KR101181822B1

KR101181822B1 - 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법, 이를 이용하는 전력 저장 장치

Info

Publication number: KR101181822B1
Application number: KR1020100099932A
Authority: KR
Inventors: 김민석
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-09-11
Also published as: KR20120038267A; US8808886B2; US20120094151A1

Abstract

배터리 관리 시스템은 셀 밸런싱을 위하여 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되는 방전저항, 상기 셀과 상기 방전저항을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치, 상기 방전저항의 온도를 측정하는 온도 측정부, 및 상기 온도 측정부에서 측정된 상기 방전저항의 온도가 소정의 기준온도로 유지되도록 상기 방전저항의 저항값을 조절하는 MCU(Micro Control Unit)를 포함한다. 셀 밸런싱이 보다 빠르게 수행될 수 있고, 배터리의 출력을 안정적으로 유지할 수 있다.

Description

배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법, 이를 이용하는 전력 저장 장치{Battery management system and method thereof, and power storage apparatus using the same}

본 발명은 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법, 이를 이용하는 전력 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀 밸런싱(cell balancing)을 빠르게 수행할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법, 이를 이용하는 전력 저장 장치에 관한 것이다.

최근 유럽 연합에서는 전체 발전원 중 신재생 에너지의 비중을 2020년까지 20%, 2050년까지 50%로 늘려가는 계획을 확정하였다. 미국도 신재생 에너지 의무할당제(Renewable Portfolio Standards, RPS)를 시행할 예정이다. 이와 같이, 신재생 에너지가 전체 발전원의 5%도 되지 않는 현재 상황에서 향후 30~40%까지 증가하는 상황에서 전력 시스템은 새로운 변화를 준비하여야 한다.

신재생 에너지는 발전량을 조절하는 것이 쉽지 않다. 신재생 에너지의 발전량은 태양광, 풍력, 파력 등의 자연 조건에 따라 달라지기 때문이다. 이러한 신재생 에너지의 변동성에 의해 발생될 수 있는 전력 시스템의 전력 품질 저하, 생산과 소비 시점의 불일치 등을 극복할 수 있는 방안에 대한 연구가 진행되고 있다. 전력 품질은 전압과 주파수로 평가되는데, 신재생 에너지의 수급량이 실시간으로 일치하지 않게 되면 전압과 주파수에 이상이 발생하여 전체 전력 시스템의 전력 품질을 저하시킬 수 있기 때문이다.

신재생 에너지의 변동성을 관리할 수 있는 대안으로 전력 저장 시스템이 주목받고 있다. 전력 저장 시스템은 신재생 에너지의 발전량이 많을 때 전기를 충전하고, 소비량이 많을 때 전기를 방전함으로써 수요와 공급을 효율적으로 조절할 수 있기 때문이다.

전력 저장 기술에는 양수 발전, CAES(Compressed Air Energy Storage), 플라이휠(Flywheel), 초전도 전력 저장(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES), 2차 전지 등이 있다. 양수 발전은 댐을 만들어 전기가 남을 때 물을 퍼 올리고, 전기가 모자라면 물을 방류하여 터빈을 돌림으로써 전기를 생산하는 방식이다. CAES는 지하나 바다 속에 공기를 압축해두었다가 필요할 때 공기를 방출시켜 전기를 생산하는 방식이다. 플라이휠은 전기가 남을 때 팽이를 회전시키고, 전기가 모자라면 돌고 있는 팽이로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 초전도 전력 저장은 저항이 0인 초전도 코일에 전류를 저장하는 원리를 이용하는 방식이다. 2차 전지는 충방전이 가능한 전지로서, 정전시 임시로 전기를 공급하는 무정전 전원장치(Uninterruptible Power Supply, UPS)로 사용되어 왔으나, 최근에는 신재생 에너지의 보조전원으로 주목받고 있다.

전력 저장 시스템은 신재생 에너지의 발전 전력을 다수의 2차 전지가 연결된 대용량 2차 전지(이하, 배터리라 한다)에 저장할 뿐만 아니라, 상용 계통과 연계하여 상용 계통의 전력을 배터리에 저장하여 사용할 수 있으며, 배터리에 저장된 전력을 상용 계통에 공급하거나 신재생 에너지의 발전 전력을 상용 계통에 공급할 수 있다.

고전압 대전류를 출력하는 배터리에는 직렬로 연결되는 많은 수의 2차 전지(이하, 셀이라 한다)가 포함된다. 다수의 셀이 직렬로 연결되는 경우, 셀 간의 전압 차이가 허용범위 내에서 유지되도록 각 셀의 전압을 조절하는 셀 밸런싱(cell balancing)이 수행되어야 한다. 셀 밸런싱이 수행되지 않는 셀은 열화되고, 결국 배터리의 수명이 단축되고 출력 전력이 감소된다.

일반적으로, 셀 밸런싱은 다수의 셀 각각의 전압 또는 전류를 측정하여 다른 셀보다 높은 전압으로 충전된 셀을 방전시켜 다른 셀과의 전압차를 줄이는 방식으로 수행된다. 셀 밸런싱이 빠르게 수행되어야 배터리가 보다 안정적으로 일정한 전력을 출력할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 셀 밸런싱을 빠르게 수행할 수 있는 배터리 관리 시스템 및 배터리 관리 방법, 이를 이용하는 전력 저장 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템은 셀 밸런싱을 위하여 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되는 방전저항, 상기 셀과 상기 방전저항을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치, 상기 방전저항의 온도를 측정하는 온도 측정부, 및 상기 온도 측정부에서 측정된 상기 방전저항의 온도가 소정의 기준온도로 유지되도록 상기 방전저항의 저항값을 조절하는 MCU(Micro Control Unit)를 포함한다.

상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 낮으면 상기 방전저항의 저항값을 낮추어 상기 셀로부터 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다.

상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 높으면 상기 방전저항의 저항값을 높여서 상기 셀로부터 흐르는 전류량을 감소시킬 수 있다.

상기 방전저항은 상기 셀이 양전위 단자에 연결되는 일단, 및 상기 셀의 음전위 단자에 연결되는 타단을 포함하는 가변저항일 수 있다.

상기 MCU는 상기 셀 밸런싱 스위치의 온-오프를 제어할 수 있다.

상기 방전저항의 온도를 디지털 신호로 변환하여 상기 MCU로 전달하는 컨버터를 더 포함할 수 있다.

상기 온도 측정부는 상기 방전저항에 접촉 또는 근접하여 설치되는 서미스터(thermistor)일 수 있다.

상기 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되어 상기 셀의 전압이 저장되는 커패시터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 관리 방법은 셀과 방전저항을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치를 턴-온시키는 단계, 상기 방전저항의 온도를 측정하는 단계, 상기 방전저항의 온도와 기준온도를 비교하는 단계, 및 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 낮으면 상기 방전저항의 저항값을 낮추고, 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 높으면 상기 방전저항의 저항값을 높이는 단계를 포함한다.

셀 밸런싱 스위치를 턴-온시키는 단계는 상기 셀을 포함하는 복수의 셀의 전압을 측정하는 단계, 상기 복수의 셀 간의 전압차가 소정의 허용범위를 초과하면 상기 복수의 셀 중에서 전압이 상대적으로 높은 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 선택하는 단계, 및 상기 셀 밸런싱이 필요한 셀의 셀 밸런싱 스위치를 턴-온시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 셀을 포함하는 복수의 셀의 전압을 측정하여 상기 복수의 셀 간의 전압차가 소정의 셀 밸런싱 종료 조건에 해당하면 상기 턴-온된 셀 밸런싱 스위치를 턴-오프시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 저장 장치는 복수의 셀을 포함하는 배터리 팩, 및 상기 복수의 셀에 대응하는 복수의 셀 밸런싱 회로 및 MCU를 포함하는 배터리 관리 시스템을 포함하고, 상기 복수의 셀 밸런싱 회로 각각은, 셀 밸런싱을 위하여 대응하는 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되는 방전저항, 상기 대응하는 셀과 상기 방전저항을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치, 및 상기 방전저항의 온도를 측정하는 온도 측정부를 포함하고, 상기 MCU는 상기 온도 측정부에서 측정된 상기 방전저항의 온도가 소정의 기준온도로 유지되도록 상기 방전저항의 저항값을 조절한다.

상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 낮으면 상기 방전저항의 저항값을 낮추어 상기 대응하는 셀로부터 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다.

상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 높으면 상기 방전저항의 저항값을 높여서 상기 대응하는 셀로부터 흐르는 전류량을 감소시킬 수 있다.

상기 방전저항은 상기 대응하는 셀의 양전위 단자에 연결되는 일단 및 상기 대응하는 셀의 음전위 단자에 연결되는 타단을 포함하는 가변저항일 수 있다.

상기 온도 측정부는 상기 방전저항에 접촉 또는 근접하여 설치되는 서미스터일 수 있다.

상기 복수의 셀 밸런싱 회로 각각은, 상기 대응하는 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되어 상기 대응하는 셀의 전압이 저장되는 커패시터를 더 포함할 수 있다.

셀 밸런싱이 보다 빠르게 수행될 수 있고, 배터리의 출력을 안정적으로 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 계통 연계형 전력 저장 시스템을 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 전력 관리 시스템(110) 및 전력 저장장치(120)를 포함한다.

계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 발전 시스템(130), 상용 계통(140) 및 부하(150)와 연결된다.

발전 시스템(130)은 태양광, 풍력, 파력, 조력, 지열 등의 신재생 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 시스템을 포함한다. 예를 들어, 태양광 발전 시스템은 태양광을 전기 에너지로 변환하는 복수의 태양 전지가 직렬 또는 병렬로 연결된 태양전지 모듈을 포함한다.

상용 계통(140)은 화력, 수력, 원자력 발전 등을 통해 전력을 생산하는 발전소, 생산된 전력을 송전선로나 배전선로를 통하여 보내기 위해 전압이나 전류의 성질을 바꾸는 변전소나 송전소 등을 포함한다.

부하(150)는 전력을 소비하는 각종 전기 구동 장치 등을 의미한다. 예를 들어, 가정의 가전기기나 공장의 생산설비 등을 의미한다.

전력 관리 시스템(110)은 발전 시스템(130)의 전력, 상용 계통(140)의 전력, 전력 저장장치(120)의 전력 등의 전력 계통을 연계하는 시스템이다. 전력 관리 시스템(110)은 전력 저장장치(120)를 이용하여 전력 계통의 생산 및 소비의 시간적 불일치를 관리할 수 있다.

전력 저장장치(120)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지를 포함한다. 2차 전지로는 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전지, 니켈-수소 전지(nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등이 있다. 전력 저장장치(120)는 복수의 2차 전지가 병렬 또는 직렬로 연결된 복수의 배터리 팩(pack)을 포함할 수 있다.

한편, 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, 이하 BMS)이 전력 저장장치(120) 또는 전력 관리 시스템(110)에 포함될 수 있다. BMS는 배터리 팩에 포함된 각 셀의 전압, 전류, 온도를 검출하고 각 셀의 충전 상태(State of Charge, 이하 SOC) 및 수명(State of Health, 이하 SOH)을 모니터링함으로써, 각 셀의 과충전, 과방전, 과전류, 과열 등으로부터 셀을 보호하고 셀 밸런싱(cell balancing)을 통하여 배터리의 효율을 향상시킨다.

BMS는 셀 밸런싱 과정에서 셀 밸런싱 대상 셀을 방전저항에 연결시켜 방전시킨다. 이때, BMS는 방전저항의 온도가 소정의 기준온도보다 높아지지 않는 범위 내에서 방전저항의 저항값을 조절하여 셀 밸런싱 대상 셀의 방전이 빠르게 수행되도록 한다.

전력 관리 시스템(110)은 제1 전력 변환부(111), 제2 전력 변환부(112), 제3 전력 변환부(113), 제1 스위치(116), 제2 스위치(117), DC 링크부(118) 및 제어부(119)를 포함한다.

제1 전력 변환부(111)는 발전 시스템(130)에 연결되며, 발전 시스템(130)에서 생산되는 제1 전력을 제2 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)에 전달한다. 발전 시스템(130)에서 생산되는 제1 전력은 직류 전력 또는 교류 전력일 수 있고, 제1 노드(N1)의 제2 전력은 직류 전력이다. 즉, 제1 전력 변환부(111)는 직류의 제1 전력을 다른 크기의 직류의 제2 전력으로 변환하는 컨버터의 기능을 수행하거나, 교류의 제1 전력을 직류의 제2 전력으로 변환하는 인버터의 기능을 수행할 수 있다. 제1 전력 변환부(111)는 발전 시스템(130)에서 생산되는 전력을 최대화하기 위한 최대 전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, 이하 MPPT) 제어를 수행한다. 즉, 제1 전력 변환부(111)는 최대 전력점 추종 기능을 갖는 MPPT 컨버터일 수 있다.

DC 링크부(118)는 제1 노드(N1)에 연결되며, 제1 노드(N1)의 전압 레벨을 일정한 DC 링크 전압 레벨로 유지시킨다. DC 링크부(118)는 발전 시스템(130)의 출력 전압의 변동, 상용 계통(140)의 순간적 전압 강하, 부하(150)의 최대 부하 발생 등으로 인하여 제1 노드(N1)의 전압 레벨이 불안정해지는 것을 방지함으로써, 제2 전력 변환부(112) 및 제3 전력 변환부(113)가 정상 동작하도록 한다. DC 링크부(118)는 제1 노드(N1)와 제2 전력 변환부(112) 사이에 병렬로 연결되는 DC 링크용 커패시터일 수 있다. DC 링크용 커패시터로는 알루미늄 전해 커패시터(Electrolytic Capacitor), 고압용 필름 커패시터(Polymer Capacitor), 고압 대전류용 적층 칩 커패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor) 등이 사용될 수 있다.

제2 전력 변환부(112)는 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제2 노드(N2)에는 상용 계통(140) 및 부하(150)가 연결된다. 제2 전력 변환부(112)는 제1 노드(N1)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 제2 노드(N2)에 전달한다. 그리고 제2 전력 변환부(112)는 제2 노드(N2)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)로 전달한다. 즉, 제2 전력 변환부(112)는 제1 노드(N1)의 직류 전력과 제2 노드(N2)의 교류 전력 간의 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 인버터의 기능을 수행할 수 있다. 제2 노드(N2)에는 상용 계통(140) 및 부하(150)로 공급하기 위한 교류 전력 또는 상용 계통(140)으로부터 공급되는 교류 전력이 형성된다.

제3 전력 변환부(113)는 제1 노드(N1)와 전력 저장장치(120) 사이에 연결된다. 제3 전력 변환부(113)는 제1 노드(N1)의 직류의 제2 전력을 전력 저장장치(120)에 저장하기 위한 직류의 제3 전력으로 변환하여 전력 저장장치(120)에 전달한다. 그리고 제3 전력 변환부(113)는 전력 저장장치(120)의 직류의 제3 전력을 직류의 제2 전력으로 변환하여 제1 노드(N1)에 전달한다. 즉, 제3 전력 변환부(113)는 제1 노드(N1)의 직류 전력과 전력 저장장치(120)의 직류 전력을 양방향으로 변환하는 양방향 컨버터의 기능을 수행할 수 있다.

제1 스위치(116)는 제2 전력 변환부(112)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제2 전력 변환부(112)와 제2 노드(N2) 사이의 전력 흐름을 차단한다. 제2 스위치(117)는 제2 노드(N2)와 상용 계통(140) 사이에 연결되며, 제2 노드(N2)와 상용 계통(140) 사이의 전력 흐름을 차단한다. 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)로는 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET), 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor, BJT) 등이 사용될 수 있다.

특히, 제2 스위치(117)는 상용 계통(140)의 이상 상황 발생시, 상용 계통(140)으로의 전력 공급을 차단하고 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)의 단독 운전을 구현한다. 제2 스위치(117)가 오프되면, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)은 상용 계통(140)과 분리되어 발전 시스템(130) 및 전력 저장장치(120)의 전력으로 단독 운전을 수행할 수 있으며, 계통 연계형 전력 저장 시스템(100)에서 출력되는 전력에 의해 상용 계통(140)이 비정상 상태에서 동작하는 것을 방지할 수 있다.

제어부(119)는 전력 관리 시스템(110)의 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(119)는 제1 전력 변환부(111)로부터 발전 시스템(130)에서 생산되는 전력 정보(전압, 전류, 온도의 센싱 신호)를 전달받고, 전력 저장장치(120)(또는 BMS)로부터 SOC, SOH 등을 포함하는 전력 저장 정보를 전달받으며, 상용 계통(140)으로부터 계통의 전압, 전류, 온도 등을 포함하는 계통 정보를 전달받는다. 제어부(119)는 발전 시스템(130)에서 생산되는 전력 정보, 전력 저장장치(120)의 전력 저장 정보, 상용 계통(140)의 계통 정보를 기반으로 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드를 제어한다. 제어부(119)는 제1 전력 변환부(111), 제2 전력 변환부(112) 및 제3 전력 변환부(113)로부터 전압, 전류, 온도의 센싱 신호를 전달받고, 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드에 따라 각 전력 변환부(111, 112, 113)의 전력 변환 효율을 제어한다. 제어부(119)는 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드에 따라 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)의 온-오프를 제어한다.

전력 관리 시스템(110)의 운전 모드는 전력 저장장치(120), 발전 시스템(130), 상용 계통(140) 및 부하(150) 중에서 2 이상 간의 전력 공급 방식에 따라 분류될 수 있다. 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드는 (1) 발전 시스템(130)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급, (2) 발전 시스템(130)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급, (3) 발전 시스템(130)에서 부하(150)로의 전력 공급, (4) 전력 저장장치(120)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급, (5) 전력 저장장치(120)에서 부하(150)로의 전력 공급, (6) 상용 계통(140)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급, (7) 상용 계통(140)에서 부하(150)로의 전력 공급을 포함한다.

(1) 발전 시스템(130)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116)로 오프 신호를 전송하여 제1 노드(N1)에서 제2 노드(N2)로의 전력 흐름을 차단한다. 발전 시스템(130)에서 생산된 제1 전력은 제1 전력 변환부(111)에서 직류의 제2 전력으로 변환되고, 제2 전력의 전압은 DC 링크부(118)에 의해 DC 링크 전압 레벨로 안정화된다. DC 링크 전압 레벨로 안정화된 제2 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 직류의 제3 전력으로 변환되어 전력 저장장치(120)에 공급되어 배터리를 충전시킨다.

(2) 발전 시스템(130)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제3 전력 변환부(113)로 오프 신호를 전송하여 제1 노드(N1)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 흐름을 차단한다. 제어부(119)는 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)에는 온 신호를 전송한다. 발전 시스템(130)에서 생산된 제1 전력은 제1 전력 변환부(111)에서 직류의 제2 전력으로 변환되고, 제2 전력의 전압은 DC 링크부(118)에 의해 DC 링크 전압 레벨로 안정화된다. DC 링크 전압 레벨로 안정화된 제2 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 상용 계통(140)으로 공급된다. 이때, 제2 전력 변환부(112)는 상용 계통(140)의 전압 및 전류의 전 고조파 왜형율(Total Harmonic Distortion, THD), 역률(power factor) 등의 전력 품질 기준에 부합하는 교류 전력을 출력한다.

(3) 발전 시스템(130)에서 부하(150)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제3 전력 변환부(113) 및 제2 스위치(117)로 오프 신호를 전송하여 제1 노드(N1)에서 전력 저장장치(120) 및 상용 계통(140)으로의 전력 흐름을 차단한다. 제어부(119)는 제1 스위치(116)에 온 신호를 전송한다. 발전 시스템(130)에서 생산된 제1 전력은 제1 전력 변환부(111)에서 직류의 제2 전력으로 변환되고, 제2 전력의 전압은 DC 링크부(118)에 의해 DC 링크 전압 레벨로 안정화된다. 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 안정화된 제2 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 부하(150)로 공급된다. 부하(150)는 상용 계통(140)의 교류 전력을 이용할 수 있으며, 제2 전력 변환부(112)는 부하(150)에서 이용하는 상용 계통(140)의 전력 품질 기준에 부합하는 교류 전력을 출력한다.

(4) 전력 저장장치(120)에서 상용 계통(140)으로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)에 온 신호를 전달한다. 전력 저장장치(120)의 출력 전압 레벨의 직류 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력으로 변환되고, DC 링크부(118)에 의해 안정화된다. 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 안정화된 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 상용 계통(140)으로 공급된다.

(5) 전력 저장장치(120)에서 부하(150)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116)에 온 신호를 전달하고, 제2 스위치(117)에 오프 신호를 전달한다. 전력 저장장치(120)의 출력 전압 레벨의 직류 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력으로 변환되고, DC 링크부(118)에 의해 안정화된다. 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨로 안정화된 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 교류 전력으로 변환되어 부하(150)로 공급된다.

(6) 상용 계통(140)에서 전력 저장장치(120)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116) 및 제2 스위치(117)에 온 신호를 전달한다. 상용 계통(140)의 교류 전력은 제2 전력 변환부(112)에서 정류되어 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력으로 변환된다. 제1 노드(N1)의 DC 링크 전압 레벨의 직류 전력은 제3 전력 변환부(113)에서 전력 저장을 위한 전압 레벨의 직류 전력으로 변환되어 전력 저장장치(120)로 공급된다.

(7) 상용 계통(140)에서 부하(150)로의 전력 공급시, 제어부(119)는 제1 스위치(116)에 오프 신호를 전달하고, 제2 스위치(117)에 온 신호를 전달한다. 상용 계통(140)의 교류 전력은 부하(150)로 공급된다.

이상에서, 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드가 전력 저장 시스템(120), 발전 시스템(130), 상용 계통(140) 및 부하(150) 간에 전력 공급 방식에 따라 분류되는 것에 대하여 설명하였으나, 상술한 전력 공급 방식은 복합적으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 전력 관리 시스템(110)의 운전 모드는 더욱 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 발전 시스템(130)에서 전력 저장장치(120) 및 부하(150)로 전력을 공급하거나, 발전 시스템(130) 및 전력 저장장치(120)에서 부하(150)로 전력을 공급할 수 있다. 또는 발전 시스템(130) 및 전력 저장장치(120)에서 상용 계통(140) 및 부하(150)로 전력을 공급할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장장치를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 전력 저장장치는 적어도 하나의 배터리 팩(210) 및 배터리 팩(210)의 충전 및 방전을 관리하는 팩 BMS(221)를 포함한다. 배터리 팩(210)은 복수개로 마련될 수 있고, 복수의 배터리 팩(210)은 배터리 랙(200)에 배열될 수 있다.

복수의 배터리 팩(210)은 직렬로 연결되어 배터리 랙(200)의 양전위 출력단(+) 및 음전위 출력단(-)에 연결될 수 있다. 양전위 출력단(+) 및 음전위 출력단(-) 각각에는 전력선이 연결된다. 직렬로 연결된 복수의 배터리 팩(210)은 양전위 출력단(+) 및 음전위 출력단(-)을 통하여 전력선으로 고전압 대전류의 전력을 출력할 수 있다. 배터리 팩(210)은 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 셀을 포함한다.

복수의 배터리 팩(210) 각각에는 팩 BMS(221)가 구비되어 각 배터리 팩(210)의 충전 및 방전을 관리하며, 복수의 팩 BMS(221)는 배터리 랙(200) 전체의 충전 및 방전을 관리하는 마스터 BMS(220)(이하, MBMS)에 연결된다.

팩 BMS(221)는 배터리 팩(210)에 포함되는 각 셀의 전압, 전류, 온도 등을 측정하여 각 셀의 SOC, SOH 등을 추정할 수 있다. 팩 BMS(221)는 추정된 각 셀의 SOC를 기반으로 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. 이때, 팩 BMS(221)는 셀 밸런싱 과정에서 셀 밸런싱 대상 셀을 방전저항에 연결시켜 방전시키는데, 방전저항의 온도가 소정의 기준온도보다 높아지지 않는 범위 내에서 방전저항의 저항값을 조절하여 셀 밸런싱 대상 셀의 방전이 빠르게 수행되도록 한다.

이하, 셀 밸런싱 과정에서 방전저항의 온도가 소정의 기준온도보다 높아지지 않는 범위 내에서 셀 밸런싱 대상 셀의 방전저항의 저항값을 조절하는 배터리 관리 시스템에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 배터리 관리 시스템은 복수의 셀에 대응하는 복수의 셀 밸런싱 회로(300), A-D 컨버터(310), AFE(Analog Front End)(320) 및 MCU(Micro Control Unit)(330)를 포함한다. 설명의 편의를 위해, 여기서는 복수의 셀에 대응하는 복수의 셀 밸런싱 회로 중 어느 하나에 대해 설명한다.

셀 밸런싱 회로(300)는 셀 밸런싱을 위해 셀(Cell)의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되는 방전저항(VR), 셀(Cell)과 방전저항(VR)을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치(SW), 방전저항(VR)의 온도를 측정하는 온도 측정부(TM), 및 셀(Cell)의 전압이 저장되는 커패시터(C1)를 포함한다.

방전저항(VR)은 셀(Cell)의 양전위 단자에 연결되는 일단 및 음전위 단자에 연결되는 타단을 포함한다. 방전저항(VR)은 MCU(330)로부터 전달되는 저항 제어신호(RC)에 따라 저항값이 가변되는 가변저항이다. 방전저항(VR)의 저항값이 감소하면 셀(Cell)에서 방전되는 전류량이 증가되고, 전류량 증가에 따라 방전저항(VR)에서의 발열량이 증가한다. 방전저항(VR)의 저항값이 증가하면 셀(Cell)에서 방전되는 전류량이 감소하고, 전류량 감소에 따라 방전저항(VR)에서의 발열량이 감소한다. 방전저항(VR)은 셀 밸런싱 과정에서 셀의 전압을 열로 소모하여 셀(Cell)을 방전시킨다.

셀 밸런싱 스위치(SW)는 MCU(330)에서 전달되는 스위치 제어신호(SC)에 따라 온-오프된다. 셀 밸런싱 스위치(SW)가 턴-온되면 셀(Cell)과 방전저항(VR)이 연결되어 셀(Cell)의 방전이 수행되고, 셀 밸런싱 스위치(SW)가 턴-오프되면 셀(Cell)과 방전저항(VR)이 분리되어 셀(Cell)의 방전이 중단된다.

온도 측정부(TM)는 방전저항의 온도(Tvr)를 측정하기 위해 방전저항(VR)에 접촉 또는 근접하여 설치될 수 있다. 온도 측정부(TM)는 방전저항 온도(Tvr)를 측정하여 MCU(330)로 전달한다. 온도 측정부(TM)는 온도에 따라 전기저항이 변하는 반도체 회로 소자인 서미스터(thermistor)로 마련될 수 있다.

커패시터(C1)는 셀(Cell)의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되어 셀(Cell)의 전압이 저장된다. MCU(330)는 커패시터(C1)에 저장된 셀(Cell)의 전압을 측정하여 배터리 팩에 포함되는 복수의 셀 중에서 셀 밸런싱이 필요한 셀을 선택한다. 각 셀(Cell)의 전압은 잘 알려진 전압계, 전류계 등을 이용하여 측정될 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략한다.

A-D 컨버터(310)는 온도 측정부(TM)에서 아날로그 신호로 전달되는 방전저항 온도(Tvr)를 디지털 신호로 변환한다. A-D 컨버터(310)는 디지털 신호로 변환된 방전저항 온도(Tvr)를 AFE(320)로 전달한다. A-D 컨버터(310)는 MCU(330)에서 전달되는 스위치 제어신호(SC)를 셀 밸런싱 스위치(SW)에 전달하고, 저항 제어신호(RC)를 방전저항(VR)에 전달한다.

AFE(320)는 A-D 컨버터(310)에서 출력되는 디지털 신호에 소정의 증폭값을 더하여 디지털 신호를 증폭한다. 즉, AFE(320)는 A-D 컨버터(310)에서 출력되는 방전저항 온도(Tvr)의 디지털 신호를 증폭하여 MCU(330)에 전달한다. AFE(320)는 MCU(330)에서 전달되는 스위치 제어신호(SC) 및 저항 제어신호(RC)를 A-D 컨버터(310)에 전달한다.

MCU(330)는 커패시터(C1)에 저장되는 셀(Cell)의 전압을 측정하여 셀 밸런싱의 수행 여부를 결정하고, 스위치 제어신호(SC)를 셀 밸런싱 스위치(SW)에 전달하여 셀 밸런싱 스위치(SW)의 온-오프를 제어한다.

MCU(330)는 온도 측정부(TM)로부터 전달되는 방전저항 온도(Tvr)가 소정의 기준온도에 근접하여 유지되도록 방전저항의 저항값을 조절한다. 즉, MCU(330)는 방전저항 온도(Tvr)가 기준온도보다 낮으면 저항 제어신호(RC)를 방전저항(VR)에 전달하여 방전저항(VR)의 저항값을 낮춘다. 방전저항(VR)의 저항값이 낮아짐에 따라 셀(Cell)로부터 흐르는 전류량이 증가한다. 그리고 MCU(330)는 방전저항 온도(Tvr)가 기준온도보다 높으면 저항 제어신호(RC)를 방전저항(VR)에 전달하여 방전저항(VR)의 저항값을 높인다. 방전저항(VR)의 저항값이 높아짐에 따라 셀(Cell)로부터 흐르는 전류량이 감소한다. 기준온도는 방전저항(VR)의 스트레스 규정 온도(예를 들어, 70℃) 또는 방전저항(VR)의 스트레스 규정 온도보다 소정치 낮은 온도(예를 들어, 60℃)로 정해질 수 있다.

예를 들어, MCU(330)는 방전저항 온도(Tvr)에 대한 기준온도를 60℃로 정하고, 측정된 방전저항 온도(Tvr)가 40℃이면 방전저항(VR)의 저항값을 낮추어 셀(Cell)로부터 흐르는 전류량을 증가시킬 수 있다. MCU(330)는 온도 측정부(TM)에서 측정되는 방전저항 온도(Tvr)를 지속적으로 모니터링하여 방전저항 온도(Tvr)가 기준온도 60℃를 넘어서는 시점에서 방전저항(VR)의 저항값을 높여서 셀(Cell)로부터 흐르는 전류량을 감소시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, MCU(330)는 복수의 셀의 전압을 측정하여 셀 밸런싱이 필요한 셀의 셀 밸런싱 스위치(SW)에 셀 밸런싱 스위치를 턴-온시키는 제1 스위치 제어신호(SC)를 전달하여 셀 밸런싱 스위치(SW)를 턴-온시킨다(S110). MCU(330)는 복수의 셀 간의 전압 차이가 소정의 허용범위(예를 들어, 30mV)를 초과하면 셀 밸런싱을 수행한다. 이때, MCU(330)는 복수의 셀 중에서 전압이 상대적으로 높은 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 선택한다. 셀 밸런싱 스위치(SW)가 턴-온되면, 셀과 방전저항(VR)이 연결되고 셀의 전압이 방전저항(VR)에 의해 소모되어 셀 방전이 수행된다. 셀로부터 흐르는 전류량에 따라 방전저항 온도(Tvr)가 증가한다.

온도 측정부(TM)는 방전저항 온도(Tvr)를 측정한다(S120). 온도 측정부(TM)는 측정된 방전저항 온도(Tvr)를 MCU(330)에 전달한다.

MCU(330)는 방전저항 온도(Tvr)와 기준온도(Tref)를 비교한다(S130).

MCU(330)는 방전저항 온도(Tvr)가 기준온도(Tref)보다 낮으면 방전저항(VR)의 저항값을 낮추기 위한 제1 저항 제어신호(RC)를 방전저항(VR)에 전달하여 방전저항(VR)의 저항값을 낮춘다(S140). 방전저항(VR)의 저항값이 낮아지면 셀로부터 방전저항(VR)으로 흐르는 전류량이 증가하고 셀 방전이 빠르게 수행된다.

MCU(330)는 방전저항 온도(Tvr)가 기준온도(Tref)보다 높으면 방전저항(VR)의 저항값을 높이기 위한 제2 저항 제어신호(RC)를 방전저항(VR)에 전달하여 방전저항(VR)의 저항값을 높인다(S150). 방전저항(VR)의 저항값이 높아지면 셀로부터 방전저항(VR)으로 흐르는 전류량이 감소하고 방전저항 온도(Tvr)를 낮출 수 있다.

MCU(330)는 주기적 또는 필요에 따라 복수의 셀의 전압을 측정하여 셀 밸런싱을 종료할 것인지 여부를 판단한다(S160).

MCU(330)는 복수의 셀 간의 전압차가 셀 밸런싱 종료 조건에 해당하면 셀 밸런싱이 수행되고 있는 셀의 셀 밸런싱 스위치(SW)에 셀 밸런싱 스위치를 턴-오프시키는 제2 스위치 제어신호(SC)를 전달하여 셀 밸런싱 스위치(SW)를 턴-오프시킨다(S170). 예를 들어, 셀 밸런싱 종료 조건은 복수의 셀 간의 전압차가 10mV 이하인 경우로 정해질 수 있다.

MCU(330)는 복수의 셀 간의 전압차가 셀 밸런싱 종료 조건에 해당하지 않으면, 방전저항 온도(Tvr) 측정, 방전저항(VR)의 저항값 조절 과정을 지속적으로 수행한다.

이와 같이, 방전저항(VR)을 가변저항으로 마련하고, 방전저항 온도(Tvr)가 소정의 기준온도에 근접하여 유지되도록 방전저항(VR)의 저항값을 낮춤으로써, 셀 밸런싱이 필요한 셀(Cell)에서의 방전이 빠르게 수행될 수 있다. 즉, 배터리의 셀 밸런싱이 빠르게 수행될 수 있으며, 배터리의 출력이 안정적으로 유지될 수 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 계통 연계형 전력 저장 시스템
110 : 전력 관리 시스템
120 : 전력 저장장치
130 : 발전 시스템
140 : 상용 계통
150 : 부하
300 : 셀 밸런싱 회로
310 : A-D 컨버터
320 : AFE(Analog Front End)
330 : MCU(Micro Control Unit)

Claims

셀 밸런싱을 위하여 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되는 방전저항;
상기 셀과 상기 방전저항을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치;
상기 방전저항의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
상기 온도 측정부에서 측정된 상기 방전저항의 온도가 기준온도로 유지되도록 상기 방전저항의 저항값을 조절하는 MCU(Micro Control Unit)를 포함하고,
상기 기준온도는 상기 방전저항의 스트레스 규정 온도인 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 낮으면 상기 방전저항의 저항값을 낮추어 상기 셀로부터 흐르는 전류량을 증가시키는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 높으면 상기 방전저항의 저항값을 높여서 상기 셀로부터 흐르는 전류량을 감소시키는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 방전저항은 상기 셀의 양전위 단자에 연결되는 일단 및 상기 셀의 음전위 단자에 연결되는 타단을 포함하는 가변저항인 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 MCU는 상기 셀 밸런싱 스위치의 온-오프를 제어하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 방전저항의 온도를 디지털 신호로 변환하여 상기 MCU로 전달하는 컨버터를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 온도 측정부는 상기 방전저항에 접촉 또는 근접하여 설치되는 서미스터(thermistor)인 배터리 관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되어 상기 셀의 전압이 저장되는 커패시터를 더 포함하는 배터리 관리 시스템.
셀과 방전저항을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치를 턴-온시키는 단계;
상기 방전저항의 온도를 측정하는 단계;
상기 방전저항의 온도와 기준온도를 비교하는 단계; 및
상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 낮으면 상기 방전저항의 저항값을 낮추고, 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 높으면 상기 방전저항의 저항값을 높이는 단계를 포함하고,
상기 기준온도는 상기 방전저항의 스트레스 규정 온도인 배터리 관리 방법.
제9 항에 있어서,
셀 밸런싱 스위치를 턴-온시키는 단계는,
상기 셀을 포함하는 복수의 셀의 전압을 측정하는 단계;
상기 복수의 셀 간의 전압차가 소정의 허용범위를 초과하면 상기 복수의 셀 중에서 전압이 상대적으로 높은 셀을 셀 밸런싱이 필요한 셀로 선택하는 단계; 및
상기 셀 밸런싱이 필요한 셀의 셀 밸런싱 스위치를 턴-온시키는 단계를 포함하는 배터리 관리 방법.
제9 항에 있어서,
상기 셀을 포함하는 복수의 셀의 전압을 측정하여 상기 복수의 셀 간의 전압차가 소정의 셀 밸런싱 종료 조건에 해당하면 상기 턴-온된 셀 밸런싱 스위치를 턴-오프시키는 단계를 더 포함하는 배터리 관리 방법.
복수의 셀을 포함하는 배터리 팩; 및
상기 복수의 셀에 대응하는 복수의 셀 밸런싱 회로 및 MCU를 포함하는 배터리 관리 시스템을 포함하고,
상기 복수의 셀 밸런싱 회로 각각은,
셀 밸런싱을 위하여 대응하는 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되는 방전저항;
상기 대응하는 셀과 상기 방전저항을 연결시키는 셀 밸런싱 스위치; 및
상기 방전저항의 온도를 측정하는 온도 측정부를 포함하고,
상기 MCU는 상기 온도 측정부에서 측정된 상기 방전저항의 온도가 기준온도로 유지되도록 상기 방전저항의 저항값을 조절하고,
상기 기준온도는 상기 방전저항의 스트레스 규정 온도인 전력 저장 장치.
제12 항에 있어서,
상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 낮으면 상기 방전저항의 저항값을 낮추어 상기 대응하는 셀로부터 흐르는 전류량을 증가시키는 전력 저장 장치.
제12 항에 있어서,
상기 MCU는 상기 방전저항의 온도가 상기 기준온도보다 높으면 상기 방전저항의 저항값을 높여서 상기 대응하는 셀로부터 흐르는 전류량을 감소시키는 전력 저장 장치.
제12 항에 있어서,
상기 MCU는 상기 셀 밸런싱 스위치의 온-오프를 제어하는 전력 저장 장치.
제12 항에 있어서,
상기 방전저항은 상기 대응하는 셀의 양전위 단자에 연결되는 일단 및 상기 대응하는 셀의 음전위 단자에 연결되는 타단을 포함하는 가변저항인 전력 저장 장치.
제12 항에 있어서,
상기 온도 측정부는 상기 방전저항에 접촉 또는 근접하여 설치되는 서미스터인 전력 저장 장치.
제12 항에 있어서,
상기 복수의 셀 밸런싱 회로 각각은,
상기 대응하는 셀의 양전위 단자 및 음전위 단자에 연결되어 상기 대응하는 셀의 전압이 저장되는 커패시터를 더 포함하는 전력 저장 장치.