KR100902464B1 - 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치 및그 인버터 회로 - Google Patents

배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치 및그 인버터 회로 Download PDF

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Abstract

배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치 및 그 인버터 회로가 개시된다. 본 발명은 배터리 및 인버터에 연결되어 배터리 정보 및 인버터 정보를 수신하는 정보 수신부; 상기 배터리의 각 셀 전압을 조절하는 셀 제어 모듈; 상기 인버터의 전압 및 주파수를 조절하는 전압 주파수 제어 모듈; 및 상기 배터리 정보로부터 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압과 동일하지 않은 것으로 판단되면 상기 셀 제어 모듈을 제어하여 상기 특정 셀을 일정 시간 동안 강제 방전시키거나 바이패스 시키고, 상기 인버터 정보로부터 상기 인버터의 출력 전압이나 전류가 변화되는 것으로 판단되면 상기 전압 주파수 제어 모듈을 제어하여 상기 인버터의 출력 전압 및 주파수를 조절하는 주제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 인버터 회로의 제어단에 배터리 관리 시스템을 통합하여, 전원 공급 장치에서 인버터 회로만 구비하면 별도로 배터리 관리 시스템을 구비할 필요가 없고, 인버터의 효율을 향상시키며, 설비의 소형화 및 보수 유지가 용이하다.

Description

배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치 및 그 인버터 회로 {Inverter circuit module with built in battery management system and Apparatus for control thereof}
도 1인 일반적인 배터리 관리 시스템의 구조도이다.
도 2는 배터리 관리 시스템이 적용된 독립형 태양광 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 인버터 회로의 블록도이다.
도 4는 도 3의 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치의 상세 블록도이다.
도 5는 도 4의 주제어부에서 배터리 잔존 용량을 추정하는 과정의 흐름도이다.
본 발명은 전원 장치에 관한 것으로, 특히, 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치 및 그 인버터 회로에 관한 것이다.
최근 클린 에너지원으로서 또한 무한 에너지원으로서 태양광이 널리 이용되어지고 있다. 특히 도서지역과 같이 전원공급이 불가능한 곳에서 태양광을 이용하 기 위한 시스템에는 반드시 요구되는 것이 일사 시간 동안 태양전지로부터 얻어진 전원을 축적해둘 축전지(배터리)가 있어야만 한다. 또한 정전이나 전원사정의 이상으로부터 보호되어야 할 곳에는 무정전 전원시스템을 갖추어야만 하는데, 여기에도 중요한 구성요소 중 하나는 축전지이다.
그런데, 이 축전지는 한 개당의 전압이나 전류용량의 증대가 곤란한 경우가 있어, 복수 개의 축전지를 직렬 또는 병렬로 접속하여 사용하는 경우가 많다.
복수 개의 축전지를 직렬로 접속하는 경우, 각 축전지의 전류용량이나 초기전압, 온도 등의 불균일이 존재하면, 각 축전지에 균일하게 전압을 분담시키기가 곤란해진다.
특히, 전해액으로서 유기용매가 사용되고 있는 리튬 2차 전지나 전기 2중층 커패시터 등을 직렬 접속하여 사용하였을 경우에는 축전지 단자전압의 불균일이 과방전을 발생시켜 축전지의 성능 열화나 수명의 저하를 초래한다.
리튬 2차 전지의 경우에는 2차 전지의 과충전이나 과방전을 검출하여 충전 또는 방전을 정지시키는 보호기능이 구비되어 있다. 이러한 보호기능을 구비하는 리튬 2차 전지 복수 개를 직렬로 접속하면, 초기전압이 높은 2차 전지의 전압이 과충전의 보호레벨에 도달한 시점에서 충전이 정지되어 안전성은 확보되나, 초기전압이 낮은 나머지 2차 전지는 충분히 충전되지 않은 채 도중에서 충전이 정지되어 버린다.
마찬가지로, 방전 시에는 초기전압이 낮은 2차 전지의 전압이 과방전 레벨에 도달한 시점에서 방전이 정지되고, 초기전압이 높은 나머지 2차 전지는 축적한 전 기량을 남긴 채 방전이 정지된다.
이와 같이 과충전, 과방전과 같은 보호기능을 구비하는 축전지를 직렬로 접속하면, 복수 개의 축전지 전체에서 얻어질 전력용량의 일부밖에 이용할 수 없게 되어 전력이용률이 저하되어 버리게 된다. 또한 직렬로 연결된 축전지 중 어느 것 하나라도 문제가 생기면 이것은 전체 축전기의 문제가 된다. 이러한 문제를 피하기 위해서는 직렬로 접속된 각 축전지를 실시간 감시하여 각 셀의 전압을 정확하게 검출하고, 소수의 축전지의 초기전압이 나머지 축전지와 다를 경우에는 전압을 균일화하는 대책이 필요하다. 또한, 효과적인 축전지 관리를 위해 축전지에 축적된 전기량을 정확하게 계측하는 것과 축전기의 잔존수명을 예측하는 것이 요망되고 있다.
일반적인 BMS의 구조는 도 1과 같다.
태양전지 셀로부터 공급되는 DC 전원 또는 무정전 전원장치에 있어 입력전압은 배터리 팩으로 흘러 배터리를 충전하게 한다.
전류 센서(Current Sensor)가 증가된 충전전류를 감지하고 일정치 이상이 되면 충전을 중지시키는 신호를 인가하게 되며, 태양광을 이용하지 못할 경우 또는 정전 시에 배터리 전원을 사용하게 될 때 배터리는 방전이 시작된다.
한편 충전이나 방전 동작이 진행되는 중, 배터리 모듈의 각 단전지 셀(CELL 1 내지 CELL 8)의 양쪽으로부터 셀의 전압을 읽어 셀 발란싱 블록(Cell Balancing MODULE)에 인가된다. 셀 발란싱 블록에서는 각 셀의 전압 크기를 비교하여 최고치와 최저치 값을 가진 셀을 배제하고 평균 전압 값을 가진 어느 한 셀을 기준으로 하여 다른 셀의 전압편차를 강제 방전 또는 바이패스 시키는 방법으로 셀 발란싱 동작을 하게 된다. 메인 프로세서 유닛 모듈(MPU MODULE)은 전류 센서 및 A/D & D/A 모듈(A/D & D/A MODULE)을 통해 수신되는 충전전류에 대한 정보에 따라 셀 발란싱 모듈을 제어한다.
한편, 배터리 모듈의 각 셀의 몸체에는 온도를 감지하는 써미스터를 부착하여 셀의 몸체 온도를 감지하여 셀의 과열이나 이상상태를 센싱하여 필요시 시스템의 동작을 중지시킬 수 있게 한다.
SOC 모듈(SOC MODULE)은 SOC(State Of Charge, 만(滿)충전을 100%로 하는 나머지용량의 % 표시)를 추정하고 전압, 전류, SOC로부터 잔존수명을 추정한다.
도 2는 태양전지(210)로부터 발생하는 가변 직류전압을 저장하는 배터리(220), 배터리의 상태를 관리하는 배터리 관리 시스템(230), 직류를 교류로 변환시켜주는 인버터(240)로 구성된 독립형 태양광 시스템의 간략한 구조를 보여주고 있다.
한편, 무정전 전원시스템(UPS)에서 가장 중요한 부분은 정전이 되었을 경우 얼마나 오랜 시간 동안 안정적으로 전기를 공급하여 주느냐에 달려 있다. 이 전기를 공급하는 원천은 바로 배터리다. 배터리는 평상시에 충전기에 의하여 충전이 되고 정전이나 비상시에 배터리에서 방전을 통하여 전기를 발생, 공급하게 된다. 한 대의 UPS에는 복수의 배터리가 직렬 또는 병렬로 연결되어 보다 장시간 전기를 공급하도록 되어있다. 그런데 이 복수의 배터리중 하나만 문제가 있어도 전기를 공급하지 못하거나 매우 짧은 시간 동안만 전기를 공급하고 꺼지는 불상사가 발생할 수 있다. 복수의 배터리는 각각이 가진 약간의 편차가 있고 이 편차는 시간이 지날수록 점점 더 커지게 된다.
UPS에 BMS(Battery Management System)를 적용할 경우, 복수의 배터리를 개별적인 관리를 통하여 모두 동일한 상태 즉, 최상의 충전과 방전이 되고 각 배터리간의 편차가 생기지 않도록 관리하고 유지하여 주는 역할을 수행하게 함으로 배터리의 사용연한을 늘려주는 부수적인 효과도 얻을 수 있게 된다. 따라서 UPS에서 BMS의 기능은 빼놓을 수 없는 기능이 된다. 그러나 현실적으로 UPS에 BMS 기능이 장착된 제품은 극소수에 불과하고, 별도의 BMS 회로가 추가되어야만 한다.
따라서, 종래의 전원 장치는 배터리 관리 시스템을 별도로 구비하여야 하고, 인버터의 효율이 저하되며, 설비의 소형화 및 보수 유지가 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 전원 공급 장치에서 인버터 회로만 구비하면 별도로 배터리 관리 시스템을 구비할 필요가 없고, 인버터의 효율을 향상시키며, 설비의 소형화 및 보수 유지가 용이한 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기의 인버터 회로의 제어 장치가 적용된 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로를 제공하는 데 있다.
상기의 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 배터리 및 인버터 에 연결되어 배터리 정보 및 인버터 정보를 수신하는 정보 수신부; 상기 배터리의 각 셀 전압을 조절하는 셀 제어 모듈; 상기 인버터의 출력 전압 및 주파수를 조절하는 전압 주파수 제어 모듈; 및 상기 배터리 정보로부터 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압과 동일하지 않은 것으로 판단되면 상기 셀 제어 모듈을 제어하여 상기 특정 셀을 일정 시간 동안 강제 방전시키거나 바이패스 시키고, 상기 인버터 정보로부터 상기 인버터의 출력 전압이나 전류가 변화되는 것으로 판단되면 상기 전압 주파수 제어 모듈을 제어하여 상기 인버터의 출력 전압 및 주파수를 조절하는 주제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치를 제공한다.
상기의 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 배터리의 직류 전압 및 전류를 교류로 변환시키는 인버터; 상기 배터리 및 인버터에 연결되어 배터리 정보 및 인버터 정보를 수신하는 정보 수신부; 상기 배터리의 각 셀 전압을 조절하는 셀 제어 모듈; 상기 인버터의 출력 전압 및 주파수를 조절하는 전압 주파수 제어 모듈; 및 상기 배터리 정보로부터 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압과 동일하지 않은 것으로 판단되면 상기 셀 제어 모듈을 제어하여 상기 특정 셀을 일정 시간 동안 강제 방전시키거나 바이패스 시키고, 상기 인버터 정보로부터 상기 인버터의 출력 전압이나 전류가 변화되는 것으로 판단되면 상기 전압 주파수 제어 모듈을 제어하여 상기 인버터의 출력 전압 및 주파수를 조절하는 주제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로를 제공한다.
본 발명은 태양광 및 무정전 전원장치의 인버터와 BMS에 관한 것으로, 종래 의 장치는 인버터와 배터리 관리 시스템(BMS)이 각각 구성되어 인버터만의 순기능 즉, 직류를 교류로 바꾸는 변환장치의 역할과 배터리 관리 시스템의 기능을 각각 감당하였으나, 본 발명에 따른 회로는 인버터 순기능 및 배터리 관리 시스템(BMS)의 기능을 포함하고 있다.
본 발명은 태양광 시스템과 무정전 전원 시스템에 필수적인 인버터에 배터리관리 시스템(BMS)의 기능을 부여함으로써, 별도의 배터리 관리 시스템을 추가하지 않아도 각 셀의 관리가 가능하다.
일반적으로 태양광 인버터에 요구되는 기본사양으로는 태양광 발전에 의한 직류 전력을 유효하게 교류전력으로 변환하여 인버터의 고효율화를 이루고 설비의 소형화 및 보수 유지가 용이해야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 인버터 회로의 블록도이다.
배터리(310)는 직류전압을 저장하고, 인버터 회로(300)에서 직류전압을 교류로 변환하여 부하(390)에 공급한다. 이때, 인버터(330)는 직류 전원을 상용 주파수의 교류로 변환하기 위한 공진 또는 브리지 인버터를 포함한다.
인버터 회로(300)는 입력전원의 안정화를 위한 입력 필터(320), 직류전원을 교류로 출력하기 위한 인버터(330), 인버터(330)의 구형파 출력에서 고조파를 제거하고 양질의 정현파를 출력하기 위한 정현파 필터(350), 그리고 과전압, 과전류, 단락, 단선 등의 이상으로부터 인버터 회로(300)를 보호하기 위한 보호기능, BMS 기능, 부하(390)의 변동에 따른 인버터 출력을 제어하기 위한 제어 장치(340)로 구성된다.
위와 같이 별도로 구성된 BMS와 인버터를 인버터의 기능에 BMS 기능을 내장함으로 별도의 배터리 관리시스템(BMS)을 추가하지 않고 인버터 내부에 구성된 주제어부 회로의 기능을 강화하여 셀의 관리가 가능하다.
도 4는 도 3의 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치(340)의 상세 블록도이다.
정보 수신부(441)는 배터리(310) 및 인버터(330)에 연결되어 배터리 정보 및 인버터 정보를 수신한다. 또한, 정보 수신부(441)는 부하(390)에 전달되는 출력을 일정하게 하기 위하여 인버터 회로(300)의 출력단으로부터 출력 정보를 수신한다. 바람직하게는, 배터리 정보는 배터리(310)로부터 측정된 온도, 전압 및 전류를 포함하고, 인버터 정보는 인버터(330)의 입/출력 전압 및 전류를 포함할 수 있다.
정보 수신부(441)는 멀티플렉서, A/D 변환부, 기준전압 공급 장치 등을 포함할 수 있다. 멀티플렉서는 주제어부(442)에서 판단과 제어를 위한 정보로 배터리(310)의 온도, 전압, 전류 또는 인버터(330)의 전압, 전류의 값을 선택적으로 받아들여 아날로그 신호를 디지털신호로 변환시켜 주는 A/D 변환부로 전달한다. 기준전압 공급 장치는 일정한 전압을 A/D 변환부에 공급함으로 A/D 변환부에서 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환할 때 기준 값을 가지게 한다.
주제어부(442: Micro Control Unit; MCU)는 배터리 정보 즉, 배터리(310)의 온도, 전압, 전류 및 인버터 정보 즉, 인버터(330)의 입/출력 전압, 전류를 실시간 감시하여 배터리(310)의 상태와 인버터(330)의 상태를 판단, 제어하여 배터리(310) 및 인버터(330)를 최적화한다.
예를 들어, 배터리(310)의 온도, 전압, 전류를 정보 수신부(441)로부터 읽어 들인 후 각 셀 전압을 비교하여 각 셀 전압이 일정하지 않다면, 즉 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압보다 높게 측정되었다면 주제어부(442)는 셀 제어 모듈(443)을 통해 특정 셀이 일정 시간 동안 강제 방전을 시켜 주게 된다. 반대로, 특정 셀 전압이 다른 셀의 전압보다 낮게 측정되었다면 주제어부(442)는 셀 제어 모듈(443)을 통해 그 특정 셀을 일정시간 동안 바이패스 되도록 하여 다른 셀 전압과 맞추게 된다.
또한, 주제어부(442)는 인버터(330)의 출력 전압 및 전류를 정보 수신부(441)로부터 읽어 들인 후, 항상 일정 전압과 전류가 출력되도록 전압 주파수 제어 모듈(444)을 제어한다.
만일 과전압 또는 과전류 및 회로 이상이 발생하게 되면 주제어부(442)에서는 즉각적으로 보호회로(445)를 동작시켜 회로에 흐르는 전류를 차단함으로 회로를 보호한다.
정전원 공급 장치(미도시)는 제어 장치(440)의 회로들이 동작하기 위한 동작 전원을 공급한다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 인버터 회로의 제어단에 배터리 관리 시스템을 통합하여, 전원 공급 장치에서 인버터 회로만 구비하면 별도로 배터리 관리 시스템을 구비할 필요가 없고, 인버터의 효율을 향상시키며, 설비의 소형화 및 보수 유지가 용이한 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 배터리 및 인버터에 연결되어 상기 배터리로부터 측정된 온도, 전압 및 전류를 포함한 배터리 정보와 상기 인버터의 입출력 전압 및 전류를 포함한 인버터 정보를 선택적으로 수신하는 멀티플렉서를 구비한 정보 수신부;
    상기 배터리의 각 셀 전압을 조절하는 셀 제어 모듈;
    상기 인버터의 전압 및 주파수를 조절하는 전압 주파수 제어 모듈; 및
    상기 정보 수신부를 통해 수신된 배터리 정보로부터 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압과 동일하지 않은 것으로 판단되면 상기 셀 제어 모듈을 제어하여 상기 특정 셀을 일정 시간 동안 강제 방전시키거나 바이패스 시키고, 상기 정보 수신부를 통해 수신된 인버터 정보로부터 상기 인버터의 출력 전압이나 전류가 변화되는 것으로 판단되면 상기 전압 주파수 제어 모듈을 제어하여 상기 인버터의 출력 전압 및 전류가 일정하게 출력되도록 조절하는 주제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주제어부는
    상기 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압보다 높은 것으로 판단되면, 상기 셀 제어 모듈을 제어하여 상기 특정 셀을 일정시간 동안 강제 방전시키고, 상기 특정 셀 전압이 다른 셀의 전압보다 낮은 것으로 판단되면, 상기 셀 제어 모듈을 제어하여 상기 특정 셀을 일정시간 동안 바이패스 시키는 것을 특징으로 하는 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로의 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 배터리의 직류 전압 및 전류를 교류로 변환시키는 인버터;
    상기 배터리와 상기 인버터의 사이에 연결되어 안정된 직류를 상기 인버터에 공급하는 입력 필터;
    상기 인버터의 출력단에 연결되어 상기 인버터의 구형파 출력에서 고조파를 제거하는 정현파 필터;
    상기 배터리 및 인버터에 연결되어 상기 배터리로부터 측정된 온도, 전압 및 전류를 포함한 배터리 정보와 상기 인버터의 입출력 전압 및 전류를 포함한 인버터 정보를 선택적으로 수신하는 멀티플렉서를 구비한 정보 수신부;
    상기 배터리의 각 셀 전압을 조절하는 셀 제어 모듈;
    상기 인버터의 전압 및 주파수를 조절하는 전압 주파수 제어 모듈; 및
    상기 정보 수신부를 통해 수신된 배터리 정보로부터 특정 셀의 전압이 다른 셀의 전압과 동일하지 않은 것으로 판단되면 상기 셀 제어 모듈을 제어하여 상기 특정 셀을 일정 시간 동안 강제 방전시키거나 바이패스 시키고, 상기 정보 수신부를 통해 수신된 인버터 정보로부터 상기 인버터의 출력 전압이나 전류가 변화되는 것으로 판단되면 상기 전압 주파수 제어 모듈을 제어하여 상기 인버터의 출력 전압 및 전류가 일정하게 출력되도록 조절하는 주제어부를 포함하는 배터리 관리 시스템이 내장된 인버터 회로.
  5. 삭제
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