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 셀(10)은, 상기 전해질 및 상기 활성 물질들이 함유된 폐쇄된 하우징을 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 모듈 모니터링 유닛(11)은 상기 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12)에 통합되는,
    고전력 배터리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈(4)은 직렬로 접속된 복수의 배터리 셀들(10)을 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈(4)은 직렬로 접속된 6개의 배터리 셀들(10)을 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전력 배터리 시스템은, 적어도 3개의 바이패스 배터리 모듈들(6)을 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전력 배터리 시스템은, 적어도 5개의 바이패스 배터리 모듈들(6)을 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전력 배터리 시스템은, 적어도 10개의 바이패스 배터리 모듈들(6)을 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 흐름의 상기 미리결정된 제한값은 0.5A 보다 크지 않은,
    고전력 배터리 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 흐름의 상기 미리결정된 제한값은 0.1A 보다 크지 않은,
    고전력 배터리 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스 스위치(7)는 자기 스위치(magnetic switch)인,
    고전력 배터리 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈(4)은, 상기 배터리 모듈(4)에 평행하게 스위칭되고 방전 저항기(18) 및 방전 스위치(17)를 갖는 방전 라인(16)을 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 방전 라인(16)은, 상기 바이패스 스위치(7)가 상기 바이패스 위치에 있고 상기 배터리 모듈(4)이 상기 바이패스 라인(8)에 의해 전기적으로 바이패스되었을 때까지, 상기 동작 전류가 상기 바이패스 라인(8)을 통해서 흐르도록, 상기 방전 스위치(17)에 의해 폐쇄되지 않는,
    고전력 배터리 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전력 배터리 시스템(1)의 상기 동작 전류 라인(5)을 통한 상기 전류 흐름이 상기 미리결정된 제한값보다 작게 되는 방식으로 상기 고전력 배터리 시스템(1)에 접속된 소모기 부하(14)를 통한 전류 흐름을 제어하기 위한 부하 전류 구동장치(13)를 포함하는,
    고전력 배터리 시스템.
  16. 전기 차량으로서,
    전기 모터(2), 상기 전기 모터(2)를 제어하기 위한 전기 모터 제어 유닛(3)을 갖고, 고전력 배터리 시스템(1)을 가지며,
    상기 고전력 배터리 시스템(1)은 제 1 항에 따라 설계되는,
    전기 차량.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 고전력 배터리 시스템(1)과 상기 전기 모터(2) 사이에 흐르는 부하 전류는 상기 고전력 배터리 시스템(1)의 상기 동작 전류 라인(5)에서 흐르는 전류가 미리결정된 제한값 미만이 되도록 전기 모터 제어 유닛(3)에 의해 제어가능한,
    전기 차량.
  18. 고전력 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 고전력 배터리 시스템은,
    배터리 시스템 모니터링 전자장치(12), 및
    복수의 배터리 모듈들(4) ― 상기 복수의 배터리 모듈들(4) 각각은, 적어도 하나의 재충전가능한 배터리 셀(10)을 포함하고, 상기 복수의 배터리 모듈들(4)은, 동작 동안, 동작 전류가 동작 전류 라인(5)를 통해서 흐르도록 상기 동작 전류 라인(5)을 통해서 전기적으로 직렬로 접속됨 ― 을 갖고,
    S02-계 전해질 및 활성 물질들이 전기 에너지를 저장하기 위해 상기 배터리 셀(10)에 함유되고,
    상기 배터리 모듈들(4) 중 적어도 하나는 상기 배터리 모듈(4)과 병렬로 스위칭되는 바이패스 라인(8) 및 바이패스 스위치(7)를 포함하는 바이패스 배터리 모듈(6)로서 구성되며, 그리고
    상기 고전력 배터리 시스템(1)은 각 바이패스 배터리 모듈(6)에 대한 하나의 모듈 모니터링 유닛(11)을 포함하고,
    상기 방법은,
    a) 상기 모듈 모니터링 유닛(11)을 통해서 상기 배터리 모듈(4)을 모니터링하는 단계;
    b) 상기 배터리 모듈(4)의 고장 상태를 검출하는 단계;
    c) 상기 배터리 모듈(4)의 고장 상태가 모듈 모니터링 유닛들(11) 중 하나에 의해 검출되는 경우, 상기 배터리 시스템 모니터링 전자장치(12)에 의해 상기 동작 전류 라인(5)에서의 전류 흐름을 측정하는 단계;
    d) 상기 동작 전류 라인(5)에서의 상기 측정된 전류 흐름이 1 암페어보다 작은지의 여부를 체크하는 단계;
    e) 상기 측정된 전류 흐름이 1 암페어보다 작은 경우, 상기 배터리 셀(10)의 외부 단락을 회피하기 위해, 고장 상태가 검출되었던 상기 배터리 모듈(4)이 상기 바이패스 라인(8)에 의해 전기적으로 바이패스되고, 상기 동작 전류가 상기 바이패스 라인(8)을 통해 흐르게 하도록, 상기 바이패스 스위치(7)를 정상 동작 위치에서 바이패스 위치로 스위칭하는 단계를 포함하는,
    고전력 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 고전력 배터리 시스템(1)은 상기 고전력 배터리 시스템(1)에 접속된 소모기 부하(14)를 통한 상기 전류 흐름을 제어하기 위한 부하 전류 구동장치(13)를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 고전력 배터리 시스템(1)의 상기 동작 전류 라인(5)에서의 상기 전류 흐름이 1 암페어보다 작게 되도록 상기 부하 전류 구동장치(13)를 통해서 상기 고전력 배터리 시스템(1) 내의 전류 흐름을 제한하는 단계를 더 포함하는,
    고전력 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 배터리 모듈(4)은 상기 배터리 모듈(4)에 전기적으로 병렬인 방전 라인(16)에 배열된 방전 스위치(17) 및 방전 저항기(18)를 포함하고, 상기 방전 스위치(17)는 상기 방전 라인(16)에 배치되며,
    상기 방법은,
    상기 배터리 모듈(4)이 상기 바이패스 라인(8)에 의해 바이패스되고, 상기 동작 전류가 상기 바이패스 라인(8)을 통해서 흐르도록 상기 바이패스 스위치(7)가 상기 바이패스 위치로 스위칭되는지를 체크하는 단계;
    부하 회로가 상기 방전 라인(16)에 의해 폐쇄되도록 상기 방전 스위치(17)를 폐쇄 위치로 스위칭하는 단계;
    상기 배터리 모듈(4)을 상기 배터리 모듈(4)로부터 상기 방전 저항기(18)로의 전류 흐름에 의해 상기 방전 저항기(18)를 통해서 방전시키는 단계를 더 포함하는,
    고전력 배터리 시스템을 제어하기 위한 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
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