KR20020018645A - 에너지 게이지 - Google Patents

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KR20020018645A
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스테펜 웨인 홀톰
제레미 조셉 토마스
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화노우 테크놀러지스 피티와이. 리미티드
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Abstract

배터리에서 이용할 수 있는 전력 잔량을 표시하는 에너지 게이지는 배터리 총용량을 표시하는 소정값의 전력 인자를 저장하는 수단, 전력 인자에 의해 표시된 순간적인 전력소모를 판단하는 수단, 배터리의 사용 개시부터 전력 인자가 표시하는 전력소모를 적분하는 수단, 총 용량의 저장값으로부터 상기 적분 소모량을 감산하여 전력 잔량값을 제공하는 수단; 및 전력 잔량을 표시하는 판독수단을 포함한다.

Description

에너지 게이지{Energy gauge}
휴대폰이나 랩탑 컴퓨터 등의 배터리 작동식 휴대장비의 편의성에 대한 소비자들의 지속적이 요구에 의해 배터리 관리기술에 대한 요구가 배터리 산업에서 계속 증가되어 왔다. 또, 신세대 자동차의 주 동력원으로서 배터리를 이용하는 무공해 자동차와 전기모터 구동기구 분야에 배터리 산업의 관심이 집중되었다. 이런 관심 집중은 공기와 소음 오염에 대한 정부의 규제와 소비자의 관심이 급속히 증가하기 때문이다. 고효율 배터리가 요구되는 다른 분야는, 부하-조정, 긴급/대기 동력 등의 에너지 저장분야와 민감한 전자부품에 대한 전력품질시스템이 있다.
배터리-동력장비에 대한 요구의 증가로 인해, 배터리산업은 이상적인 전지를 생산하는데 경쟁력을 집중하고 있다. 이상적인 전지란, 무게가 거의 없으며, 공간을 차지하지 않고, 우수한 사이클 수명을 제공하며, 이상적인 충방전 성능을 갖고 자체적으로 수명이 다할 때까지 환경오염물을 생성하지 않는 전지를 말한다. 배터리 산업에서 가장 널리 이용되는 기술은 납축전지이지만, 이것은 에너지 밀도를 더 높이고, 크기가 더 작아지고, 성능을 더 향상시키며, 사이클 수명을 늘리고 재활용을 보장해야 하는 문제점을 안고 있다.
많은 제조업자들은 니켈-금속-하이브리드, 리튬-이온 등을 포함한 신형 배터리를 연구하고 있지만, 이런 배터리는 너무 비싸 현 단계에서는 경제적으로 경쟁력이 없으며, 현재 가장 성장하고 있는 시장의 하나인 2륜 또는 3륜 수송수단 시장에서는 특히 경쟁력이 없다. 배터리 성능, 심지어 기존의 납축전지의 성능조차 배터리의 동작상태를 적절히 관리하면 개선할 수 있음은 잘 알려져 있다.
배터리를 적절히 감시하고 그 전력 잔량을 판단하고 오퍼레이터에게 즉각적으로 알려주는 정확한 측정장치가 필요하다.
본 발명은 배터리에서 이용할 수 있는 전력 잔량을 표시하는 에너지 게이지에 관한 것이다.
도 1은 배터리 시스템에서 출력된 소정 전력을 제공하는 배터리 관리시스템의 블록도;
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 종합 배터리 관리시스템의 블록도;
도 3은 납축전지에 이용되는 도 1의 전력제어시스템의 블록도;
도 4는 도 2의 전력제어시스템이 없는 상태에서, 납축전지의 배터리 용량에 대한 사이클 수를 나타낸 그래프;
도 5는 산화환원-겔 배터리 시스템에 이용되는 도 1의 전력제어시스템의 블록도.
본 발명에 따르면, 배터리에서 이용할 수 있는 전력 잔량을 표시하는 에너지게이지에 있어서:
(ⅰ) 배터리 총용량을 표시하는 소정값의 전력 인자을 저장하는 수단;
(ⅱ) 상기 인자에 의해 표시된 순간적인 전력소모를 판단하는 수단;
(ⅲ) 배터리의 사용 개시부터 상기 인자가 표시하는 전력소모를 적분하는 수단;
(ⅳ) 총 용량의 저장값으로부터 상기 적분 소모량을 감산하여 전력 잔량값을 제공하는 수단; 및
(ⅴ) 상기 전력 잔량을 표시하는 판독수단;을 포함하는 에너지 게이지가 제공된다.
도 1에 도시된 배터리 관리시스템(10)은 배터리 시스템(11)에서 출력된 소정의 전력을 전기자동차 등의 부하가 연결되는 출력단자(12)에 제공한다. 이 출력단자(12)와 배터리 시스템(11)의 단자(13) 사이에는 배터리시스템(11)의 소정의 동작 인자들을 감지하는 제어수단(14)이 배치된다. 이 제어수단(14)은 배터리시스템(11)의 전력을 제1 동작모드중에 출력단자(12)에 공급한다.
배터리시스템(11)과 제어수단(14) 사이에 연결된 제1 커패시터 수단(15)은 제어수단(14)의 제1 동작모드중에 배터리시스템(11)으로부터의 소정량의 전력을 저장하고, 제어수단(14)이 제2 동작모드에 있을 때 제어수단(14)으로부터의 명령신호에 응답해 저장전력을 배터리시스템(11)에 공급한다.
출력단자(12)와 제어수단(14) 사이에 연결된 제2 커패시터 수단(16)은 제어수단(14)이 제1 동작모드에 있을 때 배터리시스템(11)으로부터 소정량의 전력을 저장하고, 제어수단(14)이 제2 동작모드에 있을 때는 제어수단(14)으로부터의 명령신호에 응답해 상기 저장된 전력을 출력단자(12)로 공급한다.
따라서, 전력제어시스템은 두개의 커패시터망을 병합하고, 배터리시스템(11)의 분극레벨이 너무 높거나 또는 부하에 전력이 공급된 뒤 소정 시간이 경과했음을 제어수단이 감지했을 때 배터리시스템(11)으로의 역충전을 개시한다. 이런 방전 사이클에서, 제어수단(14)으로 인해 제1 커패시터망(15)에 저장된 에너지로 배터리시스템(11)을 충전할 수 있고, 그와 동시에 제2 커패시터 수단(16)은 출력단자(12)에 연속 전력을 공급한다. 이런 역사이클인 방전사이클의 시간 간격은 매우 짧고 그 자체가 매우 효율적이기 때문에 정기적으로 실행될 수 있다.
이런 역충전은 배터리시스템내의 분극 효율과 관련 손실을 파괴하고 최소화할 가능성을 내재하고 있다.
이 전력제어시스템은 배터리의 동작중에 최적의 성능을 제공하고 배터리를 항상 유지보수할 수 있도록 충전기와 함께 사용될 수도 있다. 이 전력제어시스템은 비공인 충전기가 배터리시스템에 접속되는 것을 방지하여, 오용 가능성을 차단하고, 차량 소유자가 집에서 부정확한 충전기로 배터리 시스템을 충전하는 것을 방지할 수 있다.
전력제어시스템, 충전기 및 차량에 제각기 전자서명을 부가하여, 전체 시스템을 아주 정밀하게 추적감시할 수도 있다. 충전장치에 배터리시스템을 설치할 때마다, 전력시스템은 자체적으로 전력시스템이 제거된 차량은 물론 사용자를 확인한다.
충전장치가 배터리의 에너지 레벨을 감시하고 이 값만큼 사용자에게 신용판매를 하며, 교환 비용, 전기, 한달 배터리 임대료를 추가할 수도 있다. 현금이나 신용카드로 이런 비용을 받으면, 새로운 배터리가 배출되어 차량에 설치된다. 고객이 배터리를 함부로 사용하거나 마음대로 고치면, 충전기에 의해 확인된다. 제어시스템은 배터리의 에너지 레벨을 확인하는데 사용됨은 물론, 현재의 에너지 사용레벨을 근거로 주행 가능거리까지 추정할 수 있다. 따라서, 운전자는 에너지 잔류레벨로 주행가능 거리를 알 수 있다.
각각의 충전장치를 원격시스템을 통해 운영센터에 연결하여 충전소 네트웍내의 모든 충전소를 지속적으로 감시할 수도 있다.
전력제어시스템은 속도제어모듈의 기능과 특징들을 구비할 수도 있는바, 이는 차량 관리자가 차량에서 속도제어장치를 제거하고 전력제어시스템을 통해 출력을 간단히 제어할 수 있음을 의미한다. 이렇게 되면, 차값이 싸지고, 제조자 보증부담이 낮아지며 원격 통신시스템을 통해 지속적으로 성능을 감시할 수 있다.
전력제어시스템은 나름대로 장점과 특정 용도를 갖는 밸브조정식 납축전지, 니켈 금속 복합전지, 산화환원-겔 전지 등의 각종 배터리시스템에 적용될 수 있다.
이 전력제어시스템은 원격지 전력시스템, 부하 조정 및 긴급 지원 배터리시스템의 대기 성능을 향상시키는데 사용될 수도 있다. 원격지 전력시스템과 긴급지원에 사용되는 고정식 배터리시스템은 장시간동안 완전히 충전된 상태로 있을 수 있다. 여러 전지가 각각 다른 속도로 자체방전되므로, 각각의 전지 상태를 주기적으로 검사하고 전지 평형 기술을 이용해 전지의 내부를 평형상태로 하도록 전력제어시스템을 프로그램할 수 있다. 한편, 필요에 따라 충전시스템을 대기상태로 두고 전력제어시스템을 이용해 제어할 수도 있다.
도 2에 블록 형태로 도시된 전력제어시스템의 바람직한 실시예는 마이크로프로세서(40)와, 후술할 모든 기능들을 관리하는 관련 소프트웨어(57)를 포함한다. 이 경우, 마이크로프로세서는 8㎒에서 운용되는 8 비트형이지만, 4, 16, 32 또는 64 비트 프로세서들을 사용할 수도 있다. 프로세서 속도는 4㎒-166㎒이다. 한편, 각각의 배터리 조건에 따라 디지탈 신호처리칩을 사용할 수 있다. 마이크로프로세서는 EEPROM, ROM/RAM 메모리를 구비한다. 한편, ASIC(Application Specific Integrated Circuit)를 사용할 수도 있다.
각각의 전지전압 측정모듈(41)은 각각의 전지의 접합부에 연결된 별도의 전선을 이용한다. 이 전선은 전압 측정에만 이용된다. 각 전지의 전압은 배터리의 접지부를 기준으로 24V까지 측정된다. 필요에 따라 그리고 정밀도가 요구될 때는 각각의 전지 전압을 직접 측정할 수도 있다.
개별 전지전압 측정검사는 전지전압이 저항망에 의해 분할되고 분주기내의 접지저항을 가로질러 접속된 필터 커패시터에 의해 평활화되는 회로를 포함하는 모듈(42)에 의해 이루어진다. 연산증폭기나 기타 필터링 수단을 이용한 능동 필터링을 사용할 수도 있다. 이들 전압은 분주기와 필터에 의해 아날로그-디지탈 변환에 적절한 전압까지 낮춰진다. 이 경우, 4.95V는 배터리의 각 연결부의 예측가능한 최대 전류를 의미한다. 측정될 각각의 전지전압에는 12비트 아날로그-디지탈 변환기가 이용된다. 이 아날로그-디지탈 변환기는 각각의 전압을 낮추고 각 전지의 정측의 전압에서 각 전지의 부측의 전압을 감산하여 각각의 측정전압을 전지전압으로 변환하는 마이크로프로세서에 의해 직렬적으로 제어된다. 이런 동작은 각각의 전지에 대해 행해지고, 이 방법은 24V 또는 30V까지의 전지전압에 응용된다.
24V 또는 30V 이상에서는, 전지전압을 격리하는 광결합 직렬통신에 의해 직렬 디지탈 데이타를 전송하여 상기 방법을 다단으로 이용할 수 있다. 전지전압을 직접 측정하고 이 정보를 주파수로서 마이크로프로세서에 전송하도록 각 전지를 가로질러 연결된 전압-주파수 변환기 용도로 이용될 수도 있다. 이런 전압-주파수 변환기는 주파수를 측정하여 전압으로 변환하는 마이크로프로세서에 갈바니 결합되거나 광결합될 수 있다.
전류측정모듈(43)은 분로저항기에 걸리는 전압을 측정하고, 능동 필터링으로 전류감지 증폭기를 이용해 측정전압을 낮춘다. 그 대신으로, 적절한 신호검사법으로 전류를 측정하는데 홀효과 장치를 이용할 수도 있다.
분로를 가로질러 측정된 전압을 전류의 방향과 무관한 0-5V 신호로 변환한 뒤 전술한 전압 측정에 사용된 12비트 아날로그-디지탈 변환기의 입력으로 전송하는 전류모듈(44)을 이용해 전류측정검사가 이루어진다. 이 검사회로는 전류 방향을 표시하는 마이크로프로세서에 디지탈 입력을 제공하기도 한다. 이는 최소의 외부요소를 갖는 적분회로를 통해 이루어진다. 이 분야에서는 이산성분 용액이 가격면에서 효과적일 것이다.
회로기판에 장착된 집적회로 온도센서를 이용한 회로모듈(45)에 의해 온도를 측정한다. 이들 모듈을 몇개라도 배터리, 개별전지 또는 외부 등에 배치하여 주변온도 측정에 사용할 수 있다.
온도값이 전압출력이고 전압, 전류 측정에 사용되는 아날로그-디지탈 변환기의 입력에 접속하기에 적합한 0-5V 값으로 전압출력을 줄이는데 저 오프셋 전압 연산증폭기를 이용하는 회로모듈(46)에 의해 온도측정검사가 이루어진다.
잔류용량, 잔류거리 등의 정보를 표시하는데 LCD(47)를 이용한다.
마이크로프로세서(40)내에 저장된 검사표에 의거하여 메모리에 적절한 값을 기입함으로써 표시구동기(48)를 마이크로프로세서(40)로 직접 구동한다. 마이크로프로세서의 조건과 LCD의 복잡도에 따라, 별도의 집적회로 구동기를 이용할 수도 있다. LED나 기체 플라즈마 디스플레이를 이용할 수도 있고, LCD 모듈을 이용할 수도 있다.
가청 표시모듈(49)은 사용자가 들을 수 있는 신호를 제공하는 압전 부저를 포함한다. 이 모듈은 이상적으로는 마이크로프로세서로부터 직접 구동되거나, 필요에 따라 트랜지스터 구동기와 함께 구동된다.
거리센서(50)는 운행중인 자동차에 배터리가 사용될 때는 차륜에 장착된다. 이 거리센서(50)는 차륜에 자석이 배치되어 있고 픽업장치가 차량의 고정부에 장착되어 있는 자기픽업의 형태를 취하거나, 광센서 형태를 취할 수 있다.
거리센서 검사는 회로모듈(51)에 의해 이루어지는데, 여기서 거리센서(50)의 출력은 마이크로프로세서(40)에 의해 측정되어 속도나 거리값으로 변환되는 주파수이다.
압력센서모듈(52)은 저전압(0-100mV) 출력을 갖고 배터리내에 배치되는 압력변환기를 포함한다.
압력센서 검사모듈(53)은 정밀 연산증폭기를 통해 출력을 0-5V까지 낮추어 아날로그-디지탈 변환기로 공급한다.
통신모듈(54)은, 배터리 충전기로부터의 모든 제어 및 통신신호들이 마이크로프로세서(40)로부터의 직렬 버스를 통해 통신되는 것을 보장한다. 이런 직렬버스는 보정의 목적으로 PC에 접속될 수도 있다.
배터리 수명을 늘리려면, 모든 부품들의 전류소모를 낮추어야만 한다. 마이크로프로세서, 아날로그-디지탈 변환기 및 기타 모든 회로는 마이크로프로세서로부터 저전류모드 모듈(55)까지의 신호에 의해 저전류 소모모드로 설정될 수 있다.
필요한 정밀도를 얻기 위해, 마이크로프로세서로의 아날로그 입력들은 교정모듈(56)에 의해 교정되고 교정 인자들과 오프셋은 EEPROM 메모리에 저장된다.
소프트웨어(57)는 폴링 지향적임은 물론, 현재시간, 거리 및 에너지 총사용량의 차륜센서 모니터링 등 시간 이벤트용으로 인터럽트 구동되는 것이 바람직하다.
이 소프트웨어는 정기적으로 전류를 샘플링하고 사용된 암페어시와 나머지 데이터를 제공하기 위해 시간에 대해 전류를 적분한다. 사용된 암페어시와 나머지는 현재 사이클중의 부하에 따라 교정된다. 이 소프트웨어는 다음 동작이 적합하다:
(ⅰ) 전력 및 암페어시 소모량 계산,
(ⅱ) 평균전력 및 평균 암페어시 소모량 계산,
(ⅲ) 이용 가능한 전력 및 암페어시 용량 계산,
(ⅳ) 현재의 암페어시 소모량에서 이용가능한 시간 계산,
(ⅴ) 현재의 암페어시 소모량에서 이용가능한 거리 계산,
(ⅵ) 특정 암페어시 소모량에서 주행가능한 시간과 거리 계산,
(ⅶ) 가용 용량이 임계치에 도달했을 때 배터리 저전력 및/또는 암페어시 경보, 및
(ⅷ) 상기 모든 특징들의 상태 표시.
마이크로프로세서(40)는 FETS 또는 IGBT's를 구동하여 모터(58)로 가는 전류를 제어할 수 있다. 이렇게 되면, 브러시형 모터에 대한 단일 펄스폭 변조제어가 가능하고, 또는 리럭턴스 모터나 무브러시 DC 모터 등의 무브러시 다중 모터에 대한 다중 출력으로 준사인파 제어가 가능하다.
FET 또는 IGBT 스위치(59)는 배터리의 보안 및 보호에 사용된다. 저항이 낮은 FETS를 이용한다.
스위치(59)는, 마이크로프로세서(40)에 의해 구동되고 FETS 또는 IGBT's가 스위치된 전원을 이용하여 전압을 승압하여 하이측 구동을 실현하는 스위치 제어모듈(60)에 의해 제어된다.
저항제어모듈(61)에서, 마이크로프로세서는 FET를 제어하고, FET의 기능은 배터리 전압 이상의 전압으로 주기적으로 커패시터를 충전하고 이 커패시터를 배터리에 방전시키면서, 그와 동시에 충전에 의해 부하전류를 보유할 수 있는 다른 커패시터를 스위치한다.
에너지게이지(62)의 출력은 잔류용량으로서 LCD에 표시된다. 이 값은 전류를 시간에 대해 적분하여 계산된다. 전류는 정기적으로 샘플링되고, 이 값은 축전기로부터 감산된 뒤 100%까지 축소되어 용량 잔류출력을 제공한다.
저항/임피던스 모듈(63)은 현재의 충전단계 전후의 전압 변화를 측정하여 내부저항과 임피던스를 계산한다. 이것은 충전중은 물론 방전중에도 일어날 수 있다. AC 전류나 전압을 배터리에 주입하고, 그 전압이나 전류를 측정하여 내부저항과 임피던스를 계산할 수 있다.
전지 평형 모듈(64)은, 하나의 전지가 그룹내의 다른 전지보다 더 자체방전된다고 판단될 때, 그룹 전체로부터 전력을 취한 다음 스위치모드 전력 변환기를 이용해 적절한 전압으로 변환하여 가장 취약한 전지에 분배함으로써 전지들의 평형을 맞추는 기능을 한다.
종래의 납축전지는 용량이 제한되며, 방전 깊이가 낮고, 사이클수명이 짧으며, 에너지 밀도가 낮고, 열관리에 문제가 있으며, 전지 평형상태를 유지하려면 일정한 승압충전이 필요한 등의 문제가 있다. 납축전지는 또한 충전시간이 길고 높은 충전전류에도 불구하고 매우 낮은 상태의 충전으로 수분간 사용할 수 있을 뿐이다. 높은 전류를 사용해도, 통상 허용 전압 보다 높아져 전해질의 손실을 초래하고 배터리 용량의 감소를 초래한다. 납축전지를 승압충전으로 재충전하는 시간은 적절한 충전환경이 제시되어도 기껏 4시간이다.
납축전지의 사이클수명은 사이클중에 도달하는 방전깊이에 따라 크게 변한다. 전기자동차의 경우, 90-100% DOD(방전 깊이)는 보기드문 일이 아닐 수 있고,이런 DOD 레벨에서는 종래의 깊은 사이클 납축전지의 사이클 수명은 300 사이클이다.
도 3은 증명된 납축전 포맷의 납축전지에 적용된 전력제어시스템(20)을 보여주지만, 이 시스템은 자체 전지 구조에 대해 발달된 나선형 권선기술을 이용한다. 12개의 개별전지(21)가 큰 표면적을 갖는 전극으로 형성되어 있고, 이들은 나선형으로 감겨 저항이 아주 낮은 개별전지들을 형성한다. 이 배터리 시스템으로부터 아주 높은 전류를 추출할 수 있는 전해질이 개발되었다. 이 배터리 시스템은 나선형 권선 전지기술과 개량된 전해질을 전력제어시스템(20)에 병합한 것이다.이들 전지(21)는 버스(22)에 직렬 연결되고, 이 버스는 제1 커패시터 수단(23), 제어수단(24), 제2 커패시터 수단(25) 및 출력단자(26)에 연결된다. 파단선(27)은 제어수단(24)에서 제1 커패시터 수단(23)으로 출력되는 명령신호를 나타낸다. 밸브조절 납축전 포맷을 이용하면 증명된 기술을 "임대 에너지" 시스템의 촉발점으로서 비교적 저렴한 비용으로 제공할 수 있다.
이 전력제어시스템(20)을 이용하고 상기 특징들의 이점을 최적화하도록 배터리 설계를 다시하면, 전류량, 용량이 증가되고, 사이클 수명이 길어지며, 재충전시간이 짧되 제조비용만이 약간 상승된 형태의 상당히 개량된 배터리가 제공된다.
도 4는 본 발명의 전력제어시스템 유무에 따라 납축전지의 배터리 용량에 대한 사이클수를 비교한 그래프이다. 1 사이클은 충전으로부터 방전까지 그리고 그 역이다.
전류량 용량이 증가하면 전력과 용량 이용이 개선되어 더 높은 암페어시 비를 얻을 수 있으며 자동차 범위가 넓어진다. 사이클 수명이 증가하면, 배터리 교체전에 더 자주 재충전할 수 있어, 연간 운영비가 낮아진다. 충전시간이 짧아지면, 배터리를 더 빨리 회전시킬 수 있어, 임대에너지 시스템에 필요한 스페어 배터리의 수를 낮출 수 있다.
전력제어시스템은 배터리 시스템에 아주 높은 비용을 초래하는 고순도 재료와 고급 프로세스를 채택하는 종래의 NiMH 배터리에도 적용될 수 있다. 고순도 수산화니켈 화합물과 처리된 금속합금 재료를 갖는 확장된 니켈 폼들은 모두 고성능 배터리를 얻기 위해 매우 높은 정도의 품질관리를 필요로 한다.
NiMH 하이브리드 배터리 역시 자체방전 문제를 갖고 있으며 온도의 영향을 받을 수 있다. 어떤 시스템에서는, 고전류 추출로 인해 배터리 전지가 손상되고 배터리가 과충전되지 않도록 주의해야만 한다. 이런 관점에서, 적절한 충전을 보장하기 위해 최신 배터리 충전기가 필요하다.
본 실시예의 NiMH 배터리 시스템은 배터리 전력제어시스템에 의한 이점을 완전히 취하도록 설계된 최신 NiMH 기술을 이용한다. 훨씬 더 높은 전력출력용량을 갖도록 구조적으로 나선형 권선 전지를 이용한다. 전력제어시스템은 배터리 팩 전지에 병합된다. 이 전력제어시스템은 사이클 수명에 악영향 없이 배터리시스템으로 하여금 높은 전류를 제공하기에 충분히 낮은 분극효과를 갖는다.
병합된 유니트는 전력제어시스템이 그 유니트의 모든 기능들을 감시하기 때문에 효과적인 고립 지능형 에너지 저장시스템이다. 전력제어시스템은 적절한 배터리 성능을 유지하고, 그와 동시에 사이클 수명을 개선하도록 적극적인 조치들을 취할 수 있다.
Ni-MH 시스템은 에너지 밀도가 높고, 전력이 높으며, 사이클 수명이 길고 재충전 시간이 빠르기 때문에 "임대 에너지" 시스템에 아주 적합하다. 이 시스템에 의하면, 밸브조절 배터리 시스템에 비해 전기자동차의 주행거리를 늘릴 수는 있지만 비용은 약간 상승한다. 그러나, 본 실시예에서 이 시스템의 제조비는 전류 이용 소형 제조장치의 가격이 현재 비용으로 추산하여 NiMH 시스템의 총 가격의 약 1/10이므로 기존의 제품보다 상당히 낮아진다.
NiMH 시스템은 긴 주행거리를 제공하는 소형 배터리 시스템이 필요한 전기자동차에 특히 적합하다.
전력제어시스템은 수년동안 투자해온 산화환원 배터리에 적용될 수도 있다. 이들 배터리는 주로 배터리 스택에 별도로 저장된 전해질액에 에너지를 저장하는 산화환원류 배터리 형태이다. 동작중에 전해질은 이 시스템을 통해 재순환되고 전해질을 통해 에너지를 주고받는다. 산화환원류 배터리는 통상 에너지 밀도가 낮고 시스템을 통한 전해질 재순환과 관련된 펌핑 손실 등의 문제가 있다. 어떤 경우에는, 격막에 따라 또는 내부 분로전류의 존재에 따라 자가방전속도가 높을 수 있다.
상화환원 겔 배터리는 전해질의 농도가 상당히 높아 재순환될 필요가 없다는 점에서 산화환원류 배터리와 다르다.
종래의 배터리 시스템은 위상전달반응을 갖는 몇가지 형태의 고체 금속전극을 이용한다. 이렇게 하면, 중량이 증가하고 효율 손실이 초래된다. 산화환원 겔 배터리는 아주 높은 농도의 겔을 이용하고, 이 겔은 높은 농도의 +, - 반응이온들을 함유한다. 이 겔에는 모든 반응종들이 포함되어 있고, 위상전달반응이 없어 최소의 손실로 인한 높은 효율을 가져온다.
본 발명의 전력제어시스템은 분극 효과를 감소시키도록 산화환원 겔 배터리팩에 병합될 수 있다. 겔의 농도가 아주 높아, 배터리 시스템이 큰 부하가 걸릴 때 분극이 더 높아지는 경향이 있다. 산화환원 겔 배터리용으로 설계된 전력제어시스템은 산화환원 겔 전지시스템의 설계시의 많은 제한요소들을 완화시킬 수 있다.
도 5에 도시된 전력제어시스템(30)은 버스시스템(31)을 포함하는데, 이 버스시스템은 전지(32), 제어수단(33), 제1 커패시터 수단(34), 제2 커패시터 수단(35) 및 출력단자(36)를 연결한다. 라인(37)은 명령신호를 의미한다.
특히 산화환원 겔 전지용으로 설계된 제어수단(33)은 개별 셀전압과 온도를 감시하는 등의 여러 감시기능들을 수행할 수도 있다. 이 제어수단은 밀봉 배터리팩의 내부압력을 감시할 수 있고, 또 주어진 임의의 조건에서 시스템의 허용 부하한계를 확인할 수 있다. 제어수단(33)은 어떤 충전상태에서도 최적의 배터리 성능을 유지하기 위한 적극적 조치들을 취할 수 있는 기능을 더 구비한다. 이런 고도의 시스템 제어기능때문에, 본 시스템은 전체 용량을 반복적으로 그리고 매우 긴 사이클 수명에 걸쳐 이용할 수 있다.
이 시스템은 가격면에서 경쟁력이 아주 우수하고 전류 이용 에너지 저장시스템에 우수한 성능을 부여한다. 산화환원 겔 전지에 이용된 전극들은 단순히 겔 전해질을 통한 에너지 전달을 가능케 하는 기능을 한다. 이 전극들은 불활성이고 특별히 개발된 전도성 플라스틱 등의 재료로 제조될 수 있다.
본 시스템은 산화환원 겔 전지와 전력제어시스템을 병합하여, NiMH 시스템의 에너지 밀도를 거의 두배로 하는 에너지 저장시스템을 형성한다. 본 시스템은 또한 겔 전해질의 안정성 때문에 매우 긴 사이클 수명을 갖고, 또한 전체적으로 비용면에서 매우 효과적임은 물론, 경량이고 견고하여 "임대 에너지" 차량용의 배터리 교환처리에 아주 적합하다.
본 발명의 다른 실시예는 배터리용 전력제어시스템과 함께 사용되는 배터리 충전/감시 모듈에 관한 것인바, 이 전력제어시스템은 배터리 시스템에 병합된다.
배터리 시스템은 주요 제한들중의 하나인 부정확한 충전으로 많은 문제점을 내포하고 있지만, 전체적으로는 배터리 조건들이 기록되고 적절한 충전이 허가된다. 그러나, 이런 개념은 개별 전지 조건에는 허용되지 않으므로, 최고로 충전된전지는 대개 과충전 상태이고 최저 충전 전지는 대개 과소충전상태이다. 그결과 전체적인 배터리 수명이 크게 감소된다.
다른 문제는, 각종 부품들의 내부저항으로 인한 내부 효과때문에 배터리들이 높은 충전전류를 받을 수 없다는데 있다. 급속충전시 대개 수소개스가 새는 경향이 있는바, 이는 위험할뿐 아니라 전해질의 열화로 인해 배터리 수명을 제한한다. 이 충전기는 전력제어시스템과 함께 작동하고 내부저항을 제한함으로써, 배터리 사이클 수명에 영향을 주지 않고 재충전 속도를 더 향상시킬 수 있다.
본 발명은 배터리 시스템에 결합되는 전력제어시스템과 함께 사용되는 독특한 배터리 충전/감시 모듈을 제공한다. 이 전력제어시스템의 주요 기능은 배터리의 내부저항으로 인한 분극효과를 감소시키는데 있다. 중요한 것은, 각각의 전지를 감시하고, 전력출력 제어기능을 제공하며, 보호 및 감시기능을 갖는 특별한 배터리 충전기와 함께 동작하는 등의 여러 내장기능들을 제어할 수 있다는 것이다.
특수 배터리 충전기를 이용해 전력제어시스템을 확인하고, 이에 따라 배터리 모듈의 일련번호를 확인할 수 있으며, 이는 원격통신시스템을 통해 운영센터로 중계된다. 배터리가 기록되고 고객의 지불이 확인되면, 전력제어시스템에 의해 배터리 충전기가 허가되어 충전이 개시된다.
실제 충전기능은 전력제어시스템과 함께 실시되어, 각각의 전지가 감시되고 취급되거나 특정 조건에 맞추도록 된다. 이때문에, 과소충전이나 과충전으로 인한 전지의 파손이 방지되어 전체적인 배터리 사이클 수명이 크게 향상된다.
배터리 충전기는 배터리의 형식을 확인하여 자동으로 적절한 충전방식을 선택할 수 있다. 비공인 배터리를 충전기에 장착하면, 접속이 허가되지 않는다. 이 충전기는 또한, 배터리가 다른 수단에 의해 충전되었는지 여부 또는 모듈이나 배터리가 어떤 경로로 조작되었는지의 여부를 전력제어시스템의 피드백을 통해 검사할 수 있고, 이 정보를 운용센터로 전송한다.
각각의 충전기 유니트는 원격시스템을 통해 운영센터에 연결되고, 운영센터는 네트웍내의 모든 충전소는 물론 각각의 배터리의 위치와 각각의 지불상태를 지속적으로 감시할 수 있다.
본 발명의 배터리 관리시스템은 자판기, 수동식 재충전 모듈, 자동식 배터리 교환기, 로봇식 배터리 교환시설 및 주차/충전소의 형태로 서비스되도록 설치되는임대 에너지 개념으로 사용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 배터리에서 이용할 수 있는 전력 잔량을 표시하는 에너지 게이지에 있어서:
    (ⅰ) 배터리 총용량을 표시하는 소정값의 전력 인자를 저장하는 수단;
    (ⅱ) 상기 인자에 의해 표시된 순간적인 전력소모를 판단하는 수단;
    (ⅲ) 배터리의 사용 개시부터 상기 인자가 표시하는 전력소모를 적분하는 수단;
    (ⅳ) 총 용량의 저장값으로부터 상기 적분 소모량을 감산하여 전력 잔량값을 제공하는 수단; 및
    (ⅴ) 상기 전력 잔량을 표시하는 판독수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 게이지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력인자가 암페어시인 것을 특징으로 하는 에너지 게이지.
  3. 제2항에 있어서, 전류를 정기적으로 샘플링하는 것을 특징으로 하는 에너지 게이지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 판독수단이 총 용량에 대한 백분율로 전력 잔량을 표시하는 것을 특징으로 하는 에너지 게이지.
  5. 제1항에 있어서, 전력 잔량이 배터리 총용량의 소정 백분율보다 낮을 때 가청 알람을 경보하는 알람수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 게이지.
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