KR101262265B1 - 전기에너지 저장장치 충전 시스템 - Google Patents

전기에너지 저장장치 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기에너지 저장장치 충전 시스템에 관한 것으로서, DC 전원을 공급하는 DC 전원부; 다수의 전기에너지 저장장치 그룹을 포함하는 에너지 저장 유닛; 상기 DC 전원부와 상기 에너지 저장 유닛 사이에 설치되어 상기 에너지 저장 유닛을 충전 및 방전시키는 기능을 수행하며, 상기 다수의 전기에너지 저장장치 그룹에 대응되게 설치되어 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 및 방전 동작을 수행하는 다수의 충전기를 포함하는 충전 유닛; 및 상기 다수의 충전기의 동작을 제어하는 중앙 관리 장치를 포함하는 전기에너지 저장장치 충전 시스템이 제공된다.

Description

전기에너지 저장장치 충전 시스템 {Electric energy storage charging system}
본 발명은 전기에너지 저장장치 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동종 또는 이종의 전기에너지 저장장치 예를 들면, 배터리 또는 슈퍼캡, 콘덴서, NAS 전지 등의 전기에너지 저장장치를 다수의 전지에너지 저장장치 그룹으로 구분하고, 각 그룹별로 자동 충전 및 방전을 제어하여 대용량의 전기에너지 저장장치를 구현하기 위한 전기에너지 저장장치 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전기에너지 저장장치를 충전하는 방식은 전기에너지 저장뱅크에 그 용량에 맞는 충전기를 설치하는 방식이다. 도 1은 종래 기술에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템의 개략 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 충전 시스템은 DC 전원부(1), 대용량 충전기(2), 대용량 전기에너지 저장장치(3) 및 제어부(4)를 포함한다. 대용량 충전기(2)는 DC 전원부(1)로부터 전원을 입력받아 대용량 전기에너지 저장장치(3)를 충전하거나, 대용량 전기에너지 저장장치(3)를 방전시키는 역할을 수행한다. 제어부(4)는 대용량 전기에너지 저장장치(3)의 충전 상태에 따라 대용량 충전기(2)의 동작을 제어한다.
이러한 대용량 전기에너지 저장장치의 경우, 대용량 전기에너지 저장장치를 구현하기 위하여, 다수의 전기에너지 저장장치를 직렬, 병렬 또는 그 조합으로 연결하여 하나의 전기에너지 저장장치 모듈을 형성하여 사용한다. 그러나, 각각의 전기에너지 저장장치 특성이 다르기 때문에 직,병렬로 연결되어있는 전기에너지 저장장치의 충전 및 방전 특성은 다르게 나타난다. 따라서, 전기에너지 저장장치의 충전 및 방전 회수가 증가할 수록 전기에너지 저장장치간의 용량 편차가 심화되는 문제점이 발생한다. 이러한 전기에너지 저장장치간의 편차를 줄이기 위한 방안으로 전기에너지 저장장치 관리 시스템(Battery Management System; BMS)을 사용하기도 하지만, 이러한 전기에너지 저장장치 관리 시스템은 제어하려하는 용량이 증가하게 되면 처리해야할 데이터가 많아지고, 하드웨어의 크기 및 비용도 증가하게 된다.
그리고, 케이블 임피던스와 내부 저항 및 온도 등에 의해서 영향을 받는 불평형 분담전류는 전기에너지 저장뱅크가 커지면 커질수록 더욱 크게 나타난다.
또한, 충전기 용량을 증대시켜야 하며, 다른 종류 및 생산일자(LOT)가 다른 전기에너지 저장장치의 추가가 용이하지 않으며, 유지 보수가 어렵다는 문제점이 있다.
대용량 충전기를 구현하기 위하여 중용량의 충전기를 병렬로 연결하여 사용하기도 하지만 위와 같은 비슷한 문제는 야기될 수 밖에 없다. 현재 연구진행중인 마이크로 그리드나 DC 배전 선로에서 여러 종류의 전기에너지 저장뱅크가 연계가 될 때 DC 배전 전압의 외란을 야기시킬수가 있다. 일반적인 충전 시스템은 상위 제어기에 의해 충방전 지령을 받아 충방전을 시작하나, 이는 부하의 변동이나 속응성을 따라가기에는 역부족이어서 DC 전압의 외란을 야기시킬수 있다는 문제점이 있다.
또한, 충전할 때는 전기에너지 저장장치의 전압이 기준이 되고, 방전할 때는 DC 전원부가 기준이 되기 때문에 DC 전원부의 외란은 피할 수가 없다.
한국공개특허 제1020010037400호 (배터리관리장치)
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기에너지 저장장치를 다수의 전기에너지 저장장치 그룹으로 구분하고, 각 그룹별로 전기에너지 저장장치의 특성에 맞게 충전 및 방전을 제어하여 충전기의 입력단의 DC 전원부(배전선로)의 전압을 일정하게 유지하는 대용량의 전기에너지 저장장치 그룹을 관리하기 위한 전기에너지 저장장치 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 각 전기에너지 저장장치 그룹간의 전압편차를 고려하여 각 전기에너지 저장장치 그룹별로 충전 및 방전을 제어하여, 전기에너지 저장장치의 수명을 연장시킬 수 있으며, 각 충전기의 충방전 전압제어기의 기준값을 충전기의 입력전압으로 산정함과 제어의 피드백 전압을 중앙관리장치에서 받음으로써 DC 전원부의 전압을 안정화할 수 있는 전기에너지 저장장치 충전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, DC 전원을 공급하는 DC 전원부; 다수의 전기에너지 저장장치 그룹을 포함하는 에너지 저장 유닛; 상기 DC 전원부와 상기 에너지 저장 유닛 사이에 설치되어 상기 에너지 저장 유닛을 충전 및 방전시키는 기능을 수행하며, 상기 다수의 전기에너지 저장장치 그룹에 대응되게 설치되어 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 및 방전 동작을 수행하는 다수의 충전기를 포함하는 충전 유닛; 및 상기 다수의 충전기의 동작을 제어하는 중앙 관리 장치를 포함하는 전기에너지 저장장치 충전 시스템이 제공된다.
상기 각 충전기는 상기 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 및 방전을 수행하는 충전 방전부; 및 상기 중앙 관리 장치로부터 전달되는 제어 신호에 따라 상기 충전 방전부의 동작을 제어하는 충전 방전 제어부를 포함하며, 상기 중앙 관리 장치는 상기 각 충전 방전 제어부의 동작을 제어한다.
상기 각 충전기는 상기 각 전기에너지 저장장치 그룹의 에너지 저장장치의 충전 전압과 충전기의 입력 전압값을 측정하여 상기 중앙 관리 장치로 전송하는 전압 센서와, 상기 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 전류와 방전 전류를 측정하여 상기 중앙 관리 장치로 전송하는 전류 센서를 포함하는 센서부를 더 포함한다.
상기 중앙 관리 장치는 상기 각 충전기의 입력 전압 기준값과, 상기 센서부로부터 수신한 상기 측정된 입력 전압값을 비교하여 상기 각 충전 방전 제어부의 동작을 제어한다. 중앙관리 장치에서 측정된 값과 각 충전기에서 전달된 입력 전압값의 차에 따라 입력 전압 기준값은 변동되어 케이블 임퍼던스에의한 전압 강하를 보상할 수 있다.
상기 중앙 관리 장치는 상기 각 충전기의 입력 전압 기준값과, 상기 측정된 입력 전압값을 상기 각 충전 방전 제어부로 전송하고, 상기 각 충전 방전 제어부는 상기 입력 전압 기준값 보다 상기 중앙 관리 장치에서 측정된 입력 전압값이 적으면 상기 충전 방전부가 방전 동작을 수행하도록 제어하고, 그 반대의 경우에는 충전 동작을 수행하도록 제어하여 부하의 응답성을 향상 시키면서, 중앙 관리 장치에서 측정된 DC 전원부의 값을 각 충전기에 전달하여 제어에 사용함으로써 각 충전기의 센서 오차로 인하여 발생할 수 있는 불평형 전압을 방지하여 DC 전원부의 안정화시킬 수 있다.
상기 각 충전기는 상기 각 전기에너지 저장장치 그룹에 미리 정해진 정격 전압과 전류이상으로 동작 되는 것을 방지하기 위한 포화 전압전류 제어기를 더 포함한다. 포화 전압전류 제어기는 정격이하에서는 동작을 하지 않지만(1의 값), 정격이상에서는 1미만의 값을 제어기 출력에 곱하여 출력전압전류제어기 값을 감소하는 형태로 구성되어 정격이상의 전압 전류가 흐르지 않도록 한다.
본 발명에서와 같이, 전기에너지 저장뱅크를 다수의 전기에너지 저장장치 그룹으로 구분하고, 각 전기에너지 저장장치 그룹별로 전기에너지 저장장치의 특성에 맞게 충전 및 방전을 제어하여 보다 용이하게 대용량의 전기에너지 저장장치를 구현할 수 있다.
그리고, 각 전기에너지 저장장치 그룹간의 전압편차를 고려하여 각 전기에너지 저장장치 그룹별로 충전 및 방전을 제어하여 전기에너지 저장장치의 수명을 연장시키는 효과를 얻는다.
전기에너지 저장장치 그룹간의 전압 편차가 발생해도 전체 전기에너지 저장장치 시스템에는 영향이 미미하고, 충전기 용량을 소형화할 수 있다.
또한, 특성이 다른 전기에너지 저장장치를 사용할 수 있으며, 유지 보수가 간단하다.
마이크로 그리드나 신재생원이 같은 DC 전원부를 공유하고 있고, DC 전원부의 부하에 따른 DC 전원부의 DC 전압의 안정화시킬수 있어 DC 전원부를 이용하는 다른 부하에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다. 또한 중앙제어를 통하여 각 충전기의 안정되고 균등한 전력 사용을 함으로써 전기에너지 저장장치 관리의 안정화를 도모할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 충전기의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템의 충전기의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템의 개략적인 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 충전기의 개략적인 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템은 DC 전원부(100), 충전 유닛(200), 에너지 저장 유닛(300) 및 중앙 관리 장치(400)를 포함한다.
DC 전원부(100)는 에너지 저장 유닛(300)에 충전되는 충전 전압을 제공하거나 DC전원의 잉여전력을 다시 AC전원쪽으로 환원하는 기능을 수행한다. DC 전원부(100)는 신재생 에너지원을 이용한 발전장치로부터 출력되는 전원을 공급받아 DC 전원을 제공하거나 또는 상용 전원으로부터 공급받은 AC 전원을 입력받아 DC 전원으로 변환시켜서 출력할 수도 있다.
에너지 저장 유닛(300)은 다수의 전기에너지 저장장치 그룹 즉, 제1 전기에너지 저장장치 그룹(310), 제2 전기에너지 저장장치 그룹(320),...,제N 전기에너지 저장장치 그룹(330)으로 구성된다.
충전 유닛(200)은 DC 전원부(100)와 에너지 저장 유닛(300) 사이에 설치되며, 에너지 저장 유닛(300)을 충전 및 방전하는 기능을 수행한다. 충전 유닛(200)은 다수의 충전기 즉, 제1 충전기(210), 제2 충전기(220),...,제N 충전기(230)로 구성된다. 각 충전기는 각 전기에너지 저장장치 그룹에 대응되게 설치되어, 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 및 방전 동작을 수행한다. 즉, 제1 충전기(210)는 제1 전기에너지 저장장치 그룹(310)의 충전 및 방전 동작을 수행하며, 제N 충전기(230)는 제N 전기에너지 저장장치 그룹(330)의 충전 및 방전 동작을 수행한다.
각 충전기는 충전 방전부와 충전 방전 제어부로 구성된다. 도 3을 참조하면, 제N 충전기(230)는 제N 충전방전부(231)와 제N 충전 방전 제어부(233)를 포함한다. 제N 충전방전부(231)는 제N 전기에너지 저장장치 그룹(330)의 충전 및 방전을 수행한다. 제N 충전 방전 제어부(233)는 중앙 관리 장치(400)로부터 전달되는 제어 신호에 따라 제N 충전방전부(231)의 동작을 제어한다.
중앙 관리 장치(400)는 각각의 충전 방전 제어부를 제어하는 기능을 수행한다. 중앙 관리 장치(400)는 각 전기에너지 저장장치 그룹의 상태 정보를 분석하여 각 전기에너지 저장장치 그룹의 입력전원 기준값과 입력전원 측정값을 각 충전기의 충전 방전 제어부로 전달하며, 각 충전기의 충전 방전 제어부는 중앙 관리 장치(400)로부터 수신한 데이터에 따라 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 또는 방전 동작을 수행한다.
각 충전 방전 제어부와 중앙 관리 장치(400)는 다양한 통신 방식을 이용하여 연결되며, 상호가 데이터 및 제어 신호의 전송이 가능하도록 구성된다.
각 충전 방전 제어부는 각 전기에너지 저장장치 그룹에 관한 정보, 예를 들면 잔존 용량, 충전 방전 전압, 충전 방전 전류, 온도 등에 관한 정보를 수집하고, 수집된 정보를 중앙 관리 장치(400)로 전송한다. 중앙 관리 장치(400)는 각 충전 방전 제어부에서 전송한 각 전기에너지 저장장치 그룹의 정보에 기초하여 각 전기에너지 저장장치 그룹의 상태를 판단한 후, 전기에너지 저장장치 그룹의 상태에 따라 선택적으로 전기에너지 저장장치 그룹의 입력전압 기준값을 제어한다, 즉, 충전 또는 방전 동작의 온/오프를 제어한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템의 충전기의 개략적인 구성도이다. 본 실시예는 위의 실시예와 비교하여 각 충전기의 구성이 상이하며 나머지 구성은 동일한 바, 이하에서는 상이한 구성을 위주로 상술한다.
도 4를 참조하면, 제N 충전기(230)는 제N 충전방전부(231), 제N 충전 방전 제어부(233), 제N 센서부(237) 및 제N 포화전압전류 제어기(239)를 포함한다.
제N 충전방전부(231)는 제N 전기에너지 저장장치 그룹(330)의 충전 및 방전을 수행한다. 제N 충전방전부(231)는 DC 전원부(100)로부터 DC 전원을 공급받아 해당 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 전압으로 변환시켜 충전을 수행하거나 또는 전기 에너지 저장장치에 저장된 전원을 방전 전압으로 변환시켜 출력하는 기능을 수행한다.
제N 충전 방전 제어부(233)는 중앙 관리 장치(400)로부터 전달되는 입력전압 기준값과 DC 전원부의 전압값에 따라 충전인지 방전인지를 결정하여 제N 충전방전부(231)의 동작을 제어한다.
제N 센서부(237)는 전압 센서(237a)와 전류 센서(237b)를 포함한다. 전압 센서(237a)는 제N 전기에너지 저장장치 그룹(330)의 충전 전압과 입력 전압값 또는 방전전압을 측정하여 상기 중앙 관리 장치(400)로 전송하며, 전류 센서(237b)는 제N 전기에너지 저장장치 그룹(330)의 충전 전류와 방전 전류를 측정하여 상기 중앙 관리 장치(400)로 전송한다.
제N 포화 전압전류 제어기(239)는 각 전기에너지 저장장치 그룹에 미리 정해진 정격 전류이상의 전류가 흐르는 것을 방지한다.
중앙 관리 장치(400)는 상기 각 충전기의 입력 전압 기준값과, 센서부로부터 수신한 측정된 입력 전압값을 비교하여 각 충전 방전 제어부의 동작을 제어한다. 제N 충전 방전 제어부(233)는 중앙 관리 장치(400)의 입력전압 기준값과 수신된 입력전압값에 따라 제N 충전방전부(231)의 충전 또는 방전 동작을 제어한다.
즉, 중앙 관리 장치(400)는 각 충전기의 입력 전압 기준값과, 측정된 입력 전압값을 충전 방전 제어부로 전송하고, 각 충전기의 충전 방전 제어부는 입력 전압 기준값 보다 전송된 입력 전압값이 적으면 부가 방전 동작을 수행하도록 제어하고, 그 반대의 경우에는 충전 동작을 수행하도록 제어한다.
한편, 중앙 관리 장치(400)는 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 전압편차를 균등하게 하고 충전 속도를 높이기 위하여, 각 전기에너지 저장장치 그룹을 소정 충전 전압까지 충전을 수행한 후, 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 순서를 미리 결정하여, 그 충전 순서대로 충전을 수행하도록 제어할 수 있다.
즉, 중앙 관리 장치(400)는 충전 방전 제어부로부터 전송되는 전기에너지 저장장치 그룹의 상태 정보를 판단하여 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 상태를 확인한다. 미리 결정된 소정 충전 전압까지 충전이 수행되지 않은 경우에는 충전 우선 순위에 따라 전기에너지 저장장치 그룹을 소정 충전 전압까지 충전을 수행한다. 한편, 전체 전기에너지 저장장치 그룹이 미리 결정된 소정 충전 전압까지 충전이 완료된 경우에는 미리 정해진 충전 순서대로 각 전기에너지 저장장치 그룹을 완전 충전시키도록 각 충전 방전 제어부에 제어 신호를 전달한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전기에너지 저장장치 충전 시스템의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100 : DC 전원부
200 : 충전 유닛
300 : 에너지 저장 유닛
400 : 중앙 관리 장치

Claims (7)

  1. 전기에너지 저장장치 충전 시스템에 있어서,
    DC 전원을 공급하는 DC 전원부;
    다수의 전기에너지 저장장치 그룹을 포함하는 에너지 저장 유닛;
    상기 DC 전원부와 상기 에너지 저장 유닛 사이에 설치되어 상기 에너지 저장 유닛을 충전 및 방전시키는 기능을 수행하며, 상기 다수의 전기에너지 저장장치 그룹에 대응되게 설치되어 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 및 방전 동작을 수행하는 다수의 충전기를 포함하는 충전 유닛; 및
    상기 다수의 충전기의 동작을 제어하는 중앙 관리 장치를 포함하며,
    상기 각 충전기는,
    상기 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 및 방전을 수행하는 충전방전부; 상기 중앙 관리 장치로부터 전달되는 제어 신호에 따라 상기 충전방전부의 동작을 제어하는 충전 방전 제어부; 및 상기 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 전압과 입력 전압값을 측정하여 상기 중앙 관리 장치로 전송하는 전압 센서와, 상기 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 전류와 방전 전류를 측정하여 상기 중앙 관리 장치로 전송하는 전류 센서를 포함하는 센서부를 포함하며,
    상기 중앙 관리 장치는 상기 충전 방전 제어부로부터 전송되는 전기에너지 저장장치 그룹의 상태 정보를 판단하여 각 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 상태를 확인하여, 미리 결정된 충전 전압까지 충전이 완료되지 않은 경우, 각 전기에너지 저장장치 그룹을 미리 결정된 충전 전압까지 충전을 수행하며, 미리 결정된 충전 전압까지 충전이 완료된 경우에는 정해진 충전 순서대로 각 전기에너지 저장장치 그룹을 완전 충전시키도록 각 충전 방전 제어부에 제어 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 충전방전부는 상기 DC 전원부로부터 DC 전원을 공급받아 해당 전기에너지 저장장치 그룹의 충전 전압으로 변환시켜 충전을 수행하거나 또는 전기 에너지 저장장치 그룹에 저장된 전원을 방전 전압으로 변환시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 충전 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 관리 장치는 상기 각 충전기의 입력 전압 기준값과, 상기 센서부로부터 수신한 상기 측정된 입력 전압값을 비교하여 상기 각 충전 방전 제어부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 충전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중앙 관리 장치는 상기 각 충전기의 입력 전압 기준값과, 상기 측정된 입력 전압값을 상기 각 충전 방전 제어부로 전송하고, 상기 각 충전기의 충전 방전 제어부는 상기 입력 전압 기준값 보다 상기 측정된 입력 전압값이 적으면, 부가 방전 동작을 수행하도록 제어하고, 그 반대의 경우에는 충전 동작을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각 충전기는,
    상기 각 전기에너지 저장장치 그룹에 미리 정해진 정격 전압이나 정격 전류이상의 전력이 흐르는 것을 방지하기 위한 포화 전압전류 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기에너지 저장장치 충전 시스템.




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